中國(guó)西北地區(qū)復(fù)合極端高溫-降水事件可能成因

摘要 基于1961—2018年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的再分析資料、中國(guó)高分辨率格點(diǎn)資料，采用合成分析方法，揭示了中國(guó)西北地區(qū)復(fù)合極端高溫-降水事件（compound extreme heat-precipitation events，CEHPE）的成因，并探討了與無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件的異同。結(jié)果表明，CEHPE是由上游向東南方向傳播的準(zhǔn)正壓反氣旋環(huán)流異常引起：當(dāng)異常環(huán)流中心接近關(guān)鍵區(qū)（95°～105°E，35°～40°N）時(shí)，與之相關(guān)的異常下沉運(yùn)動(dòng)一方面使得大氣下沉增溫，增加了低層大氣溫度;另一方面下沉運(yùn)動(dòng)減少云量，增強(qiáng)了向下短波輻射并加熱地表，被加熱的地表又向上釋放了更多的長(zhǎng)波輻射，進(jìn)一步加熱低層大氣，最終導(dǎo)致了熱浪的形成。在熱浪發(fā)生時(shí)，由于地表熱強(qiáng)迫，對(duì)流層低層發(fā)展出低壓異常，其伴隨的異常輻合，引導(dǎo)東南方向水汽至關(guān)鍵區(qū)，提高關(guān)鍵區(qū)大氣水汽含量。增加的大氣水汽含量和增高的氣溫使得熱浪期間關(guān)鍵區(qū)大氣不穩(wěn)定能量異常增強(qiáng)。當(dāng)準(zhǔn)正壓反氣旋異常東移出關(guān)鍵區(qū)時(shí)，熱浪結(jié)束，同時(shí)上游方向有異常氣旋靠近，關(guān)鍵區(qū)位于對(duì)流層中高層的槽前脊后，有助于高層輻散低層輻合，因此強(qiáng)對(duì)流迅速發(fā)展，關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)極端降水，完成一次CEHPE的過(guò)程。無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件與CEHPE的熱浪在強(qiáng)度和形成機(jī)制上幾乎相同，但在熱浪結(jié)束時(shí)，準(zhǔn)正壓反氣旋異常水平范圍較大，雖強(qiáng)度減弱，但中心仍位于關(guān)鍵區(qū)附近，因此對(duì)流層低層低壓及其伴隨的輻合上升異常的發(fā)展受到壓制，導(dǎo)致對(duì)流層低層氣旋、水平水汽輻合、垂直水汽輸送以及不穩(wěn)定能量異常小于同時(shí)期的CEHPE，無(wú)法引發(fā)強(qiáng)降水事件。

關(guān)鍵詞復(fù)合極端天氣和氣候事件;熱浪;強(qiáng)降水;中國(guó)西北

全球變暖增加了極端天氣氣候事件的發(fā)生概率（IPCC，2014）。熱浪和強(qiáng)降水作為最常見(jiàn)、最具破壞性的兩種極端天氣，對(duì)人類(lèi)健康、社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，長(zhǎng)期以來(lái)備受關(guān)注（Kovats and Hajat，2008;Fischer and Knutti，2015;Wahl et al.，2015;Donat et al.，2016;馬潔華等，2019;Alizadeh et al.，2020;江曉菲等，2020;王會(huì)軍等，2020;Shiogama et al.，2021）。1990—2019年，中國(guó)因熱浪相關(guān)的死亡人數(shù)增加了4倍（Kang and Eltahir，2018）。2023年7月29日—8月1日，華北、東北地區(qū)遭遇極端暴雨，海河發(fā)生流域性特大洪水，造成京津冀等地重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，松花江流域也發(fā)生嚴(yán)重汛情災(zāi)情，造成黑龍江、吉林等地受災(zāi)嚴(yán)重。

盡管單一極端事件的機(jī)理已被廣泛研究，針對(duì)復(fù)合極端事件（多個(gè)極端天氣事件在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)或依次發(fā)生）的研究仍不充分，但復(fù)合事件帶來(lái)的災(zāi)害往往比單獨(dú)事件更嚴(yán)重（AghaKouchak et al.，2014;Leonard et al.，2014;Zscheischler et al.，2018;Kawase et al.，2020;Weber et al.，2020）。例如，2018年夏季日本西部的洪水和熱浪復(fù)合事件在一周內(nèi)導(dǎo)致數(shù)千人死亡（Wang et al.，2019）。2019年澳大利亞昆士蘭的熱浪和極端降水復(fù)合事件導(dǎo)致超過(guò)50萬(wàn)頭牛死亡，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)12億美元（Cowan et al.，2019）。2020年8月，英國(guó)熱浪事件后，雷雨和山洪暴發(fā)，導(dǎo)致英國(guó)多地鐵路關(guān)閉、房屋損毀，與之相伴隨的山體滑坡造成列車(chē)脫軌和3人死亡。因此，為有效防范復(fù)合事件所帶來(lái)的次生災(zāi)害，深入研究復(fù)合事件的形成機(jī)制和演變規(guī)律至關(guān)重要。

復(fù)合極端高溫和降水事件（compound extreme heat-precipitation events，CEHPE）的形成具有一定的理論依據(jù)。由Clausius-Clapeyron方程可知，氣溫每升高1 ℃，飽和水氣壓將增加7％（Trenberth et al.，2003），因此在水汽供應(yīng)充足的情況下，相同強(qiáng)度的對(duì)流活動(dòng)將導(dǎo)致更多的水汽上升凝結(jié)和降水（Molnar et al.，2015;Wang et al.，2017）。熱浪的特征是持續(xù)多日（3 d及以上）的極端高溫，如果配合對(duì)流層低層充足的水汽，在熱力強(qiáng)迫和水汽條件的共同作用下，可能觸發(fā)局部強(qiáng)對(duì)流和極端降水（Randall et al.，1992;Berg et al.，2013;Fowler et al.，2021）。有研究認(rèn)為人為活動(dòng)，特別是溫室氣體的排放，是區(qū)域和全球范圍內(nèi)極端高溫事件和極端降水事件加劇的主要原因（Fischer and Knutti，2015），對(duì)CEHPE的增加趨勢(shì)貢獻(xiàn)超過(guò)90％（Li et al.，2023）。目前，對(duì)中國(guó)地區(qū)CEHPE的研究多局限在其頻率的變化。比如，自1960年以來(lái)，中國(guó)地區(qū)約有23.21％的極端高溫事件后出現(xiàn)了極端降水，且西部地區(qū)比例最高，幾乎全區(qū)均在25％以上（Wu et al.，2021）。需要指出的是，自1960年以來(lái)CEHPE發(fā)生頻次呈顯著增加趨勢(shì)，每10 a約增加2.51％，增長(zhǎng)速率逐漸加快，尤其越高發(fā)地區(qū)增長(zhǎng)速率越快（Wu et al.，2021;Li et al.，2022;Ning et al.，2022），中國(guó)西北地區(qū)CEHPE的增長(zhǎng)速率約為增長(zhǎng)速率較低區(qū)域的2倍，且在1996年后大幅增強(qiáng)（Wu et al.，2021;Peng et al.，2023）。Li et al.（2023）指出，瞬態(tài)水汽輻合和瞬態(tài)對(duì)流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)是導(dǎo)致西部地區(qū)CEHPE增加的主要原因，但目前很少研究揭示中國(guó)西部CEHPE發(fā)生時(shí)天氣尺度的環(huán)流異常如何演變，也未厘清為何暴雨會(huì)發(fā)生在高溫之后。因此，本文以西北地區(qū)為研究目標(biāo)，揭示CEHPE發(fā)生時(shí)天氣尺度環(huán)流異常演變，并對(duì)比CEHPE和無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件，指出高溫后發(fā)生暴雨重要影響因素。

隨著極端事件頻率的增加，未來(lái)中國(guó)各地CEHPE可能進(jìn)一步增多，直接影響人民生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，因此有必要深入認(rèn)識(shí)各地CEHPE形成機(jī)制和差異，以提高CEHPE的預(yù)報(bào)和預(yù)警能力。已有的研究表明長(zhǎng)江中下游CEHPE和單獨(dú)熱浪事件的差異主要源自熱浪強(qiáng)度的不同，而我國(guó)東北地區(qū)CEHPE的形成主要受對(duì)流層高層異常反氣旋緯向尺度和強(qiáng)度的影響。然而，在不同區(qū)域，形成CEHPE的大尺度環(huán)流系統(tǒng)、水汽輸送和不穩(wěn)定條件間存在顯著差異，本文以CEHPE頻發(fā)的中國(guó)西部地區(qū)為研究目標(biāo)，深入探討該地區(qū)CEHPE的可能成因和發(fā)生規(guī)律，完善我們對(duì)中國(guó)不同區(qū)域CEHPE形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為提高CEHPE的預(yù)報(bào)和預(yù)警能力提供理論支撐。

1 資料和方法

本研究使用的數(shù)據(jù)包括國(guó)家氣候中心提供的中國(guó)2 400個(gè)觀測(cè)站2 m日最高氣溫和日降水?dāng)?shù)據(jù)（CN05.1；吳佳和高學(xué)杰，2013），歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的再分析資料（ERA5）包括位勢(shì)高度、海平面氣壓、水平和垂直風(fēng)速、比濕、氣溫、潛熱通量、顯熱通量、凈表面短波和長(zhǎng)波輻射通量等要素。研究時(shí)段為1961—2018年。

本文采用的CEHPE定義是熱浪事件結(jié)束后3 d內(nèi)發(fā)生強(qiáng)降水事件，且不考慮強(qiáng)降水出現(xiàn)在熱浪事件期間的情況。當(dāng)日最高氣溫在夏季（6—8月）至少連續(xù)3 d超過(guò)日最高溫度的90個(gè)百分位數(shù)時(shí)，定義為熱浪事件。此百分位數(shù)是針對(duì)每個(gè)格點(diǎn)位置和每個(gè)日期計(jì)算的，使用30 a基準(zhǔn)期（1961—1990年）每日的31 d滑動(dòng)窗口，即以目標(biāo)日期為中心，向前和向后15 d，總共930 d。當(dāng)日降雨量高于雨天（≥0.1 mm）降水量的95％時(shí)，定義為強(qiáng)降水事件。上述熱浪、強(qiáng)降水和CEHPE定義已被證明是合理的，并被普遍使用（Zhai et al.，2005;Perkins and Alexander，2013;Lombardo and Ayyub，2015;Casanueva et al.，2016;Gu et al.，2017;Sun et al.，2017;Zhang and Villarini，2020;Chen et al.，2021;Liao et al.，2021;Wu et al.，2021;You and Wang，2021;Ning et al.，2022;靳鑫桐等，2024;張智煜等，2024）。根據(jù)以上定義，青海省北部和甘肅省西北部的部分地區(qū)在1961—2018年期間經(jīng)歷了60多次CEHPE（圖略），因此，選擇區(qū)域①（95°～105°E，35°～40°N）作為關(guān)鍵區(qū)，以此探討CEHPE的形成機(jī)制；對(duì)于區(qū)域②（82°～92°E，33°～39°N），在最后結(jié)論中加以討論，以驗(yàn)證區(qū)域①所得結(jié)果是否在西北地區(qū)具有一定的普適性。研究時(shí)段內(nèi)，關(guān)鍵區(qū)整體共發(fā)生極端熱浪事件108次，其中有36次在隨后發(fā)生了極端降水，占比33.33％。本文主要采用合成分析方法，并使用t檢驗(yàn)方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

本研究采用溫度變化方程定量計(jì)算大氣的動(dòng)、熱力因素對(duì)極端高溫形成的相對(duì)貢獻(xiàn)：

極端降水本質(zhì)上是強(qiáng)烈的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)，將潛熱和內(nèi)能等其他形式的大氣能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。因此，在進(jìn)行極端降水個(gè)例研究時(shí)，常常計(jì)算對(duì)流有效位能（convective available potential energy，CAPE）（Luo et al.，2017），通過(guò)垂直積分空氣塊與環(huán)境之間從自由對(duì)流層到平衡高度的虛溫差，估算出空氣塊在絕熱上升過(guò)程中可以轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的潛熱和內(nèi)能。因此，理論上CAPE越大，對(duì)流越強(qiáng)。然而，CAPE沒(méi)有充分考慮環(huán)境條件在對(duì)流運(yùn)動(dòng)中的積極作用。例如，在東亞地區(qū)，極端降水可以在接近濕中性層結(jié)的大氣條件下發(fā)生，其特征是從對(duì)流層低層到中層的環(huán)境虛溫幾乎相同，導(dǎo)致CAPE值不高，通常小于500 J·kg-1（Ninomiya，2004;李俊等，2012;Chen et al.，2014）。盡管濕潤(rùn)的對(duì)流層中層降低了CAPE值，但它可以通過(guò)減少對(duì)流層中層干空氣夾卷進(jìn)上升氣流或下沉至邊界層，從而促進(jìn)強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展（Gray，1998;Montgomery et al.，2006）。因此，考慮濕潤(rùn)的對(duì)流層中層對(duì)對(duì)流活動(dòng)的影響，本文使用垂直積分的濕靜力能（moist static energy，MSE）來(lái)表征大氣的不穩(wěn)定能量（Neelin and Held，1987;Ninomiya，2004;李俊等，2012;Chen et al.，2014;Yang et al.，2023），其為內(nèi)能、勢(shì)能與潛熱之和，如下所示：

2 中國(guó)西北地區(qū)CEHPE的時(shí)空演變特征及形成機(jī)制

在CEHPE發(fā)生前5 d，關(guān)鍵區(qū)西北部出現(xiàn)一個(gè)準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)的反氣旋環(huán)流異常，隨時(shí)間持續(xù)向東南方向移動(dòng)，接近關(guān)鍵區(qū)（圖1a1—a3、b1—b3、c1—c3、d1—d3），關(guān)鍵區(qū)的日最高溫逐漸升高（圖2a1—a3），日降水量逐漸減少（圖2b1—b3），當(dāng)其東南部覆蓋關(guān)鍵區(qū)域時(shí)，關(guān)鍵區(qū)開(kāi)始發(fā)生熱浪（圖1a4、a5、b4、b5、c4、c5、d4、d5），且日最高溫的正異常與日降水量負(fù)異常達(dá)到最高點(diǎn)（圖2a4、a5、b4、b5）。熱浪發(fā)生時(shí)，受地表熱強(qiáng)迫影響，關(guān)鍵區(qū)對(duì)流層低層發(fā)展出異常氣旋（圖1a4—a6），高層仍持續(xù)受異常反氣旋控制（圖1d4—d6）。熱浪結(jié)束后，對(duì)流層上層異常反氣旋進(jìn)一步向東南方向移動(dòng)，其中心逐漸遠(yuǎn)離關(guān)鍵區(qū)，而對(duì)流層低層異常氣旋仍在關(guān)鍵區(qū)停留（圖1a6、b6、c6、d6）。此時(shí)關(guān)鍵區(qū)日最高溫與日降水量仍分別保持著顯著的正異常與負(fù)異常（圖2a6、b6）。在熱浪與強(qiáng)降水的間隔期，關(guān)鍵區(qū)上空對(duì)流層低層異常氣旋較強(qiáng)，而高層反氣旋東移減弱，在500 hPa及以上高度，異常反氣旋的西北方向有異常氣旋靠近，關(guān)鍵區(qū)恰好位于異常氣旋東部、異常反氣旋西部，即水平輻散較強(qiáng)的區(qū)域（圖1a7、b7、c7、d7）。與此同時(shí)，日最高溫正異常與日降水量負(fù)異常減弱（圖2a7、b7）。

在極端降水發(fā)生當(dāng)日，對(duì)流層低層異常氣旋與高層異常反氣旋中心同步移出關(guān)鍵區(qū)（圖1a8、b8、c8、d8），日最高溫正異常轉(zhuǎn)為負(fù)異常（圖2a8），日降水量異常由負(fù)變?yōu)檎▓D2b8），西北地區(qū)一次CEHPE過(guò)程結(jié)束。

對(duì)于西北地區(qū)的CEHPE，對(duì)流層低層850 hPa的異常氣溫變化與2 m異常氣溫變化具有較好的一致性（圖3a），因此可通過(guò)分析850 hPa的溫度平衡方程來(lái)揭示地表氣溫異常的主要成因（方程（1））。結(jié)果表明，熱浪開(kāi)始前到熱浪發(fā)生期間，對(duì)流層低層氣溫的增加主要是由異常非絕熱加熱及異常絕熱加熱引起，且非絕熱加熱占主導(dǎo)地位（圖3a、b）。這主要是因?yàn)椋瑹崂似陂g關(guān)鍵區(qū)受準(zhǔn)正壓異常反氣旋控制，與之相聯(lián)系的異常下沉運(yùn)動(dòng)盛行（圖4a—e），一方面大氣下沉絕熱增溫，另一方面云量減少加強(qiáng)了向下的凈短波輻射，加熱陸地表面，而被加熱的陸地表面又向上釋放了更多的長(zhǎng)波輻射，進(jìn)而持續(xù)加熱對(duì)流層低層大氣（圖3b），最終導(dǎo)致了熱浪的形成。

對(duì)于CEHPE，熱浪結(jié)束后伴隨強(qiáng)降水。在低層水汽條件方面，西北地區(qū)熱浪發(fā)生前，雖然地表溫度增加，地表向上的潛熱增加（圖3b），但由于盛行下沉運(yùn)動(dòng)（圖4a—d），因此大尺度水汽輻合顯著減少（圖2d1—4），對(duì)流層整層大氣水汽含量減少（圖2c1—4、3c），導(dǎo)致lt;MSEgt;顯著低于氣候態(tài)（圖3c），大氣不穩(wěn)定能量偏低。熱浪發(fā)生期間以及熱浪和強(qiáng)降水間隔期，由于對(duì)流層低層大氣顯著增溫（圖2a5、a6），形成局地?zé)岬蛪汉蛯?duì)流輻合（圖1a4—6，b4—6），因此對(duì)流層低層水汽含量增加（圖2d5、d6），結(jié)合由于增溫導(dǎo)致的內(nèi)能顯著增加，lt;MSEgt;出現(xiàn)正異常，大氣不穩(wěn)定能量增加，并在熱浪最后一天達(dá)到最大，有利于對(duì)流的進(jìn)一步發(fā)展（圖3c）。因此，在熱浪的最后一天，關(guān)鍵區(qū)上空出現(xiàn)顯著異常上升運(yùn)動(dòng)（圖4f）。在熱浪與強(qiáng)降水的間隔期，關(guān)鍵區(qū)低層低壓異常維持，而對(duì)流層高層反氣旋異常環(huán)流移出關(guān)鍵區(qū)，中心位于關(guān)鍵區(qū)東部（圖1a7、b7、c7、d7）。同時(shí)，在對(duì)流層中高層，關(guān)鍵區(qū)位于槽前脊后（圖1c7），由此產(chǎn)生的中高層輻散有利于低層輻合及對(duì)流進(jìn)一步發(fā)展（圖4g）。此外，對(duì)流層低層異常低壓導(dǎo)致的異常輻合，使得偏南風(fēng)異常將東南方向水汽輸送至關(guān)鍵區(qū)（圖1a7、a8、1b7、b8、9a、9c、9f），提高了當(dāng)?shù)卮髿馑浚▓D2d7、d8、9c）。結(jié)合異常對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)（圖3d、4g—h），異常增多的大氣不穩(wěn)定能量（圖2c7、c8、3c），在熱浪結(jié)束后，關(guān)鍵區(qū)發(fā)生了強(qiáng)降水（圖2b8），形成了一次CEHPE事件。

3 CEHPE與無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件的差異

在1961—2018年，西北關(guān)鍵區(qū)所有熱浪事件中跟隨極端降水的熱浪事件占比為33.33％。因此，研究無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件和CEHPE之間的差異尤為重要，可為CEHPE的預(yù)報(bào)提供理論基礎(chǔ)。結(jié)果顯示，無(wú)強(qiáng)降水熱浪的形成機(jī)制和強(qiáng)度與CEHPE的熱浪幾乎相同：熱浪發(fā)生數(shù)天前，準(zhǔn)正壓異常反氣旋出現(xiàn)在關(guān)鍵區(qū)西北部，并隨時(shí)間向東南方向移動(dòng)，當(dāng)其覆蓋關(guān)鍵區(qū)時(shí)，關(guān)鍵區(qū)盛行下沉氣流，由此引起的絕熱下沉增溫和非絕熱加熱，導(dǎo)致熱浪事件發(fā)生（圖1、2、4—7）。與CEHPE類(lèi)似，在熱浪發(fā)生期間，由于地表熱強(qiáng)迫，關(guān)鍵區(qū)對(duì)流層低層發(fā)展了低壓異常（圖1a4—a6，1b4—b6，5a4—a6，5b4—b6），并引起異常輻合和對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)（圖4f、7f）。然而，與CEHPE不同的是在熱浪最后一天，以及熱浪結(jié)束后，關(guān)鍵區(qū)對(duì)流層低層的低壓異常偏弱，引起輻合上升運(yùn)動(dòng)偏弱（圖4f—h，7f—h）和水平水汽輸送偏弱（圖9），導(dǎo)致大氣不穩(wěn)定能量偏小（圖8b），無(wú)法引發(fā)強(qiáng)降水（圖2b7、b8，6b7、b8）。另外值得一提的是，無(wú)強(qiáng)降水熱浪結(jié)束后，關(guān)鍵區(qū)氣溫正異常仍然持續(xù)了幾天，只是強(qiáng)度并未達(dá)到熱浪閾值，但CEHPE熱浪結(jié)束后，氣溫正異常衰退很快，并在強(qiáng)降水當(dāng)天變?yōu)轱@著的負(fù)異常。

因此無(wú)強(qiáng)降水熱浪和CEHPE的區(qū)別主要體現(xiàn)在熱浪最后一天及熱浪結(jié)束后的氣溫、環(huán)流和不穩(wěn)定能量差異，這些差異可能與引起熱浪的準(zhǔn)正壓反氣旋異常在熱浪結(jié)束后的傳播路徑有關(guān)。由圖1c7、c8和d7、d8可知，在熱浪最后一天和結(jié)束后，CEHPE的準(zhǔn)正壓反氣旋異常中心遠(yuǎn)離關(guān)鍵區(qū)，關(guān)鍵區(qū)位于反氣旋異常的西邊界，因此與反氣旋相聯(lián)系的下沉運(yùn)動(dòng)減弱，這有助于關(guān)鍵區(qū)低層氣旋、低層水汽水平輻合、垂直水汽輸送和上升運(yùn)動(dòng)異常的進(jìn)一步發(fā)展，不穩(wěn)定能量的進(jìn)一步增加，最終引發(fā)強(qiáng)降水。與CEHPE不同的是，無(wú)強(qiáng)降水熱浪最后一天以及結(jié)束后，準(zhǔn)正壓反氣旋異常中心并未移出關(guān)鍵區(qū)（圖5c7、c8，d7、d8），與之相關(guān)下沉運(yùn)動(dòng)壓制了對(duì)流層低層低壓及其伴隨的輻合上升異常的發(fā)展，因此強(qiáng)度遠(yuǎn)小于同時(shí)期的CEHPE。同理，水平水汽輻合，垂直水汽輸送，以及不穩(wěn)定能量也小于同時(shí)期的CEHPE，導(dǎo)致無(wú)法引發(fā)強(qiáng)降水事件。

4 結(jié)論與討論

在全球變暖的背景下，復(fù)合極端天氣和氣候事件頻發(fā)，對(duì)環(huán)境及社會(huì)生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響，因此厘清此類(lèi)事件的形成機(jī)制，為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其發(fā)生發(fā)展提供理論依據(jù)尤為重要。本研究關(guān)注復(fù)合極端高溫降水事件（CEHPE）發(fā)生頻率最高的中國(guó)西北地區(qū)，揭示在天氣尺度上CEHPE的成因，并對(duì)比與無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件的區(qū)別。

在1961—2018年間，中國(guó)西北關(guān)鍵區(qū)（95°～105°E，35°～40°N）共發(fā)生108次熱浪事件，其中36次為CEHPE。我們的分析結(jié)果表明，CEHPE是由上游向東南傳播的準(zhǔn)正壓反氣旋環(huán)流異常所引起：當(dāng)異常環(huán)流中心接近關(guān)鍵區(qū)時(shí)，與之相關(guān)的異常下沉運(yùn)動(dòng)一方面使得大氣下沉增溫，增加了低層大氣溫度，另一方面下沉運(yùn)動(dòng)減少云量，增強(qiáng)了向下的短波輻射，從而加熱地表，被加熱的地表又向上釋放了更多的長(zhǎng)波輻射，進(jìn)一步加熱對(duì)流層低層大氣，最終導(dǎo)致了熱浪的形成。在熱浪發(fā)生時(shí)，由于地表熱強(qiáng)迫，對(duì)流層低層發(fā)展出低壓異常，其伴隨的異常輻合，引導(dǎo)東南方向水汽至關(guān)鍵區(qū)，提高關(guān)鍵區(qū)大氣水汽含量。同時(shí)，增加的大氣水汽含量和增高的氣溫使得熱浪期間關(guān)鍵區(qū)大氣不穩(wěn)定能量異常增強(qiáng)。當(dāng)熱浪結(jié)束后，準(zhǔn)正壓反氣旋異常東移出關(guān)鍵區(qū)，同時(shí)西邊上游方向有異常氣旋靠近，關(guān)鍵區(qū)位于對(duì)流層中高層的槽前脊后，有助于高層輻散低層輻合，因此強(qiáng)對(duì)流迅速發(fā)展，關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)極端降水，完成一次CEHPE的全過(guò)程。

無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件與CEHPE的熱浪在強(qiáng)度和形成機(jī)制上幾乎相同。然而，從熱浪的最后一天開(kāi)始，無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件中準(zhǔn)正壓反氣旋異常水平范圍增大，強(qiáng)度減弱，但中心仍位于關(guān)鍵區(qū)附近，與之相關(guān)下沉運(yùn)動(dòng)可影響關(guān)鍵區(qū)。受此影響，對(duì)流層低層低壓及其伴隨的輻合上升異常的發(fā)展受到壓制，因此對(duì)流層低壓、水平水汽輻合、垂直水汽輸送以及不穩(wěn)定能量異常小于同時(shí)期的CEHPE，導(dǎo)致無(wú)法引發(fā)強(qiáng)降水事件。

引起CEHPE的準(zhǔn)正壓反氣旋環(huán)流異常與關(guān)鍵區(qū)上游對(duì)流層高層西北-東南走向的波列有關(guān)，該波列隨著時(shí)間向東南方向傳播，在東亞?wèn)|岸折向東北方向，相速大約為0.369 m·s-1，該波列中的準(zhǔn)正壓反氣旋異常環(huán)流東南邊緣抵達(dá)關(guān)鍵區(qū)時(shí)，關(guān)鍵區(qū)開(kāi)始發(fā)生熱浪，當(dāng)該異常反氣旋環(huán)流向東移出關(guān)鍵區(qū)時(shí)，熱浪結(jié)束。如果波列移動(dòng)速度更快，那么當(dāng)波列中異常反氣旋抵達(dá)關(guān)鍵區(qū)時(shí)，雖仍可引起關(guān)鍵區(qū)地表高溫異常，但由于異常反氣旋快速東移出關(guān)鍵區(qū)，此時(shí)高溫異常持續(xù)時(shí)間短（小于3 d），不能構(gòu)成一個(gè)熱浪事件。另外，我們認(rèn)為波列向東南方向移動(dòng)的主要原因是中高緯背景西風(fēng)環(huán)流，受此影響，中高緯Rossby波由于多普勒頻移效應(yīng)，導(dǎo)致向東相速度。此外，波列中反氣旋環(huán)流異常影響的區(qū)域，地表氣溫異常升高，而氣旋環(huán)流異常影響的區(qū)域，地表氣溫異常降低。因此，當(dāng)反氣旋環(huán)流異常抵達(dá)關(guān)鍵區(qū)，導(dǎo)致關(guān)鍵區(qū)熱浪，當(dāng)反氣旋環(huán)流異常東移出關(guān)鍵區(qū)，其西部跟隨的氣旋環(huán)流異常和地表低溫異常可能影響關(guān)鍵區(qū)熱浪后的降水。然而，值得指出的是，對(duì)于無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件，反氣旋環(huán)流異常減弱致使熱浪結(jié)束，而其中心并未移出關(guān)鍵區(qū)，所以導(dǎo)致上游氣旋和低溫異常不能接近關(guān)鍵區(qū)，這可能是使得強(qiáng)降水無(wú)法發(fā)生的另一重要因素。

本研究選取了中國(guó)西北地區(qū)（95°～105°E，35°～40°N）為關(guān)鍵區(qū)（區(qū)域①），揭示了CEHPE的成因，并探討其與無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件的區(qū)別。另選取了區(qū)域②（82°～92°E，33°～39°N）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與區(qū)域① 幾乎相同，因此我們的結(jié)論在西北地區(qū)具有一定的普適性。本研究雖然指出CEHPE與無(wú)強(qiáng)降水熱浪事件主要區(qū)別是熱浪最后一天及結(jié)束后，引起熱浪的準(zhǔn)正壓反氣旋異常的形態(tài)和傳播不同導(dǎo)致，但是為何引起此種不同，是否是外強(qiáng)迫發(fā)生變化目前尚不清楚，有待進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)（References）

AghaKouchak A，Cheng L Y，Mazdiyasni O，et al.，2014.Global warming and changes in risk of concurrent climate extremes：insights from the 2014 California drought［J］.Geophys Res Lett，41（24）：8847-8852.DOI：10.1002／2014gl062308.

Alizadeh M R，Adamowski J，Nikoo M R，et al.，2020.A century of observations reveals increasing likelihood of continental-scale compound dry-hot extremes［J］.Sci Adv，6（39）：eaaz4571.DOI：10.1126／sciadv.aaz4571.

Berg P，Moseley C，Haerter J O，2013.Strong increase in convective precipitation in response to higher temperatures［J］.Nat Geosci，6：181-185.DOI：10.1038／ngeo1731.

Casanueva A，Kotlarski S，Herrera S，et al.，2016.Daily precipitation statistics in a EURO-CORDEX RCM ensemble：added value of raw and bias-corrected high-resolution simulations［J］.Climate Dyn，47（3）：719-737.DOI：10.1007／s00382-015-2865-x.

Chen G X，Yoshida R，Sha W M，et al.，2014.Convective instability associated with the eastward-propagating rainfall episodes over eastern China during the warm season［J］.J Climate，27（6）：2331-2339.DOI：10.1175／jcli-d-13-00443.1.

Chen Y，Liao Z，Shi Y，et al.，2021.Detectable increases in sequential flood-heatwave events across China during 1961—2018［J］.Geophys Res Lett，48（6）：e2021GL092549.DOI：10.1029／2021gl092549.

Cowan T，Wheeler M C，Alves O，et al.，2019.Forecasting the extreme rainfall，low temperatures，and strong winds associated with the northern Queensland floods of February 2019［J］.Weather Clim Extrem，26：100232.DOI：10.1016／j.wace.2019.100232.

Donat M G，Lowry A L，Alexander L V，et al.，2016.More extreme precipitation in the world’s dry and wet regions［J］.Nat Clim Change，6：508-513.DOI：10.1038／nclimate2941.

Fischer E M，Knutti R，2015.Anthropogenic contribution to global occurrenceof heavy-precipitation andhigh-temperature extremes［J］.Nat Clim Change，5：560-564.DOI：10.1038／nclimate2617.

Fowler H J，Lenderink G，Prein A F，et al.，2021.Anthropogenic intensification of short-duration rainfall extremes［J］.Nat Rev Earth Environ，2：107-122.DOI：10.1038／s43017-020-00128-6.

Gray W M，1998.The formation of tropical cyclones［J］.Meteor Atmos Phys，67（1）：37-69.DOI：10.1007／BF01277501.

Gu X H，Zhang Q，Singh V P，et al.，2017.Changes in magnitude and frequency of heavy precipitation across China and its potential links to summer temperature［J］.J Hydrol，547：718-731.DOI：10.1016／j.jhydrol.2017.02.041.

IPCC，2014.Climate change 2014：impacts，adaptation，and vulnerability.Part A：global and sectoral aspects[C]//Contribution of Working Group Ⅱ to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge，UK and New York，USA：Cambridge University Press.

江曉菲，江志紅，李偉，2020.全球增溫1.5和2 ℃下中國(guó)東部極端高溫風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，43（6）：1056-1064. Jiang X F，Jiang Z H，Li W，2020.Risk estimation of extreme high temperature in eastern China under 1.5 and 2 ℃ global warming［J］.Trans Atmos Sci，43（6）：1056-1064.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20201011001.（in Chinese）.

靳鑫桐，周波濤，謝文欣，等，2024.影響華北重度和輕度高溫?zé)崂说拇髿獗尘皥?chǎng)差異分析［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，47（1）：124-135. Jin X T，Zhou B T，Xie W X，et al.，2024.Discrepancy in atmospheric background influencing severe and mild heat wave events over North China［J］.Trans Atmos Sci，47（1）：124-135.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20231220010.（in Chinese）.

Kang S，Eltahir E A B，2018.North China Plain threatened by deadly heatwaves due to climate change and irrigation［J］.Nat Commun，9（1）：2894.DOI：10.1038／s41467-018-05252-y.

Kawase H，Imada Y，Tsuguti H，et al.，2020.The heavy rain event of July 2018 in Japan enhanced by historical warming［J］.Bull Amer Meteor Soc，101（1）：S109-S114.DOI：10.1175／bams-d-19-0173.1.

Kovats R S，Hajat S，2008.Heat stress and public health：a critical review［J］.Annu Rev Public Health，29：41-55.DOI：10.1146／annurev.publhealth.29.020907.090843.

Leonard M，Westra S，Phatak A，et al.，2014.A compound event framework for understanding extreme impacts［J］.Wires Clim Change，5（1）：113-128.DOI：10.1002／wcc.252.

Li C X，Min R Y，Gu X H，et al.，2022.Substantial increase in heavy precipitation events preceded by moist heatwaves over China during 1961—2019［J］.Front Environ Sci，10：951392.DOI：10.3389／fenvs.2022.951392.

李俊，王東海，王斌，2012.中尺度對(duì)流系統(tǒng)中的濕中性層結(jié)結(jié)構(gòu)特征［J］.氣候與環(huán)境研究，17（5）：617-627. Li J，Wang D H，Wang B，2012.Structure characteristics of moist neutral stratification in a mesoscale convective system［J］.Climatic Environ Res，17（5）：617-627.（in Chinese）.

Li P X，Zhou T J，Chen X L，2018.Water vapor transport for spring persistent rains over southeastern China based on five reanalysis datasets［J］.Climate Dyn，51（11）：4243-4257.DOI：10.1007／s00382-017-3680-3.

Li W L，Sun B，Wang H J，et al.，2023.Anthropogenic impact on the severity of compound extreme high temperature and drought／rain events in China［J］.npj Clim Atmos Sci，6：79.DOI：10.1038／s41612-023-00413-3.

Liao Z，Chen Y，Li W，et al.，2021.Growing threats from unprecedented sequential flood-hot extremes across China［J］.Geophys Res Lett，48（18）.DOI：10.1029／2021gl094505.

Lombardo F T，Ayyub B M，2015.Analysis of Washington，DC，wind and temperature extremes with examination of climate change for engineering applications［J］.ASCE-ASME J Risk Uncertainty Eng Syst，Part A：Civ Eng，1（1）：04014005.DOI：10.1061／ajrua6.0000812.

Luo Y L，Zhang R H，Wan Q，et al.，2017.The southern China monsoon rainfall experiment （SCMREX） ［J］.Bull Amer Meteor Soc，98：999-1013.

馬潔華，孫建奇，汪君，等，2019.2018年夏季我國(guó)極端降水及滑坡泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（1）：93-99. Ma J H，Sun J Q，Wang J，et al.，2019.Real-time prediction for 2018 JJA extreme precipitation and landslides［J］.Trans Atmos Sci，42（1）：93-99.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20181214001.（in Chinese）.

Molnar P，F(xiàn)atichi S，Gal L，et al.，2015.Storm type effects on super Clausius-Clapeyron scaling of intense rainstorm properties with air temperature［J］.Hydrol Earth Syst Sci，19（4）：1753-1766.DOI：10.5194／hess-19-1753-2015.

Montgomery M T，Nicholls M E，Cram T A，et al.，2006.A vortical hot tower route to tropical cyclogenesis［J］.J Atmos Sci，63（1）：355-386.DOI：10.1175／jas3604.1.

Neelin J D，Held I M，1987.Modeling tropical convergence based on the moist static energy budget［J］.Mon Wea Rev，115（1）：3-12.DOI：10.1175／1520-0493（1987）115lt;0003：mtcbotgt;2.0.co;2.

Ning G C，Luo M，Zhang W，et al.，2022.Rising risks of compound extreme heat-precipitation events in China［J］.Int J Climatol，42（11）：5785-5795.DOI：10.1002／joc.7561.

Ninomiya K，2004.Large-and mesoscale features of Meiyu-Baiu front associated with intense rainfalls［M］／／World scientific series on Asia-Pacific weather and climate.Singapore：World Scientific：404-435.DOI：10.1142／9789812701411_0011.

Peng T T，Zhao L，Zhang L，et al.，2023.Changes in temperature-precipitation compound extreme events in China during the past 119 Years［J］.Earth Space Sci，10（8）：e2022EA002777.DOI：10.1029／2022ea002777.

Perkins S E，Alexander L V，2013.On the measurement of heat waves［J］.J Climate，26（13）：4500-4517.DOI：10.1175／jcli-d-12-00383.1.

Randall D A，Cess R D，Blanchet J P，et al.，1992.Intercomparison and interpretation of surface energy fluxes in atmospheric general circulation models［J］.J Geophys Res，97（D4）：3711-3724.DOI：10.1029／91jd03120.

Shiogama H，F(xiàn)ujimori S，Hasegawa T，et al.，2021.How many hot days and heavy precipitation days will grandchildren experience that break the records set in their grandparents’ lives？［J］.Environ Res Commun，3（6）：061002.DOI：10.1088／2515-7620／ac0395.

Sun Q H，Miao C Y，AghaKouchak A，et al.，2017.Unraveling anthropogenic influence on the changing risk of heat waves in China［J］.Geophys Res Lett，44（10）：5078-5085.DOI：10.1002／2017gl073531.

Trenberth K E，Dai A G，Rasmussen R M，et al.，2003.The changing character of precipitation［J］.Bull Amer Meteor Soc，84（9）：1205-1218.DOI：10.1175／bams-84-9-1205.

Wahl T，Jain S，Bender J，et al.，2015.Increasing risk of compound flooding from storm surge and rainfall for major US cities［J］.Nat Clim Change，5：1093-1097.DOI：10.1038／nclimate2736.

Wang G L，Wang D G，Trenberth K E，et al.，2017.The peak structure and future changes of the relationships between extreme precipitation andtemperature［J］.Nat Clim Change，7：268-274.DOI：10.1038／nclimate3239.

王會(huì)軍，唐國(guó)利，陳海山，等，2020.“一帶一路” 區(qū)域氣候變化事實(shí)、影響及可能風(fēng)險(xiǎn)［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，43（1）：1-9. Wang H J，Tang G L，Chen H S，et al.，2020.The Belt and Road Region climate change：facts，impacts and possible risks［J］.Trans Atmos Sci，43（1）：1-9.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20191110003.（in Chinese）.

Wang S S Y，Kim H，Coumou D，et al.，2019.Consecutive extreme flooding and heat wave in Japan：are they becoming a norm？［J］.Atmos Sci Lett，20（10）.DOI：10.1002／asl.933.

Weber T，Bowyer P，Rechid D，et al.，2020.Analysis of compound climate extremes and exposed population in Africa under two different emission scenarios［J］.Earth’s Future，8（9）.DOI：10.1029／2019ef001473.

吳佳，高學(xué)杰，2013.一套格點(diǎn)化的中國(guó)區(qū)域逐日觀測(cè)資料及與其它資料的對(duì)比［J］.地球物理學(xué)報(bào)，56（4）：1102-1111. Wu J，Gao X J，2013.A gridded daily observation dataset over China region and comparison with the other datasets［J］.Chinese J Geophys，56（4）：1102-1111.DOI：10.6038／cjg20130406.（in Chinese）.

Wu S J，Chan T O，Zhang W，et al.，2021.Increasing compound heat and precipitation extremes elevated by urbanization in South China［J］.Front Earth Sci，9：636777.DOI：10.3389／feart.2021.636777.

Yang M Z，Shi X，Yuan C，et al.，2023.Summer extreme precipitation in southern China from the perspective of moisture static energy［J］.J Climate，36（15）：4967-4986.DOI：10.1175／jcli-d-22-0627.1.

You J W，Wang S，2021.Higher probability of occurrence of hotter and shorter heat waves followed by heavy rainfall［J］.Geophys Res Lett，48（17）：e94831.DOI：10.1029／2021gl094831.

Zhai P M，Zhang X B，Wan H，et al.，2005.Trends in total precipitation and frequency of daily precipitation extremes over China［J］.J Climate，18（7）：1096-1108.DOI：10.1175／jcli-3318.1.

Zhang W，Villarini G，2020.Deadly compound heat stress-flooding hazard across the central United States［J］.Geophys Res Lett，47（15）.DOI：10.1029／2020gl089185.

張智煜，黃安寧，黃丹青，等，2024.從氣候?qū)W角度理解“21.7” 河南特大暴雨的形成機(jī)理［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，47（5）：681-700. Zhang Z Y，Huang A N，Huang D Q，et al.，2024.Understanding the formation mechanism of the “21.7” extreme heavy rainfall event in Henan，China from a climatic perspective［J］.Trans Atmos Sci，47（5）：681-700.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240515001.（in Chinese）.

Zscheischler J，Westra S，van den Hurk B J J M，et al.，2018.Future climate risk from compound events［J］.Nat Clim Change，8：469-477.DOI：10.1038／s41558-018-0156-3.

·ARTICLE·

Mechanisms of compound extreme heat-precipitation events in northwestern China

YANG Yirong YUAN Chaoxia 2

Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry， Education （KLME）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD）/Institute for Climate and Application Research （ICAR）， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；

2Application Laboratory， Japan Agency of Marine-Earth Science and Technology， Yokohama 2360001， Japan

Abstract In the context of global warming，the frequency of compound extreme weather and climate events has increased，posing significant challenges to environmental stability and societal resilience.Understanding the mechanisms driving these events is crucial for improving their prediction and mitigation.This study examines Compound Extreme Heat-Precipitation Events （CEHPE） in Northwest China，a region frequently impacted by such phenomena.The study aims to elucidate the weather-scale dynamics underpinning CEHPE and distinguish them from isolated heatwave events to enhance our understanding of these processes.

CEHPEs are defined as the occurrence of heavy precipitation within 3 days after the end of a heatwave，excluding instances of heavy precipitation during the heatwave itself.Heatwaves are identified when the DMT exceeds the 90th percentile for at least three consecutive days during summer （June-August）.This percentile is calculated for each grid cell and each date using a 31-day sliding window based on 30-year baseline period （1961—1990）.Heavy precipitation events are defined as daily precipitation exceeding the 95th percentile of precipitation on rainy days （≥0.1 mm／d）.

The results reveal that CEHPE are triggered by a quasi-barotropic wave train propagating southeastward from upstream regions.When an anticyclonic circulation center approaches the key region （95°-105°E，35°-40°N），anomalous descent leads to adiabatic warming，raising lower tropospheric air temperatures.Simultaneously，reduced cloud cover enhances downward shortwave radiation，heating the surface.The heated surface emits more longwave radiation，further warming the lower troposphere and initiating a heatwave.During the heatwave，surface thermal forcing generates a low-level cyclonic circulation anomaly，which directs moisture from the southeast into the key region.The resulting increase in moisture and air temperature enhances atmospheric instability.

At the end of the heatwave，when the quasi-barotropic anticyclonic anomaly moves eastward and is succeeded by a cyclonic circulation anomaly，the key region lies west of the upper-level ridge and east of the upper-level trough.This configuration promotes upper-level divergence，lower-level convergence，and rapid convective development，culminating in extreme precipitation and completing the CEHPE cycle.

Mere heatwave events share similar intensity and formation mechanisms with CEHPE.However，in these cases，the quasi-barotropic anticyclonic anomaly expands and weakens but remains centered over the key region，suppressing the development of low-level cyclonic circulation anomalies.Consequently，weaker low-level convergence，moisture transport，and atmospheric instability prevent heavy precipitation.Furthermore，the local weakening of the anomalous anticyclone inhibits the approach of upstream cyclonic circulation anomalies，further reducing the likelihood of precipitation.

This study elucidates the mechanisms underlying CEHPE in Northwest China and highlights their distinct differences from isolated heatwaves.However，the external forcings contributing to these differences remain unclear and merit further investigation.

Keywords compound extreme weather and climate events;heatwave;heavy precipitation;Northwest China

DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240924001

（責(zé)任編輯：袁東敏）