吉林省延邊地區(qū)夏季極端高溫特征及其與大氣環(huán)流關(guān)系

徐昌龍 張瑩瑩 崔日權(quán) 崔春杰

（1延邊州氣象局，吉林延吉 133000；2延吉市氣象局，吉林延吉 133000）

近年來全球氣候變暖趨勢加強(qiáng)，大量研究表明，在全球氣候變暖情況下，極端天氣氣候事件所造成的經(jīng)濟(jì)損失以及給社會帶來的影響非常巨大，因此，在對平均氣溫研究的同時，極端氣溫的研究尤為重要[1]。一些早期研究認(rèn)為東北地區(qū)夏季氣溫明顯升高，其異常特征為太平洋海溫，與副熱帶高壓、極渦等有一定聯(lián)系。上述研究普遍基于年、季平均氣溫，而針對夏季極端最高氣溫研究較少。為此，本研究利用1960—2021年地面觀測記錄數(shù)據(jù)，對吉林省東部延邊地區(qū)夏季極端高溫變化特征進(jìn)行分析，找出極端高溫事件與大氣環(huán)流場異常之間內(nèi)在物理聯(lián)系，以期為吉林省延邊地區(qū)夏季極端高溫預(yù)測提供一些理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究采用吉林省延邊地區(qū)8個縣（市）地面觀測站1960—2021 年逐日最高氣溫記錄（圖們站1976—2021年）。中國氣象局氣候中心提供1960—2021年氣候系統(tǒng)監(jiān)測指數(shù)，1979—2021年源自歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）逐月、日再分析資料，其中包括500 hPa高度場、海平面氣壓場，空間分辨率為0.25°×0.25°。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率。設(shè)某站某氣象要素時間序列為y1、y2、…yi、…yn，可以用1個多項式來表示：

式中，t為時間，單位為a。一般來講，溫度和降水的氣候趨勢用一次直線方程和二次曲線方程就能滿足。這里用一次直線方程來定量描述，即y(t)=a0+a1t，則趨勢變化率方程為dy(t)/dt=a1，把a(bǔ)1×10 稱作氣候傾向率，單位為℃/10 a或mm/10 a，方程中的系數(shù)可用最小二乘法或經(jīng)驗正交多項式來確定。

1.2.2 小波分析。小波分析通過伸縮、平移運(yùn)算對信號(函數(shù))逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時間細(xì)分、低頻處頻率細(xì)分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，解決了Fourier變換的問題[2]。

1.2.3 高溫事件定義。極端高溫在數(shù)學(xué)上定義為超過某個閾值指標(biāo)的事件，如果使用累積分布函數(shù)表示日最高溫度，一般認(rèn)為其閾值是小于第10（或大于第90）百分位數(shù)[3]。然而國際上對于高溫?zé)崂颂鞖獾难芯繘]有統(tǒng)一方法。吉林省通常以32 ℃作為高溫預(yù)警的界限溫度，所以該研究將某站日極端高溫>32 ℃作為該站的高溫日。每年出現(xiàn)極端高溫日數(shù)定義為當(dāng)年極端高溫日數(shù)，全地區(qū)平均極端高溫日數(shù)定義為8個縣（市）地面觀測站極端高溫頻數(shù)的平均值。

2 極端高溫變化特征分析

2.1 時空分布特征

延邊地區(qū)歷年極端最高氣溫出現(xiàn)在2018年8月4日龍井市，為38.6 ℃。按照>32 ℃極端高溫的標(biāo)準(zhǔn)，每年極端高溫出現(xiàn)在4—9月，集中在夏季（6—8月），1960—2021年全地區(qū)7月平均共出現(xiàn)156.1次，占4—9月總數(shù)的46.3%，為最多，其中龍井市最多，為237次，敦化市最少，為46次（圖1）；其次，8月共出現(xiàn)94.6次，占總數(shù)的26.9%，其中龍井市最多，為125次、敦化市最少，為20次；最后，6月共出現(xiàn)65.6次，占總數(shù)的19.8%，其中龍井市最多，為108次，敦化市最少，為20次，處于西部山區(qū)海拔高的敦化市極端高溫明顯少于其他縣市。

圖1 延邊地區(qū)歷年7月份極端高溫日數(shù)

從延邊地區(qū)平均極端高溫日數(shù)年際變化分析得出，全地區(qū)年平均極端高溫日數(shù)為5.8 d，其中龍井市和延吉市最多，均為8.4 d，敦化市最少，為1.4 d。其中1978、1997、2018 年極端高溫日數(shù)明顯多于其他年份，近62 年極端高溫日數(shù)整體呈波動增多趨勢，氣候傾向率為0.07/a和1.07/10a。

2.2 周期分析

對延邊地區(qū)平均極端高溫日數(shù)時間序列進(jìn)行小波分析，找出變化規(guī)律。從圖2看出，極端高溫日數(shù)存在2～3、9～10、19～20年明顯振蕩周期，其中9～10和19～20年周期貫穿整個分析時段，且這2個周期振蕩在2000年后有增強(qiáng)趨勢，而2～3年周期近10年相對較弱。在準(zhǔn)10年時間尺度上，延邊地區(qū)62年來極端高溫日數(shù)經(jīng)歷了12個交替過程，其中有6個偏多期和6個偏少期；準(zhǔn)20年時間尺度上，經(jīng)歷6個交替過程，其中有3個偏多期和3個偏少期；在20世紀(jì)70年代后期、90年代后期極端高溫日數(shù)增加，而60年代后期、80年代后期減少。從小波方差圖可看出準(zhǔn)20年周期振蕩最明顯。

圖2 延邊地區(qū)平均極端高溫日數(shù)小波系數(shù)（a）和方差（b）

3 夏季極端高溫與大氣環(huán)流關(guān)系

3.1 500 hPa高度場

圖3給出延邊地區(qū)極端高溫日數(shù)與500 hPa高度場相關(guān)性分布，其中陰影區(qū)通過0.05顯著性檢驗。從圖3可看出，延邊地區(qū)極端高溫日數(shù)與上空500 hPa高度場呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，說明正相關(guān)位勢高度維持晴朗天氣，有利于太陽輻射到達(dá)地面，易形成高溫。從正相關(guān)區(qū)域位置看，包括東北區(qū)域、夏威夷群島及加利福尼亞半島，正是夏季太平洋副高控制區(qū)，可知延邊地區(qū)夏季極端高溫日數(shù)增多是太平洋副高位置和強(qiáng)度異常所致。對比夏季平均高度場和各月高度場，該地區(qū)上空500 hPa高度場是延邊地區(qū)高溫日數(shù)主要正相關(guān)區(qū)，其中7 月相關(guān)性最明顯，6 月相關(guān)性也不差，為夏季極端高溫預(yù)測提供參考信息。與歐亞大陸北部新地島附近上空500 hPa 高度場呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中6月高度場負(fù)相關(guān)最明顯，表明當(dāng)歐亞大陸北部上空形成高空槽阻擋冷空氣下滑，利于延邊地區(qū)出現(xiàn)極端高溫。

圖3 延邊地區(qū)極端高溫日數(shù)與6—8月平均（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）500 hPa高度場相關(guān)分布

3.2 海平面氣壓場

圖4給出了延邊地區(qū)極端高溫日數(shù)與海平面氣壓場相關(guān)性分布，其中陰影區(qū)通過0.05顯著性檢驗。從圖4 可看出，一是與夏季海平面平均氣壓場呈現(xiàn)顯著正相關(guān)區(qū)域面積較小，與7 月氣壓場相關(guān)也類似，可知正相關(guān)區(qū)域主要與夏季副高控制和維持有關(guān)，另外與6 月海平面氣壓場的孟加拉灣—南海—印尼區(qū)域正相關(guān)性較好，面積較大，提供一些預(yù)測極端高溫依據(jù)。二是與歐亞大陸北部氣壓場呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，區(qū)域面積大，其中6月和7月較為明顯，位置上7月相關(guān)區(qū)域偏東一些。說明歐亞大陸北部形成低壓，阻擋冷空氣下滑，利于延邊地區(qū)出現(xiàn)極端高溫。

圖4 延邊地區(qū)極端高溫日數(shù)與6—8月平均（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）海平面氣壓場相關(guān)分布

3.3 北半球極渦面積指數(shù)

對中國氣象局氣候中心提供的88 項大氣環(huán)流指數(shù)進(jìn)行分析，找出它們與延邊地區(qū)極端高溫事件關(guān)系[4-5]，結(jié)果表明，其中北半球極渦面積指數(shù)和東亞槽強(qiáng)度指數(shù)與延邊地區(qū)極端高溫頻數(shù)相關(guān)性較好，該研究就北半球極渦面積指數(shù)進(jìn)行討論。北半球500 hPa 高度場，0°～360°區(qū)域內(nèi)，極渦南界特征等高線以北所包圍的面積為北半球極渦面積指數(shù)。經(jīng)分析，延邊地區(qū)6、7、8 月的極端高溫事件與北半球極渦面積指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.319、-0.284、-0.304，均通過0.05 顯著性檢驗，說明極渦面積小，影響延邊地區(qū)冷空氣較弱，有利于極端高溫出現(xiàn)。

4 個例分析

2018 年7 月中下旬到8 月初延邊地區(qū)出現(xiàn)罕見極端高溫天氣，時間和范圍突破建站以來歷史記錄，全地區(qū)年平均極端高溫日數(shù)為19.8 d，龍井市出現(xiàn)最多，為25 d，敦化最少，為9 d。

4.1 500 hPa高度場

從2018年6—8月平均和各月500 hPa位勢高度場和距平分布（圖5）可以看出，夏季平均場上，整個歐亞大陸由平直西風(fēng)氣流控制，延邊地區(qū)上空是明顯的正距平；6月維持著“一槽一脊”型，延邊地區(qū)處于高空槽底部，但也是正距平；7 月維持著“一槽兩脊”型，延邊地區(qū)受高壓脊控制，位勢高度正異常最明顯；8月整體由西風(fēng)氣流控制，延邊地區(qū)受弱高壓脊控制，西部是正距平。表明夏季特別是7—8月延邊地區(qū)上空均有位勢高度正異常，副高的穩(wěn)定控制和其西南部暖平流不斷被輸送，是極端高溫日數(shù)偏多的直接原因。

圖5 2018年6—8月平均（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）500 hPa高度場和距平

4.2 海平面氣壓場

從2018 年6—8 月平均和各月海平面氣壓場和距平分布（圖6）可以看出，夏季平均氣壓場，延邊地區(qū)處于高壓西北邊緣，有弱的正距平；6月處于低壓前部，有弱的負(fù)距平；7月和8月由高壓控制，為正距平，其中7月最明顯。

5 結(jié)論

延邊地區(qū)平均極端高溫日數(shù)呈增多趨勢，其趨勢系數(shù)為1.07/10 a，存在著2～3、9～10、19～20 a 明顯振蕩周期，其中準(zhǔn)20年周期振蕩最為明顯，經(jīng)歷3個偏多期和3個偏少期的交替過程，在20世紀(jì)70年代后期、90 年代后期極端高溫日頻數(shù)增加，而20 世紀(jì)60年代、1980年代后期減少。

延邊地區(qū)極端高溫日數(shù)與其上空500 hPa 位勢高度場呈顯著正相關(guān)，表明延邊地區(qū)夏季極端高溫日數(shù)偏多，是太平洋副高位置和強(qiáng)度正異常導(dǎo)致的。500 hPa高度場是延邊地區(qū)高溫日數(shù)主要正相關(guān)區(qū)，其中7 月相關(guān)性最明顯，6 月相關(guān)性也不差，為預(yù)測夏季極端高溫提供參考信息。延邊地區(qū)極端高溫日數(shù)與歐亞大陸北部新地島附近上空500 hPa 位勢高度場呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中6月高度場負(fù)相關(guān)最明顯，說明當(dāng)歐亞大陸北部上空形成高空槽阻擋冷空氣下滑，利于延邊地區(qū)出現(xiàn)極端高溫。

延邊地區(qū)極端高溫事件與夏季海平面平均氣壓場，呈現(xiàn)顯著正相關(guān)區(qū)域面積較小，與7月氣壓場相關(guān)也類似，可知正相關(guān)區(qū)域主要與夏季副高控制與維持有關(guān)，另外與6 月海平面氣壓場的孟加拉灣—南海—印尼區(qū)域正相關(guān)性較好，面積較大，提供預(yù)測極端高溫依據(jù)。延邊地區(qū)極端高溫事件與歐亞大陸北部氣壓場呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，區(qū)域面積大，其中6、7月較明顯，位置上7 月相關(guān)區(qū)域偏東一些。說明歐亞大陸北部形成低壓阻擋冷空氣下滑，有利于延邊地區(qū)出現(xiàn)極端高溫。

延邊地區(qū)極端高溫事件與北半球極渦面積指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，其中6、7、8月相關(guān)系數(shù)分別為-0.319、-0.284、-0.304，均通過0.05 顯著性檢驗，表明極渦面積小，影響延邊地區(qū)冷空氣較弱，有利于極端高溫出現(xiàn)。