芳草湖墾區高溫天氣氣候特征及等級指標

（五家渠市氣象局，新疆 五家渠 831300）

近幾年，極端高溫事件頻發，高溫強度和持續時間均突破歷史極值，而以往的研究關于高溫天氣和高溫天氣過程的等級劃分標準并不一致，張尚印[1]、辛渝[2]、劉寬曉[3]和王秀琴[4]選取高溫天氣和高溫天氣過程等級的指標就略有差別，而對于同一問題，指標不同，研究結果也會略有差別。

芳草湖墾區地處準噶爾盆地南緣，隸屬于兵團第六師，原來是昌吉州呼圖壁縣的一部分，光熱資源豐富，是兵團最大的農業團場，近幾年高溫天氣日數增多，強度強、持續時間長，給當地的農業生產造成了一定的不利影響，為更好地做好高溫天氣服務，對高溫天氣的強度和高溫天氣過程等級的劃分需要采取統一的標準就顯得非常必要。

中國氣象局2014年發布了氣象行業標準 《區域性高溫天氣過程等級劃分》，規定了確定高溫天氣過程等級的方法，且該標準自發布以來，在新疆范圍內還未見應用，因此本文也是對該行業標準的一次嘗試使用。

1 資料來源與研究方法

氣象資料來源于芳草湖農場氣象站1981—2017年的逐日極端最高氣溫，統計方法采用氣候傾向率、M-K趨勢檢驗法、累積距平和M-K突變檢測法，利用SPSS17.0和WPS表格軟件實現。

根據《區域性高溫天氣過程等級劃分》的規定[5]，高溫天氣是指日最高氣溫≥35℃的天氣，高溫天氣過程是指出現連續2 d或以上的高溫天氣；高溫分為3 級，即（35 ℃，37 ℃）、（37 ℃，40 ℃）和（40 ℃，+∞）3個溫度區間。高溫天氣過程等級的確定：

首先確定單站的高溫天氣綜合強度指標SI：

式中，Ij為單站高溫強度，即日最高氣溫的分級， 取值分別為 1、2、3， 對應 （35℃，37℃）、（37℃，40℃）和（40℃，+∞）3個溫度區間。Tj為與Ij相應的高溫日數。

統計所有高溫天氣過程的SI值，并統計每個SI值所出現的頻次，然后對SI作升序排列，采用百分位數法將SI進行劃分，確定每個等級的SI的取值區間，然后確定出高溫天氣綜合強度等級值Gk，見表1。

表1 區域內單站高溫天氣綜合強度等級值判別

最后根據區域性高溫天氣過程等級指標（RI）進行劃分，劃分方法見表2。

式中，Gk為區域內單站高溫天氣綜合強度等級值，WK為區域內對應的站點數占總站點數的比例，本文取WK＝ 0.5。

表2 區域性高溫天氣過程等級劃分方法

2 結果與分析

2.1 高溫天氣日數變化

對1981—2017年高溫總日數的統計分析結果表明，37年間≥35℃高溫日數共出現1048 d，占1981—2017年總高溫日數的7.8%，年平均高溫日28.3 d。其中：高溫日在（35℃，37℃）的區間出現了636 d，占總高溫日數60.7%；高溫日在（37℃，40℃）的區間出現了360 d，占總高溫日數34.4%；≥40℃高溫日52 d，占總高溫日數5.0%。

從1981—2017年高溫日數年際變化曲線（見圖1）可以看出，年高溫總日數以5.2 d/10 a極顯著水平增加，37年間增加了19.1 d。極小值11 d，出現在1993年；極大值51 d，出現在2017年。高溫總日數20世紀80年代偏少，變化幅度也小，進入20世紀90年代變化幅度明顯變大，20世紀90年代中后期開始呈明顯增多趨勢，M-K檢驗（見圖2）和累積距平曲線（見圖3）結果表明，從1996年開始≥35℃高溫總日數發生突變性增多。

圖1 1981—2017年高溫總日數年際變化

圖2 1981—2017年高溫總日數M-K突變檢驗

圖3 1981—2017年高溫總日數累積距平曲線

從高溫總日數的月變化上可以看出，夏季（6～8月）是高溫天氣的多發時段，37年間6～8月高溫日數963 d，占高溫總日數的91.9%；夏季高溫日數以4.2 d/10 a的極顯著水平增加，其中6、7、8月各月分別以1.6 d/10 a、1.7 d/10 a和0.9 d/10 a的顯著水平增加（圖略）。

2.2 高溫天氣過程變化

分析高溫天氣過程，首先要確定高溫天氣過程的等級。對1981—2010年30年高溫天氣過程利用公式（1）進行統計計算，得到所有高溫天氣綜合強度指標SI值，從圖4可以看出，SI值最小值是2，最大值18，呈現右偏分布。

圖4 1981—2010年30年高溫天氣綜合強度指標SI值出現頻率及正態曲線分布

采用百分位數法將SI值進行劃分后，根據表1給出的每個等級SI值的取值區間，得到高溫天氣綜合強度等級值Gk；然后根據公式（2）得到高溫天氣過程等級指標RI，最后根據表2確定高溫天氣過程的等級。

利用上述分析方法，得到1981—2010年30年高溫天氣綜合強度指標及對應的高溫天氣過程等級，其結果如下：高溫天氣綜合強度指標SI對應的百分位數達95%以上的指標值是13，對應的高溫天氣過程等級是特強；SI值對應的百分位數達 （85%，95%）的指標值是8，對應的高溫天氣過程等級是強；SI值對應的百分位數達（60%，85%）的指標值是5，對應的高溫天氣過程等級是中等；SI值對應的百分位數在60%以下的指標值＜5，高溫天氣過程等級是弱。

根據上述指標值，統計1981—2017年37年高溫天氣過程共有249個，年平均高溫過程約7個。其中：弱過程128個，占比51.4%；中等過程67個，占比26.9%；強過程39個，特強過程15個，強及以上占比21.7%。

從1981—2017年逐年弱高溫過程變化情況（圖略）可以看出，年弱高溫過程以0.6個/10 a極顯著水平增加，37年間增加了2.4個。中等高溫過程以0.2個/10 a增加，37年間增加了0.6個 （未通過顯著性檢驗）。強及以上高溫過程以0.4個/10 a顯著性增加，37年間增加了1.4個。

從各年代際的統計來看，弱高溫過程20世紀80年代是25個，20世紀90年代是31個，2000年代是39個，呈逐年代際增加趨勢；強及以上高溫過程20世紀80年代是8個，20世紀90年代是13個，2000年代是20個，也是呈逐年代際增加趨勢。

上述分析表明，弱高溫過程和強及以上高溫過程無論是逐年變化還是逐年代際變化均表現為增加趨勢。

3 2015—2017年的高溫天氣特征

2015年、2016年和2017年芳草湖墾區的高溫天氣日數較該墾區30年平均值均偏多，本文利用上述指標值，對這3年的高溫天氣進行應用，分析這3年高溫天氣的不同特點。

2015年高溫天氣日數共45 d，位居1981年以來的第二位，其中夏季（6～8月）高溫日數43 d，也是排名第二。高溫天氣過程9個，其中弱過程4個，中等過程3個，特強過程2個。特強過程一個是在7月14～28日出現的連續15 d的高溫天氣過程，SI值達到37，超過特強指標值24；第二個出現在8月2～8日，SI值達到17，超過特強指標值4，且2個特強過程間隔時間只有4 d。高溫天氣的特征表現為日數特多，過程多，特強過程特多、強度特強，且出現時間集中。

2016年高溫天氣日數共39 d，其中夏季（6～8月）高溫日數37 d。高溫過程9個，其中弱過程5個，中等過程3個，特強過程1個。特強過程出現在6月7～16日，SI值20，超過特強指標值7。高溫天氣的特征表現為日數多，過程多。

2017年高溫天氣日數共51 d，位居1981年以來的第一位，其中夏季（6～8月）高溫日數44 d，也是排名第一。高溫過程7個，其中弱過程1個，中等過程2個，強過程1個，特強過程3個。特強過程一個出現在6月14～22日，SI值15，超過特強指標值 2；第二個出現在 7月 5～14日，SI值 23，超過特強指標值10；第三個出現在7月25日至8月2日，SI值19，超過特強指標值6。3個特強過程時間間隔分別是12 d和10 d。高溫天氣的特征表現為日數特多，特強過程特多、強度較強，但出現時間相對分散。

通過上述分析可以看出，2015年和2017年高溫日數和特強高溫過程均較多，但特強高溫過程的SI值大小差別很大，2015年出現的高溫天氣，其高溫天氣綜合強度SI值達到37，是37年間的最大值，達到標準差的11.2倍，是一次極度異常的高溫過程。

4 結論

（1）芳草湖墾區1981—2017年年平均高溫日28.3 d，高溫總日數以5.2 d/10 a極顯著水平增加，37年間增加了19.1 d；高溫總日數20世紀80年代偏少，20世紀90年代中后期開始呈明顯增多趨勢，1996年開始發生突變性增多；夏季是高溫天氣的多發時段，占高溫總日數的91.9%，并以4.2 d/10 a的極顯著水平增加，其中6、7、8月分別以1.6 d/10 a、1.7 d/10 a和 0.9 d/10 a的顯著水平增加。（2）對1981—2017年37年的高溫天氣過程進行統計，結果表明，高溫天氣過程約7個/a，年弱高溫過程以0.6個/10 a極顯著水平增加，強及特強高溫過程以0.4個/10 a顯著性增加，弱高溫過程、強及特強高溫過程逐年代際為增加趨勢。（3）對2015—2017年這3年的高溫天氣過程的分析結果表明：2015年和2017年的高溫天氣日數均為特多，分別位居37年來的第二位和第一位；高溫天氣綜合強度指標SI值都出現了大于1981—2010年30年氣候統計的最大值（18）的情況，其中2015年7月出現的特強高溫天氣過程，其SI值達到37，為異常極端值。