王靜文，孫即霖, 2，寧方悅

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

引言

政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第四次評估報告指出，在過去的100 a(1906—2005年)里，全球地表平均氣溫升高了0.74 ℃，到21世紀末，全球平均地表氣溫可能升高1.1～6.4 ℃。對于我國夏季高溫的研究已有很多，張宇等[1]發(fā)現(xiàn)，不論是針對夏季高溫異常個例，還是研究大范圍高溫事件的氣候變化特征，其中最重要的結(jié)論是我國夏季高溫天氣的異常影響因素與西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)有緊密的聯(lián)系。

對于2018年這次階段性極端高溫氣候事件，其主要也是由副高極端偏北所引起的，此期間副高位置最北時達到40°N，打破了1958年以來的歷史記錄，因此，此次副高極端偏北的原因值得研究。

夏季副高活動與中國降雨、臺風活動的關(guān)系相當密切[2]。若副高活動主體(脊線和北界位置)偏北，對于福建來說易出現(xiàn)多臺風年；反之則易出現(xiàn)少臺風年。從以往的研究中發(fā)現(xiàn)，越赤道氣流對副高經(jīng)向位置的影響很大，許金鏡等[3]研究發(fā)現(xiàn)，當年5月索馬里附近的氣流從南半球流向北半球的強度愈強，夏季副高脊線位置愈偏北。林新彬等[4]在對上一年9月至當年9月的月平均索馬里越赤道氣流與夏季副高脊線作相關(guān)后發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)系數(shù)最大在上一年10月和當年5月，當上一年10月或當年5月由南向北的越赤道氣流越強時，夏季副高脊線越偏北，因此上一年10月越赤道氣流變化可作為年度預測信號；當年5月可作為季度預測信號。而南半球冷空氣也通過影響越赤道氣流從而影響北半球環(huán)流形勢，王繼志和李麥村[5]、何金海和陳麗臻[6]、FINDLATER[7]指出，南半球冷空氣的振蕩能向北傳播到北半球的赤道輻合帶(intertropical convergence zone, ITCZ)，當南半球冷空氣爆發(fā)后，加強了越赤道氣流，從而影響北半球的環(huán)流形勢。

關(guān)于副高的強度變化，鞏遠發(fā)和紀立人[8]研究指出，青藏高原的熱力作用可以影響副高的強度以及其內(nèi)垂直環(huán)流的變化。DUAN et al.[9]認為，春季青藏高原感熱強，會使夏季副高增強并向西擴展。關(guān)于副高的位置變化，羅連升等[10]研究表明，春季高原中南部熱源指數(shù)偏高將導致副高位置偏西。此外，高原大氣非絕熱加熱作用會通過激發(fā)出類似Rossby波列的大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)，影響副高的形態(tài)和位置。由此可見，在副高強度演變和位置變化過程中，青藏高原大氣熱源扮演了重要的角色。

目前也有針對2018年盛夏副高極端偏北原因的研究，LIU et al.[11]以月平均的時間尺度，針對7月進行研究，發(fā)現(xiàn)北大西洋正三極海溫模式可以在歐洲上空產(chǎn)生一個上層對流層波源，在歐亞大陸上空沿西風急流形成一個向東傳播的波列；當反氣旋節(jié)點到達東北亞時，副高開始向北移動。當環(huán)流異常中的氣旋節(jié)點遇到青藏高原后，青藏高原東部上空的大氣非絕熱加熱增強，引發(fā)了另一個副熱帶波列，進一步推動了副高的北移。但其僅從月平均的角度，解釋了2018年副高極端偏北的原因，并且沒有考慮熱帶及南半球等的影響。本文將從中長期的時間尺度，以候(5 d)平均來對此進行研究，更細致地解釋此次副高極端偏北的原因及其影響機制。

1 資料與方法

1.1 資料

本文應用的資料包括：1)歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的ERA-Interim(ECMWF Re-Analysis-Interim)逐日總云量資料，水平分辨率為1°×1°；2)美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)再分析資料提供的位勢高度場、風場、omega場的逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°；3)中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)中的699個站點的逐日數(shù)據(jù)，選取青藏高原地區(qū)(70°～105°E，25°～45°N)內(nèi)的測站作為研究對象，應用風速、0 cm地溫及氣溫三個要素。研究使用資料時段為1981—2018年共38 a，平均氣候態(tài)取1981—2010年要素的平均值。

1.2 方法

1.2.1 諧波分析方法

利用諧波分析對不同尺度的波動分析[12]，分別沿各個緯圈φ將高度值對經(jīng)度λ展成傅里葉級數(shù)，對不同時間的等壓面高度場進行諧波分析，得到

H(λ,φ,t)=∑Ak(φ,t)cos(kλ) +Bk(φ,t)sin(kλ)

(1)

式中H(λ,φ,t)為位勢高度場沿緯圈的波動分量，k為緯向波數(shù)，Ak(φ,t)和Bk(φ,t)分別表示余弦和正弦波的展開系數(shù)，這里Ak(φ,t)和Bk(φ,t)是緯度和時間的函數(shù)。

1.2.2 青藏高原感熱計算

對高原大氣熱源的計算主要為正算法和倒算法，本文應用正算法對青藏高原的感熱進行計算。正算法又稱為直接計算法，即運用參數(shù)化方案，或者根據(jù)經(jīng)驗公式對感熱分量進行計算，其優(yōu)點是算法簡單直接，計算公式[13]如下所述。感熱SH計算公式為：

SH=cpρCDHV0(Ts-Ta)

(2)

其中：cp指在常壓下干空氣的比熱；ρ是空氣密度；CDH指熱量拖曳系數(shù)；V0通常取10 m平均風速；Ts為地表溫度；Ta為2 m氣溫；(Ts-Ta)為地氣溫差。

2 2018年盛夏遼寧階段性高溫過程

2018年盛夏遼寧地區(qū)溫度持續(xù)升高，最高溫度達到37.4 ℃，根據(jù)2018年7月20日—8月12日的日最高氣溫(圖1)，溫度在7月26日開始快速上升，并在7月28日突破35 ℃，于8月2日達到最高氣溫37.4 ℃。根據(jù)中央氣象臺的規(guī)定，單站日最高氣溫≥35 ℃定義為高溫天氣，高溫天氣連續(xù)出現(xiàn)3 d以上為持續(xù)性高溫天氣。此次極端高溫過程持續(xù)到8月4日，隨后氣溫開始下降，綜合此次高溫過程的升溫及持續(xù)時間，確定7月第六候及8月第一候為此次極端高溫事件中溫度最高的時間。接下來，本文將采用候平均的時間尺度，以7月第一候到8月第二候共8個候為研究時間，對此次高溫事件的成因及影響機制進行探究。

圖1 2018年7月20日—8月12日遼寧日最高氣溫(藍線：溫度變化折線，紅點：8月2日最高氣溫；單位：℃)Fig.1 Daily maximum temperature in Liaoning from July 20 to August 12, 2018(blue line: temperature, red dot: the maximum temperature on August 2, units:℃)

由8個候副高的位置變化(圖2)發(fā)現(xiàn)，在7月第一候至第三候期間，副高脊線基本位于35°N附近，并于7月第四候開始北移，在7月第六候和8月第一候達到其最北位置40°N附近，與遼寧此次高溫事件中最熱的時間段相對應，因此基本可以確定，副高的極端偏北是此次高溫事件的主要原因。此時間段內(nèi)副高偏北的原因值得探討。

圖2 2018年7月第一候—8月第二候500 hPa中5 880線的位置(藍線表示2018年，黑線表示平均氣候態(tài)，單位：gpm； a—h依次表示7月第一候—8月第二候)Fig.2 Position of line 5 880 in 500 hPa from the first pentad of July to the second pentad of August, 2018(blue line: in 2018, black line: mean climate state, units: gpm; a-h: the first pentad of July-the second pentad of August)

3 500 hPa環(huán)流形勢及諧波分析

由北半球500 hPa全球的環(huán)流形勢(圖3)來看，7月第四候開始，歐洲上空出現(xiàn)一個高壓脊，并隨時間逐漸東移發(fā)展，于7月第六候時移動到120°E處，最終影響到遼寧地區(qū)。同時，對這段時間內(nèi)的500 hPa位勢高度進行諧波分解，得到1～6波的方差貢獻時間序列(圖4)，可明顯發(fā)現(xiàn)，在赤道附近，基本上都是以1波為主，同時，20°N的位置1波也是最強的。60°N處7月第六候及8月第一候高緯度2波特別明顯，與此同時1波減少。在南半球70°S附近，7月第三候、第四候時1波減弱，同時2波、3波增強，可以說，在此期間恰好是由2波、3波的增強填補了1波的減弱。而在40°N遼寧地區(qū)所在的緯度帶上，7月第一候到第四候，都是1波占優(yōu)，從第六候開始變?yōu)?波占優(yōu)，并且第六候時6波的方差貢獻也相對較大，說明在溫度最高的兩候時，高緯度60°N由2波主導，遼寧上空主要由4波和6波主導。高緯度處的2波與圖3d、e中歐洲上方高壓脊的形成和發(fā)展過程相對應。張敏等[14]認為，大氣長波的變化對中尺度天氣系統(tǒng)的位置有至關(guān)重要的影響，并且可能增加中緯度極端天氣事件發(fā)生的可能性。本文諧波分析的結(jié)果與此相印證，在前期，40°N處500 hPa為行星波，極端高溫出現(xiàn)后變?yōu)榇髿忾L波為主導，長波數(shù)量的變化易引起極端天氣事件。同時，4波和6波在40°N穩(wěn)定維持約兩候時間，在其影響下，高溫時間持續(xù)兩候。

圖3 7月第一候—8月第二候北半球500 hPa位勢高度及距平(色階表示距平，黑線表示位勢高度，等值線間隔160，單位：gpm；a—h依次表示7月第一候—8月第二候)Fig.3 500 hPa geopotential height and anomaly in the northern hemisphere from the first pentad of July to the second pentad of August (color scale: anomaly, black line: geopotential height with an interval of 160, units: gpm; a-h: the first pentad of July-the second pentad of August)

圖4 2018年7月第一候—8月第二候500 hPa位勢高度諧波分析1～6波(a. 1波，b. 2波，c. 3波，d. 4波，e. 5波，f. 6波)的方差貢獻Fig.4 500 hPa geopotential height harmonic analysis from the first pentad of July 2018 to the second pentad of August 2018, variance contribution of 1-6 waves (a-f: 1-6 waves)

4 南半球的影響

南半球冷空氣對北半球的影響主要通過向北的越赤道氣流實現(xiàn)，由500 hPa南半球的環(huán)流形勢(圖5)來看，從7月第三候開始，澳大利亞西南側(cè)出現(xiàn)負的位勢高度異常，并一直持續(xù)到8月第一候，負異常范圍擴大到澳大利亞。謝月玉[15]和XIE et al.[16]發(fā)現(xiàn)，當澳大利亞開始有較強冷空氣活動后，加強了越赤道氣流，繼而導致副高有明顯的北抬過程。那么，越赤道氣流的變化是否能與澳大利亞冷空氣的活動相對應？由850 hPa風的v分量異常(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，7月第一候時印度洋大范圍為正異常，第二候、第三候與此相同，并且正異常的范圍一直擴展到西太平洋。從7月第三候到7月第五候期間，在70°～130°E內(nèi)大部分范圍內(nèi)，赤道附近越赤道氣流正異常更加明顯，并且正異常范圍可以連接南海到太平洋。而南海地區(qū)在7月第六候—8月第一候均為負異常，7月第五候、第六候以及8月第一候時索馬里越赤道氣流減弱。

圖5 7月第一候—8月第二候南半球500 hPa位勢高度及距平(色階表示距平，黑線表示位勢高度，等值線間隔240，單位：gpm；a—h依次表示7月第一候—8月第二候)Fig.5 Geopotential height and anomaly at 500 hPa in the Southern Hemisphere from the first pentad of July to the second pentad of August (color scale: anomaly, black line: geopotential height with an interval of 240, units: gpm; a-h: the first pentad of July-the second pentad of August)

圖6 2018年7月第一候—8月第二候850 hPa風v分量異常場(色階表示距平，單位：ms-1；a—h依次表示7月第一候—8月第二候)Fig.6 Anomalous field of v component of 850 hPa wind from the first pentad of July to the second pentad of August, 2018 (color scale: anomaly, units: ms-1; a-h: the first pentad of July-the second pentad of August)

一般情況下向北越赤道氣流的加強使ITCZ的位置北移，本文的ITCZ位置根據(jù)總云量繪制，總云量最大處確定為ITCZ位置(圖7)。從平均氣候態(tài)上來看，在這8個候中，80°～100°E之間，ITCZ主要位于20°N附近，100°～140°E時ITCZ基本位于15°N附近。而從距平場上則可以看出此段時間內(nèi)ITCZ的位置變化，7月前三候ITCZ位置異常不明顯，基本維持在赤道附近，從7月第四候開始一直到8月第一候，80°～100°E處以及120°～140°E處ITCZ有明顯偏北，與圖6c—e中70°～130°E向北越赤道氣流加強位置上相對應，時間上滯后一候。這就意味著，當7月第三候澳大利亞開始有冷空氣活動時，70°～130°E處由南向北的越赤道氣流開始加強，導致80°～100°E和120°～140°E處ITCZ位置北移，而副高達到最北的時間比ITCZ達到最北的時間滯后一個候。孫即霖等[17]在研究中也表明，澳大利亞的冷空氣活動會導致同期的向北越赤道氣流增強，進而導致130°E以西和150°E附近海區(qū)上空的ITCZ增強。這說明來自南半球的冷空氣影響了越赤道氣流，使其加強，進而使一個候后ITCZ北移，從而導致一個候后副高北移。

圖7 2018年7月第一候—8月第二候根據(jù)總云量最大值確定的ITCZ位置(黑線表示平均氣候態(tài)的ITCZ位置，藍線表示距平；a—h依次表示7月第一候—8月第二候)Fig.7 ITCZ positions determined according to the maximum total cloud cover from the first pentad of July 2018 to the second pentad of August 2018 (black line: ITCZ position of the mean climate state, blue line: anomaly; a-h: the first pentad of July-the second pentad of August)

5 青藏高原感熱變化

青藏高原是全球海拔最高的高原，對我國東部氣候的影響有重要意義[18]。在對副高位置的研究中，青藏高原熱源的作用不可忽視。李春暉等[19]認為，若青藏高原夏季熱源增強，使東亞海陸熱力差異增強，致使東亞夏季風強度增強，副高位置偏東偏北，那么以候平均的時間尺度來看，青藏高原感熱的異常變化是否也能對副高的南北位置移動產(chǎn)生影響呢？由于青藏高原數(shù)據(jù)中心提供的74個常規(guī)測站的數(shù)據(jù)只更新到2016年，這里根據(jù)中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)中699個站點的逐日數(shù)據(jù)，選取青藏高原地區(qū)(70°～105°E，25°～45°N)內(nèi)的46個測站作為研究對象(剔除部分含缺測值以及數(shù)據(jù)不連續(xù)的測站)，此部分研究只計算分區(qū)后的各個區(qū)的平均感熱，因此只用這46個測站的數(shù)據(jù)對結(jié)果基本沒有影響。以海拔高于4 000 m為基準確定青藏高原的大致位置。時間選取6月的六個候和7月的六個候，根據(jù)站點的分布以藍色虛線將青藏高原分為四個區(qū)(圖8)，每個區(qū)得到一個平均的感熱距平數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)值不在此顯示，表1為此距平的正負情況。由于4區(qū)測站過少，這里主要分析1區(qū)和2區(qū)，也就是青藏高原東部感熱異常的情況。6月的六個候基本都為負異常，而7月第六候和8月第一候為副高偏北最明顯的時候，在其前期，7月第三候到第五候，1區(qū)和2區(qū)都呈現(xiàn)為正異常，說明在這三候期間，青藏高原感熱是增強的。

表1 青藏高原三個區(qū)的感熱異常

圖8 青藏高原范圍內(nèi)的氣象測站(紅點表示站點分布，藍色虛線表示區(qū)域劃分線)Fig.8 Meteorological stations over the Qinghai-Tibet Plateau (red dot: station distribution, blue dotted line: regional division)

通過繪制垂直速度場剖面圖(圖9)發(fā)現(xiàn)，在7月第六候120°E附近下沉運動強烈，中心位于400 hPa處。由400 hPa垂直速度場平面圖(圖10)可以看出，在7月第四候時，青藏高原東側(cè)上升運動很強，并且持續(xù)到第五候，第六候開始有所減弱，與此對應的是，遼寧地區(qū)從7月第五候開始產(chǎn)生下沉運動，并于第六候下沉運動加強。

圖9 2018年7月第三候—8月第二候40°N剖面上垂直速度(omega)場經(jīng)度-高度圖(a—f依次表示7月第三候—8月第一候，單位：10-2 Pas-1)Fig.9 Longitude-height profile of the vertical velocity (omega) on the 40°N from the third pentad of July to the second pentad of August 2018 (a-f: the third pentad of July-the first pentad of August, units: 10-2 Pas-1)

圖10 2018年7月第四候—第六候400 hPa垂直速度(omega)場(a—c依次表示7月第四候—第六候，單位：10-2 Pas-1)Fig.10 Vertical velocity (omega) fields on 400 hPa from the fourth pentad to the sixth pentad in July 2018 (a-c: the fourth pentad in July-the sixth pentad in July 2018, units: 10-2 Pas-1)

副高的成因主要是哈得來(Hadley)環(huán)流下沉支的作用，這就意味著，前期青藏高原感熱增強，有較強的上升氣流，高原的熱力作用在大陸和海洋之間形成的熱力環(huán)流圈加強了大洋上Hadley環(huán)流的下沉氣流，該下沉氣流經(jīng)過一到兩候的時間在遼寧和渤海地區(qū)下沉，加強了副高位置的北移，同時強烈下沉運動使溫度升高。

6 討論

ENSO對副高的位置變化同時有一定影響，2018年是El Nio發(fā)展年，就El Nio對副高的影響而言，大量研究表明[20-24]，多數(shù)ENSO發(fā)展年夏季副高強度偏弱，位置偏東；錢代麗和管兆勇[25]在研究超強El Nio與普通強度El Nio分別對副高位置的影響時，也證實了不同強度的El Nio對副高的強度、面積和東西位置都有不同程度的影響，但對其南北位置幾乎無影響；薛峰等[26]通過長期統(tǒng)計和合成分析發(fā)現(xiàn)，在El Nio發(fā)展年，副高異常主要發(fā)生在盛夏，但El Nio對其影響基本上也只體現(xiàn)在東西位置變動上。綜上所述，由于本文以候平均的時間尺度展開研究，并且只對2018年盛夏副高的極端偏北進行原因分析，在不涉及東西位置變動的情況下，El Nio的影響很小，故暫不考慮。

7 結(jié)論

根據(jù)研究得出，副高位置偏北是多種因素綜合影響的結(jié)果。

1)西風帶大氣波動的影響：7月第一候到第四候40°N由1波主導，而當副高位置達到最北時的7月第六候和8月第一候，40°N變?yōu)橛?波和6波主導，長波數(shù)量的變化易引起極端天氣事件，4波和6波在40°N緯度帶上穩(wěn)定維持約兩候時間，在其影響下，高溫時間持續(xù)兩候；500 hPa上7月第四候歐洲上方出現(xiàn)一高壓脊，此高壓脊發(fā)展并東移，與副高斷裂開的一支結(jié)合，使得副高北移。

2)南半球冷空氣活動加強，使向北的越赤道氣流加強，導致副高位置北移。南半球冷空氣活動加強，一候后導致70°～130°E向北的越赤道氣流加強，又經(jīng)過一候的時間，使相對應位置80°～100°E和120°～140°E處的赤道輻合帶位置北移，進一步引起副高北移，此過程約持續(xù)兩候。

3)青藏高原感熱增強，導致副高位置北移并加強。前期青藏高原東部感熱增強，大洋上Hadley環(huán)流的下沉支受高原的熱力作用而加強，該下沉氣流經(jīng)過一到兩候的時間在遼寧和渤海地區(qū)下沉，對副高的北移產(chǎn)生部分影響。

在全球變暖的背景下，極端天氣事件頻繁出現(xiàn)，如何對這樣的極端性天氣進行預測？對極端個例從物理機制上進行原因分析，可以為實際天氣預報，尤其是中長期預報，提供參考和著眼點。