中國大范圍持續(xù)性極端低溫事件的一類平流層前兆信號(hào)

施寧 布和朝魯

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中國大范圍持續(xù)性極端低溫事件的一類平流層前兆信號(hào)

施寧1布和朝魯2, 3

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044;2中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京100029;3中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

本文利用NCEP/NCAR逐日再分析資料，研究了中國大范圍持續(xù)性極端低溫事件（EPECE）的平流層前兆信號(hào)及其對(duì)對(duì)流層環(huán)流異常的影響。結(jié)果表明，在52個(gè)EPECE中，有17個(gè)EPECE具有一類共同的平流層前兆信號(hào)：（1）在EPECE發(fā)生前10天左右，在巴倫支海一帶的100 hPa位勢高度場呈現(xiàn)較強(qiáng)的正距平特征；（2）隨后，該正異常環(huán)流逐漸向東移動(dòng)，并在EPECE發(fā)生的前5天左右，使貝加爾湖西北側(cè)200 hPa緯向風(fēng)顯著減弱。本文據(jù)此提出了關(guān)于EPECE平流層前兆信號(hào)的兩個(gè)判別條件，并以這兩個(gè)判別條件對(duì)1949～2009年冬季（11月至次年3月）所有逐日低頻場進(jìn)行了后查和檢驗(yàn)。結(jié)果表明，上述兩個(gè)判別條件對(duì)EPECE的發(fā)生日期具有一定的預(yù)測能力。本文進(jìn)一步通過位渦（PV）反演探討了平流層前期異常環(huán)流如何影響EPECE發(fā)生的物理機(jī)制。分析表明，巴倫支海附近的平流層中低層PV異常有利于該地區(qū)對(duì)流層中上層正高度異常的維持，后者強(qiáng)度的25%來源于前者的作用。

平流層信號(hào) 大范圍持續(xù)性極端低溫事件 位渦反演

1 引言

長期以來，人們認(rèn)為平流層大氣是受對(duì)流層影響的被動(dòng)系統(tǒng)。但自20世紀(jì)末期以來，大氣科學(xué)界逐漸認(rèn)識(shí)到平流層大氣和對(duì)流層大氣是相互耦合在一起。許多觀測研究、診斷分析和數(shù)值模擬均表明平流層的環(huán)流異常也會(huì)影響到對(duì)流層環(huán)流異常（Baldwin and Dunkerton，1999；Colucci，2010；Hinssen et al.，2010；Kodera et al.，1990）。由于平流層異常持續(xù)時(shí)間較長，其影響不僅具有天氣意義，而且有氣候意義。因此，充分考慮平流層環(huán)流異常的影響應(yīng)當(dāng)可以提高地面預(yù)測水平（Baldwin et al.，2003；Christiansen，2005）。目前，模式的發(fā)展也存在著這樣一種趨勢和共識(shí)：能夠較好地模擬平流層環(huán)流的數(shù)值模式能更好地模擬對(duì)流層天氣系統(tǒng)，如阻塞高壓的發(fā)展和冷空氣的爆發(fā)。由此可見，充分利用平流層信號(hào)是提高天氣氣候預(yù)報(bào)和預(yù)測的一個(gè)有效途徑。通常而言，平流層影響對(duì)流層環(huán)流異常的動(dòng)力機(jī)制主要是（1）行星波的異常傳播、（2）位渦（PV）的影響（Ambaum and Hoskins，2002；Hartley et al.，1998；Hinssen et al.，2010）以及（3）Rossby波的折射（Nishii and Nakamura，2005）。關(guān)于第一個(gè)機(jī)制，可參考有關(guān)綜述文獻(xiàn)（陳文和魏科，2009；胡永云，2006）。

2008年1月（簡記為“0801”事件）我國南方地區(qū)出現(xiàn)了50年一遇的大范圍冰凍雨雪天氣（陶詩言和衛(wèi)捷，2008）。一些研究發(fā)現(xiàn)，在此次大范圍持續(xù)性低溫事件（簡記為EPECE）前期，平流層極渦出現(xiàn)了明顯的加強(qiáng)和偏移（劉毅等，2008；王東海等，2008；向純怡等，2009）。但如何提取和利用這些平流層信號(hào)以改進(jìn)我們對(duì)EPECE的預(yù)測仍是一個(gè)難題。因?yàn)閮H依據(jù)個(gè)例研究（如“0801”事件），難以提取普遍意義的平流層信號(hào)，這需對(duì)更多的樣本進(jìn)行深入分析。依據(jù)Peng and Bueh（2011）的界定標(biāo)準(zhǔn)，我國自1951年至2009年共發(fā)生過52次EPECE。這52個(gè)事件均滿足極端低溫（至少低于10個(gè)百分位）、范圍大（至少占我國面積的20%）、持續(xù)時(shí)間長（至少8天）這三個(gè)條件。本研究將基于這52個(gè)EPECE，重點(diǎn)研究以下兩個(gè)方面：（1）如何提取最具普遍性的前期平流層信號(hào)；（2）討論平流層信號(hào)與對(duì)流層異常環(huán)流間的動(dòng)力學(xué)鏈接特征。

2 資料和分析方法

本文采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）的逐日再分析資料（Kalnayet al.，1996），氣象要素場為位勢高度（，后文簡稱為高度）、水平風(fēng)速（、）、氣溫（）以及對(duì)流層頂高度場。時(shí)間段為1948年至2009年的每年冬季（11月至次年3月），這可以覆蓋Peng and Bueh（2011）所挑出的52次EPECE發(fā)生時(shí) 間。除對(duì)流層頂高度場外，其他要素場的高度層次均為從1000 hPa至10 hPa（共17層）。為突出環(huán)流的緩變演變特征，所有變量場資料均進(jìn)行了低通濾波，分離出8天以上的低頻環(huán)流。選用的濾波器為遞歸六極正切Butterworth濾波器（Kaylor，1977）。圖1中給出了62年冬季平均對(duì)流層頂高度隨緯度變化特征?？梢?，對(duì)流層頂高度隨緯度的增加而降低。在20°N地區(qū)，對(duì)流層頂位于100 hPa，而在 40°N以北地區(qū)則位于300 hPa附近。據(jù)此，本研究主要在200 hPa至10 hPa共7層上尋找中高緯度平流層信號(hào)。

本文的逐日低頻異常場為全場減去其對(duì)應(yīng)日期的氣候平均場。為消除年代際變化的影響，這里的逐日氣候平均場取為其對(duì)應(yīng)年份的前后5年共11年滑動(dòng)平均后再31天滑動(dòng)平均。對(duì)于前5年（1948年至1952年）和后5年（2005年至2009年）而言，其逐日氣候平均場分別取為前11年（1948年至1958年）和后11年（1999年至2009年）的平均再31天滑動(dòng)平均。這里取31天滑動(dòng)平均的目的是在保留月際變率的同時(shí)，盡可能消除或減弱逐日氣候場中較大的日際變率。在求取距平后，環(huán)流異常的逐日變化即可更好地被刻畫。

通常而言，“信號(hào)”是相對(duì)于“噪音”而言。本文將利用局地環(huán)流1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（1）作標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分環(huán)流“信號(hào)”和環(huán)流“噪音”。具體地，我們將強(qiáng)度大于1（小于―1）的正（負(fù)）異常環(huán)流稱為“正信號(hào)”（“負(fù)信號(hào)”），其余則為“噪音”。

準(zhǔn)地轉(zhuǎn)位渦（后文簡稱位渦，PV）擾動(dòng)通常定義為

3 平流層信號(hào)的提取

本文以每個(gè)EPECE的開始日期為參考日期，記為第0天。開始日期前（后）天，記為第―（）天。需指出的是，若直接對(duì)52個(gè)EPECE進(jìn)行合成分析，易導(dǎo)致正、負(fù)信號(hào)相消或被削弱。為解決該問題，本文首先定義了平流層信號(hào)一致性指數(shù)CISS（，），其中，為北半球在平流層中（200 hPa至10 hPa）任意一空間格點(diǎn)的位置，為時(shí)間。CISS的數(shù)值為某氣象要素場在第天第格點(diǎn)上出現(xiàn)局地“信號(hào)”的EPECE個(gè)數(shù)，最后再將CISS轉(zhuǎn)換成百分率（除以52，再乘以100）。CISS極大值區(qū)即是52個(gè)事件中較多的事件在該時(shí)間、該空間位置上出現(xiàn)的一致“信號(hào)”。按此方法，可分別得到正、負(fù)信號(hào)的時(shí)空分布特征。

圖1 1948年至2009年共61年冬季（11月至次年3月）氣候平均的對(duì)流層頂高度

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，正值信號(hào)的CISS值大值區(qū)（大于30%）最早出現(xiàn)在場上第―10天左右100 hPa巴倫支海附近（圖2）。值得注意的是，在更早或其他層次上也能出現(xiàn)CISS大于30%的區(qū)域，但由于其空間范圍較小或在隨后的演變過程中不連續(xù)，這里暫不作進(jìn)一步討論。根據(jù)圖2，利用標(biāo)準(zhǔn)化的位勢高度場（）定義了區(qū)域信號(hào)指數(shù)HI，即在（70°～80°N，0°～60°E）范圍內(nèi)（簡記為A區(qū)）的區(qū)域平均值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，52個(gè)EPECE中在第―10天100 hPa上HI大于1的事件共有17個(gè)（表1），這對(duì)應(yīng)著圖2中局地30%的CISS指數(shù)。這里HI的閾值仍取為，以保證其強(qiáng)度達(dá)到本文所提到的“信號(hào)”的標(biāo)準(zhǔn)。圖3a給出了這17個(gè)事件的HI的高度—時(shí)間剖面圖?？梢钥闯鲂盘?hào)（大于1）最早出現(xiàn)在第―13天100 hPa上，并在第―10天左右達(dá)到極值（1.4）。此后，HI有所減弱。至第―5天，HI在各層上的值已小于1，“信號(hào)”消失。因此，雖然大于1的信號(hào)能在1000～20 hPa各層出現(xiàn)，但最早和最強(qiáng)的信號(hào)均出現(xiàn)在100 hPa上。根據(jù)這一前期平流層信號(hào)，本文提出EPECE開始日期的判別條件一（簡稱條件一）：100 hPa上HI＞1，且至少能持續(xù)5天，則這5天后的第8天左右可能會(huì)發(fā)生EPECE。

圖2 第―10天100 hPa CISS指數(shù)（%），即局地高度異常大于＋的事件個(gè)數(shù)百分率

圖3 （a）17個(gè)EPECE合成的（70°～80°N，0°～60°E）區(qū)域平均信號(hào)指數(shù)HI的時(shí)間—高度剖面，陰影為通過99%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域；（b）同（a），但為標(biāo)準(zhǔn)化緯向風(fēng)異常場的（55°～65°N，80°～100°E）區(qū)域平均值。（a）和（b）中粗線分別為＋1、―，代表強(qiáng)信號(hào)

表1 滿足第―10天100 hPa上HI＞1s的17個(gè)EPECE的開始日期和用判別條件一預(yù)測的開始日期以及兩者之差

注：“*”表示預(yù)測的開始日期與其原日期（Peng and Bueh，2011）相差不超過3天的事件，共14個(gè)事件；斜粗體則表示日期相差大于3天的事件，共3個(gè)事件。

4 平流層信號(hào)的檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)我們的判別方法（條件一及條件二）在預(yù)測EPECE上的準(zhǔn)確性，首先將條件一應(yīng)用于1948年至2009年冬季（11月至次年3月）的逐日低頻場上，對(duì)所有可能的EPECE的開始日期做出預(yù)測，并允許前后3天的誤差。需指出的是，考慮到100 hPa上出現(xiàn)HI＞1的連續(xù)天數(shù)可能遠(yuǎn)多于5天，我們僅在第一次連續(xù)5天HI＞1時(shí)預(yù)測其后8天可能出現(xiàn)一次事件，而不是每5天就預(yù)測一次事件。最終預(yù)測出97個(gè)事件（這里不稱其為EPECE，僅稱其為事件）。表1中17個(gè)EPECE有14個(gè)事件（“*”標(biāo)注）被挑出，這其中包含著“0801”事件。剩余3個(gè)事件（表1中斜粗體）則由于前期HI＞1的持續(xù)時(shí)間較長，預(yù)測的EPECE開始日期要早于實(shí)際日期6天以上，因而沒被記入。因此，如不考慮除這17次EPECE外的其他35次EPECE（Peng and Bueh，2011），僅依靠條件一做出的預(yù)測準(zhǔn)確率大約為14/97×100%≈14.4%。

圖4 17個(gè)EPECE合成的100 hPa標(biāo)準(zhǔn)化高度異常場：（a）第―10天；（b）第―5天；（c）第0天。等值線間隔為0.2；實(shí)（虛）線代表正（負(fù)）異常，零線已略去；陰影為通過99%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

利用條件二對(duì)97個(gè)事件進(jìn)一步分類后發(fā)現(xiàn)，除上述14個(gè)EPECE滿足條件二外，還有50個(gè)事件滿足條件二，這里稱其為潛在的EPECE（簡記為P_EPECE）。不滿足條件二的剩余事件稱為一般事件（簡記為CE），共有33個(gè)。因此，若加入條件二，可將預(yù)測準(zhǔn)確率提高至14/(97－33)×100%≈21.9%。此外需要注意的是，14個(gè)EPECE加上50個(gè)P_EPECE共64個(gè)事件，幾乎是CE個(gè)數(shù)（33個(gè)）的兩倍。這表明用條件一挑出的所有事件中有2/3事件會(huì)在5天后左右出現(xiàn)緯向風(fēng)場在B區(qū)顯著減弱的現(xiàn)象。

圖5給出了這14個(gè)EPECE、50個(gè)P_EPECE以及33個(gè)CE在第0候（即連續(xù)5天HI＞1后的第6至第10天平均）的異常環(huán)流合成圖?？梢钥闯觯珽PECE與P_EPECE無論在300 hPa上高度異常場（圖5a，5b）還是在地表氣溫異常（s，圖5d、e）的分布上均十分類似。正、負(fù)高度異常分別位于新地島附近和咸海經(jīng)貝加爾湖至我國東北北側(cè)，即呈現(xiàn)EPECE中典型的大型斜脊/斜槽式的環(huán)流異常分布（Bueh et al.，2011a）。顯著s負(fù)異常則在里海經(jīng)貝加爾湖至我國東北北側(cè)出現(xiàn)，并有向我國東部南伸的趨勢，其中心位于貝加爾湖附近。在下一候（圖略），隨著環(huán)流系統(tǒng)的東移南下，顯著的s負(fù)異常在兩類事件中均向南伸至我國東南地區(qū)。而在CE事件中，第0候異常環(huán)流型（圖5c）幾乎與前兩者反相（圖5a，5b）。在巴倫支海的下游烏拉爾山以東地區(qū)出現(xiàn)了顯著負(fù)異常（圖5c），該負(fù)異常的穩(wěn)定維持可能和前期在上游巴倫支海及斯堪的納維亞地區(qū)維持的正異常（圖略）向下游頻散波能量有關(guān)，呈現(xiàn)出駐波的特征，是一種較為典型的斯堪的納維亞環(huán)流型（Bueh and Nakamura，2007）。s負(fù)異常主要位于新地島附近（圖5f）。以上結(jié)果表明，條件二有助于定性修正條件一的預(yù)測結(jié)果。

圖5 合成的14個(gè)EPECE（a，d）、50個(gè)P_EPECE（b，e）以及33個(gè)CE（c，f）在第0候（以第0天為中心日期的前后2天共5天平均）的異常環(huán)流場。左列為300 hPa高度異常場，單位為m；右列為地表氣溫異常場，單位為°C。等值線間隔在（a）中為50 m，（b）、（c）中為30 m，（d）中為3 °C，（e）、（f）為2 °C；實(shí)（虛）線代表正（負(fù)）異常, 零線已略去；陰影為通過99%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

總之，（1）條件二的加入有助于我們進(jìn)一步判斷由條件一做出的預(yù)測是否定性成立，進(jìn)而提高預(yù)測準(zhǔn)確率；（2）雖然由兩個(gè)條件預(yù)測出的事件個(gè)數(shù)多于實(shí)際EPECE個(gè)數(shù)，但這些事件在開始發(fā)生時(shí)仍表現(xiàn)出與實(shí)際EPECE十分類似的異常環(huán)流特征。

5 可能的影響機(jī)制

圖6給出了17個(gè)EPECE的（60°N～90°N，30°W～120°E）區(qū)域平均的合成PV擾動(dòng)場?？梢钥闯觯琍V異常首先出現(xiàn)在30～50 hPa的中平流層（第―20天左右，強(qiáng)度約為―1×10?5s?1），隨后逐漸向下伸展并增強(qiáng)。第―15天左右，對(duì)流層中上層開始出現(xiàn)較強(qiáng)的PV負(fù)異常。第―10天，出現(xiàn)了兩個(gè)PV異常的極小值區(qū)，分別位于對(duì)流層400 hPa左右和平流層50～70 hPa左右。從PV異常的水平分布來看，第―10天，50 hPa上主要存在兩個(gè)異號(hào)的PV異常（圖7a），其中心分別位于東半球的巴倫支海和西半球的維多利亞島附近。由于西半球的平流層PV異常對(duì)東半球?qū)α鲗痈叨犬惓５挠绊戄^小（圖略），后文將重點(diǎn)討論東半球平流層PV異常的影響。與平流層情形不同的是（圖7a），在400 hPa（圖7b）上，PV異常的分布形勢較復(fù)雜，出現(xiàn)了多個(gè)大范圍的正、負(fù)PV異常中心。經(jīng)分析，盡管這些中高緯度的正、負(fù)PV異常各自能在平流層產(chǎn)生引起較強(qiáng)的高度異常，但它們的影響存在相互抵消作用。因此，后文將分析對(duì)流層（45°N～90°N，60°W～120°E）范圍內(nèi)所有PV異常對(duì)平流層高度異常的整體影響。若對(duì)整個(gè)北半球的對(duì)流層PV異常反演，后文結(jié)果不會(huì)被定性改變。需指出的是，位于巴倫支海及其下游巴爾喀什湖北側(cè)的負(fù)、正PV異常（圖7b）基本對(duì)應(yīng)著EPECE典型的大型斜脊、斜槽的異常環(huán)流形勢。Bueh et al.（2011b）指出，斜脊與斜槽之間存在著強(qiáng)烈的波能量向下游頻散 的特征。換而言之，斜脊的出現(xiàn)有利于斜槽的出現(xiàn)。據(jù)此，本節(jié)將以第―10天（平流層信號(hào)最強(qiáng)）為例，重點(diǎn)分析平流層PV異常如何影響巴倫支海附近的環(huán)流異常。

圖6 同圖3（a），但為合成的PV異常場，區(qū)域平均的范圍為（60°～90°N，30°W～120°E），單位為10?5 s?1。淺陰影和深陰影分別為小于―1×10?5 s?1和―2×10?5 s?1的區(qū)域

圖7 同圖6，但為（a）50 hPa和（b）400 hPa上的PV異常。深、淺陰影分別為小于―3×10?5 s?1、大于3×10?5 s?1的區(qū)域；等值線間隔在（a）和（b）中分別為1.5×10?5 s?1和3×10?5 s?1；零線均已略去

圖8給出了17個(gè)EPECE第―10天300 hPa上的高度異常場（圖8a）及通過反演PV異常場得到的高度異常場（圖8b、c）?？梢钥闯?，通過反演整個(gè)PV異常（對(duì)流層和平流層）后，巴倫支海附近的高度正異常（圖8b）的強(qiáng)度與原高度異?；疽恢拢▓D8a），中心強(qiáng)度均約為＋280 m。這為后文進(jìn)一步利用分部PV反演分析提供了基礎(chǔ)。實(shí)際上，若為分析局地影響而將公式（1）中的取為巴倫支海附近[如（50°N～90°N，40°W～130°E）]區(qū)域平均的氣候平均值，本文結(jié)果不會(huì)被定性的改變。若僅考慮平流層（200 hPa至10 hPa）巴倫支海附近（60°N～90°N，30°W～120°E）的PV異常，反演得到的300 hPa上的高度異常的中心位置與實(shí)際位置基本吻合，其強(qiáng)度達(dá)＋80 m左右，約占整個(gè)高度異常（圖8a）強(qiáng)度的1/4～1/3。500 hPa的情況與此類似（圖略）。實(shí)際上，通過反演平流層各層PV異常后發(fā)現(xiàn)，這種影響主要來自于該地區(qū)70 hPa及其以下層次上的平流層PV異常（圖略），這與前人認(rèn)為的平流層中低層的環(huán)流異常更易引起對(duì)流層環(huán)流異常的結(jié)論相一致（Colucci，2010；Hinssen et al.，2010）。

圖8 第―10天300 hPa上的高度異常場：（a）17個(gè)EPECE的合成；（b）整個(gè)PV異常的反演場；（c）僅反演平流層PV異常；（d）同（a），但為100 hPa上的高度異常場；（e）僅反演對(duì)流層PV異常得到的100 hPa高度異常。單位為m；（a）、（b）和（d）中的等值線間隔為40 m，（c）和（e）中為20 m, 零線均已略去

若僅反演對(duì)流層（45°N～90°N，60°W～120°E）范圍內(nèi)所有PV異常，可發(fā)現(xiàn)其在平流層中的影響隨高度減弱。這里僅討論100 hPa上的反演高度異常場（圖8e）。與圖8d比較，反演出的100 hPa正高度異常中心的位置處于實(shí)際中心位置的偏西北，且其中心強(qiáng)度較弱（＋20 m左右），約占實(shí)際異常中心強(qiáng)度的1/16。這表明來自對(duì)流層PV異常的整體局地影響較弱。實(shí)際上，該情況在更早時(shí)刻（比如第―15天）也是如此。

綜上所述，前期巴倫支海附近的平流層PV異常可影響到該地區(qū)的對(duì)流層高度異常，進(jìn)而與EPECE的發(fā)生建立聯(lián)系。

6 結(jié)論和討論

本文利用NCEP/NCAR再分析資料，對(duì)52次我國大范圍持續(xù)性極端低溫事件的前期平流層信號(hào)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，有17個(gè)事件在其開始日期前10天左右巴倫支海附近出現(xiàn)正高度異常信號(hào)（＞1）。該正高度異常信號(hào)隨后緩慢向東移動(dòng)，并在開始日期前5天左右引起貝加爾湖西北側(cè)地區(qū)緯向風(fēng)場的異常。至于平流層高度場信號(hào)如何聯(lián)系到10天后EPECE的發(fā)生，本文通過PV反演分析發(fā)現(xiàn)，巴倫支海地區(qū)的平流層PV異常可解釋對(duì)流層中高度異常強(qiáng)度的約1/4。這同時(shí)也表明，平流層前兆信號(hào)并不是導(dǎo)致EPECE事件是否發(fā)生的唯一或決定因子。

表2 兩種再分析資料得到的P_EPECE開始日期及其兩者之間的偏差日數(shù)?！啊北硎驹撛俜治鲑Y料沒有分析得到P_EPECE或偏差日缺省

根據(jù)上述環(huán)流特征，本文提出了EPECE的兩個(gè)平流層前兆信號(hào)的判別條件。條件一為巴倫支海附近出現(xiàn)正信號(hào)（＞1），若其能夠持續(xù)至少5天，則認(rèn)為在該第5天后的第8天可能會(huì)發(fā)生EPECE。條件二，由條件一預(yù)期的發(fā)生日期前5天內(nèi)至少有一天在200 hPa上貝加爾湖西北側(cè)地區(qū)出現(xiàn)緯向風(fēng)減弱（＜―0.5）。通過對(duì)歷史資料進(jìn)行分析后，除實(shí)際發(fā)生的14個(gè)EPECE外，還有50個(gè)事件滿足這兩個(gè)條件。進(jìn)一步對(duì)這50個(gè)事件進(jìn)行合成分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)流層上層300 hPa的高度異常呈大型斜脊/斜槽式分布，我國北方地區(qū)出現(xiàn)了地面氣溫負(fù)異常。該結(jié)果與實(shí)際EPECE的合成結(jié)果十分類似。因此，至少可以說，本文提出的判別條件一基本可以提前一周判斷是否會(huì)發(fā)生一次低溫事件。而條件二可以進(jìn)一步提高其預(yù)測的準(zhǔn)確率。但必須指出，預(yù)測出的低溫事件能否持續(xù)或是否極端（即滿足Peng and Bueh（2011）提出的EPECE標(biāo)準(zhǔn)），還需加強(qiáng)對(duì)對(duì)流層信號(hào)和其他平流層信號(hào)的監(jiān)測。

從個(gè)例研究來看（Bueh et al.，2011b），對(duì)流層中的低頻Rossby波的傳播及高頻瞬變渦動(dòng)的反饋強(qiáng)迫作用對(duì)EPECE的發(fā)生和維持起著十分重要的作用。此外，Zeng（1983）從理論上指出，擾動(dòng)的形態(tài)與急流位置之間的配置關(guān)系能影響擾動(dòng)的維持和發(fā)展。符仙月和布和朝魯（2013）也發(fā)現(xiàn)，降水偏多的和偏少的EPECE在斜脊/斜槽空間尺度、高空的急流異常、低緯度環(huán)流系統(tǒng)的異常方面上均表現(xiàn)出較大的差異。因此，若要進(jìn)一步排除50個(gè)P_EPECE，還需進(jìn)一步分析這50個(gè)事件在對(duì)流層動(dòng)力學(xué)特征以及對(duì)流層環(huán)流異常上與14個(gè)EPECE的差異。這是我們下一步研究的重點(diǎn)。

此外，依據(jù)Peng and Bueh（2011）提出的5類EPECE空間分布型，前期出現(xiàn)共同平流層信號(hào)的17個(gè)事件中有9個(gè)事件屬于全國類，4個(gè)東部類，3個(gè)西北—江南類，1個(gè)東北—華北類?？梢?，低溫事件空間分布情況復(fù)雜，同一平流層預(yù)兆信號(hào)并不唯一對(duì)應(yīng)某一空間型事件。這可能與不同類型事件中（1）巴倫支海附近的平流層環(huán)流異常在下傳過程中出現(xiàn)差異進(jìn)而引起對(duì)流層中高緯度環(huán)流異常差異、（2）對(duì)流層中低緯度環(huán)流異常差異以及（3）輻射異常差異等因素有關(guān)。若能進(jìn)一步細(xì)化區(qū)分不同類型低溫事件前兆信號(hào)之間的差異，必將有利于提高我國對(duì)EPECE的預(yù)報(bào)能力。

為檢驗(yàn)本文基于NCEP/NCAR再分析資料所提出的平流層信號(hào)判別方法的適用性，本文分析比較了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的逐日再分析資料ERA-40（Uppala et al., 2005）。具體做法是將本文第3節(jié)提出的判別方法再應(yīng)用于ERA-40，重點(diǎn)比較兩種再分析資料所得結(jié)果的異同。由于ERA-40再分析資料僅覆蓋1957年9月至2002年8月時(shí)段，分析比較僅在該時(shí)段中進(jìn)行。結(jié)果表明，在這42年冬季中，ERA-40資料可挑出46個(gè)P_EPECE，而NCEP/NCAR資料可挑出47個(gè)（表2）。若允許兩種資料所預(yù)測的P_EPECE開始日期之間相差3天、2天和1天以內(nèi)，則分別有44個(gè)、42個(gè)和39個(gè)事件可被兩種再分析資料共同預(yù)測得到。這表明本文的判別方法應(yīng)用于兩種再分析資料后所得分析結(jié)果基本一致，具有較好的適用性。該結(jié)果的出現(xiàn)應(yīng)當(dāng)與本文在提取平流層信號(hào)時(shí)并不使用距平場本身，而是用標(biāo)準(zhǔn)化的距平場有關(guān)。由于后者考慮進(jìn)局地的氣候變率（標(biāo)準(zhǔn)差），是一種相對(duì)量，因而在討論環(huán)流異常時(shí)可以較好地減小不同資料中的系統(tǒng)性誤差或差異。

此外需要特別指出的是，52個(gè)EPECE中還存在一些事件在前期平流層（10～30 hPa）的中低緯度出現(xiàn)位勢高度場的負(fù)信號(hào)（＞―1）。有研究表明，對(duì)于整個(gè)緯向平均的全球大氣而言，存在著異常環(huán)流從平流層低緯向高緯并向下傳播的特征，當(dāng)?shù)诌_(dá)極區(qū)對(duì)流層頂附近后，異常環(huán)流會(huì)在對(duì)流層中從高緯向低緯傳播，整個(gè)周期較長，約為110天（Cai and Ren，2006，2007；Ren and Cai，2006，2007；陳文和魏科，2009）。實(shí)際上，這種起始于熱帶地區(qū)的環(huán)流異常的經(jīng)向傳播特征存在于“0801”事件中向純怡等（2009），它加強(qiáng)了2個(gè)月后偏向東亞地區(qū)的平流層極渦。但對(duì)于其他EPECE，其極渦的變化是否能夠聯(lián)系到2個(gè)月前的熱帶地區(qū)環(huán)流異常？對(duì)該問題的深入研究將為我們?cè)诟L時(shí)間上預(yù)測EPECE的發(fā)生提供可能。

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A Specific Stratospheric Precursory Signal for the Extensive and Persistent Extreme Cold Events in China

SHI Ning1and BUEH Cholaw2, 3

1,,,210044;2,,,100029;3,,,100029

On the basis of daily NCEP/NCAR data sets, this study investigates a stratospheric circulation precursor for the extensive and persistent extreme cold events (EPECEs) in China. Results show that 17 out of 52 EPECEs are characterized by a specific stratospheric circulation precursor. The precursor exhibits itself clearly in two aspects. (1) Strong positive geopotential height anomalies occur around the Barents Sea in the lower stratosphere (100 hPa) 10 days prior to the occurrence of the EPECE. (2) In relation to the eastward movement of the positive height anomalies, the zonal wind over the northwest of Lake Baikal is weakened significantly at 200 hPa about 5 days before the occurrence of an EPECE. According to these stratospheric precursor circulation features, two initial assessment conditions are proposed. To test prediction accuracy, the two assessment conditions are applied to the daily low-frequency data of all winter seasons (November to March) from 1949 to 2009. Results show that our two proposed assessment conditions, at least to some extent, can enable the prediction of the occurrence date of an EPECE. Regarding the physical mechanism of the influence of the stratospheric circulation precursor on the EPECE, potential vorticity (PV) inversion analysis shows that the mid and lower stratospheric PV anomalies around the Barents Sea can induce the geopotential height anomalies at the upper and midtroposphere. In particular, 25% of the real amplitude of the latter originates from the influence of former.

Stratospheric precursory signal, Extensive and persistent extreme cold events, PV inversion

1006?9895(2015)01?0210?11

P466

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1403.13309

2013?11?12；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2014?05?23

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目2009BAC51B02，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41375064、41105042，公益性行業(yè)科研專項(xiàng)GYHY201406022，江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD），江蘇省“青藍(lán)工程”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

施寧，男，1982年出生，副教授，主要從事中高緯度大氣動(dòng)力學(xué)研究。E-mail: shining@nuist.edu.cn