大气科学论文
IPCC 第四次评估报告显示过去 100 a( 1906 － 2005 年) 全球气温持续升高，大范围的气候异常现象不断出现，极端天气气候事件( 如洪水、干旱、台风、高温和低温等) 频繁发生，已造成了严重的经济损失，越来越引起社会公众的关注。近年来国外有气象学者研究了全球最高、最低温度的变化特征，我国气象学者研究了中国极端高温事件的时空变化特征，也有学者研究了中国北方年极端温度变化趋势、中国西北极端高温变化及其区域性增暖响应、华北地区极端气候事件的时空变化规律及与区域气候变化的联系，以及我国区域极端高温事件、主要城市高温灾害的时空变化特征、变化趋势、大气环流成因等。
尽管国内气象学者对全国极端温度已经作了大量的工作，且多以年、季节极端气温作为研究对象，但均未对河套及其相邻区这一特定地区的极端高温变化特征进行详细的研究。本文在以上学者极端高温研究的基础上，利用逐日最高气温资料，试图对河套及其相邻区夏半年极端高温频数的时空变化特征进行分析研究，研究河套及其相邻区夏半年极端高温频数的空间特征和时间演变规律，以期提高减灾防灾的能力。
1 资料与方法
选取河套及其相邻区( 103 －113°E、34 － 41°N) 资料比较完整、均匀分布的 81 个气象台站 1961 － 2010年逐日最高气温、逐日平均气温资料，采用经验正交函数( EOF) 、旋转经验正交函数( REOF) 、趋势系数、Lepage 突变检验等方法分析河套及其相邻区夏半年( 4 － 9 月) 极端高温的空间分布、趋势变化和突变变化特征。资料取自国家气象信息中心气象资料室，数据经过质量控制，可信度高。
由于研究区域内各台站的纬度、拔海高度的不同，用一个统一固定的极端高温阈值进行分析研究不能真正描述当地的极端高温特征，因此，本文参考文献［16］中极端气候指标体系的内容，极端高温定义为: 将各站夏半年逐年日最高气温资料按照升序排列，取第 90 个百分位的值定义为该站夏半年极端高温阈值，如果该站夏半年某日最高气温高于该阈值，则认为该日发生了极端高温事件，把年出现极端高温事件的次数称为该年极端高温频数。
2 极端高温阈值的空间分布
从河套及其相邻区夏半年极端高温阈值分布图( 图 1) 中可以看到，河套及其相邻区夏半年极端高温阈值的高值区分布在河套的西北部和东南部，其中≥35℃的阈值只出现在河套东南部，即陕西东南部、山西南部、河南西北部的 3 省交界处，最高值在山西的运城，为 35． 7℃; ≤25℃的阈值只分布在河套的西南部，最低值在甘肃的临潭，为 22． 6℃，极端高温阈值的最大与最小值相差 13． 1℃。这主要是因为河套及其相邻区各站的海拔高度、纬度差异较大，分布着平原、丘陵、山地、草原、沙漠等多种下垫面，因此各站极端高温阈值相差也较大。【图1】
3 极端高温频数异常的空间分布特征
为了进一步分析河套及其相邻区夏半年极端高温频数的地域特征，对极端高温频数资料进行 EOF 分解，并截取前 5 个特征向量做 REOF 分解，表 1 给出的是旋转前后前 5 个主要特征向量对极端高温频数场总方差的方差贡献率，从方差贡献率可以看到，EOF 和 REOF 的收敛性均很快，第 1 模态的方差贡献就占总体方差的一半( 56． 68%) ，反映了整个区域夏半年极端高温频数时空变化的主要特征; 而前 2 个模态的累积方差贡献率达 71． 70%，第 3 个以后所占的方差贡献很小，其间的差异也明显减小。这表明研究前 2 个模态特征向量就能较好地表征河套及其相邻区夏半年极端高温频数变化及其空间分布特征。【表1】
从 EOF 分解的第 1 模态分布( 图 2( a) ) 可以看到，河套及其相邻区夏半年极端高温频数第 1 模态特征向量均为正值，这表明该地区夏半年极端高温频数在空间上变化的一致性，这种一致的特性占到总体方差的56． 12% ，这显然与大尺度天气系统的影响有关，尽管该地区各区域之间的气候差异较大，但夏半年极端高温频数在一定程度上还是受大尺度天气系统影响和控制，造成极端高温频数偏多、偏少趋于一致。载荷量 0． 8以上的区域主要位于山西中西部、陕西北部、内蒙古中南部和宁夏北部，中心位于山西介休( 载荷值为0． 94) 。说明这里是该地区夏半年极端高温频数变率最大、频数异常的敏感地区。【图2】
从 EOF 分解的第 2 模态分布( 图 2( b) ) 可以看到，第 2 模态载荷向量场的分布基本上呈东南-西北反相变化的结构特点，山西中北部、陕西北部、内蒙古、宁夏和甘肃中西部为正值区，中心位于内蒙古乌前旗( 载荷值仅为 0． 45) ; 而山西南部、陕西中南部以及河南西北部为负值区，中心位于河南新安( 载荷值为－ 0． 76) 。这表明该地区夏半年极端高温频数总趋势中存在明显的东南-西北分布，为东南多西北少或西北多东南少，即东南-西北反位相变化。这是因为该地区西北部主要受西风控制和北方冷空气的影响，而东南部主要受季风影响和副热带高压控制，从而造成该地区西北部与东南部夏半年极端高温频数的差异。
为进一步分析该地区夏半年极端高温频数的地域特点，对前 5 个主成分及其对应的载荷向量进行旋转，由前 3 个旋转载荷向量场得到 3 个主要空间分区域模态( 图 3) 。旋转载荷向量绝对值大于 0． 6 的区域为大值区。图 3( a) 为河套及其相邻区夏半年极端高温频数的第一旋转载荷向量场，大值区在内蒙古、宁夏北部、陕西北部、山西中北部，最大值出现在内蒙古的托克托县，中心值为 0． 94。表明这一带是河套及其相邻区夏半年极端高温频数异常的最敏感区域，极端高温频数的多少在这一带反映最明显。这一异常性质称为河套北部型。图 3( b) 为第 2 旋转载荷向量场，大值区在陕西中南部、山西南部、河南西北部，最大值出现在河南的新安县，中心值 －0． 93。表明这一带是河套及其相邻区夏半年极端高温频数异常的第 2 个敏感区域。这一异常性质称为河套东南型。图 3( c) 为第 3 旋转载荷向量场，大值区在甘肃中东部、宁夏中南部、陕西西部，最大值出现在宁夏的西吉县，中心值为 －0． 84。这一异常性质称为河套西南型。
根据图 3 旋转载荷向量场的异常特征分布，河套及其相邻区夏半年极端高温频数的 3 个主要空间表现为河套北部区、河套东南区、河套西南区。【图3】
4 极端高温频数异常的时间变化特征
经 REOF 分解后各异常区域内载荷向量高值站能较好地代表该区域的异常变化，故用各异常区代表站夏半年极端高温频数时间序列分析该异常区域的时间变化趋势。
4． 1 年际变化
从河套北部区的托克托代表站夏半年极端高温频数变化曲线( 图 4( a) ) 可以看到，1960 年代初至 1980年代后期极端高温频数整体偏少并呈波动变化，极端高温少发; 1990 年代初至 2000 年代后期极端高温频数整体偏多且增多明显，极端高温频发。2001 年极端高温频数异常偏多达39 次，而1976，1979，2003 年异常偏少只有 4 次。
河套东南区的新安代表站( 图 4( b) ) 1960 年代初至 1970 年代中后期极端高温频数明显偏多，极端高温频发; 1970 年代后期至 1990 年代初期明显偏少，极端高温少发; 1990 年代中期至 2000 年代初期略偏多;2000 年代中期以后又偏少。2008 年极端高温频数异常偏多达 43 次，而 1983，2008 年异常偏少只有 2 次。河套西南区的西吉代表站( 图 4( c) ) 与河套北部区代表站变化趋势相近，1960 年代初至 1990 年代中前期极端高温频数整体偏少并呈波动变化，极端高温少发; 1990 年代中期至 2000 年代初后期极端高温频数整体偏多且呈明显增多趋势，极端高温频发。2006 年极端高温频数异常偏多达 50 次，而 1989 年异常偏少只有 1 次。【图4】
4． 2 趋势变化
从河套及其相邻区各站点夏半年极端高温频数气候倾向率和趋势系数分布图可以看到( 图略) ，河套东南区的陕西、山西、河南 3 省交界处 13 个站点气候倾向率和趋势系数均为负值，其他站点则均为正值。从各异常区代表站气候倾向率和趋势系数可以看到( 表 2) ，3 个代表站的变化趋势并不一致: 北部区的托克托与西南区的西吉均表现为一致的增加趋势，其中西吉增加趋势最明显，其气候倾向率为 3． 5/10a，趋势系数为0． 4627，通过了 0． 001 的信度检验。托克托增加趋势较明显，其气候倾向率为 1． 9 /10 a，趋势系数为 0． 3237，通过了 0． 02 的信度检验; 而东南区的新安则表现为减少的趋势，且减少趋势较明显，其气候倾向率为 －2． 0/10 a，趋势系数为 － 0． 3268，通过了 0． 02 的信度检验。【表2】
从以上的分析可以看到，河套西南区夏半年极端高温频数表现为显着的增加趋势，河套北部区表现为较明显的增加趋势，这与文献［10］，［11］中有关极端高温事件变化趋势的研究结果基本一致。而河套东南区则表现为较明显的减少趋势。
4． 3 突变分析
利用 Lepage 法对河套及其相邻区各异常区代表站夏半年极端高温频数进行突变分析，结果表明只有河套北部区的托克托代表站通过了 0． 05 的显着性检验( 图 5) ，突变时间出现在 1996 年; 新安代表站和西吉代表站均未通过 0． 05 的显着性检验，说明均未出现突变现象( 图略) 。【图5】
4． 4 周期变化
对各异常区代表站夏半年极端高温频数进行小波分析( 图略) ，各代表站存在着较长的周期，同时又包含着较短的周期: 托克托代表站存在着 10 ～12 a，6 ～8a 和准 3 a 的周期变化，从周期中心强度分析 10 ～12a的周期最强; 新安代表站存在着 6 ～8 a，18 a 和准 4 a 的周期变化，从周期的中心强度分析 18a 的周期最强;西吉代表站存在着 12 ～16 a，5 ～6 a 和准 3 a 的周期变化，从周期的中心强度分析 12 ～16 a 的周期最强。
5 极端高温频次与夏半年平均气温的关系
为了解河套及其相邻区夏半年极端高温频数的变化与同期平均气温的相互联系，在此计算了各站二者之间的相关系数。从河套及其相邻区各站夏半年极端高温频数与同期平均气温的空间分布图( 图 6) 中可以看到，河套区域内所有站点均呈显着的正相关，各站点夏半年极端高温频数与同期平均气温的相关系数均通过了 0． 001 的信度检验，其中最大相关系数为 0． 9406，最小相关系数为 0． 8117。说明河套及其相邻区夏半年极端高温频数与同期平均气温的关系显着，即夏半年平均气温偏高则极端高温频数偏多，反之夏半年平均气温偏低则极端高温频数偏少。【图6】
6 小结
( 1) 河套及其相邻区夏半年极端高温阈值的高值区分布在河套的西北部和东南部，其中≥35℃的阈值只出现在河套东南部，≤25℃的阈值只分布在河套的西南部，极端高温阈值的最大与最小值相差 13． 1℃。这主要是受海拔高度的影响。
( 2) 河套及其相邻区夏半年极端高温频数在地域范围上的主要呈全部偏多或全部偏少、东南多西北少或西北多东南少的特征，即呈全区域一致性变化、东南-西北反位相变化。
( 3) 河套及其相邻区夏半年极端高温频数在空间上分为河套北部区、河套东南区、河套西南区 3 个异常分区，各异常区内夏半年极端高温频数具有相对一致的特性。
( 4) 河套北部区与河套西南区的夏半年极端高温频数的年际变化趋势相近，1960 年代至 1980 年代偏少，1990 年代至 2000 年代偏多且增多明显。河套东南区 1960 年代至 1970 年代中后期偏多，1970 年代后期至 1990 年代初期偏少，1990 年代中期至 2000 年代初略偏多，其后又偏少。
( 5) 在 3 个异常分区中，河套西南区夏半年极端高温频数表现为显着的增加趋势，河套北部区表现为较明显的增加趋势，而河套东南区则表现为较明显的减少趋势。只有河套北部区通过了 0． 05 的显着性检验发生了突变现象，而其他 2 个异常分区均未发生突变。
( 6) 河套北部区存在着 10 ～12a，6 ～8a 和准 3a 的周期变化，河套东南区存在着 6 ～8a，18a 和准 4a 的周期变化，河套西南区存在着 12 ～16a，5 ～6a 和准 3a 的周期变化。
( 7) 河套及其相邻区夏半年极端高温频数与同期平均气温的均呈显着的正相关，二者之间的相关系数均通过了 0． 001 的信度检验，说明夏半年平均气温偏高则极端高温频数偏多，反之夏半年平均气温偏低则极端高温频数偏少。
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