1961—2018年內(nèi)蒙古夏季極端高溫特征及其與大氣環(huán)流異常的關(guān)系

劉詩夢，吳和俐

（1.內(nèi)蒙古氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2. 貴陽市氣象局，貴州 貴陽 550001）

引言

在全球變暖環(huán)境下，極端天氣、氣候現(xiàn)象頻發(fā)，極端高溫事件也顯著增多，由此引發(fā)的災害不僅破壞了良好的生態(tài)環(huán)境，更影響了人類社會的健康發(fā)展[1-2]。全球大陸超過一半地區(qū)的冷夜、冷日正在減少，暖夜、暖日數(shù)量增多[3]。中國近百年來平均地表氣溫明顯增加，增幅高于同期全球升溫幅度平均值，北方地區(qū)升溫趨勢尤為顯著，升溫速率隨緯度增長而增大[4]。尤其是到20世紀90年代以后，北方地區(qū)極端氣溫有一個明顯的增加趨勢[5]。對于北方而言，影響地面氣溫最重要的因子即是其上空的異常環(huán)流形勢[6-7]。當控制蒙古地區(qū)的高度場異常時，地面降水、氣溫和相對濕度將發(fā)生變化，可能會加劇極端氣候事件的發(fā)展[8-9]。因此，首先分析了內(nèi)蒙古夏季極端高溫的時空分布特征，接著研究了極端高溫的突變時間，最后，利用夏季200 hPa位勢高度場，探討了影響內(nèi)蒙古夏季極端高溫天氣的環(huán)流因子，為內(nèi)蒙古夏季氣候預測提供理論依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

使用的站點資料為1961—2018 年內(nèi)蒙古具有代表性且序列一致，資料完整的71個國家級地面氣象觀測站夏季逐日最高氣溫和平均氣溫資料[10]；再分析資料采用歐洲中期天氣預報中心提供的全球逐月再分析數(shù)據(jù)，該資料的水平分辨率為0.75 °×0.75 °。

1.2 極端高溫事件的定義

利用百分位法，把每站日最高氣溫序列的第95個百分位值定義為該站點極端高溫事件的閾值。當某日最高氣溫高于極端高溫閾值時，將該日定為一次極端高溫事件。

2 極端高溫事件時空分布特征

2.1 時間分布特征

根據(jù)1961—2018 年內(nèi)蒙古夏季平均氣溫隨時間變化特征（圖1），近60 年夏季平均氣溫在19.0~23.0 ℃之間，整體呈波動上升趨勢，增幅為0.36 ℃/10 a，其趨勢線的相關(guān)性通過了0.05置信水平，上升趨勢顯著，尤其從20 世紀90 年代末開始大部分年份平均氣溫均高于多年平均值。圖2為1961—2018年夏季單站平均的年極端高溫發(fā)生日數(shù)的時間序列，單站平均的極端高溫事件年際變化較大，其中2000 年發(fā)生日數(shù)最多，1993 年發(fā)生日數(shù)最少；1996 年以前大部分年份的極端高溫事件發(fā)生日數(shù)均低于58 年平均值，1996—2018年高溫事件發(fā)生日數(shù)大部分位于平均值之上。從趨勢上可以看到，出現(xiàn)極端高溫事件的日數(shù)呈顯著增長趨勢（通過了0.05的置信水平）。計算極端高溫發(fā)生日數(shù)和夏季平均氣溫（時間序列）兩條曲線的相關(guān)系數(shù)為0.81，呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)（通過了0.05的置信水平），說明極端高溫事件的發(fā)生日數(shù)整體增多的趨勢與夏季平均氣溫上升是對應的。從歷年夏季平均極端最高氣溫的時間變化序列（圖3）看，同樣年際變化波動大，2017 年夏季極端最高氣溫達到37.9 ℃，創(chuàng)歷史新高。從趨勢線上看，極端最高氣溫的年際變化趨勢顯著升高（通過了0.05的置信水平），與極端高溫事件發(fā)生日數(shù)曲線的相關(guān)系數(shù)為0.95，通過了0.05的置信水平。

圖1 1961—2018年內(nèi)蒙古夏季平均氣溫事件發(fā)生頻次

圖2 1961—2018年內(nèi)蒙古夏季單站平均極端高溫事件

圖3 1961—2018年內(nèi)蒙古夏季極端最高氣溫

2.2 空間分布特征

圖4為內(nèi)蒙古1961—2018 年夏季平均最高氣溫，呈西高東低分布，其中阿拉善盟西部地區(qū)的平均最高氣溫為全區(qū)最高，達33.2 ℃；呼倫貝爾北部地區(qū)最高氣溫較低，為22.9 ℃，東西最高氣溫的氣溫差最大達10.3 ℃。從58 年內(nèi)蒙古極端高溫事件的發(fā)生頻次（圖5）可以看出，與平均最高氣溫分布相反，全區(qū)總體是東多西少，地區(qū)差異大，其中極端高溫事件的多發(fā)區(qū)主要位于內(nèi)蒙古東部地區(qū)，巴彥淖爾市極端高溫事件發(fā)生次數(shù)較少。從58 年平均的極端最高氣溫分布（圖6）可以看到，與平均最高氣溫分布相似，全區(qū)的極端最高氣溫在40.9 ℃，位于阿拉善盟，極端高溫向東遞減。

圖4 內(nèi)蒙古1961—2018年夏季平均最高氣溫

圖5 內(nèi)蒙古1961—2018年夏季極端高溫發(fā)生頻次

圖6 內(nèi)蒙古1961—2018年夏季極端最高氣溫

2.3 突變檢驗

對夏季極端高溫事件的時間序列進行滑動t檢驗（圖7），可以看出，t統(tǒng)計量在1996 年為負值，超過0.01置信水平，說明近60 年來內(nèi)蒙古夏季極端高溫在1996 年發(fā)生了轉(zhuǎn)暖突變，這與圖2中極端高溫事件發(fā)生次數(shù)在20 世紀90 年代發(fā)生明顯變化的特征基本一致。

圖7 內(nèi)蒙古夏季最高氣溫10 年滑動t檢驗

3 200 hPa異常環(huán)流形勢特征

高空異常環(huán)流形勢可以直接引起地面氣候異常，根據(jù)夏季極端最高氣溫的時間序列，從中挑出極端高溫發(fā)生頻次較高的年份（1997、2000、2005、2007、2010、2017 年），對其夏季高度場進行合成分析。圖8為合成后的200 hPa環(huán)流場距平和位勢高度氣候平均場，北半球中緯度地區(qū)呈緯向環(huán)流分布，從高度距平場中可以看到：北極的極渦處為負變高，極渦減弱，不利于冷空氣南下。且內(nèi)蒙古上空的弱脊處的正變高，可以加強脊前的下沉氣流，有利于內(nèi)蒙古高溫的維持。

圖8 內(nèi)蒙古夏季200 hPa典型極端高溫年份的高度場距平和位勢高度氣候平均場（等值線，單位：10-4 m2?s2）

從內(nèi)蒙古夏季極端最高氣溫與200 hPa高度場距平的相關(guān)分布可以看出（圖9），從大西洋到內(nèi)蒙古存在“-、+、-、+”的波列結(jié)構(gòu)環(huán)流異常。北大西洋和咸海地區(qū)出現(xiàn)較弱負異常中心，而歐洲、蒙古高原上空為顯著正異常中心，結(jié)合圖8 位勢高度氣候平均場，當夏季內(nèi)蒙古上空為正異常位勢高度時，有利于晴好天氣維持，不利于降水形成，易出現(xiàn)高溫。由此可見，內(nèi)蒙古上空的環(huán)流異常對內(nèi)蒙古高溫有著顯著的指示作用。

圖9 內(nèi)蒙古夏季極端最高氣溫與200 hPa高度場距平的相關(guān)分布（實線內(nèi)為通過0.01的置信水平）

4 結(jié)論與討論

（1）從時間上看，內(nèi)蒙古1961—2018 年夏季極端高溫呈增長趨勢，在1996 年發(fā)生了轉(zhuǎn)暖突變，與其出現(xiàn)日數(shù)為顯著正相關(guān)，表明極端高溫與其發(fā)生次數(shù)相互疊加，使內(nèi)蒙古夏季旱情得到迅速發(fā)展。

（2）從空間上看，1961—2018 年內(nèi)蒙古極端最高氣溫分布，地區(qū)差異大，呈西高東低分布；極端高溫的發(fā)生頻次分布與氣溫相反，全區(qū)總體是東多西少。

（3）內(nèi)蒙古夏季極端最高氣溫與其上空200 hPa高度場為顯著正相關(guān)，當高空位勢高度為正異常時，地面極易發(fā)生極端高溫事件。

文章討論了大氣環(huán)流對高溫的影響，但造成氣溫異常的原因還有很多，如海溫、夏季風等因子，對這方面問題的進一步探討將有助于深入了解內(nèi)蒙古夏季高溫的成因。