江銘諾，李冠毅,3，何婉文，王沛東，李舒文

(1.廣東省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，廣東 廣州 510641；2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029；3.南雄市氣象局，廣東 韶關(guān) 512000)

1 引 言

近代以來(lái)，全球氣候系統(tǒng)正經(jīng)歷一次以氣候變暖為主要特征的明顯變化，各種極端氣候事件頻發(fā)，其頻率和強(qiáng)度的改變給人類(lèi)社會(huì)的安全穩(wěn)定發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重沖擊[1]。因此，對(duì)于極端氣候變化事件的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，Salameh等[2]運(yùn)用基于WMO推薦的以及綜合估算后適用于當(dāng)?shù)氐墓灿?jì)16種新舊極端氣溫指數(shù)對(duì)黎凡特地區(qū)(巴以地區(qū))的時(shí)空變化研究表明該區(qū)暖系列指數(shù)呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，這種變化與北海-里海氣候模式關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。部分研究[3-7]運(yùn)用極端氣溫指數(shù)對(duì)美國(guó)、意大利、塞爾維亞和蒙古的研究顯示近幾十年這些地區(qū)的暖系列極端氣溫指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，冷系列極端氣溫指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而肯尼亞地區(qū)的暖系列和冷系列極端氣溫指數(shù)卻呈現(xiàn)上升的變化趨勢(shì)。Poudel等[8]對(duì)尼泊爾地區(qū)的極端氣溫指數(shù)研究表明，部分極端氣溫指數(shù)的變化與熱島效應(yīng)有較強(qiáng)的相關(guān)性。

廣州地處華南南部近海、廣東中南部、珠江三角洲北緣，是國(guó)家戰(zhàn)略粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的核心城市、一帶一路倡議的樞紐城市。改革開(kāi)放以來(lái)廣州市的城市面積快速擴(kuò)張，城市人口增加明顯，隨著城市的下墊面條件變得更加復(fù)雜以及全球變暖的大背景下[9]，廣州市的各類(lèi)極端天氣事件頻發(fā)[10]，給當(dāng)?shù)氐姆€(wěn)定發(fā)展和安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。廣州作為一座常住人口超過(guò)1 800萬(wàn)人的超大城市，研究明確各類(lèi)極端氣候事件的變化規(guī)律以保障城市的安全穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。前人對(duì)包含廣州地區(qū)的極端氣溫指數(shù)研究往往研究的區(qū)域尺度過(guò)大，例如研究中國(guó)沿海區(qū)域[11]、華南地區(qū)[18]以及整個(gè)珠江流域[12]的極端氣溫指數(shù)變化，由于區(qū)域跨度過(guò)大，不同區(qū)域[18-32]、流域[12-17]、城市[33-39]或者地形[40-42]之間內(nèi)部包括的氣候類(lèi)型較為復(fù)雜，存在一定的空間差異，因此其極端氣溫指數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)于內(nèi)部的某些熱點(diǎn)區(qū)域往往不具有良好的代表性。且其時(shí)間尺度往往集中于1960年以后[20-27]，絕大部分研究集中于對(duì)極端氣溫指數(shù)年尺度的研究，缺少對(duì)于月尺度的極端氣溫指數(shù)的變化研究。本研究通過(guò)對(duì)廣州國(guó)家基本氣象站近70 a的年月尺度極端氣溫指數(shù)變化特征分析，以期為當(dāng)?shù)貞?yīng)對(duì)氣候變化保障安全生活生產(chǎn)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

2 資料與方法

本研究中選取了廣州國(guó)家基本氣象站1951—2020年的逐日最高氣溫和最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東省氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史氣象數(shù)據(jù)根據(jù)廣東省各個(gè)國(guó)家站的歷史地面氣象記錄月報(bào)表[43]經(jīng)過(guò)多次人工審核后，再采用臺(tái)站極值檢查、氣候閾值檢查和內(nèi)部一致性檢查的質(zhì)量控制方法檢查后錄入[44]，具有較高的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。由于近幾十年廣州城市面積的快速擴(kuò)張[45-46]，廣州國(guó)家基本氣象站共發(fā)生過(guò)4次遷站，臺(tái)站的數(shù)據(jù)基本情況見(jiàn)表1。在進(jìn)行極端氣溫指數(shù)計(jì)算前，運(yùn)用基于R語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的RClimDex程序?qū)V州站近70 a的逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行異常值和離群值的篩選，該站的數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的情況，也沒(méi)有檢測(cè)到異常值，對(duì)于出現(xiàn)的210個(gè)離群值(超出對(duì)應(yīng)日期氣溫平均值三倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù))再次翻閱臺(tái)站的月報(bào)表并核對(duì)周邊國(guó)家站氣溫記錄進(jìn)行區(qū)域一致性檢查，并未發(fā)現(xiàn)異常。

表1 臺(tái)站和數(shù)據(jù)基本情況

本研究的極端氣溫指數(shù)定義采用WMO氣候變化委員會(huì)(CCI)的氣候變化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和指標(biāo)專(zhuān)家組(ETCCDI)基于全球氣候研究計(jì)劃(WCRP)及氣候變化和可預(yù)測(cè)性計(jì)劃(CLIVAR)確定的氣候變化檢測(cè)指數(shù)[8,16]。該氣候變化檢測(cè)指數(shù)由16個(gè)極端氣溫指數(shù)組成，由于廣州地處中亞熱帶季風(fēng)氣候和南亞熱帶季風(fēng)氣候的過(guò)渡區(qū)域，熱量較為充足，近70 a中僅有2 d的霜凍日數(shù)FD0出現(xiàn)，冰凍日數(shù)ID0沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)，作物生長(zhǎng)季日數(shù)GSL的討論也意義不大，因此本研究?jī)H對(duì)余下的13個(gè)極端氣溫指數(shù)展開(kāi)研究。同時(shí)廣州地區(qū)夏季氣候較為炎熱，WMO推薦的暖指標(biāo)較適用于溫帶地區(qū)，因此本研究在計(jì)算逐日最高最低氣溫上下95%分位數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣州本地的實(shí)際情況，新增加了兩個(gè)極端氣溫指數(shù)酷熱日數(shù)SU35和非常熱夜日數(shù)TR26，相關(guān)指數(shù)的定義見(jiàn)表2。由于極值極端氣溫指數(shù)與平均最高氣溫TMAXmean和平均最低氣溫TMINmean的相關(guān)性較強(qiáng)，因此本文在研究中也將TMAXmean和TMINmean的變化趨勢(shì)加以比較分析，以期找出其與極值極端氣溫指數(shù)變化的異同。研究過(guò)程中注意到RClimDex計(jì)算的相對(duì)指數(shù)為百分?jǐn)?shù)，為了便于研究將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)時(shí)間的天數(shù)。為了探究不同基期的選擇對(duì)于相對(duì)指數(shù)計(jì)算結(jié)果差異的影響，研究中采用不同的基期即1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年作為輸入基期選擇。對(duì)于計(jì)算出來(lái)的極端氣溫指數(shù)采用線性趨勢(shì)法、距平及累積距平法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法等方法對(duì)廣州地區(qū)極端氣溫事件的變化特征進(jìn)行研究。

表2 極端氣溫指數(shù)定義

3 結(jié)果與分析

3.1 閾值極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，夏日日數(shù)SU25、酷熱日數(shù)SU35、熱夜日數(shù)TR20和非常熱夜日數(shù)TR26均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，SU25、SU35和TR26的上升趨勢(shì)均達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，上升速率分別為2.76 d/(10 a)、3.56 d/(10 a)和3.41 d/(10 a)，TR20的上升速率為1.66 d/(10 a)，從上升速率來(lái)看，新的指標(biāo)酷熱日數(shù)和非常熱夜日數(shù)較夏日日數(shù)和熱夜日數(shù)上升更為明顯，新的指標(biāo)更能反映氣候變暖的大背景下，廣州地區(qū)的晝夜體感炎熱日數(shù)的變化情況，從某種意義上可以表征該地區(qū)夏季日間和夜間大部分人群需要使用輔助降溫設(shè)備的日數(shù)在近70 a出現(xiàn)了明顯的增加。SU25、SU35、TR20和TR26的歷年均值分別為232 d、12 d、190 d和26 d。從距平和累積距平來(lái)看，SU25、SU35、TR20和TR26的年際波動(dòng)較大，其中SU35和TR26在其累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)以后波動(dòng)更大；SU25和SU35大致以1996年為界，1996年之前累積距平表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，表明這段時(shí)間夏日日數(shù)和酷熱日數(shù)較歷年均值普遍偏少，1996年之后累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明這段時(shí)間夏日日數(shù)和酷熱日數(shù)出現(xiàn)了明顯的增加；TR20和TR26大致以1986年為界，1986年之前累積距平表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，表明這段時(shí)間熱夜日數(shù)和非常熱夜日數(shù)較歷年均值普遍偏少，1996年之后累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明這段時(shí)間熱夜日數(shù)和非常熱夜日數(shù)出現(xiàn)了明顯的增加。由此可以推斷1986年和1996年前后是閾值極端氣溫指數(shù)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可能是突變發(fā)生年。

圖1 1951—2020年廣州地區(qū)閾值極端氣溫指數(shù)(夏日日數(shù)(a)、酷熱日數(shù)(b)熱夜日數(shù)(c)和非常熱夜日數(shù)(d))時(shí)間變化趨勢(shì)

3.2 年、月尺度極值極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)

表3匯總了計(jì)算的各月TMAXmean、TMINmean和極值氣溫指數(shù)的線性變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)月平均最高氣溫TMAXmean在夏季(6—8月)出現(xiàn)了顯著的上升，季均達(dá)到了0.19℃/(10 a)，9月和10月也有較為明顯的上升趨勢(shì)；月平均最低氣溫TMINmean在6月、7月和11月出現(xiàn)了較為明顯的上升；月最高氣溫TXx在夏季(6—8月)出現(xiàn)了顯著的上升(P＜0.001)，季均達(dá)到了0.31℃/(10 a)，2月、4月、5月、9月和10月也有較為明顯的上升趨勢(shì)(P＜0.01)，表明近70 a廣州地區(qū)氣候?qū)W意義上的整個(gè)夏天(4—10月)月TXx較其它季節(jié)上升更為明顯，夏季的極端高溫上升更為劇烈；各月的逐日最高氣溫最小值TXn變化不明顯，大部分月份有較弱的上升趨勢(shì)；各月的最低氣溫TNn在最冷月1月和最熱月7月出現(xiàn)了明顯的上升；各月的逐日最低氣溫最大值TNx在2—6月和11月上升較為明顯，其它月份變化不明顯。

表3 月尺度極值極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì) 單位：℃/(10 a)。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，年平均最高氣溫TMAXmean、年平均最低氣溫TMINmean、年最高氣溫TXx、年逐日最高氣溫最小值TXn、年最低氣溫TNn、年逐日最低氣溫最大值TNx均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，TMAXmean、TMINmean、TXx和TNx的上升趨勢(shì)均達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，上升速率分別為0.16℃/(10 a)、0.13℃/(10 a)、0.20℃/(10 a)和0.22℃/(10 a)，TXn和TNn的上升速率分別為0.22℃/(10 a)和0.26℃/(10 a)。從上升速率來(lái)看，年尺度的TXx和TNn均較TMAXmean和TMINmean要大，表明廣州地區(qū)極端高溫和低溫的上升更為明顯。TMAXmean、TMINmean、TXx、TXn、TNn、TNx和DTR的歷年均值分別為26.6℃、19.0℃、36.8℃、8.1℃、2.8℃、28.0℃和7.6℃。從距平和累積距平來(lái)看，TMAXmean、TMINmean、TXx、TXn、TNn和TNx的年際波動(dòng)較大；TMAXmean、TMINmean和其它四種極值氣溫指數(shù)大致以1985年為界，1985年之前累積距平表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，表明TMAXmean、TMINmean和極值極端氣溫較歷年均值呈現(xiàn)普遍偏低的態(tài)勢(shì)，1985年之后累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明這段時(shí)間TMAXmean、TMINmean和極值極端氣溫出現(xiàn)了明顯的增加，因此相比較歷年均值呈現(xiàn)普遍偏高的態(tài)勢(shì)。由此可以推斷1985年前后是極值極端氣溫指數(shù)變化的明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可能是突變發(fā)生的年份。由于廣州地處北半球的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，因此TXx和TNx只可能出現(xiàn)在氣候?qū)W的盛夏期間(6—9月)，綜合年尺度和月尺度的分析結(jié)果來(lái)看，廣州地區(qū)的暖系列極值氣溫指數(shù)TXx和TNx在夏季出現(xiàn)了明顯的上升，其中6月和7月最為顯著，表明廣州地區(qū)夏季的極端氣溫的上升幅度較其它季節(jié)更大，對(duì)該地區(qū)極端氣溫上升起主導(dǎo)作用。年尺度的平均氣溫日較差DTR變化較為不明顯，月尺度的DTR除了8月有明顯的上升趨勢(shì)外其它月份變化均不明顯。

圖2 1951—2020年廣州地區(qū)極值極端氣溫指數(shù)(年平均最高(a)、最低(b)氣溫，年最高(c)、最低(d)氣溫，年日最高氣溫最小值(e)，年日最低氣溫最大值(f))時(shí)間變化趨勢(shì)

3.3 年、月尺度相對(duì)極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)

基于不同基期的相對(duì)指數(shù)的年尺度和月尺度線性變化趨勢(shì)(表4)，從年尺度來(lái)看，選擇1961—1990年即時(shí)間軸前期為基期的相對(duì)指數(shù)計(jì)算結(jié)果線性趨勢(shì)更為明顯，表述氣候變化導(dǎo)致的氣溫偏高和偏低的頻率效果更好。對(duì)于暖系列相對(duì)指數(shù)TN90p和TX90p來(lái)說(shuō)，選擇的基期的時(shí)序越靠后，則TN90p和TX90p變化的趨勢(shì)越不明顯，而冷系列相對(duì)指數(shù)TN10p和TX10p則變化趨勢(shì)越明顯，這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明廣州地區(qū)近70 a極端氣溫發(fā)生頻率增加的事實(shí)。從月尺度來(lái)看，6月的TN10p的下降趨勢(shì)均達(dá)到顯著水平(P＜0.01)，下降速率為0.39 d/(10 a)，其它月份則有一定程度的下降趨勢(shì)，但是大部分未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；大部分月份的TX10p有一定程度的下降趨勢(shì)，但是未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；對(duì)于TN90p來(lái)說(shuō)，6—11月均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，6月和7月的上升趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，上升速率分別為1.07 d/(10 a)和1.19 d/(10 a)；而在廣州地區(qū)氣候?qū)W意義的夏季(4—10月)TX90p的上升趨勢(shì)除了4月和5月以外均達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，季均的上升速率為6.92 d/(10 a)，占全年上升速率的78%，這表明廣州地區(qū)夏季相對(duì)暖(熱)晝的上升是導(dǎo)致全年相對(duì)暖(熱)晝上升的主要因素。總的來(lái)說(shuō)廣州地區(qū)近70 a中6月的TN10p、TN90p和TX90p均呈現(xiàn)向暖化的極顯著變化趨勢(shì)，表明6月的極端偏暖(熱)事件發(fā)生的頻率出現(xiàn)顯著的上升，極端偏冷(涼)事件發(fā)生的頻率出現(xiàn)明顯的下降；并且整個(gè)夏季和秋季出現(xiàn)極端偏暖(熱)事件發(fā)生的頻率呈現(xiàn)顯著上升的情況。

表4 月尺度的不同基期的相對(duì)極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì) 單位：d/(10 a)。

(續(xù)表4)

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，年尺度上面的相對(duì)冷夜日數(shù)TN10p和相對(duì)冷晝?nèi)諗?shù)TX10p呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，TN10p的下降趨勢(shì)均達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，下降速率為2.84 d/(10 a)，TX10p的下降趨勢(shì)通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)，下降速率為1.18 d/(10 a)，這表明廣州地區(qū)的相對(duì)冷夜較相對(duì)冷晝下降更為顯著。相對(duì)暖夜TN90p和相對(duì)暖晝TX90p呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，TN90p和TX90p的上升趨勢(shì)均達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，上升速率分別為6.33 d/(10 a)和8.89 d/(10 a)。TN10p、TX10p、TN90p和TX90p的歷年均值分別為39 d、37 d、40 d和45 d，注意到由于是相對(duì)指數(shù)，RClimDex程序計(jì)算中以5天的時(shí)間窗為計(jì)算周期，因此基于對(duì)應(yīng)基期歷年均值上下10%和90%分位數(shù)應(yīng)該為37±5 d，而TX90p明顯大于理論均值，表明在選取的基期1961—1990年以后相對(duì)暖晝發(fā)生的頻率明顯增加。從距平和累積距平來(lái)看，TN10p、TX10p、TN90p和TX90p的年際波動(dòng)較大；TX10p、TN90p和TX90p大致以1985年為界，1985年之前累積距平TN90p和TX90p表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，表明TN90p和TX90p較歷年均值呈現(xiàn)普遍偏低的態(tài)勢(shì)，1985年之后累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明這段時(shí)間TN90p和TX90p出現(xiàn)了明顯的增加，因此相比較歷年均值呈現(xiàn)普遍偏高的態(tài)勢(shì)，TX10p的情況則剛好相反；TN10p以1980年為界，1980年之前累積距平TN10p表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明TN10p較歷年均值呈現(xiàn)普遍偏高的態(tài)勢(shì)，1980年之后累積距平表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，表明這段時(shí)間TN10p出現(xiàn)了明顯的減少，因此相比較歷年均值呈現(xiàn)普遍偏低的態(tài)勢(shì)。由此可以推斷1985年前后是極值極端氣溫指數(shù)變化的明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可能是突變發(fā)生的年份。

圖3 1951—2020年廣州地區(qū)相對(duì)極端氣溫指數(shù)(相對(duì)冷夜(a)、暖夜(b)日數(shù)，相對(duì)冷晝(c)、暖晝(d)日數(shù))時(shí)間變化趨勢(shì)

3.4 持續(xù)氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，近70 a廣州地區(qū)顯著偏冷持續(xù)指數(shù)CSDI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而顯著偏暖持續(xù)指數(shù)WSDI呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中WSDI的上升趨勢(shì)均達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，上升速率分別為1.82 d/(10 a)，CSDI的下降速率為0.63 d/(10 a)。CSDI和WSDI的歷年均值分別為4 d和5 d。從距平和累積距平來(lái)看，CSDI和WSDI的年際波動(dòng)較大，其中WSDI在其累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)以后波動(dòng)更大；CSDI大致以1980年為界，1980年之前累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明這段時(shí)間顯著偏冷持續(xù)日數(shù)較歷年均值普遍偏多，1980年之后累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明這段時(shí)間顯著偏冷持續(xù)日數(shù)出現(xiàn)了某種程度的減少；WSDI大致以2000年為界，2000年之前累積距平表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，表明顯著偏暖持續(xù)日數(shù)較歷年均值普遍偏少，2000年之后累積距平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，表明這段時(shí)間顯著偏暖持續(xù)日數(shù)出現(xiàn)了明顯的增加。

圖4 1951—2020年廣州地區(qū)極端氣溫持續(xù)指數(shù)(顯著偏冷(a)、偏暖(b))時(shí)間變化趨勢(shì)

3.5 極端氣溫指數(shù)突變分析

氣候的突變是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì))不連續(xù)地跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì))的現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為氣候在時(shí)間和空間尺度上從一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征的急劇變化[28]。對(duì)廣州地區(qū)近70 a的極端氣溫指數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，TXn和CSDI的變化趨勢(shì)并不顯著(P＞0.05)，WSDI的變化趨勢(shì)雖然達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，但是統(tǒng)計(jì)量UF和UB在置信區(qū)間(顯著性水平α=0.05)內(nèi)沒(méi)有交點(diǎn)，因此上述的極端氣溫指數(shù)未發(fā)生突變，因此其突變統(tǒng)計(jì)分析圖略。從圖5l可以發(fā)現(xiàn)，TX10p的UF和UB曲線在1956年產(chǎn)生第一次相交以后，隨后的時(shí)間產(chǎn)生了多個(gè)交點(diǎn)，表明其突變點(diǎn)受到干擾點(diǎn)的影響，因此運(yùn)用累積距平法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行交互驗(yàn)證，排除虛假的突變點(diǎn)，最終確定1997年為T(mén)X10p的突變點(diǎn)。因此，TMINmean、TNx和TN90p的突變發(fā)生 在1986年 前 后；SU25、SU35、TMAXmean、TX10p和TX90p的突變發(fā)生在1997年；TR20、TR26、TNn和TN10p的突變發(fā)生在1982年；TXx的突變發(fā)生在2000年。綜上所述，利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析的突變時(shí)間點(diǎn)和累積距平法分析的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是基本一致的。

圖5 1951—2020年廣州地區(qū)極端氣溫指數(shù)突變分析

由統(tǒng)計(jì)量曲線UF可知，SU25、SU35、TR20、TR26、TMAXmean、TMINmean、TXx、TNn、TNx、TN90p和TX90p呈現(xiàn)曲折上升趨勢(shì)，進(jìn)入1990年代以后上升速度加快。1990—2010年上述極端氣溫指數(shù)UF曲線都超過(guò)了顯著性水平臨界線，表明廣州地區(qū)的上述極端氣溫指數(shù)在這段時(shí)間內(nèi)的上升是非常顯著的。對(duì)應(yīng)的TN10p和TX10p在近70 a的時(shí)間序列內(nèi)整體表現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì)，而且TN10p其UF統(tǒng)計(jì)量曲線在1990年以后都達(dá)到了α=0.05顯著性水平，表明1990年以后廣州地區(qū)夜間偏冷(涼)事件發(fā)生的頻率是明顯下降的。

4 討 論

廣州國(guó)家基本氣象站發(fā)生過(guò)四次遷站，第一次遷站發(fā)生在1952年7月1日，新舊站址直線距離僅800 m左右，海拔高度變化不大，從10.4 m變化為18.9 m；第二次遷站發(fā)生在1957年7月1日，新舊站直線距離2.4 km左右，海拔高度變化為6.6 m；前兩次遷站對(duì)觀測(cè)記錄影響不大，距觀測(cè)站周邊觀測(cè)環(huán)境記錄資料顯示，當(dāng)時(shí)的氣象觀測(cè)環(huán)境均處于廣州城區(qū)的近郊，周?chē)鷺欠扛叨容^低，觀測(cè)環(huán)境良好，下墊面連續(xù)性較好；第三次遷站發(fā)生在1996年1月1日，新舊站直線距離4.3 km左右，海拔高度變化為41.0 m，從廣州市天河區(qū)的平原地區(qū)遷往北部的低山丘陵片區(qū)，在當(dāng)時(shí)也屬于廣州的近郊；第四次遷站發(fā)生在2011年1月1日，新舊站直線距離16.2 km左右，海拔高度變化為70.7 m，由天河區(qū)中部近郊低山丘陵遷往黃埔區(qū)蘿崗長(zhǎng)平村山前高地，屬于廣州市的遠(yuǎn)郊，周?chē)^測(cè)環(huán)境發(fā)生了較大的變化。綜上所述，第四次遷站可能對(duì)廣州地區(qū)地面氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域一致性和均一性造成一定的影響。因此對(duì)該站近70 a的最高和最低氣溫序列進(jìn)行了滑動(dòng)T檢驗(yàn)(子序列長(zhǎng)度8)，結(jié)果顯示平均最高氣溫TMAXmean的突變時(shí)間與Mann-Kendall突變檢驗(yàn)時(shí)間一致，均發(fā)生在1997年，而平均最低氣溫TMINmean的突變時(shí)間則發(fā)生在1986年和2011年，注意到該站在2011年發(fā)生遷站，因此遷站對(duì)該站TMAXmean的氣溫序列的均一性未造成影響，前三次遷站對(duì)該站的TMINmean氣溫序列均一性造成的影響不大，而第四次遷站對(duì)該站的TMINmean氣溫序列均一性產(chǎn)生一定的干擾。

為了探究這種遷站可能帶來(lái)的極端氣溫指數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響，我們假設(shè)該站未發(fā)生遷站，繼續(xù)用舊站的2011—2020年數(shù)據(jù)計(jì)算廣州地區(qū)近70 a的極端氣溫指數(shù)，相關(guān)的結(jié)果對(duì)比如表5所示。在沿用舊站的氣溫觀測(cè)資料計(jì)算極端氣溫指數(shù)時(shí)，各極端氣溫指數(shù)的絕對(duì)變化趨勢(shì)均大于采用搬遷新站后氣溫觀測(cè)資料計(jì)算的極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)，其中與日最低氣溫有關(guān)的冷系列極端氣溫指數(shù)最為明顯。例如，熱夜日數(shù)TR20與非常熱夜日數(shù)TR26，遷站使得其變化幅度分別減小了1.80 d/(10 a)和4.43 d/(10 a)，這種遷站導(dǎo)致的變化趨勢(shì)減弱的相對(duì)變化幅度達(dá)到了52.0%和56.5%。相對(duì)而言，遷站導(dǎo)致的暖系列極端氣溫指數(shù)的變化趨勢(shì)改變較小。因此在計(jì)算極端氣溫指數(shù)時(shí)，同時(shí)應(yīng)該考慮遷站前后環(huán)境改變過(guò)大導(dǎo)致的氣溫?cái)?shù)據(jù)一致性和均一性發(fā)生的變化，如果繼續(xù)使用舊站的數(shù)據(jù)計(jì)算極端氣溫指數(shù)，如何科學(xué)的評(píng)估分析城市化[47-48]對(duì)于極端氣溫指數(shù)的變化影響程度，也是今后非常有意義的研究工作。

表5 新舊站極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)對(duì)比

5 結(jié) 論

(1)從年尺度來(lái)看廣州地區(qū)近70 a的SU25、SU35、TR20、TR26、TXx、TNn、TNx、TN90p、TX90p、WSDI均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上述極端氣溫指數(shù)除了TR20外上升趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)；TN10p、TX10p和CSDI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，TN10p的下降趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)；TXn和DTR的變化趨勢(shì)不明顯。

(2)新的極端氣溫指數(shù)SU35和TR26的上升速率分別為3.56 d/(10 a)和3.41 d/(10 a)，明顯大于SU25(2.76 d/(10 a))和TR20(1.66 d/(10 a))的上升速率，新的極端氣溫指數(shù)能更好地反映近70 a晝夜體感炎熱日數(shù)呈現(xiàn)極顯著的上升趨勢(shì)，更加符合評(píng)估氣候變化對(duì)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活的影響；TXx和TNn的增溫幅度分別為0.20℃/(10 a)和0.22℃/(10 a)，均 明顯大于TMAXmean和TMINmean的增加幅度，表明廣州地區(qū)過(guò)去的近70 a的極端氣溫變化幅度大于平均極值的變化幅度；廣州地區(qū)氣溫上升的非對(duì)稱(chēng)性并不明顯，這點(diǎn)與我國(guó)北方大部分地區(qū)平均最低氣溫較平均最高氣溫上升幅度更大有很大的不同，因此導(dǎo)致平均氣溫日較差DTR變化不明顯。年尺度上相對(duì)極端氣溫指數(shù)變化最大的TX90p上升速率達(dá)到了8.89 d/(10 a)。

(3)從月尺度來(lái)看廣州地區(qū)近70 a的TXx在夏季(6—8月)出現(xiàn)了極其顯著的上升(P＜0.001)，季均達(dá)到了0.31℃/(10 a)，2月、4月、5月、9月和10月也有較明顯的上升趨勢(shì)(P＜0.01)，表明近70 a廣州地區(qū)氣候?qū)W意義上的整個(gè)夏季(4—10月)月TXx較其它季節(jié)上升更明顯，夏季的極端高溫上升更劇烈；TNx在2—6月和11月上升較明顯(P＜0.01)，其它月份變化不明顯；廣州地區(qū)的暖系列極值氣溫指數(shù)TXx和TNx在夏季出現(xiàn)了明顯的上升，其中6月和7月最為顯著，表明廣州地區(qū)夏季極端氣溫指數(shù)變化較其它季節(jié)更大；TN90p在6—7月呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)(P＜0.001)；TX90p在廣州地區(qū)氣候?qū)W意義的夏季(4—10月)的上升趨勢(shì)均達(dá)到極顯著水平(P＜0.001)，季均的上升速率為6.92 d/(10 a)，占全年上升速率的78%，其中6月的極端氣溫指數(shù)變暖的趨勢(shì)最顯著，廣州地區(qū)夏季相對(duì)暖(熱)晝的上升是導(dǎo)致全年相對(duì)暖(熱)晝上升的主要因素。

(4)以三個(gè)不同基期(1961—1990年/1971—2000年/1981—2010年)的選擇對(duì)相對(duì)極端氣溫指數(shù)的結(jié)果影響發(fā)現(xiàn)基期的不同選擇對(duì)相對(duì)氣溫指數(shù)的計(jì)算結(jié)果有一定影響，但不影響相對(duì)氣溫指數(shù)的變化趨勢(shì)，選擇長(zhǎng)時(shí)間序列的前期1961—1990年為基期的計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)較為顯著；結(jié)果也間接說(shuō)明了廣州地區(qū)近70 a變暖的事實(shí)。

(5)突變分析顯示廣州地區(qū)近70 a的SU25、SU35、TMAXmean、TXx、TX10p和TX90p的突變發(fā)生在1997年前后；TR20、TR26、TMINmean、TNx、TN10p和TN90p的突變發(fā)生在1986年前后；TXn、CSDI、WSDI沒(méi)有發(fā)生明顯的突變。綜上所述，暖系列極端氣溫指數(shù)的突變時(shí)間與TMAXmean的突變時(shí)間基本一致，冷系列極端氣溫指數(shù)的突變時(shí)間與TMINmean的突變時(shí)間基本一致，利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析的突變時(shí)間點(diǎn)和累積距平法分析的轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本一致。

本研究的結(jié)論更精細(xì)，與前人對(duì)于包括廣州地區(qū)的大尺度的研究范圍的結(jié)果有一定的差異[11-12,18]，但是極端氣溫指數(shù)的變化規(guī)律符合全球氣候變化的大趨勢(shì)，本研究可以為廣州地區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化和預(yù)防極端天氣災(zāi)害，保障穩(wěn)定的安全生產(chǎn)生活提供科學(xué)的理論依據(jù)和參考。