鎮(zhèn)江地區(qū)夏季連續(xù)高溫災(zāi)害的氣候特征及2017年異常高溫的診斷分析

周勍 馮佳瑋 吳瓊 曹陽 郭煜

摘? 要：利用鎮(zhèn)江1961—2017年逐日氣溫資料分析連續(xù)高溫災(zāi)害的氣候特征，同時(shí)結(jié)合2.5°×2.5°逐日NCEP再分析資料，以2017年夏季異常連續(xù)高溫天氣過程為典型進(jìn)行診斷分析。結(jié)果表明：1961年以來鎮(zhèn)江夏季高溫日數(shù)、極端日最高氣溫和最長連續(xù)高溫日數(shù)均呈現(xiàn)明顯上升趨勢;20世紀(jì)90年代后連續(xù)高溫災(zāi)害發(fā)生更為頻繁，同時(shí)連續(xù)高溫災(zāi)害等級也顯著上升;強(qiáng)盛的西太平洋副熱帶高壓長時(shí)間盤踞鎮(zhèn)江上空是產(chǎn)生連續(xù)高溫災(zāi)害的主要原因;高溫期間冷空氣勢力弱，海上臺風(fēng)、青藏高原暖高壓的特殊活動路徑，為副高的穩(wěn)定維持提供有利條件;溫度平流和垂直加熱對高溫的出現(xiàn)起重要作用，而高溫的維持以及極端高溫的出現(xiàn)更多的取決于非絕熱加熱。

關(guān)鍵詞：連續(xù)高溫;西太平洋副熱帶高壓;熱力診斷

中圖分類號 S428文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）04-0116-05

Abstract：this article will use the daily temperature data of 4 stations in Zhenjiang from the year 1961 to 2017 to analyze the continuous high temperature disaster in this region;It will use the 2.5°× 2.5° daily NCEP reanalysis data to analyze the materials at the same time. It will take the continuous high temperature disaster in the summer of 2017 as a typical case to diagnosis analysis the cause of synoptic meteorology. The result shows：The high temperature days， the maximum temperature and the longest continuous hot days in the Zhenjiang region have shown a significant upward trend since 1961;After 1990s，continuous high temperature disasters had occurred more? frequently， while the level of continuous high temperature disasters also increased significantly;The main reason for the continuous high temperature disasters is long staying time of the strong western pacific subtropical highpressure;During the high temperature period， the weak air force and the special activity way of the typhoon in the sea and the warm and high pressure of the Tibetan Plateau provide a favorable condition for the stability of the western Pacific subtropical high pressure;Temperature advection and vertical heating are playing an important role in the appearance of high temperature， while the maintenance of high temperature maintenance and the present of extreme high temperature mostly depend on diabatic heating.

Key words：Continuous high temperature;Western Pacific subtropical high;Thermal diagnosis

在全球氣候變暖的背景下，極端天氣事件頻發(fā)，異常高溫作為夏季主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，影響著社會生產(chǎn)和人們的生活，特別是給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重影響[1-4]。近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者對我國的高溫天氣過程個(gè)例、高溫的氣候特征等已經(jīng)進(jìn)行了很多研究。例如，尹潔、彭海燕、方宇凌等分別就江西、長江中下游地區(qū)、華南2003年的罕見持續(xù)高溫進(jìn)行了分析，均認(rèn)為主要原因是副高的異常強(qiáng)盛[5-7];夏揚(yáng)等在2013年長江中下游地區(qū)高溫事件分析中，特別強(qiáng)調(diào)了大氣中水汽對高溫的影響以及低緯度大氣熱源異常對副高的影響[8];陳雅子等制定了江蘇省水稻高溫?zé)岷ΡｋU(xiǎn)的天氣指數(shù)[9];包運(yùn)軒、姜燕敏等研究了以高溫持續(xù)時(shí)間的長短作為劃分作物受到高溫?zé)岷Τ潭却笮〉臉?biāo)準(zhǔn)[10-11]。從以上研究結(jié)果來看，對持續(xù)高溫天氣的大氣環(huán)流背景或氣候特征分析較多，而有關(guān)兩者結(jié)合分析較少，同時(shí)進(jìn)行熱力學(xué)診斷分析的亦較少。本研究擬用多年實(shí)測資料，結(jié)合給農(nóng)業(yè)帶來影響的持續(xù)高溫指標(biāo)，分析鎮(zhèn)江地區(qū)連續(xù)高溫災(zāi)害的氣候變化特征;并根據(jù)高溫災(zāi)害發(fā)生程度擇取2017年為典型的高溫災(zāi)害年，分析環(huán)流背景和熱力學(xué)成因，從而為提高連續(xù)高溫災(zāi)害天氣的預(yù)報(bào)能力提供理論依據(jù)，進(jìn)而更好地為夏季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供保障服務(wù)。

1 資料與方法

1.1 研究資料 鎮(zhèn)江1961—2017年逐日氣溫資料;1961—2017年分辨率2.5°×2.5°逐日NCEP再分析資料。

1.2 研究方法

1.2.1 連續(xù)高溫災(zāi)害等級的劃分 利用連續(xù)高溫持續(xù)時(shí)間長短將連續(xù)高溫災(zāi)害分為3級：若連續(xù)3～4d出現(xiàn)日最高氣溫≥35℃定義為輕度災(zāi)害，連續(xù)出現(xiàn)5～7d定義為中度，連續(xù)出現(xiàn)8d以上則定義為重度[9-11]。

1.2.2 熱力學(xué)第一定律 利用熱力學(xué)能量方程的一級簡化方程來進(jìn)行熱力診斷分析，具體公式為：

即溫度的局地變化取決于溫度水平平流、垂直絕熱變化和非絕熱加熱。由于非絕熱加熱項(xiàng)包括太陽輻射、感熱輸送和潛熱釋放等多方面因素，比較難以定量估算，故本文通過公式其他3項(xiàng)推算而得。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季連續(xù)高溫災(zāi)害的氣候特征 以鎮(zhèn)江1961—2017年57年逐年夏季高溫日數(shù)、極端日最高氣溫和最長連續(xù)高溫日數(shù)為樣本，運(yùn)用Mann—Kendall方法分別檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：高溫日數(shù)、極端日最高氣溫和最長連續(xù)高溫日數(shù)均呈現(xiàn)明顯上升趨勢，三者均超過0.05顯著水平（U0.05=1.96），其中高溫日數(shù)和最長連續(xù)高溫日數(shù)甚至超過了0.001顯著水平（U0.001=2.56）。三者突變點(diǎn)均在1990年前后，即20世紀(jì)90年代開始鎮(zhèn)江每年夏季高溫日數(shù)明顯增多，高溫強(qiáng)度也顯著增強(qiáng)，而且更容易出現(xiàn)長時(shí)間連續(xù)高溫。20世紀(jì)90年代后平均高溫日數(shù)達(dá)13.2d，20世紀(jì)90年代前僅7.5d，20世紀(jì)90年代后鎮(zhèn)江地區(qū)的平均高溫日數(shù)較之前增加近6d。而最長連續(xù)高溫日數(shù)在20世紀(jì)90年代后平均6.6d，20世紀(jì)90年代前4.7d，連續(xù)高溫時(shí)長增加近2d。

對20世紀(jì)90年代后鎮(zhèn)江地區(qū)歷年連續(xù)高溫災(zāi)害等級情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，1961—1989年29年中有13年出現(xiàn)連續(xù)高溫災(zāi)害，占44.8%;而1990—2017年28年中則有23年出現(xiàn)連續(xù)高溫災(zāi)害，占比高達(dá)82.1%，重度災(zāi)害的發(fā)生概率高達(dá)31.3%?？梢?，20世紀(jì)90年代后連續(xù)高溫災(zāi)害發(fā)生更為頻繁，同時(shí)連續(xù)高溫災(zāi)害等級也明顯上升。2017年7月14—29日出現(xiàn)長達(dá)16d的連續(xù)高溫天氣，其中≥37℃高溫日10d，≥39℃高溫日5d，≥40℃高溫日2d，極端最高氣溫達(dá)40.6℃，持續(xù)時(shí)間之長、強(qiáng)度之強(qiáng)均創(chuàng)歷史之最。因此，本文以2017年的連續(xù)高溫災(zāi)害過程為典型，著重進(jìn)行分析，以期對今后的高溫預(yù)報(bào)有指導(dǎo)意義。

2.2 2017年異常高溫的診斷分析

2.2.1 環(huán)流形勢 一方面，分析連續(xù)高溫時(shí)段500hPa平均位勢高度及同期距平水平分布發(fā)現(xiàn)，副高西脊點(diǎn)越過110°E深入我國西南地區(qū)，較同期氣候平均位置（130°E）西伸20個(gè)經(jīng)度;5880gpm線北界超過35°N到達(dá)山東半島中部，較同期常年水平（33°N）北推近5個(gè)緯度。我國大部分地區(qū)處于20gpm正距平內(nèi)，其中在蒙古-我國華北-華東北部地區(qū)為40gpm的正距平中心。同時(shí)，從沿120°E的500hPa位勢高度時(shí)間-緯度剖面來看，5880gpm線基本維持在35°N以北，120°E脊線基本穩(wěn)定在30°N附近。可見，副高偏西偏北異常強(qiáng)盛，且長時(shí)間穩(wěn)定。另外，高緯度西西伯利亞地區(qū)存在強(qiáng)大的正距平中心，中心距平值達(dá)80gpm，意味著北極渦強(qiáng)度偏弱，冷空氣強(qiáng)度偏弱。有研究表明，當(dāng)北極渦異常收縮減弱時(shí)，副高則明顯擴(kuò)大增強(qiáng)[12-13]。另一方面，夏季100hPa上空的南亞高壓和500hPa上空的副高是“相向而行、相背而去”關(guān)系，同時(shí)兩者強(qiáng)度有很好的正相關(guān)關(guān)系 [14-15]。通過分析100hPa平均位勢高度及同期距平的水平分布發(fā)現(xiàn)，100hPa南亞高壓東伸明顯，且內(nèi)蒙古西側(cè)出現(xiàn)了100gpm的正距平中心，強(qiáng)度異常偏強(qiáng)，也就對應(yīng)副高西伸明顯，異常強(qiáng)盛。另外，2017年7號臺風(fēng)“洛克”西行對副高的“頂托”作用，130°E以東低值系統(tǒng)北上活動使得副高斷裂后大陸高壓一環(huán)盤踞我國東部上空，對副高長時(shí)間維持起積極作用。同時(shí)，青藏高原暖高壓東移與副高合并，使得副高面積擴(kuò)張，強(qiáng)度增強(qiáng)，高溫持續(xù)。

2.2.2 熱力學(xué)診斷 為進(jìn)一步揭示此次連續(xù)高溫的成因，本研究采用熱力學(xué)第一定律的溫度變化方程進(jìn)行診斷分析。根據(jù)連續(xù)高溫時(shí)段的逐日NCEP再分析資料，計(jì)算近地層溫度平流、絕熱變化和非絕熱變化隨時(shí)間推移對本地溫度變化的貢獻(xiàn)。

2.2.2.1 溫度平流項(xiàng) 對沿120°E近地層溫度平流的時(shí)間—緯度變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，17日前，也就是持續(xù)高溫開始階段，30～35°N區(qū)間處于暖平流區(qū)，溫度平流的增溫率達(dá)到2.0～2.5℃/d，對溫度變化有著明顯正貢獻(xiàn);而后副高穩(wěn)定控制的時(shí)段內(nèi)溫度平流逐漸減弱，溫度平流的增溫率大部分時(shí)間穩(wěn)定在-0.5～0.5℃/d，表現(xiàn)并不明顯;其中在極端高溫出現(xiàn)的25日前后，30～35°N之間甚至一度出現(xiàn)了-1.0～-1.5℃/d的負(fù)值區(qū)，對溫度變化帶來負(fù)貢獻(xiàn)?？梢?，溫度平流在高溫起始階段作用較大，但在副高穩(wěn)定控制后的高溫維持期間，溫度平流較弱，作用并不明顯。

2.2.2.2 絕熱變化項(xiàng) 大氣的絕熱變化是指氣塊在垂直運(yùn)動中所發(fā)生的絕熱增溫和絕熱冷卻變化。當(dāng)氣塊作下降運(yùn)動時(shí)，由于外界氣壓增大，氣塊體積被壓縮，外界空氣對氣塊作功，從而使氣塊內(nèi)能增加溫度升高;反之，氣塊作上升運(yùn)動時(shí)，氣塊內(nèi)能減少溫度降低。首先對120°E，32°N上空的大氣垂直運(yùn)動時(shí)間變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，持續(xù)高溫的起始階段低層逐漸轉(zhuǎn)為下沉氣流，且在開始前一日出現(xiàn)了0.06pa/s正值中心，但高空仍然是上升氣流;20日進(jìn)入強(qiáng)高溫時(shí)段，鎮(zhèn)江地區(qū)上空轉(zhuǎn)為一致的下沉氣流;30日鎮(zhèn)江地區(qū)上空轉(zhuǎn)為上升氣流，高溫中斷;同時(shí)可以看到在23-27日出現(xiàn)39℃以上極端高溫天氣的時(shí)間段內(nèi)，近地層有0～0.03pa/s的弱上升運(yùn)動。應(yīng)該說，低層垂直運(yùn)動的突變對高溫時(shí)段開始和結(jié)束的預(yù)報(bào)在一定程度上有著指示意義。進(jìn)一步對絕熱變化與本地溫度變化的關(guān)系進(jìn)行研究，通過沿120°E 近地層大氣絕熱變化增溫率的時(shí)間—緯度剖面圖分析發(fā)現(xiàn)，持續(xù)高溫的大部分時(shí)段內(nèi)，由于近地層的下沉運(yùn)動，使得空氣增溫，30～35°N之間垂直加熱率0.0～1.0℃/d;且在高溫開始階段32°N附近出現(xiàn)了1.0℃/d的中心。然而在極端高溫出現(xiàn)的時(shí)段內(nèi)，由于近地層有弱的上升運(yùn)動，使得垂直加熱率變?yōu)樨?fù)值。大部分情況下，垂直絕熱變化對高溫形成作出正貢獻(xiàn)，但表現(xiàn)并不明顯。

2.2.2.3 非絕熱加熱項(xiàng) 分析沿120°E近地層非絕熱加熱率的時(shí)間-緯度剖面圖發(fā)現(xiàn)，持續(xù)高溫開始時(shí)段內(nèi)，在30～35°N非絕熱加熱率為負(fù)貢獻(xiàn);副高穩(wěn)定控制后轉(zhuǎn)正貢獻(xiàn)，極端高溫的時(shí)段內(nèi)則出現(xiàn)了1.0～1.5℃/d的正貢獻(xiàn)大值區(qū)。結(jié)合前文中的大氣垂直運(yùn)動情況分析其原因所在：高溫前期由于中高層的上升氣流，云量增加，到達(dá)地面的太陽輻射減少;副高穩(wěn)定控制后，高空轉(zhuǎn)為一致的下沉氣流，天空晴朗少云，使得到達(dá)地面的太陽輻射明顯增多，同時(shí)地面熱量的逐步累積使得地面對大氣的感熱輸送增加，另外，在極端高溫出現(xiàn)的幾天里近低層出現(xiàn)弱的上升運(yùn)動，還帶來了一定的潛熱釋放?？梢?，非絕熱加熱對高溫的維持和極端高溫的產(chǎn)生起到了很大的作用。

綜上所述，在持續(xù)高溫的過程中，溫度平流和垂直加熱對持續(xù)高溫的開始起著重要作用，而高溫的維持以及極端高溫的產(chǎn)生更多的取決于非絕熱加熱。

3 結(jié)論與討論

（1）1961年以來鎮(zhèn)江夏季高溫日數(shù)、極端日最高氣溫和最長連續(xù)高溫日數(shù)均呈現(xiàn)明顯上升趨勢;1990年前后是三者明顯增多的突變點(diǎn)，20世紀(jì)90年代后鎮(zhèn)江高溫日數(shù)較之前多近6d，最長連續(xù)高溫日數(shù)增加近2d。

（2）20世紀(jì)90年代前鎮(zhèn)江連續(xù)高溫災(zāi)害發(fā)生率44.8%;20世紀(jì)90年代后則高達(dá)82.1%，重度災(zāi)害的發(fā)生概率為31.3%。20世紀(jì)90年代后連續(xù)高溫災(zāi)害發(fā)生更為頻繁，災(zāi)害等級也明顯上升。

（3）副高異常強(qiáng)盛，偏西偏北且長時(shí)間穩(wěn)定，是產(chǎn)生2017年7月14—29日歷史罕見連續(xù)高溫災(zāi)害天氣過程的重要原因。期間南亞高壓偏北偏東，冷空氣偏弱，青藏高原暖高壓以及熱帶低值系統(tǒng)的活動對副高長時(shí)間穩(wěn)定維持起到重要作用。

（4）溫度平流和垂直加熱對高溫出現(xiàn)起到重要作用，而高溫維持以及極端高溫出現(xiàn)更多取決于非絕熱加熱。

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（責(zé)編：張宏民）