鎮江地區夏季連續高溫災害的氣候特征及2017年異常高溫的診斷分析

周勍 馮佳瑋 吳瓊 曹陽 郭煜

摘? 要：利用鎮江1961—2017年逐日氣溫資料分析連續高溫災害的氣候特征，同時結合2.5°×2.5°逐日NCEP再分析資料，以2017年夏季異常連續高溫天氣過程為典型進行診斷分析。結果表明：1961年以來鎮江夏季高溫日數、極端日最高氣溫和最長連續高溫日數均呈現明顯上升趨勢;20世紀90年代后連續高溫災害發生更為頻繁，同時連續高溫災害等級也顯著上升;強盛的西太平洋副熱帶高壓長時間盤踞鎮江上空是產生連續高溫災害的主要原因;高溫期間冷空氣勢力弱，海上臺風、青藏高原暖高壓的特殊活動路徑，為副高的穩定維持提供有利條件;溫度平流和垂直加熱對高溫的出現起重要作用，而高溫的維持以及極端高溫的出現更多的取決于非絕熱加熱。

關鍵詞：連續高溫;西太平洋副熱帶高壓;熱力診斷

中圖分類號 S428文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）04-0116-05

Abstract：this article will use the daily temperature data of 4 stations in Zhenjiang from the year 1961 to 2017 to analyze the continuous high temperature disaster in this region;It will use the 2.5°× 2.5° daily NCEP reanalysis data to analyze the materials at the same time. It will take the continuous high temperature disaster in the summer of 2017 as a typical case to diagnosis analysis the cause of synoptic meteorology. The result shows：The high temperature days， the maximum temperature and the longest continuous hot days in the Zhenjiang region have shown a significant upward trend since 1961;After 1990s，continuous high temperature disasters had occurred more? frequently， while the level of continuous high temperature disasters also increased significantly;The main reason for the continuous high temperature disasters is long staying time of the strong western pacific subtropical highpressure;During the high temperature period， the weak air force and the special activity way of the typhoon in the sea and the warm and high pressure of the Tibetan Plateau provide a favorable condition for the stability of the western Pacific subtropical high pressure;Temperature advection and vertical heating are playing an important role in the appearance of high temperature， while the maintenance of high temperature maintenance and the present of extreme high temperature mostly depend on diabatic heating.

Key words：Continuous high temperature;Western Pacific subtropical high;Thermal diagnosis

在全球氣候變暖的背景下，極端天氣事件頻發，異常高溫作為夏季主要氣象災害之一，影響著社會生產和人們的生活，特別是給農業生產帶來了嚴重影響[1-4]。近年來，國內眾多學者對我國的高溫天氣過程個例、高溫的氣候特征等已經進行了很多研究。例如，尹潔、彭海燕、方宇凌等分別就江西、長江中下游地區、華南2003年的罕見持續高溫進行了分析，均認為主要原因是副高的異常強盛[5-7];夏揚等在2013年長江中下游地區高溫事件分析中，特別強調了大氣中水汽對高溫的影響以及低緯度大氣熱源異常對副高的影響[8];陳雅子等制定了江蘇省水稻高溫熱害保險的天氣指數[9];包運軒、姜燕敏等研究了以高溫持續時間的長短作為劃分作物受到高溫熱害程度大小的標準[10-11]。從以上研究結果來看，對持續高溫天氣的大氣環流背景或氣候特征分析較多，而有關兩者結合分析較少，同時進行熱力學診斷分析的亦較少。本研究擬用多年實測資料，結合給農業帶來影響的持續高溫指標，分析鎮江地區連續高溫災害的氣候變化特征;并根據高溫災害發生程度擇取2017年為典型的高溫災害年，分析環流背景和熱力學成因，從而為提高連續高溫災害天氣的預報能力提供理論依據，進而更好地為夏季農業生產提供保障服務。

1 資料與方法

1.1 研究資料 鎮江1961—2017年逐日氣溫資料;1961—2017年分辨率2.5°×2.5°逐日NCEP再分析資料。

1.2 研究方法

1.2.1 連續高溫災害等級的劃分 利用連續高溫持續時間長短將連續高溫災害分為3級：若連續3～4d出現日最高氣溫≥35℃定義為輕度災害，連續出現5～7d定義為中度，連續出現8d以上則定義為重度[9-11]。

1.2.2 熱力學第一定律 利用熱力學能量方程的一級簡化方程來進行熱力診斷分析，具體公式為：

即溫度的局地變化取決于溫度水平平流、垂直絕熱變化和非絕熱加熱。由于非絕熱加熱項包括太陽輻射、感熱輸送和潛熱釋放等多方面因素，比較難以定量估算，故本文通過公式其他3項推算而得。

2 結果與分析

2.1 夏季連續高溫災害的氣候特征 以鎮江1961—2017年57年逐年夏季高溫日數、極端日最高氣溫和最長連續高溫日數為樣本，運用Mann—Kendall方法分別檢驗發現：高溫日數、極端日最高氣溫和最長連續高溫日數均呈現明顯上升趨勢，三者均超過0.05顯著水平（U0.05=1.96），其中高溫日數和最長連續高溫日數甚至超過了0.001顯著水平（U0.001=2.56）。三者突變點均在1990年前后，即20世紀90年代開始鎮江每年夏季高溫日數明顯增多，高溫強度也顯著增強，而且更容易出現長時間連續高溫。20世紀90年代后平均高溫日數達13.2d，20世紀90年代前僅7.5d，20世紀90年代后鎮江地區的平均高溫日數較之前增加近6d。而最長連續高溫日數在20世紀90年代后平均6.6d，20世紀90年代前4.7d，連續高溫時長增加近2d。

對20世紀90年代后鎮江地區歷年連續高溫災害等級情況進行分析發現，1961—1989年29年中有13年出現連續高溫災害，占44.8%;而1990—2017年28年中則有23年出現連續高溫災害，占比高達82.1%，重度災害的發生概率高達31.3%?？梢?，20世紀90年代后連續高溫災害發生更為頻繁，同時連續高溫災害等級也明顯上升。2017年7月14—29日出現長達16d的連續高溫天氣，其中≥37℃高溫日10d，≥39℃高溫日5d，≥40℃高溫日2d，極端最高氣溫達40.6℃，持續時間之長、強度之強均創歷史之最。因此，本文以2017年的連續高溫災害過程為典型，著重進行分析，以期對今后的高溫預報有指導意義。

2.2 2017年異常高溫的診斷分析

2.2.1 環流形勢 一方面，分析連續高溫時段500hPa平均位勢高度及同期距平水平分布發現，副高西脊點越過110°E深入我國西南地區，較同期氣候平均位置（130°E）西伸20個經度;5880gpm線北界超過35°N到達山東半島中部，較同期常年水平（33°N）北推近5個緯度。我國大部分地區處于20gpm正距平內，其中在蒙古-我國華北-華東北部地區為40gpm的正距平中心。同時，從沿120°E的500hPa位勢高度時間-緯度剖面來看，5880gpm線基本維持在35°N以北，120°E脊線基本穩定在30°N附近。可見，副高偏西偏北異常強盛，且長時間穩定。另外，高緯度西西伯利亞地區存在強大的正距平中心，中心距平值達80gpm，意味著北極渦強度偏弱，冷空氣強度偏弱。有研究表明，當北極渦異常收縮減弱時，副高則明顯擴大增強[12-13]。另一方面，夏季100hPa上空的南亞高壓和500hPa上空的副高是“相向而行、相背而去”關系，同時兩者強度有很好的正相關關系 [14-15]。通過分析100hPa平均位勢高度及同期距平的水平分布發現，100hPa南亞高壓東伸明顯，且內蒙古西側出現了100gpm的正距平中心，強度異常偏強，也就對應副高西伸明顯，異常強盛。另外，2017年7號臺風“洛克”西行對副高的“頂托”作用，130°E以東低值系統北上活動使得副高斷裂后大陸高壓一環盤踞我國東部上空，對副高長時間維持起積極作用。同時，青藏高原暖高壓東移與副高合并，使得副高面積擴張，強度增強，高溫持續。

2.2.2 熱力學診斷 為進一步揭示此次連續高溫的成因，本研究采用熱力學第一定律的溫度變化方程進行診斷分析。根據連續高溫時段的逐日NCEP再分析資料，計算近地層溫度平流、絕熱變化和非絕熱變化隨時間推移對本地溫度變化的貢獻。

2.2.2.1 溫度平流項 對沿120°E近地層溫度平流的時間—緯度變化進行分析發現，17日前，也就是持續高溫開始階段，30～35°N區間處于暖平流區，溫度平流的增溫率達到2.0～2.5℃/d，對溫度變化有著明顯正貢獻;而后副高穩定控制的時段內溫度平流逐漸減弱，溫度平流的增溫率大部分時間穩定在-0.5～0.5℃/d，表現并不明顯;其中在極端高溫出現的25日前后，30～35°N之間甚至一度出現了-1.0～-1.5℃/d的負值區，對溫度變化帶來負貢獻?？梢?，溫度平流在高溫起始階段作用較大，但在副高穩定控制后的高溫維持期間，溫度平流較弱，作用并不明顯。

2.2.2.2 絕熱變化項 大氣的絕熱變化是指氣塊在垂直運動中所發生的絕熱增溫和絕熱冷卻變化。當氣塊作下降運動時，由于外界氣壓增大，氣塊體積被壓縮，外界空氣對氣塊作功，從而使氣塊內能增加溫度升高;反之，氣塊作上升運動時，氣塊內能減少溫度降低。首先對120°E，32°N上空的大氣垂直運動時間變化進行分析發現，持續高溫的起始階段低層逐漸轉為下沉氣流，且在開始前一日出現了0.06pa/s正值中心，但高空仍然是上升氣流;20日進入強高溫時段，鎮江地區上空轉為一致的下沉氣流;30日鎮江地區上空轉為上升氣流，高溫中斷;同時可以看到在23-27日出現39℃以上極端高溫天氣的時間段內，近地層有0～0.03pa/s的弱上升運動。應該說，低層垂直運動的突變對高溫時段開始和結束的預報在一定程度上有著指示意義。進一步對絕熱變化與本地溫度變化的關系進行研究，通過沿120°E 近地層大氣絕熱變化增溫率的時間—緯度剖面圖分析發現，持續高溫的大部分時段內，由于近地層的下沉運動，使得空氣增溫，30～35°N之間垂直加熱率0.0～1.0℃/d;且在高溫開始階段32°N附近出現了1.0℃/d的中心。然而在極端高溫出現的時段內，由于近地層有弱的上升運動，使得垂直加熱率變為負值。大部分情況下，垂直絕熱變化對高溫形成作出正貢獻，但表現并不明顯。

2.2.2.3 非絕熱加熱項 分析沿120°E近地層非絕熱加熱率的時間-緯度剖面圖發現，持續高溫開始時段內，在30～35°N非絕熱加熱率為負貢獻;副高穩定控制后轉正貢獻，極端高溫的時段內則出現了1.0～1.5℃/d的正貢獻大值區。結合前文中的大氣垂直運動情況分析其原因所在：高溫前期由于中高層的上升氣流，云量增加，到達地面的太陽輻射減少;副高穩定控制后，高空轉為一致的下沉氣流，天空晴朗少云，使得到達地面的太陽輻射明顯增多，同時地面熱量的逐步累積使得地面對大氣的感熱輸送增加，另外，在極端高溫出現的幾天里近低層出現弱的上升運動，還帶來了一定的潛熱釋放?？梢?，非絕熱加熱對高溫的維持和極端高溫的產生起到了很大的作用。

綜上所述，在持續高溫的過程中，溫度平流和垂直加熱對持續高溫的開始起著重要作用，而高溫的維持以及極端高溫的產生更多的取決于非絕熱加熱。

3 結論與討論

（1）1961年以來鎮江夏季高溫日數、極端日最高氣溫和最長連續高溫日數均呈現明顯上升趨勢;1990年前后是三者明顯增多的突變點，20世紀90年代后鎮江高溫日數較之前多近6d，最長連續高溫日數增加近2d。

（2）20世紀90年代前鎮江連續高溫災害發生率44.8%;20世紀90年代后則高達82.1%，重度災害的發生概率為31.3%。20世紀90年代后連續高溫災害發生更為頻繁，災害等級也明顯上升。

（3）副高異常強盛，偏西偏北且長時間穩定，是產生2017年7月14—29日歷史罕見連續高溫災害天氣過程的重要原因。期間南亞高壓偏北偏東，冷空氣偏弱，青藏高原暖高壓以及熱帶低值系統的活動對副高長時間穩定維持起到重要作用。

（4）溫度平流和垂直加熱對高溫出現起到重要作用，而高溫維持以及極端高溫出現更多取決于非絕熱加熱。

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（責編：張宏民）