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    中國東北夏季極端高溫的分類及其與北大西洋海表溫度異常的聯(lián)系

    2021-06-28 07:16:02李經(jīng)緯曾剛楊效業(yè)張顧煒
    大氣科學學報 2021年2期
    關(guān)鍵詞:北大西洋分類

    李經(jīng)緯 曾剛 楊效業(yè) 張顧煒

    摘要 利用層次聚類方法對1979—2016年中國東北夏季259次極端高溫事件爆發(fā)當天的500 hPa高度場進行聚類分型,并討論了不同類型極端高溫事件的環(huán)流演變特征及其與北大西洋海表溫度異常的聯(lián)系。結(jié)果表明,東北夏季極端高溫事件可分為3類,即西風型、阻塞型和波列型;這3類高溫事件在1979—2016年分別發(fā)生了113、89和57次。西風型高溫事件的主要環(huán)流特征為極渦偏強,淺脊在準平直西風引導下于西風帶內(nèi)東移,當反氣旋異??刂浦袊鴸|北地區(qū)上空時,形成高溫天氣;阻塞型極端高溫事件的主要環(huán)流特征為烏拉爾山阻塞高壓偏強,中國東北地區(qū)位于高壓脊前,西北氣流下沉加熱,導致中國東北地區(qū)高溫;波列型極端高溫事件的主要環(huán)流特征為歐亞大陸上空為“+-+”波列型環(huán)流異常,中國東北地區(qū)受反氣旋環(huán)流異??刂?,從而形成極端高溫,且因上游波能量的維持,該類極端高溫事件的持續(xù)時間、影響范圍和強度均大于前兩類。通過對這3類極端高溫事件發(fā)生前10~20 d海表溫度異常的合成分析發(fā)現(xiàn),西風型和阻塞型極端高溫事件發(fā)生前,北大西洋無顯著的海表溫度異常,而波列型極端高溫事件發(fā)生前,北大西洋熱帶海域海表溫度有顯著的正異常,該海域海表溫度異常與波列型極端高溫事件強度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。回歸分析結(jié)果表明,北大西洋海溫正異常有利于夏季歐亞大陸上空緯向波列型環(huán)流異常的維持,并為波列型高溫事件的發(fā)生提供了有利條件。

    關(guān)鍵詞 極端高溫;中國東北;分類;海溫異常;北大西洋

    極端高溫對人類生存、社會經(jīng)濟發(fā)展、水資源和生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅(Robine et al.,2008),特別是近20 a來極端高溫事件頻發(fā),其中2003年和2010年歐洲的高溫熱浪事件造成了數(shù)萬人死亡(Poumadere et al.,2005;García-Herrera et al.,2010;Fischer and Knutti,2015)。中國是深受極端高溫嚴重影響的國家之一(談建國和黃家鑫,2004;張尚印等,2005),極端高溫對我國的人民生活、社會經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境等都會造成重大影響(黃榮輝等,1999;何勇等,2007;姚鳳梅和張佳華,2009;黃榮輝和杜振彩,2010;張可慧等,2011;謝盼等,2015;楊菲,2018)。例如,持續(xù)高溫可以引起農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)下降,也極易引發(fā)森林或草原火災。另外,高溫熱浪會加大供水和電力系統(tǒng)負荷,影響工業(yè)生產(chǎn)(徐金芳等,2009)。更重要的是,高溫熱浪能導致中暑、熱衰竭、熱痙攣等一系列疾病的發(fā)生,并可誘發(fā)呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)疾病等,從而導致發(fā)病率和死亡率升高(王敏珍等,2012)。隨著溫室氣體的排放增加,全球變暖加劇,高溫熱浪事件的發(fā)生更加頻繁、強度更強且持續(xù)時間更長,已引起各國政府和科學界廣泛關(guān)注,并成為氣候變化的研究的熱點之一(Schr et al.,2004;Fischer and Schr,2010;高麗等,2019;江曉菲等,2020)。在全球增暖背景下,我國東北地區(qū)為增暖顯著區(qū)域,增暖速度高于我國平均水平(李東歡等,2017),因此理解中國東北極端高溫的變化特征及其可能機理將有助于提高我國短期氣候預測水平,為國家減災防災和應對氣候變化提供科學支持。

    許多研究發(fā)現(xiàn),我國夏季極端高溫事件發(fā)生頻次在不同地區(qū)之間的差異較大,北方和西南地區(qū)極端高溫事件頻次增加較快,南方增加較慢(Shen et al.,2017)。我國東北地區(qū)夏季氣溫變化主要呈現(xiàn)出全區(qū)一致型和南北反向型(侯依玲等,2018),遼寧西部、吉林和黑龍江省出現(xiàn)高溫事件的概率相對較高(Guo et al.,2019),增溫速度北部大于南部(侯依玲等,2019),極端高溫事件顯著增加(Xiao and Song,2011;Du et al.,2013;Wang et al.,2016)。東北地區(qū)夏季溫度有明顯的年代際變化特征,且在20世紀90年代中后期發(fā)生突變(沈柏竹等,2012;李洋等,2015)。

    已有許多研究對我國東北地區(qū)夏季極端高溫的可能成因進行了研究,其中東北地區(qū)對流層中高層存在正位勢高度異常/反氣旋環(huán)流異常是造成極端高溫事件發(fā)生的直接因素,與反氣旋環(huán)流異常有關(guān)的下沉運動不僅可以通過絕熱加熱來提高氣溫,而且還可以減少云層覆蓋并增強地表的太陽輻射(孫建奇等,2011;秦玉琳等,2012;Wang et al.,2018;焦敏等,2019;Tao and Zhang,2019;Ren et al.,2020)。Tao and Zhang(2019)認為中國東北地區(qū)上空的反氣旋異常伴隨的下沉氣流是造成2018年中國東北夏季高溫事件的主要成因,西北太平洋副熱帶高壓的西伸北跳與南亞高壓的東伸共同導致了該反氣旋異常。同時,東北地區(qū)的正位勢高度異常/反氣旋環(huán)流異常也受大氣遙相關(guān)波列影響(Chen and Lu,2014;Chen et al.,2016;Hong et al.,2017;Deng et al.,2018;Tao and Zhang,2019)。Chen et al.(2016)指出中國東北夏季溫度偏高時其上空為正高度場異常和弱的西風急流,且與歐亞遙相關(guān)波列有關(guān)。有研究指出,影響中國東北夏季溫度變化的大氣遙相關(guān)波列在不同月份是存在差異的,5—6月是從印度半島傳向東北的波列,7—8月為東亞—太平洋/太平洋-日本(EAP/PJ)波列(Chen and Lu,2014)。Tao and Zhang(2019)指出,來自北大西洋的波動分成兩支向東傳播,一支沿中高緯經(jīng)烏拉爾山地區(qū)向東南方向傳播,另一支向南傳播至地中海附近,而后沿低緯向東傳播,最終兩支波列匯聚在中國東北地區(qū)上空,加強了該地區(qū)的反氣旋異常。焦敏等(2019)研究發(fā)現(xiàn),南亞高壓和西北太平洋副熱帶高壓相向運動并在遼寧地區(qū)上空重疊是2018年夏季遼寧異常高溫干旱發(fā)生的大尺度環(huán)流成因,且EAP/PJ型和歐亞(EU)型遙相關(guān)是西北太平洋副熱帶高壓異常發(fā)展的直接原因。也有不少研究指出,影響夏季中國東北上空的反氣旋異常是環(huán)球波列或類似絲綢之路波列的一個重要組成部分(Hong et al.,2017;Deng et al.,2018)。

    許多研究討論了海表溫度異常對東北極端高溫的影響,其中尤其以大西洋以及太平洋海溫異常的影響關(guān)注最多。Dong et al.(2016)針對東北亞溫度/極端溫度在1990s中期后的增暖現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬,指出海溫/海冰的變化能解釋增暖信號的76%。Zuo et al.(2013)認為,北大西洋海溫三極子模態(tài)異??梢约ぐl(fā)準正壓波列并向下游歐亞大陸傳播,最終影響東北及其附近地區(qū)的氣候。我國東北高溫熱浪事件表現(xiàn)為與ENSO-Modoki顯著相關(guān)的年際變化(胡心佳等,2016),在中部型El Nio年,東北高溫熱浪事件頻次偏高(李艷等,2018)。中國東北夏季氣溫與西北太平洋的日本海及黑潮延伸區(qū)海域海溫相關(guān)密切(李菲等,2010;莊園煌等,2018)。

    但是,以往研究大多將中國東北地區(qū)高溫事件歸為一類進行分析,很少對這些高溫事件進行分類來研究。因而,本文利用層次聚類分析方法,對中國東北地區(qū)夏季極端高溫事件發(fā)生時的環(huán)流異常進行分型,并依此對這些高溫事件進行分類,進而探究不同類型極端高溫的環(huán)流演變特征及其與北大西洋海表溫度異常的關(guān)系。

    1 資料和方法

    1.1 資料

    統(tǒng)計極端高溫事件所使用的逐日最高溫度來源于格點化數(shù)據(jù)集CN05.1(吳佳和高學杰,2013),該數(shù)據(jù)集是基于2 400余個中國地面氣象臺站的觀測資料插值得到的,水平分辨率為0.25°×0.25°。所使用的高度場及水平風場資料來源于歐洲中期天氣預報中心供的ERA-Interim再分析資料(Dee et al.,2011),水平分辨率為2.5°×2.5°。以上資料選取時間段為1979—2016年夏季(6—8月)。本文使用的逐日海溫資料為美國國家海洋和大氣管理局提供的OISST(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature)數(shù)據(jù)集(Reynolds and Smith,1994),水平分辨率0.25°×0.25°,選用時間為1982—2016年。

    1.2 中國東北極端高溫事件定義

    將中國東北區(qū)域(115°~135°E,40°~55°N)分為9個5°×5°的網(wǎng)格,如圖1所示,對每個網(wǎng)格內(nèi)的逐日最高溫度數(shù)據(jù)進行區(qū)域平均處理,以避免局地加熱造成的個別格點溫度異常,當一個及以上網(wǎng)格的日升溫大于1.5倍當日標準差(當日標準差是指基于1979—2016年的該日最高溫度的標準差),且當日溫度距平大于1.5倍當日標準差時,視為一次極端高溫事件發(fā)生,溫度日距平低于1.5倍標準差時視為該次極端高溫事件結(jié)束。

    2 中國東北夏季極端高溫天氣的環(huán)流分型

    采用前節(jié)定義中國東北極端高溫事件的方法,對中國東北地區(qū)1979—2016年夏季的極端高溫事件進行了統(tǒng)計,共得到極端高溫事件259次。利用前節(jié)介紹的層次聚類算法對259次極端高溫事件爆發(fā)當日500 hPa位勢高度異常進行聚類分析,根據(jù)簇間方差最大原則,1979—2016年夏季中國東北的極端高溫事件可以被分為3類,結(jié)果如圖2所示。第一類高溫事件爆發(fā)當天極地上空位勢高度負異常,即極渦偏強,歐亞大陸上空500 hPa為準平直西風氣流,東北位于淺脊前部,受反氣旋異??刂疲壮霈F(xiàn)極端高溫事件,本文將這類事件定義為西風型極端高溫事件(圖2b)。

    第二類極端高溫事件發(fā)生時,烏拉爾山上空高壓脊向極地發(fā)展,新地島附近上空位勢高度顯著正異常,形成阻塞型環(huán)流異常的結(jié)構(gòu),東北位于阻塞異常的前部,西北氣流下沉加熱,使得東北形成阻塞型極端高溫事件。第三類極端高溫事件發(fā)生時,歐亞大陸上空500 hPa位勢高度異常場表現(xiàn)為“+-+”的波列結(jié)構(gòu),歐洲上空與中國東北上空為正高度異常,西伯利亞地區(qū)上空為負高度異常,形成波列,這類極端高溫事件定義為波列型極端高溫事件。1979—2016年共38 a的夏季中,中國東北共發(fā)生西風型極端高溫事件113次,阻塞型極端高溫事件89次,波列型極端高溫事件57次。

    分析3類極端高溫事件的環(huán)流演變過程有助于發(fā)現(xiàn)極端高溫事件出現(xiàn)的前期信號,本文對3類高溫事件爆發(fā)4 d前,2 d前和爆發(fā)當天的300 hPa位勢高度異常進行了合成(圖3)。西風型極端高溫事件發(fā)生前,300 hPa位勢高度異常較弱,歐洲及西亞上空為一個較弱的“+-+”波列結(jié)構(gòu),爆發(fā)前2 d至爆發(fā)當天,波列結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展加深,在西風帶內(nèi)西風氣流的引導下東移,反氣旋異常控制在中國東北上空,在此類極端高溫事件發(fā)展過程中,中高緯度始終處于準平直的西風氣流控制,沒有較強的槽脊系統(tǒng)。阻塞型極端高溫事件發(fā)生前,烏拉爾山上空高壓脊發(fā)展,位勢高度正異常不斷加強并向東伸展,爆發(fā)前2 d,東西伯利亞上空有反氣旋異常分裂并逐漸向東南移動,在高溫事件爆發(fā)當天控制東北區(qū)域上空。波列型極端高溫事件發(fā)生時,歐亞大陸上空為兩槽一脊型環(huán)流,歐州及日本北部受高壓脊控制,西伯利亞區(qū)域上空為低壓槽,從爆發(fā)前4 d到爆發(fā)當天,低壓槽不斷加深并向東擠壓,槽前形成反氣旋環(huán)流異常,構(gòu)成一個“+-+”的波列型環(huán)流異常結(jié)構(gòu),歐洲上空與中國東北上空為正高度異常,西伯利亞地區(qū)上空為負高度異常,從而造成中國東北地區(qū)高溫。

    使用T-N波作用通量診斷分析了這3類極端高溫事件爆發(fā)4 d前至當天的波活動過程(圖4)來從動力學角度分析中國東北地區(qū)這3類極端高溫事件的演變機制。根據(jù)計算公式,計算T-N波通量時選取的背景場為38 a同期的氣候平均流場。擾動場體現(xiàn)的是排除該時期平均的定常波以后的瞬變波部分。3類極端高溫事件過程中的瞬變波活動表現(xiàn)出一個共同點,即瞬變波的活動主要沿北路西風帶波動,該瞬變波列調(diào)控了北支西風帶長波活動,主要表現(xiàn)為調(diào)控了槽脊演變。尤其是瞬變波通量方向即能量傳播方向的經(jīng)向分量,對槽脊系統(tǒng)的強弱和演變起重要調(diào)控作用。對于西風型極端高溫事件發(fā)生前,東歐上空擾動迅速加強,能量不斷向下游傳播,使得新疆北部的弱擾動東移發(fā)展形成淺脊,高溫爆發(fā)當天,東北處于反氣旋環(huán)流異??刂啤W枞蜆O端高溫事件形成過程與另外兩類不同。阻塞系統(tǒng)位于歐亞大陸北部,中心位于新地島上空附近區(qū)域,阻塞系統(tǒng)位置穩(wěn)定,其西側(cè)的能量輸送使得阻塞不斷發(fā)展加強并從烏拉爾山東側(cè)沿脊線向東南傳播,在高溫事件當天的東北區(qū)域上空形成一個正位勢高度擾動。波列型極端高溫事件的波活動過程體現(xiàn)了明顯的波列特征。高溫爆發(fā)前4 d到前2 d,歐洲上空的擾動不斷接收來自大西洋區(qū)域的能量輸送,歐洲上空的高壓脊得到發(fā)展,能量從歐洲上空的正擾動區(qū)域向下游傳播。使得西伯利亞平原上空的負擾動不斷加深,造成低壓槽的加強,波動能量的繼續(xù)傳播造成中國新疆北部區(qū)域在爆發(fā)前4 d出現(xiàn)一個微弱的正擾動,這個擾動不斷加強東移,在爆發(fā)前2 d移動至蒙古地區(qū)。在高溫事件爆發(fā)當天,正擾動發(fā)展并移動至東北上空,最終能量的傳輸通道形成了一個“+-+-”的波列型結(jié)構(gòu)。第三類波列型極端高溫事件與第一類西風型極端高溫事件不同的是,前者歐洲上空和西伯利亞平原上空的擾動中心更強,且更穩(wěn)定,中國東北上空形成正擾動后進一步向東傳播,在日本上空形成了負擾動中心,使得波列結(jié)構(gòu)繼續(xù)維持。而后者擾動中心在西風帶內(nèi)均表現(xiàn)出東移的特點,且能量在到達中國東北地區(qū)后并未表現(xiàn)出進一步向下游傳播的特點。同時分析這3類極端高溫事件地面最高溫度異常的演變可以發(fā)現(xiàn),西風型和阻塞型極端高溫事件主要影響中國北方區(qū)域,而波列型極端高溫事件發(fā)生時,表現(xiàn)為全國性的高溫事件,且強度強于前兩類極端高溫事件。

    為進一步分析這3類極端高溫事件對中國東北地區(qū)造成影響的程度,合成了它們發(fā)生前5 d至發(fā)生5 d后的日最高溫度日變溫及日最高溫度距平的演變過程(圖5)。日變溫可以反映高溫事件的持續(xù)性,而日距平則可以反映高溫事件的強度。3類極端高溫事件發(fā)生前5 d至前3 d,日最高溫度有降溫趨勢,結(jié)合上文中的環(huán)流異常演變過程(圖3)可以發(fā)現(xiàn),這是由于在極端高溫事件發(fā)生前,中國東北區(qū)域上空為較弱的負位勢高度異常。而在爆發(fā)前2 d至爆發(fā)當天,溫度迅速升高,尤其是西風型極端高溫事件及波列型極端高溫事件的升溫最強。極端高溫事件發(fā)生后,西風型極端高溫事件的日變溫迅速下降,而波列型極端高溫事件的增溫效應持續(xù)性最強。這可能是由于上游能量的不斷輸送造成的(圖4i),而西風型極端高溫事件和阻塞型極端高溫事件在高溫爆發(fā)后并沒有持續(xù)的能量維持正擾動。從3類極端高溫事件發(fā)展過程中的中國東北區(qū)域日最高溫度異常演變(圖5b),也可以發(fā)現(xiàn)波列型極端高溫事件造成的高溫效應是持續(xù)性最久的。

    3 中國東北夏季極端高溫與北大西洋海表溫度異常的聯(lián)系

    第2節(jié)分析表明,中國東北夏季高溫的出現(xiàn)與上游槽脊系統(tǒng)的發(fā)展有密切聯(lián)系,波能量來源于歐洲以西的北大西洋區(qū)域。大范圍的環(huán)流異常主要由海溫、海冰、積雪和土壤濕度等外強迫因子所造成,尤其是海溫異常對大氣大尺度環(huán)流系統(tǒng)的調(diào)控起重要的作用。為了更清楚地了解海溫異常對東北地區(qū)夏季極端高溫事件的影響,對高溫事件發(fā)生前一個月的北大西洋海表溫度與東北地區(qū)最高溫度做滑動相關(guān),可以看出高溫事件發(fā)生前10~20 d北大西洋海溫與東北地區(qū)高溫的相關(guān)性最好,通過了99%置信度檢驗(圖6)。所以,選取東北地區(qū)高溫爆發(fā)前10~20 d平均的北大西洋海溫進行3類極端高溫事件的海溫異常合成分析(圖7)。由圖7可以清楚地看出,只有波列型極端高溫事件在北大西洋熱帶區(qū)域有顯著的海溫異常,其他兩類極端高溫事件在北大西洋無顯著的海溫異常區(qū)。需要注意的是,由于逐日海表溫度資料的時間長度限制(起始年份為1982年),因此,這里的高溫事件相應選擇1982—2016年夏季發(fā)生的事件進行分析。

    本文提取了波列型極端高溫事件爆發(fā)當天的日最高溫度,在標準化處理后求取了其與前10~20 d平均海溫的相關(guān)關(guān)系(圖8a)。可以發(fā)現(xiàn),超前10~20 d北大西洋海溫關(guān)鍵區(qū)(60°~15°W,0°~25°N)內(nèi)海溫與波列型高溫事件強度有顯著正相關(guān)關(guān)系,兩者的相關(guān)系數(shù)達到了0.38(圖8b)。

    為分析關(guān)鍵區(qū)海表溫度影響波列型中國東北極端高溫事件的可能機制,本文分別使用波列型極端高溫事件爆發(fā)前10~20 d海溫關(guān)鍵區(qū)的平均海表溫度距平及爆發(fā)當天東北平均最高溫度對環(huán)流場進行回歸(圖9)。由圖8a可以發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的海表面溫度正異常有利于激發(fā)歐亞大陸上空的波列。當關(guān)鍵區(qū)海表面溫度正異常時,北大西洋至歐洲上空有遙相關(guān)波列維持,波列分南、北兩路向東傳播,北支波列沿歐洲北部向東傳播,南支波列沿非洲北部,到達中東地區(qū)后波能量向東北方向傳播,兩只波列在中西伯利亞區(qū)域附近匯合后進一步向東南傳播,中國東北區(qū)域上空位勢高度顯著正異常,水平風場為反氣旋性環(huán)流異常,有利于中國東北地區(qū)形成高溫天氣。類似地,波列型極端高溫事件爆發(fā)當天日最高溫度序列回歸環(huán)流場及波作用通量場的結(jié)果(圖9b)同樣表明這類高溫事件與歐亞大陸上空的波列傳播是密切聯(lián)系的。

    4 討論和結(jié)論

    本文統(tǒng)計得到1979—2016年夏季中國東北的高溫事件共259次,通過層次聚類算法對259次高溫事件爆發(fā)當天500 hPa位勢高度異常場進行聚類分析,根據(jù)簇間獨立方差最大原則,將高溫事件分為3類。其中第一類為西風型極端高溫事件,共發(fā)生113次,歐亞大陸中高緯度上空為準平直的西風帶,淺脊東移使得東北受脊前氣流影響,形成高溫事件。第二類為阻塞型高溫事件,共發(fā)生89次,烏拉爾山及新地島上空位勢高度正異常,形成阻塞形勢,反氣旋異常分裂并向東南移動,當擾動移動至東北上空時,形成一次高溫事件。

    第三類為波列型極端高溫事件,共發(fā)生57次,歐亞大陸上空為兩脊一槽的環(huán)流型,位勢高度異常呈現(xiàn)“+-+”的波列結(jié)構(gòu),波列東傳,反氣旋異常控制東北上空,形成高溫事件。其中,波列型高溫事件由于波能量的維持,使得該類事件強度最強,影響范圍最大,持續(xù)性最長。本文發(fā)現(xiàn)波列型極端高溫事件與超前10~20 d的北大西洋熱帶區(qū)域海溫異常有關(guān),該區(qū)域海溫異常有利于歐亞大陸上空波列的激發(fā)與維持,波列的發(fā)展和東移對東北形成波列型極端高溫事件提供了有利條件。

    本文對中國東北夏季極端高溫天氣進行了環(huán)流分型,并初步探討了它們的環(huán)流演變,并發(fā)現(xiàn)了波列型極端高溫事件與超前北大西洋海表溫度異常的聯(lián)系,然而并沒發(fā)現(xiàn)西風型極端高溫事件和阻塞型極端高溫事件發(fā)生前在北大西洋存在顯著的海溫異常信號,是否在其他海域存在顯著海溫異常有待進一步研究。另外,本文僅基于統(tǒng)計診斷分析,未來仍需采用全球大氣環(huán)流模式進行數(shù)值試驗去驗證北大西洋關(guān)鍵區(qū)海表溫度異常對中國東北夏季極端高溫的影響及其物理過程。

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    extreme high temperature;Northeast China;classification;sea surface temperature anomaly;North Atlantic

    doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200322001

    (責任編輯:張福穎)

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