太平洋海溫異常對(duì)湖南冬季雨凇的影響

李易芝，羅伯良，廖玉芳，郭凌曜，段麗潔

（1.湖南省氣象科學(xué)研究所/氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118；2.湖南省氣候中心，長(zhǎng)沙 410118）

雨凇是指過(guò)冷的降水碰到溫度等于或低于0 ℃的物體表面時(shí)所形成玻璃狀的透明或無(wú)光澤的表面粗糙的冰覆蓋層，因此也叫冰凍。湖南位于長(zhǎng)江中游以南，南嶺以北，東、南、西三面環(huán)山，由于開(kāi)口向北，極有利于冬季北方強(qiáng)冷空氣侵入，且常有華南準(zhǔn)靜止鋒停滯在湖南上空，當(dāng)北方強(qiáng)冷空氣與南海副熱帶暖濕氣流交匯時(shí)，湖南省極易發(fā)生大范圍的冰凍天氣災(zāi)害［1］。冰凍有礙公共交通安全，損壞電力、通訊等公共基礎(chǔ)設(shè)施，可導(dǎo)致電網(wǎng)倒塔、斷線等事故［2］；大田結(jié)冰會(huì)凍壞返青的冬麥或凍死早春播種的作物幼苗；還可能壓垮房屋，凍壞管線，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅［3］。2008 年1 月中旬至2月上旬，湖南省出現(xiàn)了歷史罕見(jiàn)的冰凍災(zāi)害，區(qū)域平均的最大連續(xù)冰凍日數(shù)為1951 年以后冬季的最大值［4］，對(duì)交通運(yùn)輸、能源供應(yīng)、電力傳輸、通信設(shè)施、農(nóng)業(yè)及人民群眾生活造成了嚴(yán)重影響和損害，導(dǎo)致全省3 927.7 萬(wàn)人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失680 億元［5-7］。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)冰凍開(kāi)展了研究［8-10］。廖玉芳等［11］對(duì)湖南雨凇的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)湖南雨凇空間分布呈現(xiàn)為南多北少、東多西少、迎風(fēng)坡多、背風(fēng)坡少、三心二帶、高低交錯(cuò)特征。彭莉莉等［12］、徐輝等［13］從地形對(duì)湖南雨凇的影響出發(fā)，指出坡向以及地形高度對(duì)湖南雨凇有一定影響。趙思雄等［14］、孫建華等［15］從中尺度動(dòng)力結(jié)構(gòu)方面對(duì)南方冰凍天氣進(jìn)行了分析，并提出了多尺度系統(tǒng)持續(xù)性的冰凍天氣物理模型。廖玉芳等［16］、李麗等［17］研究了冰凍的形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)亞洲區(qū)極渦面積和東亞槽位置以及高空急流的演變對(duì)湖南雨凇天氣影響極為重要。姚蓉等［18］從冰凍引起的災(zāi)情出發(fā)，針對(duì)湖南2008 和2011 年2 次冰凍過(guò)程，從天氣學(xué)成因?qū)煌娏τ绊懬闆r和特點(diǎn)等方面進(jìn)行綜合對(duì)比分析，揭示了2 次過(guò)程的強(qiáng)度和造成災(zāi)情差異的原因，并提出相應(yīng)的防御措施。王東海等［19］、廖玉芳等［20］、晏紅明等［21］針對(duì)2008 年嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍災(zāi)害性天氣過(guò)程開(kāi)展了天氣特征及其天氣動(dòng)力學(xué)、氣候成因分析。章開(kāi)美等［2］、丁一匯等［22］、廖玉芳等［16］、肖平等［23］從海溫出發(fā)，分析了熱帶太平洋海溫、西太平洋海溫、ENSO 事件對(duì)雨凇的影響，指出海溫對(duì)雨凇有一定的指示意義。

湖南雨凇出現(xiàn)次數(shù)在全國(guó)排名第二，僅次于貴州，是冰凍災(zāi)害比較嚴(yán)重的省份。太平洋一直是影響我國(guó)氣候的關(guān)鍵海區(qū)，本研究從海溫對(duì)雨凇的影響機(jī)理出發(fā)，著眼于太平洋海溫的空間分布和湖南雨凇的關(guān)系，影響湖南冬季雨凇的海溫前兆信號(hào)，其物理機(jī)制等幾個(gè)問(wèn)題，探討前期太平洋海溫與湖南冬季雨凇日數(shù)的關(guān)系，提取湖南冬季雨凇日數(shù)的預(yù)測(cè)信號(hào)，并對(duì)前期太平洋海溫影響湖南雨凇的機(jī)制進(jìn)行研究。

1 資料和方法

1.1 資料

湖南省89 個(gè)氣象觀測(cè)站1961—2018 年雨凇資料；NCEP/NCAR 再分析月平均風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)資料，分辨率為2.5°×2.5°；Hadley 中心月平均海溫?cái)?shù)據(jù)（HadISST），分辨率為1°×1°。冷空氣過(guò)程資料來(lái)自文獻(xiàn)［24］。冬季指當(dāng)年12 月和次年1、2 月，氣候平均值取1981—2010 年的平均值。

1.2 方法

研究方法主要是合成分析、相關(guān)分析以及t檢驗(yàn)等。依據(jù)GB/T 20484—2017［25］將冷空氣分為弱冷空氣、較強(qiáng)冷空氣、強(qiáng)冷空氣和寒潮4 個(gè)等級(jí)。

2 海溫異常與雨凇變化的關(guān)系

2.1 湖南冬季雨凇日數(shù)與海溫

1961—2018 年湖南冬季雨凇日數(shù)與前期不同時(shí)段太平洋海溫相關(guān)系數(shù)分布見(jiàn)圖1。由圖1 可見(jiàn)，從5 月開(kāi)始，湖南雨凇日數(shù)與太平洋海溫的相關(guān)空間分布出現(xiàn)了南正北負(fù)的偶極子型，其中在中太平洋為正，西北太平洋和東北太平洋為負(fù)，且在7—9月達(dá)到強(qiáng)盛。選取相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.05 以上顯著性水平檢驗(yàn)的關(guān)鍵區(qū)（黑色方框），定義7—9 月太平洋海溫指數(shù)（PSI）為正相關(guān)區(qū)域（24°—30°N，164°—176°E）與負(fù)相關(guān)區(qū)域（45°—52°N，160°—182°E）、（38°—50°N，107°—124°E）海表溫度距平的區(qū)域平均值之差。因?yàn)?—9 月相關(guān)性最顯著，進(jìn)而以8 月為基準(zhǔn)，計(jì)算了正負(fù)關(guān)鍵區(qū)海表溫度距平值之差的超前、同期、滯后自相關(guān)系數(shù)（圖2），可以看出北太平洋海溫的相關(guān)分布型5—10 月都處于顯著自相關(guān)，說(shuō)明該分布型具有一定的持續(xù)性，且7、8、9 月的相關(guān)性達(dá)到了0.6 以上，因此海溫指數(shù)（PSI）均指前期7—9 月太平洋海溫指數(shù)。

圖1 1961—2018 年湖南冬季雨凇日數(shù)與前期不同時(shí)段的太平洋海溫相關(guān)系數(shù)分布

圖2 1961—2018 年以8 月為基準(zhǔn)月的太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)的超前、同期、滯后自相關(guān)系數(shù)

2.2 海溫指數(shù)與湖南冬季雨凇日數(shù)

湖南冬季雨凇日數(shù)和PSI的時(shí)間演變見(jiàn)圖3。PSI指數(shù)與湖南雨凇日數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.54，達(dá)到了99%的顯著性水平檢驗(yàn)。PSI大于1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份（高指數(shù)）為1964、1968、1971、1973、1976、1983、1987、1988、1999、2007 年，只有2 年（1964、1999 年）湖南冬季雨凇日數(shù)距平為負(fù)；PSI小于-1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份（低指數(shù)）為1962、1967、1977、1986、1994、2013、2014、2015、2016 年，湖南冬季雨凇日數(shù)均為負(fù)距平。表明PSI偏高（低）時(shí)，湖南冬季雨凇日數(shù)易偏多（少）。

圖3 1961—2018 年湖南冬季雨凇日數(shù)和太平洋海溫指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的時(shí)間演變

若以湖南冬季雨凇日數(shù)大于0.8（小于-0.8）個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為閾值，選取湖南冬季雨凇日數(shù)偏多（少）年，則偏多年為1963、1966、1968、1971、1973、1976、1983、2007 年，除1963 年P(guān)SI為負(fù)距平外，其余年份均為正距平；偏少年為1961、1972、2001、2006、2016年，PSI均為負(fù)距平。以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果均表明湖南冬季雨淞日數(shù)與PSI存在較顯著的因果關(guān)系。

將高PSI年和低PSI年的湖南冬季雨凇日數(shù)進(jìn)行合成，可以看出，高PSI年湖南全省冬季雨凇日數(shù)均偏多，其中湘中及以南地區(qū)偏多4 d 以上；低PSI年湖南冬季雨凇日數(shù)均偏少，同樣湘中及偏南地區(qū)偏少較多（圖4）?？梢?jiàn)，前期7—9 月的北太平洋海溫冷暖異常對(duì)湖南冬季雨凇日數(shù)具有重要的預(yù)測(cè)意義。

圖4 1961—2018 年高、低太平洋海溫指數(shù)年湖南冬季雨凇日數(shù)距平分布

3 海溫異常對(duì)湖南冬季雨凇變化的影響

湖南冬季雨凇的發(fā)生與前期太平洋海溫南正北負(fù)的偶極子型關(guān)系密切，研究這種異常分布引發(fā)湖南冬季雨凇偏多的原因和可能機(jī)制，主要從與前期太平洋海溫異常分布相關(guān)的大氣環(huán)流進(jìn)行分析。

湖南冬季雨凇日數(shù)偏多、偏少年同期冬季200 hPa 緯向風(fēng)距平場(chǎng)合成和海溫指數(shù)與后期冬季200 hPa 緯向風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)空間分布見(jiàn)圖5。由圖5 可見(jiàn)，在雨凇日數(shù)偏多年，200 hPa 緯向風(fēng)在中國(guó)長(zhǎng)江以北為顯著的偏西風(fēng)距平，湖南處于長(zhǎng)江以南的顯著的偏東風(fēng)距平，這種距平場(chǎng)的分布表明長(zhǎng)江以北地區(qū)西風(fēng)急流偏強(qiáng)，而西風(fēng)急流位置與500 hPa 高空鋒區(qū)的位置相對(duì)應(yīng)，湖南處于高空鋒區(qū)右側(cè)的強(qiáng)輻散區(qū)，低層輻合、高層輻散的配置有利于湖南上空出現(xiàn)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。偏少年200 hPa 緯向風(fēng)異常空間分布與偏多年基本相反，但強(qiáng)度明顯偏弱。由圖5c 可見(jiàn)，海溫指數(shù)與湖南冬季200 hPa 緯向風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)分布和雨凇日數(shù)偏多、偏少年同期冬季200 hPa的環(huán)流形勢(shì)特征存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)海溫指數(shù)偏高時(shí)，冬季200 hPa 緯向風(fēng)異常與雨凇日數(shù)偏多年冬季緯向風(fēng)異常特征相一致，反之，則與雨凇日數(shù)偏少年冬季緯向風(fēng)異常特征基本一致，可見(jiàn)，太平洋海溫可以通過(guò)影響后期冬季高空西風(fēng)急流的位置和強(qiáng)度影響湖南冬季雨凇。

圖5 1961—2018 年湖南冬季雨凇日數(shù)偏多、偏少年同期冬季200 hPa 緯向風(fēng)距平場(chǎng)合成；太平洋海溫指數(shù)與后期冬季200 hPa 緯向風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)空間分布

在500 hPa 高度場(chǎng)上，雨凇日數(shù)偏多年（圖6a），烏拉爾山附近為顯著的位勢(shì)高度正距平，亞洲大部分地區(qū)尤其是東亞中高緯為顯著的位勢(shì)高度負(fù)距平，歐亞500 hPa 上空表現(xiàn)出西正東負(fù)的高度距平分布特征，反映了烏拉爾山高壓脊較常年偏強(qiáng)，脊前偏北氣流引導(dǎo)冷空氣南下影響長(zhǎng)江以南地區(qū)，同時(shí)印緬槽活動(dòng)頻繁，槽前西南暖濕氣流向北輸送，有利于冷暖空氣在湖南地區(qū)交匯。雨凇日數(shù)偏少年500 hPa 歐亞中高緯高度距平場(chǎng)表現(xiàn)出西負(fù)東正的分布特征，與雨凇日數(shù)偏多的分布正好相反（圖6b），即烏拉爾山高壓脊和東亞大槽均較常年明顯偏弱，不利于冷空氣南下。海溫指數(shù)與后期冬季500 hPa 高度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)分布見(jiàn)圖6c。由圖6c 可見(jiàn)，相關(guān)系數(shù)在歐亞區(qū)域總體上呈現(xiàn)西正東負(fù)的空間分布，表明，當(dāng)海溫指數(shù)偏高時(shí)，冬季500 hPa 烏拉爾山附近位勢(shì)高度偏高，東亞中高緯位勢(shì)高度偏低，該環(huán)流形勢(shì)分布特征和雨凇日數(shù)偏多年冬季500 hPa 環(huán)流形勢(shì)異常一致。反之，則與雨凇日數(shù)偏少年冬季環(huán)流異常特征一致。可見(jiàn)，海溫指數(shù)偏高（偏低）有利于后期冬季中高緯烏拉爾山高壓脊和東亞大槽偏強(qiáng)（偏弱）及中低緯南支槽偏強(qiáng)（偏弱），從而影響雨凇日數(shù)偏多（偏少）。

圖6 1961—2018 年湖南冬季雨凇日數(shù)偏多、偏少年同期冬季500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線）及距平場(chǎng)（陰影）合成；太平洋海溫指數(shù)與后期冬季500 hPa 高度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)空間分布

從海平面氣壓場(chǎng)可以看出，在雨凇日數(shù)偏多年（圖7a），45°N 以北的亞洲大陸均為顯著的氣壓正距平，亞洲中低緯為氣壓負(fù)距平控制，表明西伯利亞高壓偏強(qiáng)（冷空氣勢(shì)力偏強(qiáng)），西太平洋副熱帶高壓偏弱，該分布有利于冷空氣向南推進(jìn)影響湖南，使得湖南出現(xiàn)0 ℃以下溫度的概率高。雨凇日數(shù)偏少年（圖7b），45°N 以北的亞洲大陸均為顯著的氣壓負(fù)距平，即西伯利亞高壓偏弱，冷空氣勢(shì)力弱。圖7c 為海溫指數(shù)與后期冬季海平面氣壓場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)空間分布圖，可見(jiàn)，當(dāng)海溫指數(shù)偏高時(shí)，冬季西伯利亞高壓偏強(qiáng)，亞洲中低緯氣壓偏低，這和雨凇日數(shù)偏多年冬季海平面氣壓場(chǎng)異常分布特征基本一致。反之，則與雨凇日數(shù)偏少年冬季海平面氣壓場(chǎng)異常分布特征基本一致。

圖7 1961—2018 年湖南冬季雨凇日數(shù)偏多、偏少年同期冬季海平面氣壓場(chǎng)合成；太平洋海溫指數(shù)與后期冬季海平面氣壓場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)空間分布

綜上可知，當(dāng)海溫指數(shù)偏高時(shí)，后期冬季200 hPa 長(zhǎng)江以北西風(fēng)急流偏強(qiáng)，500 hPa 烏拉爾山附近位勢(shì)高度偏高，東亞中高緯位勢(shì)高度偏低，西伯利亞海平面氣壓偏強(qiáng)，湖南冬季雨凇日數(shù)偏多；反之，湖南冬季雨凇日數(shù)偏低。

4 海溫異常對(duì)冷空氣的影響

冷空氣活動(dòng)多寡是造成湖南雨凇日數(shù)異常的天氣因素之一，為了進(jìn)一步討論海溫指數(shù)異常對(duì)湖南冬季雨凇日數(shù)的影響，雨凇日數(shù)偏多與偏少年和海溫指數(shù)偏高與偏低年湖南冷空氣活動(dòng)次數(shù)見(jiàn)表1。由表1 可知，湖南冬季雨凇日數(shù)偏多與偏少年，影響湖南的冷空氣活動(dòng)總次數(shù)基本相等，在弱冷空氣、中等強(qiáng)度和強(qiáng)冷空氣等級(jí)活動(dòng)次數(shù)上亦沒(méi)有明顯區(qū)別，但是偏多年寒潮活動(dòng)偏多，其出現(xiàn)次數(shù)為偏少年的1.6 倍。在PSI高、低指數(shù)年，影響湖南冬季冷空氣活動(dòng)總次數(shù)幾乎相同，在弱冷空氣、中等強(qiáng)度和強(qiáng)冷空氣等級(jí)活動(dòng)次數(shù)上亦沒(méi)有明顯差別，但寒潮影響次數(shù)在PSI高指數(shù)年是低指數(shù)年的2.4 倍。說(shuō)明前期太平洋海溫異常與冬季影響湖南寒潮次數(shù)異常存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，與湖南冬季雨凇日數(shù)異常亦存在較好的關(guān)系?？梢?jiàn)，海溫指數(shù)可作為湖南冬季雨凇日數(shù)預(yù)測(cè)的信號(hào)。

表1 PSI和雨凇日數(shù)異常年湖南各等級(jí)冷空氣次數(shù)

5 小結(jié)與討論

研究前期太平洋海溫與湖南冬季雨凇日數(shù)的關(guān)系，提取了影響湖南冬季雨凇日數(shù)的預(yù)測(cè)信號(hào)，并對(duì)前期太平洋海溫影響湖南雨凇的物理機(jī)制進(jìn)行了研究。

1）前期太平洋海溫南正北負(fù)的偶極子分布型與湖南冬季雨凇存在顯著的相關(guān)關(guān)系，其中在中太平洋為正，西北太平洋和東北太平洋為負(fù)，這種分布型從5 月持續(xù)到10 月，且在7—9 月達(dá)到強(qiáng)盛。

2）當(dāng)海溫指數(shù)偏高時(shí)，后期冬季200 hPa 長(zhǎng)江以北西風(fēng)急流偏強(qiáng)，湖南處于西風(fēng)急流的南側(cè)，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)；500 hPa 烏拉爾山附近位勢(shì)高度偏高，東亞中高緯位勢(shì)高度偏低，西低東高的分布型有利于冷空氣南下，中低緯印緬槽活動(dòng)頻繁，槽前西南暖濕氣流向北輸送，有利于冷暖空氣在湖南地區(qū)交匯；地面西伯利亞海平面氣壓偏強(qiáng)（冷空氣勢(shì)力偏強(qiáng)），湖南出現(xiàn)0 ℃以下溫度的概率高，這種高低空環(huán)流相互作用，使得湖南冬季雨凇日數(shù)偏多；反之，湖南冬季雨凇日數(shù)偏少。

3）湖南冬季雨凇日數(shù)偏多與偏少年以及PSI高、低指數(shù)年，影響湖南的冷空氣活動(dòng)總次數(shù)基本相等，在弱冷空氣、中等強(qiáng)度和強(qiáng)冷空氣等級(jí)活動(dòng)次數(shù)上亦沒(méi)有明顯區(qū)別，但是偏多年和高指數(shù)年寒潮活動(dòng)明顯偏多，說(shuō)明前期太平洋海溫異常與冬季影響湖南寒潮次數(shù)異常存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，寒潮次數(shù)與湖南冬季雨凇日數(shù)異常亦存在較好的關(guān)系。海溫指數(shù)可作為湖南冬季雨凇日數(shù)預(yù)測(cè)的一個(gè)前兆信號(hào)。