2022年8月长江流域持续性极端高温事件成因

彭京备 孙淑清 林大伟

1)(中国科学院大气物理研究所, 北京 100029) 2)(中国气象局人工影响天气中心, 北京 100081) 3)(中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室, 北京 100081)

引 言

近年我国极端高温事件发生频次显著增加,其影响和变化特征受到广泛关注[1-7]。2000年后长江流域已发生多次高温事件,但发生位置有所不同。2006年高温主要集中在川渝地区[8]。2013年7—8月长江中下游地区发生罕见高温热浪天气[9]。2019年8月高温集中在长江中游和上游地区[10]。2022年夏季中国多个地区发生了持续性强高温天气过程,是该年最主要的自然灾害,其中长江流域的极端高温事件持续时间长、强度强、范围广[11-13]。2022年7月21日—8月30日中央气象台连续41 d发布高温预警,其中8月12日—23日更是连续发布最高级别的高温红色预警。上海、重庆等地持续出现40℃的异常酷热天气。高温覆盖长江全流域,其强度和持续时间均为1961年以来之最[14]。

2022年受持续高温天气影响,我国南方多地出现重度气象干旱,长江、鄱阳湖、洞庭湖等江湖水位持续走低,近1个月鄱阳湖水体面积减少了约66%。长江流域出现罕见“主汛期反枯”。高温不仅影响人民生活,还造成用电紧张、农业减产和山火等灾害[15]。因此此次高温热浪过程引起气象界的普遍关注。研究显示,副热带高压异常活动是长江流域高温的主要成因[8,11-13,16-18]。暖高压内盛行的下沉气流有利于地面增温[18]。

人们对西北太平洋副热带高压(简称副高)的活动规律及成因进行了大量研究,包括研究其内部结构、活动规律及其对天气气候的影响[19-20],还研究周边环流因子如热带、副热带环流对副高影响,包括季风活动、海温影响等。近年在周边环流,如热带、副热带环流、西风带长波槽脊对副高影响方面均取得大量成果。研究显示,北半球夏季极涡面积扩张时,副高减弱,位置南移[21]。北半球中高纬度环流系统影响和制约副高的异常变化[22-28]。热带对流和副高的强度、北跳和西伸有密切关系。热带对流活跃有利于副高西伸北抬[29-31]。南半球的马斯克林高压与澳大利亚高压的发展,通过越赤道气流导致南海地区对流加强,从而推进副高增强[32-34]。彭京备等[35]分析2013年引起我国南方高温的副热带高压的异常成因,发现副高北抬西进时,东半球的主要越赤道气流皆较为强势,使得赤道辐合带(the intertropical convergence zone,ITCZ)在热带西太平洋至印度洋间加强,有力地支持了副热带高压南侧的偏东气流。

2022年夏季,不仅西北太平洋副热带高压出现异常,几乎全球的副热带系统均出现异常。如伊朗高压离开60°E以西的气候平均位置,多次东伸甚至到达90°E以东地区。稳定的高压带引起青藏高原北侧新疆等大范围的持续性高温。欧洲地中海地区的副热带高压异常偏强,引起南欧如意大利、葡萄牙等地区的持续高温。这种全球性副热带地区环流系统的异常及其造成的大范围气象灾害非常罕见,值得关注。

本文从2022年夏季全国高温热浪事件入手,以长江流域的酷暑为切入点,研究副高异常活动的原因,探讨西风带长波槽脊的特殊位置及热带环流的特点,以了解它们的异常对副高产生的影响及其物理过程,从而进一步了解高温热浪形成原因。

1 资料和方法

本文所用资料包括:①中国气象局国家气象信息中心提供的中国地面日值资料中的日最高气温资料,长江流域(27.5°～32.5°N,103°～122°E)为21895个站;长江下游地区(27.5°～32.5°N,116°～122°E)有8958个站,长江中游地区(27.5°～32.5°N,111°～116°E)有4235个站,川渝地区(27.5°～32.5°N,103°～111°E)有8702个站(区域示于图1)。②欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的日平均再分析资料,有300 hPa和500 hPa位势高度场,27层(100,125,150,175,200,225,250,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,775,800,825,850,875,900,925,950,975,1000 hPa)垂直速度和风场[36],地面2 m气温和降水[37]。其中等压面资料水平分辨率为1°×1°,地面资料水平分辨率为0.25°×0.25°。以24 h资料的算术平均为日平均。③美国海洋和大气管理局物理科学实验室提供的逐日对外长波辐射(outgoing longwave radiation,OLR)。④中国气象局国家气候中心提供的1991—2022年7月、8月的副高西伸脊点指数、面积指数和强度指数,限于资料长度,OLR气候平均为2002—2020年,其余物理量的气候平均为1991—2020年。以日最高气温不低于35℃为高温标准,不低于40℃为酷热标准。其中①～③资料时间段为2022年6月1日—8月31日。

为讨论西风带系统对副高的影响,计算Rossby波作用通量[38]。原始场经过8 d滑动平均,气候态为1991—2020年,并经过31 d滑动平均。该方法已被用于副高维持机理的诊断分析[39]。

本文插图中所涉及的中国国界基于审图号为GS(2019)3082号标准地图制作,底图无修改。

2 2022年夏季高温概况

2022年夏季长江流域的高温从7月持续至8月。重庆和上海分别自7月4日和5日出现不低于35℃的高温,连续高温日数达到14 d和11 d。长江中游的高温天气出现较晚。南昌自7月9日持续9 d出现高温。利用ECWMF再分析资料,得到2022年夏季中国高温时期气温标准化距平及降水距平百分率。这与已有结果基本一致[18,40]。由图1可见,长江流域气温普遍偏高0.5个标准差以上,其中高温中心位于川渝地区东部和长江中下游地区,气温偏高1.5个标准差。气温偏高的同时,长江流域降水偏少,大部分地区降水距平百分率超过-80%。

定义日最高气温不低于35℃的站为高温站。按照图1黑框所示,分别计算长江全流域、川渝地区、长江中游和下游4个地区的高温站占总站数比例的逐日变化(图2)。由图2可知,2022年7月9日以后,不论是长江上游、中游和下游地区还是长江全流域,高温站占总站数的比例均出现峰值。7月9—17日川渝地区、长江中游和下游的高温站比例分别从7月1—8日的35.41%,21.24%和45.79% 增至57.30%,68.78%和79.34%,长江全流域高温站比例从36.79% 增加至71.80%。8月25日长江全流域、川渝地区、长江中游和下游高温站比例才下降至50%以下。不低于40℃的高温集中时段也与不低于35℃的时段相同。由图2还可以看到,若以日最高气温不低于40℃的高温站数表征高温强度和范围,无论是高温强度和范围,还是持续时间,8月均较7月上中旬更为明显。因此,以下研究8月长江流域高温的发生机理。

图2 2022年6月1日—8月31日长江流域、川渝地区、长江中游和长江下游地区日最高气温不低于35℃和40℃的站数占区域内总站数百分比(阴影表示高温时段)Fig.2 Percentage of stations with daily maximum temperature equal to or greater than 35℃ and 40℃ in total stations in the Yangtze Basins,Sichuan-Chongqing Area,the lower and the middle reaches of the Yangtze from 1 Jun to 31 Aug in 2022(the shaded denotes hot spell)

续图2

3 2022年8月环流主要特征及其成因

3.1 高温时期的环流特征

2022年夏季高温持续时段500 hPa位势高度场及其距平见图3。由图3可见,7月中下旬副高西伸脊点位于105°E附近,较气候平均偏西约24个经度。7月平均西伸脊点的标准化距平为-0.88。与此同时,位于伊朗高原的大陆副热带高压(简称大陆高压)则东伸显著。由5880 gpm等值线时间-经度剖面(图4)可以看到,7月6日大陆副热带高压东伸至105°E附近。此时副高西伸脊点位于108°E附近。7月18日和7月21—29日副高与大陆高压打通,在长江流域形成高压坝,导致浙江、福建、江西、安徽、江苏等地出现高温天气。大陆高压的月平均面积指数和强度指数异常分别为1个标准差和 0.88 个标准差,即面积偏大,强度偏强。由此可见,7月的高温是大陆高压和副高共同作用的结果。

图3 2022年7月9—31日和8月1—25日平均500 hPa高度场(实线,单位:gpm)及其距平(阴影)(粗实线为2022年5880 gpm线,粗虚线为同期气候平均5880 gpm线)Fig.3 Mean geopotential height(the solid line,unit:gpm) and anomalies(the shaded) at 500 hPa from 9 Jul to 31 Jul and from 1 Aug to 25 Aug in 2022 (thick solid and dashed lines denote 5880 gpm isoline in 2022 and its climatology during the same period,respectively)

续图3

图4 2022年7月1日—8月31日25°～35°N平均5880 gpm线的时间-经度剖面(实线)(虚线为同期气候平均,阴影表示位势高度大于5880 gpm,点线表示副高西伸)Fig.4 Time-longitude section of 5880 gpm isolines averaged along 25°-35°N from 1 Jul to 31 Aug in 2022(solid lines)(dashed lines denote climatology,the shaded denotes geopotential height greater than 5880 gpm,dotted lines denote westward extension of the subtropical high over the Western Pacific)

2022年8月大陆高压面积偏小,强度偏弱。由图3可以看到,副高异常西伸,西伸脊点达到90°E附近,较气候平均的130°E偏西近40个经度。8月副高西伸脊点异常达到-1.11个标准差,这是1951年以来8月副高最偏西的位置。由图4更能清楚地看到其西伸情况。8月副高西伸脊点一直维持在105°E以西。在副高持续西伸的同时,其面积扩大、强度偏强,强度指数和面积指数异常分别为2.32和2.04个标准差。正是由于副高的稳定维持,导致8月长江全流域的高温天气。

3.2 副高持续西伸成因

本节将讨论副高周边的热带环流和中高纬度环流对副高异常西伸并稳定维持的影响。

3.2.1 热带环流异常的影响

气候上每年8月ITCZ北推至15°N。2022年8月西太平洋至南海地区的ITCZ出现多次加强过程。由8月1—25日850 hPa风场的异常(图略)可知,120°E以西的南海地区存在一个宽阔的气旋式风异常区,表明该地区的辐合持续加强。图5a是南海及邻近地区OLR异常。由图5a可以看到,从孟加拉湾至南海地区为OLR负异常区,负异常中心分别位于孟加拉湾和南海,表明热带地区对流较气候平均偏强。由200 W·m-2等值线范围可见,南海地区对流中心的位置较气候平均偏西,范围偏大。

图5b是南海地区对流中心区(7.5°～21°N,108°～130°E,图5a中的黑色方框所示)的平均OLR随时间的变化。图5b可见,8月大部分时间南海关键区的OLR低于同期气候平均。7月30日—8月4日、8月6—10日、8月14—19日和8月22—24日为OLR偏低时段,即南海对流加强时段。除8月14—19日外,其余3次南海对流加强时段分别对应南海热带低压、台风木兰(2207)和台风马鞍(2209)的3次活动。结合图4可以看到,8月3日、9日、11日、16日、19日和24日副高出现西伸。除了8月11日副高西伸过程发生在南海地区平均OLR距平为正的情况外,其余5次副高西伸均发生在南海地区OLR为负距平时,即南海对流加强时段。

图5 2022年8月1—25日平均的OLR异常(实线为200 W·m-2等值线,虚线为气候平均200 W·m-2;黑色方框表示南海对流关键区)(a),2022年7月30日—8月31日南海对流关键区的OLR(实线)及同期气候平均(虚线)逐日变化(竖实线表示高温时段,竖点线为副高西伸)(b)Fig.5 OLR anomalies from 1 Aug to 25 Aug in 2022(solid and dashed lines denote 200 W·m-2 in 2022 and the climatology;the black box denotes the key region of the convection over the South China Sea)(a),time series of the mean OLR in the key region of the South China Sea from 25 Jul to 31 Aug in 2022(the solid line) and its climatology(the dashed line)(vertical solid lines denote the hot spell,dotted lines denote westward extension of the subtropical high over the Western Pacific)(b)

下面再以ITCZ的辐合情况说明其强度变化。图6为108°～130°E平均经向风的时间-纬度剖面。由图6可见,在7月30日—8月12日、8月14—21日和8月22—25日,南海对流关键区出现3次经向风的正距平,即低层南风加强,南海地区出现季风涌。与偏南风加强对应,南海地区低层出现散度负异常,高层出现散度正异常(图7),即低层异常辐合,高层异常辐散,有利于ITCZ加强。与南海地区OLR的时间序列对比(图5b)可见,3次季风涌出现时间与OLR降低的时间完全一致。季风涌引起的低层辐合、高层辐散,有利于南海对流加强。

图6 2022年7月30日—8月31日108°～130°E平均850 hPa经向风异常的时间-纬度剖面(单位:m·s-1)(粗线为零线,黑色竖线表示8月1—25日高温时段)Fig.6 Time-latitude section of meridional wind anomalies at 850 hPa along 108°-130°E from 30 Jul to 31 Aug in 2022(unit:m·s-1)(the thick line denotes the zero line,the vertical line denotes the hot spell during 1-25 Aug 2022)

图7 2022年7月30日—8月31日7.5°～21°N平均的850 hPa和200 hPa散度异常的时间-经度剖面(黑线为零线,横线表示8月1—25日高温时段)Fig.7 Time-longitude section of divergence anomalies at 850 hPa and 200 hPa along 7.5°-21°N from 30 Jul to 31 Aug in 2022(the black line denotes the zero line,the horizontal line denotes the hot spell during 1-25 Aug 2022)

异常强盛的ITCZ会对周边环流产生影响。图8a为2022年8月1—25日108°～130°E平均的垂直环流距平。由图8a可以看到,15°N附近存在强烈的异常上升运动,30°N附近为异常下沉运动。即Hadley环流上升支加强,使得30°N附近出现异常下沉,这对该地区副高的西伸和加强极为有利。图8b为南海对流中心附近(110°E)的垂直环流距平。由图8b可以看到,15°～20°N附近出现强烈的异常上升,30°N附近出现强烈的异常下沉。对比图8a和图8b,110°E的垂直环流异常与108°～130°E平均的相似,只是强度更强,局地Hadley环流的强烈加强支持副高的稳定西伸。

图8 2022年8月1—25日平均垂直环流距平(单位:经向风为m·s-1,垂直速度为102 Pa·s-1;灰色阴影表示垂直速度异常,黑色阴影为地形)(a)108°～130°E,(b)110°EFig.8 Vertical profile of mean anomalous meridional circulation along 108°-130°E(a) and 110°E(b) during 1-25 Aug 2022(unit:m·s-1 for meridional wind,102 Pa·s-1 for vertical velocity;the gray shaded denotes the anomalous vertical velocity,the black shaded denotes the topography)

由以上分析可见,8月南海地区出现3次季风涌,引起低层异常辐合、高层异常辐散,对流活跃。8月共有3次热带低压或台风登陆华南沿海。旺盛的热带对流引起局地Hadley环流上升支加强,在30°N 附近出现异常下沉。热带对流从南面支持副高的稳定维持和西伸。

彭京备等[35]分析2013年长江流域高温成因时发现,我国南方地区的高温与西太平洋至南海的对流强度关系密切。这里再次证实该结果,且从热带环流影响Hadley环流强度的角度说明这种影响的物理过程。

3.2.2 西风带环流异常的影响

8月中高纬度的西风带系统也出现异常分布。由图3可以看到,乌拉尔山和库页岛以东地区均存在高压脊,宽广的低压槽控制里海以东至日本北部的中纬度地区,亚欧地区形成稳定的两脊一槽形势。库页岛地区的太平洋高压脊与南侧的副高直接打通,形成稳定的高压坝。为了说明西风带槽脊的稳定性,计算40°～60°N 500 hPa位势高度异常的时间-经度剖面(图9)。由图9可以看出,位于60°E附近和150°E以东地区增强高压脊持续了整个8月,系统稳定且强大。反观7月,西风带虽然也是两脊一槽的基本配置,但是表现出明显的移动特征。

图9 2022年7月30日—8月31日40°～60°N平均的500 hPa位势高度异常的时间-经度剖面(横线表示8月1日—25日高温时段)Fig.9 Time-longitude section of 500 hPa geopotential height along 40°-60°N from 30 Jul to 31 Aug in 2022(horizontal lines for the hot spell during 1-25 Aug 2022)

乌拉尔地区高压脊对副高也有作用。图10为2022年8月1—25日和8月21—25日平均的300 hPaRossby波作用通量。由图10a可以看到,乌拉尔山高压脊为波作用通量辐散区,Rossby波能量由此向东南方向频散,在90°E附近的副热带地区形成波能量辐合。对副高西段的异常起到维持和加强的作用。乌拉尔山地区的波能量向副高西段频散以第5候尤为明显(图10b),此时副高西伸脊点达到77°E附近,为8月最西端(图4)。同时,长江中下游地区和川渝地区不低于40℃的高温站数也达到本次高温过程的峰值(图2)。

图10 2022年8月1—25日(a)和8月21—25日(b)平均的300 hPa准地转流函数距平(阴影)和波作用通量(矢量,单位:m2·s-2,小于2 m2·s-2的未显示)Fig.10 300 hPa quasi-geostrophic stream function anomalies(the shaded) and wave activity flux(the vector,unit:m2·s-2) during 1-25(a) and 21-25(b) in Aug 2022(vectors less than 2 m2·s-2 are not shown)

因此,2022年8月西风带中稳定少动的两脊一槽形势对副高持续西伸稳定起到不可忽视的作用。

值得注意的是,2013年和2019年长江中下游地区也出现了高温天气,但中高纬度环流异常有所不同。与2022年相似,2013年夏季欧亚大陆为两脊一槽,中高纬环流比常年平直,冷空气活动较少,有利于副高在30°N附近维持[35]。2019年亚欧中高纬度地区呈现明显的“- + -”的波列分布,乌拉尔山至贝加尔湖高压脊发展,下游鄂霍次克海地区位势高度负距平[17]。因此,中高纬度环流异常对副热带高压的影响值得进一步研究。

4 结论和讨论

本文以2022年夏季长江流域持续的高温过程为主要对象,分析主要影响环流系统以及其异常成因,得到如下主要结果:

1) 2022年夏季长江流域经历了高温酷暑的天气,其中尤以8月最盛。此次高温热浪强度强,范围广,持续时间长。高温区从长江流域上游一直延伸到下游,持续近1个月之久,造成了历史罕见的严重灾害。

2) 长江全流域性的持续高温与副高的异常活动有密切关系。2022年8月副高西伸且稳定,其西端脊点到达90°E,比常年偏西近40个经度,控制了几乎整个长江流域地区,这在气象历史上十分罕见。

3) 热带环流的异常强盛是副高稳定西伸的重要原因之一。8月西北太平洋至南海地区赤道辐合带持续偏强,对流旺盛,期间曾有3次台风或热带低压活动。由垂直环流可知,南海地区出现明显Hadley环流的异常,支持115°E以西副高的维持。

4) 西风带环流的异常是影响副高异常的另一个重要因素。从高温时段500 hPa位势高度场看,东亚地区一直维持两脊一槽的形势,东侧的鄂霍次克海高压脊几乎与副高打通,形成稳定的高压坝。从Rossby波作用通量看,乌拉尔地区的高压脊不断向东南方向输送能量,它也对副高西段的维持和加强起到十分重要的作用。

2022年8月高温中心位于川渝地区东部和长江中下游地区。川渝地区东部气温异常超过2个标准差,其强度超过长江中下游地区。重庆北碚和江津日最高气温分别达到45.0℃和44.7℃,重庆8月8—28日连续21 d日最高温度超过40℃、夜间最低气温超过30℃[41]。除了副高的稳定控制外,重庆的地形条件使得高温易发。重庆以山地为主,地势由南北向长江河谷递减,北方冷空气不易进入,在长江及其支流河谷地带为高温天气多发地带[42]。另一方面,全球变暖也为2022年极端高温的发生提供了背景[11-12]。2000年以后重庆地区进入升温阶段[43]。事实上,在2006年的川渝高温事件中,全球变暖对高温的贡献为0～1℃,年际变化的贡献为1～3℃[44]。

2022年夏季长江流域酷暑是较为特殊的个例,为探索副高活动成因提供了范例。西北太平洋副热带高压异常活动的原因比较复杂,也是气象学家们极为关注的课题。本文从热带环流及西风带槽脊异常出发,分析副高南北两侧大型环流异常对西北太平洋副热带高压的影响以及其物理过程,以期对夏季高温、干旱天气以及其中期过程提供深入认识,进而在预报上获得更多线索,增进对副热带高压活动规律及成因的了解。