2018年5月浙江省极端高温气候特征及环流背景

马 浩，刘昌杰，钱奇峰，徐哲永，肖晶晶，杨 明，高大伟

(1. 浙江省气候中心，浙江 杭州 310017；2. 浙江大学地球科学学院，浙江 杭州 310027；3. 浙江省舟山市气象局，浙江 舟山 316021；4. 浙江省气象信息网络中心，浙江 杭州 310017)

引 言

高温天气与各行各业息息相关，影响电力供应、水资源调度、农业生产、建筑施工、交通安全、旅游出行、商品营销等；高温也是人体健康的重大威胁，持续高温容易引起中暑、诱发心脑血管疾病，严重时甚至导致死亡[1]。在全球自然灾害排名中，高温热浪位列第七，成为破坏人类生存环境的主要灾害之一[2]。

联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次评估报告指出，1880—2012年全球平均气温升高0.85 ℃，增暖趋势与第四次评估报告结论(1906—2005年全球平均气温升高0.74 ℃)相比进一步增大，1983—2012年可能是北半球过去1400 a中最暖的30 a[3-4]；并预测全球平均地表温度2016—2035年可能比1986—2005年升高0.3～0.7 ℃，且2081—2100年可能升高0.3～4.8 ℃[5]。IPCC进一步指出，自20世纪中期开始亚洲等地区高温热浪频次增长显著，并且这种增长趋势将持续整个21世纪[6]。《第二次气候变化国家评估报告》同样指出，1880年以来，中国陆地表面平均气温上升0.5～0.8 ℃，与全球增暖速率大体相当；但1951—2009年平均气温上升1.38 ℃，增暖幅度明显高于全球和北半球[7]。

在气候变暖背景下，高温热浪事件显著增多、强度增强且极端性更加凸显[8-13]，从而掀起了极端高温事件的研究热潮[14]。2003年和2013年，我国南方地区均出现大范围、持续性极端高温热浪，多地极端最高气温破历史纪录，形成严重气象干旱。针对这2次极端高温事件的观测事实及成因机理开展了大量研究工作，结果表明西太平洋副热带高压(简称“副高”)异常偏强、偏西、偏北，南亚高压偏东，水汽输送偏少，垂直下沉运动增强，冷空气活动偏弱是持续性高温热浪形成的重要原因[2,15-22]，而中高纬环流、热带环流、台风活动、平流层过程等因子对副热带高压持续异常也有一定的贡献[23-24]。此外，在区域尺度上，高温事件的发生越来越频繁，影响越来越重[25]，因此区域性高温事件同样受到广泛关注，且得到了一些有意义的研究成果[26-27]。从研究对象来看，已有研究主要侧重于夏季高温，对其他季节的高温关注较少；而在全球变暖背景下，高温开始日期表现出提前趋势[11,28-29]，春季高温已不再鲜见。相较于夏季高温，春季高温的危害可能更大，这是因为春季基础气温较低，突然爆发高温热浪将使生物体不能迅速作出反应并及时调节热量平衡，这种“猝不及防”往往给人和动植物带来更严重影响，造成更高的死亡率[13]，然而春季高温的事实及成因分析目前仍然研究较少。

浙江省地处长江下游，深受西太副高影响，是我国高温热浪的多发地区之一，近年来极端高温事件频发，杭州成为长江流域新的“火炉”[30-31]。针对2003年和2013年2次全省性、持续性强高温事件的研究，发现副高的异常西伸、南亚高压持续偏东、西风急流位置偏北、影响台风偏少、冷空气活动偏弱在高温事件的形成中发挥了重要作用[32-35]。2018年5月，浙江省气温异常偏高，高温天气覆盖了除沿海局部区域和个别海岛以外的大部地区，极端最高气温超过40 ℃，全年的极端最高气温也出现在5月。此次极端高温事件中气候要素的时空分布特征及对应的环流背景值得深入探讨。因此，本文基于浙江省66个常规气象站的逐日观测数据和NCEP再分析资料，首先给出2018年5月浙江高温的时空分布特征及具体演变过程，在此基础上分析高温对应的环流背景、探讨副高异常变化的可能机理，以期为认识春季高温特点、开展春季高温研究奠定基础。

1 研究区概况

浙江省位于江南地区东部(118°E—123°E、27°N—31.5°N)，北部为平原水网，地势平坦；西南部为山区、多丘陵地带；东部濒海，岛屿数量居全国首位，属亚热带海洋性湿润气候。浙江省有11个地级市，包括湖州、嘉兴、杭州、绍兴、宁波、舟山、衢州、金华、台州、丽水、温州；通过资料比对，筛选出1973年以来有完整观测记录的66个常规气象站，站点分布大致均匀覆盖全省(图1)，能够较细致地刻画气象要素的空间分布特征。

2 资料与方法

所用资料包括：(1)1973—2018年浙江省66个常规气象站逐日观测数据，包括最高气温、平均气温、降水量、日照时数等要素；(2)美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)提供的1973—2018年逐月NCEP/NCAR再分析资料，分辨率为2.5°×2.5°，包括位势高度、水平风速、垂直速度等变量；(3)美国海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA)提供的2018年5月向外射出长波辐射(outgoing longwave radiation， OLR)数据及其气候平均值；(4)国家气候中心提供的2018年5月西太副高环流特征量(面积、强度、脊线位置和西伸脊点)指数逐日监测数据。按照世界气象组织统一标准，气候平均态采用1981—2010年平均值。中国气象局规定日最高气温≥35.0 ℃为一个高温日，同时指出各省市区可根据本地天气气候特征制订高温标准[36]，研究表明35 ℃阈值对江浙沪地区具有适用性[9,37-38]，因此本文沿用这一定义，同时规定当浙江省内有1个以上站点出现35 ℃以上高温时记为1个全省高温日；此外，将日最高气温≥37 ℃和≥40 ℃的情形分别记为危害性高温和酷热高温[2,17,39]。

(1)

热浪指数有多种定义方法，本文采用黄卓等[41]提出的方案进行计算。该指数通过比较当前炎热程度与历史炎热样本的相对强弱，结合高温持续时间，科学表征了高温热浪对人体舒适度的影响。具体计算过程如下：首先由环境温度和相对湿度计算得到炎热指数，再利用历史资料、通过百分位法得出炎热临界值，综合考虑炎热指数、炎热临界值和高温持续日数即可得到热浪指数。据此得到的热浪指数可以分为轻度热浪、中度热浪和重度热浪3个级别。

3 结果分析

3.1 基本气候特征

图2为2018年5月浙江省平均气温距平、日照时数距平、降水量距平百分率和降水日数距平空间分布。可以看出，浙江省各地平均气温均偏高且大部地区偏高2 ℃以上，其中浙南大部、浙中南部、新昌、绍兴、诸暨、江山、桐乡、北仑偏高2.5 ℃以上，共有48站破历史同期最高纪录、约占全省站点总数的72.7%，可见浙江省整体气温异常偏高。然而从日照时数来看，除浙南地区外，其他大部地区日照时数均偏少，说明日照多寡并非影响月平均气温高低的重要因素。除浙西南部分地区及东南沿海地区外，全省大部降水量偏多；除浙南部分地区外，全省大部降水日数也偏多、导致日照偏少。由此可知，降水和日照距平均不能解释2018年5月浙江省气温异常偏高现象。

图2 2018年5月浙江省平均气温距平(a，单位：℃)、日照时数距平(b，单位：h)、降水量距平百分率(c，单位：%)和降水日数距平(d，单位：d)空间分布Fig.2 Spatial distribution of mean-temperature anomaly (a, Unit: ℃), sunshine hours anomaly (b, Unit: h), percentage of precipitation anomaly (c, Unit: %), and precipitation days anomaly (d, Unit: d) in Zhejiang Province in May 2018

3.2 高温气候特征及其极端性

图3为2018年5月浙江省各站高温日数及其距平、极端最高气温及其距平的空间分布。可以看出，2018年5月除沿海部分地区和海岛高温日数不足1 d外，全省大部地区均出现高温且日数多在3 d以上，金华地区、丽水北部、绍兴大部、杭州东部、衢州、龙游、文成达5 d以上，39站高温日数破历史同期最多纪录，约占全省站点总数的59.1%；其中17站高温日数偏多5 d以上。与高温日数相比，极端最高气温更加突出。除沿海地区和海岛外，全省大部极端最高气温均在36 ℃以上，金华大部、绍兴大部、丽水北部、台州西部、余姚、文成达38 ℃以上，其中7站达39 ℃以上，丽水和缙云站突破40 ℃，共有52站破历史同期最高纪录；各地极端最高气温均偏高且大部地区偏高3 ℃以上，宁波北部、嘉兴大部、丽水北部、仙居、新昌、文成偏高5 ℃以上。

图4为1973—2018年5月全省高温日数及平均极端最高气温年际变化。2018年5月全省高温日数达7 d，位居1973年以来第4位；全省平均极端最高气温达36.6 ℃，居历史第1位。在全球气候变暖背景下，浙江省5月极端最高气温表现出逐渐升高趋势，但2018年之前的极大值仅为35.2 ℃(1991年)，比2018年低1.4 ℃，可见2018年极端最高气温与之前年份相比十分异常，其极端性明显。

统计1973—2018年逐年5月的危害性高温和酷热高温日数(图5)，发现尽管历史上5月极端高温较为鲜见，但2018年5月的危害性高温和酷热高温日数分别达到4 d和1 d，其中危害性高温日数居历史第2位，仅次于1991年(6 d)，酷热高温则是历史上首次出现。

图3 2018年5月浙江省各站高温日数(a)及其距平(b)(Unit: d)，极端最高气温(c)及其距平(d)(Unit: ℃)空间分布Fig.3 Spatial distribution of high-temperature days (a) and its anomaly (b) (Unit: d), extreme maximum temperature (c) and its anomaly (d) (Unit: ℃) in Zhejiang Province in May 2018

图4 1973—2018年浙江省5月高温日数(a)及平均极端最高气温(b)年际变化Fig.4 The annual variation of high-temperature days (a) and provincial-mean extreme maximum temperature (b) in May in Zhejiang Province during 1973-2018

图5 1973—2018年浙江省5月危害性高温(a)和酷热高温(b)日数年际变化Fig.5 The annual variation of harmful high-temperature (a) and extreme high-temperature (b) days in May in Zhejiang Province during 1973-2018

图6为1973—2018年浙江省5月高温累计日数和有效积温年际变化。可以看出，2018年5月高温累计日数居历史第1位(188 d)，且远超其他年份(排名第2位的2009年仅有118 d)，说明2018年5月不仅高温日数多、而且高温覆盖范围广。2018年5月浙江省EAHT亦居历史第1位(4.4 ℃)，且数值远超其他年份(排名第2位的2009年EAHT仅为2.0 ℃)，说明2018年5月高温热浪强度极强。需要指出的是，1973年之后浙江省全年极端最高气温一般出现在7—8月，少数年份出现在6月或9月(图略)，2018年却出现在5月(5月16日，40.1 ℃)，再次凸显5月高温的异常性和极端性。

图6 1973—2018年浙江省5月高温累计日数(a)和有效积温(b)年际变化Fig.6 The annual variation of accumulated high-temperature days (a) and EAHT (b) in May in Zhejiang Province during 1973-2018

从浙江省2018年5月不同等级高温站数、热浪指数及极端最高气温逐日变化(图7)来看，整体上2018年5月形成2次高温过程：第一次为14—18日，持续5 d；第二次为25—26日，持续2 d。第一次高温过程覆盖范围较广，15—18日连续4 d高温站数达30站以上；此外高温强度突出，16—18日连续3 d出现危害性高温，其中16日有16站出现危害性高温，且丽水和缙云出现酷热高温。第二次高温过程覆盖范围较小，主要出现在浙西南地区；此外强度较弱，极端最高气温多为35～36 ℃，未出现危害性高温和酷热高温。该月热浪主要出现在14—18日和26日，其中14—18日出现2 d轻度热浪和3 d中度热浪，26日仅出现1 d轻度热浪。

3.3 环流背景

2018年5月高温并非浙江局地的气候现象。从该月27°N—32°N平均气温距平的经度-高度剖面(图8)来看，可以发现气温异常偏高现象不仅发生在对流层低层，近地面至200 hPa 100°E—140°E的大范围区域均出现气温正距平；与之相应，除5月7日前后的短暂时段外，整个5月浙江地区的对流层中上层均表现为位势高度正距平(图9)。

图7 浙江省2018年5月不同等级高温站数(a)、热浪等级及极端最高气温(b)逐日变化Fig.7 The daily variation of station numbers with different levels of high-temperature (a) and heat-wave index and extreme maximum temperature (b) in Zhejiang Province in May 2018

图8 2018年5月27°N—32°N范围平均气温距平的经度-高度剖面(单位：℃)(黑色实线围成的区域表示浙江省所在位置)Fig.8 The longitude-height section of mean temperature anomaly in the range of 27°N-32°N in May 2018 (Unit: ℃)(The black solid lines denote the position of Zhejiang Province)

图9 2018年5月浙江区域平均位势高度距平逐日变化(单位：dagpm)Fig.9 The daily variation of geopotential height anomaly over Zhejiang Province in May 2018 (Unit: dagpm)

副高是影响江南地区高温的关键环流系统。在副高控制下，容易出现晴热少雨天气，通过太阳短波辐射和下沉气流的增温作用使气温在短时间内迅速升高，引发高温事件。图10为2018年5月和1973—2017年5月出现高温年份平均500 hPa位势高度场及其距平。可以看出，2018年5月包括浙江在内的中国东部地区为正高度距平控制，副高面积明显偏大、脊线偏北且向西大幅伸展至越南附近，较其常年位置(约135°E)显著偏西；从副高脊线和西伸脊点的逐日演变(图11)来看，脊线位置多数时段稳定在20°N以北，较其常年位置(约18°N)偏北，特别是5月14—17日副高发生一次明显北跃，由17.8°N跃进至25.7°N，北移约8个纬度，恰与浙江省5月14—18日的强高温过程有很好的对应；副高西伸脊点尽管在较大的经度范围内东西摆动，但其位置稳定在118°E以西，即始终保持在浙江以西。气候监测表明，5月副高强度整体偏强(图略)，可知副高的增强西伸北抬是浙江出现异常高温的直接原因。除此之外，0°E—100°E、50°N—75°N的中亚高纬地区出现位势高度负距平，阻挡了西路冷空气南下，有利于南方地区出现高温。需要指出的是，5月高温在浙江气象观测记录中并不鲜见，对1973—2017年5月出现高温的所有年份500 hPa高度场进行合成，发现副高面积略偏大、西伸脊点略偏西，但总体接近气候平均水平，无论副高面积还是西伸程度均无法与2018年相比；说明2018年5月副高极其异常导致浙江高温的极端异常。

图10 2018年5月(a)和1973—2017年5月出现高温年份平均(b)500 hPa位势高度场(细实线)及其距平(填色区域)(单位：dagpm)(粗实线表征588 dagpm线在2018年5月及1973—2017年5月出现高温年份平均位置，粗虚线表征588 dagpm线的气候平均位置)Fig.10 The geopotential height (solid thin lines) and its anomaly (shaded regions) on 500 hPa in May 2018 (a) and composite result in May occurring high-temperature during 1973-2017 (b) (Unit: dagpm)(The solid thick lines represent the position of 588 dagpm in May 2018 and in May occurring high-temperature during 1973-2017, while dashed thick lines denote the climatological mean position of 588 dagpm, respectively)

图11 2018年5月副高脊线指数(a)和西伸脊点指数(b)逐日演变Fig.11 The daily variation of ridge line index (a) and westward-extending ridge point index (b) of western Pacific subtropical high in May 2018

陶诗言等[42]指出，副高的西进东退与南亚高压(青藏高压)活动之间存在密切关联，二者分别处于对流层中层与高层，往往表现出“相向而行”和“相背而去”的配置关系；当副高向西行进时，南亚高压向东扩展。从2018年5月100 hPa位势高度场(图12)可以看出，包括浙江在内的整个中国中东部均为正高度距平；南亚高压面积明显增大、位置偏北，且向东扩展至台湾附近，较其常年位置(约110°E)东进约10个经度，南亚高压的“东扩”与副高的“西进”形成了很好的对应。

图12 2018年5月100 hPa位势高度场(细实线)及其距平(填色区域)(单位：dagpm)(粗实线和粗虚线分别为2018年5月及气候平均1668 dagpm线)Fig.12 The geopotential height (solid thin lines) and its anomaly (shaded regions) on 100 hPa in May 2018 (Unit: dagpm)(The solid thick line represents the position of 1668 dagpm line in May 2018, while dashed thick line denotes the climatological mean position of 1668 dagpm line, respectively)

副高异常强盛的特征在低层风场上也有体现。从850 hPa风场距平[图13(a)]可以看出，大约在105°E—130°E、15°N—30°N的宽广范围形成了显著的反气旋式风场异常，覆盖整个中国东南部。受其影响，浙江省盛行下沉气流[图13(b)]，“下沉增温”效应是浙江气温不断升高、最终触发高温事件的重要因素。

副高偏强、偏北、偏西是造成2018年5月浙江异常高温的直接原因，然而副高的变化受哪些因素影响仍需进一步研究。作为副热带地区的深厚系统，副高的强度和位置必然受到热带环流系统和中纬度环流系统的影响。图14为2018年5月OLR距平的空间分布，可以看出海洋性大陆(maritime continent， MC)附近出现明显的OLR负距平，表明这一地区对流偏强。当MC地区上空对流增强时，能够通过改变经向垂直环流使长江流域及江南地区下沉气流增强，从而加强副高[43]；此外，MC地区低层辐合、高层辐散的环流背景能在对流层低层激发低频波列，使副高位置发生变化[44]。因此，MC地区的大气热源异常可能是造成副高强度和位置改变的重要原因[2]。不仅如此，160°E附近的热带中太平洋与北印度洋也出现了OLR负距平，其强度甚至比MC地区更强，它们与西太副高之间形成的经向热力梯度同样有利于副高的增强[45]。此外，南海地区OLR表现为正距平、对流受到抑制，不利于南海夏季风的爆发和副高减弱东撤(2018年南海夏季风于6月第1候爆发，较常年明显偏晚)，也为副高的偏强和西伸提供了有利条件。除了热力条件与大尺度环流系统的相互配置，2018年5月西太平洋无台风生成，从而避免了台风的行进对副高位置和强度的影响，是副高偏强、偏北、偏西的又一重要环流因素。

图13 2018年5月850 hPa水平风场距平(风矢量，单位：m·s-1)(a)和垂直速度距平(阴影，向下为正，单位：Pa·s-1)(b)Fig.13 Horizontal wind speed anomaly (vectors, Unit: m·s-1) (a) and vertical velocity anomaly (the shaded, downward-positive, Unit: Pa·s-1) (b) on 850 hPa in May 2018

图14 2018年5月OLR距平空间分布(单位：W·m-2)Fig.14 Spatial distribution of OLR anomaly in May 2018 (Unit: W·m-2)

中高纬度冷空气活动能够在相当程度上影响副热带环流系统，冷空气南下过程往往伴随副高的东退减弱甚至崩溃[27]。图15为2018年5月200 hPa纬向风速及其距平，可以看出东亚副热带地区主要表现为平直环流；与常年相比，中纬度西风急流中心(纬向风速≥30 m·s-1)位置偏北，西风带中的短波槽脊活动不易影响到副热带地区，有利于副高强度和位置的稳定维持[20,23,27]。

图15 2018年5月200 hPa纬向风速(细等值线)及其距平(填色区域)(单位：m·s-1)(黑色粗实线和粗虚线分别为2018年5月和气候平均的30 m·s-1等风速线)Fig.15 Zonal wind speed (contours) and its anomaly (the shaded) in May 2018 on 200 hPa (Unit: m·s-1) (The black solid and dashed thick lines represent contours of 30 m·s-1 in May 2018 and for climatology, respectively)

需要指出的是，尽管2018年5月日照时数整体偏少，但5月14—18日短波辐射为正异常，日照时数偏多(图略)，辐射增温与下沉增温的叠加效应使气温在短时间内迅速上升，为5月14—18日强高温过程的形成提供了很好的热力条件。

4 结论与讨论

(1)2018年5月浙江省经历了历史罕见的高温热浪，全省大部地区平均气温偏高2 ℃以上，高温日数达3 d以上、部分地区达5 d以上，极端最高气温达36 ℃以上，其中丽水和缙云出现40 ℃以上高温，全省平均极端最高气温居历史第1位；多站平均气温、高温日数、极端最高气温破历史同期纪录。浙江省危害性高温日数达4 d，居历史第2位，首次出现酷热高温。

(2)从高温强度来看，2018年5月浙江省高温累计日数达188 d，有效积温达4.4 ℃，均居历史第1位，且远高于其他年份；全年极端最高气温首次出现在5月。5月14—18日和25—26日分别发生两次高温过程，其中第一次过程出现2 d轻度热浪和3 d中度热浪，为强高温过程；第二次过程仅出现1 d轻度热浪，为弱高温过程。

(3)副高偏强、偏西、偏北是2018年5月出现极端高温热浪的直接原因，副高的“西伸”与南亚高压的“东进”形成良好的对应。在副高控制下，850 hPa中国东南部至西北太平洋区域形成强大的反气旋式风场异常，浙江地区盛行下沉气流，“下沉增温”使温度急剧升高，最终触发异常偏强的高温热浪事件；5月14—18日强高温过程期间，短波辐射增强，“辐射增温”与“下沉增温”的叠加效应进一步加剧了高温过程的极端性。

(4)副高强度和位置的变化与热带和中纬度环流系统密切相关。热带MC地区对流活动增强，通过改变经向垂直环流及低频波列的传播增强副高；热带中太平洋与北印度洋异常强盛的对流活动与副高之间形成经向热力梯度，同样有利于副高增强；南海地区对流受到抑制，阻碍了南海夏季风的爆发和副高减弱东退；西太平洋无台风生成，避免了台风的行进对副高位置和强度的影响。中纬度200 hPa西风急流轴偏北，西风带短波槽脊活动不易影响到副热带地区，有利于西太副高的稳定维持。

在全球变暖背景下，一年中的高温开始日期逐渐提前，春季高温已不再鲜见[13,28-29]，作为气候变化研究的一个新的生长点，春季高温值得在今后的高温研究中加以重视以不断丰富对高温现象和机理的认识。