肖 鶯 張 俊 杜良敏 任永建 高雅琦

1 武漢區(qū)域氣候中心,武漢 430074 2 湖北省煙草氣象研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430205 3 三峽國家氣候觀象臺,湖北宜昌 443002 4 中國氣象局流域強(qiáng)降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,武漢 430205 5 三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心,湖北宜昌 443133 6 湖北省氣象服務(wù)中心,武漢 430205

提 要: 利用長江流域臺站觀測最高氣溫資料、梅雨資料和NCEP/NCAR再分析資料,分析了1961—2020年長江流域高溫站次在夏季不同時(shí)期的年代際轉(zhuǎn)折特征及其環(huán)流異常。結(jié)果表明:長江流域的高溫主要集中發(fā)生在中東部(105°E以東區(qū)域)。長江流域中東部夏季高溫在2002年前后存在氣候突變,相對于35℃閾值,37℃和40℃的高溫站次在突變前后的增量更加明顯。季內(nèi)不同時(shí)段的年代際變化具有非一致特征,可將其分為兩類:增長平緩期,無明顯的年代際轉(zhuǎn)折;增長快速期,在2002年前后存在突變,且年代際相對變化率較夏季整個(gè)季節(jié)的相對變化率高。歐亞遙相關(guān)、東亞太平洋遙相關(guān)、梅雨結(jié)束時(shí)間是造成季內(nèi)非一致性變化的主要原因。在增長快速期,高溫年代際顯著增多往往伴隨著東亞遙相關(guān)的異常加強(qiáng),其中相對變化率最大的兩個(gè)時(shí)段在歐亞中高緯環(huán)流有著明顯差異;而在增長平緩期,歐亞遙相關(guān)有小幅度的年代際增強(qiáng),東亞遙相關(guān)年代際減弱,其中7月9—19日高溫站次增長緩慢還和梅雨結(jié)束偏晚有關(guān)。

引 言

1970年以來的50年是過去2000年以來最暖的50年,2011—2020年全球地表溫度比工業(yè)革命時(shí)期(1850—1900年)上升了約1℃(IPCC,2021)。在全球氣候變暖背景下,極端天氣氣候事件頻發(fā)重發(fā),其中高溫對全球變暖的響應(yīng)尤為突出。全球大部分地區(qū)高溫?zé)崂擞l(fā)頻發(fā),且更為持久(Perkins et al,2012;Karl and Trenberth,2003),我國長江流域也是其中之一。2003年夏季,我國江南地區(qū)遭受大范圍熱浪襲擊,高溫天氣出現(xiàn)的地域之廣為歷史罕見(楊輝和李崇銀,2005)。2013年夏季我國南方地區(qū),包括長江中下游以及重慶等地,又出現(xiàn)了少有的持續(xù)高溫天氣,其覆蓋范圍、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度均超過2003年夏季(彭京備等,2016;唐恬等,2014;董廣濤等,2016)。2019年,在異常高溫和降水虧缺的共同作用下,長江中下游地區(qū)發(fā)生了近50年來歷史同期最嚴(yán)重的伏秋連旱(李俊等,2020)。這些高溫事件給長江流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活造成了嚴(yán)重的影響,因此高溫事件特征及成因分析受到越來越多的關(guān)注。

針對長江流域高溫天氣的研究,氣象專家已開展了諸多工作。王喜元等(2016)分析了1961—2010年長江流域高溫?zé)崂藭r(shí)空變化特征,發(fā)現(xiàn)高溫?zé)崂祟l次、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度在1985年以前呈下降趨勢,而1985年之后明顯上升,21世紀(jì)初為高溫?zé)崂税l(fā)生最頻繁的年代。從整體線性趨勢上看,林愛蘭等(2021)通過對比華南、長江、黃淮和華北4個(gè)區(qū)域持續(xù)高溫過程,認(rèn)為長江區(qū)域高溫線性增長趨勢比華南弱,主要是長江區(qū)域持續(xù)高溫過程顯著增強(qiáng)出現(xiàn)在近10年。楊涵洧等(2018)也進(jìn)一步證實(shí)了長江三角洲夏季高溫在2000年左右存在氣候突變,2000年以后夏季高溫日數(shù)和強(qiáng)度出現(xiàn)顯著上升。王榮等(2023)發(fā)現(xiàn)不僅是高溫強(qiáng)度,影響范圍也在1998年前后有著突變增強(qiáng)特征。郭春華等(2023)通過計(jì)算不同氣候區(qū)的高溫危險(xiǎn)性,認(rèn)為長江中下游是全國高溫綜合高危險(xiǎn)性等級地區(qū)之一。長江流域高溫的形成和環(huán)流、下墊面異常息息相關(guān)。西北太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)的控制是長江流域高溫天氣形成的主要原因(史軍等,2013;王國復(fù)等,2018;孫博等,2023),強(qiáng)而持續(xù)的副高控制會(huì)造成高溫日數(shù)和強(qiáng)高溫過程偏多(張尚印等,2005)。羅連升等(2016)找到了影響長江中下游盛夏高溫的青藏高原熱源關(guān)鍵區(qū),認(rèn)為其可以作為前期預(yù)報(bào)因子。聶羽等(2018)研究成果表明,春季赤道印度洋的一致偏暖,有利于夏季副高偏強(qiáng)偏西,造成我國東南地區(qū)夏季容易出現(xiàn)高溫異常。沈皓俊等(2018)發(fā)現(xiàn)高溫日數(shù)的突變主要集中在1997—2006年,這一現(xiàn)象可能是太平洋年代際振蕩(PDO)、印度洋—太平洋暖池和ENSO等共同作用的結(jié)果。

由上可見,在青藏高原熱源、海溫等下墊面影響下,副高強(qiáng)且持續(xù),造成長江流域高溫增長并存在氣候突變。然而以往高溫分析一般是將夏季作為一個(gè)整體分析,那么夏季季內(nèi)不同時(shí)段是否存在一致的氣候突變特征是本文關(guān)注的重點(diǎn)。通過累積距平、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Pettit檢驗(yàn)等方法確定長江流域夏季高溫突變時(shí)間,對比分析突變前后季內(nèi)不同時(shí)段的年代際變化差異,探尋造成季節(jié)內(nèi)非一致變化的主要成因,為該地區(qū)高溫天氣預(yù)報(bào)與氣候分析提供參考。

1 資料和方法

本文所用資料包括:(1)NCEP/NCAR提供的1961—2020年的500 hPa逐日位勢高度再分析資料,水平網(wǎng)格距為2.5°×2.5°;(2)國家氣候中心提供的長江流域梅雨出梅時(shí)間逐年序列;(3)1961—2020年長江流域640個(gè)站的氣象觀測站逐日最高氣溫資料。

本文采用QX/T228—2014(全國氣象防災(zāi)減災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì),2014),將日最高氣溫≥35℃定義為高溫日。采用累積距平、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Pettit方法等多種突變檢測方法進(jìn)行突變分析,采用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行高溫成因分析。

2 長江流域高溫事件突變特征分析

2.1 突變檢驗(yàn)分析

由1961—2020年平均高溫日數(shù)分布(圖1)可見,高溫日數(shù)呈現(xiàn)西少東多,在105°E以西大部分不足5 d,105°E以東大部分為10～46 d。由于105°E以西高溫發(fā)生概率低,故將長江流域105°E以東區(qū)域(以下簡稱長江流域中東部)設(shè)定為長江流域高溫研究的空間范圍,共包含421個(gè)氣象站點(diǎn),具體站點(diǎn)分布如圖2所示。從站點(diǎn)分布看,除包含長江中下游外,長江上游東部也包含在內(nèi),其中有陜西南部、四川東部、重慶及貴州北部。

圖1 1961—2020年平均長江流域高溫日數(shù)空間分布Fig.1 Distribution of averaged high temperature days in Yangtze River from 1961 to 2020

圖2 長江流域中東部421個(gè)氣象站點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of 421 meteorological stations in middle-east Yangtze River

統(tǒng)計(jì)1961—2020年夏季逐日出現(xiàn)35℃及以上高溫的氣象站次,再將每年夏季92 d的高溫站次累加,得到1961—2020年逐年長江流域中東部夏季高溫站次序列(圖3)。從整體線性趨勢上看,其氣候傾向率(每10 a的變化)為421站次·(10 a)-1,線性增長趨勢相關(guān)系數(shù)為0.28,通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn),表明長江流域中東部高溫站次存在顯著的增長趨勢,這與王喜元等(2016)、林愛蘭等(2021)研究結(jié)果一致。那么在年代際尺度上,高溫站次是否存在明顯的轉(zhuǎn)折?以下通過統(tǒng)計(jì)方法對長江流域中東部高溫站次進(jìn)行綜合判斷。

圖3 1961—2020年長江流域中東部夏季高溫站次逐年演變Fig.3 Evolution of high temperature stations in middle-east Yangtze River in summer from 1961 to 2020

圖4為1961—2020年長江流域中東部高溫站次的累積距平檢驗(yàn)的結(jié)果,可以看出1961—1972年累積距平變化較為平穩(wěn),1973—2002年整體呈現(xiàn)下降的趨勢,2002年之后則開始呈現(xiàn)上升趨勢。這表明1973—2002年高溫站次多為負(fù)距平,2002年之后多為正距平,即2002年附近可能為一個(gè)明顯的突變點(diǎn)。圖5給出1961—2020年長江流域中東部高溫站次不同滑動(dòng)長度t檢驗(yàn)結(jié)果。取n=6,8,10,12 a 不同子序列長度。結(jié)果顯示,長江流域中東部高溫站次呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,在21世紀(jì)初取得絕對值最大值并且都通過了顯著性水平檢驗(yàn),在2002年附近通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn),10 a滑動(dòng)和12 a滑動(dòng)甚至通過了0.001顯著性水平檢驗(yàn)。為了驗(yàn)證累積距平和滑動(dòng)t檢驗(yàn)的突變結(jié)果,再用Pettit檢驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證(圖略),同樣也是在2002年附近絕對值取得最大值,并且通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。結(jié)合以上3種突變檢驗(yàn)的結(jié)果,可以認(rèn)為長江流域中東部夏季高溫站次具有較為明顯的年代際轉(zhuǎn)折,在2002年前后存在一個(gè)顯著突變。

圖4 1961—2020年長江流域中東部高溫站次的累積距平Fig.4 Accumulated anomalies of high temperature stations in middle-east Yangtze River from 1961 to 2020

注:虛線:α=0.05顯著性水平臨界值。圖5 1961—2020年長江流域中東部高溫站次不同滑動(dòng)長度t檢驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of different sliding t-tests at the high temperature stations in middle-east Yangtze River from 1961 to 2020

2.2 突變前后高溫站次的對比分析

以2002年為分界點(diǎn),分段分析1961—2002年和2003—2020年長江流域中東部高溫的變化情況。相對變化率計(jì)算方法:用2003—2020年均值減去1961—2002年均值得到的差值再除以1961—2002年均值。對比2002年前后高溫站次的平均值(表1)發(fā)現(xiàn),最高氣溫≥35℃、≥37℃、≥40℃這3個(gè)不同等級的高溫天氣在2003—2020年均值較1961—2002年有明顯的增加,增加率分別達(dá)到了43.6%、79.3% 和285.4%。相較于35℃閾值,37℃、40℃的增量更加明顯,尤其是40℃的增量可偏多約2.8倍。

表1 2002年前后長江流域中東部高溫站次的平均值及相對變化率Table 1 Averages and relative change rate of high temperature stations in middle-east Yangtze River before and after 2002

2.3 不同閾值高溫站次的突變成因分析

進(jìn)一步探討2002年突變后40℃的高溫站次增量更加明顯的環(huán)流特征,考慮長江流域高溫主要集中在7月11日至8月31日,計(jì)算了此時(shí)段不同閾值高溫站次與500 hPa高度的相關(guān)系數(shù)(圖6)。不同高溫閾值分別取[35,40)℃、≥40℃(以下分別簡稱為I35～40、I≥40)。I35～40、I≥40均與長江中下游至日本海、西北太平洋上空的高度場相關(guān)顯著。此外,I≥40還與勘察加半島、西太平洋暖池上空的高度場相關(guān)顯著(圖6a,6b)。由于I35～40、I≥40兩者之間有著較好的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.66,通過了0.001顯著性水平檢驗(yàn)。那么利用偏相關(guān)方法,研究去除I≥40(I35～40)后,I35～40(I≥40)和500 hPa高度場的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示,去除I≥40后,I35～40與高度場的相關(guān)顯著區(qū)仍然維持;而去除I35～40,I≥40與高度場的相關(guān)區(qū)變化較大,在東亞沿岸呈現(xiàn)“+ - +”分布,即勘察加半島為正相關(guān),日本海為負(fù)相關(guān),東南沿海為正相關(guān),其中日本海負(fù)相關(guān)區(qū)未通過0.10顯著性水平檢驗(yàn)(圖6c,6d)。由此可見,不同閾值高溫站次的年代際增長均與副高主體和長江中下游上空高度場有著密切關(guān)系。長江上空高度場正異常有利于該地區(qū)維持晴朗的天氣條件,晴朗的天氣有利于太陽輻射到達(dá)地面,從而有利于高溫天氣的形成。而極端高溫(最高氣溫≥40℃)站次還與勘察加半島、西太平洋暖池上空高度場有關(guān)。

注:陰影:相關(guān)系數(shù)通過0.10顯著性水平檢驗(yàn)區(qū)域。圖6 1961—2020年7月11日至8月31日長江流域中東部不同閾值高溫站次與500 hPa高度場(a,b)相關(guān)系數(shù)(陰影和等值線)和(c,d)偏相關(guān)系數(shù)(陰影和等值線)(a,c)[35,40)℃,(b,d)≥40℃Fig.6 (a, b) Correlation coefficient (shaded and contour) and (c, d) partial correlation coefficient (shaded and contour) between the high temperature stations with different thresholds of middle-east Yangtze River and the 500 hPa geopotential height field from 11 June to 31 August during 1961-2020 (a, c) [35, 40)℃, (b, d) ≥40℃

3 年代際突變背景下的夏季季內(nèi)變化特征及環(huán)流異常分析

3.1 高溫變化的季內(nèi)特征分析

上述分析結(jié)果顯示,長江流域中東部高溫站次從夏季整個(gè)季節(jié)尺度上看存在氣候突變,那么夏季季內(nèi)不同時(shí)段的年代際變化是否與夏季整體一致,均呈現(xiàn)出較為明顯的年代際變化?

將2003—2020年(后18 a)長江流域中東部平均的夏季高溫站次均值減去1961—2002年(前42 a)平均所得的差值,定義為Idiff,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖可見,Idiff呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)特征,功率譜分析(圖略)結(jié)果也顯示,20 d周期非常顯著,通過了紅噪聲檢驗(yàn),表明Idiff具有顯著的季內(nèi)尺度的低頻周期特征。在時(shí)間序列曲線上,具有顯著的3個(gè)峰值(標(biāo)準(zhǔn)化距平≥1σ),分別發(fā)生在7月3日、7月29日和8月19日,峰值與峰值之間存在著谷值,發(fā)生在7月19日、8月6日。其中在7月9—19日這一時(shí)段,2002年前后高溫站次均值相當(dāng)(1961—2002年平均為110站次,2003—2020年平均為112站次),這與長江流域梅雨結(jié)束時(shí)間有關(guān)。根據(jù)國家氣候中心統(tǒng)計(jì)的長江流域梅雨出梅時(shí)間,1961—2002年共42 a中梅雨于7月9日及之后結(jié)束的年份有25 a,占總年份的59.5%;而2003—2020年共18 a中在7月9日及之后結(jié)束的年份有15 a,占總年份的83.3%。正是由于2002年以后梅雨出梅時(shí)間較晚的年份比例居多,在7月9—19日期間仍以梅雨天氣過程為主,降水量增加,可以部分抵消高溫(梁梅和吳立廣,2015),造成高溫站次在2002年前后沒有明顯的增加。

圖7 6月1日至8月31日長江流域中東部夏季高溫站次后18 a平均(2003—2020年)、前42 a平均(1961—2002年)及Idiff逐日演變Fig.7 Daily evolutions of the later 18 year average (2003-2020), the first 42 year average (1961-2002) and the Idiff of high temperature stations in middle-east Yangtze River from 1 June to 31 August

利用不同滑動(dòng)長度的t檢驗(yàn)方法提取Idiff季內(nèi)變化突變點(diǎn),提取第1個(gè)突變點(diǎn)之前、最后1個(gè)突變點(diǎn)之后以及相鄰兩個(gè)突變點(diǎn)之間等不同時(shí)段,從而將夏季共92 d劃分為具有不同特征的多個(gè)時(shí)段。圖8給出了Idiff不同滑動(dòng)長度t檢驗(yàn)結(jié)果,具體方法同圖5。結(jié)果顯示,Idiff呈現(xiàn)周期波動(dòng)變化,有6個(gè)突變點(diǎn)(6月16日、7月7日、7月21日、8月3日、8月12日和8月21日)附近通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)。因此將夏季92 d劃分為7個(gè)時(shí)段,分別是6月1—15日、6月16日至7月6日、7月7—20日、7月21日至8月2日、8月3—11日、8月12—20日和8月21—31日。為了進(jìn)一步證實(shí)相鄰兩個(gè)時(shí)段差異顯著,采用累積距平、Pettit方法輔助判斷。以上6個(gè)突變點(diǎn)在累積距平曲線中均對應(yīng)著拐點(diǎn)。由于Pettit方法是直接利用秩序列來檢測突變點(diǎn)的,選用其中絕對值最大值為突變點(diǎn),那么采用分段,即兩個(gè)相鄰時(shí)段為一個(gè)時(shí)間序列,這樣分別做6次檢測來確定突變點(diǎn),其結(jié)果與滑動(dòng)t檢驗(yàn)一致(圖略)。下文主要基于這7個(gè)時(shí)段展開特征及成因分析。

注:虛線:α=0.01顯著性水平臨界值。圖8 6月1日至8月31日Idiff不同滑動(dòng)長度t檢驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of different sliding t-tests of Idiff from 1 June to 31 August

2002年前后不同時(shí)段長江流域中東部高溫站次的均值和相對變化率有著明顯差異(表2)。6月1—15日、7月7—20日、8月3—11日、8月21—31日這4個(gè)時(shí)段高溫站次相對變化率在3.6%～28.4%,均未超過夏季整個(gè)季節(jié)的相對變化率43.6%,尤其是7月7—20日這一段的相對變化率僅為3.6%,主要是包含了7月9—19日,具體原因已在上文分析。6月16日至7月6日、7月21日至8月2日和8月12—20日這3個(gè)時(shí)段高溫站次相對變化率均超過50%,尤其是有兩個(gè)時(shí)段超過了90%,也就是說2002年后高溫站次是2002年前高溫站次的近兩倍。分別計(jì)算出這7個(gè)時(shí)段累積高溫站次的逐年時(shí)間序列(表略),按照上文中的夏季高溫站次氣候突變檢測方法分別對其進(jìn)行突變檢驗(yàn),在6月1—15日、7月7—20日、8月3—11日、8月21—31日這4個(gè)時(shí)段并未找到突變點(diǎn),故稱之為增長平緩期;6月16日至7月6日、7月21日至8月2日和8月12—20日這3個(gè)時(shí)段在2002年附近存在突變,故稱之為增長快速期。從圖9可見,同類不同時(shí)期的空間分布也有著較大的差異。增長平緩期空間分布差異如下:6月1—15日是插花形勢,高溫站次減少站點(diǎn)分布較為分散,有2個(gè)較為集中的區(qū)域分別位于湖南南部、江浙滬交界附近(圖9a);7月7—20日為東部減少西部增多的分布型,陜西南部、四川東部、重慶、貴州北部、江西南部、江浙滬交界附近高溫站次增多,大多在2成至1倍,湖南東部和江西中部增加在2成以下,其他大部分高溫站次減少(圖9c);8月3—11日和8月21—31日分布相似,北部減少南部增多(圖9e,9g)。增長快速期空間分布差異如下:6月16日至7月6日大部在5成以上,增多1倍以上的區(qū)域主要分布在湖南、江西和江浙滬交界附近(圖9b);7月21日至8月2日,東、西部增加5成以上,中部(湖北、湖南、江西)大部增加2～5成(圖9d);8月12—20日大部在5成以上,增加1倍以上的區(qū)域主要分布在長江干流附近(圖9f)?；谝陨戏治?可以得出在年代增長的背景下,高溫站次年代際增長具有季內(nèi)非一致變化特征,這種非一致特征不僅體現(xiàn)在時(shí)間上,還體現(xiàn)在空間分布上。

表2 2002年前后夏季不同時(shí)間段長江流域中東部高溫站次統(tǒng)計(jì)Table 2 Averages and relative change rate of high temperature stations in middle-east Yangtze River at different periods of time in summer before and after 2002

圖9 長江流域中東部夏季不同時(shí)段高溫站次相對變化率分布(單位:%)Fig.9 Distribution of relative change rate of high temperature stations at different periods of time in middle-east Yangtze River in summer (unit: %)

3.2 季內(nèi)非一致變化的環(huán)流特征分析

高溫的發(fā)生發(fā)展與大氣環(huán)流息息相關(guān)。為了研究高溫夏季季內(nèi)非一致變化的成因,圖10給出了Idiff與500 hPa高度場差值(2003—2020年均值減去1961—2002年均值)的相關(guān)系數(shù)。可以看出,歐亞中高緯自西向東呈“- + -”分布型,即挪威海以南為負(fù)相關(guān),烏拉爾山以西為正相關(guān),貝加爾湖以北為負(fù)相關(guān),這種分布形勢與歐亞遙相關(guān)類似,但中心位置偏西;東亞沿岸自北向南呈“- +”分布型,即日本海為負(fù)相關(guān),東海為正相關(guān),這種形勢與東亞太平洋遙相關(guān)分布型一致。參照Wallace and Gutzler(1981)和Huang(2004)的研究工作,將歐亞遙相關(guān)指數(shù)(IEU)、東亞太平洋遙相關(guān)指數(shù)(IEAP)分別定義為:

(1)

(2)

式中Z*表示經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的500 hPa位勢高度場。

與鄒珊珊等(2013)通過歐亞地區(qū)夏季500 hPa位勢高度距平場REOF分析修正的夏季歐亞遙相關(guān)型區(qū)域比較,貝加爾湖中心位置一致,其他兩個(gè)中心點(diǎn)位置更偏西。這與計(jì)算過程有關(guān),本研究求取的是對高溫站次高影響的環(huán)流關(guān)鍵區(qū)。東亞太平洋遙相關(guān)中心位置與施能等(1994)結(jié)果一致。計(jì)算逐年夏季及季內(nèi)7個(gè)時(shí)段的IEU、IEAP,以及兩者的相關(guān)系數(shù),均未通過顯著性水平檢驗(yàn),表明歐亞遙相關(guān)和東亞太平洋遙相關(guān)相互獨(dú)立。因此,歐亞遙相關(guān)主要反映中高緯大氣環(huán)流的影響,而東亞太平洋遙相關(guān)反映的是低緯對東亞的影響,兩者共同作用下影響東亞夏季氣候。

為了更好地解釋IEU、IEAP與高溫季內(nèi)非一致變化之間的關(guān)系,分別求取了2002年前后的IEU、IEAP逐日序列。由圖11可見,IEU、IEAP在2002年突變前后呈反位相變化特征。IEU階段特征明顯:6月,2002年前后由正位相轉(zhuǎn)為正位相;7—8月,由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相;IEAP在2002年前主要以負(fù)位相為主,而2002年之后主要以正位相為主。圖中還給出了高溫站次年代際差值,與Idiff不同,采用IEU、IEAP計(jì)算方法,先將每日的逐年高溫站次做標(biāo)準(zhǔn)化距平,再用2003—2020年均值減去1961—2002年均值,將差值做標(biāo)準(zhǔn)化距平,得到高溫站次年代際差值,通過這種計(jì)算方法可消除季內(nèi)變化差異。去除季內(nèi)變化后,其標(biāo)準(zhǔn)化距平呈現(xiàn)正、負(fù)位相交替變化特征,不同位相發(fā)生時(shí)段與劃分的7個(gè)時(shí)段基本一致。其與IEU、IEAP年代際差值的相關(guān)系數(shù)分別為0.44、0.65,通過了0.001顯著性水平檢驗(yàn)。結(jié)合IEU、IEAP正負(fù)位相匹配展開分析。在增長快速期,IEU在6月16日至7月6日年代際減弱,在其他2個(gè)時(shí)段年代際顯著增強(qiáng);IEAP在3個(gè)時(shí)段均顯著增強(qiáng)。增長平緩期,IEU在6月1—15日年代際減弱,在其他3個(gè)時(shí)段年代際增強(qiáng),但增強(qiáng)幅度較增長快速期弱;IEAP在8月21—31日年代際增強(qiáng),在其他3個(gè)時(shí)段年代際減弱。綜上所述,高溫年代際顯著增多往往伴隨著IEU、IEAP的異常加強(qiáng)。進(jìn)一步證實(shí)了歐亞遙相關(guān)和東亞太平洋遙相關(guān)是造成夏季高溫季內(nèi)非一致變化的主要原因。

對比相對變化率最大的2個(gè)時(shí)段(6月16日至7月6日、8月12—20日)環(huán)流異常,進(jìn)一步分析造成高溫站次變化顯著的年代際環(huán)流特征差異(圖12)。由于高度場在20世紀(jì)70年代中后期發(fā)生了年代際氣候突變(曾紅玲等,2002),所以采用1980—2002年和2003—2020年這2個(gè)時(shí)段差值進(jìn)行分析。6月16日至7月6日,相較于1980—2002年,2003—2020年歐亞中高緯呈現(xiàn)“+ - + - +”分布,即里海為高值區(qū),巴爾喀什湖以北為低值區(qū),貝加爾湖以北為高值區(qū),鄂霍次克海為低值區(qū),西北太平洋為高值區(qū),這與IEU定義區(qū)域不同;東亞沿岸呈北低南高,與IEAP類似,但北區(qū)負(fù)距平位置更為偏北。這種環(huán)流形勢表明,西西伯利亞低槽發(fā)展,貝加爾湖以北脊加強(qiáng),與副高間在長江以北上空構(gòu)成氣旋異常,雨帶北移,而長江中下游為反氣旋控制,易于下沉氣流,造成氣溫偏高,從而形成高溫天氣。8月12—20日,歐亞中高緯位勢高度場呈現(xiàn)“+ - +”分布,東亞沿岸呈現(xiàn)北低南高分布,這與圖10的分布一致,加之長江中下游為偏南風(fēng)異常,盛行暖平流,利于高溫發(fā)展。上述對比分析可見,夏季不同時(shí)段的環(huán)流年代際變化共同之處在于東亞沿岸的北低南高,長江中下游及東南沿海高度場增高,鄂霍次克海高度場降低;不同之處在于歐亞中高緯環(huán)流異常,6月16日至7月6日為三高兩低,8月12—20日為兩高一低。

4 結(jié)論與討論

基于1961—2020年長江流域的日最高氣溫資料,分析了長江流域在夏季不同時(shí)段的高溫突變特征及其相應(yīng)環(huán)流異常,結(jié)果發(fā)現(xiàn):

(1)長江流域中東部高溫站次具有較為明顯的年代際轉(zhuǎn)折,在2002年前后存在一個(gè)顯著的突變。相對于35℃閾值,37℃、40℃的高溫站次增量更加明顯。不同閾值年代際增長均與副高主體和長江中下游上空高度場有著密切關(guān)系。而極端高溫(最高氣溫≥40℃)站次還與勘察加半島、西太平洋暖池上空高度場有關(guān)。

(2)在夏季季內(nèi)不同時(shí)段,長江流域中東部高溫站次具有非一致的年代際變化特征。可將其劃分為兩類:一是增長平緩期,表現(xiàn)為2002年前后相對變化率較夏季整個(gè)季節(jié)的相對變化率低,且突變檢驗(yàn)未找到突變點(diǎn);二是增長快速期,表現(xiàn)為2002年前后相對變化率較夏季整個(gè)季節(jié)的相對變化率高,且在2002年附近存在顯著突變。

(3)歐亞和東亞太平洋遙相關(guān)及梅雨出梅時(shí)間是造成季內(nèi)非一致性變化的主要原因。增長平緩期和快速期發(fā)生期間,歐亞和東亞太平洋遙相關(guān)年代際特征有著明顯的差異。在增長快速期,高溫年代際增多顯著往往伴隨著東亞遙相關(guān)的異常加強(qiáng);其中相對變化率最大的兩個(gè)時(shí)段在歐亞中高緯環(huán)流年代際變化有著明顯差異。在增長平緩期,歐亞遙相關(guān)有小幅度的年代際增強(qiáng),東亞太平洋遙相關(guān)年代際減弱;其中7月9—19日高溫站次增長緩慢,還和2002年以后多數(shù)年份梅雨結(jié)束較晚有關(guān)。

綜上所述,在全球變暖背景下,長江流域中東部高溫增長趨勢明顯,但在季內(nèi)各個(gè)時(shí)段之間存在一定差異,這種季內(nèi)差異與環(huán)流的歐亞和東亞太平洋遙相關(guān)有關(guān)。歐亞和東亞太平洋遙相關(guān)年代際變化在研究中顯示存在季內(nèi)鎖相特征——在一定時(shí)段顯著增強(qiáng)。研究表明,在年代際變化背景上(林建等,1999),歐亞和東亞太平洋遙相關(guān)還具有次季節(jié)周期(劉慧斌等,2012;吳捷,2013),有著季內(nèi)尺度的加強(qiáng)減弱。不同時(shí)間尺度間如何相互作用造成環(huán)流季內(nèi)鎖相特征還需進(jìn)一步研究。另外,影響高溫?zé)崂说闹饕暙I(xiàn)還有海洋、青藏高原熱力作用以及北極海冰等(Cohen et al,2014;羅連升等,2016;袁媛等,2018;陳思奇等,2020),這些下墊面作用可通過影響環(huán)流進(jìn)而影響夏季極端氣候。那么,這些下墊面異常是否會(huì)引發(fā)歐亞和東亞太平洋遙相關(guān)季內(nèi)/年代際尺度變化,造成兩者季內(nèi)鎖相,進(jìn)而影響高溫季內(nèi)非一致變化?因此,對于高溫季內(nèi)非一致年代際變化成因還需深入分析。