冬季大范围持续性极端低温事件与欧亚大陆大型斜脊斜槽系统研究进展 冬季大范围持续性极端低温事件与欧亚大陆大型斜脊斜槽系统研究进展
  大气科学  2018, Vol. 42 Issue (3): 656-676   PDF    
冬季大范围持续性极端低温事件与欧亚大陆大型斜脊斜槽系统研究进展
布和朝鲁, 彭京备, 谢作威, 纪立人     
中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心, 北京 100029
摘要: 本文总结了近年来关于我国冬季大范围持续性极端低温事件(EPECE)及其对应的欧亚大陆大型斜脊斜槽系统的研究成果。EPECE和普通寒潮是冬季影响我国的两类不同时间尺度大型冷空气活动,对它们的异同点进行梳理和深入理解是非常必要的。最新研究进展可概括为如下:(1)基于极端低温站点的范围和极端低温过程的持续性特点,客观界定了我国冬季EPECE。近年来的研究表明,欧亚大陆大型斜脊斜槽系统是冬季EPECE形成和维持的主要关键环流系统。同时,鉴于大型斜脊斜槽系统的重要应用意义,建立了客观识别方法。(2)从前兆信号、环流演变、阻塞高压和反气旋式波破碎活动的角度,揭示了EPECE和普通寒潮事件之间的关键区别。全国类EPECE的发生具有一周之前的前兆信号,而普通寒潮并不存在这么早的前兆信号。EPECE以从乌拉尔山到东北亚的广阔区域的阻塞高压活动为关键特征,而普通寒潮则主要以区域性阻塞高压为其主要特征。这两类事件对应的阻塞高压活动的差异可由天气尺度波破碎活动的差异加以解释。(3)最新的研究解释了大型斜脊斜槽系统形成和维持的动力学机理。基本流场对位涡扰动的正压作用是大型斜脊斜槽系统的形成和维持最重要的动力学机制。基本流场通过变形场作功和线性平流使大型扰动维持和向下游发展。与阻塞高压不同,非线性作用并非大型斜脊斜槽系统维持的主要原因。
关键词: 大范围持续性低温事件      大型斜脊斜槽      寒潮      阻塞高压      波破碎     
Recent Progresses on the Studies of Wintertime Extensive and Persistent Extreme Cold Events in China and Large-scale Tilted Ridges and Troughs over the Eurasian Continent
BUEH Cholaw, PENG Jingbei, XIE Zuowei, JI Liren     
International Center for Climate and Environment Sciences, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
Abstract: In this paper, studies on the wintertime extensive and persistent extreme cold event (EPECE) in China and the corresponding large-scale tilted ridge and trough (LSTRT) systems over the Eurasian continent are systematically reviewed. The EPECE and the ordinary cold wave events are two types of large-scale cold air activity influencing China in winter, but with different time scales. It is necessary to sort out and understand their similarities and differences. The latest research progresses in this area can be summarized as follows:(1) Based on the scope of extremely low temperature stations and the persistence characteristics of low temperature processes, the winter EPECEs in China are objectively defined. It has been revealed that the LSTRT is the key circulation system of the EPECE over the Eurasian continent. Due to the operational importance, an objective identification method of the LSTRT has been proposed in a recent study. (2) Key differences between the EPECE and ordinary cold wave events are revealed in recent studies from the perspectives of precursory signals, circulation evolutions, blocking activities and synoptic scale wave breaking features. The occurrence of a countrywide EPECE has a precursor signal about one week in advance, but an ordinary cold wave event does not have such an early precursor signal. An EPECE is characterized by the blocking activity over a broad region from the Ural Mountains to Northeast Asia, while an ordinary cold wave is usually characterized by regional blocking activity. The difference in blocking activities between these two types of cold event can be explained by differences in their corresponding synoptic scale wave breaking activities. (3) The underlying mechanism for the formation and maintenance of LSTRT system is revealed. The barotropic effect of the basic flow field on the potential vorticity disturbances is the most important dynamic factor for the formation and maintenance of LSTRT. Through deformation effect, the basic flow field works on the large-scale disturbance to keep its amplitude and simultaneously extend it to downstream region through linear advection effect. In contrast to the situation of regional blocking, the nonlinear effect is not the main factor for the maintenance of the LSTRT system.
Key words: Extensive and persistent extreme cold events (EPECE)      Large-scale tilted ridge and trough (LSTRT)      Cold wave      Blocking      Wave breaking     
1 引言

冬季大范围持续性低温事件对我国交通运输、电力供应以及生命财产等都造成极为严重的影响。2008年1月10日至2月3日,我国南方地区20多个省市在连续20多天时间里遭遇了持续性低温雨雪冰冻天气事件,其持续时间之长、影响范围之广,历史罕见。2009年12月11日至2010年1月20日,我国北方地受到3次强冷空气影响,东北、华北、黄淮部分地区出现极端降温事件。其中,山东平原降温幅度达21.5℃,超过历史极值,极端低温事件造成了严重的经济损失。尤为引起关注的是从2012年1月下旬开始的持续性极寒天气,它席卷了整个欧亚大陆,给多个国家带来严重损失,欧美媒体甚至称此事件为“小冰期”来临的征兆。总之,近年来在欧亚大陆范围内频繁出现的持续性极端低温事件及其成因机理,已成为一个目前国际上备受关注的热点问题,对其关键环流特征及动力学问题的思考和研究具有重要意义。

关于冬季影响我国的大型冷空气活动,我国学者很早就着手研究,当时主要围绕频繁出现的寒潮过程展开的。早在上世纪50年代,陶诗言(1955, 1957)系统分析了影响我国的不同寒潮过程,并根据冷空气源地、路径和典型环流特征对它们进行了分类。这对寒潮过程的预报提供了重要的思路和方法。到了上世纪80年代,“寒潮(低温)中期预报的理论研究和方法研究”课题组在天气事实、波数域动力学分析和数值模拟等方面对寒潮过程机制进行了较为广泛的研究。仇永炎(1985)特别指出,对于影响我国大陆的大型冷空气活动不能只关注乌拉尔阻塞高压,应研究北大西洋和北太平洋这两大洋的脊及其向极区和欧亚大陆高纬地区嵌入的现象,其物理含义包括两个方面:(1)两大洋脊向极区伸入(与高纬2波对应),使极涡分裂,使其一部分向东亚地区移动,形成“倒Ω”流型;(2)高纬2波通过其能量的净边界通量,使中纬度地区的纬圈平均有效位能和动能增强,继而通过涡动热量和涡动动量的经向输送,将能量分配给天气波(4~8波),进而通过天气涡动的强迫过程,形成3波环流。而3波环流的一个重要标志就是乌拉尔山脊(或阻塞高压)的建立。这一系列动力学过程表明,两大洋的脊向极区和欧亚大陆高纬地区嵌入的现象是乌拉尔山脊(或阻塞高压)建立和发展的一个重要前提条件。这些研究不仅对已获得的经验事实给予解释,而且对寒潮过程预报方案的建立也提供了有益的线索和方法(仇永炎,1985)。

受北半球大气环流年代际变化的影响,20世纪70年代末至本世纪初东亚冬季风显著减弱。因此,20世纪80年代末以来的一段时期,针对大型冷空气活动的研究并没有受到广泛关注。但是,2008年初的持续性低温雨雪冰冻事件(简称“0801”事件)已敲响了警钟,引起国内业务和研究部门的高度重视。2010年科技部启动了国家科技支撑计划项目“持续性异常气象事件预测业务技术研究”,旨在研发针对此类持续性灾害事件的延伸期预报技术和方法。

研究表明,乌拉尔山和西伯利亚地区的阻塞高压活动异常是2008年初低温雨雪冰冻事件的一个重要原因(丁一汇等,2008陶诗言和卫捷,2008纪立人等,2008布和朝鲁等,2008Wen et al., 2009Zhou et al., 2009Bueh et al., 2011)。但是,仅以局地阻塞高压活动本身,难以解释此类极端低温事件的两个关键特征,即大范围和持续性特征。值得注意的是,与以往的寒潮研究有所不同,国家科技支撑计划项目“持续性异常气象事件预测业务技术研究”更为注重低温事件的持续性和大范围特征。可以说,仅仅着眼于导致寒潮爆发的乌拉尔阻塞高压与关键区西伯利亚高压的相关研究,已经不能满足针对大范围持续性低温过程的延伸期(10~30天)预报的迫切需求。

从影响尺度来看,将冬季影响我国的冷空气活动可分为三类:第一类是天气扰动带来的小股冷空气,它主要是斜压波的能量传播过程导致,其影响范围较小,降温幅度也不大。这类冷空气活动属于短期天气尺度过程范畴。第二类是寒潮过程,其降温幅度大,通常可造成≥8℃的降温。其影响范围也大,一次区域寒潮过程可影响全国1/3以上的台站。从环流上看,寒潮主要伴随中高纬度阻塞高压的建立和崩溃过程,随着横槽转竖,冷空气大举入侵我国。这类冷空气过程属于中期天气过程范畴。对于上述两类冷空气活动,目前的动力模式具有较好的预报能力。第三类冷空气活动是大范围持续性低温事件,其代表就是“0801”事件。这类事件持续长,范围广,造成的灾害严重。这类事件持续时间长,属于延伸期(10~30天)过程的范畴。

过去研究中,将影响我国的大型冷空气活动(时间尺度上长于天气扰动)都视为与阻塞高压活动相联系的寒潮过程。但由上述事实可知,大型冷空气活动实际上包含中期时间尺度(medium range time scale;一周左右)的寒潮过程和延伸期时间尺度(extended range time scale;10~30天)的大范围持续性冷空气活动。鉴于两者的区别,本文将称前者为普通寒潮事件,称后者为大范围持续性低温事件(extensive and persistent extreme cold events,简称EPECE)。

本文将简要回顾和综述最近几年来我们课题组关于我国冬季大范围持续性冷空气活动和欧亚大陆斜脊斜槽系统的研究成果。这些研究主要围绕以下几个基本问题:(1)如何界定影响我国的冬季EPECE?(2)EPECE的关键影响环流系统是什么?如何将其刻画和识别?(3)EPECE和普通寒潮过程主要区别是什么?(4)从动力学上如何解释EPECE关键环流系统的形成和维持机理?这些问题的探索,可能有助于推进我国冬季大型冷空气活动的研究。

2 大范围持续性低温事件的界定

要研究大范围持续性极端低温事件,首先要对它进行客观界定。目前对极端低温事件的定义方法主要分为三类:第一类是定义单站低温阈值,当气温低于阈值时可视为出现了单站极端低温事件(Yan et al., 2002);第二类是选取某个地区作为研究对象,根据区域平均的气温序列定义极端事件(Walsh et al., 2001);第三类定义极端低温事件的方法是,首先定义单站极端低温,然后根据单站极端事件的范围定义极端事件;例如,Zhang and Qian(2011)以相邻5站均达到极端低温标准作为区域性极端低温事件的标准。第一和第二类方法不能描述发生在不同地区且空间范围不同的极端事件。第三类定义方法可以选出发生不同区域、满足相同空间范围条件的极端事件,较适合于研究大范围持续性极端低温事件。但是Zhang and Qian(2011)采用的“相邻5站”,对“0801”这样EPECE来说,范围较小,还需重新定义。

Peng and Bueh(2011)在总结了上述工作的基础上,采用中国气象局气象信息中心提供的年全国756站的逐日日平均气温,定义了1951~2009年期间发生的52个EPECE事件。其界定过程分为三个步骤:(1)确定测站极端低温阈值:对于每个测站,将某日及其前后各2天(共5天)的气温连起来,得到一个样本数为5天×59年=295的序列。将这个序列按升序排列,取第10个百分位值作为该站这天达到极端低温天气的阈值。(2)确定极端低温区的面积:针对台站分布不均匀的问题,采用Dewey and Heim(1981)的面积定义方法,以1°×1°网格覆盖中国区域,将每天全国极端低温台站所占的网格数定义为该日的极端低温面积指数(S)。当单日S超过全国总网格数(1012个)的10%,即认为这一天发生了大范围极端低温事件。为了保证界定的极端事件水平范围足够大,再要求低温事件持续时间内S的最大值(简称峰值)超过全国总网格数的20%。如果将52年冬季所有S按升序排列,全国面积的10%和20%分别相当于S的第83个百分位值和第96个百分位值。(3)持续时间的确定:当大范围极端低温事件维持8天及以上,则确定为一次EPECE。把S超过(少于)全国总网格数10%的日期定为事件的开始(结束)。关于这52次EPECE事件的起讫时间、峰值时间、S峰值(格点数)、持续天数等信息,详见Peng and Bueh(2011)的表1。他们还利用中国549站均一化气温资料(Li and Yan, 2009)重复上述界定过程,进行了验证,结果表明该界定方法稳定、可信。

EPECE事件的发生往往具有区域性特征。例如,1954年冬季的持续性低温天气是全国性的,而“0801”事件则主要集中在我国南方地区和西北地区。因此,有必要对EPECE进行分类研究。基于EPECE峰值日(与S极大值对应)低温分布特征,通过聚类方法Peng and Bueh(2011)将52次EPECE事件分为5类(见图 1),分别为全国类(24个)、西北/江南类(9个)、东部类(8个)、中东部类和东北/华北类(3个)。在图 1中,以某一次典型事件的极端低温分布特征来代表某一类低温事件的主要特征。

图 1 5类EPECE的典型个例峰值日气温距平(单位:℃):(a)全国类(1976年12月28日);(b)西北/江南类(2008年2月1日);(c)东部类(1971年3月7日);(d)中东部类(1992年3月17日);(e)东北/华北类(1970年11月29日)。图中红点表示极端低温台站,阴影部分如标尺所示,空白区为缺测。引自Peng and Bueh(2011) Figure 1 Daily mean temperature anomalies (units: ℃, color shading) at their peak days for five typical EPECEs (extensive and persistent extreme cold events): (a) The countrywide type (28 December 1976), (b) the northwestern/Jiangnan type (1 February 2008), (c) the eastern type (7 March, 1971), (d) the mid-eastern type (17 March, 1992), and (e) the northeastern/northern type (29 November, 1970). Red dots represent extremely cold stations, and places with missing data are indicated by blank. Adopted from Peng and Bueh (2011)

全国类EPECE是最多的也是影响最大的一类,共24个,占所有EPECE的46.2%。其主要特点是极端低温集中在除青藏高原、东北北部外的中国大部分地区,这一点从典型个例(1976年12月28日,图 1a)极端低温分布上可看出。第2类为西北/江南类EPECE,共9个,其典型事件为2008年2月1日(图 1b)。极端低温布呈南北两个部分,分别位于长江以南地区和西北地区。而在东北地区极端低温台站稀少。全国类与西北/江南类EPECE的主要差别出现在东北和我国中部地区。在全国类EPECE中,这些地区是极端低温出现的高频区,而在西北/江南类极端事件中则是低频区。第3类为中东部类,共8个,其典型个例为1992年3月17日(图 1c)。它的极端低温区集中在黄河中下游到华南地区北部的我国中东部地区。第4类为东部类,有8个,其典型个例为1971年3月7日的低温事件(图 1d)。东部类EPECE中极端低温集中在110°E以东的东部地区,包括东北西部、华北、长江流域、华南和西南地区东部。第5类为“东北/华北类”,只有3个,占所有EPECE的5.8%(图 1e),极端低温主要出现在东北和华北地区,呈现出与西北/江南类相反的低温分布特征。这类事件的极端低温分布局限于华北/东北地区,绝对面积比较小,因此数量也最少。

图 2给出了5类EPECE开始之前的最强冷空气中心(负温度距平极小值)移动路径(合成)。其中,全国类、西北/江南类、东部类和中东部类EPECE的最强冷空气中心的计算时间是从事件开始日前的第10天到开始日为止,而针对东北/华北类的计算时间是从事件开始日前的第6天到开始日为止。从合成结果来看,全国类EPECE发生前,背景环流场使得叶尼塞河下游地区(新地岛东南侧)的强冷空气中心沿超极地路径南下,在贝加尔湖附近积聚,为全国性极端低温事件创造冷空气堆积条件。东部类EPECE开始之前,源自鄂毕湾附近的极区冷空气先是沿超极地路径南下,后沿西北路径往东南方向移动,并在低温事件开始之前在贝加尔湖南侧积聚。东北/华北类EPECE开始之前,源于叶尼塞河东侧的强冷空气中心沿西北—东南路径南下,并最终在蒙古高原东部堆积,为随后的影响我国东北/华北地区创造了条件。与以上3类EPECE对应的强冷空气中心都来自北边的极区,基本与陶诗言(1957)指出的新地岛以东的寒潮源地冷空气路径相似。与上述3类EPECE相比,西北/江南类和中东部类EPECE的冷空气源地偏西偏南,强冷中心源自欧洲一带,最终在贝加尔湖南侧堆积。这两类EPECE的冷空气源地和路径与陶诗言(1955)指出的第三类源地和路径(偏西路径)基本一致。由图 2可见,5类EPECE开始之前的冷空气堆积范围宽广,这与陶诗言(1957)指出的寒潮关键区(43°~65°N,70°~90°E)有所不同。这可能是普通寒潮和EPECE的重要区别。普通寒潮由区域性阻塞高压(如乌拉尔山阻高)引起,而EPECE由尺度更大的欧亚大陆大型斜脊系统引起(Bueh et al., 2011布和朝鲁等,2015),这可能是普通寒潮和EPECE的冷空气堆积的关键区不同的主要原因。相关的具体细节将在第4节加以讨论。

图 2 5类EPECE开始之前的负温度距平极小值的移动路径。图中的Type 1为全国类,Type 2为西北/江南类,Type 3为东部类,Type 4为中东部类,Type 5为东北/华北类 Figure 2 Routes of cold air centers for the five types of EPECEs. Labels Type 1 to Type 5 denote the countrywide type, the northwestern/Jiangnan type, the eastern type, the mid-eastern type, and the northeastern/northern type, respectively
3 大范围持续性低温事件的关键环流系统 3.1 关键环流系统

Bueh et al.(2011)考察了我国1951年以来的38次持续10天及以上的大范围持续性低温事件[定义见Peng and Bueh(2011)]。在这些事件中均存在大型斜脊在欧亚大陆中高纬地区上空持续维持的现象(图 3)。这表明欧亚大陆大型斜脊是引发大范围持续性低温事件的关键环流系统。Peng and Bueh(2012)的研究也进一步证实了这一事实。这类大型斜脊通常对应着大陆尺度的超大西伯利亚高压系统(Bueh et al., 2011)。如图 3所示,欧亚大陆大型斜脊指的是盘踞在欧亚大陆中高纬地区上空,纬向空间尺度大于60个经距且呈西南—东北方向倾斜的行星尺度脊。大型斜脊在其维持阶段有时也呈东西向的“横脊”特征(方便起见统称为大型斜脊)。大型斜脊在纬向空间尺度上大于北半球准定常脊。有时,其纬向尺度可达120经度。大型斜脊系统与大家熟知的影响我国寒潮活动的阻塞高压(如乌拉尔阻高)系统并不相同。大型斜脊不像阻塞高压那样局限于某一地区,其建立和衰亡过程也具有缓慢变化特征,这与阻塞高压的建立和崩溃过程形成鲜明对比(Peng and Bueh, 2012)。可以认为,欧亚大陆大型斜脊是与阻塞高压既有联系,但在形态、结构以及时间和空间尺度上都不同的一类环流系统。

图 3 持续10天以上的中国大范围持续性低温事件峰值日的500 hPa位势高度(等值线)及其异常(填色)合成场。等值线间隔为40 m,填色部分通过90%的信度检验 Figure 3 Composite 500 hPa geopotential height field (units: m; contours) and its anomalies (shaded). The contours are drawn at 40 m intervals. Only composite anomalies that are statistically significant at the 90% confidence level are shaded

由于5类EPECE的冷空气源地和路径有所不同(图 2),大型斜脊斜槽的位置和尺度也有所不同(布和朝鲁等,2015)。大体上,全国类、东部类、东北/华北类低温事件的大型斜脊斜槽位置偏北,西北/江南类和中东部类事件的大型斜脊斜槽位置偏南。

值得关注的是,图 3给出的EPECE环流特征与普通寒潮过程明显不同,前者以大型斜脊斜槽为主要特征,而后者通常以东亚地区的“倒Ω”流型为主要特征,两者在尺度和形状上均不相同。

3.2 大型斜脊/斜槽的客观识别方法

既然欧亚大陆大型斜脊系统是EPECE形成和维持的关键环流系统,那么有必要建立其客观监测和追踪方法,这对业务应用和相关研究都非常重要。在500 hPa高度(Z500)场等值线上,大型斜脊斜槽由三个部分组成,即普通槽脊线、波破碎部分和孤立型切断低压和高压。基于大型斜脊斜槽系统的这一主要特征,Bueh and Xie(2015)建立了其客观识别方法。该方法由4个步骤实现:(1)对原始场进行空间滤波;(2)不同等值线类型的辨认;(3)槽脊点的辨认;(4)槽脊线的界定。等值线分为绕极等值线的波状部分(图 4中的紫色点线)、绕极等值线的经向翻转部分(波破碎部分,图 4中的红色点线,150°E~180°)以及局地闭合等值线(图 4中的蓝色点线)等三类。对波状部分和局地闭合等值线,采用最小夹角法界定其槽脊点,而对于波破碎部分,采用其斜率无穷大值来界定其槽脊点。最后,按照就近原则连接相邻的槽脊点来界定大型槽脊线。该方法的具体细节,详见Bueh and Xie(2015)的文章。

图 4 2007年11月7日日平均Z500(500 hPa高度)等值线分布,紫色为绕极5720 m等值线、红色为绕极并含有经向反转的5280 m等值线和蓝色为局地闭合5200 m等值线。引自Bueh and Xie(2015) Figure 4 Example of the daily mean Z500 (geopotential height of 500 hPa) field on 7 Nov 2007. The circumpolar wavy contour (5720 m), the circumpolar contour containing the meridional overturning part (5280 m), and the locally closed contour (5200 m) are drawn in dotted purple, red, and blue, respectively. Adopted from Bueh and Xie (2015)

通过击中率、误报率和TS(Threat Score)评分,评估了该识别方法的界定槽脊线的能力。结果表明该方法能很好地界定实际槽脊线。另外,也利用波破碎界定方法来对比该界定方法对等值线经向翻转部分的提取能力,结果表明效果也很好(Bueh and Xie, 2015)。

Berry et al.(2007)基于槽脊线的曲率涡度平流(Curvature Vorticity Advection,简称CVA)特征发展了一个槽脊线的客观识别方法——CVA方法。该方法能够很好地刻画出瞬时Z500场上的槽脊线(图 5a),但不能够描述低频场或日平均场上的槽脊线(图 5b),因此无法应用于大型斜脊斜槽系统的监测和追踪。与之相比,Bueh and Xie(2015)的方法的确能够很好地识别大型斜脊斜槽系统(图 5c)。该方法目前已经应用于中国气象局国家气候中心的业务监测。

图 5 槽脊线的识别和界定:(a)基于Berry et al.(2007)的CVA(Curvature Vorticity Advection)方法,1955年1月15日12:00(协调世界时,下同)的瞬时Z500场;(b)基于Berry et al.(2007)的CVA 方法,1955年1月15日日平均Z500场(低通滤波);(c)基于Bueh and Xie(2015)的方法,1955年1月15日日平均Z500场(低通滤波)。蓝线和红线分别表示槽线和脊线,彩色阴影表示曲率涡度值(单位:10-5 s-1)。在(a)中去掉了曲率涡度大于-0.5×10-5 s-1和小于0.5×10-5 s-1的槽脊线,在(b)中去掉了曲率涡度大于-0.2×10-5 s-1和小于0.2×10-5 s-1的槽脊线,在(c)中去掉了长度小于1000 km的槽脊线。所用数据的水平分辨率在(a)和(c)中为2.5°×2.5°,在(b)中为5°×5°。引自Bueh and Xie (2015) Figure 5 Identified ridge and trough axes with the CVA (Curvature Vorticity Advection) method: (a) In the instantaneous Z500 field at 1200 UTC 15 January 1955, (b) in the low-pass filtered daily mean field on 15 January 1955, (c) as in (b), but with the identification method in the present study. The ridge and trough axes are plotted in red and blue, respectively. The color shading indicates the values of curvature vorticity (units: 10-5 s-1). The identified ridge and through axes are eliminated in (a) where the curvature vorticity is larger than -0.5×10-5 s-1 and smaller than 0.5×10-5 s-1 and in (b) where the curvature vorticity is larger than -0.2×10-5 s-1 and smaller than 0.2×10-5 s-1. The ridge and trough axes with horizontal lengths less than 1000 km are eliminated in (c). The horizontal resolution of the data is 2.5°×2.5° in (a) and (c), and 5°×5° in (b). Adopted from Bueh and Xie (2015)
4 普通寒潮与EPECE的对比 4.1 寒潮与EPECE的联系及持续时间

根据中央气象台的标准,寒潮可分为单站寒潮、区域性寒潮和全国性寒潮。单站寒潮的标准为:过程降温≥10℃,且温度距平≤-5℃。区域性寒潮的标准为:达单站寒潮标准的站数占全国总站数的15%以上,并且过程降温≥7℃,温度距平≤-3℃的站数占全国总站数的30 %以上。全国性寒潮的标准为:达单站寒潮标准的南方站点数和北方站点数分别占当年总南方站点数和总北方站点数的1/3和1/4;或者达单站寒潮标准的站数占全国总站数的30%以上,并且过程降温≥7℃;或者温度距平≤-3℃的站数占全国总站数的60%以上。其中,南北方的分界线取32°N(王遵娅和丁一汇,2006)。按照这样的定义,Peng and Bueh(2012)在1951/1952~2008/2009年期间共识别出了545次冬季寒潮,其中全国性寒潮204次,区域性寒潮341次。

EPECE都和寒潮过程有密切联系。在52次EPECE中,51次伴随有寒潮过程。其中,全国性寒潮48次和区域性寒潮11次,有的EPECE中发生了2次或3次寒潮过程。与EPECE有关的全国性寒潮过程大部分(42/48)发生在EPECE的开始阶段。但寒潮和EPECE的关键区别表现在两个方面:(1)EPECE是小概率事件,平均每年发生0.9次,寒潮过程平均每年发生9.4次,绝大部分寒潮过程(545次寒潮过程中的486次)中都没出现EPECE;(2)两者的持续时间明显不同,寒潮过程平均持续4.6天,而EPECE平均持续14.3天。

4.2 环流特征及前兆信号

为了对比普通寒潮过程和EPECE的典型环流特征,Peng and Bueh(2012)选取了20个全国性普通寒潮事件和18个全国类EPECE。其中,所选的全国性普通寒潮事件满足以下条件:(1)乌拉尔山地区(40°~60°N,40°~70°E)的Z500距平超过40 m;(2)全国满足单站寒潮标准的站点最多;(3)所选普通寒潮事件与EPECE无关。全国类EPECE的挑选标准为,其开始阶段发生且只发生一次全国性寒潮。这样的EPECE共有18次。对比研究基于合成分析进行,记事件开始日为0天,事件发生前(后)的n天称为第-nn)天。

比较全国类EPECE和全国性寒潮同期和前期环流,发现二者存在较大差异。图 6是18个全国类EPECE合成的500 hPa位势高度及距平场。EPECE发生之前,第-12天,北欧到北极地区有高压脊出现,其正距平中心位于欧洲—巴伦支海地区,极涡分裂为两个中心,分别位于北美东北部和欧亚大陆北部,同时东北亚地区为浅槽。第-9天和-6天,随着北欧高压脊向东北方向伸展和东北亚低槽向西南方加深,形成一对宽阔的西南—东北走向的斜脊和斜槽,位于EPECE成熟期位置的西侧。在EPECE开始前后(第-3天至3天),东北—西南走向的斜脊斜槽向下游缓慢移动的同时加强和伸展,形成从乌拉尔山南端至东北亚地区的大型斜脊斜槽,与图 3的情形基本一致。

图 6 18个全国类EPECE的500 hPa高度场(等值线)及其距平(阴影区)合成场(单位:m)。等值线间隔为80 m,粗实线为5440 m,紫色点区表示合成的500 hPa高度距平通过95%信度检验,蓝色方框表示北欧—巴伦支海关键区。“ day 0”表示时间开始日,“ day -nn)”表示事件发生前(后)第n天。引自Peng and Bueh(2012) Figure 6 Composite Z500 (contours) and its anomalies (shaded) for the 18 countrywide EPECEs (units: m). Contour intervals are marked every 80 m and thick lines represent 5440 m. The shading is described in the legend. The purple dots indicate the composited Z500 anomalies significant at the 95% confidence level. The thick blue square indicates the northern Europe–Barents Sea region. In Fig. 6, "day 0" denotes the day when event started, "day -n (n)" denote the n day before (after) the event. Adopted from Peng and Bueh (2012)

图 7给出了20个全国性寒潮事件中Z500及其距平的演变。与全国类EPECE的情况不同,在全国性寒潮开始前,第-12天至-9天,欧洲大陆上空没有明显的高压脊或Z500正距平。直到第-6天才出现类似于3波的环流形势,第-3天时乌拉尔山地区为高压脊(阻塞型环流)和贝加尔湖地区为低压槽形成。这正是寒潮前期的欧亚大陆上典型波列结构(Takaya and Nakamura, 2005Park et al., 2011)。从第-3天到第3天,乌拉尔脊基本维持,但其波破碎特征消失的较快,即斜脊斜槽的维持时间较短。与EPECE对应的大型斜脊斜槽则维持的时间较长(图 6)。另一方面,与普通寒潮对应的乌拉尔脊和东亚槽是在欧亚大陆准定常波状环流的基础上发展起来的,而与EPECE对应的斜脊斜槽系统则从其形成开始就向东南方向缓慢移动。

图 7图 6,但为20个全国性寒潮事件。引自Peng and Bueh(2012) Figure 7 Same as Fig. 6 but for 20 countrywide cold wave events. Adopted from Peng and Bueh (2012)

图 8给出了与EPECE(左栏)和普通寒潮(中栏)对应的海平面气压演变情况以及它们的差异(右栏)。图 9给出了与EPECE(左栏)和普通寒潮(中栏)对应的表面气温演变情况以及它们的差异(右栏)。在EPECE发生前的一周左右,西伯利亚高压在欧亚大陆北部加强(图 8),冷空气在亚洲北部堆积(图 9)。同时随着斜脊和斜槽的东移,西伯利亚高压和冷空气进一步加强并向东南方向移动或扩展(图 8左栏,第-3天)。与之对应,冷空气在南压的同时其纬向范围也扩展。第0天时,冷空气大举入侵我国,导致长江以北地区出现大范围降温,北方地区温度距平达-5至-10℃(图 9左栏)。

图 8 18个全国类EPECE(左)、20个全国性普通寒潮(中)合成的海平面气压(等值线)及其距平(阴影区)演变,以及EPECE与寒潮差异(右)。圆点表示通过95%的信度。在图 8左栏和中栏中,等值线间隔为5 hPa,粗实线为1030 hPa。右栏中,等值线间隔为2 hPa,粗实线为0线。引自Peng and Bueh(2012) Figure 8 Composite time evolutions of the SLP and its anomalies for the 18 EPECEs [left column, labeled as CEC (countrywide extensive and persistent extreme cold event)], the 20 ordinary cold wave events [middle column, labeled as CCW (countrywide cold wave event)], and the difference between them (right column). In the left and middle columns, the contours represent the SLP (Sea Level Pressure) and the shading represents anomalies. The contour interval is 5 hPa and the thick lines represent 1030 hPa. In the right column, both contours and the shading represent the SLP difference, in which the contour interval is 2 hPa and the thick lines represent 0 hPa. The dots denote the composited SLP anomalies significant at the 95% confidence level. Adopted from Peng and Bueh (2012)

图 9图 8,但为表面气温距平(单位:℃)。左栏和中栏等值线间隔为2℃,右栏等值线间隔为1℃,粗线为0℃线。方框表示欧亚大陆北部关键区。引自Peng and Bueh(2012) Figure 9 Same as in Fig. 8, but for the composite surface air temperature anomalies (units: ℃). Contour intervals are 2℃ in the left and middle columns and 1℃ in the right column. The thick lines represent 0℃ and the thick solid square indicates the key area of northern Eurasia. Adopted from Peng and Bueh (2012)

全国性普通寒潮发生前也出现了西伯利亚高压加强和欧亚大陆北部的冷堆形成(图 8图 9的中栏),但与全国类EPECE情况相比,它们出现的时间晚,强度较弱(图 8图 9的右栏)。值得注意的是,开始日时,西伯利亚高压和关键区负温度距平场在普通寒潮和EPECE中的分布有些相似,但在EPECE中的强度要强于寒潮,范围上比寒潮的要广。

总之,大部分EPECE的开始阶段都伴随有寒潮事件。但有寒潮爆发不一定出现EPECE。从环流上看,全国类EPECE由欧亚大陆中高纬度地区大型斜脊斜槽主导,而全国性普通寒潮由区域性阻塞高压(或强脊)主导。与寒潮相比,EPECE的西伯利亚冷高压强度更强范围更广,其冷空气强度和范围亦是如此。值得关注的是,全国类EPECE开始前10天左右,北欧/巴伦支海上空就出现斜脊。与之对应,第-7天左右欧亚大陆北部形成明显的冷堆。而这两个较早的前兆信息在普通寒潮事件中并不存在。从预报的角度看,这两个特征可视为区别全国类EPECE和全国性普通寒潮事件的重要前兆信号。

4.3 阻塞高压及波破碎活动

研究表明,“0801”事件不仅与乌拉尔阻塞高压的建立相联系,而且也与西伯利亚地区的阻塞高压活动密切联系(陶诗言和卫捷,2008Zhou et al., 2009Bueh et al., 2011)。上一小节揭示了全国类EPECE和全国性普通寒潮在环流演变的不同,其结果也一定程度上反映了它们阻塞高压活动特征的不同。这一小节将对比分析这两类冷事件的阻塞高压活动特征。另一方面,瞬变波在阻塞环流形成和维持过程中起着重要的这样(Shutts, 1983Nakamura and Wallace, 1993Nakamura et al., 1997)。近年来的研究进一步表明,瞬变波以气旋式和反气旋式波破碎的方式作用于阻塞高压的形成和维持(Woollings et al., 2008; Michel and Rivère, 2011)。这里也探讨天气尺度Rossby波破碎过程对上述两类冷事件中阻塞高压活动的影响。

Xie and Bueh(2017)针对EPECE和寒潮事件的阻塞高压活动进行了对比研究。他们选取了Peng and Bueh(2011)界定的24个全国类EPECE,并重新挑选了25个全国性寒潮事件。在全国性寒潮事件的选取标准基本与Peng and Bueh(2012)的一致,唯一不同条件为:乌拉尔山地区Z500距平要大于100 m(Peng and Bueh的对应条件是大于40 m)。如此选择的寒潮事件中,乌拉尔阻塞高压特征会更加明显。关于所选EPECE和寒潮个例信息,详见Xie and Bueh(2017)的表1和表2(本文略)。由Small et al.(2014)提出的基于位涡异常的二维阻塞高压指数来刻画阻塞高压活动,该指数称也称为mAPV指数。具体界定步骤不再这里赘述,详见Small et al.(2014)Xie and Bueh(2017)。天气尺度气旋式和反气旋式波破碎过程由Rivière et al.(2010)提出的基于“等熵面等位涡线的反转”的波破碎界定方法来刻画,其中波破碎过程的持续天数要小于6天(详见Bueh and Xie, 2015Xie and Bueh, 2017)。

图 10给出了与全国性普通寒潮事件和EPECE对应的阻塞高压频率(等值线)及其距平(填色)分布。对于每个格点,第i日的阻塞高压频率定义为

$ f\left(i \right) = n\left(i \right)/N, $ (1)

其中,N为全国性寒潮或全国类EPECE事件的总数,n(i)为第i日发生阻塞高压的全国性寒潮或全国类EPECE事件的数量。某一日或某一时段的阻塞高压频率距平是相对气候平均冬季(DJF)阻塞高压频率而言。阻塞高压在各个事件中出现的时间和地点并不一致,因此对每个事件开始日的前12天至后11天的阻塞高压频率,每隔四天进行平均,并相应地合成。全国类EPECE和全国性寒潮事件中,最大阻塞高压频率分布位置与气候态冬季平均频率吻合(图略),但更为频繁。同时,两类事件的阻塞高压活动特征存在较大差异。首先讨论全国性寒潮事件。从第-12至-9天(图 10a),有三个中等强度的阻塞高压活动中心分别位于北大西洋、乌拉尔山和北太平洋。从第-8至-1天(图 10b10c),乌拉尔山阻塞高压频率进一步加强。从第0天至3天(图 10d),乌拉尔山阻塞高压频率明显加强并向东扩展到贝加尔湖地区。此后(图 10ef),欧亚大陆地区的阻塞频率逐渐减弱,乌拉尔山阻塞高压逐渐向西撤退。

图 10 与全国性普通寒潮事件(左栏)和EPECE(右栏)对应的阻塞高压频率(等值线,间隔为10%)及其距平(填色)分布:(a、g)第- 12至-9天;(b、h)第-8至-5天;(c、i)第-4至-1天;(d、j)第0至3天;(e、k)第4至7天;(f、l)第8至11天。引自Xie and Bueh(2017) Figure 10 The blocking high frequency (contours, the contours are drawn every 10%) and corresponding anomalies (shading, units are given in percentage of blocking days) in the intraseasonal evolutionary process for the ordinary cold wave events (CWEs, left column) during (a) days –12 to –9, (b) days –8 to –5, (c) days –4 to –1, (d) days 0 to 3, (e) days 4 to 7, and (f) days 8 to 11. (g)–(l) as in (a)–(f), but for the EPECEs. Adopted from Xie and Bueh (2017)

在全国类EPECE事件中,从第-12至-9天(图 10g),阻塞高压频发于中纬度北大西洋和乌拉尔山地区,这两个地区阻塞高压出现的频率偏多,前者尤为明显。从第-8至-1天(图 10hi),乌拉尔山地区阻塞频率极大值中心有所增加并向东北扩展至喀拉海,呈现出西南—东北轴向。从第0天至3天(图 10j),乌拉尔山地区的阻塞高压频率极大值中心进一步加强并向东扩展至110°E。从第4至11天(图 10ef),尽管乌拉尔山地区阻塞高压有所减弱,但是贝加尔湖以北的阻塞高压仍然异常偏多,且仍呈现为西南—东北轴向。值得注意的是,这种西南—东北轴向的阻塞高压分布意味着大型扰动的正压发展,从而有利于大范围阻塞高压的维持(Zeng, 1983)。

此外,第-12天到冷事件开始日为止,北美西岸附近也阻塞高压频率显著增加,两类冷事件中均是如此,但冷事件发生后该地区出现阻塞高压的几率趋于气候平均状态。这意味着北美西岸附近的阻塞高压活动的增强可能与我国寒潮事件和EPECE事件的酝酿过程密切联系。

总之,这两类事件均与北大西洋中纬度地区阻塞高压活动的加强为前提条件,该地区气候平均阻塞高压频率为30%,但在全国性寒潮和全国类EPECE事件中,阻塞高压频率分别增加到40%和50%。全国类寒潮事件中,阻塞高压活动主要位于乌拉尔山附近,具有明显的局地特征。而在全国类EPECE事件中,阻塞高压发生的区域从乌拉尔山扩展至东北亚地区,呈西南—东北方向分布,其对应的冷空气堆积(见图 2)和南侵的空间尺度也更大。

图 11为两类冷事件演变过程中天气尺度反气旋式波破碎(AWB)频率及其距平分布。气旋式波破碎过程主要发生在两个风暴路径区上游部分,在欧亚大陆上极少发生,因此与两类事件对应的天气尺度波破碎过程主要是反气旋式(Xie and Bueh, 2017)。阻塞高压和天气尺度波破碎通常相伴随,但两者明显不同。前者是准定常环流系统(Pelly and Hoskins, 2003),而后者是移动的天气尺度系统,其生命史不超过6天(Pelly and Hoskins, 2003; Michel and Rivère, 2011)。这里主要强调AWB对阻塞高压形成和维持的贡献。AWB频率及其距平的定义方法与阻塞高压的定义方法基本相同(Xie and Bueh, 2017)。

图 11 全国性寒潮(左栏)和EPECE(右栏)冷事件演变过程中天气尺度反气旋式波破碎(AWB)频率(等值线,间隔为5%)及其相应的距平(填色)分布:(a、f)第-8至-5天;(b、g)第-4至-1天;(c、h)第0至3天;(d、i)第4至7天(e、j)第8至11天。引自Xie and Bueh(2017) Figure 11 Synoptic anticyclonic RWB (Rossby wave breaking) frequency (contours) and corresponding anomalies (shading) in the intraseasonal evolutionary process of the CWEs (left column) during (a) days –8 to –5, (b) days –4 to –1, (c) days 0 to 3, (d) days 4 to 7, and (e) days 8 to 11. The units are given in percentage of RWB days. The contours are drawn every 5%. (f) – (j) as in (a) – (e), but for the EPECEs. Adopted from Xie and Bueh (2017)

首先讨论寒潮过程的波破碎特征。第-8天至-5天(图 11a),两个AWB频率中心(15%)分别位于里海和渤海湾附近,其天气尺度特征明显。第-4天至-1天,里海附近的AWB频率中心进一步扩展(图 11b)。开始日至第3天(图 11c),从乌拉尔山到贝加尔湖地区形成一个较大范围的AWB增强区(其距平达8%),其分布特征与阻塞高压活动的增强情形基本一致(图 10d)。这说明天气尺度波破碎过程对阻塞高压的形成和扩展具有重要贡献。第4天至第8天AWB频率减弱并趋于气候平均值(图 11de),与其对应的阻塞高压的减弱情况基本一致。与寒潮过程的波破碎情况相比,EPECE中的AWB频率异常的范围和强度均不相同(图 11右栏)。第-8天至-5天(图 11f),喀拉海一带的次极区已经出现范围较大的AWB过程,其频率正距平达8%,非常有利于西西伯利亚地区的阻塞高压活动。第-4天至3天(图 11f),波破碎频率的正距平区逐渐向东南方向移动,其南沿到达巴尔喀什湖和贝加尔湖地区。波破碎频率中心区从中亚延伸到拉普捷夫海,呈西南—东北走向,最大频率强度达15%,与其阻塞高压频率分布一致。第4天至7天(图 11i),AWB频率在贝加尔湖一带进一步增强,强度达20%(其距平为10%)。这与寒潮过程的波破碎频率分布(图 11d)形成鲜明对比。第8天至11天(图 11j),贝加尔湖一带的AWB频率减少,但在整个欧亚大陆范围,AWB的发生频率仍多于其气候平均值。

总之,在全国类EPECE和全国类寒潮事件中,它们的阻塞高压活动特征明显不同。与寒潮有关的阻塞高压主要位于乌拉尔山附近,其局地特征明显。而在全国类EPECE事件中,阻塞高压发生的区域从乌拉尔山延伸到东北亚地区,呈西南/东北走向,为大范围持续性冷空气的堆积和南侵提供了有利的流型结构,即上述大型斜脊斜槽结构。波破碎过程对阻塞高压活动具有重要的影响。两类冷事件的波破碎频率分析表明,它们所对应的阻塞高压活动差异主要归因于相应的天气尺度AWB范围和分布的不同。

5 大型斜脊斜槽系统动力学特征

这一小节将利用分块位涡倾向方法(Piecewise Tendency Diagnosis,简称PTD;Nielsen-Gammon and Lefevre, 1996Evans and Black, 2003),通过个例分析来揭示大型斜脊斜槽形成和维持的动力学特征。所选个例为发生在1975年12月9日至19日的典型全国类EPECE。本文主要根据300 hPa位势高度的变化特征描述大型斜脊斜槽逐日演变特征。

准地转位涡(q)在非绝热加热和非粘性地转流条件下守恒,其局地变化主要取决于地转风(Vg)对位涡的平流过程、非绝热加热、摩擦作用和非地转作用。在合适的边界条件下,位涡倾向可以反演为位势高度(Φ)倾向。准地转位涡的PTD方程如下(Evans and Black, 2003):

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial \mathit{\Phi }'}}{{\partial t}} = {{\cal L}^{ - 1}}[\underbrace { - V'_{gU} \cdot \nabla \bar q}_{\rm{A}} - \underbrace {V'_{gL} \cdot \nabla \bar q}_{\rm{B}} - \underbrace {{{\bar V}_{\rm{g}}} \cdot \nabla q'}_{\rm{C}} + \\ \underbrace {( - {{V'}_{\rm{g}}}{\rm{ }} \cdot \nabla q' + \overline {{{V'}_{\rm{g}}}{\rm{ }} \cdot \nabla q'} )}_{\rm{D}} + \underbrace {S'_{\rm{H}}}_{\rm{E}} + \underbrace {S'_{{\rm{AG}}}}_{{\rm{F}} - {\rm{N}}}], \end{array} $ (2)

其中,上划线和上撇号分别代表基本场和扰动场,$ {{\cal L}^{ - 1}}$为逆拉普拉斯算子。基本场由逐日气候场(多年平均)给出。准地转位涡(q)的表达式为

$ \begin{array}{l} q = f + \frac{1}{{f(a{\rm{cos}}\phi)}}\frac{{{\partial ^2}\mathit{\Phi }}}{{\partial {\lambda ^2}}} + \frac{1}{{{a^2}{\rm{cos}}\phi }}\frac{\partial }{{\partial \phi }}\left({\frac{{{\rm{cos}}\phi }}{f}\frac{{\partial \mathit{\Phi }}}{{\partial \phi }}} \right) + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;f\left[ {\frac{\partial }{{\partial p}}\left({\frac{1}{{{\sigma _{\rm{p}}}}}\frac{{\partial \Phi }}{{\partial p}}} \right)} \right]. \end{array} $ (3)

对300 hPa位势高度倾向而言,$V'_{gU} $为与对流层上层(500~100 hPa)位涡异常相联系的准地转风异常,而$V'_{gL} $为与对流层低层(1000~600 hPa)位涡异常相联系的准地转风异常,SHSAG为非绝热加热项和非地转项。由于我们只考察500~200 hPa之间各强迫项对300 hPa位势高度变化的影响,因此上下边界条件对300 hPa位势高度变化的影响可忽略,均设为$\partial \mathit{\Phi }'/\partial t{\rm{ = 0}} $,详见Evans and Black(2003)

PTD方程[公式(2)]的核心思想是将作用于某一层位势高度变化的不同物理过程拆分为不同的分块:A项代表Rossby波对气候平均PV的平流作用,即来自上游波动的传播作用,它包含Rossby波位相的向西倒退(β项)作用和波包向下游传播造成的局地位势高度变化作用。B项代表低层位涡异常对高层位势高度的影响,即斜压发展过程的作用。C项为基本流对位涡异常的平流作用,它包含了基本流对波的线性平流作用以及基本流变形场(非对称性)对位涡扰动的作功作用,即正压发展过程的作用。D项为非线性作用,E项为非绝热加热的作用,F-N项为非地转强迫作用。非绝热加热项采用Yanai et al.(1992)的公式反算得到。

为了描述公式(2)右边各项的贡献,我们考察了斜脊逐日演变过程,将与斜脊相联系的50 m高度异常区定义为斜脊特征区(如图 12所示),并对斜脊特征区内的位势高度变化进行平均得到各项贡献。

图 12 典型EPECE个例的500 hPa位势高度(单位:m,等值线)及其距平(填色)场的季节内演变过程,等值线间隔为100 m,打点区域为与斜脊相联系的50 m异常特征区域 Figure 12 Intraseasonal evolution of 500 hPa geopotential height (units: m, contours) and its anomalies (shaded) for a typical EPECE event. The isolines are drawn every 100 m. The stippling indicates the anomalies associated with the tilted ridge are above 50 m

图 12给出了所选典型EPECE个例的500 hPa位势高度及其距平场的逐日演变特征。该个例的500 hPa环流演变特征是比较典型的,其开始至维持过程均以从乌拉尔山至东北亚的大型斜脊及其伴随的斜槽为主要特征,与图 3图 6的结果基本一致。其对应的西伯利亚高压和负表面气温距平也与图 8(左栏)和图 9(左栏)给出的结果基本一致(图略)。

图 13为EPECE个例第2天的300 hPa位势倾向变化。首先由图 13g13h可见,分块位涡倾向方法计算所得位势高度变化(图 13g)较好地再现了实际位势高度倾向的分布(图 13h),但有所低估了位势高度倾向的强度。实际位势高度倾向是由相隔24小时高度场相减所得到,而由方程(1)计算出的等式右边各项总和则是通过各项瞬时值(每天4次)的平均所得到,两者并不完全相同。因此,对于动力学分析而言,通过PTD方法的确能够很好地抓住位势高度倾向的主要分布特征。

图 13 典型EPECE个例第2天的300 hPa位势高度倾向(单位:m d-1):(a–f)基于PTD方程(2)计算出的等式右边各项引起的位势高度倾向;(g)各项总和引起的位势高度倾向;(h)实际位势高度倾向。实线为斜脊Z500距平的+50 m等值线 Figure 13 Geopotential height tendency at day 2 for the typical EPECE event (units: m d-1): (a–f) geopotential height tendency due to each term on the right hand side of equation (2), (g) the sum of all the forcing terms, and (h) the actual geopotential height tendency. The solid line indicates the +50 m isoline of Z500 anomalies associated with the tilted ridges

通过对比各项强迫结果和图 13g的比较可知,C项是最重要的一项(图 13c),即基本流对位涡异常的平流作用。其中,基本流的线性平流作用(较弱)可以解释大型斜脊斜槽向下游扩展和缓慢移动的特征,而基本流变形场对位涡扰动的作用则体现了大尺度扰动的正压发展过程,能够解释为什么大型斜脊斜槽系统能够维持较长时间(Zeng, 1983)。另一个大项为A项(图 13a),但在分布特征上与C项呈反位相,具有抵消后者的作用。这反映了A项所具有的β作用,即它使扰动位相向西倒退。斜压发展项(B项)与C项同位相,但其强度较弱。然而值得注意的是,它对靠近亚洲大陆东岸斜槽的形成和维持具有一定的贡献。这也反映了大陆东岸大气斜压性较强的特性。非线性项(D项)也呈现一定的强度,但它们的空间尺度较小,不能够解释大型扰动的维持和演变过程。非地转强迫项(F-N项)与非绝热项(E项)具有类似的作用,均对位势变化产生抵消作用,但非绝热项相对较小,反映了它们对高度场变化起着恢复的作用。

图 13仅仅给出了某一日的动力学分析结果,它不能够完整显示为什么大型斜脊斜槽在形成之后向东扩展和缓慢移动的原因。为此,在图 14中给出了与大型斜脊特征区(见图 12的打点区及图 13的黑框)对应的方程(2)等式右边各项强迫所得位势倾向平均及其逐日演变特征。由图 14可见,各项强迫所得位势高度变化(灰色线)基本上与实际位势倾向(黑色线)相吻合。对于斜脊特征区而言,C项(粉色线)在整个过程中自始至终是一个最重要的项,它主导了该事件大型斜脊斜槽的形成和维持过程。这与第2天的分析结果完全一致(图 13)。A项和F-N项为负,其大小弱于C项,该项自始至终扮演着抵消C项的作用。斜压项(B项)与C项同符号,但较弱。值得注意的是非线性项D在第2至7天对斜脊的维持具有一定的贡献。其余项对大型斜脊斜槽形成和维持过程的贡献较小。这些项的情况与第2天的分析结果基本一致(图 13)。总之,从动力学角度看,大型斜脊斜槽系统形成和维持的最主要动力学过程是基本(或背景)流场对位涡扰动的平流过程。基本流场通过其变形场作功作用和线性平流作用促使大型扰动正压发展(抵消耗散)和向下游扩展(或缓慢移动)。

图 14 大型斜脊斜槽特征区平均位势高度倾向及其方程公式(2)等式右边各项强迫所得位势倾向的逐日演变特征,单位为m Figure 14 Daily evolutions (units: m) of average geopotential height tendency within the key region of large-scale tilted ridges and troughs and the corresponding forcing terms on the right hand side of equation (2)

从动力学的角度对比大型斜脊斜槽维持、演变过程和区域性阻塞高压的演变过程是有趣的。学者们对阻塞高压的形成和崩溃过程有许多研究。非线性作用使阻塞高压形成和发展,但当阻塞高压发展到一定强度时,阻塞高压自身发展引起的位涡平流使其减弱和之后的崩溃(Nakamura et al., 1997Luo et al., 2007)。这就是区域性阻塞高压并不维持那么长时间的原因。与之相比,大型斜脊斜槽系统的空间尺度很大,基本流场(气候态)可以通过其变形场作用和线性平流作用使大型扰动维持、发展和向下游扩展。只有当背景场与大型扰动的相互作用减弱和消失的时候,大型斜脊斜槽系统才开始衰亡(布和朝鲁等,2015)。与阻塞高压不同,非线性作用并不是大型斜脊斜槽系统维持的主要原因(图 13图 14)。

6 总结和讨论

本文综述了近年来关于我国冬季大范围持续性低温事件及其关键环流系统(即欧亚大陆大型斜脊斜槽系统)的研究成果及进展。关于冬季影响我国的大型冷空气活动,以往的研究都将其视为与阻塞高压活动相联系的寒潮过程。但是“0801”事件发生以来,大家认识到大型冷空气活动有必要分为时间尺度为一周左右的普通寒潮和延伸期时间尺度的大范围持续性低温事件。本文所述的关于大范围持续性低温事件的研究成果大都是在过去寒潮研究基础上通过对比分析总结出来的。这些新的研究进展可概括为如下几个方面:(1)客观界定了我国冬季EPECE,并将其分为5类。这类大型冷空气活动不论在极端低温站点的范围还是在极端低温过程的持续性上均与普通寒潮明显不同。(2)揭示了我国冬季EPECE的关键环流系统,即欧亚大陆大型斜脊斜槽系统,并建立了其客观识别方法。(3)揭示了EPECE和普通寒潮事件之间的关键区别。从环流上看,全国性普通寒潮由区域性阻塞高压主导,而全国类EPECE由欧亚大陆大型斜脊斜槽主导。与寒潮相比,EPECE的西伯利亚冷高压强度更强范围更广;全国类EPECE的发生有其明显的前兆信号,即10天前的北欧/巴伦支海斜脊和7天前的亚洲北部冷堆。而普通寒潮事件并不存在这么早的前兆信号;从阻塞高压的角度看,全国类EPECE和全国类寒潮事件的阻塞高压活动特征明显不同。寒潮过程以区域性阻塞高压为主要特征,而在EPECE事件中,从乌拉尔山到东北亚地区的广阔区域均有阻塞高压活动发生。两类事件所对应的阻塞高压活动的差异主要归因于天气尺度AWB范围和分布的不同。(4)从动力学上解释了欧亚大陆大型斜脊斜槽系统的形成和维持的主要原因。气候态基本流场对位涡扰动的平流作用是大型斜脊斜槽系统维持的主要动力学机制。换言之,基本流场通过变形场作功和线性平流使大型扰动维持和向下游扩展。与阻塞高压不同,非线性作用并非大型斜脊斜槽系统维持的主要原因。

普通寒潮和EPECE的相对界定,实际上相当于在时间尺度上将冬季大型冷空气活动分为两类。对EPECE的延伸期预报而言,由此引伸出的一个重要结论是,与乌拉尔阻塞高压相联系的大型斜脊斜槽系统可能比阻塞高压本身更加重要。通过前一阶段的研究我们已经认识到欧亚大陆大型斜脊斜槽系统对EPECE的重要影响,并将其概念提升为一类具有独特时空尺度和独特形态的环流系统,引起了同行们的关注和兴趣。但是,对其形成和维持的机理仍缺乏较完整的了解,这方面的探索仍处于起步阶段,值得我们深入研究。

伴随着欧亚大陆大型斜脊斜槽系统的关注,一些重要的问题也接踵而来。欧亚大陆大型斜脊斜槽系统是否为欧亚大陆上的独特环流系统?为什么?其形成和维持过程中,热力作用究竟扮演了什么角色?这些问题的确值得我们进一步探索。

延伸期尺度是天气尺度和气候尺度的衔接部分,因此延伸期过程问题既有初值问题也有外强迫问题,这正是目前延伸期预报的难点。就EPECE而言,仅仅研究其大气内部动力学过程是不够的,有必要揭示其外强迫原因。例如,秋季极冰的异常变化和欧亚大陆秋冬季雪盖异常分布也可能对EPECE和大型斜脊斜槽系统的形成具有重要影响。可见,外强迫问题也是该领域面临的一个具有挑战性的课题。

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