东亚夏季风环流解读史上最热夏

2022年至今天气最大的异常毫无疑问是高温。从7月21日至8月30日，中央气象台连续41天发布高温预警，史无前例。2022年夏季成为中国有气象记录以来最热夏。（本文图片如无特殊说明均来自中央气象台或作者自绘）

高温成因的经典解释是副热带高压（简称副高）的控制，也就是下图红色线条包裹的范围。

2022年7月21日-8月30日500hPa平均高度及距平

副高是地球大气环流中的一个天气系统，本文将从大气环流的物理机制解读东亚夏季风环流及成因。

一、理解大气环流成因的两条主线——热力和动力

大气环流是指大气层中的那些较大范围的空气流动。它决定了全球大气运行的基本形势，进而决定了天气和气候。大气环流遵循物理规律：大气的动量守恒、质量守恒和能量守恒。如果把这些规律掰开揉碎再组合，其结果可以浓缩为两条：热力和动力。

1）大气环流的原力——热力

热力与温度有关，可以从流动起来之前以及流动起来之后两个角度看：

流动前的热力不均是原动力：

从无到有启动了大气的流动的，就是原动力。

这个原动力就是“太阳辐射能在地球上的不均匀分布”——必有冷暖差异在先，热胀冷缩，然后空气密度出现差异，产生阿基米德浮力，才有了暖上升。

加热是原动力，由其驱动的流动是自主（主动）的流动。可视为热力流。

假如以跑步作比，主动流可以理解为自己在跑。

流动后的热力会变化——压缩增温和膨胀冷却：

静止的空气一旦流动起来就要与其新到之地的空气作用，也就是比密度（=比冷暖）。密度小空气的进入密度大的空气就会被压缩，反之会膨胀，结果就是膨胀会降温，压缩会升温。

大气密度主要在垂直方向有差异（低层稠密高层稀薄），这决定只在垂直方向移动时大气才具有可压缩性，在水平方向是不可压的。所以有上升膨胀冷却，下沉压缩增温。

大气的热力有三个主要来源：

热辐射：地面受热后以红外辐射加热上面的大气，这个量不大；

感热加热：地面受热后以热传导加热大气底层，再经大气自身湍流、对流交换到上层大气，感热加热晴天比云雨天多很多；

潜热加热：地面水蒸发为水汽吸收了热量，到高层水汽冷却凝冻结成云后释放热量加热大气。这个量变化极大，有云则有，无云则无，而且存在异地加热，即这里的低空水汽斜升到下游高空才成云。

2）大气环流的流力——动力

当大气初始流动启动之后再被影响和或改变的流动，可视为动力流。

动力流也可具象成两个简单的存在：

其一补偿（抽吸）：

当有了流动，必有流入流出，流出之地不能真空必须有其它地方空气来补偿，这个补偿也就造成了流动，就好像抽水机抽水一样。

其二转向（旋转）：

在地球上移动的物体比起静止的物体会多一种由地球自转带来的影响——科氏力。力永远垂直于移动方向，在北半球向右边偏转，在南半球向左边偏转，所以这个力又叫做“地转偏向力”。

大气流动必须考虑地转偏向力，旋转效应就由它产生。

相较于热力流是自身属性使得主动流动而言，动力流本质上都是外界施加的被动的流动。

仍以跑步作比，被动流可以理解为被别人拖着跑。

3）大气环流的形成

一个最简单的大气环流成因模型可以用下图来表示：

大气热动力环流基本模型（涛淘风云）

这个基本模型图，后文简称为原动力图。其表达的物理意义是：地面暖区空气上升，相对的地面冷区就会有空气流动补充而来，热力上升流会在高空的对流层顶堆积成为高压系统，在地面则是低压系统，高空的高压系统会有空气向外流出，流出的一部分会来到地面冷区上空，又会下沉补偿地面的流出，形成一个环流圈。在这个环流圈上升支的地面是低压高空是高压，下沉支反过来在地面是高压在高空是低压。

受旋转效应的影响，强大的高压都是顺时针旋转向外的，而强大的低压都是反时针旋转向内的。在大尺度的系统中，前者是青藏高压、西伯利亚高压、副高，后者是热带气旋（台风、飓风）、温带气旋。

二、理解大气环流复杂性的三个关键词——尺度、立体、下垫面

热动力粗线条可以简单的理解大气环流成因，但还有其它因素在影响着大气环流的复杂性。简单可归结为三点：

1）尺度

空间尺度：

虽然热动力的主线在几乎所有尺度上都会相应的环流存在。但不同尺度下的热动力环流模型未必完全如上图那样，比如一个雷暴尺度的系统，其下沉支就不是被动流而是热力流了（冷下沉）。

实际上大尺度环流中嵌着小尺度的环流，而大量的小又聚合成大。对于大尺度的青藏高压，实际上反映的是平均态，整体平均态是上升支，但是高原上的雷暴系统中也有下沉气流。副高内整体上是下沉支，但也会有较小尺度的上升运动成云。

时间尺度：

青藏高原的强大热源作用白天强盛，在夜间下降，高原和周边地区的大气环流有日变化：白天的上升区域在夜间就变成了下沉也是有的。日的尺度尚且如此，旬、月也有变化。

青藏高压这种尺度的系统反映的就是综合的、平均下来的上升支效果，副高亦然。

2）立体

立体至少可以反映在两方面：

其一分层

地球大气对流层的厚度有十几公里，大气的立体分层是必须考虑的，如前述概念图中所示，低层与高层天气系统，不论是气压场还是风场，基本都是反的，温湿场也大不同。

其二倾斜

大气环流的水平尺度成千上万公里，远大于垂直尺度，因此运动是准水平的，叠加在其上的大尺度垂直运动是很微弱的。水平快而垂直慢，这就造成运动的倾斜。进而造成较大尺度的看起来是同一片区域的地方，可能会发生既有上升流也有下沉流的情形。

3）下垫面

下垫面的影响可分热力和动力：

热力：海陆差异、海拔差异、沙漠、戈壁、森林、草原、城市等这些不同的下垫面差异都会导致受热不均匀。

海陆差异：

地表受热最大的不均匀是海陆差异，简单说暖季陆暖海冷，冷季陆冷海暖。陆地上，不同的下垫面物质热容量差异很大，直接影响大地加热大气的效率。比如说沙漠戈壁岩石加热就很快，田野森林就慢多了，大城市还具有热岛效应。

海拔差异：

海拔越高，太阳辐射就越强。

动力：主要是阻挡和摩擦。

阻挡：山脉、高原可阻挡迫使气流绕流或抬升

摩擦：地表对其上的大气流动有摩擦力，水面比陆地小，陆地上城市群的摩擦要大于郊野。

三、东亚大气环流的物理和逻辑——一圈环流、三圈环流、东亚季风环流

从原动力图出发，循序渐进看东亚夏季风环流的构建。

1）、一圈环流

假如地球不转，没有海陆差异，没有地表摩擦力。赤道暖升极地冷降，赤道的热空气升到高空向极地流，极地的冷空气向赤道补充，这就是一圈环流。

单圈环流示意图（网图）

2）、三圈环流

一圈环流的假设全都不成立，所以一圈环流实际是不存在的。

一圈环流基础上引入地球自转，则有三圈环流模型：

引自《天气学原理和方法》涛淘风云注解

赤道受热上升的气流在对流层顶堆积向北（以北半球为例）运动，受地球自转影响右（西）偏，到北纬30°左右偏成西风，然后下沉形成副高。低空副高气流向南流回赤道的北风受自转影响右偏后就是东北信风带。这就是哈德来环流圈。哈德来圈的下沉支造成了副热带高压。

副高位置随太阳直射点的移动而南北进退。夏季势力最强，冬季最弱。

1月（左）和7月（右）多年平均500hPa高度

从上面多年平均可以看出，在北半球冬季（1月），副高带退到赤道附近，平均场上仅太平洋副高存在588闭合圈。在夏季（7月）副高增强远超1月的南半球夏季副高，平均场上588闭合圈几乎围绕地球一圈且面积极大，只在太平洋东部和青藏高原断裂，最强区域592闭合圈在北非，太平洋副高相比1月明显强大很多。

这种南北半球的环流的巨大差异是由南北半球海陆差异产生的季风热力环流圈导致的。

3）、东亚季风环流

三圈环流模型没有考虑海陆热力差异和大地形，所以远不是实际环流的全部。南半球陆地比北半球少很多，所以南半球更接近三圈环流假设的模型，北半球就要复杂得多。

考虑海陆差异

赤道低纬与高纬的热力差异是恒定的赤道热高纬冷。但是海洋与大陆的热力差异有季节变化，冬季海洋暖陆地冷，夏季陆地暖海洋冷，这样在不同的季节海陆有相反的热力环流圈。

夏季大陆上升海洋下沉，低层大气海洋向大陆流，上层大气自大陆流向海洋；冬季反过来，这就是季风。你看，季风热力圈配合三圈就比较接近真实大气环流了。

值得注意的是：在夏季亚洲大陆和大洋的热力关系中，北印度洋在纬度上主热在海陆差异上主冷；反之亚洲大陆在纬度上主冷但在海陆差异上主热，两者贡献相反。

考虑大地形

亚洲季风全球最强不仅有最大陆地和最大海洋的原因，还有一个重要因素是青藏高原。

青藏高原纬度不高（大部分在约北纬28到35度之间），这个纬度使得在夏季青藏高原离太阳直射点很近，可以接受极强的太阳加热；

青藏高原很高（平均海拔4000米以上），这个高度大气稀薄，接受的太阳辐射比低海拔平原更强；

青藏高原的地表多岩石沙土，这样的下垫面物质热容量小，受太阳照射后升温剧烈，意味着对大气的加热效率高；

青藏高原南坡的降水极强，喜马拉雅山脉将印度洋来的水汽挤了个干干净净，作用就是极大的潜热加热。

就这样，最大的大陆和最高大的高原合起来构成的季风热力圈，是东亚和南亚大气环流的主导力量。这个青藏高原-太平洋热力圈与哈德来热力环流圈，以及西风带一起，造成了复杂的东亚大气环流和其季节性。

在夏季，由于青藏高原及周边的加热作用全球最强，主导了东亚夏季大气环流。在海平面气压场表现为亚洲大陆是一个庞大的以青藏高原为中心的的大低压，四周空气向低压辐合在中心上升到高空然后向外四散下沉；与底层的庞大低压相对应，在对流层的上部就是庞大的青藏高压。

多年平均7月海平面气压

多年平均7月100hPa（约海拔16公里高）高度场

四、高温原因：太平洋副高内盛行的下沉气流来自哪里？

对高温成因最经典的解释就是副高控制下沉气流，那么副高内下沉气流来自哪里？它怎么会源源不断？

我在另一篇文章《上海高温来自青海——再谈高温成因和暖空气乾坤大挪移》中，基于观测事实和正确的物理逻辑，从热空气的生产和转移的角度，阐明了副高下沉气流的一部分来源，实际上来源至少有南西北三支，太平洋副高的强弱变化与西伸东撤北抬南退跟这三支来源都有关系。

南支就是哈德来热力圈的下沉支，哈德来环流的上升支在赤道辐合带，在副高南面，因此是副高下沉气流来源的南支；

西支：既然赤道辐合带可以加热出哈德来环流圈制造副高，那么夏季比热带加热更猛的青藏高原也可以靠季风热力圈造出它的副高。青藏高压向东辐散出的下沉支构成了副高下沉气流的西支。

实际上，西支贡献应该就是夏季西太平洋副热带高压加强西伸登陆我国，甚至与伊朗高压“打通”的最主要原因。

北支在三圈环流模型局部图里一目了然：

副高下沉支示意图

副高以北的极锋锋区上升运动其实就是费雷尔被动环流圈的上升支，上升大气在顶层向南返回的一支，到达副高上空并入了哈德来圈下沉支。这就是北支。

在夏季，由于强大的青藏高压下沉支的加入，副高得以的西伸加强控制我国，这就是我国夏季高温的根本原因。

五、高温因何而来因何一去不复返

1）东亚夏季风环流

高温由副高造成，副高的强大由青藏高原夏季的超强加热主导。这就是东亚夏季风环流的主线。

下图给出了个人目前所理解的东亚夏季风环流，重点注解了与青藏高压和副高相关的部分，特别是副高下沉的三个来源。

东亚夏季风环流示意图（片面，涛淘风云）

（黑色线条代表对流层底层气流；蓝色代表对流层中层副高和西风带，紫色代表对流层顶层气流）

2）从青藏高压和副高看高温终于结束

8月30日下午中央气象台解除了史上最长时间和最高强度的高温预警，标志着夏季高温天气的彻底终结。8月31日，前期酷热地区的最高气温全面降至30℃以下，最热的华南地区35℃以上都已经是稀罕，如下图所示：

2022年8月31日20时探空实况+31日最高气温

如果从副高来看，整个江南都仍在其“控制”之下，但在地面和低空，早已冷空气实际把持了。这是典型的秋季冷暖立体配置：高空冷得慢，低空冷得快，冷空气从底层切入副高。使得表面上看秋季的副高跟春夏的副高一样，但地面的天气却已是天壤之别。

对比一下最热时候的8月上旬会有更多启示。

上：500hPa高度及距平；下：200hPa高度及距平；左：2022年8月1-10日平均；右：8月29日-31日平均

相比8月上旬，当前对流层上部的高压（青藏高压）已经南落。等太阳直射点再南归些，青藏高原的加热作用再衰退些，并且大气响应滞后效应的差不多的时候，它就掉下青藏高原回印度洋去了。届时，此消彼长，赤道辐合带加热上升主导的哈德来环流圈将再度力压海陆和地形主导的季风热力圈而成为东亚环流的主导因子，青藏高压就很难再叫做青藏高压了，它将回顾赤道地区，回归哈德来上升支的顶部，东亚季风环流就将完全改变。