2016年四川省持续性高温天气时空变化特征及其成因

仕仁睿,齐冬梅,陈 丹,任 倩

（中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072）

引言

高温不仅给自然环境和生态系统带来不可逆转的冲击，对国民经济、人类生存活动和健康均构成严重威胁[1-2]。过去几十年全球发生高温的陆地面积增加了很多倍[3]，已逐渐成为造成人员伤亡和经济损失最多的区域性气象灾害之一[4-5]。因此，分析高温天气过程的特征及其形成机制，对于提高高温预测预警水平和防灾减灾能力具有十分重要的意义。

多项研究[6-9]表明，大气环流异常是区域性气温异常最直接的影响因素。由于地理位置、地形等因素的差异，不同地区高温天气过程的变化特征和成因也不尽相同。我国中东部地区夏季高温除了与西太平洋副热带高压（以下简称副高）的位置及强度变化有关[10-12]，也受东亚副热带西风急流（以下简称西风急流）异常和南亚高压的影响[13-14]。比如，2003年夏季副高的持续偏强和西伸导致我国江南地区出现大范围异常高温天气[15]，南亚高压的持续、稳定控制和东扩也有重要作用[16]。而在我国西南地区，副高偏西偏北且持续稳定地控制川渝上空，大陆高压中心位置偏东偏北，是四川、重庆等地大范围极端高温天气产生的主要原因[17-19]。

四川盆地是我国夏季高温频发区域之一[20]，20世纪90年代以来，四川强高温过程和高温日数显著增加[21]。但相比于我国东部发达地区，四川复杂地形为研究区域性高温天气过程变化带来挑战，当前对其形成机制的认识还不够全面。

2016年8月中下旬，四川省出现大范围、持续性高温天气，多站点日最高气温连续突破历史极值，高温持续时间之长也是历史罕见，严重影响到人民工作生活、水电资源供需、工农业生产等各个方面，入选“2016年四川十大天气气候事件”。本文针对2016年8月四川省持续性高温天气过程的时空变化特征及其持续期间大尺度环流的异常演变特征进行诊断分析，以期更好地认识四川夏季高温特征，为其研判和预测提供科学依据。

1 资料和方法

选用1968～2016年8月四川地区134个地面气象观测站的逐日最高气温资料，以及欧洲中心1981～2016年7月12日～9月17日ERA-Interim再分析资料（空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为6h），要素包括：位势高度场、风场、水平气压场和比湿。

文中将日最高气温达到或超过35℃定义为一个高温日，并采用1981～2010年作为气候态时段，分析环流异常特征。

整层水汽输送通量的计算公式为：

其中纬向、经向水汽输送通量分别为：

式中：g为重力加速度，q为比湿，Ps为地面气压，Pt取300hPa，u、v分别为纬向、经向风速分量。

2 2016年8月四川省异常高温概况

针对35℃、38℃和40℃三个日最高气温临界值，图1给出了2016年8月四川省区域平均最高气温及高温站点数的逐日变化。高温天气主要出现在8月11～26日，平均最高气温均超过31.6℃，连续多日出现极端高温天气，其中8月21日达到峰值（35.3℃）。在此期间，全省区域平均最高气温达34.0℃，较气候平均态偏高6.0℃，为1968年以来的最大值。此外，出现高温天气的站点数在此期间呈单峰分布，日最高气温达到或超过35℃的站点数为96个（8月21日），约占71.6%；日最高气温达到或超过38℃的站点为44个（8月25日），约占32.8%；17个站点日最高气温超过40℃（8月24日），约占12.7%。根据统计结果，2016年8月四川异常高温呈现出范围广、强度大的特征。

研究表明，东北酸菜中的乳酸菌多为植物乳杆菌[8]（Lb.plantarum）。本文以东北酸菜腌制液为乳酸菌来源，通过初步的分离筛选得到45株乳酸菌，并对这些乳酸菌进行了耐受性试验，共得到19株耐受性强的菌株，然后对这19株菌进行模拟苹乳发酵实验，最后确定1株菌具有商业化的潜力。

图1 2016年8月四川省区域平均最高气温（等值线，单位：℃）和高温站点数（柱状，单位：站）日变化特征

图2a是2016年8月11～26日四川省平均最高气温及其距平的空间分布。如图所示，高温天气主要出现在盆地、攀西地区和川西高原中部，其中盆东北、盆中、盆南、盆西南局部和川西高原中部地区的平均最高气温超过36℃。全省41站平均最高气温位列本站历史同期第一位，主要集中于川西高原、攀西地区和成都地区。就气温距平而言，全省均呈现一致的正距平，即四川各地平均最高气温均较气候平均态明显偏高，普遍偏高3℃以上。其中，盆东北南部、盆西北南部、盆地中部、盆西南西部、攀西地区北部、川西高原大部偏高达6℃以上，尤为突出的是川西高原西部和北部局部地区，偏高7℃以上，金川、马尔康站为高温期间四川省范围内气温异常最显著的2个站点（偏高9℃以上）。

图2 四川省2016年8月11～26日平均最高气温及其距平（a）和极端最高气温（b）的空间分布（填色区域表示距平值，单位：℃）

如图2b所示，极端最高气温的空间分布与平均最高气温表现一致，气温高值区主要集中于盆地和川西高原中部地区，高温持续期间，103°E以东地区极端最高气温普遍达35℃以上，盆东北南部、盆中和盆南西部极端最高气温超过40℃。其中，温江、邛崃、龙泉驿、双流、新津、都江堰、金川、荣县、开江、资阳、青神、眉山站均突破历史极端最高气温记录。极端最高气温的极大值分别出现在达县（8月19日）和渠县（8月25日），均为41.5℃。

2016年8月11～26日四川省高温日数的空间分布（图3）显示，四川省东部的盆地区域高温天气频发，103°E以东地区高温日数超过6d，盆东北、盆中、盆南、盆西南东部高温日数达12d以上。全省有84站高温日数在10d及以上，开江高温日数为全省最多（16d），金川、长宁、宣汉、富川、盐亭高温日数达15d；持续高温日数达到或超过10d的站点有60个，主要集中于盆东北、盆中及盆南地区。全省平均高温日数（8d）和持续高温日数（6.5d）均为历史同期最大值，多站点持续高温日数突破历史极大值。

图3 2016年8月11～26日四川省高温日数空间分布（单位：d）

3 环流异常分析

持续性高温天气过程往往是异常环流形势长期维持和持续发展的结果，本节主要围绕大尺度环流特征展开分析，包括对流层高层南亚高压和西风急流、中层副高和中高纬环流、低层流场以及整层水汽输送。

3.1 500hPa高度场特征

作为东亚夏季风的主要成员，夏季副高的位置和强度变化对四川高温天气影响显著[19, 22]。图4a是2016年8月11～26日平均的500hPa位势高度场。如图所示，就中高纬而言，乌拉尔山高压脊偏强，西西伯利亚至巴尔喀什湖一带有一浅槽，东亚地区以平直的纬向环流为主，不利于北方冷空气南下活动；副高断裂成两部分，东段位于西北太平洋上空，高压中心强度达5940gpm，西段强烈西伸上高原，稳定控制我国长江-黄河流域，并在华中地区形成孤立闭合的大陆高压单体（5900gpm）；与气候平均态相比，副高位置明显偏北、强度异常偏强。500hPa高度距平场（图4b）上，中西伯利亚和蒙古高原地区表现为正异常，位势高度整体偏高，表明冷空气活动次数偏少、位置偏北；同时，副高持续西伸，致使西伸脊阻挡冷空气扩展南下到达我国南方地区，导致四川上空冷空气长期不足，有利于高温的发展和维持；乌拉尔山、长江-黄河流域、西北太平洋上空均为显著的正距平中心，四川处于正距平中心附近，存在0～50gpm正距平，表明此期间四川处于副高控制之下，盛行异常下沉气流。下沉增温和晴空辐射增温共同作用，促使气温迅速升高，正是2016年8月四川地区出现大范围、持续性高温天气的直接原因。

图4 2016年8月11～26日平均的500hPa位势高度（a）及其距平（b）的空间分布（单位：gpm，蓝色虚线为气候平均5880gpm特征线，阴影由浅到深分别表示通过0.05、0.01水平的显著性检验）

从2016年7月12日～9月17日500hPa高度场沿97°～109°E平均的时间-纬度剖面（图5a）看出，副高南北的阶段性摆动强烈。副高自8月初开始控制35°N以北地区，直至8月中下旬，持续加强且稳定维持在20°～40°N附近，中心强度达5920gpm（8月24日），与四川高温天气过程有较好的对应。随后，副高减弱南移，高温天气结束。对应地，沿27.5°～37.5°N平均的时间-经度剖面（图5b）显示，8月副高有4次东西变化过程，其西伸脊点位置均越过110°E。其中，8月中下旬西伸最为明显，延展至90°E以西地区，中心强度进一步加强，表明此期间副高强盛而稳定，四川受副高稳定控制，出现持续性高温天气。8月末副高减弱并移出四川上空，对四川的影响就此结束。

图5 2016年500hPa高度场沿97°～109°E平均的时间-纬度剖面（a）和沿27.5°～37.5°N平均的时间-经度剖面（b）（单位：gpm，红色虚线表示8月11日，黄色虚线表示8月26日）

3.2 100hPa南亚高压特征

图6 2016年8月11～26日平均的100hPa位势高度（a）及其距平（b）的空间分布（单位：gpm，蓝色虚线为气候平均16800gpm特征线，阴影由浅到深分别表示通过0.05、0.01水平的显著性检验）

3.3 200hPa西风急流和700hPa流场特征

夏季西风急流的位置与冷空气的活动位置关系密切[25]。由高温持续期间200hPa西风急流分布（图7）可以看出：急流轴呈东西平直走向；经向上，急流中心（风速超过30m/s）稳定维持在45°N附近，较气候平均态略偏北，致使冷空气活动次数偏少且偏弱，不易扩展南下；纬向上，气候平均态急流中心主要位于70°～105°E以及62°E以西区域范围，而2016年高温持续期间，急流中心显著东伸，扩展至130°E附近高空，四川被急流中心南部的暖平流所控制，有利于高温天气的维持。700hPa风场距平（图7）显示，蒙古地区有一异常反气旋式环流，而我国东南沿海为一异常气旋式环流，四川处于两种异常气流的共同控制下，受异常偏北风影响，到达四川的暖湿气流较气候平均态偏弱。可见，冷暖空气不易在四川地区交绥，不利于降水的发生。

图7 2016年8月11～26日平均的200hPa西风急流（填色）和700hPa风场距平（矢量）空间分布（单位：m/s，蓝色虚线为同期气候平均态西风急流，打点区域表示通过0.05水平的显著性检验）

3.4 水汽输送特征

高温天气的维持往往与长期水汽输送异常联系密切。图8是2016年8月11～26日整层积分水汽通量距平及其散度距平分布，有少量来自西太平洋和南海地区的水汽随东南气流向四川输送，但四川上空由南向北的水汽输送整体偏弱，为水汽通量散度的正距平区，水汽异常辐散，难以形成降水，致使高温天气迅速发展。结合整层水汽输送通量的逐日演变（图9）可以看到，8月来自于西太平洋和南海地区的偏南风水汽输送向北扩展的强度减弱，强水汽输送主要集中在25°N以南地区，同时27.5°～37.5°N纬度带上偏南风水汽向西的扩展也在减弱，大量水汽只能到达105°E以东地区，四川上空水汽输送条件差，不利于降水的发生，使得高温天气得以维持。

图8 2016年8月11～26日平均的整层积分水汽通量距平（矢量，单位：kg·m-1·s-1）及其散度距平（填色，单位：10-5kg·m-2·s-1）

图9 2016年整层水汽输送通量沿97°～109°E平均的时间-纬度剖面（a）和沿27.5°～37.5°N平均的时间-经度剖面（b）（单位：kg·m-1·s-1，红色虚线表示8月11日，黄色虚线表示8月26日）

4 结论和讨论

本文利用四川省134个气象站逐日最高气温资料和ERA-interim再分析资料，对2016年8月四川持续性高温天气过程的时空变化及其环流异常特征进行了诊断分析，主要结论如下：

（1）2016年8月11～26日，四川省平均最高气温达34.0℃，较气候平均态偏高6.0℃，为1968年以来最高气温，高温站点占比71.6%，平均高温日数（8d）和持续高温日数（6.5d）均突破历史极值，增温异常突出。

（2）高温持续期间，副高断裂并西伸形成孤立的大陆高压单体，强度偏强、位置异常偏北，稳定控制四川地区，其西进、东退时间节点与区域气温的阶段性变化相对应。同时，南亚高压持续加强并向东扩张，进一步促使副高西伸北抬。副高与南亚高压的位置配置，致使四川长期处于异常反气旋控制之下，盛行下沉气流，对流活动受到抑制，是诱发此次持续性高温的直接原因。

（3）高温持续期间，东亚东部地区以纬向环流为主，位势高度场整体偏高，高层西风急流位置偏北，呈东西平直分布，致使极区冷空气活动偏北且偏弱。同时，对流层低层异常辐散，水汽输送偏弱，难以形成降水，使得高温天气得以发展和维持。

本文主要分析了2016年8月四川省持续性高温天气过程的时空变化规律及其持续期间大尺度环流的异常演变特征，研究结果只是初步的，对于四川省持续性高温天气过程的气候学特征及其动力学影响机制等问题，有待在下一步工作中结合数值模拟进行深入探讨。