錢維宏，丁 婷

北京大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，北京 100871

中國熱浪事件的大氣擾動結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析

錢維宏，丁 婷

北京大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，北京 100871

利用對流層至平流層大氣變量的物理分解，本文發(fā)現(xiàn)400hPa上的天氣尺度溫度擾動正值和250hPa上的天氣尺度高度擾動正值能夠指示地面上的高溫和熱浪事件.理論和觀測分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擾動靜止波中心出現(xiàn)在40°N—45°N時，準靜止波波長較長，影響范圍大，持續(xù)時間久，容易在中國形成區(qū)域持續(xù)性熱浪事件.在江南—華南、長江沿江及河套—華北的區(qū)域，干熱浪事件靜止波的穩(wěn)定時間在6.5天以上.對流層大氣天氣尺度擾動波動在垂直方向具有傾斜特征，250hPa高度上，靜止波穩(wěn)定位置比地面熱浪區(qū)域中心普遍偏北6～12個緯距.在低緯度（副熱帶高壓帶南側(cè)），大氣中向西北方向移動的天氣尺度擾動，只有到達副高脊線以北的西風(fēng)帶后，才能形成靜止波.

熱浪事件，擾動結(jié)構(gòu)，溫度擾動，高度擾動，動力學(xué)分析

1 引 言

范圍大、持續(xù)時間長、強度高的高溫?zé)崂耸录θ藗兊纳a(chǎn)、生活、社會經(jīng)濟發(fā)展、水資源和生態(tài)環(huán)境都會造成嚴重威脅.全球變暖背景下極端高溫天氣事件出現(xiàn)的頻次和強度變化，已經(jīng)引起了社會的廣泛關(guān)注［1］.高溫?zé)崂艘殉蔀闅夂蜃兓芯恐械臒狳c問題之一［2］.然而，早期的研究多集中于大范圍單站日最高溫度或高溫日的頻次分析，如北半球地面日最高溫度的變化［3］，中國四季的日極端高溫變化及分布［4］等.在中國除了區(qū)域極端高溫事件的個例分析外［5］，系統(tǒng)性地對中國歷史上的區(qū)域持續(xù)性高溫?zé)崂耸录难芯亢褪录v史排序的工作尚不多.

在相關(guān)的研究中，極端高溫閾值指標和強度分類已經(jīng)有很多的研究［6－7］.對區(qū)域持續(xù)性高溫?zé)崂耸录?，中國國家氣象中心?009年專門給出了一個定義.我們參考中國和美國國家氣候中心的定義，依據(jù)區(qū)域持續(xù)性干熱浪和區(qū)域持續(xù)性濕熱浪的定義標準，給出了中國145個區(qū)域干熱浪和163個區(qū)域濕熱浪事件的排序［8］.

在常規(guī)的天氣圖預(yù)報中，高溫?zé)崂颂鞖猓话銓?yīng)的是對流層中層（500hPa附近）穩(wěn)定高壓環(huán)流下的下沉氣流控制的晴好天氣區(qū)，是區(qū)域大氣的下沉增溫與太陽輻射增溫疊加的結(jié)果.高溫?zé)崂藢儆诋惓Ｌ鞖?異常天氣應(yīng)該是異常大氣環(huán)流的結(jié)果，我們把正常的日變化和年循環(huán)季節(jié)變化的氣候分量從觀測的大氣變量中分離掉，分析熱浪出現(xiàn)時的大氣擾動結(jié)構(gòu)，從而闡明大氣擾動在高溫?zé)崂颂鞖膺^程預(yù)報中的可能應(yīng)用.

在對流層中上層，氣壓場或流場經(jīng)常呈現(xiàn)波狀結(jié)構(gòu)，北半球有3～5個波（L＝106m），其移動速度接近風(fēng)速，這種波動稱為大氣長波.大氣長波與中短期天氣過程的關(guān)系最為密切［9］.Rossby［10］于1939年首先從理論上證明了大氣長波在旋轉(zhuǎn)地球上的存在.長波理論對近代動力氣象學(xué)的發(fā)展具有重大意義，所以大氣長波又稱為Rossby波，是大氣中對天氣預(yù)報最重要的波動［11］.傳統(tǒng)天氣圖的預(yù)報方法是基于長波槽脊系統(tǒng)的移動.西風(fēng)風(fēng)速越大，槽脊移動的速度越快，波長越短時槽脊移動的速度也越快.當(dāng)波長達到一個臨界值時，波動呈現(xiàn)準靜止狀態(tài).這一理論的誕生對于天氣分析與預(yù)報具有重大里程碑的意義.大氣中的觀測變量可以按照時間和空間進行分解［12］，然而分解成四項之后，有必要重新推導(dǎo)長波理論的經(jīng)典公式.當(dāng)高度波動呈現(xiàn)準靜止狀態(tài)時，它長期控制在某一地區(qū)，則會形成嚴重的區(qū)域持續(xù)性高溫.因此對大氣波動傳播公式進行推導(dǎo)，并結(jié)合實例分析靜止波的特征，這是非常有實用意義的.

本文依次建立大氣擾動變量與熱浪事件的結(jié)構(gòu)模型，推導(dǎo)對流層上部中緯度擾動波速公式，認識西風(fēng)帶中大氣擾動結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，討論與靜止波長有關(guān)的因子，分析1979—2008年期間的大氣擾動準靜止波的穩(wěn)定緯度和波長特征與中國熱浪事件的聯(lián)系.

2 資料和方法

全球范圍的溫度場、高度場、風(fēng)場和垂直速度的計算使用了NCEP／NCAR Reanalysis 2的2.5°×2.5°格點資料［13］，經(jīng)度范圍0°—360°，緯度范圍90°S—90°N，垂直方向17層（包括1000、925、850、700hPa、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50hPa、30、20、10hPa）.資料來源于http：／／www.esrl.noaa.gov／psd／data／gridded.

大氣中的天氣尺度擾動分量的分離方法是：用歷史觀測的大氣變量減去逐日氣候變化分量和行星尺度緯圈距平擾動分量.以下的分解式中，A（λ，φ，是第Y年相對1月1日第t日變量的天氣尺度擾動分量［14］：

其中，A（λ，φ，t）Y為大氣變量（溫度、高度和風(fēng)）的觀測，是太陽輻射引起的逐日季節(jié)氣候變化量，（λ，φ）是海陸、地形差異調(diào)節(jié)的逐日空間氣候變化量，這兩項是用1979—2008年美國再分析大氣變量資料確定的逐日氣候部分，是第t日行星尺度擾動確定的指數(shù)循環(huán)分量.

3 熱浪對應(yīng)的空間擾動物理量分布

區(qū)域干熱浪事件發(fā)生時，天氣尺度高度擾動、溫度擾動和風(fēng)場擾動具有確定的匹配結(jié)構(gòu).表1給出了1979年以來發(fā)生在中國東部地區(qū)的15場比較強的熱浪事件的典型日.在對流層位勢高度擾動上，正的高度擾動寬度有寬窄之分.這些事件的250hPa天氣尺度高度擾動中心地理位置范圍在35°N—50°N和105°E—125°E之間.

圖1給出了12場（表1中帶星號＊）熱浪（地面高溫中心位于30°N—35°N）典型日的對流層至平流層大氣變量及其天氣尺度變量擾動的合成經(jīng)向剖面.從圖1a的原始溫度場看，溫度由赤道向極地、由低層向高層遞減，但在地面高溫?zé)崂藚^(qū)附近有一相對暖的區(qū)域.沒有發(fā)現(xiàn)位勢高度對地面熱浪有指示意義的信息.在圖1b的原始風(fēng)場上，可以看到，中緯度30°N—60°N低層到高層為西風(fēng)，低緯為東風(fēng).在熱浪區(qū)附近，低層大氣有偏南上升氣流.三維風(fēng)場上表現(xiàn)為中國夏季偏南季風(fēng)氣候的典型特征.可見，雖然地面上出現(xiàn)了異常的高溫?zé)崂耸录?，但高層變量上仍然看不到異常的指示信?

表1 15次區(qū)域干熱浪事件典型日的250hPa正值位勢高度擾動中心兩側(cè)零線所在的經(jīng)度，正值高度擾動中心所在的緯度及其與北側(cè)零線的寬度Table 1 Two longitudes of positive height anomaly zero lines，the latitude of the positive height anomaly center，and the width from the center to the north－side zero line for the typical days of 15regional heat wave events at 250hPa

圖1c是分解后的天氣尺度溫度擾動.溫度擾動的正異常區(qū)從地面高溫?zé)崂藚^(qū)向上延伸到250hPa，并隨高度向北傾斜，200hPa向上至平流層為溫度擾動的負異常區(qū)，占據(jù)范圍150～70hPa，強度達到－2℃.從地面高溫?zé)崂藚^(qū)到850hPa，有3℃的正異常中心，另一個4℃的正異常中心位于400～250hPa.可以看到，地面熱浪是平流層至對流層天氣尺度溫度擾動暖中心向南和向下的延伸.在高溫區(qū)的北側(cè)，地面到250hPa為溫度負異常區(qū)，250hPa向上為溫度正異常區(qū)，中心在200hPa，強度達6℃.地面高溫?zé)崂藚^(qū)及向北5個緯度的范圍內(nèi)，地面附近向上至平流層都為天氣尺度高度擾動正異常區(qū)，高度異常區(qū)中心在250～200hPa之間，強度達到140gpm.天氣尺度高度擾動正異常區(qū)北側(cè)，對流層至平流層為負異常區(qū)，中心強度為180gpm，出現(xiàn)在250hPa附近.

與原始風(fēng)場不同，天氣尺度擾動氣流在地面熱浪區(qū)附近，表現(xiàn)為強烈的下沉運動，熱浪區(qū)北側(cè)為上升運動.原始風(fēng)場中的低層偏南季風(fēng)氣流在天氣尺度擾動氣流中已經(jīng)不存在.250hPa上西風(fēng)擾動最為明顯，40°N以南為東風(fēng)擾動，40°N以北為西風(fēng)擾動（中心強度達24m／s）.可見，在去掉逐日氣候平均和行星尺度緯圈平均之后的天氣尺度擾動變量中，地面熱浪區(qū)附近的天氣尺度擾動變量空間結(jié)構(gòu)特征更為清晰.

從上述原始變量與天氣尺度擾動變量的比較可以發(fā)現(xiàn)，溫度、高度和風(fēng)的原始變量中包括了逐日氣候分量、行星尺度擾動分量和天氣尺度擾動分量，不容易分辨出與地面高溫?zé)崂藢?yīng)的大氣變量在空間上的擾動結(jié)構(gòu)特征.從擾動變量的空間分析可知，預(yù)報地面高溫?zé)崂诵枰P(guān)注400hPa上的天氣尺度溫度擾動和250hPa上的天氣尺度高度擾動.

進一步考察高溫?zé)崂巳盏奈锢砹恐刑鞖獬叨壬⒍葦_動和渦度擾動的空間分布.圖2給出了合成12次區(qū)域干熱浪事件典型日的天氣尺度散度擾動和渦度擾動分布.地面高溫?zé)崂藚^(qū)附近到850hPa為負散度區(qū)（中心強度為－4×10－6s－1），而在200～250hPa為大范圍的散度擾動正中心（強度4×10－6s－1），有利于氣流下沉.天氣尺度渦度擾動的分布上，最明顯的特征是南北方向有2對正負波動相隔分布中心（圖2b），中心位置在250hPa附近.一對最大的負渦度和正渦度中心就在地面高溫?zé)崂藚^(qū)的偏北一側(cè).

我們還進一步計算了高溫?zé)崂巳諏?yīng)的天氣尺度風(fēng)場擾動與地轉(zhuǎn)風(fēng)擾動及熱成風(fēng)擾動之間的關(guān)系.圖3為12次區(qū)域干熱浪事件典型日合成的天氣尺度西風(fēng)擾動u分量和計算的地轉(zhuǎn)風(fēng)擾動.比較圖3a與圖3b，它們在中緯度地區(qū)是一致的.熱浪區(qū)的中上層500～100hPa為天氣尺度東風(fēng)擾動異常區(qū)（中心強度－10m／s），熱浪區(qū)北側(cè)700～100hPa為天氣尺度西風(fēng)擾動異常（中心強度25m／s），風(fēng)場擾動和高度擾動在中緯度地區(qū)近似滿足地轉(zhuǎn)關(guān)系.這表明，在地面高溫?zé)崂藚^(qū)的上空對流層頂附近存在一個異常的反氣旋性環(huán)流.

圖1 12場區(qū)域干熱浪事件典型日的合成變量在緯度－垂直剖面上的分布原始變量場：（a）溫度（K）和高度（gpm），（b）風(fēng)場；擾動變量場：（c）溫度（K）和高度（gpm），（d）風(fēng)場.合成的經(jīng)度范圍取為表1中的Longitude1至Longitude2；（a）中黑色實線表示高度場，灰色線表示溫度場；（c）中黑色實線和虛線分別表示高度擾動正異常和負異常等值線，陰影區(qū)表示溫度擾動正異常區(qū)，區(qū)域內(nèi)灰度間隔為1℃，灰色粗虛線所示溫度擾動異常為－2℃.（b）和（d）中矢量箭頭表示經(jīng)向風(fēng)v和垂直速度的矢量，等值線表示西風(fēng)u分量.白色空心箭頭指示地面熱浪區(qū)的位置.Fig.1 The vertical and meridional composite patterns for typical days of 12regional heat wave eventsIn original（a）temperature（K）and geopotential height（gpm），（b）wind（m／s）；and in regional－scale anomalies of（c）temperature（K）and height（gpm），（d）wind（m／s）.The longitude range is listed in Table 1.In（a），black solid lines and dash－dot lines present the geopotential height and temperature respectively.In（c），black solid lines and dotted lines present the positive and negative height anomalies respectively，and the shadow presents the positive temperature anomaly with the interval 1℃，while the grey bold dotted lines present－2℃temperature anomaly.In（b，d），the arrows and the lines present the vector of V and vertical velocity，and the U wind respectively.The white arrows indicate the heat wave location.

圖4為12次區(qū)域干熱浪事件典型日天氣尺度熱成風(fēng)擾動實際值和根據(jù)兩層氣壓及平均溫度擾動計算得到的天氣尺度熱成風(fēng)擾動合成.它們的分布一致，反映變量的擾動部分仍然滿足熱成風(fēng)關(guān)系.在地面高溫?zé)崂藚^(qū)及其以北的對流層頂附近，存在兩對熱成風(fēng)擾動中心.在熱浪區(qū)附近，500～250hPa上為熱成風(fēng)負的擾動區(qū)，中心強度為－5m／s，高層200～70hPa為西風(fēng)擾動，中心強度達10m／s.在熱浪區(qū)北側(cè)，地面到中層熱成風(fēng)擾動為西風(fēng)，中心強度10m／s，高層為東風(fēng)擾動，中心強度－15m／s.擾動部分的熱成風(fēng)零線出現(xiàn)在200～250hPa附近，高層和中層熱成風(fēng)擾動的符號相反，高層中心位于100hPa，中層中心在400hPa附近.

4 天氣尺度擾動變量結(jié)構(gòu)模型

圖5 12次區(qū)域干熱浪事件典型日的位勢高度（gpm）和溫度（K）的各層合成（a）850hPa原始場；（b）850hPa擾動場；（c）500hPa原始場；（d）500hPa擾動場；（e）250hPa原始場；（f）250hPa擾動場；（g）200hPa原始場；（h）200hPa擾動場；（i）100hPa原始場；（j）100hPa擾動場；（k）5個典型日中站點達到干熱浪的天數(shù).在（a），（c），（e），（g），（i）中，黑色實線表示高度原始場，陰影表示溫度原始場.在（b），（d），（f），（h），（j）中，黑色實線和虛線分別表示擾動高度的正異常和負異常，陰影表示擾動溫度的正異常，灰色粗虛線表示擾動溫度負異常為－2℃.Fig.5 The geopotential height（gpm）and temperature（K）composite patterns for typical days of 12regional heat wave events（a）Original at 850hPa，（b）anomaly at 850hPa，（c）original at 500hPa，（d）anomaly at 500hPa，（e）original at 250hPa，（f）anomaly at 250hPa，（g）original at 200hPa，（h）anomaly at 200hPa，（i）original at 100hPa，（j）anomaly at 100hPa，（k）the number of heat wave days.In（a，c，e，g，i），black solid lines and shadow present the original height and temperature respectively.In（b，d，f，h，j），black solid lines and dotted lines present the positive and negative height anomalies respectively，and the shadow presents the positive temperature anomaly，while the grey bold dotted lines present－2℃temperature anomaly

為了對各等壓面上的原始變量和天氣尺度擾動變量進行對比，選擇表1中位勢高度中心在40°N的5次熱浪事件進行17層的逐層合成.圖5給出了5次區(qū)域干熱浪事件典型日的高度和溫度的關(guān)鍵層合成圖.從圖5左側(cè)原始場上看到，從低層到250hPa，歐亞大陸中低緯地區(qū)溫度高，高緯地區(qū)溫度低.200hPa和100hPa上，溫度場的南北分布與中低層相反，高緯度溫度高而低緯度溫度低.在原始高度場上東亞地區(qū)地面到高層為一槽，500hPa的5880gpm等值線西伸到100°E附近，控制中國長江中下游及以南地區(qū).與圖中左側(cè)原始變量進行對比，右側(cè)天氣尺度擾動變量的特征更為清晰.850hPa溫度擾動上，中國東部的南方地區(qū)為溫度擾動正異常并隨高度經(jīng)過500hPa增加到200hPa，溫度擾動正異常中心隨高度逐漸向北傾斜，地面高溫?zé)崂藚^(qū)上方的200hPa溫度擾動幾乎為0，而100hPa的溫度擾動變?yōu)橄喾吹呢摦惓^(qū).天氣尺度高度擾動場上，地面熱浪區(qū)上方對應(yīng)的850hPa到100hPa都為正異常區(qū)，中心在250～200hPa.圖5k給出了5個典型日中，站點達到干熱浪的天數(shù)，熱浪主要發(fā)生在長江流域，最多熱浪天數(shù)的站點集中在長江中游.

綜合圖1至圖5逐層天氣尺度擾動變量分布的異常區(qū)域，可以得到與區(qū)域干熱浪對應(yīng)的空間擾動變量經(jīng)向結(jié)構(gòu)模型圖（圖6）.地面高溫?zé)崂藚^(qū)上方的850～250hPa為天氣尺度溫度擾動正異常區(qū)，中心位于400hPa，各層溫度擾動正異常區(qū)中心隨高度增加向北傾斜，200hPa溫度擾動幾乎為0，到100hPa高度，溫度擾動為負異常區(qū).在地面高溫?zé)崂藚^(qū)的北側(cè)，850hPa到500hPa為溫度擾動負異常區(qū)，250hPa溫度擾動幾乎為0，而200～100hPa轉(zhuǎn)為溫度擾動正異常區(qū).地面高溫?zé)崂藚^(qū)的850hPa向上到100hPa都為天氣尺度高度擾動正異常區(qū)，中心在200～250hPa，高度擾動的最大正異常在地面高溫區(qū)的北側(cè)6～12個緯度.地面高溫?zé)崂藚^(qū)的北側(cè)，天氣尺度高度擾動從低層到高層都為負值，最大負值中心出現(xiàn)在250hPa.地面高溫?zé)崂藚^(qū)的南側(cè)850～100hPa為東風(fēng)擾動區(qū)，在其北側(cè)為西南風(fēng)擾動區(qū)，西風(fēng)擾動的最大值出現(xiàn)在250hPa.垂直方向上，在地面熱浪中心偏南的位置上空850～200hPa為擾動下沉氣流區(qū).地面高溫?zé)崂藚^(qū)的南側(cè)和北側(cè)，低層到高層為擾動上升氣流區(qū).天氣尺度高度擾動和風(fēng)場（u，v）擾動的中心都在250hPa附近，和地面熱浪區(qū)有較好的對應(yīng)，并且近似滿足地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系.

5 天氣尺度擾動結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

對于30°N以北的中高緯度地區(qū)，大尺度運動方程的垂直運動項可忽略，地轉(zhuǎn)參數(shù)f的數(shù)量級為10－4s－1，而相對渦度ζ的數(shù)量級為10－5s－1，因此渦度方程可寫為

圖6 區(qū)域干熱浪事件發(fā)生時天氣尺度擾動量的匹配結(jié)構(gòu)模型每個等壓面上黑色粗實線表示溫度擾動正異常，灰色粗實線表示溫度擾動負異常，黑色箭頭表示每層等壓面上的擾動風(fēng)矢量，“Umax”表示西風(fēng)擾動最大值所在的等壓面層.垂直方向上，黑色閉合實線表示高度擾動正異常，黑色閉合虛線表示高度擾動負異常，“H”和“L”分別表示高度擾動正異常和負異常的中心位置，點線灰色箭頭指示垂直速度擾動分量方向.Fig.6 The spatial scheme of regional－scale variable anomalies associated with regional heat wave eventAt each level，black solid lines and grey solid lines present the positive and negative temperature anomalies respectively，and black arrows present the vectors of wind anomalies，with the U maximum location“Umax”.In the vertical direction，black cycle solid lines and cycle dotted lines present the positive and negative height anomalies respectively，while“H”and“L”present their centers.The grey dotted arrows present thevertical velocity direction of anomaly winds.

在250hPa，先將風(fēng)速和渦度分解為逐日氣候時間平均與瞬時偏差的和，即

代入（2）式，有

氣候上，5—9月是中國高溫?zé)崂耸录念l發(fā)季節(jié)［19］.為了簡化（4）式，我們比較了該式中各項在中國高溫季節(jié)的量級大小.以實際觀測的1979—2008年5月1日—9月30日時段資料，對250hPa氣候風(fēng)場與天氣尺度瞬時偏差風(fēng)場的日變率進行分析.圖7是用250hPa西風(fēng)（u）和南風(fēng)（v）分量計算的這一時段氣候場與日偏差風(fēng)場的平均日變率.發(fā)現(xiàn)u分量氣候風(fēng)速和v分量氣候風(fēng)速的日變率，都比u分量擾動風(fēng)速和v分量擾動風(fēng)速的日變率小一個數(shù)量級.于是，氣候風(fēng)速的變率項可以從（4）式中略去.

在中國東部地區(qū)（100°E以東，42°N以南），連續(xù)日數(shù)超過10天（其中有10日最高氣溫≥35℃）的熱浪事件高頻時段在7月至8月初的盛夏.選取7月6日至8月3日的平均場為代表，計算時，取30年（1979—2008年）該時段的逐日及前后各5天，共330×29天進行平均，得到圖8.比較圖8中的ˉu和ˉv，可以看見，15°N以北ˉv約100m／s，ˉu約101m／s，ˉv比ˉu小一個量級.因此，ˉv可以忽略.從圖8a中，發(fā)現(xiàn)30°N—60°N之間ˉu在y方向的變化遠遠超過在x方向的變化.因此，中高緯度地區(qū)ˉu在x方向的變化可忽略.對方程進一步簡化，近似有：根據(jù)關(guān)系式u′＝［u］′＋u＊′，v′＝［v］′＋v＊′和250hPa風(fēng)資料計算，估計得到80%，［u］′和u＊′具有同樣的量級，不可忽略，而［v］′比v＊′小一個量級可忽略，因此有

由（5）式和（6）式，則（4）式簡化成為

計算（7）式右端第一項和第四項，即比較天氣尺度擾動渦度平流項與散度項的大?。▓D9），有＋，故可略去第四項后得到

進一步去掉二階小項和忽略平均渦度的經(jīng)向變化，（8）式成為

我們先考察v′和ˉu在中緯度250hPa上的分布.圖9是250hPa上的v′分布和v′沿40°N的經(jīng)度分布.v′沿40°N的分布呈類似正弦波的形式，于是可取為

天氣學(xué)中，經(jīng)典的Rossby波傳播速度公式是建立在500hPa上的.比較圖10中1979—2008年7月6日至8月3日期間500hPa和250hPa的平均西風(fēng)，它們的ˉu分布在中緯地區(qū)十分相似.但是，250hPa上平均西風(fēng)風(fēng)速更大.

在東亞中緯度地區(qū)，對30°N～53°N之間250 hPa上平均西風(fēng)ˉu可以近似用二次函數(shù)表示為

將（10）和（11）式代入（9）式，得

由（12）式可以討論靜止波.波速c＝0時，波動呈現(xiàn)準靜止狀態(tài)，其波長為

在y＝40°N的緯度上，西風(fēng)最大.由理論計算，在41.5°N處波長L達到最大值.250hPa上平均西風(fēng)大于500hPa，故250hPa上靜止波長較長.如果取U0＝20m／s，則理論靜止波長最長為4.4×106m.

圖9 2003年8月1日250hPa天氣尺度v風(fēng)擾動分量（a）v′（m／s）；（b）v′沿40°N的經(jīng)度分布（m／s）.Fig.9 Regional－scale anomaly v winds at the 250hPa level on 1August，2003（a）v′（m／s）；（b）v′at 40°N（m／s）.

6 大氣波動統(tǒng)計特征

1979—2008年，中等和偏強的區(qū)域干熱浪事件共發(fā)生了51次.在這51次熱浪事件中，大部分事件（47次）對應(yīng)一個準靜止波，其中有2次事件（1990年8月14日至9月12日長江中游到華南熱浪，2008年5月8日至6月17日西北熱浪）對應(yīng)有2次準靜止波.有2次熱浪事件沒有出現(xiàn)準靜止波，只有異常擾動中心自西向東移動，它們分別是1997年6月19日至24日的華北熱浪，和2000年5月10日至24日的華北到長江中游熱浪.

圖10 1979—2008年7月6日至8月3日平均西風(fēng)分量和沿115°E的緯度分布（a）和（b）：250hPa；（c）和（d）500hPa.（b）中的虛線表示30°N—53°N范圍的二次函數(shù)擬合曲線.Fig.10 Climate u winds and its profile along the 115°E with latitudes on 1August in 1979—2008（a）and（b）：250hPa；（c）and（d）：500hPa.The dashed line in（b）presents the quadratic function fitting curve

利用51次熱浪事件出現(xiàn)日期的資料，分別計算出每個緯度帶上的準靜止波的平均波長和平均穩(wěn)定時間（圖11）.計算實際平均波長和平均穩(wěn)定時間時，選取了穩(wěn)定6天以上的準靜止波的例子.在中緯度地區(qū)，觀測到的平均準靜止波長為（6～9）×106m，與理論靜止波長量級一致.在42.5°N附近，觀測的平均準靜止波波長最長，達到9×106m以上.理論最長靜止波長4.4×106m位于41.5°N.對穩(wěn)定6天以上的準靜止波，在35°N—42.5°N范圍內(nèi)平均持續(xù)時間最長，達到8.9天以上.以中心在43°N附近的擾動靜止波波長較長，影響范圍大，持續(xù)時間久，因此容易形成嚴重的熱浪.統(tǒng)計51個靜止波穩(wěn)定之前的傳播緯度，發(fā)現(xiàn)其中有14個擾動波在30°N—40°N之間傳播，10個擾動波在45°N—60°N之間傳播，而在40°N—45°N之間傳播的波動最多，為27個.

圖11 250hPa波動中心位于不同緯度的理論計算靜止波長（106 m）、觀測平均準靜止波長（106 m）及觀測平均穩(wěn)定時間（天）.圖中點劃線表示按照（13）式計算的靜止波長最長的緯度Fig.11 The calculated quasi－stationary wavelength（106 m），observed quasi－stationary wavelength（106 m）and observed average stabilization days at different latitudes over the 250hPa.The dash－dot line presents the latitude where the quasi－stationary wave reaches its maximum by Equation（13）

表2 不同區(qū)域熱浪事件的平均天數(shù)、中心位置以及相應(yīng)準靜止波次數(shù)、平均穩(wěn)定天數(shù)、平均穩(wěn)定緯度、理論計算波長和觀測波長Table 2 Average days（AD），center position（CP），quasi－stationary wave times（WT），stabilization duration（SD），stabilization latitude（SL），calculated wave length（CL）and observed wave length（OL）of heat wave events in different regions

在51次準靜止波中，穩(wěn)定10天以上的有8次，其中3次熱浪事件的平均中心位置出現(xiàn)在江南—華南，有2次在長江沿江，2次在西北，1次在華北.按照地面熱浪事件的中心位置，將51個準靜止波對應(yīng)的熱浪事件，分成江南—華南、長江沿江、河套—華北、西北和東北5個出現(xiàn)區(qū)域（表2）.準靜止波發(fā)生在江南—華南、長江沿江和西北的次數(shù)較多，分別為15次、15次和10次，而東北較少（4次），這與高溫?zé)崂耸录臍夂驅(qū)W分布是一致的［16］.在長江沿江的15個靜止波中，2次熱浪事件中心位于長江中游（2006年8月7日至17日，2006年8月23日至9月5日），1次位于長江下游（1988年7月1日至21日），其余12次覆蓋了長江中下游地區(qū).江南—華南、長江沿江及河套—華北三個地區(qū)的區(qū)域熱浪事件，平均出現(xiàn)天數(shù)和靜止波的穩(wěn)定時間都較長，分別在15.9天和6.5天以上，是容易發(fā)生穩(wěn)定和持續(xù)異常事件的地區(qū).不同地區(qū)熱浪的靜止波動穩(wěn)定的平均緯度不同，江南—華南和長江沿江熱浪的靜止波，中心分別穩(wěn)定在37.2°N和40.3°N附近，河套—華北（沿黃河）、西北（新疆）和東北的靜止波中心，分別穩(wěn)定在42.1°N，48.3°N和52.5°N.北方熱浪（河套—華北、西北和東北）的靜止波動實際波長平均為6.5×106m以上，比南方熱浪（江南—華南、長江沿江）的靜止波長還長，與計算的理論波長分布較為接近.圖11給出了250hPa上理論波長、觀測波長和靜止波穩(wěn)定時間與緯度的關(guān)系.波長和穩(wěn)定時間較長的波，主要集中在35°N—50°N之間.那些在低緯度（副熱帶高壓帶南側(cè)）大氣中向西北方向移動的波動，只有當(dāng)它們到達副高脊線以北西風(fēng)帶后，才能形成靜止波.

圖12給出了1995年9月2日、9月5日和9月8日的250hPa天氣尺度高度擾動和400hPa天氣尺度溫度擾動分布.這次區(qū)域干熱浪過程主要發(fā)生在長江沿江（圖12d）.從1995年8月25日開始，持續(xù)17天，影響范圍為47個1°×1°格點，有12個站次的日最高溫度達到40℃以上，是一次典型的天氣尺度擾動中心在中緯度向東移動形成的區(qū)域極端強熱浪事件.1995年8月25日，天氣尺度高度擾動中心出現(xiàn)在位置（70°E，40°N）附近，向東北移動到位置（110°E，50°N）附近后，然后向東南移動.9月2—5日，在115°E附近250hPa高度擾動正異常中心達240gpm，400hPa溫度擾動中心達7℃，相應(yīng)9月2—6日地面極端高溫站數(shù)達80站以上.穩(wěn)定后波長約為7.4×106m，與理論靜止波長4.4×106m相當(dāng).

從表2可以看出，不同地區(qū)的250hPa靜止波穩(wěn)定位置與地面熱浪區(qū)域中心的位置并不一致，而是位置普遍偏北.長江沿江和東北南部的高層天氣尺度擾動中心，比地面熱浪中心大約偏北10個緯距.河套華北（沿黃河）和西北（新疆）的高層天氣尺度高度擾動中心，平均偏北6個緯距.在江南地區(qū)，250hPa天氣尺度高度擾動中心比地面熱浪中心緯度偏北的距離最大，平均接近12個緯距.250hPa靜止波的位置比地面熱浪中心偏北，與擾動的垂直結(jié)構(gòu)有關(guān).以1991年5月14日開始的區(qū)域干熱浪事件為例，這次事件發(fā)生在江南—華南（圖13a），中心位置（114.5°E，24.5°N），持續(xù)達27天，最大影響46個網(wǎng)格區(qū)域，區(qū)域中有3站次高溫達到40℃以上，是一次區(qū)域強熱浪事件.可以看到，在1991年5月21日250hPa高度擾動場上（圖13b），包括中國大部分地區(qū)向東至160°E附近，都為天氣尺度高度擾動正異常區(qū)，擾動中心位于140°E附近.從105°E—120°E平均的剖面圖（圖13c）上看到，20°N—40°N范圍內(nèi)，從高層到700hPa為天氣尺度高度擾動正異常區(qū)，中心在250hPa，強度達到120gpm.20°N—40°N范圍上，從地面向上到250hPa都為溫度擾動正異常區(qū).當(dāng)日，江南—華南有18站最高溫度達到35℃（圖13d）.進一步將最高溫度進行分解后，發(fā)現(xiàn)中國北方和長江以南地區(qū)，為3～7℃溫度擾動正異常區(qū)，個別站點溫度擾動達到7℃以上（圖13e）.在氣候平均場上（圖13f），華南地區(qū)最高溫度達到29℃以上，而北方大部分地區(qū)平均最高溫度在27℃以下，疊加溫度擾動后也很難有2日出現(xiàn)35℃的高溫.江淮地區(qū)的最高溫度平均場為27～29℃，但溫度擾動不足2℃，兩者疊加也不會出現(xiàn)35℃的高溫.華南和江南南部氣候溫度達到29℃以上，疊加較大的溫度擾動后，容易出現(xiàn)區(qū)域干熱浪事件.這場事件的大氣靜止波穩(wěn)定位置在37.5°N，熱浪發(fā)生在江南—華南地區(qū)，熱浪中心在25.5°N.北方雖有較大的溫度擾動異常，但氣候平均場溫度較低，疊加溫度擾動后達不到熱浪標準.這場事件表現(xiàn)為靜止波比熱浪中心偏北12個緯距.

圖12 1995年250hPa天氣尺度高度擾動（gpm）和400hPa天氣尺度溫度擾動（℃）分布（a）9月2日；（b）9月5日；（c）9月8日；（d）9月5日地面達到極端高溫的站點.黑色實線和虛線分別表示高度擾動的正異常和負異常.陰影表示溫度擾動的正異常，間隔2℃.Fig.12 Regional－scale height anomaly（gpm）at the 250hPa level and regional－scale temperature anomaly（℃）at the 400hPa level in 1995（a）2September，（b）5September，（c）8September，（d）the spots affected by heat wave on 5 September.Black solid lines and dotted lines present the positive and negative height anomalies respectively，and the shadow presents the positive temperature anomaly with the interval 2℃

7 結(jié)果與討論

地面高溫?zé)崂耸录己?50hPa天氣尺度高度擾動和400hPa天氣尺度溫度擾動有對應(yīng)關(guān)系.最大的天氣尺度高度擾動中心出現(xiàn)在250hPa，而正距平的天氣尺度溫度擾動區(qū)及其中心出現(xiàn)在250hPa以下的高度.這正說明對流層上層正距平的高度擾動對應(yīng)的大氣干絕熱下沉運動，是對流層中下部增溫的主要原因.

與高溫?zé)崂藢?yīng)的對流層至平流層天氣尺度擾動變量分布都表現(xiàn)為成對的“正與負”分布.正的對流層中下部溫度擾動和正的對流層高度擾動區(qū)，對應(yīng)地面上的高溫?zé)崂?；而負的對流層中下部溫度擾動區(qū)和負的對流層高度擾動區(qū)，對應(yīng)地面上的低溫區(qū).地面高溫?zé)崂耸录某霈F(xiàn)，是對流層至平流層大氣異常擾動移動到當(dāng)?shù)睾?，在其它條件滿足下形成的結(jié)果.于是，對流層至平流層大氣變量去逐日氣候后的擾動變量信號的確認及其移動，是當(dāng)前和未來幾天內(nèi)預(yù)報熱浪事件的關(guān)鍵.

診斷和預(yù)報區(qū)域性高溫?zé)崂瞬粌H僅需要常規(guī)的天氣圖和各種物理量的計算，還需要天氣圖上的天氣尺度溫度擾動和天氣尺度高度擾動，及其各種擾動物理量場的計算.把這些擾動變量繪制在一起可以稱為擾動天氣圖.天氣尺度溫度擾動和天氣尺度高度擾動異常中心，分別出現(xiàn)在400hPa和250hPa的層次上.這兩個特征層上擾動變量的分析使用，將有助于現(xiàn)代預(yù)報員提高對極端天氣事件的預(yù)報技巧.

圖13 1991年5月21日極端高溫事件和大氣變量分布（a）地面達到極端高溫的站點，（b）250hPa天氣尺度高度擾動（gpm）和400hPa天氣尺度溫度擾動（℃），（c）105°E—120°E平均的緯度－垂直剖面；日最高溫度（℃）：（d）原始地面溫度，（e）地面溫度擾動，（f）氣候地面溫度.（b—c）中黑色實線和虛線分別表示高度擾動的正異常和負異常值，陰影表示溫度擾動的正異常，（b）中溫度擾動間隔是2℃，（c）中溫度擾動間隔是1℃Fig.13 Extreme high temperature event and variable distribution on 21May，1991（a）Distributions of extreme high temperature，（b）Regional－scale height anomaly（gpm）at the 250hPa level and regional－scale temperature anomaly（℃）at the 400hPa level，（c）The latitude－vertical profile averaged from 105°E—120°E；and daily maximum temperature on the ground：（d）Observed temperature（℃），（e）Temperature anomaly（℃），（f）Climate temperature（℃）.In（b，c），black solid lines and dotted lines present the positive and negative height anomalies respectively，and the shadow presents the positive temperature anomaly with the interval 2℃in（b）and 1℃in（c）

在中緯度地區(qū)對照觀測的大氣擾動變量簡化渦度方程后發(fā)現(xiàn)，250hPa上天氣尺度擾動靜止波信號最清楚.在41.5°N附近，250hPa的平均西風(fēng)大于500hPa的平均西風(fēng)，故250hPa上靜止波長較長.在東亞地區(qū)，東亞高空急流所在的高度正是在250hPa附近.高空急流上的西風(fēng)比其它位置和高度上的風(fēng)速都大，大氣中穩(wěn)定的擾動結(jié)構(gòu)與高空急流有著內(nèi)在的聯(lián)系.

1979—2008年期間，發(fā)生中等以上強度的區(qū)域干熱浪事件有51次，計算了每個緯帶上的準靜止波平均波長和平均穩(wěn)定時間.理論和觀測發(fā)現(xiàn)，在中緯度地區(qū)平均的準靜止波長為（5～9）×106m，其中45°N附近的觀測平均準靜止波波長最長，與理論靜止波長和位置一致.在35°N—42.5°N范圍內(nèi)，觀測的靜止波持續(xù)時間最長，達到8.9天以上.

江南—華南、長江沿江及河套—華北三個地區(qū)的區(qū)域干熱浪事件平均天數(shù)和靜止波的穩(wěn)定時間都較長，分別在15.9天和6.5天以上，容易發(fā)生穩(wěn)定的持續(xù)異常事件.不同地區(qū)熱浪的大氣擾動靜止波，穩(wěn)定的平均緯度不同，江南—華南和長江沿江熱浪的靜止波中心分別穩(wěn)定在37.2°N和40.3°N附近，河套—華北、西北（新疆）和東北的靜止波中心分別穩(wěn)定在42.1°N、48.3°N和52.5°N.

不同地區(qū)的250hPa靜止波穩(wěn)定位置普遍位于地面熱浪區(qū)域中心的北側(cè).長江沿江和東北南部的250hPa高度擾動中心比地面熱浪中心偏北10個緯距左右，河套—華北和西北（新疆）的高度擾動中心平均偏北6個緯距，江南—華南地區(qū)的250hPa高度擾動中心比地面熱浪中心緯度偏北的距離平均接近12個緯距.

在低緯度（副熱帶高壓帶南側(cè)），大氣中向西北方向移動的波動，只有當(dāng)它們到達副高脊線以北西風(fēng)帶后，才能形成靜止波.

（References）

［1］ Changnon S A，Kunkel K E，Reinke B C.Impacts and responses to the 1995heat wave：A call to action.Bulletin of the American.Meteorol.Soc.，1996，77（7）：1497－1506.

［2］ Souch C，Grimmond C.Applied climatology：＇heat waves＇.Progress in Physical Geography，2004，28（4）：599－606.

［3］ Karakhanyan A A，Zherebtsov G A，Kovalenko V A，et al.The possible cause of the change of the minimum and maximum surface air temperatures in the second half of the 20th century.／／Matvienko G G，Banakh V A eds.Thirteenth Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics／Atmospheric Physics，Bellingham，2006，E5222.

［4］ Li H M，Zhou T J，Nam J C.Comparison of daily extreme temperatures over Eastern China and South Korea between 1996—2005.Adv.Atmos.Sci.，2009，26（2）：253－264.

［5］ Yang J H，Ren C Y，Jiang Z H.Characteristics of extreme temperature event and its response to regional warming in Northwest China in past 45years.Chinese Geographical Science，2008，18（1）：70－76.

［6］ 劉綠柳，孫林海，廖要明等.國家級極端高溫短期氣候預(yù)測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用.氣象，2008，34（10）：102－107.Liu L L，Sun L H，Liao Y M，et al.Development and application of national prediction system for extreme high temperature.Meteorological Monthly（in Chinese），2008，34（10）：102－107.

［7］ Zhai P M，Pan X H.Trends in temperature extremes during 1951—1999in China.Geophys.Res.Lett.，2003，30（17）：1913－1916.

［8］ 錢維宏.氣候變化與中國極端氣候事件圖集.北京：氣象出版社，2011：259.Qian W H.Atlas of Climate Change and China Extreme Climate Events（in Chinese）.Beijing：China Meteorological Press，2011：259.

［9］ 楊大升，劉玉濱，劉式適.動力氣象學(xué).北京：氣象出版社，1980：423.Yang D S，Liu Y B，Liu S S.Dynamic Meteorology（in Chinese）.Beijing：China Meteorological Press，1980：423.

［10］ Rossby C G，Collaborators.Relation between variations in the intensity of the zonal circulation of the atmosphere and the displacements of the semi－permanent centers of action.Journal of Marine Research，1939，2：38－55.

［11］ Holton J R.An Introduction to Dynamic Meteorology.Burlington：Academic Press，2004：535.

［12］ Starr V P，White R M.Balance requirements of the general circulation.Geophysical Research Paper，1954，12（35）：66.

［13］ Kistler R，Kalnay E，Collins W，et al.The NCEP－NCAR 50－year reanalysis：monthly means CD－ROM and documentation.Bulletin of the American Meteorological Society，2001，82（2）：247－267.

［14］ 錢維宏.天氣尺度瞬變擾動的物理分解原理.地球物理學(xué)報，2012，55（5）：1439－1448，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.002.Qian W H.Physical decomposition principle of regional－scale transient anomaly.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1439－1448，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.002.

［15］ Ding T，Qian W H.Geographical patterns and temporal variations of regional dry－wet heatwave events in China during 1960—2008.Advances in Atmospheric Sciences，2011，28（2）：322－337.

［16］ Ding T，Qian W H，Yan Z W.Changes in hot days and heat waves in China during 1961—2007.International Journal of Climatology，2010，30（10）：1452－1462.

Atmospheric anomaly structures and stability associated with heat wave events in China

QIAN Wei－Hong，DING Ting
Department of Atmospheric and Oceanic Sciences，Peking University，Beijing100871，China

By using the principle of physical decomposition of atmospheric variables from troposphere to stratosphere，it was found that the 400hPa regional－scale positive temperature anomaly and the 250hPa regional－scale positive geo－potential height anomaly can well indicate the ground higher temperature and heat wave（HW）events.Theoretical analysis and case study present that near 43°N the regional－scale quasi－stationary wavelength reaches its maximum，where the wave is stable to produce regional－persistent HW events.The regional－scale quasistationary waves associated with dry HW events in South China，the south of Yangtze River，along the middle and lower reaches of the Yangtze River and North China remain above 6.5days.The center of regional－scale quasi－stationary wave is 6～12latitudes in the north of regional dry HW central positions on average.The northwestward－shift regional－scale wave in the low latitudes（on the south of the Subtropical High）becomes stationary only when it reaches the westerly region in the north of the Subtropical High ridge.

Heat wave event，Anomaly structure，Temperature anomaly，Height anomaly，Theoretical analysis

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.006

P433

2011－12－05，2012－04－19收修定稿

國家科技支撐計劃（2009BAC51B04）和氣象行業(yè)專項（GYHY201006018）資助.

錢維宏，男，1957年生，教授，從事天氣氣候研究.E－mail：qianwh＠pku.edu.cn

錢維宏，丁婷.中國熱浪事件的大氣擾動結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析.地球物理學(xué)報，2012，55（5）：1487－1500，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.006.

Qian W H，Ding T.Atmospheric anomaly structures and stability associated with heat wave events in China.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1487－1500，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.006.

（本文編輯 汪海英）