引言

深圳地处我国华南沿海，属亚热带季风气候。夏季由于西南季风的调节作用，平均最高气温为32.6 ℃，并不很高。但由热带气旋外围造成的极端高温可高达38.7 ℃(1980年7月10日8006号台风)。据统计, 自1960年以来的139天高温中, 有79天有热带气旋在130°E以西地区活动，深圳最早和最迟出现高温均是受热带气旋影响^[1]。高温天气对各行各业及人民群众的日常生活都有影响。高温天气出现时，轻则影响正常的工作效率，城市能耗增加，地表蒸发量加大，重则造成人畜中暑死亡。近年来，气象学家对高温的结构和成因进行了大量的分析和研究。例如：黄忠等认为广州市出现37 ℃以上酷热天气的主要原因是副热带高压内部和热带气旋外围下沉运动^[2]；邹燕等通过对福建省历史高温形势分析，认为副热带高压及热带气旋的西北风是增温的主要原因^[3]；卢山等对广州市灾害性高温天气和热带气旋外围环流的关系进行研究，认为副热带高压控制下的强烈太阳辐射是广州灾害性高温出现的基础，而热带气旋外围下沉气流导致的强下沉增温是重要因素^[5]；李海鹰等对热带气旋与珠江三角洲高温天气的形成关系的研究表明：强大的高压环流和适当距离上的热带气旋外围下沉气流是珠江三角洲高温天气形成的重要条件；朱建军等认为广州市番禺区的高温特别是36 ℃以上高温强度越强，存在强热带风暴和热带气旋的比例也越大^[7]。就深圳而言，曹春燕等认为受热带气旋外围下沉气流控制是深圳出现高温的主要原因，热带气旋影响易出现极端气温T_max≥36 ℃^[1]。对于热带气旋的增温及出现高温天气的原因定性分析较多^[11-20]，但缺少定量分析，因此增温因子的定量分析，对研究高温天气内在机理和高温预警预报和防灾减灾具有十分重要的意义。

1 资料来源和方法分析

统计和分析资料包括2006—2008年10个热带气旋的NCAR/NCEP再分析资料和同期深圳市基本地面气象站定时监测数据。包括0604号碧利斯、0605号格美、0606号派比安；0707号帕布、0709号圣帕；0806号风神、0808号凤凰、0812号鹦鹉、0813号森拉克、0814号黑格比。当这些热带气旋处于17°~25°N，118°~128°E范围内时，深圳位于其外围环流三、四象限内。

台风平均垂直要素图(图 1~图 4)的绘制方法：选取10个台风的NCEP再分析资料，确定各个时刻台风中心经纬度；再以台风中心经度为中心，将各时刻台风垂直剖面数据集(如温度、垂直速度、水平风速等)进行平均计算。由此得到10个台风平均情况下的垂直要素剖面图。

根据天气学基本原理，热力学能量方程可以表示为：

$\frac{\partial T}{\partial t}=-\mathit{\boldsymbol{V}}\cdot \nabla T-w({{\gamma }_{d}}-\gamma )+\frac{1}{{{c}_{p}}}\frac{\rm{d}Q}{\rm{d}t}$

(1)

式中：-V·∇T为温度平流变化项，-w(γ_d-γ)为垂直项， $\frac{1}{{{c}_{p}}}\frac{\rm{d}\mathit{Q}}{\rm{d}\mathit{t}}$ 非绝热变化项。局地温度变化项计算方法：利用定时监测数据，采用差分方法，求小时增温率。温度平流项：

$-\mathit{\boldsymbol{V}}\cdot \nabla T=-\left( u\frac{\partial T}{\partial x}+v\frac{\partial T}{\partial y} \right)$

(2)

利用中央差分函数求 $\frac{\partial T}{\partial x}、\frac{\partial T}{\partial y}$ ，并绘制等值线分布图。

垂直项计算方法：求p坐标下的垂直项(Γ_d-Γ)ω，其中Γ_d= $\frac{{{\gamma }_{d}}}{\rho g}$ ，将理想气体状态方程P=ρRT代入得：

${{\mathit{\Gamma }}_{d}}=\frac{{{\gamma }_{d}}R}{g}\times \frac{T}{P}=0.0293\times \frac{T}{P}~$

(3)

式中：干绝热递减率γ_d为常数，取0.001 K·m^-1，干空气气体常数R=2.87×10² m²/(s²·K)，重力加速度g=9.8 kg·m^-2。T为空气温度，P为大气压强。对于Γ的计算，使用循环计算

$\mathit{\Gamma }=\frac{T\left( z-1 \right)-T\left( z+1 \right)}{P\left( z-1 \right)-P\left( z+1 \right)}$

(4)

得到“p”坐标下第z层的干绝热递减率并绘制出(Γ_d-Γ)ω的等值线图。

非绝热加热项：包括太阳短波辐射、地面长波辐射、地面与大气之间的湍流热通量、土壤热通量、水汽通量等。因此非绝热项的计算很困难。为此：令

$\frac{1}{{{c}_{p}}}\frac{\rm{d}\mathit{Q}}{\rm{d}\mathit{t}}=\frac{\partial T}{\partial t}-\left( -\mathit{\boldsymbol{V}}\cdot \nabla T \right)-[-w({{\mathit{\gamma }}_{d}}-\mathit{\gamma })]$

相对湿度变化引起局地温度变化的计算方法：湿空气的定压比热为

$~{{c}_{p}}={{c}_{pd}}+{{c}_{v}}0.662RH{{e}_{s}}/(p-{{e}_{s}}RH)$

(5)

式中:c_p为湿空气的定压比热；c_pd为干空气的定压比热；RH为相对湿度；e_s为空气饱和水汽压；p为湿空气的压强。因此确定压强和温度时，湿空气的定压比热与相对湿度成正比。相对湿度减小，空气定压比热减小，非绝热增温率 $\frac{1}{{{c}_{p}}}\frac{\rm{d}\mathit{Q}}{\rm{d}\mathit{t}}$ (见公式1) 增大。令 $\mathit{Q'}=\frac{1}{{{c}_{p}}}\frac{\rm{d}\mathit{Q'}}{\rm{d}\mathit{t}}$ ，两边求对数再求偏导数得： $\partial \mathit{Q'/Q'}=\partial {{c}_{p}}/{{c}_{p}}$ 。因此可见，由于相对湿度变小，c_p变小，湿度变化引起的增温量占非绝热加热项的百分比为-∂c_p/c_p(由公式5可计算出)。

2 结果分析 2.1 热带气旋及外围温度的垂直分布

台风眼中等温线向上突起(图 1)，这与眼内空气下沉增温有关，形成了热带气旋的暖心结构^[11]。另外在热带气旋外围底层也出现一个暖区，这与台风外围下沉气流的增温作用有关。增温现象发生在热带气旋中心以西8~14个经度内，根据所选的数据来看，这一范围下垫面为东南沿海地区，在台风登陆前，受其外围流场影响，陆地上很多地区将出现高温。台风中心以东并没有增温现象，这与下垫面为洋面有关。

2.1.1 垂直速度与高温的相关分析

热带气旋外围下沉区(图 2)，热带气旋中以西8~14个经度内出现了空气的下沉运动，下沉速度在0~0.05 Pa·s^-1之间。对照图 1可见，高温区与下沉区相对应。一方面由于下沉气流受到压缩，将环境的机械能转化为内能，气温升高；另一方面，下沉气流会抑制热量向上输送，近地面气温明显升高。

2.1.2 水平风速与高温的相关分析

热带气旋上层为流出层，空气向四周流出，在距离中心一定距离后出现下沉运动(如图 2)。图 3反映了热带气旋各层的v分量的分布结构。在低层高温区-8~-14经度，v方向为北风-5~0 m·s^-1，台风外围下沉气流导致大范围地区出现高温天气，根据NCEP资料，从2 m高度的温度等值线图可以看出，深圳以北的城市温度高于深圳(图略)，所以北风把北部较高温度的气流带过来，产生暖平流，与文中温度平流计算结果为正一致(2.2.2节)，使得深圳局地温度增加。

2.1.3 相对湿度与高温的相关分析

在热带气旋中心以西8~14经度内的下沉区(图 4)，整层空气平均相对湿度小，在400 hPa附近达到最小值40%。例如：2008年9月12日14：00森拉克(图 5圆圈)外围下沉气流影响深圳及周边地区(图 5三角)时，深圳上空整层平均相对湿度为55%左右，有明显的干舌往南侵入(图 5)。可见热带气旋外围下沉区，相对湿度减小，空气定压比热减小[式(5)]，非绝热增温率[式(1)]增大，有利于升温。

2.2 热带气旋外围增温因子的定量估算 2.2.1 局地项 $\frac{\partial T}{\partial t}$ 的估算

根据深圳市基本地面气象站定时监测数据，计算这10天08—14时的小时增温率(如表 1)。

2.2.2 温度平流项的估算

根据前面的方法绘制温度平流等值线分布图。得到2008年7月28日08—14时1000 hPa平均的温度平流图(图 6)，根据深圳的经纬度(22°N, 114°E)可显示出温度平流项为1.38×10^-5 ℃·s^-1。结果为每秒升温值，换算成每小时升温值，因此变成0.050 ℃·h^-1，即每小时温度平流项使得温度升高约0.05 ℃。同样方法得到其余9天的温度平流项(表 2)。

2.2.3 垂直项的估算

根据前述方法，使用NCEP再分析资料绘制深圳(22°N)的2008年7月28日08—14时平均垂直项的经向剖面图，由图 7a中可以看出，深圳上空(114°E)垂直项(＞0) 使得局地温度增加。提取深圳的数据得图 7b，可显示出深圳1000 hPa垂直项增温率为0.601×10^-5 ℃·s^-1，换算成小时升温率为0.022 ℃·h^-1。同样方法得到其余9天的垂直项(表 2)。

2.2.4 非绝热加热项及湿度变化项的估算

实测7月28日08—14时平均升温1.14 ℃·h^-1，平流项为0.05 ℃·h^-1，垂直项为0.022 ℃·h^-1，因此非绝热项的估算值为1.068 ℃·h^-1。同理计算出其他9个台风的非绝热加热项(见表 2)。

7月28日08—14时平均-∂c_p/c_p计算得9.1%[式(5)]，所以湿度变化造成的增温率为1.068 ℃·h^-1×9.1%=0.10 ℃·h^-1，所占比例为0.10 ℃·h^-1/1.14 ℃·h^-1=8.4%。同理计算出10个台风的各增温项(表 2)。

由表 2可知：平均情况下，非绝热加热项对增温贡献最大，所占比例为90.2%，增温率为0.83 ℃·h^-1，假设在08—14时增温率不变，计算出平均情况下，非绝热加热项使14时温度比08时增加5.0 ℃。非绝热加热项中由于相对湿度减小引起的增温量占7.6%。其次，温度平流项占7.0%；垂直项占3.8%。这3项增温的总百分率为18.4%，增温率为0.17 ℃·h^-1。假设在08—14时增温率不变，计算出平均情况下，这3项的作用使14时温度比08时增加1.12 ℃。可见高压控制下非绝热加热项是高温出现的基础，下沉增温、暖平流、湿度减小是增温的重要因素。

4 结论

从热带气旋的外围增温现象出发，探讨这种现象与热带气旋结构的关系，在热力学能量方程的基础上，估算非绝热加热项、垂直项、平流项、湿度变化项的增温率及增温比例。得出以下结论：

热带气旋外围环流造成深圳高温的因子包括：非绝热加热、下沉增温、温度平流、湿度减小引起的增温。非绝热加热项是高温出现的基础。热带气旋外围下沉气流不利于湍流混合，产生较强的绝热压缩增温。高温范围内，处于热带气旋偏北风控制下，把北部的暖空气带过来，使得局地温度增加。空气湿度较小，定压比热减小、非绝热增温率增大，温度增加迅速。

通过定量计算得到各增温因子的增温贡献率。非绝热加热项对增温贡献最大，所占比例为90.2%，增温率为0.83 ℃·h^-1，假设在08—14时增温率不变，计算出平均情况下，非绝热加热项使14时温度比08时增加5.0 ℃。其中由湿度变化引起的增温的比例为7.6%；下沉增温的比例为3.8%，暖平流的比例为7.0%。这3项的作用使14时温度比08时增加1.12 ℃。即热带气旋外围环流影响下，非绝热加热项对增温贡献最大，由于空气相对湿度小，定压比热减小，贡献较大；空气干绝热下沉增温使局地温度升高，但贡献较小；暖平流对局地温度的升高的贡献较大。