2016年四川省持續(xù)性高溫天氣時空變化特征及其成因

仕仁睿,齊冬梅,陳 丹,任 倩

（中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實驗室，成都 610072）

引言

高溫不僅給自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來不可逆轉(zhuǎn)的沖擊，對國民經(jīng)濟(jì)、人類生存活動和健康均構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]。過去幾十年全球發(fā)生高溫的陸地面積增加了很多倍[3]，已逐漸成為造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失最多的區(qū)域性氣象災(zāi)害之一[4-5]。因此，分析高溫天氣過程的特征及其形成機(jī)制，對于提高高溫預(yù)測預(yù)警水平和防災(zāi)減災(zāi)能力具有十分重要的意義。

多項研究[6-9]表明，大氣環(huán)流異常是區(qū)域性氣溫異常最直接的影響因素。由于地理位置、地形等因素的差異，不同地區(qū)高溫天氣過程的變化特征和成因也不盡相同。我國中東部地區(qū)夏季高溫除了與西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）的位置及強(qiáng)度變化有關(guān)[10-12]，也受東亞副熱帶西風(fēng)急流（以下簡稱西風(fēng)急流）異常和南亞高壓的影響[13-14]。比如，2003年夏季副高的持續(xù)偏強(qiáng)和西伸導(dǎo)致我國江南地區(qū)出現(xiàn)大范圍異常高溫天氣[15]，南亞高壓的持續(xù)、穩(wěn)定控制和東擴(kuò)也有重要作用[16]。而在我國西南地區(qū)，副高偏西偏北且持續(xù)穩(wěn)定地控制川渝上空，大陸高壓中心位置偏東偏北，是四川、重慶等地大范圍極端高溫天氣產(chǎn)生的主要原因[17-19]。

四川盆地是我國夏季高溫頻發(fā)區(qū)域之一[20]，20世紀(jì)90年代以來，四川強(qiáng)高溫過程和高溫日數(shù)顯著增加[21]。但相比于我國東部發(fā)達(dá)地區(qū)，四川復(fù)雜地形為研究區(qū)域性高溫天氣過程變化帶來挑戰(zhàn)，當(dāng)前對其形成機(jī)制的認(rèn)識還不夠全面。

2016年8月中下旬，四川省出現(xiàn)大范圍、持續(xù)性高溫天氣，多站點(diǎn)日最高氣溫連續(xù)突破歷史極值，高溫持續(xù)時間之長也是歷史罕見，嚴(yán)重影響到人民工作生活、水電資源供需、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個方面，入選“2016年四川十大天氣氣候事件”。本文針對2016年8月四川省持續(xù)性高溫天氣過程的時空變化特征及其持續(xù)期間大尺度環(huán)流的異常演變特征進(jìn)行診斷分析，以期更好地認(rèn)識四川夏季高溫特征，為其研判和預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

選用1968～2016年8月四川地區(qū)134個地面氣象觀測站的逐日最高氣溫資料，以及歐洲中心1981～2016年7月12日～9月17日ERA-Interim再分析資料（空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6h），要素包括：位勢高度場、風(fēng)場、水平氣壓場和比濕。

文中將日最高氣溫達(dá)到或超過35℃定義為一個高溫日，并采用1981～2010年作為氣候態(tài)時段，分析環(huán)流異常特征。

整層水汽輸送通量的計算公式為：

其中緯向、經(jīng)向水汽輸送通量分別為：

式中：g為重力加速度，q為比濕，Ps為地面氣壓，Pt取300hPa，u、v分別為緯向、經(jīng)向風(fēng)速分量。

2 2016年8月四川省異常高溫概況

針對35℃、38℃和40℃三個日最高氣溫臨界值，圖1給出了2016年8月四川省區(qū)域平均最高氣溫及高溫站點(diǎn)數(shù)的逐日變化。高溫天氣主要出現(xiàn)在8月11～26日，平均最高氣溫均超過31.6℃，連續(xù)多日出現(xiàn)極端高溫天氣，其中8月21日達(dá)到峰值（35.3℃）。在此期間，全省區(qū)域平均最高氣溫達(dá)34.0℃，較氣候平均態(tài)偏高6.0℃，為1968年以來的最大值。此外，出現(xiàn)高溫天氣的站點(diǎn)數(shù)在此期間呈單峰分布，日最高氣溫達(dá)到或超過35℃的站點(diǎn)數(shù)為96個（8月21日），約占71.6%；日最高氣溫達(dá)到或超過38℃的站點(diǎn)為44個（8月25日），約占32.8%；17個站點(diǎn)日最高氣溫超過40℃（8月24日），約占12.7%。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，2016年8月四川異常高溫呈現(xiàn)出范圍廣、強(qiáng)度大的特征。

研究表明，東北酸菜中的乳酸菌多為植物乳桿菌[8]（Lb.plantarum）。本文以東北酸菜腌制液為乳酸菌來源，通過初步的分離篩選得到45株乳酸菌，并對這些乳酸菌進(jìn)行了耐受性試驗，共得到19株耐受性強(qiáng)的菌株，然后對這19株菌進(jìn)行模擬蘋乳發(fā)酵實驗，最后確定1株菌具有商業(yè)化的潛力。

圖1 2016年8月四川省區(qū)域平均最高氣溫（等值線，單位：℃）和高溫站點(diǎn)數(shù)（柱狀，單位：站）日變化特征

圖2a是2016年8月11～26日四川省平均最高氣溫及其距平的空間分布。如圖所示，高溫天氣主要出現(xiàn)在盆地、攀西地區(qū)和川西高原中部，其中盆東北、盆中、盆南、盆西南局部和川西高原中部地區(qū)的平均最高氣溫超過36℃。全省41站平均最高氣溫位列本站歷史同期第一位，主要集中于川西高原、攀西地區(qū)和成都地區(qū)。就氣溫距平而言，全省均呈現(xiàn)一致的正距平，即四川各地平均最高氣溫均較氣候平均態(tài)明顯偏高，普遍偏高3℃以上。其中，盆東北南部、盆西北南部、盆地中部、盆西南西部、攀西地區(qū)北部、川西高原大部偏高達(dá)6℃以上，尤為突出的是川西高原西部和北部局部地區(qū)，偏高7℃以上，金川、馬爾康站為高溫期間四川省范圍內(nèi)氣溫異常最顯著的2個站點(diǎn)（偏高9℃以上）。

圖2 四川省2016年8月11～26日平均最高氣溫及其距平（a）和極端最高氣溫（b）的空間分布（填色區(qū)域表示距平值，單位：℃）

如圖2b所示，極端最高氣溫的空間分布與平均最高氣溫表現(xiàn)一致，氣溫高值區(qū)主要集中于盆地和川西高原中部地區(qū)，高溫持續(xù)期間，103°E以東地區(qū)極端最高氣溫普遍達(dá)35℃以上，盆東北南部、盆中和盆南西部極端最高氣溫超過40℃。其中，溫江、邛崍、龍泉驛、雙流、新津、都江堰、金川、榮縣、開江、資陽、青神、眉山站均突破歷史極端最高氣溫記錄。極端最高氣溫的極大值分別出現(xiàn)在達(dá)縣（8月19日）和渠縣（8月25日），均為41.5℃。

2016年8月11～26日四川省高溫日數(shù)的空間分布（圖3）顯示，四川省東部的盆地區(qū)域高溫天氣頻發(fā)，103°E以東地區(qū)高溫日數(shù)超過6d，盆東北、盆中、盆南、盆西南東部高溫日數(shù)達(dá)12d以上。全省有84站高溫日數(shù)在10d及以上，開江高溫日數(shù)為全省最多（16d），金川、長寧、宣漢、富川、鹽亭高溫日數(shù)達(dá)15d；持續(xù)高溫日數(shù)達(dá)到或超過10d的站點(diǎn)有60個，主要集中于盆東北、盆中及盆南地區(qū)。全省平均高溫日數(shù)（8d）和持續(xù)高溫日數(shù)（6.5d）均為歷史同期最大值，多站點(diǎn)持續(xù)高溫日數(shù)突破歷史極大值。

圖3 2016年8月11～26日四川省高溫日數(shù)空間分布（單位：d）

3 環(huán)流異常分析

持續(xù)性高溫天氣過程往往是異常環(huán)流形勢長期維持和持續(xù)發(fā)展的結(jié)果，本節(jié)主要圍繞大尺度環(huán)流特征展開分析，包括對流層高層南亞高壓和西風(fēng)急流、中層副高和中高緯環(huán)流、低層流場以及整層水汽輸送。

3.1 500hPa高度場特征

作為東亞夏季風(fēng)的主要成員，夏季副高的位置和強(qiáng)度變化對四川高溫天氣影響顯著[19, 22]。圖4a是2016年8月11～26日平均的500hPa位勢高度場。如圖所示，就中高緯而言，烏拉爾山高壓脊偏強(qiáng)，西西伯利亞至巴爾喀什湖一帶有一淺槽，東亞地區(qū)以平直的緯向環(huán)流為主，不利于北方冷空氣南下活動；副高斷裂成兩部分，東段位于西北太平洋上空，高壓中心強(qiáng)度達(dá)5940gpm，西段強(qiáng)烈西伸上高原，穩(wěn)定控制我國長江-黃河流域，并在華中地區(qū)形成孤立閉合的大陸高壓單體（5900gpm）；與氣候平均態(tài)相比，副高位置明顯偏北、強(qiáng)度異常偏強(qiáng)。500hPa高度距平場（圖4b）上，中西伯利亞和蒙古高原地區(qū)表現(xiàn)為正異常，位勢高度整體偏高，表明冷空氣活動次數(shù)偏少、位置偏北；同時，副高持續(xù)西伸，致使西伸脊阻擋冷空氣擴(kuò)展南下到達(dá)我國南方地區(qū)，導(dǎo)致四川上空冷空氣長期不足，有利于高溫的發(fā)展和維持；烏拉爾山、長江-黃河流域、西北太平洋上空均為顯著的正距平中心，四川處于正距平中心附近，存在0～50gpm正距平，表明此期間四川處于副高控制之下，盛行異常下沉氣流。下沉增溫和晴空輻射增溫共同作用，促使氣溫迅速升高，正是2016年8月四川地區(qū)出現(xiàn)大范圍、持續(xù)性高溫天氣的直接原因。

圖4 2016年8月11～26日平均的500hPa位勢高度（a）及其距平（b）的空間分布（單位：gpm，藍(lán)色虛線為氣候平均5880gpm特征線，陰影由淺到深分別表示通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗）

從2016年7月12日～9月17日500hPa高度場沿97°～109°E平均的時間-緯度剖面（圖5a）看出，副高南北的階段性擺動強(qiáng)烈。副高自8月初開始控制35°N以北地區(qū)，直至8月中下旬，持續(xù)加強(qiáng)且穩(wěn)定維持在20°～40°N附近，中心強(qiáng)度達(dá)5920gpm（8月24日），與四川高溫天氣過程有較好的對應(yīng)。隨后，副高減弱南移，高溫天氣結(jié)束。對應(yīng)地，沿27.5°～37.5°N平均的時間-經(jīng)度剖面（圖5b）顯示，8月副高有4次東西變化過程，其西伸脊點(diǎn)位置均越過110°E。其中，8月中下旬西伸最為明顯，延展至90°E以西地區(qū)，中心強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，表明此期間副高強(qiáng)盛而穩(wěn)定，四川受副高穩(wěn)定控制，出現(xiàn)持續(xù)性高溫天氣。8月末副高減弱并移出四川上空，對四川的影響就此結(jié)束。

圖5 2016年500hPa高度場沿97°～109°E平均的時間-緯度剖面（a）和沿27.5°～37.5°N平均的時間-經(jīng)度剖面（b）（單位：gpm，紅色虛線表示8月11日，黃色虛線表示8月26日）

3.2 100hPa南亞高壓特征

圖6 2016年8月11～26日平均的100hPa位勢高度（a）及其距平（b）的空間分布（單位：gpm，藍(lán)色虛線為氣候平均16800gpm特征線，陰影由淺到深分別表示通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗）

3.3 200hPa西風(fēng)急流和700hPa流場特征

夏季西風(fēng)急流的位置與冷空氣的活動位置關(guān)系密切[25]。由高溫持續(xù)期間200hPa西風(fēng)急流分布（圖7）可以看出：急流軸呈東西平直走向；經(jīng)向上，急流中心（風(fēng)速超過30m/s）穩(wěn)定維持在45°N附近，較氣候平均態(tài)略偏北，致使冷空氣活動次數(shù)偏少且偏弱，不易擴(kuò)展南下；緯向上，氣候平均態(tài)急流中心主要位于70°～105°E以及62°E以西區(qū)域范圍，而2016年高溫持續(xù)期間，急流中心顯著東伸，擴(kuò)展至130°E附近高空，四川被急流中心南部的暖平流所控制，有利于高溫天氣的維持。700hPa風(fēng)場距平（圖7）顯示，蒙古地區(qū)有一異常反氣旋式環(huán)流，而我國東南沿海為一異常氣旋式環(huán)流，四川處于兩種異常氣流的共同控制下，受異常偏北風(fēng)影響，到達(dá)四川的暖濕氣流較氣候平均態(tài)偏弱。可見，冷暖空氣不易在四川地區(qū)交綏，不利于降水的發(fā)生。

圖7 2016年8月11～26日平均的200hPa西風(fēng)急流（填色）和700hPa風(fēng)場距平（矢量）空間分布（單位：m/s，藍(lán)色虛線為同期氣候平均態(tài)西風(fēng)急流，打點(diǎn)區(qū)域表示通過0.05水平的顯著性檢驗）

3.4 水汽輸送特征

高溫天氣的維持往往與長期水汽輸送異常聯(lián)系密切。圖8是2016年8月11～26日整層積分水汽通量距平及其散度距平分布，有少量來自西太平洋和南海地區(qū)的水汽隨東南氣流向四川輸送，但四川上空由南向北的水汽輸送整體偏弱，為水汽通量散度的正距平區(qū)，水汽異常輻散，難以形成降水，致使高溫天氣迅速發(fā)展。結(jié)合整層水汽輸送通量的逐日演變（圖9）可以看到，8月來自于西太平洋和南海地區(qū)的偏南風(fēng)水汽輸送向北擴(kuò)展的強(qiáng)度減弱，強(qiáng)水汽輸送主要集中在25°N以南地區(qū)，同時27.5°～37.5°N緯度帶上偏南風(fēng)水汽向西的擴(kuò)展也在減弱，大量水汽只能到達(dá)105°E以東地區(qū)，四川上空水汽輸送條件差，不利于降水的發(fā)生，使得高溫天氣得以維持。

圖8 2016年8月11～26日平均的整層積分水汽通量距平（矢量，單位：kg·m-1·s-1）及其散度距平（填色，單位：10-5kg·m-2·s-1）

圖9 2016年整層水汽輸送通量沿97°～109°E平均的時間-緯度剖面（a）和沿27.5°～37.5°N平均的時間-經(jīng)度剖面（b）（單位：kg·m-1·s-1，紅色虛線表示8月11日，黃色虛線表示8月26日）

4 結(jié)論和討論

本文利用四川省134個氣象站逐日最高氣溫資料和ERA-interim再分析資料，對2016年8月四川持續(xù)性高溫天氣過程的時空變化及其環(huán)流異常特征進(jìn)行了診斷分析，主要結(jié)論如下：

（1）2016年8月11～26日，四川省平均最高氣溫達(dá)34.0℃，較氣候平均態(tài)偏高6.0℃，為1968年以來最高氣溫，高溫站點(diǎn)占比71.6%，平均高溫日數(shù)（8d）和持續(xù)高溫日數(shù)（6.5d）均突破歷史極值，增溫異常突出。

（2）高溫持續(xù)期間，副高斷裂并西伸形成孤立的大陸高壓單體，強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置異常偏北，穩(wěn)定控制四川地區(qū)，其西進(jìn)、東退時間節(jié)點(diǎn)與區(qū)域氣溫的階段性變化相對應(yīng)。同時，南亞高壓持續(xù)加強(qiáng)并向東擴(kuò)張，進(jìn)一步促使副高西伸北抬。副高與南亞高壓的位置配置，致使四川長期處于異常反氣旋控制之下，盛行下沉氣流，對流活動受到抑制，是誘發(fā)此次持續(xù)性高溫的直接原因。

（3）高溫持續(xù)期間，東亞東部地區(qū)以緯向環(huán)流為主，位勢高度場整體偏高，高層西風(fēng)急流位置偏北，呈東西平直分布，致使極區(qū)冷空氣活動偏北且偏弱。同時，對流層低層異常輻散，水汽輸送偏弱，難以形成降水，使得高溫天氣得以發(fā)展和維持。

本文主要分析了2016年8月四川省持續(xù)性高溫天氣過程的時空變化規(guī)律及其持續(xù)期間大尺度環(huán)流的異常演變特征，研究結(jié)果只是初步的，對于四川省持續(xù)性高溫天氣過程的氣候?qū)W特征及其動力學(xué)影響機(jī)制等問題，有待在下一步工作中結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行深入探討。