2015年4月初浙江省一次高温天气过程分析

2017-10-11吕健

浙江气象 2017年3期

关键词：平流温度场气流

吕健

(永康市气象局,浙江永康 321300)

2015年4月初浙江省一次高温天气过程分析

吕健

(永康市气象局,浙江永康 321300)

2015年3月31日—4月2日浙江省出现了3 d全省性的高温天气,在3—5日浙北高温消退，浙南高温天气持续。利用NCEP/NCAR2.5°×2.5°逐6 h再分析资料,首先分析大尺度环流形势,得到这次高温过程的天气背景；其次分析大气热力学能量方程的各项物理量,包括平流项、垂直运动项、变压和气压平流项及非绝热因子项,得到各自对气温变化的影响。结果表明：1)这次高温天气是在副热带高压较常年平均偏强的背景下形成；2)31日与1日是典型的西风带高压脊控制型的春季高温天气,2日是典型的西南气流控制下的暖区晴好天气；3)形成这次高温天气的影响系统包括500 hPa沿海高压脊、850 hPa暖脊、西南气流和地面倒槽等；4)暖平流项是这次高温天气形成的主要因素,垂直运动项对本次过程的影响较小,非绝热因子项是区别于3—5日浙北高温消退、浙南高温持续的决定性因素。

春季高温；高压脊；地面倒槽；大气热力学能量方程

0 引言

2015年4月初(3月31日至4月5日)浙江省发生了一次高温天气过程。这次过程中,浙江各地区日最高气温达到30 ℃及以上的,丽水累计6 d、温州5 d、金华5 d、其他地区3 d,其中丽水地区有3 d出现了35 ℃以上的高温天气。在该时段内,全省有72.2%的站点突破历史同期的日最高温度记录。

31—2日除了沿海及浙北外,几乎全省所有站点最高气温都达到30 ℃以上,3 d内最高气温达到35.7 ℃(余姚站),全省最高日平均气温31.0 ℃；3日起30 ℃线开始退出浙北,但是浙江省西南地区继续维持30 ℃以上的天气,其中丽水地区的最高气温连续两天维持35 ℃以上,3 d内的最高气温35.7 ℃(丽水站)；5日夜里起受强冷空气影响,全省气温大幅下降,回到正常状况。

春季气温偏高对作物影响较大[1-2],一方面有利于植物进行光合作用,不论蔬菜、瓜果、还是茶叶生长期都会缩短；另外一方面,如果气温偏高很多且持续数天,则植物开始迅速生长,在气温恢复到原来正常状态时会对刚抽芽的植物有害。以茶叶为例,4月初是浙江春茶萌芽及采摘的关键时期,气温的高低与采摘的及时性都会影响春茶的品质。虽然茶叶在高温的帮助下迅速抽芽,成片的茶叶同时满足采摘标准,但是茶农往往在没有准备的情况下不能配备足够的人力物力顺利完成采摘,导致不能来得及采摘到品质最好的茶叶。因此,本文对这次个例的分析对今后的预报与服务有一定的帮助。

1 资料

本文用到两类资料,浙江省71个国家站的站点资料以及NCEP/NCAR再分析资料。

站点资料包括3月30日至4月7日的日降水资料、日最高气温资料以及日平均气温资料。NCEP/NCAR再分析资料包括3月30日至4月7日的高度场、温度场、相对湿度场、风场以及海平面气压场资料,资料的精度为2.5°×2.5°逐6 h再分析资料。

2 高温的定义

中央气象台业务规定：单站日最高气温≥35 ℃为高温天气；高温天气连续3d以上≥35 ℃为持续性高温天气；高温天气起始日至高温天气结束日前一天为一个高温天气过程。当某区域内某日有2成以上的站点出现高温天气,并且是成片出现,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[3]。

本次过程没有完全符合以上这项规定,即严格意义上说不能视为一次“高温天气过程”。但是考虑到本次过程发生在春季初,给人们带来的体感温度很高以及有72.2%的站点突破同期历史极值,所以本文不再沿用这项规定,而是将大于30 ℃作为本文研究的标准,仍将这次过程视为高温天气过程。

3 天气形势分析

3.1 副热带高压异常特征

图1是4月初前后588 dagpm演变图。由图可知,高温日前期30日副高脊线位于10°N附近,副高北边界在23°N；高温日31日、1日副高明显西伸北抬,西伸脊点达到110°E以西,副高北边界仅向北移动了仅一个纬度左右,但副高脊线已北抬到15°N；2日随着上游槽移过来,副高明显东退,副高脊点退到132°E,但是副高没有南压；3日起副高开始西伸北抬,北边界达到27°N、副高脊线20°N左右,并且在我国东部沿海出现高值中心。

图1 30—5日588 dagpm演变图

图2是高温过程6 d的平均588 dagpm与常年平均(1971—2015年近25 a平均)的588 dagpm分布图。由图可知,高温过程平均副高588 dagpm北边缘在24°N,比常年平均的18°N偏北6°；副高脊线偏北3°左右；副高面积比常年偏大。

图2 31—5日平均588 dagpm与常年平均对比

3.2 西风带高压脊控制型的春季高温

3月31日08时到4月3日08时,新疆西北部高空500 hPa有一个低压强度稳定维持在536 hPa左右,3d仅移动了约10个经度。这个低压伸展出来一个槽,槽的南部移动较快,在31日20时可以清楚地看到槽的南部已经和低压断开(图3a)。断开的南支槽下坡作用利于自身发展,槽前温度脊向河套地区输送暖平流。根据大气环流的长波调整理论[4],如果某一地区出现强暖平流或上游有槽强烈发展,则该地区将有脊发展起来,在20时的500 hPa上可以看到沿海地区形成了一个脊。

31日与1日属于500 hPa西风带高压脊控制型的春季高温天气。浙江地区受脊前西北气流控制。西太平洋副热带高压偏强,588 dagpm西伸到110°E,整个浙江地区处于580 dagpm与584 dagpm线之间。低层850 hPa有较强的暖平流,可以看到一个16 ℃暖脊(图3b)。在地面图(图3d)上,浙江省位于入海高压后部的低压倒槽内,气压梯度大,西南气流强。暖切位置在江苏北部,850 hPa相对湿度低于80%(图3c)。天气系统稳定,两天都是晴朗少云天气。

图3 a：31日20时500 hPa高度场与温度场,b：850 hPa流场与温度场,c：850 hPa相对湿度场,d：地面图(单位：高度场dagpm,温度场 ℃,湿度%,海平面气压 hPa)

3.3 西南气流控制下的暖区晴好天气

4月1日20时南支槽发展东移(图4a),588 dagpm线受其影响东退,强度较常年仍偏强。槽前西南气流和副热带高压西北侧的西南气流在长江中下游地区汇合,形成一支强劲的西南风,浙江省处于西南气流中。低空850 hPa持续输送着强盛的暖湿气流(图4b),温度脊加强到20 ℃以上。地面处于入海高压后部的低压倒槽内。2日全省转为典型的西南气流控制下的暖区晴好天气。

图4 a：1日20时500 hPa高度场与温度场,b：850 hPa流场与温度场(单位：高度场dagpm,温度场 ℃)

3.4 850 hPa暖脊控制浙南地区

4月2日20时,500 hPa南支槽快速东移北抬(图5a),到3日08时槽已经移动约10个经距。850 hPa上有一个低涡与高空槽对应(图5b),低涡底后部的西北干冷空气南下与强盛的西南暖湿气流交汇,在浙北地区形成一个切变线,地面受低压控制,动力条件及水汽条件均较好。从中尺度条件上看,由于这次过程的中层有轻薄的冷空气侵入,形成了上干冷下暖湿的层结结构,具有较高的不稳定能量,在大尺度槽前上升气流的强迫抬升作用下,激发对流并释放不稳定能量,多个站点出现雷雨天气。

图5 a：2日20时500 hPa高度场与温度场,b：850 hPa流场与温度场(单位：高度场dagpm,温度场 ℃)

4日起,低层850 hPa切变线活动频繁,由于切变线位置偏北,850 hPa暖脊一直控制浙南地区(图略)。切变线缓慢南压过程中,其北部的冷空气逐渐渗透,6日起到达浙南,暖脊移出、高温消退。

4 物理量分析

根据大气热力学能量方程,气温的局地变化由温度平流项、垂直运动项、非绝热作用项以及变压和气压平流项引起[5]。如公式1所示：

(1)

4.1 温度平流项对气温的影响

在31日到2日期间，850 hPa温度场16 ℃暖脊在31日开始北顶到浙江省,暖平流较强；在2日暖平流达到最强,几乎是一个南风控制下,整个浙江省处于20 ℃温度脊内。对应这3 d,全省都是高温天气。3日凌晨冷舌位于116°E附近,冷舌前的偏北气流使浙北地区有弱的冷平流输入,因此20 ℃线开始南退,浙北地区开始降温。3日白天起,浙南强暖平流又开始发展起来,浙南又被20 ℃线控制；但是由于浙北地区以偏西气流控制为主,西南暖平流较前3 d有所减弱,甚至偶尔有偏北的冷平流侵入,使得20 ℃线无法延伸到浙北地区,基本维持在16～20 ℃。5日夜里起,强冷平流往浙江省输送。5日20时到6日20时,浙北的16 ℃线被4 ℃线代替,对应全省降温剧烈。

可以看出,暖平流强的时段对应气温高的时段、暖平流强的区域对应气温高的区域,暖平流的强弱和气温的高低的相关性很强,而且850 hPa的20 ℃线可以作为地面高温天气是否出现的判断依据。这次高温异常过程850 hPa西南气流控制地区水平温度梯度和风都很大, 因而暖平流值很大。选取4月1日为例,作850 hPa温度平流分布图。如图6a所示,浙江全省范围内的暖平流为(0～6)×10-4℃/s,且由南向北递增。

4.2 垂直运动项-ω(γd-γ)对气温的影响

分析本次过程中各个时次的垂直速度剖面图(图略)与气温变化可以发现：1)无论是上升还是下沉运动,这次高温过程中的垂直速度普遍比较小；2)全省范围内从3月31日到4月1日的下沉气流转为2日的上升气流之后,气温并没有降低反而略微增加。理论上整层持续的下沉气流有利于绝热增温[6],也就是说2日的气温应该低于前两天,但为什么会出现上述的情况呢？其实这并不违背下沉气流利于增温的理论,其原因在于下沉绝热增温由于下沉速度较小,其对这次高温天气形成的贡献远小于暖平流的贡献。

图6b给出了4月1日850 hPa垂直运动项分布图,浙北为(-2～0)×10-5℃/s,浙中南为(0～3)×10-5℃/s。从量级上看,垂直运动项比温度平流项小一个量级,所以垂直运动项对这次高温过程的影响比较小。这也是为什么2日转为上升气流之后,气温并没有降低反而略微上升的原因。

图6 4月1日850 hPa温度平流分布图(a,单位：10-4 ℃/s)和垂直运动项分布图(b,单位：10-5 ℃/s)

变压和气压平流项是因为气压的局地变化和气压平流引起的温度局地变化,这项的量级为10-6,由于这项和其他几项相比很小并且计算复杂,所以本文不再展开分析。

气温的非绝热变化是描述空气与外界热量交换的结果,在大气的低层影响最明显,对气温影响包括太阳短波辐射、地表长波辐射、水汽相变及乱流。云量、相对湿度、风速等基本气象要素都能影响这一项的大小。

前面已经详细分析了这次高温过程的天气背景：1)3月31日至4月2日期间,除了2日午后浙北有一点零星小雨,其他地区任何时候都是晴好天气。在这种环境场下,低层相对湿度较小,空气干燥,云系很少。太阳辐射在大气中的削弱较少,有更多的太阳辐射到达地面使地面热量上升剧烈。近地面层的大气接收到来自地表的长波辐射,使气温上升明显；2)3日起,浙北地区受多种不同的天气系统影响,导致几乎一直处于阴雨天气中,太阳直接辐射不能到达浙北地区,辐射增温项显著减小；3)浙南地区虽然在3日起也有降水,但降水有的是午后的雷雨、有的是降水云团在午后才移到浙南一带、还有的是夜间降水,其他时间都保持着晴朗少云天气,不影响辐射增温这一项。

综上所述,3日起非绝热因子对浙北的贡献远小于对浙南的贡献,对应3日是浙北高温过程结束的“分水岭”。从大气热力学能量方程的4个因子上定量分析,变压和气压平流项量级太小不考虑,而垂直运动项比温度平流项小一个量级,所以这里只比较温度平流项和非绝热作用项。对比图6a与图7a,即1日与3日的850 hPa温度平流分布图,浙北地区温度平流都是6×10-4℃/s左右,但是浙北地区1日最高温度平均值比3日高4 ℃,可见非绝热因子是这两天温度不同的决定性因素；并且4日温度平流(图7b)变为(-4～0)×10-4℃/s的冷平流时浙南地区仍然为高温,也证明非绝热因子是区别于3—5日浙北高温消退、浙南高温持续的决定性因素。