2019年沈阳一次凌晨气温骤升过程成因精细分析

梁寒 阎琦 李爽 张宸赫 于亚鑫 黄阁 孙虹雨 桑明刚

(辽宁省气象台,辽宁 沈阳 110166)

引言

随着社会经济和科学技术的迅速发展，政府决策和社会公众服务对天气预报的需求呈现越来越精细化的趋势，气温是精细化预报业务中的重要组成部分。辽宁地区冬季采暖期长达5个月，气温的变化与冬季采暖、电力能耗、交通运输及公众生活密切相关，而冬季的最低气温一直都是预报难点之一，加强气温的变化规律及预报研究，具有一定的业务应用价值，同时还可以为智能网格客观订正方法的研究提供参考。

影响气温变化的因素众多，除了受地理位置、太阳辐射日变化、气温季节性变化及全球气候变化趋势的影响外，与天气系统的位置和移动、天空状况、近地面的风向风速和下垫面状况等紧密相关。国内外很多专家针对气温预报方法和影响因子进行了多方面的研究，一些一线预报业务人员[1-2]分析发现，低层的温度平流对气温预报具有较好的指示意义；以气温变化规律为基础[3-6]，结合数值模式预报开展的气温预报及客观订正方法的研究取得了一定成果。孙敏等[7]通过对上海地区春季两次最高气温预报失败的原因分析，发现预报员对确定性数值预报的过于信赖和对本地及上游天气实况的忽视是导致气温预报失败的主要原因。近年来城市热岛效应对气温变化的影响不断引起关注，车军辉[8]研究发现温度具有明显的局地小气候特征,同时发现最低气温自城区向城郊和山区、由低海拔向高海拔逐次降低的分布特征可能与城市热岛效应有关；贺志明[9]研究发现南昌城区出现多个气温高值中心，热岛呈现多中心分布特征；更多的研究[10-14]表明冬季夜里城市热岛效应明显，城市热岛中心的位置与风向风速有密切的关系，且城市热岛存在上下游效应。2019年12月2日01时沈阳站气温异常回升了6.5 ℃，此次异常升温由哪些因素造成的？是否存在城市热岛效应？基于常规和加密地面观测站实况、NCEP再分析及沈阳站逐小时风廓线雷达资料，对此次气温异常变化过程进行精细分析，寻找导致气温异常回升的影响因子，以期为日后气温预报及客观订正技术提供科技支撑。

1 资料与方法

1.1 资料选取

所用资料包括2019年12月1—2日NCEP再分析资料的高度场、温度场和风场。2019年12月1—2日常规和加密地面观测站实况，站点(图1)包括沈阳中心城区内的5个自动站、北部郊区新城子国家气象观测站(54248，简称新城子站)、南部郊区白塔堡自动站(61090)、沈阳国家基本气象站(54342，简称沈阳站)。2019年12月1日18时至2日06时沈阳站逐小时风廓线雷达数据。2015—2019年11月至翌年1月的逐小时地面观测数据，站点包括沈阳中心城区内的5个自动站和南部郊区沈阳站。

图1 沈阳市代表气象站空间分布

1.2 研究方法

从天气学角度分析高低空环流背景、系统配置及其相互作用对本次沈阳站气温异常回升事件可能存在的影响。基于热力学方程中影响温度变化的3个因子，利用2019年12月1—2日辽宁省62个国家气象站2 m气温实况数据和沈阳站逐小时风廓线雷达数据，对气温骤升的成因进行精细化分析。根据沈阳中心城区、北部郊区和南部郊区的气温变化差异，分析城市热岛效应对本次沈阳站气温异常回升的影响。利用2015—2019年11月至翌年1月的逐小时地面观测数据，统计沈阳城郊温差(城郊温差=中心城区5个代表站平均气温-沈阳站气温)出现频次，分析沈阳市城市热岛现象出现与风速的相关性。

2 结果分析

2.1 实况分析

2019年12月1—2日沈阳站气象要素逐小时演变图显示(图2)，1日白天最高气温出现在15时，之后气温逐渐下降，基本遵循常规气温日变化特征。20时前后近地面风减弱为静风并出现霾天气，21时开始出现轻雾，气温下降幅度逐渐从2.5 ℃·h-1减少至0.1 ℃·h-1。2日00时沈阳站气温下降至-12.3 ℃，2日01时骤升至-5.8 ℃，气温异常回升了6.5 ℃，近地面转为西北风2级控制。2日02时之后轻雾消散，气温开始逐渐下降。2日07时气温下降至-8.8 ℃，之后随着太阳的升起气温开始回升。1日夜间最低气温出现在1日23：00—23：55为-12.4 ℃。辽宁日最高气温一般出现在14—16时之间，随着太阳的西落气温逐渐下降，日最低气温一般出现在早晨的05—07时之间。此次2日凌晨01时沈阳站气温骤升6.5 ℃属于异常现象，因此针对此异常升温事件的成因进行深入分析。

折线为温度,单位为℃；风向杆,单位为m·s-1；=为轻雾；∞为霾

2.2 影响系统演变

2019年12月1日20时(图3a)，亚欧中高纬度为两脊一槽型，乌拉尔山高压脊发展强盛，鄂霍茨克海上空的高压脊稳定维持，高空槽位于贝加尔湖以东至华北地区，槽后脊前的冷平流输送促使高空槽在2日08时(图略)发展成冷涡。1日20时辽宁上空500—850 hPa为弱冷平流控制且强度随高度下降而减小，1日16—23时沈阳近地面为静风，即冷平流未到达近地面。因此，中低空冷平流未对近地面温度变化造成直接影响。

1日20时1000 hPa(图4a)河北地区有温度脊向东北方向伸展，辽宁大部分地区风向呈反气旋式旋转，在中层西南气流引导下(图3a)暖脊向东北方向移动，辽宁中西部地区近地面转为暖脊控制出现暖平流，辽宁中西部地区各站气温依次出现回升现象。2日02时冷平流中心下降至850 hPa(图3b)，1000 hPa(图4b)辽宁大部分地区转为一致的偏北风控制，超低空暖脊逐渐南落，辽宁东南部地区气温出现回升，而中西部地区气温依次开始下降。因此，超低空暖脊过境是引发沈阳午夜时分气温异常回升的原因之一。

等值线为等高线,单位为dagpm；填色区域为温度平流,单位为10-5 ℃·s-1

黑等值线为等高线,单位为dagpm；红等值线为等温线,单位为℃；填色区域为温度平流,单位为10-5 ℃·s-1

2019年12月1日20时海平面气压场(图略)显示，东北低压中心位于黑龙江西北部，大陆高压中心位于中国西北地区，高压前锋区压在内蒙古中东部至河北北部，受均压场控制辽宁大部分地区出现霾或轻雾天气，不利于地面长波辐射降温。1日23时至2日05时东北低涡和日本海上空的低涡均稳定少动并发展，大陆高压逐渐东移南压，地面锋区减弱东移影响辽宁，2日02时开始辽宁自西向东逐渐转为一致的偏北风，各地气温自西向东依次开始下降。

2.3 气温骤升成因分析

天气学[15]热力学方程显示，影响温度局地变化的主要因子为温度平流、垂直运动和非绝热因子，下面重点从这三个方面进行精细化分析。

2.3.1 温度平流作用分析

分析地面2 m气温和1 h变温、10 m风空间分布的演变情况，1日20时(图5a)辽宁东北部地区存在一个低温中心，位于西丰至清原一带，河北东北部地面锋区前存在一个弱温度脊向东北延伸至辽宁西南边界附近(与925—1000 hPa暖脊对应)，辽宁大部分地区风力小于2 m·s-1，各地风向不一。1日22时至2日01时(图5b至图5d)随着暖脊的北伸东移，辽宁中部及以西地区各站气温依次出现回升现象，1 h正变温也呈现自西南向东北推进的变化趋势，而辽宁东部和东南部地区(沿海地区除外)气温继续维持缓慢下降趋势。2日01时暖脊东界到达沈阳市区至抚顺市区附近，辽宁东北部最低气温下降至-20.3 ℃，沈阳站位于正变温中心，为6.5 ℃·h-1。2日02时(图5e)暖脊开始南落，辽宁东南部地区各站气温随之出现不同程度的回升，辽宁中部及以西地区转为一致的西北风控制且风力增大至4—6 m·s-1，对应1 h变温均转为负变温(图5f)。因此，超低空至近地面暖脊过境是此次气温异常回升的主要原因之一。

风向杆,单位为m·s-1；数值为气温,单位为℃；等值线和填色区域为1 h变温,单位为℃

2.3.2 垂直速度作用分析

沈阳站1日18时至2日06时逐小时风廓线雷达资料(图6)显示，对流层中低层风向随高度变化不明显，1日18时至2日00时1.5 km至近地面为偏西风控制，垂直速度接近为零(|ω|≤0.1 m·s-1)，低层至近地面大气相对静稳，无垂直方向的热量交换，垂直运动项(-ω(γd-γ))作用接近于0。2日00—01时近地面逐渐由偏西风转为西北风控制，925 hPa附近(约600—700 m)出现弱下沉运动(垂直速度增大至0.4 m·s-1)，510 m西北风增大至15.6 m·s-1，但是950 hPa附近(约400—500 m)及以下垂直速度依旧接近为0(|ω|≤0.1 m·s-1)，近地面垂直方向依旧不存在明显的热量交换，因此垂直速度项对于气温异常升高的贡献为0。

2.3.3 非绝热因子分析

1日15时之后沈阳站气温随日变化开始下降(表1)，21时前降温幅度为1.2—2.5 ℃·h-1。沈阳上空受弱气压场控制，1日20时前后温度露点差降至3 ℃，出现霾天气。1日21时前后150 m高度附近出现弱垂直运动(图6)，近地面开始出现轻雾并持续至2日00时。沈阳站上空的轻雾为辐射雾，雾的形成过程水汽凝结释放潜热加热环境大气(1日21时出现的弱垂直运动或源于此)，而雾天气不利于地面长波辐射降温，两者作用均不利于夜间气温的下降，21时开始沈阳站气温下降幅度明显减小，1日23时至2日00时气温下降幅度减小为0.1 ℃·h-1。2日00:30沈阳站气温开始明显回升，温度露点差增大至5 ℃，近地面空气饱和条件不足，01:00温度露点差增大至8 ℃，轻雾天气消散。非绝热加热的作用主要是减缓了气温下降的速度，气温骤升致使温度露点差增大导致轻雾消散，因此，近地面非绝热加热不是构成沈阳站气温骤升的原因。

表1 2019年12月1—2日沈阳站2 m逐小时气温、变温和温度露点差Table 1 Values of hourly mean air temperature,temperature change,and dew-point temperature at 2 m height at Shenyang station on December 1-2,2019 ℃

风向杆,单位为m·s-1；等值线为垂直速度,单位为m·s-1

为什么同在暖脊控制下，各站气温回升幅度却存在较大差异，一些国家气象站升温幅度只有1—2 ℃·h-1，而个别国家气象站升温幅度达到了6 ℃·h-1以上，气温回升异常偏大的站是否存在其他局地性、更小尺度的影响因素，还需要进一步分析。

2.4 城市热岛效应

徐伟等[10]研究发现夜间城市热岛中心有向城市下风方向漂移的特征，上海平均漂移风速阈值为2 m·s-1，随着风速增大增暖区向城市下风方向延伸，同时随着风速增大城市热岛强度减小。李丽光等[11]对沈阳城市热岛特征研究发现，除雾条件下秋季城市热岛强度最强外,其他天气条件下均为冬季最强，夜间城市热岛强度高于白天，晴朗无风条件下昼夜城市热岛强度最大。那么，此次过程中是否存在城市热岛效应呢？选取城区及郊区代表站做以下分析。

2019年12月1日15时至2日08时，沈阳2 m气温和10 m风时序(图7)显示，中心城区与南部、北部郊区于1日17时均开始出现温差，且温差随时间推移逐渐加大，最大温差达到7 ℃左右。对比沈阳北部和南部郊区的代表站气温回升情况，北部和南部郊区气温显著回升时段均出现在2日00—01时，此时风从西南风1级转为西北风2级，南部郊区气温回升后与中心城区非常接近且保持一致的变化趋势，而北部郊区气温回升后与中心城区变化趋势趋于一致，但是温差一直保持3—4 ℃，而中心城区由于城市热岛效应，基础气温相对较高，因此暖脊对中心城区气温的影响几乎为零。气温显著回升时段风向为西北风，因此北部郊区气温回升主要由暖脊造成，南部郊区受暖脊影响的同时，风从气温较高的中心城区平流至南部郊区，热岛中心向下风方漂移，最后城市热岛消失，中心城区和南部郊区气温接近一致。因此，城市热岛向下风方漂移是造成沈阳站异常回温的又一原因。对比沈阳站和北部郊区气温回升幅度，城市热岛效应造成的气温回升幅度约为3—4 ℃。

图7 沈阳各代表站2 m气温和沈阳站10 m风逐小时变化

当暖脊过境时，由于中心城区基础气温较高(与暖脊温度相当)，所以暖脊对于中心城区的升温作用几乎为零。对比同样位于南部郊区的白塔堡自动站和沈阳站气温变化发现，1日17时至2日01时两站气温下降和异常回升阶段的变化趋势基本一致，但是，气温异常回升前(2日00时)白塔堡自动站气温为-10.1 ℃，比沈阳站高2.2 ℃(沈阳站为-12.3 ℃)，气温异常回升后(2日01时)两站气温相当(白塔堡自动站比沈阳站低0.4 ℃)，白塔堡自动站回温幅度(3.8 ℃)比沈阳站少2.7 ℃。因此，气温异常回升前的基础温度对于气温回升幅度存在一定程度的影响。

基于此次气温异常回升的过程选取的中心城区代表站，利用2015—2019年11月至翌年1月的逐小时2 m气温对沈阳城郊温差情况进行统计分析。统计总有效次数为10698时次(表2)，城郊温差>2 ℃共出现3980时次，其中3833次对应风速≤2 m·s-1(占比96.3%)，这表明沈阳冬季中心城区气温高于城郊的现象是时常出现的，且热岛中心向下风方漂移的平均风速阈值为2—3 m·s-1。沈阳中心城区和沈阳站(郊区代表站)2 m气温平均日变化(图8)显示，城郊平均温差超过2 ℃主要出现在19时至次日08时，最强出现在23时至次日01时。统计结果与本次气温异常骤升的城郊气温差异和变化情况基本一致。因此，城市热岛效应向下风方的漂移，也是造成此次沈阳站气温骤升的主要原因之一。

表2 2015—2019年11月至翌年1月沈阳不同城郊温差出现频次Table 2 Occurrence frequency of air temperature differences between urban and suburb areas in Shenyang during winter from November to January in the following years of 2015-2019 次

图8 2015—2019年11月至翌年1月沈阳站和中心城区2 m气温平均日变化

3 结论

(1)500—850 hPa均为弱冷平流控制，冷平流强度随高度下降逐渐减小，近地面呈现静风状态，冷平流并未到达地面，中低空冷平流并未对近地面温度变化造成直接影响。

(2)1日20时开始近地面逐渐出现霾和轻雾天气，不利于夜间地面的长波辐射降温，形成雾的过程水汽凝结释放潜热，不利于近地面气温下降，2日00:30沈阳站气温开始明显回升，温度露点差显著增大，近地面空气饱和条件不足，轻雾天气逐渐消散。气温骤升致使温度露点差增大导致轻雾消散。因此，非绝热加热的作用主要是减缓了气温下降的速度，近地面非绝热加热不是构成沈阳站气温骤升的原因。

(3)沈阳站气温骤升期间，2—500 m高度的垂直速度接近于零，超低空至近地面无明显热量交换，因此，垂直运动的作用对气温异常骤升的贡献为零。

(4)1日20时，河北地区超低空(925—1000 hPa至近地面)暖脊在中层西南气流引导下向东北方向伸展东移，辽宁中西部地区受其影响各地2 m气温依次出现回升。2日02时冷平流中心下降至850 hPa，暖脊南落导致辽宁东南部地区2 m气温依次回升，此时，辽宁中部及以西地区2 m气温开始下降。因此，超低空至近地面暖脊过境是此次气温异常回升的主要原因之一。

(5)沈阳站位于沈阳市的东南部，当地面为西北风时，风从温度相对较高的城区吹向南部郊区造成南部郊区各站的气温均明显回升，对比南部和北部郊区气温变化得出，局地暖平流造成的升温幅度约为3—4 ℃。因此，城市热岛中心向下风方漂移是沈阳站气温骤升又一原因。另外值得注意的是，气温回升前的温度基础值对于回温幅度存在一定程度的影响，异常回升前的气温越低，回升后形成的升温幅度越大。