引言

近年来，在全球大范围内出现了持续的气候异常，尤其是极端事件发生的频率显著增加。北半球夏季频繁受到高温、干旱、极端降水等侵袭，给社会、经济和人类的生活造成了巨大的损失和影响。IPCC第5次报告指出，1880年至2012年温度升高了0.85℃，随着全球表面平均温度上升，发生极端高温事件的频率将增多，热浪很可能会更为频繁发生，持续时间会更长^[1]。

已有研究显示：2001—2010年全球平均温度相较于1901—1910年增加了0.88℃，期间由于高温和高温热浪事件造成的人员伤亡较1991—2000年总体增加2000%^[2]。根据媒体报道，2010年夏季欧洲东部和俄罗斯大部分区域均受到了高温热浪的袭击，本次高温热浪事件中导致俄罗斯至少有55000人死亡，2013年7月上中旬英国高温热浪事件导致至少760人死亡。自1990年起东亚夏季也频繁遭受到高温热浪的侵袭^[3]，2010年中国21个省区遭受高温热浪袭击，2013年日本东京创近150年来高温日数纪录。2013年，韩国出现了1954年以来最热的夏季^[4]，中国南方也经历了自1951年以来最强高温热浪^[5]。2016年，韩国、中国南方等地更是多地出现了刷新历史极值的持续高温天气。

诸多研究结果显示，东亚高温热浪发生大多受到中高层位势高度反气旋式异常的直接影响^{[3, 6-9]}。观测和数值模拟结果表明，海表面温度异常、海-气相互作用、全球变暖、降水异常以及西太平洋副热带高压(简称副高)、东亚急流和南亚高压对东亚高温事件的影响也不容忽视^[10-22]。一些研究指出，印度洋海盆尺度增暖能激发上空的暖性开尔文波，从而有利于西北太平洋低层反气旋异常的形成和维持，其中，印度洋电容器效应将前冬ENSO信号储存起来，进而影响东亚夏季气候^[15-16]，且对中国夏季气温和极端高温起着重要作用^[17]，而另外一些研究显示，热带印度洋偏暖通过激发大气Matsuno-Gill型响应、南亚高压和西风急流变化，引起东亚对流层西风带和温度平流的调整，上升运动发生变化，最终可引起东亚夏季降水异常^[18]。Wang等^[23]指出，中国东南部夏季极端高温事件的发生频次与东亚急流出口区的位移和尾部区的强度变化有关。Wang等^[24]指出，东亚副热带西风急流的南北移动与2003年、2006年和2013年中国夏季高温热浪存在紧密联系。Sun^[25]指出，2013年7月北大西洋中纬度地区海温为160年以来最高纪录，其持续偏高通过遥相关波列影响东亚地区上空纬向西风和西太平洋副高，进而可引起我国江淮—江南地区夏季出现持续的极端高温。此外，高纬度地区的环流异常与东亚高温事件也存在紧密联系。诸多研究表明：北极不同季节的大气环流异常和海冰、积雪异常，不仅会影响欧亚大陆夏季大气环流^[26-32]，还会引起欧亚中高纬度地区夏季降水和气温的变化^{[26-27, 33-37]}。如冬季格陵兰以西的海冰密集度变化不仅可引起北大西洋北部春季大气环流异常，进而导致东亚夏季大气环流异常，还可作为夏季东亚北部大气环流和降水异常的预测因子^[26]，且北极海冰异常、融雪对欧亚夏季气温的变化也起了十分重要的作用^[38-39]。

近期一些研究表明，东亚高温事件与北极存在紧密联系。Tang等^[33]指出，海冰和积雪减少造成大尺度行星波移动缓慢，中纬度地区为下沉运动，其有利于天气系统持续存在，进而导致中纬度地区夏季极端高温事件发生的频次增加。在年际时间尺度上，Wu等^[40]指出自2005年以来北极夏季冷异常频繁出现，并伴有北极大部分地区对流层西风增强，导致北极大气斜压性增大和北极异常低气压出现频次增加，而亚洲中低纬度地区对流层西风减弱，造成东亚出现持续性的高温热浪。但是，对于东亚高温事件与同期北极冷、暖异常的关系，特别是在季节内时间尺度上的可能联系，目前还鲜见报道。因此，本文选择3个北极夏季冷异常年份，即2010年、2013年和2016年，研究在季节内时间尺度上，东亚地区这3年夏季高温事件发生时，大气环流异常的主要特征及其与北极冷异常的可能联系。

1 资料与方法

本文利用1979—2016年夏季(6月1日—8月31日)NCEP/NCAR逐日再分析资料(http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.NOAA/.NCEP-NCAR/.CDAS-1/)，包括10~1000 hPa逐层风场、500 hPa位势高度、500~1000 hPa大气厚度和表面气温，水平分辩率为2.5°×2.5°，垂直方向为17层。本文统计了2010年、2013年、2016年夏季逐日逐网格点表面气温(NCEP/NCAR逐日再分析资料)超过1979—2008年平均值1.0个标准差的发生频次，并选取江淮地区(27.5°~34°N，110°~122°E)作为本文研究区域，计算该区域范围内发生频次的区域面积平均值，将其标准化后分别得到2010年、2013年及2016年江淮地区夏季出现高温的逐日区域平均频次的时间序列。

目前，国际上对高温热浪事件尚无统一的定义标准，本文分别挑选出2010年、2013年、2016年江淮地区夏季出现高温的逐日区域平均频次的时间序列中大于1.0个标准差的时刻，将其定义为高温事件，并对500~1000 hPa大气厚度和500 hPa位势高度异常场进行合成分析。

2 2010年、2013年及2016年江淮地区高温异常特征 2.1 空间分布特征

东亚夏季高温异常发生频次的分布复杂多变，但是2010年、2013年以及2016年40°N以南区域出现高温异常的频次均偏多(图 1)。2010年几乎整个东亚地区夏季出现高温异常的频次均超过20次，高频区位于贝加尔湖以南的蒙古西北部、朝鲜半岛和印度北部，此外，在中国北部、西部、华南以及江淮地区出现高温异常的频次也较高。2013年高频区域的覆盖范围相较于2010年有所减小，但频次明显增多，高温异常主要集中出现在22°~40°N范围内的印度北部、缅甸、日本、韩国以及中国西南部和江淮地区。2016年高频区域的范围较广，主要分布于印度北部、韩国、中国的西部和南部。图 1中红色框标注的区域为我国江淮地区(27.5°~34°N，110°~122°E)，该区域位于长江中下游，近年夏季频繁受到高温的严重影响。图 1结果也表明，2010年、2013年及2016年该区域夏季出现高温异常的频次均较高。此外，本文统计了这3年夏季江淮地区出现表面气温超过1.0个标准差的高温异常的总频次，结果显示：2010年、2013年及2016年夏季6—8月高温异常分别出现513次、791次和677次，较1979—2008年平均值分别增加了35.8%，109.4%和79.2%。而在盛夏(7—8月)，高温异常总频次分别为425次、642次和553次，较1979—2008年盛夏季节该区域出现高温异常的平均频次分别增加了66.8%，152.0%和117.9%。相关研究显示：2010年、2013年以及2016年上海夏季均出现罕见的持续高温热浪天气，其中，2010年夏季多个测站的极端高温接近或超过了当地历史最高值^[41]，2013年高温热浪事件发生频次、强度和高温日数为1960—2013年最多^[42]，2016年夏季高温日数达30 d。据统计，2013年浙江省夏季35℃以上高温日数破历史纪录，浙江全省大范围受干旱影响。2016年夏季浙江省遭遇两次大范围的高温过程，且干旱面积达6.5×10⁴ km²。因此，在探究高温事件时，本文将选取我国江淮地区作为重点研究区域。

2.2 时间分布特征

本文计算了夏季江淮地区高温异常所覆盖面积的逐日演变(图 2)。6—8月受高温影响的面积随时间明显扩大，发生时间集中在6月中下旬、7月初以及7月末至8月，这3年夏季进入8月后高温覆盖范围几乎达江淮地区面积的50%以上，但高温影响面积随时间的变化存在差异。2010年夏季存在明显的高值，分别在6月中下旬、7月初、7月下旬以及8月中旬，呈先增加后减小的变化趋势。6月15日—7月15日江淮地区持续出现高温异常天气，6月16日其覆盖面积最大值可达约6.5×10⁵ km²，7月初则超过8.0×10⁵ km²，且期间覆盖面积超过5.0×10⁵ km²的持续时间长达8 d。从7月末开始先后出现了2次高温异常过程，过程中高温覆盖面积最大值可达8.6×10⁵ km²，且前期呈递增趋势，而到了后期突然结束(图 2)。

与2010年相比，2013年6月和7月高温覆盖面积的变化趋势，同样为先增加后减少，8月变化趋势为先增加后骤减，但6月中下旬、7月中旬以及7月末和8月末江淮地区受到高温影响的区域明显大于2010年同期。8月末高温爆发时的最大影响面积可超过8.6×10⁵ km²，为当年夏季最大值，且高温减弱的过程十分突然，8月29日较峰值减少了近一半，30日整个江淮地区几乎未出现高温。与其他两年不同的是，2016年7月末和8月15—25日的高温覆盖面积明显大于2010年和2013年同期，最大时可达约8.6×10⁵ km²，而变化趋势则为先增加再减少(图 2)。

为研究江淮地区高温异常的时间分布特征，本文计算了江淮地区高温异常发生频次的区域面积平均值，并对其标准化后分别得到2010年、2013年以及2016年夏季逐日区域平均频次随时间演变的序列(图 2)。计算结果表明，此3年夏季92 d中，江淮地区出现高温异常的区域平均频次超过1.0个标准差的时间主要集中在7月和8月，但各年分布存在差异。其中，2010年江淮地区夏季累计出现19 d，6月31日出现的区域平均频次异常的持续时间达9 d，到8月中下旬其持续时间均可超过3 d。2013年累计出现18 d，相比于2010年出现的时间较早，6月中旬就出现了持续4 d的频次异常情况，到8月江淮地区几乎一直处于高温异常的天气中。2016年江淮地区累计出现频次异常20 d，发生时间主要集中在7月末至8月末，8月末出现高温异常的区域平均频次超过1.0个标准差的持续时间达10 d以上。2010年、2013年以及2016年时间序列中大于1.0个标准差的时间与高温大面积爆发的时间较为一致。

3 2010年、2013年及2016年江淮地区高温事件发生时大气环流异常主要特征

本文对挑选出的江淮地区夏季出现高温异常的逐日区域平均频次的时间序列中大于1.0个标准差的日期进行了相应的合成分析，其中选用500~1000 hPa大气厚度表示对流层中、低层的平均温度^[43-44]，图 3a~图 3c分别为2010年、2013年以及2016年夏季江淮地区高温事件发生时500~1000 hPa大气厚度异常的合成结果。这3年高温事件发生时，东亚中低纬度地区均为显著的厚度正异常，而北极大部分区域为厚度负异常，并被正异常所包围，说明高温事件期间东亚中低纬度地区对流层中低层平均温度均为暖异常，而北极大部分区域为冷异常，但各年空间分布存在差异明显。2010年高温事件发生时，北半球中高纬度地区的大气厚度为正、负异常交替出现。厚度正异常区域主要位于欧洲北部、大西洋东北部、俄罗斯东北部、加拿大和美国中东部、东亚中低纬度地区以及西北太平洋部分海域，说明以上区域对流层中低层平均温度为暖异常，而北极至欧亚大陆高纬度部分区域为厚度负异常，表明该区域对流层中低层平均温度为冷异常。与2010年不同的是，2013年北极至格陵兰岛、加拿大东部为显著的厚度负异常，欧洲西部沿海地区、贝加尔湖以东以及里海至巴尔喀什湖以东的区域为较弱的负异常，欧亚大陆其余区域和北太平洋均为厚度正异常，尤其是贝加尔湖以北和东亚中低纬度地区的异常十分显著(图 3b)。2016年厚度异常的空间分布与2010年比较相似，但东亚地区和西北太平洋部分海域厚度正异常的覆盖范围更广、强度增加，且负异常区域从北极向南延伸至欧亚大陆东北部，并与欧亚中低纬度地区的负异常相连接，其中心分别位于北极、泰米尔半岛以东和中亚东南部。

合成的500 hPa高度异常场与500~1000 hPa大气厚度异常场的空间分布、强度十分相似。在500 hPa上，2010年、2013年以及2016年东亚中低纬度地区为高度正异常，而北极均为位势高度负异常，其周围区域被正异常包围。2013年西太平洋副高仅靠近大陆的部分增强，尤其是在江淮—朝鲜半岛—日本西部，而海上部分却在减弱(图 3e)。这与Sun^[25]指出的2013年中国江淮区域的持续高温，是受到西太平洋副高西部靠近大陆部分增强影响的结论较为一致。东亚地区从低纬度至高纬度地区呈“-+-”的经向分布，在这种大气环流异常的背景下西太平洋副高增强、江淮地区高温事件发生频次较高，与先前研究中指出的当东亚—太平洋遥相关(EAP)为正位相年时，中国华南、南亚地区上空呈高度负异常、江淮流域和日本上空呈高度正异常，利于副高偏北增强控制江淮地区的结论较为一致^[45-47]。2016年较高纬度地区的正异常范围和强度均有所扩大、增强，而北极向南延伸至中国北部为显著的负异常(图 3f)。

以上计算结果表明：500 hPa位势高度正、负异常区域与500~1000 hPa大气厚度正、负异常区域一致，有研究指出，这种分布特征可以激发稳定的正压定常波，从而抑制了斜压对流活动进而导致异常高温^[48]。对江淮地区高温事件发生频次大于1.5个标准差进行了相同的合成分析，与以上结果基本一致。

4 江淮地区高温事件与北极冷异常可能的动力联系

Sun^[25]指出，2013年7月我国江淮—江南地区持续的突破历史极值的高温事件与200 hPa纬向风指数的相关系数达-0.72，超过与西太平洋副高指数相关系数(0.59)，说明当年7月我国江淮—江南地区的持续高温与该区域高空纬向西风的联系十分密切。200 hPa纬向风异常场的合成结果(图 4)表明，2010年、2013年以及2016年江淮地区高温事件发生时，东亚中低纬度地区高层纬向西风为显著负异常，而北极、亚洲高纬度地区对流层高层纬向西风显著增强，即东亚对流层高层纬向西风异常呈偶极子结构，但空间分布和变化强度这3年夏季略有不同, 2016年纬向风异常为3年夏季中最强，在空间分布上，2013年欧亚大陆40°~50°N，30°~150°E范围内为高层纬向西风正异常，而2010年和2016年与之不同的是，90°E以西区域的高层纬向西风为负异常，2016年尤为显著。图 4中的粉色虚线表示高空急流区的多年平均位置(纬向风超过20 m·s^-1)。2010年、2013年以及2016年江淮地区高温事件发生时，高层纬向西风正(负)异常中心分别位于急流轴平均位置以北(南)，此时急流以南西风异常减弱，急流所在位置较多年平均位置偏北。以上特征表明，东亚中低纬度地区西风负异常导致大气的斜压性减弱，正压性加强，抑制对流活动，从而有利于反气旋的生成和维持，导致云量减少、地面吸收太阳短波辐射增加，进而有利于该区域气温升高和高温事件发生^[40]。

以上分析结果表明，江淮地区高温事件发生时，40°N以南的东亚中低纬度地区对流层高层西风减弱，并伴有北极高层西风增强。将前文中计算的2016年夏季逐日各网格点气温超过1.0个标准差的区域平均频次(标准化后)，作为2016年高温事件指数，并计算其与200 hPa纬向风的同期、超前和滞后相关系数后发现，同期相关关系最为密切，因此，本文选取二者同期相关关系进行讨论(图 5)。同期相关系数空间分布与合成的200 hPa异常风场的分布相似(图 4)，在东亚中纬度地区和30°~50°N范围内的西北太平洋为负相关区域，而北极、东亚低纬度和高纬度地区为正相关区域。因此，在江淮地区高温事件发生时，东亚中低纬度地区的高层纬向西风减弱，北极高层纬向西风增强。2010年及2013年的相关分析结果与2016年类似。经计算发现这种相关关系不限于200 hPa, 其贯穿于整个对流层和平流层。

由于高纬度地区高层西风正异常几乎覆盖了整个北极地区(图 6)，故本文计算沿全球经度带的平均纬向风异常，并进行了相应的诊断分析。结果表明：北极的高层纬向西风正异常一直延伸到平流层；而在中低纬度地区，除25°N以南和40°~50°N范围内的对流层西风为正异常外，其余区域的高层纬向西风均为一致的负异常，且贯穿对流层和平流层。

已有研究指出，基本气流的演变依赖于涡旋动量和热量输送，同时涡旋的发展依赖于基本气流提供的能量，二者存在十分紧密的联系^[49-50]。因此，本文以2016年为例，通过波-流相互作用理论探讨北极西风增强的可能原因。在式(1)中，r, φ表示地球半径、纬度；分别表示扰动动量的经向输送梯度和垂直输送梯度。

(1)

本文对2016年8月的14次高温事件(图 3f)进行了合成分析，从而分析式(1)右端两项各自对平均纬向基本气流变化的贡献。

计算结果(图 7)显示，在北极大部分区域300 hPa以上对流层高层的扰动动量的经向和垂直输送梯度均为正值，且两项之和也为正值，其分布与第1项十分相似，此时，北极地区的高层纬向西风为正异常。其中，扰动动量的垂直输送梯度明显小于经向输送梯度，即动量的经向输送梯度对北极高层纬向西风异常起主要作用。在25°~40°N的中低纬度地区，300 hPa以上对流层高层的扰动动量的经向输送梯度为负值，而垂直输送梯度为正值，两项之和为负值，其分布与第1项相似，此时，该区域的高层纬向西风为负异常。这表明，中低纬度地区扰动动量的经向输送梯度对该区域的高层纬向西风异常起主要作用。本文对2010年和2013年进行了相同的计算，结果与2016年基本一致(图略)。

根据计算结果显示，基本气流随时间的变化与扰动动量的输送梯度密切相关。江淮地区高温事件发生时，在中低纬度地区，当扰动的经向输送梯度减小，而垂直输送梯度增加较弱时，有利于该区域高层纬向西风风速减小，纬向西风为负异常。而在北极大部分区域扰动的经向和垂直输送梯度增加，有利于该区域高层纬向西风风速增加，纬向西风为正异常。这说明大气内部动力过程是导致北极西风加强的主要原因，但这仅能解释部分西风异常，而导致北极冷异常的原因则有待进一步深入研究。

5 结论和讨论

本文主要利用合成分析和相关分析，研究了2010年、2013年以及2016年夏季江淮地区高温事件发生时大气环流异常的主要特征及其与北极对流层中低层平均温度冷异常的动力联系，并得到以下结论：

1) 江淮地区出现高温异常的频次在这3年中均较高，并发现该区域夏季6—8月受高温影响的面积随时间明显增加，进入8月后高温覆盖范围几乎可达江淮地区面积的50%以上。江淮地区高温发生的区域平均频次超过1.0标准差的异常情况，2010年累计出现19 d，2013年累计出现18 d，2016年累计出现20 d。

2) 江淮地区高温事件发生时，东亚中低纬度地区500 hPa位势高度为正异常，对流层中低层平均温度为暖异常，整个对流层和平流层纬向风减弱，同时，北极地区500 hPa位势高度负异常，对流层中低层平均温度冷异常，对流层和平流层纬向风增强。江淮地区高温事件与同期高层纬向风存在密切的联系，在东亚中纬度地区为负相关，而在北极地区为正相关。这表明，东亚地区中低纬度地区的纬向风减弱，抑制了对流活动，从而有利于反气旋的生成和维持，导致云量减少、地面吸收太阳短波辐射增加，进而有利于该地区夏季气温持续升高、高温事件频发，而此时，北极纬向风增强。

3) 江淮地区高温事件发生时，中低纬度地区扰动经向输送梯度减小，垂直输送梯度增加，及北极大部分区域扰动的经向和垂直输送梯度增加，通过波-流相互作用可能导致高层纬向西风在中低纬度地区减弱，而在北极地区增强，这说明大气内部动力过程是导致北极西风加强的主要原因。

本文的研究结果与Wu等^[40]描述的东亚高温事件与北极对流层中低层平均温度为冷异常存在可能联系的结论相一致。但本文强调了在季节内时间尺度上，江淮地区高温事件发生时大气环流异常的主要特征及其与北极冷异常的动力联系，且在讨论北极西风增强的可能原因时，所选用的方法也与之不同。东亚高温事件受到诸多因素影响^{[10-22, 51]}，本文仅探讨了北极对流层中低层平均温度异常偏冷以及北极西风增强与2010年、2013年和2016年江淮地区高温事件之间的可能联系。此外，本文指出的大气内部动力过程仅能解释部分北极西风异常，也有研究指出, 中部型厄尔尼诺有利于大尺度遥相关波列向北传播到北极地区^[27]及东亚西风急流北移^[40]，这些都与北极西风异常有关。因此，关于北极西风增强的具体大气内部动力过程及导致北极冷异常的具体机制，有待进一步研究。