焚风对太行山东麓南段冬麦区干热风灾害的影响

李 迪, 王丛梅, 孙 晶, 王丽荣

(1.邢台市气象局,河北 邢台 054099; 2.河北省气象灾害防御中心,河北 石家庄 050022)

干热风是中国北方地区冬小麦从灌浆到成熟期间经常出现的一种灾害性天气,可导致植株蒸腾强度骤然加大、水平衡失调、根系衰退等,致使千粒重降低,一般年份可造成小麦减产10 %左右,偏重年份可减产20 %以上[1-2].2019年4月,中国气象局发布《小麦干热风灾害等级》(QX/T82—2019)代替中华人民共和国气象行业标准《小麦干热风灾害等级》(QX/T82—2007),采用日最高气温、14时空气相对湿度和14时风速组合确定小麦干热风指标，当日气象要素组合达到指标要求，记为1个干热风日，进一步细化规范了干热风灾害指标.焚风是受地形影响发生的一种过山气流在背风坡下沉形成的一种高温、干燥的风.太行山东麓南段是太行山一个主要的焚风中心,5～6月的焚风,下沉增温过程中一旦气温超过31 ℃,就具有了干热风的致灾性,影响范围在太行山东麓南段100 km以内,最远可传播到衡水地区,大大增加了冬麦区干热风的致灾风险[3].现阶段,自然灾害风险理论成为气象灾害,尤其是农业气象灾害研究的主要方法,如杨志捷等[4]对内蒙古春小麦干热风风险进行精细化区划，杨霏云等[5]对华北冬麦区干热风空间分布规律进行了研究，刘晓丹[6]运用遥感技术对干热风灾害进行预测.关于焚风的研究主要集中在焚风形成和发展的动力学机制、焚风分布规律的统计研究和对大气环境的影响分析等[7-9],较少有焚风对山前丘陵和平原地区,尤其是冬小麦种植区干热风的影响程度以及强度大小的研究.

华北平原是中国冬小麦的主要产区,太行山东北—西南走向、纵贯华北平原超过400 km的地貌环境产生的焚风效应,对太行山东麓冬麦区产量造成巨大威胁.河北省中南部属于干热风高发区[5],分析近年来太行山东麓南段5月10日～6月10日焚风运动规律,研究焚风对太行山冬麦区干热风灾害时间和空间分布特征的影响,对科学合理地预测、防御太行山东麓南段干热风灾害以及调整农业种植结构具有重要意义.

1 资料的选取和方法介绍

2011年以前的数据资料中风向、风速等数据缺失严重,而选择更长时间区间的数据或通过反演方式逆推数据会影响研究精度，后续会通过分析一次典型的焚风致干热风灾害过程对研究结论进行验证和校对.

选择太行山东麓南段4个受影响地市(石家庄、邢台、邯郸、衡水)2011—2020年冬小麦灌浆期和乳熟期(5月10日～6月10日)61个气象站逐小时整点气温、空气相对湿度、2 min平均风速、10 min平均风向等资料.要特别说明的是，焚风的出现破坏了太行山东麓南段以东100 km以内气温、湿度、风速等变化的普遍性规律,如果受焚风影响在某日8时～12时出现干热风灾害,但如果当日14时空气相对湿度和风速不符合《小麦干热风灾害等级》(QX/T82—2019)的相关规定,当日干热风灾害就无法得到有效统计，且使用干热风日次作为统计单位,也无法体现不同干热风日中干热风持续时间的差异性，因此规定气象站点小时整点温度≥31 ℃、空气相对湿度≤30 %以及10 min平均风速≥3 m/s为1个干热风时次.通过统计时次代替日次,既可以有效统计焚风影响地区干热风灾害频次,也可以体现干热风持续时间.土壤湿度站建站时间短、数量少且分布不均,因此没有将《小麦干热风灾害等级》(QX/T82—2019)中土壤湿度的相关规定纳入统计标准.

依据《太行山东麓焚风等级》(DB13/T 1271—2010),采用小时变温(ΔTh)作为变量统计太行山东麓南段焚风时次，即

ΔTh=T-T0.

(1)

其中,T为整点气温,T0为前一小时整点气温.当ΔTh≥2 ℃,10 min平均风向在SW—NW,且空气相对湿度≤35 %或小时空气相对湿度下降值≥20 %,即确定为1个焚风时次,将弱焚风纳入统计.

2 焚风对干热风灾害时空分布的影响

2.1 太行山东麓南段焚风与干热风之间的联系

局地温度变化主要受温度平流、垂直运动和非绝热因子共同影响[10].温度平流方面,从大尺度平均态势看,春末夏初,太行山南段受盛行西风和季风控制,升温主要受偏西气流和偏南气流影响.偏西气流越过太行山南段，在背风坡形成焚风，并以重力波的形式自西向东运动,升温方式从温度平流转变为垂直运动,引起垂直方向温度剧烈变化的同时自东向西波状推进,这是造成河北省中南部气温急剧上升的重要原因[3，11].偏南气流来自于冬季风向夏季风转换,普遍情况下该变化携带较多水汽,造成干热风灾害的情况很少,张迎新等[11]研究得出,暖平流对其研究区一次持续性高温升温贡献率不足7 %.因此,太行山东麓南段干热风灾害主要受焚风和太阳辐射的共同影响.焚风在下沉增温过程中达到31 ℃且空气相对湿度低于30 %时,就会造成干热风灾害,自西向东影响整个河北省中南部冬麦区,因此这里规定,气象站点出现焚风且T≥31 ℃、空气相对湿度≤30 %的焚风被定义为致灾焚风.这里要说明的是，1时次致灾焚风造成的高温(T≥31 ℃)效应，可能持续5～12 h.

2.2 焚风、干热风时间分布特征相关性分析

图1a给出了太行山东麓南段代表站点2011—2020年致灾焚风、干热风频次年度分布占比结果.经相关性分析得出,致灾焚风频次与干热风频次相关系数为0.846.可以看出,干热风灾害频次的年度分布特征受焚风影响强烈,焚风是造成干热风灾害的主要原因.图1b给出了致灾焚风、干热风频次月分布占比结果,可以看出,6月前致灾焚风月分布占比高于干热风,6月后致灾焚风月分布占比低于干热风,说明进入6月后,太阳辐射增温开始逐渐取代焚风成为造成干热风灾害的主要因素.太行山东麓南段干热风受致灾焚风和太阳辐射增温的共同影响,2019年5月10日～6月10日,太行山东麓南段61个气象站共出现干热风2 026时次,致灾焚风主导的干热风共1 354时次,占总干热风时次的66.83 %.其中，5月10日～5月31日,共发生干热风1 250时次,致灾焚风主导的干热风共1 040时次,占总干热风时次的83.2 %；6月1日～6月10日,致灾焚风主导的干热风灾害在干热风灾害的占比为27.06 %,与前文研究结论一致.致灾焚风主导下的干热风灾害过程中,焚风增温、太阳辐射增温的占比会在对一次焚风致干热风灾害过程的研究中进一步探讨.

图1 干热风、致灾焚风频次年度和月分布占比

2.3 焚风、干热风空间分布特征相关性分析

采用克里金法,将2011—2020年太行山东麓南段61个气象站干热风、焚风以及致灾焚风作为评价要素进行插值计算,并运用自然断点法将评价要素分为8类,结果见图2(邢台西部山区没有一般站,无法获得数据,图像在邢台西部地区表现不佳).可以看出,太行山东麓南段以东50 km以内干热风空间分布主要受致灾焚风影响,干热风频次呈现西部丘陵和山前平原为高值、自西向东梯度递减的特征.致灾焚风在运动过程中受当地气象条件、太阳辐射、地形和其他方向气流辐合等影响,尤其太行山东麓南北风影响非常显著[12],造成风向、风速、温度、空气相对湿度变化具有多种不确定性,50～100 km处致灾焚风、干热风空间分布无显著特征.由图2可以看出,虽然多种因素的影响导致焚风的致灾性发生了变化,但焚风增温的性质并未受到影响,空间分布仍呈自西向东梯度递减特征.

图2 2011—2020年代表站点干热风、致灾焚风空间分布

3 焚风对干热风致灾风险影响的进一步验证

2019年5月22日太行山东麓南段出现一次典型的焚风导致的干热风灾害过程(见图3),22日早8时开始,风向偏西,太行山东麓南段武安站、临城站、峰峰站、井陉站等多个站点气温骤然上升10～14 ℃,61个气象站日最高气温为35～39 ℃,大部分地区空气相对湿度均低于20 %.通过对5月22日8时～13时气象站逐小时整点气温进行空间插值(以25,30,31,32,33,34,35,40 ℃作为中断值,将气温分为8个等级),动态化分析一次致灾焚风过程对太行山东麓南段冬麦区干热风灾害的影响.

图3 整点气温空间分布

从图3可以看出,8时起,焚风增温过程开始影响石家庄、邢台、邯郸低山丘陵和部分山前平原地区；9时，邯郸、邢台山前丘陵气温升高至30～31 ℃,邯郸武安、峰峰气象站开始出现致灾焚风；10时，致灾焚风影响石家庄、邯郸、邢台山前丘陵和西部平原地区,气温高值分布在邢台、邯郸山前丘陵地区,为33～34 ℃；11时,致灾焚风影响邢台、邯郸、石家庄和衡水几乎全部地区,仅衡水东部个别站点气温未达到31 ℃,气温高值分布在邢台、邯郸山前丘陵地区,为34～35 ℃；12时,致灾焚风影响太行山东麓南段冬麦区全域,山前丘陵为气温高值,达到34～35 ℃,大部分平原地区气温为33～34 ℃,衡水、邢台东部平原个别站点气温为32～33 ℃；13时,35 ℃以上的致灾焚风出现在邯郸、石家庄山前丘陵地区.本次焚风致灾过程中,61个站点共出现255时次干热风.由此次致灾焚风过程可以看出,各时段温度分布的高值首先出现在太行山东麓南段山前区域,气温升高呈现自西向东传递的空间特征,具有比较明显的梯度规律,验证了前文的结论.

运用p坐标系下的热力学能量方程计算垂直运动项,逐小时定量评估焚风在此次增温过程中的占比，即

(2)

将垂直运动项温度变化公式进行推导,得到

(3)

式中：R表示干空气气体常数2.87×102m2/(s2·K)；γd表示z坐标系中干绝热温度直减率，取值为9.76 ℃/100 m，其中z坐标系即以高度z为垂直坐标的(x,y,z,t)坐标系；γ表示z坐标系中温度直减率；p表示大气单位面积的压力；g表示重力加速度.

使用5月22日NCEP再分析资料(3个太行山东麓南段丘陵代表站点)计算得出,450 hPa等压面以下沉气流为主,最大下沉速度位于700 hPa；由图4(2019年5月22日6时)可知，620 hPa以下温度线与干绝热线几乎平行,气流干绝热下沉.500，620 hPa等压面间γ最小,平均温差8 ℃,平均高度1 800 m,计算得γ≈4.4 ℃/100 m.代表站点最大下沉速度ω从8时的0.25，0.27，0.17 Pa/s随时间逐渐递增,14时ω达到0.69，0.83，0.47 Pa/s.小时变温从8时的0.56，0.61，0.38 ℃随时间逐渐递增,14时小时变温为1.56，1.86，1.05 ℃.3个代表站点因焚风垂直下沉运动升温7.24，8.62，5.43 ℃.8时～14时焚风造成气温平均升高6.39 ℃,3个站点实际温度变化平均值为7.93 ℃.此次致灾焚风主导下的干热风灾害过程中,焚风增温占比80.5 %.

图4 3个代表站点温度-对数气压图

4 结论与讨论

1)焚风的出现破坏了太行山东麓南段以东100 km以内气温、湿度、风速等变化的普遍性规律,《小麦干热风灾害等级》(QX/T82—2019)规定的统计标准不能有效统计焚风影响地区的干热风灾害的频次、持续时间等.提出焚风影响地区干热风统计方式,以统计时次代替日次,既可以有效统计焚风影响地区干热风灾害频次,也体现了干热风持续时间.

2)时间分布上,致灾焚风和干热风的年度分布具有明显的相关性,相关系数高达0.872.致灾焚风是造成5月10日～5月31日干热风灾害的主要因素,6月1日～6月10日干热风受致灾焚风和太阳辐射增温的共同影响，其中5月22日～5月27日是致灾焚风出现频次最高的时段.

3)空间分布上,太行山东麓南段以东50 km处干热风空间分布主要受致灾焚风影响,干热风频次呈现西部丘陵和山前平原地区为灾害频次高值、自西向东依次递减的梯度特征.致灾焚风在运动过程中可能受当地气象条件、太阳辐射、地形、障碍物及其他方向气流辐合等影响,造成风向、风速、温度、空气相对湿度变化具有多种不确定性,50～100 km处干热风空间分布无显著特征,但是焚风增温的性质并未受到影响,空间分布仍呈自西向东梯度递减特征.

需要指出的是,代表站点焚风增温占比80.5 %仅仅是以5月22日一次焚风致灾过程来说的,而焚风在波状运动过程的衰减变化中的增温特征、不同年份和日期的致灾焚风主导干热风灾害的增温占比等问题,将有待进一步研究.