李 迪, 王叢梅, 孫 晶, 王麗榮

(1.邢臺(tái)市氣象局,河北 邢臺(tái) 054099; 2.河北省氣象災(zāi)害防御中心,河北 石家莊 050022)

干熱風(fēng)是中國北方地區(qū)冬小麥從灌漿到成熟期間經(jīng)常出現(xiàn)的一種災(zāi)害性天氣,可導(dǎo)致植株蒸騰強(qiáng)度驟然加大、水平衡失調(diào)、根系衰退等,致使千粒重降低,一般年份可造成小麥減產(chǎn)10 %左右,偏重年份可減產(chǎn)20 %以上[1-2].2019年4月,中國氣象局發(fā)布《小麥干熱風(fēng)災(zāi)害等級(jí)》(QX/T82—2019)代替中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《小麥干熱風(fēng)災(zāi)害等級(jí)》(QX/T82—2007),采用日最高氣溫、14時(shí)空氣相對(duì)濕度和14時(shí)風(fēng)速組合確定小麥干熱風(fēng)指標(biāo)，當(dāng)日氣象要素組合達(dá)到指標(biāo)要求，記為1個(gè)干熱風(fēng)日，進(jìn)一步細(xì)化規(guī)范了干熱風(fēng)災(zāi)害指標(biāo).焚風(fēng)是受地形影響發(fā)生的一種過山氣流在背風(fēng)坡下沉形成的一種高溫、干燥的風(fēng).太行山東麓南段是太行山一個(gè)主要的焚風(fēng)中心,5～6月的焚風(fēng),下沉增溫過程中一旦氣溫超過31 ℃,就具有了干熱風(fēng)的致災(zāi)性,影響范圍在太行山東麓南段100 km以內(nèi),最遠(yuǎn)可傳播到衡水地區(qū),大大增加了冬麥區(qū)干熱風(fēng)的致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[3].現(xiàn)階段,自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論成為氣象災(zāi)害,尤其是農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害研究的主要方法,如楊志捷等[4]對(duì)內(nèi)蒙古春小麥干熱風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精細(xì)化區(qū)劃，楊霏云等[5]對(duì)華北冬麥區(qū)干熱風(fēng)空間分布規(guī)律進(jìn)行了研究，劉曉丹[6]運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)干熱風(fēng)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè).關(guān)于焚風(fēng)的研究主要集中在焚風(fēng)形成和發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制、焚風(fēng)分布規(guī)律的統(tǒng)計(jì)研究和對(duì)大氣環(huán)境的影響分析等[7-9],較少有焚風(fēng)對(duì)山前丘陵和平原地區(qū),尤其是冬小麥種植區(qū)干熱風(fēng)的影響程度以及強(qiáng)度大小的研究.

華北平原是中國冬小麥的主要產(chǎn)區(qū),太行山東北—西南走向、縱貫華北平原超過400 km的地貌環(huán)境產(chǎn)生的焚風(fēng)效應(yīng),對(duì)太行山東麓冬麥區(qū)產(chǎn)量造成巨大威脅.河北省中南部屬于干熱風(fēng)高發(fā)區(qū)[5],分析近年來太行山東麓南段5月10日～6月10日焚風(fēng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,研究焚風(fēng)對(duì)太行山冬麥區(qū)干熱風(fēng)災(zāi)害時(shí)間和空間分布特征的影響,對(duì)科學(xué)合理地預(yù)測(cè)、防御太行山東麓南段干熱風(fēng)災(zāi)害以及調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)具有重要意義.

1 資料的選取和方法介紹

2011年以前的數(shù)據(jù)資料中風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重,而選擇更長時(shí)間區(qū)間的數(shù)據(jù)或通過反演方式逆推數(shù)據(jù)會(huì)影響研究精度，后續(xù)會(huì)通過分析一次典型的焚風(fēng)致干熱風(fēng)災(zāi)害過程對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證和校對(duì).

選擇太行山東麓南段4個(gè)受影響地市(石家莊、邢臺(tái)、邯鄲、衡水)2011—2020年冬小麥灌漿期和乳熟期(5月10日～6月10日)61個(gè)氣象站逐小時(shí)整點(diǎn)氣溫、空氣相對(duì)濕度、2 min平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)向等資料.要特別說明的是，焚風(fēng)的出現(xiàn)破壞了太行山東麓南段以東100 km以內(nèi)氣溫、濕度、風(fēng)速等變化的普遍性規(guī)律,如果受焚風(fēng)影響在某日8時(shí)～12時(shí)出現(xiàn)干熱風(fēng)災(zāi)害,但如果當(dāng)日14時(shí)空氣相對(duì)濕度和風(fēng)速不符合《小麥干熱風(fēng)災(zāi)害等級(jí)》(QX/T82—2019)的相關(guān)規(guī)定,當(dāng)日干熱風(fēng)災(zāi)害就無法得到有效統(tǒng)計(jì)，且使用干熱風(fēng)日次作為統(tǒng)計(jì)單位,也無法體現(xiàn)不同干熱風(fēng)日中干熱風(fēng)持續(xù)時(shí)間的差異性，因此規(guī)定氣象站點(diǎn)小時(shí)整點(diǎn)溫度≥31 ℃、空氣相對(duì)濕度≤30 %以及10 min平均風(fēng)速≥3 m/s為1個(gè)干熱風(fēng)時(shí)次.通過統(tǒng)計(jì)時(shí)次代替日次,既可以有效統(tǒng)計(jì)焚風(fēng)影響地區(qū)干熱風(fēng)災(zāi)害頻次,也可以體現(xiàn)干熱風(fēng)持續(xù)時(shí)間.土壤濕度站建站時(shí)間短、數(shù)量少且分布不均,因此沒有將《小麥干熱風(fēng)災(zāi)害等級(jí)》(QX/T82—2019)中土壤濕度的相關(guān)規(guī)定納入統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

依據(jù)《太行山東麓焚風(fēng)等級(jí)》(DB13/T 1271—2010),采用小時(shí)變溫(ΔTh)作為變量統(tǒng)計(jì)太行山東麓南段焚風(fēng)時(shí)次，即

ΔTh=T-T0.

(1)

其中,T為整點(diǎn)氣溫,T0為前一小時(shí)整點(diǎn)氣溫.當(dāng)ΔTh≥2 ℃,10 min平均風(fēng)向在SW—NW,且空氣相對(duì)濕度≤35 %或小時(shí)空氣相對(duì)濕度下降值≥20 %,即確定為1個(gè)焚風(fēng)時(shí)次,將弱焚風(fēng)納入統(tǒng)計(jì).

2 焚風(fēng)對(duì)干熱風(fēng)災(zāi)害時(shí)空分布的影響

2.1 太行山東麓南段焚風(fēng)與干熱風(fēng)之間的聯(lián)系

局地溫度變化主要受溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)和非絕熱因子共同影響[10].溫度平流方面,從大尺度平均態(tài)勢(shì)看,春末夏初,太行山南段受盛行西風(fēng)和季風(fēng)控制,升溫主要受偏西氣流和偏南氣流影響.偏西氣流越過太行山南段，在背風(fēng)坡形成焚風(fēng)，并以重力波的形式自西向東運(yùn)動(dòng),升溫方式從溫度平流轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪边\(yùn)動(dòng),引起垂直方向溫度劇烈變化的同時(shí)自東向西波狀推進(jìn),這是造成河北省中南部氣溫急劇上升的重要原因[3，11].偏南氣流來自于冬季風(fēng)向夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換,普遍情況下該變化攜帶較多水汽,造成干熱風(fēng)災(zāi)害的情況很少,張迎新等[11]研究得出,暖平流對(duì)其研究區(qū)一次持續(xù)性高溫升溫貢獻(xiàn)率不足7 %.因此,太行山東麓南段干熱風(fēng)災(zāi)害主要受焚風(fēng)和太陽輻射的共同影響.焚風(fēng)在下沉增溫過程中達(dá)到31 ℃且空氣相對(duì)濕度低于30 %時(shí),就會(huì)造成干熱風(fēng)災(zāi)害,自西向東影響整個(gè)河北省中南部冬麥區(qū),因此這里規(guī)定,氣象站點(diǎn)出現(xiàn)焚風(fēng)且T≥31 ℃、空氣相對(duì)濕度≤30 %的焚風(fēng)被定義為致災(zāi)焚風(fēng).這里要說明的是，1時(shí)次致災(zāi)焚風(fēng)造成的高溫(T≥31 ℃)效應(yīng)，可能持續(xù)5～12 h.

2.2 焚風(fēng)、干熱風(fēng)時(shí)間分布特征相關(guān)性分析

圖1a給出了太行山東麓南段代表站點(diǎn)2011—2020年致災(zāi)焚風(fēng)、干熱風(fēng)頻次年度分布占比結(jié)果.經(jīng)相關(guān)性分析得出,致災(zāi)焚風(fēng)頻次與干熱風(fēng)頻次相關(guān)系數(shù)為0.846.可以看出,干熱風(fēng)災(zāi)害頻次的年度分布特征受焚風(fēng)影響強(qiáng)烈,焚風(fēng)是造成干熱風(fēng)災(zāi)害的主要原因.圖1b給出了致災(zāi)焚風(fēng)、干熱風(fēng)頻次月分布占比結(jié)果,可以看出,6月前致災(zāi)焚風(fēng)月分布占比高于干熱風(fēng),6月后致災(zāi)焚風(fēng)月分布占比低于干熱風(fēng),說明進(jìn)入6月后,太陽輻射增溫開始逐漸取代焚風(fēng)成為造成干熱風(fēng)災(zāi)害的主要因素.太行山東麓南段干熱風(fēng)受致災(zāi)焚風(fēng)和太陽輻射增溫的共同影響,2019年5月10日～6月10日,太行山東麓南段61個(gè)氣象站共出現(xiàn)干熱風(fēng)2 026時(shí)次,致災(zāi)焚風(fēng)主導(dǎo)的干熱風(fēng)共1 354時(shí)次,占總干熱風(fēng)時(shí)次的66.83 %.其中，5月10日～5月31日,共發(fā)生干熱風(fēng)1 250時(shí)次,致災(zāi)焚風(fēng)主導(dǎo)的干熱風(fēng)共1 040時(shí)次,占總干熱風(fēng)時(shí)次的83.2 %；6月1日～6月10日,致災(zāi)焚風(fēng)主導(dǎo)的干熱風(fēng)災(zāi)害在干熱風(fēng)災(zāi)害的占比為27.06 %,與前文研究結(jié)論一致.致災(zāi)焚風(fēng)主導(dǎo)下的干熱風(fēng)災(zāi)害過程中,焚風(fēng)增溫、太陽輻射增溫的占比會(huì)在對(duì)一次焚風(fēng)致干熱風(fēng)災(zāi)害過程的研究中進(jìn)一步探討.

圖1 干熱風(fēng)、致災(zāi)焚風(fēng)頻次年度和月分布占比

2.3 焚風(fēng)、干熱風(fēng)空間分布特征相關(guān)性分析

采用克里金法,將2011—2020年太行山東麓南段61個(gè)氣象站干熱風(fēng)、焚風(fēng)以及致災(zāi)焚風(fēng)作為評(píng)價(jià)要素進(jìn)行插值計(jì)算,并運(yùn)用自然斷點(diǎn)法將評(píng)價(jià)要素分為8類,結(jié)果見圖2(邢臺(tái)西部山區(qū)沒有一般站,無法獲得數(shù)據(jù),圖像在邢臺(tái)西部地區(qū)表現(xiàn)不佳).可以看出,太行山東麓南段以東50 km以內(nèi)干熱風(fēng)空間分布主要受致災(zāi)焚風(fēng)影響,干熱風(fēng)頻次呈現(xiàn)西部丘陵和山前平原為高值、自西向東梯度遞減的特征.致災(zāi)焚風(fēng)在運(yùn)動(dòng)過程中受當(dāng)?shù)貧庀髼l件、太陽輻射、地形和其他方向氣流輻合等影響,尤其太行山東麓南北風(fēng)影響非常顯著[12],造成風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、空氣相對(duì)濕度變化具有多種不確定性,50～100 km處致災(zāi)焚風(fēng)、干熱風(fēng)空間分布無顯著特征.由圖2可以看出,雖然多種因素的影響導(dǎo)致焚風(fēng)的致災(zāi)性發(fā)生了變化,但焚風(fēng)增溫的性質(zhì)并未受到影響,空間分布仍呈自西向東梯度遞減特征.

圖2 2011—2020年代表站點(diǎn)干熱風(fēng)、致災(zāi)焚風(fēng)空間分布

3 焚風(fēng)對(duì)干熱風(fēng)致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響的進(jìn)一步驗(yàn)證

2019年5月22日太行山東麓南段出現(xiàn)一次典型的焚風(fēng)導(dǎo)致的干熱風(fēng)災(zāi)害過程(見圖3),22日早8時(shí)開始,風(fēng)向偏西,太行山東麓南段武安站、臨城站、峰峰站、井陘站等多個(gè)站點(diǎn)氣溫驟然上升10～14 ℃,61個(gè)氣象站日最高氣溫為35～39 ℃,大部分地區(qū)空氣相對(duì)濕度均低于20 %.通過對(duì)5月22日8時(shí)～13時(shí)氣象站逐小時(shí)整點(diǎn)氣溫進(jìn)行空間插值(以25,30,31,32,33,34,35,40 ℃作為中斷值,將氣溫分為8個(gè)等級(jí)),動(dòng)態(tài)化分析一次致災(zāi)焚風(fēng)過程對(duì)太行山東麓南段冬麥區(qū)干熱風(fēng)災(zāi)害的影響.

圖3 整點(diǎn)氣溫空間分布

從圖3可以看出,8時(shí)起,焚風(fēng)增溫過程開始影響石家莊、邢臺(tái)、邯鄲低山丘陵和部分山前平原地區(qū)；9時(shí)，邯鄲、邢臺(tái)山前丘陵氣溫升高至30～31 ℃,邯鄲武安、峰峰氣象站開始出現(xiàn)致災(zāi)焚風(fēng)；10時(shí)，致災(zāi)焚風(fēng)影響石家莊、邯鄲、邢臺(tái)山前丘陵和西部平原地區(qū),氣溫高值分布在邢臺(tái)、邯鄲山前丘陵地區(qū),為33～34 ℃；11時(shí),致災(zāi)焚風(fēng)影響邢臺(tái)、邯鄲、石家莊和衡水幾乎全部地區(qū),僅衡水東部個(gè)別站點(diǎn)氣溫未達(dá)到31 ℃,氣溫高值分布在邢臺(tái)、邯鄲山前丘陵地區(qū),為34～35 ℃；12時(shí),致災(zāi)焚風(fēng)影響太行山東麓南段冬麥區(qū)全域,山前丘陵為氣溫高值,達(dá)到34～35 ℃,大部分平原地區(qū)氣溫為33～34 ℃,衡水、邢臺(tái)東部平原個(gè)別站點(diǎn)氣溫為32～33 ℃；13時(shí),35 ℃以上的致災(zāi)焚風(fēng)出現(xiàn)在邯鄲、石家莊山前丘陵地區(qū).本次焚風(fēng)致災(zāi)過程中,61個(gè)站點(diǎn)共出現(xiàn)255時(shí)次干熱風(fēng).由此次致災(zāi)焚風(fēng)過程可以看出,各時(shí)段溫度分布的高值首先出現(xiàn)在太行山東麓南段山前區(qū)域,氣溫升高呈現(xiàn)自西向東傳遞的空間特征,具有比較明顯的梯度規(guī)律,驗(yàn)證了前文的結(jié)論.

運(yùn)用p坐標(biāo)系下的熱力學(xué)能量方程計(jì)算垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng),逐小時(shí)定量評(píng)估焚風(fēng)在此次增溫過程中的占比，即

(2)

將垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)溫度變化公式進(jìn)行推導(dǎo),得到

(3)

式中：R表示干空氣氣體常數(shù)2.87×102m2/(s2·K)；γd表示z坐標(biāo)系中干絕熱溫度直減率，取值為9.76 ℃/100 m，其中z坐標(biāo)系即以高度z為垂直坐標(biāo)的(x,y,z,t)坐標(biāo)系；γ表示z坐標(biāo)系中溫度直減率；p表示大氣單位面積的壓力；g表示重力加速度.

使用5月22日NCEP再分析資料(3個(gè)太行山東麓南段丘陵代表站點(diǎn))計(jì)算得出,450 hPa等壓面以下沉氣流為主,最大下沉速度位于700 hPa；由圖4(2019年5月22日6時(shí))可知，620 hPa以下溫度線與干絕熱線幾乎平行,氣流干絕熱下沉.500，620 hPa等壓面間γ最小,平均溫差8 ℃,平均高度1 800 m,計(jì)算得γ≈4.4 ℃/100 m.代表站點(diǎn)最大下沉速度ω從8時(shí)的0.25，0.27，0.17 Pa/s隨時(shí)間逐漸遞增,14時(shí)ω達(dá)到0.69，0.83，0.47 Pa/s.小時(shí)變溫從8時(shí)的0.56，0.61，0.38 ℃隨時(shí)間逐漸遞增,14時(shí)小時(shí)變溫為1.56，1.86，1.05 ℃.3個(gè)代表站點(diǎn)因焚風(fēng)垂直下沉運(yùn)動(dòng)升溫7.24，8.62，5.43 ℃.8時(shí)～14時(shí)焚風(fēng)造成氣溫平均升高6.39 ℃,3個(gè)站點(diǎn)實(shí)際溫度變化平均值為7.93 ℃.此次致災(zāi)焚風(fēng)主導(dǎo)下的干熱風(fēng)災(zāi)害過程中,焚風(fēng)增溫占比80.5 %.

圖4 3個(gè)代表站點(diǎn)溫度-對(duì)數(shù)氣壓圖

4 結(jié)論與討論

1)焚風(fēng)的出現(xiàn)破壞了太行山東麓南段以東100 km以內(nèi)氣溫、濕度、風(fēng)速等變化的普遍性規(guī)律,《小麥干熱風(fēng)災(zāi)害等級(jí)》(QX/T82—2019)規(guī)定的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不能有效統(tǒng)計(jì)焚風(fēng)影響地區(qū)的干熱風(fēng)災(zāi)害的頻次、持續(xù)時(shí)間等.提出焚風(fēng)影響地區(qū)干熱風(fēng)統(tǒng)計(jì)方式,以統(tǒng)計(jì)時(shí)次代替日次,既可以有效統(tǒng)計(jì)焚風(fēng)影響地區(qū)干熱風(fēng)災(zāi)害頻次,也體現(xiàn)了干熱風(fēng)持續(xù)時(shí)間.

2)時(shí)間分布上,致災(zāi)焚風(fēng)和干熱風(fēng)的年度分布具有明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.872.致災(zāi)焚風(fēng)是造成5月10日～5月31日干熱風(fēng)災(zāi)害的主要因素,6月1日～6月10日干熱風(fēng)受致災(zāi)焚風(fēng)和太陽輻射增溫的共同影響，其中5月22日～5月27日是致災(zāi)焚風(fēng)出現(xiàn)頻次最高的時(shí)段.

3)空間分布上,太行山東麓南段以東50 km處干熱風(fēng)空間分布主要受致災(zāi)焚風(fēng)影響,干熱風(fēng)頻次呈現(xiàn)西部丘陵和山前平原地區(qū)為災(zāi)害頻次高值、自西向東依次遞減的梯度特征.致災(zāi)焚風(fēng)在運(yùn)動(dòng)過程中可能受當(dāng)?shù)貧庀髼l件、太陽輻射、地形、障礙物及其他方向氣流輻合等影響,造成風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、空氣相對(duì)濕度變化具有多種不確定性,50～100 km處干熱風(fēng)空間分布無顯著特征,但是焚風(fēng)增溫的性質(zhì)并未受到影響,空間分布仍呈自西向東梯度遞減特征.

需要指出的是,代表站點(diǎn)焚風(fēng)增溫占比80.5 %僅僅是以5月22日一次焚風(fēng)致災(zāi)過程來說的,而焚風(fēng)在波狀運(yùn)動(dòng)過程的衰減變化中的增溫特征、不同年份和日期的致災(zāi)焚風(fēng)主導(dǎo)干熱風(fēng)災(zāi)害的增溫占比等問題,將有待進(jìn)一步研究.