1979-2019年北半球夏季高温事件的长期变化

王鹏凯，卫晓莉，王天奇

(1.福山区气象局,山东 烟台 265500;2.华风气象传媒集团有限责任公司, 北京 100081)

1 引言

1880-2012年，全球地表平均气温上升0.85 ℃[1]。在欧洲，2010年出现的极端高温事件， 死亡人数超过7 万人。俄罗斯也遭受了非常惨重的损失，经济损失总额占该国当年国内生产总值的1%[2]。 同样也是在2010年，除了欧洲之外，极端高温事件也席卷了北美洲、亚洲和非洲，给这些地区造成了数千亿美元的经济损失，威胁到这一地区的人类生产、生活和水资源安全[3]。据世界气象组织统计[4]，2001-2010年，高温热浪造成的死亡人数（13.6 万人）与之前的十年（1991-2000年）的6000 人相比，增加了2300%。

2 资料与方法

2.1 高温的定义

整体来看， 气象学界最为常见的是将高温绝对阈值定义为35 ℃。 参考国内气候背景和国家气象局的热指数等指标[5]，张尚印等对中国高温的绝对阈值建立了评价体系，将气温超过35 ℃、38 ℃以及40 ℃时分别定义为高温、 危害性高温和强危害性高温[6]。Yin 等根据日最高气温分别超过35 ℃、39 ℃、41 ℃为阈值对中国绝对阈值高温的评估体系进行了修订[5]。 同时，中央气象台业务规定也将35 ℃定为高温的绝对阈值[7-9]，此外还有很多学者在高温研究中将绝对阈值定为30 ℃[10-11]。

2.2 再分析资料ERA5

ERA5 是欧洲中期天气预报中心（ECMWF）运用综合预报系统中的4D-Var 数据同化生成的第四代全球大气再分析资料[12]。 数据质量全球领先。 本文所用的资料主要是ERA5 再分析数据集中1979-2019年北半球2 m 温度数据和高度场数据， 空间分辨率为1.5°×1.5°，文中所指北半球为赤道以北地区，夏季为6-8月。

2.3 线性趋势法

利用一元线性回归法可以线性分析出变量的变化趋势[14]，气象要素y 和时间序列t 如有统计线性关系，那么两者关系为：

其中a1为变化系数；若变化系数为正值，则有递增关系，变化系数为负值，则有递减关系。

3 1979-2019年北半球夏季高温事件的长期变化

3.1 高温事件频次

首先， 分析北半球1979-2019年夏季的高温日数的变化。 由于一部分站点出现过的高温日数过少所以忽略不计， 仅计算在近41 a 中有超过90%的年份出现过高温的格点（以下称有效格点）。

据统计， 以35 ℃为阈值的有效格点共有1158个， 纬度最北的格点在49.5° N， 纬度最南的格点在3° N；以30 ℃为阈值的有效格点为2413 个,纬度最北的格点在63° N。

为了了解北半球的整体情况， 先计算1979-2019年格点的年平均高温日数的时间序列。 在1979-2019年间，北半球高温日数呈现出在波动中增加的趋势。 35 ℃高温日数以2.0 d/10 a 的速率在增加。 30 ℃高温日数以1.9 d/10 a 的速率在增加。2010年是近41 a 中北半球平均高温日数最多的一年， 35 ℃高温日数为44 d，30 ℃高温日数为46 d；1992年是平均高温日数最少的一年，35 ℃高温日数为33 d，30℃高温日数为35 d。

高温日数的变化除了有明显的长期变化趋势外，年际变化特征也非常明显，在分析中，去掉了高温日数时间序列的长期趋势以减小趋势方差对谱值的影响。 分析结果表明，以35 ℃为阈值的高温日数存在2 a 的年际变化周期； 以30 ℃为阈值的高温日数存在4 a 的年际变化周期（图1）。

图1 1979-2019年（a）35 ℃高温日数（b）30 ℃高温日数功率谱图

为了更好的分析高温日数变化的空间分布情况， 将每个有效格点的逐年高温日数通过一元线性回归法进行处理后，绘制了以35 ℃和30 ℃为阈值的高温日数变化趋势分布图（图略）。 可知，结果显示北半球大部分地区在1979-2019年间高温日数有所增多，并且具有明显的区域性，非洲北部、中东地区、美国西南部35 ℃高温日数增长明显并且通过了90%显著性检验，增长幅度达到了4 d/10 a，其中埃及、苏丹、伊拉克、叙利亚等地区高温增长的幅度达到了5 d/10 a 以上；非洲低纬度地区、北美洲西南部、南美洲北部、欧洲东南部、亚洲西北部30 ℃高温日数增长明显并且通过了90%显著性检验， 增长的幅度普遍达到了4 d/10 a，其中刚果北部、肯尼亚北部、委内瑞拉、哥伦比亚、俄罗斯西南部附近高温增长的幅度达到了5 d/10 a 以上。

为了探究不同纬度上高温日数变化的趋势， 将同纬度带上格点高温日数的变化情况进行平均， 并将其从低纬度到高纬度进行排列。 可以看到大部分纬度带的高温日数在近41 a 都显示出增加趋势。10°N 以南是高温日数增长最多的纬度带， 增长频率最大为8 d/10 a。 另外在35° N 附近高温日数增长较快，增长频率超过了4 d/10 a。 在7.5° N 地区，35 ℃高温日数有减少的趋势， 这可能是由于在该纬度带上高温事件样本量太少， 所以反应出的变化跟整体趋势不同。

从不同纬度带高温日数的年际变化情况看，30℃高温日数在2009-2019年间增速较快，2009年之前高温日数都在60 d 以下，2009年之后普遍增多至60 d 以上。

3.2 高温事件强度

以北半球每年出现高温的总日数以及这些高温日的日最高气温积温作为衡量高温强度的指标，部分站点由于出现高温日数过少忽略不计， 仅计算1979-2019年有超过90%的年份出现高温的有效格点，分别计算各有效格点各年总高温日数与总积温，分析其在1979-2019 间的变化情况。

从35 ℃高温日数和积温变化上看，近41 a 高温强度在逐渐增强， 平均总高温日数和积温分别为59893 d 和2338768 ℃， 其中2010年为强度最强的一年，总高温日数为68256 d，总积温为2680009 ℃；1992年为高温强度最弱的一年， 总高温日数为51832 d，总积温为2012162 ℃。

从30 ℃高温日数和积温变化看，近41 a 高温强度同样在波动中增强， 平均总高温日数和积温分别为132340 d 和4673443 ℃，其中2010年为强度最强的一年，总高温日数为150192 d，总积温为5316412℃；1992年为高温强度最弱的一年， 总高温日数为116522 d，总积温为4191180 ℃（表1、表2、图略）。

表1 1979-2019年（6-8月）北半球高温总日数年代际变化

表2 1979-2019年（6-8月）高温积温年代际变化情况

3.3 高温事件影响范围

以北半球每年出现高温的格点数以及这些格点所覆盖的面积作为衡量高温影响范围的指标， 分析其在1979-2019 间的变化情况。

从近41 a 来的35 ℃高温格点数和覆盖面积变化看，高温的影响范围在逐渐扩大，年平均高温格点数为1550 个，年平均高温覆盖面积为3.66×1013 m2，其中2010年为高温格点数最多和覆盖面积最大的一年， 分别为1876 个格点和29×1013 m2；1993年为高温格点数最少和覆盖面积最小的一年， 分别为为1335 个格点和3.24×1013 m2（图2、表3）。

图2 1979-2019年(6-8月)35 ℃高温格点数及覆盖面积逐年变化情况

表3 1979-2019年(6-8月)35 ℃高温格点数及覆盖面积年代际变化情况

从30 ℃高温格点数和覆盖面积变化看，高温的影响范围也在逐渐扩大，年平均高温格点数为3284个，年平均高温覆盖面积为7.35×1013 m2，其中1998年为高温格点数最多和覆盖面积最大的一年， 分别为3756 个格点和8.43×1013 m2；1985年为高温格点数最少和覆盖面积最小的一年，分别为2800 个格点和6.38×1013 m2（图3、表4）。

图3 1979-2019年(6-8月)30 ℃高温格点数及覆盖面积逐年变化情况

表4 1979-2019年(6-8月)30 ℃高温格点数及覆盖面积年代际变化情况

4 小结

通过每年的高温总日数以及这些高温日的日最高气温总和等指标，发现1979-2019年间，高温强度在逐渐增强， 其中2010年为高温强度最强的一年，35 ℃和30 ℃的高温总日数分别为68256 d、150192 d。 通过每年出现高温的格点数以及这些格点所覆盖的面积等指标，发现1979-2019年间，高温的影响范围在逐渐扩大。 对35 ℃高温来说2010年高温影响范围最大，为29×1013 m2，对30 ℃高温来说1998年高温影响范围最大，为8.43×1013 m2。

北半球近41 a 超过90%年份出现过35 ℃高温和30 ℃高温的格点分别有1158 个和2413 个，35 ℃高温日数以2.0 d/10 a 的速率在增加，30℃高温日数以1.9 d/10 a 的速率在增加，非洲北部、中东地区、美国西南部是高温日数增长最快的区域， 增长幅度超过4 d/10 a。在长期趋势外，35 ℃和30 ℃高温日数分别有2 a 和4 a 的年际周期。