2022年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比.pdf

书书书罗娟，邓承之，朱岩，等，年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比气象，（）：，（）：（）年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比罗娟，邓承之，朱岩，夏蘩，庞癑，朱浩楠，中国气象局气候资源经济转化重点开放实验室，重庆 重庆市气象台，重庆 重庆市气候中心，重庆 提要：年盛夏，重庆地区出现了两段高温天气，两段高温均为先大陆高压、后副热带高压控制下形成的。利用地面观测资料和 再分析资料，对比分析了重庆大陆高压阶段和副热带高压阶段的高温特征差异。结果表明：大陆高压持续时间短，为高温发展阶段，高温强度弱、相对湿度大、气温日较差大；副热带高压持续时间长，为高温强盛阶段，高温极端性强，干热特征显著、夜间升温明显。热力学方程诊断表明，大陆高压阶段，增温为非绝热加热和垂直运动项共同作用；副热带高压阶段，白天增温主要源于非绝热加热，其次为温度平流项，垂直运动项作用弱，夜间低空干绝热或超绝热层减弱消失，翻越云贵高原的下沉气流带来的增温效应显著增强。地表热力差异表明，副热带高压阶段较大陆高压阶段地表潜热通量下降，感热通量显著上升，地表感热直接加热大气，对地面增温作用明显。关键词：副热带高压，大陆高压，高温特征，温度局地变化，非绝热加热中图分类号：，文献标志码：犇 犗 犐：，犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，中国气象局创新发展专项（）、中国气象局复盘总结专项（）、重庆市气象部门业务技术攻关项目（）和重庆市气象局青年基金项目（）共同资助 年月日收稿；年月 日收修定稿第一作者：罗娟，主要从事灾害性天气预报和研究 ：通讯作者：邓承之，主要从事灾害性天气预报和研究 ：第 卷 第期年月气象 ，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：，引言随着全球气候变化和城市化进展加快，夏季极端高温事件呈现出明显增多的趋势，高温热浪严重影响人体健康，加剧能源消耗，威胁生态环境，已经成为主要的气象灾害之一（杨宏青等，；许霜等，；谢志清等，；高璇等，）。目前，高温成因研究方面已取得不少成果，大气中的高压环流系统是影响高温热浪的直接因素。对于我国夏季南方地区高温而言，最主要的高压环流系统包括西太平洋副热带 高 压（以 下 简 称 副 热 带 高 压）（林 建 等，；尹东屏等，；贾子康等，）、大陆副热带高压（以下简称大陆高压）（彭京备等，；陈丽华等，；袁媛等，）、以及对流层中高层的南亚高压（张琼和吴国雄，；钱永甫等，）。大陆副热带高压是由谢义炳（）提出，有别于海洋上空的副热带高压，大陆高压环流位于陆地上。年夏季，大陆高压与西伸的副热带高压打通，控制川渝地区，导致该地区出现历史罕见的高温天气（彭京备等，；陈丽华等，）。副热带高压和南亚高压异常偏强也是出现高温的重要原因，例如 年夏季，我国江南出现大范围异常高温天气就是由于副热带高压的异常偏强和偏西，同时南亚高压异常偏强和偏东造成的（彭海燕等，；林建等，；杨辉和李崇银，）。年中国大范围的强高温事件也与副热带高压和南亚高压的活动密切相关，高压中空气的下沉绝热增温是形成高温天气的主要物 理 机 制（唐 恬 等，；杨 涵 洧 和 封 国 林，；彭京备等，）。此外，还有一些气象学者从热力学方程出发，从热力成因方面对高温天气做了很多研究（周后福，；张迎新和张守保，）。尹东屏等（）的研究表 明，在 副热 带高 压 控 制下，非绝 热 加热是 年月江苏高温出现的关键，而温度平流和绝热加热对高温的贡献非常小。方宇凌和简茂球（）发现，在 年夏季的三段持续性高温期间，大气升温主要是由非绝热加热造成，而温度平流对升温起负贡献。邹海波等（）研究了 年盛夏中国中东部地区异常高温天气的成因，也得出类似的结论，非绝热加热（主要是长波净辐射）是夏季中国中东部地区升温最为主要的因子，而异常的温度平流（冷平流）则起着负贡献。年夏季，中国南方地区再次出现持续性异常高温天气，具有影响范围广、持续时间长、极端性强的特点，高温天气综合强度为 年有完整气象观测记录以来最强，中央气象台连续多日发布高温红色预 警。针 对 年 极 端 高 温 事 件，林 纾 等（）对高温干旱特征和环流形势进行了分析，表明 年夏季对流层高层南亚高压异常偏东，与中层的西太平洋副热带高压相向而行，高压系统叠加呈稳定正压结构，高压中心位于川渝上空，致使川渝地区成为高温日数和极端高温事件次数的高值中心。郝立生等（）认为 年长江流域夏季异常高温干旱气候事件的发生是高纬、中低纬、低纬热带地区环流异常协同作用影响的结果。可见，现有研究从大气环流异常的角度，表明异常偏强的高压环流系统是 年长江流域持续性高温天气的主要原因，但对不同高压系统下高温天气学特征的认识仍然不足。重庆素有“火炉”之称，副热带高压和大陆高压是高温天气最为直接和重要的影响系统，那么 年盛夏（月）不同高压控制下的重庆高温究竟有何不同？为了回答这一科学问题，本文利用地面观测资料和 再分析资料，首先从环流形势、高温强度、相对湿度和气温日较差等方面进行对比，第期 罗娟等：年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比 再从热力学方程出发进行诊断，探讨和总结不同高压控制下重庆高温特征差异和可能成因，以期为高温预警服务提供科学依据。资料和方法 资料本文使用的最高气温和相对湿度资料来自重庆国家地面站。环流分析和热力学方程诊断所用资料要素包括高度场、风场、温度场和垂直速度等，小节中的地表热力差异特征分析采用的地表接收到的太阳辐射、地表感热通量和潜热通量数据，均来源于 再分析数据集，资料时间分辨率为，水平分辨率为 。地表感热和潜热通量在 中规定向下为正通量，向上为负通量，为了符合使用习惯，本文在垂直通量前乘以。另外，本文所使用的站点为沙坪坝和北碚站。方法为了诊断分析造成 年盛夏重庆不同阶段高温天气的主要因子，有必要定量计算影响温度局地变化的各项因子，由热力学第一定律可得温度随时间的变化方程，即：犜狋犞犜狑（）犮犙狋（）引起温度局地变化的因子主要有三项，分别为温度平流项犞犜，垂直运动项狑（）和非绝热加热项犮犙狋。其中犜为温度，犞为水平风矢量，狑为垂直速度，为干绝热垂直递减率，为环境温度垂直递减率，犮为定压比热容，犙为外源加热量。由于犙的计算非常复杂，因此本文 小节进行热力学方程诊断时先计算出温度随时间变化、温度平流项和垂直运动项，再由式（）推算出非绝热加热项。另外，本文给出了大陆高压阶段和副热带高压阶段各项因子的 合 成 结果，是先 根 据式（）使 用 资料进行逐日逐时计算，再将不同阶段的计算结果合成。高温天气概况 年盛夏，重庆出现大范围持续性晴热高温天气，高温呈现出持续时间长、影响范围广和极端性强的特点。图给出了 和 高温日数历年变 化，由 图 可 知，全 市 以 上 高 温 日 数 达 ，超过 年（）（图）；以上高温 日 数 达 ，刷 新 了 年 历 史 极 值（），高温日数为 年有完整气象观测记录以来同期最多（图）。图 为各区县 高温日数分布，由图可见，高温天气范围广且持续时间长，全市有 个区（县）（占比为）出现 以上的高温天气，有 个区（县）（占比为）以上高温日数超过了，个区（县）（占比为）超过（图）。图 显示了日最高气温刷新历史纪录的区（县），高温极端性突出，日最高气温连创新高，个区（县）（占比为）日最高气温刷新当地有气象记录以来历史极值，其中北碚站连续两天日最高气温达，超过 年重庆綦江站（），这也是除新疆吐鲁番以外目前国家站观测到的最高值。高温演变及不同阶段高温特征对比图显示了 年盛夏重庆高温站数逐日演变。年盛夏重庆高温主要有两段：第一段在月 日，第二段在月 日至月 日。从逐日天气图演变来看（图略），两段高温均表现为先大陆高压控制，后转为副热带高压控制。第一阶段期间：月日为大陆高压控制，月 日转为副热带高压控制；第二阶段期间：月 日为大陆高压控制，而月 日再次转为副热带高压控制。大陆高压和副热带高压控制的重庆高温特征究竟有何不同？图给出了不同高压阶段合成环流形势。由图可见，大陆高压阶段 （图）南亚高压位于伊朗高原至青藏高原上空，位势高度场有强的正距平，对流层中部 （图）强的正距平位于青藏高原到四川盆地，重庆受到大陆高压脊前侧的偏北气流控制。副热带高压阶段南亚高压明显东扩，异常强盛的南亚高压盘踞在长江流域上空（图）；副热带高压显著西伸北抬，且呈现出异常偏西的特征，长时间稳定控制重庆地区（图）。因此，大陆高压和强盛的副热带高压是 年盛夏重庆高温的关键环流系统。气象 第 卷图还显示了高温的持续时间和强度，大陆高压持续时间短，而副热带高压持续时间长。大陆高图 年重庆（）和（）高温日数年变化 （）（）注：五角星代表北碚站和沙坪坝站位置。图 年盛夏重庆各区（县）（）的高温日数和（）日最高气温刷新历史纪录的区（县）分布情况 （）（）图 年盛夏重庆逐日高温站数演变 第期 罗娟等：年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比 压阶段主要为两段高温的初期发展阶段，以 和 的高温天气为主，个别站点超过；而副热带高压阶段则为两段高温的强盛阶段，以上的高温范围明显扩大，特别是月 日，持续有 左右的国家站出现 以上的高温天气，此阶段也为 年盛夏重庆高温的最强时段。先大陆高压后副热带高压控制是否为重庆持续性高温天气的普遍特征？图给出了 年盛夏川渝异常高温天气 环流对比。由图可见，年盛夏重庆高温也具有类似环流演变特征，以月下旬阶段性高温为例，月 日（图）重庆受大陆高压控制，高温处于发展阶段，随后副热带高压西伸（图），月 日后（图），强烈西伸的副热带高压与大陆高压打通，高温进入强盛阶段。可图 年（，）月日和 日大陆高压阶段以及（，）月 日和月 日副热带高压阶段平均位势高度（等值线，单位：）、位势高度距平（填色）和风场（风羽）分布（，），（，）（，：），（）（）（，）（，）（，），（，）图 年月（）日 时，（）日 时，（）日 时 位势高度（等值线，单位：）、位势高度距平（填色）和风场（风羽）分布 （，：），（），（）（）：，（）：（）：气象 第 卷见，先大陆高压、后副热带高压控制是盛夏重庆持续性高温的典型发展形势。为了对比不同高压控制下高温的干热和湿热特征，图 给出了北碚站月逐日相对湿度、最高气温和气温日较差的演变。由图可知，大陆高压阶段以湿热为主，相对湿度为 ，而副热带高压阶段则以干热为主，特别是月日以后干热特征更为显著，随着温度攀升，相对湿度明显下降，仅为 。这是因为大陆高压阶段持续时间短且出现在降雨过程后，相对湿度较高；而副热带高压阶段持续时间长，地表水分逐渐蒸发，且高温强度强于大陆高压阶段，使得空气饱和水汽压增加，从而导致相对湿度降低。图 还显示了大陆高压阶段气温日较差较大，约为 左右，副热带高压阶段气温日较差明显减小，约为 左右。这是因为副热带高压阶段除了最高气温在攀升之外，日最低气温升幅尤为显著，特别是月日以后，重庆多个国家站夜间最低气温在 以上（图略）。以月 日沙坪坝站气温为例（图），可以看出，沙坪坝站有 气温在 以上，气温在 以上（时至次日 时），气温在 以上（时）。不同高压控制下高温成因对比 温度局地变化为了寻找造成 年盛夏重庆不同阶段高温天气的主要因子，从热力学方程出发进行诊断分析。图和图分别给出大陆高压和副热带高压阶段 温度局地变化、温度平流项、垂直运动和非绝热加热项分布。由图可知，大陆高压控制期间，重庆大部地区温度局地变化为正值，特别是中西部地区升温明显（图）。大陆高压阶段增温主要源于垂直运动项和非绝热加热，两者贡献相当（图，）。而温度平流项作用较小，且在武陵山脉和云贵高原北侧还有弱的冷平流（图），这可能与重庆处于大陆高压脊前侧，武陵山脉和云贵高原北侧存在偏北气流携带冷空气在山前堆积有关。由图可知，副热带高压阶段，增温较大陆高压阶段更为强盛（图），各项因子对增温的贡献也有明显不同，副热带高压阶段白天最重要的增温源于非绝热加热项（图），即太阳短波辐射、地面长波辐射、感热及尺度较小的湍流等作用，其次为温度平流项（图），偏南风携带暖空气北上，在武陵山脉和云贵高原北侧有一定的正贡献。另外，副热带高压阶段白天增温垂直运动项贡献小（图），较大陆高压阶段明显减弱。图给出了北碚站热力学方程各项因子时间高度演变。由图可知，副热带高压阶段白天低空 以下增温仍然主要源于非绝热加热作用（图），其次为温度平流项（图），垂直运动项作用弱，但对于对流层中上部 的增温则主要源于垂直运动作用（图），即下沉运动导致的绝热增温现象。另外，夜间与白天的情况也有明显不同，夜间在近地面有非绝热冷却（图），温度平图 年（）盛夏北碚站逐日最高气温、气温日较差和平均相对湿度，（）月 日沙坪坝站逐时气温演变 （），（）第期 罗娟等：年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比 图 年月日和 日 时大陆高压阶段平均的 （）温度局地变化，（）温度平流项，（）垂直运动项及（）非绝热加热项的分布 （），（），（）（）：图 年月 日和月 日 时副热带高压阶段平均的 （）温度局地变化，（）温度平流项，（）垂直运动项及（）非绝热加热项的分布 （），（），（）（）：气象 第 卷流也以负贡献为主（图），但垂直运动项的作用明显加大（图），可见偏南风翻越云贵高原产生的下沉气流在夜间形成了一定的增温效应，这也是副热带高压阶段重庆夜间升温的原因之一。垂直运动项造成的增温效应在高温不同阶段、白天和夜间均有明显不同，其原因与垂直速度和低空气温直减率有关。由垂直运动项狑（）可知，该项取决于狑和。图 为重庆北碚站分别在副热带高压阶段和大陆高压阶段气温直减率及垂直速度的时间高度演变。由图 可知，白天副热带高 压 阶 段 在 非 绝 热 加 热 作 用 下 低 空 快 速 增 温，以下形成了气温直减率在 的干绝热甚至超绝热层结，环境大气的气温直减率和气块干绝热直减率相当，较小，因此带来的增温效应非常弱。图 显示大陆高压阶段这种干绝热层结较弱，增大，因此由垂直运动项图 年月 日及月 日副热带高压阶段北碚站平均（）温度局地变化，（）温度平流项，（）垂直运动项及（）非绝热加热项的时间高度演变 （），（），（）（）图 年（）月 日及月 日副热带高压阶段，（）月日及 日大陆高压阶段平均的北碚站气温直减率（填色）及垂直速度（等值线，单位）的时间高度演变 （）（，：）（），（）第期 罗娟等：年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比 产生的增温效应增强。图 还显示出，副热带高压阶段低空气温直减率的日变化显著，夜间低空干绝热或超绝热层消失，且下沉气流有所增强，因而垂直运动项在夜间会产生更显著的增温效应。综上所述，年盛夏重庆副热带高压阶段增温明显强于大陆高压阶段。大陆高压阶段的增温主要为非绝热加热和垂直运动项共同作用。副热带高压阶段的白天增温主要源于非绝热加热项，其次为温度平流项，垂直运动项作用弱，但夜间随着低空干绝热或超绝热层减弱消失，翻越云贵高原的下沉气流带来的增温效应显著增强。地表热力差异上述分析表明，非绝热加热是重庆增温最为主要的因子。大气的热量主要来自地球表面，近地面非绝热加热包括地表长波辐射通量加热、地表感热通量加热以及潜热通量加热。地球表面吸收太阳短波辐射后，同时放射出长波辐射加热大气；地表感热通量是通过空气湍流影响地球表面和大气之间热量传递的物理量，感热通量的大小取决于地表和覆盖大气之间的温差、风速差、地表粗糙度和土壤相对湿度等；地表潜热通量是通过相变影响地球表面和大气之间潜热传递的物理量，地球表面的蒸发表示有热量从地表转移到大气中。图 为大陆高压阶段和副热带高压阶段地表热力差异，由图可知，两个阶段地表接收到的太阳辐射量接近，大陆高压阶段平均太阳辐射通量约 （图 ），副热带高压阶段略有增加，为 （图 ）。地表感热通量在大陆高压阶段较小，仅为 （图 ），副热带高压阶段明显增大，达到 （图 ）。潜热通量则相反，大陆高压阶段较大，为 （图 ），副热带高压阶段明显减小，不足 （图 ）。副热带高压阶段较大陆高压阶段太阳辐射变化不大，但地表感热通量显著上升，可能与持续晴热天气导 致 土 壤 湿 度 减 小 有 关。易 翔 等（）利 用 模式就土壤湿度扰动对高温天气影响进行模拟，结果表明土壤湿度减小会引起地面向上的感热通量增加。地表感热可以直接加热大气，对地面增温作用更为明显，而潜热不直接加热大气，需要通过凝结释放而对气温产生影响，对高温作用相对较小，因此副热带高压阶段高温强于大陆高压阶段。图 年（）月日和 日大陆高压阶段和（）月 日和月 日副热带高压阶段的（，）太阳辐射通量，（，）地表感热通量，（，）地表潜热通量 （，），（，）（，）（）（）气象 第 卷结论与讨论 年盛夏重庆经历了罕见的晴热高温天气，高温强度强、范围广、持续时间长。大陆高压和副热带高压是此次重庆高温天气的关键环流系统，本文对比分析了不同高压控制下高温特征差异及可能成因，得到以下结论：（）先大陆高压、后副热带高压控制是盛夏重庆持续性高温典型发展形势，不同高压控制下高温特征表现不同。大陆高压为持续性高温发展阶段，高温强度较小，以 和 的高温为主，副热带高压进入高温强盛阶段，出现大范围 以上的极端高温天气。大陆高压阶段相对湿度较高，副热带高压阶段由于温度高、饱和水汽压增大，干热特征更为显著。另 外，大 陆 高 压 阶 段 气 温 日 较 差 大，约 为 左右，副热带高压阶段气温日较差减小，约为 左右。（）温度局地变化分析表明，副热带高压阶段增温明显强于大陆高压阶段。大陆高压阶段增温主要为非绝热加热和垂直运动项共同作用；副热带高压阶段增温主要源于非绝热加热，其次为温度平流项，垂直运动项白天低空增温作用弱，但夜间随着干绝热或超绝热层减弱消失，翻越山脉的下坡风在云贵高原北侧带来显著的下沉增温效应。（）地表热力差异表明，副热带高压阶段较大陆高压阶段太阳辐射变化不大，地表潜热通量下降，感热通量显著上升，地表感热可以直接加热大气，对地面增温作用更为明显，因此副热带高压阶段高温强于大陆高压阶段。重庆极端高温成因复杂，除与大气环流形势有关外，还与本地特殊地形密不可分。极端高温位于重庆境内平坝、河谷及岭谷地带，特殊地形使得热量难以散发。加之近年来城市化进展加快，“热岛效应”也是重庆城市极端高温的重要因子（白莹莹等，），因此，今后还需结合本地特殊地形及城市“热岛效应”等对高温成因做更全面的研究。参考文献白莹莹，程炳岩，王勇，等，城市化进程对重庆夏季高温炎热天气的影响气象，（）：，（）：（）陈丽华，周率，党建涛，等，年盛夏川渝地区高温干旱气候形成的物理机制研究气象，（）：，（）：（）方宇凌，简茂球，年夏季华南持续高温天气过程及热力诊断热带海洋学报，（）：，（）：（）高璇，赵东升，郑度，年中国地表温度变化的区域差异大气科学，（）：，（）：（）郝立生，马宁，何丽烨，年长江中下游夏季异常干旱高温事件之环流异常特征干旱气象，（）：，（）：（）贾子康，郑志海，封国林，中国南方地区盛夏高温类型及其对应的大尺度环流和海温异常气象学报，（）：，（）：（）林建，毕宝贵，何金海，年月西太平洋副热带高压变异及中国南方高温形成机理研究大气科学，（）：，（）：（）林纾，李红英，黄鹏程，等，年夏季我国高温干旱特征及其环流形势分析干旱气象，（）：，（）：（）彭海燕，周曾奎，赵永玲，等，年夏季长江中下游地区异常高温的分析气象科学，（）：，（）：（）彭京备，刘舸，孙淑清，年我国南方持续性高温天气及副热带高压异常维持的成因分析大气科学，（）：，（）：（）彭京备，张庆云，布和朝鲁，年川渝地区高温干旱特征及其成因分析气候与环境研究，（）：，第期 罗娟等：年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比 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