周春花 吳 薇

（1.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨與旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，成都 610072；3.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610072）

0 引 言

近年來，在全球氣候變暖的背景下，夏季極端高溫事件頻發(fā)，給人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴重影響[1-2]。作為極端天氣氣候事件的一種類型，大量研究證實極端高溫事件對人類健康、社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)有著顯著的影響且與高溫相關(guān)的威脅正在上升[3]。

研究表明極端高溫事件的發(fā)生往往與大氣環(huán)流的異常變化有關(guān)，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱西太副高）活動異常是導(dǎo)致我國極端高溫發(fā)生的主要原因。一方面西太副高與其他環(huán)流系統(tǒng)的相互作用會加速高溫事件的發(fā)展。如熱帶和中緯度西風(fēng)帶環(huán)流配置使得西太副高異常西伸并與大陸暖高壓連通，四川、重慶受高壓控制進而形成罕見高溫；另一方面，海洋熱狀況也會直接或間接影響西太副高異常變化，進而導(dǎo)致極端高溫事件[1-18]。針對高溫特征和形成機理的研究方面，王秀萍等[1]對2018 年大連夏季極端高溫干旱的環(huán)流特征和成因進行了分析，認為西太平洋副熱帶高壓異常偏西偏北，與異常偏東偏北的南亞高壓相向運動，強度同步發(fā)展加強并疊加在大連地區(qū)上空，引起整層大氣增溫。馬浩等[7]對2017 年浙江高溫?zé)崂颂卣骷碍h(huán)流背景進行了分析，認為西太副高偏強偏西是造成極端事件的直接原因。邢彩盈等[8]對2019 年春季海南島異常高溫成因進行了分析，認為西太副高也是春季高溫的主導(dǎo)系統(tǒng)。中國幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異較大。同樣是高溫事件，其特征及影響異常高溫的環(huán)流系統(tǒng)和外部強迫信號也不相同。因此，研究不同地區(qū)高溫的特征和成因具有非常重要的科學(xué)意義和實用價值。

2022 年7 月下旬至8 月，四川盆地出現(xiàn)了建站以來最嚴重的極端高溫天氣，四川省的最極端高溫造成了部分地區(qū)用電緊張[15，19-20]。居民日用電量最高達4.73 億kW·h，全省電網(wǎng)最高負荷躍升至6 500 萬kW，同比增長25%，創(chuàng)歷史新高。然而，這期間主要的江河來水量異常偏少，水電發(fā)電量銳減，天然來水電量由同期約9.00 億kW·h 下降至約4.50 億kW·h，降幅達50%，保障成都等負荷中心用電的多個主力水電站水庫蓄水幾乎消落至死水位，出現(xiàn)“汛期反枯”的罕見現(xiàn)象。長時間的高溫導(dǎo)致電網(wǎng)負荷創(chuàng)歷史新高，疊加水電發(fā)電量銳減，造成能源供應(yīng)保障短缺，四川盆地東部發(fā)生多起森林火災(zāi)。據(jù)國家氣候中心評估結(jié)果顯示，綜合考慮高溫?zé)崂耸录钠骄鶑姸?、影響范圍和持續(xù)時間，2022 年的區(qū)域性高溫事件綜合強度已達到1961 年有完整氣象觀測記錄以來最強。本文在參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[1-18]，利用新資料分析2022 年四川盆地區(qū)域性極端高溫過程的特征，以及大氣環(huán)流異常形勢進行分析，加深對極端高溫事件的認識，以期為未來的高溫風(fēng)險預(yù)估和服務(wù)提供有益幫助。

1 資料與方法

所用資料包括4部分：①1981—2010年和2022年歐洲中期天氣預(yù)報中心（ERA5）全球逐日平均再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向37層，變量包括風(fēng)場、溫度場、高度場、氣壓場和濕度場，采用1981—2010年30 a平均值作為氣候平均值；②1980—2022 年四川盆地104 個國家站的逐日最高氣溫（剔除峨眉山站）；③溫江站7—8月逐小時凈輻射資料；④1981—2010年和2022年ERA5全球陸面逐月輻射再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°。

統(tǒng)計規(guī)則和方法：高溫日是指最高氣溫達到或超過35℃以上的日期，為了突出持續(xù)時間對高溫過程影響，將連續(xù)3個及以上高溫日作為一次高溫過程。文中選此標準，結(jié)合高溫影響范圍對四川盆地區(qū)域性高溫天氣進行如下定義：四川盆地區(qū)域性高溫過程是指連續(xù)3 d 及以上最高氣溫≥35℃，且日影響面積均≥5 000 km2，則為一次區(qū)域性高溫過程。

針對區(qū)域性高溫過程，結(jié)合業(yè)務(wù)工作需求，利用1981—2020 年高溫過程建立區(qū)域性高溫過程綜合評估指數(shù)。將日最高氣溫等級分為4 級，從低到高1～4 分別對應(yīng)如下溫度（℃）范圍：35～37、37～39、39～41 和≥41℃。根據(jù)不同高溫等級對應(yīng)的高溫強度、影響面積、持續(xù)時間建立區(qū)域性高溫過程評估指數(shù)模型。

式中：L為高溫等級，L=1，2，3，4；K為高溫過程數(shù)，K=1，2，3，…k；E為平均最高氣溫，℃；S為影響面積，km2；T為持續(xù)時間，d；AL為各等級權(quán)重，文中權(quán)重分別為0.1，0.2，0.3，0.4。根據(jù)百分位法，將區(qū)域性高溫過程劃分為特強、強、較強、一般4個等級[16]。

表1 區(qū)域性高溫等級劃分

2 盆地高溫特征

2022 年7 月以來，四川盆地降雨持續(xù)偏少，高溫天氣頻發(fā)，按照區(qū)域性高溫過程標準，7 月25 日是四川盆地區(qū)域性高溫天氣開始日，持續(xù)至8 月28 日（以下將本次過程簡稱8 月高溫過程），共計35 d。從逐日平均雨量來看（圖1），盆地日均降雨量普遍在10 mm 以下，降雨量較歷史同期偏少80%～100%。與此同時，在連日的少雨情況下，高溫天氣持續(xù)發(fā)展，本次高溫過程平均氣溫值為28～35℃，而歷史平均值僅為25～28℃，平均氣溫較常年同期偏高3～7℃，特別是以武勝和自貢為代表的盆地東部，平均氣溫較常年同期偏高7℃。同時有90 個站最高氣溫突破了歷史極值，高溫過程期間盆地平均最高氣溫達到了35.7℃。從盆地逐日平均最高氣溫變化看，7 月25 日開始，平均最高氣溫為33.6℃，極端最高氣溫超過40℃，隨著高溫天氣持續(xù)發(fā)展，8 月7 日以后平均最高氣溫持續(xù)超過35℃，并在20 日、21 日達到了40℃以上，同時極端最高氣溫在8 月24日達到了44℃，為有記錄以來最高氣溫。

圖1 8月高溫過程的平均最高氣溫、極端最高氣溫和降雨量逐日變化

進一步分析8 月區(qū)域性高溫過程空間分布特征，盆地極端最高氣溫呈由西向東遞增的趨勢（圖2（a）），盆地西部除沿山少數(shù)高海拔站極端最高氣溫為36℃外，西部極端最高氣溫普遍為38～42℃，東部極端最高氣溫為42～44℃。從歷史極端氣溫距平來看（圖2（b）），此次高溫過程平均最高氣溫較歷史極值偏高1.4℃，盆地中部和西部偏高的強度最大，特別是德陽中江地區(qū)，極端最高氣溫偏高程度達到了4.1℃。

圖2 8月高溫過程的極端最高氣溫和極端最高氣溫距平

8 月高溫過程的持續(xù)時間也為歷史最長，≥35℃站點持續(xù)時間空間分布同樣呈由西向東遞增的分布特征，104 個站的高溫平均持續(xù)時間為26 d（圖3（a）），盆地東部高溫持續(xù)日數(shù)超過30 d，其中達州、廣安、南充、遂寧、資陽、內(nèi)江、自貢和瀘州8市達到了35 d。≥40℃高溫持續(xù)天數(shù)也呈東部多西部少的分布特征（圖3（b）），除沿山一帶外西部的極端高溫天數(shù)為3～10 d，東部極端高溫天氣天數(shù)普遍為10 d 以上，特別是達州、廣安、內(nèi)江和瀘州4 市，≥40℃高溫天數(shù)在15 d以上。

圖3 8月高溫過程的高溫日數(shù)

此次區(qū)域性高溫過程呈持續(xù)時間長，極端高溫強，影響范圍廣的特征。為了客觀刻畫此次過程的強度，統(tǒng)計了1981 年以來四川盆地區(qū)域性高溫過程的持續(xù)時間、影響范圍和高溫綜合強度指數(shù)。從高溫持續(xù)時間分布來看（圖4（a）），歷史區(qū)域性高溫天氣的平均持續(xù)時間為11.4 d，而本次高溫過程持續(xù)了38 d，為歷史最長持續(xù)時間，其次是2018 年8 月的過程，持續(xù)了36 d。從影響范圍來看（圖4（b）），歷史區(qū)域性過程最大影響面積平均值為101 491 km2，本次過程的最大影響面積為201 596 km2，是歷史平均值的近2倍，同時也是歷史最大影響范圍。

圖4 歷史110次高溫過程持續(xù)天數(shù)、最大影響面積和高溫綜合強度指數(shù)

從高溫綜合強度指數(shù)PT來看（圖4（c）），歷史110次區(qū)域性過程綜合強度指數(shù)平均值僅為2.45，而本次過程綜合強度為特強，指數(shù)達到了37.49，遠超歷史過程，歷史上第2 強的過程為2016 年，綜合強度指數(shù)也僅為12，足以證明此次過程是1981年以來最強高溫影響過程?？蓪⒋诉^程稱為區(qū)域性極端高溫過程。

3 成因討論分析

為進一步分析8 月高溫過程的成因，計劃從對流層高層的環(huán)流形勢、低層水汽輸送及熱力條件3 方面來對高溫過程的成因進行探討。

3.1 對流層中高層異常環(huán)流影響

持續(xù)的高溫天氣往往與大氣環(huán)流形勢異常有關(guān)，是不利于降水的異常環(huán)流持續(xù)發(fā)展和長期維持的結(jié)果[1]，西太副高是夏季高溫的關(guān)鍵系統(tǒng)，受其控制容易出現(xiàn)晴熱少雨的天氣，通過太陽短波輻射和下沉氣流的增溫作用使氣溫在短時間內(nèi)迅速升高、引發(fā)高溫事件[7-10，17]。

8 月高溫過程中南亞高壓較歷史同期明顯偏東偏強（圖5（a）），平均中心強度達到了1 692 dagpm，歷史平均僅為1 684 dagpm，整個四川上空為正距平中心控制，最大正距平達到了14 dagpm 以上，同時1 684 dagpm 脊線位置較常年偏東約20 個經(jīng)度，伸展至120°E 以東。根據(jù)陶詩言等[13]的研究表明，西太副高的西進東退與南亞高壓活動有著密切關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)出“相向而行”和“相背而去”的配置關(guān)系。此次高溫過程南亞高壓東擴的同時，西太副高也向西行進。從500 hPa平均高度和距平場來看（圖5（b）），四川區(qū)域為588 dagpm 線控制，與歷史同期相比，西太副高偏西偏強，四川上空為6～9 dagpm 的正距平區(qū)，副高脊點西伸至90°E，脊點較歷史同期偏西50 個經(jīng)度。整個高溫過程持續(xù)期間對流層中高層均為強大的高壓控制，致使四川盆地持續(xù)盛行下沉氣流，增溫明顯，出現(xiàn)持續(xù)高溫少雨天氣。

圖5 8月高溫過程位勢高度場及距平圖

3.2 低層水汽輸送異常

低層水汽輸送異常是一個地區(qū)多雨和少雨的重要影響因子[1]，8月高溫過程期間四川盆地受反氣旋環(huán)流外圍氣流影響，水汽主要來源于印度洋孟加拉灣和西太平洋（圖6（b）），但上述兩個地方水汽向北輸送的過程中，在盆地內(nèi)沒有明顯的輻合運動，特別是在盆地南部為水汽輻散區(qū)，不利于降雨的發(fā)生。同時與常年同期相比（圖6（a）），孟加拉灣和西太平洋的水汽輸送為-2×10-2g·s-1·cm-1·hPa-1的負距平區(qū)，說明此次過程的水汽輸送異常偏少，盆地獲得的水汽也較常年明顯偏少，偏少的水汽輸送使得盆地內(nèi)降雨偏少，從而加劇了高溫天氣的發(fā)展。

圖6 8月高溫過程850 hPa平均水汽通量距平及散度

3.3 溫度熱力異常分析

為探討副高控制下高溫天氣的熱力條件，從熱力學(xué)第一定律的溫度變化方程來討論此次高溫過程的熱力情況，熱力學(xué)第一定律的溫度方程如下[18]：

式中：T為溫度；V為風(fēng)場；ω為垂直速度；Cp為定壓比熱容；γ為溫度遞減率；γd為干絕熱遞減率；Q為非絕熱加熱；t為時間。

一個地方的溫度變化分別由溫度平流項、絕熱冷卻項和非絕熱項共同決定。通常情況下溫度平流項很重要，它對高空和地面的氣溫變化有很大影響，它是決定日平均氣溫的主要因子[18]。2022年8月高溫過程期間850 hPa平均溫度顯示在四川盆地內(nèi)有298 K（開爾文）的暖中心（圖7（a）），較周圍偏高4～8 K，同時盆地有2×10-4K/s 以上的暖平流中心配合。與多年同期相比（圖7（b）），盆地內(nèi)為溫度正距平中心，溫度較常年偏高4 K以上。同時盆地內(nèi)也為溫度平流的正距平區(qū)，溫度平流較歷史同期偏強2.5×10-4K/s。較常年偏強的暖平流作用加強了盆地高溫的強度。

圖7 8月高溫過程的850 hPa平均溫度和正溫度平流，平均溫度距平和溫度平流正距平

絕熱冷卻項的變化與垂直速度的上升、下沉運動有關(guān)，下沉運動增溫、上升運動冷卻，8 月高溫過程平均垂直運動情況如圖8所示，經(jīng)向和緯向剖面均顯示盆地內(nèi)（北緯28.0°—32.5°，東經(jīng)102.0°—108.0°）為下沉氣流控制區(qū)，下沉運動在經(jīng)向剖面上更為顯著，同時還形成了一個閉合環(huán)流圈，氣流在盆地內(nèi)下沉，32°N以北上升。緯向剖面上盆地內(nèi)也為下沉運動區(qū)，但下沉運動速度略小，中心速度在0.06 Pa/s，在“下沉增溫”的同時，下沉氣流使得低層水汽難以成云致雨，可以有更多的太陽輻射到達地面，使得地面獲得更多熱量，從而使得地面氣溫攀升。

圖8 8月高溫過程高度—平均垂直速度

根據(jù)尹東屏等[18]的研究表明，在副高控制下，由于溫度水平梯度和風(fēng)速都較小，非絕熱因子對高溫的產(chǎn)生起到關(guān)鍵作用。非絕熱加熱包括輻射、感熱輸送和潛熱釋放，大氣的最根本能源是太陽輻射，但它只有一小部分直接為大氣所吸收；一部分被地表面吸收，使地面增溫。地表凈輻射是指地表通過長短波輻射過程得到的凈能量，表示為在地氣輻射能量交換過程中，被地面所吸收的太陽輻射能量[21-22]。從晝夜變化來看，呈現(xiàn)單峰變化趨勢。日出之前凈輻射通量是負值，日出之后，隨著太陽高度角的增大，地表凈輻射也在逐漸上升，直到正午（12：00—13：00）達到一日中的最大值；而后持續(xù)下降，直到日落后又變成負值[22]。從溫江站日最大凈輻射和日最高氣溫逐日變化來看（圖9），每日最大凈輻射值出現(xiàn)在12：00—14：00時，最高氣溫出現(xiàn)在13：00—15：00時，最高氣溫出現(xiàn)時間略滯后于最大凈輻射值時間，凈輻射值與最高氣溫有著密切關(guān)系，凈輻射值的增加、減小預(yù)示著氣溫的增加、較小，它們趨勢一致。由于目前盆地內(nèi)僅有溫江站一個站點對輻射進行觀測和考核，為分析盆地內(nèi)輻射值變化，利用ERA5-land 逐月平均再分析資料分析本次過程的地表凈輻射空間分布情況（圖10（b）），8月盆地內(nèi)是一個凈輻射高值中心區(qū)，平均凈輻射值達到了14×106～15×106J/m2，距平顯示盆地內(nèi)為正距平中心區(qū)，凈輻射值較常年平均偏高3.5×106J/m2，強的地表凈輻射增加，使得地面氣溫升高。在持續(xù)高溫過程中，盆地內(nèi)白天最大風(fēng)速普遍在4 m/s 以下，平均總云量在0～2 成，以8 月20 日白天總云量為例（圖10（a）），可以看到盆地內(nèi)總云量幾乎為0。8 月高溫過程中的白天風(fēng)速小，云量少，到達地面的凈輻射值持續(xù)維持高值，從而加強了盆地最高氣溫的強度。

圖9 溫江站最大凈輻射和最高氣溫逐日變化

圖10 8月20日總云量、8月陸面凈輻射值（等值線）和距平

4 結(jié) 論

2022 年7 月下旬至8 月底，由于受持續(xù)極端高溫天氣影響，四川盆地出現(xiàn)了多種極端天氣疊加的狀況，最高氣溫較歷史同期偏高，降雨較歷史同期顯著偏少，針對這次極端高溫天氣過程的特征及其成因進行分析，得到以下結(jié)論。

（1）2022 年8 月區(qū)域性高溫過程中盆地最高氣溫平均值為35.7℃，有87%的站點突破歷史極值，本站最高氣溫較歷史極值平均偏高1.4℃，最大站點偏高4℃。區(qū)域性高溫天數(shù)持續(xù)35 d，為歷史最長，歷史區(qū)域性高溫天氣的平均持續(xù)時間僅為11.4 d。影響面積也最廣，本次過程的最大影響面積為201 596 km2，是歷史平均值的近2倍。

（2）2022 年8 月區(qū)域性高溫過程綜合強度指數(shù)達到了37.49，遠超歷史過程，歷史上第2強的過程為2016年，綜合強度指數(shù)也僅為12，歷史區(qū)域性過程綜合強度指數(shù)平均值也僅為2.45。

（3）造成本次極端高溫天氣的南亞高壓強度較歷史同期明顯偏強14 dagpm，脊點偏東20 個經(jīng)度，西太副高歷史同期偏強6～9 dagpm，脊點偏西50 個經(jīng)度，盆地上空對流層中高層均為強大的高壓控制，致使四川盆地持續(xù)盛行下沉氣流，增溫明顯。

（4）低層的水汽輸送量較常年偏少，且在盆地南部為水汽輻散區(qū)，不利于降雨的發(fā)生，使得盆地內(nèi)降雨偏少，從而加劇了高溫天氣的發(fā)展。副高控制下的高溫天氣中非絕熱因子對高溫的產(chǎn)生起到關(guān)鍵作用，8 月的區(qū)域性高溫過程中盆地內(nèi)白天最大風(fēng)速普遍在4 m/s 以下，平均總云量在0～2 成，地表凈輻射值較常年平均偏高3.5×106J/m2，強的地表凈輻射增加，使得地面氣溫進一步升高。