摘要: 利用1957~2018年霸州市气温、相对湿度、气压、风向风速等地面气象资料，应用数理统计、趋势分析等方法，对霸州市高温天气的气候特征和气象条件进行了深入分析，结果表明：1) 霸州市高温的年变化规律总体呈增加–减少–增加的趋势，年际分布不均匀，高值区出现在1962~1972年、1997~2002年、2017~2018年，低值区出现在1973~1996年。2) 高温天气5~9月均可出现，主要集中在6~7月，占比为84.1%。3) 高温具有连续性特征，62年共出现连续高温过程达108次，其中1997~2018年间连续出现次数和强度有增强趋势。4) 利于高温发生的气象条件是：前一日日平均气温≥24℃，日最高气温≥32℃，相对湿度40%~70%，地面风力≤3级，风向为偏西南风(SW)到南风(S)，日平均气压995~1010 hpa；尤其当日平均气温≥28℃，日最高气温≥34℃，相对湿度40%~50%，地面风力≤2级，偏西南(SW)到南(S)风向，日平均气压1000~1005 hpa，更加有利于次日高温天气的发生。5) 相比高温前一日，高温当日气象条件变化是：气温平均上升1.3℃；相对湿度平均下降4%；风速平均增大0.2 m/s，风向仍为西南(SW)到南(S)，但频率均增加2%左右；气压平均减小1.3 hpa。6) 降水不利于高温天气发生，但若高温日出现降水，则多出现在午后且多伴有雷暴。以上结论对本地高温预警提供参考思路。
Abstract:
Using the surface meteorological data such as temperature, relative humidity, air pressure, wind direction and wind speed in Bazhou city from 1957 to 2018, the climatic characteristics and me-teorological conditions of high temperature weather in Bazhou city were analyzed in depth by means of mathematical statistics and trend analysis. The results show that: 1) The annual variation of high temperature in Bazhou city showed a general trend of increase-decrease-increase, with uneven interannual distribution. The high value appeared in 1962-1972, 1997-2002, 2017-2018, and the low value appeared in 1973-1996. 2) The high temperature weather can occur from May to September, mainly in June-July, accounting for 84.1%. 3) High temperature had the characteristics of continuous occurrence, and there have been 108 continuous high temperature processes in 62 years, among which the frequency and intensity of continuous occurrence increased from 1997 to 2018. 4) The meteorological conditions conducive to the occurrence of high temperature are as follows: the average daily temperature was ≥24˚C, the maximum daily temperature was ≥32˚C, the relative humidity was 40% - 70%, the surface wind force was ≤3 grades, the wind direction was from SW to S, and the average daily air pressure was 995 - 1010 hpa of the previous day; especially, the average daily temperature was ≥28˚C, the maximum daily temperature was ≥34˚C, the relative humidity was 40% - 50%, the surface wind force was ≤2 grades, and the wind direction from SW to S, the average daily air pressure was 1000 - 1005 hpa, which was more conducive to the occurrence of high temperature weather the next day. 5) Compared with the day before the high temperature, the changes of meteorological conditions on the high temperature day are as follows: the average temperature rises by 1.3˚C; the average relative humidity decreases by 4%; the average wind speed increases by 0.2 m/s, and the wind direction is still from SW to S, but the frequency increases by about 2%; the average air pressure decreases by 1.3 hpa. 6) Precipitation was not conducive to the occurrence of high temperature weather, but if precipitation occurred on high temperature days, it mostly occurred in the afternoon and was accompanied by thunderstorms. The above conclusions provide a reference for local high temperature early warning.
1. 引言
高温是我国常见的灾害性天气之一，对工农业生产、供水、电力、交通等各行业及人民群众均有明显的影响，极端高温天气甚至可造成人、畜中暑死亡 [1] 。因此，准确预报高温天气，及时发布高温预警信号，为政府、公众提供服务，具有十分重要的意义。
研究表明 [2] [3] [4] ，近年来华北、京津冀地区夏季高温天气有上升趋势，高温日数增多，高温强度也有所增大。还有一些专家学者对高温的天气系统和环流形势及其预报流程方面进行了深入研究 [5] [6] [7] ，但目前对于高温天气发生前日和当日气象要素的变化规律却少有系统性的研究，而高温天气不论受哪一种天气系统影响，都会反应在地面气象要素的变化上，气象要素的变化正是高温天气过程形成发展的基础条件，霸州市地处华北平原中部(39˚10'N，116˚24'E，海拔8.9 m)，位于京、津两大直辖市之间，高温天气频发，对霸州高温进行气候变化特征统计，系统分析高温天气的地面气象要素分布特征，为高温预警提供参考依据，是本文研究的意义所在。
2. 高温的定义和资料来源
根据中国气象局规定，日最高气温≥35℃的天气称为高温天气，高温日数指达到高温天气标准的日数。结合《河北省灾害性天气预警信号与防御指南》中高温预警信号的发布标准，本文将高温日分为四个等级，即：≥35℃，≥37℃，≥38℃，≥40℃。按文献 [8] 的做法将高温天气过程按其连续出现的日数和强度分成：一般高温天气过程(连续出现3天≥35℃或虽仅连续2天≥35℃，但其中1天≥38℃)、中等高温天气过程(若连续5天出现≥35℃或仅连续2天出现≥38℃高温)、强高温天气过程(连续出现8天≥35℃或连续3天出现≥38℃)。
本文所选取的资料为：霸州市气象站1957~2018年5~9月气温、气压、相对湿度、风向风速、降水等，其中风向频率起止年限为1971~2018年，雷暴资料起止年限为1957~2015年。
3. 统计结果分析
3.1. 霸州高温的气候特征
3.1.1. 高温日数年际变化特征
统计结果表明：1957~2018年霸州市出现≥35℃，≥37℃，≥38℃，≥40℃的高温日数分别为：753 d、216 d、97 d、16 d，平均每年出现的日数分别为12.14 d、3.48 d、1.56 d、0.26 d；从高温年分布变化看(图1)，高温日数呈弱增加趋势，趋势值为0.5 d/10a，年际间分布不均匀，总体呈增加–减少–增加趋势，其中1962~1972年、1997~2002年、2017~2018年是各级高温天气高发时段，1973~1996年较少，霸州高温的变化与张尚印等 [9] 在华北主要城市夏季高温气候特征及评估方法研究中有一致的结论。除≥40℃的高温天气在1972年前出现较多外，其余各级高温日数均以1997~2018年出现的比例最高，分别占高温总日数的45.8%、46.3%、48.5%。
Figure 1. Interannual variation trend of 4 grades high temperature days in Bazhou city from 1957 to 2018
图1. 1957~2018年霸州市4种等级高温日数年际变化趋势
3.1.2. 极端最高气温变化趋势
从霸州年极端最高气温的逐年变化趋势可以看出(图2)，年极端最高气温出现在1972年(6月10日，41.3℃)，其次是1963年(6月26日)、2000年(7月1日)、2014年(5月29日)，均为41.1℃。最低值出现在1995年(7月10日，35.3℃)。共有11个年份出现了≥40.0℃的极端最高气温，其中1972年以前有5年，1999年以后有6年，与高温日数年变化的趋势基本保持一致。
Figure 2. Interannual variation trend of extreme maximum temperature in Bazhou city from 1957 to 2018
图2. 1957~2018年霸州市极端最高气温年际变化趋势
3.1.3. 高温日数的月变化特征
数据统计结果表明(图3)，霸州市高温天气5~9月均可出现，主要集中在6~7月。各级高温天气均以6月份为最多，年平均出现日数分别为5.55 d、1.69 d、0.82 d、0.16 d，占比分别为45.7%、48.6%、52.6%、62.5%；7月次之，年平均出现日数分别为4.66 d、1.53 d、0.68 d、0.08 d，占比分别为38.4%、44.0%、43.3%、31.3%；第三是5月，年平均出现日数分别为1.10 d、0.21 d、0.06 d、0.02 d，占比分别为9.0%、6.0%、4.1%、6.3%；8月份仅出现≥35℃和≥37℃两个等级的高温天气，年平均日数分别为0.82 d和0.05 d，占比分别为6.8%和1.4%；9月出现高温天气最少，仅2002年出现一次。经统计，历年高温天气出现最早的日期为5月7日，年份为1984年和1986年；最晚出现日期为2002年9月1日。≥40℃的高温天气6月出现10次，7月出现5次，5月出现1次，8月、9月均未出现。
Figure 3. Monthly distribution of 4 grades high temperatures average days in Bazhou city from 1957 to 2018
图3. 1957~2018年霸州市4种等级高温平均日数月分布
3.1.4. 高温天气的连续性特征
高温具有连续出现的特征，图4为连续高温过程的年际变化情况，可以看出，1957~2018年霸州连续高温天气过程出现的次数呈弱增加趋势，线性值为0.05次/10a，年际分布不均匀，总体呈增加–减少–增加的趋势。62年共出现高温过程108次，其中一般高温过程出现80次，中等高温过程24次，强高温过程4次。以连续3天的高温过程为最多，达53次，占总次数的49.1%；连续4天次之，为25次；连续时间最长达11天，出现在1999年6月24日至7月4日。出现高温过程次数最多的年份为1972年，共出现8次，其中4次一般高温过程，3次中等高温过程，1次强高温过程；1968年、2000年、2017年和2018年出现高温过程均为6次。进一步对1997~2018年的高温过程分析发现，期间一般高温过程32次，占比为40%；中等高温过程13次，占比为54.2%；强高温过程3次，占比为75%。这表明1997年以来，高温天气过程出现的次数和强度有上升趋势。
Figure 4. Interannual variation trend of continuous high temperature procss (HTP) in Bazhou city from 1957 to 2018
图4. 1957~2018年霸州市连续高温天气过程年际变化趋势
3.2. 高温的气象要素分布特征
3.2.1. 日平均气温分布特征
对753 d高温天气前一日平均气温进行统计发现，图5(a)所示，其值主要集中在32℃~30℃、30℃~28℃、28℃~26℃、26℃~24℃，占高温总日数的89.2%，其中以30℃~28℃所占比例最大，为30.9%；32℃以上占比3.6%，24℃以下占比7.1%。结果表明当日平均气温≥24℃，特别是≥28℃时，有利于次日出现高温天气。
图5(b)为高温日当天平均气温分布情况，可以看出，与前一日相比，28℃~26℃、26℃~24℃的高温日所占比例下降约8.0%~10.5%，而32℃~30℃，30℃~28℃所占比例上升约11.7%~12.9%，其中30℃~28℃所占比例最大，为43.8%，表明高温当天日平均气温在持续上升，经统计计算，平均上升1.3℃，且日平均气温可达28℃以上。
Figure 5. The daily mean temperature distribution ratio of the high temperature days and before days in Bazhou city from 1957 to 2018
图5. 1957~2018年霸州市高温日及前一日平均气温分布比例
3.2.2. 前一日最高气温分布特征
对753 d高温天气前一日最高气温进行统计发现(图6)，其值主要集中在38℃~36℃、36℃~34℃、34℃~32℃，占高温总日数的86.7%，其中36℃~34℃所占比例最大为29.9%，其次为34℃~32℃占比26.4%，38℃~36℃占比20.6%；32℃~30℃、30℃~28℃分别占比为9.7%和2.7%。表明当日最高气温≥32℃，特别是≥34℃时，有利于次日高温天气的发生。
Figure 6. The maximum temperature distribution ratio of before the high temperature days in Bazhou city from 1957 to 2018
图6. 1957~2018年霸州市高温前一日最高气温分布比例
3.2.3. 日平均相对湿度的分布特征
对753 d高温天气前一日湿度资料进行统计发现(图7(a))，相对湿度主要集中在30%~40%、40%~50%、50%~60%、60%~70%、70%~80%，占比为89.0%，30%以下占比为3.2%，80%以上占比7.8%；其中40%~70%相对集中，占比63.4%，40%~50%占比最多，为22.6%；表明当相对湿度在40%~70%，特别是40%~50%时，有利于次日高温天气的发生。
Figure 7. The daily mean relative humidity distribution ratio of the high temperature days and before days in Bazhou city from 1957 to 2018
图7. 1957~2018年霸州市高温日及前一日平均相对湿度分布比例
同样分析高温当日湿度资料发现(图7(b))，相对湿度为40%~50%所占比例最大，为27.4%；30%~40%、40%~50%、50%~60%所占比例较前一日略增加2%~5%，而60%~70%、70%~80%以上较前一日下降2%~5%，表明高温当天相对湿度有所下降，经统计计算，平均下降4%。
进一步分析发现，相对湿度为30%~60%时，5、6月份的高温日数明显多于7、8月份，当相对湿度为30%~40%时，92.3%的高温日数集中在5、6月份；相对湿度为60%~80%，则为7、8月份的高温日数多于5、6月份，当湿度为70%~80%时，7、8月份的高温日数占比为83.2%。可见，5、6月份高温形成在较低的相对湿度(30%~40%)条件下，表现为干热特点，而7、8月份则生成在较高的相对湿度(70%~80%)条件下，呈现闷热的特征。
3.2.4. 日平均风速及风向频率的分布特征
按《地面气象观测规范》风力等级表 [10] 中的风速范围值，对高温天气前一日平均风速进行统计分析发现(图8(a))，高温前一日2级风出现次数最多为474 d，占比62.9%；其次是1级风174 d，占比23.1%；3级风96 d，占比12.8%；4级风只有9 d。由此可见，当日平均风速为≤3级风，特别是≤2级风时，有利于次日出现高温天气。
Figure 8. The daily mean wind speed distribution ratio of the high temperature days and before days in Bazhou city from 1957 to 2018
图8. 1957~2018年霸州市高温日及前一日平均风速分布比例
同样分析高温当日平均风速分布特征发现(图8(b))，仍为2级风出现最多482 d，占比64.1%；其次是3级风139 d，占比18.5%；1级风112 d，占比14.9%；4级风19 d，5级风1 d。与前一日相比，2~5级风所占比例增加0.1%~5.7%，1级风所占比例减少8.2%，表明高温日当天日平均风速有增大趋势，经统计计算，增加幅度不大，平均0.2 m/s。
选取1971~2018年高温天气当日及前一日02、08、14、20时的风向，按16方位统计分析，如图9(a)，高温前一日的风向频率分布范围集中在SW、SSW、S三个方位，SSW风向所占比例最大为14.4%，SW风向次之13.0%，S风第三，占比为10.1%，表明当风向为SSW、SW、S风向时有利于次日出现高温天气。
图9(b)为高温当日风向频率分布特征，可以看出，风向仍为SW~S风最多，且较前一日相比，3个风向频率的比例均略有增加，SSW风向频率增加最多为2.8%，S风增加2.0%，SW增加1.7%。
Figure 9. Wind direction Rose Map of Bazhou city of the high temperature days and before days from 1957 to 2018
图9. 1971~2018年霸州市高温日及前一日风向玫瑰图
3.2.5. 日平均气压分布特征
对753 d高温天气前一日的气压资料进行统计发现(图10(a))，日平均气压主要集中在995~1000 hpa、1000~1005 hpa、1005~1010 hpa，共占高温总日数的95%，其中以1000~1005 hpa占比最大，为49%，其次是995~1000 hpa，占比25%；990~995 hpa占比3%，1010~1015 hpa占比2%。表明当日平均气压在995~1010 hpa，特别是1000~1005 hpa时，有利于次日出现高温天气。
同样分析高温当日气压资料发现(图10(b))，日平均气压同样集中在上述三个等级范围，其中1000~1005 hpa、995~1000 hpa比例最大，分别为50.3%和31.7%；较前一日相比，1005 hpa以下所占比例呈上升趋势，1005 hpa以上呈下降趋势，特别是995~1000 hpa上升6.5%，而1005~1010 hpa下降7.0%。这表明高温当天日平均气压逐步下降，经统计计算，平均降低0.8 hpa。
Figure 10. The daily mean air pressure distribution ratio of the high temperature days and before days in Bazhou city from 1957 to 2018
图10. 1957~2018年霸州市高温日及前一日平均气压分布比例
3.2.6. 降水分布特征
按照GB/T 28592-2012《降水量等级》 [11] 中降水等级的规定，对753 d高温前一日和当日的降水分布情况进行分析(图11)，高温前一日为无降水、小雨、中雨、大雨、暴雨的日数分别为660 d、86 d、4 d、2 d、1 d，分别占高温总日数的87.7%、11.4%、0.5%、0.3%、0.1%。高温当日按上述雨量级别的日数分布顺序依次为：700 d、48 d、3 d、1 d、1 d，分别占比为93.0%、6.4%、0.4%、0.1%、0.1%。说明降水天气不利于高温的发生。
Figure 11. The different precipitation levels distribution ratio of the high temperature days and before days in Bazhou city from 1957 to 2018
图11. 1957~2018年霸州市高温日及前一日不同等级降水日数分布比例
对降水量≥0.1 mm的53个高温日资料进行分析发现，高温日出现降水有以下三个特点：1) 多出现在连续高温天气过程中，其中40次降水出现在连续2 d以上的高温天气中，占比75%，连续3 d以上的高温天气出现30次降水，占比57%。2) 降水主要集中在午后(14~20时)和夜间(20~08时)两个时间段，占比分别为59.6%和38.5%；只有1次出现在上午(08~14时)，降水量为微量，持续时间短，伴有雷暴，降水结束后风速增大，风向由SE变为SW，相对湿度从60%减小为39%，天空云状由高积云转为密卷云，云量减少，午后气温随之上升至36.4℃。3) 高温日出现的降水多伴有雷暴，统计1957~2015年期间高温日出现的降水共47次，其中42次出现了雷暴，占比89%。这说明当能量积累到一定程度时，要警惕高温日午后局地性雷雨天气的发生。
4. 结论
1) 霸州市4种等级高温日数的年际变化特征基本一致，总体呈增加–减少–增加的趋势，高峰期出现在1962~1972年、1997~2002年、2017年~2018年，除≥40℃的高温天气在1972年前出现较多外，各级高温日数均以1997~2018年出现的比例最高，分别占高温总日数的45.8%、46.3%、48.5%。
2) 霸州市高温天气5~9月均可出现，以6月为最多，7月次之，6~7月高温日数占比84.1%。
3) 极端最高气温与高温日数年际变化趋势基本一致，经历了从高到低再到高的变化过程，极端最高值41.3℃。
4) 连续高温天气过程出现次数最多的年份是1972年，其次是1968年、2000年、2017年、2018年。高温持续日数最长的年份是1999年，共持续了11天。1997年以来，高温天气过程出现的次数和强度呈现上升趋势。
5) 有利于高温天气发生的地面气象要素条件为：
高温前一日日平均气温≥24℃；日最高气温≥32℃；相对湿度40%~70%，其中5、6月份为30%~60%，具有干热特征，7、8月份为60%~80%，具有闷热特征；日平均风速风力等级≤3级，风向为SSW、SW、S；日平均气压在995~1010 hpa之间。当前一日日平均气温≥28℃，日最高气温≥34℃，相对湿度40%~50%，风力等级≤2级，日平均气压1000~1005 hpa时，更加有利于次日高温天气的发生。
高温当日较前一日气象要素特征表现为：日平均气温上升；日相对湿度下降；日平均风速略增大，风向仍为SW~S，但频率略有增加；日平均气压减小。
高温前一日和当日均为无降水日占比最多，降水天气有利于降温，但需警惕连续高温日午后局地性雷雨天气的发生。
基金项目
河北省廊坊气象局2019年项目(201913)。