极端高温对人类生存、社会经济发展、水资源和生态环境造成严重威胁(Robine et al.,2008),特别是近20a来极端高温事件频发,其中2003年和2010年欧洲的高温热浪事件造成了数万人死亡(Poumadere et al.,2005;García-Herrera et al.,2010;Fischer and Knutti,2015)。中国是深受极端高温严重影响的国家之一(谈建国和黄家鑫,2004;张尚印等,2005),极端高温对我国的人民生活、社会经济发展以及生态环境等都会造成重大影响(黄荣辉等,1999;何勇等,2007;姚凤梅和张佳华,2009;黄荣辉和杜振彩,2010;张可慧等,2011;谢盼等,2015;杨菲,2018)。例如,持续高温可以引起农作物产量及品质下降,也极易引发森林或草原火灾。另外,高温热浪会加大供水和电力系统负荷,影响工业生产(徐金芳等,2009)。更重要的是,高温热浪能导致中暑、热衰竭、热痉挛等一系列疾病的发生,并可诱发呼吸系统、心血管系统疾病等,从而导致发病率和死亡率升高(王敏珍等,2012)。随着温室气体的排放增加,全球变暖加剧,高温热浪事件的发生更加频繁、强度更强且持续时间更长,已引起各国政府和科学界广泛关注,并成为气候变化的研究的热点之一(Schr et al.,2004;Fischer and Schr,2010;高丽等,2019;江晓菲等,2020)。在全球增暖背景下,我国东北地区为增暖显著区域,增暖速度高于我国平均水平(李东欢等,2017),因此理解中国东北极端高温的变化特征及其可能机理将有助于提高我国短期气候预测水平,为国家减灾防灾和应对气候变化提供科学支持。

许多研究发现,我国夏季极端高温事件发生频次在不同地区之间的差异较大,北方和西南地区极端高温事件频次增加较快,南方增加较慢(Shen et al.,2017)。我国东北地区夏季气温变化主要呈现出全区一致型和南北反向型(侯依玲等,2018),辽宁西部、吉林和黑龙江省出现高温事件的概率相对较高(Guo et al.,2019),增温速度北部大于南部(侯依玲等,2019),极端高温事件显著增加(Xiao and Song,2011;Du et al.,2013;Wang et al.,2016)。东北地区夏季温度有明显的年代际变化特征,且在20世纪90年代中后期发生突变(沈柏竹等,2012;李洋等,2015)。

已有许多研究对我国东北地区夏季极端高温的可能成因进行了研究,其中东北地区对流层中高层存在正位势高度异常/反气旋环流异常是造成极端高温事件发生的直接因素,与反气旋环流异常有关的下沉运动不仅可以通过绝热加热来提高气温,而且还可以减少云层覆盖并增强地表的太阳辐射(孙建奇等,2011;秦玉琳等,2012;Wang et al.,2018;焦敏等,2019;Tao and Zhang,2019;Ren et al.,2020)。Tao and Zhang(2019)认为中国东北地区上空的反气旋异常伴随的下沉气流是造成2018年中国东北夏季高温事件的主要成因,西北太平洋副热带高压的西伸北跳与南亚高压的东伸共同导致了该反气旋异常。同时,东北地区的正位势高度异常/反气旋环流异常也受大气遥相关波列影响(Chen and Lu,2014;Chen et al.,2016;Hong et al.,2017;Deng et al.,2018;Tao and Zhang,2019)。Chen et al.(2016)指出中国东北夏季温度偏高时其上空为正高度场异常和弱的西风急流,且与欧亚遥相关波列有关。有研究指出,影响中国东北夏季温度变化的大气遥相关波列在不同月份是存在差异的,5—6月是从印度半岛传向东北的波列,7—8月为东亚—太平洋/太平洋日本(EAP/PJ)波列(Chen and Lu,2014)。Tao and Zhang(2019)指出,来自北大西洋的波动分成两支向东传播,一支沿中高纬经乌拉尔山地区向东南方向传播,另一支向南传播至地中海附近,而后沿低纬向东传播,最终两支波列汇聚在中国东北地区上空,加强了该地区的反气旋异常。焦敏等(2019)研究发现,南亚高压和西北太平洋副热带高压相向运动并在辽宁地区上空重叠是2018年夏季辽宁异常高温干旱发生的大尺度环流成因,且EAP/PJ型和欧亚(EU)型遥相关是西北太平洋副热带高压异常发展的直接原因。也有不少研究指出,影响夏季中国东北上空的反气旋异常是环球波列或类似丝绸之路波列的一个重要组成部分(Hong et al.,2017;Deng et al.,2018)。

许多研究讨论了海表温度异常对东北极端高温的影响,其中尤其以大西洋以及太平洋海温异常的影响关注最多。Dong et al.(2016)针对东北亚温度/极端温度在1990s中期后的增暖现象进行了数值模拟,指出海温/海冰的变化能解释增暖信号的76%。Zuo et al.(2013)认为,北大西洋海温三极子模态异常可以激发准正压波列并向下游欧亚大陆传播,最终影响东北及其附近地区的气候。我国东北高温热浪事件表现为与ENSO-Modoki显著相关的年际变化(胡心佳等,2016),在中部型El Ni$\tilde{n}$o年,东北高温热浪事件频次偏高(李艳等,2018)。中国东北夏季气温与西北太平洋的日本海及黑潮延伸区海域海温相关密切(李菲等,2010;庄园煌等,2018)。

但是,以往研究大多将中国东北地区高温事件归为一类进行分析,很少对这些高温事件进行分类来研究。因而,本文利用层次聚类分析方法,对中国东北地区夏季极端高温事件发生时的环流异常进行分型,并依此对这些高温事件进行分类,进而探究不同类型极端高温的环流演变特征及其与北大西洋海表温度异常的关系。

1 资料和方法

1.1 资料

统计极端高温事件所使用的逐日最高温度来源于格点化数据集CN05.1(吴佳和高学杰,2013),该数据集是基于2 400余个中国地面气象台站的观测资料插值得到的,水平分辨率为0.25°×0.25°。所使用的高度场及水平风场资料来源于欧洲中期天气预报中心供的ERA-Interim再分析资料(Dee et al.,2011),水平分辨率为2.5°×2.5°。以上资料选取时间段为1979—2016年夏季(6—8月)。本文使用的逐日海温资料为美国国家海洋和大气管理局提供的OISST(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature)数据集(Reynolds and Smith,1994),水平分辨率0.25°×0.25°,选用时间为1982—2016年。

1.2 中国东北极端高温事件定义

将中国东北区域(115°~135°E,40°~55°N)分为9个5°×5°的网格,如图1所示,对每个网格内的逐日最高温度数据进行区域平均处理,以避免局地加热造成的个别格点温度异常,当一个及以上网格的日升温大于1.5倍当日标准差(当日标准差是指基于1979—2016年的该日最高温度的标准差),且当日温度距平大于1.5倍当日标准差时,视为一次极端高温事件发生,温度日距平低于1.5倍标准差时视为该次极端高温事件结束。

1.3 环流分型方法

本文使用层次聚类方法(Rokach and Maimon,2005)对中国东北高温事件爆发当天500hPa环流异常场进行聚类分析。层次聚类是聚类算法的一种,通过计算不同类别数据点间的相似度来创建一棵有层次的嵌套聚类树。在聚类树中,不同类别的原始数据点是树的最低层,树的顶层是一个聚类的根节点。层次聚类的合并算法通过计算两类数据点间的相似性,对所有数据点中最为相似的两个数据点进行组合,并反复迭代这一过程。通过计算每一个类别的数据点与所有数据点之间的距离来确定它们之间的相似性,距离越小,相似度越高。并将距离最近的两个数据点或类别进行组合,生成聚类树。层次聚类使用欧式距离来计算不同类别数据点间的距离(相似度)。

使用平均连接(Average Linkage)方法计算两个组合数据点间的距离D(公式(1)),x₁、y₁和x₂、y₂分别代表每个数据点的坐标。该方法是计算两个组合数据点中的每个数据点与其他所有数据点的距离。将所有距离的均值作为两个组合数据点间的距离。这种方法计算量比较大,但结果更加合理。

1.4 T-N波作用通量

T-N波作用通量能更好地描述非均匀气流中较大振幅的西风带长波扰动,直接反映了Rossby长波演变特征,其广泛应用于波异常传播等气候监测诊断当中(Takaya and Nakamura,2001;施春华等,2017),T-N波通量的二维表达式如下

其中:φ、λ、a分别表示纬度、经度、地球半径;${\psi }^{\mathrm{\text{'}}}=\frac{{\varphi }^{\mathrm{\text{'}}}}{f}$是准地转流函数相对于气候场的扰动;f=2ωsinφ是科式参数;p为气压;U=(U,V)代表气候场。

2 中国东北夏季极端高温天气的环流分型

采用前节定义中国东北极端高温事件的方法,对中国东北地区1979—2016年夏季的极端高温事件进行了统计,共得到极端高温事件259次。利用前节介绍的层次聚类算法对259次极端高温事件爆发当日500hPa位势高度异常进行聚类分析,根据簇间方差最大原则,1979—2016年夏季中国东北的极端高温事件可以被分为3类,结果如图2所示。第一类高温事件爆发当天极地上空位势高度负异常,即极涡偏强,欧亚大陆上空500hPa为准平直西风气流,东北位于浅脊前部,受反气旋异常控制,易出现极端高温事件,本文将这类事件定义为西风型极端高温事件(图2b)。第二类极端高温事件发生时,乌拉尔山上空高压脊向极地发展,新地岛附近上空位势高度显著正异常,形成阻塞型环流异常的结构,东北位于阻塞异常的前部,西北气流下沉加热,使得东北形成阻塞型极端高温事件。第三类极端高温事件发生时,欧亚大陆上空500hPa位势高度异常场表现为“+-+”的波列结构,欧洲上空与中国东北上空为正高度异常,西伯利亚地区上空为负高度异常,形成波列,这类极端高温事件定义为波列型极端高温事件。1979—2016年共38a的夏季中,中国东北共发生西风型极端高温事件113次,阻塞型极端高温事件89次,波列型极端高温事件57次。

分析3类极端高温事件的环流演变过程有助于发现极端高温事件出现的前期信号,本文对3类高温事件爆发4d前,2d前和爆发当天的300hPa位势高度异常进行了合成(图3)。西风型极端高温事件发生前,300hPa位势高度异常较弱,欧洲及西亚上空为一个较弱的“+-+”波列结构,爆发前2d至爆发当天,波列结构逐渐发展加深,在西风带内西风气流的引导下东移,反气旋异常控制在中国东北上空,在此类极端高温事件发展过程中,中高纬度始终处于准平直的西风气流控制,没有较强的槽脊系统。阻塞型极端高温事件发生前,乌拉尔山上空高压脊发展,位势高度正异常不断加强并向东伸展,爆发前2d,东西伯利亚上空有反气旋异常分裂并逐渐向东南移动,在高温事件爆发当天控制东北区域上空。波列型极端高温事件发生时,欧亚大陆上空为两槽一脊型环流,欧州及日本北部受高压脊控制,西伯利亚区域上空为低压槽,从爆发前4d到爆发当天,低压槽不断加深并向东挤压,槽前形成反气旋环流异常,构成一个“+-+”的波列型环流异常结构,欧洲上空与中国东北上空为正高度异常,西伯利亚地区上空为负高度异常,从而造成中国东北地区高温。

使用T-N波作用通量诊断分析了这3类极端高温事件爆发4d前至当天的波活动过程(图4)来从动力学角度分析中国东北地区这3类极端高温事件的演变机制。根据计算公式,计算T-N波通量时选取的背景场为38a同期的气候平均流场。扰动场体现的是排除该时期平均的定常波以后的瞬变波部分。3类极端高温事件过程中的瞬变波活动表现出一个共同点,即瞬变波的活动主要沿北路西风带波动,该瞬变波列调控了北支西风带长波活动,主要表现为调控了槽脊演变。尤其是瞬变波通量方向即能量传播方向的经向分量,对槽脊系统的强弱和演变起重要调控作用。对于西风型极端高温事件发生前,东欧上空扰动迅速加强,能量不断向下游传播,使得新疆北部的弱扰动东移发展形成浅脊,高温爆发当天,东北处于反气旋环流异常控制。阻塞型极端高温事件形成过程与另外两类不同。阻塞系统位于欧亚大陆北部,中心位于新地岛上空附近区域,阻塞系统位置稳定,其西侧的能量输送使得阻塞不断发展加强并从乌拉尔山东侧沿脊线向东南传播,在高温事件当天的东北区域上空形成一个正位势高度扰动。波列型极端高温事件的波活动过程体现了明显的波列特征。高温爆发前4d到前2d,欧洲上空的扰动不断接收来自大西洋区域的能量输送,欧洲上空的高压脊得到发展,能量从欧洲上空的正扰动区域向下游传播。使得西伯利亚平原上空的负扰动不断加深,造成低压槽的加强,波动能量的继续传播造成中国新疆北部区域在爆发前4d出现一个微弱的正扰动,这个扰动不断加强东移,在爆发前2d移动至蒙古地区。在高温事件爆发当天,正扰动发展并移动至东北上空,最终能量的传输通道形成了一个“+-+-”的波列型结构。第三类波列型极端高温事件与第一类西风型极端高温事件不同的是,前者欧洲上空和西伯利亚平原上空的扰动中心更强,且更稳定,中国东北上空形成正扰动后进一步向东传播,在日本上空形成了负扰动中心,使得波列结构继续维持。而后者扰动中心在西风带内均表现出东移的特点,且能量在到达中国东北地区后并未表现出进一步向下游传播的特点。同时分析这3类极端高温事件地面最高温度异常的演变可以发现,西风型和阻塞型极端高温事件主要影响中国北方区域,而波列型极端高温事件发生时,表现为全国性的高温事件,且强度强于前两类极端高温事件。

为进一步分析这3类极端高温事件对中国东北地区造成影响的程度,合成了它们发生前5d至发生5d后的日最高温度日变温及日最高温度距平的演变过程(图5)。日变温可以反映高温事件的持续性,而日距平则可以反映高温事件的强度。3类极端高温事件发生前5d至前3d,日最高温度有降温趋势,结合上文中的环流异常演变过程(图3)可以发现,这是由于在极端高温事件发生前,中国东北区域上空为较弱的负位势高度异常。而在爆发前2d至爆发当天,温度迅速升高,尤其是西风型极端高温事件及波列型极端高温事件的升温最强。极端高温事件发生后,西风型极端高温事件的日变温迅速下降,而波列型极端高温事件的增温效应持续性最强。这可能是由于上游能量的不断输送造成的(图4i),而西风型极端高温事件和阻塞型极端高温事件在高温爆发后并没有持续的能量维持正扰动。从3类极端高温事件发展过程中的中国东北区域日最高温度异常演变(图5b),也可以发现波列型极端高温事件造成的高温效应是持续性最久的。

3 中国东北夏季极端高温与北大西洋海表温度异常的联系

第2节分析表明,中国东北夏季高温的出现与上游槽脊系统的发展有密切联系,波能量来源于欧洲以西的北大西洋区域。大范围的环流异常主要由海温、海冰、积雪和土壤湿度等外强迫因子所造成,尤其是海温异常对大气大尺度环流系统的调控起重要的作用。为了更清楚地了解海温异常对东北地区夏季极端高温事件的影响,对高温事件发生前一个月的北大西洋海表温度与东北地区最高温度做滑动相关,可以看出高温事件发生前10~20d北大西洋海温与东北地区高温的相关性最好,通过了99%置信度检验(图6)。所以,选取东北地区高温爆发前10~20d平均的北大西洋海温进行3类极端高温事件的海温异常合成分析(图7)。由图7可以清楚地看出,只有波列型极端高温事件在北大西洋热带区域有显著的海温异常,其他两类极端高温事件在北大西洋无显著的海温异常区。需要注意的是,由于逐日海表温度资料的时间长度限制(起始年份为1982年),因此,这里的高温事件相应选择1982—2016年夏季发生的事件进行分析。

本文提取了波列型极端高温事件爆发当天的日最高温度,在标准化处理后求取了其与前10~20d平均海温的相关关系(图8a)。可以发现,超前10~20d北大西洋海温关键区(60°~15°W,0°~25°N)内海温与波列型高温事件强度有显著正相关关系,两者的相关系数达到了0.38(图8b)。

为分析关键区海表温度影响波列型中国东北极端高温事件的可能机制,本文分别使用波列型极端高温事件爆发前10~20d海温关键区的平均海表温度距平及爆发当天东北平均最高温度对环流场进行回归(图9)。由图8a可以发现,关键区内的海表面温度正异常有利于激发欧亚大陆上空的波列。当关键区海表面温度正异常时,北大西洋至欧洲上空有遥相关波列维持,波列分南、北两路向东传播,北支波列沿欧洲北部向东传播,南支波列沿非洲北部,到达中东地区后波能量向东北方向传播,两只波列在中西伯利亚区域附近汇合后进一步向东南传播,中国东北区域上空位势高度显著正异常,水平风场为反气旋性环流异常,有利于中国东北地区形成高温天气。类似地,波列型极端高温事件爆发当天日最高温度序列回归环流场及波作用通量场的结果(图9b)同样表明这类高温事件与欧亚大陆上空的波列传播是密切联系的。

4 讨论和结论

本文统计得到1979—2016年夏季中国东北的高温事件共259次,通过层次聚类算法对259次高温事件爆发当天500hPa位势高度异常场进行聚类分析,根据簇间独立方差最大原则,将高温事件分为3类。其中第一类为西风型极端高温事件,共发生113次,欧亚大陆中高纬度上空为准平直的西风带,浅脊东移使得东北受脊前气流影响,形成高温事件。第二类为阻塞型高温事件,共发生89次,乌拉尔山及新地岛上空位势高度正异常,形成阻塞形势,反气旋异常分裂并向东南移动,当扰动移动至东北上空时,形成一次高温事件。第三类为波列型极端高温事件,共发生57次,欧亚大陆上空为两脊一槽的环流型,位势高度异常呈现“+-+”的波列结构,波列东传,反气旋异常控制东北上空,形成高温事件。其中,波列型高温事件由于波能量的维持,使得该类事件强度最强,影响范围最大,持续性最长。本文发现波列型极端高温事件与超前10~20d的北大西洋热带区域海温异常有关,该区域海温异常有利于欧亚大陆上空波列的激发与维持,波列的发展和东移对东北形成波列型极端高温事件提供了有利条件。

本文对中国东北夏季极端高温天气进行了环流分型,并初步探讨了它们的环流演变,并发现了波列型极端高温事件与超前北大西洋海表温度异常的联系,然而并没发现西风型极端高温事件和阻塞型极端高温事件发生前在北大西洋存在显著的海温异常信号,是否在其他海域存在显著海温异常有待进一步研究。另外,本文仅基于统计诊断分析,未来仍需采用全球大气环流模式进行数值试验去验证北大西洋关键区海表温度异常对中国东北夏季极端高温的影响及其物理过程。

参考文献