吉林省延边地区夏季极端高温特征及其与大气环流关系

徐昌龙 张莹莹 崔日权 崔春杰

（1延边州气象局，吉林延吉 133000；2延吉市气象局，吉林延吉 133000）

近年来全球气候变暖趋势加强，大量研究表明，在全球气候变暖情况下，极端天气气候事件所造成的经济损失以及给社会带来的影响非常巨大，因此，在对平均气温研究的同时，极端气温的研究尤为重要[1]。一些早期研究认为东北地区夏季气温明显升高，其异常特征为太平洋海温，与副热带高压、极涡等有一定联系。上述研究普遍基于年、季平均气温，而针对夏季极端最高气温研究较少。为此，本研究利用1960—2021年地面观测记录数据，对吉林省东部延边地区夏季极端高温变化特征进行分析，找出极端高温事件与大气环流场异常之间内在物理联系，以期为吉林省延边地区夏季极端高温预测提供一些理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究采用吉林省延边地区8个县（市）地面观测站1960—2021 年逐日最高气温记录（图们站1976—2021年）。中国气象局气候中心提供1960—2021年气候系统监测指数，1979—2021年源自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）逐月、日再分析资料，其中包括500 hPa高度场、海平面气压场，空间分辨率为0.25°×0.25°。

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率。设某站某气象要素时间序列为y1、y2、…yi、…yn，可以用1个多项式来表示：

式中，t为时间，单位为a。一般来讲，温度和降水的气候趋势用一次直线方程和二次曲线方程就能满足。这里用一次直线方程来定量描述，即y(t)=a0+a1t，则趋势变化率方程为dy(t)/dt=a1，把a1×10 称作气候倾向率，单位为℃/10 a或mm/10 a，方程中的系数可用最小二乘法或经验正交多项式来确定。

1.2.2 小波分析。小波分析通过伸缩、平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分、低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的问题[2]。

1.2.3 高温事件定义。极端高温在数学上定义为超过某个阈值指标的事件，如果使用累积分布函数表示日最高温度，一般认为其阈值是小于第10（或大于第90）百分位数[3]。然而国际上对于高温热浪天气的研究没有统一方法。吉林省通常以32 ℃作为高温预警的界限温度，所以该研究将某站日极端高温>32 ℃作为该站的高温日。每年出现极端高温日数定义为当年极端高温日数，全地区平均极端高温日数定义为8个县（市）地面观测站极端高温频数的平均值。

2 极端高温变化特征分析

2.1 时空分布特征

延边地区历年极端最高气温出现在2018年8月4日龙井市，为38.6 ℃。按照>32 ℃极端高温的标准，每年极端高温出现在4—9月，集中在夏季（6—8月），1960—2021年全地区7月平均共出现156.1次，占4—9月总数的46.3%，为最多，其中龙井市最多，为237次，敦化市最少，为46次（图1）；其次，8月共出现94.6次，占总数的26.9%，其中龙井市最多，为125次、敦化市最少，为20次；最后，6月共出现65.6次，占总数的19.8%，其中龙井市最多，为108次，敦化市最少，为20次，处于西部山区海拔高的敦化市极端高温明显少于其他县市。

图1 延边地区历年7月份极端高温日数

从延边地区平均极端高温日数年际变化分析得出，全地区年平均极端高温日数为5.8 d，其中龙井市和延吉市最多，均为8.4 d，敦化市最少，为1.4 d。其中1978、1997、2018 年极端高温日数明显多于其他年份，近62 年极端高温日数整体呈波动增多趋势，气候倾向率为0.07/a和1.07/10a。

2.2 周期分析

对延边地区平均极端高温日数时间序列进行小波分析，找出变化规律。从图2看出，极端高温日数存在2～3、9～10、19～20年明显振荡周期，其中9～10和19～20年周期贯穿整个分析时段，且这2个周期振荡在2000年后有增强趋势，而2～3年周期近10年相对较弱。在准10年时间尺度上，延边地区62年来极端高温日数经历了12个交替过程，其中有6个偏多期和6个偏少期；准20年时间尺度上，经历6个交替过程，其中有3个偏多期和3个偏少期；在20世纪70年代后期、90年代后期极端高温日数增加，而60年代后期、80年代后期减少。从小波方差图可看出准20年周期振荡最明显。

图2 延边地区平均极端高温日数小波系数（a）和方差（b）

3 夏季极端高温与大气环流关系

3.1 500 hPa高度场

图3给出延边地区极端高温日数与500 hPa高度场相关性分布，其中阴影区通过0.05显著性检验。从图3可看出，延边地区极端高温日数与上空500 hPa高度场呈现显著正相关，说明正相关位势高度维持晴朗天气，有利于太阳辐射到达地面，易形成高温。从正相关区域位置看，包括东北区域、夏威夷群岛及加利福尼亚半岛，正是夏季太平洋副高控制区，可知延边地区夏季极端高温日数增多是太平洋副高位置和强度异常所致。对比夏季平均高度场和各月高度场，该地区上空500 hPa高度场是延边地区高温日数主要正相关区，其中7 月相关性最明显，6 月相关性也不差，为夏季极端高温预测提供参考信息。与欧亚大陆北部新地岛附近上空500 hPa 高度场呈现负相关，其中6月高度场负相关最明显，表明当欧亚大陆北部上空形成高空槽阻挡冷空气下滑，利于延边地区出现极端高温。

图3 延边地区极端高温日数与6—8月平均（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）500 hPa高度场相关分布

3.2 海平面气压场

图4给出了延边地区极端高温日数与海平面气压场相关性分布，其中阴影区通过0.05显著性检验。从图4 可看出，一是与夏季海平面平均气压场呈现显著正相关区域面积较小，与7 月气压场相关也类似，可知正相关区域主要与夏季副高控制和维持有关，另外与6 月海平面气压场的孟加拉湾—南海—印尼区域正相关性较好，面积较大，提供一些预测极端高温依据。二是与欧亚大陆北部气压场呈现负相关，区域面积大，其中6月和7月较为明显，位置上7月相关区域偏东一些。说明欧亚大陆北部形成低压，阻挡冷空气下滑，利于延边地区出现极端高温。

图4 延边地区极端高温日数与6—8月平均（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）海平面气压场相关分布

3.3 北半球极涡面积指数

对中国气象局气候中心提供的88 项大气环流指数进行分析，找出它们与延边地区极端高温事件关系[4-5]，结果表明，其中北半球极涡面积指数和东亚槽强度指数与延边地区极端高温频数相关性较好，该研究就北半球极涡面积指数进行讨论。北半球500 hPa 高度场，0°～360°区域内，极涡南界特征等高线以北所包围的面积为北半球极涡面积指数。经分析，延边地区6、7、8 月的极端高温事件与北半球极涡面积指数均呈负相关，相关系数分别为-0.319、-0.284、-0.304，均通过0.05 显著性检验，说明极涡面积小，影响延边地区冷空气较弱，有利于极端高温出现。

4 个例分析

2018 年7 月中下旬到8 月初延边地区出现罕见极端高温天气，时间和范围突破建站以来历史记录，全地区年平均极端高温日数为19.8 d，龙井市出现最多，为25 d，敦化最少，为9 d。

4.1 500 hPa高度场

从2018年6—8月平均和各月500 hPa位势高度场和距平分布（图5）可以看出，夏季平均场上，整个欧亚大陆由平直西风气流控制，延边地区上空是明显的正距平；6月维持着“一槽一脊”型，延边地区处于高空槽底部，但也是正距平；7 月维持着“一槽两脊”型，延边地区受高压脊控制，位势高度正异常最明显；8月整体由西风气流控制，延边地区受弱高压脊控制，西部是正距平。表明夏季特别是7—8月延边地区上空均有位势高度正异常，副高的稳定控制和其西南部暖平流不断被输送，是极端高温日数偏多的直接原因。

图5 2018年6—8月平均（a）、6月（b）、7月（c）、8月（d）500 hPa高度场和距平

4.2 海平面气压场

从2018 年6—8 月平均和各月海平面气压场和距平分布（图6）可以看出，夏季平均气压场，延边地区处于高压西北边缘，有弱的正距平；6月处于低压前部，有弱的负距平；7月和8月由高压控制，为正距平，其中7月最明显。

5 结论

延边地区平均极端高温日数呈增多趋势，其趋势系数为1.07/10 a，存在着2～3、9～10、19～20 a 明显振荡周期，其中准20年周期振荡最为明显，经历3个偏多期和3个偏少期的交替过程，在20世纪70年代后期、90 年代后期极端高温日频数增加，而20 世纪60年代、1980年代后期减少。

延边地区极端高温日数与其上空500 hPa 位势高度场呈显著正相关，表明延边地区夏季极端高温日数偏多，是太平洋副高位置和强度正异常导致的。500 hPa高度场是延边地区高温日数主要正相关区，其中7 月相关性最明显，6 月相关性也不差，为预测夏季极端高温提供参考信息。延边地区极端高温日数与欧亚大陆北部新地岛附近上空500 hPa 位势高度场呈现负相关，其中6月高度场负相关最明显，说明当欧亚大陆北部上空形成高空槽阻挡冷空气下滑，利于延边地区出现极端高温。

延边地区极端高温事件与夏季海平面平均气压场，呈现显著正相关区域面积较小，与7月气压场相关也类似，可知正相关区域主要与夏季副高控制与维持有关，另外与6 月海平面气压场的孟加拉湾—南海—印尼区域正相关性较好，面积较大，提供预测极端高温依据。延边地区极端高温事件与欧亚大陆北部气压场呈现负相关，区域面积大，其中6、7月较明显，位置上7 月相关区域偏东一些。说明欧亚大陆北部形成低压阻挡冷空气下滑，有利于延边地区出现极端高温。

延边地区极端高温事件与北半球极涡面积指数呈负相关，其中6、7、8月相关系数分别为-0.319、-0.284、-0.304，均通过0.05 显著性检验，表明极涡面积小，影响延边地区冷空气较弱，有利于极端高温出现。