2016年四川省持續性高溫天氣時空變化特征及其成因

仕仁睿,齊冬梅,陳 丹,任 倩

（中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072）

引言

高溫不僅給自然環境和生態系統帶來不可逆轉的沖擊，對國民經濟、人類生存活動和健康均構成嚴重威脅[1-2]。過去幾十年全球發生高溫的陸地面積增加了很多倍[3]，已逐漸成為造成人員傷亡和經濟損失最多的區域性氣象災害之一[4-5]。因此，分析高溫天氣過程的特征及其形成機制，對于提高高溫預測預警水平和防災減災能力具有十分重要的意義。

多項研究[6-9]表明，大氣環流異常是區域性氣溫異常最直接的影響因素。由于地理位置、地形等因素的差異，不同地區高溫天氣過程的變化特征和成因也不盡相同。我國中東部地區夏季高溫除了與西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）的位置及強度變化有關[10-12]，也受東亞副熱帶西風急流（以下簡稱西風急流）異常和南亞高壓的影響[13-14]。比如，2003年夏季副高的持續偏強和西伸導致我國江南地區出現大范圍異常高溫天氣[15]，南亞高壓的持續、穩定控制和東擴也有重要作用[16]。而在我國西南地區，副高偏西偏北且持續穩定地控制川渝上空，大陸高壓中心位置偏東偏北，是四川、重慶等地大范圍極端高溫天氣產生的主要原因[17-19]。

四川盆地是我國夏季高溫頻發區域之一[20]，20世紀90年代以來，四川強高溫過程和高溫日數顯著增加[21]。但相比于我國東部發達地區，四川復雜地形為研究區域性高溫天氣過程變化帶來挑戰，當前對其形成機制的認識還不夠全面。

2016年8月中下旬，四川省出現大范圍、持續性高溫天氣，多站點日最高氣溫連續突破歷史極值，高溫持續時間之長也是歷史罕見，嚴重影響到人民工作生活、水電資源供需、工農業生產等各個方面，入選“2016年四川十大天氣氣候事件”。本文針對2016年8月四川省持續性高溫天氣過程的時空變化特征及其持續期間大尺度環流的異常演變特征進行診斷分析，以期更好地認識四川夏季高溫特征，為其研判和預測提供科學依據。

1 資料和方法

選用1968～2016年8月四川地區134個地面氣象觀測站的逐日最高氣溫資料，以及歐洲中心1981～2016年7月12日～9月17日ERA-Interim再分析資料（空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6h），要素包括：位勢高度場、風場、水平氣壓場和比濕。

文中將日最高氣溫達到或超過35℃定義為一個高溫日，并采用1981～2010年作為氣候態時段，分析環流異常特征。

整層水汽輸送通量的計算公式為：

其中緯向、經向水汽輸送通量分別為：

式中：g為重力加速度，q為比濕，Ps為地面氣壓，Pt取300hPa，u、v分別為緯向、經向風速分量。

2 2016年8月四川省異常高溫概況

針對35℃、38℃和40℃三個日最高氣溫臨界值，圖1給出了2016年8月四川省區域平均最高氣溫及高溫站點數的逐日變化。高溫天氣主要出現在8月11～26日，平均最高氣溫均超過31.6℃，連續多日出現極端高溫天氣，其中8月21日達到峰值（35.3℃）。在此期間，全省區域平均最高氣溫達34.0℃，較氣候平均態偏高6.0℃，為1968年以來的最大值。此外，出現高溫天氣的站點數在此期間呈單峰分布，日最高氣溫達到或超過35℃的站點數為96個（8月21日），約占71.6%；日最高氣溫達到或超過38℃的站點為44個（8月25日），約占32.8%；17個站點日最高氣溫超過40℃（8月24日），約占12.7%。根據統計結果，2016年8月四川異常高溫呈現出范圍廣、強度大的特征。

研究表明，東北酸菜中的乳酸菌多為植物乳桿菌[8]（Lb.plantarum）。本文以東北酸菜腌制液為乳酸菌來源，通過初步的分離篩選得到45株乳酸菌，并對這些乳酸菌進行了耐受性試驗，共得到19株耐受性強的菌株，然后對這19株菌進行模擬蘋乳發酵實驗，最后確定1株菌具有商業化的潛力。

圖1 2016年8月四川省區域平均最高氣溫（等值線，單位：℃）和高溫站點數（柱狀，單位：站）日變化特征

圖2a是2016年8月11～26日四川省平均最高氣溫及其距平的空間分布。如圖所示，高溫天氣主要出現在盆地、攀西地區和川西高原中部，其中盆東北、盆中、盆南、盆西南局部和川西高原中部地區的平均最高氣溫超過36℃。全省41站平均最高氣溫位列本站歷史同期第一位，主要集中于川西高原、攀西地區和成都地區。就氣溫距平而言，全省均呈現一致的正距平，即四川各地平均最高氣溫均較氣候平均態明顯偏高，普遍偏高3℃以上。其中，盆東北南部、盆西北南部、盆地中部、盆西南西部、攀西地區北部、川西高原大部偏高達6℃以上，尤為突出的是川西高原西部和北部局部地區，偏高7℃以上，金川、馬爾康站為高溫期間四川省范圍內氣溫異常最顯著的2個站點（偏高9℃以上）。

圖2 四川省2016年8月11～26日平均最高氣溫及其距平（a）和極端最高氣溫（b）的空間分布（填色區域表示距平值，單位：℃）

如圖2b所示，極端最高氣溫的空間分布與平均最高氣溫表現一致，氣溫高值區主要集中于盆地和川西高原中部地區，高溫持續期間，103°E以東地區極端最高氣溫普遍達35℃以上，盆東北南部、盆中和盆南西部極端最高氣溫超過40℃。其中，溫江、邛崍、龍泉驛、雙流、新津、都江堰、金川、榮縣、開江、資陽、青神、眉山站均突破歷史極端最高氣溫記錄。極端最高氣溫的極大值分別出現在達縣（8月19日）和渠縣（8月25日），均為41.5℃。

2016年8月11～26日四川省高溫日數的空間分布（圖3）顯示，四川省東部的盆地區域高溫天氣頻發，103°E以東地區高溫日數超過6d，盆東北、盆中、盆南、盆西南東部高溫日數達12d以上。全省有84站高溫日數在10d及以上，開江高溫日數為全省最多（16d），金川、長寧、宣漢、富川、鹽亭高溫日數達15d；持續高溫日數達到或超過10d的站點有60個，主要集中于盆東北、盆中及盆南地區。全省平均高溫日數（8d）和持續高溫日數（6.5d）均為歷史同期最大值，多站點持續高溫日數突破歷史極大值。

圖3 2016年8月11～26日四川省高溫日數空間分布（單位：d）

3 環流異常分析

持續性高溫天氣過程往往是異常環流形勢長期維持和持續發展的結果，本節主要圍繞大尺度環流特征展開分析，包括對流層高層南亞高壓和西風急流、中層副高和中高緯環流、低層流場以及整層水汽輸送。

3.1 500hPa高度場特征

作為東亞夏季風的主要成員，夏季副高的位置和強度變化對四川高溫天氣影響顯著[19, 22]。圖4a是2016年8月11～26日平均的500hPa位勢高度場。如圖所示，就中高緯而言，烏拉爾山高壓脊偏強，西西伯利亞至巴爾喀什湖一帶有一淺槽，東亞地區以平直的緯向環流為主，不利于北方冷空氣南下活動；副高斷裂成兩部分，東段位于西北太平洋上空，高壓中心強度達5940gpm，西段強烈西伸上高原，穩定控制我國長江-黃河流域，并在華中地區形成孤立閉合的大陸高壓單體（5900gpm）；與氣候平均態相比，副高位置明顯偏北、強度異常偏強。500hPa高度距平場（圖4b）上，中西伯利亞和蒙古高原地區表現為正異常，位勢高度整體偏高，表明冷空氣活動次數偏少、位置偏北；同時，副高持續西伸，致使西伸脊阻擋冷空氣擴展南下到達我國南方地區，導致四川上空冷空氣長期不足，有利于高溫的發展和維持；烏拉爾山、長江-黃河流域、西北太平洋上空均為顯著的正距平中心，四川處于正距平中心附近，存在0～50gpm正距平，表明此期間四川處于副高控制之下，盛行異常下沉氣流。下沉增溫和晴空輻射增溫共同作用，促使氣溫迅速升高，正是2016年8月四川地區出現大范圍、持續性高溫天氣的直接原因。

圖4 2016年8月11～26日平均的500hPa位勢高度（a）及其距平（b）的空間分布（單位：gpm，藍色虛線為氣候平均5880gpm特征線，陰影由淺到深分別表示通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗）

從2016年7月12日～9月17日500hPa高度場沿97°～109°E平均的時間-緯度剖面（圖5a）看出，副高南北的階段性擺動強烈。副高自8月初開始控制35°N以北地區，直至8月中下旬，持續加強且穩定維持在20°～40°N附近，中心強度達5920gpm（8月24日），與四川高溫天氣過程有較好的對應。隨后，副高減弱南移，高溫天氣結束。對應地，沿27.5°～37.5°N平均的時間-經度剖面（圖5b）顯示，8月副高有4次東西變化過程，其西伸脊點位置均越過110°E。其中，8月中下旬西伸最為明顯，延展至90°E以西地區，中心強度進一步加強，表明此期間副高強盛而穩定，四川受副高穩定控制，出現持續性高溫天氣。8月末副高減弱并移出四川上空，對四川的影響就此結束。

圖5 2016年500hPa高度場沿97°～109°E平均的時間-緯度剖面（a）和沿27.5°～37.5°N平均的時間-經度剖面（b）（單位：gpm，紅色虛線表示8月11日，黃色虛線表示8月26日）

3.2 100hPa南亞高壓特征

圖6 2016年8月11～26日平均的100hPa位勢高度（a）及其距平（b）的空間分布（單位：gpm，藍色虛線為氣候平均16800gpm特征線，陰影由淺到深分別表示通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗）

3.3 200hPa西風急流和700hPa流場特征

夏季西風急流的位置與冷空氣的活動位置關系密切[25]。由高溫持續期間200hPa西風急流分布（圖7）可以看出：急流軸呈東西平直走向；經向上，急流中心（風速超過30m/s）穩定維持在45°N附近，較氣候平均態略偏北，致使冷空氣活動次數偏少且偏弱，不易擴展南下；緯向上，氣候平均態急流中心主要位于70°～105°E以及62°E以西區域范圍，而2016年高溫持續期間，急流中心顯著東伸，擴展至130°E附近高空，四川被急流中心南部的暖平流所控制，有利于高溫天氣的維持。700hPa風場距平（圖7）顯示，蒙古地區有一異常反氣旋式環流，而我國東南沿海為一異常氣旋式環流，四川處于兩種異常氣流的共同控制下，受異常偏北風影響，到達四川的暖濕氣流較氣候平均態偏弱。可見，冷暖空氣不易在四川地區交綏，不利于降水的發生。

圖7 2016年8月11～26日平均的200hPa西風急流（填色）和700hPa風場距平（矢量）空間分布（單位：m/s，藍色虛線為同期氣候平均態西風急流，打點區域表示通過0.05水平的顯著性檢驗）

3.4 水汽輸送特征

高溫天氣的維持往往與長期水汽輸送異常聯系密切。圖8是2016年8月11～26日整層積分水汽通量距平及其散度距平分布，有少量來自西太平洋和南海地區的水汽隨東南氣流向四川輸送，但四川上空由南向北的水汽輸送整體偏弱，為水汽通量散度的正距平區，水汽異常輻散，難以形成降水，致使高溫天氣迅速發展。結合整層水汽輸送通量的逐日演變（圖9）可以看到，8月來自于西太平洋和南海地區的偏南風水汽輸送向北擴展的強度減弱，強水汽輸送主要集中在25°N以南地區，同時27.5°～37.5°N緯度帶上偏南風水汽向西的擴展也在減弱，大量水汽只能到達105°E以東地區，四川上空水汽輸送條件差，不利于降水的發生，使得高溫天氣得以維持。

圖8 2016年8月11～26日平均的整層積分水汽通量距平（矢量，單位：kg·m-1·s-1）及其散度距平（填色，單位：10-5kg·m-2·s-1）

圖9 2016年整層水汽輸送通量沿97°～109°E平均的時間-緯度剖面（a）和沿27.5°～37.5°N平均的時間-經度剖面（b）（單位：kg·m-1·s-1，紅色虛線表示8月11日，黃色虛線表示8月26日）

4 結論和討論

本文利用四川省134個氣象站逐日最高氣溫資料和ERA-interim再分析資料，對2016年8月四川持續性高溫天氣過程的時空變化及其環流異常特征進行了診斷分析，主要結論如下：

（1）2016年8月11～26日，四川省平均最高氣溫達34.0℃，較氣候平均態偏高6.0℃，為1968年以來最高氣溫，高溫站點占比71.6%，平均高溫日數（8d）和持續高溫日數（6.5d）均突破歷史極值，增溫異常突出。

（2）高溫持續期間，副高斷裂并西伸形成孤立的大陸高壓單體，強度偏強、位置異常偏北，穩定控制四川地區，其西進、東退時間節點與區域氣溫的階段性變化相對應。同時，南亞高壓持續加強并向東擴張，進一步促使副高西伸北抬。副高與南亞高壓的位置配置，致使四川長期處于異常反氣旋控制之下，盛行下沉氣流，對流活動受到抑制，是誘發此次持續性高溫的直接原因。

（3）高溫持續期間，東亞東部地區以緯向環流為主，位勢高度場整體偏高，高層西風急流位置偏北，呈東西平直分布，致使極區冷空氣活動偏北且偏弱。同時，對流層低層異常輻散，水汽輸送偏弱，難以形成降水，使得高溫天氣得以發展和維持。

本文主要分析了2016年8月四川省持續性高溫天氣過程的時空變化規律及其持續期間大尺度環流的異常演變特征，研究結果只是初步的，對于四川省持續性高溫天氣過程的氣候學特征及其動力學影響機制等問題，有待在下一步工作中結合數值模擬進行深入探討。