2022年夏季四川盆地區(qū)域性極端高溫天氣特征及成因分析

周春花 吳 薇

（1.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨與旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；3.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，成都 610072）

0 引 言

近年來(lái)，在全球氣候變暖的背景下，夏季極端高溫事件頻發(fā)，給人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響[1-2]。作為極端天氣氣候事件的一種類(lèi)型，大量研究證實(shí)極端高溫事件對(duì)人類(lèi)健康、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)有著顯著的影響且與高溫相關(guān)的威脅正在上升[3]。

研究表明極端高溫事件的發(fā)生往往與大氣環(huán)流的異常變化有關(guān)，西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)西太副高）活動(dòng)異常是導(dǎo)致我國(guó)極端高溫發(fā)生的主要原因。一方面西太副高與其他環(huán)流系統(tǒng)的相互作用會(huì)加速高溫事件的發(fā)展。如熱帶和中緯度西風(fēng)帶環(huán)流配置使得西太副高異常西伸并與大陸暖高壓連通，四川、重慶受高壓控制進(jìn)而形成罕見(jiàn)高溫；另一方面，海洋熱狀況也會(huì)直接或間接影響西太副高異常變化，進(jìn)而導(dǎo)致極端高溫事件[1-18]。針對(duì)高溫特征和形成機(jī)理的研究方面，王秀萍等[1]對(duì)2018 年大連夏季極端高溫干旱的環(huán)流特征和成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為西太平洋副熱帶高壓異常偏西偏北，與異常偏東偏北的南亞高壓相向運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度同步發(fā)展加強(qiáng)并疊加在大連地區(qū)上空，引起整層大氣增溫。馬浩等[7]對(duì)2017 年浙江高溫?zé)崂颂卣骷碍h(huán)流背景進(jìn)行了分析，認(rèn)為西太副高偏強(qiáng)偏西是造成極端事件的直接原因。邢彩盈等[8]對(duì)2019 年春季海南島異常高溫成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為西太副高也是春季高溫的主導(dǎo)系統(tǒng)。中國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異較大。同樣是高溫事件，其特征及影響異常高溫的環(huán)流系統(tǒng)和外部強(qiáng)迫信號(hào)也不相同。因此，研究不同地區(qū)高溫的特征和成因具有非常重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

2022 年7 月下旬至8 月，四川盆地出現(xiàn)了建站以來(lái)最嚴(yán)重的極端高溫天氣，四川省的最極端高溫造成了部分地區(qū)用電緊張[15，19-20]。居民日用電量最高達(dá)4.73 億kW·h，全省電網(wǎng)最高負(fù)荷躍升至6 500 萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)25%，創(chuàng)歷史新高。然而，這期間主要的江河來(lái)水量異常偏少，水電發(fā)電量銳減，天然來(lái)水電量由同期約9.00 億kW·h 下降至約4.50 億kW·h，降幅達(dá)50%，保障成都等負(fù)荷中心用電的多個(gè)主力水電站水庫(kù)蓄水幾乎消落至死水位，出現(xiàn)“汛期反枯”的罕見(jiàn)現(xiàn)象。長(zhǎng)時(shí)間的高溫導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷創(chuàng)歷史新高，疊加水電發(fā)電量銳減，造成能源供應(yīng)保障短缺，四川盆地東部發(fā)生多起森林火災(zāi)。據(jù)國(guó)家氣候中心評(píng)估結(jié)果顯示，綜合考慮高溫?zé)崂耸录钠骄鶑?qiáng)度、影響范圍和持續(xù)時(shí)間，2022 年的區(qū)域性高溫事件綜合強(qiáng)度已達(dá)到1961 年有完整氣象觀測(cè)記錄以來(lái)最強(qiáng)。本文在參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[1-18]，利用新資料分析2022 年四川盆地區(qū)域性極端高溫過(guò)程的特征，以及大氣環(huán)流異常形勢(shì)進(jìn)行分析，加深對(duì)極端高溫事件的認(rèn)識(shí)，以期為未來(lái)的高溫風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估和服務(wù)提供有益幫助。

1 資料與方法

所用資料包括4部分：①1981—2010年和2022年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ERA5）全球逐日平均再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向37層，變量包括風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、氣壓場(chǎng)和濕度場(chǎng)，采用1981—2010年30 a平均值作為氣候平均值；②1980—2022 年四川盆地104 個(gè)國(guó)家站的逐日最高氣溫（剔除峨眉山站）；③溫江站7—8月逐小時(shí)凈輻射資料；④1981—2010年和2022年ERA5全球陸面逐月輻射再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°。

統(tǒng)計(jì)規(guī)則和方法：高溫日是指最高氣溫達(dá)到或超過(guò)35℃以上的日期，為了突出持續(xù)時(shí)間對(duì)高溫過(guò)程影響，將連續(xù)3個(gè)及以上高溫日作為一次高溫過(guò)程。文中選此標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合高溫影響范圍對(duì)四川盆地區(qū)域性高溫天氣進(jìn)行如下定義：四川盆地區(qū)域性高溫過(guò)程是指連續(xù)3 d 及以上最高氣溫≥35℃，且日影響面積均≥5 000 km2，則為一次區(qū)域性高溫過(guò)程。

針對(duì)區(qū)域性高溫過(guò)程，結(jié)合業(yè)務(wù)工作需求，利用1981—2020 年高溫過(guò)程建立區(qū)域性高溫過(guò)程綜合評(píng)估指數(shù)。將日最高氣溫等級(jí)分為4 級(jí)，從低到高1～4 分別對(duì)應(yīng)如下溫度（℃）范圍：35～37、37～39、39～41 和≥41℃。根據(jù)不同高溫等級(jí)對(duì)應(yīng)的高溫強(qiáng)度、影響面積、持續(xù)時(shí)間建立區(qū)域性高溫過(guò)程評(píng)估指數(shù)模型。

式中：L為高溫等級(jí)，L=1，2，3，4；K為高溫過(guò)程數(shù)，K=1，2，3，…k；E為平均最高氣溫，℃；S為影響面積，km2；T為持續(xù)時(shí)間，d；AL為各等級(jí)權(quán)重，文中權(quán)重分別為0.1，0.2，0.3，0.4。根據(jù)百分位法，將區(qū)域性高溫過(guò)程劃分為特強(qiáng)、強(qiáng)、較強(qiáng)、一般4個(gè)等級(jí)[16]。

表1 區(qū)域性高溫等級(jí)劃分

2 盆地高溫特征

2022 年7 月以來(lái)，四川盆地降雨持續(xù)偏少，高溫天氣頻發(fā)，按照區(qū)域性高溫過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)，7 月25 日是四川盆地區(qū)域性高溫天氣開(kāi)始日，持續(xù)至8 月28 日（以下將本次過(guò)程簡(jiǎn)稱(chēng)8 月高溫過(guò)程），共計(jì)35 d。從逐日平均雨量來(lái)看（圖1），盆地日均降雨量普遍在10 mm 以下，降雨量較歷史同期偏少80%～100%。與此同時(shí)，在連日的少雨情況下，高溫天氣持續(xù)發(fā)展，本次高溫過(guò)程平均氣溫值為28～35℃，而歷史平均值僅為25～28℃，平均氣溫較常年同期偏高3～7℃，特別是以武勝和自貢為代表的盆地東部，平均氣溫較常年同期偏高7℃。同時(shí)有90 個(gè)站最高氣溫突破了歷史極值，高溫過(guò)程期間盆地平均最高氣溫達(dá)到了35.7℃。從盆地逐日平均最高氣溫變化看，7 月25 日開(kāi)始，平均最高氣溫為33.6℃，極端最高氣溫超過(guò)40℃，隨著高溫天氣持續(xù)發(fā)展，8 月7 日以后平均最高氣溫持續(xù)超過(guò)35℃，并在20 日、21 日達(dá)到了40℃以上，同時(shí)極端最高氣溫在8 月24日達(dá)到了44℃，為有記錄以來(lái)最高氣溫。

圖1 8月高溫過(guò)程的平均最高氣溫、極端最高氣溫和降雨量逐日變化

進(jìn)一步分析8 月區(qū)域性高溫過(guò)程空間分布特征，盆地極端最高氣溫呈由西向東遞增的趨勢(shì)（圖2（a）），盆地西部除沿山少數(shù)高海拔站極端最高氣溫為36℃外，西部極端最高氣溫普遍為38～42℃，東部極端最高氣溫為42～44℃。從歷史極端氣溫距平來(lái)看（圖2（b）），此次高溫過(guò)程平均最高氣溫較歷史極值偏高1.4℃，盆地中部和西部偏高的強(qiáng)度最大，特別是德陽(yáng)中江地區(qū)，極端最高氣溫偏高程度達(dá)到了4.1℃。

圖2 8月高溫過(guò)程的極端最高氣溫和極端最高氣溫距平

8 月高溫過(guò)程的持續(xù)時(shí)間也為歷史最長(zhǎng)，≥35℃站點(diǎn)持續(xù)時(shí)間空間分布同樣呈由西向東遞增的分布特征，104 個(gè)站的高溫平均持續(xù)時(shí)間為26 d（圖3（a）），盆地東部高溫持續(xù)日數(shù)超過(guò)30 d，其中達(dá)州、廣安、南充、遂寧、資陽(yáng)、內(nèi)江、自貢和瀘州8市達(dá)到了35 d?！?0℃高溫持續(xù)天數(shù)也呈東部多西部少的分布特征（圖3（b）），除沿山一帶外西部的極端高溫天數(shù)為3～10 d，東部極端高溫天氣天數(shù)普遍為10 d 以上，特別是達(dá)州、廣安、內(nèi)江和瀘州4 市，≥40℃高溫天數(shù)在15 d以上。

圖3 8月高溫過(guò)程的高溫日數(shù)

此次區(qū)域性高溫過(guò)程呈持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，極端高溫強(qiáng)，影響范圍廣的特征。為了客觀刻畫(huà)此次過(guò)程的強(qiáng)度，統(tǒng)計(jì)了1981 年以來(lái)四川盆地區(qū)域性高溫過(guò)程的持續(xù)時(shí)間、影響范圍和高溫綜合強(qiáng)度指數(shù)。從高溫持續(xù)時(shí)間分布來(lái)看（圖4（a）），歷史區(qū)域性高溫天氣的平均持續(xù)時(shí)間為11.4 d，而本次高溫過(guò)程持續(xù)了38 d，為歷史最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，其次是2018 年8 月的過(guò)程，持續(xù)了36 d。從影響范圍來(lái)看（圖4（b）），歷史區(qū)域性過(guò)程最大影響面積平均值為101 491 km2，本次過(guò)程的最大影響面積為201 596 km2，是歷史平均值的近2倍，同時(shí)也是歷史最大影響范圍。

圖4 歷史110次高溫過(guò)程持續(xù)天數(shù)、最大影響面積和高溫綜合強(qiáng)度指數(shù)

從高溫綜合強(qiáng)度指數(shù)PT來(lái)看（圖4（c）），歷史110次區(qū)域性過(guò)程綜合強(qiáng)度指數(shù)平均值僅為2.45，而本次過(guò)程綜合強(qiáng)度為特強(qiáng)，指數(shù)達(dá)到了37.49，遠(yuǎn)超歷史過(guò)程，歷史上第2 強(qiáng)的過(guò)程為2016 年，綜合強(qiáng)度指數(shù)也僅為12，足以證明此次過(guò)程是1981年以來(lái)最強(qiáng)高溫影響過(guò)程?？蓪⒋诉^(guò)程稱(chēng)為區(qū)域性極端高溫過(guò)程。

3 成因討論分析

為進(jìn)一步分析8 月高溫過(guò)程的成因，計(jì)劃從對(duì)流層高層的環(huán)流形勢(shì)、低層水汽輸送及熱力條件3 方面來(lái)對(duì)高溫過(guò)程的成因進(jìn)行探討。

3.1 對(duì)流層中高層異常環(huán)流影響

持續(xù)的高溫天氣往往與大氣環(huán)流形勢(shì)異常有關(guān)，是不利于降水的異常環(huán)流持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)期維持的結(jié)果[1]，西太副高是夏季高溫的關(guān)鍵系統(tǒng)，受其控制容易出現(xiàn)晴熱少雨的天氣，通過(guò)太陽(yáng)短波輻射和下沉氣流的增溫作用使氣溫在短時(shí)間內(nèi)迅速升高、引發(fā)高溫事件[7-10，17]。

8 月高溫過(guò)程中南亞高壓較歷史同期明顯偏東偏強(qiáng)（圖5（a）），平均中心強(qiáng)度達(dá)到了1 692 dagpm，歷史平均僅為1 684 dagpm，整個(gè)四川上空為正距平中心控制，最大正距平達(dá)到了14 dagpm 以上，同時(shí)1 684 dagpm 脊線位置較常年偏東約20 個(gè)經(jīng)度，伸展至120°E 以東。根據(jù)陶詩(shī)言等[13]的研究表明，西太副高的西進(jìn)東退與南亞高壓活動(dòng)有著密切關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)出“相向而行”和“相背而去”的配置關(guān)系。此次高溫過(guò)程南亞高壓東擴(kuò)的同時(shí)，西太副高也向西行進(jìn)。從500 hPa平均高度和距平場(chǎng)來(lái)看（圖5（b）），四川區(qū)域?yàn)?88 dagpm 線控制，與歷史同期相比，西太副高偏西偏強(qiáng)，四川上空為6～9 dagpm 的正距平區(qū)，副高脊點(diǎn)西伸至90°E，脊點(diǎn)較歷史同期偏西50 個(gè)經(jīng)度。整個(gè)高溫過(guò)程持續(xù)期間對(duì)流層中高層均為強(qiáng)大的高壓控制，致使四川盆地持續(xù)盛行下沉氣流，增溫明顯，出現(xiàn)持續(xù)高溫少雨天氣。

圖5 8月高溫過(guò)程位勢(shì)高度場(chǎng)及距平圖

3.2 低層水汽輸送異常

低層水汽輸送異常是一個(gè)地區(qū)多雨和少雨的重要影響因子[1]，8月高溫過(guò)程期間四川盆地受反氣旋環(huán)流外圍氣流影響，水汽主要來(lái)源于印度洋孟加拉灣和西太平洋（圖6（b）），但上述兩個(gè)地方水汽向北輸送的過(guò)程中，在盆地內(nèi)沒(méi)有明顯的輻合運(yùn)動(dòng)，特別是在盆地南部為水汽輻散區(qū)，不利于降雨的發(fā)生。同時(shí)與常年同期相比（圖6（a）），孟加拉灣和西太平洋的水汽輸送為-2×10-2g·s-1·cm-1·hPa-1的負(fù)距平區(qū)，說(shuō)明此次過(guò)程的水汽輸送異常偏少，盆地獲得的水汽也較常年明顯偏少，偏少的水汽輸送使得盆地內(nèi)降雨偏少，從而加劇了高溫天氣的發(fā)展。

圖6 8月高溫過(guò)程850 hPa平均水汽通量距平及散度

3.3 溫度熱力異常分析

為探討副高控制下高溫天氣的熱力條件，從熱力學(xué)第一定律的溫度變化方程來(lái)討論此次高溫過(guò)程的熱力情況，熱力學(xué)第一定律的溫度方程如下[18]：

式中：T為溫度；V為風(fēng)場(chǎng)；ω為垂直速度；Cp為定壓比熱容；γ為溫度遞減率；γd為干絕熱遞減率；Q為非絕熱加熱；t為時(shí)間。

一個(gè)地方的溫度變化分別由溫度平流項(xiàng)、絕熱冷卻項(xiàng)和非絕熱項(xiàng)共同決定。通常情況下溫度平流項(xiàng)很重要，它對(duì)高空和地面的氣溫變化有很大影響，它是決定日平均氣溫的主要因子[18]。2022年8月高溫過(guò)程期間850 hPa平均溫度顯示在四川盆地內(nèi)有298 K（開(kāi)爾文）的暖中心（圖7（a）），較周?chē)?～8 K，同時(shí)盆地有2×10-4K/s 以上的暖平流中心配合。與多年同期相比（圖7（b）），盆地內(nèi)為溫度正距平中心，溫度較常年偏高4 K以上。同時(shí)盆地內(nèi)也為溫度平流的正距平區(qū)，溫度平流較歷史同期偏強(qiáng)2.5×10-4K/s。較常年偏強(qiáng)的暖平流作用加強(qiáng)了盆地高溫的強(qiáng)度。

圖7 8月高溫過(guò)程的850 hPa平均溫度和正溫度平流，平均溫度距平和溫度平流正距平

絕熱冷卻項(xiàng)的變化與垂直速度的上升、下沉運(yùn)動(dòng)有關(guān)，下沉運(yùn)動(dòng)增溫、上升運(yùn)動(dòng)冷卻，8 月高溫過(guò)程平均垂直運(yùn)動(dòng)情況如圖8所示，經(jīng)向和緯向剖面均顯示盆地內(nèi)（北緯28.0°—32.5°，東經(jīng)102.0°—108.0°）為下沉氣流控制區(qū)，下沉運(yùn)動(dòng)在經(jīng)向剖面上更為顯著，同時(shí)還形成了一個(gè)閉合環(huán)流圈，氣流在盆地內(nèi)下沉，32°N以北上升。緯向剖面上盆地內(nèi)也為下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)，但下沉運(yùn)動(dòng)速度略小，中心速度在0.06 Pa/s，在“下沉增溫”的同時(shí)，下沉氣流使得低層水汽難以成云致雨，可以有更多的太陽(yáng)輻射到達(dá)地面，使得地面獲得更多熱量，從而使得地面氣溫攀升。

圖8 8月高溫過(guò)程高度—平均垂直速度

根據(jù)尹東屏等[18]的研究表明，在副高控制下，由于溫度水平梯度和風(fēng)速都較小，非絕熱因子對(duì)高溫的產(chǎn)生起到關(guān)鍵作用。非絕熱加熱包括輻射、感熱輸送和潛熱釋放，大氣的最根本能源是太陽(yáng)輻射，但它只有一小部分直接為大氣所吸收；一部分被地表面吸收，使地面增溫。地表凈輻射是指地表通過(guò)長(zhǎng)短波輻射過(guò)程得到的凈能量，表示為在地氣輻射能量交換過(guò)程中，被地面所吸收的太陽(yáng)輻射能量[21-22]。從晝夜變化來(lái)看，呈現(xiàn)單峰變化趨勢(shì)。日出之前凈輻射通量是負(fù)值，日出之后，隨著太陽(yáng)高度角的增大，地表凈輻射也在逐漸上升，直到正午（12：00—13：00）達(dá)到一日中的最大值；而后持續(xù)下降，直到日落后又變成負(fù)值[22]。從溫江站日最大凈輻射和日最高氣溫逐日變化來(lái)看（圖9），每日最大凈輻射值出現(xiàn)在12：00—14：00時(shí)，最高氣溫出現(xiàn)在13：00—15：00時(shí)，最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間略滯后于最大凈輻射值時(shí)間，凈輻射值與最高氣溫有著密切關(guān)系，凈輻射值的增加、減小預(yù)示著氣溫的增加、較小，它們趨勢(shì)一致。由于目前盆地內(nèi)僅有溫江站一個(gè)站點(diǎn)對(duì)輻射進(jìn)行觀測(cè)和考核，為分析盆地內(nèi)輻射值變化，利用ERA5-land 逐月平均再分析資料分析本次過(guò)程的地表凈輻射空間分布情況（圖10（b）），8月盆地內(nèi)是一個(gè)凈輻射高值中心區(qū)，平均凈輻射值達(dá)到了14×106～15×106J/m2，距平顯示盆地內(nèi)為正距平中心區(qū)，凈輻射值較常年平均偏高3.5×106J/m2，強(qiáng)的地表凈輻射增加，使得地面氣溫升高。在持續(xù)高溫過(guò)程中，盆地內(nèi)白天最大風(fēng)速普遍在4 m/s 以下，平均總云量在0～2 成，以8 月20 日白天總云量為例（圖10（a）），可以看到盆地內(nèi)總云量幾乎為0。8 月高溫過(guò)程中的白天風(fēng)速小，云量少，到達(dá)地面的凈輻射值持續(xù)維持高值，從而加強(qiáng)了盆地最高氣溫的強(qiáng)度。

圖9 溫江站最大凈輻射和最高氣溫逐日變化

圖10 8月20日總云量、8月陸面凈輻射值（等值線）和距平

4 結(jié) 論

2022 年7 月下旬至8 月底，由于受持續(xù)極端高溫天氣影響，四川盆地出現(xiàn)了多種極端天氣疊加的狀況，最高氣溫較歷史同期偏高，降雨較歷史同期顯著偏少，針對(duì)這次極端高溫天氣過(guò)程的特征及其成因進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）2022 年8 月區(qū)域性高溫過(guò)程中盆地最高氣溫平均值為35.7℃，有87%的站點(diǎn)突破歷史極值，本站最高氣溫較歷史極值平均偏高1.4℃，最大站點(diǎn)偏高4℃。區(qū)域性高溫天數(shù)持續(xù)35 d，為歷史最長(zhǎng)，歷史區(qū)域性高溫天氣的平均持續(xù)時(shí)間僅為11.4 d。影響面積也最廣，本次過(guò)程的最大影響面積為201 596 km2，是歷史平均值的近2倍。

（2）2022 年8 月區(qū)域性高溫過(guò)程綜合強(qiáng)度指數(shù)達(dá)到了37.49，遠(yuǎn)超歷史過(guò)程，歷史上第2強(qiáng)的過(guò)程為2016年，綜合強(qiáng)度指數(shù)也僅為12，歷史區(qū)域性過(guò)程綜合強(qiáng)度指數(shù)平均值也僅為2.45。

（3）造成本次極端高溫天氣的南亞高壓強(qiáng)度較歷史同期明顯偏強(qiáng)14 dagpm，脊點(diǎn)偏東20 個(gè)經(jīng)度，西太副高歷史同期偏強(qiáng)6～9 dagpm，脊點(diǎn)偏西50 個(gè)經(jīng)度，盆地上空對(duì)流層中高層均為強(qiáng)大的高壓控制，致使四川盆地持續(xù)盛行下沉氣流，增溫明顯。

（4）低層的水汽輸送量較常年偏少，且在盆地南部為水汽輻散區(qū)，不利于降雨的發(fā)生，使得盆地內(nèi)降雨偏少，從而加劇了高溫天氣的發(fā)展。副高控制下的高溫天氣中非絕熱因子對(duì)高溫的產(chǎn)生起到關(guān)鍵作用，8 月的區(qū)域性高溫過(guò)程中盆地內(nèi)白天最大風(fēng)速普遍在4 m/s 以下，平均總云量在0～2 成，地表凈輻射值較常年平均偏高3.5×106J/m2，強(qiáng)的地表凈輻射增加，使得地面氣溫進(jìn)一步升高。