大氣低頻振蕩對(duì)2015年冬季華北強(qiáng)降溫事件的影響

李麗平,付佳麗,梁闊,李一格,高輝

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,江蘇 南京 210044;② 南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;③ 昔陽縣氣象局,山西 晉中 045300;④ 國家氣候中心,北京 100081

1951—2012年間,全球平均氣溫上升0.72 ℃(0.49～0.89 ℃)(Stocker et al.,2013),全球變暖已成事實(shí)。在此背景下,我國寒潮頻次明顯減少(王遵婭和丁一匯,2006;錢維宏和張瑋瑋,2007),但冰凍雨雪(張春艷和張耀存,2013)、極端低溫(孫丞虎等,2012;韓方紅等,2018;武炳義,2019)、持續(xù)低溫(朱毓穎和江靜,2013)等極端氣候事件頻發(fā),嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

大氣環(huán)流年際異常是大范圍極端天氣氣候事件形成的直接原因。其中,西伯利亞高壓(SH)的強(qiáng)度與我國冬季氣溫存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系(龔道溢和王紹武,1999;王遵婭和丁一匯,2006;申紅艷等,2010;朱紅霞等,2019;李艷等,2019),當(dāng)SH偏強(qiáng)且東擴(kuò)南伸時(shí),我國冬季偏冷(藍(lán)柳茹和李棟梁,2016)。但也有學(xué)者認(rèn)為,單個(gè)環(huán)流系統(tǒng)造成的影響有限,多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生異常并互相配合往往會(huì)導(dǎo)致極端天氣氣候事件發(fā)生(李崇銀等,2008;孫丞虎等,2012;郭廣芬等,2013;李艷等,2019)。北大西洋濤動(dòng)(NAO)、北極濤動(dòng)(AO)等遙相關(guān)型對(duì)強(qiáng)降溫也具有重要影響。當(dāng)NAO、AO為負(fù)位相時(shí),我國北方冬季偏冷(王永波和施能,2001;Wu and Wang,2002;Chen et al.,2005;陳文和康麗華,2006;Wang et al.,2009;譚桂容等,2010;孫誠和李建平,2012;韓方紅等,2018)。此外,高層急流也是影響我國冬季氣溫的重要因素(姚慧茹和李棟梁,2013;張春艷和張耀存,2013;葉丹和張耀存,2014;李蓉等,2017)。

除上述環(huán)流因子年際異常的影響外,大氣低頻振蕩對(duì)極端事件的發(fā)生也具有重要作用。Madden-Julian在1971年發(fā)現(xiàn)熱帶大氣存在30～60 d的振蕩(MJO)(Madden and Julian,1971),并且該現(xiàn)象在中高緯度也存在(Madden and Julian,1972)。大氣低頻變化包括季節(jié)內(nèi)振蕩(30～60 d,ISO)和準(zhǔn)雙周振蕩(10～20 d,QBW)(李崇銀,1993)。我國冬季溫度主要存在10～20 d和30～60 d振蕩(朱毓穎和江靜,2013),但不僅強(qiáng)降溫過程本身存在低頻周期,表征冷空氣強(qiáng)度的氣象因子和環(huán)流系統(tǒng)也具有明顯低頻振蕩特征(楊松和朱乾根,1990;馬曉青等,2008;李艷等,2018)。有研究表明,強(qiáng)寒潮過程及中高緯環(huán)流系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)的10～20 d左右的低頻振蕩(丁一匯,1991;馬曉青等,2008;索渺清等,2008)。低緯赤道印度洋的對(duì)流活動(dòng)與中緯加強(qiáng)的西伯利亞地區(qū)低頻高壓、貝-巴湖低頻橫槽的加深與維持共同導(dǎo)致了持續(xù)低溫事件的發(fā)生(朱毓穎和江靜,2013)。張偉和江靜(2015)在研究MJO對(duì)中國冬季持續(xù)低溫事件的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),中國北方在MJO位于5、6位相時(shí)發(fā)生持續(xù)低溫事件的概率較高。劉櫻等(2016)統(tǒng)計(jì)1959—2009年華北冬季的持續(xù)性低溫事件并探討其與大氣低頻振蕩的關(guān)系,指出華北、東北上空的低頻氣旋、中西伯利亞的低頻反氣旋是重要的低頻影響因子,并且高低層的低頻信號(hào)主要是由中高緯向低緯且自西向東傳播。苗青等(2016)研究表明,2011/2012年冬季的寒潮和強(qiáng)降溫過程是在全國區(qū)域平均溫度存在較強(qiáng)的10～30 d低頻振蕩的背景下發(fā)生,并利用SVD分析了其與500 hPa低頻系統(tǒng)的耦合關(guān)系發(fā)現(xiàn),第一模態(tài)中,亞洲-西太平洋中低緯度與中高緯度的南北兩支低頻波列在東亞耦合,第二模態(tài)中沿著喀拉海-烏拉爾山東側(cè)-我國西部的低頻波列引導(dǎo)冷空氣沿西北路徑南下擴(kuò)散,兩個(gè)模態(tài)驅(qū)動(dòng)了強(qiáng)度大、范圍廣的低頻溫度由升高向降低變化的振蕩。

華北作為我國的交通樞紐、農(nóng)業(yè)發(fā)展重地,受寒潮影響嚴(yán)重(楊曉玲等,2016;倪云虎等,2017)。而在過去對(duì)寒潮的研究中,多針對(duì)全國及其他地區(qū),華北寒潮研究較少,且主要圍繞華北氣溫、寒潮頻次的年際年代際特征等來分析(何春和何金海,2003;倪云虎等,2017),因此,對(duì)華北冬季強(qiáng)降溫(寒潮)事件的研究十分必要。2016年1月的“霸王級(jí)”寒潮令人記憶深刻,華北北部地區(qū)氣溫驟降,降溫幅度達(dá)到10～14 ℃,對(duì)人民的生活產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。已有學(xué)者對(duì)此次寒潮進(jìn)行過研究,李艷等(2018)采用低頻天氣圖方法分析了我國2008年初低溫雨雪冰凍災(zāi)害和2016年“霸王級(jí)”寒潮的30～60 d低頻特征,揭示典型極端低溫事件中低頻系統(tǒng)的特征及其生成、演變過程。江雨霏等(2019)分析了2016年1月發(fā)生在我國南方的持續(xù)低溫事件,指出2015—2016年我國冬季氣溫存在明顯的10～20 d低頻振蕩,且由于天氣尺度(3～10 d)和低頻尺度(10～20 d)異常環(huán)流疊加導(dǎo)致了南方的持續(xù)性低溫事件,也指出天氣尺度降溫略大于低頻降溫,溫度平流項(xiàng)和絕熱變化項(xiàng)是使得局地溫度降低的主要原因。本文則以華北冬季的強(qiáng)降溫事件為研究對(duì)象,利用Morlet小波方法分析2015年冬季華北最低溫度的顯著低頻周期,對(duì)包括此次寒潮過程在內(nèi)的2015年冬季華北兩次區(qū)域強(qiáng)降溫事件及與之相關(guān)的大氣環(huán)流低頻環(huán)流特征進(jìn)行對(duì)比分析,旨在從低頻角度探究強(qiáng)降溫事件的成因,以期對(duì)華北強(qiáng)降溫事件延伸期預(yù)報(bào)提供一些參考信息。

1 資料和方法

所用資料包括:1)國家氣候中心提供的2 480站逐日最低氣溫資料。2)NCEP/NCAR逐日再分析資料,包括高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng),垂直方向共17層;垂直速度場(chǎng),垂直方向共12層;海平面氣壓場(chǎng)。水平分辨率為2.5°×2.5°,時(shí)段為1980年1月1日—2017年12月31日。將當(dāng)年12月—次年2月定義為當(dāng)年冬季。

華北范圍取為(110°～120°E,35°～42.5°N)。為保持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)性,剔除有缺測(cè)的站點(diǎn),從全國2 000多站中挑選出419站作為華北代表站,如圖1所示。

圖1 華北419站分布Fig.1 Distribution of 419 stations in northern China

關(guān)于強(qiáng)降溫事件的定義已有許多(馬乃孚等,1998;毛煒嶧和陳穎,2016;苗青等,2016;楊曉玲等,2016),由于氣候區(qū)域性差異較大,定義不盡相同。本文根據(jù)《冷空氣等級(jí)》(GB/T 20484—2017)和《寒潮等級(jí)》(GB/T 21987—2017),參考劉憲鋒等(2014)給出華北單站、區(qū)域強(qiáng)降溫事件的定義如下:1)某地的日最低氣溫24 h內(nèi)降幅大于等于8 ℃,或48 h大于等于10 ℃,或72 h大于等于12 ℃,并且使該地日最低氣溫小于等于4 ℃的冷空氣活動(dòng),定義為一次單站強(qiáng)降溫事件。2)在一次冷空氣的影響過程中,區(qū)域內(nèi)累積發(fā)生單站強(qiáng)降溫事件的站點(diǎn)達(dá)40%以上,則定義為一次區(qū)域強(qiáng)降溫事件(RECE)。在一次強(qiáng)降溫事件中,考慮到冷空氣對(duì)范圍內(nèi)站點(diǎn)的影響存在時(shí)間差,允許連續(xù)降溫過程發(fā)生1 d的間隔(即該日沒有站點(diǎn)發(fā)生強(qiáng)降溫事件)。

另外,本文采用Morlet小波分析要素的顯著低頻周期,采用Butterworth帶通濾波器來提取要素的顯著低頻分量,用時(shí)滯相關(guān)方法來尋找延伸期預(yù)報(bào)參考信號(hào)(吳洪寶和吳蕾,2005;魏鳳英,2007)。

2 華北冬季區(qū)域強(qiáng)降溫事件頻次及其低頻特征

根據(jù)定義,對(duì)1980—2016共37 a冬季華北發(fā)生的RECE頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖2)?？梢?1980—2016年冬季,華北共發(fā)生了29次RECE。整體來看,RECE年代際變化特征明顯,2000年以前,頻次較多且呈下降趨勢(shì),之后明顯減少。在此背景下,2015年冬季華北發(fā)生兩次RECE,在近20 a中屬頻次較多年份(2008年除外)。故本文擬選取2015年冬季的RECE為研究重點(diǎn),分析其低頻特征及可能成因,尋找RECE發(fā)生的延伸期預(yù)報(bào)信號(hào)。

圖2 1980—2016年冬季華北RECE頻次Fig.2 Frequency of the RECE in winter of 1980—2016 in northern China

為了解華北最低溫度的顯著低頻周期,對(duì)2015年7月1日—2016年6月30日華北區(qū)域平均最低溫度序列做Morlet小波分析(圖3a)?？梢?2015年冬季華北最低溫度存在10～20 d顯著低頻周期,與江雨霏等(2019)結(jié)論類似。結(jié)合華北最低溫度距平逐日序列及其10～20 d濾波序列(圖3b),確定兩次強(qiáng)降溫過程分別為2016年1月16—24日、2月11—15日,可見,兩次強(qiáng)降溫過程與最低溫度的10～20 d低頻分量從峰值位相到谷值位相的變化很好對(duì)應(yīng)。下節(jié)將進(jìn)一步對(duì)比分析兩次過程中大氣環(huán)流場(chǎng)低頻特征的異同。

圖3 2015年7月1日—2016年6月30日華北區(qū)域平均最低溫度序列小波圖(a;陰影通過信度α=0.1的顯著性檢驗(yàn))及2015年冬季逐日最低溫度距平序列 (直方圖)與10～20 d序列(實(shí)線)(b;豎線之間為兩次降溫過程;單位:℃)Fig.3 (a)Wavelet analysis of regional-averaged minimum temperature series in northern China from July 1,2015 to June 30,2016 (the shaded part shows that the significance test of reliability α=0.1 has been passed);(b) daily minimum temperature anomaly sequence (histogram) and 10—20 d sequence (solid line) in winter of 2015 (there are two cooling processes between vertical lines;unit:℃)

3 2015年冬季強(qiáng)降溫事件與大氣低頻振蕩的聯(lián)系

據(jù)上節(jié)可知,2015年冬季華北最低溫度存在10～20 d顯著低頻周期。為了解大氣低頻振蕩對(duì)2015年冬季華北強(qiáng)降溫事件的影響,先用濾波方法提取大氣環(huán)流要素的10～20 d低頻分量,再據(jù)圖3b,參考毛江玉和吳國雄(2005)確定低頻分量位相的方法,選取第一次強(qiáng)降溫過程中的1月16、20、24日和第二次過程的2月11、13、15日作為研究時(shí)間點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)低頻最低溫度的峰值位相、過渡位相和谷值位相。下面將進(jìn)一步對(duì)比分析兩次強(qiáng)降溫過程在上述三個(gè)位相所對(duì)應(yīng)的10～20 d低頻大氣環(huán)流場(chǎng)演變特征的異同,以期揭示低頻RECE的可能成因。

3.1 500 hPa高度場(chǎng)

首先對(duì)比分析第一次降溫過程的1月16、20、24日(圖4a—c)和第二次過程的2月11、13、15日(圖4d—f)500 hPa低頻高度場(chǎng)特征異同。由圖4可知:1)中、高緯有低頻正異常向巴-貝湖區(qū)移動(dòng),使得巴-貝湖低頻高壓脊偏強(qiáng),但其位置和范圍存在差異。第一次過程中(圖4a—c),位于60°N以北的新地島及以東地區(qū)強(qiáng)大的低頻正異常逐漸南移,地中海附近的低頻正異常逐漸加強(qiáng)并向東北移動(dòng),二者于1月24日在巴-貝湖交匯,使得巴-貝湖低頻高壓脊加強(qiáng),經(jīng)向跨度較大,從里海延伸至中國東北西部,中心位于巴湖上空。第二次過程中(圖4d—f),西西伯利亞地區(qū)的低頻正異常逐漸加強(qiáng)并向東南移至貝湖西北部,地中海也有低頻正異常向巴-貝湖區(qū)域移動(dòng)(圖4e),但很快2月15日此能量輸送通道已斷裂(圖4f),使得巴-貝湖低頻高壓脊偏強(qiáng)但范圍偏小,位置偏東偏北。對(duì)500 hPa低頻高度場(chǎng)沿90°E作時(shí)間-緯度剖面(圖5a),可見兩次降溫過程中均有低頻正異常擾動(dòng)從高緯向南傳播到巴-貝湖附近,但第一次過程比第二次過程明顯傳播的更偏南,也使得巴-貝湖低頻高壓脊更偏南,再次證實(shí)了圖4反映的特征。2)中緯度低頻正異常輸送持續(xù)時(shí)間不同,可能是造成兩次降溫過程持續(xù)時(shí)間差異的重要原因之一。對(duì)第一次過程低頻500 hPa高度場(chǎng)沿45°N作時(shí)間-經(jīng)度剖面(圖5b)?？梢?1月16日開始到24日地中海附近的低頻正異常逐漸加強(qiáng)東移,為其東北方向與之相連的巴-貝湖低頻高壓脊不斷補(bǔ)充能量,使得這次降溫過程持續(xù)時(shí)間較長。第二次過程中,低頻正異常擾動(dòng)從地中海向其東北方向的巴-貝湖高壓脊輸送能量只持續(xù)了2 d,即2月13日(圖4e)和2月14日(圖略),2月15日該能量輸送通道已斷裂(圖4f),使得這次降溫過程持續(xù)時(shí)間較短。3)兩次降溫過程低頻東亞大槽的位置演變明顯不同。第一次過程中,1月16日(圖4a),巴-貝湖存在一較強(qiáng)的低頻橫槽,之后隨著低頻極渦向東亞及沿海地區(qū)延伸(圖4b),使得東亞大槽進(jìn)一步加深并逐漸呈東北-西南走向,冷空氣也隨著低頻橫槽的轉(zhuǎn)豎不斷南下(圖4c)。第二次過程,2月11日(圖4d),東北亞地區(qū)為低頻正異?？刂?華北偏暖;之后伴隨低頻負(fù)異常從新西伯利亞群島附近的極區(qū)向東北亞移動(dòng),上述低頻正異常逐漸減弱(圖4e),東亞大槽逐漸加深,且基本呈南北走向(圖4f),冷空氣沿更偏北的路徑南侵華北。4)北極濤動(dòng)(AO)負(fù)位相型(記為-AO)異常只存在于第二次過程中。第二次降溫開始不久(圖4e),極地低頻環(huán)流呈正異常分布,中高緯基本為負(fù)異常,呈“-AO”型異常分布,更有利于極區(qū)冷空氣南下,使得華北降溫更快。

圖4 1月16(a)、20(b)、24(c)日與2月11(d)、13(e)、15(f)日低頻500 hPa高度場(chǎng)(陰影)與實(shí)況場(chǎng)(等值線)(單位:gpm)Fig.4 Low-frequency 500 hPa height field (shadow) and observation field (contour) on January (a) 16,(b) 20 and (c) 24,and February (d) 11,(e) 13 and (f) 15 (unit:gpm)

綜上,兩次過程中,巴-貝湖低頻高壓脊和低頻東亞大槽配合,使得環(huán)流經(jīng)向度增大,高緯強(qiáng)冷空氣沿高壓脊前和槽后偏北氣流南下侵襲華北,造成華北強(qiáng)降溫。但兩次過程中低頻環(huán)流系統(tǒng)的形成過程、范圍、位置和走向均有一定差異。第一次過程中巴-貝湖低頻高壓脊偏西南,東亞大槽呈東北-西南走向,第二次過程巴-貝湖高壓脊偏東北,東亞大槽呈南北走向。第一次過程有上游擾動(dòng)能量對(duì)巴-貝湖低頻高壓脊的持續(xù)補(bǔ)給,使得降溫過程持續(xù)時(shí)間更長,第二次過程中上游能量補(bǔ)給持續(xù)時(shí)間短(只有2 d),極區(qū)和中高緯之間的低頻環(huán)流又呈“-AO”異常,有利于高緯冷空氣快速南下,使得第二次過程降溫快速,但持續(xù)時(shí)間短。

圖5 低頻500 hPa高度場(chǎng)沿90°E的時(shí)間-緯度剖面(a)和沿45°N的時(shí)間-經(jīng)度剖面(b)(單位:gpm)Fig.5 The (a) time-latitude section along 90°E,and (b) time-longitude section along 45°N of the low-frequency 500 hPa height field (unit:gpm)

圖6 同圖4,但為低頻海平面氣壓場(chǎng)(單位:hPa)Fig.6 The same as Fig.4,but for the low-frequency sea level pressure field (unit:hPa)

3.2 海平面氣壓場(chǎng)

低頻海平面氣壓場(chǎng)(圖6)異常分布與500 hPa高度場(chǎng)異常(圖4)較一致,表明對(duì)流層中下層的中高緯低頻大氣環(huán)流呈垂直正壓結(jié)構(gòu)特征。通過對(duì)比可知:1)兩次降溫過程均表現(xiàn)為中高緯低頻正異常擾動(dòng)加強(qiáng)南壓,使得SH偏強(qiáng),第一次過程SH更偏南(圖6c),第二次過程SH較之偏北,正異常中心位于貝湖西北(圖6f)。從散度場(chǎng)的氣壓-經(jīng)度剖面圖(圖7)可以看到,SH上空對(duì)流層內(nèi)低(高)層輻散(合),深厚的下沉運(yùn)動(dòng)使高壓得以發(fā)展,與藍(lán)柳茹和李棟梁(2016)所得結(jié)論一致。在下沉支的東側(cè),均存在明顯上升區(qū),對(duì)應(yīng)低層洋面海溫異常增暖(圖略),有利于該上升支的形成,從而形成一個(gè)較強(qiáng)的次級(jí)環(huán)流。2)阿留申低壓(AL)作為海平面氣壓場(chǎng)上重要系統(tǒng)之一,也表現(xiàn)出明顯的差異。1月16日開始(圖6a),貝湖附近的負(fù)異常不斷向東南移,使得1月20日(圖6b)時(shí)日本群島以東洋面出現(xiàn)負(fù)異常,AL偏弱,并于24日(圖6c)與極區(qū)南擴(kuò)的負(fù)異常連通,使得AL有所加強(qiáng)。第二次降溫開始時(shí)(圖6d),阿留申群島南部為負(fù)異常,之后高緯的負(fù)異常逐漸南壓并逐漸與之合并(圖6e,6f),一方面極區(qū)和中高緯呈“-AO”型異常,有利于高緯冷空氣南下,另一方面使得AL偏強(qiáng)偏西,其與SH共同配合引導(dǎo)冷空氣向華北輸送。

綜上,與第一次降溫過程相比,第二次過程中的SH范圍更偏北偏強(qiáng),AL更偏西偏深,又有“-AO”型異常,降溫更迅速。

3.3 300 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)

在強(qiáng)降溫事件發(fā)展過程中,高空急流是如何演變的呢?為此,對(duì)300 hPa低頻緯向風(fēng)場(chǎng)(圖8)進(jìn)行分析。可知:1)偏弱的東亞溫帶急流使得南下的冷空氣向華北匯集。降溫開始時(shí)(圖8a,d),華北以北受強(qiáng)西風(fēng)控制,之后60°N附近負(fù)異常逐漸向南推進(jìn)到達(dá)華北及以北地區(qū)(圖8c,f),此時(shí)極地與中緯度呈“-”、“+”、“-”的異常分布,極地強(qiáng)冷空氣南下活動(dòng)加強(qiáng),華北北部偏弱的溫帶急流使得冷空氣向華北匯聚。2)東亞副熱帶急流一致增強(qiáng)北抬。降溫開始時(shí)(圖8a、d),東亞副熱帶急流均偏弱,溫度降至最低時(shí)(圖8c、f),急流已增強(qiáng)北抬,阻擋冷空氣進(jìn)一步南下,使得華北持續(xù)受冷空氣侵襲。

圖7 低頻散度(陰影,單位:10-6/s)的高度-經(jīng)度剖面和低頻緯向垂直環(huán)流(矢量,單位:m/s):(a)1月24日,沿37.5°N;(b)2月15日,沿50°NFig.7 The height-longitude sections of low-frequency divergence (shaded part,unit:10-6/s) and low-frequency zonal vertical circulation field (vector,unit:m/s):(a) January 24,along 37.5°N;(b) February 15,along 50°N

圖8 同圖4,但為300 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)(等值線:≥20 m/s)及其低頻分量(陰影)(單位:m/s)Fig.8 The same as Fig.4,but for the 300 hPa zonal wind field (contour:≥20 m/s) and its low-frequency component (shaded part) (units:m/s)

綜上,急流北弱南強(qiáng)時(shí),即東亞溫帶急流偏弱,東亞副熱帶急流偏強(qiáng),高緯冷空氣不斷南下并向華北匯聚,使得華北降溫。

3.4 等壓位渦場(chǎng)

位渦是表征冷空氣的最優(yōu)指標(biāo)(趙亮和丁一匯,2009)。對(duì)比兩次過程的850 hPa低頻等壓位渦場(chǎng)(圖9)可以看出,第一次過程中,貝湖北部為一高位渦中心(圖9a),是冷空氣的直接源地,隨著該高位渦中心的南移,冷空氣逐漸南下,于1月24日(圖9c)到達(dá)華北地區(qū),華北溫度降至最低。第二次過程中,降溫過程初期(圖9d),西伯利亞高原的高位渦冷空氣與華北局地高位渦冷空氣連通,有利于華北快速降溫;之后兩地高位渦冷空氣帶斷裂,華北主要受局地高位渦空氣控制(圖9e、f),隨著華北高位渦冷空氣減弱、移出,降溫結(jié)束。

圖9 同圖4,但為低頻850 hPa等壓位渦場(chǎng)(單位:10-6 K·m2·kg-1·s-1)Fig.9 The same as Fig.4,but for the low-frequency 850 hPa isobaric potential vortex field (unit:10-6 K·m2·kg-1·s-1)

冷空氣并不局限于低層等壓面,高層的高位渦庫也是冷空氣的重要來源,那這兩次降溫過程中高層冷空氣源地位于何處?為此,對(duì)位渦的高度-緯度垂直剖面(圖10)進(jìn)行分析。由圖10可見,第一次過程中,對(duì)流層高層高位渦大致沿315 K等熵面南移(圖10a),并逐漸向低層伸展,與低層打通,1月24日(圖10c),華北上空冷空氣深厚。第二次降溫開始時(shí),對(duì)流層頂及平流層中低層位于巴湖以北50°N附近有較強(qiáng)的高位渦中心(圖10d),之后東移至貝湖以南,此時(shí)等熵面異常傾斜,有利于冷空氣下傳(圖10e),2月15日(圖10f)高層高位渦空氣已東傳至華北上空,高低層充足的冷空氣使得華北進(jìn)一步降溫。

圖10 1月16(a,115°E)、20(b,115°E)、24(c,115°E)日與2月11(d,70°E)、13(e,104°E)、15(f,115°E)日低頻等壓位渦的氣壓-緯度剖面(實(shí)線:西風(fēng)急流,單位:m/s;虛線:等位溫線,單位:K;陰影:10～20 d等壓位渦,單位:10-6 K·m2·kg-1·s-1)Fig.10 The pressure-latitude sections of low-frequency isobaric potential vorticity on January (a,115°E) 16,(b,115°E) 20 and (c,115°E) 24,and February (d,70°E) 11,(e,104°E) 13 and (f,115°E) 15 (solid line:westerly jet,unit:m/s;dotted line:isentrope,unit:K;shadow:10—20 d isobaric potential vortex,unit:10-6 K·m2·kg-1·s-1)

綜上,第一次過程,高低層冷空氣源地均位于貝湖北部60°N附近,并逐漸南傳至華北地區(qū),冷空氣系統(tǒng)深厚;第二次過程中,華北低層一直為冷空氣控制,華北上空逐漸出現(xiàn)由巴湖以北東傳而來的高位渦冷空氣,有利于低層冷空氣維持,伴隨著低層冷空氣減弱移出,第二次降溫結(jié)束。

4 低頻500 hPa高度場(chǎng)與華北最低溫度時(shí)滯相關(guān)關(guān)系

由第3節(jié)已知,伴隨著華北強(qiáng)降溫事件的發(fā)展和發(fā)生,有顯著的大氣低頻信號(hào)從中高緯度向南移動(dòng)。那到底應(yīng)該更關(guān)注前期何時(shí)的大氣低頻環(huán)流系統(tǒng)及其演變呢?回答這一問題對(duì)于延伸期預(yù)報(bào)具有重要意義。下面分別給出低頻500 hPa高度場(chǎng)超前華北最低溫度序列18 d到0 d的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)分布。

由10～20 d華北最低溫度序列與500 hPa高度場(chǎng)時(shí)滯相關(guān)系數(shù)分布(圖11)可知,0 d時(shí),巴-貝湖(東亞)為顯著負(fù)(正)相關(guān),巴-貝湖低頻高壓脊(低頻東亞大槽)偏強(qiáng),華北溫度最低。其中,-18 d,西歐有顯著低頻正相關(guān)信號(hào),隨后(-16～0 d)逐漸向東南方向移動(dòng)至東亞地區(qū),使得低頻東亞大槽加深;-12 d,西歐出現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)信號(hào),之后(-10～0 d)逐漸向東南傳播至巴-貝湖區(qū)域,使得低頻巴-貝湖高壓脊加強(qiáng)。

圖11 10～20 d華北最低溫度序列與500 hPa高度場(chǎng)時(shí)滯相關(guān)系數(shù)分布(陰影通過信度α=0.01的顯著性檢驗(yàn),負(fù)數(shù)表示高度場(chǎng)超前于最低溫度的天數(shù)):(a)-18 d;(b)-16 d;(c)-12 d;(d)-10 d;(e)-5 d;(f)0 dFig.11 Distribution of lead-lag correlation coefficient between the 10—20 d minimum temperature series in northern China and 500 hPa height field (the shaded part shows that the significance test of reliability α=0.01 has been passed,and the negative numbers indicate the days of height field ahead of minimum temperature):(a)-18 d;(b)-16 d;(c)-12 d;(d)-10 d;(e)-5 d;(f) 0 d

綜上,-18 d(-12 d)存在于西歐地區(qū)的正(負(fù))相關(guān)信號(hào),對(duì)應(yīng)500 hPa高度場(chǎng)的低頻負(fù)(正)異常,對(duì)預(yù)測(cè)低頻東亞大槽(低頻巴-貝湖高壓脊)的變動(dòng),進(jìn)而預(yù)測(cè)華北降溫具有重要參考意義。

5 結(jié)論

本文主要分析了2015年冬季華北兩次強(qiáng)降溫過程及其與大氣低頻振蕩的聯(lián)系,主要結(jié)論如下:

1)2015年冬季華北發(fā)生兩次強(qiáng)降溫過程,第一次較第二次持續(xù)時(shí)間更長;兩次過程是在華北最低溫度存在10～20 d顯著周期背景下發(fā)生,并與其10～20 d低頻分量從峰值到谷值的變化很好對(duì)應(yīng)。

2)影響兩次強(qiáng)降溫過程的低頻環(huán)流系統(tǒng)演變、位置和范圍存在差異。第一次過程,巴-貝湖高壓由高緯正異常南移和地中海正異常向東移形成,位置偏西,伴隨低頻橫槽旋轉(zhuǎn)南下及極渦向東亞延伸,東亞大槽呈東北-西南走向,SH偏南偏強(qiáng),AL也較深,高低層冷空氣源地均位于貝湖北部60°N附近,冷空氣系統(tǒng)深厚。第二次過程,巴-貝湖高壓也由高緯正異常南移和地中海正異常向東北移形成,但位置偏東偏北,極地與中高緯之間呈“-AO”型異常,伴隨低頻負(fù)異常從極區(qū)向東北亞移動(dòng),東亞大槽加深并呈南北走向,SH范圍較第一次過程更偏北,AL較第一次過程更偏西偏深,華北低空局地一直為冷空氣控制,由巴湖以北東傳到華北上空的高位渦冷空氣,有利于低層冷空氣維持。另外,兩次降溫過程?hào)|亞溫帶急流與東亞副熱帶急流的演變略有差異,但均為前者弱后者強(qiáng),有利于冷空氣南下并維持在華北。

3)上游擾動(dòng)能量輸送的持續(xù)時(shí)間不同,是導(dǎo)致兩次過程持續(xù)時(shí)間差異的原因之一。第一次過程中,地中海的正異常不斷加強(qiáng)東移,為其東北方向與之相連的巴-貝湖高壓脊補(bǔ)充能量;第二次過程中,從地中海向其東北方向的巴-貝湖高壓脊輸送的能量通道很快斷裂,降溫過程持續(xù)時(shí)間較短。

4)-18 d(-12 d)存在于西歐地區(qū)的500 hPa高度場(chǎng)低頻負(fù)(正)異常,是預(yù)測(cè)低頻東亞大槽(巴-貝湖高壓脊或貝湖高壓脊)變動(dòng)及華北降溫的重要參考信號(hào)。

本文主要研究了個(gè)例年大氣低頻振蕩對(duì)華北強(qiáng)降溫過程的影響,所揭示的影響系統(tǒng)及延伸期預(yù)報(bào)信號(hào)具一定局限性,未來工作將選取多個(gè)降溫過程展開系統(tǒng)研究,尋找更具普適性的延伸期預(yù)報(bào)信號(hào)。