1981—2019年新疆区域性高温天气过程时空特征及其环流分型

许婷婷，杨 霞，周鸿奎

(1.新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆维吾尔自治区气象信息中心，新疆 乌鲁木齐 830002)

引 言

1850年至今，全球变暖已成为不争的事实[1-2]。在全球气候变暖的大背景下，极端高温事件发生频率明显增多且强度增强[3-7]。特别是近几十年来，伴随着极端高温事件，冰川融化、海平面上升、物种灭绝等生态系统变化也随之发生[8]。高温还导致干旱事件增多，造成农牧业减产、森林及草原火险等级升高、能源消耗增多、用水紧张、人体健康受损等[9-13]一系列问题。

未来全球高温还会进一步加剧，并对更多地区产生越来越大的影响[14-15]。研究表明，中国高温热浪灾害范围不断扩大[16-17]，极端高温天气普遍增多[18-20]，且区域性差异显著[21-22]。中国高温热浪事件主要集中在南方城市，尤其在华东和华中地区[23]，但区域持续性极端高温事件强度较强和频次较多的区域主要位于中国西北和东南地区[24]，其中吐鲁番盆地和江南地区为中国高温日数的两个高值中心[25]。

新疆位于中国西北地区，近年来极端高温事件频发，特别是进入21世纪后夏季高温日数明显增加[26]。2015年7月新疆出现了罕见的高温事件，全疆105个国家站中89站出现高温，55站高温持续日数位居历史第1位，23站极端最高气温位居历史第1位，甚至海拔3544 m的天山山区大西沟站7月的日最高气温连续突破历史极值[27]；持续的极端高温天气过程对农业生产、人民生活等都造成了诸多不利影响，甚至导致严重的经济损失。然而，国内高温天气过程的研究多集中在过程诊断分析及预报服务要点方面[28-29]，而新疆高温天气的研究则大多集中在高温的气候背景、极端高温个例和单站高温统计特征等方面[30-33]，新疆区域性高温天气过程的研究仍有待进一步深入。近40 a来，新疆区域性高温天气过程的影响范围和持续时间发生了怎样的变化？造成新疆区域性高温天气过程的大尺度环流系统配置还不清晰。基于以上问题，本文以1981—2019年5—9月新疆区域性高温天气过程为研究对象，分析其时空变化以及大尺度环流系统特征，为新疆高温天气预报预警提供参考。

1 资料与方法

1.1 资 料

所用资料包括：(1)新疆维吾尔自治区气象信息中心提供的新疆105个国家基本气象站1981—2019年5—9月逐日最高气温观测资料，其中位于山区的站点共17站；(2)同期NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)逐日500 hPa高度场再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。

1.2 高温日及高温天气过程等级划分标准

采用《区域性高温天气过程等级划分》(QX/T228—2014)标准[34]，进行新疆区域性高温天气过程的判识及等级划分：(1)高温天气是指日最高气温大于或等于35 ℃的天气；(2)高温日是指研究区域内某日有2成或以上的范围出现高温天气；(3)高温天气过程是指从满足一个高温日标准开始，至不满足高温日标准的前一天结束，且须持续2 d或以上，期间至少有1 d高温天气范围达到研究区域的5成或以上；(4)根据高温天气过程等级指标(RI)将高温天气过程划分为特强、强、中等和弱4个等级，划分标准见表1。

表1 高温天气过程等级划分Tab.1 Classification of high temperature weather process

新疆区域性高温天气过程发生月份以过程开始时间判定，如遇高温持续时间跨月的过程则以持续日数在两月间比例判定，如2001、2008年存在2次过程的开始时间为5月，结束时间为6月，但在6月的持续日数较长，故将其归为6月过程。经计算，1981—2019年新疆共发生100次区域性高温天气过程，且主要分布在6—8月。

2 高温天气过程空间分布

图1为1981—2019年6—8月新疆区域性高温天气过程发生次数的空间分布，其中新疆行政边界是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1822号的标准地图制作，底图无修改。可以看出，6—8月新疆区域性高温天气过程主要出现在伊犁河谷平原地区、北疆准噶尔盆地南缘、南疆塔里木盆地、东疆平原地区[图1(a)]，其中北疆准噶尔盆地南缘、南疆塔里木盆地、东疆平原地区高温天气过程发生次数超过80次；伊犁州山区、阿勒泰地区、克州山区大部高温天气过程发生次数不足30次；位于伊犁州南部山区、天山山区、帕米尔高原新疆境内的11个山区气象站未出现过高温天气过程。从各月空间分布来看，7月出现高温天气过程的站点最多[图1(b)]，8月次之，6月最少(图略)，高温天气过程主要出现地区与6—8月空间分布基本一致。

图1 1981—2019年6—8月(a)和7月(b)新疆区域性高温天气过程发生次数的空间分布(单位：次)Fig.1 Spatial distribution of occurrence times of regional high temperature weather processes in Xinjiang from June to August (a) and in July (b) during 1981-2019 (Unit: times)

3 高温天气过程的时间变化

3.1 过程开始与结束时间

1981—2019年新疆区域性高温天气过程开始时间差异较大[图2(a)]，最早开始时间为5月29日(2008年)，最迟开始时间为8月22日(2012年)；且开始时间略有提前趋势，但未通过显著性检验。从高温天气过程开始时间次数逐旬分布[图2(b)]来看，过程开始时间7月中旬最多(20次)，其次为7月上旬和7月下旬(均为17次)，最少为5月下旬和8月下旬(均为2次)。高温天气过程开始时间次数逐旬分布服从正态分布，并通过P>0.05的K-S检验。

1981—2019年新疆区域性高温天气过程最早结束于7月8日(1995年)，最迟结束于8月27日(2002年)[图2(c)]；且结束日期有推后趋势，但同样未通过显著性检验。过程结束时间次数逐旬分布[图2(d)]表明，新疆区域性高温天气过程结束时间以7月下旬为主(20次)，其次为7月中旬(18次)，最少为6月上旬(2次)。高温天气过程结束时间次数逐旬分布也服从正态分布，并通过P>0.05的K-S检验。

3.2 过程发生次数

3.2.1 年际变化

1981—2019年6—8月新疆共出现100次区域性高温天气过程，平均每年出现2.6次，其中2008年高温天气过程发生次数最多(6次)，有11 a仅出现1次过程，1991年和1993年未出现高温天气过程。可见，1981—2019年新疆区域性高温天气过程发生次数的年际变化较大，但总体上发生次数呈弱增加趋势[图3(a)]，以每年0.03次的速率增加，但未通过显著性检验。

不同等级的高温天气过程发生次数年际差别较大，变化趋势也不一致。近40 a来，弱高温天气过程发生次数变化趋势不明显[图3(b)]，共出现42次，平均每年1.1次，有15 a未出现过弱高温天气过程，其中1999—2006年出现次数比较集中，1994年发生次数最多(4次)。中等高温天气过程发生次数呈增加趋势[图3(c)]，以每年0.02次的速率增加，但未通过显著性检验，1981—2019年过程发生次数最多，共46次，平均每年出现1.2次，其中1994—2002年及2014年后过程发生次数较高，1997年发生次数最多(4次)，有10 a未出现过中等高温天气过程，出现2次中等高温天气过程的年份在2000年以前有3 a(1983、1990、1996年)，2000年以后有5 a(2001、2002、2008、2011、2014年)。强高温天气过程发生次数也呈增加趋势[图3(d)]，以每年0.01次的速率增加，近40 a共出现11次，1988—1999年均未出现强高温天气过程。特强高温天气过程发生次数(图略)最少，仅在2015年出现1次。

图2 1981—2019年新疆区域性高温天气过程开始(a、b)和结束(c、d)时间年际变化(a、c)及其次数逐旬分布(b、d)Fig.2 The start time (a, b) and end time (c, d) inter-annual variation of regional high temperature weather processes (a, c) and its times ten-day’s distribution (b, d) in Xinjiang during 1981-2019

图3 1981—2019年6—8月新疆不同等级区域性高温天气过程发生次数的年际变化(a)高温天气过程，(b)弱高温天气过程，(c)中等高温天气过程，(d)强高温天气过程Fig.3 The inter-annual variation of occurrence times of regional high temperature weather processes with different grades in Xinjiang from June to August during 1981-2019(a) high temperature weather process, (b) weak high temperature weather process,(c) moderate high temperature weather process, (d) severe high temperature weather process

综上所述，对不同等级的高温天气过程而言，中等及强高温天气过程均呈增加趋势，而弱高温天气过程变化趋势不明显，其中中等高温天气过程所占比例为46.0%，因此新疆高温天气过程总体呈弱增加趋势主要受中等强度过程影响。

3.2.2 月际变化

1981—2019年新疆区域性高温天气过程主要发生在6—8月(图略)，其中7月最多，占总过程数的50.0%，8月次之，占28.0%，6月最少，占22.0%。从不同等级区域性高温天气过程发生次数的月际变化(图4)来看，弱高温天气过程发生次数7月最多、6月次之、8月最少；中等高温天气过程发生次数7月最多、8月次之、6月最少；强高温天气过程发生在7月和8月，其中8月最多；特强高温天气过程仅在7月发生1次。因此就强度分布而言，强和特强高温天气过程多发生在盛夏(7月和8月)，7月弱及中等高温天气过程的发生次数最多(45.0%)。

图4 1981—2019年6—8月新疆不同等级区域性高温天气过程发生次数的月际变化Fig.4 The monthly variation of occurrence times of regional high temperature weather processes with different grades in Xinjiang from June to August during 1981-2019

3.2.3 年代际变化

从1981—2019年不同时段新疆不同等级区域性高温天气过程发生次数(表2)可以看出，进入21世纪以来，高温天气过程发生次数增加趋势明显，每10 a增加约6.0次，这与吴秀兰等[35]研究结果一致，20世纪90年代后期新疆气温发生增暖突变，高温天气过程也随之增多，且强度明显增强，其中中等强度以上高温天气过程增幅较大，每10 a增加约2.5次，100次高温天气过程中强度排名前10的过程有7次出现在21世纪以后，尤其在2015年7月9—30日出现特强高温天气过程，此次过程持续了22 d，持续日数为近40 a最长，全疆105站中共89站出现高温，23站极端最高气温位居历史第1位。WMO(World Meteorological Organization)发布的《2018年全球气候状况声明》[36]中指出，2015—2018年是有记录以来4个最热年份，全球变暖在加速。可见，新疆的变暖趋势与全球快速增温的趋势一致。

3.3 过程日数

3.3.1 累计日数年际变化

1981—2019年新疆区域性高温天气过程持续日数平均为6.6 d，最多可达22 d(2015年)，最少为2 d(1986年和2008年)。图5为1981—2019年6—8月新疆区域性高温天气过程累计日数(指当年高温天气过程持续日数的累加)年际变化。可以看出，新疆高温天气过程累计日数年际变化较大，总体呈增加趋势，且通过α=0.05的显著性检验，每年增加约0.3 d。1981—1987年累计日数呈增加趋势，增加速率为0.8 d·a-1，1988—1993年呈减少趋势，减少速率较快，为-2.5 d·a-1，1994—2019年呈明显增加趋势，其中2005—2019年增加速率较快，为0.9 d·a-1；1981—1987年、1988—1993年、1994—2019年高温天气过程累计日数平均值分别为15.3、7.8、19.9 d，呈现“增加、减少、增加”的阶段性变化趋势。

图5 1981—2019年新疆区域性高温天气过程累计日数年际变化Fig.5 The inter-annual variation of accumulative days of regional high temperature weather processes in Xinjiang from 1981 to 2019

3.3.2 持续日数月际变化

6—8月新疆区域性高温天气过程持续日数差距不大，6、7、8月平均值分别为6.1、6.8、6.6 d。从不同等级区域性高温天气过程持续日数的月际变化(表3)来看，特强高温天气过程在近40 a仅出现1次，持续日数为22.0 d，发生在7月；6、7、8月弱高温天气过程持续日数分别为2～6 d、3～7 d、2～5 d，平均值分别为4.3、4.4、3.7 d；中等高温天气过程6月持续日数最长可达7～16 d，平均为9.8 d，7月次之，持续日数为5～13 d，平均为7.2 d，8月最短，持续4～8 d，平均为6.0 d，可见6月高温天气过程需持续7 d以上才能达到中等强度等级，否则为弱高温天气过程；强高温天气过程月变化不明显，7月、8月持续日数分别为8～11 d、7～15 d，平均值分别为10.0、11.7 d。另外，新疆区域性高温天气过程的持续日数与过程强度关系密切，弱、中等、强、特强高温天气过程持续日数的平均值分别为4.2、7.4、11.1、22.0 d，即过程强度越强，持续日数越长。

表3 1981—2019年6—8月新疆不同等级区域性高温天气过程持续日数的月际变化Tab.3 The monthly variation of duration days of regional high temperature weather processes with different grades in Xinjiang from June to August during 1981-2019

3.3.3 持续日数年代际变化

表4列出1981—2019年不同时段新疆区域性高温天气过程持续日数统计。可以看出，20世纪80年代，高温天气过程平均持续日数为6.4 d左右，持续5 d及以上、10 d及以上的过程分别有15、4次；20世纪90年代高温天气过程平均持续日数约为6.0 d，持续5 d及以上、10 d及以上的过程分别有14、1次；21世纪00年代过程平均持续日数约为5.7 d，持续日数5 d及以上、10 d及以上的过程分别有20、2次；2011—2019年高温天气过程平均持续日数为8.2 d，持续5 d及以上、10 d及以上的过程分别有21、9次。可见，21世纪00年代，高温天气过程持续日数略有减少，但持续5 d及以上的过程次数有所增加，2011—2019年过程持续日数明显增长，且持续5 d及以上、10 d及以上的过程次数也明显增加。

4 高温环流特征

本文重点针对新疆1981—2019年6—8月100次区域性高温天气过程的500 hPa环流形势进行分类，并选取典型个例进行合成分析。由1981—2019年6—8月新疆区域性高温天气过程影响系统分类(表5)可以看出，造成新疆区域性高温天气过程的500 hPa环流形势主要分为4类：伊朗副热带高压东伸型(简称“伊朗副高东伸型”)、新疆脊型、西太平洋副热带高压西伸型(简称“西太副高西伸型”)、叠加型(该类型为上述两种或两种以上环流形势共同或交替影响)，其中伊朗副高东伸型最多，占总高温天气过程的54.0%，叠加型次之，占32.0%，新疆脊型占12.0%，西太副高西伸型最少，占2.0%。伊朗副高东伸型系统在20世纪80年代至21世纪00年代增多，在2011—2019年明显减少；叠加型系统在21世纪00年代前呈减少趋势，2011—2019年明显增多；新疆脊型系统在20世纪80年代至21世纪00年代呈增多趋势，2011—2019年未出现。综上所述，2011—2019年伊朗副高东伸型及新疆脊型系统减少，叠加型系统增多。叠加型系统增多，考虑到该型影响系统在新疆上空维持时间增长，从而导致2011年后新疆区域性高温天气过程持续日数增长。

4.1 伊朗副高东伸型

伊朗副高东伸型是造成新疆区域性高温天气过程最多的一种天气形势，图6(a)为该类环流型中强度排名前5的高温天气过程500 hPa位势高度场合成。在此类高温天气过程中，欧亚范围内多呈“两槽一脊”型，环流经向度较大，原来位于伊朗高原的高压主体向东移动，其中心强度基本在5880 gpm；伊朗副高东移发展的同时略有北抬，北疆地区处于高压脊控制，584 dagpm线控制了南疆大部地区。

表4 1981—2019年不同时段新疆区域性高温天气过程持续日数统计Tab.4 The statistics of duration days of regional high temperature weather processes in Xinjiang in different periods during 1981-2019

表5 1981—2019年不同时段新疆区域性高温天气过程影响系统分类Tab.5 The impact system classification of regional high temperature weather processes in Xinjiang in different periods during 1981-2019 单位：次

图6 伊朗副高东伸型高温天气过程(a)及2017年7月8日典型高温天气(b)的500 hPa位势高度场(单位：gpm)Fig.6 The geopotential height field at 500 hPa during high temperature weather processes with the eastward extension of Iranian subtropical high type (a) and in typical temperature weather on 8 July 2017 (b) (Unit: gpm)

此类天气形势下造成的新疆区域性高温天气过程中，弱过程占57.4%，中等强度过程占35.2%，强过程占7.4%。弱过程中伊朗副高东伸位置偏西，584 dagpm线控制南疆偏西地区，易造成南疆塔里木盆地、吐鄯托盆地的高温天气；中等强度过程中伊朗副高东伸北抬，环流经向度增大，高压脊强烈发展，584 dagpm线控制伊犁河谷、南疆大部，易造成北疆沿天山一带部分地区、南疆塔里木盆地、吐鄯托盆地的高温天气；强过程中伊朗副高强烈发展，584 dagpm线移入北疆，并控制北疆沿天山一带、东疆、南疆地区，在南疆上空形成闭合的高压中心，易造成伊犁河谷、阿勒泰地区南部、北疆沿天山一带、东疆、南疆的高温天气，且高温天气多发生在7—8月，过程持续时间通常在10 d以上。如2017年7月5—15日新疆大范围高温天气过程[图6(b)]，500 hPa高度场中高纬度环流为“两槽一脊”的经向环流，伊朗副高快速东移并控制南疆偏西地区；8日后，伊朗副高继续加强北抬东扩与北支高压脊同位相叠加，中心强度增强至5920 gpm，之后伊朗副高持续维持在新疆上空，稳定少动；过程结束后伊朗副高减弱南落，高温天气过程结束。此次高温天气过程造成全疆105站中85站日最高气温达35 ℃以上，74站37 ℃以上，34站40 ℃以上，3站45 ℃以上，高温范围覆盖全疆15个地(州、市)。

4.2 叠加型

图7(a)为叠加型环流中强度排名前5的高温天气过程500 hPa位势高度场合成。此类新疆区域性高温天气过程中，西西伯利亚至中亚地区为低值系统控制，北疆地区为浅高压脊控制，伊朗副高发展东伸北抬，与北支的高压脊同位相叠加，西太副高向西发展，与伊朗副高及浅高压脊合并，并在南疆到长江中下游地区形成宽广的高压带，584 dagpm线控制北疆沿天山一带、东疆、南疆地区。

此类天气形势是造成特强高温天气过程的典型形势，引发的中等及以上强度过程占87.5%，易造成阿勒泰地区南部、伊犁河谷、北疆沿天山一带、南疆、东疆的高温天气过程。如2015年7月9—30日的极端高温天气过程，此次过程持续时间长、影响范围广、强度强，全疆105站中89站日最高气温达35 ℃以上，83站37 ℃以上，50站40 ℃以上，4站45 ℃以上，其中23站极端日最高气温突破历史极值，40站高温持续日数突破历史极值。此次高温天气过程中，伊朗副高持续发展东伸北扩，与新疆脊叠加增强，控制新疆，并在南疆形成闭合高压，高压中心强度达5920 gpm[图7(b)]，后期西太平洋副高西伸，与位于南疆的高压合并，造成全疆大部地区的持续性高温天气。

4.3 新疆脊型

图8(a)为新疆脊型高温天气过程中强度排名前5的500 hPa位势高度场合成。新疆脊型区域性高温天气过程中，乌拉尔山至里海、咸海地区为深厚的低槽，新疆上空为高压脊，受高压脊控制，新疆大部地区出现高温天气。

此类天气形势造成的新疆区域性高温天气过程以中等和弱过程为主，高温强度主要取决于新疆脊在新疆上空的维持时间及脊线的南北振幅，当高压脊维持时间长、脊线南北振幅大时，易出现中等强度过程；反之，为弱过程。此类天气形势易造成伊犁河谷、北疆沿天山一带、南疆塔里木盆地、东疆的高温天气。如2004年6月18—23日的高温天气过程[图8(b)]，里海、咸海地区高压脊缓慢东移发展进入新疆，新疆脊生成且维持在新疆上空，后期西西伯利亚低值系统东移并影响新疆，过程结束。此次过程造成伊犁河谷西部、北疆沿天山一带、南疆塔里木盆地、东疆的高温天气，105站中60站日最高气温达35 ℃以上，28站37 ℃以上，4站40 ℃以上。

图7 叠加型高温天气过程(a)及2015年7月23日典型高温天气(b)的500 hPa位势高度场(单位：gpm)Fig.7 The geopotential height field at 500 hPa during high temperature weather processes with the superposition type (a) and in typical temperature weather on 23 July 2015 (b) (Unit: gpm)

图8 新疆脊型高温天气过程(a)及2004年6月20日典型高温天气(b)的500 hPa位势高度场(单位：gpm)Fig.8 The geopotential height field at 500 hPa during high temperature weather processes with the Xinjiang high pressure ridge type (a) and in typical temperature weather on 20 June 2004 (b) (Unit: gpm)

4.4 西太副高西伸型

西太平洋副高西伸型是造成新疆区域性高温天气过程最少的一种天气形势，仅1981年和2002年出现2例，过程持续时间短，且强度弱，图9为这2次过程合成的500 hPa位势高度场。此类新疆区域性高温天气过程中，西西伯利亚地区为低值系统控制区，北疆上空为较平直的西风带，西太副高西伸北挺，586 dagpm线控制南疆大部，西太副高减弱西退后过程结束。此类天气形势易造成塔城地区、北疆沿天山一带、南疆塔里木盆地、东疆地区的高温天气。如2002年8月19—22日高温天气过程中，欧洲东部至巴尔喀什湖地区中高纬环流经向度较大，乌拉尔山至里海、咸海地区为低值系统控制，北疆上空为槽前西南气流控制，西太副高西伸北挺，586 dagpm线控制南疆大部地区(图略)。此次高温天气过程持续4 d，造成北疆沿天山一带、南疆塔里木盆地及东疆的高温天气，105站中64站日最高气温达35 ℃以上，32站37 ℃以上，7站40 ℃以上，1站45 ℃以上。

图9 西太副高西伸型高温天气过程500 hPa位势高度场(单位：gpm)Fig.9 The geopotential height field at 500 hPa during high temperature weather processes with the westward extension of western Pacific subtropical high type (Unit: gpm)

5 结 论

(1)1981—2019年新疆共出现100次区域性高温天气过程，平均每年出现2.5次；高温天气过程发生次数总体呈弱增加趋势，尤其进入21世纪后，增加趋势更明显，且过程强度明显增强。新疆区域性高温天气过程主要发生在6—8月，其中7月最多(50.0%)、8月次之(28.0%)、6月最少(22.0%)，5月和9月无高温天气过程；强和特强高温天气过程多发生在盛夏(7月和8月)，弱及中等高温天气过程的发生次数7月最多(45.0%)。

(2)新疆区域性高温天气过程主要出现在伊犁河谷平原地区、北疆准噶尔盆地南缘、南疆塔里木盆地及东疆平原地区，而在伊犁州南部山区、天山山区、帕米尔高原新疆境内的11个山区气象站未出现过高温天气过程。

(3)新疆区域性高温天气过程的开始时间有略微提前趋势，结束时间有推后趋势；高温天气过程发生次数在开始和结束时间的逐旬分布上均服从正态分布。

(4)新疆区域性高温天气过程的平均持续日数为6.6 d，在1981—2019年分段呈现“增加、减少、增加”的阶段性变化趋势。高温天气过程的持续日数与强度关系密切，过程强度越强，持续日数越长。

(5)造成新疆区域性高温天气过程的500 hPa环流形势主要分为4类，其中伊朗副高东伸型最多，占总过程数的54.0%，叠加型次之，占32.0%，新疆脊型占12.0%，西太副高西伸型最少，仅占2.0%。2011—2019年伊朗副高东伸型系统及新疆脊型系统减少，叠加型系统增多。