四川最高最低氣溫日變化特征分析

馮良敏 , 周秋雪 , 范江琳

（1. 四川省氣象臺(tái), 成都 610072；2. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610072）

引言

氣溫作為氣候系統(tǒng)的重要表征指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于自然地域系統(tǒng)界限劃分、陸地環(huán)境過(guò)程模擬[1-2]、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)、自然災(zāi)害檢測(cè)和氣候變化等領(lǐng)域[3-5]。此外，氣溫也是對(duì)人們?nèi)粘Ｉ罴稗r(nóng)作物生產(chǎn)影響最大的氣象因子之一，體感舒適度與氣溫的高低有密切關(guān)系[6]，氣溫在短時(shí)間內(nèi)快速上升或下降時(shí)，人體可能因不適而引發(fā)疾病，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，氣溫高低能夠影響植物的光合作用及生長(zhǎng)發(fā)育[7]，持續(xù)高溫或低溫則可能造成嚴(yán)重的農(nóng)作物災(zāi)害及國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失。

隨著氣象信息化程度的日益提高，積累了大量氣象數(shù)據(jù)，近年來(lái)，基于2 m 氣溫觀測(cè)資料，不少研究者針對(duì)四川地區(qū)天氣氣候開(kāi)展了多項(xiàng)研究。在氣候領(lǐng)域，周長(zhǎng)艷等[8]分析了1961～2010年四川高溫變化特征及其影響，發(fā)現(xiàn)四川高溫日數(shù)總體呈顯著增加趨勢(shì)；周長(zhǎng)春等[9]統(tǒng)計(jì)了1951～2009年四川盆地寒潮氣候特征，發(fā)現(xiàn)時(shí)間分布上在2～4月出現(xiàn)的寒潮次數(shù)較多，空間分布上在盆地中部、南部出現(xiàn)寒潮頻率相對(duì)較高；肖紅茹等[10]統(tǒng)計(jì)分析了1980～2017年四川盆地寒潮及其氣溫變化特征，指出近38年四川盆地區(qū)域寒潮頻次呈不顯著的增加趨勢(shì)，而強(qiáng)度呈顯著增強(qiáng)趨勢(shì)，寒潮天氣過(guò)程中24 h 內(nèi)最高氣溫以下降為主，最低氣溫普遍下降不明顯且近50%的站點(diǎn)趨于上升。在天氣領(lǐng)域，仕仁睿等[11]對(duì)2016年8月11～26日四川省持續(xù)性高溫天氣過(guò)程的時(shí)空變化特征及其成因進(jìn)行了分析；肖紅茹等[12]針對(duì)2018年四川盆地兩次典型寒潮天氣過(guò)程，從過(guò)程前期基礎(chǔ)氣溫、環(huán)流背景、影響系統(tǒng)、冷平流強(qiáng)度、路徑以及南支槽的影響等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。在模式檢驗(yàn)及應(yīng)用方面，不少學(xué)者對(duì)不同模式的2 m 氣溫預(yù)報(bào)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，并研發(fā)了一些客觀訂正方法[13-15]。

四川地區(qū)整體地勢(shì)西高東低，地形地貌及氣候復(fù)雜多樣，有效提高2 m 氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，而準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出逐日的氣溫變化能更好地為精細(xì)化氣溫預(yù)報(bào)服務(wù)。目前針對(duì)變溫預(yù)報(bào)，主要是對(duì)寒潮天氣過(guò)程進(jìn)行分析，其一般是以過(guò)程降溫為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，且有季節(jié)限制。而實(shí)際業(yè)務(wù)中，逐日氣溫變化幅度較大的情況并不少見(jiàn)。因此，了解2 m 氣溫的逐日變化特征及其季節(jié)性差異，有助于更好地認(rèn)識(shí)和理解區(qū)域氣候特征。本文選取1990～2019年四川地區(qū)氣象觀測(cè)站2 m 最高、最低氣溫逐日數(shù)據(jù)，對(duì)其日變化規(guī)律進(jìn)行分析，以期為日常業(yè)務(wù)中精細(xì)化2 m 氣溫天氣預(yù)報(bào)提供氣候背景參考，并為氣溫轉(zhuǎn)折性過(guò)程的挑選及其2 m 氣溫訂正研究打好基礎(chǔ)。

1 資料及方法

本文選取了四川地區(qū)156個(gè)氣象觀測(cè)站的2 m 最高、最低氣溫逐日數(shù)據(jù)，資料時(shí)段為1990年1月1日～2019年12月31日，共計(jì)30 a。運(yùn)用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法分析了四川省氣溫逐日變化的空間分布特征及頻次分布特征。

2 氣溫逐日變化空間分布特征

2.1 多年平均

圖1 給出了1990～2019年平均的四川地區(qū)最高氣溫和最低氣溫逐日變化的空間分布特征。整體來(lái)看，四川最高氣溫逐日變化介于1.8～3.6℃，最低氣溫逐日變化介于1.2～3.1℃，最低氣溫逐日變化幅度小于最高氣溫逐日變化幅度。此外，兩者在空間分布上也呈現(xiàn)較大差異。最高氣溫逐日變化自西向東呈先增后減的特征，最大值位于涼山州東北部，最小值主要位于甘孜州西南部和攀西地區(qū)西部。最低氣溫逐日變化自西北部向東南部呈緩慢遞減的特征，最大值位于甘孜、阿壩兩州北部，最小值主要位于盆地西南部、南部、中部及東北部。值得注意的是，涼山州東北部（美姑站）同時(shí)是最高氣溫逐日變化最大和最低氣溫逐日變化最小的區(qū)域，對(duì)于這種特征需要后面深入分析形成機(jī)理。

圖1 多年平均的四川地區(qū)最高氣溫（a）和最低氣溫（b）逐日變化的空間分布特征（單位：℃）

2.2 季節(jié)平均

為了研究四川地區(qū)氣溫逐日變化的季節(jié)性差異，圖2 給出了1990～2019年春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)平均的最高氣溫和最低氣溫逐日變化的空間分布。

從季節(jié)平均的最高氣溫逐日變化空間分布來(lái)看，春季的逐日變溫幅度明顯大于夏、秋、冬季。如圖2a所示，盆地北部、西南部山區(qū)以及阿壩、甘孜、涼山3州東部春季逐日變溫介于3.0～4.0℃，其中涼山州東北部的昭覺(jué)站逐日變溫達(dá)到了4.0～5.0℃，四川省其余地區(qū)介于2.0～3.0℃；四川地區(qū)這種差異顯著的分布特征主要是由于春季西伯利亞氣團(tuán)和熱帶海洋氣團(tuán)勢(shì)力相當(dāng)，互有進(jìn)退，四川地區(qū)受其影響，鋒面系統(tǒng)較為活躍，從而導(dǎo)致逐日變溫較其它季節(jié)更為劇烈。如圖2c和圖2e 所示，夏、秋兩季的逐日變溫空間分布較為均勻，除夏季阿壩州南部和秋季涼山州東北部個(gè)別站點(diǎn)逐日變溫為3.0～4.0℃外，四川省其余大部逐日變溫均介于2.0～3.0℃。如圖2g 所示，冬季逐日變溫低于2℃的范圍要大于其他季節(jié)，主要位于盆地東部、甘孜州西南部及攀西地區(qū)西部，逐日變溫超過(guò)3℃的區(qū)域主要位于涼山州東北部、甘孜州康定站及盆地峨眉山站，其余地區(qū)均介于2.0～3.0℃。值得注意的是，涼山州東北部冬、春季節(jié)最高氣溫逐日變化均超過(guò)了4℃，這可能也是該地區(qū)冬春季各種主、客觀高溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品誤差較大的影響因素之一，預(yù)報(bào)員在實(shí)際制作高溫預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)中，應(yīng)高度關(guān)注該區(qū)域的溫度訂正。

從季節(jié)平均的最低氣溫逐日變化空間分布來(lái)看，各季最低氣溫逐日變溫幅度均明顯小于最高氣溫逐日變溫幅度，冬春季逐日變溫幅度大于夏秋季，季節(jié)差異顯著。如圖2b 所示，春季盆地和高原地區(qū)的逐日變溫差異明顯，四川盆地和攀枝花市介于1.0～2.0℃，甘孜、阿壩及涼山3 州的大部區(qū)域介于2.0～3.0℃；如圖2d 和圖2f 所示，夏、秋季除甘孜、阿壩2 州北部部分站點(diǎn)逐日變溫為2.0～3.0℃外，四川省其余地區(qū)逐日變溫均介于1.0～2.0℃；如圖2h 所示，冬季逐日變溫的空間分布特征最為復(fù)雜，甘孜、阿壩2 州北部介于3.0～5.0℃，甘孜州中部、涼山州中部及盆地西北部部分地方介于2.0～3.0℃，四川其余地區(qū)介于1.0～2.0℃，其中川西高原北部的較大逐日變溫可能與高海拔地區(qū)冬季晴朗天氣下輻射降溫強(qiáng)度大有關(guān)，預(yù)報(bào)員在實(shí)際業(yè)務(wù)中應(yīng)特別注意川西高原北部冬季在晴空輻射較為明顯的天氣形勢(shì)下的低溫預(yù)報(bào)。

圖2 季節(jié)平均的最高氣溫（左）和最低氣溫（右）逐日變化的空間分布特征（a、b. 春季，c、d. 夏季，e、f. 秋季，g、h. 冬季，單位：℃）

2.3 氣溫逐日變化極值

在日常2 m 氣溫預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，當(dāng)天氣形勢(shì)調(diào)整明顯或處于轉(zhuǎn)折性天氣過(guò)程中時(shí)，2 m 氣溫等要素預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低。因此，有必要了解四川省氣溫逐日變化極值的空間分布特征。圖3 為1990～2019年四川地區(qū)春季最高氣溫日升溫和日降溫最大值的空間分布特征。如圖3a 所示，四川省最高氣溫日升溫最大值介于7～20℃；其中升溫幅度最小的區(qū)域位于盆地東部和甘孜州西北部，介于8～10℃；超過(guò)12℃的區(qū)域位于盆周地區(qū)、攀西地區(qū)大部以及甘孜、阿壩2 州東部，一個(gè)大值中心位于涼山州東北部，升溫幅度超過(guò)了18℃，另一個(gè)位于阿壩州東部，升溫幅度超過(guò)了16℃。如圖3b 所示，四川省春季最高氣溫日降溫最大值介于-8～-22℃，降溫幅度最小的區(qū)域（低于-12℃）主要位于盆地西北部和甘孜州西南部，與最大升溫相比，最大降溫的相對(duì)大值中心更為分散，其中盆地東部和南部的大值中心范圍較小，而涼山州東北部和阿壩州北部的大值中心范圍較大，降溫幅度也更大，個(gè)別站點(diǎn)超過(guò)-20℃。值得注意的是，涼山州東北部一帶同時(shí)是最高氣溫日升溫和日降溫最大值的區(qū)域，這可能與該地特殊而復(fù)雜的地形有關(guān)。

圖3 1990～2019年四川地區(qū)春季最高氣溫日升溫（a）和日降溫（b）最大值空間分布特征（單位：℃）

如圖4a 所示，四川省春季最低氣溫日升溫最大值介于6～15℃，盆地升溫幅度以6～10℃為主，最大升溫區(qū)（高于12℃）位于川西高原北部和涼山州東部，個(gè)別站點(diǎn)升溫幅度超過(guò)14℃。如圖4b 所示，四川省春季最低氣溫日降溫最大值介于-6～-16℃，略高于升溫幅度，大部地區(qū)日降溫幅度為-8～-12℃，大值區(qū)主要位于涼山州東部、盆地中部以及甘孜、阿壩2 州北部，達(dá)-12～-16℃。

圖4 同圖3，但為最低氣溫

對(duì)比分析夏、秋、冬季最高氣溫和最低氣溫日升溫和日降溫最大值的空間分布特征（圖略）可知：不論是升溫還是降溫，夏、秋、冬季最高氣溫日變化最大值均較春季有所減小，冬季最低氣溫日升溫最大值較春季大，而夏、秋季較春季小；夏、秋、冬季最低氣溫日降溫最大值較春季略偏大；整體來(lái)看，各季逐日變溫大值區(qū)主要位于川西高原、涼山州東部及盆地南部山區(qū)。

3 氣溫逐日變化頻次分布

3.1 升溫和降溫過(guò)程頻次分布

統(tǒng)計(jì)表明，1990～2019年四川地區(qū)最高氣溫和最低氣溫日變化有效樣本數(shù)均為1682347 次。圖5 給出了1990～2019年四川地區(qū)最高氣溫和最低氣溫日變化的頻次分布特征。如圖所示，最高氣溫日變化頻次分布呈單峰型特征，以峰值為軸中心，日變溫頻次近似對(duì)稱分布，峰值位于0～2℃（占比26.7%），-2～0℃出現(xiàn)頻次略低（占比25.2%）；隨著降溫幅度的增加，站次也逐漸減少，其中日變溫≤-10℃出現(xiàn)3676 次（占比0.2%），日變溫＞10℃出現(xiàn)2290 次（占比0.1%）。最低氣溫逐日變化頻次分布同樣呈單峰型特征，峰值位于-2～0℃和0～2℃，兩者合計(jì)占比70.6%，日變溫超過(guò)±2℃以后，頻次迅速減少，其減少幅度明顯比最高氣溫大，其中日變溫≤-10℃出現(xiàn)1001 次（占比0.06%），日變溫＞10℃出現(xiàn)623 次（占比0.037%）。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，最高氣溫較最低氣溫波動(dòng)更加劇烈，在-2～2℃的變溫區(qū)間內(nèi)，最低氣溫的頻次明顯高于最高氣溫的頻次，當(dāng)變溫超過(guò)±2℃以后，最高氣溫頻次迅速反超，特別是在日變溫絕對(duì)值≥4℃時(shí)，最高氣溫頻次為最低氣溫頻次的兩倍以上。

圖5 1990～2019年四川地區(qū)最高氣溫和最低氣溫日變化的頻次分布

3.2 強(qiáng)變溫頻次空間分布特征

分析1990～2019年平均的最高氣溫、最低氣溫日升溫≥6℃和日降溫≤-6℃頻次可知，最高氣溫日升溫達(dá)6℃及以上年平均出現(xiàn)8.9 次，日降溫達(dá)-6℃及以下年平均出現(xiàn)9.8 次，最低氣溫日升溫達(dá)6℃及以上年平均出現(xiàn)3.3 次，日降溫達(dá)-6℃及以下年平均出現(xiàn)2.8 次，最高氣溫的頻次明顯高于最低氣溫的頻次。如圖6a 所示，最高氣溫日升溫超過(guò)6℃的低頻次區(qū)主要位于盆地大部、甘孜州西部及攀西地區(qū)西部，頻次低于10 次，高頻區(qū)位于阿壩州北部及涼山州東北部，頻次超過(guò)20 次，其中最大值出現(xiàn)在涼山州東北部的美姑和昭覺(jué)，頻次超過(guò)30 次，四川省其余地區(qū)頻次均介于10～20次。如圖6b 所示，最高氣溫日降溫超過(guò)6℃的頻次區(qū)域分布特征在攀西地區(qū)與升溫分布特征類似，在盆地西南部和南部10 次以上站點(diǎn)數(shù)明顯增多，這與周長(zhǎng)春等[9]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)盆地南部出現(xiàn)寒潮頻率較高的結(jié)論一致，另外川西高原大部分區(qū)域的降溫頻次低于升溫頻次，10 次以上區(qū)域主要位于川西高原東部。如圖6c 和圖6d 所示，最低氣溫日升溫和日降溫絕對(duì)值超過(guò)6℃的頻次呈現(xiàn)類似的區(qū)域分布特征，高頻區(qū)（超過(guò)10 次）主要位于甘孜、阿壩2 州北部。結(jié)合上節(jié)分析可知，最高氣溫和最低氣溫強(qiáng)變溫高頻區(qū)與變溫幅度大值區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖6 1990～2019年平均的四川地區(qū)最高氣溫（上）和最低氣溫（下）日變溫絕對(duì)值≥6℃頻次的空間分布特征（a、c.日升溫，b、d.日降溫，單位：次）

4 結(jié)論

本文選取1990～2019年四川地區(qū)156個(gè)氣象觀測(cè)站的2 m 最高、最低氣溫逐日數(shù)據(jù)，分析了最高、最低氣溫的日變化特征，得到如下主要結(jié)論：

（1）2 m 最高氣溫逐日變化幅度大于最低氣溫的逐日變化幅度，兩者的區(qū)域分布特征有較大差異，其中最高氣溫逐日變溫最大的區(qū)域位于涼山州東北部，最低氣溫逐日變溫最大的區(qū)域位于甘孜、阿壩2 州北部。

（2）春季最高氣溫逐日變溫幅度明顯大于夏、秋、冬季，冬、春季最低氣溫逐日變溫幅度大于夏、秋季。

（3）最高氣溫和最低氣溫逐日變溫頻次分布均呈現(xiàn)單峰型特征，前者峰值位于0～2℃，后者峰值位于-2～2℃，最高氣溫較最低氣溫波動(dòng)更加劇烈。

（4）最高氣溫逐日變化超過(guò)6℃的年均頻次明顯高于最低氣溫的年均頻次，兩者高頻區(qū)的空間分布與變溫幅度大值區(qū)較為一致。