2021 年6—9 月廣西異常高溫成因分析

賴 晟，陳思蓉，陸 甲，陸 虹

（廣西壯族自治區(qū)氣候中心，南寧 530022）

引言

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》工作報(bào)告以及世界氣象組織（WMO）最新發(fā)布的氣候報(bào)告中均指出，人類活動影響已造成大氣、海洋和陸地變暖，在這種全球顯著增暖的大背景下，高溫、暴雨、洪澇和干旱等極端天氣氣候事件成為新常態(tài)，出現(xiàn)頻次更多而且強(qiáng)度更強(qiáng)［1－4］。近年來全球和我國多地高溫?zé)崂颂鞖忸l發(fā)造成了嚴(yán)重影響，極端高溫天氣越來越受到人們的重視，已有不少研究從西太平洋副熱帶高壓、熱帶系統(tǒng)環(huán)流和人類活動等角度，對一些異常高溫事件的成因進(jìn)行了分析［5－10］。廣西地處華南地區(qū)西部，不僅氣溫有增暖趨勢，極端最高氣溫和高溫日數(shù)也存在增強(qiáng)增多的趨勢，易受到高溫?zé)崂颂鞖獾挠绊懀?1－17］。2021 年6—9 月廣西出現(xiàn)多次高溫?zé)崂颂鞖猓珔^(qū)平均氣溫為1951 年以來最高，導(dǎo)致廣西部分地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的高溫干旱事件，對生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響。本文利用實(shí)況和再分析資料，對2021 年6—9 月廣西異常高溫的狀況特征進(jìn)行了分析，從西太平洋副熱帶高壓和歐亞中高緯度環(huán)流特點(diǎn)入手，初步研究分析此次異常高溫的成因，為氣候變暖背景下的氣候預(yù)測和決策服務(wù)提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

使用的資料包括：（1）1961—2021 年6—9 月廣西91 個國家地面氣象觀測站的逐日平均氣溫和日最高氣溫觀測數(shù)據(jù)；（2）ECMWF 提供的1991—2021年全球大氣再分析ERA5 資料［18］，水平分辨率為2.5°×2.5°，氣象要素包括水平風(fēng)場和位勢高度等；（3）國家氣候中心提供的西太平洋副熱帶高壓逐日指數(shù)。常年氣候平均值為1981—2010 年值的平均。單站高溫是指單站日最高氣溫≥35℃；當(dāng)廣西91 個國家地面氣象觀測站逐日高溫站數(shù)有20 站及以上，持續(xù)3d 及以上，并且其中至少1d 的高溫站數(shù)超過40 站時，則定義為一次廣西高溫天氣過程。

1.2 方法

首先使用站點(diǎn)實(shí)況資料對1961—2021 年6—9月廣西高溫特征進(jìn)行了分析，利用回歸分析、非參數(shù)Mann-Kendall 趨勢檢驗(yàn)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析高溫天氣發(fā)生的氣候變化背景，使用副高相關(guān)指數(shù)和擾動能量指標(biāo)診斷分析西太平洋副熱帶高壓以及中高緯度環(huán)流的活動特征，探究高溫天氣的成因。

中高緯度地區(qū)天氣尺度的槽脊活動主要是由瞬變擾動所引起［19］，本文使用經(jīng)過0～8d 高通濾波后的水平風(fēng)場計(jì)算得到的瞬變擾動能量大小，又稱為高頻瞬變渦動動能［20］來表征天氣尺度槽脊活動的強(qiáng)弱：

其中u′和v′為經(jīng)過0～8d 高通濾波后的緯向和經(jīng)向風(fēng)場，HFEKE 的值越大說明瞬變擾動的能量越強(qiáng)，天氣尺度的槽脊越活躍［21］。

2 結(jié)果與分析

2.1 6—9 月高溫特征

2021 年6—9 月廣西各站點(diǎn)平均氣溫為23.3～29.8℃，大部地區(qū)平均氣溫在28℃以上，桂西北山區(qū)平均氣溫23.3～26.4℃（圖1a），全區(qū)6—9 月平均氣溫為28.2℃。各地平均氣溫偏高0.1～2.5℃，桂北大部地區(qū)偏高1℃以上，其中右江河谷、桂東北偏高1.5℃以上，最高偏高為桂林2.5℃（圖1b）；全區(qū)6—9月平均氣溫比常年同期偏高1.1℃，為1961 年以來同期最高，全州、資源、興安等49 站為當(dāng)?shù)亟ㄕ疽詠硗谧罡?，大部地區(qū)為歷史記錄同期前3 高。2021年6—9 月廣西全區(qū)平均逐月平均氣溫平均氣溫分別為27.6℃、28.9℃、28.4℃和27.8℃，較常年同期分別偏高0.7℃、1.0℃、0.7℃和2.0℃；9 月的全區(qū)平均氣溫為1951 年來同期排位第一（表1），各站平均氣溫偏高0.1～5.1℃，全區(qū)有16 站偏高3℃以上，主要集中在桂東北地區(qū)，最高偏高為全州5.1℃，有39 站為歷史同期最高。

表1 廣西2021 年6—9 月氣溫概況

圖1 2021 年6—9 月廣西平均氣溫（a）及其距平（b）的空間分布（單位：℃）

2021 年6—9 月廣西的高溫天氣過程頻次和平均高溫日數(shù)偏多（表2），期間大范圍高溫天氣過程共8 次，為1961 年以來最多；7 月和9 月全區(qū)平均高溫日數(shù)分別為14d 和10d，均較常年偏多8d，為1961 年以來同期最多；整個6—9 月期間，全區(qū)平均高溫日數(shù)為36d，較常年偏多20d，同樣為1961 年以來同期最多。2021 年6—9 月廣西的高溫過程影響范圍廣而且強(qiáng)度強(qiáng)，各次過程的高溫站數(shù)均在60 個以上，8 月2—8 日高溫過程的高溫站數(shù)為86 個，其中56 站的過程最高氣溫超過了37℃，最高出現(xiàn)在三江為39.7℃，三江、沙塘、東蘭、巴馬、鳳山和南丹打破當(dāng)?shù)貧v史極端最高氣溫紀(jì)錄。在9 月9—14 日的異常高溫過程中，高溫影響站數(shù)為83 個，全區(qū)有45 個站點(diǎn)的過程最高氣溫超過37℃，富川、雁山、東蘭、鳳山和德保最高氣溫突破9 月當(dāng)?shù)貧v史最高氣溫紀(jì)錄，9—14 日這次高溫過程無論是高溫綜合強(qiáng)度、持續(xù)天數(shù)還是過程覆蓋范圍，都是9 月歷史同期罕見的。

表2 廣西2021 年6—9 月區(qū)域性高溫過程概況

2.2 成因分析

2.2.1 氣候變暖的影響

工業(yè)革命以來，人類活動排放的二氧化碳等溫室氣體加強(qiáng)了溫室效應(yīng)，引起明顯的全球變暖，根據(jù)《廣西氣候變化監(jiān)測報(bào)告（1961—2015 年）》［11］，廣西夏季氣溫也存在0.09℃·（10a）-1的顯著升溫趨勢。圖2 是1961—2021 年廣西6—9 月平均氣溫及其距平的變化，從序列的線性回歸可以看到平均氣溫為上升趨勢，增溫速率為0.11℃·（10a）-1，相較夏季（6—8 月）的增溫速率更快；序列通過了99%顯著性水平的非參數(shù)Mann－Kendall 趨勢檢驗(yàn)，也說明廣西6—9 月的平均氣溫存在非常顯著的增暖趨勢。同時，廣西6—9 月平均氣溫序列還存在明顯的年際和年代際變化特征，21 世紀(jì)之前屬于偏冷時期，1997年6—9 月是歷年中最涼的，平均氣溫26.1℃，較常年同期偏低1.0℃?；瑒觮 檢驗(yàn)和M－K 突變檢驗(yàn)均表明廣西6—9 月平均氣溫在2003 年前后發(fā)生顯著突變，2003 年之后以顯著的準(zhǔn)2～3a 周期波動上升進(jìn)入偏暖時期，2003 年之后偏低年僅有4a（2004、2006、2008 和2012 年），平均氣溫最高、偏高最大的2021 年就處在這一顯著偏暖時期當(dāng)中。所以綜上所述，氣候變暖使得廣西2021 年6—9 月平均氣溫異常偏高的可能性增大，是極端高溫天氣頻發(fā)的重要?dú)夂虮尘啊?/p>

圖2 廣西1961—2021 年6—9 月平均氣溫的年際變化特征（單位：℃）

2.2.2 西太平洋副熱帶高壓異常偏強(qiáng)

西太平洋副熱帶高壓（簡稱西太副高）是夏季氣溫變化的重要影響系統(tǒng)之一［5－10］，當(dāng)西太副高偏強(qiáng)偏西控制時廣西氣溫常出現(xiàn)偏高［19－21］。從2021 年6—9月500hPa 位勢高度場及其距平的特征（圖3a）可以看到，西太副高脊線位置正常，但西伸脊點(diǎn)異常偏西約20 個經(jīng)度至115°E 附近，面積也明顯偏大。再從西太副高的逐月演變（圖3b－e）進(jìn)行分析：6 月西太副高脊線較常年同期略偏南，西伸脊點(diǎn)偏西；7 月西太副高的西伸脊點(diǎn)略偏東，脊線位置正常；進(jìn)入8 月之后西太副高脊線略偏南，西伸脊點(diǎn)偏西約15 個經(jīng)度，且面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)；9 月西太副高進(jìn)一步異常西伸至90°E 附近，其5880gpm 特征線覆蓋了整個華南地區(qū)，致使9 月廣西氣溫異常偏高。

圖3 2021 年6—9 月500hPa 位勢高度（黑線）及其距平（陰影）特征（單位：gpm）

進(jìn)一步分析西太副高逐日的活動狀況，圖4 是西太平洋副熱帶高壓指數(shù)的逐日演變?？梢钥吹?月上旬西太副高西伸脊點(diǎn)異常偏西但開始東退，脊線位置略偏北；中旬西伸脊點(diǎn)位于110°E 附近，脊線略有南撤，而強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，這恰與6 月17—20 日的區(qū)域性高溫過程有較好對應(yīng)；下旬西太副高重新西伸，脊線逐漸北抬至常年位置附近，強(qiáng)度持續(xù)偏強(qiáng)。7 月，上旬西太副高維持偏強(qiáng)狀態(tài)，西伸脊點(diǎn)繼續(xù)西伸至90°E，脊線稍有北抬；中旬西太副高強(qiáng)度恢復(fù)到正常狀態(tài)，但脊線位置異常北抬至40°N，西伸脊點(diǎn)偏西且開始東退；7 月下旬至8 月上旬初，由于第6 號臺風(fēng)“煙花”和第9 號臺風(fēng)“盧碧”連續(xù)影響，西太副高暫時東退南撤。8 月上旬開始西太副高強(qiáng)度重新加強(qiáng)，西伸脊點(diǎn)也西伸至95°E 附近擺動，脊線則北抬至27°N 附近維持，這種副高強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏西偏北的情況一直持續(xù)到9 月末，8 月2—8日和9 月9—14 日兩次高溫過程都發(fā)生在西太副高強(qiáng)度增強(qiáng)至最強(qiáng)的時候。

圖4 2021 年6—9 月西太平洋副熱帶高壓指數(shù)逐日演變

整體而言，2021 年6—9 月西太副高以西伸脊點(diǎn)異常偏西、強(qiáng)度偏強(qiáng)為主要特征，8—9 月西副高脊線偏北尤為明顯。正是西太副高長時間異常控制使得廣西6—9 月大范圍高溫過程偏多、高溫持續(xù)時間較長，導(dǎo)致氣溫偏高。

2.2.3 西風(fēng)帶擾動影響偏北

2021 年6—9 月500hPa 歐亞高緯度為“兩脊一槽”形勢（圖3a），烏拉爾山和貝加爾湖以東為高脊區(qū)，低槽為一弱槽，位于西西伯利亞地區(qū)，中緯度以緯向環(huán)流為主，從巴爾喀什湖至我國東北為弱的負(fù)距平區(qū)，表明中緯度多小槽波動?xùn)|移，這種形勢不利于冷空氣南下影響。為了分析中高緯度地區(qū)天氣尺度槽脊和和冷空氣的活動特征及強(qiáng)度，這里參照Lehmann［22］等人計(jì)算高頻瞬變渦動動能HFEKE 的做法進(jìn)行診斷分析，HFEKE 為正（負(fù)）距平說明瞬變擾動的能量越強(qiáng)，天氣尺度的槽脊越活躍（不活躍）［23］。圖5a 是2021 年9 月HFEKE 的距平空間分布，從中亞地區(qū)至鄂霍茲克海一帶為正距平，孟加拉灣至朝鮮半島為負(fù)距平分布，說明西風(fēng)帶擾動影響偏北，冷空氣強(qiáng)度弱且路徑偏東偏北，而異常偏強(qiáng)的西太副高導(dǎo)致華南出現(xiàn)正距平。同時，2021 年9 月200hPa西風(fēng)急流核強(qiáng)度偏強(qiáng)、范圍偏大、位置偏西偏北（圖5b），也表明期間中緯度西風(fēng)帶以緯向環(huán)流為主，不利于西風(fēng)帶擾動南下影響低緯度地區(qū)。

圖5 2021 年9 月（a）300hPa 高頻瞬變渦動動能距平（單位：m2·s－2）和（b）200hPa 緯向風(fēng)速（等值線）及其距平

綜合以上分析可以看到，2021 年6—9 月歐亞西風(fēng)急流偏強(qiáng)，中緯度地區(qū)主要為緯向環(huán)流形勢，西風(fēng)帶系統(tǒng)對低緯度地區(qū)影響較弱，這導(dǎo)致廣西大范圍降水的出現(xiàn)缺乏有利的動力擾動條件，冷空氣南下活動較弱使冷平流降溫的作用也不顯著，廣西高溫天氣難以緩解，同時這種形勢也有利于西太副高強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏西偏北。

另外在2021 年9 月期間，西伯利亞東部至我國華南地區(qū)為大范圍的500hPa 位勢高度正距平區(qū)域，氣溫正距平的分布（圖略）與之基本一致，說明這一區(qū)域存在行星尺度的正壓定常波［24］，其抑制了斜壓活動，同樣為氣溫異常持續(xù)偏高提供了有利條件。

2.2.4 熱帶氣旋影響弱

2021 年6—9 月影響廣西的熱帶氣旋共3 個，與歷年同期相比數(shù)量偏少、影響較弱，3 個熱帶氣旋的路徑都偏南，僅第7 號臺風(fēng)“查帕卡”進(jìn)入了廣西境內(nèi)，但也只給桂南和沿海地區(qū)帶來中等強(qiáng)度的風(fēng)雨影響。第4 號臺風(fēng)“小熊”和第9 號臺風(fēng)“盧碧”并未進(jìn)入廣西境內(nèi)，主要為外圍環(huán)流影響，風(fēng)雨影響較弱，對廣西高溫天氣的緩解作用較為有限。眾所周知，臺風(fēng)外圍下沉氣流會造成近地層氣溫上升，容易造成高溫天氣，在第7 號臺風(fēng)“查帕卡”在登陸前的7 月19—20 日，其西側(cè)的外圍下沉氣流致使桂西出現(xiàn)的高溫天氣過程。同樣的，第9 號臺風(fēng)“盧碧”西側(cè)的偏北下沉氣流導(dǎo)致了8 月上旬出現(xiàn)2021 年強(qiáng)度最強(qiáng)、范圍最大的高溫天氣過程，桂西北多地打破當(dāng)?shù)貧v史極端最高氣溫紀(jì)錄。

3 結(jié)論和討論

（1）廣西2021 年6—9 月平均氣溫偏高1.1℃，居歷史同期第一位，各地平均氣溫偏高0.1～2.5℃，大部地區(qū)平均溫度打破當(dāng)?shù)亟ㄕ疽詠硗谧罡咧?；期間高溫?zé)崂颂鞖忸l發(fā)，9 月全區(qū)平均氣溫、高溫天氣過程頻次和高溫日數(shù)均突破歷史記錄。

（2）1961 年以來廣西6—9 月平均氣溫以0.11℃·（10a）-1的速率上升，這種顯著變暖是2021年6—9 月氣溫偏高、高溫?zé)崂祟l發(fā)的重要?dú)夂虮尘?。?—9 月西太平洋副熱帶高壓異常偏強(qiáng)、位置偏西偏北，廣西受其長時間異?？刂疲菍?dǎo)致廣西氣溫偏高、高溫過程多的直接原因。同時2021 年6—9月中緯度西風(fēng)帶以緯向環(huán)流為主、西風(fēng)帶擾動影響偏弱以及影響廣西的熱帶氣旋偏少偏弱也是造成氣溫偏高的原因之一。

本文僅從西太平洋副熱帶高壓和中緯度西風(fēng)帶環(huán)流等角度初步討論了廣西2021 年6—9 月氣溫異常偏高的原因。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)分析，在拉尼娜事件影響年，廣西夏季傾向于降水偏多、氣溫偏低［25］，2020 年秋冬季至2021 年春季出現(xiàn)了一次中等偏弱強(qiáng)度的拉尼娜事件，為何2021 年廣西夏季氣溫和降水會一反常態(tài)的偏高和偏少？高溫?zé)崂颂鞖獾募竟?jié)內(nèi)變化過程是怎么樣的？這些都值得我們未來深入研究。