1980—2019年江淮地區(qū)夏季氣溫變化及其異常年環(huán)流特征

張露云 左洪超

（蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州 730000）

0 引言

隨著全球氣候的不斷變化，氣候問題已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，也是決策者和民眾關(guān)注的熱點。氣溫變化是氣候變化中的一個重要體現(xiàn)，隨著全球氣候變暖越來越顯著，大氣環(huán)流形勢也發(fā)生了很大變化，這樣就會造成區(qū)域性的氣溫升高或降低。IPCC第六次評估報告指出，相對于1850—1900年，2001—2020年全球平均地表溫度升高了0.99 ℃，而2011—2020年全球平均地表溫度上升約1.09 ℃。20世紀(jì)80年代以來，江淮地區(qū)氣溫表現(xiàn)出波動上升的趨勢[1]，極端氣溫事件不斷增多[2]?？偟膩碚f，高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻率越來越高，但是低溫寒冷事件也時有發(fā)生。最近40年間，每10年的全球地表溫度都比它前一個10年高[3-4]。江淮地區(qū)是我國重要的農(nóng)作物以及漁業(yè)產(chǎn)區(qū)，由于氣溫異常造成的損害在不斷增加，因此研究該區(qū)域的夏季氣溫變化狀況對人民生活、農(nóng)作物生產(chǎn)等有重要意義。

高溫?zé)崂颂鞖鈺θ藗兊纳睢⒔】?、農(nóng)作物生長、能源利用、經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境等造成很多不利影響[5-8]。2010年莫斯科的高溫?zé)崂颂鞖鈁9]、2013年夏季韓國出現(xiàn)的罕見極端高溫[10]都對經(jīng)濟、人民生活健康、農(nóng)作物生產(chǎn)造成了巨大的影響和損失。高溫?zé)崂颂鞖庠谖覈差l頻發(fā)生。2013年夏季我國南方出現(xiàn)連續(xù)多日罕見的極端高溫天氣[11]。2019年我國發(fā)生的覆蓋范圍廣、持續(xù)時間長的高溫天氣造成農(nóng)作物欠收、數(shù)人中暑甚至死亡、電力供應(yīng)不足等，對人民生活健康和社會經(jīng)濟造成了嚴(yán)重?fù)p害[12]。

對于我國江淮地區(qū)夏季高溫?zé)崂颂鞖獾奶卣骷俺梢?，已有很多學(xué)者進行了研究。其中西太副高的異常活動是影響氣溫異常的重要原因之一。2013年我國南方大范圍的持續(xù)高溫天氣就是受到了西太副高的持續(xù)控制[13-14]。2017年夏季浙江地區(qū)平均高溫日數(shù)達(dá)52 d，高溫日平均氣溫為38.7 ℃，持續(xù)較強的極端高溫與西太副高的西伸北抬、浙江地區(qū)位于西太副高極值中心附近有密切關(guān)系[15]。太平洋海溫的異常變化會影響到西太副高的異常活動。熱帶西太平洋海溫升高、赤道中東太平洋海溫異常降低會導(dǎo)致西太副高強度偏強且位置偏西偏北，有利于我國南方地區(qū)夏季出現(xiàn)異常高溫天氣[16-17]。此外，西太副高的變化與東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)中其他成員的活動會共同導(dǎo)致高溫的發(fā)生，例如東亞西風(fēng)急流、南亞高壓、熱帶對流加熱。Wang等[18]指出2003年東亞西風(fēng)急流的南移與西太副高的西南延伸增強使得長江以南出現(xiàn)極端高溫，2013年江淮地區(qū)的高溫與熱帶對流加熱、西太副高向西增強、南亞高壓增強有密切聯(lián)系。

對于夏季低溫的研究相對較少。夏季低溫天氣對人們的日常生活影響不大，但是持續(xù)的低溫天氣可能會伴隨著持續(xù)性的降水，降水偏多易造成洪澇災(zāi)害，從而造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至威脅到人民的生命財產(chǎn)安全[19]。已有研究表明，西太副高位置偏東偏南、強度偏弱時會造成南方地區(qū)夏季出現(xiàn)異常低溫天氣[20-21]；而熱帶西太平洋海溫降低、赤道中東太平洋海溫升高可能會導(dǎo)致西太副高強度偏弱且位置偏東偏南，東亞夏季風(fēng)偏弱[22-23]。錢卓蕾等[24]對2014年夏季浙江的大尺度環(huán)流特征進行分析發(fā)現(xiàn)，浙江地區(qū)被氣旋性環(huán)流異?？刂茣r易出現(xiàn)低溫多雨天氣。此外，降水增多也會使氣溫降低，有研究指出降水量增加時，大部分地區(qū)會出現(xiàn)濕冷天氣[25]。

關(guān)于江淮地區(qū)，大部分對夏季氣溫的研究也是側(cè)重于高溫，對低溫天氣的研究較少，對于低溫研究往往使用的是江淮地區(qū)部分或某一城市的資料進行研究，且是針對某一典型年份。本文選取了江淮地區(qū)1980—2019年的氣溫進行研究，分析夏季氣溫的時間、空間變化情況，以及高、低溫年的環(huán)流特征，有利于我們了解江淮地區(qū)高、低溫年夏季的環(huán)流差異，從而為該地區(qū)夏季預(yù)防異常高、低溫危害提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文使用的氣溫數(shù)據(jù)為ERA5月平均2 m氣溫資料，水平分辨率為0.25°×0.25°[26-27]。大氣環(huán)流資料是NCEP/NCAR提供的再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。海表溫度數(shù)據(jù)使用NOAA提供的月平均海表溫度，水平分辨率為2°×2°。所用數(shù)據(jù)的時間為1980年1月—2019年12月。

所用到的主要分析方法包括EOF分析、M-K突變檢驗法、相關(guān)分析及檢驗、合成分析及檢驗等，相關(guān)分析和合成分析中用到的數(shù)據(jù)均進行去除線性趨勢和標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2 江淮地區(qū)夏季氣溫的時空變化特征

圖1給出了江淮地區(qū)1980—2019年夏季平均氣溫的變化趨勢，整體表現(xiàn)為波動增長，其增長速率為0.27 ℃/10 a，通過0.01的顯著性檢驗，這一趨勢與20世紀(jì)80年代后期以來江浙滬地區(qū)高溫?zé)崂颂鞖庾兓厔菹嘁恢耓28]。這40年夏季氣溫平均值為26.49 ℃。2000年以前江淮地區(qū)夏季平均氣溫較低，大部分年份的夏季平均氣溫低于40年平均值；進入21世紀(jì)后夏季平均氣溫逐漸升高，大部分年份高于40年平均值，2013年夏季平均氣溫達(dá)到最高值，為28.09 ℃，比平均值高1.8 ℃，但在2014年和2015年驟降，平均氣溫和20世紀(jì)80—90年代相當(dāng)，之后又快速升溫。

圖1 1980—2019年江淮地區(qū)夏季平均氣溫的逐年變化趨勢Fig. 1 Annual variation trend of summer mean temperature in Jianghuai Region from 1980 to 2019

M-K突變檢驗法可以用來判斷序列中是否發(fā)生突變，如果存在，可確定出突變發(fā)生的時間，且計算簡單，現(xiàn)在常用在氣候變化影響下氣溫和降水的突變分析[29-30]。因此本文采用M-K突變檢驗法診斷江淮地區(qū)夏季平均氣溫是否發(fā)生突變。圖2是近40年來江淮地區(qū)夏季平均氣溫的突變分析曲線，其中兩條橙色虛線為顯著性臨界線，當(dāng)顯著性水平α=0.05時，顯著性臨界值為±1.96，UF為順序統(tǒng)計量，UB為逆序統(tǒng)計量。從圖中可以看出，除1982年UF＜0外，其他年份UF＞0，說明江淮地區(qū)夏季平均氣溫呈上升趨勢，特別是2004年以后，UF曲線在顯著性臨界線之上，說明這種升溫趨勢特別顯著。此外，UF和UB兩條曲線出現(xiàn)了交點，交點出現(xiàn)在2000年，且在±1.96，可以確定江淮地區(qū)夏季平均氣溫發(fā)生了突變且突變時間從2000年開始。突變前江淮地區(qū)夏季平均氣溫為26.18 ℃，突變后為26.81 ℃，上升0.63 ℃。

圖2 1980—2019年江淮地區(qū)夏季平均氣溫突變分析Fig. 2 Abrupt change of summer mean temperature in Jianghuai Region from 1980 to 2019

經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）分解廣泛應(yīng)用于氣象要素場的處理分析[31]。本文采用North顯著性檢驗[32]來檢驗EOF分解出的各模態(tài)之間是否相互獨立，通過顯著性檢驗的前幾個特征向量能夠直觀地反映出氣象要素場的特征。因此為更好地了解江淮地區(qū)夏季氣溫的時空變化情況，對其距平場進行EOF分解。結(jié)果顯示，只有前3個模態(tài)通過了顯著性檢驗（表1），這說明前3個模態(tài)之間是互相分離的，累計方差貢獻(xiàn)達(dá)到了87.2%，可較高程度地反映江淮地區(qū)夏季氣溫的大部分特征，因此選取前3個模態(tài)進行研究。

表1 1980—2019年江淮地區(qū)夏季氣溫距平場前6個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)Table 1 Variance contribution of the first six modes of summer air temperature anomalies in Jianghuai Region from 1980 to 2019

圖3給出了1980—2019年江淮地區(qū)夏季氣溫距平EOF分解前3個特征向量的空間分布及對應(yīng)時間序列。第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)值為65.6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第2、第3模態(tài)，因此第1模態(tài)可以代表1980—2019年江淮地區(qū)夏季平均氣溫場的主要空間分布特征。第1模態(tài)空間分布在整個研究區(qū)域均為正值，說明江淮地區(qū)夏季氣溫距平的空間變化呈現(xiàn)出整體一致性，但存在從中間向周圍遞減的分布，梯度較小，其對應(yīng)的時間序列與圖1夏季平均氣溫隨時間的變化趨勢基本一致。第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)值僅為16.1%，從它的空間分布上可以看出，江淮地區(qū)夏季氣溫呈南北反相變化，以長江為界限，北邊為正值區(qū)，南邊為負(fù)值區(qū)，南北梯度較大，其時間序列存在顯著的年際變化特征，在1997年和2003年分別出現(xiàn)極大值和極小值。第3模態(tài)的空間分布呈東西反相變化且差異顯著，以安徽省的西邊界為界線，以西為正值區(qū)，以東為負(fù)值區(qū)，其時間序列波動變化2004年之前較為明顯。

圖3 1980—2019年江淮地區(qū)夏季氣溫距平場EOF分解前3個模態(tài)及其對應(yīng)的時間序列Fig. 3 The first three EOF decomposition modes and their corresponding time series of summer air temperature anomalies in Jianghuai Region from 1980 to 2019

3 江淮地區(qū)異常高、低溫年的大氣環(huán)流特征

目前，國內(nèi)外對于高溫天氣的定義多樣，尚無統(tǒng)一的定義標(biāo)準(zhǔn)。本文將夏季平均氣溫距平大于1倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份稱為高溫年，小于1倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份稱為低溫年。圖4是我國江淮地區(qū)1980—2019年夏季平均氣溫距平逐年變化圖，圖中顯示1990年、2006年、2012年、2013年和2018年的平均氣溫距平（ΔT）超過或達(dá)到1倍標(biāo)準(zhǔn)差，稱為偏高溫年；1980年、1982年、1983年、1987年、1989年、1993年、1999年、2014年和2015年的平均氣溫負(fù)距平超過1倍標(biāo)準(zhǔn)差，稱為偏低溫年。表2列出了1980—2019年江淮地區(qū)夏季平均氣溫異常高和異常低的前5個年份的距平值及值，本文選取這些年份進行研究分析。

表2 1980—2019年江淮地區(qū)夏季氣溫異常年份Table 2 Anomalous years of summer air temperature in Jianghuai Region from 1980 to 2019

圖4 1980—2019年江淮地區(qū)夏季平均氣溫距平圖（灰色實線為標(biāo)準(zhǔn)差σ＝±0.61 ℃）Fig. 4 Mean summer air temperature anomalies in Jianghuai Region from 1980 to 2019 (standard deviation σ＝±0.61 ℃ in gray solid line)

3.1 江淮地區(qū)夏季的大氣環(huán)流分析

大氣環(huán)流的形成、發(fā)展與維持對各種天氣現(xiàn)象及氣候變化有重要影響，是影響天氣氣候的直接因素，也是區(qū)域氣溫異常變化的重要影響因子之一。圖5給出了江淮地區(qū)1980—2019年夏季平均氣溫與500 hPa、700 hPa、850 hPa和925 hPa位勢高度場的相關(guān)系數(shù)分布。500 hPa位勢高度場上，在30°—40°N，110°—145°E區(qū)域內(nèi)有一個明顯的正相關(guān)區(qū)域，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7，該相關(guān)區(qū)域的大小隨高度降低而減小并且強度變?nèi)?，?50 hPa和925 hPa高度上，該相關(guān)區(qū)域不明顯；在正相關(guān)區(qū)域的南北兩側(cè)為負(fù)相關(guān)區(qū)域，相關(guān)系數(shù)隨高度降低而升高，在850 hPa和925 hPa高度上比較明顯，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上。西伯利亞的北部有一個大范圍的正相關(guān)區(qū)域，相關(guān)系數(shù)為0.5左右，且相關(guān)區(qū)域和相關(guān)強度隨高度降低而減弱。由此可見，我國江淮地區(qū)夏季氣溫變化主要受到西太副高、東亞夏季風(fēng)及西伯利亞冷空氣等因子的影響。

圖5 江淮地區(qū)夏季平均氣溫與500 hPa（a）、700 hPa（b）、850 hPa（c）、925 hPa（d）位勢高度場的相關(guān)系數(shù)（打點區(qū)域為通過0.05顯著性檢驗的區(qū)域）Fig. 5 Correlation coefficients between summer mean temperature and geopotential height of 500 hPa (a),700 hPa (b),850 hPa (c), and 925 hPa (d) in Jianghuai Region (Dotted area refers to the area that passed the significance test of 0.05.)

3.2 夏季氣溫異常年500 hPa位勢高度場特征

圖6和圖7分別為高溫年、低溫年夏季500 hPa位勢高度距平場和平均位勢高度場的合成。從圖6a看出，高溫年我國江淮地區(qū)、朝鮮地區(qū)、日本海一直到北太平洋附近均為大范圍的位勢高度正距平控制，正距平中心在朝鮮半島附近和北太平洋附近且通過0.05的顯著性檢驗，朝鮮半島附近的正距平中心強度達(dá)到16 gpm，一直延伸到我國的西北地區(qū)，這表明西太副高強度較強且位置偏西；貝加爾湖附近有一個負(fù)距平中心并向西延伸，而55°N以北為大范圍的正距平區(qū)域，正距平中心位于烏拉爾山以東，強度達(dá)到32 gpm，這表明烏拉爾山阻塞高壓較強。如圖7a，低溫年夏季江淮地區(qū)、朝鮮半島及日本海區(qū)域受位勢高度負(fù)距平控制，中心位于朝鮮半島附近，范圍較小，強度為－12 gpm，表明西太副高強度偏弱；西伯利亞地區(qū)一直向東到阿留申群島附近區(qū)域基本上為大范圍的負(fù)距平控制；鄂霍次克海附近有一個小范圍的正距平區(qū)域。

圖6 高溫年夏季合成的500 hPa位勢高度距平場（a）、平均位勢高度場（b）（單位：gpm；深/淺陰影通過0.05/0.1的顯著性檢驗；紅色實線/藍(lán)色虛線表示正/負(fù)）Fig. 6 Composite 500 hPa geopotential height anomaly field (a), average geopotential height field (b) in warm summer(unit: gpm; deep/shallow shadow passed the significance test of 0.05/0.1; solid red lines/dashed blue lines are positive/negative)

圖7 低溫年夏季合成的500 hPa位勢高度距平場（a）、平均位勢高度場（b）（單位：gpm；深/淺陰影通過0.05/0.1的顯著性檢驗；紅色實線/藍(lán)色虛線表示正/負(fù)）Fig. 7 Composite 500 hPa geopotential height anomaly field (a), average geopotential height field (b) in cold summer(unit: gpm; deep/shallow shadow passed the significance test of 0.05/0.1; solid red lines/dashed blue lines are positive/negative)

從圖6b和圖7b可以看出，500 hPa平均位勢高度場上中高緯度區(qū)域均為較平直的緯向型環(huán)流，高溫年與低溫年相比，夏季西太副高整體偏西偏強。高溫年的副高范圍明顯比低溫年大，5880 gpm線的西伸脊點較低溫年的偏西約4個經(jīng)度，脊線位置約偏北3個緯度。高溫年江淮地區(qū)處于副高脊線附近，盛行下沉氣流，氣壓梯度小，太陽輻射可以更多地到達(dá)地面，從而使氣溫升高；而低溫年江淮地區(qū)處于副高脊線的北側(cè)，西風(fēng)帶攜帶的冷空氣與副高外圍的暖濕氣流匯合，容易產(chǎn)生氣旋和鋒面活動，多出現(xiàn)陰雨天氣，從而使氣溫降低。

因此，西太副高對我國江淮地區(qū)夏季氣溫的變化有著重要影響。當(dāng)西太副高西伸北抬時，我國江淮地區(qū)處于副高脊線附近，易出現(xiàn)晴熱少雨天氣；而當(dāng)西太副高偏南偏東時，江淮地區(qū)處于副高脊線北側(cè)，易出現(xiàn)陰雨涼爽天氣。

3.3 夏季氣溫異常年海溫場特征

圖8為高溫年、低溫年夏季海溫距平場的合成。從圖8a可以看出，在高溫年夏季，赤道中東太平洋區(qū)域海溫呈明顯的負(fù)距平特征，海溫分布具有拉尼娜事件的特征，東亞夏季風(fēng)增強，有利于水汽輸送到北方地區(qū)，而江淮地區(qū)的大部分區(qū)域降水偏少，易出現(xiàn)高溫干旱天氣；西太平洋、日本海以及北太平洋附近有明顯的海溫正距平，這與500 hPa位勢高度場上西太副高偏西偏北、強度偏強是相符合的。在低溫年夏季，赤道中東太平洋區(qū)域被顯著的海溫正距平控制，此時海溫分布具有厄爾尼諾事件的特征，東亞夏季風(fēng)大大減弱，水汽聚集在江淮地區(qū)，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)降水洪澇天氣，使得江淮地區(qū)夏季氣溫降低；而西太平洋、日本海以及北太平洋附近有明顯的海溫負(fù)距平，這與500 hPa位勢高度場上西太副高偏南偏東、強度偏弱是相符合的。

圖8 高溫年（a）、低溫年（b）夏季合成的海溫距平場（單位：℃；深/淺陰影通過0.05/0.1的顯著性檢驗；紅色實線/藍(lán)色虛線表示正/負(fù)）Fig. 8 Composite SST anomaly field in warm summer (a) and cold summer (b) (unit: ℃; deep/shallow shadow passed the significance test of 0.05/0.1; solid red lines/dashed blue lines are positive/negative)

為了進一步分析赤道中東太平洋海溫對江淮地區(qū)夏季氣溫的影響，現(xiàn)將其異常年份的氣溫進行合成分析。1987年、1991年、1997年、2015年和2022年為海溫異常偏高年；1985年、1988年、1998年、2000年和2010年為海溫異常偏低年。如圖9所示，當(dāng)赤道中東太平洋海溫異常偏高時，江淮地區(qū)氣溫整體偏低；而該區(qū)域海溫異常偏低時，江淮地區(qū)絕大部分區(qū)域氣溫偏高，只有東南小部分區(qū)域氣溫偏低0～0.2 ℃，這與高低溫年赤道中東太平洋的海溫變化情況是相同的。

圖9 海溫偏高（a）、低（b）年合成的氣溫距平場（單位：℃）Fig. 9 Composite air temperature anomaly field in high (a) and low (b) SST years (unit: ℃)

4 結(jié)論

1）我國江淮地區(qū)夏季氣溫整體呈波動上升趨勢，增長率為0.27 ℃/10 a。冷暖交替出現(xiàn)，在2000年發(fā)生突變，2000年以前氣溫整體偏低，2000年以后氣溫快速升高，2013年平均氣溫達(dá)到最高，為28.09 ℃；在空間分布上，江淮地區(qū)夏季氣溫主要表現(xiàn)出整體一致性，存在從中間向周圍遞減的分布，此外還存在南北反相分布結(jié)構(gòu)。

2）大氣環(huán)流對各種天氣現(xiàn)象及氣候變化有重要影響，是影響區(qū)域氣溫異常變化的重要因子。江淮地區(qū)夏季氣溫變化主要受西太副高、東亞夏季風(fēng)及西伯利亞冷空氣等的影響。

3）500 hPa位勢高度場表現(xiàn)為高溫年我國江淮地區(qū)附近為大范圍的位勢高度正距平控制，西太副高偏西偏強，江淮地區(qū)處于副高脊線附近；烏拉爾山阻塞高壓較強。低溫年江淮地區(qū)受位勢高度負(fù)距平控制，西太副高偏弱，江淮地區(qū)處于副高脊線北側(cè)，多出現(xiàn)陰雨天氣。

4）海溫場表現(xiàn)為高溫年赤道中東太平洋及西太平洋的海溫分布具有拉尼娜事件的特征；低溫年赤道中東太平洋及西太平洋的海溫分布具有厄爾尼諾事件的特征。

5）通過分析海溫異常年份的氣溫發(fā)現(xiàn)，赤道中東太平洋海溫異常偏高的年份江淮地區(qū)氣溫整體偏低；而海溫異常偏低的年份江淮地區(qū)氣溫整體偏高。

通過分析得出，西太副高與太平洋海溫對江淮地區(qū)夏季氣溫有一定的影響，但是影響氣溫變化的因子還有很多，我們還需要關(guān)注中高緯度環(huán)流系統(tǒng)的變化以及印度洋海溫等的影響。此外，江淮地區(qū)夏季氣溫在2000年發(fā)生了突變，突變前后的環(huán)流特征是否有很大差異，還需要做進一步的研究。