广西贵港地区极端高温日的时间变化特征及其环流背景

何林宴，简茂球

(1.中山大学大气科学学院/季风与环境研究中心/广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室，广东广州510275；2.贵港市气象局，广西贵港537100)

1 引 言

极端高温天气是指最高气温达到或超过一定阈值的天气事件，而不同的国家和地区定义的阈值是不同的。它们的共同点是对世界各地的经济和社会构成极大危害，如持续高温天气会引发干旱、缺水，还会直接威胁到人体健康和生命安全等等。如2003年夏季，席卷西欧的高温热浪灾害曾夺走了5万人的生命，仅农业损失就超过100亿美元，成为该年世界上损失最严重的天气灾害之一[1]。2013年夏季，中国江淮、江南、重庆也遭遇罕见的极端高温事件，湖南、浙江等地出现日最高气温超过35℃的天数达到了30天，甚至有些地区局地日最高气温超过了40℃[2]。在欧洲、北美等地区的许多国家，高温热浪已成为致人死亡最多的自然灾害之一[3]。近几十年来，随着社会经济的发展，城镇化的速度加快，我国的极端高温事件有不同程度的增加[4]，频繁发生的极端高温事件，对社会经济发展和人民生产生活造成了严重的影响。因此，极端高温事件作为一种常见的气象灾害，已引起学者们越来越多的重视和关注，对其变化特征、规律及成因的探讨和研究具有重要的科学和社会意义。

由于极端高温事件已经成为对人类社会有较严重影响的天气气候事件，国内外已经对极端高温事件的时间变化及其机理开展了许多研究。例如，Karl等[5-6]分析了不同时间尺度，不同区域的极端气温和温度的变率，研究发现极端气温变化与地域、人口等的相关性存在显著的区域性差异。Easterling等[7]认为日最高气温的变化导致了平均温度的上升趋势，造成气温日较差减小。Alexander等[8]指出在全球变暖的背景下，极端高温天气事件如高温日、暖夜和热浪等在全球范围都变得愈加频繁。

针对我国极端高温事件的许多相关研究[9-18]表明，总体而言，中国大部分地区的极端高温天气事件呈增加趋势，但具体的增加趋势因研究时段及区域的不同而存在差异。例如，在1958—1983年，华中、华北及长江中下游地区的高温事件具有明显的下降趋势；而在1984—2008年，高温事件几乎在全国范围都具有增加的趋势，在我国南方及西北地区尤其突出[12]。此外，还有研究[19-20]表明，海拔高度较高的区域的近地表最高温度的增温趋势较海拔低的区域大。

在影响高温事件的因子方面，多数研究认为影响我国夏季高温天气的系统有西太平洋副热带高压以及台风活动等。张尚印等[21-23]指出东亚副高和大陆变性高压偏强是造成我国东部地区城市高温过程偏多的主要原因。卫捷等[24]的研究表明西太平洋副热带高压东西位置异常与华北夏季酷暑存在密切联系。而个例分析也表明，我国南方的高温天气与西太副高的偏西、强度增强及热带气旋外围的下沉运动有关[25-26]。而孙建奇等[16]则认为，对于我国南北方而言，极端高温事件的影响因子是有差别的，对流层中高层的位势高度异常是造成我国北方地区极端高温事件的主要影响因子，而对于我国中部和南部，极端高温事件则是由对流层中高层的位势高度异常和低层冷暖平流输送的共同作用造成。除此之外，近年来持续不断的城市化进程造成的热岛效应，改变了城市及周边区域的气候，也是诱发极端高温事件的主要因子[27-30]。

研究还表明，不同地区的高温天气还可由不同的环流异常造成[31-32]，这反映出高温天气的局地性和多样性。最近，在气候特征分析方面，Lu等[33]回顾了中国夏季高温的近期进展，发现极端高温(最高气温≥35℃)和“热带夜”(最低气温≥25℃)在对流层的上层和底层存在不同的气旋性环流和水汽通量异常。Chen等[34-35]通过研究揭示我国东部极端高温的天气异常可分为典型、季风型、焚风型三类。这三种类型的极端高温充分表明了我国东部地区高温异常的复杂性。

我国的极端高温天气主要发生在东部地区。图1为我国东部地区最高气温≥35℃的高温日数气候平均分布图，高温日数的空间分布表现出明显的地域差异，主要极大值中心位于江西、湖南东部、湖北东部及重庆西部。华南中部也出现了一条自广西中部至广东中部的东西向带状极大值区，年高温日数在5～15天之间，地域性明显。正如前面提到的，高温事件时空演变的地域性强，引起不同地区的高温天气的环流异常的空间差异性也较大。由于广西东南部属于广西乃至华南地区高温频次较高的地域之一，且目前对其高温事件(包括不同持续时间的高温事件)的时间变化、高温天气形成的环流背景以及热力成因的研究都还较少，因此，本论文的目的是以广西东南部的贵港地区为例，对上述问题进行研究，这将有助于我们更深入理解该地区极端高温的时空变化特征、环流背景及其机理，为气候评估、预测及防灾减灾提供有益的参考信息。

2 资料与方法

本文采用的资料包括：(1)广西贵港地区三个国家观测站(贵港、桂平、平南)1961—2010年的常规气象观测资料，包括逐日最高气温、平均气温等气象资料。(2)欧洲中期天气预报中心(ECMWF)1979—2010年ERA-interim逐日再分析资料。包括500 hPa位势高度和垂直速度，850 hPa风场和气温，空间分辨率为1.5°×1.5°。

根据中央气象台的规定，单站日最高气温≥35℃定义为高温天气，高温天气连续出现3 d以上为持续性高温天气。在分析贵港地区的极端高温事件时，当某日贵港地区三个国家观测站中有两个观测站日最高气温≥35℃时，则将该日定义为贵港地区的高温日。

3 高温日数的时间变化

3.1 高温日数季节演变特征

首先分析贵港地区高温日数的季节演变特征。从统计结果看，贵港地区在 1、2、3、11、12 月没有高温日出现。图2给出了1961—2010年平均4—10月贵港地区逐月高温日数及其标准差的分布。平均而言，7—8月是贵港高温日频发的月份，每月约出现6～7天，且7月比8月略多，但8月的标准差比7月的大，说明8月的高温日数逐年变化较7月的大，6月的高温日比9月略多，但是9月的高温日标准差比6月大。

图3 a给出了贵港地区不同持续时间的高温事件频数分布，其中1～2天的高温事件在全年中出现的频次最多，连续8天以上的高温过程出现的频次极少。从不同的高温事件的高温日数占总高温日数的比例看(图3b)，以持续2天的高温天气占比最大，占高温总日数的22%，持续1～3天的高温日数比重占高温总日数的53.5%，持续4～7天的各高温天气过程的高温日数所占比重相差不大，为7%～10%，连续8天以上的高温总日数相对出现较少。虽然持续4天以上的各类高温天气出现的频率远不如短时间的高温天气，但它们的日数总和也能占总高温日数的46.5%，而且持续时间较长的高温天气过程对社会和生态造成的危害更大。

3.2 高温日数的长期变化特征

贵港4—10月年平均日最高气温距平在1960年代呈下降趋势，而在1970年代以后呈波动式上升趋势(图4a)。从年代际以上尺度看，贵港年高温日数的变化趋势大致与年平均日最高气温的相似(图4b)，1960年代初期—1970年代中期有缓慢下降趋势，1970年代中期—1990年代初期呈现上升趋势，并且在1990年有一个峰值，1990年代初期—1990年中期呈明显下降趋势，1990年代中期—2010年则呈现明显上升趋势。

计算贵港地区6—9月各月高温日数的交叉相关系数可知，8月和9月的高温日数逐年变化的相关系数达0.42，6月和9月的高温日数逐年变化的相关系数为0.31，说明上述月份的高温日数之间存在显著(通过0.05的显著性水平检验)的同步变化性。换言之，9月的高温日可以参考6月和8月的高温日做潜在的短期气候预测。

6—9月各月高温日数的逐年变化如图5所示，高温日数的时间变化具有以下主要特征：(1)6月、7月高温日数的年代际变化较明显，但它们的年代际变化的位相并不同步。6月的高温日数在1961—1977年逐渐减少，1977—1995年先增多后减少，在1988年前后出现一个峰值区，1995年后又出现缓慢的上升趋势。7月的高温日数趋势变化与6月相似，但是峰值区出现在1982—1986年，1994年后又出现缓慢上升的趋势。(2)8月、9月在1980年代末以后高温日数明显偏多，尤其是8月。1961—1988年8月贵港地区平均高温日数为4.80天，9月为1.44天，而1989—2010年8月和9月的平均高温日数明显增多，分别为10.45天和3.35天，后一时段8—9月贵港地区的高温日数比前一时段增加了一倍多。

4 持续性高温天气过程的环流演变特征及机理

4.1 持续3天的高温过程的环流演变特征及机理

根据统计结果，持续3天的高温过程在1961—2010年贵港地区6—9月分别出现了3次、17次、22次和1次过程。根据ECMWF ERA-Interim再分析资料的时间范围(1979—2010年)，我们分别选取6—9月的3次、8次、6次和1次持续3天的高温天气过程进行合成分析。温度合成曲线如图6所示，定义高温天气过程第一日为第0天，依此类推。6月、7月和9月的合成结果表明气温缓慢升高直到达到高温，6—9月在连续3天高温日后都有明显降温趋势，最高气温一般在高温日后2～3天降到相对最低值，其中8月的高温日后几天的降温幅度不明显，而9月气温突降最明显。

以7月为例分析持续性高温天气的环流特征。7月持续3天高温过程环流演变如图7所示。在高温前2天(图7a1、7a2)，我国南方受副热带高压控制，为大范围的下沉运动区，菲律宾东北面有弱气旋式环流(低压扰动)发展。850 hPa层的风温场显示，我国南方地区为大范围暖区，广西东南部贵港地区受副高西侧较强西南气流影响，中南半岛东北部上空的风温场配置使得广西上空存在暖的温度水平平流。我国南方的晴天少云天气也使得地表温度显著升高(图8a)，从而使地表向上长波辐射以及地表感热通量增强(图9a)。这些环流特征都是有利于贵港气温升高的。

在高温过程第1天(图7b1、7b2)，副热带高压仍然控制我国南方，华南南部及沿海地区的下沉运动增强，菲律宾海的低压系统加强，位置少变，伴随的上升运动也加强。850 hPa风场上贵港地区继续受副高西侧较强的西南气流影响，我国南方地区暖区范围加大，强度加强(图7b2)，以南海北部为中心存在大范围的气旋式变化趋势。类似地，我国南方的晴天少云天气也使得地表温度显著升高(图8b)，从而使得地表向上长波辐射以及地表感热通量增强(图9b)。这些环流特征也都是有利于贵港气温升高的。

到高温过程第3天(图7c1、7c2)，随着中纬度长波槽东移至105°E附近和菲律宾东面的热带气旋系统向西北方向移至台湾附近，台湾岛上空有较强垂直上升运动中心，副热带高压撤出我国南方退至西北太平洋上空，由于热带低压的移动路径偏东，华南沿海-南海北部还是存在明显的下沉运动。850 hPa层西南暖区范围不变，虽然江南地区气温略有降低，但华南-南海北部气温维持不变，贵港地区仍然受偏西南气流影响 (图7c2)，尽管地表感热通量有所减弱(图9c)。

在高温天气过程结束后的2天 (图7d1、7d2)，副热带高压再次加强西伸控制我国东部沿海地区，并随着中纬度槽的加深南伸，使得华南地区的上升运动加强，一方面使得下沉增温过程减弱，另一方面多云天气使得近地表气温明显下降(图8d)，从而使得地表向外长波辐射和地表感热通量都明显减弱(图9d)。850 hPa层我国南方地区的暖区范围减小，温度降低(图7d2)。上述过程都是不利高温天气维持的，所以贵港持续性高温天气结束。

从上述分析可知，7月持续3天的高温过程是在副热带高压加强的情况下导致高温的形成，并受到热带气旋外侧的下沉气流影响继续维持，热带气旋的路径偏东，移速较慢，最终由于热带气旋登陆后减弱消亡，贵港不再受低压环流外侧的下沉气流影响而结束高温天气。

我们也分析了6月、8月、9月贵港地区持续3天的高温过程(图略)。结果表明，6月持续3天的高温过程与7月类似，受副高和路径偏东的热带气旋影响而形成并维持，最终在低压环流继续北移、中纬度槽的东移以及热带季风槽加强的影响下，桂东南(贵港)地区不再受下沉气流的影响而结束高温天气。8月、9月持续3天的高温过程主要是在大陆高压的控制下，经过2～3天的升温积累过程形成的，期间与南海-热带西太平洋地区的热带气旋的活动有密切联系。

4.2 持续5天的高温过程的环流演变特征及机理

贵港地区持续5天的高温过程在1961—2010年6—9月分别出现了4次、4次、5次和2次。类似上一小节的做法，我们选取了1979－2010年间6月3次过程、7月3次过程、8月4次过程和9月2次过程进行合成分析，结果如图10所示。从合成的温度演变过程看，在持续高温天气过程开始之前的基础气温均处于较高水平，接近或甚至超过35℃，尤其是8月；另外，6月、8月、9月均在持续5天高温后出现3度以上的降温而使得高温天气结束，7月持续5天的高温过程前后气温均处在较高水平。

6月5天高温过程的环流演变如图11、图12所示。在高温天气出现的前4天—前2天，500 hPa上华南受西风带小槽的影响，伴随有较明显的上升运动，5～15°N热带辐合带扰动明显，850 hPa上菲律宾东侧有弱的低压扰动出现并加强北移，同时伴随强烈的上升运动，副高西伸至华南上空(图 11a、11b，图 12a、12b)。受其影响，我国东南部及其东部洋面上空出现下沉运动，中南半岛北部云南一带上空是明显的暖区(图11b)，华南上空对流层低层出现显著增温，长江流域及华南北部地表温度升高(图13a)，华南地区地表感热通量明显增强(图14a)，从而有利于桂东南(贵港)近地面气温的升高。

在持续高温过程的第1天，500 hPa上的副高脊线位于华南北部，菲律宾东南面低压系统发展并向西北移动至菲律宾北部，造成我国华南及沿海地区上空出现下沉运动 (图11c)；850 hPa上东亚出现显著的增温，中南半岛北部至我国南方地区都变为明显的暖区(图12c)。华南地表温度显著升高(图13b)，从而导致向上长波辐射增强，桂东南大部的感热通量也同时增强(图14b)。上述环流形势和地表热力状况都是有利于桂东南 (贵港)近地面温度升高以及高温天气形成。

在持续高温过程第3天，在500 hPa上，热带低压系统继续加强并缓慢向西北偏北移动至广东近海，并伴随有强烈的上升运动，华南转为弱的下沉运动(图11d)；中南半岛北部上空850 hPa的风温配置依然保持着向华南地区输送暖平流 (图12d)，使得华南上空保持着升温。华南地区为地表温度增温最强的区域(图13c)，从而导致向上长波辐射增强。这种环流形势有利于贵港地区继续维持高温状态。

到高温天气过程的第5天，热带低压系统在华南东部地区登陆减弱并北上，西太平洋副热带高压加强并西进，广西贵港地区已不受热带系统外围下沉气流影响(图11e)，转为受季风槽前西南气流影响，850 hPa温度场和地表温度均存在不同程度的降温现象(图12e、13d)，广西东部地表感热通量有所减弱(图14d)，贵港地区温度出现下降，但是仍然维持在35℃以上(图10a)。

高温过程结束后第2天(图11f、12f)，受南海北部热带季风槽加强和副热带西风带短波槽前系统的影响，华南大部转受弱上升运动影响，我国南方对流层低层和地表温度出现明显的降温 (图12f、13e)，地表感热通量也明显减弱(图 14e)，桂东南(贵港)高温天气结束。

因此，贵港地区6月持续5天的高温过程是在稳定西风气流和副高脊线控制下，受菲律宾附近形成的热带低压系统北移过程中导致的下沉运动增强而形成的，并受低压系统偏东的北行路径及较强的强度影响，以及季风槽前暖平流的影响得以维持，最终在低压系统的继续北移、副热带西风短波槽的东移以及热带季风槽加强的影响下，桂东南(贵港)地区不受下沉气流影响而结束。

我们还分析了7—9月持续5天的高温过程。结果表明，7月持续5天的高温过程主要是在持续加强的副热带高压控制下，经过5～6天的升温积累过程而形成的，并受弱西风槽及热带气旋影响而结束。而8月5天的高温过程是在稳定的副热带高压控制下形成，并受中纬度槽东移的影响而结束。9月5天的高温过程则是在持续加强的副热带高压和大陆高压控制下升温积累而形成，并且受到热带气旋外围下沉气流的影响得以维持，最终在热带气旋登陆广西而导致剧烈降温现象的影响下而结束。

从以上对广西贵港持续高温天气过程的环流演变特征的分析可得出，持续高温天气过程直接与受副高或大陆高压的控制有关，且大部分过程与南海-菲律宾海出现的热带气旋的北移路径偏东有密切关系，持续时间较长的高温过程还与南海-菲律宾海出现的热带气旋的活动时间较长和强度偏强有关。而持续高温过程的结束则与西风带的小槽东移或热带低压系统的到来造成的多云天气和降水造成的降温有关。

5 总 结

本文分析了广西贵港地区近50年来的高温事件的时间变化规律，季节分布等气候特征，并在此基础上，研究了不同持续时间高温过程的环流演变特征及机理，得出以下结论。

(1)贵港的高温日主要出现在6—9月，其中7—8月是高温日频发的月份。1～2天的高温天气出现的频次最多，约占总高温日数的38%；3天以上的持续性高温过程频次相对较少，但约占高温总日数的62%。其中持续2天的高温日数比重最大，占总高温日数的20%。

(2)贵港6月和9月、8月和9月的高温日数逐年变化存在显著的同步变化性。6月、7月高温日数的年代际变化较明显。8月、9月的高温日具有明显的增加趋势。

(3)持续3天以上的高温过程具有以气温缓慢升高并达到高温的演变特征，其中5天以上的高温过程前期气温均处在较高水平，接近或甚至超过35℃。持续3～5天的高温过程的最高气温均在高温过程结束后2～3天下降到一个相对最低值。

(4)贵港地区的持续高温现象与大气环流场的异常存在非常紧密的联系。持续的垂直下沉运动是激发贵港地区高温天气过程形成的重要原因，而导致垂直下沉运动的主要原因又与大陆高压、副热带高压有关，且大部分的持续性高温过程还与南海-菲律宾海出现的热带低压系统的北移路径偏东有关，但影响不同月份的持续高温过程的环流系统的配置可以不同。持续时间较长的高温过程还与南海-菲律宾海出现的热带气旋的活动时间较长和强度偏强有关。高压控制的晴空少云天气可导致地表接收更多的太阳辐射，使得地表温度升高，从而导致地表向上的长波辐射及感热通量增强，加热近地面空气，这些有利于近地面升温的热力过程以及垂直绝热加热过程的增强，使得高温天气过程得以维持。