引言

高温天气是指日最高气温≥35℃的天气，它是夏季常见的一种灾害性天气。2011年宁夏共出现21 d 129站次高温天气，高温出现的频次、范围、持续时间创当地有气象资料以来的历史新高，尤其是8月6—10日宁夏中北部出现历史罕见的大范围持续高温天气，而降水量较常年同期偏少9成以上；高温期间，居民生活和工矿企业用水、用电量激增，一度电荒、水荒导致限电限水，给人民日常生活带来不便；而持续的高温少雨也加剧了旱情的发展，土壤墒情明显不足，农作物和林草生长受到抑制，工农业生产遭受巨大经济损失。

统计资料分析表明，近10年宁夏的高温日数是20世纪60—80年代的2~3倍，90年代的1.6倍。夏季高温天气的频繁出现、日最高气温的显著升高已经引起社会各界的关心和重视，而高温预报也成为夏季天气预报中的一个重要部分。因此有必要研究造成宁夏高温天气的天气学成因。

对于高温的分析，许多学者作了很多有益的工作。王迎春等(2003)，钱婷婷等(2006)，尹东屏等(2006)，张迎新等(2010)，张天宇等(2010)，程炳岩等(2011)和杨群等(2011)对华北和川渝地区的高温天气分析结果表明：西太平洋副热带高压(简称西太副高)和大陆(河套)高压控制的区域，高温主要是由暖平流所引起的，并认为高压中空气的下沉绝热增温是形成高温天气的主要物理机制。西北地区的高温分析多与南亚高压的研究有关，但对高温个例的分析所见文献不多。从白肇烨等(1988)，钱永甫等(2002)，谭晶等(2005)，苏东玉等(2006)，孙国武等(2007)，刘梅等(2007)，陈永仁等(2008)和郭准等(2009)对南亚高压的研究结果中得知：青藏高压又称南亚高压或大陆高压，作为一个行星尺度的环流背景，夏季长期活动于青藏高原(简称高原)上空，与高原发生强烈的陆气相互作用，对我国西北地区的天气有着重要影响，在它的控制范围内，多是干热天气；西北地区高温热浪的形成与西风带长波脊和青藏高压的同位相叠加有关。张新荣等(2004)，祁得兰等(2005)和陈磊等(2011)对西北五省(区)极端高温天气的环流特征总结出一些结论：西北地区的大范围高温与100 hPa青藏高压强度偏强、位置偏北、500 hPa闭合高压单体控制着西北地区有关；出现高温时，西北地区上空存在“上层辐合、下层辐散、整层下沉运动”的环流结构，下沉运动中心和辐合中心在300 hPa左右。宁夏气象工作者陈楠等(2003)和周翠芳等(2011)对宁夏高温分析得出：夏季青藏高压比西太副高影响宁夏的次数多、强度强且范围广，是宁夏高温天气的主要影响系统；当850~700 hPa的相对湿度在10%~15%、中低层温度露点差＞15℃、850 hPa温度平流达80×10^-5 ℃·s^-1时，宁夏易出现35℃以上高温天气。

从以往研究结果得知：西北地区高温天气与青藏高压密切联系，但对于青藏高压的结构和发生发展过程，以及它与宁夏高温之间内在的物理联系还没有专门的系统性的研究，尤其是还没有客观定量化的高温概念模型。为填补西北地区缺乏高温概念模型的不足，本文将在已有的一些定量指标基础上(张新荣等，2004；祁得兰等，2005；陈磊等，2011；陈楠等，2003；周翠芳等，2011)进一步补充完善和归纳总结，并以2011年8月6—10日宁夏中北部历史罕见大范围持续高温天气过程为例，利用常规气象观测资料、中尺度区域自动站逐时地面资料及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料等，使用天气学分析方法分析青藏高压的结构及其与西风带高压的同位相变化对宁夏高温的影响，综合给出宁夏夏季高温概念模型，为提高当地高温预报能力提供技术支撑。

1 2011年8月上旬持续高温天气概况

2011年8月1日从南疆盆地开始，高温区域逐渐向东扩展，6日扩展到河套地区，持续到12日，西北地区高温天气结束，长江中下游地区转而受高温天气控制。从宁夏高温区域和强度变化看(图略)：高温从8月6日开始，7日范围最大(15站高温)，8日强度最强(11站高温，日最高气温极值达38.1℃)，10日最弱(3站高温)，11日结束；高温主要集中在宁夏中北部，5 d共有45站次出现35℃以上高温，8站次37℃以上。

对比2011年8月6—10日连续5 d宁夏高温区域和同时段500 hPa高度场与每日14:00地面气压场变化：宁夏持续高温是由西北地区大范围长时间维持稳定的青藏高压和地面热低压造成的，高温天气出现在584 dagpm以上的青藏高压和1000 hPa以下的地面热低压控制区域内；高压登上高原后，586 dagpm东界位置维持在85°~105°E附近，高压脊线北界位置在40°~42°N；高原上空高压中心值越强、位置越偏东、地面气压值越低，高温越明显。

从2011年8月1—10日连续10 d的500和300 hPa高度场(图略)看，与高温区相对应的青藏高压无论在对流层中部、还是上部都不是一个完整的闭合高压，而是作为行星尺度的西风带长波脊的一部分，它与西风带长波脊的同位相叠加使得高原上空的长波脊和暖高压稳定加强, 造成宁夏长时间大范围高温天气。因此，下面分析青藏高压的水平和垂直结构及其对宁夏持续高温的影响。

2 青藏高压的结构特征 2.1 水平结构特征

为了解青藏高压和西风带高压的演变过程和水平结构变化的特征，兼顾考虑宁夏及青藏高压和西风带高压脊线的南北界位置，分别沿36°N(图 1a)和42°N(图 1b)作2011年8月1—15日500 hPa高度场和风场的时间剖面图。图 1反映，8月上旬主体在伊朗高原、中心强度为592 dagpm的高压一直稳定维持，青藏高压外围线586 dagpm和西风带高压外围线584 dagpm随时间演变向东扩展过程中受高原大地形对西风环流的阻挡与扰动，移动缓慢，在其控制范围内，高温区从新疆一路扩展至河西走廊、河套地区和华北北部；其中6—10日高原上空为大于586 dagpm青藏暖高压和大于584 dagpm西风带暖高压控制，宁夏出现持续高温天气，尤其是7日青藏高压和西风带高压覆盖范围同时达到最大(586 dagpm东边界在103°E附近，584 dagpm东边界在105°E附近)，宁夏高温范围也最大，有超过60%的测站出现高温；8日在高原上空，青藏高压和西风带高压强度同时达到最强，青藏高压在87°~95°E分裂出一东西向闭合的587 dagpm小高压单体，西风带高压的585 dagpm线控制的范围达到最大(东边界从7日90°E东扩到8日95°E)，宁夏出现38.1℃的高温；9—10日青藏高压单体东移到100°E附近，转为东北—西南向，同时高原东部到西北地区东部(90°~105°E)为一闭合585 dagpm西风带高压单体控制，但此时受高空槽东移影响，高原上空由西北风逐渐转为西南风，青藏高压外围线586 dagpm和西风带高压外围线584 dagpm的控制范围缩小，主要影响区域在90°~105°E，宁夏高温天气逐渐减弱结束。由此可见，虽然8月6—10日青藏高压和西风带高压控制范围、强度和脊线位置随时间演变减弱东移，但从80°~100°E，即高原到西北地区东部一直有青藏高压和西风带暖高压的同时存在，并且两者呈同位相变化，而正是西风带高压与青藏高压在80°~100°E同位相水平叠加(图略)，才使得8月6—10日高原到西北地区东部在中高纬始终处于稳定的暖高压控制之下，高温过程就是青藏高压和西风带高压同位相水平叠加后稳定维持的结果。

2.2 垂直结构特征

如果说水平同位相叠加仅能反映高压的宽广程度, 那么垂直位相叠加则能反映高压的深厚程度。从2011年8月6—10日沿36°N和42°N平均温度、涡度、垂直速度和散度纬向剖面图的分布(图 2)得知：西风带暖高压脊与青藏高压对应的负涡度区、下沉运动区呈同位相分布，高原及以北地区在600 hPa及以上为一深厚的暖性负涡度高压(脊)所控制，负涡度中心都在350 hPa的97°E附近，且负涡度闭合中心区正好对应青藏高压587 dagpm(图 1a)和西风带暖高压585 dagpm(图 1b)包围的高压单体闭合中心区，但青藏高压对应的负涡度中心较西风带暖高压脊的更强；同时包括宁夏在内的西北地区东部(100°~110°E)都处于高原东侧辐散下沉区内，同样的青藏高压对应的下沉运动较西风带暖高压脊的更强，尤其在400 hPa及以下更为明显。由此可见，正是青藏高压和西风带高压的同位相垂直叠加，使得高原及以北地区在600 hPa及以上为一深厚的暖性负涡度高压所控制，所以包括宁夏在内的西北地区东部(100°~110°E)处于高原东侧辐散下沉区内。这与陶祖钰等(1989)，孙国武(1989)和白虎志等(2004)的研究结果“夏季大多数时候，青藏高压中心附近的400 hPa以下是辐合上升区，以上为辐散下沉区”有所不同。所以，当高原上空对流层中上部青藏高压与西风带长波脊垂直叠加，出现“600 hPa以上都为辐散下沉气流”的独特垂直高压结构时，宁夏出现大范围持续高温天气。

上述分析表明：虽然夏季的高原上空常为暖高压控制，但很多时候西北地区并不一定有高温天气，只有当青藏高压与西风带高压的同位相水平和垂直叠加时，才能使得高原上空的长波脊和暖高压稳定加强，这是造成宁夏持续性大范围高温天气的主要原因。

3 高温干热天气的成因

上一节的分析结果表明，宁夏出现持续高温天气是因为受高原东部下沉气流的影响。因此有必要分析造成下沉运动的原因。苏东玉等(2006)和张新荣等(2004)分析总结指出：极端最高气温出现在持续稳定的大气环流形势背景下，是100与500 hPa环流共同影响的结果。因此下面分析100和500 hPa风场及散度场分布及其对高原东部下沉气流的影响。

从图 3a和3b所给出的2011年8月6—10日100和500 hPa风场及散度场可见：青藏高压上空在100和500 hPa上都是一个强辐散区，在其西北侧有一风速>16 m·s^-1的极锋急流中心，高压上空的辐散区正好位于极锋急流出口区的右下方。图 3c是沿105°E的风速和散度经向垂直剖面图，从图中可以清楚看到高原东部的极锋急流和散度间的联系。高原东部中纬度极锋急流的大风速中心位于200 hPa上45°~50°N附近，其右侧高原东部上空在对流层上部为辐合区、对流层中下部为辐散区，其中辐散中心位于700 hPa上35°N附近，这种“高层辐合、低层辐散”的环流垂直配置正好位于30°~40°N之间的青藏高压范围内。

根据准地转ω方程(陶祖钰等，1989)：

$ \begin{array}{l} \left({{\nabla ^2} + \frac{{f_0^2}}{\sigma }\frac{{{\partial ^2}}}{{\partial p}}} \right)\omega = \frac{{f_0^2}}{\sigma }\frac{\partial }{{\partial p}}\left[ {{\boldsymbol{V}_g} \cdot \nabla \left({\frac{1}{{{f_0}}}{\nabla ^2}\phi + f} \right)} \right] + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{1}{\sigma }{\nabla ^2}\left[ {{\boldsymbol{V}_g} \cdot \nabla \left({\frac{{\partial \phi }}{{\partial p}}} \right)} \right] \end{array} $

上式中，左边为ω的二阶导数，右边第一项为微差绝对涡度平流项，第二项为温度平流项。根据准地转理论，对流层低层的气压上升是高空辐合的动力强迫作用所致，在准地转过程中与高层辐合相对应的次级环流为低层辐散下沉运动，辐散有利于反气旋负涡度高压的产生，而负涡度高压的稳定需要靠下沉运动来增温维持。由此可见，在青藏高压控制范围内出现的这种高原东部“高空辐合、低空辐散”的环流配置是导致高原东部下沉运动的主要原因，而中纬度极锋急流则是产生这种下沉运动的直接影响系统。这一结论与钱婷婷等(2006)对北京高温天气的分析结论“河套高压中的下沉运动是副热带高空急流和中纬度极锋急流共同作用的结果”有区别，主要是因为宁夏地处西北内陆，较难受西太副高的直接影响。

上述分析表明：在青藏高压这个暖性负涡度系统中，基本为下沉气流所控制。由于下沉增温作用，使得青藏高压控制下的西北干旱区高温天气呈现出不同于东部沿海地区受西太副高控制下的“闷热”高温天气的“干热”状态。究其原因，在上述大气环流系统影响下，大气垂直运动和地面潜热、感热都发生了相应的变化。从宁夏持续高温期间的地面垂直速度和地面感热、潜热分布(图 4)来看：高原西部有中心值 < -15×10^-4 hPa·s^-1的强上升运动区，中心区域在90°E附近，而高原东部存在中心值>3×10^-4 hPa·s^-1的下沉运动区，中心区域在宁夏中北部，这正好形成高原西部气流上升、高原东部气流下沉的纬向环流圈(钱正安等，2001)，受其影响，宁夏处在高原东部的下沉气流控制区域内，造成持续高温天气；同时，对应宁夏中北部较强的下沉区域是中心值>100 W·m^-2的地面感热大值区和中心值 < 20 W·m^-2的地面潜热小值区，地面感热是潜热的5倍。8月6—10日宁夏各站地面气象要素逐时观测资料也反映：高温时段内宁夏上空总云量普遍不超过5成，低云量小于2成，相对湿度小于25%，蒸发累积量达4 mm，东北风4~9 m·s^-1。由此可见，受青藏高压东部下沉气流影响，高温时段内宁夏上空晴朗少云，湿度小，风力相对较大，地面增温和蒸发强烈，地面感热远远大于潜热，因此青藏高压控制下的宁夏高温天气以“干热”为主。

4 青藏高压影响的宁夏持续高温概念模型

利用1961—2011年宁夏日最高气温观测资料，统计得到22次高温过程(连续3 d、相邻两个地区超过3站以上日最高气温≥35℃为1次高温过程)。22次高温过程中有15次是由青藏高压影响(占总数68%)，另有7次是西太副高影响(占总数32%)，可见宁夏的高温天气以青藏高压影响居多。在对这15次高温过程的青藏高压结构及其与西风带高压同位相变化分析的基础上，归纳出关键影响系统的定量指标，并结合张新荣等(2004)，祁得兰等(2005)，陈磊等(2011)，陈楠等(2003)和周翠芳等(2011)对西北各省(区)高温过程总结出的环流特征的量化指标，综合得到青藏高压影响下的宁夏持续性高温概念模型如图 5所示：青藏高压和西风带长波脊同位相叠加使得青藏高压外围586 dagpm线越过高原后形成闭合高压单体稳定维持在85°~105°E附近，高压脊线北界伸展到40°~42°N，西北地区大范围长时间处在500 hPa 584 dagpm以上的青藏高压、300 hPa 964 dagpm以上的西风带高压脊和1000 hPa以下的地面热低压控制区域内；高压上空在极锋急流作用下，高原东部存在“高空辐合、低空辐散”的环流配置导致高原东部维持较强的下沉运动，下沉增温导致宁夏出现持续高温天气。与郑祚芳等(2005)总结的北京高温概念模型相比，宁夏高温的影响系统及其动力结构配置不同，北京的高温天气主要受河套高压影响，副热带西南风急流和极锋急流的有利配置使下沉运动进一步加强，下沉绝热增温、辐射增温和平流增温导致北京高温天气出现。

5 小结

通过上述分析，得到如下主要结论：

(1) 青藏高压稳定维持并与西风带高压脊同位相叠加，使得高原上空的长波脊和暖高压稳定加强，在这样的大尺度环流背景下，西北地区东部始终处于高原东侧辐散下沉区内，有利于宁夏出现持续高温天气。

(2) 青藏高压和地面热低压是宁夏持续高温天气的主要影响系统。宁夏高温天气出现在584 dagpm以上的青藏高压和1000 hPa以下的地面热低压控制区域内；高压外围586 dagpm线东移越过高原后稳定维持在85°~105°E附近，高压脊线北界伸展到40°~42°N，此时高原上空高压中心值越强、位置越偏东、地面气压值越低，越有利于宁夏高温天气出现。

(3) 在中纬度极锋急流的作用下，高原东部存在“高空辐合、低空辐散”的环流配置是导致高原东部下沉运动的主要原因。受青藏高压东部下沉增温影响，宁夏上空晴朗少云，湿度小，风力相对较大，地面增温和蒸发强烈，地面感热远远大于潜热，因此青藏高压控制下的宁夏高温天气以“干热”为主。