2021 年6—9 月广西异常高温成因分析

赖 晟，陈思蓉，陆 甲，陆 虹

（广西壮族自治区气候中心，南宁 530022）

引言

政府间气候变化专门委员会（IPCC）的《气候变化2021：自然科学基础》工作报告以及世界气象组织（WMO）最新发布的气候报告中均指出，人类活动影响已造成大气、海洋和陆地变暖，在这种全球显著增暖的大背景下，高温、暴雨、洪涝和干旱等极端天气气候事件成为新常态，出现频次更多而且强度更强［1－4］。近年来全球和我国多地高温热浪天气频发造成了严重影响，极端高温天气越来越受到人们的重视，已有不少研究从西太平洋副热带高压、热带系统环流和人类活动等角度，对一些异常高温事件的成因进行了分析［5－10］。广西地处华南地区西部，不仅气温有增暖趋势，极端最高气温和高温日数也存在增强增多的趋势，易受到高温热浪天气的影响［11－17］。2021 年6—9 月广西出现多次高温热浪天气，全区平均气温为1951 年以来最高，导致广西部分地区发生严重的高温干旱事件，对生产生活造成了严重影响。本文利用实况和再分析资料，对2021 年6—9 月广西异常高温的状况特征进行了分析，从西太平洋副热带高压和欧亚中高纬度环流特点入手，初步研究分析此次异常高温的成因，为气候变暖背景下的气候预测和决策服务提供相关理论依据。

1 资料和方法

1.1 资料

使用的资料包括：（1）1961—2021 年6—9 月广西91 个国家地面气象观测站的逐日平均气温和日最高气温观测数据；（2）ECMWF 提供的1991—2021年全球大气再分析ERA5 资料［18］，水平分辨率为2.5°×2.5°，气象要素包括水平风场和位势高度等；（3）国家气候中心提供的西太平洋副热带高压逐日指数。常年气候平均值为1981—2010 年值的平均。单站高温是指单站日最高气温≥35℃；当广西91 个国家地面气象观测站逐日高温站数有20 站及以上，持续3d 及以上，并且其中至少1d 的高温站数超过40 站时，则定义为一次广西高温天气过程。

1.2 方法

首先使用站点实况资料对1961—2021 年6—9月广西高温特征进行了分析，利用回归分析、非参数Mann-Kendall 趋势检验等数理统计方法分析高温天气发生的气候变化背景，使用副高相关指数和扰动能量指标诊断分析西太平洋副热带高压以及中高纬度环流的活动特征，探究高温天气的成因。

中高纬度地区天气尺度的槽脊活动主要是由瞬变扰动所引起［19］，本文使用经过0～8d 高通滤波后的水平风场计算得到的瞬变扰动能量大小，又称为高频瞬变涡动动能［20］来表征天气尺度槽脊活动的强弱：

其中u′和v′为经过0～8d 高通滤波后的纬向和经向风场，HFEKE 的值越大说明瞬变扰动的能量越强，天气尺度的槽脊越活跃［21］。

2 结果与分析

2.1 6—9 月高温特征

2021 年6—9 月广西各站点平均气温为23.3～29.8℃，大部地区平均气温在28℃以上，桂西北山区平均气温23.3～26.4℃（图1a），全区6—9 月平均气温为28.2℃。各地平均气温偏高0.1～2.5℃，桂北大部地区偏高1℃以上，其中右江河谷、桂东北偏高1.5℃以上，最高偏高为桂林2.5℃（图1b）；全区6—9月平均气温比常年同期偏高1.1℃，为1961 年以来同期最高，全州、资源、兴安等49 站为当地建站以来同期最高，大部地区为历史记录同期前3 高。2021年6—9 月广西全区平均逐月平均气温平均气温分别为27.6℃、28.9℃、28.4℃和27.8℃，较常年同期分别偏高0.7℃、1.0℃、0.7℃和2.0℃；9 月的全区平均气温为1951 年来同期排位第一（表1），各站平均气温偏高0.1～5.1℃，全区有16 站偏高3℃以上，主要集中在桂东北地区，最高偏高为全州5.1℃，有39 站为历史同期最高。

表1 广西2021 年6—9 月气温概况

图1 2021 年6—9 月广西平均气温（a）及其距平（b）的空间分布（单位：℃）

2021 年6—9 月广西的高温天气过程频次和平均高温日数偏多（表2），期间大范围高温天气过程共8 次，为1961 年以来最多；7 月和9 月全区平均高温日数分别为14d 和10d，均较常年偏多8d，为1961 年以来同期最多；整个6—9 月期间，全区平均高温日数为36d，较常年偏多20d，同样为1961 年以来同期最多。2021 年6—9 月广西的高温过程影响范围广而且强度强，各次过程的高温站数均在60 个以上，8 月2—8 日高温过程的高温站数为86 个，其中56 站的过程最高气温超过了37℃，最高出现在三江为39.7℃，三江、沙塘、东兰、巴马、凤山和南丹打破当地历史极端最高气温纪录。在9 月9—14 日的异常高温过程中，高温影响站数为83 个，全区有45 个站点的过程最高气温超过37℃，富川、雁山、东兰、凤山和德保最高气温突破9 月当地历史最高气温纪录，9—14 日这次高温过程无论是高温综合强度、持续天数还是过程覆盖范围，都是9 月历史同期罕见的。

表2 广西2021 年6—9 月区域性高温过程概况

2.2 成因分析

2.2.1 气候变暖的影响

工业革命以来，人类活动排放的二氧化碳等温室气体加强了温室效应，引起明显的全球变暖，根据《广西气候变化监测报告（1961—2015 年）》［11］，广西夏季气温也存在0.09℃·（10a）-1的显著升温趋势。图2 是1961—2021 年广西6—9 月平均气温及其距平的变化，从序列的线性回归可以看到平均气温为上升趋势，增温速率为0.11℃·（10a）-1，相较夏季（6—8 月）的增温速率更快；序列通过了99%显著性水平的非参数Mann－Kendall 趋势检验，也说明广西6—9 月的平均气温存在非常显著的增暖趋势。同时，广西6—9 月平均气温序列还存在明显的年际和年代际变化特征，21 世纪之前属于偏冷时期，1997年6—9 月是历年中最凉的，平均气温26.1℃，较常年同期偏低1.0℃。滑动t 检验和M－K 突变检验均表明广西6—9 月平均气温在2003 年前后发生显著突变，2003 年之后以显著的准2～3a 周期波动上升进入偏暖时期，2003 年之后偏低年仅有4a（2004、2006、2008 和2012 年），平均气温最高、偏高最大的2021 年就处在这一显著偏暖时期当中。所以综上所述，气候变暖使得广西2021 年6—9 月平均气温异常偏高的可能性增大，是极端高温天气频发的重要气候背景。

图2 广西1961—2021 年6—9 月平均气温的年际变化特征（单位：℃）

2.2.2 西太平洋副热带高压异常偏强

西太平洋副热带高压（简称西太副高）是夏季气温变化的重要影响系统之一［5－10］，当西太副高偏强偏西控制时广西气温常出现偏高［19－21］。从2021 年6—9月500hPa 位势高度场及其距平的特征（图3a）可以看到，西太副高脊线位置正常，但西伸脊点异常偏西约20 个经度至115°E 附近，面积也明显偏大。再从西太副高的逐月演变（图3b－e）进行分析：6 月西太副高脊线较常年同期略偏南，西伸脊点偏西；7 月西太副高的西伸脊点略偏东，脊线位置正常；进入8 月之后西太副高脊线略偏南，西伸脊点偏西约15 个经度，且面积偏大、强度偏强；9 月西太副高进一步异常西伸至90°E 附近，其5880gpm 特征线覆盖了整个华南地区，致使9 月广西气温异常偏高。

图3 2021 年6—9 月500hPa 位势高度（黑线）及其距平（阴影）特征（单位：gpm）

进一步分析西太副高逐日的活动状况，图4 是西太平洋副热带高压指数的逐日演变。可以看到6月上旬西太副高西伸脊点异常偏西但开始东退，脊线位置略偏北；中旬西伸脊点位于110°E 附近，脊线略有南撤，而强度迅速增强，这恰与6 月17—20 日的区域性高温过程有较好对应；下旬西太副高重新西伸，脊线逐渐北抬至常年位置附近，强度持续偏强。7 月，上旬西太副高维持偏强状态，西伸脊点继续西伸至90°E，脊线稍有北抬；中旬西太副高强度恢复到正常状态，但脊线位置异常北抬至40°N，西伸脊点偏西且开始东退；7 月下旬至8 月上旬初，由于第6 号台风“烟花”和第9 号台风“卢碧”连续影响，西太副高暂时东退南撤。8 月上旬开始西太副高强度重新加强，西伸脊点也西伸至95°E 附近摆动，脊线则北抬至27°N 附近维持，这种副高强度偏强、位置偏西偏北的情况一直持续到9 月末，8 月2—8日和9 月9—14 日两次高温过程都发生在西太副高强度增强至最强的时候。

图4 2021 年6—9 月西太平洋副热带高压指数逐日演变

整体而言，2021 年6—9 月西太副高以西伸脊点异常偏西、强度偏强为主要特征，8—9 月西副高脊线偏北尤为明显。正是西太副高长时间异常控制使得广西6—9 月大范围高温过程偏多、高温持续时间较长，导致气温偏高。

2.2.3 西风带扰动影响偏北

2021 年6—9 月500hPa 欧亚高纬度为“两脊一槽”形势（图3a），乌拉尔山和贝加尔湖以东为高脊区，低槽为一弱槽，位于西西伯利亚地区，中纬度以纬向环流为主，从巴尔喀什湖至我国东北为弱的负距平区，表明中纬度多小槽波动东移，这种形势不利于冷空气南下影响。为了分析中高纬度地区天气尺度槽脊和和冷空气的活动特征及强度，这里参照Lehmann［22］等人计算高频瞬变涡动动能HFEKE 的做法进行诊断分析，HFEKE 为正（负）距平说明瞬变扰动的能量越强，天气尺度的槽脊越活跃（不活跃）［23］。图5a 是2021 年9 月HFEKE 的距平空间分布，从中亚地区至鄂霍兹克海一带为正距平，孟加拉湾至朝鲜半岛为负距平分布，说明西风带扰动影响偏北，冷空气强度弱且路径偏东偏北，而异常偏强的西太副高导致华南出现正距平。同时，2021 年9 月200hPa西风急流核强度偏强、范围偏大、位置偏西偏北（图5b），也表明期间中纬度西风带以纬向环流为主，不利于西风带扰动南下影响低纬度地区。

图5 2021 年9 月（a）300hPa 高频瞬变涡动动能距平（单位：m2·s－2）和（b）200hPa 纬向风速（等值线）及其距平

综合以上分析可以看到，2021 年6—9 月欧亚西风急流偏强，中纬度地区主要为纬向环流形势，西风带系统对低纬度地区影响较弱，这导致广西大范围降水的出现缺乏有利的动力扰动条件，冷空气南下活动较弱使冷平流降温的作用也不显著，广西高温天气难以缓解，同时这种形势也有利于西太副高强度偏强、位置偏西偏北。

另外在2021 年9 月期间，西伯利亚东部至我国华南地区为大范围的500hPa 位势高度正距平区域，气温正距平的分布（图略）与之基本一致，说明这一区域存在行星尺度的正压定常波［24］，其抑制了斜压活动，同样为气温异常持续偏高提供了有利条件。

2.2.4 热带气旋影响弱

2021 年6—9 月影响广西的热带气旋共3 个，与历年同期相比数量偏少、影响较弱，3 个热带气旋的路径都偏南，仅第7 号台风“查帕卡”进入了广西境内，但也只给桂南和沿海地区带来中等强度的风雨影响。第4 号台风“小熊”和第9 号台风“卢碧”并未进入广西境内，主要为外围环流影响，风雨影响较弱，对广西高温天气的缓解作用较为有限。众所周知，台风外围下沉气流会造成近地层气温上升，容易造成高温天气，在第7 号台风“查帕卡”在登陆前的7 月19—20 日，其西侧的外围下沉气流致使桂西出现的高温天气过程。同样的，第9 号台风“卢碧”西侧的偏北下沉气流导致了8 月上旬出现2021 年强度最强、范围最大的高温天气过程，桂西北多地打破当地历史极端最高气温纪录。

3 结论和讨论

（1）广西2021 年6—9 月平均气温偏高1.1℃，居历史同期第一位，各地平均气温偏高0.1～2.5℃，大部地区平均温度打破当地建站以来同期最高值；期间高温热浪天气频发，9 月全区平均气温、高温天气过程频次和高温日数均突破历史记录。

（2）1961 年以来广西6—9 月平均气温以0.11℃·（10a）-1的速率上升，这种显著变暖是2021年6—9 月气温偏高、高温热浪频发的重要气候背景。而6—9 月西太平洋副热带高压异常偏强、位置偏西偏北，广西受其长时间异常控制，是导致广西气温偏高、高温过程多的直接原因。同时2021 年6—9月中纬度西风带以纬向环流为主、西风带扰动影响偏弱以及影响广西的热带气旋偏少偏弱也是造成气温偏高的原因之一。

本文仅从西太平洋副热带高压和中纬度西风带环流等角度初步讨论了广西2021 年6—9 月气温异常偏高的原因。据有关文献分析，在拉尼娜事件影响年，广西夏季倾向于降水偏多、气温偏低［25］，2020 年秋冬季至2021 年春季出现了一次中等偏弱强度的拉尼娜事件，为何2021 年广西夏季气温和降水会一反常态的偏高和偏少？高温热浪天气的季节内变化过程是怎么样的？这些都值得我们未来深入研究。