极端天气气候事件近年来不断出现, 已经引起了广泛关注, 其异常变化往往会对局部地区的天气气候产生重要影响, 给社会、经济和人民生活带来严重的影响和损失(Goswami et al, 2006; Tian et al, 2013; Guirguis et al, 2011; Tania et al, 2011; Loikith et al, 2012; 郑建萌等, 2014; 张英华等, 2017)。IPCC(2013)第五次报告指出, 自20世纪中叶以来, 全球极端事件的强度和频率发生明显变化, 极端暖事件增多, 高温热浪发生频率更高, 时间更长, 陆地区域强降水事件增加(董思言等, 2014); 例如2003年夏季(6—8月), 欧洲大部分地区先后经历了罕见的高温天气(Black et al, 2010), 2013年夏季我国南方地区出现了大范围的高温天气, 平均高温日数和强度均创历史新高(唐恬等, 2014)。CMIP5数值模拟结果表明, 在21世纪中叶高温天气过程将越来越多, 干旱将进一步加剧, 干旱半干旱地区尤为显著(Lioubimtseva et al, 2009; Miao et al, 2015)。

在全球气候变化的大背景下, 高温天气过程的发生频率、强度、持续时间也产生相应的变化(Yan et al, 2011; Li et al, 2010; Zhang et al, 2008; 刘诗梦等, 2018)。国内外学者针对极端高温特征、成因及其影响开展了一些研究。Grotjahn et al(2016)通过统计学、动力学及数值模拟方法研究了北美地区极端温度事件的变化, 结果表明, 从天气尺度到行星尺度大气环流特征的变化是造成极端温度事件的主要原因。Wang et al(2014)对中国东南地区夏季高温成因的研究表明, 20世纪80年代影响东南地区夏季高温的系统发生了变化, 80年代前期, 以东亚急流、西太平洋副热带高压(下称西太副高)、南亚高压的影响为主, 而80年代后期, 高温事件的变化与ENSO的变化紧密联系; 一些研究得出ENSO对中国夏季天气气候有重要影响(Liu et al, 2016; Feng et al, 2010, 2011; 段圣泽等, 2018), 其中, 在El Niño发展期, 中国夏季风影响区降水偏少, 干旱发生次数偏多, 而El Niño衰退期, 东亚季风强盛, 中国东部地区降水偏多。唐恬等(2014)分析了2013年我国南方的区域性高温天气的极端性, 研究发现南方的高温天气具有显著的群发性特征。王文等(2017)系统研究了2013年长江中下游地区高温的成因, 得出大尺度系统的叠加相互作用是高温发展并维持的主要机制。相关气象学者的研究得出, 高压中空气下沉绝热增温是造成华北地区、川渝地区高温的主要原因(张天宇等, 2010; 张迎新等, 2010)。已有研究表明, 西北地区是过去几十年中国增温最快的区域之一(左洪超等, 2003; 赵传成等, 2011), 同时, 未来干旱化的趋势明显高于其他地区(Miao et al, 2015)。马柱国等(2003)和王劲松等(2008)分析认为近几十年是西北地区增暖的主要时段, 且极端高温的天数有显著的增长趋势。赵庆云等(2007)、陈磊等(2011)和陈豫英等(2013)对西北地区高温天气的研究结果表明:西北地区的高温天气与南亚高压强度偏强、位置偏北、500 hPa闭合暖高压单体控制西北地区有关, 且存在“上层辐合、下层辐散、整层下沉运动”的垂直环流特征。2016年夏季甘肃省先后出现了大范围的干旱高温天气, 尤其7月底至8月下旬的高温过程属历史罕见, 此次异常高温过程造成甘肃省白银市、定西市、天水市、平凉市和庆阳市部分县市416万人受灾, 7.6万人饮水困难, 农作物受灾面积达3583.2×10⁴ hm², 成灾面积25.4×10⁴ hm², 绝收面积3.4×10⁴ hm², 直接经济损失19.79亿元。

虽然目前关于西北地区在高温热浪方面的研究已取得不少成果, 也得到了一些有意义的结论, 但是, 针对西北地区的高温天气研究主要集中在高温极端性、高温特征变化及单一的成因分析方面, 对于极端高温天气气候事件及高温持续期的组合性异常特征的相关研究工作较少。因此, 本文将利用地面台站资料、再分析资料, 对甘肃省2016年8月的高温天气及其组合异常特征进行系统的研究, 以期深入认识甘肃省乃至西北地区夏季极端高温天气发生期间的异常特征, 并为延伸期预报提供有价值的参考依据。

采用中国气象局国家气象信息中心(NMIC)整编的1960—2016年地面台站资料, 选取甘肃省81个台站(站点分布见图 1), 其中包含中国基准气象站、基本气象站、一般气象站, 可以较好地反映出甘肃省的天气气候特征。此外, 采用了1960—2016年NCEP/NCAR再分析资料, 水平分辨率为2.5°×2.5°, 垂直方向为17层, 变量包括逐月位势高度场、风场、温度场、垂直速度和散度资料, 应用1960—2016年逐日位势高度资料计算了阻塞高压指数。本文涉及的地图是根据中国国家基础地理信息系统网站提供的中国国界以及行政区划数据绘制。

图 1(Fig. 1)

图 1 甘肃省81个观测站点分布 Fig. 1 Distribution of 81 stations in Gansu province

中央气象台业务规定:单站日最高气温≥35.0 ℃为高温天气; 高温天气连续3天以上为持续性高温天气。当某区域内某日有2成以上的站点日出现高温天气, 即为区域性高温天气, 某区域从满足区域性高温天气标准开始, 至不满足区域性高温天气标准结束前一天为区域性高温天气过程。本文将应用这一定义, 分析2016年夏季主要是8月甘肃省高温天气特征。

本文将利用Tibaldi et al(1990)改进的TM90指数, 具体定义如下:将位势高度梯度分为南500 hPa位势高度梯度(GHGS)和北500 hPa位势高度梯度(GHGN), 对每个经度进行计算, 即:

式中: Z代表500 hPa位势高度; ϕ_N=80°N+δ; ϕ₀=60°N+δ; ϕ_S=40°N+δ; δ=2.5°, 0°和2.5°。对某时某经度任意一个δ值, 如果满足以下条件: (1) GHGS>0; (2) GHGN < -10 m/纬距。则可以判断该时该经度有阻高, 此时判断的是瞬时阻高, 将GHGS作为此时此经度上的阻高指数。第二个条件是为了保证向极地方向存在风速≥8 m·s^-1的平均西风急流, 当有两个以上δ值同时满足(1)和(2)两个条件时, 取GHGS值大者为阻高指数, 用此可以判断阻高的强度。

基于上述高温天气的定义, 分析了1960—2016年甘肃省平均温度、最高温度的时空分布特征。1960—2016年甘肃省夏季平均温度距平和最高温度距平年际变化(图 2)显示, 近57年来, 甘肃省夏季平均温度有逐年增加趋势, 20世纪90年代之前为负距平, 90年代之后平均温度明显上升; 夏季最高温度的变化趋势与平均温度基本一致, 1978年夏季的最高温度为57年最低, 而2016年创历史新高, 20世纪90年代以来甘肃省夏季平均温度的升高主要源于最高温度的增加。从高温发生日数的空间分布(图 3)来看, 1960—2016年甘肃省夏季仅有一个站点高温日数超过20天, 陇南地区及甘肃西部大部分地区平均高温日数在4天以上, 其余地区高温日数明显偏少。从图 3中得出, 2016年夏季高温日数与多年平均相比明显偏多, 有6个站点高温日数超过20天, 其中敦煌达到32天, 即夏季有30%时段处于高温天气状态, 甘肃西部地区高温日数普遍在7天以上; 与年平均相比, 甘肃东部地区高温日数显著增加, 大部分站点增加了5天左右。

图 2(Fig. 2)

图 2 1960—2016年甘肃省夏季平均温度距平(a)和最高温度距平(b)年际变化 Fig. 2 Inter-annual variation of average temperature anomaly (a) and maximum temperature anomaly (b) in summer of Gansu province from 1960 to 2016

图 3(Fig. 3)

图 3 1960—2016年甘肃省夏季平均高温日数(a)及2016年夏季高温日数(b)分布(单位:天) Fig. 3 Distribution characteristics of average high temperature days in summer from 1960 to 2016 (a) and high temperature days in summer 2016 (b) over Gansu province. Unit: d

从以上分析得出, 2016年夏季甘肃省高温天气较往年明显偏多, 为进一步探究2016年夏季高温发生发展的变化特征, 分析了2016年6—8月甘肃省逐日最高气温≥35 ℃的站点数(图 4), 由图 4可以看出, 2016年夏季的高温天气主要是由3次高温天气过程重复出现形成的, 其中, 7月底到8月下旬的高温天气过程强度最强, 范围达到最大。经查阅甘肃省气候统计得出, 2016年8月甘肃省平均气温大部分地区异常偏高, 有29个站点破历史极值, 39个站点排历史第2位, 其中河西五市、兰州市、白银市和陇南市的38站出现35 ℃以上高温天气, 累计出现189站次, 较往年8月份偏多163个站次, 为57年来最多。

图 4(Fig. 4)

图 4 2016年夏季甘肃省日最高气温≥35 ℃的站点个数分布 Fig. 4 Daily evolution of station number with highest temperature great than or equal to 35 ℃ over Gansu province in summer 2016

1960—2016年近57年甘肃省夏季平均温度、最高温度都有显著的增加趋势, 2016年达到历史最高。尤其是2016年7月底至8月下旬的高温天气过程, 不论是高温天气强度, 还是高温天气范围, 均为历史罕见。因此, 以下将着重分析2016年8月高温天气过程的大气环流异常特征。

南亚高压是位于对流层上部强大且稳定的行星尺度环流系统, 对我国夏季大范围的旱涝有着重要影响。通过对1960—2016年8月南亚高压平均气候态[图 5(a)]及2016年8月距平[图 5(b)]的分析发现, 南亚高压中心8月维持在30°N—35°N之间, 东西位置位于80°E—105°E之间; 从2016年8月的距平看出, 南亚高压中心脊线较多年平均偏北5~10个纬距, 稳定在40°N—45°N范围内, 同时, 南亚高压中心略向东偏移, 其中心在100°E附近。据以往研究(张琼等, 1997; 张宇等, 2014; 赵勇等, 2018), 南亚高压脊线的南北摆动、高亚中心的东西震荡与西北地区夏季旱涝关系密切, 当南亚高压脊线偏北时, 冷空气不易南下, 抑制了西风带长波槽的活动, 西北地区东部干旱少雨; 此外, 南亚高压为东部型过程时, 西太副高多呈西伸形势, 造成西北地区东部多阴雨天气; 本文研究得出, 2016年8月南亚高压较常年偏东, 但西太副高没有出现明显的东西震荡, 这样副高外围的暖湿气流无法输送至西北地区东部, 造成该地区干旱少雨。

图 5(Fig. 5)

图 5 2016年8月100 hPa南亚高压(a, 等值线, 单位: gpm)及高度场(彩色区, 单位: gpm)和风场(矢量, 单位: m·s-1)距平(b)分布 Fig. 5 Distribution of South Asia high (a, contour, unit: gpm), geopotential height field (color area, unit: gpm) and wind field (vector, unit: m·s-1) in anomaly (b) at 100 hPa in August 2016

东亚副热带西风急流作为对流层中上层大气环流的重要组成部分, 急流的位置、强度、形态变化对我国不同地区的天气和气候有重要影响。分析了200 hPa平均纬向风的分布特征, 1960—2016年夏季8月份的平均西风急流显示[图 6(a)], 东亚副热带西风急流轴(u≥30 m·s^-1)覆盖的椭圆形区域呈明显的纬向分布特征, 与所在纬度平行, 急流轴在40°N—43°N之间摆动, 急流中心位于70°E—100°E; 从2016年8月的平均纬向风[图 6(b)]可以看出, 东亚副热带急流呈西南-东北走向, 急流中心覆盖面积明显扩大, 急流核的位置向北偏移3~5个纬距, 急流中心区和次大风速区的东西位置均向东明显移动; 2016年8月的副热带西风急流异常偏北偏强, 且急流轴分布形态由纬向型转为经向型。据以往研究(刘杰等, 2010), 夏季南亚高压中心的北移提前于副热带西风急流中心的北移, 且南亚高压的位置与强度决定了急流中心的位置与强度, 这与本文得出2016年8月南亚高压和副热带西风急流的同步异常变化是一致的, 由于急流位置形态的变化, 西北地区东部大部分地区处于急流轴出口区的南侧, 有利于下沉运动, 且急流强度的变化使下沉运动进一步加强, 对于高温天气的维持非常有利。

图 6(Fig. 6)

图 6 2016年8月200 hPa纬向风(a, 彩色区, 单位: m·s-1)及1960—2016年8月200 hPa平均纬向风(b, 彩色区, 单位: m·s-1)分布(a)中红色矩形框表示该区域2016年8月副热带西风急流的大体位置 Fig. 6 Distribution of 200 hPa zonal wind in August 2016 (a, color area, unit: m·s-1) and 200 hPa average zonal wind in August during 1960—2016 (b, color area, unit: m·s-1). In Fig. 6(a), the red rectangle box indicate the location of the subtropical westerly jet in August 2016

南亚高压、副热带西风急流的异常变化为此次高温过程的持续发展提供了大背景条件, 下面分析高温期间对流层中层的环流异常特征。据以往研究, 西北地区形成高温热浪的天气系统主要有西太副高、大陆暖高压、热低压等。从500 hPa高度场距平和温度场距平的分布特征(图 7)可以看出, 2016年8月甘肃省大部分地区为正高度距平, 中心位于贝加尔湖南侧105°E附近, 比多年平均高80 gpm; 在西北地区上游, 乌拉尔山地区正距平较为明显, 中心异常值达120 gpm。西太副高强度与位置没有明显的变化, 副热带高亚中心甚至出现弱的负距平, 因此, 本次高温过程与西太副高没有明显的直接关系。温度距平场上, 西北地区上空有一暖中心存在, 较多年平均高4.5 ℃, 其位置与高度场中心相匹配; 同时, 乌拉尔山地区温度距平达4 ℃以上, 延伸到90°E附近。

图 7(Fig. 7)

图 7 2016年8月500 hPa位势高度距平(等值线, 单位: gpm)及温度距平(彩色区, 单位: ℃)分布 Fig. 7 Distribution of geopotential height anomaly (contour, unit: gpm) and temperature anomaly (color area, unit: ℃) at 500 hPa in August 2016

以上分析可见, 乌拉尔山经向环流异常, 大量研究已证实了乌拉尔山阻塞高压对东亚地区天气气候有重大影响(Li et al, 2017; Wang et al, 2010)。欧亚阻高发生天数在不同经度带(40°E—160°E)的分布特征(图 8)显示, 近57年8月欧亚阻高的形态呈“双峰型”, 一个峰值位于40°E—70°E的乌拉尔山地区, 平均出现2~3天, 另一个峰值位于120°E以东地区。从2016年8月的分析结果来看, 乌拉尔山阻高发生天数明显增多, 且出现位置较往年略偏东, 在50°E—80°E范围内, 阻高发生天数均超过7天, 个别地区达到16天。从本文副热带西风急流的异常发现, 自80°E以东地区急流较往年偏北偏强, 抑制了此地区经向环流的发展, 但处于上游的乌拉尔山地区, 西风急流减弱消失, 纬向风比近57年平均小10~15 m·s^-1, 有利于阻塞高压的发生发展; 同时, 有研究表明阻塞高压易产生于急流强斜压区向弱斜压区移动的地方(刁一娜等, 2004), 而急流的进口处、出口处(弱斜压区)正是阻高的发生位置。

图 8(Fig. 8)

图 8 8月阻塞高压发生天数的经向分布特征 Fig. 8 Meridional distribution of blocking days in August

乌拉尔山处于西北地区上游, 阻高发生期间, 经向环流增强, 纬向环流减弱, 影响西北地区的西风槽脊系统减弱, 大陆暖高压异常稳定, 使西风带降水偏少, 在阻高未崩溃之前, 西风带天气尺度系统难以东移, 因此, 甘肃省在7月底至8月下旬基本未出现有效的西风带系统降水。

水汽输送路径及源汇与影响地区的天气气候关系密切。图 9分析了2016年8月700 hPa水汽通量场及其距平场的分布特征, 在此基础上, 对水汽通量散度进行了分析。从水汽通量场上来看[图 9(a)], 在偏南气流的引导下, 水汽从孟加拉湾经高原东侧边坡到达祁连山区一带, 而后水汽折向高原西北部; 甘肃东部没有明显的水汽输送。由近57年的水汽通量距平[图 9(b)]可以看出, 甘肃省大部分地区为水汽通量正距平区域, 尤其是甘肃西部地区。水汽通量散度场[图 9(c)]的结果显示, 除酒泉地区外, 全省大部分地区处于辐散区, 不利于降水的产生。2016年8月, 酒泉地区降水偏多, 水汽的分布特征也验证了这一特征; 虽然甘肃西部地区水汽输送较往年偏多, 但全省基本被异常强大的暖高压控制, 即降水以高压内的对流性降水为主。因此, 甘肃西部地区在某些时段处于高温高湿的状态, 这与其夏季经典的干热特征有所不同, 东部地区由于水汽输送与往年差异不大, 基本上以干热特征为主。

图 9(Fig. 9)

图 9 2016年8月700 hPa水汽通量场(a, 单位: kg·m-1·s-1)、水汽通量距平场(b, 单位: kg·m-1·s-1)以及700 hPa水汽通量散度[c, 正(负)值分别表示辐散(合), 单位: ×10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1]分布 Fig. 9 Distribution of 700 hPa water vapor flux (a, unit: kg·m-1·s-1), water vapor flux anomaly (b, unit: kg·m-1·s-1), and divergence of water vapor flux (c, the positive and negative values denotes divergence and convergence, respectively, unit: ×10-6 g·hPa-1·cm-2·s-1) in August 2016

2016年8月700 hPa垂直速度距平分布形势[图 10(a)]及30°N—45°N垂直速度距平的经度-高度剖面特征[图 10(b)]显示, 在700 hPa上, 甘肃省境内地区被正距平控制[图 10(a)], 显示该处的下沉气流要比往年明显加强, 不利于水汽凝结形成降水, 500 hPa的形势与700 hPa的分布基本一致(图略)。从剖面图上清楚地看出, 对流层低层到对流层中上层的95°E以东地区均为正距平, 且正距平中心位置与甘肃省东部地区相对应[图 10(b)]; 高温天气发生期间, 下沉运动在300 hPa附近最显著[图 10(b)], 对流层低层有弱上升运动, 而高层空气下沉增温, 使对流层中上层温度偏高。

图 10(Fig. 10)

图 10 2016年8月700 hPa垂直速度距平(a, 单位: ×10-2 Pa·s-1)及沿30°N—45°N 1960—2016年平均垂直速度距平(阴影区)、2016年8月垂直速度(等值线)的经度-高度剖面(b, 单位: ×10-2 Pa·s-1)分布 Fig. 10 Distribution of the vertical velocity anomaly in August 2016 (a, unit: ×10-2 Pa·s-1), longitude-vertical circulation of average vertical velocity anomaly during 1960—2016 (the shaded) and average vertical velocity in August 2016 (solid line) along 30°N—45°N (b, unit: ×10-2 Pa·s-1)

利用站点资料和再分析资料, 分析了2016年8月甘肃省高温天气的基本特征及大气环流异常对高温维持发展的可能影响, 主要结论如下:

(1) 1960—2016年甘肃省夏季平均温度、最高温度均有显著的增加趋势, 2016年达到历史最高。2016年夏季高温日数明显偏多, 个别站点有30%时段处于高温天气状态; 甘肃东部地区大部分站点高温日数增加了5天左右。其中, 7月底至8月下旬的高温天气过程, 不论是高温天气强度, 还是高温天气范围, 均为历史罕见。

(2) 高温天气发生期间, 南亚高压中心偏北5~10个纬距, 且中心略向东偏移, 使冷空气不易南下, 为此次高温过程维持发展提供了有利的大背景条件。同时, 东亚副热带西风急流由东西平直分布转为西南-东北走向, 急流中心覆盖面积明显扩大, 急流核的位置偏北3~5个纬距, 急流中心区向东明显移动; 由于急流位置形态的变化, 西北地区东部处于急流轴出口区的南侧, 产生下沉气流, 对于高温天气的维持非常有利。

(3) 大陆暖高压异常强大稳定; 乌拉尔山阻高发生天数明显增多, 达到10天以上, 且出现位置较往年略偏东; 上游地区经向环流增强, 纬向环流减弱, 西风槽脊系统较弱, 西风带降水降温天气显著偏少。

(4) 甘肃省大部分地区水汽与往年相比偏多约20%, 尤其是甘肃西部地区; 但东部地区水汽辐散较强, 难以形成降水, 西部地区在某些时段处于高温高湿的状态, 而东部地区基本上以干热特征为主。同时, 甘肃大部分地区下沉气流较常年异常偏强, 高层空气下沉增温, 垂直环流稳定, 进一步加剧了高温天气的发展。

高温天气的发展维持与环流系统的异常变化密切相关, 南亚高压是行星尺度的环流系统, 其变化提前于天气尺度系统, 当南亚高压偏北偏强时, 可能影响副热带西风急流的异常偏北偏强, 其分布形态由纬向型转为经向型, 急流轴南侧的下沉气流增强。受南亚高压影响, 大陆暖高压稳定在甘肃境内, 由于西段西风急流偏弱以及急流进出口位置的变化, 可能造成乌拉尔山阻高偏多, 抑制上游地区西风带槽脊系统的东移, 甘肃境内难以形成有效的降温降水天气。行星尺度系统、天气尺度系统的相互影响, 是造成此次高温天气的主要原因。南亚高压、副热带西风急流异常变化可以作为延伸期预报西北地区高温天气的参考因素。

本文研究了甘肃省2016年8月高温天气特征, 并初步分析了造成此次高温过程持续稳定的异常大尺度环流背景, 取得了一些有意义的结果, 但关于甘肃省夏季高温形成的深层次机制及其他影响系统, 还未涉及, 比如ENSO、夏季风、AO等大尺度环流系统对西北地区高温形成的直接/间接影响。计划在下一步的工作中, 利用动力学方法以及数值模拟等手段, 针对甘肃省夏季高温形成的物理机制做深入研究。