影響華北重度和輕度高溫熱浪的大氣背景場差異分析

靳鑫桐 周波濤 謝文欣 胡躍鵬 范怡

摘要 首先識別了1961—2020年華北地區的高溫熱浪事件，在此基礎上篩選出重度和輕度高溫熱浪事件多發年份，對比分析了重度和輕度高溫熱浪事件的時空變化特征以及大氣背景差異。結果表明，重度和輕度高溫熱浪發生頻次的高值區分別位于華北北部和中南部。自20世紀60年代以來，華北重度和輕度高溫熱浪事件頻次均呈現顯著的增長趨勢，其中重度高溫熱浪事件頻次的增加更為明顯。對應華北重度高溫熱浪事件多發，東亞中緯度地區為準相當正壓結構的異常反氣旋性環流控制，華北地區位于異常反氣旋性環流的東南部。在該異常環流背景下，華北地區上空呈現異常下沉運動、云量偏少、大氣整體偏干。在異常下沉絕熱增溫的同時，晴朗干燥的配置有利于更多的太陽輻射到達地表，相應的向上長波輻射和感熱通量增加，進一步加熱近地表大氣。在華北輕度高溫熱浪事件高發年，華北位于異常反氣旋（東南側）和氣旋（西北側）性環流之間，主要受異常西南風控制。異常西南風向華北輸送暖平流加熱大氣的同時，增加了華北上空的水汽。偏多的水汽捕獲更多的長波輻射并反射至地表，利于氣溫升高。

關鍵詞重度高溫熱浪;輕度高溫熱浪;華北;大氣背景;動力水汽條件;熱力條件

近幾十年來，全球地表平均溫度顯著升高。據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告（AR6），2011—2020年全球地表平均溫度相較工業化前增暖約1.09 ℃（IPCC，2021）。在全球變暖大背景下，極端天氣氣候事件趨多趨強（周波濤和錢進，2021）。特別是極端高溫事件發生頻次和強度自20世紀50年代以來明顯增加（IPCC，2021），對人體健康、生態環境、經濟發展等方面造成重要影響（Dunne et al.，2013;Porfiriev，2014;Orlov et al.，2019;Ebi et al.，2021）。

高溫熱浪是極端高溫事件的典型代表之一，一般指的是連續3 d及以上的異常高溫過程。研究表明，中國區域的高溫熱浪事件在全球變暖背景下發生得更加頻繁，且愈發嚴重（Ding et al.，2010;You et al.，2011;Wang et al.，2017;Tao and Zhang，2019;Ren et al.，2020;Xie et al.，2020;高煥妍等，2023;孫博等，2023）。其中，20世紀90年代后華北地區高溫熱浪的增加更為明顯，尤其是強度更強、持續時間更長的高溫熱浪事件，1997年后超過一半的站點都經歷了極端熱浪的顯著增多（Qian and Lin，2004;Xie et al.，2020;邢佩等，2020）。華北地區人口眾多、經濟發達，因此，該區域人口和社會經濟對高溫熱浪的暴露程度高，其遭受高溫熱浪的風險也大（張蕾等，2016;李柔珂等，2020）。鑒于此，開展華北高溫熱浪變化與機理研究十分必要。

目前，對華北高溫熱浪的發生機制已有不少研究。衛捷等（2004）揭示華北高溫對應西太平洋副熱帶高壓位置偏東：一是西太平洋副熱帶高壓偏東時西風帶大槽也偏東，有利于西部的大陸高壓東移控制該地區，導致異常下沉運動和絕熱增溫;二是西太平洋副熱帶高壓東移造成水汽通道東移，輸送到華北地區的水汽因而減少，空氣干燥，促使溫度上升。Chen and Lu（2015）基于合成分析的研究指出，華北東部地區極端高溫對應的大氣環流異常為典型的熱帶外型，伴隨異常反氣旋環流和下沉運動，造成幾乎整個對流層增溫。Xie and Zhao（2023）對導致華北極端高溫發生的天氣型進行了分類研究，發現位于中國東北部的反氣旋環流異常是最有利于華北高溫發生的環流型，而來自大氣的歐亞遙相關和來自海洋的維多利亞模態則是有利華北高溫天氣型出現的主要驅動因子。Sun（2012）的研究表明，夏季北大西洋濤動負位相可引起東亞中部反氣旋環流異常，進而導致華北高溫日數增多。除大氣環流異常的作用外，陸氣耦合作用下的局地熱量反饋也在一定程度上影響高溫熱浪的發生（Wang et al.，2019;Xu et al.，2019;Yao et al.，2020）。

不過，現有的研究大多基于全部高溫熱浪事件的分析或針對典型極端個例，缺乏對不同類型、不同強度高溫熱浪事件的對比研究。Chen et al.（2023）分析了華北地區日間高溫熱浪、夜間高溫熱浪和日夜復合型高溫熱浪所對應的環流異常，發現這三種不同類型高溫熱浪的發生與上游波列影響下西風急流和西太平洋副熱帶高壓的位置不同有關。由于不同嚴重程度的高溫熱浪事件所帶來的影響明顯不同，所以也應分開考慮。然而，目前對不同嚴重程度高溫熱浪發生的環流背景尚不清楚。

高溫熱浪強度是判定事件嚴重程度的關鍵指標。以往研究多直接采用單一指標對高溫熱浪的強度進行度量和分類。例如，賈佳和胡澤勇（2017）利用高溫日持續時間的長短確定高溫熱浪等級，分析了中國區域不同強度高溫熱浪的時空分布特征和區域間的差異。近年來，越來越多的研究開始關注高溫熱浪事件的綜合強度，采用同時考慮溫度、濕度等變量的人體舒適度指標（如體感溫度，通用熱氣候指數等）（Luo and Lau，2019;林卉嬌，2022），同時考慮夜晚溫度和升溫幅度的超熱因子等（肖安和周長艷，2017）劃分高溫熱浪事件的強度。除了考慮多個變量的異常狀況，Russo et al.（2015）提出了同時考慮熱浪事件的持續時間和單日強度的HWMId指數，能夠對高溫熱浪的嚴重程度進行綜合度量，已被廣泛應用于全球和區域高溫熱浪研究中（Zampieri et al.，2016;Dosio，2017;Xie et al.，2020，2021）。本文基于HWMId指數，首先對華北高溫熱浪事件的嚴重程度進行度量，在此基礎上篩選出重度和輕度熱浪事件發生的典型年份，對不同綜合強度的高溫熱浪事件發生的可能成因進行探究，并進一步對比二者的異同，旨在深化對華北高溫熱浪機理過程的理解，為華北地區應對極端高溫災害提供科學支撐。

1 數據與方法

1.1 資料

采用中國區域格點化的CN05.1逐日最高氣溫數據，水平分辨率為0.25°×0.25°（吳佳和高學杰，2013）。該數據由中國區域2 400多個氣象站資料經“距平逼近”方法插值而成，并經過均一化處理。所用的再分析資料來自美國國家環境預報中心／大氣研究中心（NCEP／NCAR），水平分辨率為2.5°×2.5°（Kalnay et al.，1996）。分析變量包括水平風場、垂直速度、比濕、云量、土壤濕度、凈短波輻射、凈長波輻射、感熱通量和潛熱通量。華北地區定義為111°～119°E、36°～46°N的區域，研究時段為1961—2020年，關注季節為夏季6—8月。

1.2 高溫熱浪識別

本文采用相對閾值定義高溫熱浪事件，即定義每個日期下參考時段（1961—1990年）前后15 d滑動窗口（30×31=930 d）的第90分位數為對應日期的高溫閾值，具體計算如下（Xie et al.，2020）：

Ad=∪1990y=1961∪i=d+15i=d-15Ty，i。

其中：Ty，i指第y年的第i天的日最高氣溫；∪指取并集，每個格點都有一個對應的集合Ad。若某日的日最高氣溫超過對應日期下的閾值則定義為一個高溫日，若出現連續3 d及以上的高溫日則定義為一次高溫熱浪事件。

在識別高溫熱浪事件的基礎上，采用HWMId指數（Russo et al.，2015）衡量高溫熱浪事件的綜合強度，計算公式如下：

Md（Td）=Td-T30y25pT30y75p-T30y25p，? Td＞T30y25p;

0，Td≤T30y25p。

其中：Td指高溫熱浪事件中第d天的日最高氣溫;T30y25p和T30y75p分別指某格點參考時段內夏季日最高氣溫的25%分位數和75%分位數;Md代表高溫日“異常程度”與“一般狀況”的比值。將一次高溫熱浪事件中高溫日的Md總和定義為HWMId指數，可以同時衡量高溫熱浪事件的持續時間和單日強度。

本文根據參考時期1961—1990年華北地區高溫熱浪事件的發生情況，對事件的嚴重程度進行劃分。具體的劃分方法為：以華北所有高溫熱浪事件綜合強度（HWMId值）的75％分位值和25％分位值作為標準，將HWMId>7.96（75％分位值）的高溫熱浪事件定義為重度高溫熱浪事件，將HWMId<4.46（25％分位值）的高溫熱浪事件定義為輕度熱浪事件。

1.3 統計分析方法

本文主要采用合成分析方法探討重度高溫熱浪和輕度高溫熱浪對應的大氣背景場的差異，統一選取1961—2020年作為氣候態平均值，并采用Students t方法對異常狀況進行顯著性檢驗。為消除全球變暖信號的影響，本文在選取重度和輕度高溫熱浪偏多年以及進行合成分析時，均對要素場作了去趨勢處理。

2 結果分析

2.1 重度和輕度高溫熱浪事件的時空分布特征

圖1給出了1961—2020年華北地區重度和輕度高溫熱浪事件發生頻次的空間分布和時間演變。從空間分布來看，重度高溫熱浪事件高發區主要位于華北北部，即內蒙古中部地區，平均發生頻次大多超過0.4次／a（圖1a）;而輕度高溫熱浪事件多發于華北中南部，即京津冀、山西東部和山東北部地區（圖1b）。就整個華北區域平均而言，1961—2020年重度高溫熱浪與輕度高溫熱浪事件分別平均發生0.32次／a和0.31次／a

從時間變化來看，重度高溫熱浪和輕度高溫熱浪事件的發生頻次均呈現顯著的增加趨勢。其中，重度高溫熱浪事件發生頻次的增加速率為0.09次／（10 a）（通過95％置信水平檢驗，圖1c），大于輕度高溫熱浪事件發生頻次的增加速率（0.03次／（10 a），通過95％置信水平檢驗，圖1d）。此外，重度和輕度高溫熱浪頻次還呈現明顯的年代際變化特征。重度高溫熱浪表現為20世紀90年代末期前頻次偏少，之后頻次明顯偏多（圖1c）;而輕度高溫熱浪的頻次則整體呈現多-少-多的特征，轉折點大致位于20世紀70年代末期和90年代末期（圖1d）。

2.2 大尺度環流背景

為探討華北重度和輕度高溫熱浪事件對應的環流背景，本文根據華北區域平均的高溫熱浪頻次時間序列，對重度和輕度高溫熱浪事件發生的典型年份進行篩選。為去除全球變暖信號的影響，我們先對時間序列進行去趨勢處理，然后再標準化。在此基礎上，將重度（輕度）高溫熱浪頻次標準化值大于1的年份定義為重度（輕度）高溫熱浪多發年。為避免信號損失，若某一年重度和輕度高溫熱浪發生頻次的標準化值均超過1且兩者差異較小，則剔除該年;若二者都超過1，但重度（或輕度）高溫熱浪標準化值明顯偏大，則對該年予以保留并作為重度（或輕度）高溫熱浪事件多發年?；诖嗽瓌t，分別篩選出華北重度和輕度高溫熱浪事件偏多年份各7 a。重度高溫熱浪事件偏多的典型年份為1965，1991，1997，1999，2007，2010和2017年;輕度高溫熱浪事件偏多的典型年份為1961，1962，1978，2012，2013，2014和2018年。

圖2為華北重度和輕度高溫熱浪偏多年對應的異常水平風場?？梢?，華北重度高溫熱浪事件偏多時（圖2a—c），東亞中緯度地區上空存在顯著的反氣旋性環流異常，在其西北側的高緯度地區則為異常的氣旋性環流控制，呈現偶極分布型。該環流異常分布從對流層高層到低層均可見，表現出準相當正壓結構。華北地區位于異常反氣旋性環流的東南部，主要受異常東北風和東風控制。對應輕度高溫熱浪事件高發年（圖2d—f），偶極型環流異常同樣存在于對流層，但相較于重度高溫熱浪事件多發年份，其位置要偏東偏南。華北地區位于異常反氣旋環流的西北側，受西南風異常的控制。

2.3 動力和水汽條件

上述重度和輕度高溫熱浪事件偏多所對應的大尺度環流異常場差異可進一步引起華北上空不同的動力和水汽條件。由圖3a可以看到，重度高溫熱浪偏多時，與高空異常反氣旋性環流控制相對應，華北對流層高層散度呈現顯著的負異常，意味著大氣異常輻合下沉。該異常下沉運動在整個對流層均可清晰地觀察到（圖3c），表明大氣層結處于穩定狀態。異常下沉運動將抑制對流活動的發生，因而造成華北上空云量顯著偏少（圖3e），有利于晴朗天氣的出現（張慶云等，2003;衛捷等，2004;尹澤疆等，2023）。

與重度高溫熱浪事件多發年相比，在華北輕度高溫熱浪事件多發年份，隨著偶極型異常環流位置的偏東偏南，對流層高層異常輻合中心移至華北區域的南側，華北大部分地區及其東北側為大氣輻散異常（圖3b），呈現出異常的上升運動（圖3d），不利于華北上空云量的減少（圖3f）。

圖4顯示了與華北重度和輕度高溫熱浪事件多發相關聯的水汽特征。在重度高溫熱浪事件偏多年，相應于反氣旋性環流異常，在華北區域出現異常的北風和東風水汽輸送（圖4a），指示水汽輸送通量異常輻散（圖4a），結果導致該區域水汽減少，大氣總體偏干（圖4c）。與重度高溫熱浪事件對應的水汽輸送特征不同，在輕度高溫熱浪事件偏多年，受異常偏南風氣流的引導，水汽由海洋向華北區域輸送（圖4b），進而使得華北區域的水汽增多，造成大氣總體偏濕（圖4d）。

總體來講，華北重度高溫熱浪事件和輕度高溫熱浪事件多發年所對應的動力和水汽條件的配置幾乎呈現相反的狀況。即重度高溫熱浪事件多發年，華北區域為異常下沉運動控制，水汽條件偏干;而輕度高溫熱浪事件偏多年對應華北區域異常上升運動，水汽條件偏濕。

2.4 熱力條件

圖5分別給出了華北重度和輕度高溫熱浪事件多發年對應的地表凈短波輻射和凈長波輻射的合成結果。結果表明，對應于重度高溫熱浪事件多發年，由于云量（圖3e）和水汽（圖4c）的減少，華北地區所接收到的凈短波輻射增加（圖5a），向上的凈長波輻射也隨之增加（圖5c），從而加熱近地表大氣，使得氣溫升高。

對于輕度高溫熱浪事件，由于云量變化不明顯（圖3f），向下的凈長波輻射的變化也不顯著，僅呈現出相較于氣候態平均略微減小的態勢（圖5b）。但是，由于水汽的顯著增加（圖4d），其能同時捕捉和反射更多的長波輻射到達地面，使得向下的凈長波輻射顯著偏多（圖5d），有利于氣溫的升高。該結果亦表明水汽在華北輕度高溫熱浪事件發生中的作用。

此外，重度高溫熱浪事件多發的典型年，華北地區土壤濕度相對偏干（圖6a），土壤水分的缺失導致地表蒸散量減?。╕ao et al.，2020）。因此，異常增多的太陽輻射加熱地表，使得向上的感熱通量增加（圖6c），進一步加劇了氣溫的升高。而對于輕度高溫熱浪事件偏多年份，由于土壤濕度的偏高（圖6b），華北部分地區呈現潛熱通量負異常，表明由地面向上的潛熱釋放增加，也有利于氣溫的增加（圖6f）。

基于熱力學能量方程，除了絕熱加熱和非絕熱加熱的作用外，溫度平流輸送對異常增溫也具有影響。圖7分別給出了華北重度和輕度高溫熱浪事件多發年對應的850 hPa水平溫度平流的合成距平場空間分布。在重度高溫熱浪事件多發年，溫度平流在華北區域的南部和北部分別呈現輕微的負異常和正異常，表明其對重度高溫熱浪事件的影響較?。▓D7a）;相比而言，在輕度高溫熱浪事件的多發年份，華北地區上空的溫度平流整體呈現正異常，尤其在華北南部較為顯著，表明異常偏南風將中低緯的暖濕氣流向北輸送，有助于華北地區增溫（圖7b）。

3 結論與討論

基于CN05.1的日最高氣溫格點觀測資料，本文首先對1961—2020年華北地區高溫熱浪事件進行識別，并基于綜合考慮事件單日強度和持續時間的HWMId指數，度量了高溫熱浪事件的綜合強度。在此基礎上，根據華北地區所有高溫熱浪事件綜合強度的75％分位值與25％分位值，篩選出重度和輕度高溫熱浪事件，并分析了其時空分布特征。進一步地利用再分析資料，探討了與重度和輕度高溫熱浪事件相關聯的環流背景、水汽特征和熱力條件等的異同。主要結論如下：

1）華北地區重度高溫熱浪事件高發區主要位于華北北部（即內蒙古中部地區），而輕度高溫熱浪事件高發區則主要分布在華北中南部，包括京津冀、山西東部和山東北部。自20世紀60年代以來，華北區域平均的重度和輕度高溫熱浪事件均顯著增多，增長趨勢分別為0.09次／（10 a）和0.03次／（10 a）。在年代際變化方面，重度高溫熱浪事件在20世紀90年代末期前總體偏少，之后偏多;而輕度高溫熱浪的頻次則整體呈現多-少-多的特征。

2）當華北地區重度高溫熱浪事件發生頻次偏多時，東亞中緯度地區上空為準相當正壓結構的異常反氣旋性環流控制，華北地區位于異常反氣旋性環流的東南部。伴隨異常反氣旋性環流的出現，華北上空呈現異常下沉運動，造成絕熱增溫;同時導致云量和水汽偏少，使得更多的太陽輻射到達地表，相應的向上長波輻射和感熱通量增加，進一步通過非絕熱過程加熱近地表大氣。共同作用導致高溫過程的異常幅度更大，持續時間更長，造成重度高溫熱浪事件的發生。

3）當華北地區輕度高溫熱浪事件發生頻次偏多時，華北地區的西北和東南側分別為異常的氣旋性環流和反氣旋性環流控制，華北地區位于該偶極子型中間，盛行異常西南風。西南風異常使得來自低緯的暖濕氣流輸送至華北上空，一方面造成華北上空水汽增多，偏多的水汽進一步通過溫室效應向下反射更多的長波輻射加熱近地表大氣;另一方面通過暖平流輸送作用加熱大氣。

總體來看，重度高溫熱浪的發生受下沉絕熱增溫、太陽輻射、感熱加熱的共同作用，表現為干熱特征;輕度高溫熱浪的發生主要受水汽的溫室效應和水平溫度輸送的影響，呈現濕熱屬性。兩者之間存在明顯的差異。雖然以往的研究也揭示了異常高壓系統以及其對應的異常下沉運動、偏多的太陽輻射等在華北及周邊地區高溫熱浪事件中的重要作用（Chen and Lu，2015;焦敏等，2019;Yao et al.，2020;Zhang et al.，2020;李經緯等，2021;Yang et al.，2021;Xie and Zhao，2023），但這些研究一般未區分高溫熱浪事件的強度。與本研究結果相比較可以發現，上述的這些背景特征實際上同本文揭示的與重度高溫熱浪事件相對應的特征相一致，亦即主要反映的是重度高溫熱浪的發生背景，這也凸顯了劃分不同強度高溫熱浪事件分別開展研究的必要性。當然，本文僅從大尺度環流、動力條件、水汽條件、熱力條件等角度對華北重度和輕度高溫熱浪事件的發生機制進行了初探。影響華北重度和輕度高溫熱浪事件變化的外強迫因子各自有哪些？其中的物理過程和機制又如何？可用于預測重度和輕度高溫熱浪事件的前期信號有哪些？這些問題還有待進一步深入研究，以增進對華北重度和輕度高溫熱浪變化機理的認識，并揭示有效的預測信號因子。

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·ARTICLE·

Discrepancy in atmospheric background influencing severe and mild heat wave events over North China

JIN Xintong，ZHOU Botao，XIE Wenxin，HU Yuepeng，FAN Yi

Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education／Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044，China

Abstract A heat wave defined as several consecutive days with positive temperature anomalies.Since the 1950s，heat waves have increased in number and intensified globally，exerting significant impacts on human health，theecosystem，and the social economy.The increase in heat waves，especially extreme events with longer duration and higher amplitude over North China after the late 1990s，is of particular note.However，relevant existing studies have mainly focused on unsorted events or typical cases，and the atmospheric backgrounds of heat waves with different severities are unclear.Therefore，using the CN05.1 daily maximum temperature and NCEP／NCAR reanalysis data for the period of 1961—2020，this study identifies severe and mild heat wave events over North China，then selects the years with high frequencies of such events.On this basis，the spatiotemporal variation and atmospheric background of severe and mild heat waves events over North China are investigated through composite analysis.The results show that high frequencies of severe and mild heat wave events mainly appear in the northern part and the middle and southern parts of North China，respectively.For both types of events，their frequencies averaged over North China have shown a significant increasing trend since the 1960s，with a higher occurrence rate of severe heat waves （0.09 events per decade） than mild ones （0.03 events per decade）.Corresponding to high frequencies of severe heat waves in North China，an anomalous anticyclonic circulation with the quasi-equivalent barotropic structure dominates the mid-latitudes of East Asia，and the North China domain is located in its southeast flank.Against this background，anomalous subsidence and hence reduction of cloud cover and humidity appear in North China.In addition to the adiabatic heating of the subsidence，the clear-dry air over North China is conducive to stronger solar radiation reaching the land surface.Accordingly，the outgoing longwave radiation and sensible heat from the land surface are enhanced，thus warming the overlying atmosphere over the region.Incomparison，associated with high frequencies of mild heat wave events in North China is an anomalous dipole pattern with the anticyclonic and cyclonic anomalies respectively residing on the southeast and northwest sides of North China，and the target region is under the control of southwesterly anomalies.The southwesterly anomaly can heat the atmosphere through warm advection transport toward North China.At the same time，it also increases humidity over North China by transporting water vapor from the ocean to the region.The increased humidity may capture and reflect more longwave radiation onto the surface，thus favoring the warming of overlying atmosphere.Ingeneral，the occurrence of severe heat waves is affected by the joint contribution of adiabatic heating due to abnormal subsidence，solar radiation and sensible heating，exhibiting a dry-hot nature.The occurrence of mild heat waves is dominated by the greenhouse effect induced by abundant water vapor，and horizontal temperature advection，exhibiting a wet-hot nature.There is a discernible difference in the atmospheric background of severe and mild heat waves.

Keywords severe heat waves;mild heat waves;North China;atmospheric background;dynamic and moisture conditions;thermal conditions

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20231220010

（責任編輯：劉菲）