長江流域夏季極端高溫的年代際變化特征及其與大西洋多年代際振蕩的關(guān)系?

孫亞卿， 李 春， 石 劍

(中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100)

極端高溫(EHT)事件對人類生活和社會經(jīng)濟(jì)的影響深遠(yuǎn)，一直是氣象學(xué)中最重要的課題之一，在全球變暖的背景下，EHT事件在世界許多地區(qū)發(fā)生更為頻繁。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報(bào)告(AR5[1])指出，自1950年以來已觀測到許多極端天氣和氣候事件的變化，其中包括極端高溫事件的增多，這很可能在全球范圍內(nèi)暖日和暖夜的數(shù)量已經(jīng)增加，熱浪的頻率在歐洲、亞洲和澳大利亞等大部分地區(qū)都有所增加[2-4]。高溫?zé)崂藶?zāi)害已經(jīng)成為當(dāng)前城市災(zāi)害研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，引起社會各界以及各國政府的普遍關(guān)注。

自進(jìn)入21世紀(jì)以來，夏季高溫?zé)崂祟l發(fā)，2003 年夏季，中國江南、華南地區(qū)出現(xiàn)大范圍異常高溫天氣[5]；2007 年 7 月，長江流域多地當(dāng)月累計(jì)高溫日數(shù)或最高溫度超過歷史同期記錄[6]；2013年夏季，長江中下游地區(qū)天氣不僅極端溫度高、強(qiáng)度強(qiáng)、極端性突出，并且高溫的持續(xù)時(shí)間很長，受到高溫影響的地域也非常廣[7-10]。

針對國內(nèi)極端高溫事件的變化特征，很多學(xué)者進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，從全國平均角度來說，高榮等[11]發(fā)現(xiàn),我國高溫日數(shù)有兩個高值中心,分別出現(xiàn)在吐魯番盆地和江南地區(qū)，高溫日數(shù)呈現(xiàn)“增加一減少一增加”的趨勢；從區(qū)域性特征的角度來說，王喜元等[12]指出，長江流域高溫?zé)崂祟l次、持續(xù)時(shí)間與強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，整體呈現(xiàn)出微弱增加趨勢。

在對我國夏季高溫事件成因的討論中，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，高溫事件的形成與大尺度的環(huán)流異常有關(guān)，中國極端高溫事件與西太平洋副熱帶高壓密不可分。高守亭等[13]指出，在異常偏西和偏北的副熱帶高壓控制下，下沉氣流抑制了低層水汽的抬升，使得水汽積聚在對流層低層，從而直接導(dǎo)致了北京高溫高濕天氣；衛(wèi)捷等[14]發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)若受大陸高壓脊、西太平洋副高或兩者共同影響，容易出現(xiàn)高溫悶熱天氣并重的情況。梁梅等[15]認(rèn)為，副熱帶高壓的顯著西伸加強(qiáng)了杭州灣附近和東南沿海地區(qū)下沉運(yùn)動，這可能是造成東南地區(qū)極端高溫日數(shù)顯著增加的條件之一；魏挪巍等[7]指出，西風(fēng)帶及中高緯環(huán)流系統(tǒng)配置不利于冷空氣南下，是長江中下游地區(qū)發(fā)生持續(xù)的異常高溫天氣的另一個因子。還有一些學(xué)者從大尺度遙相關(guān)的角度來解釋其成因：Zhang等[16]認(rèn)為，大西洋多年代際振蕩(AMO)和太平洋洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation,PDO)可能會對中國華北地區(qū)的極端高溫事件有指示作用；Sun[17]指出，華北夏季環(huán)流異常與夏季北太平洋濤的(Summer Nort Atlantic Oscihation，SNAO)密切相關(guān)，SNAO負(fù)位相年，東亞云覆蓋量減少，到達(dá)地表的太陽輻射增加，從而有利于華北高溫的形成。

之前的工作主要針對于夏季極端高溫的平均狀態(tài)和年際變化，在區(qū)域性研究中，多是針對華北地區(qū)或是極端高溫年的個例進(jìn)行分析，對于長江流域年代際變化的研究較少，而針對其成因探討則少之又少[18]。長江中下流地處中國東部，是中國重要的工農(nóng)業(yè)基地，也是中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。同時(shí)，長江中下游地區(qū)也是極端高溫日的閾值和持續(xù)高溫日數(shù)大值中心所在地[15]，研究長江流域極端高溫事件有重要的現(xiàn)實(shí)意義。AMO作為全球最重要的年代際信號之一。對中國氣候變化有重要的作用[19-22]。因此，本文將在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討長江中下游地區(qū)高溫的年代際變化，并初步探討其與AMO年代際變化的關(guān)系。

本文利用1960—2016年長江流域的溫度數(shù)據(jù)和NCEP/NCAR的再分析數(shù)據(jù)等多種氣象資料，分析近60 年長江流域夏季極端高溫事件的頻率與強(qiáng)度的時(shí)空變化，尤其是對其年代際分布特征進(jìn)行綜合分析，探討影響長江流域夏季年代際變化的可能影響因子，并初步探究其與AMO的關(guān)系，從而對長江流域極端高溫的預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本論文采用的資料包括：(1)中國站點(diǎn)觀測的逐日氣溫資料，其中包括長江流域?yàn)?6°N—34°N，105°E—122°E(見圖1)；時(shí)間長度為1960年1月—2016年12月；(2)美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Center of Environment Prediction，NCEP)和美國國家大氣科學(xué)研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)提供的NCEP/NCAR逐月大氣再分析資料，時(shí)間長度為1960年1月—2016年12月，空間分辨率為2.5(°)×2.5(°)，包括各層位勢高度場、200 hPa緯向風(fēng)、850 hPa風(fēng)場、垂直速度等；(3)美國國家海洋-大氣管理局(National Ocean-Atmosphere Administration，NOAA)提供的重建的全球海表溫度資料(NOAA_ERSST V3)，時(shí)間長度為1951年1月—2017年12月，空間分辨率為1.0(°)×1.0(°)；(4)AMO指數(shù)來自美國國家大氣科學(xué)研究中心(NCAR)。

圖1 中國氣溫觀測站點(diǎn)分布圖Fig.1 Locations of the temperture observation stations of China in this study

1.2 方法

本文通過利用三個世界氣象組織(WMO)推薦的極端氣候指標(biāo)(見表1)，即TXx、TX90p、TN90p來研究1960—2016年中國夏季(6—8月)極端高溫事件，分別從高溫強(qiáng)度、暖晝發(fā)生日數(shù)和暖夜發(fā)生日數(shù)方面著手，具體定義如表1所示。首先采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(Empirical Orthogonal Function，EOF)方法，將去趨勢后的3個高溫指數(shù)進(jìn)行EOF分解，分析中國夏季極端高溫發(fā)生頻次的時(shí)空變化特征，進(jìn)一步討論長江流域極端高溫事件的變化特征；然后利用回歸分析、低頻濾波等統(tǒng)計(jì)方法來探討長江流域夏季極端事件的年代際變化特征及其高溫異常影響因子；最后，利用合成分析、超前滯后相關(guān)分析方法探討長江流域EHT與AMO年代際變化之間的關(guān)系。

2 長江中下游夏季極端高溫事件的時(shí)空變化特征

為了探究中國極端溫度的時(shí)空變化特征，首先對1960—2016年中國夏季的極端高溫的暖晝、暖夜頻次指數(shù)進(jìn)行EOF分解(見圖2)，為剔除全球變暖的影響，在求解EOF時(shí)，我們對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了去趨勢處理。暖晝和暖夜頻次的第一EOF模態(tài)的解釋方差分別為22.7%和29.4%，均通過North檢驗(yàn)。從圖中可以看出，在過去的近60年中，夏季極端事件在長江流域(26°N—34°N，105°E—122°E)最為明顯，暖晝，暖夜發(fā)生日數(shù)也在長江流域顯著增強(qiáng)；從時(shí)間序列上可以看出，EHT事件呈現(xiàn)先減少再增多的變化趨勢，并且長江流域極端高溫事件呈現(xiàn)明顯的年代際變化：在1960—1970年間，EHT事件偏多，而在1971—2001年間，EHT事件較少，但在2002—2016年，EHT事件再次增多。因此，將1960—1970年和2002—2016年分別定義為暖時(shí)期Ⅰ(Warm Period Ⅰ，WPⅠ)和暖時(shí)期Ⅱ(Warm Period Ⅱ,WPⅡ)，1971—2001年定義為冷時(shí)期(Cold Period，CP)。

表1 極端高溫指標(biāo)Table 1 Definitions of EHT indices

對長江流域633個站點(diǎn)夏季92 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別得出高溫強(qiáng)度、暖晝、暖夜各數(shù)據(jù)段值的相對頻率分布(見圖3)，以此來探究冷暖時(shí)期各指數(shù)的差異。鑒于兩個暖時(shí)期變化的一致性，同時(shí)為了突出冷暖時(shí)期差異，此處以CP和WPⅡ分別作為冷暖時(shí)期代表來進(jìn)行討論。

從均值的角度而言，CP、WPⅡ的高溫強(qiáng)度均值分別為36.9和37.8 ℃；從相對頻率最大值的分布來看，CP的高溫強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在37 ℃，而WPⅡ的最大值出現(xiàn)在38 ℃；以37 ℃為界，CP、WPⅡ的高溫強(qiáng)度介于34～37 ℃之間的頻率分別為49.4%、29.7%，而介于37～40 ℃之間的頻率分別為52.3%、68.7%，這說明，暖時(shí)期極端高溫強(qiáng)度明顯大于冷時(shí)期，尤其在21世紀(jì)之后。

圖3(b)和(c)分別代表夏季高溫的暖晝頻次和暖夜頻次。從圖3(b)可以看出，以相對頻率高于0.04為界，CP的暖晝發(fā)生日數(shù)集中于1～12 d，發(fā)生頻次呈遞減趨勢，而WPⅡ的暖晝發(fā)生日數(shù)則集中于5～16 d；WPⅡ的暖晝發(fā)生日數(shù)小于8的頻率為29.6%，而CP則高達(dá)57.9%，這意味著在暖時(shí)期，長江流域夏季暖晝發(fā)生次數(shù)多，且持續(xù)時(shí)間更長。同樣的，暖夜發(fā)生日數(shù)的相對頻率趨勢與暖晝相對應(yīng)，暖時(shí)期暖夜的發(fā)生日數(shù)分布相對均勻。

3 影響長江流域極端高溫的大氣環(huán)流因子

從前文的結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，長江流域夏季極端高溫具有明顯的年代際特征。為了分析與其對應(yīng)的大氣環(huán)流特征，將長江流域高溫強(qiáng)度、暖晝、暖夜的夏季平均年代際變化曲線做標(biāo)準(zhǔn)化，分別回歸對流層中高層的各氣象要素。前人的研究表明：對流層中上層的位勢高度異常和低層溫度平流是影響地表氣溫兩個最重要的環(huán)流因子[23]。本文首先對850 hPa風(fēng)場和對流層位勢高度場進(jìn)行分析。

圖4為高溫指數(shù)回歸850 hPa風(fēng)場的結(jié)果，高溫強(qiáng)度和暖晝、暖夜發(fā)生日數(shù)的變化較一致，但EHT日數(shù)更為顯著(見圖4(b)、(c))。結(jié)果表明，在對流層低層，來自南海的異常反氣旋攜帶暖濕空氣從南向北流入長江流域，導(dǎo)致長江流域出現(xiàn)西南風(fēng)異常,致使長江流域氣溫升高，有利于極端高溫事件的維持。

在夏季，中國東南部天氣與西太平洋副熱帶高壓的活動關(guān)系十分密切，是影響長江流域夏季高溫的重要因素[15]。圖5顯示，在對流層中層，相比于冷時(shí)期，暖時(shí)期的副熱帶高壓位置異常偏北偏西明顯，高壓強(qiáng)度增強(qiáng)。副高偏北偏西的環(huán)流形勢，使得空氣下沉增溫和晴空條件下的輻射加熱增強(qiáng)[10]，導(dǎo)致長江流域溫度異常偏高。

在對流層高層，長江流域在受異常的大陸高壓控制時(shí)，云量減少，從而有利于太陽輻射到達(dá)地表，易于該地高溫天氣的形成與維持[16]。圖6分別為長江流域高溫強(qiáng)度、暖晝和暖夜頻次的年代際變化時(shí)間序列回歸200 hPa異常位勢高度場和風(fēng)場的結(jié)果。結(jié)果表明，長江流域極端高溫事件與對流層上層的位勢高度異常呈正相關(guān)，長江流域位于高空南北高低壓偶極子之間的異常東風(fēng)帶上，且相比于氣候態(tài)西風(fēng)急流(黑實(shí)線)，發(fā)生極端高溫事件時(shí)，西風(fēng)急流顯著偏北，不利于冷空氣南下；在發(fā)生極端高溫事件時(shí)，對流層上層出現(xiàn)異常反氣旋，反氣旋異常有利于長江流域出現(xiàn)異常下沉運(yùn)動(見圖7)，導(dǎo)致長江流域增暖。

(黑色打點(diǎn)區(qū)域通過95%顯著性檢驗(yàn)。Dotted areas denote statistical signifcance at the 0.05 level according to the Student’s t-test.)圖4 1960—2016年夏季長江流域(a)TXx、(b)TX90p、(c)TN90年代際變化回歸850 hPa風(fēng)場異常(箭頭，單位：m/s)Fig.4 The interdecadal variations of (a)TXx, (b)TX90p and (c)TN90p from 1960 to 2016 in Yangtze River Basin regressed to 850 hPa wind anomalies(vector, unit:m/s)

圖5 WPⅡ(紅線)、CP(藍(lán)線)的夏季平均 太平洋副熱帶高壓合成圖Fig.5 Composite of summer mean Pacific subtropical high in WPII(red solid line)and CP(blue solid line)

為進(jìn)一步分析長江流域極端高溫的高低空配置，本文給出了3個高溫指數(shù)在長江流域的垂直截面圖(見圖8)，圖8(a)～(c)分別為TXx、TX90p、TN90p沿中心緯度(30°N)的經(jīng)度-高度剖面圖，圖8(d)～(f)為沿中心經(jīng)度(103.5°E)的緯度-高度剖面圖。長江流域?qū)α鲗拥蛯哟嬖陲@著高溫異常，而位勢高度正異常則相比于長江流域偏北，這是由于大氣的斜壓性，長江流域地面高溫的擾動信號出現(xiàn)在北側(cè)[25]。

圖7為沿30°N的經(jīng)度-高度剖面，填色為垂直速度，箭頭為風(fēng)矢量，當(dāng)垂直運(yùn)動小于零時(shí)為上升運(yùn)動，垂直速度大于零時(shí)為下沉運(yùn)動，在長江流域，即105°E—122°E的位置，從近地面1 000 hPa一直延伸到對流層中上層都處于正異常區(qū)域，長江流域處于深厚的異常下沉運(yùn)動控制下，與上文結(jié)論一致，有利于氣溫異常偏高，高溫天氣持續(xù)發(fā)生。

4 長江流域極端高溫與AMO的關(guān)系

Zhang等[24]的研究指出，北大西洋SSTA的變化會通過遙相關(guān)影響東亞氣候。為了進(jìn)一步探究長江流域高溫與海溫的關(guān)系，以1960—1970年和2002—2016年共26 a做為暖時(shí)期合成，1971—2001年共31 a作為冷時(shí)期，分別對冷暖時(shí)期的海表面溫度(Sea Surface Temperature，SST)進(jìn)行合成分析。圖9給出了2個時(shí)期北大西洋的夏季海面溫度異常(SSTA)的合成。從圖中可以看出，在暖時(shí)期，北大西洋的海溫異常與AMO的正位相相似；冷時(shí)期的海溫異常分布與AMO負(fù)位相相對應(yīng)。前人的研究認(rèn)為，北大西洋通過北半球中緯度波列影響中國夏季高溫：北大西洋暖的SSTA會導(dǎo)致海盆中出現(xiàn)反氣旋異常環(huán)流，該異常環(huán)流作為波列的一部分，增強(qiáng)上層高壓，削弱緯向風(fēng)，從而有利于EHT事件的發(fā)生發(fā)展[16]。

其中黑色實(shí)線為AMO的年代際變化曲線，紅色實(shí)線為高溫指數(shù)的年代際變化分量曲線。從圖中可以看出，AMO與長江流域極端高溫指數(shù)的曲線變化趨勢相似，且AMO有一定的超前。因此，為了進(jìn)一步探究AMO與長江流域極端高溫事件的關(guān)系，將AMO年代際變化曲線與長江流域極端高溫指數(shù)做超前滯后相關(guān)(見圖11)，結(jié)果表明，AMO與長江流域EHT事件的年代際變化有明顯超前6～11 a的相關(guān)關(guān)系，且在超前6～8 a時(shí)，AMO對長江流域EHT的影響最為明顯。這也給氣候預(yù)報(bào)提供了一定的指示作用，即AMO可超前6～8 a預(yù)報(bào)長江流域極端高溫時(shí)間的發(fā)生，且最長預(yù)報(bào)年份可達(dá)11～12 a。

(黑色打點(diǎn)區(qū)域通過90%顯著性檢驗(yàn)。Dotted areas denote statistical significance at the 0.1 level according to the Student’s t-test.)圖6 1960—2016年長江流域(a)TXx、(b)TX90p、(c)TN90p年代際變化回歸200 hPa位勢高度異常場(填色，單位：gpm)Fig.6 The interdecadal variations of (a)TXx, (b)TX90p and (c)TN90p from 1960 to 2016 in Yangtze River Basin regressed to 200 hPa geopotential height anomalies(shaded, unit: m/s)

(黑色打點(diǎn)區(qū)域通過95%顯著性檢驗(yàn)。Dotted areas denote statistical signifcance at the 0.05 level according to the student’s t-test. )圖7 1960—2016年夏季長江流域(a)TXx、(b)TX90p、(c)TN90年代際變化回歸垂直速度(填色，單位：m/s)和風(fēng)場(箭頭，單位：m/s)異常的經(jīng)度-高度剖面Fig.7 The interdecadal variations of (a)TXx, (b)TX90p and (c)TN90p from 1960 to 2016 in Yangtze River Basin regressed to vertical velocity anomalies(shaded, unit: m/s) and wind anomalies (vector, unit: m/s)

(黑色打點(diǎn)區(qū)域通過95%顯著性檢驗(yàn)。Dotted areas denote statistical signifcance at the 0.05 level according to the student’s t-test .)圖8 夏季長江流域(a)TXx、(b)TX90p、(c)TN90的年代際變化回歸溫度(填色，單位：℃)和位勢高度(等值線，單位：gpm) 異常沿30°N的經(jīng)度-高度剖面，(d)～(f)同上，但為沿103°N的緯度-高度剖面Fig.8 Longitude-pressure sections of 30°N of the interdecadal variations of (a)TXx, (b)TX90p and (c)TN90p regressed to air temperature anomalies(shaded, unit:℃) and geopotential height anomalies (contour, unit:gpm), (d)～(f) same as (a)～(c) but for latitude-pressure sections of 103°N

(黑色打點(diǎn)區(qū)域通過95%顯著性檢驗(yàn)。Dotted areas denote statistical significance at the 0.05 level according to the student’s t-test.)

(紅線為9年滑動平均曲線(紅線)，黑線為AMO的9年滑動平均曲線。9-year moving average curve, and the black solid line is the 9-year moving average curve of AMO.)

(陰影區(qū)域通過95%顯著性檢驗(yàn)。Shadow area denote statistical signifcance at the 0.05 level according to the student’s t-test.)

4 結(jié)論與討論

本文采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析、線性回歸分析、低通濾波等方法對1960—2016年夏季(6—8月)長江流域的極端高溫(Extreme High Temperature, EHT)事件的高溫強(qiáng)度、暖晝、暖夜發(fā)生日數(shù)的年代際時(shí)空變化特征及其對應(yīng)大氣環(huán)流因子進(jìn)行分析，并探究EHT事件與大西洋多年代際震蕩(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)的關(guān)系。結(jié)果表明：

(1)中國夏季長江流域的極端高溫事件存在明顯的年代際變化特征：在1960—1970年和2002—2016年為暖時(shí)期，1971—2001年為冷時(shí)期；相比于冷時(shí)期，暖時(shí)期在高溫強(qiáng)度、暖晝和暖夜的發(fā)生日數(shù)方面均明顯偏暖。

(2)在對流層高層，長江流域北部出現(xiàn)異常的大陸高壓，由于大氣的斜壓性，該信號引起了長江流域的溫度升高，長江流域位于高空南北高低壓偶極子之間的異常東風(fēng)帶，亞洲西風(fēng)急流的位置偏北；在中層，西太平洋副高位置偏北偏西，這增強(qiáng)了對流層中下層異常的下沉運(yùn)動，在低層，來自南海的異常反氣旋攜帶暖濕氣流進(jìn)入長江流域，有利于長江流域增暖，這些因子的共同作用造成長江流域 EHT的年代際異常。

(3)在長江流域極端高溫異常偏暖(冷)時(shí)期，北大西洋海溫出現(xiàn)顯著的正(負(fù))異常，與AMO位相一致；AMO與長江流域夏季EHT事件的年代際變化特征相似，且對于中國夏季長江流域的EHT事件存在明顯的超前6～8年的相關(guān)關(guān)系，對預(yù)測我國長江流域極端高溫事件具有一定的指示作用。