1961—2020年中国区域性高温过程的气候特征及变化趋势

王荣，王遵娅，高荣，叶殿秀

中国气象局国家气候中心，北京 100081

0 引言

20世纪90年代以来，气候变暖导致全球范围内区域性高温事件明显增多增强(Meehl and Tebaldi, 2004; Deng et al., 2018a,b；Bai et al., 2021).如：通常夏季气候宜人的欧洲在2003、2006、2007、2010、2013、2015、2017和2019年频繁出现高强度的高温热浪(王丽华,2004; 李威和朱艳峰, 2007; 梁潇云和郭艳君, 2008; 中国气象局,2012, 2014, 2015;邵勰等, 2016; 孙劭等, 2018; 尹宜舟等, 2020).其中，2003年夏季的高温热浪更是打破了欧洲近500年的记录(Fouillet et al., 2006; Robine et al., 2008).1996—2019年，我国除1998年的高温日数(日最高气温≥35℃)较1981—2010年平均值偏少外，其余年份高温日数均偏多，尤其是2005—2006、2010—2011、2013以及2016—2019年等(李莹等, 2020).2013年的中国南方夏季高温热浪更是历史罕见(唐恬等, 2014;Sun et al., 2014; Zhang et al., 2014).频繁且高强度的区域性高温热浪对人体健康、水资源、能源、粮食安全以及生态环境等构成了严重威胁(Rey et al., 2009; Coumou and Rahmstorf, 2012)，如：2003年夏季西欧的极端高温热浪夺走了5万人的生命(Poumadère et al., 2005)；2006年川渝高温与干旱事件伴随发生，导致当地受灾人口达2800万，直接经济损失达到216.4亿元(熊亚军等，2013)等.因此，揭示气候变暖背景下我国区域性高温过程的气候和变化特征，对于开展我国区域性高温过程的短期气候预测和预警、满足决策气象服务的需求以及防灾减灾工作等都具有重要的现实意义.

利用中国1956—2006年的气温观测资料，高荣等(2008)指出我国的高温日数(日最高气温≥35℃)先减少后增加，华南在1970s中期以后，长江中下游地区在1980s初以后，华北在1980s末以后高温日数均明显增加.并且，20世纪90年代以来我国高温热浪频次增多、强度增强、范围明显增大(叶殿秀等, 2013).由于覆盖范围广且持续时间长的区域性高温过程更易成灾且具有更大的经济和社会影响，很多专家提出了区域性高温过程的客观判识方法，并研制了相应的强度评估方法等.唐恬等(2014)、周辰光等(2018)针对固定区域提出了高温过程的判识方法.钱维宏(2011)、任福民等(2015)基于单站极端温度阈值，提出了非固定区域的高温过程客观识别方法.况雪源等(2014)对我国历史群发性高温事件进行了客观判别，并对其气候特征进行了分析.王艳姣等(2013)根据中国气象局定义的高温阈值和WMO规定的高温事件持续时间阈值对全国范围的区域性持续高温过程进行了判定.这些方法的具体定义不同，但都基于单点高温(日最高气温≥35℃)或极端高温(百分位阈值确定)，考虑了高温的空间覆盖范围及时间持续性，能够较好地对区域性高温过程进行客观识别.在此基础上，一些学者也揭示了中国及全国不同地区的区域性高温过程的变化特征.Wang等(2014)和王艳姣等(2013)利用中国600余气象台站的日最高气温发现1961—2010年中国区域性高温强度增强，并且影响了更大的范围.Ding和Qian(2011)将区域性高温事件分为干湿两类，指出区域性湿高温事件在1980s偏少偏弱，但在1990s以后显著增多增强.林爱兰等(2021)则指出，华南、长江和华北地区的区域性持续高温指数线性增长，但黄淮地区的区域性高温指数线性趋势不明显.

前人对我国区域性高温过程气候和变化特征的分析较为初步，所使用台站资料较少，时间序列较短.本文将基于国家气候中心业务使用的区域性高温事件客观判别方法，利用1961—2020年全国2419站日最高气温观测资料，对包括起止时间、持续时间、影响范围、高温强度和综合强度等在内的中国区域性高温过程的气候特征和变化趋势等进行全面和系统的分析.

1 资料和方法

1.1 资料选取

本文采用全国2419个国家级气象观测站1961—2020年的逐日地面最高气温资料进行分析.该资料由中国气象局国家气象信息中心整编发布，并完成了包括空间一致性、时间一致性和气候极值等检验及其相应的可疑数据订正.该资料可在如下地址进行获取：http:∥data.cma.cn.由于各台站观测资料存在不同程度的缺测，我们对资料进行了进一步的处理.针对某台站的某一年，若该年日最高气温的缺测日数达到或超过年总日数的20%，则将该年作为一个缺测年份.若某台站1961—2020年间无缺测年份短于30年，则将该台站资料剔除.据此，从全国2419个台站中挑选出具有长时间序列的2287站进行计算.这些台站的分布如图1所示.可以看到，中国大部地区台站密集，能够提供丰富的数据样本从而得到可靠的分析结果.对于2287站点中存在的缺测，本研究分别采用缺测值不参与计算和利用当年当月的月平均值替代缺测值的方法进行计算和对比，发现仅是计算结果略有差别，并不影响研究结论.最后选取缺测值不参与计算的方式呈现本文结果.文中气候平均值为1961—2020年平均.

图1 中国2287个国家级气象台站分布(阴影区表示地形高度，单位：m)

1.2 区域性高温过程客观识别和综合强度评估方法

本文采用国家气候中心现行业务使用的区域性高温过程客观识别方法和评估模型,对1961—2020年我国历次区域性高温过程进行判识及综合强度量化，这里给出简要的计算步骤和方法.

区域性高温过程的客观识别方法为：

(1)若某站某日的日最高气温≥35℃，则判定该站为一个高温站.将相邻高温站(任意两站点间距离≤250 km)聚合成为一个高温组群.1日内，允许有多个高温组群存在.

(2)某日，若某高温组群的站数≥当日无缺测总站数的3%，则将该高温组群作为一个区域性高温组群.1日内，允许有多个区域性高温组群存在.

(3)若某日某区域性高温组群内至少有50%的站点与前一日某区域性高温组群的站点重合，则判定该区域性高温组群持续；否则判定该区域性高温组群结束.

(4)若某区域性高温组群持续5天及以上，则判定发生了一次区域性高温过程.

该方法兼顾了单站高温的强度，区域性高温过程在空间上的连续性和在时间上的持续性，物理意义清楚且计算较为简便.利用该方法计算得到的历史区域性高温过程与实事相符，与钱维宏(2011)和任福民等(2015)的结果也较为一致.

本研究将一次区域性高温过程从开始日到结束日前一日的累积日数称为该过程的持续天数.在一次过程中，区域性高温组群的日平均站数被称为该过程的平均范围，日平均的单站平均最高气温被称为该过程的平均强度.

综合考虑一次区域性高温过程的平均强度、持续时间和平均范围，利用下列公式计算一次过程的综合强度指数：

Z=I×A0.5×T0.5，

(1)

其中，Z为综合强度指数，I为平均强度，A为平均范围，T为过程持续时间.

Lu等(2015)为了解决在某个局地或站点如何对不同持续时间和不同降水强度的降水过程进行极端性比较的问题，构建了一个简单的数学模型，将一次过程中每天的降水强度折算为该过程的相对强度，从而对不同过程的相对强度进行比较.经过化简及参数选择试验后，他们构建的相对强度计算公式为：Z=I×T0.5，其中Z为相对强度，I为每天的降水强度，T为过程持续时间.Lu等(2017)将该方法从单点扩展至区域，实现了不同影响范围、不同持续时间和不同降水强度的过程之间的极端性比较.相应地，相对强度的计算公式演变为：Z=I×A0.5×T0.5，其中A为区域覆盖范围.本研究中构建综合强度指数的目的和思路与Lu等(2017)一致，则采用了他们的这一方法.本文综合强度的构建方法可理解为，将一次高温过程中每天每站的高温强度折算为该过程的相对高温强度.利用这种方法构建的综合强度指数计算结果表明，1961—2020年期间、2013年夏季中国南方大范围持续性高温的综合强度历史最强，2016、2003、2006和2010年等高温过程的综合强度指数也名列前茅，这与历史实事较为相符.这也从一个侧面表明本研究所示的综合强度指数构建方法较为合理可信.

本文采用线性倾向估计对变量的长期变化趋势进行分析，即利用公式y=at+b，其中y为待分析变量，t为时间序列，a为线性变化趋势系数.系数a为正表示升高趋势，为负则表示下降趋势，该系数利用最小二乘法计算得到.由于该方法讨论的是变量y和时间t之间的线性关系，则可利用y和t的相关系数，即两者间线性关系的密切程度来进行显著性检验(魏凤英, 2007).另外，本文还使用了Mann-Kendall方法(魏凤英, 2007)对变量的突变特征进行分析.

2 中国区域性高温过程的气候特征

2.1 首次开始和末次结束时间

区域性高温过程在年内的首次和末次出现时间对启动和结束区域性防暑降温等工作具有重要的指示意义.我国区域性高温过程在年内的首次开始平均时间为6月18日，首次出现时间的年际变化大，最早出现日期为5月1日(2020年，较气候平均值偏早48天)，最晚出现日期为7月27日(1998年，较气候平均值偏晚39天)，最早和最晚相差87天.末次区域性高温过程结束的平均日期为8月31日.末次过程结束时间的年际变率也很明显，最晚结束日期为10月5日(2019年，较气候平均值偏晚35天)，最早结束日期为7月28日(1980年，较气候平均值偏早34天)，最早和最晚相差69天.将一年中区域性高温过程首次开始至末次结束的时段作为高温期，则我国高温期的平均长度为75.4天，即大致2个半月.其中，1998年最短，仅32天；而2020年最长，达126天，最短年与最长年相差94天.

2.2 发生频次

我国平均每年发生区域性高温过程4次.分别以旬和月为单元，统计了1961—2020年历次区域高温过程在各旬和各月的发生频次.只要一次区域性高温过程与某一旬或月有重合，则当旬或当月累积一次过程数.结果表明，1961—2020年间我国共发生238次区域性高温过程，出现在5月上旬至10月上旬，呈明显的单峰型分布(图2a).区域性高温过程集中在6月下旬至8月下旬，以7月下旬最多，共70次；其次为7月中旬和8月上旬，均有68次.5月上旬至6月中旬及9月上旬至10月上旬区域性高温过程较少发生，不足30次；而5月上旬之前和10月上旬之后无区域性高温过程发生.从各月的分布看，区域性高温过程数仍呈单峰型分布，集中发生在7月和8月，以7月为最多(图2b).这与Wang等(2014)的结果相一致.

图2 5—10月各旬(a)及1—12月(b)各月区域性高温过程的发生频次

2.3 持续日数

持续日数是反映区域性高温过程持续性的指标.我国平均单次区域性高温过程的持续日数为13天，有81.9%的区域性高温过程持续5～20天.其中，持续日数在5～10天的过程数占总过程数的57.1%，11～20天的过程数占总过程数的24.8%，持续日数在21～30天的过程占总过程数10.1%，持续日数在31～40天之间的过程数占总过程数4.6%，持续日数在41～50天之间的过程数占总过程数2.5%，持续日数达51天的过程数仅2次，占总过程数的0.8%(图3).近60年间，2013年6月29日至8月30日中国南方地区出现的区域性高温过程持续日数最长，达62天；其次是2020年7月11日至9月3日在江南、华南地区出现的区域性高温过程，持续时间为55天.

图3 我国不同持续时间的区域性高温过程的发生频次百分比分布

2.4 覆盖范围

每次区域性高温过程所影响的区域和范围不同，为了解高温过程的高发区，本研究统计了每个站点受区域性高温过程影响的次数，并计算了这些次数占全部238次过程的百分数.如图4所示，东南部地区是我国的区域性高温过程的高发地区.黄河河套以南的大部地区都受了50%及以上的高温过程影响，尤其是江南部分地区，受到了70%及以上的高温过程影响.Ding和Qian(2011)的研究也表明，无论是区域性干高温过程还是湿高温过程都主要发生在中国东南部.中国东南部地区人口密集，经济发达，大范围持续性高温所带来的人体健康威胁、用水用电风险、干旱灾害等影响和损害不可忽视.

图4 中国各台站受区域性高温过程影响次数占总过程数的百分数分布

统计结果表明，我国单次区域性高温过程的最小覆盖范围为201站，占总监测站点的8.8%；最大覆盖范围为1763站，占总监测站点的77%，该次过程发生在2017年7月7日至8月25日，影响了我国中东部大部地区.在238次区域性高温过程中，平均每次过程的覆盖范围为760站.如图5所示，有81.9%的区域性高温过程覆盖范围集中在200—1300站之间，以覆盖范围为300—600站及1100—1200站的高温过程最多.覆盖范围达1600站及以上的高温过程仅2次.

图5 中国不同覆盖范围的区域性高温过程的发生频次分布

2.5 平均强度

1961—2020年间所有区域性高温过程的平均强度为36.4℃，其中1966年6月19日至6月25日发生在华北、黄淮至西南东部的区域性高温过程的平均强度最强，达37.8℃.在所有区域性高温过程中，平均强度在37.0～37.5℃之间的有7次，在36.5～37.0℃之间的有77次，在36.0～36.5℃之间的有135次，在35.7～36.0℃之间的有18次，分别占总次数的0.4%、2.9%、32.3%、56.7%和7.6%.另外，统计显示有11次区域性高温过程的最大单日平均强度在38.0℃以上，其中2015年7月16日至8月10日发生在我国东部地区的大范围区域性高温过程最大单日平均强度最大，达38.6℃(2015年7月22日).

3 区域性高温过程各特征量的长期变化趋势

3.1 首次开始和末次结束时间

1961—2020年，我国区域性高温过程每年的首次出现时间表现出明显的年代际变化特征.20世纪60年代和21世纪10年代以提早为主，20世纪70至80年代以推后为主，90年代后接近气候平均值或略推后.从变化趋势看，区域性高温过程每年的首次出现日期总体呈提前趋势，平均提前速率为2.2天/10a(图6)，通过0.1显著性检验.M-K检验结果显示，近60年我国区域性高温过程每年的首次开始时间没有发生突变.

如图6所示，1961—2020年我国每年的末次区域性高温过程结束时间的年代际变化特征也很明显，20世纪60—70年代中期偏晚，80年代以偏早为主，90年代以来又以偏晚为主，且偏晚幅度逐年变大.近60年来，我国区域性高温过程每年的末次结束时间总体推迟，线性趋势系数为2.0天/10a,超过了0.05显著性水平.M-K检验结果显示，近60年我国区域性高温过程每年的末次结束日期在2005年发生了突变推迟.

伴随区域性高温过程首次出现时间不断提前，而末次结束时间逐年推后，1961—2020年间我国的高温期显著变长，平均每10年增长4.3天，超过了0.01显著性水平(图6).并且，高温期长度的变化也表现出了一定的年代际特征.20世纪60年代我国高温期偏长，70—80年代偏短，90年代总体接近气候平均值，21世纪以来以偏长为主，且偏长幅度逐年增大.M-K检验结果显示，近60年我国高温期长度没有发生气候突变.可以看到，区域性高温过程在20世纪90年代以后的开始偏早，结束偏晚及高温期变长是与中国气温在这一时期的明显升高相一致的.

图6 1961—2020年我国区域性高温过程首次出现日期和末次结束日期变化

3.2 发生频次

1961—2020年，我国区域性高温过程的年频次总体没有明显变化趋势(图7)，但可以注意到其清楚的年代际变化特征.区域性高温过程在20世纪60—70年代中期偏多，70年代中期至80年代末明显偏少，之后又转为偏多并持续处于高位.也就是说，中国区域性高温过程先减少后增加.这与高荣等(2008)指出的中国单站高温发生频次的变化特征相一致.Wang等(2014)和王艳姣等(2013)的研究也表明区域性高温过程在1990s后明显增多.另外，中国区域性高温过程频次并没有发生气候突变.

图7 1961—2020年我国区域性高温过程发生次数变化

3.3 覆盖范围

为了解区域性高温过程覆盖范围的十年际变化特征，我们统计了各年代中国各站受区域性高温过程影响的次数占1961—2020年间全部238次过程的百分数.如图8所示，无论在任何年代区域性高温过程所覆盖的区域范围都主要位于中国东南部地区，与气候态的分布形势相一致，整体覆盖范围的变化不明显.但可以注意到，区域性高温过程的高发区在每十年间有所不同.20世纪60年代，中国东南部较大范围区域都受到了10%以上的区域性高温过程的影响.1971—2000年间，区域性高温过程的高发区范围逐渐缩小，仅在江南的部分地区受到了10%以上的区域性高温过程影响.这与Wang等(2014)利用1961—2000年的资料分析发现长江至黄河一带区域性高温过程频次减少且强度减弱的结果相一致.而更长时间序列的分析表明，2001—2010年区域性高温过程高发区的覆盖范围大幅增加，达近六十年最大，长江中下游及其以南的大部分地区均受到了10%以上的高温过程影响，且江南中东部至华南东部的部分地区受到了15%以上的区域性高温过程影响.2011—2020年区域性高温过程的高发区范围有所缩小，但仍然较2000年以前的范围广，长江以南大部地区受到了10%以上的区域性高温过程影响.很明显，在1961—2020年期间，伴随区域性高温过程先减少后增加，高温过程的高发区也表现出了先缩小后扩大的变化趋势.

图8 1961—2020年每十年中国各站受区域性高温过程影响次数占区域性高温过程总次数的百分数分布

从时间演变特征看，1961—2020年我国年均单次区域性高温过程的覆盖范围呈显著的增大趋势，平均增大速率为42.9站/10a(图9)，超过0.01显著性水平.历年区域性高温过程中最大单次覆盖范围也呈显著增大趋势，平均增大速率为84.8站/10a，超过0.001显著性水平(图略).这很好地印证了在气候变暖背景下，我国高温影响范围越来越广的结论(叶殿秀等, 2013).同时，M-K检验结果显示，近60年我国年均单次区域性高温过程覆盖范围在1998年发生了突变增大，最大单次区域高温过程覆盖范围在1999年也发生了突变增大.可见，自20世纪90年代后期以来，我国区域性高温覆盖范围的增大趋势非常显著.

图9 1961—2020年我国年均单次区域性高温过程覆盖范围变化

3.4 持续时间

近60年，我国年均单次区域性高温过程的持续日数呈显著增加趋势，增加速率为0.7天/10a，通过0.1显著性检验(图略).年最长区域性高温过程持续时间也呈显著增加趋势，增加速率为2.6天/10a，通过0.01显著性检验(图10).很明显，在气候变暖背景下我国区域性高温过程的持续性在增强.M-K检验结果显示，近60年我国区域性高温过程的平均持续时间和最长持续时间均在2016年出现突变增加现象.高温期和单次高温过程的持续时间均在增加，这是区域气温对气候变暖的一种直接响应，使得我国更长时间地暴露在高温中，增大了高温灾害风险.

图10 1961—2020年我国年最长区域性高温过程持续日数变化

3.5 平均强度

如图11所示，1961—2020年中国区域性高温过程的年平均强度并没有表现出明显的变化趋势.但可以发现，从20世纪60—80年代平均强度呈减弱趋势，而80年代以后平均强度逐年增强.计算也表明，1980—2020年中国年区域性高温过程的平均强度以0.06℃/10a的平均速度增强，通过了0.05的显著性水平.尤其是21世纪初以后，平均强度基本维持在高于气候平均值的水平.这种先减弱后增强的变化特征与前述的中国区域性高温过程先减少后增多的变化相一致，表明中国区域性高温过程在近60年经历了由偏少偏弱向偏多偏强的转变，这种变化在进入21世纪以后更为明显.M-K检验结果表明，中国区域性高温过程的平均强度在1987年发生突变，由减弱转为增强，并在2002年再次发生突变，强度进一步增强.

图11 1961—2020年我国区域性高温过程年平均强度变化

3.6 综合强度

中国单次区域性高温过程的综合强度指数是该过程平均强度、空间覆盖范围和时间持续性的综合体现.1961—2020年，我国区域性高温过程的年平均综合强度指数呈显著增强趋势，相较于气候平均值，平均每10年增强4.3%，超过0.05显著性水平(图略).并且，我国区域性高温过程的年最大综合强度也呈显著增强趋势，平均每10年增强7.8%，超过0.001显著性水平(图12).实际上，中国区域性高温过程的持续时间变长，高温强度增强及覆盖范围变广均促使了综合强度指数的大幅增加，尤其是2000年以来增加趋势尤为明显.M-K检验结果显示，近60年我国区域性高温过程年最大综合强度在2012年出现了突变增强.

图12 1961—2020年我国区域性高温过程年最大综合强度指数变化

4 结论

本文依据目前国家气候中心业务上采用的区域性高温过程判识标准和综合评估模型，对近60年来我国区域性高温过程进行客观识别和评估，并在此基础上分析了其气候特征及变化趋势，主要得出以下结论：

(1)我国平均每年发生4次区域性高温过程，集中在5月上旬至10月上旬，以6月下旬至8月下旬为主.首次区域性高温过程平均在6月18日开始，末次过程平均在8月31日结束，平均高温期为2个半月.80%以上区域性高温过程的持续日数在20天之内，最长可达2个月之久.82%的区域高温过程覆盖范围在200—1300站之间，过程平均高温强度为36.4℃.

(2)1961—2020年，我国区域性高温过程的首次出现日期显著提前、末次过程结束日期显著推后，高温期显著增长.在气候变暖背景下，我国区域性高温过程的发生频次先减少后增加，在20世纪90年代以后持续偏多.区域性高温过程的高温强度先减弱再增强，20世纪80年末以后显著增强.同时，区域性高温过程的覆盖范围显著增加、持续时间显著变长、综合强度显著增强.

(3)近60年来，我国历年区域性高温过程的首次开始时间和末次结束时间，高温期及高温过程发生频次等均没有发生气候突变.区域性高温过程的平均高温强度在1987年由弱转强，并在2002年进一步突变增强.同时，区域性高温过程的影响范围、持续时间和综合强度分别在1998、2016和2012年前后突变增加和增强.

本文对我国区域性高温过程发生频次、起止时间、持续时间、影响范围、平均强度、综合强度等特征物理量的气候特征及变化趋势进行了较为详细分析，为进一步研究影响区域性高温过程发生的大气内部动力因子和外强迫因子，分析其不同时间尺度气候变率的时空特征和物理机制等奠定了基础.并且，还可针对区域性高温过程的各特征物理量开展变化特征和成因机理等更为深入和详细的研究.另外，区域性高温过程对人体健康、农业、电力、水资源、生态环境等的影响评估和风险分析等也是值得深入思考的课题.需要指出的是，本文依据国家标准《高温热浪等级》采用了日最高气温达到或超过35℃作为高温标准，中央气象台也采用的此标准对高温天气开展监测和预报.绝对阈值有利于将各地的高温处于同一标准下进行对比分析，但也忽略了不同区域间的差别，尤其是气候态上较凉爽地区和“火炉”地区的差异.因此，如果在业务或科研工作中需要强调温度的区域差异，则可利用相对阈值的取值方法来对高温进行定义，如采用WMO推荐的百分位法等(任福民等，2014).