2021, Vol. 41
2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100
2. Key Laboratory of Physical Oceanography of Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第四次评估报告指出，在过去的100 a(1906—2005年)里，全球地表平均气温升高了0.74 ℃，到21世纪末，全球平均地表气温可能升高1.1~6.4 ℃。对于我国夏季高温的研究已有很多，张宇等[1]发现，不论是针对夏季高温异常个例，还是研究大范围高温事件的气候变化特征，其中最重要的结论是我国夏季高温天气的异常影响因素与西太平洋副热带高压(简称“副高”)有紧密的联系。
对于2018年这次阶段性极端高温气候事件，其主要也是由副高极端偏北所引起的，此期间副高位置最北时达到40°N，打破了1958年以来的历史记录，因此，此次副高极端偏北的原因值得研究。
夏季副高活动与中国降雨、台风活动的关系相当密切[2]。若副高活动主体(脊线和北界位置)偏北，对于福建来说易出现多台风年; 反之则易出现少台风年。从以往的研究中发现，越赤道气流对副高经向位置的影响很大，许金镜等[3]研究发现，当年5月索马里附近的气流从南半球流向北半球的强度愈强，夏季副高脊线位置愈偏北。林新彬等[4]在对上一年9月至当年9月的月平均索马里越赤道气流与夏季副高脊线作相关后发现，其相关系数最大在上一年10月和当年5月，当上一年10月或当年5月由南向北的越赤道气流越强时，夏季副高脊线越偏北，因此上一年10月越赤道气流变化可作为年度预测信号; 当年5月可作为季度预测信号。而南半球冷空气也通过影响越赤道气流从而影响北半球环流形势，王继志和李麦村[5]、何金海和陈丽臻[6]、FINDLATER[7]指出，南半球冷空气的振荡能向北传播到北半球的赤道辐合带(intertropical convergence zone, ITCZ)，当南半球冷空气爆发后，加强了越赤道气流，从而影响北半球的环流形势。
关于副高的强度变化，巩远发和纪立人[8]研究指出，青藏高原的热力作用可以影响副高的强度以及其内垂直环流的变化。DUAN et al.[9]认为，春季青藏高原感热强，会使夏季副高增强并向西扩展。关于副高的位置变化，罗连升等[10]研究表明，春季高原中南部热源指数偏高将导致副高位置偏西。此外，高原大气非绝热加热作用会通过激发出类似Rossby波列的大气环流结构，影响副高的形态和位置。由此可见，在副高强度演变和位置变化过程中，青藏高原大气热源扮演了重要的角色。
目前也有针对2018年盛夏副高极端偏北原因的研究，LIU et al.[11]以月平均的时间尺度，针对7月进行研究，发现北大西洋正三极海温模式可以在欧洲上空产生一个上层对流层波源，在欧亚大陆上空沿西风急流形成一个向东传播的波列; 当反气旋节点到达东北亚时，副高开始向北移动。当环流异常中的气旋节点遇到青藏高原后，青藏高原东部上空的大气非绝热加热增强，引发了另一个副热带波列，进一步推动了副高的北移。但其仅从月平均的角度，解释了2018年副高极端偏北的原因，并且没有考虑热带及南半球等的影响。本文将从中长期的时间尺度，以候(5 d)平均来对此进行研究，更细致地解释此次副高极端偏北的原因及其影响机制。
1 资料与方法 1.1 资料本文应用的资料包括：1)欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim(ECMWF Re-Analysis-Interim)逐日总云量资料，水平分辨率为1°×1°; 2)美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料提供的位势高度场、风场、omega场的逐日再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°; 3)中国地面气候资料日值数据集(V3.0)中的699个站点的逐日数据，选取青藏高原地区(70°~105°E，25°~45°N)内的测站作为研究对象，应用风速、0 cm地温及气温三个要素。研究使用资料时段为1981—2018年共38 a，平均气候态取1981—2010年要素的平均值。
1.2 方法 1.2.1 谐波分析方法利用谐波分析对不同尺度的波动分析[12]，分别沿各个纬圈φ将高度值对经度λ展成傅里叶级数，对不同时间的等压面高度场进行谐波分析，得到
| $ \begin{array}{l} H\left( {\lambda , \varphi , t} \right) = \sum {{A_k}} \left( {\varphi , t} \right){\rm{cos}}\left( {k\lambda } \right)\\ \;\;\;\;\;\;\;\; + {B_k}\left( {\varphi , t} \right){\rm{sin}}\left( {k\lambda } \right) \end{array} $ | (1) |
式中H(λ, φ, t)为位势高度场沿纬圈的波动分量，k为纬向波数，Ak(φ, t)和Bk(φ, t)分别表示余弦和正弦波的展开系数，这里Ak(φ, t)和Bk(φ, t)是纬度和时间的函数。
1.2.2 青藏高原感热计算对高原大气热源的计算主要为正算法和倒算法，本文应用正算法对青藏高原的感热进行计算。正算法又称为直接计算法，即运用参数化方案，或者根据经验公式对感热分量进行计算，其优点是算法简单直接，计算公式[13]如下所述。感热SH计算公式为：
| $ {S_{\rm{H}}} = {c_p}\rho {C_{{\rm{DH}}}}{V_0}\left( {{T_{\rm{s}}} - {T_{\rm{a}}}} \right) $ | (2) |
其中：cp指在常压下干空气的比热; ρ是空气密度; CDH指热量拖曳系数; V0通常取10 m平均风速; Ts为地表温度; Ta为2 m气温; (Ts-Ta)为地气温差。
2 2018年盛夏辽宁阶段性高温过程2018年盛夏辽宁地区温度持续升高，最高温度达到37.4 ℃，根据2018年7月20日—8月12日的日最高气温(图 1)，温度在7月26日开始快速上升，并在7月28日突破35 ℃，于8月2日达到最高气温37.4 ℃。根据中央气象台的规定，单站日最高气温≥35 ℃定义为高温天气，高温天气连续出现3 d以上为持续性高温天气。此次极端高温过程持续到8月4日，随后气温开始下降，综合此次高温过程的升温及持续时间，确定7月第六候及8月第一候为此次极端高温事件中温度最高的时间。接下来，本文将采用候平均的时间尺度，以7月第一候到8月第二候共8个候为研究时间，对此次高温事件的成因及影响机制进行探究。
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图 1 2018年7月20日—8月12日辽宁日最高气温(蓝线：温度变化折线，红点：8月2日最高气温; 单位：℃) 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个候副高的位置变化(图 2)发现，在7月第一候至第三候期间，副高脊线基本位于35°N附近，并于7月第四候开始北移，在7月第六候和8月第一候达到其最北位置40°N附近，与辽宁此次高温事件中最热的时间段相对应，因此基本可以确定，副高的极端偏北是此次高温事件的主要原因。此时间段内副高偏北的原因值得探讨。
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图 2 2018年7月第一候—8月第二候500 hPa中5 880线的位置(蓝线表示2018年，黑线表示平均气候态，单位：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) |
由北半球500 hPa全球的环流形势(图 3)来看，7月第四候开始，欧洲上空出现一个高压脊，并随时间逐渐东移发展，于7月第六候时移动到120°E处，最终影响到辽宁地区。同时，对这段时间内的500 hPa位势高度进行谐波分解，得到1~6波的方差贡献时间序列(图 4)，可明显发现，在赤道附近，基本上都是以1波为主，同时，20°N的位置1波也是最强的。60°N处7月第六候及8月第一候高纬度2波特别明显，与此同时1波减少。在南半球70°S附近，7月第三候、第四候时1波减弱，同时2波、3波增强，可以说，在此期间恰好是由2波、3波的增强填补了1波的减弱。而在40°N辽宁地区所在的纬度带上，7月第一候到第四候，都是1波占优，从第六候开始变为4波占优，并且第六候时6波的方差贡献也相对较大，说明在温度最高的两候时，高纬度60°N由2波主导，辽宁上空主要由4波和6波主导。高纬度处的2波与图 3d、e中欧洲上方高压脊的形成和发展过程相对应。张敏等[14]认为，大气长波的变化对中尺度天气系统的位置有至关重要的影响，并且可能增加中纬度极端天气事件发生的可能性。本文谐波分析的结果与此相印证，在前期，40°N处500 hPa为行星波，极端高温出现后变为大气长波为主导，长波数量的变化易引起极端天气事件。同时，4波和6波在40°N稳定维持约两候时间，在其影响下，高温时间持续两候。
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图 3 7月第一候—8月第二候北半球500 hPa位势高度及距平(色阶表示距平，黑线表示位势高度，等值线间隔160，单位：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) |
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图 4 2018年7月第一候—8月第二候500 hPa位势高度谐波分析1~6波(a. 1波，b. 2波，c. 3波，d. 4波，e. 5波，f. 6波)的方差贡献 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) |
南半球冷空气对北半球的影响主要通过向北的越赤道气流实现，由500 hPa南半球的环流形势(图 5)来看，从7月第三候开始，澳大利亚西南侧出现负的位势高度异常，并一直持续到8月第一候，负异常范围扩大到澳大利亚。谢月玉[15]和XIE et al.[16]发现，当澳大利亚开始有较强冷空气活动后，加强了越赤道气流，继而导致副高有明显的北抬过程。那么，越赤道气流的变化是否能与澳大利亚冷空气的活动相对应？由850 hPa风的v分量异常(图 6)可以发现，7月第一候时印度洋大范围为正异常，第二候、第三候与此相同，并且正异常的范围一直扩展到西太平洋。从7月第三候到7月第五候期间，在70°~130°E内大部分范围内，赤道附近越赤道气流正异常更加明显，并且正异常范围可以连接南海到太平洋。而南海地区在7月第六候—8月第一候均为负异常，7月第五候、第六候以及8月第一候时索马里越赤道气流减弱。
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图 5 7月第一候—8月第二候南半球500 hPa位势高度及距平(色阶表示距平，黑线表示位势高度，等值线间隔240，单位：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) |
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图 6 2018年7月第一候—8月第二候850 hPa风v分量异常场(色阶表示距平，单位：m·s-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: m·s-1; a-h: the first pentad of July-the second pentad of August) |
一般情况下向北越赤道气流的加强使ITCZ的位置北移，本文的ITCZ位置根据总云量绘制，总云量最大处确定为ITCZ位置(图 7)。从平均气候态上来看，在这8个候中，80°~100°E之间，ITCZ主要位于20°N附近，100°~140°E时ITCZ基本位于15°N附近。而从距平场上则可以看出此段时间内ITCZ的位置变化，7月前三候ITCZ位置异常不明显，基本维持在赤道附近，从7月第四候开始一直到8月第一候，80°~100°E处以及120°~140°E处ITCZ有明显偏北，与图 6c—e中70°~130°E向北越赤道气流加强位置上相对应，时间上滞后一候。这就意味着，当7月第三候澳大利亚开始有冷空气活动时，70°~130°E处由南向北的越赤道气流开始加强，导致80°~100°E和120°~140°E处ITCZ位置北移，而副高达到最北的时间比ITCZ达到最北的时间滞后一个候。孙即霖等[17]在研究中也表明，澳大利亚的冷空气活动会导致同期的向北越赤道气流增强，进而导致130°E以西和150°E附近海区上空的ITCZ增强。这说明来自南半球的冷空气影响了越赤道气流，使其加强，进而使一个候后ITCZ北移，从而导致一个候后副高北移。
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图 7 2018年7月第一候—8月第二候根据总云量最大值确定的ITCZ位置(黑线表示平均气候态的ITCZ位置，蓝线表示距平; 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) |
青藏高原是全球海拔最高的高原，对我国东部气候的影响有重要意义[18]。在对副高位置的研究中，青藏高原热源的作用不可忽视。李春晖等[19]认为，若青藏高原夏季热源增强，使东亚海陆热力差异增强，致使东亚夏季风强度增强，副高位置偏东偏北，那么以候平均的时间尺度来看，青藏高原感热的异常变化是否也能对副高的南北位置移动产生影响呢？由于青藏高原数据中心提供的74个常规测站的数据只更新到2016年，这里根据中国地面气候资料日值数据集(V3.0)中699个站点的逐日数据，选取青藏高原地区(70°~105°E，25°~45°N)内的46个测站作为研究对象(剔除部分含缺测值以及数据不连续的测站)，此部分研究只计算分区后的各个区的平均感热，因此只用这46个测站的数据对结果基本没有影响。以海拔高于4 000 m为基准确定青藏高原的大致位置。时间选取6月的六个候和7月的六个候，根据站点的分布以蓝色虚线将青藏高原分为四个区(图 8)，每个区得到一个平均的感热距平数据，具体数据值不在此显示，表 1为此距平的正负情况。由于4区测站过少，这里主要分析1区和2区，也就是青藏高原东部感热异常的情况。6月的六个候基本都为负异常，而7月第六候和8月第一候为副高偏北最明显的时候，在其前期，7月第三候到第五候，1区和2区都呈现为正异常，说明在这三候期间，青藏高原感热是增强的。
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图 8 青藏高原范围内的气象测站(红点表示站点分布，蓝色虚线表示区域划分线) Fig.8 Meteorological stations over the Qinghai-Tibet Plateau (red dot: station distribution, blue dotted line: regional division) |
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表 1 青藏高原三个区的感热异常 Table 1 Sensible thermal anomalies in the three regions of Qinghai-Tibet Plateau |
通过绘制垂直速度场剖面图(图 9)发现，在7月第六候120°E附近下沉运动强烈，中心位于400 hPa处。由400 hPa垂直速度场平面图(图 10)可以看出，在7月第四候时，青藏高原东侧上升运动很强，并且持续到第五候，第六候开始有所减弱，与此对应的是，辽宁地区从7月第五候开始产生下沉运动，并于第六候下沉运动加强。
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图 9 2018年7月第三候—8月第二候40°N剖面上垂直速度(omega)场经度-高度图(a—f依次表示7月第三候—8月第一候，单位：10-2 Pa·s-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 Pa·s-1) |
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图 10 2018年7月第四候—第六候400 hPa垂直速度(omega)场(a—c依次表示7月第四候—第六候，单位：10-2 Pa·s-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 Pa·s-1) |
副高的成因主要是哈得来(Hadley)环流下沉支的作用，这就意味着，前期青藏高原感热增强，有较强的上升气流，高原的热力作用在大陆和海洋之间形成的热力环流圈加强了大洋上Hadley环流的下沉气流，该下沉气流经过一到两候的时间在辽宁和渤海地区下沉，加强了副高位置的北移，同时强烈下沉运动使温度升高。
6 讨论ENSO对副高的位置变化同时有一定影响，2018年是El Niño发展年，就El Niño对副高的影响而言，大量研究表明[20-24]，多数ENSO发展年夏季副高强度偏弱，位置偏东; 钱代丽和管兆勇[25]在研究超强El Niño与普通强度El Niño分别对副高位置的影响时，也证实了不同强度的El Niño对副高的强度、面积和东西位置都有不同程度的影响，但对其南北位置几乎无影响; 薛峰等[26]通过长期统计和合成分析发现，在El Niño发展年，副高异常主要发生在盛夏，但El Niño对其影响基本上也只体现在东西位置变动上。综上所述，由于本文以候平均的时间尺度展开研究，并且只对2018年盛夏副高的极端偏北进行原因分析，在不涉及东西位置变动的情况下，El Niño的影响很小，故暂不考虑。
7 结论根据研究得出，副高位置偏北是多种因素综合影响的结果。
1) 西风带大气波动的影响：7月第一候到第四候40°N由1波主导，而当副高位置达到最北时的7月第六候和8月第一候，40°N变为由4波和6波主导，长波数量的变化易引起极端天气事件，4波和6波在40°N纬度带上稳定维持约两候时间，在其影响下，高温时间持续两候; 500 hPa上7月第四候欧洲上方出现一高压脊，此高压脊发展并东移，与副高断裂开的一支结合，使得副高北移。
2) 南半球冷空气活动加强，使向北的越赤道气流加强，导致副高位置北移。南半球冷空气活动加强，一候后导致70°~130°E向北的越赤道气流加强，又经过一候的时间，使相对应位置80°~100°E和120°~140°E处的赤道辐合带位置北移，进一步引起副高北移，此过程约持续两候。
3) 青藏高原感热增强，导致副高位置北移并加强。前期青藏高原东部感热增强，大洋上Hadley环流的下沉支受高原的热力作用而加强，该下沉气流经过一到两候的时间在辽宁和渤海地区下沉，对副高的北移产生部分影响。
在全球变暖的背景下，极端天气事件频繁出现，如何对这样的极端性天气进行预测？对极端个例从物理机制上进行原因分析，可以为实际天气预报，尤其是中长期预报，提供参考和着眼点。
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