四川省極端危害性高溫變化特征分析

孫 亦 , 王 婷

（四川省氣象災害防御技術中心, 成都 610072）

引言

IPCC在2018年發(fā)布的《全球升溫1.5℃特別報告》表明全球氣候變暖正在加劇，自工業(yè)革命以來，人為引起的全球氣候升溫已達到0.87℃。全球變暖使得氣候更加不穩(wěn)定，極端高溫事件頻發(fā)。世界衛(wèi)生組織（WHO）數(shù)據(jù)顯示，高溫熱浪引發(fā)傷亡人數(shù)的增速，遠高于干旱、洪澇和風暴等極端天氣事件[1-2]。極端危害性高溫是指38℃及以上的高溫，是在全球氣候變化和快速城市化、工業(yè)化造成的城市熱島效應的雙重影響下發(fā)生在夏季的區(qū)域性重大影響災害之一[3-5]，極端危害性高溫天氣常常伴隨著特大干旱、森林火災等自然災害，嚴重威脅人們的生命、能源、水資源及糧食安全等，對經(jīng)濟社會的發(fā)展產(chǎn)生了諸多不利影響。四川省位于青藏高原大地形與我國東部平原的過渡區(qū)，受熱帶季風、副熱帶季風以及高原動力和熱力作用等多重氣候系統(tǒng)的影響，天氣氣候異常復雜，極端氣候事件（暴雨、高溫、雷暴等）頻發(fā)，尤其是高溫災害已成為四川省氣象災害中發(fā)生頻率較高的一個災種。隨著社會經(jīng)濟總量的增長，極端危害性高溫天氣會直接損害人體健康，不僅與人類的生產(chǎn)活動、日常生活有密切關系，而且對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和有關行業(yè)的影響也十分明顯。因此，對四川極端危害性高溫的研究具有重要意義。

多年以來，廣大的氣象學者針對我國的極端氣候事件開展了一系列研究，并取得了多項成果[6-11]。任國玉等[12]研究表明中國近50 a平均氣溫整體的上升趨勢非常明顯，同時中國的極端天氣和氣候事件的發(fā)生頻率和強度也出現(xiàn)了變化。從20世紀60年代起，四川省年平均溫度呈增加趨勢，80年代后期以來四川增溫更明顯[13]。丁一匯等[14]根據(jù)極端氣候指數(shù)對四川極端氣溫進行研究，結果表明，四川地區(qū)變暖趨勢明顯，發(fā)生極端氣溫事件的概率有所上升，其中四川盆地的變化明顯大于川西高原。

另外，我國學者對高溫天氣的成因分析也做了許多研究。孫建奇等[15]、李娟等[16]研究了中國極端高溫事件大氣環(huán)流影響背景，發(fā)現(xiàn)中高層位勢高度異常和低層冷暖平流輸送的共同作用造成了我國中部和南部地區(qū)極端高溫事件年代際變化異常。楊群等[17]、陳麗華等[18]和嚴文蓮等[19]均發(fā)現(xiàn)西太副高的持續(xù)異常是導致南方異常高溫的主要原因。羅四維[20]等研究表明，夏季南亞高壓脊線和高壓中心位置與中國大范圍旱澇分布密切相關。由于南亞高壓與副高之間有東西振蕩相反的特征，因此，除副高外，南亞高壓也對高溫的維持有一定的影響[21]。劉還珠等[22]利用渦度方程診斷分析，發(fā)現(xiàn)西風帶、副熱帶和熱帶系統(tǒng)相互作用，動力和熱力因素的綜合影響是造成2003年高溫天氣的原因。

綜上所述，目前對于我國極端高溫事件的演變規(guī)律和形成機理已有了較全面的認識，但由于四川省地理位置特殊，地形和氣候條件復雜，對于四川省極端危害性高溫的分析仍不夠深入，缺乏較為系統(tǒng)的研究。因此，本文選取長時序的氣溫數(shù)據(jù)，從極端危害性高溫強度、影響面積、時間三個方面分析四川極端危害性高溫的演變規(guī)律，重點研究極端危害性高溫異常強年的大氣環(huán)流特征，以期對四川極端危害性高溫天氣有客觀全面的認識，為極端危害性高溫預測研究提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

本文所用的研究資料包括：（1）四川省141個國家級氣象觀測站6～9月逐日最高氣溫；（2）美國國家環(huán)境預測中心和國家大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction /National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）逐日和逐月再分析資料，要素包括850 hPa溫度和經(jīng)緯向風、500 hPa和200 hPa位勢高度以及垂直速度，分辨率為2.5°×2.5°。資料時間段均為1961～2020年。

我國日極端高溫分為三級：≥35℃為高溫，≥38℃為危害性高溫，≥40℃為強危害性高溫[23]。由于四川省≥40℃極端強危害性高溫天氣事件發(fā)生頻率較低，研究其時空變化的意義不大，本文主要分析≥38℃的極端危害性高溫。定義某年最高氣溫為該年的極端氣溫強度，某年極端高溫出現(xiàn)的站次為該年的極端高溫影響面積，某年極端高溫出現(xiàn)日數(shù)為該年的極端高溫時間。根據(jù)極端氣溫強度、影響面積和時間分析建立時間序列，運用趨勢分析、相關分析、距平分析、合成分析等統(tǒng)計方法，分析極端危害性高溫特征值在四川省不同地區(qū)的變化趨勢，揭示近60 a四川省極端危害性高溫時空演變特征。定義極端危害性高溫綜合強度指數(shù)，以指數(shù)標準化距平[24]＞1為標準，對異常強年大氣環(huán)流進行合成分析，研究四川省極端危害性高溫成因。

2 結果分析

受海拔及地形影響，四川省極端危害性高溫主要發(fā)生在盆地地區(qū)（圖1），發(fā)生時間為6～9月，多集中在7、8月。

圖1 四川省極端危害性高溫站點分布（紅色站點表示出現(xiàn)過極端危害性高溫日，填色表示海拔高度，單位：m）

2.1 極端危害性高溫強度變化

如圖2所示，四川省近60 a極端危害性高溫強度整體表現(xiàn)為上升趨勢，均值達40.6℃。從年際變化來看，波動較大，極端危害性高溫強度與其各年代平均強度的均值偏離0.74℃，最大偏離2.31℃。從年代際變化來看，20世紀60年代極端危害性高溫強度相對較弱，平均強度為40.2℃；20世紀70年代較60年代有小幅度上升，平均強度為40.6℃；80年代后期極端危害性高溫強度又呈現(xiàn)小幅度下降，平均強度為40.0℃；從90年代至21世紀以來，除個別年份極端高溫強度偏弱，四川省極端危害性高溫強度呈現(xiàn)出較大幅度的上升，平均強度分別為40.6℃、40.7℃、41.8℃，峰值出現(xiàn)在2011年（43.5℃），其次分別是2013年（43℃）、1995年（42.9℃）、2006年（42.8℃）和 2010年（42.7℃）。

圖2 1961～2020年四川省歷年極端危害性高溫強度（單位：℃）

四川省極端危害性高溫極值空間分布（圖3）呈現(xiàn)出自東向西逐漸降低的分布特征，極端危害性高溫大值區(qū)主要集中在川東地區(qū)和川南部分地區(qū)，其中川東各市縣、綿陽、德陽、成都、眉山、樂山東部、涼山州南部和攀枝花地區(qū)均達38℃以上，尤其是達州、宜賓南部、瀘州大部以及廣安東南部達42℃以上。從近60 a四川省極端危害性高溫變化趨勢空間分布（圖4）來看，四川省總體呈現(xiàn)弱上升趨勢，說明在全球變暖大背景下，四川省極端高溫在逐漸上升，尤其是成都、眉山、雅安、樂山、涼山東北部和西北部、甘孜州中西部和西北部地區(qū)呈明顯的上升趨勢。值得注意的是，結合四川極端危害性高溫極值空間分布（圖3）可知，雖然成都及周邊地區(qū)的極端高溫極端性不強，但其上升趨勢卻十分明顯，這種現(xiàn)象在一定程度上說明了城市化對極端危害性高溫的影響。

圖3 1961～2020年四川省極端危害性高溫強度空間分布（單位：℃）

圖4 1961～2020年四川省極端危害性高溫強度變化趨勢空間分布（單位：℃/10 a）

2.2 極端危害性高溫影響面積變化

根據(jù)前文定義，統(tǒng)計分析了近60 a四川省極端危害性高溫影響面積的時間變化特征（圖5）。整體而言，近60 a四川省極端危害性高溫影響面積呈上升趨勢。從年代際變化來看，20世紀80年代較60、70年代有所減小，最小影響面積低至4站次，出現(xiàn)在1984年；90年代以來，影響面積有所擴大；21世紀高溫影響面積明顯擴大，且年際波動加強，2006年高溫影響面積最大（967站次）。結合圖3可知，極端危害性高溫天氣主要集中發(fā)生在四川省西南部瀘州、宜賓、廣安等地。根據(jù)近60 a四川省極端危害性高溫影響面積的線性變化趨勢（圖5）來看，未來影響面積極大可能還會繼續(xù)擴大，進一步影響四川主要城市。

圖5 1961～2020年四川省極端危害性高溫影響面積變化（單位：站次）

2.3 極端危害性高溫時間變化

近60 a四川省極端危害性高溫日數(shù)變化同樣呈現(xiàn)上升趨勢（圖6）。20世紀80年代較60、70年代高溫日數(shù)有小幅度下降，90年代開始又呈上升趨勢，在2006年、2011年、2013年分別達到 46 d、45 d、45 d。從四川省極端高溫日數(shù)空間分布（圖7）來看，極端危害性高溫日數(shù)大值區(qū)主要集中在四川省東部和南部地區(qū)。瀘州南部地區(qū)年平均極端危害性高溫日數(shù)最高，達5 d以上；其次是達州、廣安、南充東南部、攀枝花地區(qū)，均達2 d以上。分析四川省極端高溫日數(shù)變化趨勢（圖8）可知，四川省南部、東部和西部部分地區(qū)變化趨勢為正。綜合圖7、圖8可知，日數(shù)大值區(qū)同樣是日數(shù)變化趨勢上升的大值區(qū)，主要集中在達州、廣安、瀘州、攀枝花及周邊地區(qū)，說明以上地區(qū)極端危害性高溫日數(shù)偏強且增長幅度偏大，是受極端危害性高溫影響的重要地區(qū)。

圖6 1961～2020年四川省極端危害性高溫日數(shù)變化（單位：d）

圖7 1961～2020年四川省年均極端危害性高溫日數(shù)空間分布（單位：d/a）

圖8 1961～2020年四川省極端危害性高溫日數(shù)變化趨勢空間分布（單位：d/10 a）

通過分析四川省極端危害性高溫強度、影響面積、時間的變化規(guī)律，可以看出四川省極端危害性高溫在這三個方面均呈現(xiàn)出增長趨勢，尤其進入21世紀以來，增長幅度明顯提高。從空間分布上看，四川盆地極端危害性高溫強度和時間均呈現(xiàn)增長的變化趨勢，但是二者的變化趨勢大值區(qū)域卻不盡相同，高溫強度變化大值區(qū)主要集中在成都及周邊地區(qū)和涼山州北部地區(qū)，而高溫日數(shù)變化大值區(qū)主要集中在四川省東部和南部地區(qū)。

值得注意的是，四川省東部和南部極端危害性高溫強度和時間的變化趨勢均偏強，21世紀以來長時間、大面積、高強度的高溫天氣導致四川省極端高溫干旱事件頻發(fā)，例如2006年四川省重大高溫干旱事件、2011年敘永縣特大高溫干旱事件等。因此，東部和南部是四川省夏季防災減災的重點關注區(qū)域。

3 四川省極端危害性高溫環(huán)流特征分析

本文研究發(fā)現(xiàn)，近20 a中多個年份四川省極端危害性高溫強度、影響面積、時間均偏強，為初步探究其成因，本節(jié)重點分析極端危害性高溫異常偏強年的大氣環(huán)流特征。

3.1 篩選極端危害性高溫異常強年

對西南地區(qū)高溫成因分析的相關研究[25]表明，大范圍持續(xù)氣候異常普遍與大氣環(huán)流的異常變化關系密切，大氣環(huán)流變化是造成高溫最直接、最根本的原因。為初步探究四川省極端危害性高溫成因，本文擬定義極端危害性高溫綜合強度指數(shù)，篩選出極端危害性高溫強年，利用合成分析方法，研究四川省極端危害性高溫的大氣環(huán)流特征。

指標綜合表達方式一般包括乘除法和加減法兩種，由于乘除法相對于加減法而言能夠更有效地反映出指標之間的協(xié)同作用關系[26]，這種方法也得到了許多學者的認同[27-29]。因此，定義極端危害性高溫綜合強度指數(shù)（P）由極端高溫強度（T）、極端高溫影響范圍（S）和極端高溫日數(shù)（t）三個指標通過乘法運算得到，具體公式為：

圖9給出了四川省極端危害性高溫綜合強度指數(shù)標準化距平。如圖所示，2006年、2011年、2013年、2017年極端危害性高溫異常偏強，其標準化距平均＞1。定義標準化距平＞1的年份為極端危害性高溫強年，選取這4年進行合成分析。

圖9 四川省極端危害性高溫綜合強度指數(shù)標準化距平

3.2 極端危害性高溫異常強年環(huán)流特征

根據(jù)3.1節(jié)選取的極端危害性高溫異常強年（以下簡稱強年），對高低層環(huán)流形勢分別進行合成分析。從850 hPa環(huán)流場（圖10）看到，西南地區(qū)處于高溫脊內(nèi)，表現(xiàn)為明顯的溫度正異常，同時受來自印度洋和南海的偏南氣流控制。另外，可以看到中高緯地區(qū)大氣環(huán)流經(jīng)向度偏弱，導致冷空氣難以南下。其次 ，溫度距平場也顯示四川地區(qū)為距平暖平流控制，且由低層至高層（200 hPa）均表現(xiàn)為一致的距平暖平流（圖略）。眾所周知，暖性溫度平流作用是高空高壓脊發(fā)展的重要原因。因此，在極端危害性高溫異常強年，四川地區(qū)異常偏強的暖平流和東南氣流有利于極端危害性高溫天氣發(fā)生。

圖10 極端危害性高溫異常強年850 hPa溫度場（等值線，單位：℃）、風場（箭矢，單位：m/s）和溫度距平場（填色，單位：℃）

根據(jù)國家氣候中心發(fā)布的西太平洋副熱帶高高壓（以下簡稱西太副高）指標（表1），對比常年6～9月、強年6～9月和強年的極端危害性高溫日，發(fā)現(xiàn)西太副高表現(xiàn)為面積逐漸偏大、強度逐漸偏強、脊線逐漸偏北、西脊點逐漸偏西，尤其是強年的極端高溫日脊線位置北跳至四川上空，易導致四川地區(qū)下沉氣流加強。

表1 西太平洋副熱帶高壓指標

進一步分析強年對應的500 hPa位勢高度場（圖11），發(fā)現(xiàn)四川省極端危害性高溫的出現(xiàn)與西太副高的強度偏強、位置偏西和偏北密切相關，同時又與青藏高原500 hPa高壓系統(tǒng)的加強和東移有關，大致可以分為西太副高主導型和西太副高-青藏高原（500 hPa）高壓共同主導型兩種環(huán)流類型。

如西太副高主導型（圖11a）所示，西太副高較常年主體強度偏強、西脊點偏西，副高暖舌伸至中國南部上空，高壓穩(wěn)定在四川地區(qū)附近，同時中高緯度地區(qū)為幾乎一致偏強的高度距平場，說明中高緯度高壓脊發(fā)展旺盛，四川在高壓脊影響下導致極端危害性高溫產(chǎn)生。如西太副高和青藏高原（500 hPa）高壓主導型（圖11b）所示，西太副高北抬、西伸，青藏高原（500 hPa）高壓發(fā)展加強與伊朗高壓相連，再東移與西太副高連接成一條強大的高壓帶，控制著整個中緯度區(qū)域，導致四川出現(xiàn)極端危害性高溫天氣。

圖11 極端危害性高溫異常強年西太副高主導型（a）、西太副高-青藏高壓主導型（b）500 hPa位勢高度場（實線表示位勢高度，填色表示位勢高度距平，紅線表示多年平均5880 gpm線，單位：gpm）

在200 hPa位勢高度場（圖12）上，幾乎整個中國南部都籠罩在強大的南亞高壓之下，并且南亞高壓較常年面積偏大、位置偏東偏北，四川盆地位于南亞高壓中心偏東，表現(xiàn)為位勢高度正異常。高層的南亞高壓偏強使得大陸高壓的穩(wěn)定控制進一步加強，導致四川盆地盛行下沉氣流。在緯向垂直環(huán)流距平的高度-經(jīng)度剖面（圖13）中可以清楚看到，四川地區(qū)（100°～110°E，26°～33°N）從低層到高層（200 hPa）均為一致的下沉區(qū)，四川盆地位于強大的氣旋性垂直渦旋西部的下沉區(qū)，與此同時，四川盆地上空盛行偏南風，不利于北方冷空氣下行。在溫度距平垂直剖面（圖略）上可以看到，四川盆地氣溫在低層至高層（200 hPa）深厚的氣層里均異常偏高?？傊?，從低層到高層，各種有利的環(huán)流形勢共同導致了四川極端危害性高溫天氣的發(fā)生。

圖12 極端危害性高溫異常強年200 hPa位勢高度場（黑線表示位勢高度，灰線表示位勢高度距平，紅線表示多年平均12500 gpm線，單位：gpm）

圖13 極端危害性高溫異常強年26°～33°N平均垂直環(huán)流距平的高度-經(jīng)度剖面（陰影為下沉區(qū)，單位：Pa/s；灰線表示經(jīng)向風，單位：m/s）

4 結論與討論

本文從強度、影響面積、時間三個方面分析了四川省近60 a極端危害性高溫的時空演變規(guī)律，研究了極端危害性高溫異常強年的大氣環(huán)流特征，得到如下主要結論：

（1）近60 a四川省極端危害性高溫在強度、影響面積、時間三個方面均表現(xiàn)出上升的趨勢，年代際變化明顯，尤其是進入21世紀以來，上升幅度明顯提高。四川省極端危害性高溫在20世紀80年代存在突變，這一階段極端危害性高溫強度、影響面積、時間均存在不同程度的減小或下降。

（2）近60 a四川省極端危害性高溫強度顯著區(qū)集中在四川省東部地區(qū)，尤其是瀘州、廣安等地，而變化趨勢大值區(qū)主要集中在成都及周邊地區(qū)和涼山州北部地區(qū)；同強度分布一致，極端危害性高溫日數(shù)顯著區(qū)主要集中在四川省東部，尤其是瀘州東南部，變化趨勢大值區(qū)也主要集中在四川東部和南部。

（3）當四川省極端危害性高溫異常偏強時，低層850 hPa風場、溫度場相互配合，造成了有利于四川省極端危害性高溫天氣發(fā)生的干燥地表環(huán)境；中高層500 hPa高壓系統(tǒng)發(fā)展旺盛，青藏高壓發(fā)展東移與較常年偏強的西太副高連接成一條異常強大的高壓帶，使得高壓對四川地區(qū)高溫的影響偏強；高層200 hPa南亞高壓偏強，進一步加強大陸高壓的穩(wěn)定控制，使得盆地盛行下沉氣流。此外，大氣環(huán)流經(jīng)向度偏弱，盆地盛行偏南風，冷空氣難以南下。各層有利的環(huán)流形式相互配合共同導致四川省極端危害性高溫天氣的發(fā)生。

值得注意的是，影響極端危害性高溫偏強的因素很多，本文僅從環(huán)流角度出發(fā)，主要考察了溫度場和氣壓場，實際上還應綜合考慮高原積雪、海溫和極渦等影響，這部分工作將在后續(xù)研究中深入開展。