等熵位渦揭示的一次強(qiáng)寒潮過程中高層擾動(dòng)特征

吳志彥，李宏江，趙海軍，姚麗娜，李旭杰

(1. 威海市氣象局，山東 威海 264200； 2. 臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004；3. 常州市氣象局，江蘇 常州 213022)

等熵位渦揭示的一次強(qiáng)寒潮過程中高層擾動(dòng)特征

吳志彥1，李宏江1，趙海軍2，姚麗娜3，李旭杰1

(1. 威海市氣象局，山東 威海 264200； 2. 臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004；3. 常州市氣象局，江蘇 常州 213022)

采用歐洲中心提供的ERA-Interim每日4次再分析資料，對(duì)2016年1月下旬的一次強(qiáng)寒潮事件進(jìn)行等熵位渦分析。結(jié)果表明，此次強(qiáng)寒潮的爆發(fā)以動(dòng)力對(duì)流層頂下降、高位渦下傳為特征，位渦擾動(dòng)的強(qiáng)度和時(shí)間曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)寒潮的醞釀和爆發(fā)有指示意義。此次強(qiáng)寒潮過程的冷空氣可追溯到歐亞北部的新地島附近和亞洲東北部的對(duì)流層頂，兩股具有高位渦的冷空氣在貝加爾湖附近合并堆積，在轉(zhuǎn)豎橫槽的引導(dǎo)下向南爆發(fā)，形成強(qiáng)寒潮。伴隨寒潮過程的醞釀和爆發(fā)，高位渦強(qiáng)冷空氣向下、向南傳播，并伴隨急流向下伸展。高位渦柱對(duì)應(yīng)強(qiáng)烈發(fā)展并下伸的正渦度柱，表明高位渦引起的垂直拉伸導(dǎo)致顯著的旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)渦后橫槽的強(qiáng)烈加深。對(duì)流層頂呈現(xiàn)大振幅波動(dòng)，來自高層的信號(hào)較低層出現(xiàn)得更早、更強(qiáng)，在動(dòng)力對(duì)流層頂上的信號(hào)比500 hPa表現(xiàn)得更為清楚。

強(qiáng)寒潮； 等熵位渦； 急流； 對(duì)流層頂

引言

位渦與絕對(duì)渦度和靜力穩(wěn)定度有關(guān)，是大氣動(dòng)力和熱力特征的綜合表征。20世紀(jì)40年代，Rossby[1]和Ertel[2]先后提出了位渦和廣義位渦的概念。20世紀(jì)80年代，Hoskins等[3]對(duì)等熵位渦的應(yīng)用作出了系統(tǒng)闡述。位渦理論已成為天氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中的重要研究方法之一[4]。位渦的守恒性可用于隨空間和時(shí)間跟蹤重要的天氣特征[5]。近年來，位渦在天氣氣候事件分析中得到了廣泛應(yīng)用。趙其庚[6-7]認(rèn)為，等熵位渦圖對(duì)分析大尺度天氣過程有明顯優(yōu)點(diǎn)。丁一匯等[8]指出，在冬季，等熵位渦的守恒時(shí)間長(zhǎng)，因此可以根據(jù)等熵位渦的守恒性來追蹤冬季寒潮過程的重要特征。近年的研究[9]也表明，極地渦旋邊緣的高等熵位渦梯度帶(即斜壓帶)，可有效地將不同性質(zhì)的極區(qū)高位渦冷空氣與極渦外部的低位渦暖空氣分割開來。黎惠金等[10]用位渦方法對(duì)2008年初南方低溫雨雪冰凍災(zāi)害進(jìn)行診斷分析，揭示了造成該次南方雪災(zāi)的強(qiáng)冷空氣在不同階段有不同來源。易明建等[11]分析了2008年1月中下旬南方雪災(zāi)期間平流層的極渦變化，指出強(qiáng)冷空氣來自極地平流層中部；平流層高位渦下傳時(shí)，在30°N附近的對(duì)流層切斷出一個(gè)高位渦中心，使南方地區(qū)出現(xiàn)大范圍雨雪冰凍天氣。對(duì)2008年12月的兩次強(qiáng)寒潮事件的等熵位渦分析[12]也表明，寒潮爆發(fā)時(shí)高位渦向下向南傳播，12月下旬強(qiáng)寒潮過程中，高位渦冷空氣的補(bǔ)充使高層冷空氣向下輸送渦度更大，位渦異常較12月上旬的寒潮過程更強(qiáng)。

2016年1月下旬，受冷渦和橫槽影響，中國(guó)出現(xiàn)了一次全國(guó)性強(qiáng)寒潮天氣。西北地區(qū)東部、華北、黃淮、江淮東部、江南東部、華南南部及云南東部等地部分地區(qū)最大降溫幅度達(dá)12～18 ℃，局部超過18 ℃[13]。受強(qiáng)寒潮影響，山東省出現(xiàn)了大風(fēng)、降溫和降雪天氣，海上有7～8級(jí)陣風(fēng)9～10級(jí)偏北大風(fēng)，1月23日和24日早晨山東大部地區(qū)最低氣溫在-12～-18 ℃之間，最低氣溫出現(xiàn)在23日陽信站，為-22.6 ℃，共有10個(gè)測(cè)站日最低氣溫突破歷史極值。該文利用等熵位渦分析方法對(duì)此次強(qiáng)寒潮過程的爆發(fā)機(jī)制進(jìn)行分析，以期揭示其冷空氣來源和傳播特征。

1 資料和方法

1.1 ERA-Interim再分析資料

使用的資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的ERA-Interim每日4次再分析資料，水平分辨率為2°×2°，包含位勢(shì)高度、位渦、風(fēng)、比濕、相對(duì)渦度、海平面氣壓、地面2 m氣溫等要素。ECMWF將數(shù)據(jù)插值到等壓面，部分?jǐn)?shù)據(jù)插值到等位溫面(等熵面)和PV=2 PVU等位渦面。

1.2 等熵位渦和動(dòng)力對(duì)流層頂

在自由大氣中，絕熱運(yùn)動(dòng)的位渦接近守恒。絕熱無摩擦大氣有沿著等熵面做二維運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。位渦的屬性可使其在高空動(dòng)力學(xué)中用作示蹤物。根據(jù)等熵位渦圖可以明確地區(qū)分平流層空氣和對(duì)流層空氣[14]。在等熵坐標(biāo)系下，位渦可表示為：

(1)

在溫帶氣旋活躍的地區(qū)，通常可由PV定義動(dòng)力對(duì)流層頂[16]。動(dòng)力對(duì)流層頂?shù)腜V值通常介于1～4 PVU之間[3,17]。國(guó)內(nèi)學(xué)者指出，在副熱帶急流以北的地區(qū)，PV=2 PVU等位渦面常被用作動(dòng)力對(duì)流層頂[4]。因此，該文使用PV=2 PVU面作為動(dòng)力對(duì)流層頂。

2 寒潮發(fā)展的位渦特征

2.1 動(dòng)力對(duì)流層頂演變

2016年1月，山東省氣溫波動(dòng)幅度較大，上旬偏高，受17日前后和23日前后兩次冷空氣影響，中、下旬氣溫轉(zhuǎn)為持續(xù)偏低。依據(jù)冷空氣劃分標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生在中旬的冷空氣過程達(dá)到中等強(qiáng)度，而發(fā)生在下旬的過程則達(dá)到了全國(guó)性寒潮[13]。

圖1 2016年1月15—26日中國(guó)東部地區(qū)等熵位渦的時(shí)間剖面圖(填色區(qū)為位渦，單位：PVU；黑實(shí)線為等壓線，單位：hPa)Fig.1 The time cross section of isentropic potential vorticity (shaded; unit: PVU) and pressure (contours; unit: hPa) averaged over East China from 15 to 26 Jan. 2016

寒潮的醞釀，往往伴隨著西伯利亞高壓的強(qiáng)烈增幅，而寒潮爆發(fā)過程中，西伯利亞高壓南下，所經(jīng)之處的降溫幅度也是衡量寒潮強(qiáng)度的指標(biāo)之一。依據(jù)此次寒潮過程的動(dòng)態(tài)發(fā)展和影響范圍，結(jié)合已有研究，將(40～60°N，80～120°E)范圍的平均海平面氣壓定義為西伯利亞高壓強(qiáng)度[8]，并取(25～40°N，105～120°E)作為中國(guó)東部地區(qū)，分析其地面2 m平均氣溫和相應(yīng)等位溫面(等熵面)上的擾動(dòng)特征。取1月15—26日時(shí)段，先對(duì)比分析兩次過程動(dòng)力對(duì)流層頂?shù)淖兓闆r。圖1給出了該時(shí)段內(nèi)中國(guó)東部地區(qū)等熵位渦的時(shí)間剖面圖。由圖可見，2016年1月中下旬，中國(guó)東部地區(qū)分別在17日前后和23日前后發(fā)生了兩次較明顯的高層位渦擾動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)著兩次冷空氣活動(dòng)過程。其中23日前后，代表動(dòng)力對(duì)流層頂?shù)? PVU等位渦面下降到315 K等熵面(約為400 hPa)附近，較17日前后的冷空氣過程下降到更低的高度，這也反映了23日前后的強(qiáng)寒潮過程較17日前后中等強(qiáng)度的冷空氣過程強(qiáng)得多。PV=2 PVU的動(dòng)力對(duì)流層頂高度降低，清楚地揭示了高層的動(dòng)力異常。

23日前后的強(qiáng)寒潮過程中，315 K等熵面接近動(dòng)力對(duì)流層頂?shù)母叨?圖1)，因此重點(diǎn)關(guān)注中國(guó)東部地區(qū)的315 K等熵位渦的擾動(dòng)序列，如圖2所示。315 K等熵位渦序列也清楚地揭示了兩次冷空氣活動(dòng)過程(圖2a)，其中17日前后東部地區(qū)平均位渦為1.7 PVU左右，23日前后則達(dá)到2.5 PVU左右，而該地區(qū)1月份315 K平均等熵位渦為1.24 PVU。同時(shí)段西伯利亞高壓強(qiáng)度和東部2 m平均氣溫序列表明(圖2b)，1月17日冷空氣影響前，西伯利亞高壓強(qiáng)度峰值約為1 037 hPa左右，而1月23日前后西伯利亞高壓強(qiáng)烈增幅，其強(qiáng)度峰值達(dá)到1 055 hPa以上，較文獻(xiàn)[8,12]所關(guān)注的寒潮過程也高出10 hPa以上?；贛icaps的常規(guī)觀測(cè)資料顯示，1月21日11時(shí)，西伯利亞高壓中心氣壓達(dá)到1 083.4 hPa。22日，強(qiáng)寒潮開始爆發(fā)，對(duì)比分析表明，中國(guó)東部地區(qū)2 m氣溫的最低值滯后西伯利亞高壓強(qiáng)度峰值期約2 d，再次印證了這一事實(shí)：大規(guī)模的強(qiáng)寒潮事件往往都是隨著西伯利亞高壓的增幅南下而向南爆發(fā)[8]。

圖2 中國(guó)東部地區(qū)315 K等熵位渦(a，單位：PVU)及西伯利亞高壓強(qiáng)度和中國(guó)東部地區(qū)2 m平均氣溫(b，藍(lán)色線為高壓強(qiáng)度，單位：hPa；綠色線為平均氣溫，單位：K)Fig.2 Time series of isentropic potential vorticity on isentropic surface of 315 K averaged over East China (a, unit: PVU) and Siberian high intensity (blue line; unit: hPa) with temperature at 2 m averaged over East China (green line; unit: K)(b)

從圖1、圖2可見，強(qiáng)寒潮的爆發(fā)以動(dòng)力對(duì)流層頂下降、高位渦下傳為特征，先后經(jīng)歷了西伯利亞高壓強(qiáng)烈增幅、東部地區(qū)315 K等熵位渦顯著增大、地面2 m氣溫顯著降低的過程?？梢姡粶u擾動(dòng)的強(qiáng)度和時(shí)間曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)寒潮的醞釀和爆發(fā)有指示意義。

2.2 315 K等熵面位渦分析

此次強(qiáng)寒潮過程屬于橫槽轉(zhuǎn)豎型。圖3給出了19—23日500 hPa位勢(shì)高度和315 K等熵位渦的疊加圖?？梢?，寒潮發(fā)展演變過程先后經(jīng)歷了烏拉爾山高壓脊發(fā)展加強(qiáng)和冷空氣堆積，貝加爾湖附近橫槽南壓，以及橫槽轉(zhuǎn)豎、冷空氣爆發(fā)階段。

18—20日(圖3a)，烏拉爾山附近的長(zhǎng)波脊不斷加強(qiáng)向極地伸展，脊前不斷加強(qiáng)的偏北氣流使冷空氣開始堆積。極渦分裂南下，在新地島附近和亞洲東北部各有一個(gè)中心，此時(shí)中國(guó)東部地區(qū)剛經(jīng)歷了一次冷空氣過程。從疊加的315 K等熵位渦分布可見，4 PVU以上的高位渦與兩個(gè)分裂南下的極渦相對(duì)應(yīng)，新地島附近的高位渦空氣在烏拉爾山脊的北側(cè)分裂南下，開始在貝加爾湖附近的橫槽內(nèi)堆積。

21日20時(shí)(圖3b)，亞洲東北部極渦南壓，烏拉爾山高壓脊也發(fā)展出一個(gè)閉合中心，與其東側(cè)南掉的極渦形成偶極型環(huán)流。脊前橫槽與亞洲東北部極渦環(huán)流結(jié)合，兩股冷空氣在貝加爾湖附近合并堆積，與500 hPa冷渦對(duì)應(yīng)的是315 K等熵面上大片6～7 PVU的高位渦區(qū)。

22日20時(shí)(圖3c)，烏拉爾山附近長(zhǎng)波脊減弱，貝加爾湖附近冷渦及其對(duì)應(yīng)的大片6 PVU以上的高位渦區(qū)顯著南壓至中國(guó)東北—華北一帶；冷渦底部有短波槽東移，橫槽開始轉(zhuǎn)豎。此時(shí)西伯利亞高壓發(fā)展到了峰值期，地面強(qiáng)冷空氣開始向南爆發(fā)。

23日白天(圖3d)，長(zhǎng)波脊減弱西退，冷渦中心迅速東移南壓至中國(guó)東北地區(qū)，橫槽轉(zhuǎn)豎下擺，在轉(zhuǎn)豎橫槽的引導(dǎo)下，高位渦區(qū)迅速東移南壓。對(duì)應(yīng)地面高壓中心氣壓達(dá)1 082.5 hPa，此后冷空氣主體自北向南入侵中國(guó)東部地區(qū)，雪線不斷南壓，多地先后經(jīng)歷了雨雪、寒潮、冰凍等天氣。

圖3 寒潮演變過程500 hPa位勢(shì)高度(黑實(shí)線，單位：dagpm)和315 K等熵位渦(填色區(qū)>4 PVU)疊加圖(a. 19日08時(shí)， b. 21日20時(shí)， c. 22日20時(shí)， d. 23日20時(shí))Fig.3 Temporal evolution of geopotential height of 500 hPa (contours; unit:dagpm) and isentropic potential vorticity on isentropic surface of 315 K (shaded area >4 PVU)(a. 08:00 BST 19 Jan., b. 20:00 BST 21 Jan., c. 20:00 BST 22 Jan., d.20:00 BST 23 Jan.)

綜合分析表明，造成此次強(qiáng)寒潮過程的強(qiáng)冷空氣可追溯到歐亞北部的新地島附近和亞洲東北部的對(duì)流層頂，兩股具有高位渦的冷空氣在貝加爾湖附近合并堆積，在轉(zhuǎn)豎橫槽的引導(dǎo)下向南爆發(fā)，形成強(qiáng)寒潮。等熵位渦的演變反映了高層冷空氣的分布及活動(dòng)，高位渦與冷渦活動(dòng)密切相關(guān)，通過追蹤位渦異常區(qū)(位渦高值區(qū))，可以追蹤冷空氣的來源和傳播。

2.3 位渦下傳特征

針對(duì)此次強(qiáng)寒潮過程，選取冷空氣在貝加爾湖附近堆積時(shí)次(21日20時(shí))和寒潮爆發(fā)時(shí)次(23日08時(shí))，分別過高位渦中心作剖面(圖4)，分析高層位渦和動(dòng)力對(duì)流層頂擾動(dòng)特征，以及位渦異常區(qū)之下對(duì)流層的響應(yīng)。

圖4 過高位渦中心的緯度—等熵面剖面(a-c：21日20時(shí)過110°E剖面，d-f：23日08時(shí)過114°E剖面；填色區(qū)為PV>2 PVU的等熵位渦，紫色線為比濕q=0.1 g·kg-1等值線；a和d疊加了等壓線：黑實(shí)線，單位：hPa，b和e疊加了相對(duì)渦度：黑實(shí)線，單位：10-5 s-1，c和f疊加了風(fēng)速：黑實(shí)線，單位：m·s-1)Fig.4 Latitude-isentropic surface section across high PV center(Along 110°E at 20:00 BST 21 Jan. (a-c) and 114°E at 08:00 BST 23 Jan. (d-f). Displayed are isentropic potential vorticity (shaded area >4 PVU) and specific humidity (q=0.1 g·kg-1, purple contours), with relative vorticity in b and e (contours; unit:10-5 s-1) and wind speed depicted by isotachs in c and f (contours; unit: m·s-1)

剖面分析顯示，除了與平流層主體(延伸至高層)位渦大值區(qū)相連的高PV以外，對(duì)流層低層也出現(xiàn)了一些大于2 PVU的高PV區(qū)。terlak等[18]在建立對(duì)流層頂折疊的識(shí)別算法時(shí)將這些情況進(jìn)行了歸類，認(rèn)為只有與平流層主體PV相聯(lián)的高PV，才認(rèn)為是平流層的。非絕熱加熱造成的PV異常，從動(dòng)力角度考慮并不屬于平流層；考慮其具有高PV和高比濕q的特征，采用比濕閾值q=0.1 g·kg-1來區(qū)分。而極區(qū)地面附近強(qiáng)烈輻射降溫造成的高靜力穩(wěn)定度空氣，以及大地形附近摩擦造成的PV異常，則識(shí)別為地面PV異常。因此，結(jié)合所關(guān)注的個(gè)例，參考以上作法，對(duì)于低層出現(xiàn)的高PV空氣，以q=0.1 g·kg-1的比濕閾值來區(qū)分。如圖4a、d所示，平流層下伸的大于2 PVU的高PV柱，其比濕均在q=0.1 g·kg-1的閾值之下，因此，僅考慮與平流層主體PV相連的2 PVU面作為動(dòng)力對(duì)流層頂。

21日20時(shí)(圖4a)，在中緯度地區(qū)，動(dòng)力對(duì)流層頂呈漏斗狀顯著下伸至500 hPa附近，形成對(duì)流層頂折疊，造成了局地位渦異常。位渦異常區(qū)等壓線稀疏，靜力穩(wěn)定度非常大；其下方等壓線密集，靜力穩(wěn)定度減小。依據(jù)位渦守恒原理，靜力穩(wěn)定度減小，必然導(dǎo)致渦度增加。從圖4b可見，在位渦異常區(qū)的下方，正渦度柱明顯增強(qiáng)并顯著下伸，700 hPa～200 hPa為6×10-5s-1以上的正渦度區(qū)，表明高位渦區(qū)的垂直拉伸導(dǎo)致冷空氣旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)等壓面圖(略)上橫槽的強(qiáng)烈發(fā)展。強(qiáng)風(fēng)速與下傳的高位渦相伴(圖4c)，在其南北兩側(cè)的強(qiáng)位渦梯度區(qū)形成圍繞這一高位渦柱的兩支急流。南側(cè)位渦梯度顯著增大并向上延伸至平流層，與其對(duì)應(yīng)的南側(cè)急流疊加在副熱帶急流上，在副熱帶地區(qū)200 hPa以上出現(xiàn)急流核，局地最大風(fēng)速值在80 m·s-1以上，而30 m·s-1以上的強(qiáng)風(fēng)速區(qū)在位渦異常區(qū)的兩側(cè)下傳到285 K等熵面附近的對(duì)流層中部。

23日08時(shí)(圖4d)，寒潮爆發(fā)，轉(zhuǎn)豎橫槽引導(dǎo)高位渦冷空氣南下。過高位渦中心的剖面顯示，伴隨高位渦向南傳播，高位渦柱也顯著收窄，動(dòng)力對(duì)流層頂下伸至500 hPa附近。與高位渦柱相對(duì)應(yīng)的正渦度柱下伸收窄，并向下向南傳播，在40°N附近的對(duì)流層中下部形成強(qiáng)渦度柱(圖4e)，對(duì)應(yīng)對(duì)流層中低層旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)，渦后橫槽的強(qiáng)烈加深。伴隨動(dòng)力對(duì)流層頂折疊，急流也向下伸展至700 hPa附近(圖4f)。

中國(guó)東部地區(qū)一個(gè)代表格點(diǎn)(35°N，114°E)的相對(duì)渦度的時(shí)間—高度剖面(圖5a)也顯示，23日強(qiáng)寒潮爆發(fā)前后對(duì)流層中高層渦度顯著增強(qiáng)，與17日前后的冷空氣過程相比，其垂直伸展高度更高，中心渦度值也更大。正渦度區(qū)從100 hPa開始增強(qiáng)，在400 hPa附近出現(xiàn)16×10-5s-1以上的強(qiáng)渦度區(qū)，并在寒潮爆發(fā)前后下伸到對(duì)流層中低層，引起渦后橫槽強(qiáng)烈加深。從位勢(shì)高度距平(相對(duì)氣候態(tài))的時(shí)間—高度剖面(圖5b)來看，23日前后800～100 hPa均為明顯的位勢(shì)高度負(fù)距平區(qū)，表明此次寒潮過程冷渦(橫槽)十分深厚。

圖5 2016年1月15—26日(35°N，114°E)的相對(duì)渦度(a，單位：10-5s-1)和位勢(shì)高度距平(b，單位：dagpm)的時(shí)間-高度剖面Fig.5 Time-height cross sections of relative vorticity (a, unit: 10-5 s-1) and geopotential height anomaly (b, unit: dagpm) at 35°N，114°E from 15 to 26 Jan. 2016

以上動(dòng)態(tài)分析顯示，此次寒潮過程在對(duì)流層頂存在明顯的異常信號(hào)。伴隨寒潮過程的醞釀和爆發(fā)，高位渦強(qiáng)冷空氣向下、向南傳播，并伴隨急流向下伸展。高位渦柱對(duì)應(yīng)強(qiáng)烈發(fā)展并下傳的正渦度柱，表明高位渦引起的垂直拉伸導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)顯著增強(qiáng)。

3 動(dòng)力對(duì)流層頂異常

位渦的屬性使其可以在高空動(dòng)力學(xué)中用作示蹤物。如前所述，高空位渦異常表現(xiàn)為高緯度地區(qū)高位渦向南伸展，剖面圖上表現(xiàn)為高位渦的下傳，動(dòng)力對(duì)流層頂高度降低，清楚地揭示了高層的動(dòng)力異常。利用動(dòng)力對(duì)流層頂高度圖，是在預(yù)報(bào)實(shí)踐中應(yīng)用位渦觀點(diǎn)的一個(gè)方法[5]。

圖6a給出了19日08時(shí)2 PVU等位渦面(動(dòng)力對(duì)流層頂)位勢(shì)高度的西北方向俯視圖。等位渦面的位勢(shì)高度高(低)值區(qū)分別對(duì)應(yīng)著反氣旋(氣旋)性環(huán)流。從圖6a可見，在中緯度地區(qū)，動(dòng)力對(duì)流層頂呈現(xiàn)較大振幅的波動(dòng)。在40°N附近的東亞地區(qū)為對(duì)流層頂槽區(qū)，如前所述，對(duì)流層頂在此處下降到對(duì)流層中部，并伴隨正渦度柱的下伸；而在30°N附近，對(duì)流層頂陡峭，對(duì)應(yīng)剖面圖上等熵位渦梯度大值區(qū)和副熱帶急流。對(duì)比圖6a和圖6b發(fā)現(xiàn)，在寒潮發(fā)生前的烏拉爾山長(zhǎng)波脊的發(fā)展階段，冷空氣開始在80°E附近的長(zhǎng)波脊前堆積，此時(shí)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上僅表現(xiàn)為一定的氣旋性彎曲；而對(duì)流層頂位勢(shì)高度場(chǎng)上已出現(xiàn)了閉合低值中心(一個(gè)局地下降的低對(duì)流層頂)?？梢娕c對(duì)流層頂折疊相關(guān)的擾動(dòng)，來自高層的信號(hào)較低層出現(xiàn)得更早、更強(qiáng)，在動(dòng)力對(duì)流層頂?shù)男盘?hào)比500 hPa表現(xiàn)得更為清楚。

圖6 2016年1月19日08時(shí)2 PVU等位渦面高度的西北方向俯視圖(a，單位：hPa)和500 hPa位勢(shì)高度(藍(lán)實(shí)線，單位：dagpm)與2 PVU等位渦面位勢(shì)高度(紅色區(qū)，單位：dagpm)疊加(b)Fig.6 Plan view of 2 PVU surface from the northwest (a, unit: hPa) and geopotential height (unit: dagpm) at 500 hPa (blue contours) and of 2 PVU surface (shaded in red) at 08:00 BST 19 Jan. 2016(b)

4 結(jié) 論

1)強(qiáng)寒潮的爆發(fā)以動(dòng)力對(duì)流層頂下降、高位渦下傳為特征，位渦擾動(dòng)的強(qiáng)度和時(shí)間曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)寒潮的醞釀和爆發(fā)有指示意義。

2)造成這次強(qiáng)寒潮過程的冷空氣可追溯到歐亞北部的新地島附近和亞洲東北部的對(duì)流層頂，兩股具有高位渦的冷空氣在貝加爾湖附近合并堆積，在轉(zhuǎn)豎橫槽的引導(dǎo)下向南爆發(fā)，形成強(qiáng)寒潮。

3)伴隨寒潮過程的醞釀和爆發(fā)，高位渦強(qiáng)冷空氣向下、向南傳播，并伴隨急流向下伸展。剖面分析顯示，高位渦區(qū)對(duì)應(yīng)強(qiáng)烈發(fā)展并下伸的正渦度柱，表明高位渦引起的垂直拉伸導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)顯著增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)渦后橫槽的強(qiáng)烈加深。

4)此次強(qiáng)寒潮過程中，對(duì)流層頂呈現(xiàn)大振幅的波動(dòng)。來自高層的信號(hào)較低層出現(xiàn)得更早、更強(qiáng)，在動(dòng)力對(duì)流層頂上的信號(hào)比500 hPa表現(xiàn)得更為清楚。

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Disturbance features of mid-upper troposphere during a strong cold wave event revealed by isentropic potential vorticity analysis

WU Zhiyan1, LI Hongjiang1, ZHAO Haijun2, YAO Lina3, LI Xujie1

(1.WeihaiMeteorologicalBureau,Weihai264200,China; 2.LinyiMeteorologicalBureau,Linyi276004,China; 3.ChangzhouMeteorologicalBureau,Changzhou213022,China)

By employing isentropic potential vorticity analysis, the disturbance features of mid-upper troposphere during a strong cold wave event in January 2016 are analyzed with ECMWF ERA-Interim reanalysis data. Results reveal that the out-break of the strong cold wave was characterized by dropping of the dynamical tropopause and downward extending of PV, and the disturbance of PV can be a good indicator for the brewing and out-breaking of cold wave. The cold air of the strong cold wave, which originated from the tropopause in vicinity of Novaya Zemlya in the north Eurasia and northeast of Asia, combined and accumulated nearby Lake Baikal, finally broke out southward as the cold trough transformed from transversal into upright. With the brewing and out-breaking of the strong cold wave, the cold air of high PV propagated downward and southward, with jet stream extending downward. The transversal trough intensively deepened, as the air column of high PV and cyclonic vorticity rapidly stretching downward, indicating the strengthening of cyclonic rotation as a result of vertical stretching of high PV. The dynamic tropopause exhibited large amplitude of disturbance. The disturbance signal from the upper levels appeared earlier and stronger, and the signal in the dynamic tropopause was more pronounce than that at 500 hPa.

strong cold wave; isentropic potential vorticity; jet stream; tropopause

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.009. (in chinese)

2016-10-23；

2017-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41175092)；山東省氣象局青年科研基金項(xiàng)目(2016SDQN17)；威海市科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GNS014)

吳志彥(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事海氣相互作用和災(zāi)害性天氣氣候研究，wuzhy83@gmail.com。

P458.122

A

2096-3599(2017)01-0084-08

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.009

吳志彥，李宏江，趙海軍，等.等熵位渦揭示的一次強(qiáng)寒潮過程中高層擾動(dòng)特征[J].海洋氣象學(xué)報(bào)，2017，37(1)：84-91.

Wu Zhiyan, Li Hongjiang, Zhao Haijun， et al. Disturbance features of mid-upper troposphere during a strong cold wave event revealed by isentropic potential vorticity analysis[J].Journal of Marine Meteorology,2017,37(1):84-91.