北極濤動對華南地區(qū)寒潮的影響

李彩玲，余廣昌，王華

（1．佛山市氣象局，廣東佛山 528000；2．廣東省氣候中心，廣東廣州 510080）

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北極濤動對華南地區(qū)寒潮的影響

李彩玲1，余廣昌1，王華2

（1．佛山市氣象局，廣東佛山 528000；2．廣東省氣候中心，廣東廣州 510080）

摘 要：利用1860—2010年（NCEP/ NCAR）再分析資料和我國同期548個氣象觀測站的日最低氣溫與日平均氣溫資料，分析華南地區(qū)寒潮爆發(fā)次數(shù)、爆發(fā)路徑與北極濤動（AO）的相關(guān)關(guān)系，并結(jié)合冬季大氣環(huán)流異常研究了AO對華南寒潮過程的影響。結(jié)果表明：AO指數(shù)與華南寒潮爆發(fā)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)；AO指數(shù)為正時，AO偏弱，寒潮爆發(fā)次數(shù)較少，中層?xùn)|亞大槽偏弱，出現(xiàn)異常東南風(fēng)，不利于冷空氣向南擴(kuò)散，對寒潮爆發(fā)起阻礙作用；當(dāng)AO指數(shù)為負(fù)時，AO偏強(qiáng)，影響華南的寒潮偏多，中層?xùn)|亞大槽偏強(qiáng)，出現(xiàn)異常西北風(fēng)，有利于冷空氣向南擴(kuò)散，對寒潮爆發(fā)起加強(qiáng)作用。由于AO與寒潮的爆發(fā)次數(shù)有著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，在寒潮過程中冷空氣的輸送路徑的確定可以為預(yù)報提供一定依據(jù)。AO與寒潮爆發(fā)路徑分析結(jié)果表明，AO異常強(qiáng)年，低層冷氣團(tuán)輸送異常，從蒙古出發(fā)折向日本，在日本南部轉(zhuǎn)向華南地區(qū)輸送，另一路冷氣團(tuán)由西伯利亞出發(fā)，到青海一帶折向廣西輸送，并在廣西區(qū)域折向華南地區(qū)輸送，AO異常弱年并沒有明顯異常冷氣團(tuán)輸送。

關(guān)鍵詞：氣候?qū)W；北極濤動；寒潮；冷氣團(tuán)輸送；華南地區(qū)

李彩玲，余廣昌，王華．北極濤動對華南地區(qū)寒潮的影響［J］．廣東氣象，2016，38（3）：12 -16．

北極濤動（AO）是北半球冬季熱帶外行星尺度大氣環(huán)流最重要的一個模態(tài)，對北半球及區(qū)域氣候有重要影響。Thompson和Wallace［1 -2］早期通過分析北半球海平面氣壓場發(fā)現(xiàn)在極地和中高緯度之間存在一種反相的“蹺蹺板”形式的振蕩，AO通過北半球高緯度大氣環(huán)流年際變率的主分量分析的第一模態(tài)計算獲得，其時間序列定義為AO指數(shù)，當(dāng)AO處于正相位時，時間序列為正，反之亦然。研究表明我國冬季氣溫與AO變化存在正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)AO處于正相位時，我國東北、華北以及山東的冬季會偏暖，AO對于中國冬季氣候有著重要作用［3］。

寒潮是一種大范圍的天氣過程，在全國各地都可能發(fā)生，會出現(xiàn)大范圍的劇烈降溫、大風(fēng)和雨雪天氣，引發(fā)霜凍、雪災(zāi)、雨凇等多種自然災(zāi)害，寒潮帶來的自然災(zāi)害會對電力、農(nóng)業(yè)、交通和經(jīng)濟(jì)活動造成較大影響，而寒潮帶來的大風(fēng)對沿海地區(qū)造成的影響也是巨大的［4］。由于我國幅員遼闊，南方和北方氣候差異很大，一般而言，南方采用的寒潮標(biāo)準(zhǔn)是：24 h降溫8℃以上，或48 h降溫10℃以上，同時最低溫度低于5℃［4 -5］。2016年初寒潮侵襲華南地區(qū)，廣東中南部遭遇了氣候歷史上難得一遇的降雪天氣，該過程是由極地冷渦爆發(fā)導(dǎo)致的強(qiáng)寒潮過程，對華南地區(qū)造成很大的影響。近年有對華南地區(qū)進(jìn)行寒潮過程的研究［6 -12］，主要集中在對寒潮天氣的物理過程分析以及局地的寒潮過程分析較多，但是AO對華南寒潮的影響分析相對較少，本研究將著重討論兩者的關(guān)系及對流場的分析。

1　資料與方法

本研究使用的資料包括美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心（NCEP/ NCAR）再分析資料，中國氣象局提供的全國548個氣象觀測站日最低氣溫與日平均氣溫數(shù)據(jù)。AO指數(shù)的定義方法按照David Thompson提供，根據(jù)NCEP/ NCAR再分析海平面氣壓資料計算得到，資料選取時段均為1860—2010年；冬季平均指的是12月到次年2月的平均。

采用經(jīng)驗正交分解（EOF）以及合成和回歸等統(tǒng)計方法，分析冬季氣溫的時空分布特征。由于各類數(shù)據(jù)資料都存在全球氣候變暖的線性趨勢，本研究對所用數(shù)據(jù)均使用8年以下的高通濾波濾去了線性趨勢與內(nèi)部的長周期，只考慮較高頻的年際變化，來研究AO變化對華南冬季寒潮爆發(fā)的影響［13］。

借鑒水汽輸送的定義方式，本研究定義冷氣團(tuán)輸送作為寒潮強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，計算冷氣團(tuán)輸送公式為：其中v為風(fēng)速（m/ s）；t為氣溫（℃）；合成矢量能更直觀地觀測冷氣團(tuán)的流向。

2　北極濤動對華南冬季氣溫的影響

圖1給出的是我國548站的冬季平均氣溫與同期的AO指數(shù)的相關(guān)關(guān)系分布圖。我國東北、華北、西北以及長江流域區(qū)域表現(xiàn)為與AO指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，表示當(dāng)AO指數(shù)偏高，即當(dāng)北極濤動偏弱的時候，我國東北、華北、西北以及長江流域氣溫就會偏暖，說明影響該地區(qū)的寒潮可能偏弱。在中國中北部地區(qū)表現(xiàn)為與AO指數(shù)負(fù)相關(guān)，表示當(dāng)AO指數(shù)偏高，即當(dāng)北極濤動偏弱的時候，我國東北、華北、西北以及長江流域區(qū)域氣溫就會偏冷，說明影響該地區(qū)的寒潮可能偏強(qiáng)。

圖1 我國冬季平均氣溫與同期的AO指數(shù)相關(guān)系數(shù)分布

從圖1中看到華南地區(qū)AO指數(shù)與寒潮只有較弱的正相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)致此情況出現(xiàn)主要可能是因為寒潮過程對華南地區(qū)平均氣溫的影響較弱，華南地區(qū)處于亞熱帶區(qū)域，寒潮過程過后升溫速度快，并且因為寒潮過程為短期過程，氣候態(tài)會把寒潮過程過濾掉，導(dǎo)致華南地區(qū)冬季平均溫度與AO指數(shù)的相關(guān)性偏弱。據(jù)此本研究使用能代表當(dāng)年短期變化的冬季寒潮次數(shù)作為分析對象，根據(jù)華南地區(qū)寒潮的定義，考慮地理分布，分析選取105°E—120°E、18°N—26°N范圍內(nèi)的站點(diǎn)作為華南地區(qū)的特征站［14］。圖2使用AO指數(shù)與冬季寒潮次數(shù)相關(guān)關(guān)系分析在廣東區(qū)域外的華南區(qū)域基本以負(fù)相關(guān)為主，當(dāng)AO指數(shù)為正時，北極濤動偏弱，影響廣東區(qū)域外的華南區(qū)域寒潮偏少；而在廣東區(qū)域內(nèi)以正相關(guān)為主，當(dāng)AO指數(shù)為正時，北極濤動偏弱，影響廣東的寒潮偏多。由于廣東正相關(guān)偏弱，因此本研究主要分析導(dǎo)致華南地區(qū)北部負(fù)相關(guān)的主要因素。由于廣東區(qū)域北部有南嶺的阻隔作用，所以在此猜想南嶺的阻隔作用導(dǎo)致廣東區(qū)域內(nèi)寒潮出現(xiàn)的次數(shù)減少并且對AO信號有阻隔作用。

圖2 我國冬季寒潮出現(xiàn)次數(shù)與同期AO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分布

3　寒潮爆發(fā)環(huán)流條件分析

上述分析表明在冬季AO和華南區(qū)域以北有著密切的聯(lián)系。由于AO作為一個冬季全球的氣候重要信號，大量研究表明AO對于冬季環(huán)流變化有著重要影響［15 -17］。本研究以1倍標(biāo)準(zhǔn)差作為界限，對AO指數(shù)進(jìn)行分類討論，選取了1作為閾值，定義AO指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化＞1的年份為高值年［18］，定義AO指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化＜-1的年份為低值年，得到高值年為：1872、1875、1888、1888、1881、1882、1888、2006、2007年，共8年；低值年為：1860、1862、1865、1868、1868、1876、1885、2008年，共8年。

由圖3可知，AO指數(shù)為高值年時，東北區(qū)域有正值中心向東西延伸，南部有負(fù)值中心存在；AO指數(shù)為低值年時，東北區(qū)域?qū)?yīng)有負(fù)值中心，而南部表現(xiàn)為條帶狀的正值區(qū)域。在氣候態(tài)中東亞大槽位于亞洲大陸東岸，槽線一般穩(wěn)定在120° E—130°E，在圖3中可以看到東亞大槽的氣候位置上，AO指數(shù)高、低值年都存在一個異常的氣壓中心，表明AO對于東亞大槽的調(diào)整有著重要作用，當(dāng)AO指數(shù)高值年時，北極濤動偏弱，對應(yīng)的東亞大槽為異常正中心，即東亞大槽偏弱，不利于冷空氣由北到南的輸送；當(dāng)AO指數(shù)低值年時，北極濤動偏強(qiáng)，對應(yīng)的東亞大槽為異常負(fù)中心，即東亞大槽偏強(qiáng)，有利于寒潮向華南地區(qū)輸送。

圖3 AO指數(shù)高值年（a）和低值年（b）合成的500 hPa位勢高度（單位：dagpm）異常分布

由于東亞大槽對于寒潮爆發(fā)有著明顯作用，500 hPa上的風(fēng)速作為東亞大槽衡量指標(biāo)之一，并且風(fēng)對冷空氣的輸送起著重要作用。分析可知，由西伯利亞到西太平洋方向的冷空氣路徑在AO高低值年表現(xiàn)出相反方向的異常路徑。當(dāng)AO指數(shù)處于高值年時（圖4a），異常風(fēng)方向東南向西北，不利于冷空氣輸送路徑的建立，同時東亞大槽位置出現(xiàn)反氣旋式渦旋異常，也不利于東亞大槽的建立；當(dāng)AO指數(shù)處于低值年時（圖4b），異常風(fēng)方向西北向東南，有利于冷空氣輸送路徑的建立，同時東亞大槽位置出現(xiàn)氣旋式渦旋異常，有利于東亞大槽的建立。

而冷空氣使地面溫度遞減主要是低層冷空氣擴(kuò)散的作用，所以本研究對AO指數(shù)高、低值年合成的850 hPa風(fēng)場異常的分布進(jìn)行分析。從圖4c可以看到，在AO指數(shù)為正值時，有由西太平洋到內(nèi)蒙古的風(fēng)場異常出現(xiàn)，不利于低層冷空氣的向南擴(kuò)散，對于寒潮爆發(fā)有阻礙作用；當(dāng)AO指數(shù)為負(fù)值時（圖4d），冷空氣由西伯利亞向東南方輸送，并在30°N附近與由南向北的異常風(fēng)輻合，從而導(dǎo)致寒潮爆發(fā)的冷空氣在30°N附近積累。

圖4 合成的500 hPa（a、b）和850 hPa風(fēng)場（c、d）（單位：m/ s）異常分布

由于AO與寒潮的爆發(fā)次數(shù)有著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，在寒潮過程中冷氣團(tuán)的輸送路徑的確定可以為預(yù)報提供一定依據(jù)。前面已定義冷氣團(tuán)輸送公式（1），冷氣團(tuán)輸送公式表征冷空氣的輸送方向，由公式（1）計算獲得了AO指數(shù)高、低值年合成的850 hPa水平冷氣團(tuán)輸送異常的分布圖（圖5）。由圖5可知，當(dāng)AO指數(shù)在高值年時，有從東南到西北由日本出發(fā)的冷氣團(tuán)輸送異常，而華南地區(qū)的冷氣團(tuán)輸送并沒有明顯出現(xiàn)異常；當(dāng)AO指數(shù)在低值年時，一路冷氣團(tuán)輸送異常從蒙古出發(fā)折向日本，在日本南部轉(zhuǎn)向華南地區(qū)輸送，另一路冷氣團(tuán)由西伯利亞出發(fā)，到青海一帶折向廣西輸送，并在廣西區(qū)域折向向華南地區(qū)輸送。兩路冷氣團(tuán)異常輸送為冬季常見4條冷空氣輸送路徑中的2條［6］。

圖5 AO指數(shù)高值年（a）和低值年（b）合成的850 hPa冷氣團(tuán)輸送（單位：m/ s）異常的分布

4　結(jié)論

本研究著重分析了華南地區(qū)寒潮爆發(fā)次數(shù)、寒潮爆發(fā)路徑與AO的相關(guān)關(guān)系，并且定義了寒潮的冷氣團(tuán)輸送路徑，結(jié)合大氣環(huán)流異常研究了AO對華南寒潮的影響過程，得到如下結(jié)論：

1）AO指數(shù)與寒潮次數(shù)有很好的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)AO指數(shù)為正時，影響廣東區(qū)域外的華南區(qū)域寒潮偏少；而在廣東區(qū)域內(nèi)以正相關(guān)為主，當(dāng)AO指數(shù)為正時，影響廣東的寒潮偏多。

2）當(dāng)AO指數(shù)高值年時，東亞大槽位置出現(xiàn)反氣旋式渦旋異常，東亞大槽偏弱，異常風(fēng)方向東南向西北，不利于冷空氣由北到南的輸送；當(dāng)AO指數(shù)低值年時，東亞大槽位置出現(xiàn)氣旋式渦旋異常，東亞大槽偏強(qiáng)，異常風(fēng)方向西北向東南，有利于寒潮向華南地區(qū)輸送。

3）由于AO與寒潮的爆發(fā)次數(shù)有著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，在寒潮過程中冷空氣的輸送路徑的確定可以為預(yù)報提供一定依據(jù)。AO與寒潮爆發(fā)路徑分析結(jié)果表明，當(dāng)AO指數(shù)高值年時，有由西太平洋到內(nèi)蒙古的風(fēng)場異常出現(xiàn)，不利于低層冷空氣向南擴(kuò)散，對于寒潮爆發(fā)有阻礙作用；當(dāng)AO指數(shù)低值年時，冷氣團(tuán)輸送異常從蒙古出發(fā)折向日本，在日本南部轉(zhuǎn)向華南地區(qū)輸送，另一路冷氣團(tuán)由西伯利亞出發(fā)，到青海一帶折向廣西輸送，并在廣西區(qū)域折向華南地區(qū)輸送。

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Effect of Artic Oscillation on Cold Waves in Southern China

LI Cai-ling1，YU Guang-chang1，WANG Hua2
（1．Meteorological Bureau of Foshan City，F(xiàn)oshan 528000；2．Climate Center of Guangdong Province，Guangzhou 510080）

Abstract：With the NCEP/ NCAR reanalysis data for 1860 -2010 and daily minimum and mean temperatures from 548 weather stations across China during the same period，we analyzed the correlation between the times of cold waves outbreaks and paths of outbreaks and the Arctic Oscillation（AO）and studied its effect on the cold waves in southern China．The result is shown as follows．The AO index is negatively correlated with the times of cold waves outbreaks in southern China；when it is positive，the AO is weaker，cold waves have fewer outbreaks，a mid - level East Asian trough is weaker，and an anomalous southeasterly appears to make it hard for the cold air to spread southward，blocking the outbreak of cold waves，and when it is negative，the AO is stronger，the cold waves affecting the southern China are more frequent，the trough is stronger，and an anomalous northwesterly occurs to facilitate the southward spread of the cold air，strengthening the outbreaks of cold waves．As the AO is well correlated with the outbreak times of cold waves，the determination of cold air transporting paths during cold waves can be supportive to forecasting．As shown in an analysis of the relationship between the AO and the outbreak paths of cold waves，the anomalously strong AO years are accompanied with the transportation of anomalous low - level cold air masses while the anomalously weak AO years are not．In the former case，one route of cold air mass starts off from Mongolia and then diverts to Japan before traveling from the south of Japan to southern China，and the other route sets off from Siberia to pass Qinghai before diverting to Guangxi and then southern China．

Key words：climatology；Arctic Oscillation；southern China；cold waves；transportation of cold air mass

中圖分類號：P46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．003

收稿日期：2015 -08 -20

基金項目：佛山市氣象局科學(xué)技術(shù)研究項目（201308）

作者簡介：李彩玲（1881年生），女，碩士，工程師，主要從事短期天氣預(yù)報工作。E - mail：35440483＠qq．com