近60年我国东部区域性持续高温过程变化特征

林爱兰 谷德军 彭冬冬 郑 彬 李春晖

(中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室，广州 510640)

引 言

高温，尤其持续高温天气给人类健康和社会经济等带来严重影响。在气候变暖背景下，全球大部分地区高温热浪发生频次呈上升趋势[1-2]，我国高温事件也逐渐多发[3-4],如2013年夏季中国南方出现持续异常高温天气[5-6]，2018年春末中国南方发生破纪录的持续高温天气[7]。因此高温天气成因及影响受到越来越多关注[8-11]。

定义指标是极端天气研究的前提。单站高温阈值的选取包含百分位值(如温度序列的第95百分位值)[9]和绝对阈值(如35℃)[12-13]。业务上通常规定日最高气温不低于35℃为高温日。李庆祥等[14]证明，无论基于正态分布的传统阈值计算方法，还是基于实际样本频数分布的阈值计算方法，35℃作为夏季高温阈值是合理的。区域天气过程是中期和延伸期天气预报业务的主要预报对象，从区域性高温过程角度进行分析的工作多数针对典型个例[15-19]。若对历史多样本开展研究，则需要用客观定量的指标对历史过程进行判别。Chen等[13]将某日区域内三分之一站点超过35℃定义为区域高温事件，该定义未要求高温站点的区域相邻性。唐恬等[20]将某日区域内两成以上的站点出现高温天气(不低于35℃)且成片出现定义为区域性高温天气,该定义虽然考虑高温站点的区域相邻性，但未给出成片出现的量化表征方法。目前国家气候中心的业务指标[21]对高温站点的区域相邻性进行量化，且用50%重合度判定区域性高温是否持续。连续2 d的高温区域有一定重合度可较好反映空间和时间的持续性，但该指标无法保证过程的大尺度特征。受可预报性限制，目前对尚处于初步实践阶段的10～30 d延伸期预报，最关注的是大尺度区域持续性过程[22-23]。然而，现有文献中区域性高温指标有的未考虑区域连续性，有的无法保证过程的大尺度特征。鉴于延伸期预报业务和科研需求，本研究在汲取现有指标优点的基础上，聚焦区域性、持续性过程，建立可自动判别的区域性持续高温过程判别指标。

关于区域性高温或区域性持续高温的气候特征已有一些报道[24-26]，但这些研究几乎都从区域平均值角度衡量高温强弱程度，其中多数研究采用夏季站点高温累积日数的区域平均[12，24-27]，有的文献则直接采用夏季区域平均气温或平均最高气温[20]。分析表明1961—2004年中国南方区域平均最高气温与区域平均极端高温日数的变化趋势不同[28]。虽然区域平均值是表征区域高温强度的重要参数且计算简单方便统计，但即使区域平均值相同，高温站点是否成片、高温时间是否前后重合所导致的高温事件致灾程度不同。目前有关高温年际和年代际变化的研究极少基于综合考虑高温站点空间相邻性和高温时间前后重合度的区域性持续高温过程判断。因此，本文利用近60年资料，在建立区域性持续高温过程定义指标、判断历史过程的基础上，形成年平均量化指数，并比较华南、长江、黄淮和华北4个区域的区域性持续高温过程气候变化特征。

1 资料和方法

文中使用的1961—2019年全国2407个气象站的日最高气温资料来自中国气象局，该资料经过严格的质量控制和均一化订正[29-30]，本文选取其中缺测率小于0.05%(即缺测日数累计少于10 d)的1690个站资料。分析采用平均值、标准差、点面相关分析以及显著性t检验等统计方法。参考文献[23]的方法，先对时间序列进行3 d滑动平均，再用3 d滑动平均序列计算相关系数，确定关键区。经过滑动平均处理后时间序列的持续性增强，因此相关系数显著性检验的自由度采用有效自由度[31-32]。

2 区域性持续高温过程定义指标

2.1 区域划分

已有研究表明[24]：中国极端高温(日最高气温不低于35℃)日数的气候分布有两个大值中心，分别为新疆和中国东南部,若对持续3 d及以上的高温日数进行气候统计,大值中心位置分布类似(图略)。孙建奇等[24]指出，中国西北地区的气温主要受地形、日照和地表反照率等因素影响，由于这些影响因素较稳定，因此气温变率较小。而我国东部为典型的季风气候，气候变率很大，因此本工作重点分析中国东部。

受不同环流系统影响，不同区域的气温变化机理也不尽相同，因此需要分区进行监测、预报和研究。基于以上考虑，本文持续高温过程指标建立的总体思路是在确定关键区的基础上查找判断高温过程。为了合理划分区域，本文参照文献[23]的方法，计算夏季日最高气温平均值和标准差，选取标准差和平均值均较大的站点作为基准点；对基准点计算空间相关，将相关系数达到0.05显著性水平且正相关系数较高的连续区域划为一个区域。如江西弋阳站是长江区域夏季日最高气温平均值和标准差的大值中心，以该站为基准点进行空间相关分析(图1a)得到相关系数较高区域(26°～32°N，105°～122°E)作为同一高温区。类似地可以将中国东部划分为4个区域：华南区域、长江中下游及江南区域(简称长江区域)、黄河和淮河区域(简称黄淮区域)和华北区域，各区域基准点及经纬度范围见图1b和表1。

图1 夏季以江西弋阳站为基准点(红色圆点)得到的空间相关(等值线)

表1 中国东部4个高温区的基准点、范围以及区域平均最高气温的第80百分位值

目前业务服务通常以行政单元为基础，如省级业务单位按省界划区，但以上分区与行政区域不一致。本文依据气温空间相关性进行区域划分，主要基于如下考虑：首先同一行政单元各站点的气温次季节尺度变化趋势未必一致，将不同变化趋势的站点划分为同一研究区域，可预报性较低；其次，目前延伸期预报只能针对较大范围区域的过程，因此将次季节尺度变化趋势一致的站点划入同一个区域，以期提高过程的可预报性，而且本文划分的4个区域可为国家级业务预报单位的指导性预报提供参考。

2.2 区域性持续高温过程定义指标

在2.1节确定的关键区内查找区域性持续高温过程。经多次试验，形成如下区域性持续高温过程定义指标：

①区域内某日最高气温不低于35℃的相邻站点(距离不超过250 km)数占当日全区域有效监测站点数的比例不小于某一百分比P0(P0=20%)，同时区域平均最高气温不小于某阈值(阈值采用本区域第80百分位值)，则判定为区域高温日。

②区域内某日满足条件①，同时最高气温不低于35℃的站点与前一日日最高气温大于35℃的站点的重合度不少于50%，且前一日满足条件①，则把当日判定为区域高温持续日。

若区域内高温日之后发生持续2 d或2 d以上高温日，高温日和高温持续日总数不小于3 d，则定义为1次区域性持续高温过程。

以上指标中条件①的阈值，根据历史资料统计获取，华南、长江、黄淮、华北4个区域夏季日最高气温第80百分位值见表1，条件②重合度(coincidence degree，Dc)的计算公式[33]为

Dc=N12/min(N1,N2)。

(1)

式(1)中，N12为相邻两日气温均不低于35℃的站点数，N1和N2分别为相邻两日中第1日和第2日气温不低于35℃的站点数。

本文提出的指标既参考了目前国家气候中心的业务指标[21]，也根据延伸期预报的特点和区域气候特色进行了改进。首先，在目前业务上使用的国家级和省级区域性高温过程监测指标中，P0分别为3%和30%。考虑到本文选定的区域基本包含多个省份，多次试验表明P0采用20%较合适。其次，本指标增加区域平均最高气温大于等于某阈值这一条件，目的是体现较高气温的空间范围较大，即过程的大尺度特征。如果未考虑区域平均值，那么很可能将局部高温也选择进来，无法体现大尺度特征。本文指标同时考虑高温站点百分比和区域最高气温平均值，兼顾高温强度和空间范围。另外，区域平均最高气温阈值采用本区域第80百分位值,可见本文指标既有普适性也兼顾区域气候特色，适合不同区域的持续高温过程的判定，一定程度上可避免因统一绝对阈值导致某些区域过程出现频次稀少的现象，有利于日常业务监测服务。

3 过程统计及2020年监测

在以上区域性持续高温过程指标以及相关阈值参数基础上，对1961—2019年各区域的高温过程进行判断。表2是中国东部各区域的持续高温过程次数及过程持续日数等统计，华南区域、长江区域、黄淮区域和华北区域持续高温过程次数分别为193，163，131和45，平均每年持续高温过程次数分别为3.3，2.8，2.2和0.8。4个区域59年期间共有532次区域性持续高温过程，平均每年9.0次。从过程次数看，呈现由南向北递减趋势，华南比长江略多，但长江的过程持续性更强，每次过程平均为6.4 d，因此长江平均年累积日数最多，达到17.8 d，比华南(16.8 d)多1 d。可见我国东部高温总体以长江区域最为严重。

表2 中国东部4个区域1961—2019年的持续高温过程次数及过程持续日数

各区域持续高温过程最长持续日数不同，华南达到32 d，发生于2007年7月8日—8月8日；长江为27 d，发生于2013年7月23日—8月18日；黄淮为15 d，发生于1961年7月15—29日；华北为8 d，出现2次，分别发生于1997年7月8—15日和1999年7月23—30日。以上统计表明：除了黄淮之外，各区域最长的极端持续高温过程均发生在20世纪90年代后期至21世纪初。

将本指标应用于2020年中国东部4个区域的高温过程监测。监测应用结果表明：2020年华北区域未出现持续高温过程，其他3个区域均有持续高温过程出现。图2是2020年6—8月华南区域、长江区域和黄淮区域的平均日最高气温演变和持续高温过程。由图2可以看到，华北区域、黄淮区域和长江区域2020年持续高温较轻，其中华北区域没有持续高温过程；长江区域出现2次持续高温过程，发生于8月，持续高温过程累积日数为13 d，比气候平均偏少4 d；黄淮区域有1次持续5 d的过程，与气候平均相比，累积日数偏少6 d。华南区域有7次持续高温过程，持续高温过程累积日数达到 35 d，比夏季气候平均偏多1.2倍，其中7月中下旬的持续高温过程最严重。国家气候中心《2020年8月全国气候影响评价》(http:∥cmdp.ncc-cma.net/influ/moni_china.php)指出：华南持续高温导致部分早稻结实率和千粒重降低，晚稻、蔬菜、水果及旱地作物等生长发育也受到一定影响。2020年持续高温的异常与持续性强降水的异常密切相关，长江、淮河梅雨异常偏强，而华南强降水过程明显偏少。

图2 2020年6—8月华南区域、长江区域和黄淮区域的平均日最高气温

4 区域性持续高温过程多年变化特征

图3是各区域持续高温过程次数随持续日数的变化。考虑到持续18～32 d的高温过程稀少，仅有6次(华南区域1次，长江区域5次)，图内仅显示18 d 以下的统计结果。由图3可以看到，各区域的持续高温过程次数总体随持续日数的增加而减少。4个区域中6 d及6 d以下的持续高温过程次数，华南区域最多，超过6 d的过程，长江区域最多。虽然华南区域发生1次长达32 d的过程，但没有持续时间为17～31 d的过程，持续时间超过6 d的过程华南区域为35次，长江区域最多，为51次，黄淮区域为22次，华北区域最少，仅为4次。可见，无论从持续高温过程累积日数，还是从持续时间超过6 d的长过程次数，都体现为长江区域最严重、华南区域次之、华北区域较轻。

图3 华南区域、长江区域、黄淮区域和华北区域持续高温过程次数与持续日数

从1961—2019年各区域持续高温过程的发生时间(图4)看，华南区域从5月中旬至10月初均可能出现，长江区域出现于6月中旬至9月中旬，黄淮区域出现于5月下旬至9月上旬，华北区域出现于5月下旬至8月中旬。从开始时间看，长江区域最迟，6月中下旬才可能出现，其他3个区域开始时间接近，均为5月下旬甚至中旬。从结束时间看，华南区域最迟，为10月初，华北区域最早，为8月中旬，华北仅出现1次结束时间为8月中旬(2009年8月12—14日)的持续高温过程。因此，长江区域和华北区域的高温过程发生时间较集中，主要出现在两个月内，长江区域为7月、8月，华北区域为6月、7月。作为中国东部气候平均高温过程最严重的区域，长江区域气候平均持续高温过程持续时间长，累积日数多，月份集中，但持续高温过程出现最迟。

由图4还可以看到，华南区域在20世纪90年代至21世纪前20年，持续高温过程开始偏早、结束偏迟，出现在5月和6月上旬的6次过程都发生于该时期，同时9月发生持续高温过程的频次也明显升高(图4a)，2018年出现历史最早的持续高温过程(5月18—22日)，2019年出现了历史最迟的持续高温过程(9月30日—10月2日)。黄淮区域高温过程基本出现在6—8月(占97%)，仅有2次过程出现于5月和2次过程出现于9月，这4次过程均发生在20世纪90年代至21世纪前20年。对华北区域，仅有1次过程出现于8月中旬，发生在2009年8月12—14日，且20世纪90年代后期至21世纪前20年，持续高温过程的出现频次明显升高，1961—1996年发生13次持续性高温过程，年平均为0.36次，1997—2019年发生32次持续高温过程，年平均为1.39次。因此，从持续高温过程的最早和最迟发生月份或高温过程出现频次看，20世纪90年代至21世纪，华南、黄淮和华北3个区域的持续高温过程都存在明显变化。

图4 1961—2019年华南区域、长江区域、黄淮区域和华北区域的持续高温过程发生时间

为量化区域持续高温过程，本文定义持续高温过程年累积日数为区域性持续高温指数(简称高温指数)。图5是各区域持续高温指数的变化曲线，由图5可见，高温指数年际变化明显，华南区域、长江区域、黄淮区域和华北区域的年际标准差分别为9.6 d，10.6 d，8.6 d和4.2 d。各区高温指数变化曲线的线性趋势均为升高，显著性检验表明：除黄淮外，其他3个区域均达到0.05显著性水平，华南、长江和华北3个区域的线性增长趋势相关系数分别为0.5738，0.2581和0.3488，华南增长趋势最显著，线性增长率最高，达到3.3 d·(10 a)-1。

图5 1961—2019年华南区域、长江区域、黄淮区域和华北区域的持续高温指数

尽管由于区域性高温的量化表征方法不同使高温事件的年际变化存在差异，但本文揭示的变化趋势与文献[4,26,34]较一致，如叶殿秀等[4]基于高温对人体产生危害程度制定的高温热浪标准，显示中国东部的高温热浪呈增多、增强趋势显著。本文采用更长的资料序列，从区域性持续过程的角度，证明中国东部大部分地区(包括华南、长江和华北)高温过程存在增长趋势，由于黄淮部分站点存在减弱趋势[4]，因此线性趋势不显著。张嘉仪等[26]揭示了大华南区域(包含本文的华南区域和长江区域)的高温日数和热浪次数显著增多。当然，线性趋势与区域范围以及序列长度密切有关，如文献[26]的华北区域包含部分黄淮区域，则趋势不明显。早期工作[12,24,28]因受序列长度限制未能揭示华南、长江或华北区域的显著增长趋势，只显示区域高温的年际和年代际变化，这是因为区域高温的明显加剧主要出现在近10 a或20 a。

第3章分析得到气候平均上华南区域持续高温过程年平均累积日数比长江区域略少，即华南持续高温指数比长江弱，但由图5变化趋势看，华南线性增长趋势最显著，增长率最高。为了解两区域的持续高温指数的对比变化，图6给出长江区域与华南区域持续高温指数差值的年际变化曲线。由图6可见，两者差值在20世纪70年代末前后(1978/1979年)发生明显变化，70年代末之前，绝大多数年份为正值，70年代末之后，大多数年份为负值，1961—1978年与1979—2019年两个时段的平均值分别为7.4 d和-1.9 d，二者差异为9.3 d，达到0.01显著性水平。从线性趋势看，1961—2019年的线性减弱趋势达到0.05显著性水平(相关系数为-0.2645)。说明前一阶段(1961—1978年)长江区域明显强于华南区域，后一阶段(1979—2019年)华南区域略强于长江区域。

长江区域的持续高温过程平均持续日数为6.4 d，达到和超过7 d过程的累积日数占持续高温过程总累积日数的56.4%，本文将持续时间达到和超过7 d(3～6 d)的持续高温过程称为长持续高温过程(普通持续高温过程)。分别对长持续高温过程和普通持续高温过程进行统计(图7和图8)。由图7可以看到，华南区域和长江区域的长持续高温过程在20世纪90年代末至21世纪初均存在年代际增长，华南(长江)区域在1961—1997年与1998—2019年两个阶段长持续高温过程年累积日数的平均值相差6.1 d(8.3 d)，达到0.01显著性水平。两个区域历史上长持续高温过程累积日数排名前3位的年份都发生在后一阶段，华南区域出现在1998，2007年和2010年，长江区域出现于2003，2013年和2018年。另外，1961—2019年长江区域线性增长趋势也达到0.01显著性水平(相关系数为0.3455)。图8是普通持续高温过程年累积日数变化，华南区域的线性增长趋势显著(相关系数为0.5789，达到0.001显著性水平)，长江区域的线性减弱趋势不显著。以上说明，华南区域无论长持续高温过程还是普通持续高温过程，年累积日数近20年明显增多(图7和图8)，导致持续高温过程总累积日数也明显增多(图5a)；长江区域的长持续高温过程增多，普通持续高温过程减少(图7b和图8b)，使得持续高温过程总累积日数较华南区域低。因此，两个区域持续高温指数相对强弱发生年代际变化，前一阶段(1961—1978年)的长江区域明显比华南区域强，后一阶段(1979—2019年)华南区域比长江区域略强(图6)。

图6 1961—2019年长江区域与华南区域的持续高温指数差值

图7 1961—2019年华南区域和长江区域的长持续高温过程年累积日数

图8 1961—2019年华南区域和长江区域的普通持续高温过程年累积日数

5 结论与讨论

本文基于体现大尺度特征的区域性持续高温过程定义指标，对比1961—2019年中国东部4个区域(华南、长江、黄淮和华北)的持续高温过程，主要结论如下：

1)在划分区域的基础上，综合考虑高温站点相邻性、空间范围、前后两日重合度、区域气候特点以及方法的普适性等，建立区域性持续高温过程定义指标。统计表明：华南区域、长江区域、黄淮区域和华北区域的持续高温过程次数平均每年为3.3，2.8，2.2和0.8，过程平均持续日数为5.1，6.4，5.0 d 和3.9 d，平均年累积日数为16.8，17.8，11.0 d和3.1 d。

2)华南区域性持续高温过程跨越季节最长；长江区域性持续高温过程持续性最强,气候平均年累积日数最多；华北区域性持续高温过程气候平均年累积日数最少，末次过程的结束日期最早，基本上结束于7月底或之前。

3)华南、长江、华北3个区域持续高温指数都存在显著的线性增长趋势，其中华南区域线性增长相关系数最高，增长率也最高，达到3.3 d·(10 a)-1；华北区域线性增长相关系数仅次于华南。黄淮区域历史上仅有的4次非夏季持续过程，均发生于20世纪90年代末至21世纪前20年。

4)长江和华南两区域的持续高温指数的差值存在显著年代际变化，1961—1978年长江区域的持续高温指数明显比华南区域强，1979—2019年转为华南区域比长江区域略强，长江和华南两区域的指数差值在两个阶段相差近10 d。

本文研究表明：在全球变暖背景下，我国东部大部分区域的持续高温过程线性增长趋势明显，但各区域之间存在一定差异。一般情况下，高温事件较少发生在雨日，降水与极端高温事件有很强关联[35]。文献[34]线性趋势分析表明：夏季华北地区降水日数和降水量均存在显著减少趋势，华南地区则降水日数明显减少，但降水量减少不显著，而长江和淮河流域降水量明显增多。这说明华北的高温加剧与干旱有关，长江和淮河流域由于降水量明显增多，部分抵消高温，使黄淮区域持续高温过程线性增长趋势不明显，长江区域持续高温过程显著增强主要出现在近10年，线性增长趋势比华南区域弱。华南区域的降水日数明显减少与全球变暖背景相叠加，导致区域性持续高温过程线性增长最显著、增长幅度最大。由此可见，在全球变暖背景下，由于各区域的环流和降水等气象要素的异常表现不同，导致区域性持续高温变化趋势的显著性或变化幅度存在差异，这也是长江和华南两区域的持续高温指数差值存在显著年代际变化的原因。

区域性持续高温变化趋势的影响因素复杂，既有大气环流、海温异常变化[12,24]和土壤湿度[36]的影响，也与温室气体、城市化和热岛效应、气溶胶的浓度、云量覆盖[37-38]甚至城市景观[39]等有关。本文基于对区域性持续高温过程判断，揭示中国东部4个区域持续高温过程变化特征，但各区域持续高温过程的年际、年代际变化以及不同趋势的机理仍需要深入研究。