2022年盛夏重庆不同阶段高温特征及成因对比*

罗 娟 邓承之 朱 岩 夏 蘩 庞 玥 朱浩楠

1 中国气象局气候资源经济转化重点开放实验室,重庆 401147 2 重庆市气象台,重庆 401147 3 重庆市气候中心,重庆 401147

提 要: 2022年盛夏,重庆地区出现了两段高温天气,两段高温均为先大陆高压、后副热带高压控制下形成的。利用地面观测资料和ERA5再分析资料,对比分析了重庆大陆高压阶段和副热带高压阶段的高温特征差异。结果表明:大陆高压持续时间短,为高温发展阶段,高温强度弱、相对湿度大、气温日较差大;副热带高压持续时间长,为高温强盛阶段,高温极端性强,干热特征显著、夜间升温明显。热力学方程诊断表明,大陆高压阶段,增温为非绝热加热和垂直运动项共同作用;副热带高压阶段,白天增温主要源于非绝热加热,其次为温度平流项,垂直运动项作用弱,夜间低空干绝热或超绝热层减弱消失,翻越云贵高原的下沉气流带来的增温效应显著增强。地表热力差异表明,副热带高压阶段较大陆高压阶段地表潜热通量下降,感热通量显著上升,地表感热直接加热大气,对地面增温作用明显。

引 言

随着全球气候变化和城市化进展加快,夏季极端高温事件呈现出明显增多的趋势,高温热浪严重影响人体健康,加剧能源消耗,威胁生态环境,已经成为主要的气象灾害之一(杨宏青等,2013;许霜等,2014;谢志清等,2015;高璇等,2023)。目前,高温成因研究方面已取得不少成果,大气中的高压环流系统是影响高温热浪的直接因素。对于我国夏季南方地区高温而言,最主要的高压环流系统包括西太平洋副热带高压(以下简称副热带高压)(林建等,2005;尹东屏等,2006;贾子康等,2020)、大陆副热带高压(以下简称大陆高压)(彭京备等,2007;陈丽华等,2010;袁媛等,2018)、以及对流层中高层的南亚高压(张琼和吴国雄,2001;钱永甫等,2002)。大陆副热带高压是由谢义炳(1997)提出,有别于海洋上空的副热带高压,大陆高压环流位于陆地上。2006年夏季,大陆高压与西伸的副热带高压打通,控制川渝地区,导致该地区出现历史罕见的高温天气(彭京备等,2007;陈丽华等,2010)。副热带高压和南亚高压异常偏强也是出现高温的重要原因,例如2003年夏季,我国江南出现大范围异常高温天气就是由于副热带高压的异常偏强和偏西,同时南亚高压异常偏强和偏东造成的(彭海燕等,2005;林建等,2005;杨辉和李崇银,2005)。2013年中国大范围的强高温事件也与副热带高压和南亚高压的活动密切相关,高压中空气的下沉绝热增温是形成高温天气的主要物理机制(唐恬等,2014;杨涵洧和封国林,2016;彭京备等,2016)。

此外,还有一些气象学者从热力学方程出发,从热力成因方面对高温天气做了很多研究(周后福,2005;张迎新和张守保,2010)。尹东屏等(2006)的研究表明,在副热带高压控制下,非绝热加热是2003年7—8月江苏高温出现的关键,而温度平流和绝热加热对高温的贡献非常小。方宇凌和简茂球(2011)发现,在2003年夏季的三段持续性高温期间,大气升温主要是由非绝热加热造成,而温度平流对升温起负贡献。邹海波等(2015)研究了2013年盛夏中国中东部地区异常高温天气的成因,也得出类似的结论,非绝热加热(主要是长波净辐射)是夏季中国中东部地区升温最为主要的因子,而异常的温度平流(冷平流)则起着负贡献。

2022年夏季,中国南方地区再次出现持续性异常高温天气,具有影响范围广、持续时间长、极端性强的特点,高温天气综合强度为1961年有完整气象观测记录以来最强,中央气象台连续多日发布高温红色预警。针对2022年极端高温事件,林纾等(2022)对高温干旱特征和环流形势进行了分析,表明2022年夏季对流层高层南亚高压异常偏东,与中层的西太平洋副热带高压相向而行,高压系统叠加呈稳定正压结构,高压中心位于川渝上空,致使川渝地区成为高温日数和极端高温事件次数的高值中心。郝立生等(2022)认为2022年长江流域夏季异常高温干旱气候事件的发生是高纬、中低纬、低纬热带地区环流异常协同作用影响的结果。可见,现有研究从大气环流异常的角度,表明异常偏强的高压环流系统是2022年长江流域持续性高温天气的主要原因,但对不同高压系统下高温天气学特征的认识仍然不足。

重庆素有“火炉”之称,副热带高压和大陆高压是高温天气最为直接和重要的影响系统,那么2022年盛夏(7—8月)不同高压控制下的重庆高温究竟有何不同?为了回答这一科学问题,本文利用地面观测资料和ERA5再分析资料,首先从环流形势、高温强度、相对湿度和气温日较差等方面进行对比,再从热力学方程出发进行诊断,探讨和总结不同高压控制下重庆高温特征差异和可能成因,以期为高温预警服务提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资 料

本文使用的最高气温和相对湿度资料来自重庆国家地面站。环流分析和热力学方程诊断所用资料要素包括高度场、风场、温度场和垂直速度等,4.2小节中的地表热力差异特征分析采用的地表接收到的太阳辐射、地表感热通量和潜热通量数据,均来源于ERA5再分析数据集,资料时间分辨率为1 h,水平分辨率为0.25°×0.25°。地表感热和潜热通量在ERA5中规定向下为正通量,向上为负通量,为了符合使用习惯,本文在垂直通量前乘以-1。另外,本文所使用的站点为沙坪坝和北碚站。

1.2 方 法

为了诊断分析造成2022年盛夏重庆不同阶段高温天气的主要因子,有必要定量计算影响温度局地变化的各项因子,由热力学第一定律可得温度随时间的变化方程,即:

(1)

引起温度局地变化的因子主要有三项,分别为温度平流项-V·T,垂直运动项-w(γd-γ)和非绝热加热项其中T为温度,V为水平风矢量,w为垂直速度,γd为干绝热垂直递减率,γ为环境温度垂直递减率,cp为定压比热容,Q为外源加热量。由于Q的计算非常复杂,因此本文4.1小节进行热力学方程诊断时先计算出温度随时间变化、温度平流项和垂直运动项,再由式(1)推算出非绝热加热项。另外,本文给出了大陆高压阶段和副热带高压阶段各项因子的合成结果,是先根据式(1)使用ERA5资料进行逐日逐时计算,再将不同阶段的计算结果合成。

2 高温天气概况

2022年盛夏,重庆出现大范围持续性晴热高温天气,高温呈现出持续时间长、影响范围广和极端性强的特点。图1给出了≥35℃和≥40℃高温日数历年变化,由图可知,全市35℃以上高温日数达49.7 d,超过2006年(49.4 d)(图1a);40℃以上高温日数达15.8 d,刷新了2006年历史极值(10.2 d),高温日数为1961年有完整气象观测记录以来同期最多(图1b)。图2a为各区县≥40℃高温日数分布,由图可见,高温天气范围广且持续时间长,全市有31个区(县)(占比为91%)出现40℃以上的高温天气,有25个区(县)(占比为74%)40℃以上高温日数超过了10 d,15个区(县)(占比为44%)超过20 d(图2a)。图2b显示了日最高气温刷新历史纪录的区(县),高温极端性突出,日最高气温连创新高,15个区(县)(占比为44%)日最高气温刷新当地有气象记录以来历史极值,其中北碚站连续两天日最高气温达45℃,超过2006年重庆綦江站(44.5℃),这也是除新疆吐鲁番以外目前国家站观测到的最高值。

图1 1961—2022年重庆(a)≥35℃和(b)≥40℃高温日数年变化Fig.1 Annual variation of days with maximum temperatures (a) ≥35℃ and (b) ≥40℃ in Chongqing from 1961 to 2022

注:五角星代表北碚站和沙坪坝站位置。图2 2022年盛夏重庆各区(县)(a)≥40℃的高温日数和(b)日最高气温刷新历史纪录的区(县)分布情况Fig.2 (a) Days of maximum temperature ≥40℃ and (b) counties with record-breaking maximum temperature in Chongqing in midsummer of 2022

3 高温演变及不同阶段高温特征对比

图3显示了2022年盛夏重庆高温站数逐日演变。2022年盛夏重庆高温主要有两段:第一段在7月4—17日,第二段在7月24日至8月29日。从逐日天气图演变来看(图略),两段高温均表现为先大陆高压控制,后转为副热带高压控制。第一阶段期间:7月4—8日为大陆高压控制,7月9—17日转为副热带高压控制;第二阶段期间:7月24—31日为大陆高压控制,而8月1—29日再次转为副热带高压控制。大陆高压和副热带高压控制的重庆高温特征究竟有何不同?

图3 2022年盛夏重庆逐日高温站数演变Fig.3 Time series of the stations with daily high temperature in Chongqing in midsummer of 2022

图4给出了不同高压阶段合成环流形势。由图可见,大陆高压阶段200 hPa(图4a)南亚高压位于伊朗高原至青藏高原上空,位势高度场有强的正距平,对流层中部500 hPa(图4b)强的正距平位于青藏高原到四川盆地,重庆受到大陆高压脊前侧的偏北气流控制。副热带高压阶段南亚高压明显东扩,异常强盛的南亚高压盘踞在长江流域上空(图4c);500 hPa副热带高压显著西伸北抬,且呈现出异常偏西的特征,长时间稳定控制重庆地区(图4d)。因此,大陆高压和强盛的副热带高压是2022年盛夏重庆高温的关键环流系统。

图4 2022年(a,b)7月4—8日和24—31日大陆高压阶段以及(c,d)7月9—17日和8月1—29日副热带高压阶段平均位势高度(等值线,单位:dagpm)、位势高度距平(填色)和风场(风羽)分布(a,c)200 hPa,(b,d)500 hPaFig.4 Synoptic patterns of mean geopotential height (contour, unit: dagpm), geopotential height anomaly (colored) and wind (barb) under (a, b) the domination of continental high in 4-8 and 24-31 July 2022 and (c, d) the domination of subtropical high in 9-17 July and 1-29 August 2022(a, c) 200 hPa, (b, d) 500 hPa

图3还显示了高温的持续时间和强度,大陆高压持续时间短,而副热带高压持续时间长。大陆高压阶段主要为两段高温的初期发展阶段,以35℃和37℃的高温天气为主,个别站点超过40℃;而副热带高压阶段则为两段高温的强盛阶段,40℃以上的高温范围明显扩大,特别是8月8—25日,持续有70%左右的国家站出现40℃以上的高温天气,此阶段也为2022年盛夏重庆高温的最强时段。

先大陆高压后副热带高压控制是否为重庆持续性高温天气的普遍特征?图5给出了2006年盛夏川渝异常高温天气500 hPa环流对比。由图可见,2006年盛夏重庆高温也具有类似环流演变特征,以7月下旬阶段性高温为例,7月22—27日(图5a)重庆受大陆高压控制,高温处于发展阶段,随后副热带高压西伸(图5b),7月31日后(图5c),强烈西伸的副热带高压与大陆高压打通,高温进入强盛阶段。可见,先大陆高压、后副热带高压控制是盛夏重庆持续性高温的典型发展形势。

图5 2006年7月(a)22日08时,(b)28日08时,(c)31日08时500hPa位势高度(等值线,单位:dagpm)、位势高度距平(填色)和风场(风羽)分布Fig.5 Geopotential height (contour, unit: dagpm), geopotential height anomaly (colored), and wind (barb) at 500 hPa at (a) 08:00 BT 22, (b) 08:00 BT 28 and (c) 08:00 BT 31 July 2006

为了对比不同高压控制下高温的干热和湿热特征,图6a给出了北碚站7—8月逐日相对湿度、最高气温和气温日较差的演变。由图可知,大陆高压阶段以湿热为主,相对湿度为60%～80%,而副热带高压阶段则以干热为主,特别是8月8日以后干热特征更为显著,随着温度攀升,相对湿度明显下降,仅为30%～40%。这是因为大陆高压阶段持续时间短且出现在降雨过程后,相对湿度较高;而副热带高压阶段持续时间长,地表水分逐渐蒸发,且高温强度强于大陆高压阶段,使得空气饱和水汽压增加,从而导致相对湿度降低。

图6 2022年(a)盛夏北碚站逐日最高气温、气温日较差和平均相对湿度,(b)8月20日沙坪坝站逐时气温演变Fig.6 (a) Daily maximum temperature, diurnal temperature range and mean relative humidity at Beibei Station from July to August of 2022, and (b) hourly temperature series at Shapingba Station on 20 August 2022

图6a还显示了大陆高压阶段气温日较差较大,约为15℃左右,副热带高压阶段气温日较差明显减小,约为10℃左右。这是因为副热带高压阶段除了最高气温在攀升之外,日最低气温升幅尤为显著,特别是8月8日以后,重庆多个国家站夜间最低气温在34℃以上(图略)。以8月20日沙坪坝站气温为例(图6b),可以看出,沙坪坝站有23 h气温在35℃以上,18 h气温在37℃以上(09时至次日02时),10 h 气温在40℃以上(12—21时)。

4 不同高压控制下高温成因对比

4.1 温度局地变化

为了寻找造成2022年盛夏重庆不同阶段高温天气的主要因子,从热力学方程出发进行诊断分析。图7和图8 分别给出大陆高压和副热带高压阶段850 hPa温度局地变化、温度平流项、垂直运动和非绝热加热项分布。由图7可知,大陆高压控制期间,重庆大部地区温度局地变化为正值,特别是中西部地区升温明显(图7a)。大陆高压阶段增温主要源于垂直运动项和非绝热加热,两者贡献相当(图7c,7d)。而温度平流项作用较小,且在武陵山脉和云贵高原北侧还有弱的冷平流(图7b),这可能与重庆处于大陆高压脊前侧,武陵山脉和云贵高原北侧存在偏北气流携带冷空气在山前堆积有关。由图8可知,副热带高压阶段,增温较大陆高压阶段更为强盛(图8a),各项因子对增温的贡献也有明显不同,副热带高压阶段白天最重要的增温源于非绝热加热项(图8d),即太阳短波辐射、地面长波辐射、感热及尺度较小的湍流等作用,其次为温度平流项(图8b),偏南风携带暖空气北上,在武陵山脉和云贵高原北侧有一定的正贡献。另外,副热带高压阶段白天增温垂直运动项贡献小(图8c),较大陆高压阶段明显减弱。

图8 2022年7月9—17日和8月1—29日14时副热带高压阶段平均的850 hPa(a)温度局地变化,(b)温度平流项,(c)垂直运动项及(d)非绝热加热项的分布Fig.8 Distribution of mean (a) local temperature variation, (b) temperature advection, (c) vertical motion and (d) diabatic heating at 850 hPa under the domination of subtropical high at 14:00 BT in 9-17 July and 1-29 August 2022

图9给出了北碚站热力学方程各项因子时间-高度演变。由图可知,副热带高压阶段白天低空850 hPa以下增温仍然主要源于非绝热加热作用(图9d),其次为温度平流项(图9b),垂直运动项作用弱,但对于对流层中上部700～300 hPa的增温则主要源于垂直运动作用(图9c),即下沉运动导致的绝热增温现象。另外,夜间与白天的情况也有明显不同,夜间在近地面有非绝热冷却(图9d),温度平流也以负贡献为主(图9b),但垂直运动项的作用明显加大(图9c),可见偏南风翻越云贵高原产生的下沉气流在夜间形成了一定的增温效应,这也是副热带高压阶段重庆夜间升温的原因之一。

图9 2022年7月9—17日及8月1—29日副热带高压阶段北碚站平均(a)温度局地变化,(b)温度平流项,(c)垂直运动项及(d)非绝热加热项的时间-高度演变Fig.9 Time-height diagram of mean (a) local temperature variation, (b) temperature advection, (c) vertical motion and (d) diabatic heating at Beibei Station under the domination of subtropical high in 9-17 July and 1-29 August 2022

垂直运动项造成的增温效应在高温不同阶段、白天和夜间均有明显不同,其原因与垂直速度和低空气温直减率有关。由垂直运动项-w(γd-γ)可知,该项取决于w和γ。图10为重庆北碚站分别在副热带高压阶段和大陆高压阶段气温直减率及垂直速度的时间-高度演变。由图10a可知,白天副热带高压阶段在非绝热加热作用下低空快速增温,800 hPa 以下形成了气温直减率在-10～-9℃·km-1的干绝热甚至超绝热层结,环境大气的气温直减率和气块干绝热直减率相当,γd-γ较小,因此带来的增温效应非常弱。图10b显示大陆高压阶段这种干绝热层结较弱,γd-γ增大,因此由垂直运动项产生的增温效应增强。图10a还显示出,副热带高压阶段低空气温直减率的日变化显著,夜间低空干绝热或超绝热层消失,且下沉气流有所增强,因而垂直运动项在夜间会产生更显著的增温效应。

图10 2022年(a)7月9—17日及8月1—29日副热带高压阶段,(b)7月4—8日及24—31日大陆高压阶段平均的北碚站气温直减率(填色)及垂直速度(等值线,单位Pa·s-1)的时间-高度演变Fig.10 Time-height diagram of mean temperature lapse rate (colored) and vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) at Beibei Station under (a) the domination of subtropical high in 9-17 July and 1-29 August, and (b) continental high in 4-8 and 24-31 July 2022

综上所述,2022年盛夏重庆副热带高压阶段增温明显强于大陆高压阶段。大陆高压阶段的增温主要为非绝热加热和垂直运动项共同作用。副热带高压阶段的白天增温主要源于非绝热加热项,其次为温度平流项,垂直运动项作用弱,但夜间随着低空干绝热或超绝热层减弱消失,翻越云贵高原的下沉气流带来的增温效应显著增强。

4.2 地表热力差异

上述分析表明,非绝热加热是重庆增温最为主要的因子。大气的热量主要来自地球表面,近地面非绝热加热包括地表长波辐射通量加热、地表感热通量加热以及潜热通量加热。地球表面吸收太阳短波辐射后,同时放射出长波辐射加热大气;地表感热通量是通过空气湍流影响地球表面和大气之间热量传递的物理量,感热通量的大小取决于地表和覆盖大气之间的温差、风速差、地表粗糙度和土壤相对湿度等;地表潜热通量是通过相变影响地球表面和大气之间潜热传递的物理量,地球表面的蒸发表示有热量从地表转移到大气中。图11为大陆高压阶段和副热带高压阶段地表热力差异,由图可知,两个阶段地表接收到的太阳辐射量接近,大陆高压阶段平均太阳辐射通量约700 W·m-2(图11a),副热带高压阶段略有增加,为750 W·m-2(图11d)。地表感热通量在大陆高压阶段较小,仅为100 W·m-2(图11b),副热带高压阶段明显增大,达到300～350 W·m-2(图11e)。潜热通量则相反,大陆高压阶段较大,为500 W·m-2(图11c),副热带高压阶段明显减小,不足200 W·m-2(图11f)。

图11 2022年(a～c)7月4—8日和24—31日大陆高压阶段和(d～f)7月9—17日和8月1—29日副热带高压阶段的(a,d)太阳辐射通量,(b,e)地表感热通量,(c,f)地表潜热通量Fig.11 (a, d) Solar radiation flux, (b, e) surface sensible heat flux and (c, f) latent heat flux under (a-c) the domination of continental high in 4-8 and 24-31 July and (d-f) the domination of subtropical high in 9-17 July and 1-29 August 2022

副热带高压阶段较大陆高压阶段太阳辐射变化不大,但地表感热通量显著上升,可能与持续晴热天气导致土壤湿度减小有关。易翔等(2016)利用WRF模式就土壤湿度扰动对高温天气影响进行模拟,结果表明土壤湿度减小会引起地面向上的感热通量增加。地表感热可以直接加热大气,对地面增温作用更为明显,而潜热不直接加热大气,需要通过凝结释放而对气温产生影响,对高温作用相对较小,因此副热带高压阶段高温强于大陆高压阶段。

5 结论与讨论

2022年盛夏重庆经历了罕见的晴热高温天气,高温强度强、范围广、持续时间长。大陆高压和副热带高压是此次重庆高温天气的关键环流系统,本文对比分析了不同高压控制下高温特征差异及可能成因,得到以下结论:

(1)先大陆高压、后副热带高压控制是盛夏重庆持续性高温典型发展形势,不同高压控制下高温特征表现不同。大陆高压为持续性高温发展阶段,高温强度较小,以35℃和37℃的高温为主,副热带高压进入高温强盛阶段,出现大范围40℃以上的极端高温天气。大陆高压阶段相对湿度较高,副热带高压阶段由于温度高、饱和水汽压增大,干热特征更为显著。另外,大陆高压阶段气温日较差大,约为15℃左右,副热带高压阶段气温日较差减小,约为10℃左右。

(2)温度局地变化分析表明,副热带高压阶段增温明显强于大陆高压阶段。大陆高压阶段增温主要为非绝热加热和垂直运动项共同作用;副热带高压阶段增温主要源于非绝热加热,其次为温度平流项,垂直运动项白天低空增温作用弱,但夜间随着干绝热或超绝热层减弱消失,翻越山脉的下坡风在云贵高原北侧带来显著的下沉增温效应。

(3)地表热力差异表明,副热带高压阶段较大陆高压阶段太阳辐射变化不大,地表潜热通量下降,感热通量显著上升,地表感热可以直接加热大气,对地面增温作用更为明显,因此副热带高压阶段高温强于大陆高压阶段。

重庆极端高温成因复杂,除与大气环流形势有关外,还与本地特殊地形密不可分。极端高温位于重庆境内平坝、河谷及岭谷地带,特殊地形使得热量难以散发。加之近年来城市化进展加快,“热岛效应”也是重庆城市极端高温的重要因子(白莹莹等,2015),因此,今后还需结合本地特殊地形及城市“热岛效应”等对高温成因做更全面的研究。