西安东部夜间异常增温原因及其数值模式预报订正

刘嘉慧敏 薛春芳 王建鹏 潘留杰 张煦庭 郑然黄少妮 梁绵

(1 陕西省气象台，西安 710014； 2 秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016；3 陕西省气象局，西安 710014； 4 陕西省气象科学研究院，西安 710016； 5 四川省气候中心，成都 610072)

引言

气温是表征天气气候变化的重要指标，其异常变化会直接影响人们的日常生活和生态环境。在全球变暖的背景下，气温的异常变化呈现出明显的极端性和区域性，加之人类城市进程加快，城市热岛效应在不断加强，这些变化给人类健康安全和农业生产带来了巨大影响[1]。因此准确深入地摸清气温的变化规律对做好城市气象精细化预报、环境污染研究及服务有重要意义。

近年来，日最高、最低气温以及气温的日变化特征受到众多气象学者广泛的关注和重视[2-4]。研究表明，气温日变化速度的快慢对于进一步认识日变化与天气变化的关系、提高气温逐时预报的准确性、将有很大的帮助，该方向的研究对准确认识气温的极值特征有着重要作用[5-6]。大城市温度的日变化异常主要由特定的大气环流形势和城市本身所具有的采暖、污染和特殊下垫面(水泥、沥青地面)影响所致[7-10]。对于我国北方地区而言，受太阳辐射日变化的影响，近地面最高气温一般出现在14:00—15:00(北京时)，日出前后出现最低值，气温在日出时升温较快，夜间温度变化较缓[6]。尽管受天气系统、地表状况的差异影响，最高、最低气温出现的时间各地有所差异，但总体表现为最高气温出现在白天、最低气温出现在夜间[11-13]。2019年12月10日凌晨，秦岭北麓关中平原西安东部地区气温出现了异常变化，该地区气象监测站记录显示在10日00:00—04:00气温出现明显跃增的现象，增温幅度在4 ℃以上，其中1 h增温幅度在3 ℃以上。这种夜间气温不降反增的现象较为罕见，预报难度非常大。

目前，对于这种夜间异常增温的机理研究，大多是从城市热岛效应和焚风效应的角度出发进行深入探讨[14-16]。研究表明，城市化加速发展导致城市下垫面的改变及城市热岛环流的形成，这对城市气温、风等气象要素都会产生显著影响[17-19]，表现为显著的“热岛”、“干岛”等效应，进而影响净辐射通量、感热通量和潜热通量等辐射量的异常变化[20]，同时也会对日最高、最低气温的强度及出现时间、气温的日变化速率造成影响[14]。焚风效应是造成气温异常升高的另一重要原因。由于特殊的地形作用，气流过山时大部分水分在山前降落，气流过山顶后，空气沿坡下降，基本上按干绝热递减率增温，这样过山后的空气温度比山前同高度的温度高很多，湿度也小得多[21]，会造成局地气温的快速变化[22]。在我国的天山南北、太行山下、大小兴安岭和皖南山区易产生焚风[16]。位于太行山东麓的河北中南部地区, 一年四季均会出现焚风, 尤以冬季发生的频率最高[23]，经常造成沿山地区气温预报较大的偏差[24]。此外，暖锋过境、风速增大导致的湍流混合作用、天空从晴朗转为多云造成的辐射平衡变化、雾或露水形成过程的潜热释放等也可导致夜间增温事件的发生[25]，这些增温机制易被理解或已有大量研究。但近年来，有不少学者发现冷锋过境时也会造成部分地区先发生突发性升温，然后再降温[26-27]。甘茹蕙等[28]统计发现我国兰州冷锋过境时夜间最大增温幅度在3 ℃·h-1左右，这种现象在我国河北地区也会发生，经统计夜间最大增温幅度在2～3 ℃·h-1。冷锋过境造成的增温事件均发生在地形较为平坦地区，其形成机理是冷锋过境时风速加大从而使得湍流混合作用增强所致[29]。就此次西安东部增温过程而言，由于增温发生时并没有明显的气流过山，并且增温最显著的地区在城郊，城市热岛效应相较不强。同时，以往研究的增温事件发生范围较广，而对本文这种局地突发的增温过程研究较少，那么这种局地性较强的突发性夜间异常增温机理与以往较大范围增温过程有何不同？另外，与冷锋过境增温事件不同的是，此次西安东部局地增温发生前上空长时间受暖气团控制，这对于该次增温的产生又有何作用？针对以上问题，本文将进行深入分析。

1 数据资料

本文使用的资料：①地面、高空气象要素常规观测资料和加密观测资料；②NCEP/NCAR全球再分析资料，时间分辨率为逐6 h，空间分辨率为1°×1°；ERA5全球再分析资料，时间分辨率为逐1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°；③欧洲中心细网格模式资料(EC-thin)、陕西省智能网格团队自主研发的动态交叉取优产品(DCOEF)。其中，EC-thin产品更新频次为一天2次，时间分辨率为逐3 h，空间分辨率为0.125°×0.125°。DCOEF产品更新频次为一天4次，时间分辨率为逐1 h(0～48 h)，逐3 h(48～240 h)，空间分辨率为0.025°×0.025°。

2 西安东部局地增温特征

2019年12月10日00:00—04:00陕西西安东部地区气温出现了异常变化，多个气象监测站气温记录显示在该时段均出现了不同程度的夜间异常增温现象，增温主要分布在西安东部，该时段气象站增温幅度均达5 ℃以上，最大增温幅度可达8 ℃(图1a)。其中，临潼站夜间增温幅度最大，01:00—04:00升温达8.1 ℃，1 h增温幅度最大达6.2 ℃，03:00气温升至最大，为13.4 ℃，相较临潼站10年平均夜间逐小时气温演变来看，此次升温幅度达近10年之最，实属罕见(图1b)。进一步，从临潼站气象要素演变特征发现(图2)，在气温骤然增高的同时，伴随着地面风速显著增大，相对湿度和地面气压缓慢减小，即地面风速与其呈同位相变化，相对湿度和地面气压与其呈反位相变化，这与下沉绝热增温引起的气象要素变化特征较为一致。

图1 2019年12月10日00:00—04:00增温幅度地理分布(a,红色数字代表站点增温幅度，单位：℃)、2019年12月9日20:00至12月10日08:00西安东北部气象监测站气温变化(b)

图2 2019年12月9日20:00至12月10日08:00临潼站气温、相对湿度、气压、风速变化

3 天气背景

3.1 大尺度环流

2019年12月9日20:00，500 hPa陕西关中地区处于内蒙东部冷槽底后部西北气流控制中(图3a)，槽后脊前有负相对涡度平流产生，易造成补偿性下沉运动。关中地区上空大气相对湿度均在30%以下，西安站上空温度露点差达19 ℃，表明大气非常干燥，这有利于下沉绝热增温的产生。850 hPa关中东部气温相较周边地区明显偏高，处于6 ℃暖气团控制内(图3b)，西安东部气温高达8 ℃(图略)。注意到关中地区低层相对湿度也在30%以下，西安站温度露点差达24 ℃，低层大气湿度条件差，非常干燥。综上分析表明关中东部地区在夜间异常增温之前，其上空大气相较周边地区显著偏暖偏干。此外，从9日20:00泾河站探空图可见(图3c)，近地层大气呈明显逆温，低层大气层结稳定，进一步阻碍空气的垂直运动，不利于低层大气动量、热量和上层大气进行交换，有利于近地面增温的稳定维持。

图3 12月9日20:00 500 hPa形势场(a,等值线为位势高度，单位：dagpm；阴影区为相对湿度，实心圆为增温区)、850 hPa温度场及风场(b，等值线为温度，单位：℃；阴影区为相对湿度)、泾河站探空图(c)

3.2 局地特征

与高空形势相对应的地面图上，9日20:00我国河套以西大部地区被青海南部冷高压所控制，陕西处于该冷高压前缘(图4a)。该冷高压移速缓慢，9日夜间，在其前缘不断有弱冷空气扩散向东侵入。10日02:00，弱冷空气自关中西部已抵达关中中部地区，该股弱冷空气对临潼地区增温有着至关重要的作用，这将在下节作详细讨论。

由地面气温分布可见(图4b,c,d)，在升温之前，9日20:00关中南部大部气温均在4 ℃以上。随着弱冷空气的侵入和夜间晴空辐射的增强，到了9日22:00，关中地区气温普遍下降2～4 ℃，大部分地方低温均在4 ℃以下，但在西安东部气温仍维持在4 ℃以上，最高可达10 ℃，较周边地区气温显著偏暖。10日00:00，这种偏暖分布型更加明显，除西安东部，关中南部气温均降至2 ℃以下，西安东部气温仍维持在4 ℃以上。综上分析表明，在升温之前，西安东部地面长时间受暖气团所控制，地面气温较周边显著偏暖，这为该地区夜间增温的发生发展提供了有利的背景条件，也是该次异常增温过程为何没有在关中地区大范围发生的重要原因之一。

图4 2019年12月9日20:00地面气压(a，单位：hPa)、陕西省气象监测站20:00(b)、22:00(c)、10日00:00(d)温度分布(黑色方框为增温区)

4 成因分析

4.1 下沉绝热增温效应和低层暖平流作用

由热力学能量方程的零级简化可知，大尺度天气系统中的局地温度变化是由温度平流、垂直运动和非绝热加热作用造成。气团上升冷却、下沉增温以及冷暖空气的水平运动会引起局地温度变化，这对局地气温的影响是不可忽视的。

从12月10日02:00过临潼站的纬向垂直剖面环流场来看(图5a)，在500 hPa上，临潼西部出现明显的下沉运动，并向东向低层传播，在临潼站上空下沉运动向近地面逐渐增大，最大达到2 Pa/s以上。进一步，从临潼站上空1000 hPa垂直速度演变特征可见(图5b)，由于9日白天关中地区上空处于弱天气系统强迫下，云量较少，天气晴好，受晴空辐射影响，临潼地区低层主要以上升运动为主。9日20:00，随着新疆地区高脊东移，高层脊前西北气流进一步向东发展，临潼近地面上空迅速转为下沉运动，并维持至次日08:00。中低层为一致的下沉运动，加之上空大气异常干燥，因而有利于产生下沉绝热增温，造成临潼地区夜间温度出现异常跃增。另外，从低层温度平流分布可见(图6)，在升温之前，相较周边地区，西安东部低层存在明显的暖平流，从9日20:00一直维持至10日00:00，暖平流中心强度可达12×10-5℃/s以上。因此，低层持续存在的暖平流也有利于临潼地区夜间升温的发生与维持。

图5 2019年12月10日02:00过临潼站纬向垂直剖面环流场(a，黑色实线为垂直速度，红色方框为增温区)和12月9日08:00至10日08:00 1000 hPa垂直速度(b)

图6 2019年12月9日20:00(a)、22:00(b)925 hPa温度平流分布(黑色方框为增温区)

4.2 空气压缩增温效应和地形阻挡作用

以往的研究表明，除了下沉绝热增温和低层持续存在的暖平流之外，由地形作用造成空气水平方向上的膨胀或被压缩等会引起局地温度的变化[13]。前文分析得知，夜间升温之前，临潼地区近地面受暖气团控制，气温相较周边地区明显偏暖，且持续时间长。特别地，临潼位于骊山北麓山脚下(图7a)，骊山海拔为1302 m，当冷高压前缘的弱冷空气自关中西北部向东侵入到达临潼上空时，受骊山的阻挡作用，临潼上空长时间维持的暖气团被急剧压缩，会加剧大气的升温，这一点在图7得以佐证。9日20:00之后，受弱冷空气和骊山阻挡作用，临潼近地面暖空气受到压缩，并随之出现下沉运动，此后下沉运动强度不断加强(图7b)。同时，由于暖空气被压缩，临潼站上空100 m大气气压增量转为正值，气压增大，引起气团内能变化，从而造成升温。另外，从临潼站低层水平散度演变也可以看出(图7c)，受骊山阻挡，随着临潼上空暖空气被急剧压缩，升温前至升温时(9日20:00至10日02:00)，临潼近地面大气出现明显辐合(图7c)，散度值最小为-1.2×10-5s-1，一直持续至10日08:00，大气流场转为辐散。由此可见，空气压缩增温效应和地形阻挡作用可能是造成此次临潼地区夜间增温局地性强的一个重要原因。

图7 西安地形分布(a，红色方框为增温区)、9日14:00至10日08:00临潼近地面(100 m)气压增量(b，实线)及925 hPa垂直速度(b,灰色直方图)、9日08:00至10日08:00临潼站925 hPa水平散度(c)随时间演变

5 夜间增温精细化预报订正方案

结合前文分析，此次西安地区东北部夜间温度异常跃增发生在有利的天气背景下，大气下沉绝热增温效应、低层持续存在的暖平流和空气压缩增温效应以及特殊的地形阻挡作用是造成该地区夜间增温的可能原因。那么，数值模式是否能够准确预报出此次夜间增温过程呢？

5.1 模式预报表现

本文以此次增温过程中增温幅度最显著的临潼站为例，对比分析了欧洲中心细网格产品(EC-thin)和陕西省智能网格团队自主研发的动态交叉取优产品(DCOEF)的预报结果。由图8可见，在升温前9日20:00—23:00，EC-thin和DCOEF预报2 m气温与实况气温相差均在2 ℃以内。而从9日23:00至次日02:00，临潼站气温骤增至11.5 ℃，EC-thin和DCOEF预报2 m气温分别为5.2 ℃、4.6 ℃，预报效果不理想，表明数值模式对这种局地气象要素的转折性变化预报能力较差，这给业务人员的精细化预报订正工作带来了巨大挑战。

图8 2019年12月9日20:00至10日08:00临潼站逐3 h实况气温、EC-thin预报值和DCOEF预报值

5.2 数值模式订正方案设计

5.2.1 临潼夜间增温过程个例统计分析

这种局地性突发性很强的夜间增温天气发生并非偶然，经统计发现在临潼地区近3年来共出现了18次夜间增温过程。本文对该18次增温过程发生时的500 hPa天气形势、低层配置及探空等进行深入分析。由表1可见，按照500 hPa天气形势特征分型，临潼夜间增温过程可分为西北气流型和短波槽型两类，西北气流型占主导。增温发生时，地面均有弱冷空气入侵，其路径多以西北路为主。当850 hPa 存在暖中心且近地层有逆温时，增温幅度最大，均在7 ℃以上。当850 hPa没有暖中心且近地层无逆温时，增温幅度最小，大多在3～7 ℃之间，表明低层暖中心和逆温对增温强度有显著影响。另外，短波槽型夜间增温幅度远小于西北气流型夜间增温幅度，前者均在5 ℃以下。进一步，对这18次增温过程发生前大气干湿分布、地面变压特征深入分析，以确定临潼夜间增温的发生判据。

表1 临潼地区18次夜间增温过程天气形势统计特征

由表2可见，临潼地区18次夜间增温过程发生前，500 hPa温度露点差大于20 ℃的个例数达16次，地面温度露点差大于10 ℃的个例数达14次，分别约占总个例数89%和78%，表明增温发生前大气湿度条件均非常差，有利于绝热下沉增温发生，这与前文分析一致。同时，在增温发生前，由于地面有弱冷空气的入侵，临潼及周边站均有正变压产生，有15次个例发生前地面3 h正变压超过1.2 hPa，约占总个例数83%。因此，当夜间陕西上空500 hPa天气形势为西北气流型， 且关中东部地区地面有弱冷空气入侵时，满足以下3个条件，则认为夜间增温发生：

表2 临潼地区18次夜间增温过程发生前大气干湿状况及地面3 h变压

T500hPa-Td500hPa≥20 ℃

(1)

Tsurface-Tdsurface≥10 ℃

(2)

ΔP3≥1.2 hPa

(3)

其中，T500hPa和Tsurface分别代表泾河站500 hPa、地面温度，Td500hPa和Tdsurface分别代表泾河站500 hPa、地面露点温度，ΔP3代表临潼站3 h变压。另外，鉴于短波型夜间增温过程个例数太少，这里就西北气流型进行讨论分析。

5.2.2 数值模式订正效果

前文通过定量分析临潼地区18次夜间增温过程的天气系统演变、探空层结以及大气干湿分布状况，提出了临潼夜间增温发生的主要判据。进一步，为了探寻数值模式对临潼地区夜间增温过程的订正方案，本文基于EC-thin模式预报产品，分析其在18次夜间增温过程中从地面至850 hPa各层温度预报垂直分布特征，发现虽然EC-thin地面2 m温度无法预报出夜间增温过程，但是在每次过程中EC-thin预报1000 hPa温度与增温后实际气温非常接近，即当临潼夜间增温过程发生时，若取用EC-thin模式1000 hPa温度预报比地面2 m温度预报效果要好得多，这可能与模式本身物理过程参数化方案和复杂山地地形有关。

基于上述讨论，对这18次夜间增温过程选取EC-thin模式1000 hPa温度预报进行订正。如表3所示，订正前EC-thin预报2 m温度与增温后实际温度相差甚远，但选取EC-thin模式1000 hPa温度预报值订正后，能够明显改善原始预报效果，订正后有15次个例预报偏差在2 ℃内，约占总个例数83%。因此，当判断临潼地区夜间有异常增温发生时，选取EC-thin模式1000 hPa温度预报值订正地面2 m温度预报值，会明显改善原始预报效果，可为此类局地性、突发性很强的转折性增温过程提供客观参考。

表3 临潼地区18次夜间增温过程订正前后温度对比 ℃

6 结论与讨论

2019年12月10日凌晨西安地区东部夜间温度出现异常跃增现象，本文基于气象站观测资料、数值模式产品和全球再分析资料，对此次西安地区东部夜间温度异常跃增过程进行深入分析，得到的主要结论如下：

(1)此次夜间增温过程突发性强，强度大。夜间增温的同时，并伴有地面风速显著增大，相对湿度和地面气压迅速减小的现象。

(2)此次夜间温度异常跃增是发生在有利的天气背景条件下，500 hPa上陕西关中处于槽后脊前干燥的西北气流控制中，易造成补偿性下沉运动，有利于下沉绝热增温的产生。850 hPa上陕西关中地区处于暖气团控制中，大气湿度条件差。近地面大气存在明显逆温，阻碍空气的垂直热量交换，有利于夜间升温的稳定维持。西安东部升温前地面2 m气温较周边地区显著偏暖，且维持时间长，这为该地区夜间升温创造了有利条件。

(3)随着新疆高压脊的东移，高层西北气流向东向南发展，大气下沉绝热增温效应加强。同时，西安东部低层长时间维持较强的暖平流，加之地面不断有弱冷空气侵入，受骊山的阻挡，使得临潼近地面的暖空气被急剧压缩，在这四者的共同作用下造成了临潼地区夜间气温的显著跃增。

(4)对18次临潼地区夜间增温过程进行统计分析归类，提出临潼地区夜间增温发生判据。基于EC-thin预报产品，结合判据，提出数值模式订正方案，并对其进行检验。通过该方案的初步试验，在临潼地区有一定的正订正效果。

值得注意的是，由于此类夜间增温过程突发性强、局地性强、精细化预报难度非常大。本文仅针对临潼地区夜间增温现象提出数值模式初步订正方案，后期还需结合复杂地形影响进行全面深入分析，优化订正方案。另外，需加强对其它地区的夜间增温过程的机理分析，以期改进数值模式对此类转折性天气中陕西省气温精细化预报能力。