中國熱浪前期信號及其模式預(yù)報

丁 婷，錢維宏

北京大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，北京 100871

中國熱浪前期信號及其模式預(yù)報

丁 婷，錢維宏＊

北京大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，北京 100871

在中國1979—2008年發(fā)生的87場區(qū)域干熱浪事件中有83場區(qū)域干熱浪事件可以在250hPa層高度擾動場上追蹤到前期信號.高度擾動信號的移動方向可分為低緯向西和中緯向東傳播的兩類，前期信號平均出現(xiàn)的時間為7天.中國南方熱浪的前期信號，一部分（19%）來自低緯西北太平洋，平均提前4.6天，而大部分（81%）的前期信號來自歐洲和中國西北地區(qū)，可提前2—15天，這些信號沿中緯度自西向東移動到達(dá)100°E—110°E和40°N附近地區(qū).中心位置發(fā)生在北方的區(qū)域干熱浪事件，前期擾動信號都來自歐亞中高緯度.統(tǒng)計得到，250hPa層的高度擾動達(dá)到120gpm與地面出現(xiàn)區(qū)域干熱浪相對應(yīng)的次數(shù)占41%.降低區(qū)域干熱浪的定義標(biāo)準(zhǔn)，高度擾動作為前期信號的正確率會得到提高.在分析2003年中國夏季江南—華南大范圍持續(xù)熱浪事件的基礎(chǔ)上，用歐洲中期天氣預(yù)報中心的模式產(chǎn)品，對這次熱浪500hPa高度場做物理分解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模式對高度擾動的預(yù)報具有提前1—7天的預(yù)示能力.

熱浪，高度擾動，前期信號，傳播，統(tǒng)計特征，模式預(yù)報

1 引 言

氣象上一般以日最高氣溫達(dá)到或者超過35℃作為高溫的標(biāo)準(zhǔn)，“高溫?zé)崂恕庇纸懈邷乜崾?，是一個氣象學(xué)術(shù)語，通常指持續(xù)多天的35℃以上的高溫天氣.高溫?zé)崂耸窍募疽环N較常見的極端氣候災(zāi)害，對人的健康影響可能比其他高影響天氣更為嚴(yán)重［1］.全球變暖背景下極端高溫?zé)崂耸录念l次和強度變化引起了社會的廣泛關(guān)注.高溫?zé)崂艘殉蔀闅夂蜃兓芯恐械臒狳c問題之一［2］.中國極端高溫事件的頻發(fā)，以及所造成的災(zāi)害，已經(jīng)引起各級政府和從事氣候變化研究人員的高度重視.

對高溫日趨勢變化的研究工作較多，如以下文獻(xiàn)多集中于單站和日氣溫極值的分析.近50年來，除華北南部外，中國高溫日數(shù)都趨于增多，黃河流域西部和北部、華南沿海、青藏高原中東部、東北、四川盆地西北部增溫尤為明顯［3－8］.有分析指出，1990年以來中國北方絕大多數(shù)地區(qū)最高溫度發(fā)生的頻率有明顯增加的趨勢［7］，同期中國東部大城市和小城鎮(zhèn)最高溫度的極端最大值也呈顯著升高的趨勢［9］.中國西北五省區(qū)近45年來極端高溫事件發(fā)生頻次，均有顯著增加趨勢，并存在12—14年的周期振蕩［10］.

高溫?zé)崂说臉?biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)高溫對人體產(chǎn)生的影響或危害的程度而定.中國北方空氣干燥，晝夜溫差大，白天連續(xù)多日高于35℃的熱浪，有時并不比南方大于33℃的高濕熱浪對人體產(chǎn)生的影響大.因此，中國南方又常常把高于一定溫度閾值的濕熱天氣稱為濕熱浪.高溫?zé)崂耍ê喎Q為熱浪）事件一旦出現(xiàn)，往往不只是影響一個站點，而是波及多個站點的區(qū)域熱浪事件.Ding和Qian［11］定義了中國區(qū)域干熱浪事件和區(qū)域濕熱浪事件，按照持續(xù)時間、范圍、強度和綜合強度進(jìn)行排序，并較系統(tǒng)地分析了其時空分布和變化，發(fā)現(xiàn)1960—2008年期間區(qū)域濕熱浪事件呈顯著增加趨勢，1990年代以來增加的更為明顯.

挑選出區(qū)域熱浪事件之后，下一步是追蹤區(qū)域極端事件發(fā)生之前大氣變量擾動的來源、傳播的路徑及提前時間，即試圖歸類找到區(qū)域干（濕）熱浪事件有指示意義的前期信號.本文的區(qū)域干熱浪事件，是采用5—9月份相鄰5站有2日最高氣溫≥35℃，并且過程強度超過第90百分位值的定義標(biāo)準(zhǔn)［11］.這一定義比第80百分位值更為嚴(yán)格，挑選的事件更有代表性，南方達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)的熱浪影響更大.1979—2008年期間，中國5—9月共有區(qū)域干熱浪事件92次.去掉其中跨越5月1日的5次事件后，我們主要分析87次區(qū)域干熱浪事件.本文在大氣變量物理分解的基礎(chǔ)上［12］，將87次區(qū)域干熱浪事件有關(guān)的前期信號，按傳播方向和發(fā)生地點分類，進(jìn)行個例分析并給出統(tǒng)計結(jié)果.

作為特例，2003年6月1日至8月20日，江南南部到華南中部的廣大地區(qū)出現(xiàn)了20—50天的高溫日數(shù)，比常年同期多5—20天，連續(xù)多日最高氣溫超過38℃.這次熱浪的溫度之高、范圍之廣和持續(xù)時間之長都是歷史罕見，不少地方夏季最高溫度成為歷史新記錄，其中浙江省麗水站出現(xiàn)高達(dá)42.3℃的高溫.也像常規(guī)的分析那樣，對這次熱浪事件人們也用西太平洋500hPa副高的變化來解釋可能的預(yù)報著眼點［13－14］.在對2003年中國南方區(qū)域熱浪事件分析的基礎(chǔ)上，本文著重探討中國南方高溫?zé)崂颂鞖鈱?yīng)的大氣中有哪些變量，在什么高度上具有可預(yù)報熱浪事件發(fā)生的前期信號，再用歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）的模式產(chǎn)品做分解，探討熱浪事件的提前預(yù)報.本文所用資料和方法與文獻(xiàn)［15］相同，其中還使用了ECMWF的模式產(chǎn)品，每天北京時間08點和20點2個時次，包括北半球2.5°×2.5°經(jīng)緯網(wǎng)格點未來1—7天的500hPa高度場.

2 東傳前期擾動信號

在以下的分析中，高度擾動和溫度擾動都是天氣尺度下的擾動.在250hPa高度擾動場上，對應(yīng)的87次區(qū)域干熱浪事件，有4次事件沒有高度擾動傳播的前期信號.有高度擾動傳播的其余83次熱浪事件，按擾動信號的傳播方向，可分為向東和向西移動的兩類.大多數(shù)區(qū)域熱浪的前期信號，是從中緯度由西向東傳播的，占87場熱浪事件的86.2%.

2002年7月上旬到中旬，華北、黃淮、江淮、漢水流域等地出現(xiàn)了33—38℃的高溫晴熱天氣，最高氣溫達(dá)到35—39℃，部分地區(qū)達(dá)40—43℃［16］.這是一次高度擾動和溫度擾動信號由西向東傳播的中等強度熱浪事件，持續(xù)11天，最大覆蓋7個經(jīng)緯度格點，累計10站次達(dá)到40℃.2002年7月11日高度擾動和溫度擾動達(dá)到最強，地面熱浪站點位于黃河下游40°N以南（圖1a）.在熱浪區(qū)的南北－垂直剖面圖上，對流層上部的高度擾動正值區(qū)中心和400hPa以下溫度擾動正值區(qū)的下方，就是熱浪發(fā)生地.

另一個例是2002年6月28日，新疆西部250hPa層上有高度擾動正值區(qū)和400hPa層溫度擾動正值區(qū).6月30日，40gpm的高度擾動中心（圖2a中星號位置）東移到新疆的東部，而中國東部地區(qū)上空為高度擾動的負(fù)值區(qū).7月3日，高度擾動中心增強到80gpm，并東移到內(nèi)蒙古的中部（圖2b）.7月7日（圖2c），高度擾動中心發(fā)展到200gpm，溫度擾動中心值達(dá)到6℃，中心就在熱浪區(qū)的上空.7月7日至11日兩個擾動中心的位置穩(wěn)定少變（圖2d）.

圖3 2002年6月21日至7月21日沿35°N—45°N平均的250hPa高度擾動（gpm）和400hPa溫度擾動（℃，每一間隔增加1℃）經(jīng)度－時間剖面.Fig.3 The longitude－time section of height anomaly（gpm）at 250hPa and temperature anomaly（℃，with the interval 1℃）at 400hPa averaged from 35°N—45°N from 21June to 21July 2002

圖3給出了2002年6月21日至7月21日，沿35°N—45°N平均的逐日250hPa高度擾動和400hPa溫度擾動經(jīng)度－時間剖面.從圖3中可見，2002年6月底在80°E出現(xiàn)了40gpm高度擾動和正的溫度擾動.7月初擾動中心位置在向東移動的過程中，也北移到45°N以北，7月初擾動中心有一次間斷.7月5日，40gpm的高度擾動再次出現(xiàn)并且東移增強.7月9—11日，高度擾動中心超過了120gpm，位置在100°E—110°E.7月11日華北熱浪達(dá)到最強.此后，高度擾動和溫度擾動減弱，熱浪在7月17日結(jié)束.在熱浪事件發(fā)生前，擾動信號具有提前10天的指示意義.

3 前期擾動信號的統(tǒng)計特征

考慮到1979年開始的NCEP／NCAR Reanalysis 2資料更新了物理過程的參數(shù)化［17］，我們選擇1979—2008年期間的83場區(qū)域干熱浪事件的前期信號進(jìn)行統(tǒng)計分析.表1中列出了1979—2008年綜合強度排前10位的區(qū)域干熱浪事件.其中，1980年代有2次，1990年代3次，2000年后5次.綜合強度最強的事件，在2005年6月9日開始發(fā)生，持續(xù)28天（排第6），強度為36站（排第2），最大影響57格點（排第2），綜合強度值［18］為9.75.

一些熱浪事件是幾次天氣尺度擾動先后作用的結(jié)果.在87場熱浪事件中有26場事件出現(xiàn)了兩次前期信號，此外也有熱浪事件具有三次前期信號.圖4給出了2000年7月1日開始的兩次250hPa高度擾動引起的區(qū)域干熱浪事件.2000年7月1日開始的熱浪事件持續(xù)21天（排第14），最大覆蓋范圍為15個格點（排第48），累計6站次達(dá)到40℃以上（排第28），綜合強度排第29，是一次強熱浪事件.第一次高度擾動中心最早提前5天（6月26日）出現(xiàn)在位置（85°E，50°N）附近，之后沿50°N向東移動，7月1日到達(dá)位置（115°E，50°N）附近，對應(yīng)地面上東北－華北地區(qū)熱浪開始.7月1—6日高度擾動中心維持在東北北部，地面熱浪持續(xù).7月6日，第二次高度擾動中心出現(xiàn)在位置（80°E，50°N）附近，并沿50°N向東移動，13日到達(dá)110°E附近開始影響東北，17日第二次擾動中心達(dá)到最強值（160gpm），400hPa溫度擾動中心值為6℃.7月1日至21日合成的日最高溫度距平場上，距平3℃以上的站點主要集中在東北地區(qū)（圖4b）.

83場熱浪事件的第一次前期擾動信號的提前天數(shù)列在表2中.熱浪的前期擾動信號可分為向東移動和向西移動兩類.第一次擾動信號向東移動引發(fā)的事件中，擾動信號提前4—6天和提前7—9天的熱浪最多，分別為22場和21場事件，擾動信號提前3天以內(nèi)和10天以上的事件分別有13場和19場，總體向東傳播的擾動信號平均提前7.3天.第一次擾動信號向西傳的熱浪事件較少，提前3天以內(nèi)的有4場，提前4—6天的事件有2場，7—9天和10天以上的事件分別有1場.向西傳播的8場熱浪，它們的擾動信號提前天數(shù)比向東傳播的信號提前時間短，平均為4.6天.總體來看，83場事件對應(yīng)的擾動信號平均提前7天，其中提前4—6天的事件數(shù)最多，為24場，占87場事件的27.6%.

表1 1979—2008年區(qū)域干熱浪極端事件綜合強度前十的事件.Table 1 The top ten severe regional dry HW events in 1979—2008

表2 熱浪事件的第一次前期信號提前天數(shù)Table 2 Lead days of the first precursor for HW events

對南方熱浪事件，前期擾動信號包括出現(xiàn)在30°N以南低緯地區(qū)自東向西傳播的，和出現(xiàn)在30°N以北中緯地區(qū)自西向東傳播的兩類.其中南方8場熱浪事件多發(fā)生在7—8月份，對應(yīng)自東向西傳播的擾動信號提前時間為2—10天.這8場事件中，250hPa高度擾動中心的傳播路徑如圖5a1所示，從西北太平洋開始，起始位置在20°N或以北.有1場事件起始位置在160°E以東，其余事件擾動中心多起始于125°E—140°E范圍內(nèi).有2場事件的前期信號沿20°N向西傳播，其余6場事件的前期擾動信號向西北方向移動.這些擾動最后對應(yīng)的地面熱浪發(fā)生在長江中下游、江南到華南地區(qū)（圖5a2）.在這8場熱浪中，華南4個站點經(jīng)歷了其中的3—5場，江南－華南大部分站點經(jīng)歷了2—3場熱浪.

發(fā)生在南方的34場干熱浪事件中，前期擾動信號的起始位置，主要分布在歐洲到中國西北地區(qū)，大多數(shù)在30°E—90°E范圍內(nèi)，提前天數(shù)大多從2天到15天，平均提前7.4天（圖5b1）.但有兩場事件的前期擾動信號路徑很短，是從100°E—110°E開始，提前天數(shù)也只有1—2天.高度擾動中心的傳播路徑大致可以按緯度分為兩類，一類是沿中緯度30°N—50°N向東傳播（24場），提前2—14天，包括18場的前期擾動信號向東，4場的擾動信號向東北和2場的擾動信號向東南方向移動.另一類是高度擾動中心沿較高緯度（50°N—60°N）向東移動到100°E—110°E附近，再向南或向東南移動到40°N附近.這類高度擾動影響中國南方地區(qū)熱浪的有10場，提前時間為6—15天，比低緯向西傳播的前期擾動信號平均提前時間長.這些事件的地面熱浪中心位置，大多出現(xiàn)在長江流域、江南和華南.圖5b2表示34場事件中，經(jīng)歷熱浪場數(shù)最多的站點，江南的站點有7—14場，華南多數(shù)站點經(jīng)歷了其中的4—7場.圖5b2中，顯示發(fā)生在中國南方的大部分熱浪事件，其中250hPa高度擾動中心最后都到達(dá)華北地區(qū).在42場有前期擾動信號的南方熱浪事件中，8場事件的高度擾動前期信號自東向西傳播，占19%.34場熱浪的前期高度擾動信號自西向東傳播，占42場的81%，大部分對應(yīng)南方熱浪.

圖4 2000年7月1日開始的區(qū)域干熱浪事件對應(yīng)的兩次沿35°N—55°N平均的250hPa高度擾動（等值線，gpm）和400hPa溫度擾動（陰影，℃，每一間隔增加1℃）信號的經(jīng)度－時間剖面（a）和合成7月1日至21日的高溫距平3℃（實心點）和2℃（空心點）分布（b）Fig.4 The longitude－time section of height anomaly（solid line，gpm）at 250hPa and temperature anomaly（shading，℃，with the interval 1℃）at 400hPa averaged from 35°N—55°N for 2precursors of HW starting from 1July 2000

圖5 250hPa高度擾動信號的傳播路徑和站點經(jīng)歷的熱浪場數(shù)左圖中實心圓點表示擾動中心開始位置，空心圓表示擾動中心到達(dá)位置，右圖中數(shù)字為該站經(jīng)歷的熱浪場數(shù)（a1，a2）自東向西傳播的前期信號與南方8場區(qū)域干熱浪事件；（b1，b2）自西向東傳播的前期信號與南方34場干熱浪事件；（c1，c2）自西向東傳播的前期信號與西北19場干熱浪事件；（d1，d2）自西向東傳播的前期信號與東北南部8場區(qū)域干熱浪事件；（e1，e2）自西向東傳播的前期信號與14場北方區(qū)域干熱浪事件Fig.5 The precursor routes at 250hPa and the HW times by spot.The solid dots and circles in the left panels present the starting position and final position of anomaly center，and the numbers in the right panels present the HW times by each spot.（a1，a2）precursors of the westward propagation and 8regional dry HWs in southern China，（b1，b2）precursors of the eastward propagation and 34regional dry HWs in southern China，（c1，c2）precursors of the eastward propagation and 19regional dry HWs in northwestern China，（d1，d2）precursors of the eastward propagation and 8regional dry HWs in northeastern China，（e1，e2）precursors of the eastward propagation and 14regional dry HWs in northern China

圖5c1給出了19場與西北區(qū)域干熱浪事件對應(yīng)的前期擾動信號路徑，體現(xiàn)為250hPa的高度擾動自西向東傳播.高度擾動中心大多起始于20°E—60°E和40°N—60°N的范圍內(nèi)，提前天數(shù)從3天到14天，平均提前6.5天.擾動中心的傳播路徑都是自西向東移動到80°E—90°E附近，其中有15場熱浪對應(yīng)的前期擾動信號沿40°N—55°N向東傳播.這些干熱浪事件都發(fā)生在100°E以西，其中有22個站點經(jīng)歷了這19場熱浪中的4—12場.這些站點位于塔里木盆地和準(zhǔn)格爾盆地，海拔低，容易發(fā)生高溫?zé)崂耍▓D5c2）.

圖5d1給出了8場發(fā)生在東北的區(qū)域干熱浪事件，具有前期向東傳播的250hPa高度擾動信號.這些事件的前期擾動信號提前天數(shù)從2天到13天，平均提前7.3天.高度擾動中心起始于歐洲到中國西北20°E—85°E和50°N—55°N的范圍內(nèi)，沿50°N—55°N向東傳播到110°E以西，影響中國東北南部地區(qū)，區(qū)域熱浪事件中心位置都在40°N以北.這類擾動的起始位置和路徑較偏北.8場事件中，東北平原地區(qū)8個站點經(jīng)歷的熱浪場數(shù)最多，為3—5場，與平原地區(qū)海拔低有關(guān)，多數(shù)站點經(jīng)歷了其中的2—3場（圖5d2）.

圖5e1給出了14場中國北方區(qū)域干熱浪事件的前期向東傳播的250hPa高度擾動信號.高度擾動中心多起始于歐洲到中國西北20°E—70°E和40°N—55°N的范圍內(nèi)，沿中緯度向東傳播到100°E以西，提前天數(shù)從2天到16天，平均提前8.1天.其中11場事件的前期高度擾動中心路徑為向東，2場事件的前期擾動從35°N附近向東北移動，1場事件的前期擾動從55°N開始向東南方向傳播.這些熱浪事件主要發(fā)生在黃河流域，包括河套和黃河下游的華北地區(qū).經(jīng)歷熱浪場數(shù)（3—8場）最多的站點分布在黃河流域到長江中游以北地區(qū)（圖5e2）.

4 熱浪事件的正倒向問題

在研究過程中，對熱浪事件的預(yù)報（后報）問題可分為正向問題和倒向問題.從已經(jīng)出現(xiàn)了的熱浪事件出發(fā)，尋找過去大氣中可能存在的天氣尺度變量的前期擾動信號，稱為倒向問題.相反的，由天氣尺度變量擾動信號去預(yù)報未來的熱浪事件稱為正向問題.在1979—2008年5—9月份的87場區(qū)域干熱浪事件中，大部分事件都有大氣擾動傳播的前期信號，只有4場事件例外.在4場事件出現(xiàn)的同時，有當(dāng)?shù)貙?yīng)的250hPa高度擾動或400hPa溫度擾動的出現(xiàn)，但沒有從外地傳播來的擾動.（1）1999年6月24日—7月5日的華北熱浪，熱浪開始時溫度擾動只在對流層低層（600hPa以下清楚），200～500hPa為溫度擾動負(fù)異常和高度擾動負(fù)異常，其北側(cè)為強烈發(fā)展的高空槽.（2）2005年7月12—21日的華南熱浪，溫度擾動正異常只出現(xiàn)在700hPa以下，其形成的原因與東南側(cè)臺風(fēng)外圍環(huán)流有關(guān).（3）2004年7月11—18日的西北熱浪，7月9日開始在當(dāng)?shù)?50hPa出現(xiàn)40gpm的高度擾動和2℃的溫度擾動，之后向下傳播.（4）2000年5月16—22日的西北熱浪的高度異常，是2000年5月9—13日的西北熱浪高度擾動正異常在當(dāng)?shù)販p弱后又加強形成的，沒有傳播的前期信號.

高度擾動強度與區(qū)域干熱浪事件的強弱有一定聯(lián)系.熱浪事件過程中出現(xiàn)的平均高度擾動為189gpm，其中對應(yīng)強熱浪事件的高度擾動平均值為198gpm，中等熱浪事件的高度擾動平均值為190gpm，弱熱浪事件的高度擾動平均值為184gpm.對倒向問題，加上5場跨越5月1日的事件合計92場地面干熱浪事件中，有88場事件對應(yīng)的250hPa高度擾動達(dá)到120gpm（占96%），另外的4次事件高度擾動只達(dá)到80gpm.相反的，如果出現(xiàn)了大氣高度擾動，有多少次對應(yīng)發(fā)生了區(qū)域熱浪事件，這是一個正向問題.對正向問題的普查發(fā)現(xiàn)，高度擾動達(dá)到120gpm，而同期地面沒有出現(xiàn)區(qū)域干熱浪的有124次.在正向與倒向總計216次事件中，達(dá)到高度擾動標(biāo)準(zhǔn)且確實出現(xiàn)區(qū)域熱浪事件的次數(shù)（88次），所占的比例為41%.若取160gpm作為250hPa層的高度擾動標(biāo)準(zhǔn)，高度擾動和地面熱浪一致的次數(shù)減少到76次，而達(dá)到高度擾動標(biāo)準(zhǔn)但沒有對應(yīng)區(qū)域熱浪的過程減少至103次，對應(yīng)一致的事件占39%.

取120gpm或160gpm作為250hPa層的高度擾動標(biāo)準(zhǔn)，地面沒有區(qū)域干熱浪事件發(fā)生的情況較多，甚至超過了兩者對應(yīng)一致的次數(shù).對這些情況做逐日分析發(fā)現(xiàn)，高度擾動達(dá)到120gpm時，地面站點的日最高溫度都為正距平，但是達(dá)不到區(qū)域干熱浪的定義標(biāo)準(zhǔn).為了考察不同熱浪定義的影響，我們把“有2日最高氣溫≥35℃”降低為“有2日最高氣溫≥34℃”，又把“高溫過程強度序列大于第90個百分位值”降低為“高溫過程強度序列大于第80個百分位值”.改動熱浪定義之后，達(dá)到擾動120gpm標(biāo)準(zhǔn)而無熱浪的次數(shù)，從124次減少到65次.達(dá)到擾動160gpm標(biāo)準(zhǔn)而無熱浪的次數(shù)，從103次減少到52次.可見，達(dá)到擾動標(biāo)準(zhǔn)而無熱浪的情況，與熱浪高標(biāo)準(zhǔn)的定義有關(guān).降低地面熱浪標(biāo)準(zhǔn)后，高度擾動達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)而無熱浪的次數(shù)減少了一半左右.此外，當(dāng)考察的時段從5—9月縮短到6月初—9月中旬時，正確率也提高到了44%.這說明，5月份和9月份，地面的氣候基礎(chǔ)溫度較低，要發(fā)生熱浪，大氣高度擾動的量值需要較大.反過來說明，盛夏季節(jié)內(nèi)的熱浪事件對高度擾動的要求比較低.普查發(fā)現(xiàn)，所有大氣擾動都對應(yīng)有地面增溫，部分?jǐn)_動對應(yīng)增溫達(dá)到熱浪的標(biāo)準(zhǔn).形成不了熱浪的例子一部分為當(dāng)?shù)氐臍夂蚧A(chǔ)溫度偏低，疊加上高空擾動對應(yīng)的地面氣溫擾動仍然夠不上熱浪事件的標(biāo)準(zhǔn).如1993年5月10日中國東部地區(qū)在250hPa和400hPa上分別出現(xiàn)160gpm的高度擾動和6℃的溫度擾動，對應(yīng)地面40°N附近出現(xiàn)4℃的溫度擾動，但5月10日中國長江以北地區(qū)的地面最高氣溫的氣候平均值在27℃以下，疊加上溫度擾動也難以達(dá)到區(qū)域熱浪標(biāo)準(zhǔn).另一些例子是高空有很強的高度擾動和溫度擾動，但地面附近的溫度擾動較弱也達(dá)不到熱浪標(biāo)準(zhǔn)，如1991年8月12日400hPa溫度擾動為5℃，但向下延伸的溫度擾動逐漸減弱，地面附近溫度擾動只有2℃.減少熱浪事件的空報率需要一定的經(jīng)驗積累.

1990—2008年期間共發(fā)生了13場強區(qū)域干熱浪事件，包括1990年代的5場和2000年以來的8場，這些強事件都對應(yīng)著250hPa層的高度擾動達(dá)到較大的異常值（200gpm或以上）.反過來，統(tǒng)計1990年以來較大的250hPa層的高度擾動異常（200gpm或以上），除了上述13場強事件以外，有27場區(qū)域干熱浪屬于中等和弱事件，10場以34℃和第80百分位值作為標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域干熱浪事件，另外有4場無熱浪事件，只對應(yīng)地面溫度偏高.這表明近年來最強的熱浪事件一定會出現(xiàn)較強的高度擾動異常（200gpm或以上），而出現(xiàn)較大的位勢高度擾動異常時基本可以認(rèn)為會出現(xiàn)熱浪，其中24%是強熱浪.

為了說明不同定義下區(qū)域熱浪事件隨季節(jié)的分布，圖6給出了兩種定義的比較.1979—2008年的92場區(qū)域干熱浪事件是按照前言中描述的定義確定的，即有第90百分位值的限定.如果不考慮這一限定，則確定的連續(xù)日數(shù)超過10天（其中有10日最高氣溫≥35℃）發(fā)生在中國東部地區(qū)（100°E以東，42°N以南）的熱浪事件有51場.有無這一限定的熱浪頻次隨季節(jié)的分布差異非常大.在此限定下，兩個高頻時段分別出現(xiàn)在5—6月份和8月底至9月初，而低頻時段在盛夏.如果無此限定，則只有一個高頻時段出現(xiàn)在7月至8月初的盛夏.它們隨季節(jié)分布的差異正好說明，盛夏季節(jié)氣候溫度較高，達(dá)到高溫?zé)崂耸录恍枰?—6月份的溫度距平.同時也說明，盛夏季節(jié)熱浪事件的前期大氣擾動信號強度不需要很大，這也增加了盛夏預(yù)報熱浪事件的難度.

5 2003年的極端熱浪事件

圖7分別給出了不同定義下2003年中國南方滿足區(qū)域干熱浪和濕熱浪標(biāo)準(zhǔn)的逐日站數(shù)比較.2003年夏半年中國南方出現(xiàn)了4場區(qū)域熱浪事件.5月初出現(xiàn)了第1場，第2場主體出現(xiàn)在7月底至8月初，第3場出現(xiàn)在8月底至9月初，9月中出現(xiàn)了第4場.從圖7看出，在不同定義下的熱浪事件持續(xù)時間及其歷史排序是不同的.對4場濕熱浪事件，它們的綜合指數(shù)，歷史（163場次）排序分別是第30、46、23和52位［11，18］.以過程強度超過第80百分位標(biāo)準(zhǔn)計算，4場干熱浪的綜合指數(shù)，歷史（136場次）排序分別是第101、1、92和114位.而以過程強度超過第90百分位標(biāo)準(zhǔn)計算的綜合指數(shù)，歷史（145場次）排序分別是第103、16、43和108位.無論是干熱浪，還是濕熱浪，它們都在7月底至8月初達(dá)到最強.

圖8中分別給出了2003年7月30日達(dá)到區(qū)域干熱浪標(biāo)準(zhǔn)的站點分布及當(dāng)日沿110°E—120°E平均的位勢高度擾動和大氣溫度擾動的經(jīng)向分布.7月30日有23個站達(dá)到區(qū)域干熱浪的標(biāo)準(zhǔn)，主要集中在110°E—120°E之間的華南地區(qū)（圖8a）.沿110°E—120°E繪制的大氣溫度擾動和高度擾動的南北－垂直（1000—10hPa）剖面如圖8b所示：高度擾動有一對正負(fù)中心，負(fù)值中心對應(yīng)地面區(qū)域低溫距平（圖略），正值中心向下和向南延伸的軸延伸到地面上的高溫?zé)崂藚^(qū).正負(fù)高度擾動中心大致在250hPa層.地面高溫?zé)崂藚^(qū)的上空，在850hPa以下為正的溫度擾動區(qū)，并且正的溫度擾動區(qū)是向上和向北傾斜的，溫度擾動正值區(qū)出現(xiàn)在400hPa附近.

無論是地面，還是高層大氣溫度、濕度、風(fēng)場、氣壓（或位勢高度）等變量都可以分解成氣候季節(jié)變化與偏差的疊加［19］.以2003年7月30日為例，對觀測的地面日最高溫度和500hPa位勢高度進(jìn)行分解如圖9.圖9a為7月30日最高溫度的原始觀測，長江流域、江南、華南出現(xiàn)大范圍高溫，有128站日最高溫度達(dá)到35℃以上.當(dāng)天500hPa原始高度場上，副高控制了33°N以南的中國東南部地區(qū)（圖9d），原始場的副高位置和地面高溫區(qū)基本一致.孫國武等［20］指出，西太平洋副高5880gpm等值線所包圍的江南地區(qū)與熱浪發(fā)生區(qū)基本一致.用49年（1960—2008年）歷年7月30日的中國日最高溫度做時間平均，則江南東部和西北新疆地區(qū)各有4個站，其氣候平均最高溫度達(dá)到35℃，大部分站點的氣候平均最高溫度在30—35℃范圍內(nèi)（圖9b）.500hPa氣候場上（圖9e），5880線西伸脊點在130°E附近，副高脊線沿30°N延伸，與氣候平均溫度達(dá)到35℃的江南4站所在的緯度基本一致.去掉時間平均的氣候后，地面最高溫度的擾動正異常（3—8℃）分布在長江流域、江南和華南地區(qū)（圖9c），對應(yīng)500hPa高度擾動為正異常（圖9f）.中國北方和西北地區(qū)的地面溫度的負(fù)距平區(qū)，與500hPa高度的負(fù)值擾動區(qū)對應(yīng).

圖8 2003年7月30日（a）達(dá)到區(qū)域干熱浪標(biāo)準(zhǔn)的站點（實心圓點）和（b）沿110°E—120°E平均的位勢高度（gpm）擾動，正（細(xì)實線）負(fù)（細(xì)虛線）值分布和溫度擾動正值（℃，陰影區(qū)每一間隔增加1℃）的緯度－氣壓剖面.b中，粗點線為高度擾動軸線，粗虛線為溫度擾動軸線Fig.8On 30July 2003，（a）stations of regional dry HW（solid dots），（b）the meridian－vertical height anomaly（gpm）and temperature anomaly（℃）profiles averaged from 110—120°E.In（b），black solid lines and dotted lines represent the positive and negative height anomalies respectively，and the shadow presents the positive temperature anomaly with the interval 1℃.Bold short dotted line and bold long dotted line represent the height anomaly axis and temperature anomaly axis，respectively

圖9 2003年7月30日日最高溫度（℃）（a）當(dāng)日原始場；（b）1960—2008年7月30日氣候平均場；（c）當(dāng)日擾動場；和2003年7月30日500hPa高度場（gpm）；（d）當(dāng)日原始高度場；（e）1979—2008年7月30日氣候平均場；（f）當(dāng)日擾動場.Fig.9 Daily maximum temperature（℃）on 30July 2003（a）Original；（b）Climate average from 1960to 2008；（c）Temperature anomaly；geopotential height at 500hPa（gpm）：（d）Original；（e）Climate average from 1979to 2008；（f）height anomaly

圖10給出了2003年7月30日日最高溫度當(dāng)日觀測、氣候平均和相對氣候的當(dāng)日擾動溫度的南北剖面分布，以及對應(yīng)500hPa位勢高度當(dāng)日觀測、當(dāng)日氣候平均和相對當(dāng)日氣候平均的擾動高度的南北剖面分布.在110°E—120°E平均的南北剖面圖上，中國東部氣候平均的最高溫度33.5℃出現(xiàn)在26°N.如果在多年平均的氣候溫度上，疊加1.5—2.5℃的溫度擾動之后，該緯度范圍內(nèi)就容易形成超過35℃的高溫區(qū).地面溫度的擾動部分在26°N—27°N附近最大，超過5.4℃.當(dāng)日氣候平均溫度疊加上這樣大的溫度擾動，在此緯度范圍可以出現(xiàn)38.8—39.1℃的高溫（即原始觀測溫度）.對500hPa氣候平均高度在寬度帶（110°E—120°E）內(nèi)進(jìn)行平均，則35°N以南的位勢高度約為5860gpm.如果位于22.5°N—35°N范圍的氣候平均西北太平洋副高高度場再疊加上超過19gpm的高度擾動后，它的位勢高度能夠達(dá)到5880gpm以上，即原始場上表現(xiàn)為副高加強西伸，控制中國東部地區(qū).30°N—32.5°N范圍內(nèi)高度擾動異常值最大，超過36gpm，當(dāng)它疊加到氣候平均高度場上，則位勢高度達(dá)到5897—5900gpm.由以上的分析可知，中國南方高溫?zé)崂说男纬膳c當(dāng)?shù)貧夂驕囟扰c溫度擾動的疊加有關(guān)，也與高度擾動和對應(yīng)日的氣候平均高度的疊加有關(guān).值得注意的是，500 hPa高度擾動的峰值位置相對地面溫度擾動峰值的位置偏北3緯度.

原始場上，中國夏季副熱帶高壓的位置和強度與南亞高壓的分布型有密切關(guān)系.當(dāng)南亞高壓為東部型時，副高西伸增強，控制中國東部，長江中下游及以南地區(qū)，通常出現(xiàn)高溫少雨；當(dāng)南亞高壓為西部型時，副高偏東并且強度較弱.南亞高壓的形成主要是熱力作用，夏季在100—150hPa層最為強盛.圖11a為2003年7月30日150hPa高度原始場，南亞高壓主體位于20°E—120°E.去掉氣候平均場之后，100—130°E為高度擾動正異常，如圖11b所示，對應(yīng)當(dāng)天南亞高壓為東部型.中國東部地區(qū)的150hPa上高度擾動異常偏高.東部型的南亞高壓異常下沉氣流，導(dǎo)致500hPa上高度擾動出現(xiàn)正異常區(qū)，即對應(yīng)原始場上副高的加強西伸（圖9d），地面出現(xiàn)高溫異常.

6 前期擾動信號及其模式預(yù)報

長期以來，預(yù)報員一般用500hPa位勢高度場的變化，來預(yù)報地面熱浪的發(fā)生時間和地理位置.可是，圖8b中溫度擾動和高度擾動異常區(qū)，都不在500hPa達(dá)到最強.地面熱浪區(qū)上空，500hPa層的最大高度擾動值為40gpm，250—150hPa層的最大高度擾動值為100gpm，對流層上層的高度擾動值是對流層中層的2.5倍.當(dāng)然，500hPa層上的溫度擾動和高度擾動對地面熱浪也有指示意義.對應(yīng)2003年7月25日開始的區(qū)域干熱浪事件（過程強度超過第90百分位值），圖12給出了250hPa上前期逐日異常信號和500hPa高度場的逐日變化.在熱浪發(fā)生前6天（2003年7月19日），400hPa溫度擾動暖中心和250hPa高度擾動正異常區(qū)，出現(xiàn)在位置（140°E，20°N），之后向西北方向移動.500hPa上，副高西伸加強，7月19日至22日，副高西伸脊點從120°E向西伸到107°E附近.25日，250hPa高度擾動正異常中心，移到30°N以北并增強到80gpm，地面熱浪開始發(fā)生.統(tǒng)計大量的個例發(fā)現(xiàn)，500hPa層的高度擾動信號比500hPa原始高度更能指示熱浪的發(fā)生，但如果用250hPa層的高度擾動指示熱浪會更清晰.7月30日高度擾動中心（80—100gpm）和溫度擾動中心在中國東部地區(qū)上空，標(biāo)志著地面溫度達(dá)到最高.8月2日后高度擾動中心和溫度擾動中心向東移動到了海上，對應(yīng)著地面溫度的減弱.這次熱浪事件的前期擾動信號可提前6天出現(xiàn).

圖13 ECMWF模式產(chǎn)品對2003年7月30日500hPa高度擾動的預(yù)報結(jié)果提前（a）第7天，（b）第6天，（c）第5天，（d）第4天，（e）第3天，（f）第2天，（g）第1天，（h）當(dāng)天.Fig.13 Forecasts of ECMWF height anomalies for 30July 2003at 500hPa advanced by（a）the 7th day，（b）the 6th day，（c）the 5th day，（d）the 4th day，（e）the 3rd day，（f）the 2nd day，（g）the 1st day，and（h）on 30July，2003

以2003年區(qū)域干熱浪事件發(fā)生作為出發(fā)點，可以向前追溯到與該場熱浪有關(guān)的，從西北太平洋向西北方向移動的前期高度擾動信號，這是時間上的倒向問題.對于正向問題，即西太平洋出現(xiàn)一定強度的高度擾動信號并逐日向西移動，后期中國是否會發(fā)生區(qū)域熱浪.正向問題需要結(jié)合模式預(yù)報產(chǎn)品，采用模式輸出高度原始場的預(yù)報值，物理分解出擾動部分進(jìn)行診斷與預(yù)報.圖13給出了歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）模式產(chǎn)品提前1—7日預(yù)報的2003年7月30日500hPa高度擾動場.因為只能得到2003年以來對流層中下層的ECMWF模式產(chǎn)品，氣候場仍然取為NCEP／NCAR Reanalysis 2中1979—2008年的平均值.比較圖13h和圖9f，可以看到用NCEP／NCAR Reanalysis 2作為氣候平均分解出的ECMWF高度擾動，與NCEP／NCAR Reanalysis 2資料計算的高度擾動是基本致的.因此，不同資料的平均場差異可以近似忽略.2003年7月30日是該場熱浪過程最為強盛的一天，分解ECMWF產(chǎn)品的高度擾動后，提前1—7天都預(yù)報出在中國東部地區(qū)500hPa高度擾動的正異常，提前第1—4天的高度擾動正異常范圍出現(xiàn)在40°N以南，和實況比較接近，而提前第5—7天預(yù)報的高度擾動位置比實況略偏北.提前預(yù)報出的高度擾動強度為20—40gpm.目前歐洲中期數(shù)值天氣預(yù)報的位勢高度場可以提供10天左右的有用信息.利用本文物理分解的方法可以得到10天左右的高度擾動預(yù)報形勢圖，加上7天左右的前期信號，熱浪事件的預(yù)報時效可以平均提前兩周.

7 結(jié)果與討論

（1）1979—2008年期間發(fā)生的83場區(qū)域干熱浪事件有傳播的前期大氣擾動信號，第一次擾動信號平均提前時間為7天.與區(qū)域干熱浪事件對應(yīng)的250hPa高度擾動前期信號可分為向東和向西傳播的兩類，比原始場上天氣系統(tǒng)移動對熱浪事件的指示更清晰.

（2）南方熱浪對應(yīng)的前期250hPa高度擾動信號，有低緯地區(qū)向西傳和中緯地區(qū)向東傳的兩類.第一次擾動信號向西傳形成的熱浪事件較少（8場），提前2天到10天（平均提前4.6天）擾動信號從西北太平洋開始向西北傳播，地面熱浪發(fā)生在長江中下游、江南到華南.南方熱浪第一次向東傳的前期250hPa高度擾動中心起始位置大多在歐洲到中國西北地區(qū)，提前天數(shù)從2天到15天，沿中緯度或較高緯度（50°N—60°N）向東傳到100°E—110°E附近，再向南或向東南傳到40°N附近.

（3）中心位置在北方的區(qū)域性干熱浪事件，前期擾動信號都為自西向東傳播，高度擾動中心多起始于歐洲.按照熱浪發(fā)生的位置可分為西北、東北南部和華北－河套三類.在75場北方熱浪事件中，平均可以提前7.3天追蹤到250hPa的高度擾動前期信號.少部分區(qū)域干熱浪事件有2—3次前期擾動信號或沒有傳播的前期信號.

（4）250hPa高度擾動場與大部分地面區(qū)域干熱浪事件有一定的對應(yīng)關(guān)系，正確率與定義有關(guān).250hPa高度擾動達(dá)到120（160）gpm和區(qū)域干熱浪事件一致的有88（76）場，有熱浪發(fā)生而高度擾動沒有達(dá)到120（160）gpm的情況有4（16）次，高度擾動達(dá)到120（160）gpm而地面沒有區(qū)域干熱浪的情況共124（103）次，一致性次數(shù)占到統(tǒng)計總次數(shù)的41%（39%）.將區(qū)域干熱浪的定義中“≥35℃”降低為“≥34℃”，又將“高溫過程強度序列大于第90個百分位值”降低為“高溫過程強度序列大于第80個百分位值”后，高度擾動達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)而無熱浪的次數(shù)減少了一半.

（5）在2003年7月25日開始的熱浪發(fā)生前6天，400hPa溫度擾動暖中心和250hPa高度擾動正異常中心，出現(xiàn)在副熱帶西北太平洋（140°E，20°N）上，之后向西北方向移動.用歐洲中期天氣預(yù)報模式的未來1—7天預(yù)報產(chǎn)品，對這次熱浪500hPa高度場做物理分解.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模式的高度擾動對這次熱浪具有提前1—7天的預(yù)報能力，提前第4天以內(nèi)的高度擾動位置和強度預(yù)報更接近實況.需要指出的是，在垂直結(jié)構(gòu)上，250hPa層的高度擾動比500hPa層的高度擾動更能指示地面熱浪.如果只用500hPa以下的歐洲中期天氣預(yù)報模式產(chǎn)品，這也會影響最強高度擾動信號的提取與使用.

中國的熱浪事件多發(fā)生在夏季.夏季對中國溫度有決定影響的環(huán)流背景是西太平洋副高和大陸高壓.本文通過尋找多場區(qū)域干熱浪事件的前期大氣擾動信號，發(fā)現(xiàn)中緯向東傳的信號多來自歐洲，低緯向西傳的信號來自西北太平洋.當(dāng)有一個天氣尺度高度擾動隨西風(fēng)帶基本氣流從歐洲向東傳播到達(dá)中國北方后，一旦在大陸上穩(wěn)定下來，高壓控制下的下沉氣流和夏季的太陽輻射加熱就會在中國形成熱浪事件.在西太平洋副高脊線的南側(cè)，天氣尺度高度擾動隨東風(fēng)帶基本氣流向西移動.當(dāng)高度擾動達(dá)到中國大陸后與氣候上的副高疊加，也同樣增強下沉氣流和太陽輻射，引發(fā)高溫?zé)崂耸录?

本文用大量的例子總結(jié)認(rèn)為，前期大氣擾動信號可以應(yīng)用于中國熱浪事件的中期－延伸期預(yù)報.在預(yù)報實踐中，還需要分析正向問題，即出現(xiàn)前期信號時中國發(fā)生區(qū)域熱浪的可能性有多大.250hPa高度擾動或400hPa溫度擾動起始位置的范圍很大，在歐洲或西北太平洋出現(xiàn)一定強度的擾動中心，并不一定預(yù)示著中國會發(fā)生區(qū)域極端干熱浪事件，關(guān)鍵在于擾動信號的傳播路徑和強度變化，還需要結(jié)合季節(jié)和模式預(yù)報擾動形勢的分析和經(jīng)驗的積累.另外，原始場上中國南方發(fā)生熱浪時，東部地區(qū)都為副高控制，但81%的前期大氣擾動來自中緯度向東傳播的信號，只有19%的前期擾動信號是在低緯自東向西傳播的，這與傳統(tǒng)天氣學(xué)中南方熱浪主要關(guān)注低緯的天氣系統(tǒng)不同.

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Statistical characteristics of heat wave precursors in China and model prediction

DING Ting，QIAN Wei－Hong＊
Department of Atmospheric and Oceanic Sciences，Peking University，Beijing100871，China

Among 87events of regional dry heat wave（HW）in China during 1979—2008，precursors can be found from 83regional dry HW events by the 250hPa regional－scale geopotential height anomalies.These height anomalies move westward in the low latitudes and eastward in the middle latitudes，with an average lead of 7days before HW events occurred.19%of the precursors for regional dry HW in southern China originate in the northwest Pacific，4.6 days in advance of the HW on average，while most of the precursors（81%）start from Europe to Northwest China with a lead of 2—15days，then propagate in the middle latitudes to 100—110°E and 40°N.Precursors for all of the northern China heat waves start from Europe.When the height anomaly reached 120gpm at 250hPa，the chance of regional dry HW events is 41%.With lower HW standards，the accurate rate of predicting HW events with height anomaly will rise accordingly.From the analysis of widespread－prolonged HW occurred in 2003summer in southern China and based on physical decomposed ECMWF forecast data at 500hPa，the positive height anomaly to indicate the HW on 30July 2003can be predicted 1—7days ahead.

Heat wave，Height anomaly，Precursor，Propagation，Statistical characteristics，Model prediction

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.005

P442

2011－12－05，2012－04－19收修定稿

氣象行業(yè)專項（GYHY201006018）和國家科技支撐計劃（2009BAC51B04）資助.

丁婷，女，1984年生.2011年北京大學(xué)博士畢業(yè)，從事氣候變化和預(yù)測.E－mail：dingting＠cma.gov.cn

＊通訊作者錢維宏，男，1957年生，教授，從事天氣氣候研究.E－mail：qianwh＠pku.edu.cn

丁婷，錢維宏.中國熱浪前期信號及其模式預(yù)報.地球物理學(xué)報，2012，55（5）：1472－1486，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.005.

Ding T，Qian W H.Statistical characteristics of heat wave precursors in China and model prediction.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1472－1486，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.005.

（本文編輯 汪海英）