1959—2020年江西省持续区域性高温过程特征

2021-07-27刘文英孙素琴刘冬梅

气象与减灾研究 2021年4期

刘文英，孙素琴，刘冬梅，田俊

1. 江西省农业气象中心，江西南昌 330096 2. 江西省气象台，江西南昌 330096 3. 江西省气象信息中心，江西南昌 330096

0 引言

近年来，在全球变暖的气候背景下夏季大范围的破纪录高温天气过程接连发生。如2003年江西省6月底至9月初出现了三个时段的高温过程(尹洁等，2003)；2013年夏季中国南方出现了持续性异常高温过程(叶殿秀等，2013)，等等。持续高温常伴随稀少的降水而导致气象干旱的发生，给农业生产和人畜饮水等带来严重影响。

有学者将某个区域内三分之一站点日最高气温超过35 ℃定义为区域高温过程(Chen et al，2016)。王国复等(2018)研究表明，2017年我国区域性高温过程具有强度强、日数长和覆盖范围大的特点；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。王艳姣等(2013)基于温度强度、持续时间和面积指标研究了中国区域持续性高温过程，表明1961—2010年中国区域持续极端高温过程期间，各台站年平均极端高温发生日数和累积温度距平强度大值区位于新疆中南部和江南中东部地区，其中江南中东部地区高温区域面积较大。唐恬等(2014)研究指出，2013年夏季我国南方高温天气具有显著的群发性特征，覆盖了长江中下游以及重庆等8个省、2个直辖市，也具有以高温过程重现构成的持续性特征，夏季平均气温等均破历史纪录。林爱兰等(2021)利用1961—2019年中国2 407个气象站的日最高气温资料，在判别华南、长江、黄淮和华北四个区域持续高温过程的基础上，比较各区域持续高温过程的气候变化特征，指出华南区域性持续高温过程跨越季节最长，且区域性持续高温指数存在显著的线性增长趋势。

以上研究多涉及多个省份，试验用的量化指标常常会做折中化处理。此外有研究表明，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，分别为新疆和东南部地区(孙建奇等，2011)。江西省位于我国东南部，为典型的亚热带季风性湿润气候，气候变率大，2003年和2013年江西省均出现过异常的长时间高温过程，致使多项气温、干旱指标均突破历史记录。江西省地貌独具特点(图1)，省境东、西、南三面环山地，中部丘陵和河谷平原交错分布，北部则为鄱阳湖平原，导致江西省高温过程亦有自身特点。因此，文中旨在已有研究的基础上，结合江西省区域性、持续性高温的特点，尝试从高温发展的强度(极端性)、发生的面积和持续的时间等方面，分析1959—2020年江西省高温极端性和持续性的时空变化特征，为研究高温过程的影响提供参考。

图1 江西省气象站点分布Fig. 1 Distribution of meteorological stations in Jiangxi province

1 数据和方法

1.1 数据来源

文中所用资料由江西省气象信息中心提供，从建站后观测未中断的气象站中剔除海拔高于800 m的2个站点得到江西省81个国家气象站，最终选定1959—2020年日最高气温观测数据作为研究资料。

1.2 定义与方法

1.2.1 持续区域性高温过程判断

国内气象界通常将日最高气温达到或超过35 ℃定义为一个高温日，文中也选取公认的35 ℃作为单站极端高温阈值。关于高温持续时间指标界定，一般将连续3—5 d或以上的高温日称为持续高温(Kysely et al,2000;Peterson et al,2001;Nasrallaha et al,2004)，国外气象学者或组织组织将连续5 d以上的高温日定义为高温过程的持续时间指标(Peterson et al,2001)。刘文英和孙素琴(2020)对江西省区域性高温过程进行了符合农作物热害特点的界定。基于以上分析，选取高温强度、持续时间、高温面积和高温站点重合率四个判定因子，对江西省持续区域性高温过程的判别指标进行定义：1) 日最高气温≥35 ℃；2) 持续时间≥3 d；3) 江西省境内相邻(两站距离为100 km以内)的30站或以上范围出现高温天气；4) 高温持续过程中每一天均与相邻日期至少有20%高温站点重合。若高温持续期间有一天高温站数少于30站，或与相邻日期高温站点重合率小于20%，就认为一个高温过程结束。

1.2.2 持续区域性高温过程综合强度指数

为了全面体现高温过程的综合特征，文中结合王艳姣等(2013)的研究方法对江西省历年持续区域性高温过程进行判定，构建综合考虑高温过程强度、影响范围和持续时间等要素的综合强度指标。选取高温持续过程中极端最高气温、日均强度、日均影响范围和持续日数这四个因子，对各因子进行标准化处理以消除不同量纲的影响，采用加权求和方法构建综合强度指标，并根据因子的变异系数得出各个因子的权重系数，最终构建的综合强度指标公式：

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

(1)

其中，Z为高温过程综合强度指数；Q为高温过程的极端最高气温；I为高温过程日均强度；A为高温过程日均影响范围；D为高温过程的持续日数。其计算式分别为

Q=Max[Max(ti,j)]

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(2)

(3)

(4)

式(2)—(4)中，n表示高温过程的持续日数；m表示逐日达到高温阈值的站点数；ti,j表示第i日第j个站点的日最高气温；Si表示高温过程持续期间第i日的影响面积。

2 持续区域性高温过程特征

2.1 持续日数

图2给出了江西省持续区域性高温过程出现的时间。分析发现，1959—2020年持续区域性高温过程偶尔发生在梅雨季节，但主要发生在南方梅雨季节结束后(7月至9月上旬)。历年随着汛期主雨带的北抬，强大副热带高压反气旋环流的控制利于江西地区出现大范围持续性高温天气。从起始时间看，1999年以后高温过程开始时间整体呈现提前趋势，结束时间呈现延后趋势。7月至9月上旬出现的区域性高温过程具有持续时间长的特点。持续区域性高温过程最早开始于5月15日，出现在2018年，持续了4 d；最晚结束于10月5日，出现在2019年，持续了5 d。

图2 1959—2020年江西省持续区域性高温过程出现时间Fig. 2 Occurrence time of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020

按照持续区域性高温过程的标准对1959—2020年江西省持续区域性高温过程进行判断(表1)，发现共有271次持续区域性高温过程，平均每年发生4.4次，过程平均持续时间为5.74 d，最长持续时间为34 d，出现在2003年7月8日—8月10日。其中8月发生次数第一，次数占总次数的42%；7月次之，占比为39%。其他指标值也具有较好的一致性，8月均位列第一。

表1 1959—2020年江西省持续区域性高温过程数量和持续日数Table 1 Number and duration of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi during 1959-2020

图3给出了不同持续日数的江西省区域性高温过程数量分布。分析发现，持续区域性高温过程发生数量总体上随着持续日数的增加而逐渐减少，高温过程的持续时间多集中在3—8 d，其过程数量占总数的78%。从13 d开始各持续时间的高温过程数量均不超过4次，持续时间为13—34 d的高温过程数量仅占总数的9.2%。

图3 1959—2020年不同持续日数的江西省区域性高温过程数量Fig. 3 Frequency of persistent regional high-temperature processes with different durations in Jiangxi from 1959 to 2020

2.2 时间变化

分析历年江西省持续区域性高温过程发生数量(图4)发现，1959—2020年高温过程发生数量呈现“先减少后增加”趋势，1959—1997年减少趋势为0.048次/a，1997—2020年增加趋势为0.123次/a，均通过了信度0.05的显著性检验。2006、2013、2018年持续区域性高温过程均出现8次，为历史最多；而1997年没有出现持续区域性高温过程。

图4 1959—2020年江西省持续区域性高温过程发生次数Fig. 4 Occurrence frequency of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020

为研究江西省持续区域性高温过程强度的年际变化，选取每年最强高温过程相应的高温过程综合指数进行分析(图5)，发现1959—2020年江西省年最强持续区域性高温过程综合指数总体呈现“先减小后增大”趋势；1959—1987年高温强度呈明显减弱趋势，1993—2019年呈明显增强趋势，均通过了信度0.05的显著性检验。

图5 1959—2020年江西省历年最强持续区域性高温过程的综合指数Fig. 5 Maximum integrated index of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020

2.3 空间分布

文中持续区域性高温过程的单站强度，采用江西省271个过程期间相应测站每日最高气温超过35 ℃部分的累计值表示，单站的日均强度指单站强度除以相应的总日数。结果(图6)表明，单站的高温过程日数和日均强度的大值区主要分布于赣中吉泰盆地和赣东北丘陵山区。持续区域性高温过程覆盖了全省所有站点，最少出现在安远(533 d)，最多出现在吉水(1 810 d)。江西发生持续区域性高温时，日最高气温过程平均值多数地区为36.5—36.7 ℃，高的可达37.1 ℃，低的仅35.8 ℃。

图6 1959—2020年江西持续区域性高温过程发生总日数(a,单位:d)和日均强度(b,单位:℃)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 强度等级

根据式(1)计算得到1959—2020年271个持续区域性高温过程的综合强度Z值范围为-1.35—4.27。根据Z值从大到小排序后的10%、30%、70%百分位值将高温过程划分为四个等级：极端(Z≥1.0)、重度(0.25≤Z<1.0)、中度(-0.5≤Z<0.25)、轻度(Z<-0.5)。按此标准对1959—2020年江西省持续区域性极端高温过程进行分级，并依据过程结束日期所在月份进行归类。结果(表2)显示，持续区域性高温过程主要发生在7—8月，占比81%。极端、重度和轻度高温过程在8月发生次数最多，中度高温过程在7月发生次数最多。

表2 1959—2020年江西省各等级持续区域性高温过程发生频次(单位：次)Table 2 Frequency of each grade of persistent regional high-temperature processes in Jiangxi from 1959 to 2020 (units: times)

3 典型个例分析

对1959—2020年江西省持续区域性高温过程综合强度按高低进行排序，找出排名前三位的个例(表3)：2003年7月8日—8月10日排第一位，综合指数达到4.27；2019年7月24日—8月24日排第二，综合指数达到3.07；1963年8月14日—9月9日排第三，综合指数达到2.51。分析表3发现，此三次过程的持续日数远大于所有区域性高温过程的平均值，极端最高气温也明显高于平均值。有研究(许彬等,2003；尹洁等,2003,2005)表明，上述居前三位的持续区域性高温过程均给当地造成了较严重经济损失。

表3 1959—2020年江西省最强持续区域性极端高温过程特征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日逐日高温实况演变(图略)发现，此次高温过程起始于浙赣铁路以南至赣南的北部地区，7月13—17日高温范围向北扩大，江西有80—81站出现35 ℃以上高温，与此同时高温强度不断增强，超过40 ℃高温的站点数由14日的8个迅速增多到16日的25个。随后仅7月18日和8月5日高温范围有所缩小，其他大部分时间高温范围均超过70个站点，并在7月底至8月初达到最强，极端高温出现在8月2日的江西黎川站，达42.2 ℃。8月11日高温范围南退至江西南部，高温过程结束。整个过程持续了34 d，日均强度达210.7 ℃，日均影响范围达1.41×105km2。与上述发生实况及此次高温过程相关研究(许彬等,2003；尹洁等,2003)对比发现，文中分析得到的高温过程情况与实况符合。此外，尹洁等(2003)研究认为此次高温过程起始于6月29日，与文中确定的起始于7月8日不同，这可能是由区域性高温界定范围的差异引起的，文中规定高温站点阈值为30站，而7月8日前未达到阈值。