2013年夏季異常高溫干旱的力子天氣學(xué)分析

摘要 2013年7月2日～8月16日，株洲出現(xiàn)了長達(dá)46 d的連續(xù)高溫天氣，其日平均氣溫、日最高氣溫≥35.0 ℃持續(xù)日數(shù)等高溫特征量均破歷史紀(jì)錄。從物理機(jī)制和力子天氣學(xué)原理分析這次異常高溫天氣的成因，結(jié)果表明，物理機(jī)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(yīng)等；力子天氣學(xué)機(jī)制，異常高溫天氣直接的力子天氣學(xué)原因是西太平洋反氣旋環(huán)流子對目標(biāo)區(qū)域長期穩(wěn)定的控制，而其深層次的原因是南亞大尺度反氣旋環(huán)流子和西太平洋反氣旋環(huán)流子的非線性相互作用和自組織機(jī)制；南亞大尺度反氣旋環(huán)流子的異動提前7 d預(yù)示高溫天氣即將出現(xiàn)，主體在西太平洋的反氣旋環(huán)流子對目標(biāo)區(qū)控制的消失提前2 d預(yù)示高溫天氣即將結(jié)束。

關(guān)鍵詞 異常高溫；物理原因；力子天氣學(xué)機(jī)制；大尺度；自組織

中圖分類號S161文獻(xiàn)標(biāo)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(yù)報服務(wù)及地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等研究。

2013年7月，江南、江淮、江漢及重慶等地出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，全國100個氣象觀測站發(fā)生極端高溫事件[1]；8月，這種極端高溫天氣向北、向西擴(kuò)展，黃淮西部及淮河以南出現(xiàn)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(dá)38～40 ℃，部分地區(qū)超過40 ℃[2]。此次持續(xù)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(fā)現(xiàn)西太平洋副熱帶高壓的極度持續(xù)偏強(qiáng)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(jī)制[4]；解明恩等研究指出垂直環(huán)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(guān)研究[6-7]也提供了與上述相似的結(jié)果。筆者以株洲地區(qū)為例，從微觀上分析2013年夏季極端高溫天氣的物理機(jī)制，從宏觀上運(yùn)用力子天氣學(xué)方法分析下沉氣流長期存在的原因，且得到具有預(yù)報意義的前期特征，為高溫干旱的預(yù)報服務(wù)提供某些依據(jù)。

1高溫干旱實(shí)況

2013年7月2日～8月16日，株洲出現(xiàn)了長達(dá)46 d的連續(xù)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(xù)日數(shù)等高溫特征量均破歷史紀(jì)錄。高溫給人們的日常生活與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響，全市出現(xiàn)了嚴(yán)重的干旱，其中攸縣、茶陵、炎陵達(dá)到氣象干旱重旱等級，株洲縣、醴陵達(dá)氣象干旱特旱等級。全市10個縣（市區(qū)）133個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（辦事處）中，已有109個鄉(xiāng)鎮(zhèn)受災(zāi)，有3.25萬人、5.34萬頭大牲畜出現(xiàn)飲水困難。旱災(zāi)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(dá)4.58萬hm2，占33.1%，其中重旱1.25萬hm2、干枯0.84萬hm2；經(jīng)濟(jì)作物受旱1.33萬hm2，造成直接經(jīng)濟(jì)損失3.62億元。由于持續(xù)晴熱高溫，全市農(nóng)作物受旱面積呈加速發(fā)展蔓延之勢。后續(xù)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(xiàn)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(qiáng)烈的輻射增溫輻射增溫與太陽照射強(qiáng)度和照射時間成正比。6月22日（夏至）太陽赤緯達(dá)最大值，6月下旬～8月上旬正是江南地區(qū)接受太陽輻射最強(qiáng)和可能日照時間最長的時期，由于這段時間江南許多地區(qū)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(qū)夏季日照時數(shù)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(dāng)環(huán)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(shí)大氣層結(jié)的普遍情形），空氣干絕熱下沉必然導(dǎo)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(qū)長時間受反氣旋環(huán)流子中的下沉氣流控制，空氣干絕熱下沉不僅導(dǎo)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(xiàn)破紀(jì)錄高溫的測站幾乎均處在風(fēng)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(kuò)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(huán)流子的下沉氣流之中，風(fēng)力多為3級以下，不利于熱量的擴(kuò)散。

2.5額外熱源強(qiáng)城市熱島效應(yīng)必然影響位于城區(qū)內(nèi)的測站，波及位于城郊結(jié)合部的測站。

2.6累積效應(yīng)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(xù)晴熱高溫，必然導(dǎo)致凈熱量積累和基礎(chǔ)氣溫攀升。

3異常高溫天氣的力子天氣學(xué)機(jī)制

3.1有關(guān)力子的基本概念[8]力子是發(fā)生在大氣中的、三維的、以流場為主要特征的自組織結(jié)構(gòu)，其相對于環(huán)境場具有顯著的宏觀穩(wěn)定的不均勻狀態(tài)，如力子內(nèi)部流場高度一致的流向與力子周圍環(huán)境流場比較凌亂甚至相反的流向構(gòu)成非常顯著的差異，形成較強(qiáng)的系統(tǒng)勢。從其流場特征來看，力子至少可以分為如下幾類：氣旋環(huán)流子、反氣旋環(huán)流子、北方力子、南方力子、冷力子和暖力子等。熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)以及溫帶氣旋等完整的環(huán)流體系是典型的氣旋環(huán)流子。通常所說的高壓系統(tǒng)，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(dāng)其具有完整的環(huán)流體系時，則稱其為反氣旋環(huán)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(nóng)業(yè)科學(xué)2014年力子既然是大氣中客觀存在的具有顯著特點(diǎn)的實(shí)體，那么它在各種描述大氣運(yùn)動變化的要素場中必然會有明確的反映。因此，傳統(tǒng)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(shí)用的表述工具。在天氣圖上，力子可以表示為“控制性氣流”?？刂菩詺饬魇侵钢辽儆邢噜?個標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)動方向一致的成片氣流。限于主題，并根據(jù)2013年6～8月實(shí)際的大氣環(huán)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(jù)綜合分析，起主要作用的力子為反氣旋環(huán)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(fēng)速10 m/s。