仙桃市1958—2020年高温天气变化趋势分析

彭福强 张祖潜 廖蕾艳潜 廖蕾艳

摘 要：本研究以1958—2020年仙桃市国家气象观测站测定的高温数据为基础，使用线性倾向估计法、Mann-Kendall检验法等分析方法，分析近63年来仙桃市高温天气的变化趋势。结果表明，仙桃市年平均最高气温呈显著上升趋势，2003年发生突变;极端最高气温呈现相对不显著的上升趋势，历史极端最高气温（39.3 ℃）出现在2003年;高温日数整体呈先减后增的趋势，进入21世纪后，上升趋势明显。

关键词：仙桃市;高温;变化趋势;Mann-Kendall检验

中图分类号：P457文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）17-0138-03

Analysis on the Trend of High Temperature Weather in Xiantao

City from 1958 to 2020

PENG Fuqiang ZHANG Zuqian LIAO Leiyan

（Meteorological Bureau of Xiantao City，Xiantao Hubei 433000）

Abstract： Based on the high temperature data measured by the National Meteorological Observatory of Xiantao City from 1958 to 2020， this study uses analysis methods such as linear tendency estimation method and Mann-Kendall test method to analyze the trend of high temperature weather in Xiantao City in the past 63 years. The results showed that the annual average maximum temperature of Xiantao City showed a significant upward trend， and a sudden change occurred in 2003; the extreme maximum temperature showed a relatively insignificant upward trend， the historical extreme maximum temperature （39.3 ℃） appeared in 2003; the number of high-temperature days as a whole showed a trend of first decreasing and then increasing， after entering the 21st century， the rising trend was obvious.

Keywords： Xiantao City;high temperature;trend;Mann-Kendall test

隨着人类生产力的发展，全球变暖问题日益严峻。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的报告指出，1880—2012年，全球地表温度大约升高0.85 ℃，1983—2012年是过去1 400年以来最热的30年[1]。丁一汇等研究指出，中国近100年平均地表气温明显增加，近50年来，中国高温日数呈现先下降后增加的趋势，近20年上升比较明显[2]。

高温是湖北省常见的灾害性天气之一，会对工农业生产、人民身体健康及水电供应造成不利影响。贾佳等研究指出，我国年高温热浪天气持续时间呈上升趋势，其中，华中地区在1997年后增长最快[3]。靳艳秋等研究指出，1961—2017年，湖北省最高气温呈显著上升趋势[4]。仙桃市是湖北省直辖县级市，地处江汉平原，是国家重要的农业生产基地，近年来，高温热浪已成为影响仙桃市粮食作物产量最主要的农业气象灾害[5]。同时，高温热浪也是影响居民健康最为重要的气象灾害类型之一[6]。目前，有关仙桃市高温天气变化的研究偏少。本文重点研究仙桃市近63年来高温天气变化趋势，以期为仙桃市高温决策服务及人民生产生活气象服务提供更好的保障。

1 数据与方法

1.1 数据

采用仙桃市国家气象观测站（简称仙桃站）1958—2020年的气温资料，统计平均最高气温、极端最高气温、高温日数。根据中国气象局发布的相关标准，日极端高温≥35 ℃的天气被称为高温天气，因此将日最高气温≥35 ℃作为一个高温日的判定依据。

1.2 方法

1.2.1 线性倾向估计。线性倾向估计的主要原理如下：用[xi]表示样本为[n]的某一变量，用[ti]表示[xi]所对应的时间，建立[xi]与[ti]之间的一元线性回归[7]。

式中：[a]为回归常数;[b]为回归系数。

回归系数[b]的正负表示变量[xi]的趋势倾向。当[b]>0时，随着时间[ti ]的增加，[xi]呈上升趋势;而当[b]<0时，随着时间[ti ]的增加，[xi]呈下降趋势。[b]值表示上升或下降的速率，即倾向度。

1.2.2 Mann-Kendall法趋势检验。在Mann-Kendall检验中，设时间序列数据（[x1]，[x2]，…，[xn]）是独立的随机变量同分布的样本。定义样本序列变化趋势统计量[S]为：

式中：[Sgnxi-xj]为符号函数;[xi]、[xj]表示两个不同样本，[i≠j]，[i]≤[n]，[ j]≤[ n]。

该符号函数可以表示为：

[S]为正态分布，其均值为0，方差[VarS][=nn-1][2n-5/18]。当样本为长序列（[n]>10）時，标准的正态分布变化趋势统计量[Z]的计算公式为：

在双边趋势检验中，在给定的显著性水平[a]下，若|[Z]|≥[Z1-a/2]，即在置信水平[a]上，序列存在明显的趋势变化。

1.2.3 Mann-Kendall法突变检验。在时间序列随机独立的假定下，定义统计量[UFk]为：

式中：[Sk]为累计数;[ESk]、[VarSk]是[Sk]的均值和方差。

[UFk]服从标准正态分布，给定显著性水平[a]，若|[UFk]|>[a]，表明序列存在明显的趋势变化。按逆序列（[k]=[n]，[n]-1，…，1）重复上述过程，令[UFk]=-[UBk]（[UBn]=0）。绘制[UFk]和[UBk]曲线，若[UFk]或[UBk]的值大于0，则序列呈上升趋势，若[UFk]或[UBk]的值小于0，则呈下降趋势。若它们超过临界直线，表明变化趋势显著;若曲线出现交点，且交点在临界线之间，则其为突变点。

2 结果分析

2.1 平均最高气温变化趋势

分析仙桃站1958—2020年平均最高气温数据（见图1）可得，仙桃市平均最高气温呈显著上升趋势，气候倾向率为0.19 ℃/10 a。仙桃市年平均最高气温均值为21.2 ℃，年平均最高气温的最大值为22.5 ℃（2013年），最小值为19.9 ℃（1989年）。变化区间主要体现为三次下降-上升过程，下降区间为1964—1972年、1979—1984年、2008—2012年;上升区间为1973—1978年、1985—2007年、2013—2020年。

对仙桃站平均最高气温进行Mann-Kendall趋势检验，得[Z]=4.83，因|[Z]|≥2.32，表明仙桃市平均最高气温呈显著的上升趋势，通过了置信度99%的显著性检验。如图2所示，在Mann-Kendall突变检验中，仙桃市平均最高气温在1965—1996年表现为下降趋势，并在1972年通过了0.05的显著性检验（-1.96），在1997年后表现为上升趋势，在2006年通过了0.05的显著性检验（+1.96），突变时间为2003年。

2.2 极端最高气温变化趋势

仙桃站1958—2020年极端最高气温的最高值为39.3 ℃（2003年），最低为34.7 ℃（1986年）。分析仙桃站极端最高气温数据可得，仙桃市极端最高气温呈上升趋势，气候倾向率为0.12 ℃/10 a。

对仙桃站极端最高气温进行Mann-Kendall趋势检验，得[Z]=1.89，因|[Z]|≥1.64，表明仙桃市极端最高气温呈较明显的上升趋势，通过了置信度95%的显著性检验。在Mann-Kendall突变检验中，仙桃市极端最高气温在1962—1969年表现为下降趋势，在2000年后表现为上升趋势，但未通过0.05的显著性检验（±1.96），表明极端最高气温上升趋势不显著，突变点出现在2000年、2004年和2007年。

2.3 高温日数变化趋势

仙桃站1958—2020年高温日数的均值为13.8 d，有26年高于均值，37年低于均值，最高为35 d（1959年），最低为0 d（1987年和1993年）。仙桃市高温日主要集中在7—8月，占全部高温日数的88.9%;最早出现在5月，最晚出现在10月。

对仙桃站高温日数进行Mann-Kendall趋势检验，得[Z]=2.24，又因|[Z]|≥1.64，表明仙桃市高温日数呈上升趋势，通过了置信度95%的显著性检验。如图3所示，在Mann-Kendall突变检验中，仙桃市高温日数在1961—2005年表现为弱且不显著的下降趋势，在2006年后表现为上升趋势，未通过0.05的显著性检验（±1.96），但较为接近，表明高温日数上升趋势较为显著，突变点出现在2008年、2014年和2015年。

3 结语

本文对仙桃站1958—2020年的高温天气数据进行分析，得出以下结论。仙桃市平均最高气温呈显著的上升趋势，主要突变时间是2000年左右;极端最高气温呈上升趋势，但不显著;高温日数呈上升趋势且相对显著。1965年至20世纪末，仙桃市高温天气出现过下降趋势，但进入21世纪后，高温天气呈增长趋势且显著，出现时间也在延长，2019年甚至出现在10月。针对仙桃市高温天气的上升趋势，应加强对高温天气的预报及预警发布，但预报极端高温仍需要根据天气实况进行研判。同时，要大力开展高温天气的科普活动。

参考文献：

[1]IPCC.Climate Change 2013：The Physical Science Basis[M].Cambridge：Cambridge University Press，2013：15-16.

[2]丁一汇，任国玉，石广玉.气候变化国家评估报告（Ⅰ）：中国气候变化的历史和未来趋势[J].气候变化研究进展，2007（1）：1-5.

[3]贾佳，胡泽勇.中国不同等级高温热浪的时空分布特征及趋势[J].地球科学进展，2017（5）：546-559.

[4]靳艳秋，任永健，吕桅桅，等.1961—2017年湖北省气温变化特征分析[J].湖北气象，2019（1）：28-33.

[5]张祖潜，廖蕾艳，叶燕平.仙桃市气候变化及主要农业气象灾害分析[J].河南农业，2019（11）：33-35.

[6]陈正洪，杨桂芳，扈海波.气候变化背景下温度对人体健康影响研究进展[J].中国公共卫生，2014（10）：1318-1321.

[7]魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，1999：80-81.