2015年7月14—27日石河子地區(qū)異常高溫過程分析

丁 虎， 王 科

(新疆石河子氣象局，新疆石河子 832000)

?

2015年7月14—27日石河子地區(qū)異常高溫過程分析

丁 虎， 王 科

(新疆石河子氣象局，新疆石河子 832000)

利用1961—2015年歷史氣象資料，普查石河子地區(qū)持續(xù)10 d以上≥35 ℃的高溫過程，分析了石河子地區(qū)持續(xù)異常高溫過程的環(huán)流形勢以及太陽黑子年際變化與高溫過程的對應(yīng)關(guān)系；在此基礎(chǔ)上分析了2015年7月中下旬的持續(xù)異常高溫過程發(fā)生的物理機制，并對數(shù)值預(yù)報進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明，石河子地區(qū)持續(xù)高溫過程主要是在高壓脊型和緯向帶狀型2種環(huán)流背景下發(fā)生，500 hPa 580 dagpm等高線北上越過天山進(jìn)入北疆地區(qū)，極鋒鋒區(qū)北縮至60°N以北；850 hPa溫度場上24 ℃等溫線北上控制北疆地區(qū)；該地區(qū)高溫過程多發(fā)生在太陽黑子活動低谷期；高溫期間極渦在65°N以北至極地附近，位置顯著偏西偏北；副熱帶高壓顯著發(fā)展，異常強大的暖高壓、持續(xù)的下沉增溫和地形效應(yīng)造成了此次持續(xù)的高溫過程；ECMWF模式準(zhǔn)確預(yù)報了此次高溫過程的環(huán)流形勢和物理場，單站檢驗結(jié)果顯示地面氣壓和850 hPa溫度預(yù)報誤差分別在2 hPa以內(nèi)和1 ℃以內(nèi)，環(huán)流形勢場和要素預(yù)報穩(wěn)定且時效長，檢驗結(jié)果表明ECMWF產(chǎn)品可以作為石河子地區(qū)連續(xù)高溫過程預(yù)報的參考。

高溫；環(huán)流特征；物理機制；數(shù)值預(yù)報；石河子地區(qū)

高溫天氣對各行各業(yè)及社會公眾的日常生活均有較大影響。高溫天氣出現(xiàn)時，輕則影響正常的工作效率，重則造成人畜中暑死亡。近年來，隨著人民生活水平的提高，空調(diào)設(shè)施的增加，增強了抵御高溫災(zāi)害的能力，但高溫對水、電需求所帶來的壓力顯著增加。作為重要的高影響天氣，對其生成機理和規(guī)律的研究也是氣象工作者密切關(guān)注的內(nèi)容之一[1-4]。

2015年7月14—27日石河子地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)的35 ℃以上的極端高溫天氣，7月21—22日各地最高氣溫普遍上升至40 ℃以上，135團(tuán)29連出現(xiàn)44.8 ℃，持續(xù)高溫影響棉花、葡萄生長，致使葡萄品質(zhì)下降、棉花產(chǎn)量和品質(zhì)降低，高溫使石河子市對水、電需求量劇增，造成了多條供電線路因不堪重負(fù)出現(xiàn)跳閘斷電現(xiàn)象。來自醫(yī)院信息顯示，2016年由于高溫持續(xù)時間長、溫度高，中暑和死亡人數(shù)較往年明顯增加。由于自來水供應(yīng)量不足，市區(qū)許多居民樓高層不能上水，停水?dāng)嚯妵?yán)重影響了市民正常的工作和生活。在全球氣候變暖的大背景下，近年來石河子高溫出現(xiàn)的次數(shù)和強度均有所增加，因此做好高溫預(yù)報非常重要。筆者從歷史和實況資料出發(fā)，通過對此次高溫過程的氣候特征、天氣形勢分析，歸納出高溫出現(xiàn)的天氣學(xué)特征、形成原因，并從環(huán)流形勢和要素預(yù)報對數(shù)值預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了檢驗。

1 高溫天氣實況

2015年7月石河子地區(qū)出現(xiàn)歷史少見的持續(xù)高溫(日最高氣溫≥35.0 ℃)天氣過程(表1)，各地累計高溫日數(shù)13～18 d，最高氣溫38.7～42.0 ℃，高溫日數(shù)之多分別位居各地有資料以來的1～7位，其中石河子市與1974、1986年并列第1位，烏蘭烏蘇居第3位，炮臺、莫索灣分別位居第6、7位。此次高溫是1991年以來同期高溫日數(shù)最多的一年，尤其7月14—28日出現(xiàn)持續(xù)高于35 ℃的高溫過程,是石河子市、烏蘭烏蘇站有記錄以來同期最長高溫持續(xù)日數(shù)，持續(xù)高溫對棉花、林果造成一定危害，因高溫也導(dǎo)致中暑患者和致死人數(shù)較歷年明顯增加。

2 環(huán)流特征分析

普查1961年以來同期出現(xiàn)的連續(xù)高溫過程(表1)，通過對比分析歷史同期10次持續(xù)10 d以上高溫過程，發(fā)現(xiàn)石河子地區(qū)持續(xù)高溫天氣過程主要有高壓脊型和緯向帶狀型2種環(huán)流型。高壓脊型占絕大多數(shù)，典型年份有1974、1983、1985、1986、1987、1992、2002、2005、2015年，此型共同特征是新疆及以北地區(qū)為高壓脊控制，高壓脊軸線或伸向西北至烏拉爾山中北部，或向東北伸向中西伯利亞至貝加爾湖地區(qū)，580 dagpm等高線越過天山，深入準(zhǔn)噶爾盆地腹地；另一類是緯向環(huán)流型也會導(dǎo)致持續(xù)高溫天氣，如1980、1981年，其共同特征是環(huán)流呈緯向帶狀分布，中緯度鋒區(qū)位于48°N以北，極鋒鋒區(qū)收縮至60°N，580 dagpm等高線北伸至天山山區(qū)以北。而1962年7月17—30日石河子地區(qū)持續(xù)處于低槽控制下，576 dagpm特征線尚在天山以南，在地區(qū)北部的炮臺、莫索灣也出現(xiàn)了連續(xù)大于35 ℃的高溫天氣，但均未出現(xiàn)超過40 ℃的極熱天氣，2012年處于平均槽底部，580 dagpm等高線位于天山上，與其他年份有所不同。

表1 歷史上7月份日最高氣溫≥35 ℃連續(xù)10 d以上初、終日及持續(xù)日數(shù)

2.1 100 hPa環(huán)流異常特征 高溫期間，100 hPa伊朗副熱帶高壓東移加強與青藏高壓疊加并穩(wěn)定于高原至中西伯利亞一帶，新疆處于高壓中心區(qū)域；7月中旬后期—下旬中期，100 hPa在高原東北側(cè)有1 680 dagpm、-65 ℃以上的冷高脊，穩(wěn)定較強，最強時高壓中心達(dá)1 692 dagpm (7月21日20：00)，當(dāng)天墾區(qū)出現(xiàn)2015年的最高氣溫。伊朗高壓與西太平洋副高的部分疊加，使副高更加趨于穩(wěn)定，而高壓中心區(qū)下沉氣流的壓縮效應(yīng)導(dǎo)致絕熱溫度梯度增大而致下沉增溫，利于低層溫度升高。7月29日副熱帶高壓明顯東移南落，高溫結(jié)束。

2.2 500 hPa環(huán)流異常特征 與歷史同期比較(圖1)，2015年500 hPa新疆高壓脊異常偏強，8 dagpm正變高中心正好位于北疆至薩彥嶺地區(qū)，平均槽從西西伯利亞—巴爾喀什湖一線西退至烏拉爾山—咸海一帶位相西退了約15個經(jīng)度，相對應(yīng)新疆處于高壓中心附近，受強盛的西南氣流控制，高溫期間副高從新疆東北伸至貝加爾湖，其高壓中心位于新疆，控制了我國西部地區(qū)和中西伯利亞地區(qū)，強大的暖高壓完全阻擋了北方冷空氣的南下活動。

3 高溫與太陽黑子活動

圖1 2015年7月14—28日500 hPa環(huán)流平均及距平Fig.1 Average and anomalous circulation of 500 hPa in July 14-28, 2015

圖2 1961—2015年太陽黑子相對數(shù)距平與同期7月石河子市溫度距平Fig.2 The sunspot relative number anomaly and temperature anomaly over the same period in Shihezi in July during 1961-2015

太陽活動的強弱常用太陽黑子相對數(shù)的多少來表示，太陽活動較強期對應(yīng)的太陽黑子相對數(shù)較多，太陽活動較弱期對應(yīng)的太陽黑子相對較少。20世紀(jì)60年代至今，太陽黑子數(shù)的年際變化曲線(圖2)已形成4個峰值區(qū)和5個谷值區(qū)，2015年太陽活動頻率處于小幅下降階段。結(jié)合石河子地區(qū)氣溫變化發(fā)現(xiàn)，太陽黑子低值年前后對應(yīng)著7月氣溫易偏高，在所統(tǒng)計的10次連續(xù)高溫過程中，有8次是在黑子活動低谷期發(fā)生。石河子市2015年7月平均氣溫為27.3 ℃,其值超過1974年，為歷史同期最高記錄，而1970、1980、1990、2000、2009年均為太陽活動的峰值期，其對應(yīng)的7月氣溫易偏低。4 高溫過程中的物理場特征

4.1 溫度變化特征 克拉瑪依探空站緊鄰石河子地區(qū)，直線距離最近處不足60 km，且位于該地區(qū)上游，其高空資料基本能反映石河子地區(qū)上空的溫壓濕狀況。由圖3可見，克拉瑪依站500 hPa高度7月13日上升至580 dagpm以上，持續(xù)到27日，其中22日20：00達(dá)593 dagpm，而溫度也上升至-6 ℃；850 hPa溫度場上13日20：00上升至24 ℃，其后維持22 ℃以上直到27日20：00，而22日20：00達(dá)33 ℃。

圖3 2015年7月克拉瑪依站500 hPa高度(a)和850 hPa溫度(b)時間變化Fig.3 500 hPa height(a) and 850 hPa temperature (b) in Karamay station in July,2015

4.2 中低層持續(xù)維持強盛的暖氣團(tuán) 7月14—28日850 hPa溫度場(圖4)顯示，高空高壓脊維持期間，新疆地區(qū)始終維持溫度高值區(qū)，且暖中心位于南疆腹地，另有一暖脊伸向北疆沿天山地區(qū)，28 ℃線西伸至北疆西部，北疆地區(qū)除山區(qū)外全部被高于24 ℃的暖氣團(tuán)控制。

圖4 2015年7月14—28日850 hPa平均溫度Fig.4 850 hPa average temperature field in July 14-28,2015

4.3 地面為持續(xù)的熱低壓控制 從此次高溫過程的海平面氣壓場可以看出，南、北疆盆地中心分別維持一個強的暖低壓。新疆地處內(nèi)陸，陸地為熱源，接受太陽輻射升溫較快，高溫天氣發(fā)生時石子河地區(qū)地面盛行西南風(fēng)場或偏南風(fēng)，結(jié)合地形分布可知，該地區(qū)南部為天山，北部為盆地，地形自北向南傾斜，該地區(qū)偏南風(fēng)有利于下沉增溫。持續(xù)的偏南風(fēng)場造成的增溫效應(yīng)也是其出現(xiàn)高溫的因素之一。

4.4 垂直環(huán)流特征 從圖5可以看出，除了7月18和25日由于低槽過境擾動出現(xiàn)弱上升運動外，高溫期間下沉運動明顯，且呈現(xiàn)從高層到低層深厚的下沉區(qū)，下沉區(qū)在300 hPa以下為明顯下沉運動區(qū)，中心位于對流層中層，在大氣高層400～100 hPa有一個西風(fēng)急流中心，急流帶位于45°～55°N，其出口處右側(cè)輻合，向南的輻合氣流絕大部分進(jìn)入45°N以南的下沉氣流中，而35°～45°N為副熱帶高壓控制區(qū)(圖1)，由此可見，高空西風(fēng)急流引起的輻合氣流加強了高壓的下沉氣流[5]，較強的下沉增溫是導(dǎo)致高溫的一個重要因素之一。

圖5 2015年7月11—27日石河子市(a)和炮臺(b)垂直速度的時間-高度剖面(單位：10-2 Pa/s)Fig.5 Time height profile of vertical velocity in Shihezi city(a) and Paotai(b) in July 11-27,2015

5 數(shù)值預(yù)報檢驗

5.1 高空形勢 500 hPa形勢預(yù)報(圖6)顯示，歐洲中心的預(yù)報與實況相當(dāng)吻合。新疆受高壓控制，上游為西南氣流，高壓脊移動緩慢。700、850 hPa溫度場有較高的準(zhǔn)確度，850 hPa溫度預(yù)報有很強的指示意義，預(yù)報值與實況吻合，具有很好的指導(dǎo)意義，克拉瑪依站21、22日預(yù)報值相差2 ℃以內(nèi)。19日850 hPa預(yù)報新疆為28 ℃線包圍，石河子地區(qū)處在暖氣團(tuán)脊線附近，溫度達(dá)31 ℃，區(qū)域內(nèi)大部分地方最高溫度躥升到40 ℃以上，直至29日20 ℃線侵入北疆，該地區(qū)高溫過程結(jié)束。

5.2 單站要素檢驗 此次高溫過程無論是形勢場還是要素場，模式預(yù)報的特點是趨勢預(yù)報穩(wěn)定、要素預(yù)報精度高，時效長。檢驗比較結(jié)果可以看出，高溫時段內(nèi)各站點氣壓場預(yù)報誤差在2 hPa以內(nèi)，850 hPa溫度場預(yù)報誤差平均在1 ℃以內(nèi)。

6 結(jié)論

(1)石河子地區(qū)連續(xù)高溫過程主要在高壓脊型和緯向帶狀型2種環(huán)流背景下出現(xiàn)，500 hPa 580 dagpm等高線北上越過天山進(jìn)入北疆地區(qū)，極鋒鋒區(qū)北縮至60°N以北；850 hPa溫度場上24 ℃等溫線北上控制北疆地區(qū)。

(2)石河子地區(qū)高溫過程多發(fā)生在太陽黑子活動低谷期。

圖6 2015年 7月14日未來240 h ECMWF模式預(yù)報的平均高度場(紅線)與同期實況場(黑線)對比(單位：dagpm)Fig.6 The average height field of ECMWF model forecast(red line) and live field over the same period(black line) in July 14-23,2015

(3)此次高溫天氣過程持續(xù)時間長、強度高為近年來所少見。高溫期間極渦在65°N以北至極地附近，位置顯著偏西

偏北，強度偏弱，伊朗高壓東移與副高疊加并長期在新疆維持，持續(xù)的強暖氣團(tuán)控制和持續(xù)的下沉增溫及地形作用是這次高溫天氣的主要原因。

(4)ECMWF數(shù)值預(yù)報檢驗結(jié)果表明，形勢場、溫度場預(yù)報與實況吻合高度一致，預(yù)報準(zhǔn)確率高，并具有較長的預(yù)報時效；氣壓場在單站的檢驗誤差在2 hPa以內(nèi)，溫度場的檢驗誤差在1 ℃以內(nèi)。ECMWF產(chǎn)品可以作為石河子地區(qū)連續(xù)高溫過程預(yù)報的參考。

[1] 丁一匯,戴曉蘇.中國近百年來的溫度變化[J].氣象,1994,20(12):19-26.

[2] 任福民,翟盤茂.1951-1990年中國極端氣溫變化分析[J].大氣科學(xué),1998,22(2):217-227.

[3] 辛渝,陳洪武,李元鵬，等.新疆北部高溫日數(shù)的時空變化特征及多尺度突變分析[J].干旱區(qū)研究，2008，25(3)：438-446.

[4] 范麗紅，崔彥軍，何清，等.新疆石河子地區(qū)近40a來氣候變化特征分析[J].干旱區(qū)研究，2006，23(2)：334-338.

[5] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文，等.天氣學(xué)原理和方法[M].北京:氣象出版社,1993:40.

Analysis of Abnormal High Temperature Process in Shihezi Region during 14-17 July,2015

DING Hu,WANG Ke

(Shihezi Meteorological Bureau,Shihezi,Xinjiang 832000)

Using the historical meteorological data from 1961 to 2015, ≥35 ℃ high temperature process of lasting more than 10 d in Shihezi region was investigated,the circulation pattern of the continuous abnormal high temperature process in Shihezi region and the corresponding relationship between the annual change of sunspot and the high temperature process were analyzed.Based on this, the physical mechanism of continuous high temperature process in late-middle of July 2015 was analyzed, and the numerical prediction was tested.The results showed that the continuous high temperature processes in Shihezi region occurmainly in the two kinds of circulation backgrounds of high pressure ridge and zonal band type,500 hPa 580 dagpm contour line north across the Tianshan Mountains into the northern region of Xinjiang, the north front of the polar frontal region was reduced to 60 °N.850 hPa temperature fields 24 ℃ isotherm northward controlled northern region;the high temperature processes of the region occur in the sunspot activity trough.During the high temperature period,the polar vortex location was obviously west to north in north of 65 °N and near the poles.Significant development of the subtropical high, unusually strong warm high pressure, sustained subsidence warming and topographic effects caused the continued high temperature process.The circulation and physical field of the high temperature process were accurately predicted by ECMWF model.The results of single station test showed that the prediction errors of the surface pressure and the 850 hPa temperature were within 2 hPa and 1 ℃, respectively;the circulation field and element forecast were stable and long-term.The test results showed that ECMWF can be used as a reference for continuous high temperature process prediction in Shihezi region.

High temperature; Circulation characteristics;Physical mechanism;Numerical prediction;Shihezi region

丁虎(1964- )，男，山東乳山人，高級工程師，從事中短期天氣預(yù)報研究。

2016-09-07

S 161.2

A

0517-6611(2016)31-0187-03