梁寒 閻琦 李爽 張宸赫 于亞鑫 黃閣 孫虹雨 桑明剛

(遼寧省氣象臺,遼寧 沈陽 110166)

引言

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的迅速發(fā)展，政府決策和社會公眾服務對天氣預報的需求呈現(xiàn)越來越精細化的趨勢，氣溫是精細化預報業(yè)務中的重要組成部分。遼寧地區(qū)冬季采暖期長達5個月，氣溫的變化與冬季采暖、電力能耗、交通運輸及公眾生活密切相關，而冬季的最低氣溫一直都是預報難點之一，加強氣溫的變化規(guī)律及預報研究，具有一定的業(yè)務應用價值，同時還可以為智能網(wǎng)格客觀訂正方法的研究提供參考。

影響氣溫變化的因素眾多，除了受地理位置、太陽輻射日變化、氣溫季節(jié)性變化及全球氣候變化趨勢的影響外，與天氣系統(tǒng)的位置和移動、天空狀況、近地面的風向風速和下墊面狀況等緊密相關。國內(nèi)外很多專家針對氣溫預報方法和影響因子進行了多方面的研究，一些一線預報業(yè)務人員[1-2]分析發(fā)現(xiàn)，低層的溫度平流對氣溫預報具有較好的指示意義；以氣溫變化規(guī)律為基礎[3-6]，結合數(shù)值模式預報開展的氣溫預報及客觀訂正方法的研究取得了一定成果。孫敏等[7]通過對上海地區(qū)春季兩次最高氣溫預報失敗的原因分析，發(fā)現(xiàn)預報員對確定性數(shù)值預報的過于信賴和對本地及上游天氣實況的忽視是導致氣溫預報失敗的主要原因。近年來城市熱島效應對氣溫變化的影響不斷引起關注，車軍輝[8]研究發(fā)現(xiàn)溫度具有明顯的局地小氣候特征,同時發(fā)現(xiàn)最低氣溫自城區(qū)向城郊和山區(qū)、由低海拔向高海拔逐次降低的分布特征可能與城市熱島效應有關；賀志明[9]研究發(fā)現(xiàn)南昌城區(qū)出現(xiàn)多個氣溫高值中心，熱島呈現(xiàn)多中心分布特征；更多的研究[10-14]表明冬季夜里城市熱島效應明顯，城市熱島中心的位置與風向風速有密切的關系，且城市熱島存在上下游效應。2019年12月2日01時沈陽站氣溫異?；厣?.5 ℃，此次異常升溫由哪些因素造成的？是否存在城市熱島效應？基于常規(guī)和加密地面觀測站實況、NCEP再分析及沈陽站逐小時風廓線雷達資料，對此次氣溫異常變化過程進行精細分析，尋找導致氣溫異?；厣挠绊懸蜃樱云跒槿蘸髿鉁仡A報及客觀訂正技術提供科技支撐。

1 資料與方法

1.1 資料選取

所用資料包括2019年12月1—2日NCEP再分析資料的高度場、溫度場和風場。2019年12月1—2日常規(guī)和加密地面觀測站實況，站點(圖1)包括沈陽中心城區(qū)內(nèi)的5個自動站、北部郊區(qū)新城子國家氣象觀測站(54248，簡稱新城子站)、南部郊區(qū)白塔堡自動站(61090)、沈陽國家基本氣象站(54342，簡稱沈陽站)。2019年12月1日18時至2日06時沈陽站逐小時風廓線雷達數(shù)據(jù)。2015—2019年11月至翌年1月的逐小時地面觀測數(shù)據(jù)，站點包括沈陽中心城區(qū)內(nèi)的5個自動站和南部郊區(qū)沈陽站。

圖1 沈陽市代表氣象站空間分布

1.2 研究方法

從天氣學角度分析高低空環(huán)流背景、系統(tǒng)配置及其相互作用對本次沈陽站氣溫異?；厣录赡艽嬖诘挠绊??；跓崃W方程中影響溫度變化的3個因子，利用2019年12月1—2日遼寧省62個國家氣象站2 m氣溫實況數(shù)據(jù)和沈陽站逐小時風廓線雷達數(shù)據(jù)，對氣溫驟升的成因進行精細化分析。根據(jù)沈陽中心城區(qū)、北部郊區(qū)和南部郊區(qū)的氣溫變化差異，分析城市熱島效應對本次沈陽站氣溫異?；厣挠绊?。利用2015—2019年11月至翌年1月的逐小時地面觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計沈陽城郊溫差(城郊溫差=中心城區(qū)5個代表站平均氣溫-沈陽站氣溫)出現(xiàn)頻次，分析沈陽市城市熱島現(xiàn)象出現(xiàn)與風速的相關性。

2 結果分析

2.1 實況分析

2019年12月1—2日沈陽站氣象要素逐小時演變圖顯示(圖2)，1日白天最高氣溫出現(xiàn)在15時，之后氣溫逐漸下降，基本遵循常規(guī)氣溫日變化特征。20時前后近地面風減弱為靜風并出現(xiàn)霾天氣，21時開始出現(xiàn)輕霧，氣溫下降幅度逐漸從2.5 ℃·h-1減少至0.1 ℃·h-1。2日00時沈陽站氣溫下降至-12.3 ℃，2日01時驟升至-5.8 ℃，氣溫異?；厣?.5 ℃，近地面轉(zhuǎn)為西北風2級控制。2日02時之后輕霧消散，氣溫開始逐漸下降。2日07時氣溫下降至-8.8 ℃，之后隨著太陽的升起氣溫開始回升。1日夜間最低氣溫出現(xiàn)在1日23：00—23：55為-12.4 ℃。遼寧日最高氣溫一般出現(xiàn)在14—16時之間，隨著太陽的西落氣溫逐漸下降，日最低氣溫一般出現(xiàn)在早晨的05—07時之間。此次2日凌晨01時沈陽站氣溫驟升6.5 ℃屬于異?，F(xiàn)象，因此針對此異常升溫事件的成因進行深入分析。

折線為溫度,單位為℃；風向桿,單位為m·s-1；=為輕霧；∞為霾

2.2 影響系統(tǒng)演變

2019年12月1日20時(圖3a)，亞歐中高緯度為兩脊一槽型，烏拉爾山高壓脊發(fā)展強盛，鄂霍茨克海上空的高壓脊穩(wěn)定維持，高空槽位于貝加爾湖以東至華北地區(qū)，槽后脊前的冷平流輸送促使高空槽在2日08時(圖略)發(fā)展成冷渦。1日20時遼寧上空500—850 hPa為弱冷平流控制且強度隨高度下降而減小，1日16—23時沈陽近地面為靜風，即冷平流未到達近地面。因此，中低空冷平流未對近地面溫度變化造成直接影響。

1日20時1000 hPa(圖4a)河北地區(qū)有溫度脊向東北方向伸展，遼寧大部分地區(qū)風向呈反氣旋式旋轉(zhuǎn)，在中層西南氣流引導下(圖3a)暖脊向東北方向移動，遼寧中西部地區(qū)近地面轉(zhuǎn)為暖脊控制出現(xiàn)暖平流，遼寧中西部地區(qū)各站氣溫依次出現(xiàn)回升現(xiàn)象。2日02時冷平流中心下降至850 hPa(圖3b)，1000 hPa(圖4b)遼寧大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為一致的偏北風控制，超低空暖脊逐漸南落，遼寧東南部地區(qū)氣溫出現(xiàn)回升，而中西部地區(qū)氣溫依次開始下降。因此，超低空暖脊過境是引發(fā)沈陽午夜時分氣溫異?；厣脑蛑?。

等值線為等高線,單位為dagpm；填色區(qū)域為溫度平流,單位為10-5 ℃·s-1

黑等值線為等高線,單位為dagpm；紅等值線為等溫線,單位為℃；填色區(qū)域為溫度平流,單位為10-5 ℃·s-1

2019年12月1日20時海平面氣壓場(圖略)顯示，東北低壓中心位于黑龍江西北部，大陸高壓中心位于中國西北地區(qū)，高壓前鋒區(qū)壓在內(nèi)蒙古中東部至河北北部，受均壓場控制遼寧大部分地區(qū)出現(xiàn)霾或輕霧天氣，不利于地面長波輻射降溫。1日23時至2日05時東北低渦和日本海上空的低渦均穩(wěn)定少動并發(fā)展，大陸高壓逐漸東移南壓，地面鋒區(qū)減弱東移影響遼寧，2日02時開始遼寧自西向東逐漸轉(zhuǎn)為一致的偏北風，各地氣溫自西向東依次開始下降。

2.3 氣溫驟升成因分析

天氣學[15]熱力學方程顯示，影響溫度局地變化的主要因子為溫度平流、垂直運動和非絕熱因子，下面重點從這三個方面進行精細化分析。

2.3.1 溫度平流作用分析

分析地面2 m氣溫和1 h變溫、10 m風空間分布的演變情況，1日20時(圖5a)遼寧東北部地區(qū)存在一個低溫中心，位于西豐至清原一帶，河北東北部地面鋒區(qū)前存在一個弱溫度脊向東北延伸至遼寧西南邊界附近(與925—1000 hPa暖脊對應)，遼寧大部分地區(qū)風力小于2 m·s-1，各地風向不一。1日22時至2日01時(圖5b至圖5d)隨著暖脊的北伸東移，遼寧中部及以西地區(qū)各站氣溫依次出現(xiàn)回升現(xiàn)象，1 h正變溫也呈現(xiàn)自西南向東北推進的變化趨勢，而遼寧東部和東南部地區(qū)(沿海地區(qū)除外)氣溫繼續(xù)維持緩慢下降趨勢。2日01時暖脊東界到達沈陽市區(qū)至撫順市區(qū)附近，遼寧東北部最低氣溫下降至-20.3 ℃，沈陽站位于正變溫中心，為6.5 ℃·h-1。2日02時(圖5e)暖脊開始南落，遼寧東南部地區(qū)各站氣溫隨之出現(xiàn)不同程度的回升，遼寧中部及以西地區(qū)轉(zhuǎn)為一致的西北風控制且風力增大至4—6 m·s-1，對應1 h變溫均轉(zhuǎn)為負變溫(圖5f)。因此，超低空至近地面暖脊過境是此次氣溫異常回升的主要原因之一。

風向桿,單位為m·s-1；數(shù)值為氣溫,單位為℃；等值線和填色區(qū)域為1 h變溫,單位為℃

2.3.2 垂直速度作用分析

沈陽站1日18時至2日06時逐小時風廓線雷達資料(圖6)顯示，對流層中低層風向隨高度變化不明顯，1日18時至2日00時1.5 km至近地面為偏西風控制，垂直速度接近為零(|ω|≤0.1 m·s-1)，低層至近地面大氣相對靜穩(wěn)，無垂直方向的熱量交換，垂直運動項(-ω(γd-γ))作用接近于0。2日00—01時近地面逐漸由偏西風轉(zhuǎn)為西北風控制，925 hPa附近(約600—700 m)出現(xiàn)弱下沉運動(垂直速度增大至0.4 m·s-1)，510 m西北風增大至15.6 m·s-1，但是950 hPa附近(約400—500 m)及以下垂直速度依舊接近為0(|ω|≤0.1 m·s-1)，近地面垂直方向依舊不存在明顯的熱量交換，因此垂直速度項對于氣溫異常升高的貢獻為0。

2.3.3 非絕熱因子分析

1日15時之后沈陽站氣溫隨日變化開始下降(表1)，21時前降溫幅度為1.2—2.5 ℃·h-1。沈陽上空受弱氣壓場控制，1日20時前后溫度露點差降至3 ℃，出現(xiàn)霾天氣。1日21時前后150 m高度附近出現(xiàn)弱垂直運動(圖6)，近地面開始出現(xiàn)輕霧并持續(xù)至2日00時。沈陽站上空的輕霧為輻射霧，霧的形成過程水汽凝結釋放潛熱加熱環(huán)境大氣(1日21時出現(xiàn)的弱垂直運動或源于此)，而霧天氣不利于地面長波輻射降溫，兩者作用均不利于夜間氣溫的下降，21時開始沈陽站氣溫下降幅度明顯減小，1日23時至2日00時氣溫下降幅度減小為0.1 ℃·h-1。2日00:30沈陽站氣溫開始明顯回升，溫度露點差增大至5 ℃，近地面空氣飽和條件不足，01:00溫度露點差增大至8 ℃，輕霧天氣消散。非絕熱加熱的作用主要是減緩了氣溫下降的速度，氣溫驟升致使溫度露點差增大導致輕霧消散，因此，近地面非絕熱加熱不是構成沈陽站氣溫驟升的原因。

表1 2019年12月1—2日沈陽站2 m逐小時氣溫、變溫和溫度露點差Table 1 Values of hourly mean air temperature,temperature change,and dew-point temperature at 2 m height at Shenyang station on December 1-2,2019 ℃

風向桿,單位為m·s-1；等值線為垂直速度,單位為m·s-1

為什么同在暖脊控制下，各站氣溫回升幅度卻存在較大差異，一些國家氣象站升溫幅度只有1—2 ℃·h-1，而個別國家氣象站升溫幅度達到了6 ℃·h-1以上，氣溫回升異常偏大的站是否存在其他局地性、更小尺度的影響因素，還需要進一步分析。

2.4 城市熱島效應

徐偉等[10]研究發(fā)現(xiàn)夜間城市熱島中心有向城市下風方向漂移的特征，上海平均漂移風速閾值為2 m·s-1，隨著風速增大增暖區(qū)向城市下風方向延伸，同時隨著風速增大城市熱島強度減小。李麗光等[11]對沈陽城市熱島特征研究發(fā)現(xiàn)，除霧條件下秋季城市熱島強度最強外,其他天氣條件下均為冬季最強，夜間城市熱島強度高于白天，晴朗無風條件下晝夜城市熱島強度最大。那么，此次過程中是否存在城市熱島效應呢？選取城區(qū)及郊區(qū)代表站做以下分析。

2019年12月1日15時至2日08時，沈陽2 m氣溫和10 m風時序(圖7)顯示，中心城區(qū)與南部、北部郊區(qū)于1日17時均開始出現(xiàn)溫差，且溫差隨時間推移逐漸加大，最大溫差達到7 ℃左右。對比沈陽北部和南部郊區(qū)的代表站氣溫回升情況，北部和南部郊區(qū)氣溫顯著回升時段均出現(xiàn)在2日00—01時，此時風從西南風1級轉(zhuǎn)為西北風2級，南部郊區(qū)氣溫回升后與中心城區(qū)非常接近且保持一致的變化趨勢，而北部郊區(qū)氣溫回升后與中心城區(qū)變化趨勢趨于一致，但是溫差一直保持3—4 ℃，而中心城區(qū)由于城市熱島效應，基礎氣溫相對較高，因此暖脊對中心城區(qū)氣溫的影響幾乎為零。氣溫顯著回升時段風向為西北風，因此北部郊區(qū)氣溫回升主要由暖脊造成，南部郊區(qū)受暖脊影響的同時，風從氣溫較高的中心城區(qū)平流至南部郊區(qū)，熱島中心向下風方漂移，最后城市熱島消失，中心城區(qū)和南部郊區(qū)氣溫接近一致。因此，城市熱島向下風方漂移是造成沈陽站異?；販氐挠忠辉?。對比沈陽站和北部郊區(qū)氣溫回升幅度，城市熱島效應造成的氣溫回升幅度約為3—4 ℃。

圖7 沈陽各代表站2 m氣溫和沈陽站10 m風逐小時變化

當暖脊過境時，由于中心城區(qū)基礎氣溫較高(與暖脊溫度相當)，所以暖脊對于中心城區(qū)的升溫作用幾乎為零。對比同樣位于南部郊區(qū)的白塔堡自動站和沈陽站氣溫變化發(fā)現(xiàn)，1日17時至2日01時兩站氣溫下降和異?；厣A段的變化趨勢基本一致，但是，氣溫異常回升前(2日00時)白塔堡自動站氣溫為-10.1 ℃，比沈陽站高2.2 ℃(沈陽站為-12.3 ℃)，氣溫異?；厣?2日01時)兩站氣溫相當(白塔堡自動站比沈陽站低0.4 ℃)，白塔堡自動站回溫幅度(3.8 ℃)比沈陽站少2.7 ℃。因此，氣溫異?；厣暗幕A溫度對于氣溫回升幅度存在一定程度的影響。

基于此次氣溫異?；厣倪^程選取的中心城區(qū)代表站，利用2015—2019年11月至翌年1月的逐小時2 m氣溫對沈陽城郊溫差情況進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計總有效次數(shù)為10698時次(表2)，城郊溫差>2 ℃共出現(xiàn)3980時次，其中3833次對應風速≤2 m·s-1(占比96.3%)，這表明沈陽冬季中心城區(qū)氣溫高于城郊的現(xiàn)象是時常出現(xiàn)的，且熱島中心向下風方漂移的平均風速閾值為2—3 m·s-1。沈陽中心城區(qū)和沈陽站(郊區(qū)代表站)2 m氣溫平均日變化(圖8)顯示，城郊平均溫差超過2 ℃主要出現(xiàn)在19時至次日08時，最強出現(xiàn)在23時至次日01時。統(tǒng)計結果與本次氣溫異常驟升的城郊氣溫差異和變化情況基本一致。因此，城市熱島效應向下風方的漂移，也是造成此次沈陽站氣溫驟升的主要原因之一。

表2 2015—2019年11月至翌年1月沈陽不同城郊溫差出現(xiàn)頻次Table 2 Occurrence frequency of air temperature differences between urban and suburb areas in Shenyang during winter from November to January in the following years of 2015-2019 次

圖8 2015—2019年11月至翌年1月沈陽站和中心城區(qū)2 m氣溫平均日變化

3 結論

(1)500—850 hPa均為弱冷平流控制，冷平流強度隨高度下降逐漸減小，近地面呈現(xiàn)靜風狀態(tài)，冷平流并未到達地面，中低空冷平流并未對近地面溫度變化造成直接影響。

(2)1日20時開始近地面逐漸出現(xiàn)霾和輕霧天氣，不利于夜間地面的長波輻射降溫，形成霧的過程水汽凝結釋放潛熱，不利于近地面氣溫下降，2日00:30沈陽站氣溫開始明顯回升，溫度露點差顯著增大，近地面空氣飽和條件不足，輕霧天氣逐漸消散。氣溫驟升致使溫度露點差增大導致輕霧消散。因此，非絕熱加熱的作用主要是減緩了氣溫下降的速度，近地面非絕熱加熱不是構成沈陽站氣溫驟升的原因。

(3)沈陽站氣溫驟升期間，2—500 m高度的垂直速度接近于零，超低空至近地面無明顯熱量交換，因此，垂直運動的作用對氣溫異常驟升的貢獻為零。

(4)1日20時，河北地區(qū)超低空(925—1000 hPa至近地面)暖脊在中層西南氣流引導下向東北方向伸展東移，遼寧中西部地區(qū)受其影響各地2 m氣溫依次出現(xiàn)回升。2日02時冷平流中心下降至850 hPa，暖脊南落導致遼寧東南部地區(qū)2 m氣溫依次回升，此時，遼寧中部及以西地區(qū)2 m氣溫開始下降。因此，超低空至近地面暖脊過境是此次氣溫異常回升的主要原因之一。

(5)沈陽站位于沈陽市的東南部，當?shù)孛鏋槲鞅憋L時，風從溫度相對較高的城區(qū)吹向南部郊區(qū)造成南部郊區(qū)各站的氣溫均明顯回升，對比南部和北部郊區(qū)氣溫變化得出，局地暖平流造成的升溫幅度約為3—4 ℃。因此，城市熱島中心向下風方漂移是沈陽站氣溫驟升又一原因。另外值得注意的是，氣溫回升前的溫度基礎值對于回溫幅度存在一定程度的影響，異?；厣暗臍鉁卦降?，回升后形成的升溫幅度越大。