欧亚大陆不同地区极端高温的变化特征及其影响因子

发布人:林维佳 发布日期:2019-09-02

    在全球变暖背景下,最近几十年世界各地出现越来越多的极端高温事件,对人体健康、自然生态环境以及社会经济发展造成了巨大威胁。因此,理解不同地区极端高温的变化特征及其成因,提高对极端高温的预报水平,无论对普通老百姓还是政策制定者都具有十分重要的意义。大气科学学院陈锐丹副教授和杨崧教授研究团队利用观测数据、再分析资料和模式模拟结果,通过统计和诊断等分析方法,对欧亚大陆不同地区极端高温的时空变化特征和可能影响因子进行了系列研究,重点分析了中国尤其华南地区的极端高温特征和成因,主要结果如下:

(一)揭示东欧和中国北部夏季极端高温的遥相关关系

  欧洲东部和中国北部夏季的高温天数存在协同变化关系,并且这种协同变化在最近几十年呈现增强的趋势(图1)。东欧和华北地区极端高温的协同变化关系与北半球夏季大气环球遥相关波列的年代际变化有关,波列在东欧和华北上空激发出异常的反气旋。在异常反气旋的控制下,东欧和华北地区出现异常的下沉气流,这一方面阻止了云的形成,使得到达地面的太阳辐射增加;另一方面抑制了对流降水,使得土壤变得更加干旱。这一系列的变化通过土壤湿度和气温的反馈作用,使得地表气温不断升高,最终导致出现更多的极端高温事件。

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1 欧亚大陆夏季高温天数变化EOF分析第一模态。其中,(a) ERA-Interim再分析数据,(b) ERA-20C再分析数据,(c) 高分辨率大气模式模拟数据(HiRAM)(d) 对应的时间系数。

 

(二)揭示中国夏季极端高温变化的主模态及其影响因子

  为了更好地阐述中国夏季极端高温的时空变化特征及其成因,我们对高温频次进行EOF分析(图2)。其中,第一模态反映了中国北部的高温变化,并呈现增加的趋势,它与大西洋海温的年代际变化以及中纬度环球遥相关波列的异常有关。热带大西洋海温的异常变暖激发类似于北大西洋-欧亚遥相关的波列,在中国北部产生异常高压,导致高温年代际增多。第二模态反映了长江中下游流域高温的年际变化,与夏季北大西洋涛动有关。北大西洋涛动正位相对应大西洋上空呈现偶极型环流异常,其中南侧的异常高压从北大西洋延伸到俄罗斯西北部,随后激发向东南传播的罗斯贝波列,导致长江流域出现异常高压。第三模态的关键区在华南,主要受前期ENSO影响。赤道东太平洋冬季的异常暖海温在春季逐渐减弱、夏季消亡,同时在西太平洋地区出现异常暖海温,并在南海和华南地区上空激发异常反气旋,从而影响该地区极端高温的年际变化。

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2中国夏季极端高温频次的前三个EOF模态(a),(c),(e) 分别表示前三个模态的空间分布(b),(d),(f) 则分别表示对应于前三个模态的时间系数。

 

(三)揭示华南夏季高温影响因子的年代际变化

  华南是极端高温频发的区域,在全球变暖背景下,华南高温频次的增长趋势为中国东部的大值中心。因此,研究华南高温的变化特征和成因具有重要意义。我们的研究揭示了华南高温与大气环流和海温的关系在1990年代初发生年代际变化。1990年代初之前,华南高温与中纬度环流关系强而与热带海温关系弱,华南高温与中纬度遥相关波列有关(图3.1)。1990年代初之后,华南高温与热带海温关系强而与中纬度环流关系弱,华南暖夏对应热带太平洋从El NiñoLa Niña的转变位相(图3.2)。夏季热带西太平洋暖海温激发异常的局地Hadley环流,在华南上空形成异常下沉高压。同时,热带中东太平洋冷海温激发异常Walker环流,进一步加强热带西太平洋对流活动,从而间接影响华南。这些结果表明华南高温与热带海温的相关性在1990年代初之后明显提高,因此华南高温在最近几十年可能具有更高的可预报性。

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3.1 华南高温回归500hPa位势高度(等值线;填色为显著区域)及其相对应的波活动通量(箭头)。其中左图为1979–1992年,右图为19932013年。

    

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3.2 华南高温回归前冬和同期盛夏的热带海温异常(打点为显著区域)。其中左列为1979–1992年,右列为19932013年。最高亚地区出现大范围极端﷽温异常,冷海温将利于强西北太平洋气旋式

(四)揭示热带大气季节内振荡对华南极端高温的影响

华南极端高温事件对应的温度演变具有明显的季节内振荡信号,我们的研究揭示热带大气季节内振荡对华南极端高温的发生起重要作用。热带大气季节内振荡对应的环流异常表现为反气旋-气旋对从热带西北太平洋往西北方向传播至华南,反气旋/气旋环流的控制导致华南高温的发生/结束。另外,不同波段的季节内振荡影响极端高温事件的持续时间、在高温事件的不同阶段所起作用也不同。对于短暂高温事件,准双周振荡在整个过程中均起重要贡献;对于持续高温事件,开始和结束阶段主要受准双周振荡影响,约占温度变化幅度的1/2,持续阶段主要受30-90天季节内振荡影响,约占增温幅度的1/3(图4)。这些结果为华南高温的中期预测提供科学依据。

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4 5-25天振荡和30-90天振荡对华南持续高温事件的(a)开始至持续阶段、(b)持续至结束阶段以及(c)短暂高温事件过程的温度异常贡献。

 

(五)个例研究揭示华南夏季极端高温的特征和成因

1)揭示热带西太平洋暖海温对2017年中国南方高温起重要作用

    2017年是未受厄尔尼诺事件影响的最暖年份,中国南方地区也出现了大范围高温。导致2017年中国南方高温的直接原因是西太副高的加强西伸,西太副高的强度异常达到2个标准差。西太副高的异常受到热带海温影响。2017年是非ENSO年,热带中东太平洋海温异常信号很弱。相比之下,热带西太平洋海温明显偏暖,它的单独作用得以体现。暖海温激发异常的局地经圈环流,其下沉支使西太副高加强西伸(图5)。热带西太平洋暖海温的作用在气候资料分析和CAM4模式试验中也得到验证。另一方面,热带西太平洋海温在过去几十年明显增暖,这有利于极端暖海温的出现,从而助力高温的发生。通过线性回归方法估算,2017年盛夏中国南方的温度异常有50%来自热带西太平洋暖海温的贡献,其中40%与海温的年代际和长期增暖趋势有关。

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5 2017年南方高温对应的(a)前冬海温、(b)同期海温、(c)降水(填色)和(d)垂直环流圈异常。

 

  1. 揭示2018年华南极端高温与南海夏季风的联系

20185月华南发生了一次极端高温事件,研究揭示了该高温事件与南海夏季风活动的异常有关。这次极端高温事件开始于5月中旬,并一直维持到5月底。其中,广东省的东部和北部地区,气温异常的最大值超过6 °C。该极端高温事件的发生与5月份太平洋副高的异常西伸和北移导致的南海夏季风推迟爆发有关。如图6所示,当南海夏季风爆发偏晚时,华南地区受异常高压控制,气温显著偏高,反之亦然。该研究结果表明,增强对南海夏季风爆发机理的理解,可能有助于提高华南5月极端高温的预报水平。

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6 (a) 南海夏季风爆发日期的年际变化(b)-(e) 为合成分析结果。其中,(b) 和 (c) 分别表示南海夏季风爆发偏晚和偏早年份中国五月份平均2米气温的异常。(d) 和 (e) 与(b) 和 (c) 类似,不过表示850百帕位势高度的异常。

 

相关论文:

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  2. Chen, R.*, Z. Wen, and R. Lu, 2018: Large-scale circulation anomalies and intraseasonal oscillations associated with long-lived extreme heat events in South China. J. Climate, 31, 213232.
  3. Chen, R.*, Z. Wen, and R. Lu, 2018: Interdecadal change on the relationship between the mid-summer temperature in South China and atmospheric circulation and sea surface temperature. Clim. Dyn., 54, 21132126.
  4. Chen, R.*, Z. Wen, and R. Lu, C. Wang, 2019: Causes of the extreme hot midsummer in Central and South China during 2017: Role of the western tropical Pacific warming. Adv. Atmos. Sci., 36, 465478.
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  6. Deng, K., S. Yang*, M. Ting, P. Zhao, and Z. Wang, 2019: Dominant modes of China summer heat waves driven by global sea surface temperature and atmospheric internal variability. J. Climate, 32, 37613775.
  7. Deng, K., S. Yang, A. Lin, C. Li and C. Hu, 2019: Unprecedentedly East Asian warming in spring 2018 linked to the North Atlantic tripole SST mode. Atmos. Oceanic Sci. Lett., doi:10.1080/16742834.2019.1605807.
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投稿:陈锐丹

初审、复审:杨崧

审核发布:张斯虹