羅 娟 鄧承之 朱 巖 夏 蘩 龐 玥 朱浩楠

1 中國氣象局氣候資源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,重慶 401147 2 重慶市氣象臺(tái),重慶 401147 3 重慶市氣候中心,重慶 401147

提 要: 2022年盛夏,重慶地區(qū)出現(xiàn)了兩段高溫天氣,兩段高溫均為先大陸高壓、后副熱帶高壓控制下形成的。利用地面觀測(cè)資料和ERA5再分析資料,對(duì)比分析了重慶大陸高壓階段和副熱帶高壓階段的高溫特征差異。結(jié)果表明:大陸高壓持續(xù)時(shí)間短,為高溫發(fā)展階段,高溫強(qiáng)度弱、相對(duì)濕度大、氣溫日較差大;副熱帶高壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),為高溫強(qiáng)盛階段,高溫極端性強(qiáng),干熱特征顯著、夜間升溫明顯。熱力學(xué)方程診斷表明,大陸高壓階段,增溫為非絕熱加熱和垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)共同作用;副熱帶高壓階段,白天增溫主要源于非絕熱加熱,其次為溫度平流項(xiàng),垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)作用弱,夜間低空干絕熱或超絕熱層減弱消失,翻越云貴高原的下沉氣流帶來的增溫效應(yīng)顯著增強(qiáng)。地表熱力差異表明,副熱帶高壓階段較大陸高壓階段地表潛熱通量下降,感熱通量顯著上升,地表感熱直接加熱大氣,對(duì)地面增溫作用明顯。

引 言

隨著全球氣候變化和城市化進(jìn)展加快,夏季極端高溫事件呈現(xiàn)出明顯增多的趨勢(shì),高溫?zé)崂藝?yán)重影響人體健康,加劇能源消耗,威脅生態(tài)環(huán)境,已經(jīng)成為主要的氣象災(zāi)害之一(楊宏青等,2013;許霜等,2014;謝志清等,2015;高璇等,2023)。目前,高溫成因研究方面已取得不少成果,大氣中的高壓環(huán)流系統(tǒng)是影響高溫?zé)崂说闹苯右蛩?。?duì)于我國夏季南方地區(qū)高溫而言,最主要的高壓環(huán)流系統(tǒng)包括西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副熱帶高壓)(林建等,2005;尹東屏等,2006;賈子康等,2020)、大陸副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱大陸高壓)(彭京備等,2007;陳麗華等,2010;袁媛等,2018)、以及對(duì)流層中高層的南亞高壓(張瓊和吳國雄,2001;錢永甫等,2002)。大陸副熱帶高壓是由謝義炳(1997)提出,有別于海洋上空的副熱帶高壓,大陸高壓環(huán)流位于陸地上。2006年夏季,大陸高壓與西伸的副熱帶高壓打通,控制川渝地區(qū),導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)歷史罕見的高溫天氣(彭京備等,2007;陳麗華等,2010)。副熱帶高壓和南亞高壓異常偏強(qiáng)也是出現(xiàn)高溫的重要原因,例如2003年夏季,我國江南出現(xiàn)大范圍異常高溫天氣就是由于副熱帶高壓的異常偏強(qiáng)和偏西,同時(shí)南亞高壓異常偏強(qiáng)和偏東造成的(彭海燕等,2005;林建等,2005;楊輝和李崇銀,2005)。2013年中國大范圍的強(qiáng)高溫事件也與副熱帶高壓和南亞高壓的活動(dòng)密切相關(guān),高壓中空氣的下沉絕熱增溫是形成高溫天氣的主要物理機(jī)制(唐恬等,2014;楊涵洧和封國林,2016;彭京備等,2016)。

此外,還有一些氣象學(xué)者從熱力學(xué)方程出發(fā),從熱力成因方面對(duì)高溫天氣做了很多研究(周后福,2005;張迎新和張守保,2010)。尹東屏等(2006)的研究表明,在副熱帶高壓控制下,非絕熱加熱是2003年7—8月江蘇高溫出現(xiàn)的關(guān)鍵,而溫度平流和絕熱加熱對(duì)高溫的貢獻(xiàn)非常小。方宇凌和簡(jiǎn)茂球(2011)發(fā)現(xiàn),在2003年夏季的三段持續(xù)性高溫期間,大氣升溫主要是由非絕熱加熱造成,而溫度平流對(duì)升溫起負(fù)貢獻(xiàn)。鄒海波等(2015)研究了2013年盛夏中國中東部地區(qū)異常高溫天氣的成因,也得出類似的結(jié)論,非絕熱加熱(主要是長(zhǎng)波凈輻射)是夏季中國中東部地區(qū)升溫最為主要的因子,而異常的溫度平流(冷平流)則起著負(fù)貢獻(xiàn)。

2022年夏季,中國南方地區(qū)再次出現(xiàn)持續(xù)性異常高溫天氣,具有影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、極端性強(qiáng)的特點(diǎn),高溫天氣綜合強(qiáng)度為1961年有完整氣象觀測(cè)記錄以來最強(qiáng),中央氣象臺(tái)連續(xù)多日發(fā)布高溫紅色預(yù)警。針對(duì)2022年極端高溫事件,林紓等(2022)對(duì)高溫干旱特征和環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行了分析,表明2022年夏季對(duì)流層高層南亞高壓異常偏東,與中層的西太平洋副熱帶高壓相向而行,高壓系統(tǒng)疊加呈穩(wěn)定正壓結(jié)構(gòu),高壓中心位于川渝上空,致使川渝地區(qū)成為高溫日數(shù)和極端高溫事件次數(shù)的高值中心。郝立生等(2022)認(rèn)為2022年長(zhǎng)江流域夏季異常高溫干旱氣候事件的發(fā)生是高緯、中低緯、低緯熱帶地區(qū)環(huán)流異常協(xié)同作用影響的結(jié)果。可見,現(xiàn)有研究從大氣環(huán)流異常的角度,表明異常偏強(qiáng)的高壓環(huán)流系統(tǒng)是2022年長(zhǎng)江流域持續(xù)性高溫天氣的主要原因,但對(duì)不同高壓系統(tǒng)下高溫天氣學(xué)特征的認(rèn)識(shí)仍然不足。

重慶素有“火爐”之稱,副熱帶高壓和大陸高壓是高溫天氣最為直接和重要的影響系統(tǒng),那么2022年盛夏(7—8月)不同高壓控制下的重慶高溫究竟有何不同?為了回答這一科學(xué)問題,本文利用地面觀測(cè)資料和ERA5再分析資料,首先從環(huán)流形勢(shì)、高溫強(qiáng)度、相對(duì)濕度和氣溫日較差等方面進(jìn)行對(duì)比,再從熱力學(xué)方程出發(fā)進(jìn)行診斷,探討和總結(jié)不同高壓控制下重慶高溫特征差異和可能成因,以期為高溫預(yù)警服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文使用的最高氣溫和相對(duì)濕度資料來自重慶國家地面站。環(huán)流分析和熱力學(xué)方程診斷所用資料要素包括高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和垂直速度等,4.2小節(jié)中的地表熱力差異特征分析采用的地表接收到的太陽輻射、地表感熱通量和潛熱通量數(shù)據(jù),均來源于ERA5再分析數(shù)據(jù)集,資料時(shí)間分辨率為1 h,水平分辨率為0.25°×0.25°。地表感熱和潛熱通量在ERA5中規(guī)定向下為正通量,向上為負(fù)通量,為了符合使用習(xí)慣,本文在垂直通量前乘以-1。另外,本文所使用的站點(diǎn)為沙坪壩和北碚站。

1.2 方 法

為了診斷分析造成2022年盛夏重慶不同階段高溫天氣的主要因子,有必要定量計(jì)算影響溫度局地變化的各項(xiàng)因子,由熱力學(xué)第一定律可得溫度隨時(shí)間的變化方程,即:

(1)

引起溫度局地變化的因子主要有三項(xiàng),分別為溫度平流項(xiàng)-V·T,垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)-w(γd-γ)和非絕熱加熱項(xiàng)其中T為溫度,V為水平風(fēng)矢量,w為垂直速度,γd為干絕熱垂直遞減率,γ為環(huán)境溫度垂直遞減率,cp為定壓比熱容,Q為外源加熱量。由于Q的計(jì)算非常復(fù)雜,因此本文4.1小節(jié)進(jìn)行熱力學(xué)方程診斷時(shí)先計(jì)算出溫度隨時(shí)間變化、溫度平流項(xiàng)和垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng),再由式(1)推算出非絕熱加熱項(xiàng)。另外,本文給出了大陸高壓階段和副熱帶高壓階段各項(xiàng)因子的合成結(jié)果,是先根據(jù)式(1)使用ERA5資料進(jìn)行逐日逐時(shí)計(jì)算,再將不同階段的計(jì)算結(jié)果合成。

2 高溫天氣概況

2022年盛夏,重慶出現(xiàn)大范圍持續(xù)性晴熱高溫天氣,高溫呈現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣和極端性強(qiáng)的特點(diǎn)。圖1給出了≥35℃和≥40℃高溫日數(shù)歷年變化,由圖可知,全市35℃以上高溫日數(shù)達(dá)49.7 d,超過2006年(49.4 d)(圖1a);40℃以上高溫日數(shù)達(dá)15.8 d,刷新了2006年歷史極值(10.2 d),高溫日數(shù)為1961年有完整氣象觀測(cè)記錄以來同期最多(圖1b)。圖2a為各區(qū)縣≥40℃高溫日數(shù)分布,由圖可見,高溫天氣范圍廣且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),全市有31個(gè)區(qū)(縣)(占比為91%)出現(xiàn)40℃以上的高溫天氣,有25個(gè)區(qū)(縣)(占比為74%)40℃以上高溫日數(shù)超過了10 d,15個(gè)區(qū)(縣)(占比為44%)超過20 d(圖2a)。圖2b顯示了日最高氣溫刷新歷史紀(jì)錄的區(qū)(縣),高溫極端性突出,日最高氣溫連創(chuàng)新高,15個(gè)區(qū)(縣)(占比為44%)日最高氣溫刷新當(dāng)?shù)赜袣庀笥涗浺詠須v史極值,其中北碚站連續(xù)兩天日最高氣溫達(dá)45℃,超過2006年重慶綦江站(44.5℃),這也是除新疆吐魯番以外目前國家站觀測(cè)到的最高值。

圖1 1961—2022年重慶(a)≥35℃和(b)≥40℃高溫日數(shù)年變化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壩站位置。圖2 2022年盛夏重慶各區(qū)(縣)(a)≥40℃的高溫日數(shù)和(b)日最高氣溫刷新歷史紀(jì)錄的區(qū)(縣)分布情況Fig.2 (a) Days of maximum temperature ≥40℃ and (b) counties with record-breaking maximum temperature in Chongqing in midsummer of 2022

3 高溫演變及不同階段高溫特征對(duì)比

圖3顯示了2022年盛夏重慶高溫站數(shù)逐日演變。2022年盛夏重慶高溫主要有兩段:第一段在7月4—17日,第二段在7月24日至8月29日。從逐日天氣圖演變來看(圖略),兩段高溫均表現(xiàn)為先大陸高壓控制,后轉(zhuǎn)為副熱帶高壓控制。第一階段期間:7月4—8日為大陸高壓控制,7月9—17日轉(zhuǎn)為副熱帶高壓控制;第二階段期間:7月24—31日為大陸高壓控制,而8月1—29日再次轉(zhuǎn)為副熱帶高壓控制。大陸高壓和副熱帶高壓控制的重慶高溫特征究竟有何不同?

圖3 2022年盛夏重慶逐日高溫站數(shù)演變Fig.3 Time series of the stations with daily high temperature in Chongqing in midsummer of 2022

圖4給出了不同高壓階段合成環(huán)流形勢(shì)。由圖可見,大陸高壓階段200 hPa(圖4a)南亞高壓位于伊朗高原至青藏高原上空,位勢(shì)高度場(chǎng)有強(qiáng)的正距平,對(duì)流層中部500 hPa(圖4b)強(qiáng)的正距平位于青藏高原到四川盆地,重慶受到大陸高壓脊前側(cè)的偏北氣流控制。副熱帶高壓階段南亞高壓明顯東擴(kuò),異常強(qiáng)盛的南亞高壓盤踞在長(zhǎng)江流域上空(圖4c);500 hPa副熱帶高壓顯著西伸北抬,且呈現(xiàn)出異常偏西的特征,長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定控制重慶地區(qū)(圖4d)。因此,大陸高壓和強(qiáng)盛的副熱帶高壓是2022年盛夏重慶高溫的關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)。

圖4 2022年(a,b)7月4—8日和24—31日大陸高壓階段以及(c,d)7月9—17日和8月1—29日副熱帶高壓階段平均位勢(shì)高度(等值線,單位:dagpm)、位勢(shì)高度距平(填色)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)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

圖3還顯示了高溫的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度,大陸高壓持續(xù)時(shí)間短,而副熱帶高壓持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。大陸高壓階段主要為兩段高溫的初期發(fā)展階段,以35℃和37℃的高溫天氣為主,個(gè)別站點(diǎn)超過40℃;而副熱帶高壓階段則為兩段高溫的強(qiáng)盛階段,40℃以上的高溫范圍明顯擴(kuò)大,特別是8月8—25日,持續(xù)有70%左右的國家站出現(xiàn)40℃以上的高溫天氣,此階段也為2022年盛夏重慶高溫的最強(qiáng)時(shí)段。

先大陸高壓后副熱帶高壓控制是否為重慶持續(xù)性高溫天氣的普遍特征?圖5給出了2006年盛夏川渝異常高溫天氣500 hPa環(huán)流對(duì)比。由圖可見,2006年盛夏重慶高溫也具有類似環(huán)流演變特征,以7月下旬階段性高溫為例,7月22—27日(圖5a)重慶受大陸高壓控制,高溫處于發(fā)展階段,隨后副熱帶高壓西伸(圖5b),7月31日后(圖5c),強(qiáng)烈西伸的副熱帶高壓與大陸高壓打通,高溫進(jìn)入強(qiáng)盛階段?？梢?先大陸高壓、后副熱帶高壓控制是盛夏重慶持續(xù)性高溫的典型發(fā)展形勢(shì)。

圖5 2006年7月(a)22日08時(shí),(b)28日08時(shí),(c)31日08時(shí)500hPa位勢(shì)高度(等值線,單位:dagpm)、位勢(shì)高度距平(填色)和風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)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

為了對(duì)比不同高壓控制下高溫的干熱和濕熱特征,圖6a給出了北碚站7—8月逐日相對(duì)濕度、最高氣溫和氣溫日較差的演變。由圖可知,大陸高壓階段以濕熱為主,相對(duì)濕度為60%～80%,而副熱帶高壓階段則以干熱為主,特別是8月8日以后干熱特征更為顯著,隨著溫度攀升,相對(duì)濕度明顯下降,僅為30%～40%。這是因?yàn)榇箨懜邏弘A段持續(xù)時(shí)間短且出現(xiàn)在降雨過程后,相對(duì)濕度較高;而副熱帶高壓階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),地表水分逐漸蒸發(fā),且高溫強(qiáng)度強(qiáng)于大陸高壓階段,使得空氣飽和水汽壓增加,從而導(dǎo)致相對(duì)濕度降低。

圖6 2022年(a)盛夏北碚站逐日最高氣溫、氣溫日較差和平均相對(duì)濕度,(b)8月20日沙坪壩站逐時(shí)氣溫演變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

圖6a還顯示了大陸高壓階段氣溫日較差較大,約為15℃左右,副熱帶高壓階段氣溫日較差明顯減小,約為10℃左右。這是因?yàn)楦睙釒Ц邏弘A段除了最高氣溫在攀升之外,日最低氣溫升幅尤為顯著,特別是8月8日以后,重慶多個(gè)國家站夜間最低氣溫在34℃以上(圖略)。以8月20日沙坪壩站氣溫為例(圖6b),可以看出,沙坪壩站有23 h氣溫在35℃以上,18 h氣溫在37℃以上(09時(shí)至次日02時(shí)),10 h 氣溫在40℃以上(12—21時(shí))。

4 不同高壓控制下高溫成因?qū)Ρ?/h2>

4.1 溫度局地變化

為了尋找造成2022年盛夏重慶不同階段高溫天氣的主要因子,從熱力學(xué)方程出發(fā)進(jìn)行診斷分析。圖7和圖8 分別給出大陸高壓和副熱帶高壓階段850 hPa溫度局地變化、溫度平流項(xiàng)、垂直運(yùn)動(dòng)和非絕熱加熱項(xiàng)分布。由圖7可知,大陸高壓控制期間,重慶大部地區(qū)溫度局地變化為正值,特別是中西部地區(qū)升溫明顯(圖7a)。大陸高壓階段增溫主要源于垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)和非絕熱加熱,兩者貢獻(xiàn)相當(dāng)(圖7c,7d)。而溫度平流項(xiàng)作用較小,且在武陵山脈和云貴高原北側(cè)還有弱的冷平流(圖7b),這可能與重慶處于大陸高壓脊前側(cè),武陵山脈和云貴高原北側(cè)存在偏北氣流攜帶冷空氣在山前堆積有關(guān)。由圖8可知,副熱帶高壓階段,增溫較大陸高壓階段更為強(qiáng)盛(圖8a),各項(xiàng)因子對(duì)增溫的貢獻(xiàn)也有明顯不同,副熱帶高壓階段白天最重要的增溫源于非絕熱加熱項(xiàng)(圖8d),即太陽短波輻射、地面長(zhǎng)波輻射、感熱及尺度較小的湍流等作用,其次為溫度平流項(xiàng)(圖8b),偏南風(fēng)攜帶暖空氣北上,在武陵山脈和云貴高原北側(cè)有一定的正貢獻(xiàn)。另外,副熱帶高壓階段白天增溫垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)貢獻(xiàn)小(圖8c),較大陸高壓階段明顯減弱。

圖8 2022年7月9—17日和8月1—29日14時(shí)副熱帶高壓階段平均的850 hPa(a)溫度局地變化,(b)溫度平流項(xiàng),(c)垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)及(d)非絕熱加熱項(xiàng)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

圖9給出了北碚站熱力學(xué)方程各項(xiàng)因子時(shí)間-高度演變。由圖可知,副熱帶高壓階段白天低空850 hPa以下增溫仍然主要源于非絕熱加熱作用(圖9d),其次為溫度平流項(xiàng)(圖9b),垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)作用弱,但對(duì)于對(duì)流層中上部700～300 hPa的增溫則主要源于垂直運(yùn)動(dòng)作用(圖9c),即下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的絕熱增溫現(xiàn)象。另外,夜間與白天的情況也有明顯不同,夜間在近地面有非絕熱冷卻(圖9d),溫度平流也以負(fù)貢獻(xiàn)為主(圖9b),但垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)的作用明顯加大(圖9c),可見偏南風(fēng)翻越云貴高原產(chǎn)生的下沉氣流在夜間形成了一定的增溫效應(yīng),這也是副熱帶高壓階段重慶夜間升溫的原因之一。

圖9 2022年7月9—17日及8月1—29日副熱帶高壓階段北碚站平均(a)溫度局地變化,(b)溫度平流項(xiàng),(c)垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)及(d)非絕熱加熱項(xiàng)的時(shí)間-高度演變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

垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)造成的增溫效應(yīng)在高溫不同階段、白天和夜間均有明顯不同,其原因與垂直速度和低空氣溫直減率有關(guān)。由垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)-w(γd-γ)可知,該項(xiàng)取決于w和γ。圖10為重慶北碚站分別在副熱帶高壓階段和大陸高壓階段氣溫直減率及垂直速度的時(shí)間-高度演變。由圖10a可知,白天副熱帶高壓階段在非絕熱加熱作用下低空快速增溫,800 hPa 以下形成了氣溫直減率在-10～-9℃·km-1的干絕熱甚至超絕熱層結(jié),環(huán)境大氣的氣溫直減率和氣塊干絕熱直減率相當(dāng),γd-γ較小,因此帶來的增溫效應(yīng)非常弱。圖10b顯示大陸高壓階段這種干絕熱層結(jié)較弱,γd-γ增大,因此由垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)產(chǎn)生的增溫效應(yīng)增強(qiáng)。圖10a還顯示出,副熱帶高壓階段低空氣溫直減率的日變化顯著,夜間低空干絕熱或超絕熱層消失,且下沉氣流有所增強(qiáng),因而垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)在夜間會(huì)產(chǎn)生更顯著的增溫效應(yīng)。

圖10 2022年(a)7月9—17日及8月1—29日副熱帶高壓階段,(b)7月4—8日及24—31日大陸高壓階段平均的北碚站氣溫直減率(填色)及垂直速度(等值線,單位Pa·s-1)的時(shí)間-高度演變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

綜上所述,2022年盛夏重慶副熱帶高壓階段增溫明顯強(qiáng)于大陸高壓階段。大陸高壓階段的增溫主要為非絕熱加熱和垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)共同作用。副熱帶高壓階段的白天增溫主要源于非絕熱加熱項(xiàng),其次為溫度平流項(xiàng),垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)作用弱,但夜間隨著低空干絕熱或超絕熱層減弱消失,翻越云貴高原的下沉氣流帶來的增溫效應(yīng)顯著增強(qiáng)。

4.2 地表熱力差異

上述分析表明,非絕熱加熱是重慶增溫最為主要的因子。大氣的熱量主要來自地球表面,近地面非絕熱加熱包括地表長(zhǎng)波輻射通量加熱、地表感熱通量加熱以及潛熱通量加熱。地球表面吸收太陽短波輻射后,同時(shí)放射出長(zhǎng)波輻射加熱大氣;地表感熱通量是通過空氣湍流影響地球表面和大氣之間熱量傳遞的物理量,感熱通量的大小取決于地表和覆蓋大氣之間的溫差、風(fēng)速差、地表粗糙度和土壤相對(duì)濕度等;地表潛熱通量是通過相變影響地球表面和大氣之間潛熱傳遞的物理量,地球表面的蒸發(fā)表示有熱量從地表轉(zhuǎn)移到大氣中。圖11為大陸高壓階段和副熱帶高壓階段地表熱力差異,由圖可知,兩個(gè)階段地表接收到的太陽輻射量接近,大陸高壓階段平均太陽輻射通量約700 W·m-2(圖11a),副熱帶高壓階段略有增加,為750 W·m-2(圖11d)。地表感熱通量在大陸高壓階段較小,僅為100 W·m-2(圖11b),副熱帶高壓階段明顯增大,達(dá)到300～350 W·m-2(圖11e)。潛熱通量則相反,大陸高壓階段較大,為500 W·m-2(圖11c),副熱帶高壓階段明顯減小,不足200 W·m-2(圖11f)。

圖11 2022年(a～c)7月4—8日和24—31日大陸高壓階段和(d～f)7月9—17日和8月1—29日副熱帶高壓階段的(a,d)太陽輻射通量,(b,e)地表感熱通量,(c,f)地表潛熱通量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

副熱帶高壓階段較大陸高壓階段太陽輻射變化不大,但地表感熱通量顯著上升,可能與持續(xù)晴熱天氣導(dǎo)致土壤濕度減小有關(guān)。易翔等(2016)利用WRF模式就土壤濕度擾動(dòng)對(duì)高溫天氣影響進(jìn)行模擬,結(jié)果表明土壤濕度減小會(huì)引起地面向上的感熱通量增加。地表感熱可以直接加熱大氣,對(duì)地面增溫作用更為明顯,而潛熱不直接加熱大氣,需要通過凝結(jié)釋放而對(duì)氣溫產(chǎn)生影響,對(duì)高溫作用相對(duì)較小,因此副熱帶高壓階段高溫強(qiáng)于大陸高壓階段。

5 結(jié)論與討論

2022年盛夏重慶經(jīng)歷了罕見的晴熱高溫天氣,高溫強(qiáng)度強(qiáng)、范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。大陸高壓和副熱帶高壓是此次重慶高溫天氣的關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng),本文對(duì)比分析了不同高壓控制下高溫特征差異及可能成因,得到以下結(jié)論:

(1)先大陸高壓、后副熱帶高壓控制是盛夏重慶持續(xù)性高溫典型發(fā)展形勢(shì),不同高壓控制下高溫特征表現(xiàn)不同。大陸高壓為持續(xù)性高溫發(fā)展階段,高溫強(qiáng)度較小,以35℃和37℃的高溫為主,副熱帶高壓進(jìn)入高溫強(qiáng)盛階段,出現(xiàn)大范圍40℃以上的極端高溫天氣。大陸高壓階段相對(duì)濕度較高,副熱帶高壓階段由于溫度高、飽和水汽壓增大,干熱特征更為顯著。另外,大陸高壓階段氣溫日較差大,約為15℃左右,副熱帶高壓階段氣溫日較差減小,約為10℃左右。

(2)溫度局地變化分析表明,副熱帶高壓階段增溫明顯強(qiáng)于大陸高壓階段。大陸高壓階段增溫主要為非絕熱加熱和垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)共同作用;副熱帶高壓階段增溫主要源于非絕熱加熱,其次為溫度平流項(xiàng),垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)白天低空增溫作用弱,但夜間隨著干絕熱或超絕熱層減弱消失,翻越山脈的下坡風(fēng)在云貴高原北側(cè)帶來顯著的下沉增溫效應(yīng)。

(3)地表熱力差異表明,副熱帶高壓階段較大陸高壓階段太陽輻射變化不大,地表潛熱通量下降,感熱通量顯著上升,地表感熱可以直接加熱大氣,對(duì)地面增溫作用更為明顯,因此副熱帶高壓階段高溫強(qiáng)于大陸高壓階段。

重慶極端高溫成因復(fù)雜,除與大氣環(huán)流形勢(shì)有關(guān)外,還與本地特殊地形密不可分。極端高溫位于重慶境內(nèi)平壩、河谷及嶺谷地帶,特殊地形使得熱量難以散發(fā)。加之近年來城市化進(jìn)展加快,“熱島效應(yīng)”也是重慶城市極端高溫的重要因子(白瑩瑩等,2015),因此,今后還需結(jié)合本地特殊地形及城市“熱島效應(yīng)”等對(duì)高溫成因做更全面的研究。