2 国家气候中心, 北京100081;
3 中国气象科学研究院北京100081
2 National Climate Center, Beijing 100081;
3 Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
华南准静止锋是影响我国华南地区的重要天气气候系统,在冬半年(10月至翌年6月)经常出现,是冬季东亚最主要的气候锋(陶祖钰等,2008)。华南准静止锋出现在20°~27°N之间,多停滞于22°~25°N之间,有80%以上会影响华南,产生降水,是我国冬季南方产生降水的主要系统,由于其锋面坡度平缓,故其降水范围比一般冷锋范围大得多(鹿世瑾,1990)。2008年1月到2月,我国南方地区接连出现四次严重的低温雨雪天气过程,致使南方近20个省(区、市)遭受历史罕见的冰冻灾害。2011年1月到2月,贵州、湖南、广西北部等南方多地出现多次低温雨雪冰冻天气。造成上述两次冰冻雨雪天气的直接天气系统都是华南准静止锋(孙建华和赵思雄,2008;韦晨,2012),可见异常的华南准静止锋会引起南方冬季的极端天气。
为了认识冬季华南准静止锋的结构与环流特征,许多学者从不同角度进行了研究。陶祖钰等(2008)、杨贵名等(2009)以及杜小玲和蓝伟(2010)都考察了2008年1月的华南准静止锋的锋区结构特征,发现华南准静止锋锋面平缓,等qse(假相当位温)经向和垂直梯度大,锋区逆温明显,锋生函数分布与等qse 线密集区分布一致。陶诗言和卫捷(2008)发现2008年1月雨雪过程中锋生函数出现在400 hPa以下的对流层大气中,其中700~600 hPa的气层中锋生过程最强;钱维宏和符娇兰(2009)发现用相当温度梯度表示的湿大 气锋生可以有效地描述2008年1月准静止锋的活动特征及其与降水的关系;池再香等(2010)发现2008年1月贵州境内的锋生强度和冷空气强度有很好的对应关系。孙建华和赵思雄(2008)和李登文等(2009)重点研究了冻雨形成的层结条件和锋区逆温的垂直结构。Wen et al.(2009)、顾雷等(2008)、李崇银等(2008)和高辉等(2008)分析了导致2008年1月准静止锋异常的大尺度环流形势,为稳定的北脊南槽型阻塞形势并配合异常活跃的南支槽。董海萍等(2009)通过分析2008年1月湘潭地区的准静止锋上的中小尺度系统,发现低层低温、逆温层的存在及充足的水汽是冰冻形成的主要原因。还有研究则发现2008年1月的极端天气与亚洲大气冷源的异常、北大西洋涛动和平流层的异常有关(Nan and Zhao,2011;谭桂容等,2010)。杜小玲和蓝伟(2010)对2008冻雨过程和2009阴雨天气的锋区结构特征进行了对比分析。郭英莲等(2009)分析对比了2008年1月的华南准静止锋和1998年夏季的梅雨锋。
上述分析表明冬季华南准静止锋及其相关的研究已取得了许多进展,许多学者对冬季华南准静止锋的形成条件、锋区结构、锋生特征、大尺度的环流形势和中小尺度的系统发展等方面进行了研究。但以前的研究大多是针对一些个例开展的,对一些问题认识尚不清楚,例如:在气候学上,冬季华南准静止锋的锋面特征如何?华南准静止锋强度与其大气环流结构和降水的关系如何?运用高分辨率长时间尺度的资料对这些问题的研究也未开展。因此,通过大量样本来深入分析冬季华南准静止锋是有必要的。本文将定义一个冬季华南准静止锋指数,挑选强准静止锋事件,并考察强准静止锋的结构特征、环流类型及其与降水的关系。
2 资料和方法本文所用的资料为:(1)美国环境预报中心/美国大气资料中心(NCEP/NCAR)提供的FNL(Final)分析资料,水平分辨率为1°×1°,垂直方向26层,时间分辨率为每6 h一次(http://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2[03]);(2)国家气象信息中心提供的2474站逐日降水资料。所使用的资料时段为2000年冬季至2011年冬季,其中将12月和次年1、2月称为某年冬季。
本文将采用合成分析方法讨论强华南准静止锋的结构与环流特征。
3 冬季华南准静止锋指数锋区为密度不同的两个气团之间的过渡带,主要表现为温度的不同,有时则表现为温度差异小但水汽差异大。继顾震潮等(1958)用假相当位温(q se)图来分析锋面之后,很多学者发现锋区的基本特征就是对流层中下层的假相当位温水平梯度密集,并且等q se线的密集区域与锋生函数大值区对应良好(Zhao et al,2004;郑永光等,2007;尹东屏等,2010;杨贵名等,2009;Liu et al.,2012;杜小玲等,2014),因此我们将利用等qse线的密集程度来反应锋面的强度。考虑到华南准静止锋常年呈东西走向的特征,本文使用850 hPa的假相当位温的经向梯度(即∂qse/∂y)来表征华南准静止锋的强度。
从12年(2000~2011年)冬季平均的温度和假相当位温剖面图(图 1a)可以看到,冬季华南准静止锋表现为对流层中下层(700 hPa以下)的等qse线密集带,锋区随高度向北倾斜,地面锋区位于21°~27°N,850 hPa上的等q se线最为密集,最密 集带位于25°N附近。考察12年冬季平均的850 hPa准静止锋强度(∂θse/∂y)的水平分布(图 1b)发现,∂θse/∂y 大值区位于23°~27°N,呈东西带状分布,中心位于广西、广东与贵 州 的交界处。因此选取(23°~27°N,106~118°E)为关键区域(图 1b中蓝框区域),并定义850 hPa关键区区域平均的 ∂θse/∂y 为准静止锋强度指数,即
${I_{{\rm{scef}}}} = - \partial {\theta _{{\rm{se}}}}/\theta y$ | (1) |
首先从12年冬季逐6 h的标准化准静止锋强度时间序列(图略)中挑选出强准静止锋事件(Iscsf≥1)733个,其中发生在00:00(协调世界时,UTC)的有183个占25%,发生在06:00(UTC)的有185个占25.2%,发生在12:00(UTC)的有190个占25.9%,发生在18:00(UTC)的有175个占23.9%。四个时刻发生的频率相仿,说明冬季华南准静止锋
发生频次没有明显的日变化特征。因此,本文接下来针对逐日的华南准静止锋进行分析。
从12年冬季逐日的标准化准静止锋强度时间序列中(图 2),挑选出188个强事件(Iscsf≥1)。对这188个强准静止锋事件进行发生频次统计,从逐月的强事件发生频次统计表中(表 1)看出:强准静止锋事件主要发生在1月和2月,发生频率分别为44.68%和36.70%,在12月最少,发生频率仅为18.72%。从逐年的发生频次图(图 3)可知:强事件发生的频次还存在明显的年际差异,2007年 冬、2010年冬以及2011年冬发生强事件的频次偏多,并且这12年逐年的强事件发生频次呈现出明显的上升趋势,这与近年来我国南方冬季频发冰冻雨雪灾害的现象一致。
图 4为188个强准静止锋事件合成的850 hPa锋区的水平结构。从图 4a可以看出850 hPa上锋区表现为等q se线的密集带,相对湿度在华南区域没有明显梯度,暖湿区(相对湿度大于90%的区域)位于锋区以南,在广东广西两省的南部。从图 4b看出等温线在锋区也较为密集,但密集程度没有等qse线的大;锋区内逆温明显,800~900 hPa的逆温大值中心位于广西广东和贵州的交界处。锋区内的风场表现为南北风的辐合(图 4c),并伴随着正的相对涡度带。锋区内有明显的水汽辐合(图 4d),水汽主要源自于95°E附近的南支槽、南海海域和西太平洋副热带高压的西北端。
图 5为188个强事件合成的锋区垂直环流结构。从图 5a可以看出强准静止锋的锋区结构与12年冬季平均的(图 1a)锋区结构类似,对流层700 hPa以下的等q se线很密集,伴随着逆温,但等q se线的密集程度和逆温的大小,都比12年冬季平均的要大得多;锋区以南800 hPa以下存在一个相对湿度大值区。从110°~114°E平均的经向剖面图(图 5b)可以看出锋区与经向风零风速线相吻合,是由南北风的辐合构成,锋区以南20°N以北为偏南风,锋区以北为偏北风,而上升运动主要在锋前与锋面以上,上升运动大值区位于中低层850 hPa至600 hPa。同时,南北风的辐合区也是水汽通量的辐合区域,在低层925~850 hPa水汽通量的辐合最为明显,在纬度位置上与上升运动大值区相匹配,说明南方的偏南气流携带水汽沿着锋面上升,可能形成非常典型的锋面降水。而从24°~26°N平均的纬向剖面图(图 5c)可以看到在800 hPa以上为一致的偏西风,850 hPa以下的低层则以偏东风为主。在850 hPa对应于锋区的位置上有两个次级环流,这可能和气流沿着锋面(等熵面)作斜升运动时,在浮力和旋转的共同作用下出现的对称不稳定有关。
根据850 hPa风场在关键区域的辐合情况,将188个强准静止锋事件分为3大类,分别为北风辐合型(图 6a),南北风辐合型(图 6b),南风辐合型(图 6c)。北风辐合型的850 hPa风场在关键区域全部为偏北风;南北风辐合型是由东北风和西南风在关键区的辐合构成的;南风辐合型在关键区域全部为偏南气流。其中,南北风辐合型的发生频次最多,有82次,这与上文中强准静止锋的850 hPa合成风场在关键区域表现为南北风的辐合相吻合。北风辐合型和南风辐合型的发生频次分别为34次和32次。需要说明的是,在188个强准静止锋事件中,除了以上3个大类以外,还有8个个例为海上有台风影响,32个个例的风场在关键区域没有 明显辐合,在此不作分析。
不同类型的强准静止锋在关键区域有不同的风场辐合,一定是因为不同的大气环流配置而造成的,而不同的大气环流也会影响降水的分布。因此我们考察了这3种类型的强华南准静止锋对应的大气环流和降水分布。从图 7a至图 7c可以看出,北风辐合型的东亚大槽最为深厚,位于120°E附近,紧贴欧亚大陆东岸,华南地区处于槽后的偏北气流控制中,地面冷高压也最为强盛,范围已深入我国中部,这样的环流配置使得来自北方的冷空气特别强盛,华南区域为北风辐合;南北风辐合型的东亚大槽已经入海,位于140°E附近,对华南地区的影响不大,地面冷高压的大值范围和北风辐合型差不多,但仅停留在内蒙古附近,没有继续南下,可见南北风辐合型的北方冷空气势力要比北风辐合型的偏弱,因此华南南部的偏南气流可以向北推进,使得在关键区域的风场为南北风辐合型;南风辐合型的东亚大槽已位于140°E以东,对华南完全没有影响,地面冷高压也很弱,而在90°E附近,15°~25°N有一南支槽(图 7c),使得华南处于南支槽前的偏南气流中,弱冷空气和偏强槽前气流使得关键区域内的风场为南风辐合型。
从合成的与12年平均的高度异常场(图 7d-f)中我们也能清楚地看到上述的三种类型的大气环流的差异。此外,三种强准静止锋的环流背景也表现出一些相似的地方:与多年平均相比,三种强准静止锋对应的50°N以北的地面冷高压都偏强,说明冷空气都较强盛,只是在我国的深入情况不一,北风辐合型最强,南风辐合型最弱;三种强准静止锋也都处于500 hPa的负异常中,只是强度不一,北风辐合型所处的负异常最弱,另两种类型情况相当;南北风辐合型和南风辐合型在500 hPa孟加拉湾附近都为负异常,说明南支槽偏强,北风辐合型与12年平均的强度相当。总的来说,与12年平均相比,强准静止锋对应的北方冷空气和南方南支槽都偏强,不同类型的准静止锋只是冷空气和南支槽的强度配置不一。
下面,我们再来看一下这三种类型的强准静止锋对应的降水情况。由于北方冷空气强盛,北风辐合型850 hPa上的相对湿度大值区(大于0.9的区域)位于锋区以南,700 hPa上锋区北部的上升运动也不明显(图 8a),因此该型在锋区内的降水较少,是三种类型中降水量最小的(图 9a);而受南北方都偏强的系统控制的南北风辐合型的850 hPa上相对湿度大值区位于锋区,700 hPa上锋区内也全部为上升运动区(图 8b),因此该型在锋区内有一条东西向的降水大值带;主要受南支槽控制的南风辐合型850 hPa上的相对湿度大值区位于锋区,而且在锋区西南部达到了0.95,700 hPa上锋区内也全部为上升运动,数值也比南北风辐合型的要大,因此该型在锋区内有一条降水大值带,降水量比南北风辐合型大,是三种类型中降水量最多的。可以看出850 hPa上的水汽条件和700 hPa上的上升运动在关键区匹配良好,这与上文的“上升运动主要位于锋区以上”的讨论结果相吻合。
同时,我们也考察了三种强准静止锋类型对应的日降水量与12年冬季平均日降水量的异常场。从图 10可以看出,三种类型的降水距平场在华南区域都为正,说明强准静止锋对应的华南冬季降水是偏强的,而偏强的程度与分布情况与图 9的合成降水场相仿:北风辐合型在华南区域的降水正异常最少,偏多2 mm左右;南风辐合型的降水正异常最多,华南大部分地区降水偏多5 mm左右;南北风辐合型则介于两者之间,在华南中东部降水偏多4 mm左右。
我们已经从上一节图 10得出了“三种类型的强准静止锋事件对应的降水场与多年平均相比偏多”的结论,这一节将进一步探讨华南准静止锋与华南冬季降水的关系。首先定义了一个华南降水指数,为关键区域(23°~27°N,106°~118°E)平均的日降水量标准化处理后的量值,然后计算了2000年冬至2011年冬逐日的Iscsf 与华南降水指数的相关为0.42(通过了自由度为1083,显著性水平α=0.001的显著性水平检验)。说明在逐日连续的气候时间尺度上华南准静止锋与华南冬季降水关系较为密切:准静止锋偏强时,降水偏多。
我们又考察了188个强准静止锋指数与其对应的华南降水指数的相关为0.13,说明在强准静止锋前提下,准静止锋的强度与降水的对应关系不再良好。为了进一步分析强准静止锋背景下华南降水多寡的原因,定义华南降水指数≥0的为强降水事件,华南降水指数<0的为弱降水事件,将188个强准静止锋事件分为59个对应有强降水的事件和121个对应有弱降水的事件(188个强准静止锋事件中受台风影响的8个事件已去除)。我们发现强弱降水事件合成的850 hPa水汽通量散度(图 11a)和700 hPa垂直速度(图 11b),还有为降水提供背景环流的500 hPa高度场(图 11c)有显著差异,而其他物理量场并没有显著差异(图略)。可以看出在强准静止锋的背景条件下,降水偏强时,在华南区域低层锋区前部的水汽通量辐合偏大,上升速度偏大,500 hPa高度场上100°E左右的南支槽偏强,华南处于南之槽前,东亚大槽偏弱。
这说明,即使强准静止锋提供了冷暖气团在华南地区相遇的有利降水的大尺度环流场,大量的降水还是需要充足水汽和上升运动的配合。这也说明强准静止锋强度与降水量之间的非线性关系可能是由于强准静止锋的不同种类型所导致的,例如,在上一节我们发现南风型强准静止锋对应的南支槽偏强,水汽和垂直运动也偏强,因此南风型的准静止锋即使在强度不是很大的情况下也可能产生较强的降水。
6 结论与讨论本文利用了12年冬季(2000~2011年)逐日的FNL分析资料研究了冬季华南准静止锋偏强时的锋区特征,环流结构分型,以及准静止锋与华南冬季降水的关系,得到以下结论:
(1)冬季华南准静止锋表现为对流层低层的∂θse/∂y 大值区(即等q se 线的密集带),锋面随高度向北倾斜。根据850 hPa的区域平均的∂θse/∂y 定义了冬季华南准静止锋的强度指数Iscsf=-∂θse/∂y850 hPa(23°~27°N,106°~118°E)。
(2)冬季强准静止锋事件多发于1、2月,其发生频次有明显的年际变化,近12年呈现明显上升趋势。
(3)冬季强准静止锋表现为等q se线、等温线的密集带,湿舌位于锋区以南,锋区逆温明显,伴随正相对涡度和水汽通量辐合,锋区由南北风辐合构成,上升气流主要位于锋区上部,纬向有两个次级环流与锋区相对应。
(4)根据850 hPa的锋区风场辐合情况,可将强华南准静止锋分为3种类型:北风辐合型,南北风辐合型,南风辐合型,其中南北风辐合型发生频次最多。三种类型中,北风辐合型对应的北方冷空气最强盛,水汽和上升运动条件最弱,华南冬季降水最少;南风辐合型对应的南支槽最活跃,北方冷空气最弱,水汽和上升运动条件最强,降水最多;南北风辐合型则介于两者之间。
(5)冬季华南准静止锋与冬季华南降水有一定相关,在强准静止锋的背景下,降水偏多时,华南低层的水汽通量辐合和上升运动偏强,500 hPa华南处于偏强南支槽前。
要说明的是,本文基于一个简洁的锋强度指数对12年冬季的华南准静止锋的低层锋区的结构特征进行了统计研究,但与锋面理论相关的锋生函数、高空锋区等内容尚未涉及。例如,高空急流的加速可以使得高低层之间质量调整从而引起锋生(高守亭和陶诗言,1991;李永红和张可苏,1992),那么华南冬季多年平均的高空急流与准静止锋锋生的关系如何?再例如,我们计算了12年冬季平均的锋生函数水平项(图略),华南区域为锋生,锋生函数大值区与我们选择的关键区域一致。这是因为我们选取的锋强度指数∂θse/∂y 包含在锋生函数的水平项中:简化考虑等θse 线平行于x轴,则∂θse/∂x =0,$\left| {\nabla {\theta _{{\rm{se}}}}} \right|$=-∂θse/∂y,化简得到的锋生函数水平项为:$\partial {\theta _{{\rm{se}}}}/[\partial y(\partial v/\partial y)]$,式中包含了∂θse/∂y。那么,华南区域多年冬季平均的锋生函数倾斜项和非绝热加热项对华南准静止锋的贡献是锋生还是锋消呢?水平项中,变形场、散度场和涡度场对锋生的贡献又是如何的?如果用有预报意义的锋生函数指数来研究12年的冬季华南准静止锋结果又是怎样?这些问题都值得深入探讨,我们将在下一步的工作中展开研究。
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