冬季黑潮延伸體區(qū)海表面溫度異常對(duì)山東半島極端低溫的可能影響?

冀 蕊，賈英來，吳一非，張 杰

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院海洋氣象學(xué)系，山東 青島 266100; 2.舟山市氣象局，浙江 舟山 316000；3.泉州市氣象局，福建 泉州 362000)

山東半島伸入渤海與黃海之間，由于其獨(dú)特的地理位置，該區(qū)域的天氣和氣候與海洋有密切的聯(lián)系。大風(fēng)是山東半島的災(zāi)害性天氣之一，近年來，隨著觀測系統(tǒng)的建立和數(shù)值模式的發(fā)展，對(duì)山東半島大風(fēng)天氣的診斷和預(yù)報(bào)的研究也越來越多，加深了對(duì)大風(fēng)天氣的認(rèn)識(shí)并提高了大風(fēng)天氣的預(yù)報(bào)水平[1]。楊曉霞等[1]通過對(duì)山東沿海偏北大風(fēng)的天氣學(xué)模型的統(tǒng)計(jì)分析表明，溫帶氣旋型為最常見的偏北大風(fēng)天氣系統(tǒng)。尹盡勇等[2]、朱男男和劉彬賢[3]對(duì)黃渤海區(qū)域大風(fēng)天氣過程的診斷分析表明，溫帶氣旋的爆發(fā)性發(fā)展導(dǎo)致氣旋后部冷鋒的鋒生加強(qiáng)，變壓的梯度增大，從而使大風(fēng)天氣發(fā)生。前人的研究指出，強(qiáng)冷平流有利于氣旋的發(fā)生發(fā)展[2-3]，而氣旋發(fā)展所帶來的偏北大風(fēng)又有利于引導(dǎo)冷空氣向南侵襲。因此，在山東半島及其鄰域，強(qiáng)冷空氣、偏北大風(fēng)和溫帶氣旋是相互聯(lián)系、相互作用的。

黑潮是北太平洋最主要的西邊界流，黑潮在大約35°N, 140°E處與日本海岸分離后進(jìn)入西北太平洋洋流，這個(gè)區(qū)域被稱為黑潮延伸體。由于黑潮高溫高鹽的特質(zhì)，與其周圍的區(qū)域形成了強(qiáng)的經(jīng)向的海表面溫度(Sea surface temperature, SST)梯度，也就是海洋鋒區(qū)，在海洋鋒區(qū)附近有強(qiáng)的海氣相互作用[4]。一方面，前人研究指出，在鋒區(qū)上空的大氣具有強(qiáng)的斜壓性，增強(qiáng)了大氣的斜壓擾動(dòng)，使得大氣的“風(fēng)暴路徑”被“錨定”在海洋鋒面上空[5]；另一方面, 在北半球冬季，干冷的西北風(fēng)吹過黑潮延伸體區(qū)的暖濕洋面，形成了較大的海氣溫差，使得海洋向大氣有大量感熱、潛熱釋放, 給氣旋在此處的發(fā)展提供充足的熱量[5-6]。因此在動(dòng)力和熱力兩個(gè)角度上黑潮延伸體區(qū)域都是中緯度海洋-大氣相互作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域之一,氣旋在經(jīng)過該區(qū)域時(shí)也常發(fā)展加強(qiáng)。

前人提出“壓力調(diào)整機(jī)制”和“垂直混合機(jī)制”兩種主要的海洋鋒影響大氣的機(jī)制，“壓力調(diào)整機(jī)制”認(rèn)為，海表面的氣壓直接與SST有關(guān)，因此在暖水上空有強(qiáng)的風(fēng)輻合，在冷水上空有強(qiáng)的風(fēng)輻散，并且在暖水上空的輻合上升運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來降水，而降水的潛熱釋放會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)[7-8]。但“壓力調(diào)整機(jī)制”的前提條件是在氣候態(tài)、準(zhǔn)定常，而在較短的時(shí)間尺度，這種前提條件并不滿足。Hayes等[9]發(fā)現(xiàn)冬季平均的海表面風(fēng)的分布與“壓力調(diào)整機(jī)制”所解釋的不同，在海洋鋒面上空有強(qiáng)的輻散。Chelton等[10]通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測日平均的風(fēng)，進(jìn)一步證實(shí)了這種現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)在海洋鋒區(qū)冷水上空風(fēng)速減小，暖水上空風(fēng)速增大，因此在海洋鋒面上空存在強(qiáng)的輻散。并認(rèn)為在暖水上空SST加熱大氣，增加垂向的湍流混合，使得高空動(dòng)量下傳，風(fēng)速增大。而冷水上空則相反，垂向的湍流混合被抑制，高低空動(dòng)量很難混合，因此海表面風(fēng)速減小，這種機(jī)制被稱為“垂直混合機(jī)制”。

無論是哪種機(jī)制，海洋鋒的存在都會(huì)使鋒區(qū)附近的大氣有著強(qiáng)的輻合輻散運(yùn)動(dòng)，而強(qiáng)的輻合輻散有利于氣旋的生成和發(fā)展。Kobashi等[11]通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀察海表面的風(fēng)發(fā)現(xiàn)，在4—5月的副熱帶鋒區(qū)域有氣旋式的風(fēng)應(yīng)力，認(rèn)為4—5月強(qiáng)的海洋鋒面激發(fā)出了一種次天氣尺度低壓，并且由于強(qiáng)而深厚的垂直運(yùn)動(dòng)帶來的大量的潛熱的釋放使得該異常低壓發(fā)展加強(qiáng)形成天氣尺度的氣旋并向東移動(dòng)。而對(duì)于在黑潮延伸體區(qū)域SST特征對(duì)其上空氣旋發(fā)生發(fā)展的影響，前人也做了諸多研究，例如，Hirata等[12]通過模式實(shí)驗(yàn)，證明了該區(qū)域SST的增大有利于增強(qiáng)感熱潛熱通量的釋放，從而促進(jìn)氣旋發(fā)展；O’Reilly等[13]認(rèn)為，當(dāng)黑潮延伸體呈更小的蜿蜒路徑，也就是更強(qiáng)的海洋鋒面時(shí)，“風(fēng)暴路徑”則更集中于西太平洋。

黑潮延伸體區(qū)域SST對(duì)大氣的影響勢(shì)必會(huì)影響到其鄰域的天氣。Xu等[14]通過模式實(shí)驗(yàn)證明了冬季當(dāng)東海黑潮鋒增強(qiáng)，會(huì)加強(qiáng)黑潮區(qū)域上升、中國東南沿海下沉的次級(jí)環(huán)流，進(jìn)而中國東南沿海地區(qū)冬季降水及極端降水減少，說明了黑潮延伸體區(qū)域的SST特征對(duì)于上游天氣的影響是存在的。通過前文的討論[1-3]，山東半島區(qū)域伴隨偏北大風(fēng)的強(qiáng)冷空氣的發(fā)生與其下游海區(qū)溫帶氣旋甚至爆發(fā)性氣旋的發(fā)生發(fā)展有密切的聯(lián)系。而在地理位置上，山東半島的下游剛好對(duì)應(yīng)著海氣相互作用劇烈的黑潮延伸體區(qū)域，因此提出本文的研究問題：在冬季，山東半島偏北大風(fēng)極端低溫天氣會(huì)不會(huì)與黑潮延伸體區(qū)域的暖SST有一定的聯(lián)系？如果這種聯(lián)系存在，具體的影響機(jī)制是怎樣的？

1 資料和方法

本文所用數(shù)據(jù)均為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European center for medium-range weather forecasts，ECMWF)的再分析資料 ERA5 的數(shù)據(jù)(水平分辨率為0.25(°)×0.25(°)，其中2 m氣溫?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間間隔為1 h，其他變量的時(shí)間間隔為6 h)。本文所研究的時(shí)間為1979-1980—2014-2015年的冬季，其中冬季定義為前一年的11、12月與次年的1、2、3月。因2015年后極端低溫日發(fā)生較少，故選2015年前進(jìn)行研究。

采用ERA5的2 m氣溫，850 hPa的風(fēng)(U-component of wind，U850; V-component of wind, V850)數(shù)據(jù)篩選山東半島的偏北大風(fēng)極端低溫日，利用U850、V850、海平面氣壓來刻畫極端低溫發(fā)生時(shí)的環(huán)流形勢(shì)；利用SST、海表面潛熱通量、海表面感熱通量數(shù)據(jù)來分析極端低溫發(fā)生時(shí)SST特征和海洋與大氣之間的熱交換，湍流熱通量(Turbulent heat flux，THF)為感熱通量與潛熱通量的和；利用各等壓面的風(fēng)、溫度、比濕來計(jì)算大氣的視熱源(Apparent heat source,Q1)和視水汽匯(Apparent moisture sink,Q2),并且利用垂直速度分析垂直運(yùn)動(dòng)場，從而觀察極端低溫發(fā)生時(shí)海洋鋒面上空大氣的垂直結(jié)構(gòu)。

對(duì)于視熱源Q1和視水汽匯Q2的計(jì)算，我們參考Yanai等[15-16]提出的計(jì)算方法：

(1)

(2)

式中：θ是潛熱；q是比濕；v是水平速度；ω是等壓面上的垂直速度；R是氣體常數(shù)，Cp是干空氣比熱，L 是凝結(jié)潛熱常數(shù)。

對(duì)于偏北大風(fēng)極端低溫事件的篩選，翟盤茂和潘曉華[17]指出，當(dāng)天氣狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均狀態(tài)時(shí)，稱之為不易發(fā)生的事件，而這種不容易發(fā)生的事件在統(tǒng)計(jì)意義上就可以被稱為極端事件。因此國內(nèi)外對(duì)于極端天氣的統(tǒng)計(jì)方法最為常見的是，采用某一個(gè)百分位值作為極端天氣的閾值，超過這個(gè)閾值的天氣即可被定義為極端事件。因此本文也參照這種方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了減去15日滑動(dòng)平均值的預(yù)處理，再計(jì)算極端低溫的閾值。具體方法為利用1979-1980—2014-2015年冬季山東半島(山東省120°E以東的大陸區(qū)域)的日最低2 m氣溫減去其15日滑動(dòng)平均值，得到日最低氣溫的異常場，計(jì)算得到異常場的10百分位數(shù)為極端低溫的閾值，根據(jù)該閾值選取低于該閾值的日，將其定義為極端低溫日。利用V850小于0并且V850的絕對(duì)值大于U850的絕對(duì)值的條件，篩選出山東半島地區(qū)偏北風(fēng)日，根據(jù)V850小于其負(fù)二倍標(biāo)準(zhǔn)差，得到偏北大風(fēng)日，取極端低溫日與偏北大風(fēng)日的交集，即為偏北大風(fēng)極端低溫日。對(duì)于連續(xù)的偏北大風(fēng)極端低溫日，以降溫幅度最大的一天為偏北大風(fēng)極端低溫發(fā)生日(lag=0 d)，而對(duì)于非連續(xù)的極端低溫日，則該日為極端低溫發(fā)生日，進(jìn)而得到偏北大風(fēng)極端低溫事件。

為了研究偏北大風(fēng)極端低溫日的環(huán)流特征、SST特征以及黑潮延伸體海洋鋒區(qū)大氣的垂直結(jié)構(gòu)，本文利用了合成分析方法對(duì)偏北大風(fēng)極端低溫事件的前3天至后3天(lag =-3～3 d)的各個(gè)變量場分別進(jìn)行合成，其中氣壓場、風(fēng)場、溫度場為日數(shù)據(jù)減去15日滑動(dòng)平均值的異常場的合成，SST、THF、垂直速度、Q1、Q2為日數(shù)據(jù)減去氣候態(tài)，再減去110°E—180°的緯向平均的異常場的合成，并利用t檢驗(yàn)的方法進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。

2 山東半島冬季極端低溫特征及其與偏北大風(fēng)的聯(lián)系

通過篩選和統(tǒng)計(jì)，得到山東半島1979-1980—2014-2015年共36年冬季的極端低溫日的降溫范圍為-7.94～-2.80 ℃，極端低溫日共472 d，在極端低溫日中篩選得到偏北大風(fēng)的V850異常的范圍為-15.92～-5.12 m/s，得到偏北大風(fēng)日共195 d，因此在極端低溫日中，偏北大風(fēng)日占41%，可見伴隨著偏北大風(fēng)的極端低溫天氣是十分常見的。對(duì)于這195個(gè)偏北大風(fēng)極端低溫日，通過對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，我們共得到155個(gè)偏北大風(fēng)極端低溫事件，后文的合成均基于這155個(gè)個(gè)例。

圖1為極端低溫發(fā)生前3天至后3天溫度異常與風(fēng)異常的關(guān)系。根據(jù)大氣熱力學(xué)方程，局地溫度的變化是由溫度平流和非絕熱作用造成的，因此，冷暖平流是引起溫度變化的主要原因之一，而影響溫度平流的因素有水平溫度梯度的大小、風(fēng)速以及風(fēng)向與溫度等值線的夾角[18]，因此風(fēng)向風(fēng)速對(duì)極端低溫事件有重要的影響。在極端低溫發(fā)生日前3天，有異常的東南風(fēng)，海上潮濕溫暖的空氣吹向山東半島，山東半島升溫，升溫范圍為1～2 ℃(見圖1(a))。圖1(b)為前2天風(fēng)場與溫度場的配置情況，風(fēng)速減小至接近于0，因此溫度變化不再明顯。在前1天和極端低溫發(fā)生日，風(fēng)向由南風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)，山東半島也隨之由升溫轉(zhuǎn)為降溫。在前1天，山東半島的偏北風(fēng)風(fēng)速較小，因此較大幅降溫主要在半島西部的內(nèi)陸區(qū)域，而半島降溫較小(見圖1(c))。圖1(d)所對(duì)應(yīng)的極端低溫發(fā)生日，整個(gè)山東半島區(qū)域?yàn)槠贝箫L(fēng)，風(fēng)速異常達(dá)到8 m/s左右，偏北大風(fēng)所對(duì)應(yīng)的陸地區(qū)域均發(fā)生了大幅降溫，降溫可達(dá)到5～6 ℃,而后隨著偏北大風(fēng)帶的東移消失，降溫減小(見圖1(e)，(f),(g))。因此對(duì)于山東半島的北風(fēng)降溫事件，極端低溫在時(shí)間和空間上與偏北大風(fēng)是相互匹配的，這說明偏北大風(fēng)是造成山東半島極端低溫的主要原因。通過觀察更大范圍的風(fēng)場與溫度場的配置，發(fā)現(xiàn)大幅降溫除山東半島，還有其東北部的遼東半島附近區(qū)域(圖略)，而這兩個(gè)區(qū)域處于同一氣旋的偏北大風(fēng)帶中，進(jìn)一步證明了偏北大風(fēng)對(duì)極端低溫的重要影響。

(圖中灰色粗實(shí)線為海岸線，填色部分均通過了顯著性水平為5%的t檢驗(yàn)。The thick gray solid line is the coastline, The shaded in the maps passed the t test with a significance level of 5%.)

3 偏北大風(fēng)的極端低溫對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流和SST異常場

近地面風(fēng)力與地面的氣壓系統(tǒng)有緊密的聯(lián)系[1-3]，通過對(duì)伴隨偏北大風(fēng)的極端低溫發(fā)生日前3日至后3日的氣壓異常和風(fēng)異常進(jìn)行合成(見圖2)。在極端低溫發(fā)生前1天和極端低溫發(fā)生日，在山東半島區(qū)域氣壓梯度增大，預(yù)示著大氣鋒面的增強(qiáng)和向東南發(fā)展(見圖2(c)，(d))。對(duì)于冬季的極端低溫天氣的分析大都與寒潮過程有密切的聯(lián)系，寒潮地面高壓和寒潮冷鋒是兩個(gè)重要的寒潮天氣系統(tǒng)，可以給地面帶來大風(fēng)和降溫[19]，這與圖2中的環(huán)流形勢(shì)十分相似。前人基于寒潮個(gè)例對(duì)山東及附近地區(qū)寒潮天氣過程進(jìn)行分析[20-21]，將其對(duì)應(yīng)的地面氣壓場與山東半島偏北大風(fēng)極端低溫天氣對(duì)應(yīng)的地面氣壓合成場進(jìn)行比較(圖略)，發(fā)現(xiàn)二者均有一個(gè)強(qiáng)盛的地面冷高壓向東南移動(dòng)，但不同的是，前者的冷高壓中心值是向著寒潮發(fā)生區(qū)不斷增強(qiáng)的，說明冷高壓所攜帶的冷空氣不斷累積，有利于冷空氣的爆發(fā)，而本文合成圖中冷高壓的中心強(qiáng)度在極端低溫發(fā)生日已呈減弱的趨勢(shì)，但其東側(cè)的低壓卻迅速發(fā)展，兩者間的強(qiáng)氣壓梯度使得山東半島區(qū)域處于大風(fēng)降溫中心區(qū)。在極端低溫發(fā)生時(shí)(見圖2(d))，山東半島東側(cè)(覆蓋朝鮮半島、日本、及黑潮延伸體上游地區(qū))異常氣旋發(fā)展迅速，這種環(huán)流形勢(shì)與楊曉霞等[1]所歸納的氣旋型偏北大風(fēng)的天氣學(xué)模型相似。觀察圖2中該異常低壓的發(fā)展過程可以看到，在前3天至前1天，黑潮延伸體區(qū)域的氣壓不斷的降低(見圖2(a)，(b)，(c)),在偏北大風(fēng)極端低溫發(fā)生日，異常低壓迅速的發(fā)展加強(qiáng)(見圖2(d))，而在極端低溫發(fā)生日的后3天，氣旋進(jìn)一步的發(fā)展，并東移，直至消亡(見圖2(d)，(e)，(f))。風(fēng)場的配置與氣壓場十分一致，在偏北大風(fēng)極端低溫發(fā)生日(見圖2(d))，強(qiáng)的低壓對(duì)應(yīng)的強(qiáng)的氣旋式環(huán)流給山東半島帶來了偏北大風(fēng)，有利于引導(dǎo)冷空氣南下，促使極端低溫事件發(fā)生。可見，山東半島偏北大風(fēng)極端低溫的發(fā)生與黑潮延伸體區(qū)域的異常低壓密切相關(guān)，我們注意到黑潮延伸體區(qū)域上游地區(qū)分布著正的海表面溫度異常(Sea surface temperature anomaly, SSTA)。

(圖中綠色實(shí)線為黑潮延伸體海洋鋒面的經(jīng)向剖面(144°E，30°N—41°N)，黑色散點(diǎn)為SSTA通過了顯著性水平為5%的t檢驗(yàn)。The green solid line is the meridian section of the sea front of the Kuroshio extension(144°E,30°N—41°N).Black scattered points are SSTA that passed the t test with a significance level of 5%.)

為了進(jìn)一步分析SSTA、偏北大風(fēng)以及極端低溫隨時(shí)間的變化特點(diǎn)，本文分別計(jì)算了155個(gè)個(gè)例在極端低溫發(fā)生日(lag = 0 day)山東半島溫度和風(fēng)場異常，以及黑潮延伸體上游經(jīng)向剖面(見圖2中綠色實(shí)線)上的SSTA(見圖3)，可以看到三個(gè)變量隨時(shí)間的變化呈很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)SST在鋒面北側(cè)有強(qiáng)的暖異常時(shí)，山東半島有強(qiáng)的偏北風(fēng)異常，與之對(duì)應(yīng)的是山東半島的大幅度降溫，因此山東半島伴隨偏北大風(fēng)的極端低溫事件與黑潮延伸體上游海洋鋒面上的SSTA是密切相關(guān)的。

圖3 155個(gè)偏北大風(fēng)極端低溫個(gè)例在極端低溫發(fā)生日(lag=0 day)對(duì)應(yīng)的(a)山東半島矢量風(fēng)異常、(b)山東半島2 m溫度異常及(c)黑潮延伸體海洋鋒面的經(jīng)向剖面(144°E，30°N—41°N)(圖2中綠色實(shí)線)上的海表面溫度異常(SSTA)

通過觀察圖2，發(fā)現(xiàn)異常的氣旋是連接SSTA與異常北風(fēng)之間的橋梁，那么SSTA是怎樣影響其上空的氣旋的呢？

4 黑潮延伸體區(qū)域SST異常對(duì)異常低壓影響

為觀察黑潮延伸體處的SST暖異常與其上空氣旋發(fā)展之間的聯(lián)系，進(jìn)一步觀察海溫的異常場(見圖2)可以發(fā)現(xiàn)，在海洋鋒面(綠色實(shí)線附近)處有一個(gè)顯著的SST異常大值區(qū)域，并且這個(gè)異常大值區(qū)在氣旋的發(fā)生前后持續(xù)存在(見圖2(a)～(f))，受大氣的影響較小，說明這樣的SST背景特征可以促進(jìn)其上空異常低壓的發(fā)展。觀察該區(qū)域的細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在海洋鋒面的暖水區(qū)升溫，而冷水區(qū)則是異常降溫，這樣的SST特征可以使鋒面增強(qiáng)。緯向上，在暖舌區(qū)域異常升溫，而在暖舌東側(cè)則是異常降溫，也說明了在極端低溫發(fā)生前后SST背景場中黑潮的暖水更暖，其周圍的冷水更冷，這種SSTA所造成的SST分布與Kelly等[4]圖4中海洋鋒強(qiáng)年的形勢(shì)相似。

為了進(jìn)一步探究黑潮延伸體區(qū)域的SST特征對(duì)氣旋生成的影響，本文分析了海氣交界面的THF,Q1和Q2和垂直速度的異常的合成場，以前3天為例，可以發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體區(qū)域的SSTA(見圖4(a))為正對(duì)應(yīng)的正的湍流熱通量異常(Turbulent heat flux anomaly, THFA)的大值區(qū)(見圖4(b))，THFA的最大值可以達(dá)到50～60 W/m2，同時(shí)與900 hPa的Q1異常的大值區(qū)域(見圖4(d))在空間上呈很好的一致性，這說明在SSTA正大值區(qū)域海洋向大氣釋放大量的熱量，從而加熱低層大氣，引起在日本東岸的黑潮與親潮交界處的異常的上升下沉運(yùn)動(dòng)(900 hPa的垂直運(yùn)動(dòng)場異常場，見圖4(c))。

((a)～(d)中黑色細(xì)實(shí)線為合成的海溫原始場，綠色實(shí)線為黑潮延伸體海洋鋒面的經(jīng)向剖面(114°E, 30°N—41°N)，黑色散點(diǎn)代表合成場通過了顯著性水平為5%的t檢驗(yàn)。The black thin solid contours in(a)～(d)are composite maps of the original SST；The green solid lines are the meridian sections of the sea front of Kuroshio extension(144°E,30°N—41°N); The black scatters representing the composites passed the t test with a significance level of 5%.)

為進(jìn)一步觀察SSTA對(duì)其上空大氣的影響，本文分析了合成的跨越海洋鋒面的各個(gè)氣象要素的垂直結(jié)構(gòu)。圖5～8分別為偏北大風(fēng)極端低溫發(fā)生前3天至發(fā)生日海洋鋒面的經(jīng)向剖面(綠色實(shí)線)上的各個(gè)變量異常的合成場的分布情況。在圖5(a)，(c)中,鋒面區(qū)域低層為大的Q1的正異常中心，同時(shí)也是Q2的大的負(fù)異常中心，說明此時(shí)低層大氣既有異常的熱源加熱也有異常的水汽供給。而根據(jù)Yanai等[15-16]，當(dāng)Q1與Q2有很大的差值時(shí)，說明熱量不全是由于水汽的對(duì)流凝結(jié)，而是有來自于表面的加熱。而兩個(gè)中心又與圖5(d)中熱通量的峰值呈很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，異常低壓發(fā)生前，在海洋鋒區(qū)附近受北風(fēng)影響，形成了大的海氣溫差，一方面是強(qiáng)的感熱的釋放，另一方面有大量的水汽從海洋中蒸發(fā)，將海洋的熱量帶給大氣，這些熱量的累積有利于氣旋的發(fā)生和加強(qiáng)；另一方面圖5(b)為海洋鋒區(qū)附近的垂直速度異常，可以發(fā)現(xiàn)受海洋鋒面的斜壓強(qiáng)迫，大氣斜壓性增強(qiáng)，這與前人得到的結(jié)果一致[5]。因此在大氣中有明顯的暖區(qū)上升、冷區(qū)下沉的異常次級(jí)環(huán)流，高度可以達(dá)到650 hPa，并且可使氣流上升區(qū)更為寬廣，有向北發(fā)展的趨勢(shì)。大的上升速度區(qū)與原始SST的大值區(qū)是一致的，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了“壓力調(diào)整機(jī)制”在暖水區(qū)有大的氣流輻合，因而造成了強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)[5-6]。對(duì)于沿剖面上的SSTA(見圖5(d))，作者發(fā)現(xiàn)，在鋒面上38°N位置上有一個(gè)峰值，由于這種分布形勢(shì)，可以使38°N以南的SST梯度減小，而38°N以北的SST梯度增大，也就是使海洋鋒面向北推進(jìn)，從而海氣溫差增大，海洋向大氣釋放的熱通量增強(qiáng)，更有助于低層大氣熱量的堆積。

((d)中黑色線分別為前1～3天圖1中綠色實(shí)線(144°E，30°N—41°N)上湍流熱通量異常的水平分布(THFA-3—THFA-1), 黑色散點(diǎn)代表合成場通過了顯著性水平為5%的t檢驗(yàn)。The black lines in(d)are the horizontal distributions of turbulent heat fluxes anomalies on meridian sections of the sea front of Kuroshio extension from 3 day before the occurrence of extreme low temperature to 1 day before the occurrence of extreme low temperature(THFA-3～THFA-1); The black scatters representing the composites passed the t test with a significance level of 5%.)

圖6為前2天的各個(gè)變量場分布情況。圖6(b)的垂直速度異常場對(duì)比于前1天，上升運(yùn)動(dòng)繼續(xù)增強(qiáng)并沿著大氣鋒面向北爬升，最大高度可以達(dá)到350 hPa。上升速度在750～550 hPa的增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)圖6(c)中Q2的大值中心和圖6(a)中Q1的大值中心，這3幅圖中的分布是十分相似的。根據(jù)Yanai等[15-16]的描述，Q1與Q2的垂直分布一致，這說明大氣中的熱量主要來源于水汽的凝結(jié)釋放，并且可以發(fā)現(xiàn)Q2的中心略低于Q1和上升速度，這與Kobashi等[11]在副熱帶鋒區(qū)得到的Q1,Q2場一致。垂直運(yùn)動(dòng)使水汽抬升至更高的高度凝結(jié)，從而釋放熱量。因此SSTA使上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)并向北發(fā)展可以使水汽隨氣流上升達(dá)到凝結(jié)高度，釋放的潛熱進(jìn)一步加熱上層大氣，促使低壓加強(qiáng)。

((d)中黑色線分別為前1～3天圖1中綠色實(shí)線(144°E，30°N—41°N)上湍流熱通量異常的水平分布(THFA-3～THFA-1), 黑色散點(diǎn)代表合成場通過了顯著性水平為5%的t檢驗(yàn)。The black lines in(d)are the horizontal distributions of turbulent heat fluxes anomalies on meridian sections of the sea front of Kuroshio extension from 3 day before the occurrence of extreme low temperature to 1 day before the occurrence of extreme low temperature(THFA-3～THFA-1).The black scatters representing the composites passed the t test with a significance level of 5%.)

前1天(見圖7)可以看到異常上升速度大幅增強(qiáng)，最大值可以達(dá)到0.45 Pa/s以上，而且上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域向北增寬，鋒區(qū)上空上升運(yùn)動(dòng)逐漸趨于主導(dǎo)地位，低層大氣的異常的Q1大值中心仍然存在(見圖7(a)，(c))。觀察平面圖上的氣壓場的分布(見圖2(c))，由于加熱，大氣輻散增強(qiáng)，在海洋鋒區(qū)上空已經(jīng)有明顯的氣壓的降低，這證明了SSTA大氣的影響。圖7(d)中黑色線為前3～1天的熱通量值，發(fā)現(xiàn)熱通量在極端低溫發(fā)生前1天是大幅度減小的，這與大氣風(fēng)場有很大的聯(lián)系。觀察圖2(a)，(b)，(c)可以看到，風(fēng)向由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，因而海氣溫差減小，熱通量的釋放隨之減小。

((d)中黑色線分別為前1～3天圖1中綠色實(shí)線(144°E，30°N—41°N)上湍流熱通量異常的水平分布(THFA-3～THFA-1), 黑色散點(diǎn)代表合成場通過了顯著性水平為5%的t檢驗(yàn)。The black lines in(d)are the horizontal distributions of turbulent heat fluxes anomalies on meridian sections of the sea front of Kuroshio extension from 3 day before the occurrence of extreme low temperature to 1 day before the occurrence of extreme low temperature(THFA-3～THFA-1).The black scatters representing the composites passed the t test with a significance level of 5%.)

圖8為氣旋發(fā)生日，同時(shí)也是極端低溫發(fā)生日。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，Q1、Q2和垂直速度場的異常均增大至原來的2倍左右。受氣旋影響，Q1和Q2的異常的大值區(qū)抬升到了離地面較高的位置，這說明此時(shí)海洋的作用已經(jīng)減弱(見圖8)，而垂直速度場則為整個(gè)區(qū)域整層的氣流異常上升。綜上所述，黑潮延伸體區(qū)域的暖SSTA在極端低溫發(fā)生前通過潛熱釋放以及“壓力調(diào)整機(jī)制”激發(fā)次級(jí)環(huán)流促進(jìn)山東半島東側(cè)的氣旋的發(fā)生和發(fā)展，激發(fā)山東半島區(qū)域的北風(fēng)，從而造成大風(fēng)降溫。

((d)中黑色線分別為前1～3天圖1中綠色實(shí)線(144°E，30°N—41°N)上湍流熱通量異常的水平分布(THFA-3～THFA-1), 黑色散點(diǎn)代表合成場通過了顯著性水平為5%的t檢驗(yàn)。The black lines in(d)are the horizontal distributions of turbulent heat fluxes anomalies on meridian sections of the sea front of Kuroshio extension from 3 day before the occurrence of extreme low temperature to 1 day before the occurrence of extreme low temperature(THFA-3～THFA-1).The black scatters representing the composites passed the t test with a significance level of 5%.)

5 結(jié)論與討論

本文利用ERA5再分析資料對(duì)1979-1980—2014-2015年冬季的山東半島的偏北大風(fēng)極端低溫天氣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其發(fā)生前后的氣象要素場進(jìn)行合成。結(jié)果表明，在這36年間山東半島冬季極端低溫日共472 d，極端低溫天氣中41%都伴隨偏北大風(fēng)，大風(fēng)與低溫時(shí)空分布一致。

山東半島極端低溫發(fā)生時(shí)，其下游(朝鮮半島至日本一帶)常有異常氣旋發(fā)生，而其西側(cè)有異常的反氣旋發(fā)生，因此山東半島處于該氣旋對(duì)中間，大的氣壓梯度力帶來了強(qiáng)的北風(fēng)異常，引起降溫。

山東半島東側(cè)的異常氣旋對(duì)應(yīng)著黑潮延伸體上游區(qū)域的暖的SSTA，該暖異常可以加強(qiáng)海洋向大氣的熱通量的釋放，驅(qū)動(dòng)上升運(yùn)動(dòng)，使其上空次級(jí)環(huán)流形成，促進(jìn)氣旋的生成和發(fā)展，有利于山東半島兩側(cè)氣旋對(duì)的發(fā)生，從而給山東半島帶來偏北大風(fēng)極端低溫天氣。綜上，得到了黑潮延伸體上游區(qū)域SSTA-山東半島東側(cè)異常低壓發(fā)展-兩側(cè)氣旋對(duì)的形成-偏北大風(fēng)-極端低溫的影響機(jī)制。

對(duì)于山東半島的極端低溫天氣，發(fā)生偏北大風(fēng)占41%，因此偏北大風(fēng)只是極端低溫形成的一種原因。本文只基于這一種情況進(jìn)行了探討，那么其他的極端低溫天氣是怎么形成的呢？圖9為未發(fā)生偏北大風(fēng)的極端低溫過程的環(huán)流形勢(shì)場和對(duì)應(yīng)SST場的合成，也就是其余59%種情況的合成，發(fā)現(xiàn)在極端低溫發(fā)生的前1天(見圖9(b))山東半島也處于氣旋對(duì)之間，但不同的是無論是氣旋還是反氣旋，其強(qiáng)度都較偏北大風(fēng)極端低溫過程弱，因而其對(duì)應(yīng)的大氣鋒面強(qiáng)度也較弱，北風(fēng)風(fēng)速較小。極端低溫發(fā)生日(見圖9(c))，氣旋式環(huán)流的強(qiáng)度并沒有繼續(xù)增強(qiáng)，而是向東移動(dòng)并減弱，異常反氣旋式環(huán)流也隨之向東移動(dòng)，山東半島處于異常反氣旋式環(huán)流的中心附近，850 hPa風(fēng)速很小。對(duì)比圖2，下游的異常氣旋式環(huán)流強(qiáng)度偏東偏弱，其對(duì)應(yīng)的SST暖異常也偏東，并不在海洋鋒強(qiáng)度大的上游區(qū)域(見圖9)。對(duì)于這些暖SSTA，一方面，其位置更偏東，使得異常氣旋式環(huán)流的后部不能對(duì)應(yīng)山東半島區(qū)域，因此不能給山東半島帶來偏北大風(fēng)；另一方面，在這些區(qū)域大氣對(duì)海洋的響應(yīng)較小(見圖3)，因此這些SST暖異常對(duì)局地氣旋發(fā)展的影響較小。

(圖中綠色實(shí)線為黑潮延伸體海洋鋒面的經(jīng)向剖面(144°E，30°N—41°N)，黑色散點(diǎn)為SSTA通過了顯著性水平為5%的t檢驗(yàn)。The green solid line is the meridian section of the sea front of the Kuroshio extension(144°E,30°N—41°N), The black scattered points are SSTA that passed the t test with a significance level of 5%.)

根據(jù)前文的探討，降溫可以分為平流降溫和輻射降溫，輻射降溫也是引起低溫凍害原因之一。前人在對(duì)于霜凍災(zāi)害的研究中對(duì)輻射降溫進(jìn)行了討論，表明在晴朗微風(fēng)的夜晚，空氣本身向外散熱是自身溫度降低，同時(shí)還受地面輻射冷卻作用的影響，雙重作用使得大氣快速降溫[22-23]，因此對(duì)于這種不伴隨偏北大風(fēng)的極端低溫天氣，降溫可能是由于輻射或者輻射和平流的共同作用引起的，這值得繼續(xù)研究。此外這種偏北大風(fēng)極端低溫天氣不僅與其東側(cè)的異常低壓有關(guān)，西側(cè)異常高壓也是影響它的重要因素，那么怎樣的高壓特征，或者高壓低壓配置更有利于這種偏北大風(fēng)極端低溫的發(fā)生呢？這需要進(jìn)一步的討論。