1. 引言
全球气候系统变暖是毋庸置疑的。2018年10月IPCC发布的《IPCC全球升温1.5℃特别报告》中 [1] 指出，当前全球平均温度相比工业革命前的水平已经上升了1℃，很可能在2030~2052年之间达到温升1.5℃。以上观点已得到一定的证实 [2] [3] [4] ：基于全球变暖的总背景，中国的气候变暖情景与全球气候变暖表现出基本同步的趋势，且趋势更为突出。前人 [5] [6] 对于中国气候的暖向变化研究指出，20世纪以来，中国的平均温度具有显著的升高趋势，幅度约为0.4℃~0.5℃。
目前，已有大量学者 [7] [8] [9] [10] 对高温事件，尤其是持续性高温事件进行研究，发现其对社会经济平稳发展具有诸多不利的影响，气温的升高可导致农业的巨大损失以及人类热相关疾病和死亡风险的增加。最新观测数据表明，全球极端高温事件的强度、频率和持续时间均有增加趋势 [11] 。2003年夏，欧洲发生了破纪录的高温热浪事件，据推测，欧洲大陆中西部地区约4万人因该事件死亡 [12] 。高温灾害研究已引起政府部门和科学界的广泛关注，成为了升温背景下的气候研究热点。
新疆位于亚洲中部干旱区，水资源匮乏，生态环境脆弱，对气候变化的响应更为敏感 [13] 。新疆作为中国重要的粮棉基地，也是高温热浪多发区 [14] ，频繁发生的高温热浪加快土壤水分蒸发，致使干旱进一步加剧，干旱和热浪耦合会放大灾害强度，对社会经济及生态环境产生重大影响 [15] 。近年来，阿勒泰地区受极端天气影响显著。2022年6月23日，阿勒泰地区出现极端高温天气，70个站气温在37℃以上，41个测站最高气温达到38℃以上，其中福海县三个泉最高气温达到40℃。吉木乃县36.1℃日最高气温破6月历史极值，布尔津县36.9℃，福海县38.7℃日最高气温居6月历史第二位，阿勒泰市36.1℃、哈巴河县37.1℃日最高气温居6月历史第三位。
阿勒泰地区的极端高温灾害天气已为当地社会、农业以及人民生命、财产安全造成了一定损失。气候变暖背景下，对新疆阿勒泰地区极端高温天气的气候特征进行系统、科学的分析，加深我国北疆极端高温天气时空变化规律的了解，能够从国家和区域层面实现有效、高效的防灾减灾，并为科学应对极端气候事件提供基础科技支撑 [16] 。
2. 资料和方法
2.1. 所用资料
本文所用的2米气温气候数据集来自ERA5再分析格点数据，时间分辨率为逐小时，空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚，选取时段为1981~2022年5~9月。高空、地面资料来源于NCEP/NCAR提供的月平均再分析资料，分辨率为2.5˚ × 2.5˚。
2.2. 所用方法
本文研究对象为阿勒泰地区，地处新疆北部，与俄罗斯、哈萨克斯坦、蒙古三国接壤；地貌类型复杂多样，夏季干热，冬季严寒，气温年较差较大。本文所用极端事件指数为极端高温指数(TXX)，为国际上通用的极端气候指数之一。计算方法为：取日最高气温的极高值 [17] 。
3. 阿勒泰地区极端高温天气的气候特征
图1给出了1981~2022年阿勒泰地区夏季逐月最高气温气候态分布，总体来看，6月(图1(a))和8月(图1(c))最高温度气候态分布类似，最高气温超过36℃的地区主要出现在位于阿勒泰地区西南部的准噶尔盆地附近，包括福海县西部和南部、富蕴县南部偏南地区，最高气温超过34℃的地区主要集中在福海县大部、富蕴县西部、阿勒泰市南部、布尔津县南部和哈巴河县南部；阿勒泰地区气温在7月(图1(b))显著偏高，气温分布形势与6月和8月类似，但福海县西部和南部地区最高温度超过了38℃。整个夏季(图1(d))来说，最高气温超过40℃的地区主要位于阿勒泰地区西南部的准噶尔盆地附近，最高气温超过38℃的地区主要出现在福海县偏西和偏南地区、富蕴县南部偏南地区，最高气温超过36℃的地区主要出现在福海县大部、富蕴县偏东和偏南地区、阿勒泰市南部、布尔津县南部、哈巴河县南部和吉木乃县北部偏北地区。值得注意的是，受天山山脉地形影响，在山脉迎风坡和背风坡两侧最高气温呈现断崖式差异，差值超过6℃。
Figure 1. Climatic distribution of the maximum temperature (TXX) in (a) June; (b) July; (c) August; (d) Summer in Altay area, 1981~2022 (unit: ˚C)
图1. 1981~2022年阿勒泰地区(a) 6月、(b) 7月、(c) 8月、(d) 6~8月最高气温(TXX)气候态分布(单位：℃)
Figure 2. Standard deviation distribution of the maximum temperature (TXX) in (a) June; (b) July; (c) August; (d) Summer in Altay area, 1981~2022 (unit: ˚C)
图2. 1981~2022年阿勒泰地区(a) 6月、(b) 7月、(c) 8月、(d) 6~8月最高气温(TXX)标准差分布(单位：℃)
图2给出了1981~2022年阿勒泰地区夏季逐月最高气温标准差分布，总体来看，6月(图2(a))和8月(图2(c))最高温度标准差分布类似，标准差大值区主要集中在阿勒泰地区的西北部，呈现一南一北双峰值区型分布，大值区中心数值约为2℃~2.5℃，7月最高温度标准差变化(图2(b))显著强于夏季的其他月份，最高温度变率较大的地区主要位于福海县北部、富蕴县西部偏西地区、阿勒泰市东南部、布尔津县南部、哈巴河县东南部和吉木乃县北部、东部。整个夏季(图2(d))来说，最高气温变率整体上处于1.5℃~2.0℃之间，大值区主要出现在福海县北部、富蕴县中部和布尔津县南部。
对阿勒泰地区最高气温的年代际变化进行分析(图3)，可以发现，6月(图3(a))和8月(图3(c))最高气温的年代际变化振幅和趋势显著小于7月(图3(b))，6月最高温度最大值出现在2011年，为44.1℃，最小值出现在1987年，为36.4℃，8月最高温度最大值出现在2002年，为43.8℃，最小值出现在2003年，为36.6℃。7月最高温度具有明显的年代际振荡变化，尤其在进入21世纪后更加明显，出现3个峰值，且振幅有逐渐增加的趋势，最高温度最大值出现在2016年，为47.5℃，最小值出现在2004年，为37.1℃。夏季(图3(d))最高温度的年代际变化总体上呈现明显增加的趋势。
Figure 3. Decadal Variation of the Maximum Temperature (TXX) in (a) June; (b) July; (c) August; (d) Summer in Altay area, from 1981 to 2022 (Unit: ˚C)
图3. 1981~2022年阿勒泰地区(a) 6月、(b) 7月、(c) 8月、(d) 6~8月最高气温(TXX)年代际变化(单位：℃)
4. 阿勒泰地区极端高温天气的环流背景
上文的分析表明，阿勒泰极端高温天气具有明显的年代际特征。为了分析导致其背后的天气学原因，对其高温天气的异常环流特征进行分析。此外，前人的研究表明：对流层中上层的位势高度异常和低层温度平流是影响地表气温两个最重要的环流因子 [18] 。因此本章中采用TXX指数多年平均值±1个标准差选取阿勒泰地区极端高温天气高值年和低值年，具体如下：
高温热浪高值年份：2000、2004、2006、2010、2011、2015、2017；
高温热浪低值年份：1985、1988、1993、2003、2009、2013、2014、2020。
本文将对中低层大气即500 hPa、850 hPa极端高温高值年与低值年的高度场、温度场以及湿度场、海平面气压场差值进行分析。
4.1. 阿勒泰地区极端高温天气中层环流异常分析
图4表示阿勒泰地区极端高温天气高值年与低值年500 hPa环流场差值。阿勒泰地区发生极端高温天气时，500 hPa位势高度场异常从北往南呈现“+−+”的多级分布，在巴尔喀什湖和贝加尔湖附近各存在一个正异常中心，同时在东亚中纬度存在以辽东半岛为中心的带状位势高度场负异常区域，中心数值超过−15 gpm，在我国华南地区以南存在弱位势高度场正异常区域。由此可见，阿勒泰地区极端高温天气较为显著时，西西伯利亚至中亚地区位势高度场为高值系统控制，北疆地区为浅高压脊控制，伊朗副高发展东伸北抬，与北支的高压脊同位相叠加，受西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)影响较小。同时，西伯利亚高压的位置偏北不利于冷空气的东移南下。可见，伊朗副高东伸型是造成新疆区域性高温天气过程最多的一种天气形势，这与前人研究结论较为一致 [19] 。
从中高层温度场(图4(b))上看，阿勒泰地区发生极端高温天气时，巴尔喀什湖和贝加尔湖东侧的500 hPa温度场出现负异常，同时，在我国境内存在广阔的温度场正异常区域，中心位于黄河中上游及黄淮地区，最大差值超过1℃，阿勒泰地区处于该正异常中心的北部，表明当阿勒泰地区发生极端高温天气时，中高层温度场上具有全国一致性的变化特征，与500 hPa位势高度场形势具有一定的一致性。
Figure 4. Difference between the maximum temperature (TXX) in high and low value years in (a) geopotential height field (unit: gpm); (b) temperature field (unit: ˚C) at 500 hPa in Altay area (the dotted area passes the 95% confidence t-test, and the green contour line is the boundary of administrative divisions in Altay area)
图4. 阿勒泰地区最高气温(TXX)高值年与低值年500 hPa：(a) 位势高度场(单位：gpm)；(b) 温度场(单位：℃)差值(打点区域通过95%置信t检验，绿色轮廓线为阿勒泰地区行政区划边界)
4.2. 阿勒泰地区极端高温天气低层环流异常分析
由阿勒泰地区极端高温天气850 hPa位势高度场高值年与低值年差值图可知(图5)，阿勒泰地区发生极端高温天气时，850 hPa位势高度场上东亚地区普遍存在显著的正异常区域，在巴尔喀什湖西部、贝加尔湖南部、青藏高原北部和海南岛附近存在正异常高值中心，阿勒泰地区处于中高纬度巴尔喀什湖西部和贝加尔湖南部的正异常中心之间。可见，当阿勒泰地区发生极端高温天气时，西太平洋地区持续向阿勒泰地区输送大量偏暖气流，为高温天气的进一步维持提供了有利条件；同时，西伯利亚南部地区和我国西北地区的高值系统对冷空气的东移南下形成了较强的阻挡，有利于高温天气的维持。
由阿勒泰地区极端高温天气高值年与低值年在850 hPa温度场差值图可知(图5(b))，阿勒泰地区发生极端高温天气时，850 hPa温度场异常从北往南呈现“+−+”的多级分布，在巴尔喀什湖东部至我国东北部偏北地区为狭长带状的正异常中心，阿勒泰地区处于该正异常区域中，同时，在东亚中纬度存在以长江上游地区为中心的带状位势高度场负异常区域，在我国华南地区以南存在弱位势高度场正异常区域。以上分析表明，阿勒泰地区发生极端高温天气时，东亚地区纬向存在相反的变化特征，伊朗高压的影响较为明显。
Figure 5. Difference between the maximum temperature (TXX) in high and low value years in (a) geopotential height field (unit: gpm); (b) temperature field (unit: ˚C) at 850 hPa in Altay area (the dotted area passes the 95% confidence t-test, and the green contour line is the boundary of administrative divisions in Altay area)
图5 阿勒泰地区最高气温(TXX)高值年与低值年850 hPa：(a) 位势高度场(单位：gpm)；(b) 温度场(单位：℃) (打点区域通过95%置信t检验，绿色轮廓线为阿勒泰地区行政区划边界)
由图6(a)可知，阿勒泰地区发生极端高温天气时，850 hPa垂直速度场上变化较为显著。阿勒泰地区处于垂直运动弱负异常区域中，在其南侧、东侧和北侧均存在一个低层垂直运动正异常大值中心，其中心最大值分别超过20 Pa/s、12 Pa/s和8 Pa/s。以上分析表明，阿勒泰地区发生极端高温天气时，伊朗高压和新疆脊均较为强盛，因此，气流下沉运动更加显著，这与前文对高低差环流场的分析相对应。由于阿勒泰地区地面气温较高，使得低层大气被加热而产生上升运动，从而使高层大气辐散，周围的高值系统进一步加强。
图6(b)表征阿勒泰地区极端高温天气高值年与低值年850 hPa上比湿场差值。比湿场可以表征某个地区上空水汽含量的多少，由图可知，阿勒泰地区极端高温天气发生时，全国呈现大范围一致性的低层比湿负异常，其中，负异常中心出现在黄河中上游地区。可见，阿勒泰地区极端高温天气发生时，天气形势较为稳定，以晴天为主，辐射升温也进一步加强，大气中水汽含量较低，为高温天气的持续提供了有利的条件。
Figure 6. Difference between the maximum temperature (TXX) in high and low value years in (a) omega field (unit: Pa/s); (b) specific humidity field (unit: g/kg) at 850 hPa in Altay area (the dotted area passes the 95% confidence t-test, and the green contour line is the boundary of administrative divisions in Altay area)
图6. 阿勒泰地区最高气温(TXX)高值年与低值年850 hPa：(a) 垂直速度场(单位：Pa/s)；(b) 比湿场(单位：g/kg)差值(打点区域通过95%置信t检验，绿色轮廓线为阿勒泰地区行政区划边界)
4.3. 阿勒泰地区极端高温天气海平面气压场异常分析
由阿勒泰地区极端高温天气高值年与低值年海平面气压场差值分析可知(图7)，阿勒泰地区发生极端高温天气时，全国呈现大范围一致性的海平面气压场正异常，其中，正异常中心出现在黄河中上游地区以及河套地区。由以上分析可知，阿勒泰地区发生极端高温天气时，由于高空多为高压系统控制，下沉运动明显，导致地面气压偏低，从而也为高温天气的维持提供了较为稳定的环流形势。
Figure 7. Difference between the maximum temperature (TXX) in high and low value years in sea level pressure field (unit: hPa) in Altay area (the dotted area passes the 95% confidence t-test, and the green contour line is the boundary of administrative divisions in Altay area)
图7. 阿勒泰地区最高气温(TXX)高值年与低值年海平面气压场(单位：hPa)差值(打点区域通过95%置信t检验，绿色轮廓线为阿勒泰地区行政区划边界)
5. 结论
本文以阿勒泰地区最高气温为研究对象，利用ERA5再分析数据和NCEP月平均数据对阿勒泰地区极端高温天气的长期气候特征和变化及其天气学影响因子进行系统分析，得到结论如下：
1) 阿勒泰地区夏季最高气温气候态分布呈现南高北低的分布形势，6月和8月最高温度气候态分布类似，整个夏季来说，最高气温超过40℃的地区主要出现在位于阿勒泰地区西南部的准噶尔盆地附近，最高气温超过38℃的地区主要出现在福海县偏西和偏南地区、富蕴县南部偏南地区，最高气温受天山山脉地形影响显著；最高气温标准差分布来看，6月和8月最高温度标准差分布类似，7月最高温度变化幅度最大，最高温度变率较大的地区主要位于福海县北部、富蕴县西部偏西地区、阿勒泰市东南部、布尔津县南部、哈巴河县东南部和吉木乃县北部和东部。整个夏季最高气温变率整体上处于1.5℃~2℃之间；阿勒泰地区最高气温的年代际变化进行分析，6月和8月最高气温的年代际变化振幅和趋势显著小于7月，7月最高温度具有明显的年代际振荡变化，尤其在进入21世纪后更加明显，夏季最高温度的年代际变化总体上呈现明显增加的趋势。
2) 分析阿勒泰地区最高气温背后的天气学原因，可以发现阿勒泰地区发生极端高温天气时，500 hPa位势高度场异常从北往南呈现“+−+”的多级分布，西西伯利亚至中亚地区位势高度场为高值系统控制，北疆地区为浅高压脊控制，伊朗副高发展东伸北抬，与北支的高压脊同位相叠加，受西太副高影响较小，中高层温度场上具有全国一致性的变化，与500 hPa位势高度场形势类似；850 hPa位势高度场上东亚地区普遍存在显著的正异常区域，可见西太平洋地区持续向阿勒泰地区输送大量偏暖气流，同时，西伯利亚南部地区和我国西北地区的高值系统对冷空气的东移南下形成了较强的阻挡；850 hPa温度场异常从北往南呈现“+−+”的多级分布，东亚地区纬向存在相反的变化特征，同样表现出伊朗高压的影响较为明显；850 hPa垂直速度场上，阿勒泰地区处于垂直运动弱负异常区域中，在其南侧、东侧和北侧均存在一个低层垂直运动正异常大值中心，表明伊朗高压和新疆脊均较为强盛，气流下沉运动更加显著，同时伴随全国呈现大范围一致性的低层比湿负异常，大气中水汽含量较低，为高温天气的持续提供了有利的条件；全国呈现大范围一致性的海平面气压场正异常，由于高空多为高压系统控制，下沉运动明显，导致地面气压偏低，从而为高温天气的维持提供了较为稳定的环流形势。
基金项目
新疆气象局面上课题《基于FY3D-MERSIⅡ型的阿勒泰积雪监测反演模型研究》(MS202203)。