2022年我国夏季极端高温阶段性特征及成因

齐道日娜 何立富

1)(中国气象局气象干部培训学院, 北京 100081)

2)(国家气象中心, 北京 100081)

引 言

高温热浪是夏季主要的灾害性天气之一,会对人民群众的生产生活造成十分严重的影响,因此受到国内外学者的广泛关注[1-10]。

20世纪90年代中期以来我国极端高温事件发生频次显著增加[11-14],国内学者已开展许多有关我国极端高温天气成因的工作。谢庄等[15]对于华北地区酷暑天气的研究中指出,增温主要由副热带大陆高压边缘的下沉气流压缩引起。卫捷等[16-17]揭示华北高温闷热天气主要受大陆高空暖脊或西北太平洋副热带高压(简称副高)控制,副高位置变化也为大陆高压位置和强度变化提供大尺度背景条件。孙建华等[18]指出2003年夏季副高在江南地区的稳定维持导致该地区发生高温热浪。林建等[19]发现西北太平洋副热带地区非绝热加热对副高强度和位置的影响极其重要,副高南侧非绝热加热异常增强有利于其增强和北抬。刘还珠等[20]利用涡度方程诊断分析指出西风带、副热带和热带系统间的相互作用,动力和热力因素的综合影响是造成2003年高温天气的主要原因。方宇凌等[21]通过热力诊断发现,2003年高温热浪过程近地面增温主要受到非绝热加热作用的影响,而水平温度平流对局地增温为负贡献。2006年夏季川渝地区百年一遇的高温干旱的主要影响天气系统仍为副高,副高强烈西伸控制川渝地区,使该地区盛行下沉气流,抑制水汽向该地区输送,导致夏季少雨干旱[22-24]。彭京备等[25]分析2013年我国南方持续性高温天气指出,副高西伸北抬并异常维持是导致此次高温过程的直接原因,中高纬度环流的配置和热带环流异常为副高北抬和稳定维持提供了有利的背景条件。邹海波等[26]由热力学方程诊断分析得到非绝热加热(主要是长波净辐射)是2013年夏季我国中东部地区升温的最主要因子。李娜等[27]认为南亚高压和副高异常增强,导致上空受反气旋控制并伴随下沉气流,下沉增温与晴空辐射共同导致2018年东北南部地表增温。马双梅等[28]发现2019年云南持续高温主要受显著异常反气旋影响,该反气旋的形成主要源自北大西洋经东欧平原、西西伯利亚平原向东亚传播的高纬度Rossby波和经北非、黑海、伊朗高原向东亚传播的中纬度Rossby波间的相互作用。Zhang等[29]指出北大西洋海温可以激发Rossby波列引发长江中下游地区高温热浪。

2022年6月中旬—8月底,我国发生大范围高温热浪,全国夏季平均气温为22.3℃,较常年同期偏高1.1℃,为自1961年有完整气象观测记录以来最强高温年。此次极端高温持续时间长、影响范围广、极端性强,40℃以上高温覆盖范围广,同时覆盖14省(市、区),294个国家气象观测站的日最高气温突破历史极值,主要集中在四川盆地、太行山脉东侧及东部沿海,重庆北碚最高气温达45℃,是单日气温的极大值。重庆巫溪超过35℃的高温日数最高达67 d,最大连续高温日数为42 d。此次极端高温导致长江流域气象干旱发展严重,对农业生产、能源供应、水资源等方面产生较大影响,四川、重庆、上海、浙江、江苏等电力供应形势极为紧张,采取多种限电措施减缓用电高峰电力负荷。

有关此次极端高温的研究大多关注欧亚大尺度环流的可能影响机制[30]和极端高温干旱特征[31],有关高温过程的环流背景及热动力成因尚不清楚。本文利用地面加密观测资料和ERA5再分析资料,分析2022年夏季我国大范围持续性高温天气的阶段性特征及环流背景,并利用热力学诊断方法,探讨此次极端高温的热动力成因,以期为提升高温天气预报和预测能力提供参考。

1 资料与方法

1.1 资 料

本文所用大气环流资料为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的第5套(ERA5)再分析资料[32],研究时段是1991—2022年6月1日—8月31日,气象要素包括位势高度、温度、经向风、纬向风、垂直速度和比湿,水平分辨率为0.25°×0.25°,垂直层次为1000 hPa至100 hPa共21层。所用观测资料为国家气候中心提供的1991—2020年6月1日—8月31日全国699个气象站日最高气温,2022年6月1日—8月31日全国2474个地面自动气象站加密观测日最高气温。中国气象局规定日最高气温大于等于35℃为高温日,该标准已广泛应用于中国地区的高温天气研究[33-34],本文也采用该定义。本文所用的气候平均为1991—2020年的平均,日平均为24 h的算术平均值。

本文插图中所涉及的中国国界基于审图号为GS(2019)3082号标准地图制作,底图无修改。

1.2 方 法

为了分析造成2022年夏季我国大范围高温天气的主要因子,本文将利用热力学方程[35],定量分析热力学因子的相对贡献,其表达式为

(1)

(2)

式(2)可改写为

(3)

波作用通量描述准定常Rossby波的能量频散特征[36-38],其基本流场包括纬向不均匀的经向风场和纬向风场,对描述中高纬背景环流中Rossby波的传播过程更为有效。该通量在Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)近似假定下与波位相无关,且与定常Rossby波列的局地群速度方向一致。波作用通量(W)在对数气压坐标系中的表达式

(4)

式(4)中,ψ′为准地转扰动流函数,V′=(u′,v′)表示扰动准地转风,U=(u,v)表示基本流场,p0表示以1000 hPa标准化的气压,i,j分别表示纬向风和经向风的单位矢量。

本文利用300 hPa瞬变涡动高度场的波包函数表示与天气过程相联系的斜压扰动强度[39],即瞬变天气扰动的强弱。

2 2022年夏季我国高温阶段性特征及异常环流背景

2.1 高温阶段性特征

图1为2022年6月1日—8月31日平均日最高气温和高温日数分布。由图1平均日最高气温可知,除华北南部、内蒙古东部、西藏等小范围地区外,我国大部地区出现高温天气,四川盆地和长江中下游地区平均日最高气温均超过36℃。由图1高温日数可知,我国中东部大部分地区高温日超过10 d,华北地区高温日数为10～20 d,四川盆地高温日数为50～60 d,长江中下游部分地区的高温日数超过60 d。由此可见,此次高温过程影响范围广,强度大,持续时间长。

图1 2022年6月1日—8月31日平均日最高气温和高温日数Fig.1 Distributions of daily maximum temperature and high temperature days from 1 Jun to 31 Aug in 2022

由2022年6—8月平均日最高气温距平(图2)可见,不同月份高温正距平区出现的范围和强度均有所不同。6月异常高温天气主要发生在西北和华北黄淮地区;7月存在两个高温正距平区,分别为四川盆地和长江下游地区;8月高温正距平区明显扩大,大范围极端高温天气出现在青藏高原北部、四川盆地至长江中下游地区,且强度明显增强,部分地区日最高气温较气候平均值偏高6～10℃。

图2 2022年6—8月平均日最高气温距平分布(黑色方框为高温关键区)Fig.2 Distributions of daily maximum temperature anomaly from 1 Jun to 31 Aug in 2022(black boxes denote high temperature critical regions)

续图2

根据各月平均日最高气温距平分布,分别定义华北黄淮高温关键区(32°～38°N,110°～118°E)和四川盆地—长江中下游地区高温关键区(25°～33°N,102°～122°E),据此得到高温关键区逐日高温站数及日最高气温变化(图3)。由图3a可见, 6月14—16日为华北黄淮高温过程前的升温期,6月17—26日为高温维持期,此后华北高温过程结束,高温主要集中在6月17—26日。26日高温过程达到最强,高温关键区平均日最高气温超过39℃,全国高温站点超过350个,这是我国夏季高温天气的第1阶段(图3a和图3c)。由图3b可见,7月3—9日为四川盆地—长江中下游地区升温期,高温主要集中在7月10日—8月25日(7月18—22日因受台风影响高温出现间歇),随后气温下降,高温过程结束。这是我国夏季高温天气的第2阶段,该阶段高温天气影响范围、强度、持续时间均明显强于第1阶段,长江以南地区形成大范围高温天气,四川盆地和长江中下游地区为两个高温中心,8月中下旬高温第2阶段达到峰值,对四川盆地和长江流域造成严重影响(图3b和图3d)。

图3 2022年6月1日—8月31日高温站数和日最高气温(a)华北黄淮高温关键区逐日高温站数(灰色柱状)和区域平均日最高气温(红色实线),(b)四川盆地—长江中下游地区高温关键区逐日高温站数(灰色柱状)和区域平均日最高气温(红色实线),(c)6月17—26日平均日最高气温(黑色方框表示华北黄淮地区),(d)7月10日—8月25日平均日最高气温(黑色方框表示四川盆地—长江中下游地区)Fig.3 Station number with high temperature and daily maximum temperature from 1 Jun to 31 Aug in 2022(a)station number with high temperature(gray bars) and the area-mean daily maximum temperature(the red line) in North China and Huanghuai Region,(b)station number with high temperature(gray bars) and the area-mean daily maximum temperature(the red line) in Sichuan Basin and the middle and lower reaches of the Yangtze River,(c)daily maximum temperature from 17 Jun to 26 Jun in 2022(the black box denotes high temperature critical region in North China and Huanghuai Region),(d)daily maximum temperature from 10 Jul to 25 Aug in 2022(the black box denotes high temperature critical region in Sichuan Basin and the middle and lower reaches of the Yangtze River)

2.2 2022年夏季高温异常环流背景

夏季高温与中低纬度天气系统异常密切相关,以下对比分析2022年夏季南北方两个阶段高温天气的环流背景。对于6月17—26日第1阶段高温过程,华北黄淮高温关键区位于100 hPa南亚高压脊的前部,南亚高压脊相对气候态异常偏强3～10 hPa,高压中心位于伊朗高原,由南亚高压特征线1675 dagpm等值线可知南亚高压明显偏北(图4a)。

图4 2022年夏季环流形势(黑色方框为高温关键区)(a)第1阶段100 hPa高度场(等值线,单位：dagpm)(红色实线为该阶段1675 dagpm等值线,蓝色实线为气候态1675 dagpm等值线)及其异常(填色),(b)第2阶段100 hPa高度场(等值线,单位：dagpm)(红色实线为该阶段1675 dagpm等值线,蓝色实线为气候态1675 dagpm等值线)及其异常(填色),(c)第1阶段500 hPa高度场等值线(单位：dagpm)(红色实线为该阶段588 dagpm等值线,蓝色实线为气候态588 dagpm等值线)及其异常(填色),(d)第2阶段500 hPa高度场等值线(单位：dagpm)(红色实线为该阶段588 dagpm等值线,蓝色实线为气候态588 dagpm等值线)及其异常(填色),(e)第1阶段850 hPa温度标准化距平(填色)和流场,(f)第2阶段850 hPa温度标准化距平(填色)和流场Fig.4 Circulations in summer of 2022(black boxes denote high temperature critical regions)(a)geopotential height(the contour,unit：dagpm)(the red line denotes 1675 dagpm in stage 1,the blue line denotes climatic mean of 1675 dagpm) with its anomaly(the shaded) at 100 hPa in stage 1,(b)geopotential height(the contour,unit：dagpm)(the red line denotes 1675 dagpm in stage 2,the blue line denotes climatic mean of 1675 dagpm) with its anomaly(the shaded) at 100 hPa in stage 2,(c)geopotential height(the contour,unit：dagpm)(the red line denotes 588 dagpm in stage 1,the blue line denotes climatic mean of 588 dagpm) with its anomaly(the shaded) at 500 hPa in stage 1,(d)geopotential height(the contour,unit：dagpm)(the red line denotes 588 dagpm in stage 2,the blue line denotes climatic mean of 588 dagpm) with its anomaly(the shaded) at 500 hPa in stage 2,(e)850 hPa temperature standardized anomalies(the shaded) and flow fields in stage 1,(f)850 hPa temperature standardized anomalies(the shaded) and flow fields in stage 2

续图4

对于7月10日—8月25日第2阶段高温过程,南亚高压极端强盛,四川盆地—长江中下游地区高温关键区位于南亚高压控制区内,其位势高度距平为5～12 hPa,且南亚高压异常偏东,1675 dagpm等值线东扩至142°E附近,相对于气候平均位置(122°E)东伸近20个经度(图4b)。研究表明：南亚高压与副热带高压具有相向而行和相背而去的关系[40],此次高温过程南亚高压明显东扩,有利于副高西伸。由高温第1阶段500 hPa环流可见,华北黄淮高温关键区500 hPa高度场呈两槽一脊形势,华北黄淮地区位于异常偏强高压脊前部区域(位势高度距平为1～5 hPa)(图4c)。受高压脊影响,空气绝热增温造成静力稳定度增大,抑制云层发展,晴空辐射更为显著,有利于高温天气发生。由高温第2阶段500 hPa环流可见,50°N以北地区为两脊一槽的形势,中纬度地区气流比较平直,副高异常偏西偏强,其主体位于30°N附近西北太平洋上空,588 dagpm 等值线西伸至90°E附近,较同期气候平均偏西40个经度以上,副高脊线与常年接近,覆盖我国四川盆地至长江中下游地区,强度较同期偏强3～5 dagpm。受位置异常偏西且极为强盛的副高影响,四川盆地—长江中下游地区出现大范围持续极端高温天气(图4d)。由850 hPa温度距平和流场可见,第1阶段华北黄淮高温区为2～4倍标准差,表明该阶段北方高温具有较强极端性, 850 hPa低层流场为辐散下沉区,来自印度洋的偏南暖湿气流主要向印度半岛汇集。高温第2阶段,西南地区850 hPa气温异常达3～5倍标准差,长江中下游地区为2～4倍标准差,表明四川盆地和浙江等地的高温极端性显著;由流场分布可知,长江中下游地区为偏南气流辐散区,辐散下沉使云量减少,造成入射地表的太阳短波辐射增加,有利于地表增温。可见两个阶段的极端高温均发生在异常环流背景条件下,对流层上层为明显正高度距平的南亚高压控制区, 其主导系统为500 hPa强烈发展的华北地区高压脊以及异常强盛和稳定维持的副热带高压坝,低层辐散下沉流场导致850 hPa温度均表现出明显极端性。

3 高温天气主导系统的发展维持机制

2022年夏季我国高温天气可分为两个阶段：第1阶段发生在6月17—26日华北黄淮地区,主要受高压脊影响;第2阶段为发生在7月10日—8月25日四川盆地—长江中下游地区的大范围持续高温,主要受强盛稳定的副高影响。

图5为高温第1阶段500 hPa高度场及其异常、波作用通量和300 hPa波包函数异常。由图5a可知,500 hPa亚洲中高纬度地区上空存在位于波罗的海的高压脊、乌拉尔山的高空槽和贝加尔湖南部的高压脊,3个位势高度异常中心构成Rossby波列,Rossby波能量自上游波罗的海的高压脊持续向东南方向的贝加尔湖南部频散,造成该地区高压脊持续增强和稳定维持。由图5b可见,亚洲高纬度大部分地区的波包函数为负距平,贝加尔湖以南的波包函数异常负中心强度达-3 m,与贝加尔湖至华北地区高压脊区相对应(图5a),由于斜压波波包函数表征瞬变天气扰动的强度,即槽脊活动相对常年同期较弱,西风带扰动不活跃,有利于高压脊在该地区维持,使华北黄淮地区出现异常高温天气。

图5 2022年6月17—26日500 hPa位势高度场(等值线,单位：dagpm)及其异常(填色)和波作用通量(矢量)(a)及300 hPa波包函数异常(单位：m)(b)Fig.5 500 geopotential height(the contour,unit：dagpm) with its anomaly(the shaded),wave-activity flux(the vector)(a) and 300 hPa envelope function(unit：m)(b) from 17 Jun to 26 Jun in 2022

大气热源对驱动大气环流和引发大尺度大气环流异常十分重要,热带地区大气热源异常可对副高强度和位置产生重要影响。图6为高温第2阶段整层大气视热源和110°～122°E平均垂直速度异常的纬度-高度剖面。由图6a可知,副高南侧存在明显的视热源加热,部分地区超过500 W·m-2,且副高北侧几乎不存在视热源加热效应。视热源的分布有利于副高的加强西伸和北抬,副高西脊点位于90°E附近的西藏中部,副高脊线稳定维持在30°N附近,较多年平均的副高西脊点位置(130°E)偏西50个经度。由图6b可见,赤道地区上升气流较气候平均偏强1×10-2～3×10-2Pa·s-1,并在22°～32°N副高控制区转为下沉气流,异常下沉运动的大值中心位于30°N,正位于四川盆地至长江中下游地区,从而有利于副高在该地区维持和加强。

图6 2022年7月10日—8月25日整层大气视热源(填色)分布(红色和蓝色等值线分别为第2阶段和气候平均的588 dagpm等值线)(a)和110°～122°E平均垂直速度异常的纬度-高度剖面(b)Fig.6 Vertically integrated atmospheric apparent heat source(the shaded)(the red line denotes 588 dagpm in stage 2,the blue line denotes climatic mean of 588 dagpm)(a) and vertical velocity anomaly averaged over 110°-122°E(b) from 10 Jul to 25 Aug in 2022

为进一步研究大气热源对副高的影响,计算2022年7—8月整层大气视热源在110°～150°E的时间-纬度剖面和15°～30°N的时间-经度剖面(图7)。由图7a可见,副高南侧的视热源加热明显强于北侧,7月副高脊线逐渐北推,并于8月稳定维持在27°N附近。由图7b可见,7月初副高西脊点停留在130°E以东地区,7月中旬后期明显西伸至90°E,此后副高多次在90°E附近东退西伸,且副高西侧的加热过程与副高西伸存在明显反位相,这表明副高西侧视热源加热是副高东退的热力驱动因子。此外,副高南侧地区向外长波辐射异常偏强(图略),表明赤道地区对流较气候平均更为旺盛,有利于副高稳定控制四川盆地—长江中下游地区,导致该地区出现高温。

4 2022年夏季极端高温影响因子诊断分析

4.1 热力学诊断分析

925 hPa温度与地表气温的分布较为一致,其演变能够反映地表气温的变化,以下对925 hPa温度进行热力学诊断分析,以获得影响2022年夏季极端高温过程的主要因子。由式(3)可知,影响温度局地变化的因子有3个：水平温度平流项、绝热加热项(位温垂直平流项)和非绝热加热项。图8为两个阶段高温期925 hPa区域平均的逐日热力学诊断量及其距平随时间的变化。由图8可见,6月14—16日华北黄淮地区增温期,温度局地变化项迅速增大,最大日增温发生在6月15日,超过2 ℃·d-1,主要影响因子为非绝热加热项以及水平温度平流项;高温维持阶段(6月17—26日)温度局地变化项减小,随后在0附近波动,虽然水平温度平流项和绝热加热项的贡献总体为负,但强烈的非绝热加热(最强非绝热加热接近3.0 ℃·d-1)使得高温依然维持,随着非绝热加热的明显减弱,温度局地变化项快速减小,高温过程结束。高温形成期温度局地变化项为正距平,最大可达2.5 ℃·d-1,水平温度平流项(距平最大可达2.0 ℃·d-1)为主要贡献项,非绝热加热项大约是其1/2,说明在高温形成期强烈暖平流的作用比异常非绝热加热作用更大;在高温维持期,温度局地变化项距平在0附近波动,前期超历史同期的暖平流已不存在,高温维持主要靠强烈的非绝热加热,它抵消了偏弱的绝热加热项和温度水平平流项对高温维持的负作用。由图8可见,对于四川盆地—长江中下游的高温而言,温度局地变化项的增大也发生在增温期(7月3—9日),增温来自于非绝热加热项和绝热加热项的贡献;高温发生后,气温的局地变化项在0附近波动,高温的维持主要依靠非绝热加热项,其最大可达2.0 ℃·d-1,抵消水平温度冷平流的影响。由各加热项的距平分布可见,第2阶段高温的形成与第1阶段有所不同,是超历史同期的绝热加热和非绝热加热共同作用(两者均为明显正距平),这表明下沉增温作用对高温的形成也有较大贡献,水平温度平流项的作用较历史同期偏弱;第2阶段高温得以维持的影响因素与第1阶段也存在差异,除了明显非绝热加热的作用以外,绝热加热作用亦强于历史同期。

为进一步比较两个阶段高温形成期对流层大气的整体加热情况,计算2022年6月14—16日华北黄淮地区和7月3—9日四川盆地—长江中下游地区平均温度局地变化项、水平温度平流项、绝热加热项和非绝热加热项随高度的变化如图9所示。由图9可见,华北黄淮地区高温形成期的局地温度变化项在400 hPa及以下均为正值,即对流层存在深厚的大气加热现象,水平温度平流项在700 hPa以下表现为明显的正贡献,低层暖平流最大值位于850 hPa 至700 hPa,暖平流区伸展至600 hPa;非绝热加热项的正贡献区位于边界层内(即1500 m高度以下),最强加热在925 hPa以下,约为2.0 ℃·d-1;对流层中上层存在较深厚的绝热加热项正贡献。结合同地区高温形成期热力学诊断量距平随高度的变化(图10)可以看到,华北黄淮高温形成期对流层深厚层的大气均被异常加热,但主导因子不同：对流层中上层大气加热缘于异常强烈的绝热加热作用,对流层低层大气加热则主要受水平温度暖平流异常影响,边界层特别是边界层下部大气增温是明显暖平流和异常非绝热加热共同作用所致,这与图8的结果一致。值得注意的是,边界层下部上述两者的异常随高度变化成相反特征,越靠近地面,暖平流异常越小、非绝热加热异常越明显,这是图8单一层次诊断信息不易观察的。

图9 2022年夏季高温形成期区域平均热力学诊断量的垂直廓线Fig.9 Vertical profiles of area average thermodynamic forcing terms in summer of 2022

图10 2022年夏季高温形成期区域平均热力学诊断量距平随高度的变化Fig.10 Vertical anomalies profiles of area average thermodynamic forcing terms in summer of 2022

由图9可见,四川盆地—长江中下游地区高温形成期局地温度变化项整层增温为正值,但与第1阶段相比,整层增温偏弱,且增温主导影响因子差异明显,尤其是600 hPa以下。垂直分布的主要差别：一是非绝热加热项的正贡献可以伸展至3000 m(第1阶段约为1500 m),最大加热高度亦略高,约为900 hPa;二是水平温度平流项整层贡献皆为负;三是绝热加热项正贡献更加深厚,从400 hPa向下延展至800 hPa,表明在四川盆地—长江中下游地区增温期对流层深厚层的增温主要受绝热加热和非绝热加热主导。由图10可见,第2阶段深厚的大气异常增温位于在边界层(大约850 hPa)以上,缘于单一加热因素——明显异常的绝热加热项影响(700 hPa 以上距平达到2.5～3.5 ℃·d-1),表明下沉增温作用是该阶段高温形成的最大影响因子;边界层的异常增温由异常非绝热加热和异常绝热加热共同导致,由于两者的异常贡献随高度呈相反变化,非绝热加热异常在近地面层成为异常增温的主要影响因子。

由以上分析可知,2022年夏季两个极端高温形成期增温均伴随对流层深厚的异常增温,但增温的主导因子不尽相同。两个阶段高温形成期除均有边界层非绝热加热异常贡献外,华北黄淮地区高温形成期对流层低层存在异常偏强的温度暖平流,且暖平流异常影响至边界层内,是第1阶段高温形成的最突出影响因子;四川盆地—长江中下游地区高温形成期边界层以上为异常偏强的绝热加热并深入边界层内,这是该阶段区别于第1阶段的典型异常加热特征,表明下沉增温作用是该阶段高温形成的最关键因素。两个阶段大气增温主导因子的差异与大气环流形势的差别相联系。

4.2 高温阶段地表通量异常分布

图11为2022年夏季高温阶段的净短波辐射通量距平、净长波辐射通量距平和净辐射通量距平(各通量均取向上为正)。第1阶段华北黄淮地区向下净短波辐射通量明显增加,大部分地区相对于气候平均增加20 W·m-2,局地超过30 W·m-2;净长波辐射也有所增加,相对气候平均偏多10 W·m-2;地表净辐射表现为向下异常,较气候平均增加约10 W·m-2。近地面大气热量的主要来源为地面,净长波辐射通量的增加使地面温度升高,感热通量将地面的热量上传至大气,近地面气温升高。净短波辐射通量的增加主要受贝加尔湖以南地区高压脊的影响,高压控制区晴空少云,有利于短波辐射加强,进而引发高温。第2阶段四川盆地—长江中下游地区受副高控制,为强大反气旋环流,强烈下沉气流产生的晴空少云使得太阳净短波辐射通量较第1阶段更大,净长波辐射通量也异常增多,致使地面气温异常升高。

图11 2022年夏季高温阶段的净短波辐射通量距平、净长波辐射通量距平和净辐射通量距平(黑色方框为高温关键区)Fig.11 Net solar radiation flux,net longwave radiation flux and net radiation flux in summer of 2022(black boxes denote high temperature critical regions)

5 结论与讨论

对2022年夏季我国极端高温的阶段性特征及其热动力成因进行观测分析和诊断研究,得到以下结论：

1) 极端高温过程存在两个不同阶段：第1阶段极端高温区主要位于华北黄淮地区,第2阶段高温区位于四川盆地—长江中下游地区,其影响范围、强度和持续时间均明显强于第1阶段;两个阶段的极端高温均发生在异常环流背景条件下,对流层上层为显著高度场正距平的南亚高压控制区,其主导系统分别为500 hPa强烈发展的华北地区高压脊以及异常强盛的副热带高压坝,对流层低层为辐散下沉流场。

2) 第1阶段500 hPa的3个位势高度异常中心构成Rossby波列,Rossby波能量持续向华北北部的高压脊区频散,强度偏弱的瞬变天气扰动导致西风带系统不活跃,有利于华北地区高压脊增强并稳定维持;副高南侧的大气潜热加热、热带地区对流活动异常旺盛与副高的西伸加强和稳定维持存在密切关系,赤道附近地区异常偏强的Hadley环流上升支在30°N下沉,较气候平均偏强1×10-2～3×10-2Pa·s-1的下沉运动有利于副高的增强和稳定维持。

3) 华北黄淮地区高温形成的主要影响因子为水平温度平流项和非绝热加热项,异常偏强的暖平流是主要原因。高温维持主要依靠强烈的非绝热加热;四川盆地—长江中下游地区高温形成是异常偏强的绝热加热和非绝热加热共同作用所致,说明下沉增温作用对高温的形成有较大贡献。影响高温长时间维持的因子与第1阶段也存在差异,主要表现为除明显非绝热加热作用外,绝热加热作用亦比历史同期强。

4) 2022年夏季两个极端高温阶段前期均伴随对流层深厚的异常增温现象,但增温的主导因子不同。除均有边界层非绝热加热异常这一共同影响因子外,华北黄淮地区高温形成期对流层低层至边界层内的异常偏强暖平流是第1阶段高温形成的最突出影响因素;第2阶段四川盆地—长江中下游地区增温期深厚的异常绝热加热是区别于第1阶段的加热特征。两个阶段大气增温主导因素的差异与大气环流形势的差别相联系。另外,极端高温维持期大气非绝热加热的异常增强主要与华北高压脊和副高控制区晴空少云使到达地面的短波辐射增加有关。

本文针对2022年夏季我国高温天气阶段性特征、不同阶段的主导系统和异常环流背景以及热动力成因进行详细探讨,但高温天气形成的物理机制十分复杂,在全球变暖的背景下,北大西洋海温、ENSO、青藏高原积雪等气候因子对我国高温天气的影响机制需要深入分析。此外,2022年7—8月北半球(亚洲、欧洲、北美洲)多地同时出现高温热浪事件,引发严重气象灾害,其物理机制和影响因子有待深入研究。