2018年盛夏大连地区极端高温干旱天气环流特征及成因分析

王秀萍 李燕 张悦 赛瀚 李潇潇

(1.大连市气象台，辽宁 大连 116001； 2.大连市气象信息中心，辽宁 大连 116001)

引言

干旱为中国各地最常见、影响最大的自然灾害[1]。干旱的发生不仅受降水偏少影响，而且往往与高温同时出现。近年来，在全球气候变暖的背景下，夏季极端高温干旱事件频繁发生，给工农业生产和人们生活造成了严重影响，为此已引起气象工作者的普遍关注。前人从各个方面对夏季不同地域的高温干旱发生机理、影响系统等进行了大量系统的研究，并且取得了丰硕的成果。王劲松等[2]总结前人研究成果发现，各地夏季发生的干旱与东亚夏季风、印度夏季风、西太平洋副热带高压、热带太平洋海温以及青藏高原下垫面热力状况的异常具有密切联系[3-6]。由于中国夏季天气气候不仅与东亚夏季风系统中多成员的相互协同作用有关，而且与中高纬冷空气的活动密切相关[7-9]。同时，海温等外强迫因子还会显著影响东亚夏季风系统[10-11]。2018年夏季是1961年以来最热的年份，这年东亚夏季风异常强、西太平洋副热带高压异常偏北，北方罕见高温[8,12]。进一步研究表明[11]，2018年的强东亚夏季风与拉尼娜事件、热带印度洋海温、北大西洋海温和青藏高原积雪的联合、增强和协同效应密切相关。黑潮及其扩展区海温、西太平洋对流活动和孟加拉湾跨赤道气流对西太平洋副热带高压异常偏北起着重要作用[13-14]。针对2018年夏季区域异常高温事件及其环流成因、海洋影响等已有一些成果，但是2018年盛夏大连地区高温事件及其引发干旱为当地历史最强，且危害严重。中国幅员辽阔，不同地区气候差异较大。同样是高温干旱事件，其影响异常高温的环流系统和外部强迫信号也未必相同。因此，研究不同地区高温干旱的成因具有非常重要的科学意义和实用价值。

大连地处中国东北最南端，盛夏通常为雨季，气候以暖湿为主要特征，尤其是7月下旬至8月上旬是一年中降水最多的时期，俗称“七下八上”。但2018年盛夏却出现了一次严重高温干旱事件，这次事件持续时间长，范围大，强度强，旱情严重，造成了很大的直接经济损失，引发社会各界高度关注。然而，以往主要集中对大连地区降水[15-16]、气温[17]和雷暴[18]基本特征的研究，对高温干旱发生的环流背景、形成原因的研究相对较少。本文在已有研究成果基础上，利用NCEP逐日再分析资料和大连地区逐日气温和降水资料，分析大连地区2018年盛夏高温过程及干旱事件的极端特征，进一步分析此次极端高温干旱过程的形成、演变及其对应的环流变化特征和成因，以期为大连地区此类极端高温干旱过程的预测、预报提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用资料为1948—2018年NCEP 全球逐日再分析资料[19-20]，空间分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向为17层，变量包括风场、高度场、温度场、气压场、相对湿度(8层)以及垂直速度(12层)等。1951—2018年大连地区7个基本业务站(大连、旅顺、金州、长海、瓦房店、普兰店和庄河)逐日平均气温、最高气温和降水资料以及2018年7—8月全市220个自动站逐日最高气温和降水资料。各种要素均采用1981—2010年30 a平均值作为平均气候态(即常年值)。各种相关指标的历史排位是根据各站有记录以来的同期历史资料进行对比。大连地区为7个基本业务站的平均。

1.2 研究方法

气象学上规定日最高气温达到或超过35 ℃(37 ℃) 称为高温(酷暑)[21]。大连地区2007年以前只有7个基本业务站，并且业务站日最高气温达到或超过35 ℃(37 ℃)的日数较少。基于以上原因，规定大连地区高温(酷暑)为日最高气温达到或超过32 ℃(35 ℃)；定义盛夏的最长高温持续日数为该年7—8月最高温度连续超过32 ℃的最长日数；定义盛夏的最长持续无降水日数为该年7—8月连续无降水的最长日数。

2 结果分析

2.1 2018年盛夏大连高温干旱的基本特征

进入2018年7月，大连各地降雨持续偏少。由2018年盛夏大连地区逐日平均降水量与历史同期比较可见(图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日为较小的降水正距平外，其余时段降水距平值均为零和负值。分析7月1日至8月6日大连地区平均累计降水量为25.7 mm(图1b)，较常年同期的157.6 mm偏少86%(8—9成)，为1971年以来降水最少年份。其中2018年7月1日至8月6日累计降水量大连市区、旅顺、金州、普兰店、庄河和长海较常年同期偏少8—10成，瓦房店较常年同期偏少6—7成，除瓦房店外，其余地区位居历史同期降水偏少第一位，各地旱情严重。

图1 2018年盛夏大连地区逐日平均降水量(a)和1971—2018年大连地区7月1日至8月6日总降水量距平序列(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)

统计盛夏大连地区7个基本业务站和历史同期平均的最长持续无降水日数可知(表略)，各站7—8月的最长持续无降水日数均超过历史平均值。其中，大连和金州的最长持续无降水日数排在首位，大连长达27 d，比常年值多了17 d，金州为24 d，比常年值多了13 d。

与此同时，大连地区气温自7月17日起呈持续偏高状态，7月中旬开始高温逐步发展， 7月下旬至8月上旬是大连地区高温最严重时段，期间连续出现极端高温天气(图2)。据统计，7月下旬平均气温整体偏高2—5 ℃，超过1.8—2.7个标准差，达到异常；各地8月上旬平均气温偏高幅度为4—5 ℃，超过4.3—5.3个标准差，达到特别异常。7月28日至8月6日高温最强，日最高气温与历史同期相比明显偏高，较常年同期偏高4—9 ℃，尤其是8月1—3日极端高温强度最强，日最高气温正异常值偏高6—9 ℃(图2)，其中3日全市220个自动站中有8个自动气象站观测到的日最高气温超过40 ℃，金州大石棚村站日最高气温达到41.2 ℃(图略)。8月中旬大部分地区高温逐渐缓解。

图2 2018年盛夏大连地区平均最高气温与历史同期比较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

统计2018年盛夏大连地区高温日数、最长高温持续日数及其与历史同期比较可知(表1)，除长海外，其余各地均连续9—12 d出现32 ℃以上的高温，并且瓦房店和普兰店连续7—8 d出现35 ℃以上的高温，各站无论是最高气温超过32 ℃的日数，还是超过35 ℃的日数，均位列历史首位，并且最长高温持续日数也远超历史平均，均为历史第一。持续的高温与少雨相互叠加，使得大连地区的旱情迅速发展。

表1 2018年盛夏大连地区高温日数、历史同期平均高温日数、最长高温持续日数及其与历史同期比较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 大气环流成因分析

持续高温干旱天气往往与大气环流形势异常有关，是不利于降水的异常环流持续发展和长期维持的结果[4,22-26]。

2.2.1 高、中、低层大气环流异常

2018年7月1日至8月6日，对流层高层、中层和低层(图3)，包括大连在内的中国东北地区—日本—朝鲜半岛一带上空均受异常反气旋性环流控制，呈现深厚的准正压结构，盛行下沉气流，不利于大连地区出现降水。从200 hPa的高度距平和风场距平发现(图3a)，40°N以南为异常偏东风，40°—55°N为异常偏西风，即200 hPa高空西风急流位置较常年同期明显偏北。中层500 hPa高度距平场(图3b)，欧亚大陆0°—140°E、30°—50°N范围出现正负距平相间的分布，正负高度距平区表现较强的持续和稳定性，为欧亚EU遥相关型。其中50°E和120°E分别为正高度距平中心，即高压中心；70°E为负高度距平中心，即低压中心，大连地区受高压中心控制。另外，从图3b还可看到，东亚沿岸从菲律宾到鄂霍次克海附近为“负—正—负”的距平分布，呈现“东亚—太平洋型”遥相关负位相的特征。低层850 hPa距平风场上最显著的特征是菲律宾附近至日本以南的西北太平洋地区为异常气旋环流，而且东亚沿岸由副热带至中高纬度表现出“气旋—反气旋—气旋”的分布特征(图3c)，与500 hPa 东亚沿岸从南到北“负—正—负”的高度距平特征相对应。

阴影为位势高度距平，单位为dagpm；风场单位为m·s-1图3 2018年7月1日至8月6日200 hPa(a)、500 hPa(b)、850 hPa(c)的位势高度距平和风场距平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

综上分析可知，对流层高、中、低层大气环流异常特征为高空西风急流明显偏北，大连地区上空受相当正压结构的异常反气旋环流控制，并叠加欧亚(EU)遥相关型，同时，东亚沿岸从副热带至中高纬度为“负—正—负”的高度距平分布，呈现“东亚—太平洋型”遥相关负位相的特征，对流层低层菲律宾附近至日本以南的西北太平洋地区为异常气旋式环流。

为了进一步说明整个对流层正压结构特征，图4给出了2018年7月1日至8月6日在38.5°—40.5°N范围内1000—100 hPa平均位势高度距平—经度剖面。由图4可知，110°—140°E的东亚大陆地区从地面到100 hPa均出现较大的正距平，即东亚大陆地区整层受正压结构的高压控制。最强的正距平中心出现在对流层上层100—300 hPa，强度达16 dagpm，正好位于大连地区上空。这进一步表明，大连地区上空整个对流层受正压结构的异常反气旋控制。

实(虚)线为正(负)距平，彩色阴影区为≥2 dagpm高度距平(2018年7月1日至8月6日38.5°—40.5°N 范围1000—100 hPa平均位势高度与同期1981—2010年相应平均位势高度的差值)，等值线间隔为2图4 2018年7月1日至8月6日38.5°—40.5°N 范围1000—100 hPa平均位势高度距平垂直剖面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 南亚高压与西太平洋副热带高压异常

南亚高压和西太平洋副热带高压(简称西太副高，下同)作为北半球夏季对流层高层100 hPa和中层500 hPa强大而稳定的环流系统[27-28]，对中国夏季天气和气候的异常影响重大。研究表明[29]，南亚高压活动与西太平洋副热带高压活动存在密切联系，两者有相向而行和相背而去的趋势。

通过对2018年7—8月南亚高压与西太平洋副热带高压进行逐旬分析发现(图5)，7—8月南亚高压强度偏强、面积偏大、东伸脊点偏东、北界位置偏北状态。7月中旬(图5b)南亚高压向东向北扩展，尤其是7月下旬至8月上旬(图5c和图5d)南亚高压异常偏东偏北，强度增强，等值线最大值可达1690 dagpm，高压东部主体恰好位于大连地区上空，致使大连地区持续盛行下沉气流，增温明显，出现持续高温少雨天气。8月中旬(图5e),南亚高压南落西退，对大连地区影响逐步减弱。

与此同时，西太副高与南亚高压遵循“相向而行，相背而去”的规律，7月上旬(图5a)西太平洋副热带高压偏东偏北，西伸脊点较常年偏东约15个经距，7月中旬(图4b)西太平洋副热带高压向西向北扩展，强度增强，等值线最大值可达590.5 dagpm；7月下旬至8月上旬(图5c和图5d)发展出一西太平洋副热带高压中心，西伸脊点较常年偏西约20个经距，脊线北界位置较常年偏北约10个纬距，位置异常偏西偏北，该副热带高压中心与高层南亚高压东部主体相互叠加，形成高低空同位相的深厚高压系统，这种影响一直持续到8月上旬；8月中旬(图5e)西太平洋副热带高压开始南落，东撤退出大连地区上空，因此高温干旱迅速缓解。

黑色和红色虚线分别为气候平均100 hPa南亚高压1680 dagpm特征线和500 hPa西太平洋副热带高压588 dagpm特征线；绿色实线为纬向风距平，单位为m·s-1；黑色实线为南亚高压，单位为dagpm；红色实线为西太平洋副热带高压，单位为dagpm图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纬向风距平、100 hPa南亚高压和500 hPa西太平洋副热带高压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西风急流的经向位置和强度及其与西太平洋副热带高压和南亚高压之间的配置关系，对中国天气及气候影响重大。40°N以北为强大的西风正距平，其南侧受异常东风控制，西风急流异常偏北，为南亚高压与西太平洋副热带高压异常发展提供动力要素；8月中旬至下旬，高空40°N附近西风距平减弱并且西退，致使南亚高压南落西退，西太平洋副热带高压主体南落东撤，其对大连地区的影响逐渐减弱。

任荣彩等[30]研究认为高层南亚高压在东伸过程中所伴随的强负涡度平流动力强迫，对中低层负涡度的发展起到重要作用，在动力上影响中低空西太平洋副热带高压加强西进和高温干旱的稳定发展。为对比西太平洋副热带高压和南亚高压位置和强度的变化，分析2018年7月1日至8月31日逐日西太平洋副热带高压和南亚高压位置和强度的变化可知(图6)，整个盛夏西太平洋副热带高压出现两次西伸，两次北跳。7月中旬出现第一次西伸北抬，西伸脊点达到120°E附近，脊线北界达到40°N附近；7月下旬至8月上旬出现第二次西伸北抬，比第一次进一步偏西偏北，西伸脊点达到100°—105°E附近，脊线北界达到45°N附近，这与Ding等[12]研究结果一致。而南亚高压7月中旬出现一次东伸北抬，北界位置位于50°N附近，东伸脊点达到140°E附近，之后持续稳定影响到8月上旬。此外，西太平洋副热带高压和南亚高压出现两次强度同步增强，分别出现在7月中旬、7月下旬至8月上旬，尤其是7月28日至8月6日南亚高压等值线最大值为1692 dagpm，西太平洋副热带高压等值线最大值为594 dagpm，东进北抬的南亚高压与西伸北抬的西太副高同步增强，二者均形成闭合高压中心，并且重叠于大连地区上空，该地区持续存在下沉气流，使得出现异常少雨和极端高温天气，正好对应7月28日至8月6日高温干旱最强时期。8月中旬开始西太平洋副热带高压东退，南亚高压西撤，并且同时南落，对大连地区影响减弱，高温干旱随之缓解。

等值线为100 hPa南亚高压大于1680 dagpm等高线，彩色阴影区为≥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范围500 hPa平均位势高度与同期1981—2010年相应平均位势高度的差值)图6 2018年盛夏100 hPa和500 hPa 38.5°—40.5°N范围平均位势高度的经度—时间剖面(a)和120.0°—123.5°E范围平均位势高度的纬度—时间剖面(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

综上，异常西伸偏北的西太平洋副热带高压与异常东进偏北的南亚高压相向运动，强度同步增强并且重叠在大连地区上空，二者共同对高温干旱的发生和进一步加强起到决定作用。

2.2.3 水汽输送和垂直运动异常

水汽输送异常是一个地区洪涝和干旱发生的重要影响因子[31]，大气中的水汽含量主要集中在300 hPa以下，峰值出现在850—700 hPa[32-33]。王秀萍等[34]研究发现，盛夏大连地区低层850 hPa风场中纬度40°N附近以偏西风为主，并且从孟加拉湾、南海到辽东半岛西南风和偏南风为主，有利于暖湿气流由南向北输送到大连地区，从而该地区降水易偏多。而2018年7月1日至8月6日大连地区850 hPa(图7a)和300 hPa(图7b)均受反气旋的异常环流影响，从低层到高层以偏东风为主，在反气旋南侧同时存在一个异常气旋性环流，阻挡暖湿气流向北输送，并且低层850 hPa和高层300 hPa均处于水汽通量散度的正值区，这种风场和水汽通量散度说明从低层到高层辐散形势非常明显，有利于大连地区出现异常辐散下沉运动(图8)，不利于对流的发生发展，水汽无法凝结形成降水。

水汽通量单位为kg·m-1·s-1；阴影为水汽通量散度正距平，单位为10-5 kg·m-2·s-1图7 2018年7月1日至8月6日850 hPa(a)和300 hPa(b)水汽输送距平场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

阴影表示ω<0，垂直风速扩大100倍，单位为10-2 Pa·s-1，纬向风u和经向风v单位为m·s-1图8 2018年7月1日至8月6日120.0°—123.5°E平均经向垂直环流距平场(a)和沿38.5°—40.5°N平均纬向垂直环流距平场(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 结论

(1)2018年7月1日至8月6日大连地区平均降水较常年同期偏少8—9成，为1971年以来降水最少年份，除瓦房店外，大连市区、旅顺、金州、普兰店、庄河和长海较常年同期偏少8—10成，位居1971年以来历史同期降水偏少第1位。与此同时，7月中旬开始气温持续偏高，7月下旬至8月上旬是高温最严重时段，气温异常偏高，7月28日至8月6日持续出现极端高温并且达到最强，日最高气温较常年同期偏高4—9 ℃。各站的高温日数和最长持续高温日数位列历史首位，持续无降水日数均远超历史平均值。持续高温与异常少雨相互叠加，致使大连地区旱情迅速发展且加剧。

(2)大连地区上空整层受正压结构的异常反气旋性环流控制，并叠加欧亚(EU)遥相关型。同时，东亚沿岸由南至北为“负—正—负”的高度距平分布，呈现“东亚—太平洋型”遥相关负位相的特征，对流层低层菲律宾附近至日本以南地区维持异常的气旋式环流。

(3)西太平洋副热带高压异常偏西偏北、偏强与异常偏东偏北、偏强的南亚高压相向运动，于7月28日至8月6日同时加强发展，西太平洋副热带高压等值线中心强度达到594 dagpm，南亚高压等值线中心强度达到1692 dagpm，重叠控制在大连地区上空，此时高温干旱发展至最强时期。大连地区整层受偏东风控制，加之异常辐散下沉运动影响，增温明显，难以形成降水，导致出现极端高温干旱。