2018 年7 月吉林省持續(xù)大范圍異常高溫天氣成因分析

孫 妍 關(guān) 浩 孫鴻雁 姚 凱

（1.吉林省氣象臺，吉林長春 130062；2.民航吉林空管分局氣象臺，吉林長春 130501）

1 引言

高溫天氣是災(zāi)害性天氣之一， 持續(xù)的高溫致使城市用水、用電明顯增加，并且給人們生活、工作及身體健康帶來極大影響。 國內(nèi)學(xué)者對高溫天氣進(jìn)行了一系列研究。史印山等[1]分析了京津冀地區(qū)高溫天氣的時空分布特征及環(huán)流特征；鄒燕等[2]指出西太平洋副熱帶高壓是影響福建省高溫過程的主要天氣系統(tǒng)；賀哲等[3]則針對鄭州的特定地理位置， 探討了河套高壓形成和影響及其與副熱帶急流相互作用對鄭州高溫的貢獻(xiàn)；鄭祚芳等[4]通過對北京地區(qū)1996—2000 年11 個連續(xù)性高溫天氣共同特征的探討， 建立了北京夏季高溫天氣的概念模型；方宇凌等[5]對2003 年夏季華南持續(xù)高溫天氣過程進(jìn)行了熱力診斷；張宇等[6]指出2013 年7 月南方異常持續(xù)高溫與西太平洋副熱帶高壓異常密切相關(guān)。本文針對2018 年7 月吉林省出現(xiàn)的持續(xù)性大范圍異常高溫天氣， 研究此次高溫天氣的成因， 并討論相同環(huán)流背景下最高氣溫出現(xiàn)空間差異的原因。

2 資料與方法

文中使用吉林省50 個自動氣象站逐日平均氣溫、 最高氣溫、 最低氣溫觀測資料和1981—2018 年NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析資料。 將5站以上日最高氣溫≥32℃定義為一個高溫日。

西太平洋副熱帶高壓西脊點用500hPa 高度場588dagpm 線的經(jīng)度位置進(jìn)行統(tǒng)計；南亞高壓東脊點使用100hPa 高度場1 676dagpm 線的經(jīng)度位置進(jìn)行統(tǒng)計。

3 高溫天氣概況

2018 年7 月19—24 日，吉林省連續(xù)6d 出現(xiàn)高溫天氣，其中4d 超過1/3 站點（17 個站）出現(xiàn)高溫天氣；24 日全省50 站均出現(xiàn)高溫。 19—23 日，吉林省平均日最高氣溫呈上升趨勢，23 日達(dá)到峰值，為34℃。 吉林省6d 平均日最高氣溫及最高氣溫極值空間分布基本一致（圖1），吉林省西南部及東部較高，又以延邊地區(qū)東部最高，其平均日最高氣溫超過34℃，最高氣溫極值超過36℃。

圖1 2018 年7 月19—24 日平均最高氣溫（a，填色區(qū)大于32℃）及最高氣溫極值分布（b，單位：℃）

進(jìn)一步分析此次高溫天氣的極端性，7 月19—24 日平均日最高氣溫、 平均日最低氣溫、日平均氣溫分別為32.5℃、22.7℃、27.2℃， 均突破1951 年 以 來 歷 史 同 期 極 值 （32.4℃、22.4℃、26.7℃）。 統(tǒng)計2018 年7 月19—24 日省內(nèi)各站平均最高氣溫距平均表現(xiàn)為正值，中西部距平為3～5℃，延邊地區(qū)距平達(dá)到8～9℃；比較各站建站以來同期平均最高氣溫，共計19 站平均最高氣溫排在歷史同期第1 位，排名第2 位的達(dá)到17 站，排名前5 的站數(shù)占96%。

總之，2018 年7 月19—24 日吉林省的高溫天氣強度之強、范圍之大、持續(xù)時間之長自1951年以來罕見。

4 高溫天氣的環(huán)流背景

7 月19 日500 hPa 形勢場貝加爾湖附近有一大陸高壓脊存在， 西太平洋副熱帶高壓強盛。 20日大陸高壓脊東移與西太平洋副熱帶高壓合并形成強盛的高壓脊，高壓脊伴有0℃暖中心。 21—24日，高壓脊及暖中心自西向東緩慢移動，持續(xù)影響吉林省。

從588dagpm 線動態(tài)圖（圖2a）來看，19—22日西太平洋副熱帶高壓呈緯向型帶狀分布， 其北界位于45°N 左右， 且穩(wěn)定少動， 西伸脊點位于109°E～110°E， 中心強度始終維持在592dagpm。23—24 日， 副熱帶高壓轉(zhuǎn)為經(jīng)向型塊狀分布，中心強度減弱為588dagpm 并略有南落。 分析2018年7 月19—24 日西太平洋副熱帶高壓脊線指數(shù)，西太平洋副熱帶高壓較常年明顯偏北， 脊線最北達(dá) 到35°N 左 右。 從2018 年7 月19—24 日500hPa 平均高度場及其距平場（圖2b）可以看到，東北地區(qū)存在明顯的高度場正距平， 西太平洋副熱帶高壓較常年明顯偏西、偏北、偏強。偏北、偏強的副熱帶高壓致使西風(fēng)槽北縮，冷空氣影響減弱，明顯偏西的副熱帶高壓切斷了水汽向吉林省的輸送，不利于高空濕度的增加和云系的形成。

圖2 2018 年7 月19—24 日588dagpm 線動態(tài)圖（a）及500hPa 高度平均場及其距平（b，單位：dagpm）

綜上可以看到， 貝加爾湖高壓與異常的西太平洋副熱帶高壓合并使得吉林省長時間受暖高壓脊控制，是7 月19—24 日吉林省出現(xiàn)持續(xù)大范圍罕見高溫天氣過程的主要原因。

5 西太平洋副熱帶高壓異常的成因分析

5.1 平均經(jīng)向環(huán)流異常

為分析太平洋越赤道氣流，圖3 給出了2018年7 月13—24 日80°E—180°E、20°S—20°N 逐日850hPa 經(jīng)向風(fēng)時間—經(jīng)度剖面及其距平剖面。 由圖3 可見，20°S—20°N 緯度帶以持續(xù)的南風(fēng)為主，并且80°E—135°E 范圍內(nèi)存在明顯南風(fēng)增強的特征。 偏強的越赤道氣流推動西太平洋副熱帶高壓北上，致使西太平洋副熱帶高壓較常年明顯偏北。

圖3 2018 年7 月13—24 日80°E—180°E、20°S—20°N 逐日850hPa 經(jīng)向風(fēng)時間-經(jīng)度剖面（a，單位：m/s）及其距平剖面（b，單位：m/s）

圖4 為100°E—140°E、0°N—50°N，7 月19—24 日常年及2018 年的平均經(jīng)向垂直環(huán)流圖。 可見2018 年7 月19—24 日北半球Hadley 環(huán)流的上升支位于18°N 附近，較常年上升支位置（10°N附近） 明顯偏北， 并且上升支強度較常年明顯偏強，在輻合、輻射冷卻作用后，空氣下沉運動相應(yīng)位置偏北，致使西太平洋副熱帶高壓位置偏北。

圖4 2018 年7 月19—24 日（a）及常年同期（b）平均經(jīng)向垂直環(huán)流（箭頭表示經(jīng)向風(fēng)，單位：m/s；填色表示上升速度，單位：10e-2·Pa-1·s-1）

5.2 南亞高壓的影響

南亞高壓對西太平洋副熱帶高壓的東西振蕩有一定的影響。 陶詩言[7]研究指出，夏季亞洲南部100hPa 環(huán)流型出現(xiàn)明顯調(diào)整時，西太平洋副熱帶高壓在中國大陸上出現(xiàn)一次明顯進(jìn)退過程。 南亞高壓東脊點采用1 676dagpm 表示，西太平洋副熱帶高壓西脊點用588dagpm 表示。 2018 年7 月，南亞高壓東脊點異常持續(xù)偏東， 同時西太平洋副熱帶高壓西脊點異常持續(xù)偏西， 南亞高壓東脊點和西太平洋副熱帶高壓西脊點呈現(xiàn)出同進(jìn)同退的特征， 西太洋平副熱帶高壓持續(xù)異常偏西與南亞高壓持續(xù)異常偏東有很好的對應(yīng)關(guān)系。

6 高溫天氣空間分布差異的成因分析

分析大氣環(huán)流形勢發(fā)現(xiàn)， 吉林省均處于有利于高溫天氣出現(xiàn)的影響條件之下。 計算2018 年7月19—24 日全省50 站平均日最高氣溫與最低氣溫差，總體分布與平均日最高氣溫基本一致，呈現(xiàn)東部氣溫變化最大，達(dá)到10～14.5℃；西部次之，為8.5～10℃； 中部最小， 僅為7～8.5℃。 為什么7 月19—24 日高溫天氣的分布會出現(xiàn)西部及東部最高氣溫高，而中部最高氣溫相對低的空間差異呢？

根據(jù)簡化后的熱流量方程：

式中，-V·塄T 為溫度平流項；-ω（γd-γ）為垂直運動項；為非絕熱因子項。 以此對某一地方的溫度變化進(jìn)行討論。

6.1 溫度平流對氣溫局地變化的影響

圖5a 是2018 年7 月17—26 日40.5°N—46.5°N、121.5°E—131.5°E 范圍內(nèi)溫度平流區(qū)域平均的時間—高度剖面。 吉林省區(qū)域內(nèi)基本受暖平流影響， 暖平流深厚，25 日開始吉林省受冷平流影響，高溫天氣緩解。

圖5b 給出了7 月17—26 日850 hPa 溫度平流沿43°N 時間剖面。 吉林省西部18 日及20—22日有兩次暖平流活動， 暖平流中心均位于吉林省西部，19—20 日有一次冷平流活動， 因冷暖平流交替影響，不利于西部累積升溫；吉林省中部同樣存在冷暖平流的交替活動， 并且暖平流強度小于西部，致使其氣溫累積升溫幅度最?。欢质|部基本持續(xù)受暖平流影響， 暖平流維持的時間更長，對于東部的累積升溫是十分有利的。

6.2 垂直運動對氣溫局地變化的影響

垂直運動對局地氣溫影響， 主要是通過垂直運動的方向、強度和大氣的穩(wěn)定度來實現(xiàn)的[8]。

沿43°N 對7 月19—24 日平均假相當(dāng)位溫進(jìn)行垂直剖面，可以看到在110°E—130°E，假相當(dāng)位溫均隨高度升高而增大， 基本上吉林省范圍內(nèi)大氣層結(jié)均是穩(wěn)定的，即γd-γ＞0。

計算2018 年7 月19—24 日平均的925hPa和200hPa 散度場。 200hPa 上吉林省大部分地區(qū)是輻合區(qū)，輻合中心位于朝鮮半島附近，吉林省省內(nèi)輻合強度自西向東增強；925hPa 上， 吉林省西部為輻合區(qū)，吉林省中東部為輻散區(qū)，輻散中心位于吉林省與朝鮮半島交界處， 東部輻散強度強于中部，中東部地區(qū)低層輻散、高層輻合使其上空存在明顯下沉運動。因此，垂直運動對于吉林省西部高溫天氣沒有明顯貢獻(xiàn)， 對于吉林省中部和東部出現(xiàn)高溫天氣是有正貢獻(xiàn)的， 且延邊東部地區(qū)下沉運動強度最強。

6.3 非絕熱因子對氣溫局地變化的影響

從2018 年7 月19—24 日逐日12:00 衛(wèi)星云圖可以看出，19—24 日白天吉林省東部天空狀況始終保持晴空或少云狀態(tài)， 地面獲得更多太陽輻射持續(xù)加溫，有利于東部地區(qū)出現(xiàn)高溫天氣；而吉林省西部和中部在20 日及24 日白天天空有云，減弱了地面獲得的太陽輻射， 因此吉林省西部和中部的累積升溫較東部低。

從逐日地面感熱通量空間分布來看 （圖6），吉林省東部7 月19—24 日均存在感熱通量大值區(qū)，其值達(dá)到100～140W/m2，地面輻射對大氣加熱貢獻(xiàn)明顯強于西部及中部地區(qū)； 西部雖然在7 月19—20 日地面輻射作用為負(fù)貢獻(xiàn)， 但21—24 日連續(xù)多日存在20～60W/m2感熱通量正值區(qū)， 對其氣溫升高有較明顯的正貢獻(xiàn)；中部地區(qū)19—24 日感熱通量始終處于-40～40W/m2的低正值區(qū)或負(fù)值區(qū)， 地面輻射對大氣加熱貢獻(xiàn)明顯小于西部和東部，致使其最高氣溫較其他地區(qū)偏低。

吉林省西部位于大興安嶺背風(fēng)坡， 延邊地區(qū)為盆地地形， 因此以上兩個區(qū)域因地形所產(chǎn)生的下沉增溫對氣溫升高有一定增幅作用。

此外，分析2018 年7 月19—24 日850hPa 平均相對濕度發(fā)現(xiàn)， 吉林省中部較西部和東部相對濕度偏高，不利于空氣加溫，因此吉林省西部和東部最高氣溫高于中部。

7 結(jié)語

（1） 吉林省此次持續(xù)大范圍異常高溫天氣與西太平洋副熱帶高壓、 貝加爾湖高壓脊合并形成強盛暖高壓脊的天氣背景有關(guān)。

（2）西太平副熱帶高壓異常偏西、偏北、偏強有利于高溫天氣的出現(xiàn)。 越赤道氣流偏強、Hadley環(huán)流上升支異常偏北致使西太平洋副熱帶高壓明顯偏北、偏強；南亞高壓整體異常偏東對西太平洋副熱帶高壓異常偏西有明顯影響。

（3）吉林省東部暖平流持續(xù)時間最長、晴空輻射增溫及地面長波輻射最強，使其最高氣溫最高；中部暖平流持續(xù)時間、 晴空輻射增溫及地面長波輻射強度均小于東部和西部， 因此其最高氣溫最低；西部和東部更干燥的空氣、地形作用所產(chǎn)生的下沉增溫也是造成其最高氣溫高于中部的原因。