張黎紅, 侯嚴(yán)澤 , 王麗娜

(1．大連市氣象服務(wù)中心,遼寧 大連 116001; 2．大連市人工影響天氣辦公室,遼寧 大連 116001)

近年來(lái),在全球變暖的大背景下,夏季高溫天氣發(fā)生的頻率和強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì),大范圍破紀(jì)錄極端高溫事件接連發(fā)生．2003年高溫?zé)崂艘u擊整個(gè)歐洲;2015年5月,高溫?zé)崂藱M掃大半個(gè)印度;2017年夏季,我國(guó)山東、上海、江蘇、安徽、湖南等地出現(xiàn)大范圍持續(xù)異常高溫天氣．2018年7月下旬至8月上旬,大連地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性的極端高溫過(guò)程,多站日最高氣溫極值被連續(xù)刷新,多個(gè)自動(dòng)氣象站觀測(cè)到日最高氣溫超過(guò)40 ℃,這在三面環(huán)海的海濱城市實(shí)屬罕見(jiàn)．

針對(duì)中國(guó)及各區(qū)域的氣溫變化特征,前人曾開(kāi)展廣泛研究[1-3],并取得了有益的成果.例如:丁一匯等[4]發(fā)現(xiàn),近年來(lái)中國(guó)氣溫上升了0.4～0.5 ℃;孫倩倩等[5]研究表明,1961-2010年?yáng)|北地區(qū)年平均氣溫增溫率為0.36 ℃/10 a;侯依玲等[6]發(fā)現(xiàn)東北區(qū)域最高氣溫時(shí)間演變以1997年為節(jié)點(diǎn)呈 “先升后降”的趨勢(shì)．氣象工作者對(duì)大連地區(qū)的氣候變化也做了很多的研究[7-9],如近百年來(lái),大連市年平均氣溫的增溫率為0.12 ℃/10 a[10],大連地區(qū)冬季氣溫呈明顯的增暖趨勢(shì),90年代后增暖趨勢(shì)十分顯著[11]．但到目前為止,對(duì)全地區(qū)夏季高溫天氣的研究還未開(kāi)展,因此在我國(guó)高溫?zé)崂祟l次和強(qiáng)度呈增多增強(qiáng)的趨勢(shì)背景下[12],本文利用多種資料相融合,開(kāi)展大連地區(qū)夏季高溫氣候特征的演變趨勢(shì)以及年代際變化特征分析,并對(duì)2018年夏季出現(xiàn)的異常持續(xù)高溫天氣可能影響機(jī)制進(jìn)行初步研究,以期為該地區(qū)夏季能源利用和評(píng)估提供參考．

1 資料與方法

考慮到資料的穩(wěn)定性,本文選取大連市及其管轄的8個(gè)國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站1971-2023年6-8月逐日最高氣溫資料,全地區(qū)2018年7月25日至8月7日223個(gè)區(qū)域自動(dòng)站日最高氣溫資料,ECMWF全球逐日、逐月再分析資料(分辨率為1×1)．對(duì)于曾發(fā)生過(guò)的地址遷移,由于遷移距離比較近,都在5 km之內(nèi),基本能代表當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?所以本文不考慮由于遷站所帶來(lái)的資料不均一性．采用常規(guī)距平、相關(guān)、合成等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)大連地區(qū)夏季高溫的時(shí)空變化進(jìn)行診斷分析,并對(duì)2018年盛夏出現(xiàn)的極端異常高溫事件的影響機(jī)制進(jìn)行初探．取1991-2020年為氣候常態(tài)．

2 結(jié)果分析

2.1 夏季高溫時(shí)空變化特征

2.1.1 夏季平均日最高氣溫演變趨勢(shì)

對(duì)大連地區(qū)夏季平均日最高氣溫做線性趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)(圖1),1971-2023年以來(lái),夏季平均日最高氣溫總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),增溫率為0.22 ℃/10 a,通過(guò)98%信度的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明夏季平均日最高氣溫隨時(shí)間變化而增高的趨勢(shì)是顯著的．二項(xiàng)式系數(shù)加權(quán)平均法對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列作11 a滑動(dòng)平均發(fā)現(xiàn),53 a來(lái)大連地區(qū)夏季平均日最高氣溫出現(xiàn)了“升降升”的階段性變化.20世紀(jì)70年代至20世紀(jì)末,夏季平均日最高氣溫表現(xiàn)為上升態(tài),但進(jìn)入21世紀(jì)出現(xiàn)了10 a左右的下降期,之后轉(zhuǎn)為明顯的上升期．夏季平均日最高氣溫分別在2000年和2012年發(fā)生轉(zhuǎn)折,以這兩點(diǎn)為界,對(duì)3段時(shí)間序列進(jìn)行分段擬合(圖1),1971-2000年增溫率為0.32 ℃/10 a,2001-2012年降溫率達(dá)到1.41 ℃/10 a,之后又出現(xiàn)3.1 ℃/10 a上升趨勢(shì),均通過(guò)95%信度的顯著性檢驗(yàn)．

圖1 大連地區(qū)夏季平均最高氣溫變化序列及11 a滑動(dòng)平均曲線Fig.1 The interannual change of mean summer maximum temperature and 11-year running average in Dalian

為研究夏季平均日最高氣溫演變趨勢(shì)的空間分布,分別計(jì)算各觀測(cè)站的變化趨勢(shì)(表1)．1971年以來(lái),大連地區(qū)除旅順口區(qū)夏季平均日最高氣溫變化趨勢(shì)不明顯外,其他地區(qū)均呈增溫的變化趨勢(shì),但增溫的強(qiáng)度不同,具有明顯的地域特征．臨近黃海北部的地區(qū)增溫趨勢(shì)大于臨近渤海的西部地區(qū),值得注意的是在20世紀(jì)80年代之后,夏季渤海海溫的增溫幅度明顯小于黃海北部,特別是在80年代出現(xiàn)了10 a左右的穩(wěn)定期[13],由此可知夏季大連地區(qū)日最高氣溫空間變化特征與黃海、渤海海溫變化存在一定的關(guān)系．有研究表明日最高氣溫增溫趨勢(shì)隨緯度變化明顯,緯度越高增溫越明顯,增溫最顯著的是大連市區(qū),增溫率達(dá)到了0.35 ℃/10 a.分析其原因,雖然緯度相對(duì)偏南,但其臨近黃海北部,另外還有一個(gè)重要原因就是快速城市化發(fā)展而產(chǎn)生的城市熱島效應(yīng),有研究表明城市化對(duì)各類臺(tái)站最高氣溫上升的影響在春、夏季貢獻(xiàn)最大,特別是大城市臺(tái)站[14]．

表1 大連地區(qū)夏季平均最高氣溫演變趨勢(shì)分布Table 1 Distribution of evolution trends of annual mean maximum temperature in summer in Dalian area

2.1.2 夏季高溫日數(shù)演變趨勢(shì)

由于大連地區(qū)三面環(huán)海,海洋的調(diào)節(jié)作用使該地區(qū)在夏季出現(xiàn)35 ℃的高溫天氣并不是每年都會(huì)發(fā)生.并且進(jìn)入夏季,空氣的相對(duì)濕度高達(dá)80%左右,根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn),并綜合考慮到高濕對(duì)人體體感的影響,本文采用世界氣象組織[15]建議的定義“日最高溫度≥32 ℃”稱之為一個(gè)高溫日來(lái)研究大連地區(qū)的高溫日數(shù)的變化．

1971年以來(lái)全地區(qū)年平均高溫日數(shù)達(dá)到8.3 d(圖2),最多的年份為1999年28 d,期間有2 a(1976年、1985年)未出現(xiàn)高溫天氣．從長(zhǎng)期變化看,近53 a高溫日數(shù)整體變化呈增加趨勢(shì),增加率為2.1 d/10 a,通過(guò)了99%信度的顯著性檢驗(yàn)．11 a滑動(dòng)平均曲線分析發(fā)現(xiàn),大連地區(qū)超過(guò)32 ℃的高溫日數(shù)年代際變化非常明顯．從20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初出現(xiàn)高溫日數(shù)的偏多期,這與遼寧高溫日數(shù)的演變趨勢(shì)相一致[16],在20世紀(jì)末達(dá)到了峰值,之后開(kāi)始減少,近10 a再次出現(xiàn)偏多期．夏季高溫日數(shù)分別在1989年、2000年和2013年發(fā)生轉(zhuǎn)折,但1989年轉(zhuǎn)折點(diǎn)并未通過(guò)顯著性檢驗(yàn),以2000年和2013年通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的2個(gè)點(diǎn)為界,對(duì)3段時(shí)間序列進(jìn)行分段擬合(圖2),1971-2000年高溫日數(shù)增加率為4.2 d/10 a;2001-2012年減少率達(dá)到9.2 d /10 a,之后又出現(xiàn)了顯著的增加態(tài)勢(shì),均通過(guò)了98%信度的顯著性檢驗(yàn)．

圖2 大連地區(qū)夏季高溫日數(shù)變化序列及11 a滑動(dòng)平均曲線Fig.2 The interannual change of high temperature days in summer and 11-year running average in Dalian

高溫日數(shù)的空間分布受海洋氣候影響非常大,海島站高溫日數(shù)最少,平均每年僅有0.4 d,近海觀測(cè)站平均每年2 d左右,而相對(duì)海洋較遠(yuǎn)的內(nèi)陸觀測(cè)站平均每年高溫日數(shù)在5～6 d之間．由此可見(jiàn)海洋對(duì)夏季高溫天氣的調(diào)節(jié)作用非常顯著．

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),1971-1999年出現(xiàn)高溫日為198 d,2000-2018年為199 d,由于樣本數(shù)相當(dāng),以2000年為界,研究之前與之后高溫天氣過(guò)程影響區(qū)域的演變趨勢(shì)(表2)．通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),21世紀(jì)高溫影響的區(qū)域明顯增大.由于大連地區(qū)特殊地理位置,局地小氣候明顯,把1 d內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)及以上觀測(cè)站日最高氣溫≥32 ℃的天氣過(guò)程稱之為一次區(qū)域性高溫日．20世紀(jì)70～90年代出現(xiàn)區(qū)域性高溫日共有56 d,占此期間高溫日數(shù)的28%.由于20世紀(jì)90年代是高溫日數(shù)的偏多期,90年代出現(xiàn)區(qū)域性高溫日數(shù)就有37 d,所以這一時(shí)段內(nèi)近70%的區(qū)域性高溫日是出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代．進(jìn)入21世紀(jì),出現(xiàn)區(qū)域性高溫日有79 d,占此期間總高溫日數(shù)的40%,區(qū)域性高溫日明顯在增加．通過(guò)影響3站以上高溫日數(shù)的比較,也可發(fā)現(xiàn)進(jìn)入21世紀(jì),區(qū)域性高溫過(guò)程影響站數(shù)在增加,說(shuō)明高溫過(guò)程影響的范圍在擴(kuò)大．

表2 1971-1999年與2000-2023年高溫日影響站數(shù)情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of high temperature days in 1971-1999 and 2000-2023

2.2 2018年夏季異常高溫事件機(jī)理研究

2.2.1 異常高溫天氣特征

2018年7月下旬至8月上旬,東北地區(qū)出現(xiàn)極端性高溫天氣,平均氣溫25.1 ℃,較常年同期偏高1.3 ℃,為1961年以來(lái)同期最高．遼寧和吉林有47個(gè)國(guó)家級(jí)觀測(cè)站日最高氣溫突破歷史極值．此次高溫過(guò)程極端性強(qiáng),持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),影響范圍廣．大連地區(qū)也出現(xiàn)該地區(qū)有氣象記錄以來(lái)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),強(qiáng)度最強(qiáng)的異常高溫氣候事件．高溫天氣過(guò)程中,有4個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站最高氣溫突破當(dāng)?shù)赜袣庀笥涗浺詠?lái)的歷史極值,其中,瓦房店觀測(cè)站連續(xù)2 d日最高氣溫歷史極值被刷新．另外,有10個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站觀測(cè)到的日最高氣溫超過(guò)40 ℃,觀測(cè)到的最高氣溫出現(xiàn)在金州大石棚村站,為41.2 ℃．高溫日的連續(xù)性以及影響站數(shù)均打破歷史紀(jì)錄．由于持續(xù)高溫晴熱天氣,加之入汛以來(lái)平均降水量異常偏少,造成東北部分地區(qū)干旱災(zāi)害進(jìn)一步發(fā)展并加重,也導(dǎo)致沿海圍堰養(yǎng)殖海參大量死亡,死亡率高達(dá)70%左右．

2.2.2 持續(xù)高溫期間的環(huán)流特征

東北地區(qū)持續(xù)高溫期間,西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱西太副高)較常年明顯偏強(qiáng)、偏北、偏西,位置穩(wěn)定．7月25至8月12日,500 hPa平均588位勢(shì)10 m高度線西伸脊點(diǎn)較常年同期平均值偏西10個(gè)經(jīng)度以上,面積也較常年同期明顯偏大,其北界較常年同期偏北5個(gè)緯距以上,遼寧中南部、河北以及山東半島均位于西太副高中心內(nèi)．高壓系統(tǒng)從對(duì)流層底層(850 hPa)一直延伸至對(duì)流層高層(200 hPa)．強(qiáng)西太副高的穩(wěn)定西伸北抬,是對(duì)流層整層高壓系統(tǒng)異常的表現(xiàn),整層深厚的高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定維持,是造成這次大范圍持續(xù)異常高溫天氣的主要原因．

西太副高的西進(jìn)東退與青藏高壓的活動(dòng)有十分密切的聯(lián)系,兩者活動(dòng)存在著“相向而行”和“相背而去”的關(guān)系[17]．通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),在高溫期間,200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)較常年同期有明顯異常．1256位勢(shì)10 m高度線指示的青藏高壓特征線反映青藏高壓較常年同期東擴(kuò)北抬明顯,氣候態(tài)的1256位勢(shì)10 m高度線大致位于105°E附近,但在2018年7月25至8月12日,平均位勢(shì)高度1256位勢(shì)10 m高度線較氣候態(tài)東擴(kuò)20個(gè)經(jīng)距,且北界北抬5～7個(gè)緯距,一直擴(kuò)展到黃海北部．青藏高壓的異常東擴(kuò)北抬,使本次高溫天氣過(guò)程持續(xù)性更加明顯．

空氣下沉增溫是華北、東北一帶地區(qū)酷暑的主要機(jī)制[18]．高溫期間121°E平均垂直速度的緯度-高度剖面圖顯示(圖3),在38°N～42°N之間的整層大氣均為深厚的下沉運(yùn)動(dòng)區(qū),下沉增溫作用非常明顯,在300 hPa附近以及800和900 hPa存在著強(qiáng)的下沉中心,下沉中心數(shù)值達(dá)到0.6 Pa/s,這種高層和底層都存在著下沉中心的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增大了太陽(yáng)輻射對(duì)地表增溫效果的影響,大連地區(qū)位于強(qiáng)的下沉區(qū)內(nèi)．強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致天氣晴朗,大氣透光度好,到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射增加,地面氣溫快速升高,使大連地區(qū)多地日最高氣溫突破歷史極值．

圖3 2018年7月25至8月12日平均的121°E垂直速度的緯度-高度剖面圖(單位:10-1 Pa/s)Fig.3 Latitude-height cross section of vertical wind speed along 121°E longitude for the period of 25 July to 12 August 2018(unit:10-1 Pa/s)

3 結(jié) 論

(1)近53 a來(lái),大連地區(qū)夏季日最高氣溫呈顯著上升的趨勢(shì),增溫率為 0.22 ℃/10 a,出現(xiàn)“升降升”的階段性變化．20世紀(jì)之前演變趨勢(shì)表現(xiàn)為升高,增溫率0.32 ℃/10 a,2001-2012年出現(xiàn)了顯著的下降趨勢(shì),降溫率達(dá)到了1.41 ℃/10 a,并通過(guò)95%信度的顯著性檢驗(yàn),之后又出現(xiàn)上升趨勢(shì)．

(2)夏季日最高氣溫的空間演變具有明顯的地域特點(diǎn),臨近黃海北部的地區(qū)增溫趨勢(shì)要大于靠近渤海的西部地區(qū),緯度越高增溫越明顯．從長(zhǎng)期變化看,近48 a高溫日數(shù)整體變化呈現(xiàn)出增加趨勢(shì),增加率為2.1 d/10 a,高溫日數(shù)的空間分布受海洋氣候影響非常大．

(3)進(jìn)入21世紀(jì),區(qū)域性高溫過(guò)程明顯在增加,高溫過(guò)程影響的范圍也在擴(kuò)大．

(4)西太副高的異常,是東北地區(qū)2018年盛夏出現(xiàn)異常持續(xù)高溫事件最重要、最直接的原因．高溫期間,西太副高偏西、偏北、偏強(qiáng);對(duì)流層高層,東擴(kuò)北抬的青藏高壓與之呼應(yīng),使本次高溫天氣過(guò)程持續(xù)性更加明顯．

(5)大氣強(qiáng)烈的下沉作用和輻射增溫,是高溫天氣出現(xiàn)的有利條件．高溫期間,對(duì)流層整層大氣維持著深厚的下沉運(yùn)動(dòng),底層強(qiáng)的下沉中心增大了太陽(yáng)輻射對(duì)地表增溫效果的影響,使東北地區(qū)多地日最高氣溫突破歷史極值．

本文僅僅從西太副高、青藏高壓的異常表現(xiàn),以及大氣垂直運(yùn)動(dòng)這3個(gè)方面,對(duì)2018年盛夏東北地區(qū)出現(xiàn)的異常持續(xù)高溫事件進(jìn)行初步分析．影響極端天氣氣候事件的因子很復(fù)雜,如太陽(yáng)黑子,更大尺度的遙相關(guān)型以及海氣相互作用．另外,有研究表明臺(tái)風(fēng)活躍程度[19]、夏季風(fēng)強(qiáng)弱[20]、鄂霍次克海阻高位置[21]等與東北和華東沿海極端高溫有一定的相關(guān)性,這些因素對(duì)異常高溫事件的貢獻(xiàn)有多少,還需深一步探討和研究．