2011年初云南東部極端低溫冰凍災(zāi)害天氣氣候特征及成因分析

楊素雨, 李華宏, 嚴華生, 牛法寶

（1.云南省氣象臺,云南昆明 650034;2.云南大學大氣科學系,云南昆明 650091）

0 引言

近年來中國的低溫嚴寒、暴風雪等極端天氣時常發(fā)生[1-7],最為突出的是2008年初南方遭受了歷史罕見的持續(xù)的大范圍低溫雨雪冰凍災(zāi)害。國內(nèi)很多學者對其氣候特征、大氣環(huán)流異常特征及天氣動力學成因等方面進行了大量研究[8-12]。研究表明,貝加爾湖（簡稱貝湖）依稀地區(qū)阻塞高壓異常強大、穩(wěn)定,700 hPa西南氣流穩(wěn)定,850 hPa低層切變、低渦活動,副高強盛,位置偏西、偏北是2008年初南方低溫雨雪冰凍災(zāi)害天氣的大尺度大氣環(huán)流背景。云南氣象學者段旭等[13]鑒于2008年云南嚴重的低溫冰凍災(zāi)害,對云南冰凍災(zāi)害與電線覆冰進行了區(qū)劃研究,指出云南冰凍災(zāi)害最嚴重的是東北部地區(qū)。晏紅明等[14]從大尺度大氣環(huán)流和海溫異常等方面分析了2008年初云南低溫雨雪冰凍天氣的氣候成因,為云南短期氣候預(yù)測此類災(zāi)害性天氣提供了預(yù)報思路。

從以上分析可以看出,關(guān)于低溫冰凍災(zāi)害天氣的分析研究,大多是針對南方地區(qū)。然而,云南地處低緯高原,受青藏高原大地形阻擋影響,冷空氣很少從正北面南下影響云南,與中國其他地方相比,云南的冷空氣路徑有其特殊性,如冷空氣出現(xiàn)時間偏晚,強度相對較弱。有關(guān)云南冬季持續(xù)低溫冰凍災(zāi)害天氣的研究總結(jié)還比較少。因此,總結(jié)分析造成云南持續(xù)低溫冰凍災(zāi)害的天氣氣候特征及成因,對提高此類災(zāi)害性天氣的預(yù)報水平是很有幫助的。

2011年1月云南東部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)極端低溫冰凍天氣,造成交通主干線受阻、鄉(xiāng)村公路中斷、電力通訊受損嚴重、農(nóng)作物受災(zāi)、牲畜受凍死亡等,對群眾生產(chǎn)生活產(chǎn)生了較大影響及困難。造成此次災(zāi)害的氣候特征及成因是什么、云南省預(yù)報低溫冰凍天氣的預(yù)報依據(jù)和著眼點在哪里、太平洋海溫異常與東部低溫冰凍災(zāi)害的關(guān)系如何、都值得進一步分析和研究。應(yīng)用診斷分析、合成分析及相關(guān)分析等方法,從2011年初低溫冰凍災(zāi)害的天氣氣候特征,2008年初和2011年初大氣環(huán)流、海溫狀況的月際異常差異特征的對比分析等方面,對以上問題進行了分析和探討,為提前做好云南的防災(zāi)減災(zāi)工作提供決策依據(jù)。

1 資料和方法

所用資料有2011年云南省122個縣站的逐日溫度觀測資料,NCEP/NCAA2008年和2011年逐日平均和逐月平均再分析資料,網(wǎng)格距為2.5°×2.5°。在相關(guān)分析中應(yīng)用了1961～2011年國家氣候中心的74項環(huán)流指數(shù),月平均海表溫度,NOAA的各項大氣環(huán)流指數(shù)、海溫指數(shù)。所用方法有診斷分析、合成分析及相關(guān)分析等。

2 天氣氣候概況

2011年初云南東部出現(xiàn)了持續(xù)的低溫冰凍災(zāi)害天氣,此次災(zāi)害主要發(fā)生在1月。圖1為2011年1月云南省122個縣站月平均溫度距平,與歷史同期相比,除滇西南、滇中及滇西北局部地區(qū)氣溫正常略偏高外,全省大部地區(qū)氣溫都偏低,偏低3℃以上的區(qū)域主要集中在滇中以東以南地區(qū),這些地區(qū)正是云南冰凍災(zāi)害最嚴重和相對嚴重的區(qū)域[12]。因此,云南東部地區(qū)是昆明東部、昭通、曲靖、文山共4個地州（市）包含的28個縣站。2011年1月 28個縣站中就有16個縣站的月平均氣溫突破了歷史同期最低記錄（表略）。分析圖2可以看出,1月東部地區(qū)30年平均氣溫為7.4℃,2011年1月東部平均氣溫為3.8℃,比歷史同期偏低3.6℃,為自1961年來氣溫最低的年份,其次是1962年偏低3.2℃。分析圖2還可以看出,2011年1月是東部地區(qū)自20世紀90年代中期以來氣溫偏暖背景下的一個異常偏冷事件,是近50年來的極端偏冷年,也是自2010年1月極端高溫年后的又一極端事件。

圖1 2011年1月云南省122個縣站月平均溫度距平

圖2 1月云南東部地區(qū)平均氣溫時間變化

圖3 2011年1月云南降雪和凍雨站次的逐日變化

從2011年1月云南降雪和凍雨出現(xiàn)站次的逐日變化（圖3）和空間分布（圖略）可以看出,凍雨只出現(xiàn)在云南中東部地區(qū),1個月內(nèi)共出現(xiàn)79站次,只有3天沒有出現(xiàn)。位于云南東北部的鎮(zhèn)雄縣出現(xiàn)凍雨的站次最多,有18次;其次是師宗,有12次。降雪也主要出現(xiàn)在滇中以東地區(qū),滇西北降雪站次明顯較2008年少。1月全省共出現(xiàn)降雪288站次,只有2天無降雪,全省降雪站次最多的仍是鎮(zhèn)雄,1月共出現(xiàn)26站次,其次是云南東部的威信縣,共出現(xiàn)25站次。有研究表明[13],1月份云南平均降雪站次是127站,最多的年份是1993年,出現(xiàn)了329站次。2011年1月降雪站次是21世紀以來最多的一年。

分析可見,2011年初災(zāi)害持續(xù)時間和影響范圍相對2008年稍小,但云南東部地區(qū)的低溫災(zāi)害卻是近50年來最嚴重的,持續(xù)的低溫冰凍災(zāi)害造成長時間的道路結(jié)冰、電網(wǎng)覆冰等仍對人民生產(chǎn)生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及東部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展帶來嚴重影響,因此,以下主要針對云南東部地區(qū)的低溫冰凍災(zāi)害進行討論分析。

3 天氣過程及診斷分析

3.1 主要天氣過程分析

由云南東部地區(qū)降水量和平均最高氣溫的逐日變化（圖4）可以看出,2011年1月云南東部主要受到4次強冷空氣影響,即5～7日、9～11日、14～20日、28～31日明顯降溫過程,其中14～20日東部地區(qū)日最高氣溫普降至0℃～5℃,昭通市南部日最高氣溫大都低于0℃。自2月初東部的平均日最高氣溫就出現(xiàn)了迅速回升的趨勢。主要的降水過程是9～11日和14～20日,兩次過程也是冷空氣降雪強度和范圍最大的,11日和16日達到了云南省的寒潮標準。

3.2 天氣過程的診斷分析

持續(xù)的冷空氣過程是造成低溫冰凍災(zāi)害的主要原因,東亞中東部地區(qū)850hPa經(jīng)向風一定程度上能反映東亞冬季風的強弱,云南東北部地區(qū)經(jīng)向風的強弱也往往能反映出冷空氣對云南影響的強度。圖5（a）為2011年1月云南東部沿 27°N的850hPa經(jīng)向風時間-經(jīng)度剖面,由圖可以看出,自1月5日開始云南省東部110°E～115°E地區(qū)的經(jīng)向風由偏南風（正值）轉(zhuǎn)為偏北風（負值）,之后偏北風比較活躍,4次冷空過程中,9～11日和14～20日時段偏北風最強,中心最大風速≥-6m/s。結(jié)合東部地區(qū)的垂直速度（圖5b）和水汽條件（圖5c）可以看到,9～11日東部的垂直上升運動最強,最大上升速度值達到了-20×10-2Pa/s,此時,東部 700hPa水汽通量≥8 g/（cm?hPa?s）,是1月的最大值,水汽通量散度為-2×10-6g/（hPa?cm＾2?s）,具有明顯的水汽輻合。分析可見,低層較好的水汽輸送和水汽輻合,加上強烈的上升運動和較強的冷空氣配合才造成了9～11日云南省大范圍的強降溫降雪天氣過程。其次是14～20日,其同樣造成云南省大范圍的強降溫降雪天氣過程。5～7日和28～31日兩次過程的偏北風、垂直上升運動以及水汽的輸送和輻合都相對較弱,因此冷空氣和降水的范圍和強度也相對較弱,但昆明準靜止鋒在云南東部地區(qū)維持少動,仍造成東部地區(qū)低溫冰凍災(zāi)害的持續(xù)。分析還發(fā)現(xiàn),22～23日東部地區(qū)有明顯的偏北風,但高低層為一致的下沉氣流控制,低層雖然有水汽輻合,但水汽通量較小,因此,這是一次弱降溫過程,無明顯降水和降雪。

以上分析表明,云南出現(xiàn)寒潮或大范圍降溫降雪過程時,110°E～115°E地區(qū)的850hPa經(jīng)向風中心最大風速≥-6m/s,高低層有強的上升運動,700hPa上不但要有較好的水汽通量,還要有水汽的輻合。物理量的這些特征可為預(yù)報員提前做好冷空過程的監(jiān)測和強度預(yù)報提供一定的參考依據(jù)。

圖4 2011年初云南東部地區(qū)降水量和平均最高溫度逐日變化（柱形為降水,折線為溫度）

圖5 2011年 1月云南東部區(qū)域（22°N～ 28°N,102°E～ 105°E）物量診斷分析

4 大氣環(huán)流和海溫異常的分析

4.1 大氣環(huán)流異常特征分析

大氣環(huán)流的異常是造成天氣氣候異常的最直接原因,若同樣的天氣過程在一段時間內(nèi)頻繁出現(xiàn),那這段時間的大氣環(huán)流一定會表現(xiàn)出某種異常的氣候特征。以下就主要討論2011年初大氣環(huán)流的異常特征。

圖6（a）為2011年1月500hPa平均高度場和距平場,可以看出,歐亞中高緯呈明顯的兩槽一脊型,西西伯利亞高壓脊異常偏強,最大正距平中心值為18dagpm。東亞中高緯地區(qū)為“+-+”的距平場分布,高度場呈北高南低,有利于高緯地區(qū)冷空氣的南下。分析還發(fā)現(xiàn),西西伯利亞高壓脊呈東北西南走向,有利于巴爾喀什湖和貝加爾湖地區(qū)（以下簡稱貝巴之間）形成切斷低壓或橫槽,使得冷空氣不斷堆積,隨著大氣長波的不斷東移演變,貝巴之間的冷空氣階段性的分裂南下形成一次次冷空氣過程。東亞大槽較常年偏強偏東,使中高緯主體強冷空偏東,影響云南的冷空氣也相對偏東。中低緯孟加拉灣（以下簡稱孟灣）地區(qū)有弱的南支鋒區(qū)。這樣的大氣環(huán)流分布形勢明顯有利于云南東部出現(xiàn)低溫雨雪天氣。

2008年的低溫冰凍災(zāi)害主要發(fā)生在2月,因此將2008年2月500 hPa高度場圖6（b）與2011年1月對比分析可以看出,2008年2月中高緯最大正距平區(qū)位于烏拉爾山（以下簡稱烏山）地區(qū),說明烏山阻塞高壓異常偏強;青藏高原及其西側(cè)為一西風帶短波槽,高度場為負距平,說明高原上多異常低槽東移,貝巴間西北氣流帶來的冷空氣使高原低槽加深南壓,有利于昆明準靜止鋒加強影響云南。與2011年1月相比,2008年2月烏山阻塞高壓較強,東亞大槽較偏強偏西,在加強氣流的東西交換的同時使冷空氣東移南下速度減弱,冷空氣持續(xù)影響時間偏強。西太平洋副高較強,一方面阻擋了強冷氣的南下速度,另一方面加強了副高西側(cè)偏南氣流的水汽輸送。

圖6 環(huán)流場對比分析

圖6（c）為2011年1月700 hPa異常風場,可以看到中低緯20°N附近印度半島和中南半島分別為異常反氣旋環(huán)流控制,中南半島的異常反氣旋相對較弱,而兩高之間的孟灣地區(qū)為一弱的異常氣旋,這樣的大氣環(huán)流配置有利于西風帶南支槽東移到孟灣后受兩個高壓的擠壓加深,且移速減慢。中南半島反氣旋外圍的西南氣流也有利于引導(dǎo)南支槽槽前西南暖濕氣流北上為云南輸送水汽。從海平面氣壓場（圖6d）可以看出,2011年1月蒙古高壓異常偏強,中國中東部海平面氣壓都為正距平,說明1月影響中國的冷空氣異常偏強。1020hPa線是冬季預(yù)報冷空氣影響云南強弱的重要依據(jù)之一,2011年1月1020hPa線的平均位置位于云南東部邊緣,等壓線的密集區(qū)（氣壓梯度較大）也主要位于云南東部地區(qū),這進一步說明1月影響云南的冷空氣主體偏東,靜止鋒主要控制云南東部地區(qū)。

綜合以上分析發(fā)現(xiàn),即使在相同的季節(jié)背景下,大氣環(huán)流的月異常分布差異,也會造成明顯的天氣氣候異常差異。

4.2 各種指數(shù)與云南東部氣溫的關(guān)系

氣象科學家常通過定義與大氣環(huán)流或海溫異常有關(guān)的指數(shù)來對天氣氣候進行跟蹤、分析或預(yù)測。計算分析了國家氣候中心提供的74項環(huán)流指數(shù)以及其它各項指數(shù)（NINO1+2,NINO3,NINO4,NINO3.4,AO,AAO,NAO,PNA）與1月云南東部氣溫的同期相關(guān)關(guān)系,將通過0.05信度檢驗的指數(shù)列成表1。結(jié)合2011年初各項指數(shù)的特征,進而探討造成云南東部地區(qū)低溫冰凍災(zāi)害的原因。

從表1可以看出,影響云南東部1月氣溫的重要因子有西太平洋副高、南海副高、西藏高原高度和以及NINO4區(qū)的海溫。從2011年1月這些指數(shù)的異常可以看出,西太平洋副高位置異常偏東,強度偏弱,南海副高異常偏南偏弱,有利于北方冷空氣南下;青藏高原高度和較常年同期偏低,說明高原上多低槽活動,這與在4.1中的分析一致。分析還發(fā)現(xiàn),云南東部1月氣溫僅與同期NINO4區(qū)的海溫存在較好的正相關(guān)關(guān)系,監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明2011年1月NINO4區(qū)的海溫較前期12月繼續(xù)偏低,而其他海區(qū)的海溫都有回升的趨勢。

表1 與云南東部1月氣溫顯著相關(guān)的各項指數(shù)

5 結(jié)論

通過分析2011年初云南低溫冰凍災(zāi)害的天氣氣候特征,從物理量特征、高低層大氣環(huán)流異常和海溫異常等方面分析了此次災(zāi)害的成因,得到以下結(jié)論:

（1）在拉尼娜事件背景下,2011年初云南再次出現(xiàn)的嚴重低溫雨雪冰凍災(zāi)害天氣與2008年初持續(xù)近2個月的低溫雨雪冰凍災(zāi)害相比,雖然災(zāi)害影響時間較短,范圍較小,但冷空氣過程較頻發(fā),是云南東部近50年來最嚴重的極端低溫冰凍災(zāi)害。

（2）500hPa高度場歐亞中高緯呈兩槽一脊,西西伯利亞高壓脊異常強大,貝巴之間為東西向橫槽,東亞中高緯呈“+-+”的距平場分布,西太平洋副熱帶高壓異常偏東偏弱,南海副高異常偏南偏弱是2011年1月云南遭受頻繁冷空氣影響的大尺度大氣環(huán)流背景,而南支槽槽前西南暖濕氣流與冷空氣結(jié)合是造成與云南大范圍降溫降雪天氣的重要原因。

（3）東亞大槽偏強偏東,中高緯冷空氣主體偏東,使得影響云南的冷空氣偏東,貝巴間分裂東移的短波槽常與高原低槽疊加南下影響云南,這樣的冷空氣勢力不強,但后部不斷有弱冷空氣補充,致使昆明準靜止鋒長時間控制云南東部。

（4）云南東部1月氣溫與NINO4區(qū)的海溫異常存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,而其與倍受氣象工作者關(guān)注的NINO3區(qū)的海溫相關(guān)并不顯著。

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