2023年新疆夏季极端高温干旱特征

Characteristics of the Extreme High Temperature and Drought in Summer 2023 in Xinjiang

摘要

利用1961—2023年新疆夏季99个国家气象观测站逐日气温、降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料，对2023年新疆夏季极端高温干旱特征进行分析，并对其成因进行探讨。结果表明：2023年新疆夏季平均气温、高温日数突破历史极值，年累计区域性高温过程综合强度为历史最强。2023年夏季降水为历史同期第一少，持续高温少雨导致北疆出现大范围中等强度以上气象干旱。500 hPa上伊朗高压和西太平洋副热带高压形成高压带，新疆由正距平控制，100 hPa上新疆持续由南亚高压主体控制，以上配置致使新疆夏季对流层高层到中层盛行下沉气流，天气晴好，高温日数增多，地表蒸发增加，从而引发干旱的发展和加剧。

Abstract

Based on daily air temperature and precipitation data from 99 national meteorological observation stations in Xinjiang during the summer of 1961-2023, along with NCEP/NCAR reanalysis data, this study analyzed the characteristics of extreme high temperatures and drought in Xinjiang during the summer of 2023, and discussed the potential causes. The results showed that the average temperature and number of high-temperature days in the summer of 2023 broke historical records, with the cumulative intensity of regional high-temperature events being the strongest on record. Precipitation during the summer of 2023 was the lowest for the same period in history, and the persistent high temperatures and low rainfall led to widespread meteorological drought of moderate or greater intensity across northern Xinjiang.At 500 hPa, the Iranian High and the West Pacific Subtropical High formed a high-pressure belt, with Xinjiang being influenced by positive anomalies. At 100 hPa, Xinjiang remained under the influence of the South Asian High. This atmospheric configuration resulted in a prevalence of sinking airflow in the high and middle levels of the troposphere, leading to clear skies, an increase in high-temperature days, and enhanced surface evaporation, all of which contributed to the development and intensification of drought.

Graphical abstract

关键词

极端高温 / 气象干旱 / 夏季 / 新疆 / 环流成因

Key words

extreme high temperature / meteorological drought / summer / Xinjiang / circulation factors

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告中指出，过去10年全球气温比工业化前水平高出1.09 ℃，大气、海洋、冰冻圈和生物圈发生了广泛而迅速的变化，给全世界每个地区的自然和人类带来了不利影响，全球经济社会发展和生态环境的威胁日渐严峻^[1-2]。我国是全球变暖背景下的气候变化敏感区，21世纪以来我国升温速率明显高于全球平均水平，因气象灾害导致的直接经济损失远高于全球平均水平，其中高温干旱事件呈现出频次高、强度强、覆盖范围广的特点^[3-7]。中国不同区域复合高温干旱事件发生频率均呈现增加趋势，尤其20世纪90年代以来高温干旱事件空间面积增加趋势更明显，极端性更强^[8-14]，加强对高温干旱等极端天气气候事件的监测研究对做好防灾减灾工作具有重大意义。

新疆地处干旱区，同时也是气候变化的敏感区和生态脆弱区。全球变暖背景下，新疆年平均气温呈上升趋势；高温日数显著增多，呈现高温初日提前、高温终日推后的趋势^[15-16]；高温事件增加导致天然草地牧草长势变差，植被受干旱胁迫提前进入黄枯期，农作物减产甚至绝收等。胡文峰等^[17]基于SPEI指数对新疆近几十年的干旱时空变化特征进行研究，指出进入20世纪后新疆呈现变干趋势，干旱范围扩大、强度和频次加强。新疆气候具有向暖湿化方向发展的趋势^[15,18-19]，杨涛等^[20]认为未来新疆总的干旱气候格局不会有大的改变，气象灾害可能加剧，因此研究新疆高温干旱灾害出现的新特征尤为必要。2023年夏季我国降水偏少，全国平均气温为1961年以来历史同期第二高，高温日数偏多、极端性强，7月5—16日的高温过程影响范围大，中东部大部以及内蒙古西部和新疆大部极端高温超过35 ℃，新疆吐鲁番站最高温度达到48.7 ℃^[21]；在全国夏季高温少雨背景下，本文重点分析2023年夏季新疆高温干旱事件特征，以期为认识新疆高温干旱发生发展特点和开展气象干旱风险预估及管理提供一定的理论支撑。

1 数据与方法

1.1 数据

利用新疆气象局提供的1961—2023年新疆99个国家气象观测站逐日平均气温、最高气温、降水量等观测资料，以及国家气候中心提供的逐日气象干旱综合指数（MCI）数据。大气环流数据为美国国家环境预报中心和国家大气研究中心（NCEP/NCAR）发布的水平分辨率为2.5°×2.5°的全球月平均再分析资料，南亚高压中心逐日强度指数、纬度、经度位置数据来自于国家气候中心CIPAS 3.0系统。文中空间分布图基于自然资源部标准地图服务网站上下载的标准地图制作，审图号为GS(2017)1267号，底图无修改。

1.2 方法

1.2.1 气候平均值

使用89个国家气象观测站相关要素的算术平均值代表新疆区域值^[22]，常年值是1991—2020年气象数据均值，夏季指6—8月。

1.2.2 气象干旱综合指数

由于气象干旱综合指数（MCI）在干旱的时空诊断能力、典型干旱过程的监测能力、与土壤墒情的相关性以及和干旱灾情的相关性等方面最优^[23-24]，因此本研究利用MCI指数作为气象干旱的识别指数对2023年新疆夏季干旱特征进行分析,并依据国家标准《气象干旱等级》对MCI指数的等级划分标准，将气象干旱分为5个等级：无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱^[25]。

1.2.3 区域性高温过程识别与综合强度判定

单站日最高气温≥35 ℃计为一个高温日，某天2成或以上的面积范围出现高温天气为区域高温日，区域高温日持续2 d以上且其中至少有一天高温天气范围达到设定区域的5成或以上为一次区域高温天气过程^[26]。

综合考虑一次区域性高温过程的持续时间、平均影响范围和平均强度来定义该次过程的综合强度指数^[4,27]，公式如下：

Z=ƒ(I_a, A_a, T)=I_a×\sqrt[]{A_a}\times \sqrt[]{T}。（1）

式中：Z为区域性过程综合强度指数；I_a为平均强度，定义为满足高温标准的最高气温的日均值；A_a为平均影响范围，定义为满足高温标准（日最高气温≥35 ℃）的日均站数;T为持续日数，定义为区域性过程条件的开始日与结束日之间的累计日数。

1.2.4 高温干旱复合事件

新疆大部分地区属于干旱区，轻旱等级很容易达到，在识别干旱事件时设定为不低于中旱，高温事件的标准定为最高温度不低于35 ℃，高温事件和干旱事件同时满足时，认为发生高温干旱复合事件。

2 结果分析

2.1 夏季高温异常

2.1.1 夏季平均气温及高温日数

2023年夏季新疆平均气温为24.1 ℃，较常年偏高1.6 ℃，为1961年以来夏季历史第一高；新疆平均高温日数为25 d，较常年偏多10.7 d，偏多幅度居历史同期第一位。新疆86%的测站出现高温天气，大部分地区平均高温日数较常年偏多，59%的台站偏多超过10 d，伊犁哈萨克自治州（简称“伊犁州”）西部、塔城地区北部、昌吉州、喀什地区大部、巴音郭楞蒙古自治州（简称“巴州”）大部偏多15～27.9 d；夏季共计42站（占新疆总站数的43%）偏多幅度居夏季历史第一（图1），16站（占17%）居第二位，7站（占8%）居第三位。

2.1.2 区域性高温过程

新疆区域性高温过程常年平均开始日期为7月3日，结束日期为7月31日，2023年夏季新疆高温初日为6月6日，较常年偏早近一个月，终日为8月7日，偏晚一周。夏季高温可大致分为4个高温时段：6月6—14日、6月17—24日、7月13—28日、8月1—7日，过程频次较常年偏多2场，位居历史第二位，仅次于1965年（5场）。4场高温过程累计持续日数为40 d，较常年平均持续日数偏长26 d，居历史第一位；其中7月13—28日高温过程持续日数为16 d，较常年单场过程平均值偏长9 d，仅次于2015年7月13—30日的高温过程。空间上，北疆大部、南疆西部≥35 ℃高温最长持续日数为5～10 d，天山北坡、和田地区东部、巴州偏西地区为10～15 d，巴州偏东地区、哈密市南部为15～20 d（图2），吐鲁番市高温日从6月3日开始，8月15日结束，35 ℃以上高温持续日数为74 d，40 ℃以上高温持续日数为17 d，为新疆高温持续日数最长的地区。

2023年新疆夏季高温总站次为2 640次，远多于常年平均值(1 413次)，居历史第一，较历史第二位的2015年偏多23%。4次高温过程最大范围分别为83、63、90、70站，6月17—24日高温过程的站数较常年偏少，其余过程较常年偏多2～22站。4次高温过程≥37 ℃的站数分别为64、33、81、35站，≥40 ℃的站数分别为19、6、37、3站，其中7月13—28日高温过程最大影响站数居历史第一位，≥37 ℃、≥40 ℃站数居历史第二位。

2023年夏季新疆极端最高气温大部超过38 ℃，天山北坡、东疆和南疆东部超过40 ℃，伊犁州、吐鲁番市、哈密市、巴州、和田地区共计22站（占新疆总站数的23%）日最高气温位居夏季历史前三。1961—2023年新疆区域性高温过程综合强度指数多集中在500～700站·℃·d，占总次数的61%；综合强度超过1 200站·℃·d的仅有2次过程，分别是2015年7月13—30日和2023年7月13—28日。2023年4次高温过程综合强度指数分别为796、621、1 219、655站·℃·d，与常年相比，第二次高温过程略偏弱，其余过程均偏强。对年内所有区域性高温过程综合强度指数累加，得到历年区域性高温过程综合强度序列图（图3），年累积综合强度指数最大为2023年，达3 290 站·℃·d，其次是1965年，为2 723站·℃·d。近63 年，综合强度指数呈逐年增强趋势，增加率为18 站·℃·d·a^-1，21世纪以来，增强趋势显著。

2.2 夏季气象干旱特征

2023年夏季出现极端高温，平均降水量为夏季历史第一少。新疆6—8月降水量持续偏少，各月新疆大部分地区无降水日数均超过20 d。根据夏季各月距平百分率空间分布（图4），6—8月新疆大部（图4a）、北疆和东疆（图4c）、东疆和南疆大部（图4e）降水偏少5成以上。持续高温少雨背景下，新疆气象干旱波动式发展。6月初，南北疆偏西地区出现以轻旱和中旱为主的气象干旱，经历2次高温事件后，6月下旬气象干旱蔓延至北疆大部及南疆西部，20日中旱及以上范围达到此时段的最大值（图4b）；与第三、四次高温过程对应，7月中旬—8月上旬中旱及以上面积迅速增大，27日中旱及以上站数达到53站（占新疆总站数的54%），达到该时段的最大值，伊犁州、塔城地区北部、阿勒泰地区、昌吉州西部等地出现重度气象干旱，特克斯、霍尔果斯、额敏等8个站出现特旱（图4b）；8月中旬后受多场分散性降雨影响，新疆气象干旱得到明显缓解，重度气象干旱面积显著下降，8月底，昌吉州东部和东疆仍保持中旱（图4f）。2023年夏季新疆中旱及以上总站数为2000年以来最多，重旱及特旱站数仅次于2020年春夏连旱事件。

2.3 高温干旱复合事件时空分布特征

2个或2个以上同时发生的天气或气候事件组合，会导致远比单个事件还要极端的影响^[27]，高温干旱复合事件发生时，会对农牧业造成非常大的损失，易引起森林火灾。2023年夏季新疆高温干旱高发区主要位于天山北坡、南疆偏西地区和伊犁州西部、塔城地区北部、吐鲁番地区，其中伊犁州西部、石河子市、昌吉州西部、吐鲁番市和哈密市部分地区高温干旱日数超过25 d，鄯善、库米什、哈密、蔡家湖4站达50～54 d（图5a）。高温干旱复合事件主要发生在北疆6月中旬—8月上旬，6月中旬、7月下旬、8月上旬尤其严重（发生范围广、强度强），其中，伊犁州西部6月下旬—7月下旬、塔城地区北部7月中旬—8月上旬分别出现高温特旱(图5b)。

3 讨论

3.1 <bold>500 hPa</bold>高空环流特征分析

由图6可知，6月中高纬地区呈“两脊一槽”型，正距平中心位于欧洲和鄂霍茨克海附近，负距平中心位于乌拉尔山附近，低纬地区副热带高压呈双体型，中心强度达590 dagpm以上，新疆附近存在弱脊，上空由正距平控制，较常年偏强10～20 dagpm（图6a）。7月乌拉尔地区附近的负距平中心东移北上至80°N以北，欧洲出现负距平中心，伊朗副高东伸，强度加强，西太平洋副热带高压西伸，中心强度不变，亚洲上空为较平直的西风气流，巴尔喀什湖附近存在正距平中心，较常年偏强20～40 dagpm（图6c）。500 hPa高度场上，7月第四候青藏高原、南疆上空具有588 dagpm闭合高压单体，北疆由584 dagpm等值线控制，第五候伊朗高压和西太副高打通，588 dagpm等值线控制我国40°N以南地区，使天气系统稳定，不利于冷空气南下，新疆出现持续的大范围异常高温天气。8月中高纬地区呈“两脊一槽”型，经向度较大，副热带高压东移，中心强度不变，伊朗副高略有北上，特别是伊朗高压与乌拉尔山高压同位相叠加加强，南疆西部上空位势高度较弱，北疆大部、东疆、南疆东部偏强15～20 dagpm（图6e）。

3.2 <bold>100 hPa</bold>高空环流特征分析

2023年夏季新疆100 hPa上空一致为带状南亚高压控制。6月印度—青藏高原为南亚高压控制，中心强度为1 682 dagpm（图6b）；7月南亚高压范围明显扩大，控制阿拉伯海—西太平洋一带，强度显著增强，中心强度为1 694 dagpm（图6d）；8月南亚高压中心强度与7月一致，但是1 690 dagpm线范围向西移动到35°E附近，且略有北上，新疆上空正变高明显增强（图6f）。从夏季100 hPa高空平均环流距平可以看出，新疆上空一致为正距平控制，强度分别为20～40、15～40、40～70 dagpm。南亚高压逐日中心强度演变图显示（图7a），夏季南亚高压强度显著偏强，6月中旬—7月中旬南亚高压中心强度持续增强，随后有小幅度波动，但维持较高强度值，8月中旬以后开始回落。由南亚中心的经度和纬度逐日演变图（图7b、c）可知，6月中旬南亚高压中心第一次北跳，7月上旬再次北移，大部分时段南亚高压为西部型，研究表明^[28]西部型南亚高压预示我国西部为晴热少雨天气。

综上所述，500 hPa伊朗高压东伸加强，西太平洋副热带高压西伸，亚洲盛行纬向气流，新疆上空由正距平控制，影响新疆的冷空气较弱，100 hPa南亚高压呈西部型，新疆持续由南亚高压主体控制；对流层高层到中层配置致使长时间盛行下沉气流，天气晴好，高温日数增多，地表蒸发增加，引发干旱发展和加剧。

4 结论

基于1961—2023年新疆99个国家气象观测站逐日平均气温、最高气温、降水量观测资料以及测站逐日气象干旱综合指数（MCI）数据，分析了2023年新疆夏季极端高温干旱时空分布特征，探讨了夏季环流演变特征,得出结论如下：

（1）2023年夏季新疆平均气温为历史同期最高，高温日数为历史同期最多；高温初日较常年偏早近一个月，终日偏晚一周；区域性高温事件呈现频次高、持续时间长、覆盖面广、强度强的特点。尤其7月13—28日高温过程覆盖范围极大，极端性强，综合强度仅次于2015年7月13—30日高温过程, 但2023年累计高温综合强度为历史最强。

（2）2023年夏季平均降水量为历史最少，持续的高温少雨导致6月新疆出现气象干旱并不断发展，7月下旬新疆气象干旱范围达到最大，北疆、东疆等地出现大范围中等及以上气象干旱，伊犁州、塔城地区北部、阿勒泰地区、昌吉州西部等地发生重度气象干旱。

（3）2023年高温干旱复合事件主要出现在北疆地区，6月中旬、7月下旬、8月上旬复合事件发生范围广、强度大，其中伊犁州西部、塔城地区北部出现高温特旱。

（4）500 hPa伊朗副高和西太平洋副热带高压的配合，亚洲上空盛行纬向气流，且持续由正距平控制，影响新疆的冷空气较弱；100 hPa南亚高压呈西部型，新疆持续由其高压主体控制。对流层高层到中层天气系统的配置，使新疆夏季盛行下沉气流，天气晴好，高温日数增多，引起气象干旱发展和加剧。

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基金资助

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2022D01B181)

新疆气象局科技创新发展基金项目(21909007)