2012, Vol. 55
气象上一般以日最高气温达到或者超过35 ℃作为高温的标准，“高温热浪”又叫高温酷暑，是一个气象学术语，通常指持续多天的35℃以上的高温天气.高温热浪是夏季一种较常见的极端气候灾害，对人的健康影响可能比其他高影响天气更为严重[1]. 全球变暖背景下极端高温热浪事件的频次和强度变化引起了社会的广泛关注.高温热浪已成为气候变化研究中的热点问题之一[2].中国极端高温事件的频发，以及所造成的灾害，已经引起各级政府和从事气候变化研究人员的高度重视.
对高温日趋势变化的研究工作较多，如以下文献多集中于单站和日气温极值的分析.近50 年来，除华北南部外，中国高温日数都趋于增多，黄河流域西部和北部、华南沿海、青藏高原中东部、东北、四川盆地西北部增温尤为明显[3-8].有分析指出，1990年以来中国北方绝大多数地区最高温度发生的频率有明显增加的趋势[7]，同期中国东部大城市和小城镇最高温度的极端最大值也呈显著升高的趋势[9].中国西北五省区近45年来极端高温事件发生频次，均有显著增加趋势，并存在12—14年的周期振荡[10].
高温热浪的标准主要依据高温对人体产生的影响或危害的程度而定.中国北方空气干燥，昼夜温差大，白天连续多日高于35 ℃的热浪，有时并不比南方大于33 ℃ 的高湿热浪对人体产生的影响大.因此，中国南方又常常把高于一定温度阈值的湿热天气称为湿热浪.高温热浪(简称为热浪)事件一旦出现，往往不只是影响一个站点，而是波及多个站点的区域热浪事件.Ding 和Qian[11]定义了中国区域干热浪事件和区域湿热浪事件，按照持续时间、范围、强度和综合强度进行排序，并较系统地分析了其时空分布和变化，发现1960—2008年期间区域湿热浪事件呈显著增加趋势，1990年代以来增加的更为明显. 挑选出区域热浪事件之后，下一步是追踪区域极端事件发生之前大气变量扰动的来源、传播的路径及提前时间，即试图归类找到区域干(湿)热浪事件有指示意义的前期信号.本文的区域干热浪事件，是采用5—9月份相邻5站有2日最高气温≥35℃，并且过程强度超过第90 百分位值的定义标准[11].这一定义比第80百分位值更为严格，挑选的事件更有代表性，南方达到这一标准的热浪影响更大.1979—2008年期间，中国5—9月共有区域干热浪事件92 次.去掉其中跨越5月1日的5次事件后，我们主要分析87次区域干热浪事件.本文在大气变量物理分解的基础上[12]，将87 次区域干热浪事件有关的前期信号，按传播方向和发生地点分类，进行个例分析并给出统计结果.
作为特例，2003年6月1日至8月20日，江南南部到华南中部的广大地区出现了20—50天的高温日数，比常年同期多5—20天，连续多日最高气温超过38 ℃.这次热浪的温度之高、范围之广和持续时间之长都是历史罕见，不少地方夏季最高温度成为历史新记录，其中浙江省丽水站出现高达42.3℃的高温.也像常规的分析那样，对这次热浪事件人们也用西太平洋500hPa副高的变化来解释可能的预报着眼点[13-14].在对2003年中国南方区域热浪事件分析的基础上，本文着重探讨中国南方高温热浪天气对应的大气中有哪些变量，在什么高度上具有可预报热浪事件发生的前期信号，再用欧洲中期天气预报中心(ECNWF)的模式产品做分解，探讨热浪事件的提前预报.本文所用资料和方法与文献[15]相同，其中还使用了ECNWF 的模式产品，每天北京时间08点和20 点2 个时次，包括北半球2.5°×2.5°经纬网格点未来1—7天的500hPa高度场.
2 东传前期扰动信号在以下的分析中，高度扰动和温度扰动都是天气尺度下的扰动.在250hPa高度扰动场上，对应的87次区域干热浪事件，有4次事件没有高度扰动传播的前期信号.有高度扰动传播的其余83次热浪事件，按扰动信号的传播方向，可分为向东和向西移动的两类.大多数区域热浪的前期信号，是从中纬度由西向东传播的，占87场热浪事件的86.2％.
2002年7 月上旬到中旬，华北、黄淮、江淮、汉水流域等地出现了33—38℃的高温晴热天气，最高气温达到35—39 ℃，部分地区达40—43 ℃[16].这是一次高度扰动和温度扰动信号由西向东传播的中等强度热浪事件，持续11 天，最大覆盖7 个经纬度格点，累计10站次达到40 ℃.2002年7月11日高度扰动和温度扰动达到最强，地面热浪站点位于黄河下游40°N 以南(图 1a).在热浪区的南北-垂直剖面图上，对流层上部的高度扰动正值区中心和400hPa 以下温度扰动正值区的下方，就是热浪发生地.
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图 1 2002年7月11日(a)达到干热浪标准的站点(实心圆点)和(b)沿110°E—120°E平均的位势高度(gpm)正(实线)负(虚线)扰动值分布和温度扰动正值(℃，阴影区每一间隔增加1 ℃)在对流层的南北(纬度)剖面 Fig. 1 On 11 July 2002 : (a) distributions of regional dry HW (solid dots)，(b) the meridian-vertical profiles of height anomaly (gpm) and temperature anomaly (℃) averaged from 110°E —120°E. In (b)，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 ℃ |
另一个例是2002年6月28日，新疆西部250hPa 层上有高度扰动正值区和400hPa层温度扰动正值区.6月30日，40gpm 的高度扰动中心(图 2a中星号位置)东移到新疆的东部，而中国东部地区上空为高度扰动的负值区.7月3日，高度扰动中心增强到80gpm，并东移到内蒙古的中部(图 2b).7 月7 日(图 2c)，高度扰动中心发展到200gpm，温度扰动中心值达到6 ℃，中心就在热浪区的上空.7月7日至11日两个扰动中心的位置稳定少变(图 2d).
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图 2 2002年7月7日开始的区域干热浪事件的前期和同期逐日250 hPa高度扰动(gpm)和400 hPa温度扰动(℃) (a)6月30日；(b)7月3日；(c)7月7日；(d)7月11日.阴影为正的温度扰动(填充色从2~6 C每一间隔增加2 ℃)实线和虚线分别指示正和负高度扰动. Fig. 2 The height anomaly (gpm) at the 250 hPa level and temperature anomaly (℃) at the 400 hPa level for HW starting from 7 July 2002 (a)June 30；(b)July 3；(c)July 7；(d)July 11. Black solid lines and dotted lines present the positive and negative height |
图 3给出了2002年6月21日至7月21日，沿35°N—45°N 平均的逐日250hPa高度扰动和400hPa 温度扰动经度-时间剖面.从图 3中可见，2002年6月底在80°E 出现了40gpm 高度扰动和正的温度扰动.7月初扰动中心位置在向东移动的过程中，也北移到45°N 以北，7月初扰动中心有一次间断.7月5 日，40gpm 的高度扰动再次出现并且东移增强.7 月9—11日，高度扰动中心超过了120gpm，位置在100°E—110°E.7月11日华北热浪达到最强.此后，高度扰动和温度扰动减弱，热浪在7月17日结束.在热浪事件发生前，扰动信号具有提前10天的指示意义.
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图 3 2002年6月21日至7月21日沿35°N—45°N平均的250 hPa高度扰动(gpm)和400 hPa温度扰动(℃，每一间隔增加1D经度-时间剖面. Fig. 3 The longitude-time section of height anomaly (gpm) at 250 hPa and temperature anomaly ( ℃，with the interval 1 ℃ ) at 400 hPa averaged from 35°N —45°N from 21 June to 21 July 2002 |
考虑到1979年开始的NCEP/NCARReanalysis2 资料更新了物理过程的参数化[17]，我们选择1979—2008年期间的83场区域干热浪事件的前期信号进行统计分析.表 1中列出了1979—2008年综合强度排前10位的区域干热浪事件.其中，1980年代有2 次，1990年代3次，2000年后5次.综合强度最强的事件，在2005年6月9日开始发生，持续28天(排第6)，强度为36站(排第2)，最大影响57 格点(排第2)，综合强度值[18]为9.75.
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表 1 1979—2008年区域干热浪极端事件综合强度前十的事件. Table 1 The top ten severe regional dry HW events in 1979-2008 |
一些热浪事件是几次天气尺度扰动先后作用的结果.在87场热浪事件中有26 场事件出现了两次前期信号，此外也有热浪事件具有三次前期信号.图 4给出了2000年7月1日开始的两次250hPa高度扰动引起的区域干热浪事件.2000年7月1日开始的热浪事件持续21 天(排第14)，最大覆盖范围为15个格点(排第48)，累计6站次达到40 ℃以上(排第28)，综合强度排第29，是一次强热浪事件.第一次高度扰动中心最早提前5 天(6 月26 日)出现在位置(85°E，50°N)附近，之后沿50°N 向东移动，7月1日到达位置(115°E，50°N)附近，对应地面上东北-华北地区热浪开始.7月1—6日高度扰动中心维持在东北北部，地面热浪持续.7 月6 日，第二次高度扰动中心出现在位置(80°E，50°N)附近，并沿50°N 向东移动，13日到达110°E 附近开始影响东北，17 日第二次扰动中心达到最强值(160gpm)，400hPa 温度扰动中心值为6 ℃.7月1日至21日合成的日最高温度距平场上，距平3 ℃以上的站点主要集中在东北地区(图 4b).
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图 4 2000年7月1日开始的区域干热浪事件对应的两次沿35°N — 55°N平均的250 hPa高度扰动(等值线，gpm)和400 hPa温度扰动(阴影，℃，每一间隔增加1 D信号的经度-时间剖面(a)和合成7月1日至21日的高温距平3 ℃ (实心点)和2℃(空心点)分布(b) Fig. 4 The longitude-time section of height anomaly (solid line，gpm) at 250 hPa and temperature anomaly (shading，℃，with the interval 1 ℃ ) at 400 hPa averaged from 35°N一55°N for 2 precursors of HW starting from 1 July 2000 |
83场热浪事件的第一次前期扰动信号的提前天数列在表 2中.热浪的前期扰动信号可分为向东移动和向西移动两类.第一次扰动信号向东移动引发的事件中，扰动信号提前4—6天和提前7—9 天的热浪最多，分别为22场和21场事件，扰动信号提前3天以内和10 天以上的事件分别有13 场和19 场，总体向东传播的扰动信号平均提前7.3天.第一次扰动信号向西传的热浪事件较少，提前3 天以内的有4场，提前4—6天的事件有2场，7—9天和10天以上的事件分别有1场.向西传播的8场热浪，它们的扰动信号提前天数比向东传播的信号提前时间短，平均为4.6天.总体来看，83场事件对应的扰动信号平均提前7 天，其中提前4—6 天的事件数最多，为24场，占87场事件的27.6％.
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表 2 热浪事件的第一次前期信号提前天数 Table 2 Lead days of the first precursor for HW events |
对南方热浪事件，前期扰动信号包括出现在30°N 以南低纬地区自东向西传播的，和出现在30°N 以北中纬地区自西向东传播的两类.其中南方8 场热浪事件多发生在7—8月份，对应自东向西传播的扰动信号提前时间为2—10 天.这8 场事件中，250hPa 高度扰动中心的传播路径如图 5a1所示，从西北太平洋开始，起始位置在20°N 或以北.有1场事件起始位置在160°E 以东，其余事件扰动中心多起始于125°E—140°E 范围内.有2 场事件的前期信号沿20°N 向西传播，其余6场事件的前期扰动信号向西北方向移动.这些扰动最后对应的地面热浪发生在长江中下游、江南到华南地区(图 5a2).在这8场热浪中，华南4个站点经历了其中的3—5场，江南-华南大部分站点经历了2—3场热浪.
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图 5 250 hPa高度扰动信号的传播路径和站点经历的热浪场数 左图中实心圆点表示扰动中心开始位置，空心圆表示扰动中心到达位置，右图中数字为该站经历的热浪场数 (a1，a2)自东向西传播的前期信号与南方8场区域干热浪事件；(b1，b2)自西向东传播的前期信号与南方34场干热浪事件；(cl，c2)自西向东传播的前期信号与西北19场干热浪事件；(d1，d2)自西向东传播的前期信号与东北南部8场区域干热浪事件；(e1，e2)自西向东传播的前期信号与14场北方区域干热浪事件 Fig. 5 The precursor routes at 250 hPa and the HW times by spot. The solid dots and circles in the left panels present the starting position and final position of anomaly center，and the numbers in the rightpanels presenttheHW times by each spot. (a1，a2) precursors of the westward propagation and 8 regional dry HWs in southern China， (b1，b2) precursors of the eastward propagation and 34 regional dry HWs in southern China， (c1，c2) precursors of the eastward propagation and 19 regional dry HWs in northwestern China， (d1 ,d2) precursors of the eastward propagation and 8 regional dry HWs in northeastern China，(e1,e2) precursors of the eastward propagation and 14 regional dry HWs m northern China |
发生在南方的34场干热浪事件中，前期扰动信号的起始位置，主要分布在欧洲到中国西北地区，大多数在30°E—90°E 范围内，提前天数大多从2天到15天，平均提前7.4天(图 5b1).但有两场事件的前期扰动信号路径很短，是从100°E—110°E 开始，提前天数也只有1—2天.高度扰动中心的传播路径大致可以按纬度分为两类，一类是沿中纬度30°N—50°N 向东传播(24场)，提前2—14天，包括18场的前期扰动信号向东，4 场的扰动信号向东北和2 场的扰动信号向东南方向移动.另一类是高度扰动中心沿较高纬度(50°N—60°N)向东移动到100°E—110°E 附近，再向南或向东南移动到40°N 附近.这类高度扰动影响中国南方地区热浪的有10场，提前时间为6—15天，比低纬向西传播的前期扰动信号平均提前时间长.这些事件的地面热浪中心位置，大多出现在长江流域、江南和华南.图 5b2 表示34 场事件中，经历热浪场数最多的站点，江南的站点有7—14场，华南多数站点经历了其中的4—7 场.图 5b2中，显示发生在中国南方的大部分热浪事件，其中250hPa高度扰动中心最后都到达华北地区.在42场有前期扰动信号的南方热浪事件中，8 场事件的高度扰动前期信号自东向西传播，占19％.34场热浪的前期高度扰动信号自西向东传播，占42场的81％，大部分对应南方热浪.
图 5c1 给出了19场与西北区域干热浪事件对应的前期扰动信号路径，体现为250hPa的高度扰动自西向东传播.高度扰动中心大多起始于20°E—60°E 和40°N—60°N 的范围内，提前天数从3 天到14天，平均提前6.5 天.扰动中心的传播路径都是自西向东移动到80°E—90°E 附近，其中有15 场热浪对应的前期扰动信号沿40°N—55°N 向东传播. 这些干热浪事件都发生在100°E 以西，其中有22个站点经历了这19场热浪中的4—12场.这些站点位于塔里木盆地和准格尔盆地，海拔低，容易发生高温热浪(图 5c2).
图 5d1给出了8场发生在东北的区域干热浪事件，具有前期向东传播的250hPa高度扰动信号.这些事件的前期扰动信号提前天数从2天到13天，平均提前7.3天.高度扰动中心起始于欧洲到中国西北20°E—85°E 和50°N—55°N 的范围内，沿50°N—55°N 向东传播到110°E 以西，影响中国东北南部地区，区域热浪事件中心位置都在40°N 以北.这类扰动的起始位置和路径较偏北.8场事件中，东北平原地区8个站点经历的热浪场数最多，为3—5场，与平原地区海拔低有关，多数站点经历了其中的2—3 场(图 5d2).
图 5e1给出了14 场中国北方区域干热浪事件的前期向东传播的250hPa高度扰动信号.高度扰动中心多起始于欧洲到中国西北20°E—70°E 和40°N—55°N 的范围内，沿中纬度向东传播到100°E 以西，提前天数从2天到16天，平均提前8.1天.其中11场事件的前期高度扰动中心路径为向东，2场事件的前期扰动从35°N 附近向东北移动，1场事件的前期扰动从55°N 开始向东南方向传播.这些热浪事件主要发生在黄河流域，包括河套和黄河下游的华北地区.经历热浪场数(3—8场)最多的站点分布在黄河流域到长江中游以北地区(图 5e2).
4 热浪事件的正倒向问题在研究过程中，对热浪事件的预报(后报)问题可分为正向问题和倒向问题.从已经出现了的热浪事件出发，寻找过去大气中可能存在的天气尺度变量的前期扰动信号，称为倒向问题.相反的，由天气尺度变量扰动信号去预报未来的热浪事件称为正向问题.在1979—2008年5—9月份的87场区域干热浪事件中，大部分事件都有大气扰动传播的前期信号，只有4场事件例外.在4 场事件出现的同时，有当地对应的250hPa高度扰动或400hPa温度扰动的出现，但没有从外地传播来的扰动.(1)1999 年6 月24日—7月5日的华北热浪，热浪开始时温度扰动只在对流层低层(600hPa以下清楚)，200～500hPa 为温度扰动负异常和高度扰动负异常，其北侧为强烈发展的高空槽.(2)2005年7月12—21日的华南热浪，温度扰动正异常只出现在700hPa以下，其形成的原因与东南侧台风外围环流有关.(3)2004年7 月11—18日的西北热浪，7月9日开始在当地250hPa 出现40gpm 的高度扰动和2 ℃ 的温度扰动，之后向下传播.(4)2000年5月16—22日的西北热浪的高度异常，是2000年5月9—13日的西北热浪高度扰动正异常在当地减弱后又加强形成的，没有传播的前期信号.
高度扰动强度与区域干热浪事件的强弱有一定联系.热浪事件过程中出现的平均高度扰动为189gpm，其中对应强热浪事件的高度扰动平均值为198gpm，中等热浪事件的高度扰动平均值为190gpm，弱热浪事件的高度扰动平均值为184gpm.对倒向问题，加上5场跨越5月1 日的事件合计92 场地面干热浪事件中，有88场事件对应的250hPa高度扰动达到120gpm(占96％)，另外的4 次事件高度扰动只达到80gpm.相反的，如果出现了大气高度扰动，有多少次对应发生了区域热浪事件，这是一个正向问题. 对正向问题的普查发现，高度扰动达到120gpm，而同期地面没有出现区域干热浪的有124 次.在正向与倒向总计216次事件中，达到高度扰动标准且确实出现区域热浪事件的次数(88次)，所占的比例为41％.若取160gpm 作为250hPa层的高度扰动标准，高度扰动和地面热浪一致的次数减少到76 次，而达到高度扰动标准但没有对应区域热浪的过程减少至103次，对应一致的事件占39％.
取120gpm 或160gpm 作为250hPa层的高度扰动标准，地面没有区域干热浪事件发生的情况较多，甚至超过了两者对应一致的次数.对这些情况做逐日分析发现，高度扰动达到120gpm 时，地面站点的日最高温度都为正距平，但是达不到区域干热浪的定义标准.为了考察不同热浪定义的影响，我们把“有2日最高气温≥35 ℃”降低为“有2日最高气温≥34 ℃”，又把“高温过程强度序列大于第90 个百分位值”降低为“高温过程强度序列大于第80 个百分位值”.改动热浪定义之后，达到扰动120gpm 标准而无热浪的次数，从124次减少到65次.达到扰动160gpm 标准而无热浪的次数，从103次减少到52次.可见，达到扰动标准而无热浪的情况，与热浪高标准的定义有关.降低地面热浪标准后，高度扰动达到一定标准而无热浪的次数减少了一半左右. 此外，当考察的时段从5—9月缩短到6月初—9月中旬时，正确率也提高到了44％.这说明，5月份和9月份，地面的气候基础温度较低，要发生热浪，大气高度扰动的量值需要较大.反过来说明，盛夏季节内的热浪事件对高度扰动的要求比较低.普查发现，所有大气扰动都对应有地面增温，部分扰动对应增温达到热浪的标准.形成不了热浪的例子一部分为当地的气候基础温度偏低，叠加上高空扰动对应的地面气温扰动仍然够不上热浪事件的标准.如1993 年5月10 日中国东部地区在250hPa和400hPa 上分别出现160gpm 的高度扰动和6 ℃ 的温度扰动，对应地面40°N 附近出现4 ℃的温度扰动，但5 月10日中国长江以北地区的地面最高气温的气候平均值在27℃以下，叠加上温度扰动也难以达到区域热浪标准.另一些例子是高空有很强的高度扰动和温度扰动，但地面附近的温度扰动较弱也达不到热浪标准，如1991年8 月12 日400hPa温度扰动为5℃，但向下延伸的温度扰动逐渐减弱，地面附近温度扰动只有2 ℃.减少热浪事件的空报率需要一定的经验积累.
1990—2008年期间共发生了13场强区域干热浪事件，包括1990 年代的5 场和2000 年以来的8 场，这些强事件都对应着250hPa层的高度扰动达到较大的异常值(200gpm 或以上).反过来，统计1990年以来较大的250hPa 层的高度扰动异常(200gpm 或以上)，除了上述13 场强事件以外，有27场区域干热浪属于中等和弱事件，10场以34 ℃和第80百分位值作为标准的区域干热浪事件，另外有4场无热浪事件，只对应地面温度偏高.这表明近年来最强的热浪事件一定会出现较强的高度扰动异常(200gpm 或以上)，而出现较大的位势高度扰动异常时基本可以认为会出现热浪，其中24％ 是强热浪.
为了说明不同定义下区域热浪事件随季节的分布，图 6 给出了两种定义的比较.1979—2008 年的92场区域干热浪事件是按照前言中描述的定义确定的，即有第90百分位值的限定.如果不考虑这一限定，则确定的连续日数超过10天(其中有10日最高气温≥35 ℃)发生在中国东部地区(100°E 以东，42°N 以南)的热浪事件有51场.有无这一限定的热浪频次随季节的分布差异非常大.在此限定下，两个高频时段分别出现在5—6月份和8月底至9月初，而低频时段在盛夏.如果无此限定，则只有一个高频时段出现在7月至8 月初的盛夏.它们随季节分布的差异正好说明，盛夏季节气候温度较高，达到高温热浪事件不需要有5—6月份的温度距平.同时也说明，盛夏季节热浪事件的前期大气扰动信号强度不需要很大，这也增加了盛夏预报热浪事件的难度.
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图 6 有(实线，92场热浪事件)无(虚线，持续10 天的51场热浪事件)第90百分位限定下的热浪事件出现日期与频次的比较 Fig. 6 Comparison of HW frequencies and dates with (solidline，92 HW events) and with out (dashed line，≥10-day 51 HW events) the limitation of 90th percentile |
图 7分别给出了不同定义下2003年中国南方满足区域干热浪和湿热浪标准的逐日站数比较. 2003年夏半年中国南方出现了4场区域热浪事件. 5月初出现了第1场，第2场主体出现在7月底至8 月初，第3场出现在8月底至9月初，9月中出现了第4场.从图 7看出，在不同定义下的热浪事件持续时间及其历史排序是不同的.对4场湿热浪事件，它们的综合指数，历史(163 场次)排序分别是第30、46、23和52 位[11, 18].以过程强度超过第80 百分位标准计算，4场干热浪的综合指数，历史(136 场次) 排序分别是第101、1、92和114位.而以过程强度超过第90百分位标准计算的综合指数，历史(145 场次)排序分别是第103、16、43和108位.无论是干热浪，还是湿热浪，它们都在7月底至8月初达到最强.
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图 7 2003年满足两种区域干热浪标准(第80百分位和第90百分位)和区域湿热浪(阴影区)标准下的逐日站点数和排名，箭头指示4次热浪出现的时段，干、湿后面的数字指示事件的排序 Fig. 7 The number of stations and rank of regional dry HW (80th and 90th) and regional wet HW in 2003. Arrows indicate 4 periods of HW events and the numbers after “Wet” or “Dry” indicate the rank ofHW events |
图 8中分别给出了2003年7月30日达到区域干热浪标准的站点分布及当日沿110°E—120°E 平均的位势高度扰动和大气温度扰动的经向分布.7 月30日有23个站达到区域干热浪的标准，主要集中在110°E—120°E 之间的华南地区(图 8a).沿110°E—120°E 绘制的大气温度扰动和高度扰动的南北-垂直(1000—10hPa)剖面如图 8b 所示:高度扰动有一对正负中心，负值中心对应地面区域低温距平(图略)，正值中心向下和向南延伸的轴延伸到地面上的高温热浪区.正负高度扰动中心大致在250hPa层.地面高温热浪区的上空，在850hPa以下为正的温度扰动区，并且正的温度扰动区是向上和向北倾斜的，温度扰动正值区出现在400hPa附近.
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图 8 2003年7月30日(a)达到区域干热浪标准的站点(实心圆点)和(b)沿110°E—120°E 平均的位势高度(gpm)扰动，正(细实线)负(细虚线)值分布和温度扰动正值(℃，阴影区每一间隔增加1℃)的纬度气压剖面.b中，粗点线为高度扰动轴线，粗虚线为温度扰动轴线 Fig. 8 On 30 July 2003，(a) stations of regional dry HW (soliddots)，(b) the meridian-vertical height anomaly (gpm) and temperature anomaly (℃) profiles averaged from 110—120°E.In (b)，black solid lines and dotted lines represent the positive and negative height anomalies respectively，and the shadow presentsthepositivetemperatureanomalywiththe interva l1 ℃.Bold short dotted line and bold long dotted line represent the height anomaly axis and temperature anomaly axis，respectivel |
无论是地面，还是高层大气温度、湿度、风场、气压(或位势高度)等变量都可以分解成气候季节变化与偏差的叠加[19].以2003 年7 月30 日为例，对观测的地面日最高温度和500hPa位势高度进行分解如图 9.图 9a为7月30日最高温度的原始观测，长江流域、江南、华南出现大范围高温，有128站日最高温度达到35 ℃ 以上.当天500hPa原始高度场上，副高控制了33°N 以南的中国东南部地区(图 9d)，原始场的副高位置和地面高温区基本一致.孙国武等[20]指出，西太平洋副高5880gpm 等值线所包围的江南地区与热浪发生区基本一致.用49 年(1960—2008年)历年7月30日的中国日最高温度做时间平均，则江南东部和西北新疆地区各有4 个站，其气候平均最高温度达到35 ℃，大部分站点的气候平均最高温度在30—35 ℃范围内(图 9b).500hPa 气候场上(图 9e)，5880 线西伸脊点在130°E 附近，副高脊线沿30°N 延伸，与气候平均温度达到35 ℃的江南4站所在的纬度基本一致.去掉时间平均的气候后，地面最高温度的扰动正异常(3—8 ℃)分布在长江流域、江南和华南地区(图 9c)，对应500hPa 高度扰动为正异常(图 9f).中国北方和西北地区的地面温度的负距平区，与500hPa高度的负值扰动区对应.
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图 9 2003年7月30日日最高温度℃) (a)当日原始场；(b) I960—2008年7月30日气候平均场；(c)当日扰动场；和2003年7月30日500 hPa高度场(gpm); (d)当日原始高度场；℃)1979—2008年7月30日气候平均场；℃)当日扰动场. Daily maximum temperature ( ℃ ) on 30 July 2003 Fig. 9 Daily maximum temperature ( ℃ ) on 30 July 2003 (a) Original； (b) Climate average from 1960 to 2008； (c) Temperature anomaly； geopotential height at 500 hPa (gpm): (d) Original； (e) Climate average from 1979 to 2008； ((f) height anomaly |
图 10给出了2003年7月30日日最高温度当日观测、气候平均和相对气候的当日扰动温度的南北剖面分布，以及对应500hPa位势高度当日观测、当日气候平均和相对当日气候平均的扰动高度的南北剖面分布.在110°E—120°E平均的南北剖面图上，中国东部气候平均的最高温度33.5℃出现在26°N.如果在多年平均的气候温度上，叠加1.5—2.5℃的温度扰动之后，该纬度范围内就容易形成超过35℃的高温区.地面温度的扰动部分在26°N—27°N 附近最大，超过5.4℃.当日气候平均温度叠加上这样大的温度扰动，在此纬度范围可以出现38.8—39.1℃的高温(即原始观测温度).对500hPa气候平均高度在宽度带(110°E—120°E)内进行平均，则35°N 以南的位势高度约为5860gpm.如果位于22.5°N—35°N 范围的气候平均西北太平洋副高高度场再叠加上超过19gpm 的高度扰动后，它的位势高度能够达到5880gpm 以上，即原始场上表现为副高加强西伸，控制中国东部地区.30°N—32.5°N 范围内高度扰动异常值最大，超过36gpm，当它叠加到气候平均高度场上，则位势高度达到5897—5900gpm.由以上的分析可知，中国南方高温热浪的形成与当地气候温度与温度扰动的叠加有关，也与高度扰动和对应日的气候平均高度的叠加有关.值得注意的是，500hPa高度扰动的峰值位置相对地面温度扰动峰值的位置偏北3纬度.
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图 10 2003年7月30日(a)日最高温度CC)当日观测(实线)、气候平均(圆圈线)和相对气候平均的当日扰动温度(虚线)在南北15°N—45°N剖面上的分布，以及(b)对应500 hPa高度(gpm)当日观测(实线)、气候平均(圆圈线)和相对气候平均的当日扰动高度(虚线)随纬度的分布 Fig. 10 On 30 July 2003 : meridional distributions of (a) daily maximum observed temperature( C ) (solid line)，climate temperature (line with circles) and temperature anomaly (dotted line) averaged from 110° E—120° E，(b) observed geopotential height ( gpm ) ( solid line ) , climate geopotential height ( line with circles ) and geopotential height anomaly (dotted line) averaged from 110°E —120°E at 500 hPa. |
原始场上，中国夏季副热带高压的位置和强度与南亚高压的分布型有密切关系.当南亚高压为东部型时，副高西伸增强，控制中国东部，长江中下游及以南地区，通常出现高温少雨；当南亚高压为西部型时，副高偏东并且强度较弱.南亚高压的形成主要是热力作用，夏季在100—150hPa层最为强盛.图 11a为2003年7月30日150hPa高度原始场，南亚高压主体位于20°E—120°E.去掉气候平均场之后，100—130°E 为高度扰动正异常，如图 11b 所示，对应当天南亚高压为东部型.中国东部地区的150hPa上高度扰动异常偏高.东部型的南亚高压异常下沉气流，导致500hPa上高度扰动出现正异常区，即对应原始场上副高的加强西伸(图 9d)，地面出现高温异常.
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图 11 2003年7月30日150 hPa位势高度(gpm) : (a)原始场，(b)扰动场 Fig. 11 Geopotential height at 150 hPa (gpm) on 30 July 2003: (a) original, (b) anomaly |
长期以来，预报员一般用500hPa位势高度场的变化，来预报地面热浪的发生时间和地理位置.可是，图 8b 中温度扰动和高度扰动异常区，都不在500hPa达到最强.地面热浪区上空，500hPa层的最大高度扰动值为40gpm，250—150hPa层的最大高度扰动值为100gpm，对流层上层的高度扰动值是对流层中层的2.5倍.当然，500hPa层上的温度扰动和高度扰动对地面热浪也有指示意义.对应2003年7 月25 日开始的区域干热浪事件(过程强度超过第90百分位值)，图 12给出了250hPa上前期逐日异常信号和500hPa高度场的逐日变化.在热浪发生前6天(2003年7月19日)，400hPa温度扰动暖中心和250hPa高度扰动正异常区，出现在位置(140°E，20°N)，之后向西北方向移动.500hPa 上，副高西伸加强，7 月19 日至22 日，副高西伸脊点从120°E 向西伸到107°E 附近.25日，250hPa高度扰动正异常中心，移到30°N以北并增强到80gpm，地面热浪开始发生.统计大量的个例发现，500hPa 层的高度扰动信号比500hPa原始高度更能指示热浪的发生，但如果用250hPa层的高度扰动指示热浪会更清晰.7月30日高度扰动中心(80—100gpm)和温度扰动中心在中国东部地区上空，标志着地面温度达到最高.8 月2 日后高度扰动中心和温度扰动中心向东移动到了海上，对应着地面温度的减弱.这次热浪事件的前期扰动信号可提前6天出现.
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图 12 2003年夏季南方高温热浪对应的250 hPa高度扰动(gpm)，400 hPa温度扰动℃)，以及500 hPa高度(gpm)场 (a-e)为不同日的250 hPa高度扰动和400 hPa温度扰动，黑色实线和虚线分别表示正的和负的高度扰动，阴影为正的温度扰动(填充色的每一间隔增加2C)太阳指示250 hPa高度扰动中心的位置；(f-j)为不同日的500 hPa原始场，阴影表示5880位势米线包围的范围；填充色从2〜6C，每一间隔增加2C. Fig. 12 Height anomalies (gpm) at the 250 hPa level，temperature anomalies ( ℃ ) at the 400 hPa level and the original height at the 500 hPa level in 2003 summer. (a-e) present height anomalies (gpm) at the 250 hPa level and temperature anomalies ( ℃ ) at the 400 hPa l eve l，black solid lines and dotted lines present the positive and negative height anomalies respectively，and the shadow presents the positive temperature anomalies with the interval 2 C. "Sun" denotes the central position of height anomalies at 250 hPa. (f-j) present original height at 500 hPa，and the shadow presents over the 5880 gpm |
以2003年区域干热浪事件发生作为出发点，可以向前追溯到与该场热浪有关的，从西北太平洋向西北方向移动的前期高度扰动信号，这是时间上的倒向问题.对于正向问题，即西太平洋出现一定强度的高度扰动信号并逐日向西移动，后期中国是否会发生区域热浪.正向问题需要结合模式预报产品，采用模式输出高度原始场的预报值，物理分解出扰动部分进行诊断与预报.图 13给出了欧洲中期天气预报中心(ECNWF)模式产品提前1—7 日预报的2003年7月30日500hPa高度扰动场.因为只能得到2003 年以来对流层中下层的ECNWF 模式产品，气候场仍然取为NCEP/NCAR Reanalysis2中1979—2008年的平均值.比较图 13h 和图 9f，可以看到用NCEP/NCAR Reanalysis2 作为气候平均分解出的ECNWF 高度扰动，与NCEP/NCAR Reanalysis2 资料计算的高度扰动是基本致的.因此，不同资料的平均场差异可以近似忽略.2003年7 月30 日是该场热浪过程最为强盛的一天，分解ECNWF产品的高度扰动后，提前1—7天都预报出在中国东部地区500hPa高度扰动的正异常，提前第1—4天的高度扰动正异常范围出现在40°N 以南，和实况比较接近，而提前第5—7天预报的高度扰动位置比实况略偏北.提前预报出的高度扰动强度为20—40gpm.目前欧洲中期数值天气预报的位势高度场可以提供10天左右的有用信息.利用本文物理分解的方法可以得到10 天左右的高度扰动预报形势图，加上7天左右的前期信号，热浪事件的预报时效可以平均提前两周.
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图 13 ECMWF模式产品对2003年7月30日500 hPa高度扰动的预报结果提前(a)第7天，(b)第6天，(c)第5天，(d)第4天，(e)第3天，(f)第2天，(g)第1天，(h)当天. Fig. 13 Forecasts of ECMWF height anomalies for 30 July 2003 at 500 hPa advanced by (a) the 7th day， (b) the 6th day， (c) the 5th day， (d) the 4th day， (e) the 3rd day， (f) the 2nd day， (g) the 1st day，and (h) on 30 July，2003 |
(1)1979—2008 年期间发生的83 场区域干热浪事件有传播的前期大气扰动信号，第一次扰动信号平均提前时间为7 天.与区域干热浪事件对应的250hPa高度扰动前期信号可分为向东和向西传播的两类，比原始场上天气系统移动对热浪事件的指示更清晰.
(2)南方热浪对应的前期250hPa高度扰动信号，有低纬地区向西传和中纬地区向东传的两类.第一次扰动信号向西传形成的热浪事件较少(8 场)，提前2天到10天(平均提前4.6 天)扰动信号从西北太平洋开始向西北传播，地面热浪发生在长江中下游、江南到华南.南方热浪第一次向东传的前期250hPa高度扰动中心起始位置大多在欧洲到中国西北地区，提前天数从2 天到15 天，沿中纬度或较高纬度(50°N—60°N)向东传到100°E—110°E 附近，再向南或向东南传到40°N 附近.
(3)中心位置在北方的区域性干热浪事件，前期扰动信号都为自西向东传播，高度扰动中心多起始于欧洲.按照热浪发生的位置可分为西北、东北南部和华北-河套三类.在75场北方热浪事件中，平均可以提前7.3 天追踪到250hPa的高度扰动前期信号.少部分区域干热浪事件有2—3次前期扰动信号或没有传播的前期信号.
(4)250hPa高度扰动场与大部分地面区域干热浪事件有一定的对应关系，正确率与定义有关. 250hPa高度扰动达到120(160)gpm 和区域干热浪事件一致的有88(76)场，有热浪发生而高度扰动没有达到120(160)gpm 的情况有4(16)次，高度扰动达到120(160)gpm 而地面没有区域干热浪的情况共124(103)次，一致性次数占到统计总次数的41％(39％).将区域干热浪的定义中“≥35 ℃”降低为“≥34 ℃”，又将“高温过程强度序列大于第90个百分位值”降低为“高温过程强度序列大于第80 个百分位值”后，高度扰动达到一定标准而无热浪的次数减少了一半.
(5)在2003年7 月25 日开始的热浪发生前6 天，400hPa温度扰动暖中心和250hPa高度扰动正异常中心，出现在副热带西北太平洋(140°E，20°N) 上，之后向西北方向移动.用欧洲中期天气预报模式的未来1—7天预报产品，对这次热浪500hPa高度场做物理分解.结果发现，模式的高度扰动对这次热浪具有提前1—7天的预报能力，提前第4天以内的高度扰动位置和强度预报更接近实况.需要指出的是，在垂直结构上，250hPa层的高度扰动比500hPa 层的高度扰动更能指示地面热浪.如果只用500hPa 以下的欧洲中期天气预报模式产品，这也会影响最强高度扰动信号的提取与使用.
中国的热浪事件多发生在夏季.夏季对中国温度有决定影响的环流背景是西太平洋副高和大陆高压.本文通过寻找多场区域干热浪事件的前期大气扰动信号，发现中纬向东传的信号多来自欧洲，低纬向西传的信号来自西北太平洋.当有一个天气尺度高度扰动随西风带基本气流从欧洲向东传播到达中国北方后，一旦在大陆上稳定下来，高压控制下的下沉气流和夏季的太阳辐射加热就会在中国形成热浪事件.在西太平洋副高脊线的南侧，天气尺度高度扰动随东风带基本气流向西移动.当高度扰动达到中国大陆后与气候上的副高叠加，也同样增强下沉气流和太阳辐射，引发高温热浪事件.
本文用大量的例子总结认为，前期大气扰动信号可以应用于中国热浪事件的中期-延伸期预报.在预报实践中，还需要分析正向问题，即出现前期信号时中国发生区域热浪的可能性有多大.250hPa高度扰动或400hPa温度扰动起始位置的范围很大，在欧洲或西北太平洋出现一定强度的扰动中心，并不一定预示着中国会发生区域极端干热浪事件，关键在于扰动信号的传播路径和强度变化，还需要结合季节和模式预报扰动形势的分析和经验的积累. 另外，原始场上中国南方发生热浪时，东部地区都为副高控制，但81％的前期大气扰动来自中纬度向东传播的信号，只有19％的前期扰动信号是在低纬自东向西传播的，这与传统天气学中南方热浪主要关注低纬的天气系统不同.
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