氣候變暖背景下合肥機場極端氣溫變化特征分析

王 勇　(民航安徽空中交通管理分局，安徽合肥 230051)

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氣候變暖背景下合肥機場極端氣溫變化特征分析

王 勇(民航安徽空中交通管理分局，安徽合肥 230051)

極端氣溫及其伴隨的高溫對流、低溫冰雪、霜凍等惡劣天氣不僅制約人們的生產生活，對航空飛行活動的影響也尤為突出，氣溫是決定飛機起飛載重以及起飛滑跑距離的重要氣象指標。隨著我國民用航空事業的迅猛發展，航空貨運需求逐年增加，提高飛機的貨物運輸量經濟效益巨大，因此，在氣候變暖背景下加強氣溫特別是極端氣溫變化研究，對貨運繁忙條件下保證飛行安全和效益作用巨大。

針對極端氣溫在氣候變暖背景下的變化特征，許多學者進行了研究，并取得了較多成果[1-5]。如程炳巖等[1]利用上海、南京、東臺、徐州考察冬夏極端氣溫出現概率對全球氣候變暖的敏感率，得出其概率分布敏感率呈現出方差變化影響大于均值變化影響；史軍等[6]研究表明逐日最高地面氣溫和環流指數對極端氣溫時間動態變化和時間地域差異影響較大，城市化也增加了高溫事件的發生；姚望玲等[7]利用武漢市1951~2007年間高溫天氣極端溫度日數序列，采用格蘭杰因果性檢驗法探討氣候變暖與極端溫度事件關系，發現氣候變暖下悶熱天氣增多，降水事件減少。基于對前人研究內容的學習了解，筆者在此利用1986~2013年間合肥機場逐日最高、最低氣溫資料，通過閾值分析法選出極端氣溫日數序列，采用累積距平和Morlet小波變換等方法分析了氣候變暖背景下合肥機場極端溫度的變化特征，以了解其時間變化特征及形成原因機制，為當代交通運輸尤其是民航飛行提供智力支持。

1資料與方法

1.1資料來源利用合肥機場1986～2013年逐日溫度極值資料通過閾值篩選將最高溫度的5%作為極端高溫，最低溫度的5%作為極端低溫[8]，將出現極端高溫(低溫)的那天定義為極端高溫日(低溫日)，并將篩選值進行氣候學統計處理，分析合肥機場在氣候變暖背景下極端氣溫日數的變化特征。季節劃分原則為春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~翌年2月)。

1.2研究方法

1.2.1氣候傾向率。氣候資料時序數據(x1,x2,…,xn)與表示年份順序的自然數列(1,2,…,n)是一一對應的, 因此可以將降水量時間序數據看作自變量、將降水量數列看作因變量建立線性回歸方程:xi=a+bti，其中,a為回歸常數,b為回歸系數,a和b可以用最小二乘法進行估計。將b×10稱為氣候傾向率，氣候傾向率的符號表示氣候變量x的趨勢傾向,其值的大小反映上升或下降的速率的快慢[9]。

1.2.2M-K檢驗。采用Mann-Kendall突變檢驗(簡稱M-K檢驗)對極端氣溫進行突變檢測。M-K檢驗的檢測范圍寬、定量化程度高,不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數異常值的干擾,更適用于類型變量和順序變量[10-11]目前比較常用的趨勢診斷方法。

1.2.3累積距平法。累積距平[12]一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法, 同時通過對累積距平曲線的觀察, 也可以劃分變化的階段性。對于時間序列，將n個時刻的累積距平值全部算出, 即可繪制累積距平曲線,進行趨勢分析。

1.2.4小波變換方法。小波變換在時頻域上均具有良好的局部性質,可以分析出氣候量變化的局部特征, 能清楚地分析出氣候變化的周期性特征，其中,Morlet小波是常用的復數形式的小波函數[13-17]。極端氣溫日數進行Morlet小波變換可以分析其時間變化特征。小波系數的實部包含給定時間和尺度下,相對于其他時間和尺度,信號的強度和位相兩方面的信息。小波系數為正時,表示降水量相對偏多,用實線表示；小波系數為負時,表示相對偏少,用虛線表示；小波系數為0的地方則為突變點。Morlet小波功率譜檢驗圖表示能量密度，可以把各種時間尺度的周期變化在時間域中的分布情況展示出來，小波功率譜值越大，表明所反應的時段和尺度的周期性越明顯[13]，通過能量值的計算可以對小波功率譜進行給定置信水平的顯著性檢驗。

2極端氣溫變化特征分析

圖1　1986~2013年合肥機場最高氣溫(a)、最低氣溫(b)年變化

2.1最高、最低氣溫歷年變化從圖1可以看出，合肥機場區域最高氣溫、最低氣溫年極值變化明顯，近28年來合肥機場最高溫度多年平均值為38.0 ℃，極大值為40.4 ℃(2013年)，極小值為35.8 ℃(1993年)，最低溫度多年平均值為-8.4 ℃，極大值為-4.9 ℃(2007年)，極小值為-13.5 ℃(1991年)；溫度極值年變化線性趨勢不顯著，但從5年滑動平均看，波動變化特征明顯，最高溫度在20世紀90年代中后期、21世紀初期年極值較高，90年代初期、2010年前后極值較低；最低溫度在1990年前后(1991年除外)、2010年前后(2008年除外)極值偏高，90年代后期~21世紀初期極值偏低；年溫度極值波動范圍較大，具有一定的不確定性。

2.2極端氣溫日數年變化特征合肥機場極端氣溫日數年變化較大，28年間極端高溫日數多年平均值為19 d，1995年出現最多,達38 d，1987、1993年出現最少,僅為4 d；極端低溫日數平均值為18 d，2008年出現最多,達39 d，1990年出現最少,僅為6 d。極端氣溫日數均有一定程度的增加趨勢，其中極端低溫日數增加趨勢極為顯著，氣候傾向率為5.2 d/10a，但極端高溫日數未通過0.05的顯著性檢驗。

圖2　1986~2013年合肥機場極端高溫(a)和低溫(b)日數距平及累積距平變化

距平及累積距平歷年變化(圖2)表明，極端高溫日數在20世紀90年代之前偏少，90年代前期和中期偏多(1993年偏少),之后至21世紀前期負距平占主導地位，2010年以后明顯偏多，極端高溫日數呈現增加趨勢；極端低溫日數在2002年以前以負距平為主，之后正距平占據主導地位，累積距平在2002年也發生減少到增加的轉變。M-K檢驗表明，極端高溫日數沒有明顯突變現象，以波動變化為主，極端低溫日數在2000年左右發生由偏少到偏多的突變。因此，進入21世紀后，在氣候變暖背景下極端低溫日數卻明顯增加。

2.3極端氣溫日數月、季變化特征由表1可見，近28年合肥機場極端氣溫的月、季分布相對集中，極端高溫日數主要出現在7月份，其次是8、6月份，分別占全年極端高溫日數的55.1%、32.3%、9.6%，夏季極端高溫日數占全年的97.0%，極端低溫日數主要出現在1月份，其次是12、2月份，分別占全年極端低溫日數的50.2%、27.4%、18.5%，冬季極端低溫日數占全年的96.1%。近28年來夏季極端高溫日數有一定的增加，但未通過0.05的顯著性檢驗，8月份極端高溫日數增加趨勢明顯，氣候傾向率為1.8 d/10a；冬季極端低溫日數增加趨勢極為顯著，氣候傾向率為5.6 d/10a，12和1月份極端低溫日數增長對其貢獻突出。

表1　1986~2013年合肥機場極端氣溫日數月、季分布特征

2.4極端氣溫日數周期特征由圖3可見，近28年來合肥機場區域極端氣溫日數存在多尺度的周期震蕩規律。極端高溫日數年變化存在2~4、5~6、10年左右時間尺度的周期變化規律，其中2~4、5~6年時間尺度震蕩能量較強，周期特征顯著，合肥機場極端高溫日數經歷了“偏少-偏多-偏少-偏多”4個循環交替的階段，到2013年小波系數等值線逐漸閉合表明極端高溫日數偏多階段正逐漸結束；極端低溫日數變化存在3年左右、8~10年時間尺度的周期變化規律，其中3年左右時間尺度震蕩能量強，周期特征顯著，機場極端低溫日數經歷“偏少-偏多-偏少-偏多”4個循環交替的階段，到2013年小波系數等值線逐漸閉合表明極端低溫日數即將進入偏少期。

3可能原因分析

形成和制約氣候變化的因子很多。其中大氣環流是影響合肥地區極端氣溫日數發生變化的重要原因之一。在全球氣候變暖的大背景下，大氣環流系統也出現相應的變異和調整進而導致區域氣候變化。我國處于東亞季風區，氣候變化受東亞附近環流系統影響明顯，近年來歐亞區域西風環流偏強，經向環流減弱，副高強度增加，造成合肥地區易出現高溫天氣，但由于合肥位于巢湖(全國第五大淡水湖)之濱，南北分別是長江、淮河兩大水系，水汽含量充沛使得合肥地區變暖趨勢受到一定的抑制，極端高溫日數雖有所增加但不明顯。全球變暖造成地面積累大量不穩定能量，蒸發加大，水循環速率加快，在增加大暴雨的同時暴風雪的強度和頻率也有所增加，突發性極端冷事件出現隨機性增大，所以全球變暖條件下低溫概率雖然減少，但破壞巨大的極端低溫事件卻不降反升。

氣候變化是氣候系統內部和外部因子相互作用、相互影響的結果，人類活動對氣候變化也有一定的影響。近年來合肥地區發展迅速，能源消耗大量增加，城市建設造成下墊面變化巨大，大量農田變成道路和樓房，以及人口的迅速擴張使得城市熱島效應逐漸突出，造成極端溫度出現的頻率和強度增加。

4對飛行活動的影響

氣溫是決定航空器起飛和著陸滑跑距離和載重的關鍵因素之一，氣溫高時空氣密度小，發動機推力或螺旋槳拉力減小，航空器增速較慢，同時航空器升力減小，離地速度增大，造成航空器起飛滑跑距離延長，反之，氣溫低時滑跑距離縮短(若實際氣溫比標準氣溫低10 ℃，起飛滑跑距離縮短10%~11%)，這對相同滑跑距離條件下增加飛機載重提高飛行效益意義重大。

氣溫對儀表示度及精度變化影響很大，航空器上使用的空速表和高度表均是根據標準大氣溫度(15 ℃)設計的，當氣溫發生變化時，儀表就不能完全真實地反應實際空速和高度，溫度偏離越大出現極端溫度時儀表偏差最大，若未及時根據航線上的實際溫度進行儀表示度訂正則會帶來較大的飛行安全隱患，因此，準確地掌握溫度層分布以及溫度變化有利于航空飛行的安全。

極端溫度的出現還會影響飛機部件的使用。出現極端高溫時，容易造成飛機輪胎等零部件老化，降低使用壽命，極端低溫出現往往伴隨積冰、霜凍等次生天氣，較厚且粗糙的積冰會嚴重影響飛機的空氣動力性能，影響部分機載電子設備性能，給安全維護帶來一定影響。

5極端氣溫下的航空氣象業務保障探討

通過對合肥地區極端氣溫日數變化特征的分析，結合極端氣溫對航空飛行活動的影響，對今后航空氣象保障中溫度情報的提供和預報具有積極的指導意義：①在氣候變暖背景下極端低溫日數卻有顯著的增加趨勢，鑒于極端氣溫的次生災害，氣象人員在晴朗的冬季尤其要注意，出現霜凍天氣時及時向有關部門通報，預報應根據天氣形勢提前發布預警預報；②關注溫度變化，及時提供服務，日出日落及雷暴前后是溫度變化最為劇烈的時段，短時間內溫度可能變化5 ℃以上，觀測員應將溫度變化及時提供，為飛機結合跑到長度裝載適量的貨物提供依據，減少飛行安全隱患；③預報員根據高空探測資料提供準確的溫度層結資料，特別是0 ℃等溫線附近高度，對于減少飛機遭遇雷擊和積冰有重要作用。

6總結

利用合肥地區1986～2013年逐日氣溫極值資料，對極端氣溫日數出現的時間變化特征和相關原因進行了研究，并就其對航空飛行活動的影響及對航空氣象服務的指導意義進行了分析，得出以下幾點結論：

(1)合肥地區年溫度極值以波動變化為主，線性趨勢不明顯，氣候變暖背景下極端高溫日數增加不明顯，極端低溫日數卻有極顯著的增加趨勢。

(2)極端高溫日數7月份出現最多，極端低溫日數1月份出現最多， 8月份極端高溫日數及12、1月份極端低溫日數均有顯著的增加趨勢。

注：a1、b1為小波變換實部圖；a2、b2為功率譜圖；a3、b3為功率檢驗圖。圖3　1986~2013年合肥機場極端高溫(a)和低溫(b)日數Morlet小波變換

(3)合肥地區極端氣溫日數存在多尺度的周期震蕩匯率，其中極端高溫日數2~4、5~6年時間尺度周期震蕩明顯，極端低溫日數3年左右周期特征顯著。

(4)極端氣溫對飛行安全和效益影響較大，航空氣象服務部門結合極端氣溫變化規律及用戶需要準確、有效地提供預報、實況資料，對提高飛行質量有重要意義。

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摘要[目的]探討合肥機場極端氣溫變化特征。[方法]利用合肥地區1986～2013年逐日氣溫極值資料，采用線性回歸法、M-K檢驗法、累積距平法及小波變換等方法，對近28年來合肥地區極端氣溫的變化特征進行了分析。[結果]氣候變暖背景下合肥地區年溫度極值以波動變化為主，極端高溫日數增加不明顯，極端低溫日數卻有極顯著的增加趨勢；極端高溫日數7月份出現最多，極端低溫日數1月份出現最多，8月份極端高溫日數及12、1月份極端低溫日數均有顯著的增加趨勢；極端高溫日數2～4、5～6年時間尺度周期震蕩明顯，極端低溫日數3年左右周期特征顯著。[結論]極端氣溫對飛行活動安全和效益影響較大，航空氣象服務部門結合極端氣溫變化規律及用戶需要準確、有效地提供預報、實況資料，對提高飛行質量有重要意義。

關鍵詞氣候變暖；合肥機場；極端氣溫；變化特征

Analysis on the Variation Characteristics of the Extreme Temperature of Hefei Airport

WANG Yong(Air Traffic Management of Anhui Civil Aviation,Heifei,Anhui 230051)

Abstract[Objective] The research aimed to discuss the variation characteristics of the extreme temperature of Hefei Airport.[Method]Based on daily temperature data of Hefei airport from 1986 to 2013, the variation characteristics of the extreme temperature in Hefei were analyzed by linear regression method,Mann-Kendall method,accumulative anomaly method and the wavelet transform method.[Result]Under the background of climate warming,the extreme value of the annual average temperature had fluctuation change characteristic in Hefei area.The extreme high temperature days increased insignificantly,but the extreme low temperature days had very significant increasing trend.The extreme high temperature days always appear in July,the extreme low temperature days always appear in January, the high temperature days in August and the low temperature days in December and January were increased obviously.For extreme high temperature days, the periodic oscillation was significant in period of 2-4 years and 5-6 years; for extreme low tempeature days, the period of 3 years showed distinctive characteristic.[Conclusion]The extreme temperature has great impact on the flight activities.It is important to improve the flight quality by providing accurate and effective information of forecast.

Key wordsClimate warming;Hefei airport; Extreme temperature;Variation characteristics

收稿日期2015-10-13

作者簡介王勇(1968-)，男，安徽銅陵人，工程師，從事區域氣候變化研究。

中圖分類號S 16

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)32-366-04