2009年冬季新疆北部持續性暴雪的環流特征及其成因分析

張書萍 祝從文

中國氣象科學研究院,北京 100081

2009年冬季新疆北部持續性暴雪的環流特征及其成因分析

張書萍 祝從文

中國氣象科學研究院,北京 100081

利用臺站觀測和NCEP/NCAR大氣再分析等資料,通過與歷史同期降水事件比較,分析了2009年冬季發生在我國新疆阿勒泰地區持續的水汽和環流異常特征以及北極濤動 (A rctic Oscillation,AO)和 ENSO現象對該地區持續性暴雪的影響。結果發現,位于貝加爾湖以西的對流層持續性異常冷性低槽活動是影響2009年冬季新疆北部持續性暴雪的重要環流系統,該異常低槽導致冷空氣南下路徑偏西,并與來自里海的水汽輸送在新疆北部地區交匯,導致了持續性寒潮天氣和暴雪的發生。其中,貝加爾湖地區的異常低槽的維持與AO指數異常偏弱密切相關,當AO指數處于負位相時,貝加爾湖一帶位勢高度出現負異常,北半球盛行經向環流異常,有利于烏拉爾山阻塞高壓的維持和冷空氣沿貝加爾湖向南侵襲,導致新疆北部持續性寒潮和大暴雪天氣發生。分析冬季ENSO事件對新疆北部的影響中發現,年冬季,同期西太平洋副熱帶高壓偏強偏北,低緯度海洋水汽大多沿著副高邊緣向東南輸送,其北上分量無法到達新疆地區,因此對新疆北部的持續性大暴雪的影響并不明顯。

2009年冬季 新疆暴雪 環流異常 成因分析

1 引言

2009年冬季 (2009年12月～2010年2月),新疆北部共出現7次持續性降雪天氣,其中4次過程中出現大暴雪天氣,阿勒泰、塔城北部等地的9個氣象觀測站出現降雪量超過24.1 mm的大暴雪天氣過程。此次持續性大暴雪具有發生頻率高,降雪量大,降雪范圍廣,持續時間長和積雪厚度較深顯著特點。據統計北疆地區最大積雪深度普遍在50 cm以上,其中阿勒泰觀測站達94 cm,山區積雪在1～2 m之間,突破歷史極值。阿勒泰等40個觀測站的積雪持續時間長達38天,為歷史罕見。持續性大暴雪天氣過程導致北疆北部出現歷史罕見的雪災,給當地的牧業、交通和人民生活帶來巨大的損失。據民政部統計,新疆地區受災人口達154余萬人,直接經濟損失已達6.48億元。

大氣環流的異常直接導致地面出現異常天氣氣候現象。天氣分析表明,冬季高空急流、強鋒區、強輻散及有利的水汽條件是導致新疆產生暴風雪的必要環流條件。當極渦在東半球增強南擴,北半球槽脊均偏弱,而副熱帶高壓偏北偏強時,中緯度西風增強,則新疆受到中緯度西風槽的影響導致降水偏多 (譚艷梅和王建,2001)。大暴雪發生的天氣過程中,低空急流提供西南水汽輸送通量,制造上升運動和不穩定能量,高空急流起到抽吸作用,增強上升運動 (劉正新等,2007)。同時干冷空氣侵入形成干層以積累水汽和不穩定能量對暴雪天氣過程提供有利的發生條件 (黃海波和徐海榮,2007)。新疆地處歐亞大陸腹地,冬季降水主要受到中高緯度和冬季風環流系統的共同影響。北極濤動 (A rctic Oscillation,簡稱AO)是冬半年北半球中高緯度地區大氣環流尺度最大,最重要的模態,對冬季北半球氣候有重要的影響。當AO偏強時,西太平洋副高偏弱,東亞高空西風急流偏弱,東亞大槽偏弱,烏拉爾山阻高不易形成,導致冬季風偏弱,我國東部、新疆、內蒙古等地冬季氣溫偏高,同時除了內蒙古新疆外大部分地區降水也偏多;當AO偏弱時,環流形勢相反,冬季風偏強,我國北方溫度偏低,內蒙古、新疆、華南、江南降水偏多 (龔道溢和王紹武,2003;琚建華等,2004;楊輝和李崇銀,2008)。ENSO事件是海洋與大氣相互作用中信號最強的現象,對東亞冬季風環流存在影響,研究表明,在發展年冬季亞洲上空的環流型呈現出東亞冬季風偏弱,不利于寒潮的向南爆發 (陶詩言和張慶云,1998;穆明權,2001;黃榮輝和陳文,2002;陳文,2002;何溪澄等,2008)。

2009年冬季,AO指數出現了歷史上罕見的負異常,并伴隨赤道東太平洋典型的 ENSO暖事件,上述極端異常事件對我國冬季的持續性異常天氣和氣候事件勢必產生影響。此外伴隨全球的變暖,研究發現,過去40年新疆北部冬季平均溫度和降水表現出增加趨勢 (崔彩霞等,2005)。其中,冬半年降水總量、日降水強度以及強降水日數都有不同程度的增加趨勢 (房巧敏等,2007),并發現冬季降水的轉折性變化最早發生在 1986年 (劉波等,2009)。2009年冬季新疆地區持續性暴雪是否是該地區氣候變化長期趨勢必然結果?導致該年冬季持續性暴雪的環流系統與歷史事件有何差異?為回答上述科學問題,本文通過資料分析揭示影響2009年中國新疆持續性大暴雪的環流和水汽輸送特征,通過討論冬季海溫和北極濤動與同期中國冬季降水和溫度之間的關系,分析導致新疆持續性大暴雪的成因。本文的所用資料主要有:2009年12月～2010年2月日平均美國NCEP/NCAR大氣再分析資料,1951～2009年的NCEP/NCAR再分析月平均資料,水平分辨率為2.5°×2.5°經緯度。國家信息中心提供的722臺站觀測的2009年12月～2010年2月的逐日降水和溫度資料,以及1951年～2007年月平均降水資料。

圖1 2009年冬季 (a)平均氣溫、(b)溫度距平、(c)降水總量和 (d)降水距平 (氣候值取1971～2000年平均)Fig.1 (a)Winter averaged surface air temperature and(b)its anomaly in 2009;(c)total precipitation amount and(d)its anomaly in winter 2009

2 2009年冬季中國氣候和環流異常特征

2.1 溫度和降水

圖1為我國2009年冬季 (2009年12月～2010年2月)平均溫度和降水及其距平分布,如圖所示,除青藏高原地區,2009年我國冬季溫度場呈南高北低的緯向分布特征,其中平均0℃等溫線在35°N附近。溫度偏高的地區主要位于西南、東南以及南部沿海地區,而溫度偏低的地區主要位于東北和西北兩個區域。分析冬季溫度距平場可以發現,以三江源地區以及南疆和西南地區為中心,2009年冬季全國大部分地區溫度較常年偏高。但是,新疆北部、內蒙古中西部以及東北地區氣溫偏低,較常年平均值偏低2～3℃。比較2009年冬季降水及其距平分布可以發現,我國冬季降水場上主要表現為南北多、中間少的分布,北方降水集中在新疆北部和東北地區東北部,南方則集中在華南地區。其中,降水正距平的主要中心位于新疆北部、內蒙古及東北一線,以及華南地區,而降水負距平僅出現在我國西南地區。其中明顯看到,新疆北部降水量較常年平均值異常偏大,距平值達60 mm以上,是北疆降水氣候值的3～4倍,2009年冬季北疆降水異常顯著超過多年平均水平。

2.2 500 hPa位勢高度場

大氣環流的異常直接影響到地面天氣氣候現象。我們利用500 hPa位勢高度場的緯向偏差以突出槽脊的位置來檢驗環流異常 (圖2)。分析500 hPa高度場氣候場緯向距平 (即相對于緯圈平均值的偏差),可以清楚看出北半球冬季三槽三脊環流型。其中,東亞大槽、北美大槽分別位于亞洲東岸、北美東部,位于歐洲東部的歐洲淺槽強度較弱;三脊主要位于阿拉斯加、西歐沿岸和青藏高原北部。青藏高原北部的平均脊較前兩者較弱,位置恰好位于我國新疆北部上空。從槽脊的分布形勢可以看出,冬季我國主要受到東亞大槽與新疆脊之間南下的冷空氣影響,而極地冷空氣沿貝加爾湖,通過內蒙古中部河套平原入侵我國,從而造成我國的寒潮天氣 (陶詩言,1959)。分析 2009年冬季的500 hPa位勢高度場,可以看出在兩大洋的高壓脊明顯偏西偏北并且強度增強,與之對應的東亞大槽位置向西移動,位于西歐沿岸的高壓脊位置向西北移到格陵蘭島東南部,相對氣候場大約西移了10°經度,向北移動了20°緯度。原東亞大槽位置處出現正位勢高度距平,上游貝加爾湖區域出現負位勢高度距平,表明東亞大槽西移減弱。同樣,上游的新疆脊以及西歐的高壓脊也依次西移。由于2009年冬季的槽脊的位置西移,新疆脊與烏拉爾山阻塞高壓合并,導致緯向位勢高度梯度加大和偏北風加強,極地冷空氣南下的位置也恰好移到新疆地區。若以零等值線代表高低壓之間的冷空氣南侵的位置,可以發現,伴隨烏拉爾山阻塞高壓的加強,高低壓之間的零值線也隨之向西移動,并發生西北向扭轉,因此導致影響我國的冷空氣路徑偏西,使我國新疆地區有更多機會受到冷空氣的影響。從2009年冬季500 hPa高度場距平可以發現,整個北半球由高緯向低緯出現了正—負—正的位勢高度異常分布 (圖2c),表明2009年冬季的極地位勢高度異常偏高,極渦南移到東西兩半球的中緯度地區,中緯度位勢高度偏低,出現幾個負異常位勢高度中心,并伴隨著溫度降低。可以推斷,影響我國冬季新疆北部降水的異常環流為環貝加爾湖地區異常低槽,它為持續性暴雪的形成提供了冷空氣和動力抬升條件。因此,2009年冬季由于槽脊位置相對于氣候場向西移動,導致貝加爾湖地區出現負位勢高度異常,冷空氣路徑偏西,寒冷的極地空氣從泰梅爾半島長驅直入侵入中國,由于低緯度位勢高度場也較常年偏高,冷空氣無法南下,而是沿著偏北路徑一路影響到我國新疆、內蒙古、東北等北方地區,給我國新疆地區的降雪提供了冷空氣的保證。

圖2 北半球冬季500 hPa位勢高度 (等值線,單位:hPa)和溫度 (陰影)的緯向距平場:(a)冬季氣候平均 (1971～2000年);(b)2009年冬季平均;(c)2009年冬季距平Fig.2 Departuresof geopotential height(contour,units:hPa)and air temperature(shaded)from zonal averagesat 500 hPa in boreal winter:(a)Climatology(1971-2000);(b)winter averages in 2009;(c)anomalies in winter 2009

圖3 北半球冬季700 hPa水汽通量場 (箭頭表示水汽通量矢量,彩色陰影表示水汽通量值)(a)氣候平均、(b)2009年冬季平均及 (c)其距平場 (單位:kg·m-1·s-1)Fig.3 Winter averaged 700-hPa water vapor flux for(a)climatology(1971-2000)and(b)2009,and(c)its anomalies in winter 2009.The shaded areas stand for vapor fluxes with values more than 1 kg·m-1·s-1(a,b)and 0.5 kg·m-1·s-1(c),respectively

2.3 700 hPa水汽通量

新疆北部為半干旱氣候區,冬季水汽輸送在一年中是最弱的,對新疆來說暴雪的產生不僅與冷空氣活動有關,暖濕氣流提供水汽保證也是一個關鍵因素。水汽輸送是降水天氣過程產生的重要條件。持續性大暴雪天氣必然需要有異常水汽輸送的支持。分析發現,700 hPa的水汽通量基本能夠代表新疆地區的整層水汽輸送 (圖略)。為此,我們給出了700 hPa的水汽氣候場和2009年冬季平均場以及距平場輸送特征 (圖3)。如圖3a所示,分析水汽輸送的氣候場可以看出,西風帶水汽輸送是我國北方冬季水汽的主要來源,同樣也是北疆地區的主要水汽輸送途徑。圖3a中陰影可以代表水汽輸送路徑,可以看到西風帶水汽輸送經過里海地區的“接力”輸入新疆地區。從地中海來的水汽在里海附近得到補充,匯合了來自紅海,阿拉伯海灣的水汽后繼續向西輸送,遇到青藏高原后分為兩支,北支轉向東北成為影響我國新疆地區的重要的西南水汽通道。同時,高緯度西風帶也給新疆地區帶來水汽,并且與西南水汽在新疆上空輻合。因此,影響新疆冬季的水汽輸送主要是西風帶所攜帶的水汽通量,加入地中海向里海附近匯集的水汽通量,以及里海到青藏高原南側的西南水流通道。

比較可以發現,2009年冬季水汽輸送通量 (圖3b)遇青藏高原分支后的南支水汽輸送顯著減少,而向東北方向輸送北支水汽輸送通量顯著增加。主要表現如下特征:(1)西風帶水汽較常年異常偏多。從水汽輸送的距平圖 (圖3c)中可見,從地中海到里海的西風帶水汽輸送異常偏多,同時里海到新疆上空的北支水汽輸送較氣候平均值也明顯偏多。因此,2009年冬季從海洋上向西輸送的西風帶水汽通量本身異常偏多,導致新疆地區高水汽輸送通量可以維持。(2)伊朗高原東側有異常的北上的水汽輸送通量。圖3c中顯示,紅海以及波斯灣向里海匯合水汽輸送通量沒有發生異常,但是伊朗高原東側有北上的水汽輸送異常,這一支水汽來源于印度河流域,北上后同西風帶水汽匯合成西南水汽流輸送到新疆地區,它的存在對新疆持續性暴雪可能有一定的影響。(3)遇青藏高原分支后的南支水汽輸送東輸分量減少。圖3c中看到,水汽輸送異常圖中南支水汽輸送通量出現向西向北的分量,表示南支水汽輸送分量減少,主要輸送方向由東南向改為東北向。因此,2009年冬季輸送到新疆北部的西南暖濕氣流不僅匯合了西風的正水汽輸送異常,同時也匯合了一部分南支水汽輸送的北上分量,從而導致總輸送新疆的水汽異常偏多。

圖4 1951～2009年冬季新疆北部 (45°N～50°N,80°E～91°E)地表平均溫度距平 (a)和降水距平 (b)的時間序列變化 (氣候態值取1971～2000年平均)Fig.4 Thetime series of winter(a)surface air temperature anomaly and(b)p recipitation anomaly averaged over the no rth of Xinjiang(45°N-50°N,80°E-91°E)during 1951-2009

通過以上分析,我們可以認為2009年冬季水汽通量輸送異常主要是由于西風帶上水汽輸送異常偏多,由于從西邊輸送到里海地區的水汽較多,而同時遇到青藏高原分支后,南支水汽在伊朗高原東部 (青藏高原西側)轉向北上,匯合北支水汽輸送的西南氣流中輸送到新疆地區,由此導致我國新疆地區的水汽輸送通量異常偏大,維持了持續性暴雪所需要的水汽條件。從2009年冬季500 hPa位勢高度的距平場 (見圖2c)分布可以看出,該年冬季高度場異常表現為高、中、低緯分別為正—負—正的類似三明治形式的異常分布。負異常帶中存在著幾個較強的異常中心,這樣的異常疊加到氣候態上使得中間的負異常中心的北邊西風減弱,南邊西風增強。地中海地區恰好處于異常值達到80 gpm負異常中心的南部,因此地中海的上空西風分量異常增強,導致西風帶上暖濕的水汽向西輸送異常的偏多。同樣,從圖2c中可以看到,處于低緯度的印度洋上有正的位勢高度異常中心,這一個異常中心形成了高壓壩,阻擋了西風帶上的水汽向我國西南地區輸送,因此水汽的南支輸送被阻擋,并在伊朗高原東部 (青藏高原西側)轉向北上輸送,導致我國新疆地區水汽充沛,為持續性大暴雪天氣的發生提供了有利的水汽條件。

3 影響冬季新疆北部降水的主要環流系統

為分析歷史冬季北疆地區的溫度和降水特征,我們選取 (45°N～50°N,80°E～91°E) 區域代表北疆地區,計算了1955～2009年該區域平均的冬季平均溫度和降水量 (圖4)。從時間變化趨勢分析可以發現,新疆北部地區冬季自1979年以來出現明顯增暖現象,這與北半球和全國的冬季增溫現象是一致的。同時,新疆北部降水異常偏多年大多數出現在20世紀80年代以后,這與過去的研究比較一致 (楊蓮梅,2005;劉波等,2009)。2009年冬季北疆地區的平均季降水量是氣候值的3倍,是過去50年不遇的一次極端天氣氣候現象,并非完全是當地氣候變化趨勢的必然結果,而平均溫度變化并不明顯。剔除2009年冬季資料,我們采用1951～2008年冬季新疆降水的年序列對500 hPa高度場和700 hPa水汽通量場進行了回歸分析,確定對新疆地區降水相關的環流系統和水汽輸送。

圖5 1951～2008年冬季北疆降水量與同期500 hPa位勢高度場 (單位:hPa)(a)和700 hPa水汽通量 (單位:kg·m-1·s-1)(b)的回歸系數場。陰影:超過95%信度的顯著性檢驗Fig.5 Regression coefficientsof(a)500-hPa geopotential height(units:hPa)and(b)700-hPa water vapor flux(units:kg·m-1·s-1)on the winter precipitation in No rth Xinjiang during 1951-2008.Shaded areas:exceeding the 95%confidence level

圖5表示1951～2008年冬季新疆北部降水與500 hPa位勢高度場和700 hPa水汽通量場的回歸系數,如圖所示,影響北疆地區降水的關鍵系統是位于貝加爾湖西部的低位勢高度異常中心,中心位置大約在 (60°N,80°E)附近,降水與高度場表現為顯著的負相關。因此,當該關鍵區域位勢高度偏低 (偏高)時,新疆北部降水量偏多 (偏少)。比較可以發現,2009年冬季500 hPa位勢高度的負異常發生在以貝加爾湖為中心,橫跨蒙古部分區域,其中對新疆降水關鍵的影響區域出現負的位勢高度異常,恰好對應新疆地區的降水偏多的環流模態。同位勢高度場一致,700 hPa的水汽通量場的回歸出現了以北疆以北地區為中心的氣旋性回歸系數矢量場。可以看到,新疆降水偏多對應著里海到新疆地區的水汽通量增多,同時其下游地區蒙古及我國東北地區的水汽通量也增多,即是北支西南水汽輸送通量增多。同樣,2009年冬季的水汽通量場異常與之符合。

4 2009年冬季北疆持續性暴雪的可能成因

2009年冬季我國北疆地區發生了持續性大暴雪過程,本次大暴雪過程具有發生頻次多,持續時間長,降雪量大等特點,頻發的大暴雪天氣過程使得北疆地區累積積雪量,積雪日數等指標均突破歷史極值,產生歷史罕見的雪災。圖6為2009年冬季北疆地區的降水與溫度逐日變化,如圖所示,北疆地區共計出現7次持續降雪時段,其中4次過程中出現了大暴雪天氣過程。持續時間最長一次降水時段是2009年12月31日到2010年1月9日共計10天的連續性降雪并大暴雪過程,這次降雪也是給新疆帶來罕見雪災的主要過程之一。伴隨著這7次的降雪過程,新疆地區的地面溫度也發生了7次顯著的降溫過程,降溫幅度均在10℃以上。降水過程與降溫的一致性表明北疆冬季的大暴雪天氣過程和冷空氣的活動密切相關,每次大暴雪天氣過程發生之后都伴有一次寒潮的爆發,冷空氣的頻繁南下侵入新疆地區是今年冬季持續性大暴雪天氣過程的特點之一。

持續性降水一定與持續性天氣系統相聯系,本文用2009年冬季500 hPa位勢高度距平場的緯度—時間圖來分析今年冬季給我國新疆地區帶來降水的天氣系統的移動。我們取新疆地區80°E～90°E緯向平均的500 hPa高度距平場,給出其緯度-時間剖面圖 (圖7)。其中,圖7虛線區域代表45°E～50°E的新疆北部地區,上方圖為對應的是該區域平均逐日降水量。

圖6 2009年冬季北疆地區逐日降水量 (柱形圖)和地表氣溫 (曲線圖)變化Fig.6 Variations of daily precipitation(bar)and surface air temperature(curve)over North Xinjiang in winter 2009

圖7 2009年冬季逐日500 hPa位勢高度距平場沿80°E-90°E緯向平均的緯度—時間剖面圖 (單位:gpm)。上圖對應的是逐日降水量變化(單位:mm/d)Fig.7 Latitude-time cross section of daily 500 hPa geopotential height anomaly averaged over 80°E-90°E in winter 2009(units:gpm).Upper panel is the corresponding daily precipitation in North Xinjiang

從圖7中可以看到,7次降雪天氣過程均伴有關鍵區域位勢高度的降低,這同降水與位勢高度的回歸關系一致。從逐日天氣圖 (圖略)也可以看出,7次降水過程關鍵區域的天氣系統的移動不盡相同,但是多為極地高壓建立而引起的極渦南下。2009年冬季,兩大洋的高壓脊發展強烈,2009年12月6日歐洲地區以及阿拉斯加高壓脊發展并建立極地高壓,極渦被推離極地地區南下到東西半球,當極渦偏向東邊球,自泰梅爾半島向東半球南下的極渦引起關鍵區域的位勢高度降低,北疆處于極渦底部的強鋒區內,隨后極渦東移,其攜帶的冷空氣侵入新疆地區造成一次寒潮天氣。北大西洋高壓脊、烏拉爾山高壓脊以及北太平洋高壓脊之間交替發展,導致極地高壓一直盤踞在極地,并維持到1月11日。被推離極地的極渦在東半球維持在中亞地區以及歐洲西部地區。由于極渦在中高緯度的持續維持,使貝加爾湖一帶的異常低槽從12月到2月初一直維持。新疆處于極渦底部的強鋒區內,2009年12月31日到1月9日,上游烏拉爾山高壓脊發展,同時極渦下游的高壓脊產生阻塞高壓侵入到蒙古地區,使得極渦被阻滯在貝加爾湖一帶穩定不動,則冷空氣低渦槽后堆積,上游西風槽活動頻繁,提供暖濕氣流,則產生了長達10天的持續性大暴雪天過程。此后極渦重建不久,在2月1日極地高壓再次建立,并且一直維持到2月28日,關鍵區域的低位勢異常也隨之維持到2月末,在這一段時間內新疆北部頻繁發生降雪天氣過程。

圖8 2009年冬季逐日700 hPa水汽輸送通量 (單位:kg·m-1·s-1)沿40°N～50°N平均的經度—時間剖面圖 (左)與沿65°E～80°E平均的緯度—時間剖面圖 (中)以及逐日降水量 (單位:mm/d)變化 (右圖)。虛線框出的區域代表北疆地區 (45°N～50°N,80°E-91°E)Fig.8 Longitude-time cross section of daily 700-hPa vapor flux averaged over 40°N-50°N(left panel)and latitude-time cross section of daily 700-hPa vapor flux averaged over 65°E-80°E(middle panel)in winter 2009(units:kg·m-1·s-1).Right panel is the corresponding daily precipitation(mm/d)in North Xinjiang.The area surrounded by dashed lines stand for North Xinjiang(45°N-50°N,80°E-91°E)

水汽的來源以及持續不斷的供給是2009年冬季新疆持續性暴雪發生的必要條件之一。為了清楚地分析水汽來源以及輸送過程,我們采用逐日資料沿40°N～50°N的緯向平均給出緯向水汽輸送通量的經度—時間圖 (圖8左),并沿著65°E～80°E平均給出經向水汽輸送通量緯度—時間剖面 (圖8中)。虛線部分表示前文定義的新疆北部地區。從經度—時間圖中看到,位于0°～30°E的地中海以及位于50°E～60°E的里咸海是新疆緯向水汽輸送的兩大源地,較高的水汽通量西起地中海,沿著西風帶自西向東輸送,在里咸海地區得到補充加強,當暖濕氣流輸送到達新疆北部上空,配合新疆北部的關鍵區域低槽提供冷空氣及動力抬升條件,南下冷空氣同暖濕氣流相遇,則形成一次大暴雪天氣過程。圖8左中明顯看到7次過程中均伴有西風帶高水汽輸送通量東移。而在緯度—時間剖面圖 (圖8中)中看到,沿經向北上的水汽基本來源于30°N以北地區,低緯海洋的水汽很難越過伊朗高原而影響到新疆北部地區,經向水汽輸送通量是由于西風帶水汽輸送受到高原阻擋產生向北分量后而形成。但是在2009年12月31日～2010年1月9日長達10天的大暴雪天氣過程中,北上水汽輸送通量中有部分來自低緯印度洋的水汽輸送越過高原,匯合在西南暖濕氣流中影響新疆,這可能是導致700 hPa水汽輸送通量的距平圖中北上水汽輸送通量異常的原因,在逐日天氣圖 (略)中發現,這部分水汽是由于上游分裂的低槽加深而引起的槽前北向的水汽輸送通量增加而產生的。2009年12月31日～2010年1月9日這次長達10天的持續性暴雪天氣給新疆地區帶來極大的災害,我們分析認為,在持續暴雪發生之前,大量的暖濕空氣在地中海附近聚集形成高水汽輸送通量并持續維持了10天,當這一條水汽輸送帶隨著西風帶東移到達新疆上空,低緯度水汽也恰好受到深槽的影響北上補充,同時500 hPa高度場上,位于新疆北部北高南低的阻切形勢建立,切斷低壓長期維持在新疆北部上空,降雪產生動力條件具備,地中海附近高水汽輸送的持續維持,北上水汽的補充,動力與水汽條件同時具備并持續維持使得在新疆北部的產生了長達10天暴雪天氣過程,并出現了50年不遇的極端大暴雪天氣。

由此可見,2009年冬季的持續性降雪天氣是由于極地高壓發展,極渦被迫南移到東半球穩定少動而引起的。由于兩大洋高壓脊發展強烈,極地地區大多數時間為極地高壓控制,極渦被迫分裂南下到東西兩半球,我國北疆地區處于極渦底部鋒區中。同時頻發的西風槽分裂東下,地中海一帶聚集大量的暖濕空氣隨西風帶持續向東輸送,我國新疆地區處于暖濕氣流同冷空氣交匯處,同時由于北疆地處天山山脈與阿爾泰山脈的喇叭口地形中,產生的地形輻合極容易產生大暴雪天氣過程。

2009年冬季北疆地區持續性大暴雪是由于極地高壓建立,極渦南移并長期盤踞在東半球而形成的。我們注意到,2009年冬季AO指數處于極端負位相,海洋發生典型的ENSO事件,這兩個強氣候信號勢必對全球和區域的氣候異常產生影響。為此,本文試圖從AO和ENSO對大氣環流的影響來探討北疆發生持續性大暴雪的原因。

圖9表示1951～2008年冬季AO指數、北疆降水時間序列,以及同期500 hPa高度場和700 hPa水汽通量對AO指數的回歸場,如圖所示,2009年冬季,AO發生了顯著的負異常,AO指數與北疆降水呈顯著負相關,相關系數為-0.29,超過95%顯著性檢驗。通過對500 hPa位勢高度場對AO指數的回歸分析 (圖9a)可以發現,正回歸系數主要位于從貝加爾湖延伸到日本直至東至太平洋東部,以及北美東部至大西洋并達到歐洲西部。因此,當AO指數為負位相時,對應貝加爾湖地區的位勢高度值偏低,烏拉爾山高壓脊偏強。比較可以發現,2009年冬季在AO指數極端負異常下,烏拉爾山高壓脊與東亞大槽均發展,中緯度西風經向較大,有利于冷空氣的南下。分析700 hPa的水汽通量回歸場發現,在北美東岸—大西洋中部—地中海地區,亞歐大陸東部—中緯度太平洋—北美西部有著兩大順時針的水汽通量回歸系數場,這表明當AO偏低(偏高)時,大西洋中部表現為水汽通量的氣旋 (反氣旋)性異常。同樣,比較2009年冬季的水汽通量異常場,發現AO指數負異常產生的兩大氣旋性水汽通量同2009年冬季的異常場也幾乎完全對應。因此,受AO指數負位相的影響,大西洋到地中海一帶上出現氣旋性水汽通量異常,從地中海到里海的西風帶水汽通量增多。同樣,在里海到我國新疆北部的水汽輸送路徑中,AO的負異常會使得這里的水汽輸送通量減少,但是相關并不顯著。因此,AO的負位相能夠解釋2009年冬季西風帶上地中海向里海輸送水汽異常偏多的現象,可以推斷,2009年冬季地中海的異常高水汽通量經過里海后隨西風東移輸送到我國新疆地區,導致里海到新疆的水汽通量輸送相應增大。

中東太平洋海溫異常偏高是2009年冬季氣候的另一個異常情況。本文取區域平均海表溫度 (SST)距平作為ENSO指數,分析ENSO對中國冬季降水的可能影響。圖10表示的是1951～2008年區 SST指數,及其同500 hPa高度場和700 hPa水汽通量的回歸系數。

如圖10所示,2009年冬季,Ni~no3.4區域的海溫距平為1.66℃,該年冬天是一個典型的年。分析可以發現,500 hPa位勢高度場在20°N以南的熱帶地區均為正值,特別是在西太平洋暖池中心為正回歸的中心區域,表明當Ni~no3.4區的SST為正 (負)距平時候,該區域的500 hPa位勢高度異常偏高 (低)。由于 2009年冬季Ni~no3.4區的SST異常偏高,與之對應的2009年冬季的低緯度地區位勢高度異常偏高,副熱帶高壓偏強偏北,以日本以東為中心的500 hPa位勢高度場表現出正異常。其中,與中高緯環流之間的關系主要體現在從中西伯利亞向東南并延伸到太平洋東部,且以太平洋東部為中心的負相關系數區域,以及加拿大地區的正回歸系數區。因此,2009年ENSO暖事件發生時,以太平洋東部為中心的500 hPa位勢高度場表現出負異常,而在加拿大地區出現位勢高度的正異常。比較可以發現,ENSO與AO影響下的500 hPa位勢高度的異常在正位相正好疊加,導致北太平洋東部和北美北部則出現了強烈的位勢高度異常。分析700 hPa水汽通量的回歸系數可以發現,與位勢高度場的相對應,在位勢高度回歸場為正的地區出現水汽通量回歸場的反氣旋性中心。低緯度海洋向我國南方地區輸送的水汽通量值較大,這可能是2009年冬季我國華南地區出現暴雨的原因之一。雖然回歸系數場中從里海到新疆一帶的西南水汽通道與Ni~no3.4區的SST指數相關超過顯著性檢驗,但是我們前面分析的結論這一部分的水汽并非來自低緯度海洋,因此對新疆北部大暴雪天氣過程的影響并不明顯。

圖9 1951～2008年冬季AO指數與同期500 hPa高度場 (單位:hPa)(a)和700 hPa水汽通量場 (單位:kg·m-1·s-1)(b)之間的回歸系數以及1951～2009年冬季AO指數 (實線)與北疆地區冬季降水量距平 (虛線)的時間序列 (c)。陰影為超過信度為95%的顯著性檢驗Fig.9 Regression coefficients of 500-hPa geopotential height(units:hPa)(a)and 700-hPa water vapo rflux(units:kg·m-1·s-1)in winter(b)on winter AO index during 1951-2008(The shading denotes the areas exceeding the 95%confidence level).(c)Time series of winter AO Index(solid)and winter averaged precipitation anomaly(dashed)over No rth Xinjiang during 1951-2008

圖10 1951～2008年冬季500 hPa位勢高度場 (單位:hPa)(a)和700 hPa水汽通量場 (單位:kg·m-1·s-1)(b)對Ni~no3.4區SST指數的回歸系數以及1951～2009年冬季Ni~no3.4區SST指數時間變化 (c)。陰影:超過信度為95%的顯著性檢驗Fig.10 Regression coefficients of(a)500-hPa geopotential height(units:hPa)and(b)700-hPa water vapor flux(units:kg·m-1·s-1)on SST index(Ni~no3.4 region)in winter during 1951-2008(The shading denotes the areas exceeding the 95%confidence level).(c)Time series of winter SST index(Ni~no3.4 region)during 1951-2009

5 結論和討論

本文采用資料分析,通過與歷史比較討論了2009年冬季新疆北部持續性暴雪的環流特征,并分析了AO和 ENSO對中國冬季溫度和降水之間的關系及其可能影響,主要結論如下:

(1)2009年冬季貝加爾湖以西的持續性冷氣旋異常是影響該年新疆北部持續性暴雪的重要環流系統。通過歷史比較發現,冬季貝加爾湖異常冷性低槽與AO異常密切相關。當AO指數為負位相時,有利于烏拉爾山異常阻塞高壓和貝加爾湖冷性低槽維持。2009年冬季,貝加爾湖地區的異常氣旋導致冷空氣南下路徑偏西,并與來自里海的水汽輸送交匯與新疆北部,導致了持續性寒潮天氣和暴雪的發生。雖然該年冬季溫度變化幅度與氣候差異不明顯,但是該地區的冬季降水量是氣候值的3倍。因此,是過去50年不遇的連續降水天氣導致的極端氣候事件,并不完全是當地氣候長期變化趨勢的必然結果。

(2)通過對58年我國冬季地表氣溫和降水與同期AO和Ni~no3.4區的SST指數相關分析發現,當AO負位相時期,新疆北部以及東北極易出現低溫天氣,我國西北地區特別是新疆地區的降水偏多。因此,2009年AO指數的極端負異常是很可能是導致新疆地區的降水量偏多的重要因子。而分析ENSO事件的影響發現,2009年冬季為典型的年,當赤道東太平洋海溫偏高時,西太平洋副熱帶高壓偏強偏北,由低緯度海洋產生的暖濕空氣沿副高邊緣大量的輸送到我國南方地區,但是由于伊朗高原的阻擋,低緯度海洋的水汽很難北上輸送到達新疆北部,ENSO同我國新疆持續性暴雪過程影響并不明顯。

圖11 1951～2008年冬季AO指數 (a、b)、Ni~no3.4區SST指數 (c、d)與同期溫度 (a、c)和降水 (b、d)之間的相關系數。實線包圍區域為超過信度為95%的顯著性檢驗區域Fig.11 Co rrelation coefficients betw een winter(a,b)AO index and(c,d)SST anomaly in the Ni~no3.4 region with the co rresponding(a,c)surface air temperature and(b,d)p recipitation over China during 1951-2008.A reas exceeding the 95%confidence level are enclosed by the solid lines

(3)2009年冬季AO指數明顯偏低,導致冷空氣南下頻繁。然而,由于ENSO的影響導致西太平洋副熱帶高壓偏強,阻礙了冷空氣的向南侵襲和長江以南的劇烈降溫天氣,從而沒有出現類似于2008年在我國長江以南和西南地區發生的冰凍雨雪天氣現象。2009年AO指數極端偏弱,這是北半球大尺度環流異常的表現形式,什么原因導致了大尺度環流的劇烈調整還需要進一步研究。

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Possible Causes of Circulation Anomalies Associated with Subsequent Snowstorms over the North of Xinjiang during Winter 2009

Zhang Shuping and Zhu Congwen

ChineseAcademyofMeteorologicalScience,Beijing100081

The anomalies of moisture flux and atmospheric circulations linked to the subsequent snow sto rm s occurring in A ltay area of Xinjiang during winter 2009 are discussed on the basis of station-observed and NCAR/NCEP reanalyzed data sets,and the possible causesassociated with ENSO and A rctic Oscillation(AO)are addressed in the framework of histo rical analog analysis.Results suggest the enhanced anomalous cold trough in the west of Lake Baikal is a critical circulation system,and itsmaintenance resulted in the west cold surgemoving southward,meeting the southwest warm and wet air coming from the Caspian Sea in North Xinjiang,and caused the successive snow sto rm s.Co rrelation analysis suggests that the enhanced anomalous cold trough over the west of Lake Baikal is closely related to theweakened AO index.In negative AO index phase,the 500-hPa geopotential height around Lake Baikal decreases,ameridional circulation anomalies pattern prevails in the Northern Hemisphere,w hich maintained the U ral blocking high and gave rise to the southward moving clod surge along the west of Lake Baikal,and results in the successive cold waves and snow storm s in the no rth of Xinjiang.Analysis suggests that during theyear,the enhanced western North Pacific subtropical high results in the southeastmoisture flux,but the no rthward component could not arrive in No rth Xinjiang,therefo re theevent possibly has little benefit to the successive snow storms in this area.

winter 2009,snow storms in Xinjiang,circulation anomalies,causes analysis

1006-9895(2011)05-0833-14

P426

A

張書萍,祝從文.2011.2009年冬季新疆北部持續性暴雪的環流特征及其成因分析 [J].大氣科學,35(5):833-846. Zhang Shuping,Zhu Congwen.2011.Possible causesof circulation anomalies associated with subsequent snow stormsover the north of Xinjiang during winter 2009[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),35(5):833-846.

2010-09-17,2011-03-10收修定稿

國家自然科學基金資助項目40921003,公益性行業 (氣象)科研專項GYHY200906017,中國氣象科學研究院基本科研業務項目2010Z001、2010Z003

張書萍,女,1986年出生,碩士研究生,研究方向為全球變化與東亞季風。E-mail:zsp@cams.cma.gov.cn

祝從文,E-mail:tomzhu@cams.cma.gov.cn