资料均一化对气温变化趋势及其城市化偏差估计的影响：以北京地区为例

当前的地面气候观测资料普遍存在非气候性因素导致的非均一性,对气候变化监测和研究结论可靠性造成重要影响。结合观测台站的历史沿革数据,使用ACMANT和Pairwise Comparisons方法以及RHtest V4软件,对北京地区20个台站均一化前的月平均气温序列进行了非均一性检验和订正,最后评估了均一化对北京地区气温序列变化趋势及其城市化偏差估算的影响。结果表明：除元数据中记录的断点外,无元数据记录的断点也会对序列的趋势变化造成明显影响,其中乡村站最显著;经过订正,1958—2018年整个北京地区、乡村站以及城市站增温趋势分别为0.27℃/(10 a)、0.10℃/(10 a)和0.32℃/(10 a),较订正前分别上升了0.03℃/(10 a)、0.06℃/(10 a)和0.02℃/(10 a)。利用均一化资料估算,1958—2018年北京观象台的城市化影响为0.24℃/(10 a),城市化贡献率为70.2%,评估结果较前人结论有所降低。可见,在现有的北京地区气温资料序列中,仍可能存在较明显的非均一性和未被记录的断点,对区域平均气温趋势估算具有显著影响。     

内蒙古气温序列均一性检验

通过构建参考序列、找出间断点、结果集成等步骤对内蒙古地区119个地面气象站逐日平均气温、逐日最高气温、逐日最低气温进行均一性检验。结果表明:内蒙古地区大部分地面气象站气温资料均一性状况良好;部分台站气温资料不均一的原因主要是受迁站影响,其次是观测站周围环境变化、观测仪器的更换以及观测标准的变更。不均一现象对最低气温影响较大,其次是平均气温,最高气温受影响相对最小。     

城市化对华北地区最高, 最低气温和日较差变化趋势的影响

利用华北地区255个一般站和国家基本、 基准站1961\_2000年的实测资料, 经过质量检验和均一性订正后, 将所有台站根据人口和台站地理位置分为5个类别, 分析了这5个类别台站和国家基本、 基准站地面平均气温、 最高、 最低气温的年和季节变化趋势以及城市化影响。结果表明： 华北全部台站的年平均气温、 最高、 最低气温均呈增加趋势, 且以最低气温上升最为明显, 导致年平均日较差呈现明显下降。就城市化影响而言, 平均气温、 最低气温变化趋势中城市热岛效应加强因素的影响明显, 但城市化对最高气温趋势影响微弱, 个别台站和季节甚至可能造成降温。在国家基本、 基准站观测的年平均气温和年平均最低气温上升趋势中, 城市化造成的增温分别为0.11℃·(10a)-1和0.20℃·(10a)-1, 对全部增温的贡献率分别达39.3%和52.6%。各类台站的四季平均气温和最低气温序列中城市化影响均造成增温。城市化增温以冬季为最大, 夏季最小。城市化还导致乡村站以外的各类台站日较差减小, 近40年华北地区国家基本、 基准站年平均和秋、 冬季平均气温日较差明显下降均由城市化影响造成的。     

1961—2013年内蒙古极端气温变化分析

文章选用全区均一性较好的71个地面气象站1961—2013年逐日最高和最低气温资料,给出了极端气温指标定义,计算分析了内蒙古极端气温事件时空变化特征。结果表明:1961—2013年内蒙古地区极端气温以极端高温事件增多、极端低温事件减少为主,但近几年这种变化有所减缓,主要表现在极端高温事件发生频率下降、极端低温事件发生频率明显上升。极端最低气温的变化趋势或幅度较极端最高气温明显。     

1960~2018年成都地区极端气温变化及城市化贡献分析

基于1960~2018年成都地区地面气象站气温数据,分别使用绝对阈值法和百分比阈值法定义了极端气温事件,分析了温度的空间分布特征、线性倾向以及城市化对极端气温指数的贡献。结果表明:成都地区气温分布具有明显的空间差异,东部金堂平均气温最高,其次为新津,西北部由于海拔高度较高,气温低;1960~2018年成都地区霜冻日数逐渐减少,高温日数逐渐增多,整体气温呈现上升趋势;近20 a来,成都地区极端高温事件显著增多,冷日指数以及冷夜指数均呈下降趋势,暖日指数以及暖夜指数均呈上升趋势;城市化对最低气温、冷夜指数和暖夜指数的贡献率分别为34.00%、45.81%和26.88%,与最低气温相关的指数对城市化的响应更为敏感。      

城市化对天津近60年平均温度和极端温度事件的增暖影响

基于天津均一化的逐日平均、最低和最高气温观测数据,以及利用天津区域自动站定时观测气温整合数据对城乡台站的划分结果,研究分析了天津地区1959～2000年、1959～2005年、1959～2012年、1959～2017年4个时段平均温度和极端温度事件的趋势特点及其变化幅度。结果表明,天津地区的气温增暖是毋庸置疑的,4个时段年平均气温增加幅度分别达1.35°C、1.65°C、1.71°C、2.05°C,其中,冬季上升幅度相对最大,分别为2.45°C、2.82°C、2.55°C、2.86°C。城市化导致的年平均气温增暖幅度在逐年增强,4个时段的增暖贡献分别达3.73%、3.71%、4.73%、5.17%,但对于冬季来说,乡村区域的增暖趋势幅度明显大于城市区域,这一特点在年和季节极端冷事件（TN10p、TX10p）和极端最低气温事件（TNn）中有明显表现。因此,在时间尺度上,城市化对天津地区的平均和极端温度增暖影响仍然是较为显著的,并且乡村区域的城市化进程相对城市区域更为突出。     

华北地区地表气温观测中城镇化影响的检测和订正

根据人口资料和台站位置将华北地区282个国家基本、基准站和一般气候站分为乡村站、小城市站、中等城市站、大城市站和特大城市站5个级别,用经过均一性检验和订正的平均气温资料分别讨论了各级城市站热岛效应对地面气温趋势的影响,发现人口为5×105～1×106的大城市站受到城市化影响最大,40年热岛增温达到0.64℃.作者还分析了华北地区城市化对国家基本、基准站1961～2000年期间观测的平均气温变化趋势的影响,结果表明,由热岛效应引起的国家基本、基准站年平均气温增暖为0.11℃/10 a,对这个时期全部增温的贡献达到37.9%.目前根据国家基本、基准站资料建立的区域和全国平均气温序列在很大程度上仍保留了城市化的影响.作者进一步对华北地区1961～2000年根据国家基本、基准站资料建立的区域年平均气温序列进行了订正,订正后气温线性趋势由0.29℃/10 a降低为0.18℃/10 a.消除城市化影响,研究时段内华北地区年平均地面气温线性增加值为0.72℃.     

昆明地区城市热岛效应的再分析

在对地面气温资料进行均一性检验和订正的基础上,分析了1971—2008年昆明地区(包括城区、郊县和太华山)气温序列的变化趋势,研究了城市化对气温序列的可能影响,揭示了在城市化快速推进和低纬高原复杂地形条件下城市热岛效应的特殊性和复杂性。结果表明,昆明地区的平均气温总体呈上升趋势,上升速率大小依次为昆明城区>郊县>太华山。其中,昆明城区和郊县气温具有相似的变化规律,主要表现为冬、春季最低气温显著升高和气温日较差明显减小;太华山气温的变化则明显不同,主要表现为最低气温全年少变,冬、秋季最高气温小幅上升,而气温日较差有增大趋势。20世纪80年代中后期以来,昆明城区与郊县气温,特别是最低气温的显著上升可能受到城市化的严重影响,因此以往以郊县为对比乡村站的研究在很大程度上低估了城市化对昆明气温序列的影响。而在此之前,昆明最低和最高气温均会因对比乡村站选取的不同而表现出"城市冷岛"特征。     

北京1960—2008年气候变暖及极端气温指数变化特征

应用均一化逐日气象观测资料,分析了北京地区1960—2008年气候变暖及主要极端气温指数的统计特征。结果表明：近49年来北京年平均气温增温速率约为0.39℃/10a,最高、最低气温变化具有明显的非对称性。霜冻日数和气温年较差呈现下降趋势,暖夜指数及热浪指数呈现上升趋势,除气温年较差外,其他极端气温指数的气候变率均在加大。北京年平均气温及极端气温指数主要存在21年、15～17年及准10年周期特征。年平均气温与极端气温指数之间存在较强相关性,气候变暖突变发生前后某些极端气温指数发生频率表现出明显差异。自1980年起,北京市区极端最高气温及其增温率明显高于近郊和远郊,高温日数市区多于近郊,近郊多于远郊;近、远郊极端最低气温温差高于城、近郊温差。     

新疆吐鲁番市1952～2012年气温变化特征及城市化影响

利用吐鲁番气象站1952 ～2012 年逐月平均气温和平均最高、最低气温,逐日最高、最低气温以及高温、低温日数资料,采用线性回归、9 a 滑动平均方法,研究吐鲁番市近61 a 气温变化趋势,对比了吐鲁番东坎农试站1981 ～2012 年逐月平均最高、最低气温资料,分析近32 a 城市化进程对吐鲁番市气温的影响.结果表明：吐鲁番市除夏季平均气温、冬季极端最高气温呈下降趋势外,其余均呈不同程度上升趋势,其中尤以冬季极端最低气温和平均最低气温增加最为显著,且气温增加趋势夏季均低于冬季;高温日以1. 3 d/10 a 速率增加,而低温日以4. 8 d/10 a 速率减少;城市化进程对温度的影响具有季节变化和日变化特点.冬季温度差大于其他季节,最低温度温差明显大于最高温度温差.     

1951—2017年鞍山市气温变化特征及城市热岛变化

利用建站以来鞍山站和海城乡村站的一日四次观测数据和逐日平均、最低和最高气温资料,对1951-2017年鞍山市年、四季和各月平均气温和极端气温变化特征及其变率进行了分析,并对鞍山城市热岛变化进行探讨。结果表明：1951-2017年鞍山市年平均最低气温的递增趋势最强、平均气温次之、平均最高气温最弱,且均通过显著性检验。1951-2017年鞍山市年极端最高气温变化呈弱递减趋势,1951-1987年（突变前）呈递减趋势、1988-2017年（突变后）为递增趋势。1951-2017年鞍山市年极端最低气温呈显著递增趋势,1951-1987年（突变前）较整个阶段递增趋势更强,1988-2017年（突变后）呈递减趋势;突变前后极端最高和极端最低气温呈反相变化特征。1958-2017年鞍山市年最低气温的城市热岛强度最大、平均气温次之,最高气温最小、递增趋势最弱;秋、冬季鞍山城市热岛强度较其他季节更强,热岛指数递增显著;在每日4次定时气温观测中,14时鞍山市热岛强度最小,热岛指数呈递减趋势,其余时次均呈显著递增趋势,其中,02时鞍山热岛强度最强;鞍山市平均气温变化呈显著增暖趋势,城市热岛强度和热岛指数均呈显著递增,夜间递增尤为突出,说明鞍山城市热岛的显著增强是鞍山市气候变暖的一个主要原因。     

区域气候模式CWRF对我国极端温度时空变化的模拟评估

基于中国均一化气温数据集CN05.1的观测数据,结合暖昼指数（TX90）、冷昼指数（TX10）、暖夜指数（TN90）、冷夜指数（TN10）、暖日持续指数（WSDI）和冷日持续指数（CSDI）6个极端温度指数,从气候平均、概率分布、年际变率和年际趋势方面,系统评估区域气候模式（Climate–Weather Research and Forecasting model, CWRF）对1980～2015年间我国极端温度指数区域分布和年际变化的模拟能力,为改进并利用模式研究我国未来区域极端温度的预测提供科学依据。结果显示:观测的冷暖指数在北方的年际变率幅度高于南方,其中暖指数在我国大部分地区为增暖趋势,冷指数在北方地区的变冷趋势显著,尤其暖夜增暖、冷夜变冷,极端暖事件（WSDI）的持续性比冷事件（CSDI）显著。CWRF模式较好再现了极端温度指数的年均分布和年际变化趋势特征,尤其对暖日和冷日持续指数的模拟优势显著,但仍存在系统性的区域偏差,如低估暖昼和冷夜的极值强度;对华东地区暖（冷）指数变暖（冷）的趋势存在低（高）估;尤其是低估青藏高原地区暖、冷指数的强度,并且高估其暖昼变冷、暖夜变暖的年际变化趋势。因此,该模式对华东及高原地区极端温度的强度和年际变率的模拟仍亟需改善。     

南京极值温度长期变化及其与平均温度的关系

利用1951—2009年南京日平均气温、日最高气温以及日最低气温等资料,分析了南京日最高气温和最低气温的长期演变趋势及其与平均温度的关系。结果表明：近60 a来,南京年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均呈变暖趋势,20世纪90年代增温尤为明显;日最高气温,除夏季表现为降温趋势外,其他季节均为升温趋势;而四季平均气温和平均最低气温均为增温趋势;夏季气温日较差下降趋势明显,导致夏季昼夜温差减小;极端高温、低温的发生日数均呈下降趋势。极端气温与平均气温之间存在明显的相关性,且极端低温对平均气温影响更为明显。     

南京极值温度长期变化及其与平均温度的关系

利用1951-2009年南京日平均气温、日最高气温以及日最低气温等资料,分析了南京日最高气温和最低气温的长期演变趋势及其与平均温度的关系。结果表明：近60a来,南京年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均呈变暖趋势,20世纪90年代增温尤为明显;日最高气温,除夏季表现为降温趋势外,其他季节均为升温趋势;而四季平均气...     

A Simulation Study on the Extreme Temperature Events of the 20th Century by Using the BCC_AGCM

Extreme temperature events are simulated by using the Beijing Climate Center Atmospheric General Circulation Model (BCC AGCM) in this paper. The model has been run for 136 yr with the observed external forcing data including solar insolation, greenhouse gases, and monthly sea surface temperature (SST). The daily maximum and minimum temperatures are simulated by the model, and 16 indices representing various extreme temperature events are calculated based on these two variables. The results show that the maximum of daily maximum temperature (TXX), maximum of daily minimum (TNX), minimum of daily maximum (TXN), minimum of daily minimum (TNN), warm days (TX90p), warm nights (TN90p), summer days (SU25), tropical nights (TR20), and warm spell duration index (WSDI) have increasing trends during the 20th century in most regions of the world, while the cold days (TX10p), cold nights (TN10p), and cold spell duration index (CSDI) have decreasing trends. The probability density function (PDF) of warm/cold days/nights for three periods of 1881-1950, 1951- 1978, and 1979-2003 is examined. It is found that before 1950, the cold day/night has the largest probability, while for the period of 1979-2003, it has the smallest probability. In contrast to the decreasing trend of cold days/nights, the PDF of warm days/nights exhibits an opposite trend. In addition, the frost days (FD) and ice days (ID) have decreasing trends, the growing season has lengthened, and the diurnal temperature range is getting smaller during the 20th century. A comparison of the above extreme temperature indices between the model output and NCEP data (taken as observation) for 1948-2000 indicates that the mean values and the trends of the simulated indices are close to the observations, and overall there is a high correlation between the simulated indices and the observations. But the simulated trends of FD, ID, growing season length, and diurnal temperature range are not consistent with the observations and their correlations are low or even negative. This indicates that the model is incapable to simulate these four indices although it has captured most indices of the extreme temperature events.     

1961—2010年锡林郭勒盟极端气温事件变化分析

根据1961—2010年锡林郭勒盟的平均气温及逐日最高、最低气温资料,详细分析了年平均气温、年季平均最高、最低气温以及极端气温的变化规律和特点。结果表明:锡林郭勒盟的年平均气温与全国同步,呈显著上升趋势;年平均最高、最低气温都呈增温趋势,季平均最高、最低气温的变化存在较大的季节性差异,冬季和秋季的增暖趋势异常明显,日较差整体呈现减小趋势;高温日数呈上升趋势,低温日数均呈下降趋势。     

1961—2018年陕西极端气温时空变化特征

基于陕西1961—2018年94个气象台站逐日气温资料,选取世界气象组织(WMO)提出的10种极端气温指数,分陕北、关中和陕南三个气候区,采用线性趋势分析、Mann-Kendall突变分析和Morlet小波分析,分析了陕西极端气温事件的时空变化特征。结果表明：陕西各极端气温指数在近60 a发生了显著变化,热指数的增加趋势较冷指数的减少趋势更为明显且年际间波动较大,夜指数的变化较相应的日指数变化更为突出,其中暖夜天数的增幅达到了7.4 d/10 a。除极端最低气温外,其余冷指数在1995年前后出现突变,而暖夜和暖昼天数突变发生在2005年以后。冰日、冷昼和热夜天数变化趋势呈现出明显的纬向特征,关中的极端最低气温、冷夜天数、暖夜天数、霜冻天数和夏日天数变化趋势较其他两个区域更为显著。极端指数的周期性变化主要集中在2—8 a。相较于极值指数,相对指数和绝对指数的变化均能较好的反映陕西年平均最高和最低气温的变化趋势。     

Increases in Anthropogenic Heat Release from Energy Consumption Lead to More Frequent Extreme Heat Events in Urban Cities

With economic development and rapid urbanization,increases in Gross Domestic Product and population in fastgrowing cities since the turn of the 21st Century have led to increases in energy consumption.Anthropogenic heat flux released to the near-surface atmosphere has led to changes in urban thermal environments and severe extreme temperature events.To investigate the effects of energy consumption on urban extreme temperature events,including extreme heat and cold events,a dynamic representation scheme of anthropogenic heat release(AHR)was implemented in the Advanced Research version of the Weather Research and Forecasting(WRF)model,and AHR data were developed based on energy consumption and population density in a case study of Beijing,China.Two simulations during 1999?2017 were then conducted using the developed WRF model with 3-km resolution with and without the AHR scheme.It was shown that the mean temperature increased with the increase in AHR,and more frequent extreme heat events were produced,with an annual increase of 0.02?0.19 days,as well as less frequent extreme cold events,with an annual decrease of 0.26?0.56 days,based on seven extreme temperature indices in the city center.AHR increased the sensible heat flux and led to surface energy budget changes,strengthening the dynamic processes in the atmospheric boundary layer that reduce AHR heating efficiency more in summer than in winter.In addition,it was concluded that suitable energy management might help to mitigate the impact of extreme temperature events in different seasons.