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(guó)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(shì)[2-3]:2001年,長(zhǎng)江流域遭受高溫?zé)崂诉^(guò)程的襲擊,多省伏旱;2003年夏季,我國(guó)再次受到大范圍熱浪襲擊,南方多地氣象站觀測(cè)日最高溫超過(guò)歷史最高紀(jì)錄;2010年夏季,我國(guó)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(guó)氣象局規(guī)定,日最高溫超過(guò)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(guó)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(guó)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(guò)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(guò)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(lái),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(guò)程、海溫等外部因素的影響。柯宗建等[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(guó)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(guó)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(cè)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(guó)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(guò)對(duì)站點(diǎn)資料的分析,闡明了我國(guó)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。
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(shì)高度場(chǎng)、850hPa經(jīng)向和緯向風(fēng)、多層垂直速度、地表溫度場(chǎng),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(guó)國(guó)家氣候中心提供的中國(guó)160個(gè)基本站逐月溫度觀測(cè)資料(1951—2016年)。主要通過(guò)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(guò)相似分布型,結(jié)合合成分析等方法進(jìn)行分析。
本節(jié)通過(guò)對(duì)1951—2016年夏季平均溫度趨勢(shì)及年代際信號(hào)進(jìn)行EOF分析,以此選定我國(guó)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(guó)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(chǎng),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(guó)中、北部一致的變化趨勢(shì),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(guó)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(zhǎng)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(shì)。
第二模態(tài)高溫區(qū)域主要集中在長(zhǎng)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(guò)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(chǎng)上,長(zhǎng)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(guó)東部,長(zhǎng)江流域至西南地區(qū)為一致正異常,呈帶狀分布,其中長(zhǎng)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(shuō)明以上區(qū)域可以作為我國(guó)東部高溫事件發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)。
圖2 1951—2016年我國(guó)東部(26°N~34°N、105°E~123°E)溫度標(biāo)準(zhǔn)化分布
圖3 我國(guó)東部地表溫度異常分布圖
圖4給出了200hPa高度場(chǎng)合成結(jié)果,黑線表示1951—2016年氣候態(tài)高度場(chǎng)原場(chǎng),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(shuō)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(guó)東部則表現(xiàn)出經(jīng)向異常波動(dòng),而在貝湖-中國(guó)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,該異常可能是由于前期海冰異常所導(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(chǎng)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(chǎng),斜線表示通過(guò)90%顯著性檢驗(yàn))
圖5 全球500hPa高度場(chǎng)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(chǎng),斜線表示通過(guò)90%顯著性檢驗(yàn))
圖5給出了500hPa高度場(chǎng)合成結(jié)果,黑線同樣表示氣候態(tài)高度場(chǎng)原場(chǎng),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)受正異常控制,在喀拉海-巴倫支海上空存在一正異常中心,強(qiáng)度超過(guò)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)江中下游地區(qū)高溫存在聯(lián)系[13]。前人研究證明中國(guó)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(shuō)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(zhǎng)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(shuō)明西半球北極冷空氣輸送明顯增加,向東半球輸送減少。
圖6給出了850hPa異常風(fēng)場(chǎng)的合成結(jié)果。從圖6a中可以看到,當(dāng)長(zhǎng)江中下游發(fā)生高溫事件時(shí),我國(guó)東海上空受反氣旋性環(huán)流異??刂?,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(guò)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(guó)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(chǎng)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(guò)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(guò)90%顯著性檢驗(yàn)部分)
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(guò)激發(fā)橫跨歐亞大陸的準(zhǔn)正壓緯向遙相關(guān)波列來(lái)影響東亞氣候變化[20]。
利用站點(diǎn)資料、再分析資料,通過(guò)EOF分析及合成分析的方法,對(duì)我國(guó)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(guò)EOF分析發(fā)現(xiàn),第二模態(tài)的異常溫度分布型在經(jīng)過(guò)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(guó)東部溫度高值年,100hPa高度場(chǎng)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(zhǎng)期維持。500hPa異常高度場(chǎng)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(guó)東部上空受反氣旋性環(huán)流異??刂?,東亞夏季風(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(zhǎng)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。