司鵬 梁冬坡 陳凱華 羅傳軍

1 天津市氣象信息中心，天津 300074

2 天津市氣候中心，天津 300074

1 引言

一直以來，與高速發(fā)展的綜合氣象觀測系統(tǒng)自身矛盾的是，觀測資料的應用水平明顯滯后，主要原因是資料本身的質(zhì)量問題（李慶祥,2011）。在實際觀測中由于臺站遷移、儀器變更等不可避免地造成長期觀測資料存在非均一性問題，導致缺乏檢測區(qū)域或局地氣候變化規(guī)律及預測未來氣候變化趨勢的可靠觀測依據(jù)。均一化是解決氣候資料非均一性的重要技術手段，通過剔除數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)偏差，保留真實的氣候變化特征（Rahimzadeh and Zavareh,2014; Hewaarachchi et al.,2017）。全球變暖已然成為國內(nèi)外社會各界的共識，由此衍生的氣候變化以及極端氣候變化研究相繼增多（Li et al.,2012; Lin and Franzke,2015; Guan et al.,2017; Ding et al.,2018）。但不少研究并沒有對直接使用的觀測資料進行進一步的均一化處理（王曉利和侯西勇,2017;陳銳杰等,2018; 張揚等,2018），這對于研究結(jié)果和結(jié)論可能造成一定的偏差。近年來，我國氣象工作者對氣候資料的均一化研究取得顯著成果（李慶祥等,2012; 遠芳等,2015; 朱亞妮等,2015; 楊溯等,2016）。但是在對各個站點資料的前期處理中，前人的研究中并沒有考慮臺站自身業(yè)務變革導致的非均一性，造成許多不必要的斷點訂正（司鵬和徐文慧,2015; Si et al.,2018）。另外，隨著我國氣象業(yè)務現(xiàn)代化發(fā)展，區(qū)域自動站觀測系統(tǒng)已步入成熟階段，相比國家級氣象觀測站，其具有站點覆蓋密的優(yōu)勢，能夠全面系統(tǒng)地捕捉到局地氣候變化特點。但目前來看，區(qū)域自動站的觀測資料并沒有在氣候變化分析中被很好的利用，主要原因還是資料的質(zhì)量和觀測時間長度問題導致。

為此，司鵬和徐文慧（2015）通過改進原始資料的預處理、參考序列的建立方法以及序列斷點的訂正原則等均一化處理技術，剔除遷站、儀器變更、自動站業(yè)務化應用等因素在氣溫序列中的突變影響，建立了能夠反映天津地區(qū)真實氣候變化特征的均一化氣溫數(shù)據(jù)集。同時，為充分發(fā)揮區(qū)域自動站觀測資料的氣候價值，其通過多源數(shù)據(jù)整合技術，對天津3類數(shù)據(jù)源的280個區(qū)域自動站小時氣溫數(shù)據(jù)進行整合，建立了系統(tǒng)完整的長時間尺度地面定時基礎數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品的研制解決了當前天津地區(qū)氣象業(yè)務現(xiàn)代化和精細化對高時空分辨率、高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的需求，研發(fā)技術為天津氣象資料的集約化管理奠定了基礎。天津作為我國北方最大的沿海開放城市，近年來在實現(xiàn)京津冀協(xié)同發(fā)展新格局的背景下，調(diào)整及優(yōu)化了城市布局和空間結(jié)構(gòu)，這勢必會造成新城、城鄉(xiāng)接合部、重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)等區(qū)域的改造和快速崛起，但隨之也帶來了城市化進程的不利影響（如氣候變暖等）。目前，已有研究針對城市化導致的天津局地氣溫增暖進行了分析和探討，顯著的城市和鄉(xiāng)村氣溫差已被證明（郭軍等,2009; 劉德義等,2010; 孟丹等,2013），但同樣，這些研究均是基于未經(jīng)過均一化處理的資料，并且城鄉(xiāng)臺站的劃分均為簡單人為定義的單站，或者以人口為依據(jù)的簡單劃分，對定量檢測城市化導致的天津局地氣溫增暖影響存在一定的不確定性。

因此，本文擬利用研制的具有局地特點的天津均一化歷史氣溫數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以及經(jīng)過整合的天津區(qū)域自動站定時觀測氣溫數(shù)據(jù)，對天津近60年平均溫度和極端溫度變化進行分析，揭示以天津為代表的京津冀地區(qū)城市化發(fā)展導致的氣溫趨勢變化特點及其幅度。以此為我國城市化快速發(fā)展的典型區(qū)域或局地氣候變化分析提供參考依據(jù)，同時為制定科學對策來減緩和適應氣候變化帶來的不利影響提供基礎支撐。

2 資料與方法

2.1 資料

研究中用到的地面基礎資料有兩類，均由天津市氣象信息中心提供。一類是天津均一化歷史氣溫數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的具體處理過程參見司鵬和徐文慧（2015），選取13個國家站1951～2017年逐日平均、最低和最高氣溫數(shù)據(jù)，用于天津平均溫度和極端溫度變化分析，其中，1951～2012年的資料源自司鵬和徐文慧（2015）得到的均一化數(shù)據(jù)產(chǎn)品，2013～2017年時段資料為原始逐日觀測資料；另一類是天津定時觀測氣溫整合數(shù)據(jù)產(chǎn)品，選取280個區(qū)域自動站2008～2016年小時氣溫數(shù)據(jù)，作為劃分城鄉(xiāng)臺站類型的依據(jù)之一。兩類基礎資料的臺站分布如圖1所示。在城鄉(xiāng)臺站劃分中，還用到MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）反演地表溫度數(shù)據(jù)MOD11A2地表溫度（http://ladsweb.nascom.nasa.gov[2019-08-01]），該產(chǎn)品為MODIS陸地產(chǎn)品中3級V005版標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km，時間分辨率為8 d，選取時間段為2014年1月1日至12月31日。

2.2 研究方法

2.2.1 定時觀測氣溫整合數(shù)據(jù)產(chǎn)品

該產(chǎn)品是基于全國綜合氣象信息數(shù)據(jù)共享平臺（CIMISS）、氣象資料業(yè)務系統(tǒng)（MDOS）以及省級自動站實時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)3類數(shù)據(jù)庫實時質(zhì)控后的地面氣溫觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)整合、融合序列檢驗、質(zhì)量控制等得到的天津區(qū)域自動站相對完整、時間序列較長且質(zhì)量較高的小時氣溫資料。

2.2.1.1 數(shù)據(jù)整合及融合序列檢驗

數(shù)據(jù)整合過程中，綜合3類業(yè)務系統(tǒng)資料質(zhì)控技術的先進性以及數(shù)據(jù)庫存儲資料的時間長度，對每段時期主要基礎數(shù)據(jù)源進行選取，得到2008～2013年的數(shù)據(jù)源以CIMISS為主，2014～2017年以MDOS為主，省級質(zhì)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作為2011～2017年期間缺測資料的補充數(shù)據(jù)源。同時，為保證整合數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性，對CIMISS和MDOS數(shù)據(jù)源在2013～2017年重合時間段做融合序列檢驗。檢驗方法參照楊溯等（2016）在研制全球降水數(shù)據(jù)集用到的多源數(shù)據(jù)對比融合技術，包括一致率檢驗、相關系數(shù)檢驗、均值t檢驗和方差F檢驗，其中的閾值標準根據(jù)天津地面觀測資料的實際情況設置。保留同時通過4個檢驗的整合序列，否則予以剔除。

2.2.1.2 整合數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制

研究中通過氣候異常值檢驗、空間一致性檢驗對上述整合后的小時氣溫數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，對每一步檢驗出并確定的錯誤值進行置缺處理。

圖1 天津地面氣象觀測站的地理分布（綠色代表國家站，紅色代表區(qū)域自動站）Fig.1 Geographical distribution of surface observation stations in Tianjin (solid green circles represent the national-level stations and solid red circles represent the regional automatic stations)

（1）氣候異常值檢驗：

其中，xij代表被檢驗的小時氣溫值，為被檢驗小時值所在日值序列的平均值， σ為被檢驗小時值所在日值序列的標準差，n=3～5。這里為驗證檢驗效果，分別對倍數(shù)n=3～5進行試驗分析，通過對輸出的3～5倍標準差的檢驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)5倍標準差沒有檢測出疑誤數(shù)據(jù)，3倍標準差檢驗出的疑誤數(shù)據(jù)大多被認為是可信的，因此，最終選取n=4。

（2）空間一致性檢驗：

其中，Zi為被檢站的標準化小時氣溫值，和σij分別為參考站的對應被檢站小時值所在標準化日值序列的氣溫平均值和標準差。同樣為驗證檢驗效果，分別對參考站數(shù)量（5和20）以及n=3～5標準差倍數(shù)進行試驗分析，依據(jù)空間距離分別選取被檢站周邊鄰近的5個和20個站，利用算術平均擬合參考站。對2種數(shù)量的參考站均進行3～5倍標準差的檢驗，通過分析得到，20個站疑誤數(shù)據(jù)的檢驗結(jié)果均多于5個站的，但大多為可信的，而5個站的基本包含20個站中的疑誤數(shù)據(jù)，因此，最終選取參考站數(shù)量為5個且n=5。

2.2.2 城鄉(xiāng)臺站類型劃分

研究中基于定時觀測氣溫整合數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對2008～2016年小時氣溫數(shù)據(jù)進行月值和年值統(tǒng)計，根據(jù)逐年氣溫變化的空間分布結(jié)合天津地面觀測站所在環(huán)境的實際情況對13個國家站城鄉(xiāng)臺站類型進行劃分。由于天津各區(qū)域自動站建站時間不同，依據(jù)臺站數(shù)量和氣溫資料的完整性，主要對2010年、2012～2016年氣溫年值的分布情況進行比較分析。利用區(qū)域自動站觀測資料來評估城市化影響，在前人研究中是有所嘗試的（Kim and Baik,2005）。

如圖2所示，由整合定時氣溫數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到天津地區(qū)的年平均氣溫基本呈逐年增暖變化，這與天津近年來城市化發(fā)展導致的氣候變化特點一致（蔣明卓等,2015），同時也說明了基于3類數(shù)據(jù)庫整合后數(shù)據(jù)的可靠性。從逐年氣溫的空間分布來看，天津北部山區(qū)的低值區(qū)（薊州）和中心城區(qū)的高值區(qū)（市臺）均較為明顯，市區(qū)四郊（東麗、津南、天津、北辰）和塘沽濱海區(qū)均呈現(xiàn)較強的增暖變化，并且隨著時間推移中心城區(qū)的高值區(qū)逐年擴張，而北部山區(qū)的低值區(qū)逐年縮小。其中表現(xiàn)最為明顯的是2014年氣溫變化（圖2d），其逐月氣溫的空間分布也呈現(xiàn)出相同的變化特點（圖3），特別是冬季（圖3a）和夏季（圖3c）月份。因此，這里主要依據(jù)2014年區(qū)域自動站整合氣溫數(shù)據(jù)的空間分布特點，結(jié)合13個國家站所在探測環(huán)境（表1），對其城鄉(xiāng)臺站類型進行劃分，結(jié)果如表1所示。

同時，為得到客觀準確的劃分結(jié)果，作為對比研究中也給出利用MODIS反演地表溫度數(shù)據(jù)的臺站類型劃分結(jié)果。選用 Si et al.（2014）用到的華北五?。ū本⑻旖?、河北、山西、內(nèi)蒙）410個國家站作為劃分基礎，對整個華北五省共拼接46副數(shù)字圖像（2014年1月1日至12月31日，每8 d一期產(chǎn)品），根據(jù)城市熱島效應原理（IPCC,2001），計算每幅圖像中各個氣象站周圍2 km范圍分別與 10、15、20、25、30、35、40 和 50 km范圍內(nèi)地表平均溫度的差值，對其進行算術平均。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，每個氣象站8個半徑范圍差值幅度基本一致，因此，分別以各站8個半徑范圍差值幅度的算術平均作為閾值，劃分原則參照Si et al.（2014）。即：（1）閾值≥2.0，均定義為“城市站”；（2）1.0≤閾值<2.0，并且臺站所在環(huán)境為“市區(qū)”或“集鎮(zhèn)”或“城鎮(zhèn)”，定義為“城市站”；（3）除了（1）、（2）情況之外的，均定義為“鄉(xiāng)村站”。結(jié)果如表1所示。

表1 天津13個國家站元數(shù)據(jù)和臺站類型劃分信息Table 1 Metadata and distribution of urban-rural stations information at 13 national-level meteorological stations in Tianjin

圖2 天津區(qū)域自動站整合氣溫數(shù)據(jù)年值空間分布：（a）2010 年；（b）2012 年；（c）2013 年；（d）2014 年；（e）2015 年；（f）2016年Fig.2 Spatial distribution of annual values of integrated temperature data at the automatic observation station in Tianjin in (a) 2010,(b) 2012,(c)2013,(d) 2014,(e) 2015,and (f) 2016

圖3 2014 年天津區(qū)域自動站整合氣溫數(shù)據(jù)月值空間分布：（a）1 月；（b）4 月；（c）7 月；（d）10 月Fig.3 Spatial distribution of monthly values of integrated temperature data at the automatic observation station in (a) January,(b) April,(c) July,and(d) October 2014 in Tianjin

通過比較得到，僅市臺（54517）、天津（54527）、北辰（54528）和津南（54622）4個臺站類型劃分結(jié)果不一致。從臺站實際情況來看，MDOIS數(shù)據(jù)的劃分結(jié)果是不合理的：（1）市臺站（54517）位于市區(qū)繁華地帶，受城市化影響較為嚴重；（2）對于天津站（54527），考慮到該站是作為天津整個天氣氣候狀況的地面觀測代表站，將其定義為鄉(xiāng)村站是不妥當?shù)?；?）北辰（54528）和津南（54622）2個站均為環(huán)城四郊站，由于城鎮(zhèn)化發(fā)展影響，造成2個站周圍環(huán)境已經(jīng)不符合氣象探測標準，目前已經(jīng)在遷址過程中。所以，這4個站均應劃分為城市站。對于出現(xiàn)劃分結(jié)果的不一致，這里考慮原因有如下幾點：（1）遙感反演產(chǎn)品部分區(qū)域值缺測和產(chǎn)品精度等客觀問題，以及不同天氣條件下城市熱島效應強弱的影響；（2）閾值2 km范圍的選取，對于過去位于城郊繁華地帶的臺站，因遷站搬離至郊區(qū)，造成周圍多為農(nóng)田或荒地的鄉(xiāng)村下墊面，取值2 km作為基準來對比更大半徑范圍的地表溫度會導致臺站劃分結(jié)果的偏差（如54527站）；（3）臺站經(jīng)緯度的測量誤差等造成MODIS數(shù)據(jù)圖像上定位的偏差，導致下墊面判斷有誤（如54517站）。

因此，從上述分析來看，利用區(qū)域自動站整合數(shù)據(jù)產(chǎn)品結(jié)合元數(shù)據(jù)的臺站類型劃分結(jié)果是符合客觀事實的，能夠為本文的研究結(jié)論提供可靠基礎。根據(jù)表1中資料起始年限，研究中選取時間序列相對較長的薊州（54428）、市臺（54517）、武清（54523）、寶坻（54525）、東麗（54526）、天津（54527）、北辰（54528）、靜海（54619）和塘沽（54623）9個站作為研究對象，并且通過主分量（PCA）分析（Li et al.,2004）構(gòu)建天津整個地區(qū)、城市和鄉(xiāng)村區(qū)域的距平序列來進行年（季節(jié)）平均氣溫和極端氣溫變化分析，該方法在中國東北部（司鵬等,2010a）、北京（司鵬等,2009）、深圳（司鵬等,2010b）等地區(qū)的區(qū)域平均溫度序列建立中均得到很好的應用效果。城市化對天津地區(qū)的增暖影響擬利用擬合的城市區(qū)域與鄉(xiāng)村區(qū)域氣溫趨勢變化差值表示。城市化增暖貢獻利用城鄉(xiāng)區(qū)域氣溫趨勢變化差值與整個天津區(qū)域趨勢變化的比值表示。

3 天津近60年氣溫增暖趨勢變化分析

3.1 年尺度變化分析

表2 給出 IPCC（2001）、Trenberth et al.（2007）、IPCC（2013）3次評估報告及中國氣候變化藍皮書（中國氣象局氣候變化中心,2018）統(tǒng)計得到的近百年或近60多年全球、亞洲及中國區(qū)域平均氣溫增暖幅度。根據(jù)表2列出的IPCC和中國氣候變化藍皮書各個統(tǒng)計時段的時間節(jié)點，研究中分別統(tǒng)計了天津整個區(qū)域、城市和鄉(xiāng)村區(qū)域1959～2000年、1959～2005年、1959～2012年、1959～2017年的年、季節(jié)平均氣溫趨勢變化（表3～7）。

如表3所示，天津整個區(qū)域4個時段的氣溫均呈顯著上升趨勢，分別為 0.322°C/10 a、0.350°C/10 a、0.317°C/10 a、0.348°C/10 a，增溫幅度分別達1.35°C、1.65°C、1.71°C、2.05°C，均高于表2 給出的全球、亞洲及中國區(qū)域百年（或近60多年）年平均氣溫的升高幅度。從各個時段趨勢對比來看，氣溫逐年增暖較為明顯，但相比1959～2005年，1959～2012年上升幅度有所下降，而1959～2017年又逐漸升高。據(jù)李慶祥等（2006）研究表明，1998年是1951～2005年中國氣溫最暖年份。同樣，1998年也是天津地區(qū)1959～2012年期間的最暖年份，相對全序列均值偏暖1.10°C。近年來，1998～2012年出現(xiàn)的全球變暖停滯（global warming hiatus）現(xiàn)象備受科學界的廣泛關注，對該現(xiàn)象及其影響因子的研究結(jié)論也是存在很大爭議（Gleisner et al.,2015; Medhaug and Drange,2016; Amaya et al.,2018）。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，天津整個區(qū)域1998～2012 年氣溫變化趨勢為?0.437°C/10 a（通過α=0.05顯著性水平檢驗），從統(tǒng)計角度來看，同樣出現(xiàn)了明顯的增暖變緩現(xiàn)象。但是從整體發(fā)展趨勢來看（表3），與全球大背景氣候變化一致（表2中IPCC的3次評估報告），天津地區(qū)的氣溫增暖趨勢仍在持續(xù)上升，近60年（1959～2017年）的平均氣溫升高幅度（2.05°C）（表3）大于同一時期中國區(qū)域的氣溫變化（1.61°C）（表2）。

表2 IPCC 3次評估報告及中國氣候變化藍皮書統(tǒng)計的氣溫增暖變化Table 2 Temperature warming change from the three IPCC reports and the Blue Book on Climate Change in China

表3 天津地區(qū) 1959～2000 年、1959～2005年、1959～2012年、1959～2017年年平均氣溫變化趨勢Table 3 Trend changes of the regional annual mean temperature in Tianjin covering 1959 –2000,1959 –2005,1959–2012,and 1959–2017

從城鄉(xiāng)對比來看（表3），城市化導致的天津地區(qū)年平均氣溫增暖是逐年增加的，4個時段城鄉(xiāng)差 值 分 別 為 0.012°C/10 a、 0.013°C/10 a、 0.015°C/10 a、 0.018°C/10 a， 即 城 市 化 增 暖 分 別 達0.05°C、0.06°C、0.08°C、0.11°C，增暖貢獻分別達3.73%、3.71%、4.73%、5.17%。另外，研究中也統(tǒng)計了1959～2017年天津城鄉(xiāng)區(qū)域最高、最低氣溫變化趨勢，結(jié)果顯示，城鄉(xiāng)區(qū)域年平均最低氣溫趨勢增暖幅度（0.497°C/10 a、0.527°C/10 a）均為最高氣溫（0.189°C/10 a、0.158°C/10 a）的 3 倍左右（均通過 α =0.05顯著性水平檢驗），表現(xiàn)出明顯的城市化導致的區(qū)域或局地氣溫增暖變化特點（IPCC,2001），即最低氣溫的增暖趨勢幅度最大，平均氣溫次之，最高氣溫相對最?。↙i et al.,2004;Zhou et al.,2004）。

3.2 季節(jié)尺度變化分析

從表4～7給出的季節(jié)氣溫變化來看，與年平均氣溫一致（表3），天津整個區(qū)域4個時段季節(jié)氣溫均呈顯著增暖趨勢變化（均通過 α =0.05顯著性水平檢驗，除表4夏季外），其中，冬季上升幅度相對最大，4個時段分別為 0.584°C/10 a（表4）、0.599°C/10 a（表5）、0.473°C/10 a（表6）、0.485°C/10 a（表7），分別升高了2.45°C、2.82°C、2.55°C、2.86°C，明顯高于對應年平均氣溫的上升幅度，春季次之，夏秋季相對最小。而除了秋季以外，1998年并不是各個季節(jié)1959～2012年期間的最暖年份，并且通過統(tǒng)計得到，各個季節(jié)1998～2012年氣溫減少趨勢均沒有通過 α =0.05顯著性水平檢驗。說明從長期趨勢變化來看，1998～2012年變暖停滯現(xiàn)象在天津地區(qū)的各個季節(jié)尺度中并不具有代表性。

表4 1959～2000年天津地區(qū)季節(jié)平均氣溫變化趨勢Table 4 Trend changes of the regional season mean temperature in Tianjin during 1959–2000

表5 1959～2005年天津地區(qū)季節(jié)平均氣溫變化趨勢Table 5 Trend changes of the regional season mean temperature in Tianjin during 1959–2005

表6 1959～2012年天津地區(qū)季節(jié)平均氣溫變化趨勢Table 6 Trend changes of regional season mean temperature in Tianjin during 1959–2012

表7 1959～2017年天津地區(qū)季節(jié)平均氣溫變化趨勢Table 7 Trend changes of the regional season mean temperature in Tianjin covering 1959–2017

從城鄉(xiāng)對比來看（表4～7），4個時段均表現(xiàn)出顯著的城市化增暖現(xiàn)象（均通過 α =0.05顯著性水平檢驗，除表4夏季外），但從冬季的城鄉(xiāng)差值能夠看出，鄉(xiāng)村區(qū)域的城市化發(fā)展速度明顯快于城市區(qū)域。主要原因可能是，近年來天津新城、城鄉(xiāng)接合部、重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)等鄉(xiāng)村區(qū)域的改造和快速崛起，造成下墊面由原有的自然環(huán)境（如農(nóng)田、綠地等）發(fā)生了根本的變化。人工建筑物、構(gòu)筑物高度集中，以水泥、瀝青、金屬板等堅硬密實、干燥不透水的建筑材料，代替了原來疏松和植物覆蓋的土壤或空曠的荒地，加之人類活動影響（空調(diào)取暖、高密度聚居、高強度的經(jīng)濟活動等），從而導致這些鄉(xiāng)村區(qū)域相對老城區(qū)（城市區(qū)域）表現(xiàn)出了幅度較大的增暖趨勢（周淑貞和束炯,1994）。研究中統(tǒng)計了1959～2017年冬季最高和最低氣溫城鄉(xiāng)區(qū)域的趨勢變化，結(jié)果顯示，城鄉(xiāng)區(qū)域冬季最低氣溫的趨勢增暖幅度（0.709°C/10 a、0.787°C/10 a）均為最高氣溫（0.210°C/10 a、0.198°C/10 a）的 3 倍以上（均通過 α =0.05顯著性水平檢驗），其中，鄉(xiāng)村區(qū)域冬季最低氣溫的上升趨勢幅度比城市區(qū)域更為突出，其他季節(jié)的最低氣溫亦是如此。

4 天津近60年極端氣溫變化分析

4.1 年尺度變化分析

極端溫度事件指標采用世界氣象組織指數(shù)專家組（ETCCDMI）（Peterson et al.,2001）推薦使用的7個溫度指數(shù)（表8），來描述天津地區(qū)不同極端溫度事件出現(xiàn)的頻率、變化幅度等特征。選取1981～2010年作為代表某一臺站氣溫要素超過氣候閾值的極端指數(shù)標準值。

如表8所示，天津地區(qū)4個時段的年平均極端最低氣溫（TNn）均表現(xiàn)出顯著的增加趨勢，但極端最高氣溫（TXx）的增加趨勢并不顯著。同樣，這些變化特點也體現(xiàn)在城鄉(xiāng)區(qū)域，除此之外，從城鄉(xiāng)對比來看（表8中的差值），4個時段的城市區(qū)域TNn增加幅度均小于鄉(xiāng)村區(qū)域，而TXx則相反，城市區(qū)域TXx增加（減少）幅度要大于（小于）鄉(xiāng)村區(qū)域。所以，不難看出，天津地區(qū)極端氣溫增暖趨勢在時間尺度上是較為顯著的，并且鄉(xiāng)村區(qū)域表現(xiàn)的更為明顯。

圖4給出利用魯棒局部權重回歸得到的天津地區(qū)年平均TN10p、TN90p、TX10p及TX90p的平滑曲線。該方法是一種非參數(shù)回歸方法，不拘泥于任何理論上的數(shù)學函數(shù)，用來平滑等間距（或非等間距）分布的時間序列或散點圖，能夠在魯棒擬和過程中有效地避免異常值對平滑曲線的歪曲，可以很好的描述變量之間關系的細微變化（Cleveland,1979）。如圖所示，天津地區(qū)4個時段的冷事件（TN10p、TX10p）均表現(xiàn)出明顯的減少趨勢，而暖事件（TN90p、TX90p）均表現(xiàn)出明顯的增加趨勢。從變化幅度來看（表8），冷晝?nèi)諗?shù)（TX10p）和暖晝?nèi)諗?shù)（TX90p）日數(shù)變化均遠遠小于冷夜日數(shù)（TN10p）和暖夜日數(shù)（TN90p），表現(xiàn)出日極端事件的趨勢變化幅度小于夜極端事件，尤其是冷事件的趨勢幅度相差極大，導致溫度日較差（DTR）的顯著減小。4個時段年平均DTR趨勢減少幅度分別達?0.357°C/10 a、?0.362°C/10 a、?0.371°C/10 a、?0.337°C/10 a。IPCC AR3（2001）曾指出 DTR 的大幅度減少是表征城市熱島對地面氣溫增暖影響的主要原因之一，而城市熱島效應更是城市化影響的表現(xiàn)特征之一。同樣，城鄉(xiāng)區(qū)域的DTR均呈顯著減少趨勢，4個時段均達到了?0.3°C/10 a以上。從城鄉(xiāng)對比來看（表8中的差值），鄉(xiāng)村區(qū)域的DTR減少幅度均大于城市區(qū)域，4個時段分別達到0.070°C/10 a、0.048°C/10 a、0.051°C/10 a、0.065°C/10 a（均通過 α =0.05顯著性水平檢驗）。

表8 天津地區(qū)年平均極端溫度指數(shù)變化趨勢Table 8 Trend changes of the annual temperature extremes in Tianjin

圖4 天津地區(qū)年平均（a）冷夜日數(shù)TN10p、（b）暖夜日數(shù)TN90p、（c）冷晝?nèi)諗?shù)TX10p、（d）暖晝?nèi)諗?shù)TX90p極端事件1959～2000年、1959～2005年、1959～2012年和1959～2017年低通濾波平滑曲線Fig.4 Lowest filter smoothing for the regional annual temperature extremes for (a) cold nights (TN10p),(b) warm nights (TN90p),(c) cold days(TX10p),and (d) warm days (TX90p) during 1959–2000,1959–2005,1959–2012,and 1959–2017 in Tianjin

4.2 季節(jié)尺度變化分析

如圖5所示，天津地區(qū)4個時段季節(jié)TNn均呈顯著增加趨勢（通過 α =0.05顯著性水平檢驗），其中，冬季最為明顯（圖5d）。對于TXx來說，春秋季趨勢幅度增加明顯（圖5a、5c）（除1959～2000年以外），但除4個時段的秋季和1959～2017年春秋季變化幅度顯著外，其他均不顯著。從城鄉(xiāng)差值來看（表略），鄉(xiāng)村區(qū)域的TNn增加幅度明顯大于城市區(qū)域，特別是冬季，4個時段的城鄉(xiāng)差值均在0.1°C/10 a以上。另外，從圖5還可以看出，4個時段各季節(jié)TN10p、TN90p、TX10p及TX90p趨勢變化特點均與對應年尺度一致（圖4），同樣表現(xiàn)出了夜極端事件（TN10p、TN90p）遠遠大于日極端事件（TX10p、TX90p）的特點，導致各季節(jié)DTR均呈顯著減少趨勢，特別是冬季，減少幅度分別達?0.526°C/10 a、?0.579°C/10 a、?0.560°C/10 a、?0.540°C/10 a。從城鄉(xiāng)對比來看（表略），鄉(xiāng)村區(qū)域各季節(jié)DTR減少幅度均比城市區(qū)域明顯，4個時段城鄉(xiāng)冬季DTR趨勢差值分別達0.050°C/10 a、0.052°C/10 a、0.064°C/10 a、0.087°C/10 a（均通過 α =0.05顯著性水平檢驗）。因此，結(jié)合上述分析，更加說明了天津鄉(xiāng)村區(qū)域受城市化影響的突出性。

5 結(jié)論和討論

本文利用均一化的逐日氣溫觀測資料，基于定時觀測氣溫整合數(shù)據(jù)對城鄉(xiāng)臺站的劃分結(jié)果，分析了天津地區(qū)近60年平均溫度、極端溫度事件及城市化影響導致的氣溫增暖變化特征及其幅度，得到以下結(jié)論：

圖5 天津地區(qū)1959～2000年、1959～2005年、1959～2012年和1959～2017年季節(jié)平均極端溫度指數(shù)趨勢變化：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季Fig.5 Regional trend changes of the seasonal extreme temperature indexes in Tianjin for (a) spring,(b) summer,(c) autumn,and (d) winter during 1959–2000,1959–2005,1959–2012,and 1959–2017 in Tianjin

（1）1959～2000年、1959～2005年、1959～2012年、1959～2017年4個時段天津地區(qū)的年平均氣溫均呈顯著上升趨勢變化，升高幅度分別達1.35°C、1.65°C、1.71°C、2.05°C，均高于 IPCC的3次評估報告和中國藍皮書給出的全球、亞洲及中國區(qū)域百年（或近60多年）年平均氣溫的升高幅度。其中，冬季上升幅度相對最大，分別為2.45°C、2.82°C、2.55°C、2.86°C。

（2）從城鄉(xiāng)對比來看，城市化導致的天津地區(qū)年平均氣溫增暖是逐年增強的，4個時段分別達0.05°C、 0.06°C、 0.08°C、 0.11°C， 增 暖 貢 獻 達3.73%、3.71%、4.73%、5.17%。對于冬季來說，鄉(xiāng)村區(qū)域的增暖幅度明顯大于城市區(qū)域，并且其年和其他季節(jié)最低氣溫的上升幅度均比城市區(qū)域更為突出。

（3）對于極端氣溫變化來說，天津地區(qū)4個時段的年平均TNn和TXx均表現(xiàn)出趨勢增加變化，日極端事件（TX10p、TX90p）的趨勢變化幅度遠遠小于夜極端事件（TN10p、TN90p），導致日較差（DTR）的顯著減小，4個時段分別達?0.357°C/10 a、 ?0.362°C/10 a、 ?0.371°C/10 a、 ?0.337°C/10 a。這些變化特點同樣表現(xiàn)在季節(jié)尺度上，特別是冬季。并且通過城鄉(xiāng)對比發(fā)現(xiàn)，城市化對鄉(xiāng)村區(qū)域的年和季節(jié)極端溫度增暖影響表現(xiàn)的更為明顯。

氣候資料的均一化研究并不是一成不變的，需要在實踐應用中不斷進行探索，改進研究方法和技術手段，最終才能得到相對可靠的均一化數(shù)據(jù)產(chǎn)品（Si et al.,2019）。本研究所采用的均一化逐日氣溫數(shù)據(jù)是結(jié)合天津局地氣象站實際情況，通過改進均一化研究技術中的不足而得到的，一定程度上增強了研究結(jié)論的可靠性。本文的分析一方面肯定了前人對局地平均氣溫和極端氣溫的研究結(jié)論，如局地氣溫增暖的共識；另一方面本文還得出了一些新的結(jié)論，如城市化導致的區(qū)域或局地氣溫增暖變化，不僅僅是城市氣候的顯著特征，更是一個地方發(fā)展程度的代表，因為從觀測事實來看，天津地區(qū)的城市化對鄉(xiāng)村區(qū)域的平均氣溫和極端氣溫增暖影響相對城市區(qū)域更為突出；另外，對于增暖停滯現(xiàn)象，從統(tǒng)計角度，在天津地區(qū)年尺度的溫度變化中有所體現(xiàn)，但是在季節(jié)尺度變化中并不顯著，說明目前的觀測數(shù)據(jù)并不足以支持或否定天津地區(qū)變暖停滯的結(jié)論，而出現(xiàn)的年尺度氣溫變化可能主要是由于大背景氣候系統(tǒng)內(nèi)部（如北大西洋濤動、太平洋十年濤動、大西洋多年代振蕩等）的相互作用導致的階段性升溫變緩或氣溫降低所致（Guan et al.,2017）。因此，通過本文的研究分析能夠?qū)μ旖虻貐^(qū)的氣溫增暖變化及其城市化影響給予新的認識。