1959—2020年江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程特征

劉文英 ， 孫素琴 ， 劉冬梅 ， 田 俊

1. 江西省農(nóng)業(yè)氣象中心， 江西 南昌 330096 2. 江西省氣象臺(tái)， 江西 南昌 330096 3. 江西省氣象信息中心， 江西 南昌 330096

0 引 言

近年來，在全球變暖的氣候背景下夏季大范圍的破紀(jì)錄高溫天氣過程接連發(fā)生。如2003年江西省6月底至9月初出現(xiàn)了三個(gè)時(shí)段的高溫過程(尹潔等，2003)；2013年夏季中國(guó)南方出現(xiàn)了持續(xù)性異常高溫過程(葉殿秀等，2013)，等等。持續(xù)高溫常伴隨稀少的降水而導(dǎo)致氣象干旱的發(fā)生，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人畜飲水等帶來嚴(yán)重影響。

有學(xué)者將某個(gè)區(qū)域內(nèi)三分之一站點(diǎn)日最高氣溫超過35 ℃定義為區(qū)域高溫過程(Chen et al，2016)。王國(guó)復(fù)等(2018)研究表明，2017年我國(guó)區(qū)域性高溫過程具有強(qiáng)度強(qiáng)、日數(shù)長(zhǎng)和覆蓋范圍大的特點(diǎn)；對(duì)高溫站點(diǎn)的區(qū)域相鄰性進(jìn)行量化，且用50%重合度判定區(qū)域性高溫是否持續(xù)；連續(xù)2 d的高溫區(qū)域有一定重合度可較好反映空間和時(shí)間的持續(xù)性。王艷姣等(2013)基于溫度強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和面積指標(biāo)研究了中國(guó)區(qū)域持續(xù)性高溫過程，表明1961—2010年中國(guó)區(qū)域持續(xù)極端高溫過程期間，各臺(tái)站年平均極端高溫發(fā)生日數(shù)和累積溫度距平強(qiáng)度大值區(qū)位于新疆中南部和江南中東部地區(qū)，其中江南中東部地區(qū)高溫區(qū)域面積較大。唐恬等(2014)研究指出，2013年夏季我國(guó)南方高溫天氣具有顯著的群發(fā)性特征，覆蓋了長(zhǎng)江中下游以及重慶等8個(gè)省、2個(gè)直轄市，也具有以高溫過程重現(xiàn)構(gòu)成的持續(xù)性特征，夏季平均氣溫等均破歷史紀(jì)錄。林愛蘭等(2021)利用1961—2019年中國(guó)2 407個(gè)氣象站的日最高氣溫資料，在判別華南、長(zhǎng)江、黃淮和華北四個(gè)區(qū)域持續(xù)高溫過程的基礎(chǔ)上，比較各區(qū)域持續(xù)高溫過程的氣候變化特征，指出華南區(qū)域性持續(xù)高溫過程跨越季節(jié)最長(zhǎng)，且區(qū)域性持續(xù)高溫指數(shù)存在顯著的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

以上研究多涉及多個(gè)省份，試驗(yàn)用的量化指標(biāo)常常會(huì)做折中化處理。此外有研究表明，中國(guó)極端高溫(日最高氣溫不低于35 ℃)日數(shù)的氣候分布有兩個(gè)大值中心，分別為新疆和東南部地區(qū)(孫建奇等，2011)。江西省位于我國(guó)東南部，為典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，氣候變率大，2003年和2013年江西省均出現(xiàn)過異常的長(zhǎng)時(shí)間高溫過程，致使多項(xiàng)氣溫、干旱指標(biāo)均突破歷史記錄。江西省地貌獨(dú)具特點(diǎn)(圖1)，省境東、西、南三面環(huán)山地，中部丘陵和河谷平原交錯(cuò)分布，北部則為鄱陽(yáng)湖平原，導(dǎo)致江西省高溫過程亦有自身特點(diǎn)。因此，文中旨在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合江西省區(qū)域性、持續(xù)性高溫的特點(diǎn)，嘗試從高溫發(fā)展的強(qiáng)度(極端性)、發(fā)生的面積和持續(xù)的時(shí)間等方面，分析1959—2020年江西省高溫極端性和持續(xù)性的時(shí)空變化特征，為研究高溫過程的影響提供參考。

圖1 江西省氣象站點(diǎn)分布Fig. 1 Distribution of meteorological stations in Jiangxi province

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文中所用資料由江西省氣象信息中心提供，從建站后觀測(cè)未中斷的氣象站中剔除海拔高于800 m的2個(gè)站點(diǎn)得到江西省81個(gè)國(guó)家氣象站，最終選定1959—2020年日最高氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)作為研究資料。

1.2 定義與方法

1.2.1 持續(xù)區(qū)域性高溫過程判斷

國(guó)內(nèi)氣象界通常將日最高氣溫達(dá)到或超過35 ℃定義為一個(gè)高溫日，文中也選取公認(rèn)的35 ℃作為單站極端高溫閾值。關(guān)于高溫持續(xù)時(shí)間指標(biāo)界定，一般將連續(xù)3—5 d或以上的高溫日稱為持續(xù)高溫(Kysely et al,2000;Peterson et al,2001;Nasrallaha et al,2004)，國(guó)外氣象學(xué)者或組織組織將連續(xù)5 d以上的高溫日定義為高溫過程的持續(xù)時(shí)間指標(biāo)(Peterson et al,2001)。劉文英和孫素琴(2020)對(duì)江西省區(qū)域性高溫過程進(jìn)行了符合農(nóng)作物熱害特點(diǎn)的界定?；谝陨戏治觯x取高溫強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、高溫面積和高溫站點(diǎn)重合率四個(gè)判定因子，對(duì)江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程的判別指標(biāo)進(jìn)行定義：1) 日最高氣溫≥35 ℃；2) 持續(xù)時(shí)間≥3 d；3) 江西省境內(nèi)相鄰(兩站距離為100 km以內(nèi))的30站或以上范圍出現(xiàn)高溫天氣；4) 高溫持續(xù)過程中每一天均與相鄰日期至少有20%高溫站點(diǎn)重合。若高溫持續(xù)期間有一天高溫站數(shù)少于30站，或與相鄰日期高溫站點(diǎn)重合率小于20%，就認(rèn)為一個(gè)高溫過程結(jié)束。

1.2.2 持續(xù)區(qū)域性高溫過程綜合強(qiáng)度指數(shù)

為了全面體現(xiàn)高溫過程的綜合特征，文中結(jié)合王艷姣等(2013)的研究方法對(duì)江西省歷年持續(xù)區(qū)域性高溫過程進(jìn)行判定，構(gòu)建綜合考慮高溫過程強(qiáng)度、影響范圍和持續(xù)時(shí)間等要素的綜合強(qiáng)度指標(biāo)。選取高溫持續(xù)過程中極端最高氣溫、日均強(qiáng)度、日均影響范圍和持續(xù)日數(shù)這四個(gè)因子，對(duì)各因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除不同量綱的影響，采用加權(quán)求和方法構(gòu)建綜合強(qiáng)度指標(biāo)，并根據(jù)因子的變異系數(shù)得出各個(gè)因子的權(quán)重系數(shù)，最終構(gòu)建的綜合強(qiáng)度指標(biāo)公式：

Z=0.02Q+0.34I+0.11A+0.52D

(1)

其中，Z為高溫過程綜合強(qiáng)度指數(shù)；Q為高溫過程的極端最高氣溫；I為高溫過程日均強(qiáng)度；A為高溫過程日均影響范圍；D為高溫過程的持續(xù)日數(shù)。其計(jì)算式分別為

Q=Max[Max(ti,j)]

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(2)

(3)

(4)

式(2)—(4)中，n表示高溫過程的持續(xù)日數(shù)；m表示逐日達(dá)到高溫閾值的站點(diǎn)數(shù)；ti,j表示第i日第j個(gè)站點(diǎn)的日最高氣溫；Si表示高溫過程持續(xù)期間第i日的影響面積。

2 持續(xù)區(qū)域性高溫過程特征

2.1 持續(xù)日數(shù)

圖2給出了江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程出現(xiàn)的時(shí)間。分析發(fā)現(xiàn)，1959—2020年持續(xù)區(qū)域性高溫過程偶爾發(fā)生在梅雨季節(jié)，但主要發(fā)生在南方梅雨季節(jié)結(jié)束后(7月至9月上旬)。歷年隨著汛期主雨帶的北抬，強(qiáng)大副熱帶高壓反氣旋環(huán)流的控制利于江西地區(qū)出現(xiàn)大范圍持續(xù)性高溫天氣。從起始時(shí)間看，1999年以后高溫過程開始時(shí)間整體呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，結(jié)束時(shí)間呈現(xiàn)延后趨勢(shì)。7月至9月上旬出現(xiàn)的區(qū)域性高溫過程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。持續(xù)區(qū)域性高溫過程最早開始于5月15日，出現(xiàn)在2018年，持續(xù)了4 d；最晚結(jié)束于10月5日，出現(xiàn)在2019年，持續(xù)了5 d。

圖2 1959—2020年江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程出現(xiàn)時(shí)間Fig. 2 Occurrence time of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020

按照持續(xù)區(qū)域性高溫過程的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1959—2020年江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程進(jìn)行判斷(表1)，發(fā)現(xiàn)共有271次持續(xù)區(qū)域性高溫過程，平均每年發(fā)生4.4次，過程平均持續(xù)時(shí)間為5.74 d，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為34 d，出現(xiàn)在2003年7月8日—8月10日。其中8月發(fā)生次數(shù)第一，次數(shù)占總次數(shù)的42%；7月次之，占比為39%。其他指標(biāo)值也具有較好的一致性，8月均位列第一。

表1 1959—2020年江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程數(shù)量和持續(xù)日數(shù)Table 1 Number and duration of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi during 1959-2020

圖3給出了不同持續(xù)日數(shù)的江西省區(qū)域性高溫過程數(shù)量分布。分析發(fā)現(xiàn)，持續(xù)區(qū)域性高溫過程發(fā)生數(shù)量總體上隨著持續(xù)日數(shù)的增加而逐漸減少，高溫過程的持續(xù)時(shí)間多集中在3—8 d，其過程數(shù)量占總數(shù)的78%。從13 d開始各持續(xù)時(shí)間的高溫過程數(shù)量均不超過4次，持續(xù)時(shí)間為13—34 d的高溫過程數(shù)量?jī)H占總數(shù)的9.2%。

圖3 1959—2020年不同持續(xù)日數(shù)的江西省區(qū)域性高溫過程數(shù)量Fig. 3 Frequency of persistent regional high-temperature processes with different durations in Jiangxi from 1959 to 2020

2.2 時(shí)間變化

分析歷年江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程發(fā)生數(shù)量(圖4)發(fā)現(xiàn)，1959—2020年高溫過程發(fā)生數(shù)量呈現(xiàn)“先減少后增加”趨勢(shì)，1959—1997年減少趨勢(shì)為0.048次/a，1997—2020年增加趨勢(shì)為0.123次/a，均通過了信度0.05的顯著性檢驗(yàn)。2006、2013、2018年持續(xù)區(qū)域性高溫過程均出現(xiàn)8次，為歷史最多；而1997年沒有出現(xiàn)持續(xù)區(qū)域性高溫過程。

圖4 1959—2020年江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程發(fā)生次數(shù)Fig. 4 Occurrence frequency of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020

為研究江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程強(qiáng)度的年際變化，選取每年最強(qiáng)高溫過程相應(yīng)的高溫過程綜合指數(shù)進(jìn)行分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)1959—2020年江西省年最強(qiáng)持續(xù)區(qū)域性高溫過程綜合指數(shù)總體呈現(xiàn)“先減小后增大”趨勢(shì)；1959—1987年高溫強(qiáng)度呈明顯減弱趨勢(shì)，1993—2019年呈明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，均通過了信度0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖5 1959—2020年江西省歷年最強(qiáng)持續(xù)區(qū)域性高溫過程的綜合指數(shù)Fig. 5 Maximum integrated index of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020

2.3 空間分布

文中持續(xù)區(qū)域性高溫過程的單站強(qiáng)度，采用江西省271個(gè)過程期間相應(yīng)測(cè)站每日最高氣溫超過35 ℃部分的累計(jì)值表示，單站的日均強(qiáng)度指單站強(qiáng)度除以相應(yīng)的總?cè)諗?shù)。結(jié)果(圖6)表明，單站的高溫過程日數(shù)和日均強(qiáng)度的大值區(qū)主要分布于贛中吉泰盆地和贛東北丘陵山區(qū)。持續(xù)區(qū)域性高溫過程覆蓋了全省所有站點(diǎn)，最少出現(xiàn)在安遠(yuǎn)(533 d)，最多出現(xiàn)在吉水(1 810 d)。江西發(fā)生持續(xù)區(qū)域性高溫時(shí)，日最高氣溫過程平均值多數(shù)地區(qū)為36.5—36.7 ℃，高的可達(dá)37.1 ℃，低的僅35.8 ℃。

圖6 1959—2020年江西持續(xù)區(qū)域性高溫過程發(fā)生總?cè)諗?shù)(a,單位:d)和日均強(qiáng)度(b,單位:℃)分布Fig. 6 Distribution of total days (a; units:d) and daily average intensity (b; units:℃) of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020

2.4 強(qiáng)度等級(jí)

根據(jù)式(1)計(jì)算得到1959—2020年271個(gè)持續(xù)區(qū)域性高溫過程的綜合強(qiáng)度Z值范圍為-1.35—4.27。根據(jù)Z值從大到小排序后的10%、30%、70%百分位值將高溫過程劃分為四個(gè)等級(jí)：極端(Z≥1.0)、重度(0.25≤Z<1.0)、中度(-0.5≤Z<0.25)、輕度(Z<-0.5)。按此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1959—2020年江西省持續(xù)區(qū)域性極端高溫過程進(jìn)行分級(jí)，并依據(jù)過程結(jié)束日期所在月份進(jìn)行歸類。結(jié)果(表2)顯示，持續(xù)區(qū)域性高溫過程主要發(fā)生在7—8月，占比81%。極端、重度和輕度高溫過程在8月發(fā)生次數(shù)最多，中度高溫過程在7月發(fā)生次數(shù)最多。

表2 1959—2020年江西省各等級(jí)持續(xù)區(qū)域性高溫過程發(fā)生頻次(單位：次)Table 2 Frequency of each grade of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020 (units: times)

3 典型個(gè)例分析

對(duì)1959—2020年江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程綜合強(qiáng)度按高低進(jìn)行排序，找出排名前三位的個(gè)例(表3)：2003年7月8日—8月10日排第一位，綜合指數(shù)達(dá)到4.27；2019年7月24日—8月24日排第二，綜合指數(shù)達(dá)到3.07；1963年8月14日—9月9日排第三，綜合指數(shù)達(dá)到2.51。分析表3發(fā)現(xiàn)，此三次過程的持續(xù)日數(shù)遠(yuǎn)大于所有區(qū)域性高溫過程的平均值，極端最高氣溫也明顯高于平均值。有研究(許彬等,2003；尹潔等,2003,2005)表明，上述居前三位的持續(xù)區(qū)域性高溫過程均給當(dāng)?shù)卦斐闪溯^嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

表3 1959—2020年江西省最強(qiáng)持續(xù)區(qū)域性極端高溫過程特征Table 3 Cases of the strongest persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020

分析2003年7月8日—8月10日逐日高溫實(shí)況演變(圖略)發(fā)現(xiàn)，此次高溫過程起始于浙贛鐵路以南至贛南的北部地區(qū)，7月13—17日高溫范圍向北擴(kuò)大，江西有80—81站出現(xiàn)35 ℃以上高溫，與此同時(shí)高溫強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，超過40 ℃高溫的站點(diǎn)數(shù)由14日的8個(gè)迅速增多到16日的25個(gè)。隨后僅7月18日和8月5日高溫范圍有所縮小，其他大部分時(shí)間高溫范圍均超過70個(gè)站點(diǎn)，并在7月底至8月初達(dá)到最強(qiáng)，極端高溫出現(xiàn)在8月2日的江西黎川站，達(dá)42.2 ℃。8月11日高溫范圍南退至江西南部，高溫過程結(jié)束。整個(gè)過程持續(xù)了34 d，日均強(qiáng)度達(dá)210.7 ℃，日均影響范圍達(dá)1.41×105km2。與上述發(fā)生實(shí)況及此次高溫過程相關(guān)研究(許彬等,2003；尹潔等,2003)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，文中分析得到的高溫過程情況與實(shí)況符合。此外，尹潔等(2003)研究認(rèn)為此次高溫過程起始于6月29日，與文中確定的起始于7月8日不同，這可能是由區(qū)域性高溫界定范圍的差異引起的，文中規(guī)定高溫站點(diǎn)閾值為30站，而7月8日前未達(dá)到閾值。

4 小 結(jié)

利用江西省81個(gè)氣象站日最高氣溫等數(shù)據(jù)，基于區(qū)域性高溫過程判別方法和相關(guān)指標(biāo)，分析了1959—2020年江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程，得到以下結(jié)論：

1) 江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程發(fā)生在空間上存在明顯的差異，但其強(qiáng)度和頻次在空間分布上具有較好的一致性，江西省東北部和中部為發(fā)生強(qiáng)度和頻次較高的地區(qū)，而北部沿江和南部為持續(xù)區(qū)域性極端高溫過程少發(fā)區(qū)。

2) 江西省共發(fā)生持續(xù)區(qū)域性高溫過程271次，一年內(nèi)最多出現(xiàn)8次；最早開始于5月15日，最晚結(jié)束于10月5日；最長(zhǎng)過程持續(xù)34 d；極端最高氣溫達(dá)42.2 ℃。

3) 江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程歷年發(fā)生次數(shù)整體呈增加趨勢(shì)，其中2006、2013、2018年持續(xù)性高溫過程均有8次，為歷史最多。江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程每年最強(qiáng)過程指數(shù)呈現(xiàn)“先減小后增大”趨勢(shì)；1959—1989年為高溫強(qiáng)度明顯減弱階段，1993—2020年為強(qiáng)度明顯增加階段。

4) 江西省持續(xù)區(qū)域性高溫過程在1999年后開始時(shí)間整體呈提前趨勢(shì)，結(jié)束時(shí)間呈延后趨勢(shì)。7月至9月上旬的區(qū)域性高溫過程具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。