2013年夏季中國南方區域性高溫天氣的成因分析

唐 恬，金榮花，彭相瑜，牛若蕓

(1.成都信息工程學院大氣科學學院，四川成都610225;2.國家氣象中心，北京100081)

0 引言

IPCC(政府間氣候變化專門委員會)第4次評估報告(AR4)[1]指出1906～2005年全球地表溫度升高了約0.74℃(0.56℃～0.92℃)。在全球氣候變暖的背景下，近100年來中國大部分地區呈增暖趨勢，年平均氣溫升高了0.5℃～0.8℃[2]。氣候變暖使極端氣候事件趨多趨強，其中極端高溫對全球變暖的響應表現尤為突出，而極端高溫天氣是發生在中國夏季主要的極端天氣氣候事件。極端高溫作為比較嚴重氣象災害，已引起了人們的普遍關注，國內氣象學者對極端高溫天氣的研究取得一些有意義的成果[3－8]。葉殿秀等[9]利用全國753個站多年夏季逐日最高氣溫資料分析指出，近50年來中國夏季高溫熱浪的頻次、日數和強度總體呈增多、增強趨勢，高溫熱浪的范圍明顯增大，高溫熱浪頻次、日數、強度高值區基本相同，均在江淮、江南大部和四川盆地東部等地。張尚印等[10]對長江中下游夏季高溫災害機理進行探討，結果表明東亞副熱帶高壓是造成長江中下游地區夏季高溫的主要影響系統。史軍等[11]指出在華東南部一些地區，高溫日數與夏季西太平洋副高面積和強度指數、上年下半年Nino4區海溫和當年登陸中國的臺風個數呈顯著正相關，而同時城市化也是其高溫日數增加的原因之一。

2013年夏季中國長江流域一帶地區出現持續性高溫天氣，其高溫范圍之廣、持續時間之長、溫度之高，為歷史同期罕見，而該區域作為國家經濟發展水平較高、人口較為密集的省市地區，高溫天氣容易給當地交通、用水、用電等城市運行生命線以及社會經濟生產等造成重大影響。利用站點日最高氣溫、日最低氣溫和日平均氣溫以及NCEP再分析資料，系統分析了2013年夏季(6～8月)中國南方區域性高溫天氣的極端特征，并對其成因進行了詳細的探討，以期對2013年夏季中國南方的區域性高溫天氣有客觀全面的認識，為研究該區域高溫天氣機理和預測方法提供借鑒和參考。

1 資料說明

文中使用的資料有日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫資料以及NCEP/NCAR再分析資料，其中氣溫資料取自國家氣象信息中心的中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數據集，數據集包含了中國基本氣象站、基準氣象站、一般氣象站在內的2474個站點，但由于1960年前觀測站點較少，并考慮到部分站點在某些年份缺測或無記錄，所以選取自1960年至2013年全國1798個站點的數據集作為研究分析數據。

2 2013年夏季高溫事件分析

2.1 2013年夏季氣溫特點

圖1反映的是2013年夏季氣溫距平場特征，2013年夏季中國東北、新疆西北以及陜西的部分地區平均日最高氣溫低于多年平均值(1960～2103年)為負距平，其余地區均為正距平，其中華東、華中的中部以西南的西部和西北南部地區正距平達到1.5℃以上(圖1a)，日平均溫度的距平分布(圖1c)與平均日最高氣溫的距平分布相近，但高值中心范圍相對最高氣溫較小，而日平均溫度的距平與平均日最低氣溫的距平在空間分布上有較大不同，由此可以看出，夏季日平均氣溫分布在很大程度上是由日最高氣溫分布決定。

圖1 中國2013年夏季平均日最高氣溫(單位:℃)

2.2 2013年夏季高溫日數空間分布特點

圖2 2013年夏季高溫日數分布及高溫日數距平(單位:d)

中央氣象臺業務規定:單站日最高氣溫≥35.0℃為高溫天氣。沿用這一規定，結合日最高氣溫等要素分析2013年夏季中國高溫日數的空間分布特點。全國各測站日最高氣溫≥35.0℃的日數分布如圖2(a)所示，2013年夏季中國高溫天氣呈現區域性特征，高溫日數的高值區有兩個:新疆地區和長江中游及下游以及重慶等地，其中新疆地區高溫日數最多，這與新疆的沙漠下墊面和吐魯番盆地等地形地貌特征有關，不是分析重點，不再贅述。圖2(b)為氣候態的2013年夏季高溫日數距平分布圖，2013年夏季中國南方高溫區域大部分為正距平區，說明2013年該區域高溫日數較多年平均值(1960～2013年)明顯偏多。2013年高溫日數大于30天且高溫日數正距平大于15天的區域基本重疊，主要位于華南北部至華北南部一帶地區，這一區域是2013年夏季中國南方高溫的主要影響區域。

2.3 2013年夏季南方區域性高溫事件的特征

根據《區域高溫天氣過程等級劃分》規定:當某區域內同一天有20%以上的站點日最高氣溫達到或超過35℃，并且是成片出現，即為一個區域高溫日。2013年夏季中國華南北部至華北南部一帶的高溫影響區域主要包括重慶、湖北、湖南、江西、福建、浙江、上海、江蘇、安徽和河南南部等8省2市，共計733個氣象觀測站。圖3為2013年夏季研究區域內日最高氣溫≥35℃的站點數及高溫站點平均最高氣溫的逐日演變，自6月初起，高溫天氣從福建、江西開始逐漸蔓延至南方大部地區，6月中旬高溫研究區域內出現2013年首次大范圍高溫天氣過程，6月16～21日，區域內超過20%的站點日最高氣溫≥35℃，6月17、18日區域內出現超過70%的高溫站點數，6月下旬長江流域一帶地區開始進入梅雨季節，高溫有所回落，區域內高溫站點數減少，6月下旬末期出梅之后，高溫天氣重新占據南方大部區域，7月1～4日和7月8～13日區域內均有超過50%的站點日最高氣溫≥35℃，7月22日～8月21日及8月25～29日高溫天氣幾乎遍及了文中研究討論的高溫區域，高溫站點數均在20%以上，8月6～13日甚至出現超過80%的高溫站點數。

2013年夏季，高溫研究區域內733個站點中有714個站點出現日最高氣溫≥35℃的高溫天氣，有305個站點出現日最高氣溫≥40℃的極端高溫天氣現象，其中119個站點出現了50天及以上日最高氣溫≥35℃的高溫天氣，湖南衡山站(57777)有65天日最高氣溫超過35℃，重慶開縣(57338)有23天日最高氣溫超過40℃。

2013年夏季，高溫研究區域內的區域性氣溫強度極端性特征突出，平均日最高氣溫、平均日最低氣溫以及日平均氣溫分別為33.2℃、24.5℃、28.3℃，均突破歷史同期極值，為歷年最高。2013年夏季湖南長沙站(57687)的日平均氣溫和平均日最低氣溫刷新了研究區域內單站的歷史最高紀錄，分別為30.9℃、27.5℃。2013年區域內日最高氣溫≥35℃的平均高溫日數為36.7天，超過歷年平均高溫日數最多的1967年，排位第一，2013年夏季高溫日的平均最高氣溫為37.0℃，與歷史最高值2003年僅相差0.1℃，為54年內高溫日平均最高氣溫的第二位。

由上述分析可知，2013年夏季中國南方區域性高溫天氣的極端性十分突出，其平均日最高氣溫、平均日最低氣溫、日平均氣溫以及高溫日數都打破最高紀錄，為歷史罕見。

圖3 2013年夏季研究區域日最高氣溫≥35℃站點數的逐日演變(虛線為滿足區域性高溫的站點數閾值:147)

表1 研究區域內2013年與歷史(1960～2012年)高溫極值對比表

3 2013年夏季南方區域性高溫的成因分析

3.1 2013年夏季環流特征

3.1.1 500hPa 平均環流形勢

圖4(a)為2013年夏季6～8月500hPa的平均高度場和距平場分布，紅色虛線為1960～2012年副熱帶高壓(588線區域)的平均場，可以看出，2013年夏季歐亞地區40°N以北環流較為平直，以緯向環流為主，西太平洋副熱帶高壓比常年平均偏強，西伸明顯，500hPa副高588線的平均西伸脊點位于125°E附近，脊線位置位于27°N附近，586線也西伸到華中地區，華北中南部至江南中部一帶為1gpdm的正距平，華北南部、黃淮至黃海上空為2gpdm的正距平中心。圖4b為2013年6月500hPa的高度場特征，歐亞中高緯表現為兩脊一槽，東亞地區的高壓脊偏弱，東歐地區的高壓脊偏強，中國中高緯地區位于兩脊之間的槽區，區域內位勢高度為負距平，說明低槽強度較往年偏強，因此在這樣的環流形勢下，有利于北方冷空氣東移南下，中低緯的西太平洋副熱帶高壓位于臺灣東部沿海，略比多年6月的平均位置偏西，華北黃淮一帶的高度場正距平達到3gpdm。從7月的高度場和距平場分布來看(圖4c)歐亞中高緯呈西低東高的異常分布型，歐洲東部至亞洲北部地區為一寬廣的低壓槽，距平值可以達到－3gpdm，鄂霍次克海地區為一高壓脊，距平值均在2gpdm以上，中低緯度的副高北移至長江流域地區，脊線較常年位置偏北，并在靠近華東沿海的地區分裂形成一閉合高壓，強度較常年同期偏強，華中、華東、華北地區的高度場距平均到達1gpdm，部分地區超過2gpdm。8月(圖4d)，中高緯地區貝加爾湖東部的高空槽較往年偏強，從貝湖東側到西北太平洋北部500hPa高度場表現為負距平分布，副高與歷史同期相比，范圍偏大，西伸脊點偏西，而相比同年7月的副高范圍、強度也更大更強，西伸大陸的平均位置更為偏西，大約位于湖北東部地區，且高度場正距平2gpdm以上的范圍擴大到黃河流域一帶。

圖4 2013年夏季及6～8月500hPa的平均高度場(實線)和距平場(陰影)(單位:gpdm)

3.1.2 100hPa 平均環流形勢

圖5為2013年夏季100hPa的平均形勢場和距平場分布，虛線為1960～2012年南亞高壓(1676線區域)的平均場。南亞高壓是夏季亞洲南部100hPa高度處強大而穩定的大氣活動中心，與夏季北半球大氣環流和亞洲天氣氣候關系密切，對夏季旱澇的影響也十分重要，陶詩言等[12]早在20世紀60年代就提出南亞高壓兩類基本型及其與西太平洋副高在大陸上的進退關系，指出南亞高壓的變化與中國許多地區的天氣變化有關，當南亞高壓位于高原上空時，長江中下游多雨，當南亞高壓位于100°E以東時，長江流域就出現干旱天氣，多數研究也表明[13]100hPa上空的南亞高壓與500hPa上空的西太平洋副熱帶高壓是在對流層上部和對流層中部分別形成的高空反氣旋環流，且存在相互制約的關系，當南亞高壓東伸加強時副熱帶高壓西進，當南亞高壓西退時，副熱帶高壓也相應東撤。圖5(a)給出夏季100hPa的高度場形勢，從距平分布可以看出2013年夏季北半球大部分地區都為高度正距平，1960～2012年夏季南亞高壓1676gpdm等值線的東脊點平均位置位于114°E附近，2013年該脊點位于125°E附近，較氣候平均東進了約11個經度，而在緯向位置上向北偏離氣候平均5個緯度，大約位于33°N，高壓中心活動范圍在20°N～40之間，從逐月的高度場分布圖來看，2013年6月(圖5b)南亞高壓1676gpdm等值線的東脊點較常年6月平均位置偏東12個經度，控制范圍比多年平均更廣，7、8月(圖5c、圖5d)較常年同期偏東了6～8個經度，其中7月的東脊點大約位于133°E，高壓中心強度達到1688gpdm，8月東脊點位于135°E附近，高壓中心強度為1684gpdm，7月和8月的高壓脊線都長期穩定于33°N附近。根據上述分析可以看出，2103年整個夏季南亞高壓都處于偏東偏北的位置，與副高形成“相向而行”的關系，因此在西伸北抬的副高控制之下，江淮流域地區出現了持續干旱少雨的天氣。

圖5 2013年夏季及6～8月100hPa的平均高度場(實線)和距平場(陰影)(單位:gpdm)

3.1.3 2013年異常高溫期副熱帶高壓環流特征與歷史相似年的比較

歷史上較突出的高溫年有2003年，將其與2013年作對比:2013年夏季副高脊線的平均位置位于26°N附近，副高脊線的平均位置在24°N附近，2003年夏季的副高位置較2013年偏南(圖6)，因此，2003年夏季南方高溫區域相對2013年偏南，包括江淮、江漢、江南、華南及重慶等地，而2013年的高溫區域則主要集中在華南北部至于華北南部一帶。

圖6 2013年與2003年夏季逐日副高脊線位置

從2013年和2003年夏季高溫期內各選取一段夏季持續時間較長的高溫天氣。圖7分別為2013年7月22日～8月14日和2003年7月21日～8月3日兩段持續高溫天氣的500hPa平均高度場，從圖中可以看出，2013年和2003年異常高溫時段內的西太平洋副熱帶高壓都穩定西伸我國華東、華中大部地區，其中2003年副高588線的西伸范圍較2013年更廣，西伸大陸的副熱帶高壓脊強度略有偏強 ，西伸脊點達到了106°E，大陸高壓中心強度為591gpdm，而2013年副高588線的西伸脊點在112°E附近，平均高壓中心強度為590gpdm。在2013年和2003年夏季高溫時段里，江南大部、湖北東部和重慶等地極端日最高氣溫都超過了40℃，而在黃淮、江淮大部、江南東北部和湖南大部、湖北北部、重慶等地2013年的極端最高氣溫強于2003年，浙江、福建、華南等地2013年的極端氣溫弱于2003年，因此2013年夏季異常高溫的分布相比2003年呈現“北強南弱”態勢。

圖7 2013年7月22日～8月14日和2003年7月21日～8月3日500hPa平均高度場(單位:gpdm)

3.3 熱帶氣旋活動北上影響少

夏季西太平洋副熱帶高壓往往會因為熱帶氣旋的活動而被削弱、東退、斷裂，導致高溫天氣中斷[14]，當臺風向中國東部沿?？拷耐瑫r，臺風移至西太平洋副高的西南邊緣，副高受到擠壓開始東退，當臺風沿副高西部邊緣北移時，高壓繼續東退，當臺風越過副高脊線進入西風帶時，副高又開始西伸。2013年6月21日，第5號熱帶氣旋貝碧嘉在南海北部洋面生成，6月22日在海南省瓊海市登陸，影響區域包括海南、廣西、廣東部分地區，是2013年第一個登陸中國的熱帶氣旋，其登陸時間較常年平均(6月29日)偏早。2013年7月8日在西太平洋(145.4°E，19.2°N)附近地區有一熱帶低壓氣旋生成，隨后發展為超強臺風，低壓氣旋沿副高外圍向西移動，但由于副高十分強大，阻礙了臺風北上，7月13日超強臺風登陸福建連江縣，之后進入江西境內后并逐漸減弱消亡，而副高受臺風影響北移至長江以北地區，因此該區域的高溫天氣依然強盛，而長江中下游以南的部分地區高溫天氣則得到暫時緩解，超級臺風蘇力是2103年登陸中國的最北臺風，影響范圍有福建、浙江、江西、廣東等省市。2013年8月10日，第11號熱帶氣旋尤特在西太平洋洋面上生成，并逐漸加強為超強臺風，于8月14日在廣東陽西縣登陸，是2013年登陸的最強臺風，超強臺風在副高南側沿偏東風引導氣流向西行，受其影響，福建、江西、湖南、廣東、廣西和海南等地出現強降水，南方地區的持續性高溫天氣得以暫時緩解。2013年8月18日第12號熱帶氣旋潭美在臺灣東南部洋面生成，后加強為臺風，8月22日登陸福建清市，其影響范圍主要位于長江以南地區，包括浙江、福建、江西、湖南、廣東、廣西等省。

根據2013年夏季登陸中國的熱帶氣旋活動情況(表1)和路徑示意圖(圖7)所示，2013年夏季共有7個熱帶氣旋登陸中國，雖然較常年平均偏多，但其生成位置明顯偏西，運動軌跡和發展加強時間都較短，且均在華南沿海地區登陸，并無北上和深入內陸的熱帶氣旋，其中最北臺風蘇力在福建省登陸，福建、江西、浙江、湖南等長江以南東部省市受其影響，部分地區有中到大雨，局部暴雨，并伴有大風，起到了暫時緩解干旱、降低高溫的作用。因此今年夏季登陸中國的熱帶氣旋對臺灣、福建、廣東、廣西、海南有較大影響，但總體對長江流域一帶的廣大地區影響不大，因此并不利于緩解這一區域的高溫天氣。

圖7 2013年登陸中國的熱帶氣旋路徑

表1 2013年夏季登陸中國的熱帶氣旋活動情況

3.4 出梅早，西太平洋副高過早完成季節性北移

2013年夏季，長江中下游傳統5站梅雨持續年代際偏少的特點，6月23日入梅，梅雨期內，西太平洋副熱帶高壓脊120°E處的位置穩定在22°N左右，6月28日出梅，副高脊線迅速跳過25°N，2013年梅雨期長度為6天，梅雨量偏少62.3%。從長江中下游梅雨開始及結束的日期歷史演變序列可以看出2013年出梅較早、梅雨季節短、梅雨強度弱等特征，根據歷史統計分析的結果可知，出梅早，預示著高溫時段也來得早[15]，因此2013年高溫持續時間長，與出梅早密切相關。

根據對環流形勢及其演變的對比分析可以得出，2013年夏季西太平洋副熱帶高壓不僅范圍較多年平均偏大，強度更強，且西伸脊點位置也明顯偏西，脊線略有偏北。同時，2013年熱帶氣旋活動范圍偏南，對盤踞在長江中下游流域一帶地區的西太平洋副熱帶影響并不大，因此熱帶氣旋僅對華南地區造成了一定的影響。而2013年梅雨的過早結束也為南方出現長時間的高溫天氣提供了有利條件。由于華南北部至華北南部地區長時間處于西太平洋副熱帶高壓控制之下，而副熱帶高壓系統下的空氣下沉增溫和晴空輻射加熱作用使這一地區出現了持續性高溫天氣，因此綜合上述分析可知，西太平洋副熱帶高壓偏西偏強且長時間穩定在長江流域中下游一帶地區是造成2013年夏季南方區域性持續高溫天氣的主要原因。

圖8 長江中下游梅雨開始及結束日期歷史演變序列

4 結束語

(1)2013年夏季，中國南方地區發生的高溫事件相對歷史同期增多，主要集中在華南北部至華北南部一帶，其區域性高溫天氣的極端性十分突出，研究區域內的日平均氣溫、平均日最高氣溫、平均日最低氣溫以及高溫日數都打破最高紀錄，為歷史罕見。

(2)2013年夏季，西太平洋副熱帶高壓范圍偏大、強度更強、西伸脊點位置偏西、脊線偏北，熱帶氣旋活動范圍偏南，出梅較早、梅雨季節短，因此中國南方長江中下游地區出現了長時間的區域性高溫天氣。

(3)2013年夏季研究區域內的高溫天氣無論是高溫強度、持續時間長度還是影響范圍，都屬歷史所罕見，極端性突出。作為典型的極端高溫天氣氣候事件，不僅要從機理上做深刻的分析，還需深入研究提高對此類災害性天氣的認識和預報預測水平，因此在下一步工作中將以此事實分析為基礎，從基于月尺度內的集合預報產品出發研究其可預報性。

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