2021年2月北美極端低溫暴雪的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)

任素玲 牛 寧 覃丹宇* 楊冰韻 徐榕焓 咸 迪

1)(國家衛(wèi)星氣象中心/國家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心, 北京100081)2)(許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081)3)(中國遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)4)(中國氣象局干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081)

引 言

在氣候變化背景下，全球氣溫不斷升高，研究表明：與1961—1990年相比，2000—2019年全球平均地表溫度增加了0.66℃，北極增暖和中緯度地區(qū)天氣有密切關(guān)系，極端天氣和氣候事件的強(qiáng)度、范圍和發(fā)生頻次顯著增加，對(duì)人類社會(huì)和自然生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響和損害[1-2]。寒潮、冬季氣旋風(fēng)暴是影響較強(qiáng)的冬季氣象災(zāi)害類型。

極渦是北極地區(qū)貫穿對(duì)流層至平流層的深厚系統(tǒng)[3]，最能體現(xiàn)高緯度地區(qū)大氣活動(dòng)特征，極渦異常是造成北半球冬季氣溫異常的主要原因之一，研究發(fā)現(xiàn)北半球極渦的擴(kuò)展和收縮影響天氣氣候的變化，極渦通常與阻塞高壓等相互配合，造成冷空氣活動(dòng)影響中低緯度地區(qū)[4-9]。張婧雯等[10]分析了冬季不同高度層極渦之間同期和滯后關(guān)系以及極渦面積與中國平均和極端氣溫的關(guān)系。極渦活動(dòng)同樣影響北美冬季溫度和降水，Laseur[11]指出極渦從北極向北太平洋移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致北美地區(qū)溫度出現(xiàn)異常，Angell[12]研究表明：隨著極渦面積收縮, 北美溫度呈下降趨勢(shì)。極渦位置和強(qiáng)度變化是影響北美冬季風(fēng)暴的主要因素[13-16]，北美冬季風(fēng)暴強(qiáng)度變化與氣旋和反氣旋密切相關(guān)，它的頻繁活動(dòng)對(duì)北美地區(qū)天氣尺度系統(tǒng)的異常發(fā)展具有重要的預(yù)報(bào)意義。因此，許多氣象學(xué)家對(duì)北美冬季風(fēng)暴的分類、影響因子及其對(duì)冬季極端天氣的影響進(jìn)行研究，而且北美冬季風(fēng)暴的南北移動(dòng)與熱帶30～60 d季節(jié)內(nèi)振蕩等因子的活動(dòng)直接相關(guān)[17]。北美風(fēng)暴強(qiáng)度及其發(fā)展與美國冬季極端冷事件的爆發(fā)存在直接關(guān)系，如2014年美國紐約出現(xiàn)118年最低氣溫[18]，2016年美國發(fā)生強(qiáng)冬季風(fēng)暴喬納斯，2018年1月美國東海岸受爆發(fā)性氣旋影響打破近百年來最低溫度紀(jì)錄等。

2021年2月13—17日北美冬季風(fēng)暴烏里開始于東太平洋沿岸，向南穿過美國得克薩斯州、阿肯色州、路易斯安那州、密西西比州和阿拉巴馬州，到達(dá)卡羅萊納州和美國東岸[19]。烏里襲擊了北美大部，加拿大南部、美國大部、墨西哥北部遭遇強(qiáng)寒流和極端暴風(fēng)雪，多地最低氣溫突破歷史極值，美國俄克拉荷馬城出現(xiàn)1899年以來最低氣溫紀(jì)錄(-26℃)，得克薩斯州最低氣溫下降至-22℃，為1895年以來罕見。墨西哥北部最低氣溫降至-18℃。加拿大溫莎市降雪量達(dá)到200 mm，皮爾遜國際機(jī)場(chǎng)降雪量為120 mm，渥太華降雪量為180 mm。此次風(fēng)暴給北美地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)造成很大影響，美國至少100人喪生，超過550萬家庭停電，為美國近代史上最大停電事件之一。對(duì)冬季風(fēng)暴烏里的研究主要從極端低溫的角度分析冬季風(fēng)暴烏里對(duì)得克薩斯州的影響[19]，在本次風(fēng)暴生成過程中，極渦活動(dòng)異常對(duì)烏里生成和發(fā)展、低溫和降雪極端性天氣均具有重要研究意義。

隨著全球化發(fā)展，我國對(duì)全球極端氣象災(zāi)害事件的關(guān)注度越來越高，極端天氣氣候事件氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)和能力提升迫在眉睫。對(duì)全球天氣氣候事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)依賴于全球氣象觀測(cè)，風(fēng)云氣象衛(wèi)星經(jīng)過50多年的發(fā)展，綜合探測(cè)技術(shù)水平顯著提升[20-23]，2022年風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)從非洲中部到太平洋中部地區(qū)的覆蓋，風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)首次全球晨昏時(shí)刻觀測(cè)。風(fēng)云氣象衛(wèi)星遙感全球監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)效已達(dá)3.5 h，為“一帶一路”和“全球監(jiān)測(cè)、全球預(yù)報(bào)、全球服務(wù)”提供重要支撐。本文主要應(yīng)用風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星云圖和反演數(shù)據(jù)，針對(duì)北美冬季頻發(fā)的冬季風(fēng)暴和2021年極端冬季風(fēng)暴烏里展開研究，有利于提升風(fēng)云氣象衛(wèi)星全球?yàn)?zāi)害天氣氣候事件監(jiān)測(cè)服務(wù)能力。本文利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5再分析數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)云三號(hào)D星大氣垂直探測(cè)系統(tǒng)(Vertical Atmospheric Sounding System，簡稱FY-3D/VASS)反演的溫度進(jìn)行精度評(píng)估，形成適用于FY-3D/VASS溫度分析的ERA5數(shù)據(jù)的氣候平均態(tài)；然后分析北美冬季風(fēng)暴的活動(dòng)特征，研究冬季風(fēng)暴烏里活動(dòng)的氣候背景及極渦活動(dòng)對(duì)風(fēng)暴的影響；最后應(yīng)用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析風(fēng)暴烏里強(qiáng)降雪過程中水汽輸送和對(duì)流活動(dòng)特征等。

1 數(shù) 據(jù)

1.1 ERA5再分析數(shù)據(jù)

本文采用的溫度、風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度和位渦(potential vorticity, PV)數(shù)據(jù)均來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECWMF)再分析數(shù)據(jù)集ERA5[24]。該數(shù)據(jù)集融合了模式和全球觀測(cè)數(shù)據(jù)，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h，本文所用氣壓層為200～850 hPa，時(shí)間為1991—2021年。

1.2 FY-3D氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)

1.2.1 FY-3D/VASS數(shù)據(jù)及精度驗(yàn)證

本文采用風(fēng)云三號(hào)D星大氣垂直探測(cè)系統(tǒng)(Vertical Atmospheric Sounding System,FY-3D/VASS)儀器組反演的溫度和濕度數(shù)據(jù)[25-28]。該垂直觀測(cè)儀器組包括3個(gè)儀器，分別為4個(gè)通道微波濕度計(jì)(microwave humidity sounder,MWHS)、5個(gè)通道微波溫度計(jì)(microwave temperature sounder,MWTS)和26個(gè)通道紅外分光計(jì)(infrared atmospheric sounder,IRAS)。VASS溫度和濕度數(shù)據(jù)覆蓋范圍為全球，星下點(diǎn)空間分辨率為16 km，垂直方向從1013.25 hPa至0.1 hPa共43個(gè)氣壓層。本文所用數(shù)據(jù)時(shí)間為2021年2月。

研究表明：FY-3D/VASS溫度和濕度與ERA5相比，晴空區(qū)域的陸地和海洋上空溫度平均偏差分別為1℃和0.5℃，900 hPa以上均方根誤差平均優(yōu)于2℃；陸地和海洋上空濕度平均偏差接近0,濕度均方根誤差分別優(yōu)于1.5 g·kg-1和1 g·kg-1[29]。由于本文主要基于FY-3D/VASS溫度對(duì)2021年北美冬季風(fēng)暴烏里開展監(jiān)測(cè)分析，因此針對(duì)北美區(qū)域冬季全天候條件下(包括有云條件下)開展精度驗(yàn)證。

精度驗(yàn)證選取時(shí)間范圍為2021年2月1—28日，空間范圍為10°～85°N，50°～150°W。時(shí)間匹配方法：FY-3D/VASS溫度根據(jù)衛(wèi)星逐像元觀測(cè)時(shí)間選取最臨近的時(shí)刻，生成1 h時(shí)間分辨率(無觀測(cè)區(qū)域設(shè)置為缺省值)數(shù)據(jù)，并與ERA5 1 h時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配?？臻g匹配方法：FY-3D/VASS溫度根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)逐像元經(jīng)度和緯度位置，插值為水平分辨率為0.25°×0.25°等經(jīng)緯度格點(diǎn)，與ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行水平空間匹配，垂直氣壓層FY-3D/VASS的102.05 hPa，396.81 hPa，702.73 hPa，839.95 hPa分別與ERA5的100 hPa，400 hPa，700 hPa，850 hPa 進(jìn)行匹配(FY-3D/VASS 500 hPa附近氣壓層分別為478.54 hPa和521.46 hPa，為了減小由于空間匹配差異造成的誤差，選取400 hPa代表對(duì)流層中層)。

通過時(shí)空匹配，每個(gè)氣壓層匹配樣本量約為770～890萬個(gè)(表1)，由FY-3D/VASS和ERA5溫度散點(diǎn)密度分布(圖1)可知，100～850 hPa FY-3D/VASS和ERA5溫度樣本集中分布在趨勢(shì)線附近，850 hPa的低層離散性略大?？傮w表現(xiàn)出對(duì)流層高層誤差相對(duì)偏小，低層誤差相對(duì)偏大的特征(表1)。北美區(qū)域100 hPa相關(guān)系數(shù)為0.98，平均偏差為0.17℃，絕對(duì)偏差為1.14℃，均方根誤差為1.71℃；400 hPa相關(guān)系數(shù)為0.99，平均偏差為-0.22℃，絕對(duì)偏差為1.44℃，均方根誤差為1.94℃；850 hPa相關(guān)系數(shù)為0.97，平均偏差為-0.48℃，絕對(duì)偏差為2.63℃，均方根誤差為3.56℃。

表1 2021年2月北美區(qū)域(10°～85°N，50°～150°W)FY-3D/VASS溫度精度

圖1 2021年2月北美區(qū)域(10°～85°N，50°～150°W)FY-3D/VASS溫度和ERA5溫度散點(diǎn)密度

圖2為不同氣壓層FY-3D/VASS溫度相對(duì)于ERA5溫度平均偏差分布。由圖2可以看到，對(duì)流層低層至高層平均偏差逐漸減小，北美大部分區(qū)域100 hPa偏差為-0.5～0.5℃，400 hPa平均偏差相對(duì)較大的區(qū)域出現(xiàn)在北美西部及東太平洋沿岸(偏低約為-2～-1℃)，其他區(qū)域精度較高；700 hPa和850 hPa對(duì)流層低層平均偏差相對(duì)較大，整體表現(xiàn)為北美西部溫度偏低，中東部溫度偏高。60°N以北區(qū)域，兩者一致性較好，特別是本文研究中關(guān)注的北美北部的極區(qū)附近(50°～80°N，50°～155°W)，大部分地區(qū)兩種數(shù)據(jù)的平均偏差在1℃以內(nèi)。冬季風(fēng)暴烏里影響的美國中東部范圍內(nèi)(35°～50°N,60°～100°W)，2月FY-3D/VASS的850 hPa平均溫度較ERA5偏高1～3℃，而受影響最嚴(yán)重的美國南部得克薩斯州及其以東的美國南部溫度偏差不高于0.5℃?？紤]到極區(qū)增暖的氣候變化背景[30]以及FY-3D/VASS溫度相對(duì)于ERA5再分析數(shù)據(jù)的偏差特征，選取1991—2020年ERA5再分析平均溫度作為本研究的氣候平均態(tài)。

圖2 2021年2月FY-3D/VASS相對(duì)于EAR5的溫度平均偏差

1.2.2 FY-3D云頂溫度數(shù)據(jù)

FY-3D云頂溫度數(shù)據(jù)為利用中分辨率光譜成像儀(medium resolution spectral imager,MERSI)反演得到的日平均數(shù)據(jù)[31]，覆蓋全球,空間分辨率為0.05°×0.05°，文中所用數(shù)據(jù)時(shí)間為2021年2月。

1.3 GridSat-B1衛(wèi)星數(shù)據(jù)

GridSat-B1數(shù)據(jù)是國際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃(International Satellite Cloud Climatology Project，ISCCP)創(chuàng)建的全球靜止氣象衛(wèi)星格點(diǎn)數(shù)據(jù)[32]，選取星下點(diǎn)最鄰近的衛(wèi)星形成融合觀測(cè)數(shù)據(jù)。GridSat-B1數(shù)據(jù)集提供3個(gè)通道的衛(wèi)星觀測(cè)，包括紅外窗區(qū)(IRWIN)通道(接近11 μm)、可見光通道(接近0.6 μm)和水汽(IRWVP)通道(接近6.7 μm)。GridSat-B1 IRWIN是目前唯一在長度、一致性和連續(xù)性方面符合氣候數(shù)據(jù)集(climate data record，CDR)標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。GridSat-B1目前在NOAA氣候數(shù)據(jù)集項(xiàng)目(NOAA Climate Data Record Program)中每季度更新1次?？臻g分辨率為0.07°×0.07°，覆蓋范圍為70°S～70°N內(nèi)的地球表面，每3 h 1次。文中選用紅外窗區(qū)(IRWIN)通道亮溫，時(shí)間為2021年2月12—17日。

1.4 GSMaP_Gauge降水?dāng)?shù)據(jù)

本文降水?dāng)?shù)據(jù)采用GSMaP_Gauge(The Japanese Global Satellite Mapping of Precipitation)數(shù)據(jù)集[33]，包括全球降水測(cè)量GPM(global precipitation measurement)主衛(wèi)星攜帶的Ku/Ka多普勒雙頻降雨雷達(dá)DPR和微波成像儀(GMI)等反演降水?dāng)?shù)據(jù)，并且融合了全球地面氣象觀測(cè)站降水。數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h和1 d，空間分辨率為0.01°×0.01°，空間覆蓋范圍為60°S～60°N內(nèi)的地球表面，文中所用時(shí)間為2021年2月12—17日。

1.5 GOES-R閃電數(shù)據(jù)

GOES-R(Geostationary Operational Environmental Satellite-R)系列衛(wèi)星為美國靜止軌道氣象衛(wèi)星，搭載有成像儀(the advanced baseline imager,ABI)、靜止軌道閃電探測(cè)儀(the geostationary lightning mapper,GLM)等設(shè)備[34]。GLM是首個(gè)地球靜止軌道閃電探測(cè)儀，連續(xù)探測(cè)美洲和鄰近海洋區(qū)域的總閃電(云閃和地閃)活動(dòng)。GLM數(shù)據(jù)與雷達(dá)、來自ABI儀器的數(shù)據(jù)和地面觀測(cè)聯(lián)合使用，具有極大應(yīng)用潛力，可以增強(qiáng)災(zāi)害性雷暴、龍卷等的預(yù)警能力。

GLM觀測(cè)星下點(diǎn)空間分辨率為8 km，觀測(cè)區(qū)域邊緣約為14 km。2級(jí)反演數(shù)據(jù)包括閃電事件、閃電組和閃電等數(shù)據(jù),本文采用其中的閃電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為20 s,使用的數(shù)據(jù)時(shí)間段為2021年2月14日00:00—17日00:00(世界時(shí),下同)。

2 研究結(jié)果

2.1 北美冬季風(fēng)暴活動(dòng)特征

北美冬季風(fēng)暴由美國天氣頻道命名。2020年冬季共有24個(gè)命名冬季風(fēng)暴，包括發(fā)生在10月的2個(gè)冬季風(fēng)暴。冬季風(fēng)暴的命名基于滿足或預(yù)期滿足以下至少1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：①冬季風(fēng)暴、暴雪或冰凍預(yù)警覆蓋至少200萬人口；②冬季風(fēng)暴、暴雪或冰凍預(yù)警覆蓋面積至少為400000 km2，或略大于蒙大拿州。本文研究的冬季風(fēng)暴烏里主要影響時(shí)間段為2021年2月13—17日。

2012—2020年由美國天氣頻道命名的北美冬季風(fēng)暴共有183個(gè)，10月、11月、12月、1月、2月、3月、4月和5月冬季風(fēng)暴總數(shù)分別為6，17，23，33，38，53，10和3。12月、1月和2月冬季風(fēng)暴活動(dòng)數(shù)量較多，2月冬季風(fēng)暴最活躍。主要原因：2月加拿大冷空氣達(dá)到最強(qiáng)，強(qiáng)烈的南北溫度梯度導(dǎo)致風(fēng)暴加??；2月風(fēng)暴移動(dòng)路徑導(dǎo)致美國東北部產(chǎn)生強(qiáng)降雪；2月初墨西哥灣暖濕氣流開始活躍并向北輸送，當(dāng)沒有冬季風(fēng)暴活動(dòng)時(shí)，海洋暖濕空氣的活動(dòng)僅限于南方地區(qū)，當(dāng)冬季風(fēng)暴到達(dá)東南部時(shí)，墨西哥灣的水汽被輸送到更高緯度的東北部，并與強(qiáng)冷空氣結(jié)合。干冷的加拿大空氣和暖濕的墨西哥灣氣流間的溫度梯度可能會(huì)造成低壓系統(tǒng)“爆炸”式發(fā)展，導(dǎo)致嚴(yán)重的暴風(fēng)雪天氣。

2.2 北美冬季風(fēng)暴烏里發(fā)生的氣候背景

圖3a為2021年2月FY-3D/VASS 850 hPa平均溫度距平，北美大陸極地冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)(50°～80°N，50°～150°W，藍(lán)色方框)的西部溫度較歷史同期偏低4～8℃，部分地區(qū)偏低8℃以上，關(guān)鍵區(qū)東部80°W以東區(qū)域溫度偏高，該配置形勢(shì)有利于極區(qū)冷空氣東移南下影響北美大陸中南部。2月歐亞大陸極渦冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)(50°～80°N，75°～150°E)及其以西區(qū)域整體呈偏冷狀態(tài)。

由2021年2月1—28日北美冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)(50°～80°N，100°～150°W)平均溫度演變(圖4a)可知，2月有3次冷空氣加強(qiáng)過程，分別為2月1—7日，2月13—16日，2月23—28日。2月1—7日冷空氣逐漸加強(qiáng)，由-15.8℃下降至-18.0℃，之后冷空氣開始南下，觸發(fā)冬季風(fēng)暴烏里生成，造成美國中東部大范圍雨雪冰凍天氣。當(dāng)北美冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)冷空氣南下后，2月8日區(qū)域平均溫度開始回升，12日區(qū)域平均溫度由-18.0℃升高至-15.0℃，新一輪冷空氣在該區(qū)域堆積加強(qiáng)，形成準(zhǔn)2周的波動(dòng)特征。北美極區(qū)冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)溫度異常演變特征超前于美國中東部冷空氣活動(dòng)及其造成的冬季風(fēng)暴活動(dòng)影響。

2月上旬北美冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)西部(50°～80°N，100°～150°W)冷空氣強(qiáng)度最強(qiáng)(圖4a),2月7日該區(qū)域平均溫度低于-23℃，相比氣候平均溫度(-14℃)約偏低9℃(圖4b)，受本次冷空氣影響，2月上旬北美冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)西部持續(xù)維持偏冷狀態(tài)，溫度距平百分比最大達(dá)70%(圖4c)，該區(qū)域冷空氣南下影響美國中南部，2月11—28日冷空氣強(qiáng)度接近歷史同期略偏強(qiáng)狀態(tài)。

圖3 2021年FY-3D/VASS 850 hPa平均溫度和溫度距平(a)2月平均溫度距平,(b)2月1—7日平均溫度，(c)2月1—7日平均溫度距平

圖4 2021年2月1—28日850 hPa區(qū)域平均溫度時(shí)間序列(a)FY-3D/VASS區(qū)域平均溫度(藍(lán)線：50°～80°N,50°～150°W；黑線：50°～80°N,100°～150°W)和ERA5 氣候態(tài)區(qū)域平均溫度(紅線：50°～80°N，100°～150°W),(b)FY-3D/VASS區(qū)域平均(50°～80°N，100°～150°W)溫度距平,(c)FY-3D/VASS區(qū)域平均(50°～80°N,100°～150°W)溫度距平百分比

2021年北美冬季風(fēng)暴烏里發(fā)生在2月上旬北美冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)冷空氣增強(qiáng)后南下的背景條件下。圖3b和圖3c為2021年2月1—7日850 hPa平均溫度和距平。由圖3b可見,在60°N以北的北美極區(qū)，存在平均溫度低于-24℃的大范圍冷區(qū)域，90°～120°W附近為冷槽，預(yù)示冷空氣在此區(qū)域向南伸展。相對(duì)于歷史同期(圖3c)，北美冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)西部(50°～80°N,100°～150°W)溫度顯著偏低8～12℃，90°W以東區(qū)域溫度偏高。

2.3 北美冬季風(fēng)暴烏里發(fā)展演變

2021年2月13—17日北美冬季風(fēng)暴烏里在太平洋沿岸形成[19]，向南穿過得克薩斯州、阿肯色州、路易斯安那州、密西西比州和阿拉巴馬州，到達(dá)卡羅萊納州和美國東岸。由2021年2月13—16日ERA5 850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和FY-3D日平均云頂溫度(圖5)可以看到，2月13日30°N美國西海岸附近出現(xiàn)渦旋云系，發(fā)展旺盛的云系出現(xiàn)在風(fēng)暴中心的南側(cè)、東側(cè)和北側(cè)，14日風(fēng)暴中心快速東移南下，15日風(fēng)暴中心東移至35.5°N,89°W附近，中心北側(cè)和東側(cè)的云系發(fā)展旺盛，16日風(fēng)暴快速向東北方向移動(dòng)并影響美國東北部和加拿大。風(fēng)暴烏里發(fā)展過程中，F(xiàn)Y-3D云頂溫度多處低于-50℃，自西向東影響美國大部分地區(qū)以及加拿大東南部。2月17日，風(fēng)暴烏里東移至海上，結(jié)束對(duì)北美的影響。

圖5 2021年2月13—16日FY-3D日平均云頂溫度(填色)和ERA5 850 hPa高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)(紅點(diǎn)和紅線分別表示風(fēng)暴中心和移動(dòng)路徑)

2.4 極渦活動(dòng)對(duì)冬季風(fēng)暴烏里的觸發(fā)作用

2021年2月上旬北美冷空活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)異常偏冷，特別是100°～150°W極區(qū)附近的氣溫比氣候平均偏低8～9℃(圖4b)。圖6為2021年2月10—16日FY-3D/VASS 850 hPa日平均溫度和ERA5 500 hPa 位勢(shì)高度。由圖6可見，2月10日500 hPa極渦中心位于55°N,90°W，北美西部—東北太平洋為高壓暖脊，在脊前偏北氣流的引導(dǎo)下，50°～60°N的850 hPa低溫中心加強(qiáng)并向東南方向移動(dòng)，850 hPa 低溫中心約為-30℃。11日極渦中心西側(cè)(52°N,105°W)低壓發(fā)展，形成東西向橫槽，中心溫度降低至-35℃左右，美國東南部高空槽東移發(fā)展。13日極渦中心位于50°N,100°W。此時(shí)，500 hPa東北太平洋為高壓并進(jìn)一步發(fā)展,高壓脊前的偏北風(fēng)和極渦中心西側(cè)的偏北風(fēng)引導(dǎo)高緯度地區(qū)的冷空氣南下，美國西南部(35°N,110°W)500 hPa高空冷槽加深，在對(duì)流層低層發(fā)展加強(qiáng)并形成低壓中心，氣旋云系明顯發(fā)展(圖5)。14日隨著500 hPa極渦中心西側(cè)橫槽轉(zhuǎn)豎，美國中西部冷空氣明顯南推，850 hPa 的0℃等溫線快速南壓至30°N以南，得克薩斯州大部分區(qū)域溫度低于0℃。15—16日冷空氣進(jìn)一步東移南下，美國南部墨西哥灣沿岸850 hPa溫度接近0℃。隨著極渦中心南下和西側(cè)橫槽轉(zhuǎn)豎，極區(qū)冷空氣自北向南推進(jìn)，為風(fēng)暴烏里在中低緯度地區(qū)生成提供了位于中心北側(cè)的偏北冷氣流。

圖6 2021年2月10，11，13—16日FY-3D/VASS 850 hPa日平均溫度(填色)和ERA5 500 hPa位勢(shì)高度(等值線，單位:dagpm)

來自高緯度對(duì)流層中高層的偏北氣流具有高位渦特征[35-36],位渦

P=g(f+ζθ)(-?θ/?p)。

(1)

式(1)中，g為重力加速度(單位：m·s-2),地轉(zhuǎn)渦度科氏力f(單位：s-1)為緯度的函數(shù)，緯度越高f越大，ζθ為絕對(duì)渦度(單位：s-1)，θ為位溫(單位：K)，-?θ/?p為大氣靜力穩(wěn)定度熱力參數(shù)。在絕熱條件下，氣塊沿著等熵面移動(dòng)具有位渦守恒的特征，一般而言當(dāng)氣塊由高緯度向低緯度移動(dòng)時(shí)，大氣的靜力穩(wěn)定度減小，地轉(zhuǎn)渦度f減小，因而絕對(duì)渦度ζθ發(fā)展，有利于低層氣旋的生成和發(fā)展。同時(shí)，對(duì)流層中高層有正位渦異常影響時(shí)，會(huì)造成對(duì)流層低層正渦度發(fā)展。何立富等[37]研究引發(fā)東北極端暴雪的黃渤海氣旋爆發(fā)性發(fā)展過程，指出高層位渦高值區(qū)向下伸展對(duì)地面氣旋的發(fā)展起重要作用。

由風(fēng)暴烏里生成前期和生成過程中500 hPa溫度及風(fēng)場(chǎng)和200 hPa位渦(圖7)可以看到，2月10日500 hPa極渦中心附近，200 hPa為高位渦(8 PVU，1 PVU=10-6m2·s-1·K·kg-1),北美西部—太平洋沿岸500 hPa為偏北風(fēng)和相對(duì)冷區(qū)，對(duì)流層高層為高位渦異常(4～6 PVU)；2月13日大于6 PVU 的高位渦異常向南伸展到30°N，105°W附近，此時(shí)冬季風(fēng)暴烏里在該區(qū)域生成(圖5)。由沿105°W的垂直剖面圖(圖8)可以看到，極渦加強(qiáng)南下伴隨的冷氣團(tuán)深厚，500 hPa以下均為冷中心，并且可以清楚地看出高位渦區(qū)向下伸展，極渦中心附近2 PVU的高位渦區(qū)向下伸展到600 hPa，1 PUV等值線向下伸展到900 hPa近地面附近，特別是冬季風(fēng)暴烏里生成區(qū)域的對(duì)流層中高層(200～300 hPa)，10—13日位渦明顯增加，1 PVU等值線向南向下伸展，最大值由3 PVU增加至6 PVU。35°～40°N冷暖氣流交匯，經(jīng)向溫度梯度較大。10日35°N附近為一致偏南風(fēng)，風(fēng)速較小，13日出現(xiàn)南風(fēng)和北風(fēng)交匯，緯向風(fēng)速也明顯加大，表明氣旋式低壓系統(tǒng)發(fā)展。隨著極渦中心南下和冷空氣向南爆發(fā)，對(duì)流層中高層高位渦異常南伸為風(fēng)暴烏里的生成提供動(dòng)力強(qiáng)迫。

圖7 2021年2月10日和13日FY-3D/VASS 500 hPa溫度(填色)、ERA5 500 hPa風(fēng)場(chǎng)(矢量)和200 hPa位渦(等值線，單位：PVU)

圖8 2021年2月10日和13日FY-3D/VASS溫度(填色)、ERA5緯向風(fēng)(黑色等值線，單位:m·s-1)和位渦(白色等值線，單位：PVU)沿105°W的垂直剖面

2.5 北美冬季風(fēng)暴烏里強(qiáng)降雪環(huán)境場(chǎng)因子

北美冬季風(fēng)暴烏里除了造成強(qiáng)降溫外，還帶來異常強(qiáng)雨雪天氣[38]。由2021年2月13—16日GSMaP_Gauge 24 h降水量(圖9)可以看到，2月13日美國東南部出現(xiàn)降水，部分地區(qū)24 h降水量超過30 mm，2月15日降水整體相對(duì)較弱，16日受再次發(fā)展的氣旋風(fēng)暴云系影響，美國東部再次出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降水，強(qiáng)降水較前期向北擴(kuò)展到40°N附近的五大湖區(qū)，17日降水減弱。

圖9 2021年2月13—16日GSMaP_Gauge 24 h降水量

由FY-3D/VASS 850 hPa比濕分布(圖10)可以看到強(qiáng)雨雪過程的水汽輸送特征。2月12日40°N以南的美國中南部，850 hPa比濕超過3 g·kg-1，中高緯度極渦冷中心位于55°N，100°W，中心西側(cè)和南側(cè)為偏北風(fēng)，與墨西哥灣北上的暖濕氣流在美國南部沿海匯合，形成低壓環(huán)流，為冬季風(fēng)暴烏里云系發(fā)展和降水產(chǎn)生提供了較好的不穩(wěn)定能量條件(圖5和圖9)。13—16日850 hPa墨西哥灣維持強(qiáng)的西南氣流，將比濕高的熱帶暖氣流向北輸送，15日美國南部墨西哥灣沿岸低層氣旋加強(qiáng)并向東北方向移動(dòng)，強(qiáng)度大于3 g·kg-1的相對(duì)高比濕區(qū)向北伸展至五大湖及以東地區(qū)，為該區(qū)域大暴雪天氣的產(chǎn)生提供了有利的水汽條件[39]。

圖10 2021年2月850 hPa FY-3D/VASS 比濕(填色，藍(lán)色等值線為3 g·kg-1)和ERA5風(fēng)場(chǎng)(矢量)

冬季風(fēng)暴烏里的強(qiáng)降雪云系具有對(duì)流特征。利用3 h頻次的靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)(GridSat)統(tǒng)計(jì)2月12—17日云頂亮溫低于-32℃和-42℃的發(fā)生頻率(發(fā)生次數(shù)/觀測(cè)次數(shù))(圖11a)，在此時(shí)間段內(nèi)美國大部分地區(qū)低云頂亮溫為-32℃，發(fā)生頻率超過15%的區(qū)域位于美國中南部，其中頻率超過30%的地區(qū)位于東南部。云頂亮溫低于-42℃頻次大于6%的區(qū)域出現(xiàn)在科羅拉多州和東部的弗吉尼亞州。由2月15日21:00紅外云頂亮溫分布(圖11b)可以看到，本次強(qiáng)降雪過程云系具有對(duì)流特征，美國西部云系最低云頂亮溫約為-48～-44℃，美國東部風(fēng)暴云系的冷鋒云帶和頭部大部分低于-40℃，部分區(qū)域低于-52℃，降雪云系發(fā)展深厚，冷鋒云帶西側(cè)邊緣出現(xiàn)多個(gè)對(duì)流單體。

GOES-R氣象衛(wèi)星閃電觀測(cè)(圖11c)顯示，冬季風(fēng)暴烏里活動(dòng)的關(guān)鍵時(shí)段內(nèi)，2月14日00:00—17日00:00美國西南部、墨西哥灣、美國東南部和東部等地均出現(xiàn)明顯的閃電活動(dòng)。其中,美國西南部的閃電總次數(shù)為1～15，對(duì)應(yīng)風(fēng)暴烏里發(fā)展階段，隨著風(fēng)暴中心東移，濕度增大，美國東南部和東部對(duì)流閃電更加活躍，出現(xiàn)大范圍50次以上閃電分布，該區(qū)域出現(xiàn)明顯降雪。由15日20:00—22:00閃電觀測(cè)(圖11d)可以看到高頻次的閃電活動(dòng)出現(xiàn)在美國東南部，與15日21:00紅外云圖低亮溫中心(圖11b)匹配[40]。

圖11 2021年2月靜止氣象衛(wèi)星觀測(cè)的對(duì)流和閃電(a)12—17日GridSat對(duì)流活動(dòng)頻率(填色為云頂亮溫低于-32℃出現(xiàn)頻率，藍(lán)色等值線為云頂亮溫低于-42℃出現(xiàn)頻率(大于6%)，單位：%),(b)15日21:00 GridSat云頂亮溫,(c)14日00:00—17日00:00 GOES-R GLM閃電總次數(shù),(d)15日20:00—22:00 GOES-R GLM閃電總次數(shù)

3 結(jié) 論

本文利用多種氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合再分析數(shù)據(jù)，分析2021年2月北美強(qiáng)冬季風(fēng)暴烏里發(fā)生的氣候背景、發(fā)展演變、極渦活動(dòng)對(duì)烏里的觸發(fā)作用，以及造成極端低溫和降雪的大氣環(huán)境特征等。主要結(jié)論如下：

1)利用ERA5再分析數(shù)據(jù)對(duì)2021年2月北美區(qū)域的FY-3D/VASS溫度進(jìn)行精度檢驗(yàn)顯示，北美區(qū)域?qū)α鲗痈邔诱`差相對(duì)偏小，低層誤差相對(duì)偏大，不同高度層兩者數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)在0.97以上。100 hPa平均偏差為0.17℃，絕對(duì)偏差為1.14℃；400 hPa平均偏差為-0.22℃，絕對(duì)偏差為1.44℃；850 hPa平均偏差為-0.48℃，絕對(duì)偏差為2.63℃。表明FY-3D/VASS溫度能夠滿足全球極端冷事件監(jiān)測(cè)服務(wù)需求，是缺少常規(guī)氣象觀測(cè)區(qū)域的重要數(shù)據(jù)來源。

2)2021年2月平均北美大陸極地冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)(50°～80°N,50°～150°W)的西部溫度較歷史同期偏低4～8℃，部分地區(qū)偏低8℃以上。2月有3次冷空氣加強(qiáng)過程，2月上旬冷空氣強(qiáng)度最強(qiáng)，溫度距平百分比最大達(dá)70%，這為冬季風(fēng)暴烏里爆發(fā)提供了有利的氣候背景。

3)在東北太平洋高壓脊的引導(dǎo)下，極渦加強(qiáng)南下，極渦中心西側(cè)橫槽轉(zhuǎn)豎過程中冷空氣向南爆發(fā)，高緯度地區(qū)對(duì)流層中高層的高位渦區(qū)異常南伸為烏里的生成提供了高層動(dòng)力強(qiáng)迫，低層冷空氣南伸到達(dá)30°N附近，與沿著副熱帶高壓西側(cè)向北輸送的墨西哥灣暖濕氣流在美國南部交匯，觸發(fā)低層氣旋風(fēng)暴云系快速發(fā)展，為強(qiáng)降雪的發(fā)生發(fā)展提供有利的環(huán)境場(chǎng)條件。

4)造成強(qiáng)降雪的風(fēng)暴云系具有對(duì)流特征，并有明顯的閃電活動(dòng)。2月12—17日美國大部分地區(qū)的低云頂亮溫為-32℃，發(fā)生頻率超過15%的區(qū)域位于美國中南部，其中東南部的頻率30%。2月15日美國東部的冬季風(fēng)暴烏里云系的冷鋒云帶和頭部大部分區(qū)域的云頂亮溫低于-40℃，部分區(qū)域低于-52℃，降雪云系發(fā)展深厚，云系內(nèi)部有對(duì)流閃電活動(dòng)。

本文主要應(yīng)用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)造成極端低溫降雪的冬季風(fēng)暴烏里開展研究，采取多源衛(wèi)星和多類衛(wèi)星反演參數(shù)，不僅分析了極渦異?；顒?dòng)對(duì)冬季災(zāi)害性極端冷事件的觸發(fā)作用、低緯度地區(qū)大氣環(huán)境場(chǎng)因子、大尺度環(huán)流形勢(shì)的配置等，還利用衛(wèi)星紅外通道亮溫和衛(wèi)星觀測(cè)閃電數(shù)據(jù)分析了本次冬季風(fēng)暴極端暴雪天氣的云系對(duì)流活動(dòng)特征。冬季降雪一般為穩(wěn)定性層云，而本次美國冬季風(fēng)暴，因極地冷空氣強(qiáng)，向南伸展到更低緯度地區(qū)，遇到豐沛水汽激發(fā)冬季降雪過程中出現(xiàn)對(duì)流活動(dòng)，這和我國冬季降雪云系的特征差異顯著，在一定程度上可加強(qiáng)對(duì)冬季降雪云系區(qū)域差異性特征認(rèn)識(shí)，同時(shí)有助于增強(qiáng)氣象衛(wèi)星全球?yàn)?zāi)害事件的監(jiān)測(cè)能力和服務(wù)水平，對(duì)歐亞地區(qū)冬季極端冷事件的監(jiān)測(cè)預(yù)警也有一定借鑒意義。