华南地区多种复合型极端高温和降水现象的特征及其主要环流模式

《Atmospheric Research》：Characteristics and major circulation patterns of diverse compound heat and precipitation extremes over South China

华南地区1979-2022年滞后复合极端事件（CHP/CPH）的大气环流机制研究表明，热带气旋（TC）主导型事件过渡速度与气旋路径相关，非TC型则受西太平洋副高和异常西南风影响，且副高对EPE→EHE过渡起关键作用。

　　

徐传义|乔云婷|黄伟|陈瑞丹

中山大学大气科学学院，暨南海洋科学与工程技术研究院（珠海），中国珠海519082

摘要

复合极端事件比单一极端事件造成的影响更为严重。我们研究了1979年至2022年间中国南方（SC）地区滞后复合极端高温-降水（CHP）和复合极端降水-高温（CPH）事件的特征，从大气环流演变的视角探讨了这两种事件在快速和缓慢过渡过程中的机制，即从上一个极端事件到下一个极端事件的过程。CHP和CPH事件的频率呈现出显著上升的趋势。与CPH事件相比，CHP事件的滞后时间通常更短。根据它们的过渡过程是否受到热带气旋（TCs）的影响，CHP和CPH事件被分为与TCs相关的类型和非TCs相关的类型。对于与TCs相关的案例，TCs同时影响前一个和后一个事件，TCs是主导因素，过渡速度与TCs接近SC的时间有关。当TCs部分参与时，TCs与西太平洋副热带高压（WPSH）、中纬度槽和低涡旋的相互作用会产生复杂的环流模式，这取决于这些耦合因素的强度配置，从而导致不同的过渡速度。在非TCs相关的案例中，WPSH和异常的西南风是主要的环流因素。它们的强度配置共同影响EHE和EPE之间的过渡速度，而WPSH由于其更强的增温效应，在控制EPE到EHE的过渡速度方面可能起着更重要的作用。

引言

由于极端高温事件（EHEs）和极端降水事件（EPEs）在全球范围内的破坏性，它们引起了广泛关注（Myhre等人，2019年；Robinson等人，2021年；Allan和Soden，2008年；Vanos等人，2023年）。EHEs和EPEs的连续发生构成了一种典型的复合极端事件（Seneviratne等人，2012年）。根据发生的顺序，滞后复合高温和降水极端事件可以分为两种类型：一种是复合极端高温-降水（CHP）事件，即EHE先于EPE；另一种是复合极端降水-高温（CPH）事件，即EPE先于EHE。CHP和CPH事件产生的协同效应带来了更大的危害，其影响远超任何一个单独事件（Zscheischler等人，2018年；Zscheischler等人，2020年）。例如，在CHP事件中，持续的极端高温可能导致土壤压实并削弱土壤的吸水能力。如果随后发生EPE，降雨无法被土壤吸收，会沿着地表流动，可能导致洪水和山体滑坡。Zhang和Villarini（2020年）指出，极端高温后紧接着的强降水经常会在美国中部引发夏季洪水，对农业生产力和人类安全造成重大影响。对于CPH事件，城市洪水和山洪暴发通常与极端降水有关，这会损坏电网等基础设施。如果随后发生EHE，停电可能会阻碍空调等必需电器的使用，增加受影响人群的健康风险（Wang等人，2019年；Liao等人，2021年）。通过自助统计方法已经证明，CHP和CPH事件的连续发生并非偶然（You和Wang，2021年；Chen等人，2021年）。此外，近几十年来，中国大部分地区的CHP事件呈现上升趋势（Ning等人，2022年）。同时，中国CHP事件的频率和持续时间也呈现出持续上升的趋势，主要集中在南方地区（Miao等人，2024年）。

因此，确定EHE和EPE之间的过渡机制至关重要。一些研究已经从大气条件和大气环流模式的角度探讨了这个问题。热浪期间的较高温度提高了对流有效位能（CAPE）并减少了对流抑制，促进了热浪后的对流活动，而增强的垂直积分水分辐散进一步增加了水分汇聚，从而增加了随后极端降水的可能性（You和Wang，2021年；Zhang和Villarini，2020年）。Sun等人（2024年）表明，随着热浪转变为强降水事件，位势高度异常有所下降。Yang和Yuan（2025年）研究了中国东北部的CHP事件，发现从EHE到EPE的过渡主要受到高层异常反气旋的快速衰减和低层异常气旋的形成与发展的影响，这些过程伴随着大气不稳定能量的积累和释放以及水分传输的增强。Yang等人（2024年）指出，反气旋异常驱动了东北亚夏季长时间的热浪（≥5天），同时触发了华南地区的气旋异常，导致东北亚热浪和华南强降水事件同时发生。Chen等人（2024年）分析了相邻地区空间复合的洪水-夜间高温事件，认为洪水和夜间高温通过水汽传输带相互关联。具体来说，洪水发生在水汽汇聚强烈的区域和上升运动强烈的区域，而夜间高温则出现在湿度稍高且垂直运动较弱的区域。

对于滞后复合极端事件来说，一个关键问题是为什么在第一个极端事件之后很快就会发生另一个极端事件，这突显了过渡过程的特殊重要性。过渡速度也是这类事件灾害风险的一个关键指标，需要特别关注。尽管一些前述研究考察了CHP事件的过渡机制，但它们的分析主要集中在大气条件上。此外，这些研究仅描述了单个环流因素，而没有提供对环流系统的整体分析。关于CPH事件的研究更为稀缺。此外，这些研究没有关注驱动CHP和CPH事件缓慢或快速过渡速度的不同环流模式。

在这项研究中，我们选择中国南方作为研究区域，因为该地区人口密集，经济繁荣。虽然南方CHP和CPH事件的频率增加提高了该地区的潜在风险，但现有的研究主要集中在单个EHE或EPE的影响上（Fu等人，2013年；Fu等人，2016年；Liang等人，2022年；Wu等人，2023年）。关于南方CHP和CPH事件的研究仍然明显不足。因此，本研究旨在探讨大气环流模式，并试图识别与CHP和CPH事件过渡过程相关的关键环流因素，无论滞后时间长短如何。从而为提高南方CHP和CPH事件的预测准确性提供可靠的科学依据。

本文的其余部分组织如下：第2节识别并分类了1979年至2022年间南方地区（18°–26°N，105°–120°E）的CHP和CPH事件。第3节研究了CHP和CPH事件的特征，并分析了每种类型事件过渡过程中的大气环流模式。第4节和第5节包括结论和讨论。

数据

这里使用的数据是CN05.1数据库中1979年至2022年6月至9月的日最高温度和日降水量数据，分辨率为0.25°×0.25°。选择6月至9月这个时期是因为它最好地覆盖了南方地区EPEs和EHEs的重叠高峰活动，从而确保能够充分捕捉到CHP和CPH事件的样本。CN05.1数据集是通过“异常方法”利用中国约2400个站点的观测数据构建的（Xu等人，2009年；Wu

CHP和CPH事件的特征

表1展示了南方地区极端天气天数、极端事件和复合事件的总数及趋势。虽然EHDs、EHEs、CHP事件和CPH事件的数量呈显著上升趋势，但EPDs的数量变化不显著，EPEs的数量则呈现轻微下降趋势。从EHEs到EPEs的转移概率为42.2%（109/258），这意味着每五个EHEs中，有两个可能在7天内跟随EPEs发生。从EPEs到EHEs的转移概率相对较低

结论

在这项研究中，我们首先根据1979年至2022年6月至9月期间南方地区EHE和EPE在1至7天内的顺序发生定义了CHP和CPH事件。然后根据它们的过渡过程是否受到TCs的影响对CHP和CPH事件进行了分类，并研究了这些事件的特征。此外，我们还分析了不同类型CHP和CPH事件过渡过程中的大气环流模式

讨论

以往的研究很少关注EHE和EPE过渡过程中环流系统的演变特征，以及快速和缓慢过渡情景下环流系统演变的差异。关于从EPE到EHE的过渡机制的研究尤其稀缺。本研究聚焦于南方地区，探讨了在缓慢和快速过渡速度下CHP和CPH事件的特征

CRediT作者贡献声明

徐传义：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。乔云婷：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，方法论，调查，资金获取，正式分析，概念化。黄伟：写作 – 审稿与编辑，监督，方法论，概念化，资金获取。陈瑞丹：方法论，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：U2342205、U2542211和42375028）、暨南海洋科学与工程技术研究院（珠海）创新团队项目（编号：311024001）以及广东省科技计划项目（编号：2023B1212060019）的支持。