我國東部高溫事件環(huán)流特征及海溫背景分析*

鄭澤華 張 偉 上官志聰

(1.海峽氣象開放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361012；2.廈門市氣象臺(tái)，福建 廈門 361012;3.翔安區(qū)氣象局，福建 廈門 361012)

我國東部地處東亞季風(fēng)區(qū)，夏季自然災(zāi)害主要以高溫、干旱、洪澇等為主，而近100年平均地表氣溫增加明顯[1]，天氣氣候極端事件頻發(fā)，夏季極端高溫事件也呈現(xiàn)逐年增加的趨勢[2-3]：2001年，長江流域遭受高溫?zé)崂诉^程的襲擊，多省伏旱；2003年夏季，我國再次受到大范圍熱浪襲擊，南方多地氣象站觀測日最高溫超過歷史最高紀(jì)錄；2010年夏季，我國多地也遭受高溫?zé)崂艘u擊：8月12日、13日上海各大醫(yī)院急診人次高達(dá)1400～1600人次；西安市4天時(shí)間因高溫猝死的人數(shù)高達(dá)53人，可見極端高溫對(duì)現(xiàn)實(shí)社會(huì)的影響重大。

關(guān)于高溫的定義，中國氣象局規(guī)定，日最高溫超過35℃定義為一個(gè)高溫日[4]。關(guān)于極端高溫事件的研究很多，Zhang等[5]統(tǒng)計(jì)了1961—2003年中國356個(gè)站點(diǎn)極端高溫日數(shù)變化情況，發(fā)現(xiàn)高溫日數(shù)的兩個(gè)大值區(qū)分別位于西北地區(qū)和東南地區(qū)。孫建奇等[6]對(duì)1957—2004年我國臺(tái)站高溫發(fā)生日數(shù)、強(qiáng)度等方面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在過去48年中呈現(xiàn)出明顯的年代際變化，并根據(jù)變化特征的不同進(jìn)行分區(qū)。王金蘭等[7]利用NCEP資料對(duì)2009年6月華北地區(qū)的高溫過程進(jìn)行初步診斷，結(jié)果表明高空強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)是形成高溫天氣的重要因素。陳敏等[8]利用上海徐家匯氣象站資料對(duì)1873—2010年上海高溫?zé)崂耸录M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)2000年以來，上海地區(qū)夏季高溫?zé)崂顺掷m(xù)偏多且強(qiáng)度偏強(qiáng)。在影響因子方面，大氣環(huán)流異常是極端高溫事件發(fā)生的最主要原因，而環(huán)流異常的原因除了大氣內(nèi)部熱力、動(dòng)力因子作用以外，還受到如海冰、積雪、陸面過程、海溫等外部因素的影響?？伦诮ǖ萚9]的研究表明，前冬喀拉海、巴倫支海海冰異常偏少，白令海海冰較常年同期則異常偏多，這有利于春季白令海海冰偏多。春季白令海海冰偏多將導(dǎo)致東亞夏季對(duì)流層低層冷空氣活動(dòng)減弱，溫度異常偏暖，進(jìn)而導(dǎo)致我國夏季西南季風(fēng)及東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)[10]。Gong等[11]研究顯示，中國南部夏季溫度極端事件在1976年附近存在一個(gè)明顯突變，可能與西太平洋副高的異常變化有關(guān)。

研究極端高溫的變化規(guī)律及影響機(jī)理不僅具有科學(xué)意義，還有助于為氣象業(yè)務(wù)部門提高極端高溫事件的預(yù)測準(zhǔn)確率提供參考依據(jù)，同時(shí)為政府部門應(yīng)對(duì)極端高溫的決策提供依據(jù)，在減少國家和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)損失方面具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過對(duì)站點(diǎn)資料的分析，闡明了我國東部高溫事件發(fā)生時(shí)的主要環(huán)流特征，并討論可能導(dǎo)致高溫事件發(fā)生的海表溫度分布型。

1 資料與方法

本文選用的資料主要包括：NCEP/NCAR逐月再分析資料，包括1951—2015年逐月的100hPa和500hPa位勢高度場、850hPa經(jīng)向和緯向風(fēng)、多層垂直速度、地表溫度場，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°；NCEP COBE_SST逐月海溫資料，網(wǎng)格分辨率為1°×1°，時(shí)間區(qū)間為1951—2015年；中國國家氣候中心提供的中國160個(gè)基本站逐月溫度觀測資料(1951—2016年)。主要通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(Empirical Orthogonal Function)的方法進(jìn)行分析，其作用是從一個(gè)或多個(gè)氣象要素的資料集中分解出主要的空間分布型、該分布型的時(shí)間分布序列及其貢獻(xiàn)率，每個(gè)空間分布型相互正交，通過相似分布型，結(jié)合合成分析等方法進(jìn)行分析。

2 夏季平均溫度EOF分析

本節(jié)通過對(duì)1951—2016年夏季平均溫度趨勢及年代際信號(hào)進(jìn)行EOF分析，以此選定我國東部高溫事件關(guān)鍵區(qū)，進(jìn)而挑選高溫特征相似年份進(jìn)行合成分析，圖1給出了160站夏季平均溫度EOF前三個(gè)模態(tài)的結(jié)果，第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為29.9%，第二模態(tài)為19.5%，第三模態(tài)為10.1%，其余模態(tài)貢獻(xiàn)均較小(小于10%)，表征意義較弱，因此本文不做展示。

圖1 1951—2016年我國160個(gè)氣象站夏季平均溫度EOF前三個(gè)模態(tài)的時(shí)空信息分布圖 (左為空間分布場，右為對(duì)應(yīng)時(shí)間序列)

由圖1a可見，EOF第一模態(tài)主要表現(xiàn)為我國中、北部一致的變化趨勢，最大負(fù)值區(qū)位于東北地區(qū)；第二模態(tài)(圖1b)主要特征為我國中、南部地區(qū)與北部相反的溫度分布型，正值區(qū)主要覆蓋34°N以南，26°N以北地區(qū)，呈帶狀分布，長江中下游地區(qū)存在明顯大值區(qū)，而新疆北部，黑龍江北部為負(fù)值區(qū)；第三模態(tài)(圖1c)異常分布表現(xiàn)為中部、新疆地區(qū)與東北地區(qū)相反的變化趨勢。

第二模態(tài)高溫區(qū)域主要集中在長江中下游地區(qū)。從時(shí)間系數(shù)上看(圖1e)，該分布型在80年代前有較強(qiáng)波動(dòng)，隨后進(jìn)入停滯期，2000年后波動(dòng)明顯，且于2013年達(dá)到波動(dòng)峰值。而第二模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為19.5%，可以基本描述該類高溫事件，因此根據(jù)第二模態(tài)溫度分布選定26°N～34°N、105°E～123°E為東部高溫關(guān)鍵區(qū)。

圖2給出了1951—2016年關(guān)鍵區(qū)的夏季溫度標(biāo)準(zhǔn)化曲線，根據(jù)曲線圖，挑選超過一倍標(biāo)準(zhǔn)差為相似年進(jìn)行合成分析，其中高值年有11年(1953年，1961年，1967年，1971年，1978年，1981年，1988年，1990年，1994年，2006年，2013年)，低值年有12年(1954年，1965年，1974年，1980年，1982年，1987年，1989年，1993年，1999年，2008年，2014年，2015年)。

圖3給出了地表溫度合成結(jié)果，從圖3a可以看出，高值年平均場上，長江中下游地區(qū)為一致高溫，而在西南地區(qū)統(tǒng)一存在正異常中心，在其北部存在負(fù)異常中心，對(duì)應(yīng)新疆北部及東北地區(qū)，而低值年平均(圖3b)則恰好相反；在差值圖(圖3c)中可以看到，溫度的異常分布主要集中在我國東部，長江流域至西南地區(qū)為一致正異常，呈帶狀分布，其中長江中下游地區(qū)存在異常中心，其北部則為負(fù)異常，與EOF第二模態(tài)相一致，由此再次說明以上區(qū)域可以作為我國東部高溫事件發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)。

圖2 1951—2016年我國東部(26°N～34°N、105°E～123°E)溫度標(biāo)準(zhǔn)化分布

圖3 我國東部地表溫度異常分布圖

3 高溫事件年200hPa環(huán)流特征

圖4給出了200hPa高度場合成結(jié)果，黑線表示1951—2016年氣候態(tài)高度場原場，在此以12500gpm表示南亞高壓所在位置。如圖4a，在南亞高壓北部為一致的正異常，異常中心分別位于南亞高壓的北部及東北部，而其南側(cè)為弱的負(fù)異常，說明在關(guān)鍵區(qū)高溫年，南亞高壓整體偏北偏東。在中緯度上，中亞-東亞-北太平洋-北美西岸呈現(xiàn)出明顯的緯向槽脊波動(dòng)特征，在南半球中緯度同樣發(fā)現(xiàn)類似的緯向波動(dòng)，但強(qiáng)度較弱。在亞洲高緯度地區(qū)，巴倫支海-貝加爾湖-中國東部則表現(xiàn)出經(jīng)向異常波動(dòng)，而在貝湖-中國東部的正負(fù)異常之間，高空西風(fēng)急流得到加強(qiáng)，并且東伸。在差值圖上，分布型與高值年平均相似，不同的是在格陵蘭島西部，出現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)異常中心，該異?？赡苁怯捎谇捌诤１惓Ｋ鶎?dǎo)致的。南亞高壓的偏東偏北、高空西風(fēng)急流的加強(qiáng)東伸，都將有利于西太平洋副熱帶高壓偏西偏北并穩(wěn)定維持。

圖4 全球200hPa高度場異常分布(a.高值年平均，b.高低值年差值，單位：gpm，黑線表示1951—2016年氣候態(tài)原場，斜線表示通過90%顯著性檢驗(yàn))

圖5 全球500hPa高度場異常分布(a.高值年平均，b.高低值年差值，單位：gpm，黑線表示1951—2016年氣候態(tài)原場，斜線表示通過90%顯著性檢驗(yàn))

4 高溫事件年500hPa環(huán)流特征

圖5給出了500hPa高度場合成結(jié)果，黑線同樣表示氣候態(tài)高度場原場，圖5a、b僅給出了大于5840gpm部分。首先，從圖5a中可以看到，北半球表現(xiàn)出了北極濤動(dòng)(AO)正位相分布：極地受負(fù)異常中心控制，而中高緯地區(qū)受正異?？刂?，在喀拉海-巴倫支海上空存在一正異常中心，強(qiáng)度超過25gpm，表明關(guān)鍵區(qū)高溫年北極極渦強(qiáng)度減弱，前人研究表明，夏季極渦減弱情況下，西太副高強(qiáng)度偏強(qiáng)、面積偏大[12]。在貝加爾湖上空存在帶狀負(fù)距平區(qū)，而在青藏高原-長江中下游地區(qū)則為一致正異常分布，對(duì)應(yīng)西太副高西北部，導(dǎo)致中緯度氣流較平直，東亞大槽較淺，該分布型不利于高緯冷空氣南下至我國東部地區(qū)。在北大西洋上空出現(xiàn)明顯正異常中心，有研究證明該異常主要由下墊面異常所產(chǎn)生，可能與長江中下游地區(qū)高溫存在聯(lián)系[13]。前人研究證明中國東部高溫與西太副高的異常偏強(qiáng)有很好的相關(guān)性，而圖中西太副高主體位置為一致的負(fù)距平，說明關(guān)鍵區(qū)高溫年中，西太副高強(qiáng)度略微偏弱，而位置偏西偏北。在差值圖上，喀拉海-巴倫支海上空正距平、貝加爾湖上空負(fù)距平、青藏高原-長江中下游上空正距平都較高值年平均偏強(qiáng)，因而西太副高偏西偏北的作用更加明顯，不同的是在格陵蘭島上空負(fù)距平明顯加強(qiáng)、有研究證明這是由于極地冷空氣向此輸送引起的[14]，結(jié)合歐洲北部正距平異常分布，說明西半球北極冷空氣輸送明顯增加，向東半球輸送減少。

5 高溫事件年850hPa風(fēng)場特征

圖6給出了850hPa異常風(fēng)場的合成結(jié)果。從圖6a中可以看到，當(dāng)長江中下游發(fā)生高溫事件時(shí)，我國東海上空受反氣旋性環(huán)流異常控制，東亞夏季風(fēng)明顯增強(qiáng)，北太平洋上空也存在氣旋性異常，而在南海上空，則存在氣旋性異常中心。而在赤道地區(qū)，西南季風(fēng)明顯增強(qiáng)，異常區(qū)域延伸至120°附近，而西太平洋上空，赤道東風(fēng)也略有加強(qiáng)。圖6b中，赤道地區(qū)通過檢驗(yàn)的僅有中太平洋上熱帶東風(fēng)異常以及西南季風(fēng)的略微加強(qiáng)，而在中國東部及北大西洋上空顯示出明顯的反氣旋性環(huán)流。

圖6 850hPa風(fēng)場異常分布(a.高值年平均，b.高低值年差值，單位：m/s，差值圖僅保留通過90%顯著性檢驗(yàn)部分)

圖7 全球海表溫度異常分布(a.高值年平均，b.高低值年差值，單位：℃，黑線為氣候態(tài)海溫分布，斜線為通過90%顯著性檢驗(yàn)部分)

6 高溫事件年海溫異常特征

圖7給出了海表溫度異常合成結(jié)果，在高值年平均中，異常分布區(qū)域主要分布在印度洋東北部、北大西洋、中東太平洋及北大西洋。在差值圖上異常分布與高值年大致相似，不同的是西太暖池海表溫度為一致正異常，向南延伸至30°S。因此，可能影響關(guān)鍵區(qū)高溫事件發(fā)生的區(qū)域有：①赤道中東太平洋冷異常(ENSO)：在厄爾尼諾衰減年的夏季，西太副高表現(xiàn)出異常偏強(qiáng)偏北，西南季風(fēng)、東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)，導(dǎo)致江淮流域降水偏少，而在拉尼娜發(fā)展年中東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)[15-16]。②西太平洋暖異常：菲律賓附近海溫異常偏暖會(huì)導(dǎo)致其上空對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，西太副高在6月上旬明顯北跳，反之則不明顯[17-18]。③北大西洋三極子型分布：Wu等指出，在年際尺度上，春季及夏季北大西洋區(qū)域沿經(jīng)向呈“負(fù)正負(fù)”三極分布時(shí)，東亞夏季風(fēng)明顯增強(qiáng)[19]，主要是通過激發(fā)橫跨歐亞大陸的準(zhǔn)正壓緯向遙相關(guān)波列來影響東亞氣候變化[20]。

7 結(jié)論

利用站點(diǎn)資料、再分析資料，通過EOF分析及合成分析的方法，對(duì)我國東部高溫事件的環(huán)流特征及海溫背景進(jìn)行分析討論，主要得到以下結(jié)論：

①通過EOF分析發(fā)現(xiàn)，第二模態(tài)的異常溫度分布型在經(jīng)過80年代停滯期、2000年后開始頻繁出現(xiàn)，在2013年達(dá)到峰值，而26-34°N、105-123°E區(qū)域可作為此類高溫事件的關(guān)鍵區(qū)。

②在我國東部溫度高值年，100hPa高度場上，南亞高壓出現(xiàn)明顯的偏東偏北，高空西風(fēng)急流增強(qiáng)東伸，東部地區(qū)恰好位于急流出口右側(cè)(下沉運(yùn)動(dòng))，有利于西太副高的北抬西伸及長期維持。500hPa異常高度場上，北半球?yàn)锳O正位相分布：極地受負(fù)異常中心控制，中高緯地區(qū)受正異?？刂疲募緲O渦減弱，中緯度盛行緯向環(huán)流，氣流較平直，東亞大槽較淺，不利于高緯冷空氣南下，西太副高西北部為明顯正距平，而西太副高主體偏弱，此類高溫型主要是由于西太副高位置異常所導(dǎo)致的。

③當(dāng)該類發(fā)生高溫事件時(shí)，我國東部上空受反氣旋性環(huán)流異?？刂疲瑬|亞夏季風(fēng)明顯增強(qiáng)，北太平洋上空存在氣旋性異常，南海上空存在氣旋性異常中心，西南季風(fēng)、赤道東風(fēng)明顯增強(qiáng)。

④可能導(dǎo)致長江中下游高溫發(fā)生的海溫異常分布主要有：赤道中東太平洋冷異常、西太平洋暖異常、北大西洋三極子型分布。