摘要:
利用新疆生产建设兵团第二师铁门关国家气象观测站1961~2017年的最高气温初日、最高气温终日及5~9月的逐日最高气温等观测资料和NCEP 1˚ × 1˚再分析资料，针对铁门关市高温天气的气候特征及其环流背景进行了综合统计和分析。结果表明：1) 新疆生产建设兵团铁门关市近57 a的平均高温日数为30 d，主要集中出现在7月中旬至8月上旬，占总高温日数的42.9%。2) 铁门关市的高温日数具有较为明显的年代际变化，2008年为最多高温年份，高温日数为46 d；最少年出现在1993年，仅有10 d。3) 铁门关市的高温分布整体呈逐年上升趋势，近16 a上升趋势较为明显，高温日数增多，且高温天气的持续时间和强度都呈现逐渐增强的趋势。4) 在500 hPa高度场上，铁门关市的持续高温天气过程主要表现为四类环流形势：新疆脊控制型、伊朗副高东伸发展型、伊朗副高与新疆脊共同影响型、伊朗副高与西太副高形成的两高对峙型。其中，伊朗副高与新疆脊共同影响型则极有利于极端高温天气(Tmax ≥ 40℃)的出现。高温持续时间与副高的强度和位置有着十分密切的联系，当副高强、范围大，则对应的高温天气强度大，且持续时间长、影响范围广。
Abstract:
Using the observation data and the NCEP 1˚ × 1˚ reanalysis data taken from the first day with the recorded highest temperature, the last day with the recorded highest temperature, and the day-by-day maximum temperature from May to September between 1961-2017 of the Tiemenguan National Meteorological Observatory under the Xinjiang Production and Construction Corps 2nd Di-vision, a comprehensive statistics and analysis on the climatic characteristics and circulation back-ground of the high temperatures in Tiemenguan City was carried out. The results indicate that: 1) The average number of days with recorded high temperatures near 57 a of Xinjiang Production and Construction Corps in Tiemenguan City is 30 days, concentrated mainly from mid-July to early Au-gust, and accounts for 42.9% of the total number of days with recorded high temperatures; 2) The number of days with recorded high temperatures in Tiemenguan City shows obvious interdecadal variations. The year 2008 had the longest number of days with recorded high temperatures, name-ly 46 days while the year 1993 had the shortest number of days with recorded high temperatures, with only 10 days; 3) The distribution of days with recorded high temperatures in Tiemenguan City increases every year. The rising trend is more evident near 16 a, with an increase in the number of days with recorded high temperatures, as well as a gradual increase in the duration and intensity of the hot weather; 4) In the 500 hPa height field, the continuous hot weather in Tiemenguan City is mainly represented by four types of circulation: the Xinjiang ridge control type, the Iranian sub-tropical high east extension development type, the joint influence type of Iranian subtropical high and Xinjiang ridge, and the two high confrontation types formed by the Iranian subtropical high and the west Pacific subtropical high. Among them, the joint influence types of Iranian subtropical high and the Xinjiang ridge are extremely conducive to the emergence of extreme high temperature (Tmax ≥ 40˚C). There is a strong correlation between the duration of high temperature and the intensity and position of the subtropical high. When the subtropical high is stronger and the scope is larger, the corresponding hot weather is more intense, lasts longer and has a wider influence.
1. 引言
随着全球气候变暖及城市化背景下的城市热岛效应，极端高温天气的频繁出现给人们的生产、生活带来了不利影响，同时也对水资源、生物种类、海平面变化等方面都产生着一定影响；世界各国的高温天气呈频发趋势，针对这种日趋严重的气象灾害，诸多气象学者都从不同角度对高温天气进行了各种分析，并得出了许多科学结论 [1] - [7] 。任国玉 [8] 等研究发现我国年平均地表气温在近54 a中的增暖幅度约为1.3℃，增温速率接近0.25℃/10 a，其增率相比于全球或半球同期值都呈现了明显偏高的态势。成孝平 [9] 等研究发现：我国北方高温天气的变化趋势不太明显，在20世纪80年代后期呈现着较为明显的上升趋势，西南地区则主要在80年代后期呈急剧下降的趋势。
南疆位于天山山脉和昆仑山山脉之间，是我国最干旱的地区 [10] ，诸多气象学者也针对新疆的极端高温天气进行了相关研究。袁晴雪 [11] 等分析了中国天山山区1959~2000年的气温降水资料，研究发现天山山区年平均气温在近42 a以来具有显著的线性升温趋势。元慧慧 [12] 等发现1951~2007年之中南疆夏季气温异常的频率达26%；气温异常存在显著为20年周期震荡和弱的10年周期震荡；南疆夏季酷暑年份和凉夏年份表现为相反的环流形势。任广成 [13] 等研究发现南疆地区夏季高温的形成与北半球大气环流和北太平洋海温异常变化相联系。商莉 [14] 等通过分析2015年夏季南疆地区高温冰雪洪水特征，发现该年度大范围的高温天气促使南疆地区从高空到地面各高度层的气温均有所升高，而0℃层高度则均比雪线高度偏高，致使南疆多发冰雪消融性洪水。与此同时，很多气象学者也针对发生对南疆区域的高温天气进行了分析和研究，并得出了诸多结论 [15] [16] 。
新疆铁门关市是与新疆生产建设兵团第二师实行师市合一的管理体制，其位于天山南麓的巴音郭楞蒙古自治州境内，地处塔里木盆地东部，是古丝绸之路中段的必经之地。作为全国高效农业示范区之一，新疆生产建设兵团第二师是棉花、香梨等特色农业生产基地，也是全国最大的马鹿养殖基地之一；近年来的极端高温天气给该区域的农业生产和人民生活都带来不利影响。因此，通过研究本区域内的高温气候特征及其环流形势分析，对于准确预报高温天气、及时发布高温预警信号就显得十分有意义。
2. 资料与方法
所用资料为新疆生产建设兵团第二师铁门关国家气象观测站1961~2017年5~9月逐日最高气温资料、极端最高气温和NCEP 1˚ × 1˚再分析资料。利用一元回归分析法统计出铁门关市夏季最高气温随时间的演变趋势。根据《气象灾害预警信号发布与传播办法》中高温预警信号黄色、橙色、红色三个等级的划分标准，本文根据该标准将铁门关市的高温天气分为一般高温日(35℃ ≤ Tmax < 37℃)、强高温日(37℃ ≤ Tmax < 40℃)、极端高温日(Tmax ≥ 40℃)。在本文中，将某年首次出现高温日的当日定义为该年度的高温初日，最后一次出现高温日的当日定义为该年度的高温终日。
3. 高温天气气候特征
3.1. 高温的年际变化特征
57 a新疆铁门关市共出现高温天数1697 d，平均每年30 d。从(图1)可以得出，铁门关市的高温日数具有较为明显的年代际变化，最多高温年份出现在2008年，达46 d；最少年则出现在1993年，仅有10 d。一般高温日共出现1183 d，占总日数的69.7%，平均20.8 d/a，最多年出现在2002年，出现35 d。强高温日出现481 d，占总日数的28.3%，平均8.3 d/a，最多年出现在2007年、2016年，均为20 d；1993年、2012年则未出现过。极端高温日出现33 d，占总日数的1.9%，平均每年0.6 d，最多年出现在1975年、2015年，均为5 d；其中57 a内有42 a没有出现极端高温日。由此可见，铁门关市的高温天气主要在35℃~40℃之间，占总高温日的98.0%。本文规定高温日数超过35 d的为多高温年，多高温年有1965、1978、1980、1986、1991、1994、1997~1999、2001、2002、2007、2008、2011、2015~2017年，共17 a。从图1可以看出，铁门关市的高温分布整体呈逐年上升趋势，近16 a上升趋势较为明显，高温日数增多，且高温的持续时间和强度都呈逐渐增强的趋势，2015年和2017年的持续极端高温天气表现地尤为明显。
3.2. 高温的月分布特征
从(图2)可以看出，新疆铁门关市每年的5~9月都易出现高温天气，但在6~8月又表现地相对集中，高温日数为1592 d，占总高温日数的93.8%；其中7月高温日数为最多，达到661 d，占高温总日数的39.0%；强高温日数为211 d，占强高温总日数的43.9%；极端高温出现20 d，占极端高温总日数的60.6%；其中，出现在7月中旬至8月上旬的高温日数占总高温日数的42.9%。5月出现的高温日数偏少，只有83 d；而9月则更少，仅有20 d。由此得出，铁门关市的高温天气主要出现在7~8月，而相对集中的时间段则为7月中旬至8月上旬。
3.3. 高温初、终日年际变化特征分析
从(图3)可以看出，铁门关市近57 a高温初日逐年变化总体呈缓慢推迟的趋势(未通过0.05显著性水平检验)，推迟2.5 d/10 a (历年高温初日为5月28日)。通过分析高温初日的年代变化特征可以看出，20世纪60年代的高温初日主要出现在5月下旬至6月上旬初期；70年代多出现在6月上旬至中旬；而从80年代到20世纪末的高温初日又有所提前，多出现在5月上旬；21世纪初又略有推迟，多出现在5月中旬至6月上旬。57 a中高温初日最晚出现在1987年6月28日，比常年推迟了31 d，该年度出现高温日数为27 d；其次出现在1973年的6月25日，相对于常年推迟了28 d，该年度出现高温日数为26 d。
从(图4)可以看出，铁门关市高温终日逐年变化总体呈提前的趋势(未通过0.05显著性水平检验)，
Figure 1. Variation curve of number of high-temperature days in Tiemenguan from 1961 to 2017
图1. 1961~2017年铁门关市高温日数变化曲线图
Figure 2. Monthly distribution features of high-temperature days in Tiemenguan City
图2. 铁门关市高温日数月分布特征
Figure 3. Variation curve of first day of high temperature of Tiemenguan City from 1961 to 2017
图3. 1961~2017年铁门关市高温初日变化曲线图
Figure 4. Year-by-year variation of last day of high temperature of Tiemenguan City from 1961 to 2017
图4. 1961~2017年铁门关市高温终日逐年变化
提前2 d/10 a (历年高温终日为8月24日)。通过分析高温终日的年代变化特征可以看出，20世纪60~70年代高温终日主要出现在8月下旬末至9月上旬初，相对于常年略偏晚；90年代至21世纪初期高温终日则有所提前，主要出现在8月中旬至下旬。在57 a中最早的高温终日出现在2016年8月5日，比常年提前了19 d，该年度高温日数为39 d；最晚终日则出现在2003年9月13日，比常年推迟了19 d，该年度高温日数出现了24 d。
4. 高温天气过程的环流形势分型
灾害性天气是在特定的环流形势下与天气系统相互作用而形成的，因此，通过把握环流形势的主要特征，对于提高灾害性天气预测预报准确率和气象灾害防御等方面都有着深远的意义。本文利用NCEP 1˚ × 1˚再分析资料分析了铁门关市近57 a的高温天气进行了分析，发现高温天气的发生与高空环流形势的持续稳定有着较为密切的联系。在500 hPa高度场上，铁门关市的持续高温天气过程主要表现为四类环流形势：新疆脊控制型、伊朗副高东伸发展型、伊朗副高与新疆脊共同影响型、伊朗副高与西太副高形成的两高对峙型。其中，伊朗副高与新疆脊共同影响型则极有利于极端高温天气(Tmax ≥ 40℃)的出现。高温持续时间与副高的强度和位置有着十分密切的联系，当副高强、范围大，则对应的高温天气强度大，且持续时间长、影响范围广。
4.1. 新疆脊控制型(图5a)
乌拉尔山大槽建立，新疆脊逐渐由浅脊发展成为经向度较大的脊，环流形势由纬向转为经向，脊顶可延伸至65˚N以北。乌拉尔大槽的槽前西南风带明显增强，新疆脊后部为温度脊，且温度脊落后于高度脊，随着暖平流沿西南气流不断向东北输送，新疆的浅脊逐渐发展成大尺度的高压脊，伊朗副高强盛且
(a) 
(b) 
(c) 
(d)
Figure 5. 500 hpa circulation feature of continuous high-temperature weather. (a) the Xinjiang ridge control type; (b) the Iranian subtropical high east extension development type; (c) the joint influence type of Iranian subtropical high and Xinjiang ridge; (d) the two high confrontation types formed by the Iranian subtropical high and the west Pacific subtropical high
图5. 持续高温天气过程500 hpa环流形势。(a) 新疆脊控制型；(b) 伊朗副高东伸发展型；(c) 伊朗副高与新疆脊共同影响型；(d) 伊朗副高与西太副高形成的两高对峙型
位置稳定而少动；通常584位势什米等高线影响新疆，南疆大部则受588位势什米等高线(又称副高脊线)控制，新疆铁门关市一般受588位势什米等高线控制。这种类型有利于铁门关市的一般高温天气和强高温天气的出现，高温天气维持时间一般维持在3天左右，如果北支锋区上有浅脊叠加，则维持时间相对长一些。随着乌拉尔大槽的东移，大槽中的温压场趋于减弱，冷平流移至槽前，受其影响，新疆脊快速减弱东移，新疆的高温天气趋于结束。
4.2. 伊朗副高东伸发展型(图5b)
里海、咸海通常为低槽区，新疆脊发展比较旺盛；随着伊朗副高东伸发展，里海、咸海的低压槽逐渐东移，新疆脊不断得到发展；与此同时，里海、咸海的低压槽源源不断地得到来自欧亚大槽中分裂短波所带来的冷空气补充，使得槽前后的正负变高逐步增强，槽前的西南风也随之明显增强，暖空气不断沿西南气流北上，使得新疆脊得到发展并不断增强。通常584位势什米等高线控制南疆大部，这种类型，通常铁门关市的高温天气维持时间相对较长，最长持续高温日数为15天(1986年)。
4.3. 伊朗副高与新疆脊共同影响型(图5c)
乌拉尔山与贝加尔湖通常为低值系统活动区，新疆脊发展，乌拉尔山地区的低压槽后有冷空气不断补充南下，槽前暖平流维持，给新疆脊的维持提供能量；随着伊朗副高发展并东伸北抬，与新疆脊打通(脊线在50˚~95˚E范围之间)；通常588位势什米等高线进入南疆盆地，新疆大部受584位势什米等高线控制，铁门关市一般在588位势什米等高线控制之下，极有利于极端高温(Tmax ≥ 40℃)天气的出现，主要出现在8月上旬。
4.4. 伊朗副高与西太副高形成的两高对峙型(图5d)
东欧与贝加尔湖通常为低槽区，里海、咸海则有高压脊发展，伊朗副高在东伸北抬过程中与该高压脊叠加，脊顶可延伸至60˚~70˚N。随着副热带西风环流的加强，伊朗副高逐渐南下西退；与此同时，西太副高向西发展，并与新疆脊叠加，584位势什米线等高线控制南疆大部，铁门关市处于该脊控制之下，极易造成铁门关市的持续性高温天气的出现。
综上所述：持续的高温天气与副热带高压的强度和位置有着十分密切的关系，副高强度越大，位置稳定少动或移动缓慢，并且天气系统的上游无爆发性的冷空气南下，则十分容易出现强度大、持续时间长、影响范围广的高温天气过程。
5. 结论
1) 新疆生产建设兵团铁门关市近57 a的平均高温日数为30 d，主要集中出现在7月中旬至8月上旬，占总高温日数的42.9%。
2) 铁门关市的高温日数具有较为明显的年代际变化，最多高温年份出现在2008年，为46 d；最少年份为1993年，只出现了10 d。
3) 铁门关市的高温分布整体呈逐年上升趋势，近16 a上升趋势较为明显，高温日数增多，且高温天气的持续时间和强度都呈现逐渐增强的趋势。
4) 在500 hPa高度场上，铁门关市的持续高温天气过程主要表现为四类环流形势：新疆脊控制型、伊朗副高东伸发展型、伊朗副高与新疆脊共同影响型、伊朗副高与西太副高形成的两高对峙型。其中，伊朗副高与新疆脊共同影响型则极有利于极端高温天气(Tmax ≥ 40℃)的出现。高温持续时间与副高的强度和位置有着十分密切的联系，当副高强、范围大，则对应的高温天气强度大，且持续时间长、影响范围广。
基金项目
创新研究基金课题xxzx201803。
NOTES
*通讯作者。