海口市高溫天氣氣候背景及其預(yù)報(bào)淺析

湯馳 韓靜 吳海峰 黃明旺 姜毅

（1 ?？谑袣庀缶?，?？?570100；2 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，?？?570100；3 海南省氣象科學(xué)研究所，海口 570100）

關(guān)鍵字：高溫，氣候趨勢，副高，海溫

0 引言

?？谑械靥師釒В瑢儆跓釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫24.8℃。近年來，?？谑?5℃以上高溫天氣頻發(fā)，主要出現(xiàn)在3—8月，其中5—7月為高峰月。

高溫酷暑不但能影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力、交通、旅游業(yè)等社會運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分，而且還能直接影響人們的心理和情緒，容易使人疲勞、煩躁和發(fā)怒。因此，高溫天氣一直是科學(xué)研究者，特別是廣大氣象工作者特別關(guān)注的天氣現(xiàn)象之一[1-2]。紀(jì)忠萍等[3]對夏季廣東省出現(xiàn)的異常高溫天氣時(shí)空分布特點(diǎn)及其異常的原因進(jìn)行了分析表明，發(fā)現(xiàn)影響高溫天氣的主要系統(tǒng)為副熱帶高壓，當(dāng)菲律賓附近同時(shí)有熱帶氣旋活動(dòng)時(shí)，有利于廣東出現(xiàn)異常的高溫天氣。楊寶玲等[4]從環(huán)流形勢、地面熱低壓、地形及城市效應(yīng)等方面對寧夏北部一次高溫過程進(jìn)行分析，得出大陸暖高壓及地面持續(xù)熱低壓是造成此次連續(xù)性高溫的原因，并給出了該地區(qū)高溫天氣預(yù)警信號指標(biāo)。曹春燕等[5]通過對深圳高溫天氣及其環(huán)流背景的統(tǒng)計(jì)分析，探討高溫天氣的氣候特征及主要影響系統(tǒng)，并分析了不同天氣系統(tǒng)影響下高溫的空間分布特征，初步得出高溫的預(yù)報(bào)流程；張永領(lǐng)等[6]和許祖清等[7]通過分析海南島早期高溫天氣及氣候特征，分析了海南高溫天氣時(shí)空分布基本特征及其變化周期；近年來，?？谑懈邷靥鞖飧宇l繁復(fù)雜，為更好地了解海口市近年來高溫天氣變化特點(diǎn)及其形成機(jī)制，本文對1960—2019年海口市代表站高溫天氣氣候資料進(jìn)行分析，針對高溫天氣下不同的影響天氣系統(tǒng)研究，探尋海口市高溫天氣成因，尋找?？谑懈邷靥鞖忸A(yù)報(bào)思路。

1 資料和方法

本文選用?？谑?960—2019年基準(zhǔn)站氣溫資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并定義月高溫影響指數(shù)綜合指標(biāo)（式1），定義持續(xù)了3 d或3 d以上的高溫天氣為一個(gè)高溫過程，兩個(gè)過程中只間隔一天算一個(gè)天氣過程；3～5 d為短過程、6～8 d為中過程，9 d以上為長過程[5]，尋找?？谑懈邷靥鞖鈿夂蛱卣?。高溫天氣成因方面，選用1960—2019年國家氣候中心氣候逐月副高面積與副高強(qiáng)度指數(shù)資料，NCEP再分析資料及國家氣候中心海溫資料，對影響?？谑懈邷靥鞖獾臍夂虮尘凹爸饕绊懴到y(tǒng)進(jìn)行分析。熱帶氣旋選用1960—2019年期間影響?？谑袩釒庑Y料，并將熱帶氣旋前一周出現(xiàn)的高溫天氣為其影響范圍進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

1.1 高溫月影響指數(shù)

高溫天氣的影響主要包括出現(xiàn)高溫的日數(shù)和最高氣溫這兩項(xiàng)主要影響指標(biāo)，為了綜合定義高溫天氣的影響，本文定義月影響指數(shù)：

其中，E為月影響指數(shù)，Di指定月份高溫日數(shù)，Hi指定月份對應(yīng)的日最高氣溫，n為總月份。

1.2 趨勢系數(shù)

根據(jù)施能等[8]的研究，本文引入氣候趨勢系數(shù)，研究?？谑懈邷靥鞖鈿夂蜈厔葑兓?guī)律。

其中，γ為高溫日數(shù)的趨勢變率，n為年數(shù)，xi為第i年高溫日數(shù)，為高溫日數(shù)平均值；=(n+1)/2；當(dāng)γ值為正（負(fù)）時(shí)，表明高溫日數(shù)在所計(jì)算的年內(nèi)有線性升（降）的趨勢。

2 高溫天氣氣候特征

2.1 月際變化特征

圖1為?？谑薪?0年高溫天氣月際變化圖，從高溫日數(shù)月變化可以看出，高溫日數(shù)頻次出現(xiàn)最多的月份分別為6月、5月和7月，平均日數(shù)分別為6.24 d、5.98 d和5.42 d。其次是4月、8月和3月，2月和9月極少出現(xiàn)異常高溫，1月、10—12月幾乎不出現(xiàn)高溫天氣。從月最高氣溫分布看，?？谑性伦罡邭鉁爻霈F(xiàn)在4月，其次是5月和7月。

圖1 海口市月高溫日數(shù)及月影響指數(shù)分布圖Fig. 1 Distribution of monthly high temperature days and impact index in Haikou City

月高溫影響指數(shù)定義為一個(gè)綜合性的高溫天氣標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了高溫日數(shù)和最高氣溫的共同影響，對高溫天氣影響人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活有一定的指導(dǎo)意義。從圖1中月高溫影響指數(shù)分布可以看出，7月份高溫影響指數(shù)最大，其次是6月和5月，4月和8月影響相對較小。

2.2 年際變化特征

2.2.1 高溫天氣氣候趨勢

通過對海口市近60年氣候趨勢系數(shù)計(jì)算，其趨勢變率約為0.042 d/a，這個(gè)結(jié)果表明海口市高溫日數(shù)正在緩慢增加，這可能與溫室氣體排放導(dǎo)致的全球變暖有關(guān)；同時(shí)城市不斷發(fā)展，使城市熱島效益日益突出，這也是導(dǎo)致高溫天氣頻率增加的要素之一。

2.2.2 高溫日數(shù)及最高氣溫變化

日最高氣溫超過35℃為一個(gè)高溫日，分析統(tǒng)計(jì)1960—2019年高溫日數(shù)及最高溫度變化（圖2）；從最高溫度分布看，?？谑薪?0年最高溫度為39.6℃，出現(xiàn)在2001年；其次分別是38.9℃和38.7℃，分別出現(xiàn)在2019年和2015年；海口市年平均高溫日數(shù)為23.4 d，累計(jì)高溫日數(shù)超過37℃的有150 d，超過38℃有34 d，而超過39℃的僅有1 d?？傮w上看，?？谑懈邷厝諗?shù)雖多，但極端高溫天氣很少，這可能與海洋對溫度的調(diào)節(jié)有關(guān)。

圖2 ?？谑薪?0年高溫年際變化Fig. 2 Inter annual change of high temperature in Haikou City during the past 60 years

從高溫日數(shù)上看，1960—2019年期間，海口市總高溫日數(shù)（日最高氣溫≥35℃）為1401 d，按每10年一個(gè)階段看，近60年高溫日數(shù)分別為179 d、173 d、175 d、294 d、286 d和315 d；可見，近30年高溫日數(shù)較前30年有明顯增加。高溫日數(shù)年際波動(dòng)較大，近60年中有9次年高溫日數(shù)超過40 d，8次出現(xiàn)在近30年；累計(jì)年高溫日數(shù)超過50 d的有4年，分別出現(xiàn)在1977年、1998年、2015年和2019年，累計(jì)最長高溫日數(shù)為57 d和55 d，分布出現(xiàn)在2015年和2019年。整體上看，近年來?？谑懈邷厝諗?shù)有明顯增加趨勢。

2.3 高溫天氣過程變化特征

高溫天氣往往存在一定連續(xù)性，不同天氣系統(tǒng)下高溫天氣的持續(xù)時(shí)間不同。高溫直接影響人們的生產(chǎn)生活，當(dāng)連續(xù)3 d日最高氣溫在35 ℃以上是高溫黃色預(yù)警信號的標(biāo)準(zhǔn)，因此，研究高溫天氣的持續(xù)性對人們的生產(chǎn)生活有積極意義。

高溫持續(xù)時(shí)間越長，影響呈指數(shù)增加。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（圖3），近60年來?？谑泄渤霈F(xiàn)了228次高溫天氣過程，其中短過程160 d，中過程51 d，長過程17 d；從年分布上看，短過程出現(xiàn)次數(shù)最多在1993年，達(dá)10次/a；其次是1977年和2002年，達(dá)6次/a；中過程有5個(gè)年份出現(xiàn)3次/a，近15年間出現(xiàn)年份分別是2005年、2015年和2019年；長過程最多為2次/a，分別出現(xiàn)在2015年和2019年，可見，?？谑懈邷靥鞖庵?、長過程主要出現(xiàn)在近10年，且中、長過程的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間在不斷增加。

圖3 海口市不同高溫天氣過程分布Fig. 3 Distribution of different high temperature weather processes in Haikou City

3 高溫天氣下天氣系統(tǒng)及環(huán)流特征

高溫天氣的出現(xiàn)其影響系統(tǒng)很復(fù)雜，廣大學(xué)者[9]對歷史高溫天氣形勢研究分析也各有不同，本文綜合?？谑懈邷靥鞖庀轮饕挠绊懴到y(tǒng)發(fā)現(xiàn)，其高溫天氣系統(tǒng)主要包括：西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）、熱帶氣旋外圍下的下沉氣流和低壓槽影響；此外，南亞高壓及近海海溫變化也會對高溫天氣有一定的影響。為更好地研究?？谑懈邷靥鞖獾陌l(fā)生發(fā)展規(guī)律，本文綜合分析以上主要影響系統(tǒng)，為?？谑懈邷靥鞖忸A(yù)報(bào)預(yù)警提供指導(dǎo)。

3.1 西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）

副高面積指數(shù)（GM）：是表征西太副高范圍大小的指標(biāo)，即在10°N以北、110°—180°E范圍內(nèi)，500 hPa高度場上所有≥588 dagpm的格點(diǎn)所圍成的面積總和。強(qiáng)度指數(shù)（GQ）：是表征西太副高強(qiáng)弱的指標(biāo)，即在10°N以北、110°—180°E范圍內(nèi)，500 hPa高度場上所有≥588 dagpm的格點(diǎn)所圍成的面積與該格點(diǎn)高度值減去587 dagpm差值的乘積的總和。

副高是一個(gè)深厚的暖性高壓，其控制區(qū)域具有明顯的下沉輻散作用，使得周圍的大氣在太陽輻射作用下迅速升溫，容易形成高溫天氣。通過圖4可以看出，近60年西太平洋副高的面積和強(qiáng)度均有明顯的增加趨勢，特別是近10年副高面積和強(qiáng)度都有明顯增加；副高面積最大值出現(xiàn)在2016年 ，副高強(qiáng)度最強(qiáng)值出現(xiàn)在2015年，其次是2010年和2019年；近10年的副高面積增加和強(qiáng)度變強(qiáng)是導(dǎo)致?？谑薪?0年高溫天氣增加的主要因素之一。

圖4 副高面積及強(qiáng)度變化Fig. 4 The area and intensity of the subtropical high

3.2 低壓槽

近60年?？谑谐霈F(xiàn)的1401 d高溫天氣中，有723 d有低壓槽的存在，占整個(gè)高溫天氣天數(shù)的51.6%，可見低壓槽也是?？谑懈邷靥鞖獾闹饕绊懴到y(tǒng)之一。

影響海口市的低壓槽分為4種，分別是越南低壓槽、華南沿海槽、南海低壓槽和西南低壓槽（表1）。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在4種低壓槽影響下的高溫天氣中，西南低壓槽占總天數(shù)的41.0%，其次是華南沿海槽、南海低壓槽和越南低壓槽；從不同槽線影響下的最高氣溫看，溫度最高的為西南低壓槽，達(dá)39.6 ℃；其次是南海低壓槽，為38.9 ℃。整體上看，西南低壓槽對?？谑懈邷靥鞖庳暙I(xiàn)最大。因此，在今后的高溫天氣預(yù)報(bào)中，西南低壓槽下的高溫天氣更容易發(fā)生極端高溫，應(yīng)引起重視。

表1 高溫天氣下各類低壓槽出現(xiàn)頻次Table 1 Frequency of occurrence of various low pressure troughs in high temperature weather

3.3 南亞高壓及海溫特征

南亞高壓是出現(xiàn)在青藏高原及鄰近地區(qū)上空的對流層上部的大型高空系統(tǒng)，是北半球夏季100～200 hPa層上最強(qiáng)大、最穩(wěn)定的控制性環(huán)流系統(tǒng)，對夏季我國大范圍旱澇分布以及亞洲天氣都有重大影響。

根據(jù)錢永甫等[10]分析南亞高壓與我國盛夏氣候異常關(guān)系研究結(jié)果表明，當(dāng)南亞高壓中心位于75°E以西（也稱伊朗高壓）時(shí)，高壓中心及其西北區(qū)域氣溫偏高；當(dāng)中心位于75°E以東時(shí)(也稱青藏高壓），此熱力性高壓中心從上到下對應(yīng)上升運(yùn)動(dòng)，使得高壓中心及其東南地區(qū)形成下沉氣流導(dǎo)致地面氣溫偏高。海口市高溫天氣主要發(fā)生在5—7月，從2009—2019年海口市5—7月南亞高壓平均值變化趨勢進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)（圖5），南亞高壓中心12550線位于25°N，105°E附近，而海口市正位于該高壓中心東南方，正是青藏高壓影響范圍，這與?？谑懈邷靥鞖獾某霈F(xiàn)形成了良好的對應(yīng)關(guān)系。

圖5 南亞高壓位置及其強(qiáng)度Fig. 5 The location and intensity of the South Asia high

海溫方面，NINO綜合區(qū)海溫距平指數(shù)持續(xù) 6 個(gè)月以上≥0.5 ℃（過程中間可有單個(gè)月份未達(dá)指標(biāo)）為一次厄爾尼諾事件；若該區(qū)指數(shù)持續(xù)5個(gè)月≥0.5 ℃，且5個(gè)月的指數(shù)之和≥4.0 ℃，也定義為一次厄爾尼諾事件[11]。

通過統(tǒng)計(jì)分析（圖6），1981—2019年，有5次達(dá)到厄爾尼諾現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)；厄爾尼諾最長時(shí)間為15個(gè)月，出現(xiàn)在1982年6月—1983年8月，NEPI（NEPI指東部型指數(shù)，表征冷舌型ENSO[12]）最大值達(dá)2.99，期間有45 d出現(xiàn)高溫天氣，最長連續(xù)高溫天氣持續(xù)時(shí)間為11 d。厄爾尼諾持續(xù)時(shí)間第二長為13個(gè)月，出現(xiàn)在1997年5月—1998年5月，NEPI最大值達(dá)3.29，期間有38 d出現(xiàn)高溫天氣，最長連續(xù)高溫天氣持續(xù)時(shí)間為12 d；最近一次厄爾尼諾出現(xiàn)在2015年5月—2016年3月，NEPI最大值達(dá)2.25，期間有50 d出現(xiàn)高溫天氣，最長連續(xù)高溫天氣持續(xù)時(shí)間為18 d；此3次厄爾尼諾時(shí)間都出現(xiàn)了明顯的高溫天氣過程，且最長持續(xù)時(shí)間都超過了10 d，可見海溫異常對高溫天氣過程有加成作用。

圖6 近40年NEPI值變化Fig. 6 NEPI value changes in the past 40 years

3.4 熱帶氣旋

不少專家學(xué)者通過分析研究熱帶氣旋對地區(qū)的高溫天氣也有一定的貢獻(xiàn)作用，本文通過對?？谑薪?0年5—9月熱帶氣旋生成前一周是否有高溫天氣出現(xiàn)進(jìn)行相關(guān)性分析，5—9月熱帶氣旋與高溫出現(xiàn)的次數(shù)有明顯相關(guān)，從單因素方差分析結(jié)果看，影響?？跓釒庑c高溫天氣出現(xiàn)的次數(shù)呈顯著相關(guān)（F(0.05)＜F＜F(0.01)）。

熱帶氣旋影響下所帶來的大量風(fēng)雨會緩解高溫天氣，但當(dāng)熱帶氣旋來臨前，在其外圍環(huán)流的偏北下沉氣流作用下，高空大氣有強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)，而伴隨地面氣流不明顯時(shí)，將產(chǎn)生明顯的空氣壓縮做功，導(dǎo)致地面增溫，同時(shí)，伴隨本地上空水汽被熱帶系統(tǒng)抽吸，使得本地下墊面更容易形成高溫天氣。不同路徑的熱帶氣旋影響程度不同，情況也比較復(fù)雜。

表2 熱帶氣旋與高溫天氣相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of tropical cyclones and high temperature weather

4 總結(jié)與討論

1）?？谑懈邷靥鞖獾闹饕绊懺路轂?—7月，其次是4月和8月。?？谑薪?0年最高溫度為39.6 ℃，出現(xiàn)在2001年；其次是38.9 ℃和38.7 ℃；近60年海口市總高溫日數(shù)（日最高氣溫≥35 ℃）為1401 d；高溫日數(shù)年際波動(dòng)較大，近60年有9次年高溫日數(shù)超過40 d，8次出現(xiàn)在近30年；最長高溫日數(shù)為2015年的57 d，其次是2019年的55 d。可見，近年來高溫日數(shù)有明顯增加趨勢。

2）1960—2019年海口市高溫日數(shù)總體趨于緩慢增多趨勢，其趨勢變率約為0.042 d/a，表明?？谑懈邷厝諗?shù)正在緩慢增加，這可能與溫室氣體排放導(dǎo)致全球變暖有關(guān)；同時(shí)城市的人工化程度不斷升高，使得城市熱島效益日益突出，這也是導(dǎo)致高溫天氣頻率增加的要素之一。

3）近60年西太平洋副高的面積和強(qiáng)度均有明顯的增加趨勢，特別是近10年。副高面積最大值出現(xiàn)在2016年，副高強(qiáng)度最強(qiáng)值出現(xiàn)在2015年；副高是一個(gè)深厚的暖性高壓，其控制區(qū)域具有明顯的下沉輻散作用，使得周圍的大氣在太陽輻射作用下迅速升溫，容易形成高溫天氣。

4）低壓槽對海口市高溫天氣影響大。在近60年的1401 d高溫天氣中，有723 d有低壓槽的存在，占整個(gè)高溫天數(shù)的51.6%；按低壓槽分類，西南低壓槽占總數(shù)的41.0%，其次分別是華南沿海槽、南海低壓槽和越南低壓槽。

5）1981—2019年，有5次達(dá)到厄爾尼諾現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)，最長時(shí)間為15個(gè)月，期間有45 d出現(xiàn)高溫天氣；最近一次出現(xiàn)在2015年5月—2016年3月，期間有50 d出現(xiàn)高溫天氣。厄爾尼諾期間都出現(xiàn)了明顯的高溫天氣過程，且最長持續(xù)時(shí)間都超過了10 d，可見海溫異常對高溫天氣過程有加成作用。

6）熱帶氣旋外圍環(huán)流下的下沉氣流也是?？诟邷靥鞖獾闹饕绊懸蛩刂?，從單因素方差分析結(jié)果看，影響海口熱帶氣旋與高溫天氣出現(xiàn)的次數(shù)呈顯著相關(guān)（F(0.05)＜F＜F(0.01)）

從天氣系統(tǒng)上看，春末夏初（3—6月），副高主體在15°—25°N，正是?？谑懈采w范圍，當(dāng)副高控制時(shí)，強(qiáng)大而穩(wěn)定的下沉輻散氣流，極易形成高溫天氣。當(dāng)海口市位于強(qiáng)大的南亞高壓東南方，高壓中心自上而下的上升氣流導(dǎo)致其東南方形成下沉氣流，此時(shí)正是西南低壓槽容易建立的時(shí)候，由于海口市地處海南島北部，西南風(fēng)從海南島西部陸地過來為干熱氣流，及其容易形成高溫天氣。?？谑?—10月為汛期，也是熱帶氣旋影響時(shí)段，南海位于?？谑袞|南方，當(dāng)有熱帶氣旋生成并影響?？谇?，其外圍下沉氣流使得?？谑懈呖沾髿庥袕?qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)，而伴隨地面氣流不明顯時(shí)，將產(chǎn)生明顯的空氣壓縮做功，導(dǎo)致地面增溫，同時(shí)，伴隨本地上空水汽被熱帶系統(tǒng)抽吸，使得本地下墊面容易形成高溫天氣。