2013年我國南方持續性高溫天氣及副熱帶高壓異常維持的成因分析

彭京備 劉舸 孫淑清

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2013年我國南方持續性高溫天氣及副熱帶高壓異常維持的成因分析

彭京備1劉舸2孫淑清1

1中國科學院大氣物理研究所國際氣候與環境科學中心（ICCES），北京100029;2中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081

本文利用NCEP再分析資料和逐日臺站觀測資料研究了2013年夏季我國南方地區持續高溫天氣時期內西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱西太副高）的異常特征，指出西太副高西伸、北抬并異常維持是導致南方地區罕見高溫天氣發生的直接原因，探究了影響其異常的中高緯環流及熱帶系統的活動，特別是對該年夏季熱帶環流，包括越赤道氣流、赤道輻合帶（Intertropical Convergence Zone，簡稱ITCZ）的異常，以及登陸臺風異常集中等情況作了進一步分析，為深入研究持續高溫的成因提供了一定的基礎。

2013 南方高溫 西太平洋副熱帶高壓 熱帶環流異常

1 引言

高溫熱浪是我國夏季的主要氣象災害之一。高溫酷熱天氣不僅影響人民群眾的日常生活，而且還由于需水量和用電量增加，給供水、供電等部門的生產活動造成了很大影響。同時高溫也可加重旱情發展，給農業生產帶來很大危害。研究表明，從1990年代以來，發生在我國的高溫熱浪強度、日數和頻次均呈現增多（增強）的趨勢（林昕和管兆勇，2008；楊萍等，2010；葉殿秀等，2013）。2002年夏季，我國北方大部分地區出現了持續的高溫酷暑天氣（衛捷等，2004）。2003年夏季，我國南方地區遭受了大范圍熱浪的襲擊。該年的高溫事件范圍廣，持續時間長、強度也很強（王亞偉等，2006）。2006年，川渝地區發生了百年一遇的高溫干旱（彭京備等，2007；李永華等，2009）。

2013年夏季我國南方地區又出現了少有的持續高溫天氣，其覆蓋范圍、持續時間和強度均超過2003年夏季，不少地區的高溫日數和最高氣溫值都突破了歷史記錄。這一高溫事件影響到江南、江淮流域及四川、重慶等地，其中浙江省許多地區最高氣溫在42°C以上。此次高溫事件對國民經濟和人民生活產生嚴重影響，截止至2013年7月31日，此次高溫事件導致上千人中暑，其中上海因中暑死亡10人（http://money.163.com/13/0809/10/95R1P68Q00253B0H.html#from=keyscan[2013-08-09]；http://news. qq.com/a/20130730/019656.htm [2013-07-30]）。

對于夏季高溫酷暑天氣成因，國內學者已有不少的工作。其中大多數的分析主要針對西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱西太副高）活動異常。衛捷等（2004）、衛捷和孫建華（2007）發現當西太副高控制華北地區時，該地區易出現悶熱天氣。孫建華等（2004）的分析指出，2003年夏季副高穩定控制江南地區導致了該地區的高溫天氣。2006年，西太副高強烈西伸，與大陸高壓打通，控制川渝地區，導致該地區百年一遇的高溫干旱（彭京備等，2007；鄒旭愷和高輝，2007；李永華等，2009）。大量研究表明，西太副高也是影響華東夏季高溫的一個重要因素。當西太副高異常偏強、偏西，控制我國南方地區時，華東地區易出現高溫熱浪（林建等，2005；史軍等，2009；陳敏等，2013）。

熱帶環流和熱帶海溫都會影響副高異常。彭海燕等（2005）指出，2003年7月中旬到8月上旬，有4個臺風相繼生成，有利于西太副高向大陸西伸。海溫是影響副高的重要外強迫因子。黃榮輝和孫鳳英（1994）指出，在El Ni?o衰減期的夏季，菲律賓地區對流偏弱，西太副高偏南。此外，特定的太平洋和印度洋的海溫形勢也有利于造成我國夏季出現江南高溫（楊輝和李崇銀，2005）。

我們曾對2013年夏季南方地區的高溫酷暑天氣進行初步研究。分析發現，產生高溫酷熱天氣的直接原因是西太副高的異常與穩定維持，而西太副高的異常穩定維持和周邊環流的異常有關（Peng，2014）。本文將從對西太副高異常的分析入手，進一步聯系中高緯度及熱帶環流的特點，從多個方面詳細分析2013年高溫的成因。

2 資料

本文使用的資料包括：（1）2013年5～8月美國NCEP再分析日平均位勢高度場、風場（Kalnay et al.，1996）；（2）美國國家海洋和大氣管理局提供的同期逐日對外長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，簡稱OLR）；（3）中國氣象局提供的2013年5～8月全國2043個臺站觀測的日最高氣溫資料；（4）國家氣候中心提供的1951～2009年夏季全國756站日最高氣溫，以研究南方地區歷史同期氣溫狀態；（5）中國天氣臺風網提供的2013年7～8月臺風路徑。如無特殊說明，氣候平均為1981～2010年。中國氣象局規定日最高氣溫大于等于35°C為高溫日。這個標準也被廣泛用于中國地區高溫熱浪的研究（丁婷和錢維宏，2012；陳敏等，2013）。本文也采用這一定義，對高溫過程進行研究。

3 高溫基本特征

圖1a給出2013年7～8月平均的日最高氣溫分布。可以看出，這兩個月中，南方的高溫區是非常集中的。圖1b則為7～8月平均的高溫日數，與圖1a一樣，都顯示出非常明顯的高溫集中區。為便于分析，參照圖1a、b，將（27°～36°N，105°～122°E）定義為高溫集中區，并給出了該區域高溫站數及最高氣溫平均值的時間演變（圖1c）。由圖1可見，2013年夏季南方地區的高溫天氣在6月中下旬即有表現。6月17～22日，有500多個站出現高溫天氣。但從6月下旬開始，長江中、下游梅雨開始［根據國家氣象中心的監測，2013年長江中、下游地區入、出梅時間分別為6月23日和6月29日（張峰和何立富，2013）］，氣溫有所回落。隨著梅雨結束，長江中下游地區又出現高溫晴熱天氣。7月2日，高溫站數從7月1日的82個猛增至356個，區域平均日最高氣溫基本維持在32°C以上。7月2日至8月19日，浙江北部、江蘇南部和湖南東北部的高溫日數超過35天。與氣候平均相比［見Peng（2014）的圖1d；由于資料限制，氣候平均取為1980～2009年］該地區2013年的高溫日數偏多約15～20天。根據圖1c，我們把2013年南方高溫時段定為7月2日至8月19日，重點研究該時段中高溫的特征及其成因。

圖1 2013年7月1日至8月31日（a）平均的全國日最高氣溫（單位：°C）以及（b）同期全國高溫日數（單位：d）；（c）2013年5月1日至8月31日南方高溫區內逐日高溫站數（柱狀圖）及區域平均的日最高氣溫變化（紅色實線）。（a）中的紫色方框表示南方高溫區

2013年夏季的南方地區高溫酷暑天氣不僅持續時間長，而且強度也很強。南方部分地區高溫強度突破了歷史紀錄。以浙江省為例，8月9日，除沿海島嶼外，浙江最高氣溫基本在39～41°C之間，局部42°C，其中，奉化、新昌、建德、紹興、諸暨、蕭山6個縣市的最高氣溫超過了42°C，杭州也以41.6°C再次破歷史紀錄。8月7日和9日，寧波奉化最高氣溫為43.5°C，創浙江省最高氣溫記錄（http:// www.weather.com.cn/index/2013/08/zjzx/1947836.WPSHtml [2013-08-14]；http://www.chinanews.com/gn/ 2013/08-09/5146670.WPSHtml [2013-08-09]）。正是這樣的持續的強高溫天氣，導致了1951年以來最強的南方持續高溫過程。

4 高溫天氣的環流特征

對于夏季南方地區高溫天氣的環流特征，人們首先關注的自然是西太副高的異常活動，但是西太副高的異常活動（包括位置和強度）離不開中高緯環流配置以及熱帶環流活動的影響。因此本文擬從西太副高入手，深入分析其周邊的環流特征。

4.1 異常西太平洋副熱帶高壓

2013年夏季，西太副高整體偏西偏強。圖2a顯示，高溫時段（7月2日至8月19日）中，平均的5880 gpm線西伸脊點較同時期的平均值偏西了約10個經度以上。它西端的范圍也比平均狀況大。西端5880 gpm線的西北側位置比常年值偏北，脊線位置約偏北兩個緯距以上。再來考察正高度距平維持的時間。圖2b給出該時段中正距平的天數。在7月2日至8月19日的49天中，我國南方大部分地區500 hPa位勢高度出現正距平的天數超過30天，長江中下游的大范圍區域甚至達到35天以上。這說明西太副高的這種異常情況在這段時期是十分穩定的。在這么長的時段內，較強的西太副高維持偏北偏西，基本控制了長江中下游地區，致使該地區的氣溫持續偏高。

圖2 （a）2013年7月2日至8月19日平均的500 hPa位勢高度場（等值線，間隔10 gpm）及其距平（陰影），單位：gpm，其中紅線表示5880 gpm線，虛線表示氣候平均的5880 gpm線；（b）同期的500 hPa位勢高度正距平出現的天數（單位：d），引自Peng（2014）

再來考察副高東退西進的逐日活動情況，圖3b即為沿27.5°～32.5°N平均的500 hPa上高度場的逐日變化。從7月開始，西太副高即有多次西伸的過程。其中7月上、中、下旬均出現了明顯且持續的西伸。8月上半月，西伸更為明顯，甚至持續了近半個月。與氣候平均情況相比（圖中藍色線），4次西伸過程的副高西伸脊點均較常年偏西15～20個經距。西太副高西擴并維持的情況是十分明顯的。對照圖3c上的溫度曲線可以看到，副高的西伸幾乎與每一次高溫過程相對應，正是由于副高的控制而使得南方長時間處于晴熱高溫天氣。

4.2 青藏高壓的活動

眾所周知，西太副高的西進東退與青藏高壓的活動有十分密切的聯系，兩者活動存在“相向而行”和“相背而去”的關系（陶詩言和朱福康，1964；譚晶等，2005）。因此，考察這次持續高溫過程中青藏高壓的異常也就十分必要。高溫階段平均的100 hPa位勢高度場（100）及其距平分布［圖略；參見Peng（2014）中的圖2c］顯示，2013年7月2日至8月19日，歐亞大陸副熱帶地區為100正距平區，青藏高壓強度偏強，其中心位置位于伊朗高原上。16840 gpm線指示的青藏高壓特征線反映，青藏高壓東擴明顯。氣候態的16840 gpm線的東端大體位于90°E附近。但在2013年南方高溫期，該時段的16840 gpm線比氣候平均向東擴展了近10個經度。有的時段甚至東擴到達120°E的東部沿海地區。4.1節中曾經提到在該時段西太副高有4次明顯西伸過程（7月上、中、下旬三次及8月上旬）。圖3a表明，除了8月過程以外，幾乎都與青藏高壓的東擴相對應。

圖3 2013年6～8月27.5°～32.5°N平均（a）16840 gpm線、（b）5880 gpm線的逐日演變，單位：gpm，其中紅線為2013年實測，藍線為氣候平均；（c）南方高溫區平均的日最高氣溫逐日變化，單位：°C

另外，高溫時段對流層低層850 hPa風場距平（圖4）顯示，（25°N～35°N，105°E～135°E）范圍內，存在極強的反氣旋距平風場，長江中下游地區為這一反氣旋異常所控制[引自Peng（2014）的圖2d]。它與500 hPa高度場的強正距平相對應（見圖2b）。這說明這次西太副高的穩定西伸，是對流層整層高壓系統異常的表現。正是由于整層深厚系統的異常，才使它的穩定性突現出來。

圖4 2013年7月2日至8月19日平均的850 hPa風場距平，單位：m s?1。引自Peng（2014）

4.3 中高緯度環流特征

在西太副高西伸北抬，長時間控制我國南方地區的時期內，中、高緯西風帶的活動也表現出異常變化，它們也對西太副高的活動產生明顯的影響。圖5a和b分別是高溫時段內北半球500 hPa高度、距平圖及其緯圈偏差平方的距平。可以看出，該時段內極渦位置偏向西半球的格陵蘭地區（圖5a），使亞洲東部地區處于比較平直的西風環流中，急流位置和鋒區位置偏北，亞洲上空來自極地的冷空氣活動不強。低壓槽區多小槽小脊活動，無強冷空氣南下。這里用500 hPa高度場的緯圈偏差平方（2500）代表擾動活動的強度。在2013年高溫時段內，黑海以東的歐亞大陸中緯度地區為一致的2500負距平（圖5b）。這說明，這時槽脊活動較常年同期偏弱，西風帶擾動不活躍。

圖5 2013年7月2日至8月19日平均的（a）500 hPa位勢高度場（等值線，間隔40 gpm）及其距平（陰影），單位：gpm；（b）同時期Z2500距平（單位：gpm2）

再來分析該時段內西風急流的特點。圖6給出高溫時段內200 hPa緯向風（）平均值及其距 平。與氣候平均相比，2013年7月2日至8月19日，中緯度西風急流中心（≥30 m s?1）范圍更大且位置偏北，強度明顯偏強。這說明2013年夏季西風帶北縮，緯向環流偏強。西風帶中的氣旋性擾動不易影響到副熱帶地區，有利于西太副高在30°N附近維持。

圖6 2013年7月2日至8月19日平均的200 hPa緯向風場（等值線）及其距平（陰影），單位：m s?1，其中紅線表示0 m s?1和30 m s?1線，藍線表示氣候平均的0 m s?1和30 m s?1線。引自Peng（2014）

4.4 熱帶環流的異常

眾所周知，夏季西太副高南側的偏東氣流是赤道輻合帶（Intertropical Convergence Zone ，簡稱ITCZ）的重要組成部分。ITCZ位置及強度可以影響西太副高的活動。2013年夏季，熱帶地區的環流（ITCZ和臺風活動）出現許多異常的現象。圖7為南方高溫區最高溫度的時間序列與同期的OLR場的相關。可以看出，在緯度20°N左右的地區，有一個負相關帶。其中兩個高相關中心分別位于印度半島上空和南海地區。說明在南方地區最高溫的變化與該地區的對流密切相關，當該地區對流增強時，有利于出現南方高溫的狀況。同時，在高溫階段，赤道輻合帶的東段（即南海地區）的對流活動與氣候平均相比也偏強（圖略），它從南側支持了西太副高的維持和加強。在圖7中我們用方框標出東段高相關區（10°～21°N，112°～130°E），并比較了該區平均OLR值（藍線）與南方高溫區最高溫度（紅線）的變化特征（圖8）。可以看出，兩者的變化大體上是相反的。它們之間的相關系數高達－0.61。也就是說南海及西太平洋熱帶地區ITCZ的加強有利于其北側西太副高的加強，進而影響南方地區的氣溫異常。這與Liu et al.（2015）的研究結果一致。他們發現，夏季南海和阿拉伯海至西北印度洋的降水偏多時，副高強度偏強。

圖7 2013年5月1日至8月31日中國南方高溫區平均逐日最高溫度序列與OLR的相關（陰影區超過95%信度水平），其中紅色矩形框指示了西太平洋OLR關鍵區的范圍（10°～21°N，112°～130°E）

圖8 2013年5月1日至8月31日中國南方高溫區平均逐日最高溫度（紅線；單位：°C）與西太平洋關鍵區OLR指數序列（藍線；單位：W m?2）

為了進一步說明這次南方高溫與熱帶環流的關系，我們再來考察它與越赤道氣流的關系。圖9為最高溫度序列與850 hPa經向風分量的相關。可以看出，在赤道附近有三個通過95%信度水平的正值區，標志著高溫與強越赤道氣流相對應。其中最強的當屬索馬里越赤道氣流，而90°E及120°E處的越赤道氣流也明顯加強。這無疑使赤道西太平洋直至東印度洋地區的輻合帶大大加強。更值得指出的是，在高溫持續的時段內，熱帶西太平洋地區竟然有6次臺風的活動，而且其中4次沿著ITCZ北側的偏東風西行登陸中國或越南（圖10）。這無疑與前面指出的ITCZ的加強及西太副高的穩定維持有密切的關系。

圖9 2013年5月1日至8月31日中國南方高溫區平均逐日最高溫度時間序列與850 hPa 經向風分量的相關，陰影區超過95%信度水平

圖10 2013年7月2日至8月19日生成的6個臺風路徑。引自Peng（2014）

由以上分析可見，熱帶環流的異常，包括越赤道氣流的活躍，ITCZ的加強與印度半島及南海地區對流的明顯加強，是導致該時段中西太副高偏西偏強且穩定少動的重要原因。另外，由圖7可見，南半球的對流活動（OLR）也有明顯的異常，它與其北側的負相關及江南的正相關區形成了“＋－＋”的遙相關的分布。這說明本次持續性高溫天氣還可能與南半球環流異常有關，是我們進一步要深入探討的內容。

5 小結與討論

2013年夏季我國南方地區經歷了一次持續的高溫酷暑天氣，它強度強、范圍廣、持續時間長，為歷史所罕見。本文分析它的成因，得出如下的幾點認識：

（1）西太副高的異常，當是高溫酷熱天氣最重要、最直接的原因。它在該時段內偏西、偏強、持續控制江南地區。正的反氣旋式異常中心向下擴展至對流層低層。在對流層高層，有東擴的青藏高壓與之呼應，使得本次過程持續性特別明顯。

（2）中高緯度環流的特殊配置給西太副高的異常提供了十分有利的條件。2013夏季，極渦偏向西半球，歐亞地區西風帶偏北（包括西風急流），多呈較平直的緯向氣流，給西太副高北推和穩定創造了有利的環流背景。

（3）2013年夏季熱帶環流的異常值得特別關注。在西太副高北推西進時段內，東半球幾條主要的越赤道氣流幾乎都出現了較強的態勢，使得ITCZ在熱帶西太平洋至印度洋之間大大加強。它有力地支撐了西太副高的南側偏東氣流。實際上在這段時期內，南半球的環流和對流活動也有明顯的異常，它可能對北半球副熱帶系統也有一定影響，值得我們進一步深入分析。

從以上的分析我們可以發現，2013年夏季，熱帶環流出現了明顯的異常，從圖7和圖9可以看到，在西邊，有極強的索馬里越赤道氣流，它向東延伸，影響ITCZ的強度；在南邊，澳大利亞及其以北地區有一大片OLR與南方溫度的正相關區，標志著該地區的對流活動的強弱可能會影響我國南方的天氣。那么它們又是通過什么機制（比如遙相關）來影響的？這些給我們提供了十分有用的線索，值得關注并深入研究。

從圖1c看，2013年夏季南方高溫天氣過程具有階段性，超過35°C以上的有6個高溫時段。雖然高溫往往對應著副高持續偏強、偏西，同時西太平洋、南海對流活動大體上處于偏弱狀態，但仔細分析這6次高溫過程發現，對于不同的過程，副熱 帶、中高緯度和熱帶環流異常表現出不同的配置特征。例如，6月中旬和7月中旬的兩次較短的高溫過程，大體上對應著青藏高壓的東伸、副熱帶高壓的西伸以及西太平洋、南海關鍵區對流活動活躍。而8月初至中旬持續時間相對更長的高溫過程，青藏高壓東伸并不明顯，西太平洋、南海對流活動活躍，這一階段有4個臺風登陸或影響我國。此外，在7月和8月，中高緯度的環流形勢也有不同（林玉成等，2013；楊舒楠和何立富，2013）。可見，在不同的高溫階段，中高緯度環流、青藏高壓、副高和熱帶環流異常等表現有所不同，相互配制關系也有差異。這可能意味著在不同的階段，導致副高異常維持的主要環流因子有所不同，需要更詳細的分析。

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An Analysis on the Formation of the Heat Wave in Southern China and Its Relation to the Anomalous Western Pacific Subtropical High in the Summer of 2013

PENG Jingbei1, LIU Ge2, and SUN Shuqing1

1100029;2100081

The NCEP reanalysis data and observational data are exploited to reveal the characteristics of the Western Pacific Subtropical High (WPSH) and its influence on the persistent heat wave that affected a vast area of southern China in the summer of 2013. The hot spell was mainly and directly caused by the influence of anomalies in the WPSH. In the present study, the features of the westward extension and northward shift of the WPSH and its persistency are studied; the anomalous atmospheric circulations over the mid- to high latitudes and over the tropics are also investigated. In particular, the influence of tropical circulation systems, such as the cross-equator flows, Intertropical Convergence Zone, and typhoon activities, are further examined. Results of the present study are helpful for better understanding of the formation of persistent heat waves in southern China.

2013, Heat wave in southern China, Western Pacific subtropical high, Tropical circulation anomalies

1006-9895(2016)05-0897-10

P448

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1512.14334

2014-12-24；網絡預出版日期2016-01-18

彭京備，女，1970年出生，高級工程師，主要從事災害性天氣氣候機理診斷分析和短期氣候預測方法研究。E-mail: pengjingbei@mail.iap.ac.cn

公益性行業（氣象）科研專項項目GYHY201406020，國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目2012CB417205，中國氣象科學研究院基本科研業務費專項2015Z001

Funded by Special Fund for Meteorological Research in the Public Interest (Grant GYHY201406020), National Program on Key Basic Research Project (Grant 2012CB417205), and Basic Research Fund of the Chinese Academy of Meteorological Sciences (Grant2015Z001)