2014年夏季長江流域持續性低溫的大尺度環流異常

杜雪婷　陸爾　趙瑋

摘要 采用中國地面站氣溫逐日觀測資料、NOAA全球逐日海表溫度資料，及NCEP/NCAR的全球日均再分析資料，研究了2014年持續性低溫的三維結構及大尺度環流異常。結果表明，2014年的低溫異常，除了在陸地上區域性地出現在長江流域，還以大尺度帶狀的形式、從陸地延伸到海洋上。這種帶狀異常不只出現在近地面，在大氣各層（925～500 hPa）都能看到。分析指出，大氣中的這個低溫帶主要由高緯大氣環流異常造成。在位勢高度場上，最重要的異常出現在高緯60°N，有呈帶狀的位勢高度正距平，它引導（距平意義上的）偏北氣流從正北和東北偏東方向侵入，在其南側形成一帶狀的偏低溫區。大氣各層均呈現出這種在高緯有位勢高度正距平、相應地在稍南的低緯（40°N）有位勢高度負距平、兩者之間為低溫區的分布特征。從低層往上，這種配置型式整體表現出由南往北的傾斜，其垂直剖面表現為距平意義上的、大尺度、類似于鋒面的傾斜結構。文中用簡單的概念模型對此進行理解，認為這種結構是由大氣動力異常和熱力異常相互影響、共同作用而形成的。

關鍵詞持續性低溫事件;大氣環流異常;三維結構;維持機制

氣候變化與人類的生存和發展息息相關，是當前國際社會普遍關注的問題。在全球變暖的背景下，氣候極端事件有增多的趨勢，這不但體現在降水量上，也體現在氣溫上。對大部分地區而言，高溫事件有頻繁發生的趨勢，但低溫事件也不時出現。在長江流域的夏季，2013年的持續性高溫事件和2014年的持續性低溫事件是近年來的兩個重要個例。

高溫熱浪天氣不但給人類的日常生活帶來極大影響，而且會加重旱情，對農業生產造成危害。針對高溫熱浪的監測、形成機理和預測，許多學者進行了大量研究。結果表明，大范圍的持續氣候異常同大氣環流的長時間異常密切相關（焦敏等，2019;張芳華等，2019）。西太平洋副熱帶高壓是一個重要的系統，它對中國夏季的高溫有較直接的作用（楊輝和李崇銀，2005）。當它強度偏強、西伸北跳時，會導致長江流域出現高溫天氣（陶詩言和徐淑英，1962;陶詩言和衛捷，2006;彭京備等，2007，2016;龔志強等，2014）。南亞高壓也是一個重要的系統，它與西太平洋副熱帶高壓密切相關，兩者的活動存在明顯的“相向而行，相背而去”的特點（唐恬等，2014;譚晶等，2005;嚴文蓮等，2012;王羱等，2015;彭京備等，2016）。大氣環流的異常通常進一步地歸因于海溫的異常（宋耀明等，2019;李經緯等，2021）。一般認為，熱帶西太平洋海溫的升高，通過影響副熱帶環流系統，會造成南方地區溫度偏高。此外，印度洋和太平洋海溫的異常，也有利于南方地區出現高溫（隋翠娟等，2014）。

在夏季，持續性的低溫會有雙重的影響。夏季涼爽的天氣對人們的日常生活大體是有利的;但夏季持續的低溫天氣會影響農作物的生長發育，使農業減產（金志鳳等，2001;張蕾等，2014）。與高溫事件相比，過往針對夏季低溫的研究相對較少。已有的一些研究表明，西太平洋副熱帶高壓的強度偏弱和南移東退、及相應的東南夏季風的減弱是造成南方地區低溫的直接原因（蔡佳熙等，2009;管兆勇等，2010）;而西太平洋暖池變冷、印度洋海溫偏暖及厄爾尼諾的作用，可能會導致副高的持續偏南（黃榮輝和孫鳳英，1994;崔童等，2015）。大氣環流異常也與陸面過程的作用有關，極端氣候事件與陸面過程的異常存在一定的聯系，土壤濕度、蒸發量的變化可通過陸-氣相互作用，導致地面溫度的變化（Gao et al.，2018）。此外，云量、溫室氣體、氣溶膠也都可通過影響輻射平衡，導致地面氣溫的異常（Cess et al.，2001）。降水也可通過影響土壤濕度、蒸發，改變潛熱和感熱的分配，而降低雨區的地表氣溫（陳隆勛等，2004;Xie et al.，2016）。

近30年來長江流域夏季氣溫呈現出增暖趨勢，低溫事件大多出現在20世紀80、90年代，而2014年的持續低溫是21世紀高溫事件頻發背景下最為嚴重的低溫事件，其嚴重程度與80年代末的低溫年相當，因此2014年的環流特征必有其特殊性。本文研究2014年夏季長江流域夏季持續性的低溫事件，旨在弄清這次事件是在怎樣的大氣環流異常的背景下形成的。通過分析大氣環流和大氣狀態異常的三維結構，關注如下的一些基本問題：這次的低溫異常是區域性的還是大范圍的？低溫異常只出現在近地層，還是在大氣的中高層也存在？大氣環流的異常對于低溫事件的形成和維持具有怎樣的作用？大氣的動力和熱力異常是如何相互影響的？

1 資料

本文分析所采用的數據包括：1）中國地面氣候資料日值數據集中的臺站氣溫和降水資料，數據集包含了基準地面氣象觀測站及自動氣象站在內的753個站點1986—2015年的逐日數據集資料;2）由美國NCEP/NCAR提供的1986—2015年間的全球日平均再分析資料，格點逐日資料包括17層等壓面的位勢高度、溫度、風等氣象要素，空間分辨率為2.5°×2.5°;3）由美國NCEP/NCAR提供的1986—2015年間的全球日平均地面溫度資料，空間分辨率為2.5°×2.5°;4）由美國NOAA提供的1986—2015年間高精度的全球逐日海表溫度資料，空間分辨率為0.25°×0.25°。其中，氣候平均態指1986—2015年這30 a的平均。

2 低溫事件概況

Lu et al.（2017）對極端降水事件進行時空監測檢測的方法可用于細致確定持續性事件的維持時段和影響范圍。對2014年的這次低溫事件，業務部門已確定出了事件維持的時段和影響的范圍，偏低溫過程主要出現在6月16日—8月31日、長達77 d的時段內。從圖1a可看出，這次事件大體包含4次過程。如圖1b所示，偏低溫過程可影響到除東北、新疆、廣東等以外的全國大部分地區。其中影響最強的（負距平大值區）是長江流域，從川渝地區至長江中下游地區呈一明顯的帶狀分布，其范圍為104°～121°E、27°～34°N。

2014年的持續低溫過程是近十幾年來少有的低溫事件。1986—2015年研究區域夏季逐年平均氣溫距平（圖2）反映了該區域氣溫變化的整體趨勢，可以看出，在80年代中期至90年代，該區域氣溫處于相對冷期，在此之后氣溫逐漸升高，處于相對暖期。自2000年以來，高溫現象頻繁發生，而2014年是近年來最為嚴重的低溫年，其程度與80年代末的低溫年相當。

對于持續性的氣溫異常事件，通常都會強調海洋的作用。為了同時反映出近地層陸地和海洋上溫度的異常，繪制低溫期（6月16日—8月31日）的溫度距平分布（圖3）。其中，陸地上使用觀測的近地面氣溫，而海洋上使用觀測的海表溫度。由圖3可見，2014年近地層大氣的氣溫偏低不只是出現在長江流域一帶的陸地上，還以帶狀的形式一直延伸至西北太平洋上。海洋溫度負距平的大值區與陸地上的溫度負距平大值區相連成一條明顯的低溫帶。

上述近地面陸地和海洋之間的低溫帶，似乎表明陸地和海洋之間可能存在著某種聯系。但這樣的大尺度的低溫帶，很難是由海、陸之間直接的熱力作用所造成的。為此，進一步分析近地層以上的大氣環流和大氣狀態的異常。

3 大氣低溫帶的維持與高緯大氣環流的異常

為了進一步考察大氣中各層的溫度異常，用再分析資料繪制低溫期間各層的氣溫及其距平分布（圖4）。用再分析資料繪制的地面平均溫度距平與用臺站觀測資料繪制的地面平均溫度距平相似，陸地、海洋上的溫度負距平大值區在近地層成帶狀，該低溫帶從長江流域的陸地上一直延伸到西北太平洋上。

在近地層以上的大氣各層（925～500 hPa），長江流域附近的陸地和西北太平洋的海洋之間都存在著這樣一條低溫帶，與近地層的低溫帶相似，陸地的溫度負距平大值區與西太平洋溫度負距平大值區相連成帶狀分布。進一步分析發現，上述低溫帶從低層到高層有明顯的整體向北傾斜的趨勢。

上述的低溫帶主要是由大氣環流的異常造成的。由圖5可見，在位勢高度的距平（925 hPa）上，最重要的異常出現在高緯地區。高緯地區有大范圍、成帶狀的位勢高度的正距平，這能在距平意義上引導偏北氣流在位勢高度正距平南側從東東北向西西南輸送。在這個帶狀區域內，位勢高度正距平的大值區還可進一步地分裂成東、西兩個中心。因此，偏北氣流南下的路徑可以有兩個：一個是從正北方向南下到長江流域，但更多的是從東北偏東方向、以準緯帶的方式向西西南方向侵襲，到達長江流域。這樣的兩個路徑在逐日的風場距平圖上，可以更清楚地反映出來（圖略）。持續的偏北氣流造成了該帶狀區域的偏低溫，這個低溫區出現在高緯位勢高度正距平的南側。從圖5看到，相應于高緯（45°～65°N）的位勢高度正距平，在稍南的位置（30°～40°N）是帶狀的位勢高度負距平區，偏低溫區正好位于位勢高度正距平區和位勢高度負距平區的中間。

比較500 hPa以下的各層，環流異常和氣溫異常都呈相似的分布，即在高緯區域有大范圍的、帶狀的位勢高度正距平，在稍南的位置有位勢高度負距平，偏低溫區位于它們之間。進一步的比較發現，這種“正距平-低溫帶-負距平”的型式，從低層到高層整體地向北傾斜。

4 垂直傾斜結構的熱力異常及維持機制

為了更清楚地考察上述這個大尺度的垂直傾斜結構，取90°～180°E作平均，繪制位勢高度距平、經向風距平、溫度距平的緯度-高度剖面（圖6）。在位勢高度距平的垂直剖面上，可看到在60°N附近有一個正距平中心，在40°N附近有一個負距平中心，正、負距平中心隨高度明顯往北傾斜。在經向風距平的垂直剖面上，經向風的負距平中心出現在位勢高度的正距平區和負距平區的中間。經向風負距平的大值中心在500 hPa以下的連線，與位勢高度距平剖面上高緯正距平和稍南緯度負距平之間的零線，兩者相當吻合。相應于這個由偏北氣流所造成的經向風的負距平區，在溫度距平的垂直剖面上，表現為溫度的負距平區，兩者在925～500 hPa非常吻合，兩者的負距平大值中心的連線也非常接近。綜合來看，在垂直剖面上，這三個距平量整體表現出了一種大尺度的、類似于鋒面的垂直傾斜結構。

在經向風距平的垂直剖面上，偏北風最大出現在低層。這可能是偏冷空氣活動和類似鋒面特征的一種體現。同時，作為平均的狀態，低層經向風較強，高層緯向風較強。在溫度距平的垂直剖面上，降溫的大值區出現在高層。這可能是由于在低層，大氣受環流的影響較小、受下墊面的動力學和熱力學的影響較大，不容易產生大的年際變化。對于高層的自由大氣，氣溫較地面低，容易產生較大的溫度年際變化。

圖5和圖6的分析表明，大范圍、帶狀的溫度負距平區及與之相關的北側的位勢高度正距平帶和南側的位勢高度負距平帶，從近地層往上整體性地呈現出由南往北的傾斜。分析表明，這個傾斜結構是由大氣的動力（偏北風）異常和熱力（高度和溫度）異常的相互影響而形成的，可以通過圖7所示的簡單概念模型進行理解。

高緯度的位勢高度正距平區是高度場上最重要的異常系統，它引導偏北氣流從正北方、特別是從東北偏東的方向侵入。受其強迫影響，在該位勢高度正距平區和較低緯的位勢高度負距平區之間形成了持續性的偏低溫帶。在圖7中，將這三個異常帶示意性地標在925 hPa層上。

該偏低溫帶的持續維持，使該區域的空氣柱厚度減小，等壓面降低，導致該區域的大氣在這個大氣層的上方（850 hPa）產生出一個位勢高度的負距平區。據此，從較低層到較高層，位勢高度的負距平區便出現了由南向北的傾斜。受該位勢高度負距平區的強迫影響，北側的位勢高度正距平區相應地被推到了更高的緯度。于是，由該位勢高度正距平區引導偏北氣流南下所造成的偏低溫帶也相應地到達了更北的緯度。由此，從低層往上，三個異常帶都整體性地發生了向北的傾斜。

上面是一個基于簡單概念模型的理解。實際上，低層和高層是相互影響的，它們的關系可能更多的是一種同期的關系。本文所揭示的在距平意義上，溫度異常的垂直傾斜結構可能是高層和低層共同作用造成的。

5 總結與討論

2014年夏季的低溫事件是近年來的一個重要個例，本文對這次持續低溫期間的大氣環流和大氣狀態的異常特征進行了探討，主要結論如下：

1）2014年的低溫異常不只是區域性地出現在長江流域的陸地上，它還以大尺度、呈一帶狀的形式，從我國長江流域的陸地上一直延伸到北太平洋的中部。這種帶狀異常不只出現在近地面，在大氣各層（925～500 hPa）都呈現出相似的特征。

2）大氣中的這個低溫帶主要是由高緯度大氣環流的異常造成的。在60°N附近有一大范圍的、呈帶狀的位勢高度正距平區。受其引導，偏北氣流可從正北方向（中西伯利亞附近）、特別是從東北偏東方向（鄂霍次克海附近）侵入，由此在緊鄰其南側的區域（45°～55°N）形成了一個同樣也為帶狀的偏低溫區。

3）這個偏低溫帶和它北側的位勢高度正距平帶、及南側的位勢高度負距平帶，從低層到高層，它們整體地表現出由南往北的傾斜，其垂直剖面呈現為距平意義上的、大尺度、類似于鋒面的傾斜結構（但不是通常所指的鋒面）。這樣的結構是由大氣的動力異常和熱力異常相互影響、共同作用而形成的。文中用簡單的概念模型對此進行了理解。實際上，低層和高層之間可能更多的是一種同期的、相互影響的關系。本文所揭示的距平意義上、溫度異常的垂直傾斜結構可能是高層和低層共同作用造成的。

本文旨在弄清這次低溫事件的大尺度大氣環流異常的特征。通過逐步的分析，已經對這次低溫事件大氣異常的維持形成了較清晰的、立體的物理圖像。即低溫帶不只是局限在長江流域，它是大范圍帶狀的;它不只是在近地層，大范圍的低溫帶在大氣各層都有;這些低溫帶都與其北面的位勢高度場的帶狀正距平異常有關;各層的低溫帶從低層到高層有向北傾斜的特征;這樣的特征通過簡單的模型是可以理解的。

根據以上三維結構的分析，認為這次低溫事件主要是由大氣環流和大氣狀態的異常造成的，降水和云等的作用疊加在其上，可能也有一定貢獻。在陸地雨區，因有較多的能量用于蒸發，以感熱形式加熱大氣的能量會偏少。2014年夏季西太平洋副熱帶高壓位置偏南，雨帶位置也偏南，研究區域內只有一小部分地區降水偏多。依大氣能量方程，局地溫度的變化，既與水平方向大氣環流的平流輸送有關，也會在垂直方向上受到云、溫室氣體、氣溶膠等輻射作用的影響。同時，這些大氣成分的空間分布也會受到大氣環流的影響。大氣環流可進一步地受大氣外強迫的影響，包括海溫、海冰、積雪、高原熱力、甚至火山活動等。每個因子影響大氣環流的機制不同，它們的相對重要性也會不同。這些重要的問題將在后續工作中具體研究。

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The large-scale anomalous circulation responsible for the persistent low temperature over the Yangtze River Basin in summer 2014

DU Xueting，LU Er，ZHAO Wei

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Despite the high temperatures associated with the warming climate，there are also occurrences of low temperatures.A persistent low temperature in summer 2014 is typical of recent years.The three-dimensional structure of the low temperature and anomaly in large-scale circulation is investigated using station observations of temperature over China，NOAA observations of sea surface temperature，and NCEP/NCAR reanalysis data.It has been shown that the low temperature anomalies in the near-surface layer are not only regionally located in the Yangtze River Basin，but can extend to the ocean in a large-scale belt pattern.The abnormality belt is not only visible near the surface，but also at all atmospheric levels （925—500 hPa）.Based on the analysis，the low temperature in the atmosphere is largely due to anomalous systems at high latitudes.In the geopotential height field，the belt-like positive anomalies at 60°N may induce the inflow of colder-than-normal air in its southern region from the north or northeast.At all levels，the geopotential height shows positive anomalies.Accordingly，there are negative geopotential anomalies at low latitudes （40°N）.A region of low temperatures lies between them，and all levels exhibit this distribution pattern.There is an overall tilt in these systems from the near surface to the upper levels，resulting in a large-scale front-like vertical cross-section，which a simple conceptual model can explain.The vertical structure may be maintained by the interaction between the dynamics and thermodynamics in the atmosphere.

persistent low-temperature event;anomalous atmospheric circulation;three-dimensional structure;maintenance mechanism

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180320001

（責任編輯：劉菲）