江西高溫天氣時空變化特征分析

胡菊芳，李 芬，趙冠男，周曉香

(1.江西省氣候中心，江西 南昌 330096;2.江西省氣象信息中心，江西 南昌 330096)

在全球氣候變暖的大背景下，極端天氣氣候事件頻發(fā)，而高溫天氣作為極端天氣中的一種，也是社會和公眾廣泛關(guān)注的天氣之一[1]。高溫、熱浪等極端高溫事件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響人們的健康、社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注[2-4]。氣象學(xué)上將日最高氣溫≥35℃稱為高溫天氣，江西省年均高溫日數(shù)超過30 d，≥40 ℃的高溫天氣集中出現(xiàn)在盛夏的7，8月。盛夏高溫是江西省的主要氣象災(zāi)害之一，持續(xù)的高溫天氣給全省工農(nóng)業(yè)、交通安全和人們的日常生活帶來嚴(yán)重影響，對畜、禽水產(chǎn)等動物養(yǎng)殖業(yè)也造成了嚴(yán)重?fù)p害，還引發(fā)了大面積干旱，使江河斷流、水庫干涸，城市供電、供水和農(nóng)業(yè)用水等造成極大影響[3]。20世紀(jì)90年代以來，隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，熱島效應(yīng)明顯增強(qiáng)，這不僅加劇了盛夏季節(jié)炎熱程度，同時也進(jìn)一步擴(kuò)大了各地高溫強(qiáng)度的差異[1]。近年來，國內(nèi)對高溫天氣有較多研究，梁梅和吳立廣[3]對中國東部地區(qū)夏季極端高溫的特征進(jìn)行了分析；尹東屏、嚴(yán)明良、裴海瑛等[5]分析副熱帶高壓控制下的高溫天氣特征；項陽、王璐、王海東等分析了皖西北地區(qū)夏季高溫?zé)崂藭r空變化特征[6],韓雪云、趙麗、張倩等[7]分析了西北干旱區(qū)極端高溫時空變化特征，目前就江西省近60年夏季高溫天氣時空變化特征分析研究尚鮮見相關(guān)報道，本文采用多項式回歸、低通濾波等算法，開展了高溫天氣年代際變化、月變化、日變化、空間分布等時空變化特征分析，研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步認(rèn)識氣候變暖態(tài)勢下江西高溫的區(qū)域性特征，為江西高溫災(zāi)害防御工作提供科學(xué)支撐，對防災(zāi)減災(zāi)、保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、減少人體健康危害具有重要意義[10]。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域概況

江西位于長江以南，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明且天氣復(fù)雜多變。年平均氣溫18.0 ℃，年平均降水量1677 mm。夏季受副熱帶高壓控制，天氣炎熱，平均氣溫一般都在28.0 ℃～30.0 ℃之間，極端最高氣溫大都在40 ℃以上。南北跨越5個緯度，東西橫貫4個經(jīng)度，山地、丘陵約占總面積的78%，地形復(fù)雜多樣、小氣候特征明顯。

圖1 江西省氣象站點分布圖Fig.1 Distribution of meteorological observation stations in Jiangxi Province

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用數(shù)據(jù)來源于江西省氣象信息中心CIMISS(全稱China Integrated Meteorol Infoemation Sharing System,全國綜合氣象信息共享系統(tǒng))數(shù)據(jù)庫提供的地面氣溫日值數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)序列經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和均一性檢驗訂正，完整性和準(zhǔn)確性良好。本文選取江西省境內(nèi)87個(圖1)有完整氣象觀測資料的氣象站點1961年1月～2018年12月日最高氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。利用江西省地面氣象觀測資料分析服務(wù)平臺[12]，采用基于線性趨勢分析、顯著性檢驗、累積距平等常用統(tǒng)計方法[10-11]，針對高溫日的時間和空間變化特征以及年代際和年變化趨勢開展了可視化、圖形化分析[13]。

1.3 研究方法

采用相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、百分位、頻率、滑動平均、重現(xiàn)期分析、趨勢分析以及顯著性檢驗等定量分析指標(biāo)，利用C++語言建立統(tǒng)計分析算法組件，實現(xiàn)各類分析指標(biāo)實時計算。相關(guān)統(tǒng)計指標(biāo)計算公式如下：

相關(guān)系數(shù)：

標(biāo)準(zhǔn)差：

顯著性檢驗：

基于HighChart、Leaflet-Velocity、python-mat-

plotlib等系列開源可視化組件，采用JavaScript腳本語言，實現(xiàn)全部可視化圖表的繪制處理[12-13]。

2 高溫天氣的時間變化特征

2.1 年代際變化特征

圖2給出了江西省各級(35 ℃，37 ℃，40 ℃)逐年平均高溫日數(shù)或累計高溫站次的年際變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，1961～2018年江西省≥35 ℃和≥37 ℃的年高溫日數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，不過變化都不明顯，35 ℃的高溫日數(shù)相關(guān)系數(shù)0.187，37 ℃的高溫日數(shù)相關(guān)系數(shù)0.161，均沒有通過<0.10的顯著性檢驗；但均呈現(xiàn)出“多-少-多”的年代際變化特征，≥35 ℃和≥37 ℃的高溫日數(shù)均在1960年代、2000年代和2010年代以來高溫日數(shù)較30年平均值偏多，1970年代、1980年代和1990年代高溫日數(shù)較30年平均值偏少。此外，江西省≥40 ℃的高溫日數(shù)變化趨勢也大體一致，2000年代日數(shù)最多，達(dá)到376站次，其中2003年的高溫日數(shù)異常偏多，全省出現(xiàn)站次達(dá)299站次，2013年次之，為117站次。

圖2 江西省各級高溫日數(shù)年代際變化Fig.2 Interdecadal variation of high temperature days at different levels in Jiangxi Province

2.2 月變化特征

江西省年均高溫日數(shù)超過30 d，高溫出現(xiàn)早、結(jié)束晚，≥35 ℃的高溫天氣最早出現(xiàn)于3月中旬(1988年3月14日)，最晚出現(xiàn)在10月下旬(1996年10月31日)；≥37 ℃的高溫天氣最早出現(xiàn)于5月上旬，10月上旬基本結(jié)束；≥40 ℃的高溫天氣，集中出現(xiàn)在7，8月。因此，7，8月是江西省高溫天氣出現(xiàn)最多、強(qiáng)度最強(qiáng)的月份，也稱之為盛夏。

表1給出了江西省1961～2018年各級高溫日數(shù)的年內(nèi)逐月變化。從表中可以看出，≥35 ℃的高溫日數(shù)，絕大多數(shù)出現(xiàn)在6～9月，這4個月的高溫日數(shù)之和占全年的97.8%，其中又以7，8兩月最為集中，分別占全年的44.6%和35.8%，7月高溫日數(shù)最多；≥37℃的高溫日數(shù)主要出現(xiàn)在7月和8月，分別占全年的52.5%和37.8%，其中7月份的高溫日數(shù)占全年的一半以上；≥40 ℃的高溫站次也集中出現(xiàn)在7月和8月，分別占全年的50.9%和48.1%，從歷史上高溫強(qiáng)度前十位的逐日高溫站次統(tǒng)計來看(2003，2013，1971，2010，1991，1988，1967，1966，1961和1992年)，日最高氣溫≥40℃的站次主要集中在7月中旬至8月中旬前期(圖3)。

表1 江西省Tg≥35 ℃，37 ℃月均日數(shù)、40 ℃總站次以及百分比Table 1 The number of monthly average days and percentage that Tg above 35 ℃,and Tg above 37 ℃,and the number of stations that Tg above 40 ℃ in month and percentage

圖3 江西省近58a中高溫強(qiáng)度前10年逐日40℃以上高溫站次Fig.3 The stations in Jiangxi province around 58 years that temperature above 40 ℃ in recent 10 years

2.3 日變化特征

從歷史個例來看，江西盛夏高溫日初始時間一般在每天的10～12時，結(jié)束時間在每天的19～21時，持續(xù)時間大約10 h左右，但是隨著高溫強(qiáng)度的不同，一天中高溫的起止時間、持續(xù)時間會有所不同，高溫強(qiáng)度越強(qiáng)，出現(xiàn)高溫的初始時間越早，結(jié)束時間越晚，持續(xù)時間越長。以典型高溫年2003年7～8月的贛北片區(qū)(南昌)和贛南片區(qū)(贛州)為例，南北片區(qū)分別選取35 ℃～37 ℃，37 ℃～39 ℃、39 ℃以上3個不同等級高溫強(qiáng)度的高溫日，可知：35 ℃～37 ℃的高溫日，高溫初始時間一般在每天的12～13時，結(jié)束時間在每天的18～19時，持續(xù)時間大約6 h左右；37 ℃～39 ℃的高溫日，高溫初始時間一般在每天的11～12時，結(jié)束時間在每天的19～20時，持續(xù)時間大約9 h左右；39 ℃以上的高溫日，高溫初始時間一般在每天的10～11時，結(jié)束時間在每天的20～21時，持續(xù)時間大約11 h左右。一天中的最高氣溫大多出現(xiàn)在下午的14～17時，最低氣溫出現(xiàn)在凌晨4～7時(見圖4)。

圖4 江西省贛北(南昌)和贛南(贛州)不同強(qiáng)度高溫日的逐時最高氣溫Fig.4 Hourly maximum temperature in days of high temperature weather in Nanchang and Ganzhou

3 高溫天氣的空間分布特征

3.1 高溫日數(shù)的空間分布

圖5給出了江西省1961～2018年日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)和≥37 ℃的高溫日數(shù)的年平均分布圖，圖6是近58年來日最高氣溫≥40 ℃的高溫總?cè)諗?shù)的分布圖。從圖5～6可以看出，受地形及局地小氣候影響，≥35 ℃的高溫日數(shù)、≥37 ℃的高溫日數(shù)和≥40 ℃的高溫日數(shù)，空間分布特征基本相似，都具有明顯的地區(qū)差異，其中平原、盆地、高山谷地等年高溫日數(shù)較同緯度地區(qū)明顯偏多，且極端氣溫高；如吉泰盆地、贛撫平原、贛東北以及地處九嶺山與幕阜山之間的修水和武寧等地。丘陵山區(qū)及濱湖地區(qū)年高溫日數(shù)較同緯度地區(qū)明顯偏少，且極端氣溫低。同時贛東北所處的緯度區(qū)離副高脊線北跳的兩個位置(25°N和30°N)都很近，下沉增溫要強(qiáng)于其他地區(qū)，因而40 ℃的日數(shù)也明顯偏多。

從圖5～6可以看出，高溫天氣較多的地區(qū)≥35 ℃的年平均高溫日數(shù)一般有30～40 d，其中贛東北的上饒市、上饒縣、弋陽、橫峰、鉛山、貴溪、鷹潭，吉泰盆地的泰和、吉水和永豐，以及黎川和于都都超過40 d，以上饒縣48 d為全省最多，全省平均高溫日數(shù)30 d及以上的站數(shù)占全省總站數(shù)的65%；≥37 ℃的高溫天氣年平均日數(shù)10 d及以上站數(shù)占全省總站數(shù)的39%，其中上饒縣、弋陽、橫峰和鷹潭超過15 d，以上饒縣20 d為全省最多；≥40 ℃的高溫天氣58年總?cè)諗?shù)10 d及以上的站數(shù)有37站，其中有11站超過20 d，40 ℃以上的高溫日數(shù)最多的為吉水，達(dá)32 d，為全省最多，全省除廬山、井岡山高山站以外還有10個站沒有出現(xiàn)40 ℃以上的高溫天氣，分別是石城、大余、會昌、安遠(yuǎn)、全南、龍南、定南、尋烏、鄱陽和靖安。長江南岸的九江、湖口、彭澤、星子、都昌和德安以及贛南南部山區(qū)高溫日數(shù)較少，≥35 ℃的年平均高溫日數(shù)一般只有10～20 d，≥37 ℃的年平均高溫日數(shù)一般只有1～5 d；鄱陽湖區(qū)由于大范圍水域的調(diào)劑作用，高溫日數(shù)較同緯度地區(qū)明顯偏少，≥35 ℃的年平均高溫日數(shù)大多維持在20～30 d，≥37 ℃的年平均高溫日數(shù)一般只有5～10 d。

圖5 江西省1961-2018年日最高氣溫≥35 ℃、37 ℃的年平均分布圖Fig.5 The annual average of days about daily maximum temperature above 35 ℃ and 37 ℃ in Jiangxi province from 1961 to 2018

圖6 江西省1961-2018年日最高氣溫≥40 ℃的總?cè)諗?shù)分布圖Fig.6 The sum of days about daily maximum temperature above 40 ℃ in Jiangxi province from 1961 to 2018

3.2 極端最高氣溫的空間分布

每年的極端最高氣溫是由該年夏季副熱帶高壓在江西穩(wěn)定維持的時間、強(qiáng)度以及地形地貌的狀況所決定的。由于江西省每年夏季受副熱帶高壓控制的時間長短不一致，強(qiáng)度也不同，因而年極端最高氣溫的分布較為不均，南北差異性較大。從建站以來至2018年極端最高氣溫值的空間分布圖來看，北部高南部低，其中，贛北的東部和西部、贛撫平原、吉泰盆地極端最高氣溫高，一般都在41 ℃～42 ℃，修水、玉山、局部超過42 ℃；長江南岸的九江市東部、環(huán)鄱陽湖地區(qū)以及贛南北部極端最高氣溫40 ℃～41 ℃；贛南南部以及局部山區(qū)38 ℃～40 ℃。以修水縣為全省最高，達(dá)44.9 ℃，尋烏最低38.3 ℃。

圖7給出了江西省87個觀測站自建站以來至2018年極端最高氣溫值的空間分布圖，由圖可知，除江西省南部山區(qū)和井岡山、廬山外，大部分地區(qū)共74站極端最高氣溫都達(dá)到或超過40 ℃，其中有37站達(dá)到或超過41 ℃，8站達(dá)到或超過42 ℃，最高為修水44.9 ℃，其次為玉山43.3 ℃。另由各站極端最高氣溫的出現(xiàn)時間可知，最早出現(xiàn)的年份是1953年，最晚是2013年，其中2003，2010，2013年出現(xiàn)站數(shù)較多，江西全省有38站極端最高氣溫都出現(xiàn)在異常高溫年份2003年，其中又有15站極端最高氣溫都集中出現(xiàn)在2003年8月2日這一天。由此可見，隨著全球氣候變暖，極端高溫事件也呈偏多偏強(qiáng)趨勢。

圖7 江西省各地建站以來至2018年極端最高氣溫分布圖Fig.7 Extreme high temperature weather happened since the establishment of stations to 2018 in Jiangxi province

4 結(jié)論

(1)江西省高溫日數(shù)的年際變化基本上都呈現(xiàn)出“多-少-多”的變化趨勢。20世紀(jì)60年代和2000年以來高溫日數(shù)較常年平均值偏多，20世紀(jì)70至90年代高溫日數(shù)偏少。其中2003年的40 ℃以上的高溫日數(shù)異常偏多，全省出現(xiàn)站次達(dá)299站次，2013年次之，為117站次。

(2)江西省高溫天氣主要出現(xiàn)在每年的6～9月份，4個月的高溫日數(shù)之和占全年的98.1%，其中又以7、8兩月最為集中，日最高氣溫≥40 ℃的站次主要集中在7月中旬至8月中旬前期。

(3)江西省盛夏高溫日的初始時間一般在每天的10～12時，結(jié)束時間在每天的19～21時，持續(xù)時間大約10 h左右，但是隨著高溫強(qiáng)度的不同，一天中高溫的起止時間、持續(xù)時間會有所不同，高溫強(qiáng)度越強(qiáng)，出現(xiàn)高溫的初始時間越早，結(jié)束時間越晚，持續(xù)時間越長。

(4)江西省高溫天氣的空間分布呈現(xiàn)明顯的地域性差異，高溫日數(shù)較多的地區(qū)主要分布在贛北的南部和東部、贛中和贛南的北部等地，而贛北的中北部、環(huán)鄱陽湖地區(qū)、贛南的南部以及山區(qū)高溫日數(shù)相對較少。

(5)江西省大部分地區(qū)的極端最高氣溫都超過40 ℃，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來出現(xiàn)40 ℃以上的站數(shù)較多，江西有38站極端最高氣溫都出現(xiàn)在異常高溫年份2003年。由此可見，隨著全球氣候變暖，極端高溫事件也呈偏多偏強(qiáng)趨勢。

總體來看，江西省自20世紀(jì)60年代以來，高溫天氣具有年際變化大、高溫持續(xù)時間長、高溫日集中、地域分布不均勻等特征，且隨著全球氣候變暖，極端高溫事件也呈偏多偏強(qiáng)趨勢。研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步認(rèn)識江西高溫的區(qū)域性特征。本文僅限于觀測事實分析，并未涉及高溫的區(qū)域性特征出現(xiàn)的機(jī)理研究。江西高溫區(qū)域性特征的演變機(jī)理及其可能產(chǎn)生的社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等影響，仍有待后續(xù)深入研究。