石家庄市高温热浪与“三大火炉”城市的对比研究

肖 嗣 荣,张 可 慧,刘 芳 圆,穆 仲 义

(河北省科学院地理科学研究所,河北石家庄 050011）

石家庄市高温热浪与“三大火炉”城市的对比研究

肖 嗣 荣,张 可 慧,刘 芳 圆,穆 仲 义

(河北省科学院地理科学研究所,河北石家庄 050011）

利用1956-2009年逐日气温资料,分析了石家庄和“三大火炉”城市的高温热浪气候特征与变化趋势。结果表明,石家庄比“三大火炉”城市极端气温高、强高温(日最高气温≥40℃）日数多,但闷热天气相对少,热浪持续时间短。在季节内分布上,石家庄高温热浪6月最多,而“三大火炉”城市集中在7-8月。从年高温日数和年极端最高温度变化趋势看,近54年来石家庄高温热浪发展态势比“三大火炉”城市更为严峻;近20年来4市高温热浪都呈显著增加趋势。石家庄和“三大火炉”城市的高温热浪特征差异主要是由于地理地形条件以及东亚季风系统的季节变化规律所致,而全球变暖和快速城市化加剧了高温热浪的程度。

高温热浪;石家庄;气候特征;变化趋势

近年来,以石家庄为代表的京津冀地区高温天气频繁出现,初夏期间往往成为我国高温中心。2010年入夏以来,石家庄高温热浪天气频繁,6月份出现了3次高温天气过程,其中6月21日最高气温达到40.5℃、28日为40.1℃。进入7月份气温进一步飙升,2-6日连续5 d出现了37℃以上的高温,分别达到 37℃、39.7℃、39.9℃、40.5℃和 41.8℃,其中7月6日是石家庄自1955年有气象记录以来同日最热的一天;7月24—31日河北又出现大范围高温闷热天气,29日石家庄最高气温达到38.2℃。避暑降温成为夏季人们日常生活中一项重要内容。一些媒体宣称石家庄已成为我国新的“火炉”。那么,石家庄与我国传统的“三大火炉”城市重庆、南京、武汉市相比,高温热浪灾害是否更为严重?本文从高温强度和发生频率进行对比分析。

1 资料、方法及高温热浪标准

本文所用地面气象资料为石家庄、南宫(隶属河北邢台）、南京和重庆沙坪坝观测站1956—2009年逐日实测值,这些资料由中国气象局国家气象信息中心提供。趋势分析的方法较多,本文参考文献[1],采用气候倾向率研究高温强度和高温日数的气候变化特征。

世界各国对高温热浪研究很多,但至今国际上对高温、闷热和热浪都没有统一的标准。本文高温热浪采用中国气象局规定的标准:日最高气温(Tmax）达到或超过35℃时称为高温,连续3 d及以上的高温天气过程为高温热浪。界定闷热天气有多种方法,参照文献[2]的方法,本文将日最高气温Tmax≥35℃并且最低气温Tmin≥25℃时定义为闷热型高温日。

2 石家庄与“三大火炉”城市高温热浪对比

2.1 高温强度的比较

2.1.1 历史极端最高气温比较 研究中常用极端最高气温表征某地的炎热程度。1956—2009年石家庄极端最高气温为42.9℃,重庆为43℃,南京和武汉分别为40.7℃和39.6℃。可见,石家庄极端最高气温比南京和武汉高得多,与重庆基本持平。

2.1.2 逐年极端最高气温比较 从各站年极端高温的时间变化曲线(图1）可见,石家庄大多数年份处在高值区。1956—2009年武汉和南京分别仅有9年(1959、1967、1971、1977、1983、1990、1991、1995 和2003年） 和 10 年 (1959、1966、1967、1971、1977、1978、1983、1995、2003 和 2004 年）极端最高气温高于石家庄,重庆的年份虽然多些,但石家庄年极端最高气温仍有30年高于重庆。1956—2009年石家庄年极端最高气温平均值为39.27℃,武汉为37℃,南京为37.25℃,重庆为39.14℃。可见石家庄的年极端最高气温平均值仍最高。

2.1.3 最长高温热浪的比较 石家庄热浪持续时间最长为15 d(表1）,而“三大火炉”城市持续时间最长达27～28 d。其次,石家庄持续时间长的高温热浪一般出现在初夏,并且极值温度高;而“三大火炉”城市长时间的高温热浪出现在盛夏,且极端最高温度往往没有石家庄高。

图1 四站年极端最高气温变化曲线Fig.1 The change of annual extrememaximum air temperature for Shijiazhuang,Nanjing,Wuhan and Chongqing

2.2 高温发生频数的比较

2.2.1 高温日数的比较 南宫站位于石家庄东南100 km,它能反映石家庄东南部平原的气候状况。本文统计分析了1956—2009年石家庄、南宫、武汉、南京和重庆高温(35℃以上）和强高温(40℃以上）日数(表2）。可见,石家庄和南宫的高温日数比南京多,但比重庆和武汉少;而“三大火炉”城市强高温日数比石家庄和南宫少得多,期间武汉未曾出现强高温天气。

表1 最长高温热浪的比较Table 1 Comparison of the longest high-temperature and heatwaves

表2 1956-2009年石家庄与“三大火炉”城市高温日数比较Table 2 The high temperature days comparison of Shijiazhuang and Nanjing,Wuhan,Chongqing during 1956-2009

2.2.2 闷热日数的比较 由表3可见,1956-2009年石家庄年均闷热高温日数为2.87 d,而“三大火炉”城市年均闷热高温日数为12～24 d,其中重庆高达24.31 d,可见,石家庄闷热程度比“三大火炉”城市差得多。

表3 1956-2009年石家庄与“三大火炉”城市的闷热高温日数比较Table 3 Themuggy weather high temperature days comparison of Shijiazhuang and Nan jing,Wuhan,Chongqing during 1956-2009

2.2.3 高温热浪频数的比较 石家庄出现高温热浪的频数比“三大火炉”城市要少(表4）,1956—2009年石家庄高温热浪年频数为1.59次,而重庆达到3.61次。同时,石家庄热浪持续时间相对较短,5 d以上热浪次数只占总热浪次数的17.6%,而重庆5 d以上热浪次数所占比例高达62%。

表4 1956-2009年热浪发生频数的气候平均值Table 4 The climatic average of high-temperature and heatwaves frequency during 1956-2009

2.3 高温热浪季节分布的差异

2.3.1 高温日数季节分布差异 本文统计分析了1956—2009年石家庄和“三大火炉”城市5-9月平均高温日数及高温起始和终止平均日期(表5）,发现石家庄与“三大火炉”城市高温出现的早晚有明显差别:石家庄自5月上旬高温逐渐增多,6月达到最大值,8月高温天气迅速减少;位于长江流域的“三大火炉”城市自6月高温天气逐渐增多,高峰期在7-8月,9月明显减少。

表5 1956-2009石家庄和“三大火炉”城市高温日数及其平均始终日期Table 5 The comparison of high temperature daysand itsaverage starting and ending date for Shijiazhuang and Nan jing,Wuhan,Chongqing during 1956-2009

2.3.2 强高温日数季节分布的差异 由表6可知,石家庄与“三大火炉”城市强高温日数季节分布差异更为显著,石家庄强高温主要出现在初夏6月,而8月和9月没有出现过;“三大火炉”城市强高温主要出现在盛夏8月,而5月和6月没有强高温天气。

2.3.3 高温闷热日数季节分布的差异 由表3可见,石家庄高温闷热天气主要出现在7月份,“三大火炉”城市闷热天气高发期是7-8月,而且重庆8月才达到高峰值。

表6 石家庄、南宫和“三大火炉”城市各月强高温总日数Table 6 Themonthly severe high temperature days of Shijiazhuang,Nangong,Nanjing,Wuhan and Chongqing

2.4 高温热浪变化趋势的比较

2.4.1 高温日数变化趋势的比较 由1956—2009年石家庄、武汉、南京、重庆年高温日数的年际变化曲线(图2）可知,石家庄年高温天气发生频数呈波浪式增加趋势,其气候倾向率为0.58 d/10 a。20世纪60年代夏季高温日数偏多(表7）,70年代中期至90年代初高温日数偏少,1997-2009年高温日数偏多,其年平均值达到27.6 d,比1956—2009年平均值高74.1%。南京和重庆高温日数却呈下降趋势,气候倾向率分别为-0.17 d/10 a和-0.69 d/10 a;武汉市高温日数呈增加趋势,气候倾向率为0.79 d/10 a,但90年代与南京、重庆同为高温日数负距平。

图2 石家庄与“三大火炉”城市年高温日数变化趋势Fig.2 The change of high temperature days of Shijiazhuang,Nanjing,Wuhan and Chongqing

表7 石家庄与“三大火炉”城市高温日数年代距平Table 7 The decade departure of high temperature days of Shijiazhuang,Nanjing,Wuhan and Chongqing

石家庄和重庆强高温日数年代际变化趋势大致相似,20世纪60和70年代强高温天气出现较多(表8）,80年代强高温较少,90年代以来强高温天气明显增多。石家庄市在2002年、2005年和2009年各出现3个强高温日,2010年6月21日至7月6日出现了4个强高温日。新世纪以来重庆强高温日数也很多,2006年出现了14 d强高温日;如果扣除这一特殊年份,重庆的增加趋势则不明显。武汉和南京没有趋势性变化。因此,总体上石家庄强高温日数增加趋势同样比“三大火炉”城市显著。2.4.2 年极端最高气温变化趋势比较 1956—2009年石家庄和“三大火炉”城市年极端最高气温气候倾向率为0.07～0.17℃/10 a(表9）,年极端最高气温的变化趋势都呈现增强的态势。各年代的变化特征大致相似,20世纪50年代年极端最高气温强度偏弱(南京偏强）,60年代石家庄和南京偏强,而重庆和武汉偏弱,70-80年代强度变弱,90年代起年极端最高气温又变强,新世纪以来升幅更为显著。

表8 石家庄与“三大火炉”城市各年代强高温日数Table 8 The severe high temperature days of Shijiazhuang,Nanjing,Wuhan and Chongqing in decades

表9 年极端最高气温气候倾向率及年代距平Table 9 The climatic trend rate and decade departure of annual extrememaximum air temperature

3 高温热浪特征异同的可能成因

3.1 地理地形的影响

宏观地理条件(所处经、纬度和宏观的气候背景条件等）以及地形条件是影响气温空间分布的重要因素,也是造成高温热浪分布区域差异的重要原因之一。石家庄所在纬度是38°02′N,属于温带半湿润半干旱大陆性季风气候;而南京、武汉和重庆所在纬度是29°～32°N,属于亚热带湿润季风气候区。很显然,“三大火炉”城市总体上比石家庄气温高、湿度大,这也是其高温日数、尤其是闷热日数比石家庄多得多的重要原因。

石家庄市西倚巍巍太行山中段,海拔在1 000 m左右,东部为滹沱河冲积平原,海拔在30～100 m,地形落差约1 000 m左右。一方面由于西部太行山对冷空气屏障作用,春季升温早而且快;另一方面当受大陆高空暖高压控制时,石家庄位于高压东缘,地面吹偏西风,气流越山后受地形强迫作用迅速下沉,造成空气绝热升温,湿度下降,天气晴朗,在太阳辐射增温和下沉气流增温共同作用下,近地面温度迅速升高,使得高温天气出现早。因此,太行山东麓特有的焚风效应加剧了石家庄高温出现的强度[3]。在盛夏当受西太平洋副热带高压暖气团控制时,石家庄地区处于地面高压后部,而高压后部的东南风将南方暖湿空气向沿山一带输送,并在山前积聚,使本地增湿,闷热程度加剧[4]。由此看出,石家庄的特殊地形对两类高温都有加强作用,使石家庄成为高温中心,容易出现极端高温天气。

“三大火炉”城市都位于长江沿岸,具有山多水多河谷平原(盆地）的复杂地貌地形特征。气温的区域分布受海拔引起的气温垂直差异的控制,在河谷平原(盆地）上往往形成高温中心。但与石家庄相比,武汉和南京的海拔落差小得多,其地貌的增温效应也弱得多。因此,南京和武汉的极端最高气温一般没有石家庄高。

3.2 东亚季风的影响

石家庄和“三大火炉”城市都处在东亚季风区内,受到东亚季风的强烈影响。每年4—5月,受副热带季风的影响长江沿岸进入雨季,但降水不大[5]。随着热带夏季风爆发后副热带高压季节性北进,东亚夏季风雨带在6月中旬移到江淮流域,这时江淮流域常会出现连阴雨,雨量很大,这种梅雨天气可持续到7月上中旬。因此,位于长江流域的“三大火炉”城市在这期间升温相对缓慢,很少出现高温天气。而石家庄所处的河北平原常受大陆性暖高压控制,天气晴朗干燥,升温迅速,往往出现晴热高温天气。东亚夏季风雨带在7月中下旬又一次北跳到华北地区,这时副高脊线在28～32°N,强度中心在长江口附近,且稳定少动,则长江中下游地区出现高温天气[6]。江淮流域梅雨和日本的梅雨先后结束,华北雨季开始,期间石家庄高温天气明显减少,8月中下旬中国北方地区夏季风开始撤退。这期间(7月中旬-8月）当副高西伸至100°E、脊线北抬至34°N附近且稳定少动时,则华北地区也会出现高温天气[6]。

通过以上分析可知,东亚夏季风系统的季节内阶段变化是造成石家庄与“三大火炉”城市高温热浪季节内分布差异的主要原因。

3.3 全球气候变暖的影响

IPCC第4次评估报告指出,全球平均表面温度在1906—2005年增加了(0.74±0.18）℃[7]。中国同期升温幅度约为(0.78±0.27）℃[8],比全球平均值略高。近50年(1954—2006年）中国气温增暖趋势为(0.26±0.032）℃/10 a,夏季为(0.16±0.037）℃/10 a;近 30年(1979—2006年）气温增暖趋势为(0.45±0.126）℃/10 a,夏季为(0.37±0.095）℃/10 a[9],可见近30年中国处于升温加速期。研究表明,各地气候对全球变暖的响应不同,其中东北和华北的增温幅度最大,而西南地区在变冷[10]。地处华北平原的石家庄1956—2009年平均气温增速为0.38℃/10 a,夏季为0.24℃/10 a,均大于同期全国升温幅度;近30年(1979—2009年）年气温和夏季气温增速分别达到0.65℃/10 a和0.46℃/10 a,明显高于全国平均水平(表10）

表10 石家庄和“三大火炉”城市两时段气温气候倾向率Table 10 The climatic trend rate of air temperature in two periods of Shijiazhuang,Nan jing,Wuhan and Chongqing

区域气候变暖与极端天气事件之间存在某种联系,如温度平均值的变化会直接影响极端高温事件出现的频率和强度[11]。石家庄夏季最高温度、年高温日数和年极端最高温度均呈增大趋势(表7-表9）。由此可见,在全球气候变暖的背景下石家庄夏季气温明显上升,使得夏季最高温度升高,从而高温热浪发生的频次增多、趋势变强、范围扩大、危害加重。近54年来“三大火炉”城市年气温和夏季气温的增速没有石家庄快,尤其夏季日最高气温同期呈现下降趋势(表10）。由此可见,“三大火炉”城市所在的长江流域对于全球变暖的响应没有石家庄显著。但近20年来“三大火炉”城市夏季气温和日最高气温也出现了显著的上升趋势。

3.4 城市化的影响

城市化对城市台站气温变化趋势的影响非常明显[12]。因此,城市化因素对城市高温热浪事件强度和频率变化也具有重要影响。石家庄、武汉、南京和重庆都是快速发展的大城市。例如,1964年石家庄市区人口不足44万人,2009年达到253万人,市区人口的快速增长导致城市建城区面积的扩大,致使热岛效应增强。1981—2003年石家庄年均热岛增温率为0.414℃/10 a,比1961—2003年增温率高[13]。武汉市近20年热岛增温速率也明显增大,1961—2000年和1981—2000年武汉年均温热岛增温速率分别为0.20℃/10 a和0.26℃/10 a;夏季热岛效应增温也相当显著,1961—2000年夏季最高气温热岛增温速率为零,而 1981—2000年升到 0.22℃/10 a[14]。由此可见,城市化造成的热岛效应加剧了高温热浪的程度。

4 结论

(1）1956—2009年,石家庄极端最高气温为42.9℃,比南京和武汉高得多,与重庆基本持平;大多数年份石家庄年极端最高气温高于“三大火炉”城市。石家庄高温(≥35℃）日数比南京多,但比重庆和武汉少,强高温(≥40℃）日数比“三大火炉”城市多,而闷热高温日数比“三大火炉“城市少得多,热浪持续时间也比“三大火炉”城市短。石家庄高温日数是6月最多,属于干热型高温,闷热型高温天气主要发生在7月;“三大火炉”城市的高温高发期是7月和8月。石家庄强高温主要出现在初夏6月,而重庆和南京主要出现在盛夏8月。

(2）石家庄和“三大火炉”城市的年极端最高气温都呈现升高趋势,其升速在0.07～0.17℃/10 a,各年代的变化特征也大致相似。石家庄年高温日数呈增加趋势,其气候倾向率为0.58 d/10 a,南京和重庆高温日数却呈减少趋势。因此,从年高温日数和年极端最高温度变化趋势看,近54年来石家庄高温热浪发展态势比“三大火炉”城市严重。

(3）在全球气候变暖和城市热岛效应的共同作用下,近20年来石家庄和“三大火炉”城市高温热浪都呈加重趋势。西太平洋副热带高压和大陆性暖高压是影响华北和长江流域高温热浪的两个主要天气系统,东亚夏季风系统的季节内阶段变化及宏观地理条件的差异是造成石家庄与“三大火炉”城市高温热浪特征差异的主要原因。另一方面,在特殊地形的增温效应以及对全球变暖的显著正响应的作用下,石家庄高温热浪发展态势更为严峻。

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Study of the High-Temperature and Heatwaves in Shijiazhuang Compared to the"Three-Furnace Cities"in China

XIAO Si-rong,ZHANG Ke-hui,L IU Fang-yuan,MU Zhong-yi
(HebeiInstituteofGeographicalSciences,HebeiAcademyofSciences,Shijiazhuang050011,China）

Based on the daily temperature data from 1956 to 2009,in this paper,the climate characteristics and trends of the high-temperature and heatwaves in Shijiazhuang as well as the"Three-Furnace cities"in China(i.e.,Chongqing,Wuhan and Nanjing）are analyzed.The results show that Shijiazhuang has a high value of extremely high temperature,and more days w ith severe high temperature(i.e.,greater than or equal to 40℃）,compared to the"Three-Furnace cities".On theother hand,there are fewer muggy days in Shijiazhuang,and its duration of heatwaves is sho rter.In terms of the distribution w ithin the season,the phenomenon of high-temperature heatwaves happensmost frequently in June in Shijiazhuang,w hile the phenomenon mostly happens in the period between July and August in the other three cities.In termsof the variation trend of number of days w ith high temperature and the extremely maxim um high temperature each year,the development of high-temperature heatwaves in Shijiazhuang ismore severe than the"Three-Furnace cities"during the past 54 years;all the four citiesw itness a significant increase of high heat in the past 20 years.The difference of the characteristics of high-temperature heatwaves between Shijiazhuang and the other three cities ismostly due to the geographical terrain and the seasonal variation of East Asian monsoon system.Moreover,the intensity of the high-temperature and heatwave is increased by the global warming and rapid urbanization.

high-temperature and heatwave;Shijiazhuang;climate characteristics;development trend

P461

A

1672-0504(2010）05-0087-06

2010-08- 01;

2010-08-31

河北省科学院科技计划项目(2010055508、09927、07108）;河北省科技厅计划项目(09276722）

肖嗣荣(1942-）,男,研究员,主要研究方向为气候与生态环境。E-mail:xiaosirong888@yahoo.com