2017年陜西高溫事件的大氣環(huán)流異常及成因

屈麗瑋，徐娟娟，朱慶亮，黃少妮

(陜西省氣象臺，西安 710014)

極端高溫是中國夏季主要的極端天氣氣候事件之一。它的異常變化往往會對局部地區(qū)的氣候產(chǎn)生重要影響[1-4]，使水資源短缺，誘發(fā)干旱火災(zāi)，用電量急增，對人類生產(chǎn)生活造成嚴重影響。國內(nèi)氣象學者對極端高溫天氣的研究已取得一些有意義的成果。西北地區(qū)作為氣候敏感區(qū)，極端事件的發(fā)生發(fā)展有著自身特點，翟盤茂等[5]研究指出，北方極端高溫日數(shù)明顯增多，極端低溫日數(shù)顯著減少。任朝霞等[6]指出，西北干旱區(qū)近40年最低溫度的天數(shù)有減少的趨勢，而最高溫度的天數(shù)略有增加趨勢。趙慶云等[7]對2010年夏季6—8月北半球異常高溫現(xiàn)象進行了分析，發(fā)現(xiàn)該年北半球?qū)α鲗悠骄鶜鉁卣嗥街颠_近30年以來最大值。陳磊等[8]對西北5省地區(qū)出現(xiàn)大范圍極端高溫事件時的大氣環(huán)流特征進行分析，揭示了西北地區(qū)大范圍極端高溫事件的大氣環(huán)流異常特征。

中國氣象局2018年《中國氣候變化藍皮書》顯示，2017年是全球有完整氣象觀測記錄以來的第二暖年份，也是有完整氣象觀測記錄以來最暖的非厄爾尼諾年份。2017年中國屬異常偏暖年份。中國北方增溫速率明顯大于南方地區(qū)，西部地區(qū)大于東部。2017年夏季位于西北地區(qū)東部的陜西發(fā)生持續(xù)性極端高溫天氣過程，其持續(xù)時間之長、最高氣溫之高為歷史同期罕見，造成居民生活用水困難, 電力供應(yīng)緊張，秋糧大面積減產(chǎn)，給社會經(jīng)濟生產(chǎn)和人民群眾的生活帶來嚴重影響。本文利用2017年7月陜西省自動氣象站逐日降水、氣溫資料，1960—2017年NCEP/NCAR全球再分析資料的2.5°×2.5°逐月風場、相對濕度、位勢高度、溫度等，采用1960—2017年的平均值作為氣候平均態(tài)，對2017年極端高溫事件進行分析，研究大氣環(huán)流異常特征，以期對高溫熱浪天氣過程有客觀全面的認識，為該區(qū)域極端高溫事件的成因及預(yù)測提供參考借鑒。

1 2017年7月高溫天氣概況

2017年夏季陜西區(qū)域性高溫天氣的極端性十分突出，其日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫以及高溫日數(shù)都打破最高紀錄，為歷史罕見。高溫天氣范圍廣、強度大、持續(xù)時間長，7月共出現(xiàn)26個高溫日(日最高氣溫≥35 ℃)，超過35 ℃和40 ℃高溫站次分別達1 309和217站次，均為1961年以來同期第一高值。關(guān)中渭河河谷和安康漢江河谷地帶在7月7—13日、19—27日出現(xiàn)持續(xù)大范圍日最高氣溫大于40 ℃的高溫天氣。全省除華山和太白2個高山站外，其余縣、市均出現(xiàn)高溫天氣，7月10日高溫范圍最廣，波及85個縣。7月共有29站日最高氣溫突破歷史極值，27日旬陽日最高氣溫達44.7 ℃，突破該站建站以來極值，同時也突破了全省日最高氣溫極值。

據(jù)陜西省氣候中心統(tǒng)計，7月月降水量與常年同期比較關(guān)中、陜南大部偏少1～7成。陜西省持續(xù)高溫少雨天氣，多地出現(xiàn)旱情。

2 大氣環(huán)流特征分析

2.1 副熱帶高壓和南亞高壓

副熱帶高壓(簡稱副高)與西太平洋和東亞地區(qū)的天氣變化有極其密切的關(guān)系。圖1為2017年7月500 hPa的平均高度場和距平分布，虛線為1960—2017年副高588 dagpm線的多年平均。西太平洋副高的強度、范圍及其位置變化直接決定了盛夏陜西高溫出現(xiàn)的強度及其持續(xù)時間。從圖1可以看出，烏拉爾山高壓脊較強，烏山以東至貝加爾湖以西有一低槽維持，高脊和低槽分別對應(yīng)距平場上的正負距平區(qū)域，說明烏山高脊及東側(cè)低槽異常偏強，阻塞高壓穩(wěn)定維持，阻礙上游天氣系統(tǒng)東移，導(dǎo)致中緯度地區(qū)冷空氣活動偏弱，且中緯度環(huán)流平直，以緯向環(huán)流為主，這一形勢有利于副高穩(wěn)定少動。2017年7月西太平洋副熱帶高壓588 dagpm線的平均西脊點位于112°E的長江中游地區(qū)，比常年平均偏西10°左右，西伸顯著，且副高面積較常年偏大。此外，我國位于中緯度地區(qū)的北方大部有2～4 dagpm的正距平，華北中部正距平達到6 dagpm。2017年7月陜西受持續(xù)異常的副高控制，盛行下沉氣流，有利于高溫天氣產(chǎn)生。

南亞高壓是北半球夏季100 hPa上最強大、最穩(wěn)定的控制性環(huán)流系統(tǒng)，對夏季我國大范圍旱澇分布以及亞洲天氣都有重大影響。陶詩言等[9]早在20世紀60年代就提出南亞高壓兩類基本型及其與西太平洋副高在大陸上的進退關(guān)系。多數(shù)研究也表明[10]100 hPa上空的南亞高壓與500 hPa

虛線為1960—2017年副高588 dagpm線的多年平均圖1 2017年7月500 hPa平均高度場(實線)及距平場(陰影，單位：dagpm)

上空的西太平洋副高是在對流層上部和對流層中部分別形成的高空反氣旋環(huán)流，且存在相互制約的關(guān)系，當南亞高壓東伸加強時副高西進，當南亞高壓西退時，副壓也相應(yīng)東撤。圖2為2017年7月100 hPa的平均形勢場和距平分布，虛線為1979—2015年南亞高壓(1676 dagpm線區(qū)域) 的多年平均。從圖2可以看出，2017年7月北半球大部分地區(qū)均為高度正距平，我國30°N以北的大部分地區(qū)距平值達4 dagpm以上，中心距平值達到6～8 dagpm。7月多年平均的南亞高壓1676 dagpm等值線的東脊點平均位置位于124°E附近，2017年7月該脊點位于130°E附近，較氣候平均偏東約6個經(jīng)度，控制范圍更廣。2017年7月南亞高壓偏東偏北，副高偏西，在兩個系統(tǒng)共同影響之下，陜西出現(xiàn)了持續(xù)高溫少雨天氣。

虛線為1979—2015年南亞高壓(1 676 dagpm線區(qū)域) 的多年平均圖2 2017年7月100 hPa平均高度場(實線)及距平場(陰影，單位：dagpm)

2.2 850 hPa流場特征

在東亞夏季風控制下， 7月850 hPa多年平均的環(huán)流場上陜西上空盛行偏南風(圖略)，偏南風自孟加拉灣從南海向北抵達陜西地區(qū)。從2017年7月850 hPa流場距平圖(圖3)上可見，華南至南海海面上有一異常的氣旋式環(huán)流，蒙古—華北—陜西一帶為異常的反氣旋環(huán)流，陜西呈現(xiàn)偏北風異常，抑制了來自南海的西南氣流北上，使得到達陜西的暖濕氣流輸送較常年偏弱。由此可見，2017年7月低層環(huán)流形勢不利于暖濕空氣自南向北輸送，導(dǎo)致水汽輸送減弱，與常年相比，這種環(huán)流形勢不利于冷暖空氣在陜西相遇，導(dǎo)致降水偏少，氣溫較常年偏高。

圖3 2017年7月850 hPa流場距平圖

3 物理量場分析

3.1 垂直運動特征

從30°N～45°N平均垂直速度距平經(jīng)度-高度剖面圖(圖4)可以看出，100°E～110°E的西北地區(qū)東部垂直速度從低層到高層為一致的正距平區(qū)，表明垂直下沉運動較常年明顯加強，特別是陜西中南部地區(qū)高層出現(xiàn)明顯負渦度區(qū)(圖略)，與副高中低層負渦度垂直疊加，產(chǎn)生一致下沉氣流，絕熱增溫效應(yīng)明顯，高層空氣下沉增溫，使中低層氣溫維持偏高[11]。從2017年7月30°N～45°N平均溫度距平的經(jīng)度-高度剖面上看到，近地面到500 hPa有明顯的正距平分布，105°E～120°E上空低層為正異常，高值中心可達3 ℃。這是導(dǎo)致是陜西高溫持續(xù)異常的原因之一。

圖4 30°N～45°N平均垂直速度(單位：10-2 Pa/s)距平(等值線)和溫度場(單位：℃)距平(陰影)的經(jīng)度-高度剖面圖

3.2 水汽輸送特征

水汽是形成降水的必要條件之一，水汽條件異常是某一地區(qū)干旱或洪澇發(fā)生的重要影響因子[12]。從2017年7月850 hPa相對濕度平均場和距平場(圖5)可看出，西北地區(qū)、內(nèi)蒙、河套北部和華北地區(qū)相對濕度在60%以下，相對濕度場上，陜西南部伸向四川盆地有一濕度場的低值區(qū)。新疆、東北、華北被負距平控制，陜西為一個負距平中心，關(guān)中南部和陜南西部負距平達到了10%，表明2017年7月陜西濕度條件較常年差。持續(xù)高溫干旱是不利于降水的異常環(huán)流持續(xù)發(fā)展和長期維持的結(jié)果[13-14]。多年平均水汽通量場上(圖略)，7月到達陜西有兩條水汽輸送通道，一部分從孟加拉灣北上經(jīng)青藏高原到達陜西，另一支從南海隨西南季風北上影響陜西。而2017年7月水汽通量距平圖上(圖6)，在南海附近形成一個氣旋式異常水汽通道，減弱了孟加拉灣和南海的水汽輸送。陜西地區(qū)的水汽通量異常表現(xiàn)為自北向南的北風通量，與常年的偏南風通量相反，不利于水汽輸送和降水天氣形成，易造成高溫少雨天氣。進一步分析水汽輸送的經(jīng)向輸送異常特征，從東北、華北經(jīng)陜西至廣西有一負經(jīng)向水汽輸送異常帶，大值中心位于長江以南一帶，陜西在負異常的控制之下，由南向北的水汽輸送大大減弱，導(dǎo)致該地區(qū)形成高溫少雨的天氣。

圖5 2017年7月850 hPa相對濕度場(%，等值線)及距平(%，陰影)

圖6 2017年7月水汽通量矢量距平(箭頭)和經(jīng)向距平(等值線，單位：g/(cm·hPa·s))

4 結(jié)論

(1)2017年7月陜西的持續(xù)性極端高溫天氣過程，持續(xù)時間長、極端高溫強，為歷史同期罕見。西太平洋副高比常年強度偏強，面積偏大，西伸明顯，南亞高壓偏東偏北，是導(dǎo)致陜西地區(qū)高溫天氣強度超歷史的直接原因。

(2)2017年7月陜西呈現(xiàn)偏北風異常，抑制了西南氣流北上，到達陜西的偏南氣流輸送較常年偏弱，導(dǎo)致降水較少，有利于出現(xiàn)高溫。西北地區(qū)東部地區(qū)垂直下沉運動比常年劇烈，副高中心強烈的晴空輻射和深厚的下沉增溫作用使整層氣溫持續(xù)偏高，造成這一地區(qū)高溫天氣形成。

(3)2017年7月陜西水汽通量異常表現(xiàn)為自北向南的北風通量，與常年的偏南風通量相反，不利于水汽輸送和降水天氣形成，濕度條件較常年差，易造成高溫少雨天氣。