1 引言
近几十年来， 中国高温热浪、 干旱、 暴雨、 洪涝等极端气候事件频发（IPCC， 2021a， 2021b； 谌芸等， 2012； 王振亚等， 2022； 孙博等， 2023； 王荣等， 2023； 王勇等， 2024； 卢珊等， 2025； 陆晓娟等， 2025）， 尤其21世纪以来， 高温、 干旱事件显著增多， 对人类健康、 生态安全和社会经济等产生巨大影响（彭京备等， 2007； 肖国举等， 2007； 张峰， 2013； 周广胜， 2015； Zscheischler et al， 2018； 李欢欢和张明顺， 2020； 方建等， 2023； 张弛等， 2024）。如2022年夏季， 受高温天气影响， 我国多个省份旱情严重， 电网用电负荷创历史新高， 尤其长江流域， 高温干旱持续79天， 流域河湖汛期“反枯”， 农业生产受灾严峻， 水电供应短缺导致大面积限电， 3000多万人的生活和工作受影响（郝立生等， 2022； Yin and Slater， 2023； 张灵等， 2023）。2006年川渝地区发生特大干旱事件， 高温日数达52天， 比常年同期高出一倍多， 近一半地区降水偏少50%， 严重影响农业生产和人民生活（彭京备等， 2007； 邹旭恺和高辉， 2007）。
在全球气候变暖背景下， 复合极端气候事件也随之频发， 通常比单一极端气候事件的影响更严重， 其发生频率、 持续时间、 强度和范围直接影响人类健康、 生态多样性和社会经济发展。如极端高温会阻碍身体与环境之间的热量交换， 从而增大健康风险（Zscheischler and Seneviratne， 2017； 肖秀程等， 2020； 余荣和翟盘茂， 2021； Zhang et al， 2022； 刘慕嘉等， 2023； Yin and Slater， 2023； Li et al， 2023； 梅梅等， 2023； Dong et al， 2024）。复合极端气候事件是指引起社会或环境风险的多个致灾因子或驱动因子的组合， 表现为气温、 降水、 风速、 径流等气象水文要素的异常， 往往与特定的天气系统或大气环流形势密切相关（Zscheischler et al， 2018； IPCC， 2021c； 许瀚卿等， 2022； 方建等， 2023）， 可分为气温与降水组合、 与强风有关的组合、 与气旋有关的组合、 与洪涝多过程组合等4种类型（Bevacqua et al， 2020； 方建等， 2023）， 其中气温与降水是现阶段科学研究的热点之一（武新英等， 2021； Yin and Slater， 2023； Zhang et al， 2022； Li et al， 2023； 熊少堂等， 2024）。
当前， 关于复合极端气候事件的研究已取得较为显著的进展， 尤其是高温干旱复合事件（Zscheischler and Seneviratne， 2017； Sarhadi et al， 2018； Yu and Zhai， 2020a； 熊少堂等， 2024）。在强度变化方面， 随着全球变暖进一步加剧， 高温干旱型复合极端气候事件的发生概率将持续增加（IPCC， 2021a）， 未来欧洲、 欧亚大陆、 美国、 澳大利亚和印度的高温干旱复合型极端事件都将增加（Sarhadi et al， 2018； Yu and Zhai， 2020a）。自1961年以来， 我国夏季（6-8月）复合极端气候事件表现出频次增多、 强度增强的趋势； 尤其20世纪90年代以后， 大部分地区高温干旱复合事件的发生频率约是以往的2倍（Zhang et al， 2022； Li et al， 2023）。Wang et al（2023a）指出， 从1961 -1990年到最近的温暖期（1991 -2020年）， 复合干热事件显著增加， 热浪阈值增加了约5 ℃。在地域差异方面， 干旱地区复合高温热浪表现比湿润地区更强； 1961年以来， 干旱地区复合高温热浪事件增长速率约是湿润地区的2倍。同时， 我国复合高温干旱事件的空间面积显著增加， 且90年代以后的增长趋势更明显， 其中华北地区增幅较大， 东北、 华南、 西南及西北地区也呈增加趋势（武新英等， 2021）。研究指出（Zhang et al， 2022）， 我国华北地区在7月份最容易发生高温干旱复合事件； 且随着时间推移， 华北平原高温干旱复合事件发生频率增加、 强度更高、 空间范围也更广； 此外， 高温主导的高温干旱复合事件发生频率也明显增加。
在影响因子方面， Ridder et al（2020）分析了全球27种复合事件的主要驱动因素， 得出各类复合事件分布的区域和季节差异主要是由不同天气系统导致。Li et al（2023）指出大气持水量增加和相对湿度降低是夏季我国大部分地区极端高温干旱事件增强的主要原因。熊少堂等（2024）指出， 气温变化、 降水变化、 降水-气温相关关系变化对我国干旱高温复合事件变化的贡献依次递减。其中气温变化幅度最大、 影响范围最广， 在长江中上游地区以外的区域均导致复合事件增加， 是最主要的驱动因子之一； 降水变化是中国西部复合事件减少的重要原因； 降水-气温关系则与其他驱动因子导致华南地区复合事件重现期的缩短以及华东、 西北部分地区复合事件重现期的增加。此外， IPCC AR6评估指出， 自20世纪50年代以来， 人类活动影响下复合极端气候事件的频率区域增加（IPCC， 2021c）。如城市化进程加剧了我国中东部城市的复合高温胁迫， 其贡献率可达30%（Luo and Lau， 2018）； 城市热岛效应增强了城市复合高温事件的发生频率、 强度和持续时间（Ma and Yuan， 2021）； 我国东部人口密集区域高温干旱复合事件增加更为显著， 尤其在干旱地区的城市， 高温干旱复合事件的变化主要受到高温事件增加的驱动（Yu and Zhai， 2020a， 2020b）。人为活动导致的温室气体强迫， 不仅对我国极端高温干旱事件的线性变化贡献了90%， 更是影响我国极端高温干旱事件严重程度的主导因素（Li et al， 2023）。
虽然当前人们对复合高温干旱事件给予了较大的关注， 且关于我国夏季高温干旱型气候事件也有较多研究成果， 但多集中于事件的时空变化特征， 其潜在的机制和原因尚未完全了解。因此， 为完善气温和降水类型复合极端气候事件的研究， 本文将在上述研究基础上， 讨论1960 -2020年我国夏季复合极端高温干旱事件发生频率与强度的年代际变化特征， 及两者在时空尺度上的相互作用， 并从大气环流背景异常、 物理过程和陆气相互作用等角度探究其变化的潜在机制与成因， 以加强复合极端气候事件多种驱动和致灾因子依赖性及相互作用机理的相关研究， 进一步认识我国夏季极端高温干旱发生规律， 并提升我国夏季极端高温天气过程的预测能力和水平。
2 资料来源与方法介绍
2.1 资料来源
采用中国气象局提供的1960 -2020年中国839个站点逐日气温和降水观测数据分析我国复合极端高温干旱事件的时空演变特征， 并采用欧洲中期天气预报中心提供的第五代再分析资料（ERA5， 水平分辨率0.25°×0.25°， 时间分辨率1 h）分析我国复合极端高温干旱气候事件的异常环流背景和物理机制。其中， 气象站点观测数据经过中国气象局质量控制， 并广泛应用于研究工作（索朗塔杰等， 2020）， 数据处理时剔除了部分连续缺测的站点， 并对非连续缺测的站点使用邻近插值法插补； ERA5数据基于先进的同化技术制成， 有较好的适用性， 广泛用于区域或全球高温干旱研究（Dong et al， 2024； Hersbach et al， 2020）， 具体包括大气资料、 陆面资料和云辐射资料。其中大气资料为37层气压层， 包括位势高度、 经向风、 纬向风、 垂直速度、 气温、 比湿和整层的经/纬向水汽输送通量； 陆面资料包括地表温度、 2 m气温、 感/潜热通量、 地表热通量和地表蒸发； 云辐射资料为总云量（TCC）、 地表净辐射通量。文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2016）2556的中国地图制作， 底图无修改。
2.2 方法介绍
Li et al（2023）通过计算气温和降水的发生天数和最大持续时间两个变量的联合分布函数， 定义了复合极端高温干旱事件指数（Compound extreme High Temperature and Drought events， CHTDI）， 该指数被定义为高温干旱同时发生的天数和最大持续时间的组合概率， 可对复合高温干旱事件的严重程度进行量化。CHTDI的值越小， 表示复合高温干旱的程度越剧烈。因此， 本文参考该指数， 以及通过Copula函数、 T-N波作用通量等方法对1960 -2020年我国夏季（6 -8月）复合高温干旱事件进行研究， 讨论该类事件在时间和空间上的变化趋势及其变化的潜在成因与机制。具体研究方法如下：
（1） 复合极端高温干旱指数
Li et al（2023）将夏季（6 -8月）日最高气温大于90th百分位和日降水量小于25th百分位的组合定义为复合极端高温干旱事件， 并将每个夏季发生高温干旱的天数和最大持续时间分别设为随机变量X和Y， 其边际分布为：
式中： 、 分别为每个夏季发生高温干旱的天数和最大持续时间的边际分布； X为每个夏季发生高温干旱的天数； Y为每个夏季发生高温干旱的最大持续时间； P为概率函数。
其次， 参考Gringorten（1963）定义的empirical Gringorten plotting公式， 用于估计复合极端高温干旱事件的天数和最大持续时间的边际概率分布函数， 具体公式如下：
式中： 为样本量； 为 的数量。
最后， 根据复合高温干旱事件的发生天数和最大持续时间， 对其建立二元联结关系：
式中： 为每个夏季发生高温干旱的天数和最大持续时间的联合分布函数； C为二元联结函数； θ为联结函数参数。
因此， 复合高温干旱事件严重性指数PI可构建为：
（2） Copula函数
本文采用Sklar（1959）提出的Copula函数构建我国复合极端高温干旱事件发生天数和最长持续时间之间的二元联合分布。该函数可对各变量的任意边缘分布进行建模并构建其联合分布， 从而得到此类随机变量的联合分布情况， 且能独立于随机变量的边缘分布并反映变量之间的相关性（夏军等， 2012； 刘章军等， 2021； Francois and Vrac， 2023）。设 为1960 -2020年我国复合极端高温干旱事件发生天数和最长持续时间的二元联合累积分布函数， 其中 和 分别对应变量的连续累积分布函数， 通过Copula函数可以构造出其联合分布函数C， 其表达式为：
（3） T-N波作用通量
波作用通量常用于度量波动能量传播， 可诊断波动的传播和波流相互作用， 如E-P通量、 Plumb波作用通量和T-N通量。其中T-N（Takaya-Nakamura Wave Activity Flux， TNF）波作用通量以三维气候态流场为背景， 能很好地识别纬向非均匀气流中振幅较大的Rossby波的传播特征， 并能诊断Rossby波的三维传播规律， 常用于分析扰动对天气气候的影响（施春华等， 2017）。因此本文采用T-N波作用通量诊断Rossby波扰动能量的水平传播方向及其强度对我国夏季复合极端高温干旱事件的影响。
3 中国夏季复合极端高温干旱事件时空演变特征
根据复合极端高温干旱事件指数的定义， 计算得到1960 -2020年我国夏季复合极端高温干旱事件的发生天数和最大持续时间的空间分布特征。在年均发生日数上， 我国夏季复合极端高温干旱事件在秦岭-淮河以南的南方地区和贺兰山以西的西北地区发生日数最多； 其中南方地区高值区主要位于其中部的湖南和江西两省， 超过10 d， 湖北南部和江苏西部也有较明显的高值区； 西北地区高值区分布于新疆南部和甘肃、 内蒙古和青海西北部一带。青藏高原东部及其西南部地区年均复合高温干旱日数则明显较少， 不到5 d； 此外， 东北地区西北部和东南部也是较明显的复合极端高温干旱事件少发区［图1（a）］。在最大持续时间上， 高温干旱持续高值区位于长江中下游地区， 年均最大持续时间超过5 d以上； 次高值区分布在新疆西南部， 年均最大持续时间约为4 d， 新疆东部至甘肃西部一带和华南中部地区也有较明显的高值区。高温干旱持续低值区与年均发生日数相似， 位于青藏高原东部至其西南部， 最低值不到2 d； 东北地区东北部为次低值区［图1（b）］。
Li et al（2023）指出， CHTDI的值越小， 表明复合极端高温干旱越严重和剧烈， 即当CHTDI呈下降趋势时， 代表复合极端高温干旱的严重程度呈上升趋势， 反之亦然。CHTDI的标准化时间序列显示， 1960 -2020年夏季我国观测到的CHTDI呈波动下降的趋势， 并表示出明显的年代际变化特征。其中1960 -1979年CHTDI的值均高于1个负的标准差， 多年平均值为0.645， 后期CHTDI存在波动下降的趋势， 表明我国夏季复合极端高温干旱现象强度整体较弱， 但其程度随时间有所增加； 1980 - 1999年CHTDI波动下降趋势较前期相比较明显， 多年平均值为0.202， 复合极端高温干旱事件的严重程度逐渐加强， 其中1983年和1992年CHTDI的值低于1个负的标准差， 2000 -2020年CHTDI波动下降趋势异常显著， 多年平均值为-0.806， 复合极端高温干旱事件发生频率和严重程度增多增强， 其强度约是以往（1960 -1999年）的3倍， 尤其2010年以后， 有5个年份的CHTDI低于1个负的标准差， 分别为2015年、 2016年、 2017年、 2019年和2020年， 其中2015年和2017年复合极端高温干旱程度异常显著， CHTDI低于2个负的标准差［图2（a）］。可见， 1960 -2020年， 我国夏季复合极端高温干旱事件越来越严重和剧烈， 尤其21世纪00年代以后， 复合极端高温干旱事件表现出频次增多、 强度增强的趋势， 这与Zhang et al（2022）和Li et al（2023）的结论一致。
图2 1960 -2020年我国夏季CHTDI标准化时间序列、复合高温极端干旱事件发生日数和最大持续时间的边际分布及其联合分布、 及CHTDI的线性趋势分布黑色斜线表示超过95%显著性检验（下同） Fig.2 Standardized time series of CHTDI in summer， marginal distributions of the occurrence days and maximum duration of extreme high temperature and drought events together with their joint distribution， and the linear trend distribution of CHTDI in China from 1960 to 2020. The black diagonal lines are for values passing the 95% confidence level（the same as after） |
CHTDI的概率趋势显示， 复合极端高温干旱事件发生日数的边际分布概率密度高值区主要集中于我国东北、 华北、 西南中西部和华南沿海地区， 表明以上地区发生复合极端高温干旱事件日数较多的概率较大， 尤其东北、 西南北部和西部［图2（b）］； 最大持续时间的边际分布则体现出， 东北东部、 华北、 西北东部和西南地区等地的复合极端高温干旱事件发生持续时间较长的概率较大， 尤其西南地区北部和西部、 华北中部和西北东部地区［图2（c）］。两者联合分布的高值区和CHTDI的线性趋势的低值区在空间上表现出相似的分布特征， 其中CHTDI负异常区域分布范围广阔， 负异常大值区主要分布于东北-华北-西南一带， 高值中心集中于东北地区东北部、 西南地区北部和西部； 此外， 华南沿海、 西北东部、 青藏高原东部和华东北部等地也有较明显的负异常存在［图2（d）， （e）］。这表明1961 -2020年来， 我国东北、 华北、 西南和华南沿海等地夏季复合极端高温干旱事件的严重程度逐渐增强， 且呈现出区域化的强化特征， 以上分析与Li et al（2017）的结论一致。
可见， 我国复合极端高温干旱事件发生日数高值区主要分布于南方和西北地区， 长江中下游地区常出现持续性的复合极端高温干旱事件。1960 - 2020年， 我国夏季复合极端高温干旱事件越来越严重和剧烈， 尤其21世纪00年代以后， 复合极端高温干旱事件表现出增多增强的趋势， 强度约是以往的3倍。此外， 我国东北、 华北北部、 西南中西部、 青藏高原东部等复合极端高温干旱事件发生日数较少、 持续时间较短的区域， 复合极端高温干旱事件的严重和剧烈程度在1961 -2020年间呈上升趋势， 高温干旱现象极端性加剧。由此可以推断， 当前我国夏季复合极端高温干旱或正从区域性的气候事件逐渐向全国性的气候事件发展， 且这种变化趋势在时间和空间上都有明显的表现（武新英等， 2021； 梅梅等， 2023； 熊少堂等， 2024）。
4 影响中国复合极端高温干旱事件的物理机制
以上分析得出中国复合极端高温干旱事件的严重和剧烈程度显著增强， 为进一步探究影响复合极端高温干旱事件的关键物理机制， 以下从大气环流、 Rossby波、 云和辐射平衡、 陆-气相互作用等角度， 并根据1960 -2020年我国夏季CHTDI标准化时间序列， 选取CHTDI超过1个负的标准差的10个极端年份（1983， 1992， 2000， 2005， 2009， 2010， 2015， 2016， 2017和2020年）对影响我国夏季复合极端高温干旱事件的物理机制进行综合分析。
4.1 大气环流异常
为确定与中国夏季复合极端高温干旱事件发展相关的异常大气环流背景， 分别对春末至夏季（4 -8月）200 hPa和500 hPa位势高度和风场、 整层水汽通量及其散度和850 hPa垂直速度进行分析。结果表明： 4 -6月， 对流层中高层位势高度异常模式相似， 均为显著的正异常， 其中高、 低纬地区正异常偏强， 中纬地区偏弱。500 hPa流场上， 我国北方地区上空受中高纬反气旋环流控制； 印度半岛以东的低纬地区存在广阔的反气旋距平环流， 并控制我国西南和长江以南地区［图3（a）， （d）］， 有利于维持稳定的天气形势（龚道溢和何学兆， 2002）。同时， 低纬地区存在一水汽通量辐散区， 与中层反气旋环流相对应， 我国大部分地区水汽以辐散为主， 不利于降水产生［图3（g）］； 除青藏高原、 新疆东北部和东北东部等地， 我国气流下沉运动明显［图3（j）］， 有利于大气绝热增温（陈丽华等， 2010）， 使高温干旱事件发生。
图3 复合极端高温干旱典型年份合成异常大气环流背景（a）~（f） 200 hPa和500 hPa位势高度（填色， 单位： gpm）及相应风场（矢量， 单位： m·s-1）异常， 黑色矢量表示超过95%显著性检验的风异常， 绿色圆点表示通过95%显著性检验的位势高度异常； （g）~（i） 整层水汽通量（矢量， 单位： kg·m-1·s-1）及其散度（填色， 单位： kg·m-2·s-1）， 黑色矢量表示超过95%显著性检验的水汽通量异常， 绿色网格表示通过95%显著性检验的水汽通量散度异常； （j）~（l） 850 hPa垂直速度（填色， 单位： Pa·s-1）， 黑色网格表示通过95%显著性检验的垂直速度异常 Fig.3 Composited abnormal atmospheric circulation background synthesized during the typical years with extreme high temperature and drought.（a）~（f） Composited abnormal 200 hPa and 500 hPa geopotential height （shading， unit： gpm） and corresponding wind anomalies （vector， unit： m·s-1）， the black vectors indicate wind anomalies passing the 95% confidence level， the green dots denote 200 hPa geopotential height anomalies passing the 95% confidence level； （g）~（i） Composited whole layer water vapor flux （vector， unit： kg·m-1·s-1） and its divergence （shading， unit： kg·m-2·s-1）， the black vectors indicate water vapor flux anomalies passing the 95% confidence level， the green grids denote water vapor flux divergence anomalies passing the 95% confidence level； （j）~（l） Composited 850 hPa vertical velocity （shading， unit： Pa·s-1）， the black vectors indicate vertical velocity anomalies passing the 95% confidence level |
5 -7月， 中高层位势高度维持强的正异常， 中纬地区强度明显增强， 并在贝加尔湖至我国祁连山以北形成一新的正异常高值区， 与流场上新生的反气旋距平环流相对应； 期间低纬反气旋距平环流维持， 继续控制我国长江以南地区［图3（b）， （e）］。位于中低纬的水汽通量辐散区扩大， 贝加尔湖至我国北方也存在一明显的水汽通量辐散区， 与中高层异常反气旋环流相对应， 在两辐散区影响下， 我国大部分地区水汽辐合条件较差， 使降水持续偏少［图3（h）］； 同时， 受中层两个反气旋环流作用， 我国气流下沉运动范围扩大， 高温持续并增强， 尤其西南地区西南部出现水汽辐散正异常和垂直速度负异常大值区， 高温干旱异常显著［图3（k）］。
以上分析可见， 从春末到夏季， 中高层位势高度和环流异常相似， 强度持续增强， 表明我国上空深厚的异常反气旋具有准正压结构， 为复合极端高温干旱气候事件的发生提供稳定的大气环流背景。500 hPa上反气旋环流的位置和强度与CHTDI的低值区在空间上有很好的对应， 尤其东北、 华北、 西南和华南地区。这表明在复合极端高温干旱典型年份， 在异常反气旋作用下， 气流下沉增温， 低层水汽辐散， 导致降水减少， 产生复合极端高温干旱气候事件。这表明我国上空强化的异常反气旋是与夏季复合极端高温干旱发展相关的重要天气系统， 以上分析与Dong et al（2024）和Wang et al（2023b）研究结论一致， 即异常反气旋环流可调节并增强局地气候事件的物理过程， 并对当地气候产生影响。
4.2 Rossby波异常
研究指出， 行星波活动异常会导致大气环流的持续性异常（李崇银， 2000）。北半球夏季对流层Rossby波能量频散和大气的遥相关相联系， 对影响我国极端气候事件的发生具有重要作用（柯丹和管兆勇， 2014）， 其中源自北大西洋的Rossby波能量通过欧亚大陆上空遥相关波列向东频散， 影响亚洲甚至全球的天气和气候（Nitta， 1987； Wu and Zhang， 2010； 许金萍等， 2017； Henderson et al， 2018； Qian et al， 2019； Wang et al， 2020）。为探究Rossby波传播过程对我国复合极端高温干旱气候事件的影响， 计算了春末至夏季200 hPa T-N通量及其散度异常。
4 -6月， Rossby波活动通量自北大西洋向东传播， 在地中海地区分为南北两支进入我国， 并携带能量向下游频散， 我国上空观测到明显的西北向和偏西向的能量频散， 西北和青藏高原地区上空存在明显的波能量负异常［图4（a）］， 表明我国西北和青藏高原地区为波活动通量辐合区， 有利于局地高压脊的发展和维持， 500 hPa位势高度正异常和反气旋环流与之有很好的对应关系（Andrews and Mcintyre， 1978； 覃皓和伍丽泉， 2022）。
5 -7月， 两支波动绕过地中海后逐渐合并进入我国， 我国上空观测到显著的西北向能量频散， 青藏高原上空Rossby波活动通量辐合区域强度增强并向东扩展， 华南和东北地区也存在较明显的波作用通量辐合区， 有利于推动我国上空位势高度正异常进一步增强， 以及反气旋环流异常的维持和发展［图4（b）］。
6 -8月， Rossby波越过地中海后继续向东传播， 在中亚地区转向进入我国， 强的Rossby波活动通量不断向我国中东部地区深入， 并携带能量向下游频散， 青藏高原的波活动通量辐合区向西南地区扩展， 强度明显增强， 有利于波能汇聚， 推动位势高度异常和反气旋环流的进一步强化， 且有利于反气旋环流准正压结构的维持和加强， 继而加剧我国复合高温干旱现象的严重程度［图4（c）］。
以上分析可见， Rossby波是造成我国夏季复合极端高温干旱的主要系统。从春末到夏季， Rossby波持续存在， 从北大西洋携带波能向我国频散并辐合， 促进我国上空高压发展、 位势高度维持正异常并不断增强； 同时为我国上空异常反气旋环流的维持与增强提供能量， 使异常反气旋环流不断强化， 持续控制我国， 进而导致复合极端高温干旱事件。
4.3 云和辐射过程异常
云可吸收和散射太阳辐射， 但其对太阳辐射的反射率较高， 使地气系统冷却； 此外， 云通过捕获地表和对流层下层发射的红外热辐射， 并以较低的温度和发射率向外发射热辐射， 使地气系统加热； 云的这两种反作用可对地球辐射收支、 大气环流和气候产生显著影响， 而云量的多少对这两种作用产生直接影响（汪宏七和赵高祥， 1994）。研究指出， 反气旋环流对地面温度存在两方面的作用： 一是增强大气下沉运动， 大气在下沉运动过程中绝热增温， 使气温升高； 二是减少云量， 削弱云层对太阳的反射作用， 使到达地表的太阳短波辐射增多， 导致气温上升（张灵等， 2023； 蒲春等， 2024）。因此以下从总云量（TCC）、 净长/短波辐射、 感/潜热通量、 热通量垂直积分以及降水和地面2 m平均气温等物理量异常讨论其影响我国复合极端高温干旱发生发展的物理机制。
4 -6月， 在异常反气旋距平环流控制下， 我国东部和新疆中北部上空TCC偏少， 其中华北地区为TCC负异常高值区， 南方和新疆中北部为次高值区。异常偏少的TCC， 一方面对太阳辐射的削弱作用减弱， 到达地表的短波辐射增多， 使地表增温， 导致向上的感热通量增多并加热大气， 进而出现高温； 另一方面削弱了温室气体对长波辐射的吸收和发射能力， 导致长波辐射减少， 并使大气中的水汽和凝结核减少； 期间我国水汽通量辐散明显， 潜热通量异常偏少， 抑制对流和降水， 出现干旱现象。此外， 在中低纬异常反气旋环流控制下， 我国华北及其以南地区出现明显的向东的热通量正异常， 有利于高温干旱天气的发展［图5（a）， （d）， （g）； 图6（a）， （d）； 图7（a）， （d）； 图8（a）， （d）］。
图5 中国复合极端高温干旱典型年总云量（填色， TCC， 单位： %）、 净短波辐射和净长波辐射（填色， 单位： W·m-2）距平Fig.5 Anomalies of total cloud cover （shading， TCC， unit： %）， net short wave radiation and net long wave radiation （shading， unit： W·m-2） during the typical years with high temperature and drought over China |
图6 中国复合极端高温干旱典型年地表感热和潜热通量距平（填色， 单位： W·m-2）Fig.6 Anomalies of surface sensible and latent heat flux （shading） during the typical years with high temperature and drought over China.Unit： W·m-2 |
图7 中国复合极端高温干旱典型年份合成向东（a~c）、 向北（d~f）的热通量垂直积分距平（填色， 单位： W·m-2）Fig.7 Anomalies of vertical integration of heat flux （shading， unit： W·m-2） to the east （a~c） and north （d~f） during the years of typical years with high temperature and drought over China |
5 -7月， 位于我国上空的异常反气旋环流加强， 西北至东南沿海地区出现明显的向北热通量正异常， 向东的热通量异常高值区向东南沿海地区发展， 有利于我国高温维持与增强。期间， 华北地区TCC持续偏少， 短波辐射和感热通量维持强的正异常， 地表和大气持续增温； 在水汽辐散和下沉运动共同作用下， 华北地区潜热通量负异常维持， 降水持续偏少， 使高温干旱持续并加强。东北地区TCC也明显减少， 地表接收的太阳辐射增多， 感热通量增多和潜热通量减少， 有利于高温干旱事件发生。长江中下游地区受东部异常气旋性环流影响， 上空TCC增多， 地表接收的短波辐射和向上的感热通量减少， 向下的长波辐射和潜热通量增多， 伴随明显的水汽辐合和上升运动， 不利于高温干旱的维持。这一过程使南方地区短波辐射和感热通量高值区范围向南缩减， 因此南方气温正异常和降水负异常高值区主要集中于华南沿海至西南南部一带［图5（b）， （e）， （h）； 图6（b）， （e）； 图7（b）， （e）； 图8（b）， （e）］。
6 -8月， 异常反气旋环流持续加强， 华北地区TCC负异常维持并加强， 西南地区中北部和长江中下游地区TCC有所增多， 西南至华南地区的短波辐射高值区逐渐向南收缩， 短波辐射和感热通量的正异常高值区主要集中于华北、 西南南部至华南沿海地区。青藏高原西南部也有较明显的短波辐射正异常区存在， 有利于高温维持和进一步增长， 因此向北的热通量正异常高值区向我国西部和华南至西南地区发展， 尤其西北地区。长波辐射距平的空间分布与短波辐射基本相反。在南北两个水汽辐散圈共同作用下， 华北至西南地区出现显著的潜热通量负异常， 伴随垂直速度下沉， 降水持续偏少， 干旱进一步加剧。此外， 南方水汽辐散随中层反气旋环流向北移动， 其北侧的偏东气流携带西太平洋的水汽向长江中下游输送， 期间伴随潜热通量的增强， 向东的热通量异常高值区由东南沿海逐渐转向长江中下游地区［图5（c）， （f）， （i）； 图6（c）， （f）； 图7（c）， （f）； 图8（c）， （f）］。
综上可知， 从春末到夏季， 受不断强化的异常反气旋环流影响， 我国大部分地区TCC异常减少， 一方面使到达地表并被吸收的太阳短波辐射增多， 地表增温， 向上的感热通量增多， 使气温持续升高； 另一方面削弱了大气对长波辐射的吸收和发射能力， 导致向下的长波辐射减少。同时， TCC减少使大气中的含水量减少， 在整层水汽通量辐散和下沉运动共同作用下， 我国潜热通量减少， 导致降水异常偏少。此外， 纬向热通量垂直积分的异常高值区由南方逐渐转向长江中下游地区， 经向热通量垂直积分异常大值区由我国南方向西北地区发展， 强度增强， 表明暖空气由春末开始向华北至西南地区汇聚， 并在夏季达到高值， 因此我国夏季复合极端高温干旱气候事件主要集中于华北至西南地区一带， 以及华南沿海和新疆中北部地区（陶诗言和卫捷， 2006）。
4.4 陆-气相互作用异常
陆-气相互作用是陆地与大气物质交换和能量传输的重要过程， 对天气和气候具有重要影响（Betts， 2009； 张强等， 2011， 2017）。土壤湿度和地表加热是陆-气相互作用的重要机制， 其中， 土壤湿度可通过改变地表净长波辐射和感热通量， 影响大气加热， 导致极端天气气候事件的发生； 受地形和土地利用等影响， 地表加热具有非均匀特征， 继而导致地表水平温度梯度增大， 有利于大气对流活动形成和发展， 同时土壤温度变化直接影响地气间的感热和辐射通量， 且对气候变化起反馈作用（陈海山和孙照渤， 2002； 周广胜等， 2024）。Pal and Eltahir（2001）的土壤湿度-降水反馈理论表明， 较低的土壤湿度降低了边界层空气湿度， 导致边界层总能量下降， 使有效位能减少和对流抑制能量减小， 不利于降水产生（刘维成等， 2021）。
为探究土壤湿度、 温度变化对我国复合极端高温干旱事件的影响， 计算了春末至夏季我国土壤湿度与地表温度、 蒸发异常。结果表明： 4 -6月， 我国华北、 华东、 西南南部地区土壤湿度存在明显的负异常高值区， 新疆大部和青藏高原西南部也有较明显的土壤湿度负异常区［图9（a）］， 在空间上与TCC负异常和短波辐射正异常区有很好的对应。这表明我国华北、 华东及西南南部等地， 由于TCC减少， 到达地面的太阳短波辐射增多， 加快土壤水分吸热蒸发， 使土壤湿度降低。以上过程不仅使华北、 华东和西南南部地区地表蒸散作用减弱并表现出明显的负异常［图9（g）］， 还降低了土壤热容量， 使土壤在吸收太阳辐射后将其转化为地表热量， 导致地表温度升高［图9（d）］， 出现高温干旱现象。
图9 中国复合极端高温干旱典型年土壤湿度（填色， 单位： m3·m-3）、 地表温度（填色， 单位： ℃）和地表蒸发距平（填色， 单位： mm）Fig.9 Anomalies of soil humidity （shading， unit： m3·m-3）， surface temperature （shading， unit： ℃） and surface evaporation （shading， unit： mm） during the typical years with high temperature and drought over China |
以上分析可见， 从春末到夏季， 我国华北、 西南南部、 华南等地TCC异常偏少， 到达地表并被吸收的太阳短波辐射增多， 使更多的土壤水分转为水汽进入大气， 导致土壤湿度降低。期间我国华北地区土壤湿度维持显著的负异常， 强度逐渐加强， 西南南部土壤湿度也维持强的负异常， 华南地区土壤湿度负异常自初夏开始加强， 并有向北发展的趋势。异常偏低的土壤湿度使植物蒸腾和土壤水分蒸发作用减弱， 因此土壤在吸收太阳短波辐射后将更多的辐射能量转化为地表热量， 使地表温度升高， 向上的感热通量增多， 潜热通量减少， 出现高温干旱现象。而地表温度又会反作用于土壤湿度， 即地表温度持续上升会使更多的土壤水分蒸散到大气中， 进一步降低土壤湿度， 加剧高温干旱。即土壤湿度异常减小使土壤热容量降低， 地表温度上升， 出现高温干旱； 而高温干旱会加速土壤水分蒸发， 使土壤湿度进一步下降， 地表温度持续上升， 导致高温干旱进一步加剧， 这种陆-气间的反馈和循环异常为复合极端高温干旱事件的维持和发展提供了重要的物理机制（图10）。
5 结论与讨论
复合极端高温干旱事件在近年来发生频率和强度增大增强， 并对人类生产生活和生命健康产生重大影响。当前关于复合极端高温干旱事件的特征已有较多研究， 但影响其发生发展的大气环流背景和物理机制研究较少。因此， 基于夏季日最高气温和降水两个变量开展研究， 讨论了1960 -2020年来我国夏季复合极端高温干旱事件的时空变化特征及其产生的大气环流背景和物理成因， 得出以下结论：
（1） 1960 -2020年我国夏季复合极端高温干旱事件在时间上表现出明显的年代际变化特征， 其中1960 -1979年夏季复合极端高温干旱事件强度整体较弱， 1980 -1999年严重程度逐渐加强， 2000 - 2020年复合极端高温干旱事件表现出频次增多、 强度增强的趋势， 强度约是以往（1960 -1999年）的3倍， 尤其2010年以后； 在空间上， 夏季复合极端高温干旱事件主要分布于东北、 华北、 西南和华南地区， 有明显的区域性强化特征， 且存在从区域性的气候事件逐渐向全国性的气候事件发展的趋势。
（2） 我国上空强化的异常反气旋是推动夏季复合极端高温干旱事件发生发展的重要天气系统。该系统具有准正压结构， 且从春末持续到夏季， 有利于我国大气环流背景稳定维持； 在其控制下， 我国上空气流盛行下沉运动， 并与整层水汽辐散相配合， 使我国气温持续升高， 降水异常偏少， 导致复合极端高温干旱事件发生并不断加剧。
（3） Rossby波是导致我国复合极端高温干旱事件发生发展的主要系统。从春末到夏季， Rossby波持续存在并从北大西洋携带波能向我国频散， 为我国上空的异常反气旋发展和维持提供能量， 使反气旋异常强化， 加剧复合极端高温干旱。
（4） 受不断强化的异常反气旋环流影响， 我国华北、 西南， 华南沿海和新疆北部等大部分地区TCC持续异常偏少， 向下的太阳短波辐射增多和向下的长波辐射减少， 使地表增温， 向上的感热通量也不断增多并加热大气， 使气温持续升高； 在水汽辐散和下沉运动共同作用下， 潜热通量减少， 降水量异常偏少， 导致复合极端高温干旱事件发生并维持。
（5） 受地表升温影响， 我国华北、 西南和华南地区土壤湿度持续异常偏低， 蒸散作用减弱， 潜热通量减少， 土壤将更多的辐射能量转化为地表热量， 使感热通量增多， 导致地表升温。而地表升温又反作用于土壤湿度， 进一步加剧高温干旱， 陆-气间的这种反馈和循环异常为复合极端高温干旱事件的维持和发展提供了重要的物理机制。
本文对我国复合极端高温干旱事件的年均发生日数、 最大持续时间、 年际平均强度等特征及其变化趋势进行了较为详细的分析， 且为进一步探究影响我国复合极端高温干旱事件的内部气候因子和外强迫因子， 深入分析了典型年份春末至夏季的异常环流和陆-气相互作用， 对我国复合极端高温干旱事件的时空演变特征及其影响因子有了较为全面的认识。我国当前将日最高气温达到或超过35 ℃作为高温标准， 在此标准下， 有利于将全国各地的高温置于同一标准下进行对比分析， 可直观反映我国高温的空间分布和演变特征。但在实际情况中， 不同自然地理环境对气温和降水产生的影响显著， 绝对的阈值和标准忽略了不同地域间的气候状况， 如高原地区常年气温偏低， 降水偏少。CHTDI指数采用百分位法定义复合极端高温干旱事件， 可更好地反映温度的地域差异。在全球变暖背景下， 气候系统中不同因子之间的相互作用和联合效应越来越多， 本研究仅从气候背景和气象要素异常等方面讨论我国复合极端高温干旱事件的发展机制， 关于外部因子联合作用如青藏高原积雪、 前期海温以及大气季节内振荡等对高温干旱的影响分析尚未展开， 尚需做进一步的延伸研究。此外， 复合极端高温干旱事件对人体健康、 农业生产、 生态环境多样性和水电资源等的影响评估和风险分析也是值得深入开展研究的课题， 可对其做相关性的研究。