臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)對平潭日最高氣溫的影響分析

張海燕 洪 偉 陳瀟瀟 林彥婷 李長順

(1.福建省平潭綜合實驗區(qū)氣象局，福建 平潭 350400;2.福建省氣象局科技與預(yù)報處，福建 福州 350000;3.福建省氣象服務(wù)中心，福建 福州 350001)

0 引言

前人在臺風(fēng)方面開展了大量研究，包括臺風(fēng)的移動路徑[1]、強(qiáng)度變化[2]、臺風(fēng)風(fēng)雨影響[3]、因臺風(fēng)導(dǎo)致的升溫現(xiàn)象[4]等。日常生活中，人們更加關(guān)注臺風(fēng)風(fēng)雨對生命、財產(chǎn)造成的影響，而較少發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)也會導(dǎo)致高溫現(xiàn)象。由臺風(fēng)引起的升溫現(xiàn)象大體分2種，一是臺風(fēng)外圍氣流與地形相配合，形成臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)。臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)主要是指臺風(fēng)外圍強(qiáng)烈的氣流與山脈垂直而受阻時，被迫抬升，以濕絕熱狀態(tài)冷卻，空氣中的水汽不斷在山脈迎風(fēng)坡凝結(jié)降落，直至山頂雨止云消而變?yōu)楦稍锟諝猓S后翻越山嶺以干絕熱狀態(tài)下沉增溫，及至地面變成干熱的焚風(fēng)，嚴(yán)重的干熱風(fēng)會造成作物枯萎，甚至誘發(fā)森林火災(zāi)，對國民經(jīng)濟(jì)甚至人民的健康產(chǎn)生危害[5]。陳瑞閃[6]利用常規(guī)觀測數(shù)據(jù)分析1989年7月20日福建因臺風(fēng)“荷貝”出現(xiàn)的一次焚風(fēng)效應(yīng)，研究表明福建臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)的出現(xiàn)與臺風(fēng)中心位置、梯度層內(nèi)的風(fēng)向風(fēng)速、初始?xì)鉁馗叩图芭_風(fēng)云團(tuán)大小等有關(guān)，且當(dāng)福建位于臺風(fēng)的西南象限時易出現(xiàn)焚風(fēng)現(xiàn)象，有利于福建東部形成高溫天氣。鄒燕等[7]分析1961—1999年福建夏季高溫成因時同樣表明，臺風(fēng)外圍西北風(fēng)場控制下的顯著升溫現(xiàn)象是影響高溫過程的重要天氣系統(tǒng)。白華等[8]利用常規(guī)觀測資料，分析2012年7月9日丹東地區(qū)一次溫度預(yù)報失誤原因，發(fā)現(xiàn)主要是由于未考慮臺風(fēng)“卡努”外圍氣流與地形配合引起的焚風(fēng)現(xiàn)象。張麗[4]在分析1953—2008年深圳夏季高溫成因、林蟒等[9]在分析1951—2004年廣州夏季高溫成因時，均表明臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)對夏季高溫起一定增幅作用，但發(fā)生臺風(fēng)焚風(fēng)現(xiàn)象并不一定出現(xiàn)高溫天氣。二是臺風(fēng)外圍強(qiáng)烈下沉氣流引起的絕熱增溫。黃忠等[10]、盧山等[11]對廣州高溫天氣的研究均表明，廣州災(zāi)害性高溫天氣的出現(xiàn)歸因于副熱帶高壓內(nèi)部和臺風(fēng)外圍的下沉運動，副熱帶高壓控制是災(zāi)害性高溫天氣出現(xiàn)的基礎(chǔ)，臺風(fēng)外圍下沉氣流導(dǎo)致的強(qiáng)下沉增溫是重要因素。

福建省地勢西北高東南低，平潭位于福建的東部沿海。前人研究表明[6-7]，當(dāng)福建位于臺風(fēng)的西南象限、被臺風(fēng)外圍的西北氣流控制時，福建東部地區(qū)易出現(xiàn)高溫天氣。本文主要分析平潭近60年高溫天氣的形成是否和臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)有關(guān)，以及當(dāng)臺風(fēng)位于哪一區(qū)域時平潭易出現(xiàn)焚風(fēng)，導(dǎo)致日最高氣溫(Tmax)升高，以期為今后預(yù)報類似過程積累經(jīng)驗。

1 資料與方法

本文所用資料包括1961—2021年平潭國家基本氣象站(58944，下文中平潭均指58944站)逐日最高氣溫、1日4次相對濕度資料，歐洲中心再分析資料(ERA 5)的500hPa位勢高度和水平風(fēng)場、850hPa水平風(fēng)場，水平分辨率為1°×1°，及美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(JTWC)的臺風(fēng)路徑資料。

利用逐日最高氣溫資料，統(tǒng)計分析平潭高溫日(根據(jù)中國氣象局規(guī)定，Tmax≥35℃的天氣稱為高溫日)。通過分析相對濕度、500hPa位勢高度和水平風(fēng)場、850hPa水平風(fēng)場、JTWC臺風(fēng)路徑資料，研究平潭高溫的出現(xiàn)是否和臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)有關(guān)，以及臺風(fēng)位置對平潭Tmax的影響。依據(jù)前人對福建出現(xiàn)臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)的研究[6-7]，判定平潭高溫由臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)引起的特征有：平潭上游區(qū)域上空為偏西北氣流、平潭當(dāng)日相對濕度小(定義當(dāng)日近地面相對濕度低于歷史同期氣候平均的1倍標(biāo)準(zhǔn)差為相對濕度小)、周邊出現(xiàn)臺風(fēng)、可排除是由副熱帶高壓導(dǎo)致的高溫。因每日最高氣溫一般出現(xiàn)在13—16時之間，故臺風(fēng)位置取每日14時臺風(fēng)所在位置。

2 臺風(fēng)位置與平潭日最高氣溫的關(guān)系分析

2.1 平潭近60年高溫日

統(tǒng)計分析平潭逐日最高氣溫資料表明(見表1)，近60年平潭僅出現(xiàn)7d高溫日，均集中在7—8月。通過初步篩選分析發(fā)現(xiàn)，7d中有6d高溫與臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)有關(guān)，其中202106號臺風(fēng)“In-Fa”造成平潭兩日高溫，分別為2021年7月24日和26日。與臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)相關(guān)的平潭6d高溫日，每日14時的相對濕度均低于歷史同期(歷史同期：1991—2020年與高溫日同日期的30d中每日14時)氣候平均，且除1962年8月1日(低于歷史同期氣候平均0.2倍標(biāo)準(zhǔn)差)外，其余5d均異常偏低超過1倍標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 1961—2021年平潭高溫日的日最高氣溫(Tmax)及14時相對濕度的歷史同期氣候平均和標(biāo)準(zhǔn)差

2.2 平潭高溫日環(huán)流形勢分析

由近60年平潭高溫日14時的500hPa位勢高度場和水平風(fēng)場(見圖1)可知，7d中僅有2020年8月7日平潭被副熱帶高壓所控制[圖1(f)]，在副熱帶高壓下沉氣流影響下，平潭出現(xiàn)Tmax為35.3℃的高溫天氣；其余6d高溫日平潭均在臺風(fēng)西南象限，有5d福建整體均在偏西北氣流的影響下，副熱帶高壓減弱東退至日本以東的西北太平洋洋面[圖1(b)、(c)、(d)、(e)、(g)]，即這5d可排除是由副熱帶高壓導(dǎo)致的高溫；1966年8月16日福建被偏北氣流控制，較為特殊的是當(dāng)天5880gpm線雖然受臺風(fēng)影響而斷裂，但大陸高壓仍然很強(qiáng)[圖1(a)]，平潭位于高壓東南象限、臺風(fēng)西南象限，大陸高壓的下沉氣流可能對平潭當(dāng)日的高溫仍有一定影響。

(a)1966年8月16日

(b)2021年7月24日

(c)2002年7月4日

(d)1962年8月1日

(e)1978年8月1日

(f)2020年8月7日

(g)2021年7月26日圖1 平潭高溫日14時的500 hPa位勢高度場(陰影，單位：10gpm)和水平風(fēng)場(風(fēng)矢桿，單位：m/s)(紫紅色點和黃點分別為當(dāng)天臺風(fēng)和平潭所在位置，黑色等值線為5880gpm線所在位置)

分析850hPa水平風(fēng)場(見圖2)可知，與臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)有關(guān)的平潭6d高溫日，在其上游區(qū)域從南平到福州一帶均被偏西北氣流控制，福建地勢西北高東南低，偏西北氣流翻越山脈被迫抬升以濕絕熱狀態(tài)冷卻，空氣中的水汽在迎風(fēng)坡凝結(jié)降落從而變成干燥空氣，在背風(fēng)坡以干絕熱狀態(tài)下沉增溫，從而導(dǎo)致背風(fēng)坡區(qū)域氣溫升高空氣干燥。結(jié)合圖1(a)和圖2(a)，1966年8月16日平潭出現(xiàn)近60年的最高氣溫，比其他6個高溫日氣溫高出1.5℃及以上，這可能是臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)和大陸高壓相互疊加的作用。

(a)1966年8月16日

(b)2021年7月24日

(c)2002年7月4日

(d)1962年8月1日

(e)1978年8月1日

(f)2021年7月26日圖2 與臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)相關(guān)的平潭6d高溫日14時的850hPa水平風(fēng)場(單位：m/s)(紅點為平潭所在位置)

2.3 臺風(fēng)位置與平潭日最高氣溫的關(guān)系

根據(jù)前文分析可知，平潭近60年的7d高溫日中有6d與臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)有關(guān)，因此我們分析了表1中5個臺風(fēng)路徑，欲厘清臺風(fēng)位于哪一區(qū)域時平潭易出現(xiàn)焚風(fēng)效應(yīng)，從而導(dǎo)致當(dāng)日Tmax較高。

依據(jù)圖3星號所在位置，可粗略框選出當(dāng)臺風(fēng)位于平潭東北方向(25°N～32°N，120°E～128°E)區(qū)域內(nèi)，平潭易出現(xiàn)焚風(fēng)現(xiàn)象，此時副熱帶高壓東退至日本以東的西北太平洋洋面。

圖3 引起平潭高溫日的5個臺風(fēng)路徑分布(星號為平潭高溫日11時、14時、17時臺風(fēng)所在位置，紅點為平潭所在位置，紅色矩形框范圍為25°N～32°N，120°E～128°E)

平潭地理位置獨特，位于臺灣海峽北部，四面環(huán)海。海洋下墊面導(dǎo)致平潭Tmax不會很高，1961—2021年7—9月Tmax在20.7～ 37.4℃之間，均值為30.2℃，其中Tmax超過35℃僅有7d，超過33℃有283d，出現(xiàn)概率僅為5%。

由于近60年平潭僅出現(xiàn)6個臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)引起的高溫日，樣本數(shù)量太少，所以在探究臺風(fēng)位于哪一區(qū)域易引起平潭高溫時，選取Tmax≥33℃的樣本。統(tǒng)計1991—2020年7—9月平潭Tmax的氣候平均為30.4℃、標(biāo)準(zhǔn)差為2.0℃，33℃異常偏高于氣候平均1倍標(biāo)準(zhǔn)差，故選定33℃為標(biāo)準(zhǔn)。同時，由圖3可知，經(jīng)過區(qū)域(25°N～32°N，120°E～128°E)的臺風(fēng)可能會造成平潭焚風(fēng)現(xiàn)象，統(tǒng)計1961—2021年7—9月經(jīng)過此區(qū)域的臺風(fēng)[圖4(a)，臺風(fēng)位置為每日14時所在位置]，并將此區(qū)域細(xì)分為1°×1°的網(wǎng)格。先計算每個網(wǎng)格臺風(fēng)經(jīng)過的總數(shù)，再統(tǒng)計每個網(wǎng)格里有臺風(fēng)經(jīng)過時平潭Tmax≥33℃的臺風(fēng)總數(shù)，兩者比值高值區(qū)即為焚風(fēng)效應(yīng)引起平潭高溫、臺風(fēng)出現(xiàn)位置的集中區(qū)域[圖4(b)]。由圖4(b)可知，當(dāng)在(26°N～29°N，123°E～126°E)矩形區(qū)域呈西南—東北走向的對角線附近時，此區(qū)域偏離浙閩沿海3～4個經(jīng)度，引起平潭Tmax≥33℃的臺風(fēng)出現(xiàn)頻率較高，在40%～70%之間[圖4(b)紅色矩形框內(nèi)]。

(a)1961—2021年7—9月經(jīng)過(25°N～32°N，120°E～128°E)區(qū)域(紅色矩形框)的臺風(fēng)位置分布(14時臺風(fēng)位置)(紅點為平潭所在位置)

(b)(25°N～32°N，120°E～128°E)區(qū)域每1°×1°網(wǎng)格中有臺風(fēng)經(jīng)過且平潭Tmax≥33℃的臺風(fēng)總數(shù)(分子)、在經(jīng)過此網(wǎng)格的臺風(fēng)總數(shù)(分母)中出現(xiàn)的頻率(P)分布(紅點為平潭所在位置，紅色矩形框范圍為26°N～29°N，123°E～126°E，紅色字體表示P≥40%)圖4

3 結(jié)論與討論

①平潭近60年僅出現(xiàn)7d日最高氣溫超過35℃的高溫日，其中有6d是由位于其東北方向的臺風(fēng)所引起的焚風(fēng)效應(yīng)導(dǎo)致。當(dāng)臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)發(fā)生時，平潭上游區(qū)域從南平到福州一帶500hPa和850hPa均為較一致的偏西北氣流，副熱帶高壓減弱東退至日本以東的西北太平洋洋面上，且高溫日當(dāng)天平潭相對濕度異常小、空氣干熱。

②當(dāng)在(26°N～29°N，123°E～126°E)這一矩形區(qū)域呈西南—東北走向的對角線附近、偏離浙閩沿海3～4個經(jīng)度時，引起平潭出現(xiàn)焚風(fēng)效應(yīng)且日最高氣溫超過33℃的臺風(fēng)出現(xiàn)頻率較高，在40%～70%之間。這一結(jié)論在7—9月有臺風(fēng)影響時，可為預(yù)報員判斷平潭是否出現(xiàn)臺風(fēng)焚風(fēng)效應(yīng)及日最高氣溫的預(yù)報提供指示意義。

本研究仍發(fā)現(xiàn)了一些值得探討的問題，一是位于同一區(qū)域的臺風(fēng)，有些會引起焚風(fēng)效應(yīng)，有些不會，是否與臺風(fēng)云團(tuán)的大小有關(guān)；二是出現(xiàn)焚風(fēng)效應(yīng)日最高氣溫的偏高程度是否和臺風(fēng)位置有關(guān)，這些問題有待后續(xù)深入研究。