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1 中国农学通报 2018,34(9):90-98 Chinese Agricultural Science Bulletin 山西典型高温天气的环流特征与成因分析 郭媛媛, 董春卿, 苗爱梅, 王扬, 苗青 ( 山西省气象台, 太原 ) 摘要 : 本研究旨在提高对山西高温天气形成机理的认识 应用 年山西地面气象观测资料及 NCEP 再分析资料, 对山西夏季 107 个区域性高温天气过程开展时空分布特征 环流形势特征等的分析研究, 并利用高分辨率中尺度数值模式对典型高温个例开展数值模拟和诊断分析, 探讨山西区域性高温天气形成的可能原因 结果表明 : 山西高温的空间分布与地形 纬度等密切相关, 高温日数南部多于北部 盆地多于山地 ; 影响山西高温的 500 hpa 典型形势包括大陆暖高型 纬向环流型 西太平洋副高控制型 两槽一脊型 4 类, 其中两槽一脊型高温天气出现的频次最高 ; 大陆暖高影响时山西高温范围最大, 西太平洋副热带高压型控制时高温强度最大 高分辨率中尺度数值模式可以较好模拟出地面最高气温的空间分布特征 进一步分析表明 : 非绝热加热项是大陆暖高型 西太副高型 两槽一脊型导致高温天气的主要原因, 温度平流项是形成纬向环流型高温天气的主要因子 关键词 : 高温天气 ; 数值模拟 ; 成因分析 ; 山西中图分类号 :P448 文献标志码 :A 论文编号 :casb Typical High Temperature Weather in Shanxi: Circulation Characteristics and Cause Analysis Guo Yuanyuan, Dong Chunqing, Miao Aimei, Wang Yang, Miao Qing (Shanxi Meteorological Observatory, Taiyuan ) Abstract: The paper aims to improve the understanding of the formation mechanism of high temperature weather in Shanxi. Based on the meteorological observation data and NCEP reanalysis data from 2003 to 2016, the circulation characteristics and the time-space distribution characteristics of 107 regional high temperature weather processes in summer in Shanxi were analyzed, and numerical experiments were carried out to simulate and diagnose the possible causes of regional high temperature weather in Shanxi. The results indicated that: the spatial distribution of high temperature weather in Shanxi was closely related to topography and latitude, and high temperature days occurred more frequently in the south than that in the north and more in the basin than that in the mountains; continental warm high type, zonal circulation type, western Pacific sub-high type, and two troughs and one ridge type were the typical circulation situation of 500 hpa for high temperature in Shanxi, and two troughs and one ridge type occurred most frequently; when controlled by the continental warm high, the high temperature space was the largest, and the high temperature intensity was the highest when controlled by the western Pacific sub-high; the high resolution mesoscale numerical model could simulate the spatial distribution characteristics of surface temperature. Further analysis showed that: the diabatic heating term was the main cause of the high temperature weather caused by continental warm high type, western Pacific sub-high type, and two troughs and one ridge type, while the temperature advection term was the main factor for the formation of high temperature weather controlled by zonal circulation type. Key words: high temperature weather; numerical simulation; cause analysis; Shanxi 基金项目 : 山西省气象局一般课题 山西夏季区域性高温中期预报方法研究 (SXKYBTQ ); 军工科技项目 区域数值天气预报软件系统建设 (2015-ZG- 气象 -ZB ) 第一作者简介 : 郭媛媛, 女,1983 年出生, 山西平定人, 高级工程师, 硕士, 主要从事短期天气预报技术研究 通信地址 : 山西省太原市平阳路 80 号山西省气象台, guoyy36@qq.com 收稿日期 : , 修回日期 :

2 郭媛媛等 : 山西典型高温天气的环流特征与成因分析 91 0 引言 持续异常的高温天气会加剧地面蒸发, 土壤中体 积含水量降低, 致使农业生产造成严重影响 山西地 处黄河中游, 黄土高原东翼, 地形复杂, 境内有山地 丘 陵 高原 台地等多种地貌类型 复杂的地形分布带来 的高差悬殊, 造成山西天气既有温带大陆性季风气候 特征, 又有明显的垂直变化 西来气流越山后, 下坡风 带来的气温剧烈常常形成高温酷热天气, 严重影响民 众身体健康和农业生产安全 高温酷热天气已经成为 一个具有重要社会意义的科学问题 高温酷热天气的 产生原因有外在强迫 海表温度等, 以及局地热力强迫 如土壤湿度 城市热岛效应等 对于华北的高温酷热 天气, 已经有一些历史统计和天气学的研究 [1-5] 谢庄 [1] 等指出, 北京和华北高温天气与大环流形势密切相 关, 大陆高压维持是主要因素, 空气下沉增温是造成高 [6] 温酷暑的主要机制 李小锋讨论了华北极端高温发 生时的大气环流与海温异常特征的关系, 当西太副高 强度增加 脊线偏北 西伸脊点偏西时华北地区极端高 [7] 温出现概率较大 张国华等建立京津冀城市夏季高 温和闷热天气 2 类预报概念模型,500 hpa 两槽一 ( 弱 ) 脊型为典型的高温预报模型, 而 500 hpa 环流平直型为 典型的闷热预报模型 在分析土壤湿度与华北高温热 [8] 浪的关系方面, 王丽伟等指出, 华北 5 月下旬土壤湿 度与 6 月高温热浪次数 6 月上 中旬平均土壤湿度与 6 月高温热浪次数 7 月平均土壤湿度与 7 月高温热浪次 [9] 数的相关性均显著 杨涵洧等针对 2013 年盛夏大范 围持续性高温事件, 对其大气环流和可能的外部强迫 机制进行了诊断分析, 西太平洋副热带高压 ( 简称 副 高 ) 持续出现的面积偏大 强度偏强 西伸脊点偏西 等, 则是导致此次持续性高温事件发生的直接因子, 而 副高的这种持续异常特征则是多种因素综合影响的 结果 近年来, 随着中尺度数值模式分辨率的提高和高 性能计算能力的飞速发展, 已经开展了针对中尺度对 流系统及其相关灾害性天气的数值模拟 WRF 中尺 度模式建立了较为完善的物理过程及多源观测数据的 变分同化系统, 为高温天气过程的高分辨率数值模拟 [10] 和诊断分析提供了有利条件 杨帅等针对 2009 年 7 月华北的一次高温桑拿天过程开展了数值模拟和诊断 分析, 指出此次桑拿天事件高层为反气旋性环流控制, 中低层为下沉气流和暖湿区, 有明显的水汽梯度和垂 [11] 直温度梯度, 有倾斜的位涡分布 董春卿等利用高 分辨率数值模式对太原区域一次高温天气进行数值模 拟, 揭示城市下垫面的扩张, 使城区夜间升温明显, 热 [12] 岛强度增强 郑祚芳等研究指出, 城市热岛效应对 高温强度有明显的增幅作用 然而, 针对对山西复杂 地形影响下的高温天气过程开展的数值模拟和诊断分 析还不多, 针对高温形成的物理机制多定性分析, 缺乏 定量描述 因此, 本研究在分析山西夏季多个区域性 高温天气过程的基础上, 归纳不同类型山西高温天气 的典型环流特征和物理量特征, 并利用高分辨率中尺 度数值模式对典型高温个例开展数值模拟和诊断分 析, 探讨山西区域性高温天气形成的可能原因 1 资料与方法 1.1 资料 本研究采用的气温实况数据为山西省气象信息中 心提供的全省 109 站的观测数据, 包括 年 14 年间夏季 6 8 月逐日最高气温观测资料, 日最高气 温统计时段为 08:00 08:00( 北京时 ) 环流背景场分 析数据来源于美国大气环境中心 / 美国环境预报中心 (NCAR/NCEP) 提供的 FNL 再分析资料, 水平分辨率为 1 1, 时间分辨率为 6 h 将日最高气温 35 及以上的日数作为高温天气 的定量表征指标, 同一天全省有 22 个站出现 35 及 以上的高温天气, 即记为 1 次区域性高温日 1.2 统计分析 本研究利用 FORTRAN 软件进行数据处理和分 析, 部分图形结果由 GrADS (Grid Analysis and Display System) 软件绘制 2 山西高温的时空分布特征 2.1 高温日数的空间分布特征 统计分析 年共 14 年间山西全省各气 象观测站点的高温日数空间分布 山西高温的空间分 布与山西地形密切相关 高温日数随纬度 海拔高度 的升高而减少, 具有南部多于北部 盆地多于山地的空 间分布特征 临汾 运城等地由于地处盆地, 年平均 35 以上的高温日数在 10 天以上, 稷山最高可达 26 天, 为全省之最 ; 晋中盆地 朔州西部吕梁西部等地的 年平均 35 以上高温日数在 5 天以上 运城 稷山 永 济 3 县市 37 以上高温日数在 9 天以上, 运城西部 临 汾南部在 5 天以上, 其余大部分县市不足 2 天 2.2 高温日数的时间分布特征 图 2 为山西高温天气发生站次的月际变化 山西 夏季 高温日均以 6 月最多,8 月最 少 6 7 月 35 高温日站次占全年高温日站次的 86.3%,6 7 月是山西高温天气的高发期 6 月出现高 温日站次占全年的 77.3%,8 月较少出现 40 高温 天气

3 92 中国农学通报 a.35 以上 图 1 山西高温年平均日数分布图 4 35 高温日 37 高温日 4 高温日 3 5 3 高温日数 d b.37 以上 于 N 之间 冷空气不易南下 大陆高压与 0~ 4 的暖中心相互配合 位势高度场上 588 dpm 特征 线覆盖从西北地区到华北西部的广阔地区 在大陆暖 2 5 高影响下 山西出现大范围高温天气 如 2010 年 7 月 2 30 日前后 山西出现持续 4 天的区域性高温天气过程 1 5 西风带中大气长波的不稳定发展 常常导致中高 1 纬度槽脊强度显著加强 与 100 E 以西的大陆中部 5 冷中心 中纬度上空环流较为平直 高空锋区主要位 乌拉尔山阻塞形势不同 100 E 以东的亚洲东岸阻塞 6 7 8 月份 纵坐标高温日数=出现高温的站数 天数 图 2 山西高温日数月际变化特征 3 不同类型高温天气的环流特征 采用天气学分型方法 针对 年山西夏 季 107 个区域性高温天气的 500 hpa 环流特征 将山西 区域性高温天气分为大陆暖高型 纬向环流型 西太平 洋副高控制型 两槽一脊型 4 类 年内 4 类高温过程分别出现 次 占 14 年间高温事 件的的百分比分别为 7 % 25%和 24% 44% 两槽一 形势对华北地区天气带来不同影响[3] 中国东北地区俄罗斯远东常形成一阻塞高压 阻塞高压两侧在贝加 尔湖与鄂霍茨克海附近分别形成一切断低压 亚洲东 岸阻塞形势的长期维持 带来了亚洲大陆 N 上空持续维持的平直西风带 高空锋区较弱 也没有明 显冷空气南下 见图 3b 山西上空位势高度场上位 于 572~580 dpm 之间 温度场上-8~-4 之间 2013 年 6 月 27 日前后 受持续少动的纬向环流影响 山西出现 持续 2 天的区域性高温天气过程 西太平洋副热带高压西伸北抬 副高西伸脊点至 114 E 584 dpm 特征线覆盖范围较大 北抬至 38 N 脊型高温天气出现的频次最高 大陆暖高型出现的频 西伸至 84 E 控制中国大部分区域 见图 3c 与大陆 次最低 暖高型类似 高空锋区主要位于 N 亚洲中高 hpa 环流特征分析 纬度多纬向环流 北方冷空气不易南下 位势高度场 大陆暖高压在青藏高原东侧形成与东移发展 是 上 山西上空受副高 584 dpm 特征线控制 温度场上 夏季造成山西高温天气的主要影响系统之一 见图 在-4 附近 2010 年 8 月 3 日前后 受西太平洋副热带 3a 亚洲高纬度上空为两槽一脊型 低槽位于贝加尔 系统影响 山西出现持续 2 天的区域性高温天气过程 湖西侧与中国东北地区上空 分别对应-16 ~-20 的 两槽一脊型是最为典型的山西高温天气形势 见

4 郭媛媛等 : 山西典型高温天气的环流特征与成因分析 93 图 3d) 新疆北部高空为低槽, 在青藏高原东侧到蒙古国东部的广大地区为一强大的高压脊, 高压脊与暖脊近乎重合, 高压脊移动缓慢 东亚大槽位于中国东部沿海, 西太平洋副热带高压主体偏东, 常有台风系统 北上并与向南加深的东亚大槽合并 山西上空受高压脊控制, 温度场上 -8 左右 2015 年 7 月 12 日前后, 受稳定的两槽一脊型影响山西出现持续 3 天的区域性高温天气过程 a. 大陆暖高型 b. 纬向环流型 c. 西太平洋副高控制型 d. 两槽一脊型 图 hpa 不同类型区域性高温天气 08:00 平均形势场分布 hpa 环流特征分析图 4 为不同类型区域性山西高温天气发生当日 14:00 的 850 hpa 平均形势场 大陆暖高型高温天气对应的 850 hpa 上空, 热低压中心位于甘肃 - 宁夏上空 (140 dpm), 与低压中心配合的暖中心强度达到 34, 热低压前暖舌向华北东部 - 东北延伸, 山西上空为偏南风,850 hpa 温度在 30 以上 纬向环流型高温天气对应的 850 hpa 上空, 位于甘肃上空的热低压 (142 dpm) 同样存在暖中心, 强度 范围较大陆暖高型弱 ( 中心为 28 ), 山西上空为偏西风, 西部 850 hpa 温度在 26 左右 西太平洋副热带高压控制型高温天气对应上游暖中心位于河套中部 宁夏 甘肃一带上空, 中心强度为 26, 无明显低压 与 500 hpa 西太平洋副热带高压外围相对应, 在河套附近低层多风场切变, 山西上空为西南风,850 hpa 温度在 26 左右 两槽一脊型高温天气, 与 500 hpa 暖高脊相对应,850 hpa 蒙古国东部 内 蒙古东部存在暖中心 (28 ), 山西上空 850 hpa 温度在 24~26 因此, 不同类型的山西区域性高温天气过程发生前, 山西上游均存在强度不同的暖中心 ; 除纬向环流型高温天气, 山西低层无明显暖平流 4 典型山西高温个例的数值模拟及高温成因分析为了探讨不同类型山西区域性高温天气的形成原因, 分别选取 等 4 个例代表大陆暖高型 纬向环流型 西太平洋副热带高型和两槽一脊型高温典型个例, 开展高分辨率数值模拟 高分辨率中尺度数值模式对山西区域性降水 高温等灾害性天气的数值模拟与预报中开展了较好的应用, 因此, 在模拟基础上利用模式输出产品开展高温成因的诊断分析 4.1 高温天气模拟结果检验从高温范围来看, 大陆暖高影响时山西高温范围最大, 山西自南至北都可能出现 35 的高温天气 ; 西

5 94 中国农学通报 a b c d a.大陆暖高型 b.纬向环流型 c.西太平洋副高控制型 d.两槽一脊型 图 hpa 不同类型区域性高温天气 14:00 平均形势场分布 太平洋副热带高压型控制时 山西高温范围较小 但高 为-0.26 偏差 2 以内的温度预报准确率达到 71% 温强度最大 37 以上的高温区域主要位于山西临汾 模拟结果可信 因此 可以应用高分辨率数值模式输 运城等地 且有可能出现 40 以上的高温天气 针对 出的物理量结果 诊断分析山西典型高温天气的形成 山西典型高温过程 高分辨率中尺度数值模式均可以 原因 较好模拟出地面最高气温的空间分布特征 图 5 中色 4.2 不同类型典型高温个例的形成原因分析 阶底图为模式模拟 填色圆点为站点观测 2 者差异越 为探讨不同类型山西高温天气的形成原因 定量 大 对比图上越明显 对于大多数高温个例而言 高分 计算导致局地温度变化的物理量 局地温度变化不仅 辨率中尺度数值模式模拟结果能够反映出复杂地形地 与辐射有关 也与天空状况 大气环流等有关[13-15] 根 貌特征对山西地面温度的影响 据天气学基本原理 温度局地变化受到 3 项因子的影 表 1 给出了不同类型高温天气个例的最高气温模 拟误差统计 结果表明 纬向环流型高温天气的模拟 误差最小 标准误差只有 %以上的站点温度 偏差在 2 以内 模式对于西太平洋副高控制型最高温 度的预报能力较差 RMSE 达到 3.05 偏差 2 以内 的温度预报准确率仅为 39% 这就意味着有 6 成以上 响 分别为平流项 垂直运动项和非绝热变化项 dq T = -V T - ω(γ d - γ)+ 1 (1) C p dt t 式中 T/ t 表示温度的局地变化 T 为温度 t 为时 间 -V T 表示温度平流项 -ω(γd-γ)为绝热冷却率 ω 为垂直速度 γd 为大气干绝热递减率 γ为大气递减率 站点的温度模拟偏差在 2 以上 西太平洋副热带高 (1/Cp) (dq/dt)表示非绝热加热率 Cp 为干空气的热容 压外围常带来对流性降水天气 而副高控制区以晴好 量 dq/dt 为热量随时间的变化 天气为主 由于模式对西太平洋副高位置模拟的不确 定性 带来模式最高温度预报的模拟差异较大 对于山西高温过程 平流项较为复杂 以运城站 为例 图中星号位置 只有纬向环流型在山西南部河 整体来看 高分辨率中尺度数值模式均可以较 谷盆地中出现了明显的暖平流输送 大陆高压型 西太 好模拟出地面最高气温的空间分布特征 平均偏差 副高控制型对应的低层暖平流均较弱 而两槽一脊型

6 郭媛媛等 : 山西典型高温天气的环流特征与成因分析 95 a. 大陆暖高型 b. 纬向环流型 c. 西太副高控制型 d. 两槽一脊型 色斑 - 模拟, 圆点 - 实况 图 5 山西典型高温过程温度模拟结果与观测对比 表 1 不同类型典型区域性高温个例的 最高温度模拟误差统计 个例大陆暖高型纬向环流型西太副高控制型两槽一脊型平均 BIAS/ RMSE/ Ts Ts 在山西中南部的河谷盆地中出现了冷平流输送, 此时温度平流项导致地面的局地温度降低 ( 见图 6) 低层的垂直运动项对于山西河谷盆地带来一致的增温效应, 垂直运动项均为正值 垂直运动带来的增温区主要位于山西中南部盆地中, 西来气流越善后, 下 坡风风力加大, 导致谷地气温剧烈上升, 纬向环流型分布较为明显 ( 见图 7) 以运城为高温代表站, 定量计算平流项 垂直运动项和非绝热变化项对局地升温幅度的影响 由实测温度变化得到 T/ t, 由高分辨率模式结果得到 -V T -ω (γ d-γ) 各项估计值, 进而得到非绝热变化项 图 8 给出各项对应的 1 h 升温幅度 可以看出, 对于大陆暖高型, 与太阳短波辐射 地面长波辐射 地面与大气间的湍流热通量等相关的非绝热加热项, 是导致高温天气的主要原因, 由于非绝热加热带来的升温幅度可以达到 1.10 /h; 对于纬向环流型, 温度平流项是导致高温天气的主要原因, 带来的升温幅度为 0.67 /h; 对于西太副高型 两槽一脊型, 非绝热变化项都是导致地面高温的主要原因 值得注意的是, 两槽一脊型对应的温度平流项为负值, 实际温度的增加需要垂直运动项和

7 96 中国农学通报 a. 大陆暖高型 b. 纬向环流型 c. 西太副高控制型 d. 两槽一脊型 ( 单位 :10-5 /s) 星号 : 运城 图 6 山西典型高温过程低层温度平流输送 非绝热变化项弥补平流项带来的降温效应 5 结论与讨论为提高对山西高温天气形成机理的认识, 本研究针对山西夏季 4 类区域性高温天气过程, 开展时空分布特征 环流形势特征等的分析研究, 同时利用高分辨率中尺度数值模式对典型高温个例开展数值模拟, 定量计算平流项 垂直运动项和非绝热变化项对山西高温天气的贡献 初步得到以下结论 : (1) 山西高温的空间分布与地形 纬度等密切相关, 高温日数具有南部多于北部 盆地多于山地的空间分布特征 6 7 月是山西高温天气的高发期 (2) 不同类型高温天气的影响的时空范围不同 两槽一脊型高温天气出现的频次最高, 大陆暖高型出 现的频次最低 大陆暖高影响时山西高温范围最大 ; 西太平洋副热带高压型控制时, 山西高温范围较小, 但高温强度最大 (3) 本研究应用高分辨率中尺度模式对山西典型高温个例开展数值模拟, 并利用高精度的模式结果定量计算了平流项 垂直运动项和非绝热变化项对局地升温幅度的贡献, 较以往定性估算温度变化因子有明显进步 定量计算结果表明 : 非绝热加热项是导致大陆暖高型 西太副高型 两槽一脊型高温天气的主要原因 (79%~81%), 而温度平流项是导致纬向环流型高温天气的主要原因 (47%) 本研究中针对山西典型高温个例开展了数值模拟, 受个例数限制, 结论具有片面性 ; 同时, 尽管对局地

8 郭媛媛等 : 山西典型高温天气的环流特征与成因分析 97 图 7 山西典型高温过程低层垂直速度项 ( 图注同图 6) 温度变化开展了定量化计算, 但仅仅是针对运城单站 温度平流项 垂直运动项 非绝热加热项 的分析结果, 针对山西复杂地形地表的更为全面 准确的分析结论有待于今后更为深入的研究 升温幅度 大陆暖高型 纬向环流型 西太副高型 两槽一脊型 高温天气类型 图 8 不同因子带来的地面温度升温幅度 ( 运城站 ) 参考文献 [1] 谢庄, 崔继良, 刘海涛, 等. 华北和北京的酷暑天气 I. 历史概况及个例分析 [J]. 气候与环境研究,1999,4(4): [2] 孙建华, 陈红, 赵思雄, 等. 华北和北京的酷暑天气 II. 模拟试验和机理分析 [J]. 气候与环境研究,1999,4(4): [3] 张楠, 苗春生, 邵海燕 年华北地区夏季气温变化特征 [J]. 气象与环境学报,2009,25(6): [4] 苗爱梅, 贾利冬, 李苗, 等. 近 50 年山西高温日的时空分布及环流特征 [J]. 地理科学进展,2011,30(7): [5] 王咏梅, 张红雨, 郭雪, 等. 山西省近 48a 高温和强降水极端事件变化特征 [J]. 干旱区研究,2012,29(2): [6] 李小锋. 近 30 年华北地区夏季极端高温天气事件及其影响机理研究 [D]. 兰州 : 兰州大学,2015:

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