中国东部夏季极端高温的时空分布特征及其可能的物理成因

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全球变暖背景下,频繁发生的极端高温事件对自然生态环境和人类社会生产、生活的影响越来越严重。本文利用中国均一化站点气温资料、ERA-Interim再分析资料和大尺度气候指数,将中国东部夏季极端高温事件分为白天和夜间两部分,并对它们各自的时空分布特征及可能的物理成因进行了分析。最后以华南地区的高温日数为例,对极端高温事件的季节预测进行了尝试。得到的主要结论如下:  (1)中国东部夏季白天和夜间极端高温事件的时空分布特征存在差异。极端高温事件EOF第一模态的空间分布在白天呈现南北相反的特征,而夜间则表现为一致变化的特征。结合对应的时间系数得到,2000年以前白天极端高温事件主要呈北方偏多且南方偏少的空间分布,而2000年以后主要表现为北方偏少且南方偏多的分布特征。夜间极端高温事件在20世纪90年代中后期以前主要呈现整体一致偏少的空间分布特征,而在20世纪90年代中后期以后主要呈现一致偏多的空间分布特征。对极端高温事件趋势的分析表明,白天和夜间极端高温事件均呈增长趋势,夜间的增长趋势大于白天。同时,白天和夜间极端高温事件均存在明显的年际和年代际变化特征,并都在1997年出现显著的年代际突变。  (2)环流异常、土壤湿度状况和海表温度对中国东部夏季白天极端高温事件具有重要影响。高温日数偏多时,对应上空反气旋性环流异常,促进空气做下沉运动并有利于晴空天气的发生。下沉气流通过绝热增温加热大气。同时,晴空天气使得地气系统吸收更多太阳辐射,促使气温升高,也有利于白天极端高温事件的发生。土壤湿度异常能够显著影响白天极端高温事件的发生。土壤偏干会导致感热通量增多,气温升高,有利于白天极端高温事件的发生。同时,由于土壤偏于导致感热通量的增多,会引起近地层地气间感热输送垂直湍流增强,大气边界层厚度增加,有利于上空反气旋性环流异常的维持,促使高温日数增多。结果还表明,春季土壤湿度异常会持续影响到夏季,进而影响夏季高温日数。海表温度对中国东部夏季高温日数产生影响的主要因子有印度洋海温、热带西太平洋暖池(Tropical Western Pacific Warm Pool,TWPWP)海温、太平洋年代际振荡(PacificDecadal Oscillation,PDO)和北大西洋年代际振荡(Atlantic MultidecadalOscillation,AMO)。而不同海温因子对中国东部不同地区高温日数的影响不同。华南地区的高温日数受到印度洋海温、TWPWP海温、PDO和AMO的显著影响。华北地区高温日数主要受到印度洋海温、TWPWP海温和AMO的影响。而东北仅在北部小部分地区的高温日数会受到印度洋海温、PDO和AMO的显著影响。  (3)影响中国东部夏季夜间极端高温事件变化的因子有环流异常、水汽含量和海温。高温夜数偏多时,对应高空反气旋性环流异常。反气旋性环流异常促进大气下沉运动,下沉气流中空气的绝热增温能够直接加热大气,使得夜间气温上升。同时,由于环流变化日夜差异小,高空反气旋性环流异常有利于白天晴空天气的发生,促使地气系统吸收更多的太阳辐射,气温升高,而气温的持续性使得白天较高的气温能够持续影响到夜间,有利于高温夜数的增多。高温夜数的变化与空气中的水汽含量密切相关。当中国东部夜间水汽含量偏多时,大气能够吸收更多的长波辐射并产生更多的大气逆辐射,有效减少地表辐射冷却,对地气系统起保温作用,有利于夜间极端高温事件的发生,高温夜数增多。而这一过程在华北和东北地区较显著。海表温度对中国东部夏季高温夜数同样具有影响,影响因子主要有印度洋海温、TWPWP海温、PDO和AMO。而海温因子对中国东部各区域高温夜数的影响主要通过引起环流异常和水汽输送异常造成。印度洋海温对中国东部高温夜数的显著影响主要表现在30°N以南的华南地区以及华北和东北的北部地区。TWPWP海温对中国东部高温夜数的影响主要表现在26°N以北且40°N以南地区和东北北部大部分地区。PDO对中国东部高温夜数的影响主要表现在28°N以北且40°N以南地区和东北北部大部分地区。AMO对中国东部高温夜数的影响主要表现在30°N以南的华南、华北北部和东北北部地区。  (4)以华南地区高温日数为例,对极端高温事件季节预测进行尝试。结果表明,利用时间尺度分离统计模型对高温日数进行预测的结果整体较接近观测值。预测结果的空间分布与观测值相似,均呈现由南向北增多的纬向型。高温日数预测结果在北部高值区与南部低值区的位置与观测值一致,但数值大小存在差异。  本文的结果表明,中国东部极端高温事件的变化是由多个系统共同影响形成。白天和夜间极端高温事件具有不同的时空变化特征,它们的成因也有所异同。
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