強厄爾尼諾事件下2016年1月中國南方超級寒潮的動力學機制:瞬變波對大氣長波異常的調制

施春華,蔡雯昳,金鑫

南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044

強厄爾尼諾事件下2016年1月中國南方超級寒潮的動力學機制:瞬變波對大氣長波異常的調制

施春華*,蔡雯昳,金鑫

南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044

2016-08-01收稿，2016-09-03接受

國家自然科學基金資助項目(41375047;91537213;41675039)

本文采用Plumb三維波活動通量和局地Eliassen-Palm通量診斷方法,利用歐洲中期天氣預報中心的逐日再分析資料ERA-Interim,分析了超強厄爾尼諾背景下2016年1月下旬中國南方超級寒潮的動力學機制:瞬變波對大氣長波異常的調制。前期2015年12月的北大西洋海表熱通量正異常,有助于后期大西洋阻塞形勢的維持。大氣長波能量沿大圓路徑從大西洋阻高經烏拉爾地區向東亞中低緯度傳播并在此輻合,導致了烏拉爾阻高和華北橫槽的經向結構,更多強冷空氣聚集在異常偏南的緯向槽線附近。寒潮爆發前夕,2支瞬變波列活躍在亞歐大陸。北支瞬變波列調制了北方的大氣長波,使橫槽轉豎;南支瞬變波列協同調控了南方的大氣長波,使南支印緬槽減弱;兩者共同作用,促使冷平流大舉南下,直達華南沿海,南方寒潮發生。

南方寒潮

大氣長波

瞬變波

阻塞高壓

橫槽

2015/2016年厄爾尼諾(El Ni?o)事件是半個世紀以來最強的El Ni?o事件。與1997/1998年El Ni?o事件相比其持續時間更長(21個月比14個月),Ni?o3.4指數峰值更強(3.0比2.8)。在此背景下,2016年1月下旬,中國南方經歷了一次罕見的超級寒潮過程,華東地區經歷了-10 ℃左右的極端低溫,華南地區的最低溫度也在0 ℃左右,南方地區的工農業生產和居民生活深受影響。雖然我國科學家在ENSO機理及預測(黃榮輝等,2003;李崇銀等,2008)領域取得許多重要的成果。但對ENSO異常期間天氣尺度的極端擾動事件的認識和準備尚不充分,例如2008年初我國南方在拉尼娜背景下發生的冰凍災害,2016年初我國南方卻是在強厄爾尼諾事件背景下發生超級寒潮。而通常認為厄爾尼諾年對應暖冬(曹艷艷等,2015;李麗平等,2015)。這超出了地方政府和民眾的預案,給南方人民的生活帶來了極大的困擾。

受厄爾尼諾影響,2015年12月,北大西洋和北極地區曾發生了異常增暖事件,這本身受環流異常控制,但該異常引起的熱通量異常,很可能給后期亞歐大陸的環流形勢帶來深刻影響(Han et al.,2011)。鄧淑梅等(2015)曾指出,行星波的形態和位置變化對我國冬季的低溫事件有影響。陳海山等(2012)曾指出,我國冬季極寒事件常與西歐過來的兩支瞬變波列的強度有關。本文試圖分別從大氣長波和瞬變波異常及其相互作用的角度,討論厄爾尼諾背景下2016年1月下旬中國南方極低溫事件的發生發展機制。

1 資料和方法

本研究采用歐洲中期天氣預報中心提供的再分析資料(ERA-Interim;Dee et al.,2011),分別使用了其國際標準時00時的逐日資料和月平均資料。還用到了美國家海洋大氣管理局(NOAA)的擴展重建海溫(ERSST;Smith ad Reynolds,2003)和NCEP/NCAR再分析月平均表面感熱和潛熱通量資料。

圖1 2001—2015年1月平均的500 hPa位勢高度(等值線;單位:gpm)和溫度(陰影;單位:℃)(a);2016年1月相對圖1a的異常(b);2001—2015年1月平均的850 hPa水平風速(箭矢;單位:m·s-1)和表面溫度(陰影;單位:℃)(c);2016年1月相對圖1c的異常(d)Fig.1 (a)The mean geopotential height(contours;units:gpm) and mean temperature(shading;units:℃) at 500 hPa in January from 2001 to 2015;(b)the anomalies of January 2016 with respect to (a);(c)the mean horizontal wind(vectors;units:m·s-1) at 850 hPa and mean surface temperature(shading;units:℃) in January from 2001 to 2015;(d)the anomalies of January 2016 with respect to (c)

Plumb(1985)提出了三維波活動通量(Wave Activity Flux,WAF),可以用來表征大氣超長波波包在三維空間中的傳播。用地轉風和熱成風關系改寫后,WAF的診斷方程(Wang and Yasunari,1994):

局地Eliassen-Palm通量(Trenberth,1986)能有效描述瞬變波對時間平均流的作用。局地Eliassen-Palm 通量的計算如下:

(2)

上標“-”和“′”分別表示時間平均和緯向偏差。通過分析局地Eliassen-Palm通量及其散度,可以了解瞬變波的能量傳播及其對風場的加減速作用.

2 環流異常

在超級厄爾尼諾背景下,2016年1月有顯著的環流異常(圖1b),500 hPa極渦減弱,極地偏暖4～5 ℃,中高緯波動加強,亞洲烏拉爾地區氣壓異常增強。850 hPa表現為繞極西風減弱,烏拉爾地區異常的反氣旋(圖1d),太平洋副高加強。與此相對應的表面溫度異常:極地大范圍增暖5 ℃左右,亞歐北部包括我國北方偏冷3 ℃左右,但我國南方卻略偏暖1 ℃左右。通常來講,厄爾尼諾年我國普遍暖冬,南方1月下旬寒潮爆發在偏暖的背景下,進一步加大降溫幅度,帶來了更大的災害。

圖2 2016年1月18—26日(a—i)500 hPa位勢高度(等值線;單位:gpm)和溫度異常(陰影;單位:℃)的逐日演變Fig.2 Evolution of geopotential height(contours;units:gpm) and temperature anomalies(shading;units:℃) at 500 hPa during (a—i)18—26 January 2016

3 寒潮天氣過程

從1月18日00時—22日00時(圖2a—2e),在北大西洋阻塞高壓的背景下,500 hPa烏拉爾高壓脊發展加強為阻塞高壓。20—22日,在烏拉爾阻高的東南側,橫槽伴生并加強,橫槽內的冷空氣聚集,在22日冷異常達到-15 ℃(圖2e)。23—24日,阻高減弱為高壓脊,位于我國北方的下游橫槽轉為豎槽(圖2g),此后,波動迅速減弱并東移入海。

20日00時—22日00時,高空橫槽仍未轉豎,低層中(圖3a—3c),冷平流這主要集中位于朝鮮半島附近,且冷平流帶的大致走向多為西北—東南走向(圖3a),因此,對于我國南方地區影響不大。與此同時,低層的強冷空氣團逐步從貝加爾湖以北向南移動。到23日00時,伴隨高空橫槽轉豎,低層冷平流走向已轉為南北走向(圖3d),并且長驅直入,從貝加爾湖一直延伸到華南沿海,影響到我國南方大部地區,造成劇烈降溫。24—25日,我國南方地區先后經歷了10 ℃左右的降溫(圖3e、3f)。26日后,過程結束,溫度回升。圖4的逐日最低溫演變顯示,本次寒潮長三角多地最低溫度創下1991年以來的極值,如上海、南京和杭州的最低溫為-8～-10 ℃;華南多地的最低溫更是創了當地建國以來的新紀錄,如福州的最低溫達到了-1.9 ℃。

圖3 20—25日(a—f)850 hPa水平風速(箭頭;單位:m·s-1)和表面溫度異常(陰影;單位:℃)Fig.3 Evolution of horizontal wind(vectors;units:m·s-1) at 850 hPa and surface temperature anomalies(shading;units:℃) during (a—f)20—25 January 2016

圖4 2016年1月上海、南京、杭州、福州的逐日最低氣溫演變Fig.4 Evolution of minimum temperature(shading;units:℃) at four stations during 15—31 January 2016

4 Rossby波異常

由圖2可見,本次寒潮過程,始終伴隨著大西洋阻塞高壓的背景。熱力強迫是阻塞高壓形成的一個重要因子(羅哲賢,1989)。大氣對熱帶外海溫有重要影響,但海溫能夠對大氣產生反饋,尤其是在冬季(Kushnir et al.,2002)。

圖5a顯示,在寒潮過程前期的2015年12月,盡管北大西洋海溫偏冷,但是其兩側,大西洋西岸和東岸及北冰洋入口處,均存在大范圍的正異常海溫區。劇烈的海溫梯度異常,通過感熱和潛熱作用,反而造成了北大西洋和北冰洋入口處的海表熱通量正異常,最大異常在100 W·m-2以上(圖5b),是北半球高緯度最大的異常中心。該熱通量異常反映了此時的海氣相互作用最活躍的地區主要位于北大西洋。該熱源異常,也反映了該時期當地劇烈的風暴活動。活動期間暖空氣的向極輸送加劇了經向型環流形勢,有利于大西洋阻塞的形成。而大西洋阻塞高壓區,常常成為冬季北半球Rossby波活動的源區(Kodera et al.,2013)。

4.1 大氣長波異常

圖5 2015年12月平均的海表溫度異常(a;單位:℃)和海表熱通量異常(b;感熱和潛熱通量異常之和;單位：W·m-2)Fig.5 The (a)SST anomalies(units:℃)and (b)surface atmosphere-ocean heat flux anomalies(sensible heat net flux added to the latent heat net flux;units:W·m-2) in December 2015

圖6 18—23日(a—f)50～70°N平均的1～4波的波作用通量WAF(箭矢;僅顯示大于25 m2·s-2),垂直分量(陰影;單位:m2·s-2),位勢高度異常(等值線;單位:gpm)(WAF水平項已乘以;垂直項已乘以;向上(下)白色空心箭頭表示高(低)壓異常的發展)Fig.6 Longitude-pressure cross sections of the 50—70°N mean zonal anomaly of geopotential height (contours;units:m),WAF (vectors;only>25 m2·s-2 shown) and vertical WAF(shading;units:m2·s-2) of waves 1—4 during (a—f)18—23 January 2016 (WAF components are scaled by horizontally and by vertically)

1月500 hPa位勢高度異常分布(圖1b)表明,1～4波的擾動是月平均尺度異常的主要特征。1～4波反映了大氣的長波活動。圖6和圖7分析了寒潮爆發前1～4波的逐日波作用通量的水平和垂直傳播。18—23日,大西洋阻塞高壓區有波作用通量向極、向上傳播(圖7a—7e),但是受波流相互作用的限制,該向東向上傳的波作用通量在對流層頂附近轉為向下傳播(圖6a—6f中60°E西側的藍色陰影區),該區成為此時期北半球中高緯大氣超長波能量下傳最強的區域。下傳的能量注入促使18—22日烏拉爾阻塞高壓的發展增強(圖6a—6c中的白色向上空心箭頭,以及圖7a—7d)。Han et al.(2011)曾通過數值模擬指出,前期北大西洋的熱通量正異常有利于后期烏拉爾阻塞高壓的維持。而這里,大西洋阻塞或高壓脊對前期熱通量異常的響應,成為了烏拉爾地區大氣長波擾動的能量源區。

烏拉爾阻高強盛后,通過其東側的波作用通量向東、向上傳播(圖6d—6f中120°E附近的紅色區域),促使高空槽向下發展加強(圖6d—6f中的白色向下空心箭頭)。在500 hPa水平圖上,來自烏拉爾阻高區的波作用通量,向東南方向快速輸送,21—22日在45°N附近呈緯向輻合,促使該輻合帶發展成橫槽的中心(槽線)(圖7c、7d),橫槽達到最強階段,對應圖2e橫槽內的冷空氣聚集,冷異常達到-15 ℃以上。23日水平波作用通量在槽區的輻合停滯,24日槽區的波作用通量迅速向華南地區輻散,槽區的擾動能量減弱,橫槽轉豎(圖7f)。此后槽區波作用通量進一步向南輻散,槽進一步減弱。

在寒潮爆發前期,持續的大氣長波異常,以22日為代表,波作用通量沿大圓路徑(圖7d中的黑曲線),由北大西洋,經烏拉爾地區,直達我國華北。烏拉爾—華北走向的波活動路徑使得槽脊系統保持較大的經向跨度,有助于冷空氣向更南的槽內積聚,且異常的橫槽結構內沿槽線緯向展開能容納更多的冷空氣。該結構的橫槽一旦轉豎,其底部直達華東地區(圖7f,通常冬季的大槽底部在華北或東北地區),槽內的冷空氣直接控制華東地區,通過低層的冷平流可進一步入侵華南。而冬季通常的大氣長波作用通量的傳播路徑的終點更加偏北、偏東(圖略),東北亞的槽脊系統也趨于緯向排列,通常寒潮爆發更多的影響我國北方地區。

圖8 19—24日平均的500 hPa位勢高度(等值線;單位:gpm)、局地Eliassen-Palm通量(箭頭;僅顯示大于80 m2·s-2)及其散度(陰影;單位:m·s-2)(粉色和黑色曲線表示波傳播路徑)Fig.8 The mean 500 hPa geopotential height (contours;units:gpm),local E-P flux (vectors;only>80 m2·-2 are shown) and its divergence (shading;units:m·s-2) during 19—24 January 2016 (pink and black curves indicate two great circle routes for transient waves)

4.2 瞬變波對大氣長波的調制

候,對應我國極冷事件的少發。

5 結論

在超強厄爾尼諾背景下,2016年1月下旬中國南方經歷了一次創紀錄的寒潮事件,是大氣長波和瞬變波相互作用的結果。前期2015年12月的北大西洋海表熱通量正異常,活躍的海氣相互作用有利于氣旋風暴活動期間暖空氣的向極輸送和經向型環流形勢的形成,有助于大西洋阻塞生成。

受波流相互作用的限制,大西洋阻塞高壓區向東向上傳的波作用通量,在對流層頂附近轉為向下傳播,加強了烏拉爾地區的大氣長波擾動。大氣長波能量進一步沿大圓路徑向中低緯度傳播并在此輻合,使得華北上空出現了異常偏南的穩定數日的橫槽。大氣長波異常導致了烏拉爾阻高和華北橫槽的經向結構,有助于冷空氣聚集在異常偏南的緯向槽線附近。為南方寒潮爆發提供了背景條件。

寒潮爆發前夕,亞歐大陸有2支瞬變波列活躍。北支瞬變波列調制了北方的大氣長波,使橫槽轉豎;南支瞬變波列協同調控了南方的大氣長波,使南支印緬槽減弱;兩者共同作用,促使冷平流大舉南下,直達華南沿海,南方寒潮發生。

致謝:ECMWF、NOAA和中國氣象數據網提供了在線數據下載服務。

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Modulation by transient waves of atmospheric longwave anomalies:Dynamic mechanism of the super cold wave in South China in the extremely strong El Nio of 2015/2016

SHI Chunhua,CAI Wenyi,JIN Xin

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

A super cold wave occurred in South China in January 2016 against the background of the extremely strong El Nio of 2016/2016.Cities in the Yangtze River Delta experienced their coldest temperatures since 1991;for example,the minimum temperature in Nanjing was -10 ℃.Also,new records for minimum temperature were set in South China;for example,the minimum temperature in Fuzhou was -1.9 ℃.To analyze the dynamic mechanism involved,Plumb’s wave activity flux(WAF) and local Eliassen-Palm flux were computed using ERA-Interim reanalysis data.Harmonic analysis along the parallel circles was performed firstly,to extract the 1—4 wave signal,revealing evident modulation by transient waves of the atmospheric longwave anomalies.The previous positive anomaly of the sea surface heat flux in the North Atlantic in December 2015 benefitted the maintenance of the later Atlantic blocking.The energy of the atmospheric long waves was propagated from the Atlantic blocking to the midlatitudes in East Asia along the great circle.The Urals blocking and transverse trough in East Asia developed well.The meridional distribution of the atmospheric disturbance centers led to more cold air in the transverse trough.Before the outbreak of the cold wave,two transient wave trains were located in Eurasia.The northern one lay along western Europe to East Asia and modulated the rotation of the transverse trough.At the same time,the southern one lay along western Europe to the Bay of Bengal and weakened the India-Burma trough.They came together to favor cold advection moving southwards to South China.The cold wave then occurred in South China.

cold wave in South China;atmospheric long wave;transient waves;blocking;transverse trough

(責任編輯：張福穎)

施春華,蔡雯昳,金鑫,2016.強厄爾尼諾事件下2016年1月中國南方超級寒潮的動力學機制:瞬變波對大氣長波異常的調制[J].大氣科學學報,39(6):827-834. Shi C H,Cai W Y,Jin X,2016.Modulation by transient waves of atmospheric longwave anomalies:Dynamic mechanism of the super cold wave in South China in the extremely strong El Nio of 2015/2016[J].Trans Atmos Sci,39(6):827-834.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160801022.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160801022

*聯系人，E-mail:shi@nuist.edu.cn