云南極端霜凍氣候事件的氣候特征及環(huán)流背景分析*

陶云，段旭，任菊章，何群

(1.云南省氣象科學(xué)研究所，云南昆明650034;2.云南省氣候中心，云南昆明650034)

0 引言

1980年代以來，隨著氣候變暖的加劇，極端氣候事件(如洪澇、干旱、暴雨、大風(fēng)、嚴(yán)寒、高溫等)頻繁發(fā)生和加劇，已經(jīng)成為當(dāng)今社會和科學(xué)界愈來愈關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由極端氣候事件所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失呈指數(shù)上升趨勢，由此引發(fā)的人類死亡率也在不斷增長，其對人類社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的影響及危害，相比于平均氣候的變化，更加嚴(yán)峻［1－2］。2008年1－2月間，我國南方經(jīng)歷了一場歷史罕見的持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣，這次災(zāi)害性天氣持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣、危害程度深，多數(shù)地區(qū)為50年一遇，部分地區(qū)為百年一遇，給交通、電力、通訊及人民的生產(chǎn)、生活造成了巨大影響。統(tǒng)計(jì)表明，災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過了1 500億元?？梢娫跉夂蜃兣拇蟊尘跋拢瑯O端低溫冷害事件也將造成嚴(yán)重的影響。

霜凍屬于低溫冷害事件中的一種，在秋、冬、春三季都會出現(xiàn)。霜凍是指空氣溫度突然下降，地表溫度驟降到0℃以下，使農(nóng)作物受到損害，甚至死亡。云南地處低緯高原地區(qū)，冬季較少受冷空氣影響，一般只有東部地區(qū)受昆明準(zhǔn)靜止鋒天氣的影響而多陰冷天氣，其它地區(qū)則是晴朗天氣，山區(qū)夜間多輻射霜出現(xiàn)，云南冬季一般不易出現(xiàn)嚴(yán)重的霜凍，但在有利的大氣環(huán)流形勢下，可出現(xiàn)嚴(yán)重的霜凍災(zāi)害，對云南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、花卉等經(jīng)濟(jì)作物造成嚴(yán)重影響。如1999年12月下旬特大霜凍災(zāi)害造成全省蠶豆、油菜、蔬菜、花卉、甘蔗、橡膠、香蕉、咖啡、茶樹、早稻等亞熱帶農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物和熱帶作物嚴(yán)重受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積為85萬hm2，全省因霜凍災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)55億元等。一些專家對云南嚴(yán)重霜凍個(gè)例進(jìn)行了相關(guān)研究，并指出制約云南大范圍霜凍天氣過程活動(dòng)的因素除冷平流強(qiáng)度以外，還與天空狀況的變化、空氣的濕度和風(fēng)力的大小等因素有關(guān)，在同等氣溫狀態(tài)下，風(fēng)小、空氣干燥、晴朗的夜空才會發(fā)生重大霜凍［3－11］。前人主要從個(gè)例出發(fā)進(jìn)行研究，本文選取云南1961年以來發(fā)生的三次嚴(yán)重極端霜凍氣候事件，采用合成分析方法，對云南極端霜凍事件的氣候特征及其環(huán)流背景進(jìn)行分析。

1 資料及方法

應(yīng)用云南省1961年1月1日－2008年12月31日124個(gè)氣象站點(diǎn)逐日日平均氣溫和日最低氣溫觀測資料;1961年1月1日－2008年12月31日逐日全省氣象站點(diǎn)天氣現(xiàn)象(霜)資料;1961－2008年NCEP/NCAR中心發(fā)布的逐日500 hPa、700 hPa及850 hPa高度場、風(fēng)場、濕度場以及海平面氣壓場資料。采用1971－2000年的平均值作為氣候平均態(tài)。主要采用合成分析方法。

2 極端霜凍氣候事件的選取

逐日統(tǒng)計(jì)1961年1月1日－2008年12月31日出現(xiàn)霜天氣現(xiàn)象并且日最低氣溫低于－5℃的站點(diǎn)數(shù)占全省總站數(shù)的比例(圖1)。從圖1可看出站點(diǎn)比例超出15%的年份主要集中在20世紀(jì)60和70年代，80年代后隨著全球氣候變暖，每年霜凍發(fā)生的范圍越來越小，90年代站點(diǎn)比例不足10%(除1999年)，進(jìn)入21世紀(jì)后霜凍發(fā)生站點(diǎn)比例不足6%?？梢娫颇纤獌鎏鞖獾挠绊懛秶蕼p少的趨勢。本文根據(jù)站點(diǎn)比例超出25%來確定云南全省性的極端霜凍事件:1974年1月1－7日，1982年12月27－28日以及1999年12月25－27日發(fā)生的嚴(yán)重霜凍事件定義為1961年以來云南出現(xiàn)的三次極端霜凍事件。從圖1b－圖1d可見，1974年的霜凍事件是云南1961年以來霜凍持續(xù)時(shí)間最長的一次。站點(diǎn)比例超出25%的持續(xù)時(shí)間為7 d(1982年2 d，1999年3 d)。而1999年發(fā)生的霜凍事件是在氣候變暖背景下發(fā)生的一次特大霜凍事件，損失最為慘重。云南極端霜凍事件主要發(fā)生在12月下旬到1月上旬。

圖1 云南省出現(xiàn)霜并且日最低氣溫低于－5℃站點(diǎn)數(shù)占全省總站數(shù)的比例演變

3 云南極端霜凍事件氣候背景分析

3.1 日平均氣溫變化

從云南三次極端霜凍氣候事件日平均氣溫變化(圖2)中可看出，事件發(fā)生前，日平均氣溫較長時(shí)間處于偏低的狀況，霜凍發(fā)生時(shí)日平均氣溫出現(xiàn)劇烈下降，霜凍結(jié)束后氣溫緩慢回升。1974年霜凍事件:1973年12月11日開始降溫，12月11－16日全省平均的日平均氣溫下降了約4℃;之后12月17－27日氣溫維持在8～9℃左右。12月28日開始，云南又開始第2次降溫過程，1973年12月28日－1974年1月1日氣溫又下降了約4℃，1月1日僅有4℃。1974年1月1－7日氣溫都在6℃以下，出現(xiàn)嚴(yán)重的霜凍災(zāi)害。1982年霜凍事件:12月15－16日全省平均的日平均氣溫下降了約3℃;之后12月16－24日氣溫維持在6～8℃左右。12月25－27日云南又出現(xiàn)了劇烈降溫，全省平均的日平均氣溫又下降了約6℃，12月27日氣溫僅有2.6℃。1999年霜凍事件:12月16日開始全省平均的日平均氣溫持續(xù)下降，到12月22日下降了約7℃;之后12月22－24日氣溫維持在4～5℃左右。霜凍期間12月25－27日氣溫也維持在4～5℃?？傊?，從全省平均的日平均氣溫變化看，云南極端霜凍事件發(fā)生前氣溫有明顯的下降，霜凍發(fā)生時(shí)氣溫達(dá)到最低，之后氣溫回升。

圖2 云南三次極端霜凍氣候事件日平均氣溫變化圖

3.2 日最低氣溫演變

從云南三次極端霜凍氣候事件平均日最低氣溫變化(圖3)中也可以看出，云南極端霜凍事件發(fā)生時(shí)全省平均日最低氣溫都在0℃以下。1974年極端霜凍在1973年12月31日－1974年1月7日日最低氣溫都在－1.2～3.1℃，其中1月1日最低為－3.1℃。1982年極端霜凍在12月26－29日日最低氣溫都在－0.2～3.3℃，12月27日最低為－3.3℃，其次日12月28日為－2.6℃。1999年極端霜凍在12月25－29日日最低氣溫都在－0.8～2.6℃，其中12月25－27日最低氣溫都低于－2.2℃。總之，云南極端霜凍發(fā)生時(shí)段日最低氣溫比發(fā)生前后都低。

圖3 云南三次極端霜凍氣候事件平均日最低氣溫變化圖

從日平均氣溫和日最低氣溫變化可以看出，三次極端霜凍事件中1974年持續(xù)時(shí)間最長，1982年氣溫變幅最大。

3.3 無云站次的演變

解明恩等人［11］的研究指出，云南大范圍霜凍天氣過程活動(dòng)的因素除冷平流強(qiáng)度以外，還與天空狀況的變化、空氣的濕度等因素有關(guān)，在同等氣溫狀態(tài)下晴朗的夜空才會發(fā)生重大霜凍。為此分析了三次極端霜凍災(zāi)害發(fā)生前后的天空云量的變化情況。從云南三次極端霜凍氣候事件無云站次占總站次的變化(圖4)可看出，云南極端霜凍事件發(fā)生前無云站次的比例基本在20%以下，說明云南大部地區(qū)都以陰雨天氣為主，霜凍發(fā)生時(shí)無云站次的比例都發(fā)生了劇烈的上升。1974年極端霜凍從1973年12月21－30日無云站次的比例都在15%以下，其中有5 d無云比例不足5%。霜凍發(fā)生時(shí)1974年1月1－6日無云站次比例高達(dá)80%左右。1982年極端霜凍發(fā)生前12月11－26日無云站次的比例不足4%，其中有10 d無云站次的比例為0。霜凍發(fā)生時(shí)12月27－28日無云站次比例為50%左右。1999年極端霜凍發(fā)生前從12月4－23日無云站次的比例都在20%以下，其中有17 d無云站次的比例不足6%。霜凍發(fā)生時(shí)12月25－26日無云站次比例為70%～80%左右?？傊?，極端霜凍發(fā)生前云量偏多，以陰雨天氣為主，發(fā)生時(shí)無云或云量少，以天氣晴朗。

圖4 云南三次極端霜凍氣候事件逐日無云站次變化圖

從上述分析可知，云南極端霜凍事件發(fā)生前氣溫偏低，云量偏多，說明有冷空氣影響而降溫，天氣陰冷;霜凍發(fā)生時(shí)夜間晴朗，輻射散熱強(qiáng)烈，氣溫再度下降，造成嚴(yán)重霜凍災(zāi)害。這種霜凍屬于混合霜凍或稱為平流輻射霜凍，往往危害更加嚴(yán)重。秦劍等［6］研究也表明，低溫連陰雨突然轉(zhuǎn)晴，高空冷平流沖走了陰云，使本來就低的氣溫再一次在最低氣溫方面大幅下降，造成重霜凍特別嚴(yán)重。

4 極端霜凍氣候事件環(huán)流背景分析

極端天氣氣候事件的發(fā)生與大氣環(huán)流異常密切相關(guān)。利用1961－2008年NCEP/NCAR中心發(fā)布的逐日500 hPa、700 hPa及850 hPa高度場、風(fēng)場、濕度場以及海平面氣壓場資料，合成分析了云南極端霜凍氣候事件發(fā)生前后的異常環(huán)流背景。

4.1 500hPa高度場分析

圖5 云南三次極端霜凍氣候事件500 hPa高度場合成圖(單位:gpm)

在云南三次極端霜凍氣候事件的500 hPa高度合成場上(圖5)，霜凍發(fā)生前1 d，中高緯度南北向的經(jīng)向環(huán)流明顯，青藏高原以北為高壓脊控制，東亞到中南半島為低壓槽控制。這種環(huán)流形勢有利于冷空氣從中高緯直瀉而下到低緯度地區(qū)。霜凍發(fā)生當(dāng)日，環(huán)流形勢與前1 d相似，僅北側(cè)的東亞大槽向東移動(dòng)，基本入海，南側(cè)的南支槽少動(dòng)，仍位于華南一帶，南端明顯南壓，云南仍為槽后脊前的西北下沉氣流控制，夜間晴空輻射明顯，最低溫度大幅下降，造成嚴(yán)重霜凍。霜凍結(jié)束后，中高緯度經(jīng)向環(huán)流減弱，云南轉(zhuǎn)為較平直的西風(fēng)氣流控制。這與秦劍等［6］給出的低緯高原晴天重霜凍的環(huán)流形勢一致。500 hPa合成風(fēng)場與高度場非常一致(圖略)，霜凍前1 d和當(dāng)天500 hPa風(fēng)場上，從青藏高原到中南半島為明顯的西北氣流控制，霜凍結(jié)束后轉(zhuǎn)為較平直的西風(fēng)氣流。

4.2 700hPa高度場分析

圖6 云南三次極端霜凍氣候事件700 hPa高度場合成圖(單位:gpm)

在云南三次極端霜凍氣候事件的700 hPa合成高度場上(圖6)，霜凍發(fā)生前1 d，東亞一帶為槽區(qū)，青藏高原到貝加爾湖一帶為脊區(qū)，青藏高原有一3 160 gpm的小高壓，川滇之間存在一東西向的切變線，在青藏高原至中南半島一帶形成了北高南低的形勢，有利于切變和冷高壓的南壓。霜凍發(fā)生當(dāng)日，北側(cè)東亞槽東移入海，高原小高壓略東南移，3 120 gpm的高度線明顯南壓到10°N，川滇間的切變線南壓，轉(zhuǎn)為南北向。切變南壓過云南大部地區(qū)后，云南主要處于廣闊的脊區(qū)，夜間晴空輻射，造成嚴(yán)重霜凍災(zāi)害。霜凍結(jié)束后，中高緯度氣流較為平直，高原小高壓消失，切變消失，3 120 gpm的高度線北抬到20°N，云南氣溫回升。

4.3 850hPa高度場分析

圖7 云南三次極端霜凍氣候事件850 hPa高度場合成圖(單位:gpm)

在云南三次極端霜凍氣候事件的850 hPa合成高度場上(圖7)，霜凍發(fā)生前1 d，1 520 gpm冷高壓控制整個(gè)40°～120°E中低緯度地區(qū)，冷高壓中心位于青藏高原東側(cè)(30°～40°N，80°～100°E)，中心數(shù)值為1 620 gpm，云南也受冷高壓的控制。霜凍發(fā)生當(dāng)日，冷高壓東南移，但強(qiáng)度和范圍有所減小，中心數(shù)值為1 560 gpm，云南仍為冷高壓的控制。霜凍結(jié)束后，冷高壓斷裂，東部減弱、東移入海，西部減弱位于高原上。云南為兩者間的相對低值區(qū)。海平面氣壓場的變化(圖略)與850 hPa高度場的變化基本一致，霜凍前及發(fā)生時(shí)云南為地面冷高壓控制，之后冷高壓南壓減弱消失，霜凍結(jié)束。

從上述中低層的環(huán)流分析可知，云南極端霜凍氣候事件發(fā)生的主要原因是高空冷平流與地面冷高壓控制下夜間晴空輻射冷卻降溫所致。另外，潘里娜、解明恩等人［9，11］研究指出云南嚴(yán)重霜凍天氣發(fā)生時(shí)空氣干燥。從圖8可以看出，對流層底層850 hPa上，云南發(fā)生極端霜凍災(zāi)害當(dāng)天與發(fā)生頭天的差值濕度場上，云南大部地區(qū)都為負(fù)距平區(qū)控制，說明發(fā)送當(dāng)天的絕對濕度大部分地區(qū)都比前1 d小;極端霜凍天氣結(jié)束后1 d與發(fā)生當(dāng)天的濕度場的差值圖上，負(fù)距平區(qū)擴(kuò)大，整個(gè)云南省都為負(fù)距平區(qū)控制，說明云南省的濕度在逐漸變小，空氣越來越干燥。

圖8 云南三次極端霜凍氣候事件850 hPa濕度場差值(單位:Kg/Kg)

5 小結(jié)

本文利用云南124個(gè)氣象站逐日最低氣溫和天氣現(xiàn)象(霜)資料，計(jì)算最低氣溫低于－5℃的站點(diǎn)數(shù)占全省總站數(shù)的比例，選取站點(diǎn)比例超出25%的霜凍事件為云南極端霜凍氣候事件。分析了云南極端霜凍氣候事件的氣候特征及其發(fā)生的環(huán)流背景。

(1)1974年1月1－7日，1982年12月27－28日以及1999年12月25－27日最低氣溫低于－5℃的站點(diǎn)數(shù)占全省總站數(shù)的比例超過25%，定義這三次發(fā)生的霜凍事件為云南極端霜凍氣候事件。

(2)云南極端霜凍事件發(fā)生前氣溫偏低，云量偏多;霜凍發(fā)生時(shí)夜間晴朗，輻射散熱強(qiáng)烈，氣溫再度下降，造成嚴(yán)重霜凍災(zāi)害。這種霜凍屬于混合霜凍或稱為平流輻射霜凍，危害嚴(yán)重。

(3)高空冷平流與底層冷高壓控制下夜間晴空輻射冷卻降溫是云南極端霜凍氣候事件發(fā)生的主要原因。極端霜凍事件發(fā)生時(shí)空氣濕度較發(fā)生前小，空氣相對干燥。

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