傅 帥 陳舒慧 張小泉 徐士琦

(1.南京信息工程大學(xué)空間天氣研究所， 南京 210044; 2.南京信息工程大學(xué)， 南京 210044;3.武義縣氣象局， 浙江 武義 321200; 4.吉林省氣候中心， 長(zhǎng)春 130062)

江蘇省1960—2014年降水及氣溫變化特征

傅 帥1陳舒慧2張小泉3徐士琦4

(1.南京信息工程大學(xué)空間天氣研究所， 南京 210044; 2.南京信息工程大學(xué)， 南京 210044;3.武義縣氣象局， 浙江 武義 321200; 4.吉林省氣候中心， 長(zhǎng)春 130062)

采用國(guó)家氣象信息中心提供的1960-2014年江蘇省逐日降水及氣溫觀測(cè)資料，對(duì)該地區(qū)降水和溫度的月際、季節(jié)及年際變化特征進(jìn)行討論；同時(shí)，為了反映極端事件發(fā)生的特點(diǎn)，還統(tǒng)計(jì)了近55年中該省出現(xiàn)的暴雨及極端氣溫事件。結(jié)果表明：強(qiáng)降水、高溫主要出現(xiàn)在夏季(7月)。春、秋、冬季降水量呈自南向北減少趨勢(shì)，而夏季則自南向北增加。該省降水量年際波動(dòng)較大，變化趨勢(shì)不明顯。就氣溫而言，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈顯著增暖趨勢(shì)，變暖幅度分別為0.265、0.175、0.04℃/10a。對(duì)極端事件的研究發(fā)現(xiàn)：該省暴雨量及暴雨次數(shù)呈自南向北增加的趨勢(shì)，年際變化趨勢(shì)也不明顯。極端氣溫事件中，暖指數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，冷指數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)。暖日、暖夜增加幅度分別為1.2、2.4d/10a，冷日、冷夜減少的幅度分別為1.5、3.2d/10a。

江蘇??；降水；氣溫；百分位閾值法；局地響應(yīng)

氣候變化是全球變化的重要成員，與人類的生存息息相關(guān)。近百年來(lái)，全球氣候變暖已成不爭(zhēng)事實(shí)，全球極端天氣氣候事件及災(zāi)害頻率呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)第五次評(píng)估報(bào)告(IPCC AR5)進(jìn)一步證實(shí)了近百年全球氣候變暖的結(jié)論，并預(yù)估2016—2035年全球平均地表溫度可能比1986—2005年升高0.3～0.7℃，這種升溫幅度在本世紀(jì)末(2081—2100年)有可能達(dá)到0.3～4.8℃[1-2]。

江蘇省位于我國(guó)淮河、長(zhǎng)江下游地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候?？諝鉂駶?rùn)、地勢(shì)平坦，冬夏季風(fēng)在沒(méi)有任何山脈阻擋的條件下可以長(zhǎng)驅(qū)直入，氣候變化明顯。由于每年季風(fēng)進(jìn)退時(shí)間、強(qiáng)度的差異，氣溫及降水的年際變化十分明顯，降水年際變化幅度較大，降水主要集中在汛期六到八月份之間，枯水年降水量少、蒸發(fā)量較大，極易引起干旱現(xiàn)象的發(fā)生。有關(guān)江蘇省氣溫和降水的氣候變化特征已有大量研究[4-8]。江志紅等[4]統(tǒng)計(jì)了江蘇省沿海地區(qū)的氣溫變化對(duì)全球變暖的響應(yīng)，研究表明：江蘇沿海地區(qū)的夏季氣溫變化趨勢(shì)和年際振動(dòng)對(duì)北半球增暖的響應(yīng)具有很大的不確定性；除夏季外，其余各季節(jié)及年平均氣溫對(duì)北半球增暖的響應(yīng)特征十分明顯，北半球增暖1℃，區(qū)域相應(yīng)增暖大約0.7～0.8℃，冬季可達(dá)0.9℃以上；其中響應(yīng)最為敏感的區(qū)域位于江蘇北部及沿海地區(qū)。丁裕國(guó)[5]的研究指出：近百年來(lái)江蘇中南部氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；除冬季外，該地區(qū)分別經(jīng)歷了兩次升溫和降溫的過(guò)程；近百年氣溫最高的十年基本出現(xiàn)在上世紀(jì)40年代，這與北半球增暖的十年出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代后期存在一定差異。陳海山等[6]對(duì)江蘇省冬季氣溫的分布特征進(jìn)行研究，指出江蘇省冬季氣溫異常表現(xiàn)為整體偏冷或偏暖的趨勢(shì)；近40年的冬季氣溫變化具有明顯的年代際特征，其中1961-1985年為偏冷期，1986-1999年為偏暖期；年代際尺度上，江蘇省冬季氣溫與全球氣溫變化具有較好的一致性。

極端氣候事件雖然相對(duì)而言發(fā)生頻次較低，但是它對(duì)于人類造成的危害往往更大。有報(bào)道指出，全球氣候變暖的背景下，全球的旱澇災(zāi)害、冰雪凍害、以及高溫?zé)崂说葮O端天氣或者極端氣候事件有越演越烈之勢(shì)，由此造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡[9-12]。因此，極端天氣或極端氣候事件的影響不可忽略。

目前，氣候變化的局地響應(yīng)是一個(gè)很有實(shí)際意義的熱點(diǎn)問(wèn)題。江蘇是我國(guó)人口密集度最高的省份之一，以淮河為界，北部是溫帶季風(fēng)氣候，南部是亞熱帶季風(fēng)氣候，是典型的溫帶-亞熱帶過(guò)渡性氣候，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活對(duì)氣候具有極大的依賴性。本文利用該省半個(gè)世紀(jì)的降水及氣溫資料，系統(tǒng)討論了其月際、年際及季節(jié)變化特征，并分析了暴雨、極端氣溫等極端氣候事件的發(fā)生情況，以期實(shí)現(xiàn)科學(xué)而全面的認(rèn)識(shí)該地區(qū)的氣候特征，這對(duì)于保障當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、社會(huì)的持續(xù)而穩(wěn)定發(fā)展具有極其重要的意義。

1 資料與方法

本文所用數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供的江蘇省12個(gè)氣象站的資料(見(jiàn)圖1)。1951年開(kāi)始，江蘇省才陸續(xù)建立氣象觀測(cè)臺(tái)站，這就導(dǎo)致在時(shí)間較早的年份上，數(shù)據(jù)缺失比較嚴(yán)重。為了保證數(shù)據(jù)在時(shí)間覆蓋上的一致性，減少缺測(cè)值給統(tǒng)計(jì)研究造成誤差，我們僅采用了1960年1月1日-2014年12月31日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，具體包括：逐日的降水量、平均氣溫、最高氣溫以及最低氣溫資料。為了統(tǒng)計(jì)方便，首先將逐日的資料處理成逐月的形式。

本文主要從氣候態(tài)和極端情況進(jìn)行討論。氣候態(tài)特征包括：降水量、溫度的月際變化特征、季節(jié)變化特征以及年際變化特征；極端氣溫事件則利用百分位閾值法給出各個(gè)站的極端氣溫閾值，并討論了暖日、暖夜、冷日、冷夜的變化趨勢(shì)。極端降水事件的分析主要分析暴雨的發(fā)生。另外，下文為了敘述方便，會(huì)將暖日、暖夜稱為暖指數(shù)，冷日、冷夜稱為冷指數(shù)。

圖1 氣象站點(diǎn)的空間分布圖

百分位閾值法的具體統(tǒng)計(jì)步驟為：將某站1960-2014年中的固定某一天的最高氣溫按升序進(jìn)行排列，把最高氣溫的第95個(gè)百分位對(duì)應(yīng)的數(shù)值作為對(duì)應(yīng)站的高溫閾值，大于該值記為一個(gè)暖日；而將第5個(gè)百分位對(duì)應(yīng)數(shù)值記為低溫閾值，小于該值就記為一個(gè)冷日。逐日最低氣溫資料也進(jìn)行類似統(tǒng)計(jì)，排序后的95%與5%閾值分別記為暖夜和冷夜閾值，超過(guò)95%閾值的記為一個(gè)暖夜，低于5%閾值記為一個(gè)冷夜。需要強(qiáng)調(diào)的是，研究中指的暖日、暖夜和冷日、冷夜是相對(duì)365(或366)日中固定的某一天而言的，而非一年中的全年資料放在一起進(jìn)行排序。

因?yàn)?2個(gè)臺(tái)站的空間分布是離散的，因此，為了將離散的空間數(shù)據(jù)直觀的表現(xiàn)出來(lái)，首先需要對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化插值處理。本文采用算法簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的反距離加權(quán)插值算法，將站點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化。在許多研究工作中，該方法已表現(xiàn)出較好的插值效果[13-15]。

2 結(jié)果分析

2.1 月際變化特征

圖2給出降水量及氣溫逐月分布情況。該省降水量從1月到7月逐月增加，7月以后逐月減少(圖2(a))。降水變化范圍是25.3～26.7mm。7月降水達(dá)到峰值，206.7mm；其次為8月，155.4mm；6月146.5mm；12月降水量最少，僅25.3mm。由此可見(jiàn)，該省降水主要集中在夏季(6-8月)。

圖2(b)中的三條曲線分別代表的是平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的變化情況，三者的月際變化特征非常一致，均是7月達(dá)到峰值，分別為27.6℃、31.4℃、24.4℃。變化趨勢(shì)和降水的月際分布特征一致，7月之前呈升溫趨勢(shì)，7月以后呈降溫趨勢(shì)。平均氣溫變化范圍為2.1～27.6℃；最高氣溫變化范圍是6.3～31.5℃；最低氣溫變化范圍是 -1.3～24.4℃。最高、最低氣溫溫差在4月最大，為9.5℃；8月最小，為7.0℃。

圖2 降水量(a)和氣溫(b)的逐月變化

2.2 季節(jié)變化特征

從降水量的空間分布的趨勢(shì)來(lái)看，春季、秋季、冬季，全省的降水量均為南多北少。但夏季降水量分布與之相反(南少北多)，這可能與暴雨的分布特征有關(guān)(見(jiàn)2.4節(jié))。

從各季節(jié)、各臺(tái)站的降水分布來(lái)看：春季，降水量變化范圍為141.7mm(徐州站)～300.1mm(吳縣東山站)，夏季變化范圍為457.7mm(吳縣東山站)～563.0mm(贛榆站)，秋季變化范圍為152.8mm(徐州站)～215.0mm(吳縣東山站)，冬季42.08mm(徐州站)～148.1mm(吳縣東山站)。全省平均降水量中，夏季最多，達(dá)508.6mm；其次為春季，220.8mm；秋季197.1mm；冬季最少，僅95.9mm。

平均氣溫的全省變化趨勢(shì)為，春、夏季呈自西南向東北減少的趨勢(shì)，春季平均氣溫最高值出現(xiàn)在南京站，15.07℃；夏季最高值出現(xiàn)在吳縣東山站，氣溫為26.94℃。秋、冬季大致呈自南向北氣溫降低的趨勢(shì)(圖4)。對(duì)于最高氣溫及最低氣溫(圖略)，與平均氣溫的變化趨勢(shì)類似。氣溫的這種空間變化趨勢(shì)與各站所處緯度呈顯著的線性相關(guān)性(圖5)。從圖5可見(jiàn)，各季節(jié)內(nèi)，平均氣溫隨緯度升高而降低。經(jīng)計(jì)算，緯度每升高1°，春、夏、秋、冬季的平均氣溫將分別降低～0.397、～0.365、～0.761、～1.008℃。尤以冬季溫度減小最為顯著。

圖3 降水量的季節(jié)變化: (a)春季, (b)夏季, (c)秋季, (d)冬季 單位: mm

圖5 各季節(jié)平均氣溫隨緯度的變化：(a)春季，(b)夏季，(c)秋季，(d)冬季 單位: ℃

2.3 年際變化特征

年際變化是氣候變化研究中的一個(gè)重要研究問(wèn)題。圖6給出了近55年年均降水量、年均氣溫、年均最高氣溫及年均最低氣溫的歷年值曲線，并分別給出了相應(yīng)的擬合趨勢(shì)線，圖中虛線分別為55年的平均值。

圖6(a)給出的降水量的變化情況。從圖中可以看出，江蘇地區(qū)降水量年際波動(dòng)較大，55年平均降水量約為1022 mm。1991年降水量1527.3 mm，達(dá)到55年的最大值，其次分別為1987、1962年，降水量分別為1260.5、1232.3 mm。1978年江蘇省的降水量最少，僅為538.0mm，為近55年的低谷值。從線性擬合線可以看出，降水量呈上升的趨勢(shì)，約為11.8 mm/10a，但該趨勢(shì)不明顯。

圖6(b)給出的是年平均氣溫的變化趨勢(shì)。可以看出，大約從1990年開(kāi)始，江蘇省的平均氣溫發(fā)生了一個(gè)突變。平均氣溫的多年均值為15.1℃，在1990年以前的大多數(shù)年份中，年平均氣溫都低于這個(gè)平均值，1990年之后基本上均高于平均值。就變化趨勢(shì)而言，1960-1970年，江蘇的平均氣溫呈下降趨勢(shì)，1970-1990年則為波動(dòng)態(tài)，無(wú)明顯的上升或下降趨勢(shì)，但是1990年之后，平均氣溫呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)。年平均氣溫最高的前10年均出現(xiàn)在1990年之后，分別是2007、2006、2004、1998、1994、2002、2013、2014、2001、2009。1969年平均氣溫為近55年的最低值，僅為14.04℃。從線性擬合趨勢(shì)線來(lái)看，平均氣溫上升趨勢(shì)明顯(通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn))，增溫幅度為0.265℃/10a。

圖6(c)及圖6(d)給出最高及最低氣溫的變化趨勢(shì)，與平均氣溫趨勢(shì)一致，均在1990年左右發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)折。1990年之前，平均最高及最低氣溫均較低，處于偏冷態(tài)；但1990年之后，溫度升高非常明顯。二者氣溫增幅分別為0.175、0.04℃/10a(均通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn))。

就氣溫而言，平均氣溫增幅最大，達(dá)0.265℃/10a，其次為最高氣溫增幅0.175℃/10a，最低氣溫增幅最小，僅0.04℃/10a。這種氣溫的增暖趨勢(shì)，是全球變暖背景下的一個(gè)局地響應(yīng)，也是自然因素和人為因素共同作用的效果。自然原因包括地球正處于溫暖期，日地距離更近等。人為原因包括溫室氣體的排放增多，城市化進(jìn)程的加快等。

圖6 歷年降水量(a), 平均氣溫(b), 最高氣溫(c), 最低氣溫(d)序列及線性擬合曲線

2.4 暴雨事件的統(tǒng)計(jì)

極端降水的分析包括近年來(lái)的暴雨事件空間分布及年際變化趨勢(shì)兩個(gè)方面。國(guó)家氣象局規(guī)定，24小時(shí)降水量≥50mm定義為暴雨事件。持續(xù)性的強(qiáng)降水可沖毀堤壩，造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，危及人身安全及財(cái)產(chǎn)安全，給社會(huì)及國(guó)家造成巨大災(zāi)難。因此，研究江蘇地區(qū)暴雨分布特征及變化趨勢(shì)，是非常有意義的。

圖7給出各臺(tái)站年均暴雨量及年均暴雨次數(shù)的空間分布。可以看出，暴雨量及暴雨次數(shù)均呈自南向北增加的趨勢(shì)。蘇北贛榆站是暴雨高發(fā)區(qū)，年均暴雨4.1次，年均暴雨量為339.8mm。而蘇南的一些站點(diǎn)，如吳縣東山、溧陽(yáng)、常州等，不管是暴雨量，還是暴雨次數(shù)都比蘇北要少。以吳縣東山站為例，年均暴雨量為203.4mm，比贛榆站少109.4mm；年均暴雨次數(shù)2.81次，比贛榆站少1.29次。這就解釋了圖3中，夏季與春、秋、冬季的降水量特征相反。

圖7 暴雨量(a, 單位: mm)及暴雨次數(shù)(b, 單位: 次)的空間分布

圖8給出逐年全省平均暴雨量及暴雨次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢钥闯?，年均暴雨量49.07～607.03mm，年均暴雨次數(shù)0.67～7.08次。多年平均暴雨量256.08mm，多年平均暴雨次數(shù)3.30次。1991年暴雨量及暴雨次數(shù)為近55年的峰值，當(dāng)年平均暴雨量為607.03mm，平均暴雨次數(shù)7.08次。暴雨最低值出現(xiàn)在1978年，當(dāng)年平均降水量?jī)H49.07mm，暴雨次數(shù)0.67次。從線性擬合曲線來(lái)看，二者雖呈上升趨勢(shì)(增幅分別為2.9mm/10a，0.05次/10a)，但趨勢(shì)不顯著。

圖8 暴雨量(a, 單位: mm)及暴雨次數(shù)(b, 單位: 次)的年際變化及線性擬合曲線

2.5 極端氣溫事件分析

利用百分位閾值法，對(duì)逐日最高氣溫、最低氣溫中的極溫事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。圖9給出通過(guò)百分位閾值法建立的暖日(a)、冷日(b)、暖夜(c)、冷夜(d)時(shí)間序列，圖中的虛線為多年平均值。圖(a)、(c)變化趨勢(shì)較為一致，即：暖指數(shù)(暖日、暖夜)均呈顯著增多趨勢(shì)，其中，暖日的增幅為1.2d/10a，暖夜增幅為2.4d/10a。由此可見(jiàn)，暖夜是暖日增幅的2倍。冷指數(shù)(冷日(b)、冷夜(d))變化趨勢(shì)也有較好的一致性，均呈顯著減少趨勢(shì)，冷日減少幅度為1.5d/10a，冷夜減少幅度為3.2d/10a。冷夜減少的幅度比冷日減少的幅度大。

圖9 極端氣溫日數(shù)的年際變化：(a)暖日, (b)冷日, (c)暖夜, (d)冷夜及線性擬合曲線 單位: d

冷日減少的幅度大于暖日增多的幅度，冷夜減小的幅度大于暖夜增多的幅度，這說(shuō)明了，冷指數(shù)的變暖幅度明顯大于暖指數(shù)。另一方面，暖日增加、冷日減少幅度分別小于暖夜增加、冷夜減少幅度，這說(shuō)明：夜指數(shù)的變暖幅度明顯大于晝指數(shù)，晝夜變化幅度不對(duì)稱。

3 結(jié)論

本文利用中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供的江蘇省12個(gè)氣象站的逐日觀測(cè)資料(降水及氣溫)，對(duì)該省1960-2014年降水和溫度的月際、季節(jié)及年際變化特征進(jìn)行了討論，并利用線性趨勢(shì)擬合的方法，給出了擬合曲線。此外，為了反映江蘇省極端事件發(fā)生的特點(diǎn)，還對(duì)近55年該省出現(xiàn)的暴雨及極端氣溫事件進(jìn)行了討論。得出的結(jié)論如下：

(1)該省降水量主要集中在夏季(6-8月)，以7月降水量最多，單月可達(dá)206.7mm。春、秋、冬降水量自南向北減少，而夏季則相反。這是由于夏季蘇北暴雨多發(fā)，暴雨次數(shù)及暴雨量均多于蘇南地區(qū)。

(2)平均、最高、最低溫度的月際變化特征較為一致，均在7月達(dá)到峰值，分別為27.6℃、31.4℃、24.4℃。7月之前逐月升溫，7月以后逐月降溫。

(3)該地區(qū)降水量年際波動(dòng)較大，55年平均降水量約為1022 mm。降水量呈較弱的上升趨勢(shì)，約為11.8 mm/10a，但趨勢(shì)不顯著。該地區(qū)氣溫上升趨勢(shì)顯著，平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫增暖幅度分別為0.265、0.175、0.04℃/10a。平均氣溫增幅最大。

(4)該地區(qū)暴雨量及暴雨次數(shù)空間上呈自南向北增加的趨勢(shì)，但年際變化趨勢(shì)不顯著。

(5)該地區(qū)暖指數(shù)(暖日、暖夜)呈顯著增加趨勢(shì)，暖日、暖夜增幅分別為1.2、2.4d/10a。冷指數(shù)(冷日、冷夜)呈顯著減少趨勢(shì)，冷日、冷夜減少幅度分別為1.5d、3.2d/10a。

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Variations of precipitation and air temperature during 1960—2014 in Jiangsu Province

Fu Shuai1, Chen Shuhui2, Zhang Xiaoquan3, Xu Shiqi4

(1.Institute of Space Weather,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044;2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044;3.Wuyi Meteorological Bureau, Wuyi 321200; 4. Jilin Climate Center, Changchun 130062)

Based on the daily observational data of 12 meteorological stations of Jiangsu Province provided by National Meteorological Information Center for the past 55 years, monthly and seasonal variations of precipitation and temperature in Jiangsu were discussed respectively. Method of linear trend fitting was used to get the trend over the study period. Besides, we also analyzed the extreme cases of precipitation and temperature. Main results are shown as follows: Both heavy precipitation and high temperature mainly occurs in summer (centering in July). The amount of precipitation decreases from south to north except summer, indicating that the rainfall in the northern part of Jiangsu is larger than that in the southern part in summer. Though the inter-annual variable precipitation fluctuates, the variation trend is not significant. While for air temperature, including average temperature, maximum temperature, and minimum temperature, a significant warming trend is observed, with amplitudes of 0.265 and 0.175, and 0.04 ℃/ 10a respectively. The study on extreme climate events reveals that, the amount of heavy rain and the frequency of heavy rain in the province increase from south to north, but the inter-annual variation trend is not significant. In extreme temperature events, the warm index (consisting of warm days and warm nights) shows significant increasing trend, but the cold index (consisting of cold days and cold nights) exhibits significant decreasing trend. Warm days and warm nights increase by 1.2 and 2.4d/10a respectively, while cold days and cold night reduce by 1.5, 3.2d/10a.

Jiangsu Province; precipitation; air temperature; percentile threshold method; local response

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306073)

2016-10-02;2017-03-06修回

傅帥，男，1990年生，博士，研究方向：極端天氣事件。 E-mail: fs_nuist@163.com

P412,X43

A