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摘要 利用福州市（乌山站）1961—2018年逐日气温观测资料，通过阈值法提取出极端温度资料序列，再根据复合极值分布理论，建立极端气温重现期泊松—韦伯复合极值分布模型，并利用该模型对福州市极端高低温的重现期研究。结果表明：福州市年高温天数和高、低温极端值均呈上升趋势，而年低温天数则呈下降趋势;高、低温天数多年发生频次符合泊松分布，气温极端值遵循韦伯分布，两者均通过显著性水平为0.01的K-S统计检验;福州市50 a一遇极端高低温分别为41.6℃和-1.4℃，100 a一遇极端高低温分别为42.1℃和-2.0℃。
关键词 极端高低温;极值分布模型;福州
中图分类号：P45 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）03–0041–02
天气和气候极端事件频率和强度的变化对人类社会经济和环境很可能产生巨大影响，因而受到越来越多的关注。2013年从中国气象局公布的最新数据显示，位于中国东南沿海地区的福州市夏季极端高温引起公众关注。近年来，福州极端高温异常天气气候频发，仅2018年福州市年平均气温显著偏高，同时连江和福清在12月4日最高气温突破12月历史极值，给人们生产活动带来严重经济损失与生活不适。因此研究城市极端气温气候特征可以为我们制定城镇发展战略提供科学参考。
1 资料和方法
研究极端气温的首要条件就是确定极端气温的阈值。选取福州市国家级气象观测站（乌山站）1961—2018年逐日最高及最低气温观测资料，采用阈值法、矩估计法、K-S检验、复合极值理论等方法对上述资料进行质量控制，根据第1个和第99个百分位值确定出本地极端气温阈值为2.9℃和37.7℃。
2 极端气温及天数的变化趋势
2.1 每年最低气温变化趋势及低温天数变化趋势
分析福州乌山站1961—2018年最低气温年际变化，近58 a最低气温平均为1.4℃，其年最低气温随年际呈缓慢上升趋势，增加率为0.189℃/10 a。2003年和2017年福州乌山站最低气温4.0℃，为站点研究年内最大值;年内最小值在2016年，为-1.9℃。同年1月20—25日，我国南方发生一次低温雨雪冰冻过程，1月25日福建省屏南、福州、安溪、厦门、东山、长乐6市气温打破1961年以来低温记录，部分地区创70 a来低温极值。研究年间，最低气温<0℃的年份仅有8 a，其余年份最低气温均>0℃。
依照利用阈值法算出的本地低温阈值2.9℃分析福州乌山站低温天数变化呈减少趋势，气候倾向率为-0.86 d/10 a。低温天数最多的达15 d，分别在1963年和1967年，1976年以前低温天数波动较大，且低温天数较多;1976年后低温天数波动较小，且低温天数减少。
2.2 每年最高气温变化趋势及高温天数变化趋势
福州乌山站1961—2018年最高温度平均38.3℃，近58 a最高温度随年际明显增大，增加率为0.293℃/10 a，变化幅度较最低气温略大，可看出年最高气温随时间变化上升趋势较显著。1965年和1970年福州乌山站最高气温为36.3℃，为站点研究年内最低值;最大值在2003年，为41.7℃，同时该年最低气温也是站点研究年内最大值。从1998年开始，福州乌山站年最高气温都>37.0℃，根据福建省灾害性天气预报服务用语暂行规定的日最高气温≥37℃为一高温日，连续≥37℃一个高温日天气过程称为一个高温过程，表明每年都有若干次高温过程发生。
根据利用阈值法算出的福州乌山站高温阈值37.7℃，较福建省高温橙色预警信号标准37.0℃高出0.7℃。近58 a高温天数呈增长趋势，气候倾向率1.155 d/10 a，高温天数最多的一年达25 d，在2003年，同时该年最高气温也是历史极值气温。1986年以前高溫天数波动较小，且高温天数较少;1986年后高温天数波动较大，且天数较多。
3 泊松—韦伯复合极值分布及K-S检验
3.1 极端高（低）温天数发生频次的泊松分布检验
极端气温发生频次本身具有一定概率特性。统计福州乌山站1961—2018年极端高、低温度出现频次得出，58 a中≥37.7℃高温次数212 d、≤2.9℃低温次数220 d。利用泊松分布函数对高低温发生频次进行估计检验，通过K-S检验表明：低温天数的泊松分布KS检验统计量为0.12，均小于显著水平位0.01的KS检验统计量临界值0.21，故认为低温天数时间序列服从泊松分布。高温天数的泊松分布KS检验统计量为0.20，均小于显著水平位0.01的KS检验统计量临界值0.21，故认为高温天数时间序列服从泊松分布。
3.2 高（低）温极值的韦伯分布检验
对福州1961—2018年出现的212次高温和220次低温分析，发现韦伯分布能很好拟合温度极值。黑色和红色小方框为高（低）温的经验频率，黑色实线为韦伯分布曲线，直观看出两则拟合度非常高。经过K-S检验表明：极端低温资料的KS检验统计量为0.057，小于显著水平位0.01的KS检验统计量临界值，故极端低温时间序列服从韦伯分布。极端高温资料的KS检验统计量为0.086，小于显著水平位0.01的KS检验统计量临界值，故极端高温时间序列服从韦伯分布（图1、图2）。
3.3 极端高（低）温重现期估算及分析
通过分析发现，用泊松过程来拟合极端气温发生频次是合理的，且气温极值用韦伯分布来拟合也是合理的，因此研究地区极端高低温事件服从泊松—韦伯复合极值分布。利用该模型计算福州代表站的多年一遇温度极端值得出：福州地区2、5、10、20、50、100 a一遇的年极端最高气温均超过其阈值37.7℃和58 a平均值38.3℃，其中100 a一遇的年极端最高气温值还超过资料年最大值41.7℃，其年极端最低气温都低于极端最低气温阈值2.9℃，除2 a一遇的年极端最低气温高于58 a平均值1.4℃外，其余5个年份均低于平均值，其中100 a一遇的年极端最低气温值还超过资料年最低值-1.9℃。
同时得出：年出现高温>38.4℃和低温<2.7℃时的温度概率为0.5，即平均2 a出现一次该极端高温值和极端低温值;出现高温>42.1℃和低温<-2.0℃的概率为0.01，即出现此极端高温和极端低温的重现期需要100 a。通过以上分析可以看出，温度极值越极端，风险概率值也就越小，重现期也就越大。
4 结论
福州地区高温出现日数越来越多且高温极值越来越高，低温出现日数越来越少且低温极值也越来越大，凸显了气温极端性及气候变暖趋势。
年高温及低温天数出现次数遵循泊松分布，高温、低温极值遵循韦伯分布。其拟合分布均通过显著性水平为0.01的K-S统计检验。
通过泊松—韦伯分布，估算得出福州市2 a一遇的极端最高气温和最低气温分别为38.4℃和2.7℃;5 a一遇的分别为39.6℃和1.1℃;10 a一遇的分别为40.3℃和0.2℃;20 a一遇的分别为40.9℃和-0.5℃;50 a一遇的分别为41.6℃和-1.4℃;100 a一遇的分别为42.1℃和-2.0℃。
参考文献
[1] 马逢时，刘德辅.复合极值分布理论及其应用[J].应用数学学报，1979（4）：366-375.
[2] 潘晓华，翟盘茂.气温极端值的选取与分析[J].气象，2002（10）：28-31.
[3] 胡钰玲，赵中军，康彩燕，等.中国南方2008年与2016年两次低温雨雪冰冻天气过程对比分析[J].冰川冻土，2017， 39（6）：1180-1191.
责任编辑：黄艳飞
关键词 极端高低温;极值分布模型;福州
中图分类号：P45 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）03–0041–02
天气和气候极端事件频率和强度的变化对人类社会经济和环境很可能产生巨大影响，因而受到越来越多的关注。2013年从中国气象局公布的最新数据显示，位于中国东南沿海地区的福州市夏季极端高温引起公众关注。近年来，福州极端高温异常天气气候频发，仅2018年福州市年平均气温显著偏高，同时连江和福清在12月4日最高气温突破12月历史极值，给人们生产活动带来严重经济损失与生活不适。因此研究城市极端气温气候特征可以为我们制定城镇发展战略提供科学参考。
1 资料和方法
研究极端气温的首要条件就是确定极端气温的阈值。选取福州市国家级气象观测站（乌山站）1961—2018年逐日最高及最低气温观测资料，采用阈值法、矩估计法、K-S检验、复合极值理论等方法对上述资料进行质量控制，根据第1个和第99个百分位值确定出本地极端气温阈值为2.9℃和37.7℃。
2 极端气温及天数的变化趋势
2.1 每年最低气温变化趋势及低温天数变化趋势
分析福州乌山站1961—2018年最低气温年际变化，近58 a最低气温平均为1.4℃，其年最低气温随年际呈缓慢上升趋势，增加率为0.189℃/10 a。2003年和2017年福州乌山站最低气温4.0℃，为站点研究年内最大值;年内最小值在2016年，为-1.9℃。同年1月20—25日，我国南方发生一次低温雨雪冰冻过程，1月25日福建省屏南、福州、安溪、厦门、东山、长乐6市气温打破1961年以来低温记录，部分地区创70 a来低温极值。研究年间，最低气温<0℃的年份仅有8 a，其余年份最低气温均>0℃。
依照利用阈值法算出的本地低温阈值2.9℃分析福州乌山站低温天数变化呈减少趋势，气候倾向率为-0.86 d/10 a。低温天数最多的达15 d，分别在1963年和1967年，1976年以前低温天数波动较大，且低温天数较多;1976年后低温天数波动较小，且低温天数减少。
2.2 每年最高气温变化趋势及高温天数变化趋势
福州乌山站1961—2018年最高温度平均38.3℃，近58 a最高温度随年际明显增大，增加率为0.293℃/10 a，变化幅度较最低气温略大，可看出年最高气温随时间变化上升趋势较显著。1965年和1970年福州乌山站最高气温为36.3℃，为站点研究年内最低值;最大值在2003年，为41.7℃，同时该年最低气温也是站点研究年内最大值。从1998年开始，福州乌山站年最高气温都>37.0℃，根据福建省灾害性天气预报服务用语暂行规定的日最高气温≥37℃为一高温日，连续≥37℃一个高温日天气过程称为一个高温过程，表明每年都有若干次高温过程发生。
根据利用阈值法算出的福州乌山站高温阈值37.7℃，较福建省高温橙色预警信号标准37.0℃高出0.7℃。近58 a高温天数呈增长趋势，气候倾向率1.155 d/10 a，高温天数最多的一年达25 d，在2003年，同时该年最高气温也是历史极值气温。1986年以前高溫天数波动较小，且高温天数较少;1986年后高温天数波动较大，且天数较多。
3 泊松—韦伯复合极值分布及K-S检验
3.1 极端高（低）温天数发生频次的泊松分布检验
极端气温发生频次本身具有一定概率特性。统计福州乌山站1961—2018年极端高、低温度出现频次得出，58 a中≥37.7℃高温次数212 d、≤2.9℃低温次数220 d。利用泊松分布函数对高低温发生频次进行估计检验，通过K-S检验表明：低温天数的泊松分布KS检验统计量为0.12，均小于显著水平位0.01的KS检验统计量临界值0.21，故认为低温天数时间序列服从泊松分布。高温天数的泊松分布KS检验统计量为0.20，均小于显著水平位0.01的KS检验统计量临界值0.21，故认为高温天数时间序列服从泊松分布。
3.2 高（低）温极值的韦伯分布检验
对福州1961—2018年出现的212次高温和220次低温分析，发现韦伯分布能很好拟合温度极值。黑色和红色小方框为高（低）温的经验频率，黑色实线为韦伯分布曲线，直观看出两则拟合度非常高。经过K-S检验表明：极端低温资料的KS检验统计量为0.057，小于显著水平位0.01的KS检验统计量临界值，故极端低温时间序列服从韦伯分布。极端高温资料的KS检验统计量为0.086，小于显著水平位0.01的KS检验统计量临界值，故极端高温时间序列服从韦伯分布（图1、图2）。
3.3 极端高（低）温重现期估算及分析
通过分析发现，用泊松过程来拟合极端气温发生频次是合理的，且气温极值用韦伯分布来拟合也是合理的，因此研究地区极端高低温事件服从泊松—韦伯复合极值分布。利用该模型计算福州代表站的多年一遇温度极端值得出：福州地区2、5、10、20、50、100 a一遇的年极端最高气温均超过其阈值37.7℃和58 a平均值38.3℃，其中100 a一遇的年极端最高气温值还超过资料年最大值41.7℃，其年极端最低气温都低于极端最低气温阈值2.9℃，除2 a一遇的年极端最低气温高于58 a平均值1.4℃外，其余5个年份均低于平均值，其中100 a一遇的年极端最低气温值还超过资料年最低值-1.9℃。
同时得出：年出现高温>38.4℃和低温<2.7℃时的温度概率为0.5，即平均2 a出现一次该极端高温值和极端低温值;出现高温>42.1℃和低温<-2.0℃的概率为0.01，即出现此极端高温和极端低温的重现期需要100 a。通过以上分析可以看出，温度极值越极端，风险概率值也就越小，重现期也就越大。
4 结论
福州地区高温出现日数越来越多且高温极值越来越高，低温出现日数越来越少且低温极值也越来越大，凸显了气温极端性及气候变暖趋势。
年高温及低温天数出现次数遵循泊松分布，高温、低温极值遵循韦伯分布。其拟合分布均通过显著性水平为0.01的K-S统计检验。
通过泊松—韦伯分布，估算得出福州市2 a一遇的极端最高气温和最低气温分别为38.4℃和2.7℃;5 a一遇的分别为39.6℃和1.1℃;10 a一遇的分别为40.3℃和0.2℃;20 a一遇的分别为40.9℃和-0.5℃;50 a一遇的分别为41.6℃和-1.4℃;100 a一遇的分别为42.1℃和-2.0℃。
参考文献
[1] 马逢时，刘德辅.复合极值分布理论及其应用[J].应用数学学报，1979（4）：366-375.
[2] 潘晓华，翟盘茂.气温极端值的选取与分析[J].气象，2002（10）：28-31.
[3] 胡钰玲，赵中军，康彩燕，等.中国南方2008年与2016年两次低温雨雪冰冻天气过程对比分析[J].冰川冻土，2017， 39（6）：1180-1191.
责任编辑：黄艳飞