王秀萍 李燕 張悅 賽瀚 李瀟瀟

(1.大連市氣象臺，遼寧 大連 116001； 2.大連市氣象信息中心，遼寧 大連 116001)

引言

干旱為中國各地最常見、影響最大的自然災(zāi)害[1]。干旱的發(fā)生不僅受降水偏少影響，而且往往與高溫同時出現(xiàn)。近年來，在全球氣候變暖的背景下，夏季極端高溫干旱事件頻繁發(fā)生，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活造成了嚴重影響，為此已引起氣象工作者的普遍關(guān)注。前人從各個方面對夏季不同地域的高溫干旱發(fā)生機理、影響系統(tǒng)等進行了大量系統(tǒng)的研究，并且取得了豐碩的成果。王勁松等[2]總結(jié)前人研究成果發(fā)現(xiàn)，各地夏季發(fā)生的干旱與東亞夏季風(fēng)、印度夏季風(fēng)、西太平洋副熱帶高壓、熱帶太平洋海溫以及青藏高原下墊面熱力狀況的異常具有密切聯(lián)系[3-6]。由于中國夏季天氣氣候不僅與東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)中多成員的相互協(xié)同作用有關(guān)，而且與中高緯冷空氣的活動密切相關(guān)[7-9]。同時，海溫等外強迫因子還會顯著影響東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)[10-11]。2018年夏季是1961年以來最熱的年份，這年東亞夏季風(fēng)異常強、西太平洋副熱帶高壓異常偏北，北方罕見高溫[8,12]。進一步研究表明[11]，2018年的強東亞夏季風(fēng)與拉尼娜事件、熱帶印度洋海溫、北大西洋海溫和青藏高原積雪的聯(lián)合、增強和協(xié)同效應(yīng)密切相關(guān)。黑潮及其擴展區(qū)海溫、西太平洋對流活動和孟加拉灣跨赤道氣流對西太平洋副熱帶高壓異常偏北起著重要作用[13-14]。針對2018年夏季區(qū)域異常高溫事件及其環(huán)流成因、海洋影響等已有一些成果，但是2018年盛夏大連地區(qū)高溫事件及其引發(fā)干旱為當(dāng)?shù)貧v史最強，且危害嚴重。中國幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異較大。同樣是高溫干旱事件，其影響異常高溫的環(huán)流系統(tǒng)和外部強迫信號也未必相同。因此，研究不同地區(qū)高溫干旱的成因具有非常重要的科學(xué)意義和實用價值。

大連地處中國東北最南端，盛夏通常為雨季，氣候以暖濕為主要特征，尤其是7月下旬至8月上旬是一年中降水最多的時期，俗稱“七下八上”。但2018年盛夏卻出現(xiàn)了一次嚴重高溫干旱事件，這次事件持續(xù)時間長，范圍大，強度強，旱情嚴重，造成了很大的直接經(jīng)濟損失，引發(fā)社會各界高度關(guān)注。然而，以往主要集中對大連地區(qū)降水[15-16]、氣溫[17]和雷暴[18]基本特征的研究，對高溫干旱發(fā)生的環(huán)流背景、形成原因的研究相對較少。本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，利用NCEP逐日再分析資料和大連地區(qū)逐日氣溫和降水資料，分析大連地區(qū)2018年盛夏高溫過程及干旱事件的極端特征，進一步分析此次極端高溫干旱過程的形成、演變及其對應(yīng)的環(huán)流變化特征和成因，以期為大連地區(qū)此類極端高溫干旱過程的預(yù)測、預(yù)報提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用資料為1948—2018年NCEP 全球逐日再分析資料[19-20]，空間分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向為17層，變量包括風(fēng)場、高度場、溫度場、氣壓場、相對濕度(8層)以及垂直速度(12層)等。1951—2018年大連地區(qū)7個基本業(yè)務(wù)站(大連、旅順、金州、長海、瓦房店、普蘭店和莊河)逐日平均氣溫、最高氣溫和降水資料以及2018年7—8月全市220個自動站逐日最高氣溫和降水資料。各種要素均采用1981—2010年30 a平均值作為平均氣候態(tài)(即常年值)。各種相關(guān)指標(biāo)的歷史排位是根據(jù)各站有記錄以來的同期歷史資料進行對比。大連地區(qū)為7個基本業(yè)務(wù)站的平均。

1.2 研究方法

氣象學(xué)上規(guī)定日最高氣溫達到或超過35 ℃(37 ℃) 稱為高溫(酷暑)[21]。大連地區(qū)2007年以前只有7個基本業(yè)務(wù)站，并且業(yè)務(wù)站日最高氣溫達到或超過35 ℃(37 ℃)的日數(shù)較少?；谝陨显?，規(guī)定大連地區(qū)高溫(酷暑)為日最高氣溫達到或超過32 ℃(35 ℃)；定義盛夏的最長高溫持續(xù)日數(shù)為該年7—8月最高溫度連續(xù)超過32 ℃的最長日數(shù)；定義盛夏的最長持續(xù)無降水日數(shù)為該年7—8月連續(xù)無降水的最長日數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 2018年盛夏大連高溫干旱的基本特征

進入2018年7月，大連各地降雨持續(xù)偏少。由2018年盛夏大連地區(qū)逐日平均降水量與歷史同期比較可見(圖1a)，8月7日之前，除7月9—11日、7月13—14日、7月25日、8月1日為較小的降水正距平外，其余時段降水距平值均為零和負值。分析7月1日至8月6日大連地區(qū)平均累計降水量為25.7 mm(圖1b)，較常年同期的157.6 mm偏少86%(8—9成)，為1971年以來降水最少年份。其中2018年7月1日至8月6日累計降水量大連市區(qū)、旅順、金州、普蘭店、莊河和長海較常年同期偏少8—10成，瓦房店較常年同期偏少6—7成，除瓦房店外，其余地區(qū)位居歷史同期降水偏少第一位，各地旱情嚴重。

圖1 2018年盛夏大連地區(qū)逐日平均降水量(a)和1971—2018年大連地區(qū)7月1日至8月6日總降水量距平序列(b)Fig.1 Variations of the anomaly of daily mean precipitation in the midsummer of 2018 with the mean values of the same period during 1981-2010 in the Dalian area (a) and the time series of total anomalous precipitation averaged from July 1 to August 6 during 1971-2018 over Dalian area (b)

統(tǒng)計盛夏大連地區(qū)7個基本業(yè)務(wù)站和歷史同期平均的最長持續(xù)無降水日數(shù)可知(表略)，各站7—8月的最長持續(xù)無降水日數(shù)均超過歷史平均值。其中，大連和金州的最長持續(xù)無降水日數(shù)排在首位，大連長達27 d，比常年值多了17 d，金州為24 d，比常年值多了13 d。

與此同時，大連地區(qū)氣溫自7月17日起呈持續(xù)偏高狀態(tài)，7月中旬開始高溫逐步發(fā)展， 7月下旬至8月上旬是大連地區(qū)高溫最嚴重時段，期間連續(xù)出現(xiàn)極端高溫天氣(圖2)。據(jù)統(tǒng)計，7月下旬平均氣溫整體偏高2—5 ℃，超過1.8—2.7個標(biāo)準(zhǔn)差，達到異常；各地8月上旬平均氣溫偏高幅度為4—5 ℃，超過4.3—5.3個標(biāo)準(zhǔn)差，達到特別異常。7月28日至8月6日高溫最強，日最高氣溫與歷史同期相比明顯偏高，較常年同期偏高4—9 ℃，尤其是8月1—3日極端高溫強度最強，日最高氣溫正異常值偏高6—9 ℃(圖2)，其中3日全市220個自動站中有8個自動氣象站觀測到的日最高氣溫超過40 ℃，金州大石棚村站日最高氣溫達到41.2 ℃(圖略)。8月中旬大部分地區(qū)高溫逐漸緩解。

圖2 2018年盛夏大連地區(qū)平均最高氣溫與歷史同期比較Fig.2 Variation of the comparison of daily mean maximum temperature in midsummer of 2018 with the mean values of same period during 1981-2010 in the Dalian area

統(tǒng)計2018年盛夏大連地區(qū)高溫日數(shù)、最長高溫持續(xù)日數(shù)及其與歷史同期比較可知(表1)，除長海外，其余各地均連續(xù)9—12 d出現(xiàn)32 ℃以上的高溫，并且瓦房店和普蘭店連續(xù)7—8 d出現(xiàn)35 ℃以上的高溫，各站無論是最高氣溫超過32 ℃的日數(shù)，還是超過35 ℃的日數(shù)，均位列歷史首位，并且最長高溫持續(xù)日數(shù)也遠超歷史平均，均為歷史第一。持續(xù)的高溫與少雨相互疊加，使得大連地區(qū)的旱情迅速發(fā)展。

表1 2018年盛夏大連地區(qū)高溫日數(shù)、歷史同期平均高溫日數(shù)、最長高溫持續(xù)日數(shù)及其與歷史同期比較Table 1 Comparisons of the numbers of high-temperature days，historical average high-temperature days，and the longest continuous high temperature with those during the same period from July 1 to August 31，2018 over the Dalian area

2.2 大氣環(huán)流成因分析

持續(xù)高溫干旱天氣往往與大氣環(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[4,22-26]。

2.2.1 高、中、低層大氣環(huán)流異常

2018年7月1日至8月6日，對流層高層、中層和低層(圖3)，包括大連在內(nèi)的中國東北地區(qū)—日本—朝鮮半島一帶上空均受異常反氣旋性環(huán)流控制，呈現(xiàn)深厚的準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，盛行下沉氣流，不利于大連地區(qū)出現(xiàn)降水。從200 hPa的高度距平和風(fēng)場距平發(fā)現(xiàn)(圖3a)，40°N以南為異常偏東風(fēng)，40°—55°N為異常偏西風(fēng)，即200 hPa高空西風(fēng)急流位置較常年同期明顯偏北。中層500 hPa高度距平場(圖3b)，歐亞大陸0°—140°E、30°—50°N范圍出現(xiàn)正負距平相間的分布，正負高度距平區(qū)表現(xiàn)較強的持續(xù)和穩(wěn)定性，為歐亞EU遙相關(guān)型。其中50°E和120°E分別為正高度距平中心，即高壓中心；70°E為負高度距平中心，即低壓中心，大連地區(qū)受高壓中心控制。另外，從圖3b還可看到，東亞沿岸從菲律賓到鄂霍次克海附近為“負—正—負”的距平分布，呈現(xiàn)“東亞—太平洋型”遙相關(guān)負位相的特征。低層850 hPa距平風(fēng)場上最顯著的特征是菲律賓附近至日本以南的西北太平洋地區(qū)為異常氣旋環(huán)流，而且東亞沿岸由副熱帶至中高緯度表現(xiàn)出“氣旋—反氣旋—氣旋”的分布特征(圖3c)，與500 hPa 東亞沿岸從南到北“負—正—負”的高度距平特征相對應(yīng)。

陰影為位勢高度距平，單位為dagpm；風(fēng)場單位為m·s-1圖3 2018年7月1日至8月6日200 hPa(a)、500 hPa(b)、850 hPa(c)的位勢高度距平和風(fēng)場距平Fig.3 Distributions of anomalous geopotential heights and wind at 200 hPa (a),500 hPa (b),and 850 hPa (c) from July 1 to August 6，2018

綜上分析可知，對流層高、中、低層大氣環(huán)流異常特征為高空西風(fēng)急流明顯偏北，大連地區(qū)上空受相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)的異常反氣旋環(huán)流控制，并疊加歐亞(EU)遙相關(guān)型，同時，東亞沿岸從副熱帶至中高緯度為“負—正—負”的高度距平分布，呈現(xiàn)“東亞—太平洋型”遙相關(guān)負位相的特征，對流層低層菲律賓附近至日本以南的西北太平洋地區(qū)為異常氣旋式環(huán)流。

為了進一步說明整個對流層正壓結(jié)構(gòu)特征，圖4給出了2018年7月1日至8月6日在38.5°—40.5°N范圍內(nèi)1000—100 hPa平均位勢高度距平—經(jīng)度剖面。由圖4可知，110°—140°E的東亞大陸地區(qū)從地面到100 hPa均出現(xiàn)較大的正距平，即東亞大陸地區(qū)整層受正壓結(jié)構(gòu)的高壓控制。最強的正距平中心出現(xiàn)在對流層上層100—300 hPa，強度達16 dagpm，正好位于大連地區(qū)上空。這進一步表明，大連地區(qū)上空整個對流層受正壓結(jié)構(gòu)的異常反氣旋控制。

實(虛)線為正(負)距平，彩色陰影區(qū)為≥2 dagpm高度距平(2018年7月1日至8月6日38.5°—40.5°N 范圍1000—100 hPa平均位勢高度與同期1981—2010年相應(yīng)平均位勢高度的差值)，等值線間隔為2圖4 2018年7月1日至8月6日38.5°—40.5°N 范圍1000—100 hPa平均位勢高度距平垂直剖面Fig.4 Vertical cross-sections of average geopotential height anomaly at 1000-100 hPa from 38.5°-40.5°N from July 1 to August 6，2018

2.2.2 南亞高壓與西太平洋副熱帶高壓異常

南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓(簡稱西太副高，下同)作為北半球夏季對流層高層100 hPa和中層500 hPa強大而穩(wěn)定的環(huán)流系統(tǒng)[27-28]，對中國夏季天氣和氣候的異常影響重大。研究表明[29]，南亞高壓活動與西太平洋副熱帶高壓活動存在密切聯(lián)系，兩者有相向而行和相背而去的趨勢。

通過對2018年7—8月南亞高壓與西太平洋副熱帶高壓進行逐旬分析發(fā)現(xiàn)(圖5)，7—8月南亞高壓強度偏強、面積偏大、東伸脊點偏東、北界位置偏北狀態(tài)。7月中旬(圖5b)南亞高壓向東向北擴展，尤其是7月下旬至8月上旬(圖5c和圖5d)南亞高壓異常偏東偏北，強度增強，等值線最大值可達1690 dagpm，高壓東部主體恰好位于大連地區(qū)上空，致使大連地區(qū)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。8月中旬(圖5e),南亞高壓南落西退，對大連地區(qū)影響逐步減弱。

與此同時，西太副高與南亞高壓遵循“相向而行，相背而去”的規(guī)律，7月上旬(圖5a)西太平洋副熱帶高壓偏東偏北，西伸脊點較常年偏東約15個經(jīng)距，7月中旬(圖4b)西太平洋副熱帶高壓向西向北擴展，強度增強，等值線最大值可達590.5 dagpm；7月下旬至8月上旬(圖5c和圖5d)發(fā)展出一西太平洋副熱帶高壓中心，西伸脊點較常年偏西約20個經(jīng)距，脊線北界位置較常年偏北約10個緯距，位置異常偏西偏北，該副熱帶高壓中心與高層南亞高壓東部主體相互疊加，形成高低空同位相的深厚高壓系統(tǒng)，這種影響一直持續(xù)到8月上旬；8月中旬(圖5e)西太平洋副熱帶高壓開始南落，東撤退出大連地區(qū)上空，因此高溫干旱迅速緩解。

黑色和紅色虛線分別為氣候平均100 hPa南亞高壓1680 dagpm特征線和500 hPa西太平洋副熱帶高壓588 dagpm特征線；綠色實線為緯向風(fēng)距平，單位為m·s-1；黑色實線為南亞高壓，單位為dagpm；紅色實線為西太平洋副熱帶高壓，單位為dagpm圖5 2018年7月上旬(a)、中旬(b)、下旬(c)和8月上旬(d)、中旬(e)、下旬(f)200 hPa緯向風(fēng)距平、100 hPa南亞高壓和500 hPa西太平洋副熱帶高壓Fig.5 Distributions of zonal wind anomaly at 200 hPa，Southern Asian high at 100 hPa and western Pacific subtropical high at 500 hPa in early July (a),mid-July (b),late-July (c),early August (d),mid-August (e),and late August (f),2018

200 hPa西風(fēng)急流的經(jīng)向位置和強度及其與西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓之間的配置關(guān)系，對中國天氣及氣候影響重大。40°N以北為強大的西風(fēng)正距平，其南側(cè)受異常東風(fēng)控制，西風(fēng)急流異常偏北，為南亞高壓與西太平洋副熱帶高壓異常發(fā)展提供動力要素；8月中旬至下旬，高空40°N附近西風(fēng)距平減弱并且西退，致使南亞高壓南落西退，西太平洋副熱帶高壓主體南落東撤，其對大連地區(qū)的影響逐漸減弱。

任榮彩等[30]研究認為高層南亞高壓在東伸過程中所伴隨的強負渦度平流動力強迫，對中低層負渦度的發(fā)展起到重要作用，在動力上影響中低空西太平洋副熱帶高壓加強西進和高溫干旱的穩(wěn)定發(fā)展。為對比西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓位置和強度的變化，分析2018年7月1日至8月31日逐日西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓位置和強度的變化可知(圖6)，整個盛夏西太平洋副熱帶高壓出現(xiàn)兩次西伸，兩次北跳。7月中旬出現(xiàn)第一次西伸北抬，西伸脊點達到120°E附近，脊線北界達到40°N附近；7月下旬至8月上旬出現(xiàn)第二次西伸北抬，比第一次進一步偏西偏北，西伸脊點達到100°—105°E附近，脊線北界達到45°N附近，這與Ding等[12]研究結(jié)果一致。而南亞高壓7月中旬出現(xiàn)一次東伸北抬，北界位置位于50°N附近，東伸脊點達到140°E附近，之后持續(xù)穩(wěn)定影響到8月上旬。此外，西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓出現(xiàn)兩次強度同步增強，分別出現(xiàn)在7月中旬、7月下旬至8月上旬，尤其是7月28日至8月6日南亞高壓等值線最大值為1692 dagpm，西太平洋副熱帶高壓等值線最大值為594 dagpm，東進北抬的南亞高壓與西伸北抬的西太副高同步增強，二者均形成閉合高壓中心，并且重疊于大連地區(qū)上空，該地區(qū)持續(xù)存在下沉氣流，使得出現(xiàn)異常少雨和極端高溫天氣，正好對應(yīng)7月28日至8月6日高溫干旱最強時期。8月中旬開始西太平洋副熱帶高壓東退，南亞高壓西撤，并且同時南落，對大連地區(qū)影響減弱，高溫干旱隨之緩解。

等值線為100 hPa南亞高壓大于1680 dagpm等高線，彩色陰影區(qū)為≥588 dagpm高度距平(2018年7月1日至8月31日38.5°—40.5°N和120.0°—123.5°E范圍500 hPa平均位勢高度與同期1981—2010年相應(yīng)平均位勢高度的差值)圖6 2018年盛夏100 hPa和500 hPa 38.5°—40.5°N范圍平均位勢高度的經(jīng)度—時間剖面(a)和120.0°—123.5°E范圍平均位勢高度的緯度—時間剖面(b)Fig.6 Longitude-time cross-sections of mean geopotential height at 100 hPa and 500 hPa in 38.5°-40.5°N (a) and latitude-time cross-sections of mean geopotential height at 100 hPa and 500 hPa in 120.0°-123.5°E (b) from July 1 to August 31，2018

綜上，異常西伸偏北的西太平洋副熱帶高壓與異常東進偏北的南亞高壓相向運動，強度同步增強并且重疊在大連地區(qū)上空，二者共同對高溫干旱的發(fā)生和進一步加強起到?jīng)Q定作用。

2.2.3 水汽輸送和垂直運動異常

水汽輸送異常是一個地區(qū)洪澇和干旱發(fā)生的重要影響因子[31]，大氣中的水汽含量主要集中在300 hPa以下，峰值出現(xiàn)在850—700 hPa[32-33]。王秀萍等[34]研究發(fā)現(xiàn)，盛夏大連地區(qū)低層850 hPa風(fēng)場中緯度40°N附近以偏西風(fēng)為主，并且從孟加拉灣、南海到遼東半島西南風(fēng)和偏南風(fēng)為主，有利于暖濕氣流由南向北輸送到大連地區(qū)，從而該地區(qū)降水易偏多。而2018年7月1日至8月6日大連地區(qū)850 hPa(圖7a)和300 hPa(圖7b)均受反氣旋的異常環(huán)流影響，從低層到高層以偏東風(fēng)為主，在反氣旋南側(cè)同時存在一個異常氣旋性環(huán)流，阻擋暖濕氣流向北輸送，并且低層850 hPa和高層300 hPa均處于水汽通量散度的正值區(qū)，這種風(fēng)場和水汽通量散度說明從低層到高層輻散形勢非常明顯，有利于大連地區(qū)出現(xiàn)異常輻散下沉運動(圖8)，不利于對流的發(fā)生發(fā)展，水汽無法凝結(jié)形成降水。

水汽通量單位為kg·m-1·s-1；陰影為水汽通量散度正距平，單位為10-5 kg·m-2·s-1圖7 2018年7月1日至8月6日850 hPa(a)和300 hPa(b)水汽輸送距平場和水汽通量散度距平Fig.7 Spatial distributions of vapor transport flux anomalies and water vapor flux divergence anomalies at 850 hPa (a) and 300 hPa (b) from July 1 to August 6,2018

陰影表示ω<0，垂直風(fēng)速擴大100倍，單位為10-2 Pa·s-1，緯向風(fēng)u和經(jīng)向風(fēng)v單位為m·s-1圖8 2018年7月1日至8月6日120.0°—123.5°E平均經(jīng)向垂直環(huán)流距平場(a)和沿38.5°—40.5°N平均緯向垂直環(huán)流距平場(b)Fig.8 Anomaly fields of the average meridional vertical circulation along the 120.0°-123.5°E (a) and the average zonal vertical circulation along 38.5°-40.5°N (b) from July 1 to August 6,2018

3 結(jié)論

(1)2018年7月1日至8月6日大連地區(qū)平均降水較常年同期偏少8—9成，為1971年以來降水最少年份，除瓦房店外，大連市區(qū)、旅順、金州、普蘭店、莊河和長海較常年同期偏少8—10成，位居1971年以來歷史同期降水偏少第1位。與此同時，7月中旬開始氣溫持續(xù)偏高，7月下旬至8月上旬是高溫最嚴重時段，氣溫異常偏高，7月28日至8月6日持續(xù)出現(xiàn)極端高溫并且達到最強，日最高氣溫較常年同期偏高4—9 ℃。各站的高溫日數(shù)和最長持續(xù)高溫日數(shù)位列歷史首位，持續(xù)無降水日數(shù)均遠超歷史平均值。持續(xù)高溫與異常少雨相互疊加，致使大連地區(qū)旱情迅速發(fā)展且加劇。

(2)大連地區(qū)上空整層受正壓結(jié)構(gòu)的異常反氣旋性環(huán)流控制，并疊加歐亞(EU)遙相關(guān)型。同時，東亞沿岸由南至北為“負—正—負”的高度距平分布，呈現(xiàn)“東亞—太平洋型”遙相關(guān)負位相的特征，對流層低層菲律賓附近至日本以南地區(qū)維持異常的氣旋式環(huán)流。

(3)西太平洋副熱帶高壓異常偏西偏北、偏強與異常偏東偏北、偏強的南亞高壓相向運動，于7月28日至8月6日同時加強發(fā)展，西太平洋副熱帶高壓等值線中心強度達到594 dagpm，南亞高壓等值線中心強度達到1692 dagpm，重疊控制在大連地區(qū)上空，此時高溫干旱發(fā)展至最強時期。大連地區(qū)整層受偏東風(fēng)控制，加之異常輻散下沉運動影響，增溫明顯，難以形成降水，導(dǎo)致出現(xiàn)極端高溫干旱。