1. 引言
气温是反应气候变化的重要表征指标，同时也是影响人类生产生活的重要气象指标之一。而气温日变化与人体健康密切相关，呼吸道系统疾病、心脑血管疾病等作为气象敏感性疾病，受气温的影响显著 [1] [2] [3] 。认识气温日变化特征，有利于提高气温精细化预报水平，对高温、寒潮、霜冻、低温冷害等与气温变化密切相关的灾害性天气预报都有重要意义 [4] [5] [6] 。
近年来随着自动气象站的发展和完善，高分辨率的气象观测资料为系统开展气温日变化研究提供了可能性。下垫面状态的不同、天空状况的差异对气温日变化规律有一定程度的影响 [7] [8] 。受太阳辐射日变化影响，我国大部地区近地面日最高气温一般出现在午后14时至15时(北京时，下同)，日最低气温一般出现在日出前后 [9] 。杨萍等 [10] 利用北京地区自动气象站资料，分析了北京城区和郊区气温的日变化差异及季节特征，指出城市热容量差异是城、郊气温差异的主要原因。杨霞等 [11] 研究了乌鲁木齐市主城区气温日变化特征，结果表明各月的最高气温出现频率的日分布曲线以“双峰”型为主，最低气温出现频率的日分布曲线在春、夏、秋三季均呈“单峰”型，冬季峰值特征不明显。高红燕等 [12] 基于西安及其郊区站咸阳1日4次气温观测资料，对比分析了二者在年、季节和6小时变温及昼夜温差上的变化特征，揭示了城市化对西安气温日变化特征的影响。
关于城市化对气温变化的影响受到广泛的关注，城市的快速发展对局地气温的变化具有重要的影响，城市化加剧了局地气温的升高 [13] [14] [15] ，且这种城市的增温作用在春季最为明显，而夏季最弱。贵阳作为贵州省的省会城市，随着城市化的快速发展，在城市下垫面的热力和动力作用影响下，城市日最高最低温出现时间如何，昼夜气温变化的特征如何等问题至今仍没有进行过深入研究。另外，以往针对贵阳市气温的研究大多是从年代际、年际、季节等时间尺度来进行分析，更多关注气温的长期变化趋势及其影响 [16] [17] [18] [19] ，而对城市气温的精细化特征，特别是日变化特征的研究相对较少。为探讨城市化进程下贵阳城区气温的日变化特征，深入认识贵阳市气温的精细化特征，本文利用2011~2022年贵阳城区国家气象站逐小时气温观测资料，分析其日最高、最低气温出现时间以及不同时间间隔变温的大小，对日极值气温、变温日变化规律及不同季节差异特征进行分析，以期为日常业务中城市精细化天气预报和服务提供科学参考依据。
2. 资料和方法
2.1. 资料
本文所用资料来源于贵州省气象数据中心提供的2011~2022年贵阳国家气象站逐小时气温观测资料。文中春季为当年的3月至5月，夏季为当年6月至8月，秋季为当年的9月至11月，冬季为当年的12月至次年2月。
2.2. 方法
利用出现率 [10] (出现次数与总次数)来表征日最高(低)气温在各时次出现的概率；变温指单位时间内气温的变化幅度，包括1小时变温、3小时变温、6小时等三种情况，t时刻的变温用
(k = 1, 3, 6)表示。
3. 结果与分析
3.1. 气温的日变化特征
图1为贵阳城区全年各月的气温日变化特征，可以看出，1~7月的日最高气温均出现在16时，而8~12月都出现在15时。贵阳城区日最低气温在5~8月出现时间最早，为06时；冬季各月最晚为08时；其余各月均出现在07时。从季节分布来看，秋季各月日最高气温和最低气温出现时间均相同，其中日最高气温均出现在16时，最低气温出现在07时；春季各月日最高气温出现时间较为一致，均为16时，而日最低气温出现时间并不一致，其中3月和4月出现在07时，5月偏早一小时；夏季和冬季日最低气温出现时间来看，夏季出现在06时，冬季出现在08时，但日最高气温出现时间不相同，最大相差1 h。综上可见，贵阳城区日最高气温在全年主要出现在15~16时，最低温度出现在06~08时。夏季日最低气温出现时间最早为06时，冬季日最低气温出现时间最晚为08时，从夏季到冬季日最低气温出现时间呈现出随季节推迟1 h的特征。
(a) 春季 (b) 夏季
(c) 秋季 (d) 冬季
Figure 1. Diurnal temperature variation characteristics in urban areas of Guiyang
图1. 贵阳城区气温日变化特征
3.2. 日极值气温出现时间的概率分布
图2为贵阳城区最高气温出现率的日分布特征。从图2可见，1~7月和12月日最高气温最大出现率的时次均为16时，占出现率的24%~33%，8月至11月日最高气温最大出现率的时次偏早一小时，为15时，占出现率的比率在27%到31%之间。其中，2月日最高气温最大出现率为全年最高(33.24%)，5月最低(23.59%)。从日最高气温出现率的季节分布来看，虽然各季节日最高温度出现率的日分布特征曲线尽管有差异，但基本形态较为一致，均呈“双峰”型分布，主峰值时次位于15时或16时，而次峰值时次在21时，同时夏季三个月的次峰值最小，其出现率均不超过10%。各季节来看，春季和夏季日最高气温出现率排前三的时次分别是15时、16时和17时，季节内各月三个时次出现率占比都在62%以上；秋季9月和10月日最高气温出现率前三位的时次与春季和夏季相同，每月出现率占比在69%以上，而11月日最高气温出现率最多的时次是15时、16时和21时，其出现率占比为74%；冬季日最高气温出现频率占比最多的时次分别是15时、16时和21时，三个时次各月占的比例均超过了69%。综上可知，贵阳城区日最高气温出现时间在四个季节中均相对集中，各月中排在前三位的最大出现率所占比例相差不大，均在60%以上。
图3给出了贵阳城区日最低气温出现率的时间分布曲线，从图3中可以看出，日最低气温出现率也呈“双峰”型特征，主峰值出现在06~08时，次峰值出现在20时。5~8月日最低气温最大出现率的时次在06时，其出现率在31%~47%之间；3月、4月和9~12月出现在07时，其出现率在20%到37%之间；1月和2月出现在08时，其出现率分别为21.0%和19.8%，综合来看，2月日最低气温最大出现率为全年最低，而7月为全年最高达46.5%。对于最低气温的最大出现率对应的时次冬季最晚(08时)，春季和秋季次之(07时)，夏季最早(06时)。就日最低气温出现的时间来看，夏季较为集中，最大出现率占的比例较高，每月均超过了36%，冬季较为分散，其各个月的最大出现率均不超过21%。
日最高气温和最低气温出现率对比来看，全年中2月日最高气温最大出现率全年最高，而其日最低气温则相反，最大出现率全年最低；日最高气温出现时间一年四季均相对集中，而日最低气温出现时间，除了夏季外，均较分散；此外，还可以看出，日最高气温和最低气温出现率均表现为“双峰”型结构，其分别在21时和20时存在一个出现率的相对高值，主要原因是在气象业务工作中是以20时作为“日界”划分的，当白天遇到较强冷空气影响时，白天气温比夜间温度低，日最高气温往往出现在前一日21时，同理日最低气温可能出现在当天的20时。
(a) 春季 (b) 夏季
(c) 秋季 (d) 冬季
Figure 2. Diurnals variation of maximum temperature occurrence rate in urban areas of Guiyang
图2. 贵阳城区日最高气温出现率的日变化
(a) 春季 (b) 夏季
(c) 秋季 (d) 冬季
Figure 3. Diurnals variation of minimum temperature occurrence rate in urban areas of Guiyang
图3. 贵阳城区日最低气温出现率的日变化
3.3. 变温的日变化特征及其季节差异
不同时间间隔内温度的变化幅度是表征天气变化强度的重要指标，在1小时变温(图4)的日变化特征中，正(负)变温的峰值时间主要出现在10~13时(18~20时)，最大正(负)变温的幅度为0.7℃~1.2℃ (0.5℃~1.0℃)。夏季的1 h最大升温出现在10时，为全年最早，最大降温出现在20时，为全年最晚，其余季节内，1 h最大升(降)温出现时间不尽相同，最大相差1 h。春季、夏季和秋季贵阳城区1 h最大正(负)变温幅度相差不大，最大幅度值超过1.0℃，而冬季则相对偏小，最大幅度值不超过0.9℃。从1 h变温的日变化特征曲线来看，正负变温的不对称性特征比较明显，以冬季为例，正变温从09时开始，到12时达最大值，用时3 h左右完成正变温过程，而负变温过程从17时开始，在18或19时达到峰值，仅用1~2小时完成变温过程，可见1 h变温过程中正变温要比负变温过程缓慢。
与1 h变温日变化结果相比，贵阳城区3 h变温(图略)过程中，其正负变温过程开始至最大变温峰值所需要的时间相差不大，但是各个月最大正负变温发生时次均比1 h变温结果偏晚1小时，以夏季为例，夏季3 h最大正变温发生时次在10时，而最大负变温发生时次在20时。6小时变温曲线(图略)呈倒“V”型，特征变化比较均匀，具体就不再赘述。
(a) 春季 (b) 夏季
(c) 秋季 (d) 冬季
Figure 4. Diurnal temperature variations for 1 hour in urban areas of Guiyang
图4. 贵阳城区1 h变温的日变化特征
上文分析了贵阳城区不同月份1 h、3 h和6 h的变温情况，为进一步了解在一天的气温变化中，究竟多长时效的变温对贵阳城区日气温变化贡献最大，为此，我们分别计算了贵阳城区每个月的1 h、3 h和6 h的最大变温速率(表1)。可以看出，贵阳城区1 h和3 h最大变温速率的差别不大，二者相差在0.08℃以内，但是3 h和6 h最大变温速率的差别较大，其最大相差0.14℃，最小相差0.06℃，平均为0.12℃。由此可以推断，贵阳城区平均的最大变温主要发生在3 h以内。
Table 1. Average maximum climate rate of temperature variation in urban areas of Guiyang per month (˚C∙h–1)
表1. 贵阳城区各月平均最大变温速率℃/h
3.4. 最大正(负)变温出现时间的概率分布
小提琴图是箱线图与核密度图的结合，可以较好的反应数据的分布及概率密度，其内部是箱式图，外部是核密度图，通过核密度曲线显示出数据的整体分布和多峰值分布等特征。以图5(a)为例中间的黑色粗条表示四分位数范围，从其延伸的幼细黑线代表95%置信区间，而白点则为中位数，外部曲线所包围的填色区域代表概率密度，其宽度越大则代表所包含的数据越多出现的频率越高，较窄部分则对应较低的概率。为进一步说明最大正(负)变温出现时间的概率分布特征，利用小提琴图对最大正(负)变温出现时间进行统计分析。
图5为贵阳城区1 h最大正变温出现时间的小提琴图，可以看出，1 h最大正变温最大概率对应时次在3月和4月为12时，5月和6月以及10月和11月为11时，7~9月为10时，12月和1月为12时，而2月出现时次最晚为13时，1 h最大正变温最大概率对应的时次，从春季到夏季呈现出提早1 h的特征，而从夏季到冬季呈现出随着季节变化推迟1 h的特征。综上可见全年1 h最大正变温最大概率出现时间主要分布在10时至13时。另外还可以发现，冬季上下四分位数的范围较其他季节小，仅为3个小时，而夏季四分位数范围较其他季节大，达5个小时，说明冬季1小时最大正变温出现时间最为集中，而夏季最为分散，其中1 h最大正变温峰值时刻出现概率冬季最高(25.2%)，秋季次之(21.1%)，春季第三(20.0%)，冬季最小(19.0%)。
从贵阳城区1 h最大负变温出现时间的概率分布可以看出(图6)，1 h最大负变温最大概率对应时次在2~5月以及8~10月在19时，6月和7月份为20时，11月、12月和1月出现在18时，综上可见，全年1 h最大负变温最大概率出现时间主要分布在18时至20时。根据上下四分位数范围，1 h最大负变温出现时间的概率分布，在季节内及季节间差异较大，全年来看9月份最为集中，为3个小时，12月和1月最为分散，其时间范围达7个小时，就1 h最大负变温峰值时刻出现概率来看，秋季最高(28.4%)，春季次之(24.4%)，夏季第三(23.4%)，冬季最小(22.1%)。最大负变温出现的平均时间与日落时间、天空状况及冷空气入侵活动密切相关，例如春季冷空气活动频繁，气温起伏较大，最大负变温在各个时次出现的随机性较大，这也解释了为啥春季表现为2个峰值大值区。
贵阳城区1 h最大正、负变温出现时间的概率分布对比发现，1 h最大正变温出现时间较1 h最大负变温出现时间集中，1 h最大正变温出现时间在冬季最为集中，而在1 h最大负变温中则相反，最为分散。贵阳城区3小时最大正(负)变温、6小时最大正(负)变温的季节差异基本与1小时最大正(负)变温类似(图略)。
(a) 春季 (b) 夏季
(c) 秋季 (d) 冬季
Figure 5. Violin plots of occurrence rate of maximum positive temperature increment for 1 hour in urban areas of Guiyang
图5. 贵阳城区1 h最大正变温出现时间的小提琴图
4. 结论
1) 贵阳城区日最高气温在全年主要出现在15~16时，最低温度出现在06~08时。春季和秋季日最高气温出现时间一致，均在16时，夏季和冬季日最高气温出现时间不相同，最大相差1 h。夏季日最低气温出现时间最早为06时，秋季日最低气温则出现在07时，而冬季日最低气温出现时间最晚为08时，从夏季到冬季日最低气温出现时间呈现出逐季节推迟1 h的特征。
(a) 春季 (b) 夏季
(c) 秋季 (d) 冬季
Figure 6. Violin plots of occurrence rate of maximum negative temperature increment for 1 hour in urban areas of Guiyang
图6. 贵阳城区1 h最大负变温出现时间的小提琴图
2) 贵阳城区日最高最低气温出现率都存在“双峰”型结构，其中日最高气温最大出现率时次为15时或16时，而日最低气温最大出现率时次为06~08时。日最高气温出现时间一年四季均相对集中，而日最低气温出现时间，夏季最为集中，其余季节均较分散。日最低气温的最大出现率对应的时次夏季最早(06时)，春季和秋季次之(07时)，秋季最晚(08时)。
3) 夏季1 h最大升温出现在10时，为全年最早，最大降温出现在20时，为全年最晚。春季、夏季和秋季贵阳城区1 h最大正(负)变温幅度相差不大，最大幅度值超过1.0℃，而冬季则相对偏小，最大幅度值不超过0.9℃。1 h升温和降温存在不对称性特征，其中升温过程比降温过程缓慢，平均的最大变温主要发生在3 h以内。
4) 贵阳城区1 h最大正变温最大概率对应时间主要分布在10时至13时，从春季到夏季呈现出提早1 h的特征，而从夏季到冬季表现为推迟1 h的特征；1 h最大正变温出现时间在冬季最为集中，夏季最为分散；1 h最大负变温最大概率时间主要分布在18时至20时，其在季节内及季节间差异较大，全年来看9月份最为集中，12月和1月最为分散。
基金项目
贵州省气象局科研业务项目(黔气科登[2023]06-05号)；贵阳市气象局科研项目(筑气科合YW[2023]17)。