大连地区夏季高温变化特征及一次异常高温事件成因分析

张黎红, 侯严泽 , 王丽娜

(1．大连市气象服务中心,辽宁 大连 116001; 2．大连市人工影响天气办公室,辽宁 大连 116001)

近年来,在全球变暖的大背景下,夏季高温天气发生的频率和强度均呈增加趋势,大范围破纪录极端高温事件接连发生．2003年高温热浪袭击整个欧洲;2015年5月,高温热浪横扫大半个印度;2017年夏季,我国山东、上海、江苏、安徽、湖南等地出现大范围持续异常高温天气．2018年7月下旬至8月上旬,大连地区出现持续性的极端高温过程,多站日最高气温极值被连续刷新,多个自动气象站观测到日最高气温超过40 ℃,这在三面环海的海滨城市实属罕见．

针对中国及各区域的气温变化特征,前人曾开展广泛研究[1-3],并取得了有益的成果.例如:丁一汇等[4]发现,近年来中国气温上升了0.4～0.5 ℃;孙倩倩等[5]研究表明,1961-2010年东北地区年平均气温增温率为0.36 ℃/10 a;侯依玲等[6]发现东北区域最高气温时间演变以1997年为节点呈 “先升后降”的趋势．气象工作者对大连地区的气候变化也做了很多的研究[7-9],如近百年来,大连市年平均气温的增温率为0.12 ℃/10 a[10],大连地区冬季气温呈明显的增暖趋势,90年代后增暖趋势十分显著[11]．但到目前为止,对全地区夏季高温天气的研究还未开展,因此在我国高温热浪频次和强度呈增多增强的趋势背景下[12],本文利用多种资料相融合,开展大连地区夏季高温气候特征的演变趋势以及年代际变化特征分析,并对2018年夏季出现的异常持续高温天气可能影响机制进行初步研究,以期为该地区夏季能源利用和评估提供参考．

1 资料与方法

考虑到资料的稳定性,本文选取大连市及其管辖的8个国家级地面观测站1971-2023年6-8月逐日最高气温资料,全地区2018年7月25日至8月7日223个区域自动站日最高气温资料,ECMWF全球逐日、逐月再分析资料(分辨率为1×1)．对于曾发生过的地址迁移,由于迁移距离比较近,都在5 km之内,基本能代表当地的气候特征,所以本文不考虑由于迁站所带来的资料不均一性．采用常规距平、相关、合成等统计方法对大连地区夏季高温的时空变化进行诊断分析,并对2018年盛夏出现的极端异常高温事件的影响机制进行初探．取1991-2020年为气候常态．

2 结果分析

2.1 夏季高温时空变化特征

2.1.1 夏季平均日最高气温演变趋势

对大连地区夏季平均日最高气温做线性趋势分析发现(图1),1971-2023年以来,夏季平均日最高气温总体呈现上升趋势,增温率为0.22 ℃/10 a,通过98%信度的显著性检验,说明夏季平均日最高气温随时间变化而增高的趋势是显著的．二项式系数加权平均法对其标准化时间序列作11 a滑动平均发现,53 a来大连地区夏季平均日最高气温出现了“升降升”的阶段性变化.20世纪70年代至20世纪末,夏季平均日最高气温表现为上升态,但进入21世纪出现了10 a左右的下降期,之后转为明显的上升期．夏季平均日最高气温分别在2000年和2012年发生转折,以这两点为界,对3段时间序列进行分段拟合(图1),1971-2000年增温率为0.32 ℃/10 a,2001-2012年降温率达到1.41 ℃/10 a,之后又出现3.1 ℃/10 a上升趋势,均通过95%信度的显著性检验．

图1 大连地区夏季平均最高气温变化序列及11 a滑动平均曲线Fig.1 The interannual change of mean summer maximum temperature and 11-year running average in Dalian

为研究夏季平均日最高气温演变趋势的空间分布,分别计算各观测站的变化趋势(表1)．1971年以来,大连地区除旅顺口区夏季平均日最高气温变化趋势不明显外,其他地区均呈增温的变化趋势,但增温的强度不同,具有明显的地域特征．临近黄海北部的地区增温趋势大于临近渤海的西部地区,值得注意的是在20世纪80年代之后,夏季渤海海温的增温幅度明显小于黄海北部,特别是在80年代出现了10 a左右的稳定期[13],由此可知夏季大连地区日最高气温空间变化特征与黄海、渤海海温变化存在一定的关系．有研究表明日最高气温增温趋势随纬度变化明显,纬度越高增温越明显,增温最显著的是大连市区,增温率达到了0.35 ℃/10 a.分析其原因,虽然纬度相对偏南,但其临近黄海北部,另外还有一个重要原因就是快速城市化发展而产生的城市热岛效应,有研究表明城市化对各类台站最高气温上升的影响在春、夏季贡献最大,特别是大城市台站[14]．

表1 大连地区夏季平均最高气温演变趋势分布Table 1 Distribution of evolution trends of annual mean maximum temperature in summer in Dalian area

2.1.2 夏季高温日数演变趋势

由于大连地区三面环海,海洋的调节作用使该地区在夏季出现35 ℃的高温天气并不是每年都会发生.并且进入夏季,空气的相对湿度高达80%左右,根据当地的气候特点,并综合考虑到高湿对人体体感的影响,本文采用世界气象组织[15]建议的定义“日最高温度≥32 ℃”称之为一个高温日来研究大连地区的高温日数的变化．

1971年以来全地区年平均高温日数达到8.3 d(图2),最多的年份为1999年28 d,期间有2 a(1976年、1985年)未出现高温天气．从长期变化看,近53 a高温日数整体变化呈增加趋势,增加率为2.1 d/10 a,通过了99%信度的显著性检验．11 a滑动平均曲线分析发现,大连地区超过32 ℃的高温日数年代际变化非常明显．从20世纪90年代至21世纪初出现高温日数的偏多期,这与辽宁高温日数的演变趋势相一致[16],在20世纪末达到了峰值,之后开始减少,近10 a再次出现偏多期．夏季高温日数分别在1989年、2000年和2013年发生转折,但1989年转折点并未通过显著性检验,以2000年和2013年通过显著性检验的2个点为界,对3段时间序列进行分段拟合(图2),1971-2000年高温日数增加率为4.2 d/10 a;2001-2012年减少率达到9.2 d /10 a,之后又出现了显著的增加态势,均通过了98%信度的显著性检验．

图2 大连地区夏季高温日数变化序列及11 a滑动平均曲线Fig.2 The interannual change of high temperature days in summer and 11-year running average in Dalian

高温日数的空间分布受海洋气候影响非常大,海岛站高温日数最少,平均每年仅有0.4 d,近海观测站平均每年2 d左右,而相对海洋较远的内陆观测站平均每年高温日数在5～6 d之间．由此可见海洋对夏季高温天气的调节作用非常显著．

统计发现,1971-1999年出现高温日为198 d,2000-2018年为199 d,由于样本数相当,以2000年为界,研究之前与之后高温天气过程影响区域的演变趋势(表2)．通过分析发现,21世纪高温影响的区域明显增大.由于大连地区特殊地理位置,局地小气候明显,把1 d内出现3个及以上观测站日最高气温≥32 ℃的天气过程称之为一次区域性高温日．20世纪70～90年代出现区域性高温日共有56 d,占此期间高温日数的28%.由于20世纪90年代是高温日数的偏多期,90年代出现区域性高温日数就有37 d,所以这一时段内近70%的区域性高温日是出现在20世纪90年代．进入21世纪,出现区域性高温日有79 d,占此期间总高温日数的40%,区域性高温日明显在增加．通过影响3站以上高温日数的比较,也可发现进入21世纪,区域性高温过程影响站数在增加,说明高温过程影响的范围在扩大．

表2 1971-1999年与2000-2023年高温日影响站数情况统计Table 2 Statistics of high temperature days in 1971-1999 and 2000-2023

2.2 2018年夏季异常高温事件机理研究

2.2.1 异常高温天气特征

2018年7月下旬至8月上旬,东北地区出现极端性高温天气,平均气温25.1 ℃,较常年同期偏高1.3 ℃,为1961年以来同期最高．辽宁和吉林有47个国家级观测站日最高气温突破历史极值．此次高温过程极端性强,持续时间长,影响范围广．大连地区也出现该地区有气象记录以来持续时间最长,强度最强的异常高温气候事件．高温天气过程中,有4个国家级气象观测站最高气温突破当地有气象记录以来的历史极值,其中,瓦房店观测站连续2 d日最高气温历史极值被刷新．另外,有10个区域自动气象站观测到的日最高气温超过40 ℃,观测到的最高气温出现在金州大石棚村站,为41.2 ℃．高温日的连续性以及影响站数均打破历史纪录．由于持续高温晴热天气,加之入汛以来平均降水量异常偏少,造成东北部分地区干旱灾害进一步发展并加重,也导致沿海围堰养殖海参大量死亡,死亡率高达70%左右．

2.2.2 持续高温期间的环流特征

东北地区持续高温期间,西太平洋副热带高压(简称西太副高)较常年明显偏强、偏北、偏西,位置稳定．7月25至8月12日,500 hPa平均588位势10 m高度线西伸脊点较常年同期平均值偏西10个经度以上,面积也较常年同期明显偏大,其北界较常年同期偏北5个纬距以上,辽宁中南部、河北以及山东半岛均位于西太副高中心内．高压系统从对流层底层(850 hPa)一直延伸至对流层高层(200 hPa)．强西太副高的稳定西伸北抬,是对流层整层高压系统异常的表现,整层深厚的高压系统的稳定维持,是造成这次大范围持续异常高温天气的主要原因．

西太副高的西进东退与青藏高压的活动有十分密切的联系,两者活动存在着“相向而行”和“相背而去”的关系[17]．通过分析发现,在高温期间,200 hPa位势高度场较常年同期有明显异常．1256位势10 m高度线指示的青藏高压特征线反映青藏高压较常年同期东扩北抬明显,气候态的1256位势10 m高度线大致位于105°E附近,但在2018年7月25至8月12日,平均位势高度1256位势10 m高度线较气候态东扩20个经距,且北界北抬5～7个纬距,一直扩展到黄海北部．青藏高压的异常东扩北抬,使本次高温天气过程持续性更加明显．

空气下沉增温是华北、东北一带地区酷暑的主要机制[18]．高温期间121°E平均垂直速度的纬度-高度剖面图显示(图3),在38°N～42°N之间的整层大气均为深厚的下沉运动区,下沉增温作用非常明显,在300 hPa附近以及800和900 hPa存在着强的下沉中心,下沉中心数值达到0.6 Pa/s,这种高层和底层都存在着下沉中心的结构进一步增大了太阳辐射对地表增温效果的影响,大连地区位于强的下沉区内．强烈的下沉运动导致天气晴朗,大气透光度好,到达地面的太阳辐射增加,地面气温快速升高,使大连地区多地日最高气温突破历史极值．

图3 2018年7月25至8月12日平均的121°E垂直速度的纬度-高度剖面图(单位:10-1 Pa/s)Fig.3 Latitude-height cross section of vertical wind speed along 121°E longitude for the period of 25 July to 12 August 2018(unit:10-1 Pa/s)

3 结 论

(1)近53 a来,大连地区夏季日最高气温呈显著上升的趋势,增温率为 0.22 ℃/10 a,出现“升降升”的阶段性变化．20世纪之前演变趋势表现为升高,增温率0.32 ℃/10 a,2001-2012年出现了显著的下降趋势,降温率达到了1.41 ℃/10 a,并通过95%信度的显著性检验,之后又出现上升趋势．

(2)夏季日最高气温的空间演变具有明显的地域特点,临近黄海北部的地区增温趋势要大于靠近渤海的西部地区,纬度越高增温越明显．从长期变化看,近48 a高温日数整体变化呈现出增加趋势,增加率为2.1 d/10 a,高温日数的空间分布受海洋气候影响非常大．

(3)进入21世纪,区域性高温过程明显在增加,高温过程影响的范围也在扩大．

(4)西太副高的异常,是东北地区2018年盛夏出现异常持续高温事件最重要、最直接的原因．高温期间,西太副高偏西、偏北、偏强;对流层高层,东扩北抬的青藏高压与之呼应,使本次高温天气过程持续性更加明显．

(5)大气强烈的下沉作用和辐射增温,是高温天气出现的有利条件．高温期间,对流层整层大气维持着深厚的下沉运动,底层强的下沉中心增大了太阳辐射对地表增温效果的影响,使东北地区多地日最高气温突破历史极值．

本文仅仅从西太副高、青藏高压的异常表现,以及大气垂直运动这3个方面,对2018年盛夏东北地区出现的异常持续高温事件进行初步分析．影响极端天气气候事件的因子很复杂,如太阳黑子,更大尺度的遥相关型以及海气相互作用．另外,有研究表明台风活跃程度[19]、夏季风强弱[20]、鄂霍次克海阻高位置[21]等与东北和华东沿海极端高温有一定的相关性,这些因素对异常高温事件的贡献有多少,还需深一步探讨和研究．