每小时天气数据的力量：观测到的气温变化趋势为实际决策提供依据

《PLOS Climate》：The power of hourly weather data: Observed air temperature climate trends for pragmatic decision-making

本研究基于1978-2023年北美340个机场的每小时气温数据，分析0°C和30°C阈值小时数变化及能源需求影响。结果显示，东北部冬季低温小时数显著减少（约1.5-2周/十年），西南部夏季高温小时数增加（约1.5周/十年），多数地区冬季供暖需求下降快于夏季制冷需求上升。高年际波动区域需特别关注，研究结果为区域气候适应提供量化依据。

　　本研究通过分析1978年至2023年间美国本土和加拿大南部地区340个机场气象站的每小时气温数据，揭示了气温阈值变化趋势及其年度波动情况。这些阈值包括冰点（0°C或32°F）、热应激（30°C或86°F）以及与能源使用相关的供暖和制冷度小时（以18°C或65°F为基准温度）。研究结果显示，气温变化对不同地区的生态系统和社会经济活动产生了显著影响，尤其体现在极端天气事件的频率和持续时间上。

在冬季，美国东北部地区（如纽约、波士顿等）的气象站表现出显著的负趋势，即低于冰点的小时数减少了约1.5至2周。这一趋势意味着这些地区冬季的寒冷天气变得不那么频繁，对农业、交通以及人们的日常生活产生了深远的影响。例如，冻融循环对道路和户外基础设施的磨损是一个重要问题，而随着冬季气温的上升，这种现象可能逐渐减少。然而，这种变化并不适用于所有地区，尤其是加拿大南部和美国中北部地区（如北达科他州、南达科他州、明尼苏达州、威斯康星州、爱荷华州、怀俄明州和内布拉斯加州），这些地方的气温阈值变化并不明显，且年度波动较大。

在夏季，美国西南部和德克萨斯州的部分地区则出现了显著的正趋势，即高于30°C的小时数增加了约1.5周。这一变化对农业和畜牧业影响尤为突出，因为高温会对作物生长和牲畜健康造成直接威胁。此外，由于夏季的高温天气更为频繁，这些地区的制冷需求也随之上升，进一步影响了能源使用模式。相比之下，美国中部地区（如堪萨斯州、密苏里州、俄克拉荷马州和阿肯色州）的气温变化趋势不显著，且年度波动较大，这表明这些地区可能更容易受到极端天气事件的影响，需要更细致的适应策略。

研究还发现，供暖度小时和制冷度小时的变化趋势在不同地区表现出不同的特征。对于大多数美国北部地区的气象站而言，冬季供暖需求的减少速度超过了夏季制冷需求的增加速度，这意味着整体能源使用趋势呈现下降态势。然而，这种趋势并非普遍存在，美国西南部和南部沿海地区则显示出相反的情况，即夏季制冷需求显著增加。这一发现对于能源规划和基础设施建设具有重要意义，尤其是在那些气候条件变化较为显著的地区。

通过每小时气温数据的分析，研究人员能够更精确地捕捉到天气变化对人类社会和自然生态系统的影响。与每日平均气温相比，每小时数据更能反映天气事件的瞬时性和时间累积效应，例如暴雨、云层变化和空气团的移动等。这些因素在一定程度上会影响气温的波动，从而改变人们的实际体验。例如，某一天的高温如果持续6小时，其对能源需求和人体舒适度的影响将远大于仅持续1小时的高温。这种时间分辨率的提升使得研究人员能够更准确地评估极端天气事件对社会和经济活动的具体影响。

此外，研究还指出，每小时气温数据的分析对于气候变化的科学传播具有重要作用。气候变化的影响往往与人们的生活经验密切相关，而每小时数据的变化趋势更容易被公众理解和接受。例如，将“冬季平均气温上升了1°C”转化为“东北部地区每年减少了1.5周的低于冰点的气温”可以使人们更直观地感受到气候变化的实际影响。这种以具体数据为基础的表达方式有助于提高公众对气候变化的关注度，并促进相关政策和措施的实施。

在方法上，研究采用线性回归模型来计算每种气温阈值的十年趋势，并通过置换检验（permutation test）来评估趋势的显著性。置换检验是一种无需假设数据分布的统计方法，适用于小样本量的情况，能够有效识别趋势是否由随机波动引起。研究结果显示，对于部分气象站而言，虽然趋势的幅度不为零，但由于年际波动较大，这些趋势并不具有统计学意义。因此，研究强调了在评估气候变化趋势时，需要同时考虑趋势的显著性和年际波动的大小。

本研究的数据来源为美国国家环境信息中心（NCEI）的集成地表数据库（ISD-Lite），该数据库提供了经过质量控制的每小时地表气象观测数据。研究团队对数据进行了严格的筛选，确保所选气象站具有足够的观测记录，并且在地理位置上与原址保持一致。同时，研究还排除了因数据缺失或异常而可能影响结果准确性的站点，以提高分析的可靠性。

研究的地理划分采用了37°N纬线和98°W经线，将研究区域划分为四个大致相等的象限，以便于比较不同地区的气候变化特征。例如，美国东北部和加拿大南部的站点在冬季表现出显著的气温下降趋势，而在夏季则没有明显的趋势变化。相比之下，美国西南部的站点在夏季显示出显著的气温上升趋势，而冬季的气温变化则相对不显著。这种地区间的差异反映了不同地理和气候条件对气温变化的响应机制。

研究还强调了年际波动的重要性。对于某些站点而言，即使没有显著的长期趋势，其年际气温波动也可能对当地社会和经济产生重大影响。例如，某些地区可能在某一年经历异常寒冷或炎热的天气，这种极端情况可能对基础设施、能源需求以及公共健康构成挑战。因此，了解年际波动的模式和程度，有助于制定更具弹性的适应策略。

在实际应用中，本研究的发现可以为政策制定者、企业和个人提供重要的参考信息。例如，针对冬季气温上升的地区，可以考虑减少供暖设施的建设或优化现有供暖系统的效率；而对于夏季气温上升的地区，则需要加强制冷系统的建设，并采取措施缓解热应激对居民和农业的影响。此外，研究还建议，未来的研究应进一步探讨影响气温变化的各种因素，包括大尺度天气系统、降水模式、土壤湿度、地表类型以及城市化进程等，以更全面地理解气候变化的驱动机制。

总体而言，本研究通过分析每小时气温数据，揭示了气温变化趋势及其年际波动的区域差异，为理解气候变化对人类社会和自然生态系统的影响提供了新的视角。同时，研究还强调了科学传播的重要性，认为将复杂的数据转化为易于理解的现实案例，有助于提高公众对气候变化问题的关注度，并推动更有效的适应和应对措施。未来，随着气候变化的进一步发展，这种基于每小时数据的分析方法将为气候适应和规划提供更加精确和及时的依据。