2011年初云南東部極端低溫冰凍災害天氣氣候特征及成因分析

楊素雨, 李華宏, 嚴華生, 牛法寶

（1.云南省氣象臺,云南昆明 650034;2.云南大學大氣科學系,云南昆明 650091）

0 引言

近年來中國的低溫嚴寒、暴風雪等極端天氣時常發生[1-7],最為突出的是2008年初南方遭受了歷史罕見的持續的大范圍低溫雨雪冰凍災害。國內很多學者對其氣候特征、大氣環流異常特征及天氣動力學成因等方面進行了大量研究[8-12]。研究表明,貝加爾湖（簡稱貝湖）依稀地區阻塞高壓異常強大、穩定,700 hPa西南氣流穩定,850 hPa低層切變、低渦活動,副高強盛,位置偏西、偏北是2008年初南方低溫雨雪冰凍災害天氣的大尺度大氣環流背景。云南氣象學者段旭等[13]鑒于2008年云南嚴重的低溫冰凍災害,對云南冰凍災害與電線覆冰進行了區劃研究,指出云南冰凍災害最嚴重的是東北部地區。晏紅明等[14]從大尺度大氣環流和海溫異常等方面分析了2008年初云南低溫雨雪冰凍天氣的氣候成因,為云南短期氣候預測此類災害性天氣提供了預報思路。

從以上分析可以看出,關于低溫冰凍災害天氣的分析研究,大多是針對南方地區。然而,云南地處低緯高原,受青藏高原大地形阻擋影響,冷空氣很少從正北面南下影響云南,與中國其他地方相比,云南的冷空氣路徑有其特殊性,如冷空氣出現時間偏晚,強度相對較弱。有關云南冬季持續低溫冰凍災害天氣的研究總結還比較少。因此,總結分析造成云南持續低溫冰凍災害的天氣氣候特征及成因,對提高此類災害性天氣的預報水平是很有幫助的。

2011年1月云南東部地區出現持續極端低溫冰凍天氣,造成交通主干線受阻、鄉村公路中斷、電力通訊受損嚴重、農作物受災、牲畜受凍死亡等,對群眾生產生活產生了較大影響及困難。造成此次災害的氣候特征及成因是什么、云南省預報低溫冰凍天氣的預報依據和著眼點在哪里、太平洋海溫異常與東部低溫冰凍災害的關系如何、都值得進一步分析和研究。應用診斷分析、合成分析及相關分析等方法,從2011年初低溫冰凍災害的天氣氣候特征,2008年初和2011年初大氣環流、海溫狀況的月際異常差異特征的對比分析等方面,對以上問題進行了分析和探討,為提前做好云南的防災減災工作提供決策依據。

1 資料和方法

所用資料有2011年云南省122個縣站的逐日溫度觀測資料,NCEP/NCAA2008年和2011年逐日平均和逐月平均再分析資料,網格距為2.5°×2.5°。在相關分析中應用了1961～2011年國家氣候中心的74項環流指數,月平均海表溫度,NOAA的各項大氣環流指數、海溫指數。所用方法有診斷分析、合成分析及相關分析等。

2 天氣氣候概況

2011年初云南東部出現了持續的低溫冰凍災害天氣,此次災害主要發生在1月。圖1為2011年1月云南省122個縣站月平均溫度距平,與歷史同期相比,除滇西南、滇中及滇西北局部地區氣溫正常略偏高外,全省大部地區氣溫都偏低,偏低3℃以上的區域主要集中在滇中以東以南地區,這些地區正是云南冰凍災害最嚴重和相對嚴重的區域[12]。因此,云南東部地區是昆明東部、昭通、曲靖、文山共4個地州（市）包含的28個縣站。2011年1月 28個縣站中就有16個縣站的月平均氣溫突破了歷史同期最低記錄（表略）。分析圖2可以看出,1月東部地區30年平均氣溫為7.4℃,2011年1月東部平均氣溫為3.8℃,比歷史同期偏低3.6℃,為自1961年來氣溫最低的年份,其次是1962年偏低3.2℃。分析圖2還可以看出,2011年1月是東部地區自20世紀90年代中期以來氣溫偏暖背景下的一個異常偏冷事件,是近50年來的極端偏冷年,也是自2010年1月極端高溫年后的又一極端事件。

圖1 2011年1月云南省122個縣站月平均溫度距平

圖2 1月云南東部地區平均氣溫時間變化

圖3 2011年1月云南降雪和凍雨站次的逐日變化

從2011年1月云南降雪和凍雨出現站次的逐日變化（圖3）和空間分布（圖略）可以看出,凍雨只出現在云南中東部地區,1個月內共出現79站次,只有3天沒有出現。位于云南東北部的鎮雄縣出現凍雨的站次最多,有18次;其次是師宗,有12次。降雪也主要出現在滇中以東地區,滇西北降雪站次明顯較2008年少。1月全省共出現降雪288站次,只有2天無降雪,全省降雪站次最多的仍是鎮雄,1月共出現26站次,其次是云南東部的威信縣,共出現25站次。有研究表明[13],1月份云南平均降雪站次是127站,最多的年份是1993年,出現了329站次。2011年1月降雪站次是21世紀以來最多的一年。

分析可見,2011年初災害持續時間和影響范圍相對2008年稍小,但云南東部地區的低溫災害卻是近50年來最嚴重的,持續的低溫冰凍災害造成長時間的道路結冰、電網覆冰等仍對人民生產生活、工農業生產以及東部地區的經濟發展帶來嚴重影響,因此,以下主要針對云南東部地區的低溫冰凍災害進行討論分析。

3 天氣過程及診斷分析

3.1 主要天氣過程分析

由云南東部地區降水量和平均最高氣溫的逐日變化（圖4）可以看出,2011年1月云南東部主要受到4次強冷空氣影響,即5～7日、9～11日、14～20日、28～31日明顯降溫過程,其中14～20日東部地區日最高氣溫普降至0℃～5℃,昭通市南部日最高氣溫大都低于0℃。自2月初東部的平均日最高氣溫就出現了迅速回升的趨勢。主要的降水過程是9～11日和14～20日,兩次過程也是冷空氣降雪強度和范圍最大的,11日和16日達到了云南省的寒潮標準。

3.2 天氣過程的診斷分析

持續的冷空氣過程是造成低溫冰凍災害的主要原因,東亞中東部地區850hPa經向風一定程度上能反映東亞冬季風的強弱,云南東北部地區經向風的強弱也往往能反映出冷空氣對云南影響的強度。圖5（a）為2011年1月云南東部沿 27°N的850hPa經向風時間-經度剖面,由圖可以看出,自1月5日開始云南省東部110°E～115°E地區的經向風由偏南風（正值）轉為偏北風（負值）,之后偏北風比較活躍,4次冷空過程中,9～11日和14～20日時段偏北風最強,中心最大風速≥-6m/s。結合東部地區的垂直速度（圖5b）和水汽條件（圖5c）可以看到,9～11日東部的垂直上升運動最強,最大上升速度值達到了-20×10-2Pa/s,此時,東部 700hPa水汽通量≥8 g/（cm?hPa?s）,是1月的最大值,水汽通量散度為-2×10-6g/（hPa?cm＾2?s）,具有明顯的水汽輻合。分析可見,低層較好的水汽輸送和水汽輻合,加上強烈的上升運動和較強的冷空氣配合才造成了9～11日云南省大范圍的強降溫降雪天氣過程。其次是14～20日,其同樣造成云南省大范圍的強降溫降雪天氣過程。5～7日和28～31日兩次過程的偏北風、垂直上升運動以及水汽的輸送和輻合都相對較弱,因此冷空氣和降水的范圍和強度也相對較弱,但昆明準靜止鋒在云南東部地區維持少動,仍造成東部地區低溫冰凍災害的持續。分析還發現,22～23日東部地區有明顯的偏北風,但高低層為一致的下沉氣流控制,低層雖然有水汽輻合,但水汽通量較小,因此,這是一次弱降溫過程,無明顯降水和降雪。

以上分析表明,云南出現寒潮或大范圍降溫降雪過程時,110°E～115°E地區的850hPa經向風中心最大風速≥-6m/s,高低層有強的上升運動,700hPa上不但要有較好的水汽通量,還要有水汽的輻合。物理量的這些特征可為預報員提前做好冷空過程的監測和強度預報提供一定的參考依據。

圖4 2011年初云南東部地區降水量和平均最高溫度逐日變化（柱形為降水,折線為溫度）

圖5 2011年 1月云南東部區域（22°N～ 28°N,102°E～ 105°E）物量診斷分析

4 大氣環流和海溫異常的分析

4.1 大氣環流異常特征分析

大氣環流的異常是造成天氣氣候異常的最直接原因,若同樣的天氣過程在一段時間內頻繁出現,那這段時間的大氣環流一定會表現出某種異常的氣候特征。以下就主要討論2011年初大氣環流的異常特征。

圖6（a）為2011年1月500hPa平均高度場和距平場,可以看出,歐亞中高緯呈明顯的兩槽一脊型,西西伯利亞高壓脊異常偏強,最大正距平中心值為18dagpm。東亞中高緯地區為“+-+”的距平場分布,高度場呈北高南低,有利于高緯地區冷空氣的南下。分析還發現,西西伯利亞高壓脊呈東北西南走向,有利于巴爾喀什湖和貝加爾湖地區（以下簡稱貝巴之間）形成切斷低壓或橫槽,使得冷空氣不斷堆積,隨著大氣長波的不斷東移演變,貝巴之間的冷空氣階段性的分裂南下形成一次次冷空氣過程。東亞大槽較常年偏強偏東,使中高緯主體強冷空偏東,影響云南的冷空氣也相對偏東。中低緯孟加拉灣（以下簡稱孟灣）地區有弱的南支鋒區。這樣的大氣環流分布形勢明顯有利于云南東部出現低溫雨雪天氣。

2008年的低溫冰凍災害主要發生在2月,因此將2008年2月500 hPa高度場圖6（b）與2011年1月對比分析可以看出,2008年2月中高緯最大正距平區位于烏拉爾山（以下簡稱烏山）地區,說明烏山阻塞高壓異常偏強;青藏高原及其西側為一西風帶短波槽,高度場為負距平,說明高原上多異常低槽東移,貝巴間西北氣流帶來的冷空氣使高原低槽加深南壓,有利于昆明準靜止鋒加強影響云南。與2011年1月相比,2008年2月烏山阻塞高壓較強,東亞大槽較偏強偏西,在加強氣流的東西交換的同時使冷空氣東移南下速度減弱,冷空氣持續影響時間偏強。西太平洋副高較強,一方面阻擋了強冷氣的南下速度,另一方面加強了副高西側偏南氣流的水汽輸送。

圖6 環流場對比分析

圖6（c）為2011年1月700 hPa異常風場,可以看到中低緯20°N附近印度半島和中南半島分別為異常反氣旋環流控制,中南半島的異常反氣旋相對較弱,而兩高之間的孟灣地區為一弱的異常氣旋,這樣的大氣環流配置有利于西風帶南支槽東移到孟灣后受兩個高壓的擠壓加深,且移速減慢。中南半島反氣旋外圍的西南氣流也有利于引導南支槽槽前西南暖濕氣流北上為云南輸送水汽。從海平面氣壓場（圖6d）可以看出,2011年1月蒙古高壓異常偏強,中國中東部海平面氣壓都為正距平,說明1月影響中國的冷空氣異常偏強。1020hPa線是冬季預報冷空氣影響云南強弱的重要依據之一,2011年1月1020hPa線的平均位置位于云南東部邊緣,等壓線的密集區（氣壓梯度較大）也主要位于云南東部地區,這進一步說明1月影響云南的冷空氣主體偏東,靜止鋒主要控制云南東部地區。

綜合以上分析發現,即使在相同的季節背景下,大氣環流的月異常分布差異,也會造成明顯的天氣氣候異常差異。

4.2 各種指數與云南東部氣溫的關系

氣象科學家常通過定義與大氣環流或海溫異常有關的指數來對天氣氣候進行跟蹤、分析或預測。計算分析了國家氣候中心提供的74項環流指數以及其它各項指數（NINO1+2,NINO3,NINO4,NINO3.4,AO,AAO,NAO,PNA）與1月云南東部氣溫的同期相關關系,將通過0.05信度檢驗的指數列成表1。結合2011年初各項指數的特征,進而探討造成云南東部地區低溫冰凍災害的原因。

從表1可以看出,影響云南東部1月氣溫的重要因子有西太平洋副高、南海副高、西藏高原高度和以及NINO4區的海溫。從2011年1月這些指數的異常可以看出,西太平洋副高位置異常偏東,強度偏弱,南海副高異常偏南偏弱,有利于北方冷空氣南下;青藏高原高度和較常年同期偏低,說明高原上多低槽活動,這與在4.1中的分析一致。分析還發現,云南東部1月氣溫僅與同期NINO4區的海溫存在較好的正相關關系,監測數據也表明2011年1月NINO4區的海溫較前期12月繼續偏低,而其他海區的海溫都有回升的趨勢。

表1 與云南東部1月氣溫顯著相關的各項指數

5 結論

通過分析2011年初云南低溫冰凍災害的天氣氣候特征,從物理量特征、高低層大氣環流異常和海溫異常等方面分析了此次災害的成因,得到以下結論:

（1）在拉尼娜事件背景下,2011年初云南再次出現的嚴重低溫雨雪冰凍災害天氣與2008年初持續近2個月的低溫雨雪冰凍災害相比,雖然災害影響時間較短,范圍較小,但冷空氣過程較頻發,是云南東部近50年來最嚴重的極端低溫冰凍災害。

（2）500hPa高度場歐亞中高緯呈兩槽一脊,西西伯利亞高壓脊異常強大,貝巴之間為東西向橫槽,東亞中高緯呈“+-+”的距平場分布,西太平洋副熱帶高壓異常偏東偏弱,南海副高異常偏南偏弱是2011年1月云南遭受頻繁冷空氣影響的大尺度大氣環流背景,而南支槽槽前西南暖濕氣流與冷空氣結合是造成與云南大范圍降溫降雪天氣的重要原因。

（3）東亞大槽偏強偏東,中高緯冷空氣主體偏東,使得影響云南的冷空氣偏東,貝巴間分裂東移的短波槽常與高原低槽疊加南下影響云南,這樣的冷空氣勢力不強,但后部不斷有弱冷空氣補充,致使昆明準靜止鋒長時間控制云南東部。

（4）云南東部1月氣溫與NINO4區的海溫異常存在顯著的正相關關系,而其與倍受氣象工作者關注的NINO3區的海溫相關并不顯著。

[1] 胡宜昌,董文杰,何勇,等.21世紀初極端天氣氣候事件研究進展[J].地球科學進展,2007,22（10）:1066-1075.

[2] 楊金虎,江志紅,王鵬,等.中國年極端降水事件的時空分布特征[J].氣候與環境研究,2008,13（1）:75-83.

[3] 江志紅,丁裕國,陳威霖.21世紀中國極端降水事件預估[J].氣候變化研究進展,2007,3（4）:202-207.

[4] 劉學華,季致建,吳洪寶,等.中國近40年極端氣溫和降水的分布特征及年代際差異[J].熱帶氣象學報,2006,（6）:618-624.

[5] 段旭,段瑋,陶云,等.云南冰凍災害研究與電線覆冰區劃,氣象出版社[M].2010:48-55.

[6] 劉雅星,范廣洲,董一平,等.近46年中國冬季日均氣溫及極端溫度的變化[J].成都信息工程學院學報,2010,25（3）:286-292.

[7] 吳俊杰,袁卓建,錢鈺坤,等.熱帶季節內振蕩對2008年初南方持續性冰凍雨雪天氣的影響[J].熱帶氣象學報,2009,增刊:103-111.

[8] 楊貴名,孔期,毛冬艷,等.2008年初“低溫雨雪冰凍”災害天氣的持續性原因分析[J].氣象學報,2008,66（5）:837-850.

[9] 王東海,柳崇健,劉英,等.2008年1月中國南方低溫雨雪冰凍天氣特征及其天氣動力學成因的初步分析[J].氣象學報,2008,66（3）:405-422.

[10] 王凌,高歌,張強,等.2008年1月我國大范圍低溫雨雪冰凍災害分析Ⅰ.氣候特征與影響評估[J].氣象,2008,34（4）:21-26.

[11] 高輝,陳麗娟,賈小龍,等.2008年1月我國大范圍低溫雨雪冰凍災害分析Ⅱ.成因分析[J].氣象,2008,34（4）:68-73.

[12] 李登文,喬琪,魏濤.2008年初我國南方凍雨雪天氣環流及垂直結構分析[J].高原氣象,2009,28（5）:1140-1148.

[13] 段旭,陶云,段長春,等.云南省冰凍災害氣候區劃[J].高原氣象,2011,3（30）:683-691.

[14] 晏紅明,王靈,朱勇,等.2008年初云南低溫雨雪冰凍天氣的氣候成因分析[J].高原氣象,2009,4（28）:870-879.