2002—11月抚顺市极端最低气温定量分析

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摘要 利用抚顺市2002—2011年11月月极端最低气温出现的夜间常规气象要素观测资料以及micaps系统资料，通过温度变化方程，对抚顺市过去10年11月的月极端最低气温过程在地面和850 hPa 2个层面，从温度的平流变化、绝热变化和非绝热变化3个方面分别进行了对比分析。结果表明：在多数情况下，850 hPa的平均冷平流强度低于1 000 hPa；在地面，除强冷平流外，一般情况下温度的平流变化与非绝热变化相比很小，常可忽略不计，夜间气温的下降大多数是由非绝热作用引起的；由于抚顺周围的特殊地形，当吹较强的西北风时容易形成乱流混合增温现象。这种现象可在一定程度上补偿夜间的辐射降温，从而使夜间的气温不至于降得太低；在850 hPa，当温度露点差≤5 ℃时，可使850 hPa的温度升高2 ℃以上。

关键词 月极端最低气温；温度变化方程；地面积雪；辽宁抚顺

中图分类号 P468.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）06-0236-02

气温高低变化对人们的日常生活和经济建设都有重要影响。目前有关这方面的研究虽然很多，但大多是从统计学的角度进行分析，较少采用定量的方法进行研究。11月是抚顺秋冬转换的季节，既有降雨也有降雪，气温波动范围非常大，最高气温可达20 ℃以上，最低气温则可降至-20 ℃以下。这给气温的预报带来了很大困难。该文对2002—2011年出现在抚顺市11月的10次月极端最低气温过程从地面和850 hPa 2个层面进行定量对比分析，以此来探讨影响温度变化的各项因子对夜间降温的影响。

1 资料与方法

利用抚顺章党观测站2002—2011年逐年11月月极端最低气温出现的夜间地面和850 hPa 2个层面的实况资料及micaps系统资料，应用温度变化方程分别求出温度局地变化项、平流变化项、绝热变化项和非绝热变化项。

1.1 确定夜间时间长度

根据抚顺市所在地理位置，在11月的10次月极端最低气温过程中，最短的夜间时间长度出现在2009年11月15日，为13.1 h；最长的夜间时间长度出现在2004年11月29日，为13.5 h。因此，夜间时间长度可以统一取整为13 h。

1.2 计算方法

温度变化方程：

■= -V·？塄hT-ω（rd-r）+■■（1）

由此可以看出，大尺度运动系统中温度的局地变化决定于温度的平流变化、绝热变化和非绝热变化3项因子[2]。

1.2.1 地面各项因子的计算。近地面的空气因地面的摩擦阻碍作用，不易在水平方向上流散开，因而该层空气的下沉运动不明显，由此所引起的温度变化也就不大[1]，所以在地面气温分析中可以忽略垂直运动项因子，只分析平流项和非绝热项。①平流项。通过micaps系统查得10次极端最低气温出现的夜间20：00和8：00 1 000 hPa温度平流，取平均值，再换算成12 h温度变化率可得1 000 hPa温度平流（表1）。②非绝热项。非绝热项较为复杂，它包括辐射、湍流交换、水汽相变等过程[2]，无法直接测出，但可根据式（1）间接求出近似值，以下为地面气温局地变化项的计算方法：按照太阳辐射等于零时为夜间开始的时刻[1]，夜间开始时间统一取17：22。根据17：00和20：00的温度，采用插值的方法就可求得17：22的温度。然后用最低气温减去17：22的温度所得的值就是夜间地面气温的降温幅度，即温度的局地变化（表1）。

1.2.2 高空850 hPa各项因子的计算。①平流项。通过micaps系统查得10次极端最低气温出现时夜间20：00和8：00 850 hPa温度平流，取平均值，再换算成12 h温度变化率可得850 hPa温度平流（表2）。②垂直项。通过micaps系统查得10次极端最低气温出现时夜间20：00和8：00 850 hPa垂直速度，取平均值，由于其单位是hPa/s，需要将其转换成cm/s。计算垂直减温率。取700～850 hPa的高度差为1 500 m，根据2个层面的温度差可求得层结减温率。气块减温率取1 ℃/100 m。经过计算，换算成12 h温度变化率可得垂直项（表2）。③非绝热项。先假设非绝热项为零，计算850 hPa的温度局地变化，然后与实况850 hPa的温度变化对比，所得差值，就是850 hPa非绝热项的大小。

2 综合分析

2.1 平流作用

一是在1 000 hPa，10次均为冷平流，平均值为-1.9 ℃。在850 hPa冷、暖平流都有，平均值为-0.75 ℃，这说明1 000 hPa的冷平流强度平均比850 hPa大。二是2004、2010、2011年3次850 hPa为暖平流，而在1 000 hPa均为冷平流。以上情况说明在多数情况下暖空气在850 hPa要比1 000 hPa更早开始向北输送。

2.2 非绝热作用

2.2.1 积雪深度对非绝热项的影响。对比表1中的非绝热项和积雪深度可以看出，在地面，非绝热项所引起的温度变化都是降温，并且积雪深度越深降温幅度越大。对比表2中的非绝热项和表1中的积雪深度可以看出，在850 hPa，当地面积雪深度深时，非绝热项所引起的温度变化都是降温；当地面没有积雪或积雪深度很浅时，非绝热项所引起的温度变化既有升温也有降温但幅度较小。上述情况说明，积雪深度不仅对地面降温有非常重要的作用，也可以使850 hPa的温度有所下降。

2.2.2 地面乱流混合对非绝热项的影响。章党站位于抚顺市区东部浑河北岸，东南西三面为丘陵地带，浑河呈东北西南向流经抚顺地区。吹东北或西南风时，由于沿着浑河河谷吹，下垫面平坦，不易产生乱流；当吹西北风时，空气需要流经章党站北侧的广大丘陵地带，下垫面粗糙，容易产生乱流。由于层结减温率小于气块的减温率，所以下沉后的空气温度高于其周围的大气温度，其与周围大气混合后，使得下层大气升温。在夜间，这种乱流混合升温会在一定程度上补偿辐射降温，从而使夜间的气温不至于降得很低。

从表1可以看出，2008年11月极端最低气温过程的非绝热项所引起的降温幅度与其他9次相比最小，只有-4.8 ℃。仅2008年整夜地面吹的是西北风。这说明只有2008年西北气流在地面所引起的乱流强度最强、持续时间最长。根据以上分析，2008年较强的西北风产生了很强的乱流混合，使下层大气升温，补偿了辐射降温，从而大大减小了2008年的非绝热项的降温幅度。

2.2.3 在850 hPa温度露点差对非绝热项的影响。从表1、2可以看出，在850 hPa，有3种情况：第1种情况，积雪深度≥7 cm，共有4次，分别为2002、2003、2009、2011年。第2种情况，1 cm≤积雪深度≤3 cm，共有3次，分别为2006、2007和2010年。第3种情况，积雪深度≤0 cm，即积雪深度为0 cm或没有积雪，共有3次，分别为2004、2005、2008年。在第1种情况下，2002、2009年的温度露点差较小，为4.0、5.0 ℃，平均值为4.5 ℃，所对应的非绝热项的值相对较高，为-1.3、-1.8 ℃/12 h，平均值为-1.6 ℃/12 h，比其他2次的平均值（-4.1 ℃/12 h）高8.6 ℃/12 h。2003、2011年温度露点差分别为8.5、7.5 ℃。在第2种情况下，2007年的温度露点差最低，为4.5 ℃，所对应的非绝热项的值为10次中最高，达1.3 ℃/12 h。在第3种情况下，3次的温度露点差都很高，所对应的非绝热项值相对较高，平均值为-0.4 ℃/13 h。由第1、2种情况可见，较低的温度露点差可以使850 hPa的温度升高，当温度露点差≤5 ℃时，非绝热项可使温度升高2 ℃以上。第3种情况由于没有较低的温度露点差可供对比，所对应的较高非绝热项的值应是地面无积雪所导致的。

3 结论与讨论

（1）对比10次极端最低气温过程，多数情况下暖空气在850 hPa要比1 000 hPa更早开始向北输送，这使得850 hPa的冷平流强度平均低于1 000 hPa。因此，有时850 hPa的温度已经开始回升，但地面气温并不随着同步上升，甚至继续下降。

（2）在地面，平流项所引起的降温幅度与非绝热项相比很小，夜间降温主要以非绝热作用为主，即夜间的气温下降主要由地面的辐射降温引起，而地面积雪深度对辐射降温的影响最为明显。雪面的较强辐射冷却作用以及积雪本身对深层土壤热量上传的阻隔作用不仅能使夜间地面气温下降明显，也能使850 hPa的温度有相当幅度的下降。

（3）决定850 hPa温度变化的3项因子平流项、垂直运动项和非绝热项的变化幅度大致都在0～±4 ℃的范围内。

（4）另一个对气温变化有明显影响的是乱流混合增温。由于抚顺章党观测站所处的特殊地形，当吹较强西北风时就有可能发生乱流现象，而乱流混合增温可以补偿一部分辐射降温，从而使夜间的最低气温不至于降得很低。

（5）较低的温度露点差可以使850 hPa的温度升高，当温度露点差≤5 ℃时，可使850 hPa的温度升高2 ℃以上。

4 参考文献

[1] 成都气象学院.气象学[M].北京：农业出版社，1980.

[2] 北京大学地球物理系气象教研室.天气分析和预报[M].北京：科学出版社，1976.

[3] 陈勇，陈阳，范昱.1951—2010年长沙市极端气温事件的变化特征[J].气象与环境科学，2012，35（3）：41-44.

[4] 吴爱敏.极端气温集成预报方法对比[J].气象科技，2012，40（5）：772-777.