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摘要 2013年7月2日～8月16日，株洲出现了长达46 d的连续高温天气，其日平均气温、日最高气温≥35.0 ℃持续日数等高温特征量均破历史纪录。从物理机制和力子天气学原理分析这次异常高温天气的成因，结果表明，物理机制包括辐射增温、下沉增温、增温效率、散热功能、额外热源、累积效应等；力子天气学机制，异常高温天气直接的力子天气学原因是西太平洋反气旋环流子对目标区域长期稳定的控制，而其深层次的原因是南亚大尺度反气旋环流子和西太平洋反气旋环流子的非线性相互作用和自组织机制；南亚大尺度反气旋环流子的异动提前7 d预示高温天气即将出现，主体在西太平洋的反气旋环流子对目标区控制的消失提前2 d预示高温天气即将结束。
关键词 异常高温；物理原因；力子天气学机制；大尺度；自组织
中图分类号S161文献标识码A文章编号0517-6611（2014）29-10234-03
作者简介姜海泉（1962- ），男，湖南湘潭人，高级工程师，从事天气预报服务及地质灾害气象预警等研究。
2013年7月，江南、江淮、江汉及重庆等地出现持续高温天气，全国100个气象观测站发生极端高温事件[1]；8月，这种极端高温天气向北、向西扩展，黄淮西部及淮河以南出现异常高温天气，其中黄淮西部、江淮大部、江汉、江南以及广西北部、重庆、贵州东部、四川东部、新疆南部和东部最高气温普遍达38～40 ℃，部分地区超过40 ℃[2]。此次持续高温的成因，首要因子是西太平洋副热带高压[3]；杨辉等分析发现西太平洋副热带高压的极度持续偏强和西伸是直接原因，热带太平洋—印度洋海温、中西太平洋跨赤道气流异常、平流层过程以及全球增暖的背景条件是其重要机制[4]；解明恩等研究指出垂直环流圈的下沉气流是形成高温干旱的主要原因[5]；还有一些相关研究[6-7]也提供了与上述相似的结果。笔者以株洲地区为例，从微观上分析2013年夏季极端高温天气的物理机制，从宏观上运用力子天气学方法分析下沉气流长期存在的原因，且得到具有预报意义的前期特征，为高温干旱的预报服务提供某些依据。
1高温干旱实况
2013年7月2日～8月16日，株洲出现了长达46 d的连续高温天气，过程最高气温40.9 ℃（8月10日，醴陵），其日平均气温、日最高气温≥35.0 ℃持续日数等高温特征量均破历史纪录。高温给人们的日常生活与工农业生产带来严重影响，全市出现了严重的干旱，其中攸县、茶陵、炎陵达到气象干旱重旱等级，株洲县、醴陵达气象干旱特旱等级。全市10个县（市区）133个乡镇（办事处）中，已有109个乡镇受灾，有3.25万人、5.34万头大牲畜出现饮水困难。旱灾损失大，全市13.93万hm2中、晚稻和1.26万hm2旱土作物中，受旱面积已达4.58万hm2，占33.1%，其中重旱1.25万hm2、干枯0.84万hm2；经济作物受旱1.33万hm2，造成直接经济损失3.62亿元。由于持续晴热高温，全市农作物受旱面积呈加速发展蔓延之势。后续抗旱难。湘江及其洣江、渌江等主要干支流已接近最低水位，全市118条溪河出现断流，67座小型水库和11 865处山塘干涸。
2异常高温天气的物理原因
2.1长期异常强烈的辐射增温辐射增温与太阳照射强度和照射时间成正比。6月22日（夏至）太阳赤纬达最大值，6月下旬～8月上旬正是江南地区接受太阳辐射最强和可能日照时间最长的时期，由于这段时间江南许多地区长期受反气旋中的下沉气流控制，晴朗少云，辐射增温非常显著。2013年株洲地区夏季日照时数为777.9 h，较常年偏多181.4 h，较2012年偏多155.1 h（图1）。
2.2长期的下沉绝热增温当环境气温直减率的绝对值小于干绝热过程气温直减率的绝对值时（这是真实大气层结的普遍情形），空气干绝热下沉必然导致低层增温。
2.3增温效率高空气中水汽含量的多少直接影响着空气比热和热容量，空气越干燥，其比热和热容量越小，增温效率越高。江南地区长时间受反气旋环流子中的下沉气流控制，空气干绝热下沉不仅导致低层大气增温，且使空气湿度降低，变得越来越干燥，因此增温效率越来越高。
2.4散热功能差许多出现破纪录高温的测站几乎均处在风力较小或地势相对较低的地方。如炎陵站四周为高山，测站附近热量不容易扩散，且在2013年6月底～8月中旬基本处于西北太平洋副热带反气旋环流子的下沉气流之中，风力多为3级以下，不利于热量的扩散。
2.5额外热源强城市热岛效应必然影响位于城区内的测站，波及位于城郊结合部的测站。
2.6累积效应长夏季夜间辐射降温量小于白天辐射增温量，整个时段长期连续晴热高温，必然导致净热量积累和基础气温攀升。
3异常高温天气的力子天气学机制
3.1有关力子的基本概念[8]力子是发生在大气中的、三维的、以流场为主要特征的自组织结构，其相对于环境场具有显著的宏观稳定的不均匀状态，如力子内部流场高度一致的流向与力子周围环境流场比较凌乱甚至相反的流向构成非常显著的差异，形成较强的系统势。从其流场特征来看，力子至少可以分为如下几类：气旋环流子、反气旋环流子、北方力子、南方力子、冷力子和暖力子等。热带风暴、强热带风暴、台风以及温带气旋等完整的环流体系是典型的气旋环流子。通常所说的高压系统，如西北太平洋副热带高压、南亚高压、乌拉尔山阻塞高压等，当其具有完整的环流体系时，则称其为反气旋环流子。上下一致的成体系的偏北气流称为北方力子，而上下一致的成体系的偏南气流则称为南方力子；上下一致的成体系的冷平流为冷力子，上下一致的成体系的暖平流为暖力子。图22013年6月25日00：00力子图图32013年6月30日00：00力子图图42013年8月13日00：00力子图图52013年8月14日12：00力子图安徽农业科学2014年力子既然是大气中客观存在的具有显著特点的实体，那么它在各种描述大气运动变化的要素场中必然会有明确的反映。因此，传统的天气图尽管其空间分辨率较低，但对于处在对流层中的水平尺度在5纬距以上、铅直尺度在5 km以上的力子来说仍然是一个非常实用的表述工具。在天气图上，力子可以表示为“控制性气流”。控制性气流是指至少有相邻2个标准等压（高）面存在上下一致配合且水平尺度在5纬距以上的、运动方向一致的成片气流。限于主题，并根据2013年6～8月实际的大气环流，在此所述及的力子主要为大尺度力子，且是其输入、输出能力处于同一量级的大尺度力子。根据综合分析，起主要作用的力子为反气旋环流子，其具体“大尺度”量级分别为水平尺度3 000 km、铅直尺度10 km、全风速10 m/s。
关键词 异常高温；物理原因；力子天气学机制；大尺度；自组织
中图分类号S161文献标识码A文章编号0517-6611（2014）29-10234-03
作者简介姜海泉（1962- ），男，湖南湘潭人，高级工程师，从事天气预报服务及地质灾害气象预警等研究。
2013年7月，江南、江淮、江汉及重庆等地出现持续高温天气，全国100个气象观测站发生极端高温事件[1]；8月，这种极端高温天气向北、向西扩展，黄淮西部及淮河以南出现异常高温天气，其中黄淮西部、江淮大部、江汉、江南以及广西北部、重庆、贵州东部、四川东部、新疆南部和东部最高气温普遍达38～40 ℃，部分地区超过40 ℃[2]。此次持续高温的成因，首要因子是西太平洋副热带高压[3]；杨辉等分析发现西太平洋副热带高压的极度持续偏强和西伸是直接原因，热带太平洋—印度洋海温、中西太平洋跨赤道气流异常、平流层过程以及全球增暖的背景条件是其重要机制[4]；解明恩等研究指出垂直环流圈的下沉气流是形成高温干旱的主要原因[5]；还有一些相关研究[6-7]也提供了与上述相似的结果。笔者以株洲地区为例，从微观上分析2013年夏季极端高温天气的物理机制，从宏观上运用力子天气学方法分析下沉气流长期存在的原因，且得到具有预报意义的前期特征，为高温干旱的预报服务提供某些依据。
1高温干旱实况
2013年7月2日～8月16日，株洲出现了长达46 d的连续高温天气，过程最高气温40.9 ℃（8月10日，醴陵），其日平均气温、日最高气温≥35.0 ℃持续日数等高温特征量均破历史纪录。高温给人们的日常生活与工农业生产带来严重影响，全市出现了严重的干旱，其中攸县、茶陵、炎陵达到气象干旱重旱等级，株洲县、醴陵达气象干旱特旱等级。全市10个县（市区）133个乡镇（办事处）中，已有109个乡镇受灾，有3.25万人、5.34万头大牲畜出现饮水困难。旱灾损失大，全市13.93万hm2中、晚稻和1.26万hm2旱土作物中，受旱面积已达4.58万hm2，占33.1%，其中重旱1.25万hm2、干枯0.84万hm2；经济作物受旱1.33万hm2，造成直接经济损失3.62亿元。由于持续晴热高温，全市农作物受旱面积呈加速发展蔓延之势。后续抗旱难。湘江及其洣江、渌江等主要干支流已接近最低水位，全市118条溪河出现断流，67座小型水库和11 865处山塘干涸。
2异常高温天气的物理原因
2.1长期异常强烈的辐射增温辐射增温与太阳照射强度和照射时间成正比。6月22日（夏至）太阳赤纬达最大值，6月下旬～8月上旬正是江南地区接受太阳辐射最强和可能日照时间最长的时期，由于这段时间江南许多地区长期受反气旋中的下沉气流控制，晴朗少云，辐射增温非常显著。2013年株洲地区夏季日照时数为777.9 h，较常年偏多181.4 h，较2012年偏多155.1 h（图1）。
2.2长期的下沉绝热增温当环境气温直减率的绝对值小于干绝热过程气温直减率的绝对值时（这是真实大气层结的普遍情形），空气干绝热下沉必然导致低层增温。
2.3增温效率高空气中水汽含量的多少直接影响着空气比热和热容量，空气越干燥，其比热和热容量越小，增温效率越高。江南地区长时间受反气旋环流子中的下沉气流控制，空气干绝热下沉不仅导致低层大气增温，且使空气湿度降低，变得越来越干燥，因此增温效率越来越高。
2.4散热功能差许多出现破纪录高温的测站几乎均处在风力较小或地势相对较低的地方。如炎陵站四周为高山，测站附近热量不容易扩散，且在2013年6月底～8月中旬基本处于西北太平洋副热带反气旋环流子的下沉气流之中，风力多为3级以下，不利于热量的扩散。
2.5额外热源强城市热岛效应必然影响位于城区内的测站，波及位于城郊结合部的测站。
2.6累积效应长夏季夜间辐射降温量小于白天辐射增温量，整个时段长期连续晴热高温，必然导致净热量积累和基础气温攀升。
3异常高温天气的力子天气学机制
3.1有关力子的基本概念[8]力子是发生在大气中的、三维的、以流场为主要特征的自组织结构，其相对于环境场具有显著的宏观稳定的不均匀状态，如力子内部流场高度一致的流向与力子周围环境流场比较凌乱甚至相反的流向构成非常显著的差异，形成较强的系统势。从其流场特征来看，力子至少可以分为如下几类：气旋环流子、反气旋环流子、北方力子、南方力子、冷力子和暖力子等。热带风暴、强热带风暴、台风以及温带气旋等完整的环流体系是典型的气旋环流子。通常所说的高压系统，如西北太平洋副热带高压、南亚高压、乌拉尔山阻塞高压等，当其具有完整的环流体系时，则称其为反气旋环流子。上下一致的成体系的偏北气流称为北方力子，而上下一致的成体系的偏南气流则称为南方力子；上下一致的成体系的冷平流为冷力子，上下一致的成体系的暖平流为暖力子。图22013年6月25日00：00力子图图32013年6月30日00：00力子图图42013年8月13日00：00力子图图52013年8月14日12：00力子图安徽农业科学2014年力子既然是大气中客观存在的具有显著特点的实体，那么它在各种描述大气运动变化的要素场中必然会有明确的反映。因此，传统的天气图尽管其空间分辨率较低，但对于处在对流层中的水平尺度在5纬距以上、铅直尺度在5 km以上的力子来说仍然是一个非常实用的表述工具。在天气图上，力子可以表示为“控制性气流”。控制性气流是指至少有相邻2个标准等压（高）面存在上下一致配合且水平尺度在5纬距以上的、运动方向一致的成片气流。限于主题，并根据2013年6～8月实际的大气环流，在此所述及的力子主要为大尺度力子，且是其输入、输出能力处于同一量级的大尺度力子。根据综合分析，起主要作用的力子为反气旋环流子，其具体“大尺度”量级分别为水平尺度3 000 km、铅直尺度10 km、全风速10 m/s。