大連地區夏季高溫變化特征及一次異常高溫事件成因分析

張黎紅, 侯嚴澤 , 王麗娜

(1．大連市氣象服務中心,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,在全球變暖的大背景下,夏季高溫天氣發生的頻率和強度均呈增加趨勢,大范圍破紀錄極端高溫事件接連發生．2003年高溫熱浪襲擊整個歐洲;2015年5月,高溫熱浪橫掃大半個印度;2017年夏季,我國山東、上海、江蘇、安徽、湖南等地出現大范圍持續異常高溫天氣．2018年7月下旬至8月上旬,大連地區出現持續性的極端高溫過程,多站日最高氣溫極值被連續刷新,多個自動氣象站觀測到日最高氣溫超過40 ℃,這在三面環海的海濱城市實屬罕見．

針對中國及各區域的氣溫變化特征,前人曾開展廣泛研究[1-3],并取得了有益的成果.例如:丁一匯等[4]發現,近年來中國氣溫上升了0.4～0.5 ℃;孫倩倩等[5]研究表明,1961-2010年東北地區年平均氣溫增溫率為0.36 ℃/10 a;侯依玲等[6]發現東北區域最高氣溫時間演變以1997年為節點呈 “先升后降”的趨勢．氣象工作者對大連地區的氣候變化也做了很多的研究[7-9],如近百年來,大連市年平均氣溫的增溫率為0.12 ℃/10 a[10],大連地區冬季氣溫呈明顯的增暖趨勢,90年代后增暖趨勢十分顯著[11]．但到目前為止,對全地區夏季高溫天氣的研究還未開展,因此在我國高溫熱浪頻次和強度呈增多增強的趨勢背景下[12],本文利用多種資料相融合,開展大連地區夏季高溫氣候特征的演變趨勢以及年代際變化特征分析,并對2018年夏季出現的異常持續高溫天氣可能影響機制進行初步研究,以期為該地區夏季能源利用和評估提供參考．

1 資料與方法

考慮到資料的穩定性,本文選取大連市及其管轄的8個國家級地面觀測站1971-2023年6-8月逐日最高氣溫資料,全地區2018年7月25日至8月7日223個區域自動站日最高氣溫資料,ECMWF全球逐日、逐月再分析資料(分辨率為1×1)．對于曾發生過的地址遷移,由于遷移距離比較近,都在5 km之內,基本能代表當地的氣候特征,所以本文不考慮由于遷站所帶來的資料不均一性．采用常規距平、相關、合成等統計方法對大連地區夏季高溫的時空變化進行診斷分析,并對2018年盛夏出現的極端異常高溫事件的影響機制進行初探．取1991-2020年為氣候常態．

2 結果分析

2.1 夏季高溫時空變化特征

2.1.1 夏季平均日最高氣溫演變趨勢

對大連地區夏季平均日最高氣溫做線性趨勢分析發現(圖1),1971-2023年以來,夏季平均日最高氣溫總體呈現上升趨勢,增溫率為0.22 ℃/10 a,通過98%信度的顯著性檢驗,說明夏季平均日最高氣溫隨時間變化而增高的趨勢是顯著的．二項式系數加權平均法對其標準化時間序列作11 a滑動平均發現,53 a來大連地區夏季平均日最高氣溫出現了“升降升”的階段性變化.20世紀70年代至20世紀末,夏季平均日最高氣溫表現為上升態,但進入21世紀出現了10 a左右的下降期,之后轉為明顯的上升期．夏季平均日最高氣溫分別在2000年和2012年發生轉折,以這兩點為界,對3段時間序列進行分段擬合(圖1),1971-2000年增溫率為0.32 ℃/10 a,2001-2012年降溫率達到1.41 ℃/10 a,之后又出現3.1 ℃/10 a上升趨勢,均通過95%信度的顯著性檢驗．

圖1 大連地區夏季平均最高氣溫變化序列及11 a滑動平均曲線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的空間分布,分別計算各觀測站的變化趨勢(表1)．1971年以來,大連地區除旅順口區夏季平均日最高氣溫變化趨勢不明顯外,其他地區均呈增溫的變化趨勢,但增溫的強度不同,具有明顯的地域特征．臨近黃海北部的地區增溫趨勢大于臨近渤海的西部地區,值得注意的是在20世紀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年代出現了10 a左右的穩定期[13],由此可知夏季大連地區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系．有研究表明日最高氣溫增溫趨勢隨緯度變化明顯,緯度越高增溫越明顯,增溫最顯著的是大連市區,增溫率達到了0.35 ℃/10 a.分析其原因,雖然緯度相對偏南,但其臨近黃海北部,另外還有一個重要原因就是快速城市化發展而產生的城市熱島效應,有研究表明城市化對各類臺站最高氣溫上升的影響在春、夏季貢獻最大,特別是大城市臺站[14]．

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

2.1.2 夏季高溫日數演變趨勢

由于大連地區三面環海,海洋的調節作用使該地區在夏季出現35 ℃的高溫天氣并不是每年都會發生.并且進入夏季,空氣的相對濕度高達80%左右,根據當地的氣候特點,并綜合考慮到高濕對人體體感的影響,本文采用世界氣象組織[15]建議的定義“日最高溫度≥32 ℃”稱之為一個高溫日來研究大連地區的高溫日數的變化．

1971年以來全地區年平均高溫日數達到8.3 d(圖2),最多的年份為1999年28 d,期間有2 a(1976年、1985年)未出現高溫天氣．從長期變化看,近53 a高溫日數整體變化呈增加趨勢,增加率為2.1 d/10 a,通過了99%信度的顯著性檢驗．11 a滑動平均曲線分析發現,大連地區超過32 ℃的高溫日數年代際變化非常明顯．從20世紀90年代至21世紀初出現高溫日數的偏多期,這與遼寧高溫日數的演變趨勢相一致[16],在20世紀末達到了峰值,之后開始減少,近10 a再次出現偏多期．夏季高溫日數分別在1989年、2000年和2013年發生轉折,但1989年轉折點并未通過顯著性檢驗,以2000年和2013年通過顯著性檢驗的2個點為界,對3段時間序列進行分段擬合(圖2),1971-2000年高溫日數增加率為4.2 d/10 a;2001-2012年減少率達到9.2 d /10 a,之后又出現了顯著的增加態勢,均通過了98%信度的顯著性檢驗．

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

高溫日數的空間分布受海洋氣候影響非常大,海島站高溫日數最少,平均每年僅有0.4 d,近海觀測站平均每年2 d左右,而相對海洋較遠的內陸觀測站平均每年高溫日數在5～6 d之間．由此可見海洋對夏季高溫天氣的調節作用非常顯著．

統計發現,1971-1999年出現高溫日為198 d,2000-2018年為199 d,由于樣本數相當,以2000年為界,研究之前與之后高溫天氣過程影響區域的演變趨勢(表2)．通過分析發現,21世紀高溫影響的區域明顯增大.由于大連地區特殊地理位置,局地小氣候明顯,把1 d內出現3個及以上觀測站日最高氣溫≥32 ℃的天氣過程稱之為一次區域性高溫日．20世紀70～90年代出現區域性高溫日共有56 d,占此期間高溫日數的28%.由于20世紀90年代是高溫日數的偏多期,90年代出現區域性高溫日數就有37 d,所以這一時段內近70%的區域性高溫日是出現在20世紀90年代．進入21世紀,出現區域性高溫日有79 d,占此期間總高溫日數的40%,區域性高溫日明顯在增加．通過影響3站以上高溫日數的比較,也可發現進入21世紀,區域性高溫過程影響站數在增加,說明高溫過程影響的范圍在擴大．

表2 1971-1999年與2000-2023年高溫日影響站數情況統計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,東北地區出現極端性高溫天氣,平均氣溫25.1 ℃,較常年同期偏高1.3 ℃,為1961年以來同期最高．遼寧和吉林有47個國家級觀測站日最高氣溫突破歷史極值．此次高溫過程極端性強,持續時間長,影響范圍廣．大連地區也出現該地區有氣象記錄以來持續時間最長,強度最強的異常高溫氣候事件．高溫天氣過程中,有4個國家級氣象觀測站最高氣溫突破當地有氣象記錄以來的歷史極值,其中,瓦房店觀測站連續2 d日最高氣溫歷史極值被刷新．另外,有10個區域自動氣象站觀測到的日最高氣溫超過40 ℃,觀測到的最高氣溫出現在金州大石棚村站,為41.2 ℃．高溫日的連續性以及影響站數均打破歷史紀錄．由于持續高溫晴熱天氣,加之入汛以來平均降水量異常偏少,造成東北部分地區干旱災害進一步發展并加重,也導致沿海圍堰養殖海參大量死亡,死亡率高達70%左右．

2.2.2 持續高溫期間的環流特征

東北地區持續高溫期間,西太平洋副熱帶高壓(簡稱西太副高)較常年明顯偏強、偏北、偏西,位置穩定．7月25至8月12日,500 hPa平均588位勢10 m高度線西伸脊點較常年同期平均值偏西10個經度以上,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．高壓系統從對流層底層(850 hPa)一直延伸至對流層高層(200 hPa)．強西太副高的穩定西伸北抬,是對流層整層高壓系統異常的表現,整層深厚的高壓系統的穩定維持,是造成這次大范圍持續異常高溫天氣的主要原因．

西太副高的西進東退與青藏高壓的活動有十分密切的聯系,兩者活動存在著“相向而行”和“相背而去”的關系[17]．通過分析發現,在高溫期間,200 hPa位勢高度場較常年同期有明顯異常．1256位勢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北抬明顯,氣候態的1256位勢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,平均位勢高度1256位勢10 m高度線較氣候態東擴20個經距,且北界北抬5～7個緯距,一直擴展到黃海北部．青藏高壓的異常東擴北抬,使本次高溫天氣過程持續性更加明顯．

空氣下沉增溫是華北、東北一帶地區酷暑的主要機制[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動區,下沉增溫作用非常明顯,在300 hPa附近以及800和900 hPa存在著強的下沉中心,下沉中心數值達到0.6 Pa/s,這種高層和底層都存在著下沉中心的結構進一步增大了太陽輻射對地表增溫效果的影響,大連地區位于強的下沉區內．強烈的下沉運動導致天氣晴朗,大氣透光度好,到達地面的太陽輻射增加,地面氣溫快速升高,使大連地區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 論

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

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

(3)進入21世紀,區域性高溫過程明顯在增加,高溫過程影響的范圍也在擴大．

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

(5)大氣強烈的下沉作用和輻射增溫,是高溫天氣出現的有利條件．高溫期間,對流層整層大氣維持著深厚的下沉運動,底層強的下沉中心增大了太陽輻射對地表增溫效果的影響,使東北地區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,以及大氣垂直運動這3個方面,對2018年盛夏東北地區出現的異常持續高溫事件進行初步分析．影響極端天氣氣候事件的因子很復雜,如太陽黑子,更大尺度的遙相關型以及海氣相互作用．另外,有研究表明臺風活躍程度[19]、夏季風強弱[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性,這些因素對異常高溫事件的貢獻有多少,還需深一步探討和研究．