2013年夏季異常高溫干旱的力子天氣學分析

摘要 2013年7月2日～8月16日，株洲出現了長達46 d的連續高溫天氣，其日平均氣溫、日最高氣溫≥35.0 ℃持續日數等高溫特征量均破歷史紀錄。從物理機制和力子天氣學原理分析這次異常高溫天氣的成因，結果表明，物理機制包括輻射增溫、下沉增溫、增溫效率、散熱功能、額外熱源、累積效應等；力子天氣學機制，異常高溫天氣直接的力子天氣學原因是西太平洋反氣旋環流子對目標區域長期穩定的控制，而其深層次的原因是南亞大尺度反氣旋環流子和西太平洋反氣旋環流子的非線性相互作用和自組織機制；南亞大尺度反氣旋環流子的異動提前7 d預示高溫天氣即將出現，主體在西太平洋的反氣旋環流子對目標區控制的消失提前2 d預示高溫天氣即將結束。

關鍵詞 異常高溫；物理原因；力子天氣學機制；大尺度；自組織

中圖分類號S161文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）29-10234-03

作者簡介姜海泉（1962- ），男，湖南湘潭人，高級工程師，從事天氣預報服務及地質災害氣象預警等研究。

2013年7月，江南、江淮、江漢及重慶等地出現持續高溫天氣，全國100個氣象觀測站發生極端高溫事件[1]；8月，這種極端高溫天氣向北、向西擴展，黃淮西部及淮河以南出現異常高溫天氣，其中黃淮西部、江淮大部、江漢、江南以及廣西北部、重慶、貴州東部、四川東部、新疆南部和東部最高氣溫普遍達38～40 ℃，部分地區超過40 ℃[2]。此次持續高溫的成因，首要因子是西太平洋副熱帶高壓[3]；楊輝等分析發現西太平洋副熱帶高壓的極度持續偏強和西伸是直接原因，熱帶太平洋—印度洋海溫、中西太平洋跨赤道氣流異常、平流層過程以及全球增暖的背景條件是其重要機制[4]；解明恩等研究指出垂直環流圈的下沉氣流是形成高溫干旱的主要原因[5]；還有一些相關研究[6-7]也提供了與上述相似的結果。筆者以株洲地區為例，從微觀上分析2013年夏季極端高溫天氣的物理機制，從宏觀上運用力子天氣學方法分析下沉氣流長期存在的原因，且得到具有預報意義的前期特征，為高溫干旱的預報服務提供某些依據。

1高溫干旱實況

2013年7月2日～8月16日，株洲出現了長達46 d的連續高溫天氣，過程最高氣溫40.9 ℃（8月10日，醴陵），其日平均氣溫、日最高氣溫≥35.0 ℃持續日數等高溫特征量均破歷史紀錄。高溫給人們的日常生活與工農業生產帶來嚴重影響，全市出現了嚴重的干旱，其中攸縣、茶陵、炎陵達到氣象干旱重旱等級，株洲縣、醴陵達氣象干旱特旱等級。全市10個縣（市區）133個鄉鎮（辦事處）中，已有109個鄉鎮受災，有3.25萬人、5.34萬頭大牲畜出現飲水困難。旱災損失大，全市13.93萬hm2中、晚稻和1.26萬hm2旱土作物中，受旱面積已達4.58萬hm2，占33.1%，其中重旱1.25萬hm2、干枯0.84萬hm2；經濟作物受旱1.33萬hm2，造成直接經濟損失3.62億元。由于持續晴熱高溫，全市農作物受旱面積呈加速發展蔓延之勢。后續抗旱難。湘江及其洣江、淥江等主要干支流已接近最低水位，全市118條溪河出現斷流，67座小型水庫和11 865處山塘干涸。

2異常高溫天氣的物理原因

2.1長期異常強烈的輻射增溫輻射增溫與太陽照射強度和照射時間成正比。6月22日（夏至）太陽赤緯達最大值，6月下旬～8月上旬正是江南地區接受太陽輻射最強和可能日照時間最長的時期，由于這段時間江南許多地區長期受反氣旋中的下沉氣流控制，晴朗少云，輻射增溫非常顯著。2013年株洲地區夏季日照時數為777.9 h，較常年偏多181.4 h，較2012年偏多155.1 h（圖1）。

2.2長期的下沉絕熱增溫當環境氣溫直減率的絕對值小于干絕熱過程氣溫直減率的絕對值時（這是真實大氣層結的普遍情形），空氣干絕熱下沉必然導致低層增溫。

2.3增溫效率高空氣中水汽含量的多少直接影響著空氣比熱和熱容量，空氣越干燥，其比熱和熱容量越小，增溫效率越高。江南地區長時間受反氣旋環流子中的下沉氣流控制，空氣干絕熱下沉不僅導致低層大氣增溫，且使空氣濕度降低，變得越來越干燥，因此增溫效率越來越高。

2.4散熱功能差許多出現破紀錄高溫的測站幾乎均處在風力較小或地勢相對較低的地方。如炎陵站四周為高山，測站附近熱量不容易擴散，且在2013年6月底～8月中旬基本處于西北太平洋副熱帶反氣旋環流子的下沉氣流之中，風力多為3級以下，不利于熱量的擴散。

2.5額外熱源強城市熱島效應必然影響位于城區內的測站，波及位于城郊結合部的測站。

2.6累積效應長夏季夜間輻射降溫量小于白天輻射增溫量，整個時段長期連續晴熱高溫，必然導致凈熱量積累和基礎氣溫攀升。

3異常高溫天氣的力子天氣學機制

3.1有關力子的基本概念[8]力子是發生在大氣中的、三維的、以流場為主要特征的自組織結構，其相對于環境場具有顯著的宏觀穩定的不均勻狀態，如力子內部流場高度一致的流向與力子周圍環境流場比較凌亂甚至相反的流向構成非常顯著的差異，形成較強的系統勢。從其流場特征來看，力子至少可以分為如下幾類：氣旋環流子、反氣旋環流子、北方力子、南方力子、冷力子和暖力子等。熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風以及溫帶氣旋等完整的環流體系是典型的氣旋環流子。通常所說的高壓系統，如西北太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、烏拉爾山阻塞高壓等，當其具有完整的環流體系時，則稱其為反氣旋環流子。上下一致的成體系的偏北氣流稱為北方力子，而上下一致的成體系的偏南氣流則稱為南方力子；上下一致的成體系的冷平流為冷力子，上下一致的成體系的暖平流為暖力子。圖22013年6月25日00：00力子圖圖32013年6月30日00：00力子圖圖42013年8月13日00：00力子圖圖52013年8月14日12：00力子圖安徽農業科學2014年力子既然是大氣中客觀存在的具有顯著特點的實體，那么它在各種描述大氣運動變化的要素場中必然會有明確的反映。因此，傳統的天氣圖盡管其空間分辨率較低，但對于處在對流層中的水平尺度在5緯距以上、鉛直尺度在5 km以上的力子來說仍然是一個非常實用的表述工具。在天氣圖上，力子可以表示為“控制性氣流”。控制性氣流是指至少有相鄰2個標準等壓（高）面存在上下一致配合且水平尺度在5緯距以上的、運動方向一致的成片氣流。限于主題，并根據2013年6～8月實際的大氣環流，在此所述及的力子主要為大尺度力子，且是其輸入、輸出能力處于同一量級的大尺度力子。根據綜合分析，起主要作用的力子為反氣旋環流子，其具體“大尺度”量級分別為水平尺度3 000 km、鉛直尺度10 km、全風速10 m/s。