引言
全球气候变暖会造成不同尺度区域天气和极端气候事件的发生概率显著变化。近年来,中国大范围破纪录高温事件接连发生,极端高温天气给社会、经济和生活等造成严重的影响和损失,其作为一种严重的气象灾害已引起社会各界的关注。有气象记录以来海南岛高温日数、高温热浪事件频次均呈显著增加趋势,2000年以后增多尤为突出[1]。持续高温天气不仅会加剧干旱灾害,造成海南荔枝、芒果、黄皮等经济作物减产,也会加大海南电网的用电负荷,严重影响社会经济和人民生活。
国内外研究表明极端高温事件的发生往往与大气环流异常变化有关,西太平洋副热带高压(简称“西太副高”)活动异常是导致我国高温事件发生的主要原因。如2003年我国南方地区出现大范围长时间高温,就与西太副高持续加强西伸密切相关[2,3]。2013年夏季南方持续异常高温也是由于西太副高异常偏强偏西且持续稳定控制长江中下游地区,其控制区内盛行大范围异常下沉运动[4,5,6]。一方面,西太副高与其他环流系统的相互作用会加速高温事件的发展。如热带和中纬度西风带环流配置使得西太副高异常西伸并与大陆暖高压连通,川渝受高压控制进而形成罕见高温[7,8]。持续异常偏强西太副高及其与向东伸展的南亚高压和偏北的西风急流相互作用造成我国华中夏季高温[9,10,11]。西太副高偏南、东亚夏季风偏弱以及东亚副热带急流偏南更促使夏季华南极端高温产生[12],而西太副高偏南偏强也与东亚阻塞高压偏强有关[13]。另一方面,海洋热状况也会直接或间接影响西太副高异常变化,进而导致极端高温事件。西伸加强的西太副高主要外强迫因子是前期赤道中东太平洋的偏暖以及热带印度洋一致偏暖,其中后者的作用更加持续和显著[14]。夏季赤道印度洋海盆一致性增温主要是通过激发的暖性开尔文波,在西北太平洋和我国南方低层激发出反气旋异常环流[15,16,17],同时还通过海气相互作用影响印度洋—西太平洋上空的哈德莱环流圈[18,19],从而使得西太副高加强西伸,导致南方极端高温事件频发。研究表明,前期秋冬季赤道中东太平洋海温异常对菲律宾反气旋具有重要的影响,但到了春夏季这种作用逐渐减弱,尤其夏季菲律宾反气旋的维持主要受印度洋海温异常的影响[20,21]。黑潮区和北半球西风漂流区海温异常偏高也有利于西太副高加强西伸[22]。西太副高长时间维持强度偏强、位置偏西偏南的态势是海南春夏季持续性异常高温天气的主要原因[23,24,25]。然而关于海南异常高温气候学机理成因的研究仍不够深入,现有成果仍不能满足当下气候预测及服务需求。2019年春季海南岛出现了多次范围广、强度强的持续性极端高温天气,多地高温日数、极端最高气温等突破历史极值,然而对其海气异常背景、成因机理尚未明确,因此本文从大气环流异常、海温强迫及其对环流的影响等角度揭示2019年春季异常高温的可能成因,以期为提升海南高温天气的短期预测水平提供科学依据。
1 资料与方法
所用资料包括:(1)1966—2019年海南岛18个国家气象观测站逐日最高气温数据[26];(2)1966—2019年NCEP/NCAR全球逐日、逐月再分析资料[27],包括位势高度场、风场、温度场、相对湿度场、向外长波辐射(outgoing longwave radiation,OLR)、垂直速度等,水平分辨率为2.5°×2.5°;(3)1966—2019年NOAA ERSST V4b逐月海表面温度[28](sea surface temperature,SST),水平分辨率为2°×2°;(4)国家气候中心的气候系统监测指数集资料(https://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_index_130.php),包括西太副高特征指数[29]、关键区海温指数[30]。
文中采用中国气象局规定的El Niño/La Niña事件判别方法[31]定义El Niño/La Niña事件年。气候态取1981—2010年平均值,春季为3—5月、冬季为当年1—2月及前一年12月。
表1 高温热浪事件等级判别标准
Tab.1
| 等级 | 判别标准 |
|---|---|
| 轻度 | 日最高气温大于等于35 ℃的日数持续3~4 d |
| 中度 | 日最高气温大于等于35 ℃的日数持续5~7 d |
| 重度 | 日最高气温大于等于35 ℃的日数持续8 d以上 |
文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1594号的标准地图制作,底图无修改。
2 高温异常特征
图1为2019年春季海南岛高温日数和极端最高气温空间分布。可以看出,高温日数呈西北多东南少的空间分布,高值区集中在西北部,超过15 d,其中昌江、澄迈、儋州、白沙大于等于30 d,昌江最多(40 d);低值区分布在沿海地区。春季极端高温日数也呈类似的空间分布特征(图略),且澄迈、临高、昌江和白沙春季极端高温日数均突破当地历史同期极值。西北部和中部部分地区极端最高气温均超过38.0 ℃,其中临高(41.0 ℃,4月20日)突破当地年极端最高气温历史极值,海口极端最高气温(38.9 ℃,5月19日)突破当地5月极端最高气温历史极值。
图1
图1
2019年春季海南岛高温日数(a,单位:d)和极端最高气温(b,单位:℃)空间分布
Fig.1
Spatial distributions of high temperature days (a,Unit:d) and extremely high temperature (b,Unit: ℃) in the Hainan Island in spring 2019
图2为1966—2019年春季海南岛全岛平均高温日数、极端高温日数和最高气温的年际变化。可以看出,2019年高温日数14.7 d,较常年偏多6.6 d,位居1966年以来历史第4高位;2019年极端高温日数2.9 d,较常年偏多2.4 d,为1966年以来历史同期最多。2019年春季最高气温突破1966年以来历史同期最高值,除琼海外,其余各县(市)最高气温均位居1966年以来历史同期前3高位。综上所述,2019年春季海南岛高温具有极端高温日数多、最高气温高的特点。
图2
图2
1966—2019年春季海南岛全岛平均高温日数、极端高温日数(a)和最高气温(b)的年际变化
Fig.2
The inter-annual variation of high temperature days, extremely high temperature days (a) and maximum temperature (b) averaged over the Hainan Island in spring from 1966 to 2019
图3为2019年海南岛全岛平均春季各月高温日数、极端高温日数与气候态的对比。可以看出, 2019年3月高温日数较常年略偏少,但4月和5月均显著偏多,各月极端高温日数均较气候态明显偏多。
图3
图3
2019年春季各月海南岛全岛平均月高温日数、极端高温日数与气候态的对比
Fig.3
The comparison of monthly high temperature days, extremely high temperature days in spring 2019 and climate state averaged over the Hainan Island
图4 为2019年3月1日至5月31日海南岛逐日高温站数、极端高温站数和全岛平均日最高气温变化。可以看出,2019年春季高温过程始于3月下旬,但持续时间不长,持续性高温过程主要集中在4—5月,其中4月17—30日、5月12—21日出现了覆盖范围广、持续时间长、极端高温高的高温过程。4月17—30日高温过程中,全岛平均日最高气温基本维持在34.0 ℃以上,西北部平均日最高气温高达38.0 ℃,极端高温站数较多,其中临高、澄迈和昌江日最高气温超过39.8 ℃,全岛共6个县(市)出现 8~14 d的重度高温热浪事件,3个县(市)出现轻到中度高温热浪事件;5月12—21日高温过程中,全岛平均日最高气温大于34.0 ℃,最高达37.0 ℃,18—20日高温基本覆盖整个海南岛,其中临高、澄迈和昌江日最高气温达39.5 ℃及以上,8个县(市)出现了6~9 d的中到重度高温热浪事件,5个县(市)出现轻度高温热浪事件。
图4
图4
2019年3月1日至5月31日海南岛逐日高温站数、极端高温站数和全岛平均日最高气温变化
Fig.4
The variation of daily high temperature stations, extremely high temperature stations and average maximum temperature in the Hainan Island from March 1 to May 31 in 2019
综上所述,2019年春季海南岛异常高温天气的特点是极端高温日数多、平均最高气温高、高温覆盖范围广。
3 海气异常特征及成因
3.1 大气环流异常特征
图5为2019年春季500 hPa位势高度及其距平场。可以看出,2019年春季东亚地区500 hPa位势高度距平场呈北低南高的分布特征,我国大部分地区为正位势高度距平;西太副高呈东西向带状分布,其面积较常年偏大、强度偏强、位置偏西,588 dagpm线所包围范围较常年明显偏大,586 dagpm线北扩至华南南部地区,整个海南岛上空处在西太副高主体控制下,盛行异常的下沉气流,同时抑制对流云发展,使得海南岛降雨偏少,出现晴热少雨的天气。
图5
图5
2019年春季500 hPa位势高度(等值线)及其距平场(阴影)(单位:dagpm)
(黑色粗实等值线为2019年586 dagpm和588 dagpm线, 红色粗虚等值线为586 dagpm和588 dagpm气候态)
Fig.5
The 500 hPa geopotential height (isolines) and its anomaly field (the shaded) in spring 2019 (Unit: dagpm)
(the black thick solid isolines for 586 dagpm and 588 dagpm in 2019, red thick dashed isolines for climate state of 586 dagpm and 588 dagpm)
从2019年春季500 hPa位势高度15°N—22°N的平均经度-时间剖面[图6(a)]可以看出,整个春季西太副高都表现出较常年明显西伸的特征。3月上旬西太副高主要位于135°E 以东,3月中旬至下旬出现阶段性西伸,588 dagpm线位置伸至110°E附近;4月中旬前期至4月末西太副高较常年明显西伸扩展,588 dagpm线最大西伸经度跨过90°E,海南岛受副高主体控制,出现高温天气过程;5月中旬西太副高再一次明显向西扩展,西伸脊点较常年明显偏西,长时间稳定在海南岛上空,588 dagpm线基本跨过90°E,5月中旬后海南岛出现明显的大范围高温天气过程。另外,从2019年春季500 hPa位势高度115°E—125°E的平均纬度-时间剖面[图6(b)]可以看出,除了季节性北抬特征外,2019年588 dagpm线较常年明显偏北,其所包围的范围较常年偏大;其间西太副高主要经历了4次明显的北抬,西太副高北界跨过20°N,每次北抬都与海南岛阶段性高温天气过程相对应,尤其是4月17—30日、5月12—21日,海南岛处在偏强的西太副高主体控制下,先后出现明显高温过程。
图6
图6
2019年3月1日至5月31日500 hPa位势高度(单位:dagpm)15°N—22°N平均的经度-时间剖面(a)和115°E—125°E平均的纬度-时间剖面(b)
(实等值线为2019年588 dagpm线,虚等值线为588 dagpm线气候态)
Fig.6
Longitude-time cross-section averaged over 15°N-22°N (a) and latitude-time cross-section averaged over 115°E-125°E (b) of 500 hPa geopotential height (Unit: dagpm) from March 1 to May 31 in 2019
(the solid isolines for 588 dagpm in 2019, the dashed isolines for climate state of 588 dagpm)
1966—2019年春季高温日数与西太副高的强度、面积、西伸脊点的相关系数分别为0.50、0.56和-0.66,均通过α=0.01的显著性检验,即便去除了年代际变化趋势,两两间相关系数仍能通过α=0.01的显著性检验。分析前冬西太副高各特征指数分别与春季高温日数的相关系数发现亦通过α=0.01的显著性检验。可见,春季西太副高是春季高温的主导系统,同时前冬西太副高是春季高温预测的一个重要前期信号。当前冬至春季西太副高异常偏大、偏强、位置偏西时,异常下沉增温作用容易导致海南岛春季高温的发生发展。
图7
图7
2019年春季200 hPa纬向风(等值线)及其距平场(阴影)(单位:m·s-1)
(a,粗实等值线为2019年0、30 m·s-1线,粗虚等值线为0、30 m·s-1线的气候态)和200 hPa散度距平场(b,单位:10-6 s-1)
Fig.7
The 200 hPa zonal wind (isolines) and its anomaly field (the shaded) (Unit: m·s-1)
(a, thick solid isolines for 0 and 30 m·s-1 in 2019, thick dashed isolines for climate state of 0 and 30 m·s-1) and 200 hPa divergence anomaly field (b, Unit: 10-6 s-1) in spring 2019
3.2 热力异常特征
图8为2019年春季850 hPa温度、风和温度平流距平场分布。可以看出,南海南部海域低层存在反气旋式异常环流,海南岛受该异常环流前部西南风控制,这与500 hPa西太副高偏大偏强的特征相对应,同时也说明春季西太副高较深厚、强度稳定。另外,我国西南地区的西南侧存在一个高温异常中心,西南地区存在明显的暖平流距平中心,结合海南岛上空异常西南风来看,这种温度场和风场的配置有利于高温异常中心相对较暖的空气向海南地区输送,海南岛受异常暖平流控制,温度平流距平场也显示海南地区暖平流较常年偏强,暖平流输送有利于局地温度升高,容易形成海南高温天气。
图8
图8
2019年春季850 hPa温度(等值线,单位:K)、风(风矢,单位:m·s-1)和温度平流(阴影,单位:105 K·s-1)距平场分布
Fig.8
Distribution of anomaly field of 850 hPa temperature (isolines, Unit: K), wind (wind vectors, Unit: m·s-1) and temperature advection(the shaded, Unit: 105 K·s-1) in spring 2019
图9
图9
2019年春季OLR(等值线)及其距平场(阴影)分布(单位:W·m-2)
Fig.9
Distribution of OLR (isolines) and its anomaly field (the shaded) in spring 2019 (Unit: W·m-2)
3.3 海温异常特征及其对环流的影响
图10为2019年及2000年以来春季异常高温年前期秋季、冬季和同期春季海温距平场。可以看出,2018年秋季、2019年冬季和春季热带中东太平洋持续偏暖,其中秋冬季最明显,海温正距平主要集中在热带中太平洋,其中心值超过1 ℃,春季正距平值减小,通过Niño3.4指数可以发现2018年秋季开始至2019年春季热带中东太平洋已形成一次El Niño事件,Niño3.4指数在秋末冬初达峰值[36];热带印度洋全区一致偏暖,且海温正距平随季节逐渐增大,其中热带印度洋西部海域偏暖最明显,其海温距平中心值均超过1 ℃;南海海域随季节其异常偏暖程度也逐渐加强,春季海温距平中心值超过1 ℃。2000年以来春季出现异常高温年份(2005、2010、2014、2015、2016年)前期秋冬季和同期春季热带中东太平洋海温正距平在冬季达到峰值后随季节逐渐减小,而热带印度洋全区一致海温正距平则逐渐增高,在春季达最大,但其变化幅度相对平缓。
图10
图10
2019年(a、c、e)及2000年以来春季异常高温年(b、d、f)前期秋季(a、b)、冬季(c、d)和同期春季(e、f)海温距平场(单位:℃)
Fig.10
The SST anomaly fields in previous autumn (a,b), winter (c,d) and spring (e,f) in 2019 (a,c,e) and in anomalously high temperature years since 2000 (b,d,f) (Unit: ℃)
近54 a来海南岛春季高温日数与前期秋季、冬季和同期春季全球海温场和关键海区海温指数的相关性显示,主要的影响区域集中在热带印度洋和热带中东太平洋地区,其中,与同期春季热带印度洋全区一致海温模态(Indian Ocean basin-wide,IOBW)指数、秋冬季热带中太平洋Niño4海温指数的相关系数最大,均大于0.62。进一步分析海南岛春季高温日数与前期秋季、冬季Niño关键区海温指数和春季IOBW指数的偏相关性发现,在线性排除El Niño(热带印度洋海温)影响的情况下,高温日数与春季热带印度洋全区一致海温模(秋冬季热带中太平洋海温)仍呈显著的正相关关系。
综上所述,当秋冬季热带中东太平洋呈现类似El Niño的异常海温分布、春季热带印度洋一致偏暖时,春季海南岛极易出现极端高温事件。
大气环流的长期异常变化与海温异常有着密切关系,热带中东太平洋海温异常必然会引起赤道太平洋Walker环流变化,而海温对东亚大气环流的影响主要表现在局地Hadley环流的异常变化[37]。为分析大气环流对热带太平洋海温的响应特征,图11绘出了1981年以来El Niño、La Niña事件年次年春季及2019年春季5°S—5°N Walker环流距平场和100°E—120°E Hadley环流距平场。可以看出,在El Niño事件年次年春季,赤道地区150°E以东为大范围强盛的上升气流区,即赤道中、东太平洋地区为异常的上升运动,Walker环流偏弱,热带西太平洋至南海地区上升运动偏弱;反之,La Niña事件年次年春季Walker环流偏强,热带西太平洋上升运动有所增强。El Niño事件年次年春季5°N—20°N包含海南岛在内的南海地区存在异常的下沉运动,西太副高高压脊正处在这深厚的下沉气流区,高压脊线与该异常垂直环流的下沉支重合,有利于西太副高的加强西伸。反之,La Niña事件年次年春季西太副高活动区域上升运动偏强,对应西太副高偏弱。2019年春季也表现出类似的对前期热带中东太平洋暖海温信号的响应特征,赤道地区Walker环流偏弱,南海地区盛行异常下沉气流,其下沉区向北延伸超过20°N,西太副高处在偏强Hadley环流北侧的下沉气流区,有利于其加强西伸。
图11
图11
1981年以来El Niño(a、b)、La Niña(c、d)年次年春季及2019年春季(e、f) 5°S—5°N Walker环流距平场(a、c、e, u分量和ω合成)和100°E—120°E Hadley 环流距平场(b、d、f, v分量和ω合成)
(u,v分量单位为m·s-1,ω单位为10-2 Pa·s-1;阴影为垂直速度距平)
Fig.11
The Walker circulation anomaly fields averaged over 5°S-5°N (a,c,e, composition of u component and ω component) and Hadley circulation anomaly fields averaged over 100°E-120°E (b,d,f, composition of v component and ω component) in subsequent spring of El Niño (a,b) and La Niña (c,d) years since 1981 and in spring 2019 (e,f)
(Unit of u and v is m·s-1,Unit of ω is 10-2 Pa·s-1; the shaded for vertical velocity anomaly)
综上所述,2019年前期秋冬季至春季热带中东太平洋、热带印度洋的暖海温异常通过海气相互作用、大气遥相关等作用,促使春季西太副高加强西伸并控制海南岛上空,进而造成海南岛2019年春季出现极端高温天气。
4 结论
(1)2019年春季海南岛全岛极端高温日数多、最高气温高、高温覆盖范围广。高温日数呈西北多东南少的空间分布特征;全岛平均高温日数14.7 d,较常年偏多,位居历史同期第4高位;平均极端高温日数和平均最高气温均突破历史同期最高值。其中4月中旬后期至下旬末和5月中旬出现了范围广、持续时间长、日最高气温高的高温过程。
(2)西太副高是2019年海南岛春季高温的主导系统。2019年春季西太副高持续面积偏大、强度偏强、位置偏西,整个海南岛受副高主体异常偏强的下沉运动控制,其加强的下沉增温作用造成海南岛出现极端高温天气。
(3)2019年春季东亚中高纬地区西风急流偏强,南海—菲律宾地区热带对流活动受抑制,均有利于西太副高的加强西伸和稳定维持,下沉绝热增温作用加强;低层配合异常的西南风往海南岛的暖平流输送,使得海南岛局地增温明显,最终导致高温发生发展。
(4)2018年秋季至2019年春季,热带中东太平洋形成一次El Niño事件且秋冬季信号最显著,热带地区Walker环流偏弱,热带西太平洋至南海上升运动偏弱,同时西太副高处在局地异常Hadley环流北侧的下沉运动区;热带印度洋持续偏暖且春季最显著。可见,热带中东太平洋和热带印度洋异常海温分布均有利于西太副高的加强西伸,并控制整个海南岛区域,形成极端高温天气。
参考文献
The impact of Indian Ocean variability on high temperature extremes across the southern Yangtze River valley in late summer
[J].
A strengthened influence of ENSO on August high temperature extremes over the southern Yangtze River valley since the late 1980s
[J].
The NCEP/NCAR 40year reanalysis project
[J].
Extended reconstructed sea surface temperature version 4 (ERSST.v4). Part I: upgrades and intercomparisons
[J].
Anomalous warming in the Indian Ocean coincident with El Niño
[J].
Impacts of different types of El Niño on the East Asian climate: focus on ENSO cycles
[J].
Indian Ocean capacitor effect on Indo-Western Pacific climate during the summer following El Niño
[J].
Role of Indian ocean warming in the development of Philippine sea anticyclone during ENSO
[J].
