2013年南方高溫熱浪成因分析

干　全

(中國民航飛行學院廣漢分院氣象臺，四川廣漢　618307)

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2013年南方高溫熱浪成因分析

干全

(中國民航飛行學院廣漢分院氣象臺，四川廣漢618307)

摘要：利用1975—2013年國家氣候中心160站氣溫資料、逐日的ERSST和NCEP再分析資料等，對2013年7—8月中國南方地區(qū)的高溫熱浪事件的異常環(huán)流形勢以及成因進行了分析。結(jié)果表明：在全球變暖的背景下，南方地區(qū)2013年夏季是自1975年以來最熱的一年。西太平洋副熱帶高壓加強、西伸且穩(wěn)定少動是造成高溫的主要原因，7月上旬的高溫時段對應副高脊線偏北，7月中旬至8月中旬對應副高脊線偏南，其中后一時段副高偏南、西伸、加強且穩(wěn)定少動對整個夏季的高溫起到了重要作用。而造成副高異常的原因主要在于：(1)西太平洋赤道地區(qū)熱源加強，強烈的異常上升氣流通過Hadley環(huán)流，造成南方地區(qū)的下沉運動加強，副高亦加強；(2)南北半球海溫梯度加大，使得海洋性大陸區(qū)域的兩支越赤道氣流減弱，不利于副高的北抬活動，使得副高在南方地區(qū)穩(wěn)定少動。

關(guān)鍵詞：高溫熱浪；對流活動；西太平洋副熱帶高壓；海溫梯度；中國南方

隨著全球變暖，近年來，在世界各地高溫熱浪事件頻頻發(fā)生，在1972至2012年間全球200多個城市長時間的極端炎熱天氣大量增多，在近幾年的氣象記錄中高溫熱浪最為突出。2013年夏季我國南方地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)性的高溫天氣，高溫主要集中在福建、江西、湖南、浙江、上海、重慶等地，唐恬等[1]的統(tǒng)計結(jié)果顯示，2013年盛夏733個站點中就有285個站點出現(xiàn)大于40 ℃的極端高溫，其中重慶開縣超過40 ℃的高溫天氣持續(xù)了23 d之久，而浙江定海夏季的平均最高氣溫達到了42.3 ℃。高溫熱浪不僅超過人本身的耐受極限，而且造成了城市用水、用電緊張，危害農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)等等[2],因此，對高溫熱浪事件的研究，有助于進一步理解高溫熱浪事件的發(fā)生機理，為防災減災提供科學的理論依據(jù)。事實上，2013年南方地區(qū)的高溫熱浪成因已有一些初步的討論[3-6]。這些研究一致認為西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)異常是2013年南方高溫的主要原因，但有的研究認為2013年夏季副高偏北，有的認為副高偏南，這其實是因為沒有分時段造成的矛盾。此外，雖然張宇等[7]認為南亞高壓的東進過程對副高的偏北偏強有影響，孫建奇等[8]認為北大西洋的極端高溫通過遙相關(guān)波列從而影響了西太平洋副高的活動，但總的說來對副高異常的機理研究較少。那么是否有其它外強迫因子造成了2013年西太平洋副熱帶高壓異常的呢？本文結(jié)合逐月和逐日資料，通過分析2013年的大尺度大氣環(huán)流形勢以及全球海溫異常，來探討2013年南方地區(qū)高溫熱浪的成因。

1資料和方法

所用資料包括:(1)國家氣候中心提供的中國160個臺站逐月降水觀測資料和西太平洋副高強度指數(shù)、西太平洋副高脊線、西太平洋副高面積指數(shù)以及西太平洋副高西伸脊點；(2)NCEP/NCAR再分析資料[9]，包括逐日的500 hPa位勢高度場、850 hPa緯向風和經(jīng)向風、輻射熱通量、土壤濕度，網(wǎng)格分辨率均為2.5°×2.5°；(3)由美國NOAA提供的ERSST (Extended Reconstructed SST)[10]，網(wǎng)格分辨率為2°×2°。以上資料的時間段為1975年1月—2013年8月。

STI指數(shù)取25°N～35°N，105°E～120°E區(qū)域的平均溫度距平，用以表示高溫區(qū)域夏季的歷史演變，而SNI指數(shù)是取北半球(0～55°N)與南半球(0～55°S)區(qū)域平均的海表溫度之差，用以表征南北半球的溫度梯度。

2高溫概況

圖1a首先給出了2013年中國夏季(7—8月)平均溫度距平分布，可以看出，我國大部分地區(qū)氣溫偏高，但主要的暖異常區(qū)域在25°N～35°N，105°E～120°E；三個溫度異常暖中心自川渝地區(qū)沿著長江流域中下游向東延伸至浙江、上海等沿海地區(qū)，其中浙江、上海增溫最為明顯，暖異常中心溫度高出氣候平均值3 ℃左右。根據(jù)圖1a中的暖異常區(qū)域，將25°N～35°N，105°E～120°E區(qū)域的平均溫度距平定義為STI指數(shù)，結(jié)果如圖1b所示，近幾十年來，該區(qū)域的溫度呈顯著上升趨勢，而在這一背景下，南方地區(qū)2013年夏季成為了自1975年以來溫度最高的一年。

白天，若土壤濕度偏濕，土壤水分蒸發(fā)，起到冷卻作用，有利于降低日最高溫度；反之，土壤偏干，則有利于增加日最高溫度[11]。2013年主要是長江流域中下游沿江城市土壤偏干。雖然重慶等城市也經(jīng)歷了高溫熱浪，但對應其土壤濕度偏濕(圖略)。輻射熱通量異常(圖2)顯示，7—8月高溫區(qū)向下的凈短波輻射值比氣候平均偏高，同時向上的長波輻射值也增加，這種特征8月上旬比較明顯?？偟妮椛渫?二者相加)為負值，表明高溫區(qū)向下的輻射通量較氣候平均偏多，這與下沉區(qū)云量偏少有關(guān)。因此，2013年南方高溫熱浪時間具有高溫持續(xù)時間長，強度強、范圍廣，降水少而蒸發(fā)大的特征。

3異常環(huán)流分析

持續(xù)性高溫熱浪天氣的形成離不開有利的大氣環(huán)流形勢，而對于中國夏季來說，副高強度、脊線位置東西南北的異常變化尤為重要。首先分析500 hPa的異常環(huán)流形勢。從7—8月平均位勢高度距平場(圖3)來看，整個中國南方地區(qū)表現(xiàn)為正位勢高度異常；以5 880 gpm線代表副高，可以看出2013年夏季副高比氣候平均明顯西伸，脊線略微偏北， 副高面積增加致使長江流域中下游地區(qū)受副高控制。從副高的四個特征指數(shù)(圖略)定量分析可知，2013年7—8月副高比氣候平均西伸、偏強。

圖2　2013年5—8月高溫災害區(qū)區(qū)域平均的凈長波輻射(a)和凈短波輻射通量(b)距平值

雖然就夏季平均而言，副高脊線略微偏北，但不同高溫時段對應副高有不同的異?；顒?。從逐日的副高活動(圖4)可以清楚地看出，隨著夏季風的爆發(fā)，副高逐漸北移，6月13日副高從33°N開始逐漸南落，6月21日已回落至20°N附近，此后又開始緩慢北抬；7月1日—20日副高脊線位置比氣候平均偏北，此時段對應江蘇、浙江、湖南等地的日最高溫度達到了36 ℃以上。7月18日副高第二次迅速南落，從41°N南撤至25°N附近；7月20日—8月12日副高脊線一直維持在25°N～30°N之間，8月14日副高突然北抬至35°N，該時段內(nèi)的副高脊線比氣候平均偏南5個緯度左右，由于這一時段副高穩(wěn)定少動，因此也是高溫最集中、日最高氣溫最高的時段，對應南方大部分地區(qū)溫度超過36 ℃，41%的站點溫度超過40 ℃。從西伸脊點來看，整個夏季副高比氣候態(tài)更加西伸。以上分析表明，7月中旬到8月中旬正好對應溫度最高的時段，說明長江流域中下游地區(qū)的異常高溫是由于受到副高的影響，結(jié)合前面的分析可知，在加強、西伸的副高控制下，下沉運動的加強導致南方地區(qū)接收了更多的輻射熱通量，降水減少促使土壤濕度的減小進一步加劇了日最高溫度的增加。

黑色粗虛線為2013年5 880 gpm等值線；紅色為氣候平均圖3　2013年7—8月500 hPa位勢平均高度距平分布(陰影，單位為gpm；黑色細實線表示距平為0)

圖4　2013-05-16—08-31副高脊線(a)和西伸脊點(b)的逐日演變(實線為2013年，虛線為氣候平均)

從低層850 hPa的環(huán)流形勢(圖5)來看，溫度異常暖中心位于同緯度850 hPa異常反氣旋中心西部，盛行異常西南風，受異常輻散氣流控制，導致南方地區(qū)多晴朗少云天氣，溫度升高。對850 hPa異常風場和垂直速度場的分析表明：低層有異場反氣旋環(huán)流控制長江流域中下游地區(qū)，對應異常下沉運動，這與500 hPa一致。而在其南側(cè)印度尼西亞地區(qū)有異常上升運動，對應有風場的異常輻合。此外，海洋性大陸區(qū)域異常偏北風的控制使得該區(qū)域的2支低空越赤道氣流比氣候平均減弱。林新彬等[12]的研究表明，越赤道氣流的減弱將不利于促進副高在盛夏的北抬活動，為副高在南方區(qū)域穩(wěn)定少動提供了有利條件。

4海溫異常及其影響機制

通過前面的分析，發(fā)現(xiàn)2013年南方地區(qū)的高溫熱浪主要是受到副高持續(xù)控制引起的， 那么是什么原因造成該年夏季副高的異常呢？研究表明[13-14]，在El Nino當年的夏季副高往往偏南，在La Nina年夏季則往往偏北。羅紹華的研究表明[15]，當南海的海溫偏高時，有利于副高加強、西伸。這些研究都表明海溫的異常可影響副高的異常。

圖5　2013年7—8月850 hPa平均異常風場分布(矢量，單位為m/s)和異常散度場(陰影，單位為10-6 s-1 )

從圖6a可以看出，西太平洋暖池區(qū)海溫異常偏暖，赤道東太平洋海溫異常偏冷，與此同時，在海洋性大陸區(qū)域OLR(射出長波輻射)表現(xiàn)為負異常(圖6b)，說明此處對流活動比常年加強。為進一步分析，取115°E～135°E的平均，分析該區(qū)域的異常經(jīng)向環(huán)流(圖7)。對應于海洋性大陸區(qū)域OLR的負異常中心有異常的上升氣流，在其30°N長江流域下游的沿海地區(qū)對應有異常下沉氣流。 由此可以看出，2013年夏季暖池區(qū)海溫異常偏暖，促使該區(qū)域的對流活動加強，對流產(chǎn)生的潛熱通量釋放，使得該區(qū)域形成異常強烈的上升運動，通過Hadley環(huán)流在我國南方地區(qū)造成異常強烈的下沉運動，副高得到加強。

圖6　2013年夏季(7—8月)平均的海溫距平(SSTA_JA)(a,單位為℃)和射出長波輻射(OLR)距平分布(b,單位為W/m2)

圖7　2013年夏季115°E～135°E平均的異常流場緯度-高度剖面圖

實際上，2013年夏季，北半球的海溫普遍偏暖，而南半球的海溫偏暖程度沒有北半球強，且熱帶東太平洋海溫有顯著冷異常，這進一步加大了南北半球的海溫梯度。為研究南北半球海溫梯度與2013年南方高溫熱浪的關(guān)系，取北半球(0～55°N)與南半球(0～55°S)區(qū)域平均的海表溫度之差表征南北半球溫度梯度(SNI)。由圖1可知，SNI與STI的相關(guān)系數(shù)為0.48，通過了99%的顯著性檢驗，且SNI與副高強度指數(shù)和西伸指數(shù)均有顯著正相關(guān)。這說明，當南北半球海溫梯度加大時，副高將加強、西伸。前面的分析表明，2013年東半球3支越赤道氣流均偏弱，而越赤道氣流是南北半球動量、熱量等交換的途徑，反映的是南北半球之間的相互作用[16]。那么2013年夏季南北半球海溫梯度加大，可能正是通過使得越赤道氣流減弱，來影響副高位置異常的,具體的物理機制有待進一步研究。

5結(jié)論

2013年夏季我國南方地區(qū)出現(xiàn)了罕見的持續(xù)性高溫熱浪事件，通過分析大氣環(huán)流異常形勢以及全球海溫異常，得到如下主要結(jié)論。

(1)2013年南方地區(qū)的高溫主要集中在長江流域中下游地區(qū)，在全球變暖的背景下，成為了自1975年以來溫度最高的一年。

(2)高溫時段與500 hPa西太平洋副熱帶高壓西伸北抬的活動相對應，說明2013年夏季副高西伸且穩(wěn)定少動是造成南方地區(qū)高溫的直接環(huán)流形勢。赤道地區(qū)的兩支越赤道氣流偏弱，也不利于副高北抬，為副高的穩(wěn)定少動提供了有利條件。整層輻散使得該地區(qū)天氣晴朗少云，接受的輻射熱通量比常年增加，土壤濕度減小，更加有利于高溫事件的形成。

(3)副高異常的成因主要表現(xiàn)為：海洋性大陸區(qū)域?qū)α骰顒蛹訌娡ㄟ^Hadley環(huán)流使得副高西伸至我國南方地區(qū)，且強度加強；南北半球海溫梯度加大也可能通過使越赤道氣流減弱，使得副高偏強且不利于副高北抬。

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文章編號：1006-4354(2016)04-0001-06

收稿日期：2015-11-25

作者簡介：干全(1979—)，男，漢族，四川德陽人，學士，工程師，從事天氣診斷分析以及短臨天氣預報。

基金項目：國家自然科學基金重點項目(91337215),國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2012CB417202)

中圖分類號：P466

文獻標識碼：A

干全. 2013年南方高溫熱浪成因分析[J].陜西氣象，2016(4)：1-6.