強(qiáng)厄爾尼諾事件下2016年1月中國(guó)南方超級(jí)寒潮的動(dòng)力學(xué)機(jī)制:瞬變波對(duì)大氣長(zhǎng)波異常的調(diào)制

施春華,蔡雯昳,金鑫

南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

強(qiáng)厄爾尼諾事件下2016年1月中國(guó)南方超級(jí)寒潮的動(dòng)力學(xué)機(jī)制:瞬變波對(duì)大氣長(zhǎng)波異常的調(diào)制

施春華*,蔡雯昳,金鑫

南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

2016-08-01收稿，2016-09-03接受

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375047;91537213;41675039)

本文采用Plumb三維波活動(dòng)通量和局地Eliassen-Palm通量診斷方法,利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的逐日再分析資料ERA-Interim,分析了超強(qiáng)厄爾尼諾背景下2016年1月下旬中國(guó)南方超級(jí)寒潮的動(dòng)力學(xué)機(jī)制:瞬變波對(duì)大氣長(zhǎng)波異常的調(diào)制。前期2015年12月的北大西洋海表熱通量正異常,有助于后期大西洋阻塞形勢(shì)的維持。大氣長(zhǎng)波能量沿大圓路徑從大西洋阻高經(jīng)烏拉爾地區(qū)向東亞中低緯度傳播并在此輻合,導(dǎo)致了烏拉爾阻高和華北橫槽的經(jīng)向結(jié)構(gòu),更多強(qiáng)冷空氣聚集在異常偏南的緯向槽線附近。寒潮爆發(fā)前夕,2支瞬變波列活躍在亞歐大陸。北支瞬變波列調(diào)制了北方的大氣長(zhǎng)波,使橫槽轉(zhuǎn)豎;南支瞬變波列協(xié)同調(diào)控了南方的大氣長(zhǎng)波,使南支印緬槽減弱;兩者共同作用,促使冷平流大舉南下,直達(dá)華南沿海,南方寒潮發(fā)生。

南方寒潮

大氣長(zhǎng)波

瞬變波

阻塞高壓

橫槽

2015/2016年厄爾尼諾(El Ni?o)事件是半個(gè)世紀(jì)以來最強(qiáng)的El Ni?o事件。與1997/1998年El Ni?o事件相比其持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)(21個(gè)月比14個(gè)月),Ni?o3.4指數(shù)峰值更強(qiáng)(3.0比2.8)。在此背景下,2016年1月下旬,中國(guó)南方經(jīng)歷了一次罕見的超級(jí)寒潮過程,華東地區(qū)經(jīng)歷了-10 ℃左右的極端低溫,華南地區(qū)的最低溫度也在0 ℃左右,南方地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活深受影響。雖然我國(guó)科學(xué)家在ENSO機(jī)理及預(yù)測(cè)(黃榮輝等,2003;李崇銀等,2008)領(lǐng)域取得許多重要的成果。但對(duì)ENSO異常期間天氣尺度的極端擾動(dòng)事件的認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)備尚不充分,例如2008年初我國(guó)南方在拉尼娜背景下發(fā)生的冰凍災(zāi)害,2016年初我國(guó)南方卻是在強(qiáng)厄爾尼諾事件背景下發(fā)生超級(jí)寒潮。而通常認(rèn)為厄爾尼諾年對(duì)應(yīng)暖冬(曹艷艷等,2015;李麗平等,2015)。這超出了地方政府和民眾的預(yù)案,給南方人民的生活帶來了極大的困擾。

受厄爾尼諾影響,2015年12月,北大西洋和北極地區(qū)曾發(fā)生了異常增暖事件,這本身受環(huán)流異?？刂?但該異常引起的熱通量異常,很可能給后期亞歐大陸的環(huán)流形勢(shì)帶來深刻影響(Han et al.,2011)。鄧淑梅等(2015)曾指出,行星波的形態(tài)和位置變化對(duì)我國(guó)冬季的低溫事件有影響。陳海山等(2012)曾指出,我國(guó)冬季極寒事件常與西歐過來的兩支瞬變波列的強(qiáng)度有關(guān)。本文試圖分別從大氣長(zhǎng)波和瞬變波異常及其相互作用的角度,討論厄爾尼諾背景下2016年1月下旬中國(guó)南方極低溫事件的發(fā)生發(fā)展機(jī)制。

1 資料和方法

本研究采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的再分析資料(ERA-Interim;Dee et al.,2011),分別使用了其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)00時(shí)的逐日資料和月平均資料。還用到了美國(guó)家海洋大氣管理局(NOAA)的擴(kuò)展重建海溫(ERSST;Smith ad Reynolds,2003)和NCEP/NCAR再分析月平均表面感熱和潛熱通量資料。

圖1 2001—2015年1月平均的500 hPa位勢(shì)高度(等值線;單位:gpm)和溫度(陰影;單位:℃)(a);2016年1月相對(duì)圖1a的異常(b);2001—2015年1月平均的850 hPa水平風(fēng)速(箭矢;單位:m·s-1)和表面溫度(陰影;單位:℃)(c);2016年1月相對(duì)圖1c的異常(d)Fig.1 (a)The mean geopotential height(contours;units:gpm) and mean temperature(shading;units:℃) at 500 hPa in January from 2001 to 2015;(b)the anomalies of January 2016 with respect to (a);(c)the mean horizontal wind(vectors;units:m·s-1) at 850 hPa and mean surface temperature(shading;units:℃) in January from 2001 to 2015;(d)the anomalies of January 2016 with respect to (c)

Plumb(1985)提出了三維波活動(dòng)通量(Wave Activity Flux,WAF),可以用來表征大氣超長(zhǎng)波波包在三維空間中的傳播。用地轉(zhuǎn)風(fēng)和熱成風(fēng)關(guān)系改寫后,WAF的診斷方程(Wang and Yasunari,1994):

局地Eliassen-Palm通量(Trenberth,1986)能有效描述瞬變波對(duì)時(shí)間平均流的作用。局地Eliassen-Palm 通量的計(jì)算如下:

(2)

上標(biāo)“-”和“′”分別表示時(shí)間平均和緯向偏差。通過分析局地Eliassen-Palm通量及其散度,可以了解瞬變波的能量傳播及其對(duì)風(fēng)場(chǎng)的加減速作用.

2 環(huán)流異常

在超級(jí)厄爾尼諾背景下,2016年1月有顯著的環(huán)流異常(圖1b),500 hPa極渦減弱,極地偏暖4～5 ℃,中高緯波動(dòng)加強(qiáng),亞洲烏拉爾地區(qū)氣壓異常增強(qiáng)。850 hPa表現(xiàn)為繞極西風(fēng)減弱,烏拉爾地區(qū)異常的反氣旋(圖1d),太平洋副高加強(qiáng)。與此相對(duì)應(yīng)的表面溫度異常:極地大范圍增暖5 ℃左右,亞歐北部包括我國(guó)北方偏冷3 ℃左右,但我國(guó)南方卻略偏暖1 ℃左右。通常來講,厄爾尼諾年我國(guó)普遍暖冬,南方1月下旬寒潮爆發(fā)在偏暖的背景下,進(jìn)一步加大降溫幅度,帶來了更大的災(zāi)害。

圖2 2016年1月18—26日(a—i)500 hPa位勢(shì)高度(等值線;單位:gpm)和溫度異常(陰影;單位:℃)的逐日演變Fig.2 Evolution of geopotential height(contours;units:gpm) and temperature anomalies(shading;units:℃) at 500 hPa during (a—i)18—26 January 2016

3 寒潮天氣過程

從1月18日00時(shí)—22日00時(shí)(圖2a—2e),在北大西洋阻塞高壓的背景下,500 hPa烏拉爾高壓脊發(fā)展加強(qiáng)為阻塞高壓。20—22日,在烏拉爾阻高的東南側(cè),橫槽伴生并加強(qiáng),橫槽內(nèi)的冷空氣聚集,在22日冷異常達(dá)到-15 ℃(圖2e)。23—24日,阻高減弱為高壓脊,位于我國(guó)北方的下游橫槽轉(zhuǎn)為豎槽(圖2g),此后,波動(dòng)迅速減弱并東移入海。

20日00時(shí)—22日00時(shí),高空橫槽仍未轉(zhuǎn)豎,低層中(圖3a—3c),冷平流這主要集中位于朝鮮半島附近,且冷平流帶的大致走向多為西北—東南走向(圖3a),因此,對(duì)于我國(guó)南方地區(qū)影響不大。與此同時(shí),低層的強(qiáng)冷空氣團(tuán)逐步從貝加爾湖以北向南移動(dòng)。到23日00時(shí),伴隨高空橫槽轉(zhuǎn)豎,低層冷平流走向已轉(zhuǎn)為南北走向(圖3d),并且長(zhǎng)驅(qū)直入,從貝加爾湖一直延伸到華南沿海,影響到我國(guó)南方大部地區(qū),造成劇烈降溫。24—25日,我國(guó)南方地區(qū)先后經(jīng)歷了10 ℃左右的降溫(圖3e、3f)。26日后,過程結(jié)束,溫度回升。圖4的逐日最低溫演變顯示,本次寒潮長(zhǎng)三角多地最低溫度創(chuàng)下1991年以來的極值,如上海、南京和杭州的最低溫為-8～-10 ℃;華南多地的最低溫更是創(chuàng)了當(dāng)?shù)亟▏?guó)以來的新紀(jì)錄,如福州的最低溫達(dá)到了-1.9 ℃。

圖3 20—25日(a—f)850 hPa水平風(fēng)速(箭頭;單位:m·s-1)和表面溫度異常(陰影;單位:℃)Fig.3 Evolution of horizontal wind(vectors;units:m·s-1) at 850 hPa and surface temperature anomalies(shading;units:℃) during (a—f)20—25 January 2016

圖4 2016年1月上海、南京、杭州、福州的逐日最低氣溫演變Fig.4 Evolution of minimum temperature(shading;units:℃) at four stations during 15—31 January 2016

4 Rossby波異常

由圖2可見,本次寒潮過程,始終伴隨著大西洋阻塞高壓的背景。熱力強(qiáng)迫是阻塞高壓形成的一個(gè)重要因子(羅哲賢,1989)。大氣對(duì)熱帶外海溫有重要影響,但海溫能夠?qū)Υ髿猱a(chǎn)生反饋,尤其是在冬季(Kushnir et al.,2002)。

圖5a顯示,在寒潮過程前期的2015年12月,盡管北大西洋海溫偏冷,但是其兩側(cè),大西洋西岸和東岸及北冰洋入口處,均存在大范圍的正異常海溫區(qū)。劇烈的海溫梯度異常,通過感熱和潛熱作用,反而造成了北大西洋和北冰洋入口處的海表熱通量正異常,最大異常在100 W·m-2以上(圖5b),是北半球高緯度最大的異常中心。該熱通量異常反映了此時(shí)的海氣相互作用最活躍的地區(qū)主要位于北大西洋。該熱源異常,也反映了該時(shí)期當(dāng)?shù)貏×业娘L(fēng)暴活動(dòng)?；顒?dòng)期間暖空氣的向極輸送加劇了經(jīng)向型環(huán)流形勢(shì),有利于大西洋阻塞的形成。而大西洋阻塞高壓區(qū),常常成為冬季北半球Rossby波活動(dòng)的源區(qū)(Kodera et al.,2013)。

4.1 大氣長(zhǎng)波異常

圖5 2015年12月平均的海表溫度異常(a;單位:℃)和海表熱通量異常(b;感熱和潛熱通量異常之和;單位：W·m-2)Fig.5 The (a)SST anomalies(units:℃)and (b)surface atmosphere-ocean heat flux anomalies(sensible heat net flux added to the latent heat net flux;units:W·m-2) in December 2015

圖6 18—23日(a—f)50～70°N平均的1～4波的波作用通量WAF(箭矢;僅顯示大于25 m2·s-2),垂直分量(陰影;單位:m2·s-2),位勢(shì)高度異常(等值線;單位:gpm)(WAF水平項(xiàng)已乘以;垂直項(xiàng)已乘以;向上(下)白色空心箭頭表示高(低)壓異常的發(fā)展)Fig.6 Longitude-pressure cross sections of the 50—70°N mean zonal anomaly of geopotential height (contours;units:m),WAF (vectors;only>25 m2·s-2 shown) and vertical WAF(shading;units:m2·s-2) of waves 1—4 during (a—f)18—23 January 2016 (WAF components are scaled by horizontally and by vertically)

1月500 hPa位勢(shì)高度異常分布(圖1b)表明,1～4波的擾動(dòng)是月平均尺度異常的主要特征。1～4波反映了大氣的長(zhǎng)波活動(dòng)。圖6和圖7分析了寒潮爆發(fā)前1～4波的逐日波作用通量的水平和垂直傳播。18—23日,大西洋阻塞高壓區(qū)有波作用通量向極、向上傳播(圖7a—7e),但是受波流相互作用的限制,該向東向上傳的波作用通量在對(duì)流層頂附近轉(zhuǎn)為向下傳播(圖6a—6f中60°E西側(cè)的藍(lán)色陰影區(qū)),該區(qū)成為此時(shí)期北半球中高緯大氣超長(zhǎng)波能量下傳最強(qiáng)的區(qū)域。下傳的能量注入促使18—22日烏拉爾阻塞高壓的發(fā)展增強(qiáng)(圖6a—6c中的白色向上空心箭頭,以及圖7a—7d)。Han et al.(2011)曾通過數(shù)值模擬指出,前期北大西洋的熱通量正異常有利于后期烏拉爾阻塞高壓的維持。而這里,大西洋阻塞或高壓脊對(duì)前期熱通量異常的響應(yīng),成為了烏拉爾地區(qū)大氣長(zhǎng)波擾動(dòng)的能量源區(qū)。

烏拉爾阻高強(qiáng)盛后,通過其東側(cè)的波作用通量向東、向上傳播(圖6d—6f中120°E附近的紅色區(qū)域),促使高空槽向下發(fā)展加強(qiáng)(圖6d—6f中的白色向下空心箭頭)。在500 hPa水平圖上,來自烏拉爾阻高區(qū)的波作用通量,向東南方向快速輸送,21—22日在45°N附近呈緯向輻合,促使該輻合帶發(fā)展成橫槽的中心(槽線)(圖7c、7d),橫槽達(dá)到最強(qiáng)階段,對(duì)應(yīng)圖2e橫槽內(nèi)的冷空氣聚集,冷異常達(dá)到-15 ℃以上。23日水平波作用通量在槽區(qū)的輻合停滯,24日槽區(qū)的波作用通量迅速向華南地區(qū)輻散,槽區(qū)的擾動(dòng)能量減弱,橫槽轉(zhuǎn)豎(圖7f)。此后槽區(qū)波作用通量進(jìn)一步向南輻散,槽進(jìn)一步減弱。

在寒潮爆發(fā)前期,持續(xù)的大氣長(zhǎng)波異常,以22日為代表,波作用通量沿大圓路徑(圖7d中的黑曲線),由北大西洋,經(jīng)烏拉爾地區(qū),直達(dá)我國(guó)華北。烏拉爾—華北走向的波活動(dòng)路徑使得槽脊系統(tǒng)保持較大的經(jīng)向跨度,有助于冷空氣向更南的槽內(nèi)積聚,且異常的橫槽結(jié)構(gòu)內(nèi)沿槽線緯向展開能容納更多的冷空氣。該結(jié)構(gòu)的橫槽一旦轉(zhuǎn)豎,其底部直達(dá)華東地區(qū)(圖7f,通常冬季的大槽底部在華北或東北地區(qū)),槽內(nèi)的冷空氣直接控制華東地區(qū),通過低層的冷平流可進(jìn)一步入侵華南。而冬季通常的大氣長(zhǎng)波作用通量的傳播路徑的終點(diǎn)更加偏北、偏東(圖略),東北亞的槽脊系統(tǒng)也趨于緯向排列,通常寒潮爆發(fā)更多的影響我國(guó)北方地區(qū)。

圖8 19—24日平均的500 hPa位勢(shì)高度(等值線;單位:gpm)、局地Eliassen-Palm通量(箭頭;僅顯示大于80 m2·s-2)及其散度(陰影;單位:m·s-2)(粉色和黑色曲線表示波傳播路徑)Fig.8 The mean 500 hPa geopotential height (contours;units:gpm),local E-P flux (vectors;only>80 m2·-2 are shown) and its divergence (shading;units:m·s-2) during 19—24 January 2016 (pink and black curves indicate two great circle routes for transient waves)

4.2 瞬變波對(duì)大氣長(zhǎng)波的調(diào)制

候,對(duì)應(yīng)我國(guó)極冷事件的少發(fā)。

5 結(jié)論

在超強(qiáng)厄爾尼諾背景下,2016年1月下旬中國(guó)南方經(jīng)歷了一次創(chuàng)紀(jì)錄的寒潮事件,是大氣長(zhǎng)波和瞬變波相互作用的結(jié)果。前期2015年12月的北大西洋海表熱通量正異常,活躍的海氣相互作用有利于氣旋風(fēng)暴活動(dòng)期間暖空氣的向極輸送和經(jīng)向型環(huán)流形勢(shì)的形成,有助于大西洋阻塞生成。

受波流相互作用的限制,大西洋阻塞高壓區(qū)向東向上傳的波作用通量,在對(duì)流層頂附近轉(zhuǎn)為向下傳播,加強(qiáng)了烏拉爾地區(qū)的大氣長(zhǎng)波擾動(dòng)。大氣長(zhǎng)波能量進(jìn)一步沿大圓路徑向中低緯度傳播并在此輻合,使得華北上空出現(xiàn)了異常偏南的穩(wěn)定數(shù)日的橫槽。大氣長(zhǎng)波異常導(dǎo)致了烏拉爾阻高和華北橫槽的經(jīng)向結(jié)構(gòu),有助于冷空氣聚集在異常偏南的緯向槽線附近。為南方寒潮爆發(fā)提供了背景條件。

寒潮爆發(fā)前夕,亞歐大陸有2支瞬變波列活躍。北支瞬變波列調(diào)制了北方的大氣長(zhǎng)波,使橫槽轉(zhuǎn)豎;南支瞬變波列協(xié)同調(diào)控了南方的大氣長(zhǎng)波,使南支印緬槽減弱;兩者共同作用,促使冷平流大舉南下,直達(dá)華南沿海,南方寒潮發(fā)生。

致謝:ECMWF、NOAA和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供了在線數(shù)據(jù)下載服務(wù)。

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Modulation by transient waves of atmospheric longwave anomalies:Dynamic mechanism of the super cold wave in South China in the extremely strong El Nio of 2015/2016

SHI Chunhua,CAI Wenyi,JIN Xin

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

A super cold wave occurred in South China in January 2016 against the background of the extremely strong El Nio of 2016/2016.Cities in the Yangtze River Delta experienced their coldest temperatures since 1991;for example,the minimum temperature in Nanjing was -10 ℃.Also,new records for minimum temperature were set in South China;for example,the minimum temperature in Fuzhou was -1.9 ℃.To analyze the dynamic mechanism involved,Plumb’s wave activity flux(WAF) and local Eliassen-Palm flux were computed using ERA-Interim reanalysis data.Harmonic analysis along the parallel circles was performed firstly,to extract the 1—4 wave signal,revealing evident modulation by transient waves of the atmospheric longwave anomalies.The previous positive anomaly of the sea surface heat flux in the North Atlantic in December 2015 benefitted the maintenance of the later Atlantic blocking.The energy of the atmospheric long waves was propagated from the Atlantic blocking to the midlatitudes in East Asia along the great circle.The Urals blocking and transverse trough in East Asia developed well.The meridional distribution of the atmospheric disturbance centers led to more cold air in the transverse trough.Before the outbreak of the cold wave,two transient wave trains were located in Eurasia.The northern one lay along western Europe to East Asia and modulated the rotation of the transverse trough.At the same time,the southern one lay along western Europe to the Bay of Bengal and weakened the India-Burma trough.They came together to favor cold advection moving southwards to South China.The cold wave then occurred in South China.

cold wave in South China;atmospheric long wave;transient waves;blocking;transverse trough

(責(zé)任編輯：張福穎)

施春華,蔡雯昳,金鑫,2016.強(qiáng)厄爾尼諾事件下2016年1月中國(guó)南方超級(jí)寒潮的動(dòng)力學(xué)機(jī)制:瞬變波對(duì)大氣長(zhǎng)波異常的調(diào)制[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(6):827-834. Shi C H,Cai W Y,Jin X,2016.Modulation by transient waves of atmospheric longwave anomalies:Dynamic mechanism of the super cold wave in South China in the extremely strong El Nio of 2015/2016[J].Trans Atmos Sci,39(6):827-834.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160801022.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160801022

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