2008年1月中国南部低温雨雪冰冻天气特征及其与东亚大气环流异常探讨

彭艳,王钊,刘安麟,张弘,王敏

(1.陕西省气象科学研究所,陕西西安 710015;2.陕西省农业遥感信息中心,陕西西安 710015;3.陕西省气象局,陕西西安 710015;4.西安外国语大学,陕西西安 710128)

2008年1月中国南部低温雨雪冰冻天气特征及其与东亚大气环流异常探讨

彭艳1,王钊2,刘安麟3,张弘1,王敏4

(1.陕西省气象科学研究所,陕西西安 710015;2.陕西省农业遥感信息中心,陕西西安 710015;3.陕西省气象局,陕西西安 710015;4.西安外国语大学,陕西西安 710128)

根据NCEP/NCAR提供的1968—1996年全球逐月、2008年1月全球逐日再分析资料以及中国气象局提供的降水资料,分析了2008年1月中国南部持续低温雨雪冰冻天气期间东亚地区中空大气环流异常特征。结果表明,乌拉尔山阻塞高压和地面蒙古冷高压是这次灾害性天气重要的冷空气源地;700 hPa异常偏强的低空西南风急流以及低空急流大风速中心随时间沿急流轴的传播为此次低温雨雪冰冻天气提供了充足的动量、热量和水汽;850 hPa流场西太平洋上空异常东南风、印度洋上空异常西南风以及850 hPa垂直速度场中国南部大陆异常上升气流,在很大程度上影响着2008年1月中国南部的天气;赤道辐合带、西太平洋副热带高压以及南支槽的异常,致使东亚上空不仅存在异常的南支槽前西风带水汽输送和西太平洋副热带高压西南侧东风带水汽输送,还存在异常的由印度洋经孟加拉湾向中国南方大陆的水汽输送。

中国南部;持续性雨雪冰冻天气;东亚大气环流异常

0 引言

2008年1月10日,我国南方天气形势发生了显著变化,从2007年冬天的晴暖、少雨天气转变为低温、雨雪和冰冻天气。直至2008年1月31日,整个东亚地区大气环流稳定少变,西南水汽与北方不断南下的冷空气在黄河及其以南地区交汇,造成了建国以来罕见的持续低温、雨雪、冰冻天气,对中国南部产生了严重的影响。

国内学者对此次灾害性天气已作了很多研究,王东海等[1]分析了灾害发生的气候背景,强调了北极涛动异常活跃,有利于行星尺度波动的稳定维持。顾雷等[2]讨论了此次低温雨雪冰冻灾害与东亚季风系统异常的关系。王遵娅等[3]分析了灾害的主要特征并与历史资料进行比较。布和朝鲁等[4]、施宁等[5]、纪立人等[6]对我国南方低温雨雪天气进行了中期过程分析,研究了亚非副热带急流低频波、西太平洋副热带高压、青藏高压—孟加拉湾气压槽在此次天气过程中的特征。孙建华和赵思雄[7]对2008年1月26—29日天气过程进行了模拟研究,并根据模拟结果对1月26—29日的水汽条件、地面特征和大气层结条件等进行了分析。丁一汇等[8]讨论了此次低温雨雪冰冻灾害发生的原因及其与气候变暖的关系,并指出,此次低温雨雪冰冻灾害形成的原因不是单一的,是多种因素在同一时段,同一地区相互配合迭加的结果,欧亚大气环流异常持续性是造成冷空气不断侵袭中国南方的直接原因。

目前,关于2008年1月低温雨雪冰冻天气过程环流形势分析多偏于4次雨雪过程环流特征的分析[9-10],而对于东亚地区中低空环流异常特征分析较少。本文主要通过分析东亚地区中、低层异常特征以及整层大气水汽输送异常特征,进一步探讨此次中国南方持续性低温雨雪冰冻天气成因。

1 资料

采用NCEP/NCAR提供的1968—1996年全球逐月以及2008年1月全球逐日2.5°×2.5°的风场、高度场、比湿场(垂直方向为8层)、地面气压场、温度场再分析资料以及中国气象局提供的2008年1月10日08时—2月1日08时(世界时,下同)的降水资料。其中以1968—1996年的要素平均值作为各场的气候平均态。

2 天气特征

图1给出了2008年1月10日08时—2月1日08时累计降水量分布。此次低温雨雪冰冻天气降水中心主要位于广西、广东和湖南的交界处。河南南部、湖北东部和南部、湖南、安徽南部、江苏南部、浙江、广西、广东等地降水量均大于50 mm;安徽南部、广西东部、湖南南部、江西南部、广东北部、福建西部降水量超过100 mm,其中广西贺县累计降水量达193.3 mm。

图1 2008年1月10日08时—2月1日08时累计降水量分布(单位:mm)Fig.1 Accumulative precipitation from 08:00 UTC 10 January to 08:00 UTC 1 February 2008(units:mm)

图2 2008年1月中国南方地区气温距平分布(单位:℃)Fig.2 The averaged temperature anomalies in South China in January 2008(units:℃)

图2给出了2008年1月中国南方平均温度距平分布特征,其中阴影部分为负距平。2008年1月,由图2可见,中国南方平均温度较常年偏低1.5℃以上,贵州大部分地方偏低2.5～3.5℃,广西、湖南南部和广东大部分地方平均温度偏低2.5～3.5℃,其中广西南部以及湖南和广东交界处气温偏低4℃以上。

2008年1月贵州、湖南、江西、安徽、江苏、浙江和广西等省遭受了不同程度的冰冻灾害,其中以贵州和湖南灾害最为严重。结合2008年1月10—31日地面温度分布特征(图略),贵州和湖南两省平均气温约为-2～0℃,其中湖南西北部平均温度-4～-2℃。近地面层温度持续维持在-2～0℃,对于冻雨的形成较有利[11]。

3 东亚大气环流异常特征

3.1 500 hPa高度场异常特征

图3给出了1968—1996年1月欧亚上空500 hPa环流形势和2008年1月距平场分布特征。由图3a可见,亚欧上空为一槽一脊的形势:西伯利亚为一弱脊,鄂霍次克海为一低槽。中国大陆气流较平直,长江北部地区受巴尔喀什湖弱脊前部偏西北气流控制,长江南部地区受平直西风气流控制。2008年1月,亚欧上空的环流形势发生了明显的改变。由图3b可见,乌拉尔山北部及以东(约120°E)大部存在显著的正距平,且中亚至俄罗斯东部存在显著带状分布负距平。这种强度和范围均异常偏大的“对偶式”距平分布,在动力学上是极其稳定[1]。由2008年1月500 hPa形势场特征(图略),西太平洋副热带高压较常年偏强且位置偏北,588 dagpm等位势线在菲律宾群岛东北部的海面上形成一个稳定闭合的中心。南支槽稳定维持在青藏高原南部。乌拉尔山阻塞高压发展、维持有利于冷空气持续经西伯利亚向南入侵,与活跃的南支槽前西南暖湿气流和西太平洋副热带高压西北侧的偏南暖湿气流在中国南部交汇,导致中国南部地区1月10日开始,不断的出现强雨雪天气过程。

3.2 700 hPa低空急流特征

图4给出了1968—1996年1月和2008年1月700 hPa全风速场分布特征。由图4a可见,在中国东海到日本以东洋面有一强风速带,风速最大中心位于日本以东洋面上。中国南部地区,仅贵州南部、湖南南部以及广西北部存在12 m·s-1大风速区,其余地区风速均处于10～12 m·s-1之间。2008年1月,中国东海到日本以东洋面的强风速带较常年加强,中国南部地区存在中心强度达16 m·s-1的低空急流。异常偏强的低空急流,通过低层暖湿平流的输送在中国南部地区产生位势不稳定层结,以及强的水汽辐合和质量辐合,为此次雨雪冰冻天气的持续极提供充足的水汽和动量。

图3 1968—1996年500 hPa平均环流形式场(a)及2008年1月高度场距平(b;单位:dagpm)Fig.3 (a)The average circulation field at500 hPa during 1968—1996 and(b)the height field anomalies in January 2008(units:dagpm)

沿低空急流传播的中尺度风速脉动或风速最大值,甚至比低空急流本身更为重要[12]。根据2008年1月1日—2月4日700 hPa全风速沿26°N(近似为低空急流轴位置)时间纬向剖面,进一步分析此次低温雨雪冰冻天气过程低空急流风速最大中心沿急流轴的传播特征。由图5可见,1月1—10日,100～120°E无明显的大风速中心存在,仅在102～118°E存在12 m·s-1风速区,相应,中国南部地区出现了轻雾天气,无明显降水;1月11—15日,孟加拉湾有弱南支槽东移,100～120°E之间低空西南急流建立,风速最大中心为16 m·s-1,期间,中国南部地区出现入冬以来首次大范围低温雨雪天气过程;1月17—31日,稳定深厚的南支槽建立,100～120°E低空西南风急流稳定维持,并有大于24 m·s-1大风速中心沿急流轴随时间向下游传播。随着风速大值中心的传播,热量和水汽也随时间传播,1月18—22日,100～120°E第2次出现急流强风速带,中心最大风速大于24 m·s-1,中国南部地区出现入冬以来范围最大的雨雪天气过程;1月25—28日,100～120°E第3次出现急流强风速带,强度较第2次明显加强,中心最大风速超过28 m·s-1,中国南部地区出现入冬以来降水最强、冻雨范围最大的低温雨雪冰冻天气过程[13]。低空急流大风速中心沿急流轴随时间的传播为此次天气的形成和维持提供了充足的动量、热量和水汽,每一个大风速中心均对应着一次较强的雨雪天气过程。

图4 1968—1996年1月(a)及2008年1月(b)700 hPa平均全风速场(单位:m·s-1)Fig.4 The average total wind velocity at 700 hPa in(a)January during 1968—1996 and(b)January 2008(units:m·s-1)

图5 2008年1月1日—2月4日700 hPa全风速沿26°N时间—经度剖面(单位:m·s-1)Fig.5 Time-longitude profile along 26°N of total velocity at 700 hPa from January 1 to February 4,2008(units:m·s-1)

3.3 850 hPa流场异常

图6给出了2008年1月850 hPa流场及其距平,2008年1月,东亚上空850 hPa流场上存在3个气旋性环流异常和2个反气旋性环流异常。3个气旋性环流异常分别位于印度半岛西南方洋面、孟加拉湾北部和中国南部的贵州、湖南、广西上空。其中以印度半岛西南方洋面的气旋性环流异常最强,并且在其东侧印度洋上空有异常的西南气流存在。2个反气旋性环流异常分别位于贝加尔湖南方与台湾以东洋面。西太平洋上空异常的东南风与印度洋上空异常的西南风的存在,很大程度上影响了2008年1月中国南方的天气。

2008年1月(图6b),印度洋赤道辐合带位置较常年偏强且位置偏北,西太平洋副热带高压较常年偏强位置偏北,蒙古冷高压维持且位置偏南,致使位于中国北方大陆的东亚冬季风西北风分量并未按照历年的路径南下,而是在河南、安徽、湖北一带转向西,并与来自南支槽前的西南暖湿气流和西太平洋副热带高压西侧东南暖湿气流在长江中下游沿线汇合,形成持久稳定的冷暖空气交绥区。从而导致我国南方发生了低温雨雪冰冻灾害。

3.4 850 hPa垂直运动场特征

图7给出了2008年1月850 hPa等压面上垂直速度场以及垂直速度距平场分布特征。由图7b可见,除了在云南存在垂直速度的正距平外,中国南方大部分地区垂直速度均为负距平,结合图7a,2008年1月850 hPa中国南方垂直运动特征发生了明显的变化,除江西、广东东部以及浙江外,其余地区均由上升气流取代了常年的下沉气流,大范围上升气流的存在,有利于动量、热量以及水汽在中国南方汇合,为中国南方持续性雨雪冰冻天气形成提供了充足的动力条件。

图6 2008年1月850 hPa流场(a)与流场距平(b)Fig.6 (a)The stream field and(b)its anomalies at 850 hPa in January 2008

图7 2008年1月850 hPa垂直速度场(a;阴影表示上升运动)及其距平场(b;阴影表示负异常)(单位:10-2Pa/s)Fig.7 (a)The vertical velocity(shaded areas denote the upward movement)and(b)its anomaly(shaded areas denote the negative value)at 850 hPa in January 2008(units:10-2Pa/s)

4 水汽场特征

水汽对于此次大范围持续性雨雪天气而言是至关重要的。周长艳等[14]分析了此次低温雨雪冰冻天气整层水汽通量的特征以及4次天气过程的水汽输送。本文主要从整层经向、纬向水汽输送异常来讨论水汽输送特征。

4.1 整层纬向及经向水汽输送通量特征

图8给出了1968—1996年1月东亚地区整层纬向水汽输送通量及2008年1月整层纬向水汽输送距平场特征,其中,以由西向东水汽输送为正。由图8a可见,在东亚地区存在两支纬向水汽输送带,一支是位于0～20°N之间的东风水汽输送带,另一支是高原东南侧的偏西风水汽输送带,它经过孟加拉湾北部向我国南方地区源源不断地输送水汽。由图8b可见,东风带水汽输送在110～140°E存在明显的负异常,其中心最大值达-250 kg·s-1·m-1,印度洋和孟加拉湾亦存在两个弱的负异常中心;西风带水汽输送在孟加拉湾北部到青藏高原东侧存在50 kg·s-1·m-1的正异常区。2008年1月,由于西太平洋副热带高压偏强位置偏北,西太平洋经菲律宾群岛向我国南海的东风带水汽输送加强且位置偏北;南支槽异常活跃,孟加拉湾经中南半岛向我国南方的西风带的水汽输加强。

图9给出了1968—1996年1月东亚地区整层经向水汽输送通量及2008年1月水汽输送距平场特征,其中,由南向北水汽输送为正。由图9a可见,东亚地区上空存在三个由北向南的水汽输送带,分别位于孟加拉湾、中国南海南部和菲律宾以东洋面。正的经向水汽输送较少,仅在安达曼海到中国南方存在弱的由南向北的水汽输送,在中国广西有50 kg·s-1·m-1输送中心。2008年1月,印度洋经孟加拉湾向中国南方的水汽输送明显加强。由整层经向水汽输送距平场(图9b)可见,孟加拉湾和中国南部地区分别存在水汽输送正距平区,表明,2008年1月,由印度洋经孟加拉湾向中国南部大陆的水汽输送较常年增强。

对比文献[14],2008年1月中国南方持续性低温雨雪冰冻灾害期间,整层水汽输送除纬向上存在异常的南支槽前西风带水汽输送和西太平洋副热带高压西南侧东风带水汽输送外,经向上还存在着异常的由印度洋经孟加拉湾到中国南方大陆的水汽输送。

图8 1968—1996年1月平均纬向水汽通量(a)及2008年1月整层纬向水汽通量距平场(b)(单位:kg·s-1·m-1)Fig.8 (a)The average latitudinal moisture transport from 1968—1996 and(b)anomaly of latitudinal moisture transport in January 2008(units:kg·s-1·m-1)

图9 1968—1996年1月平均经向水汽通量(a)及2008年1月整层纬经向水汽通量距平场(b)(单位:kg·s-1·m-1)Fig.9 (a)The average longitudinal moisture transport from 1968—1996 and(b)anomaly of longitudinal moisture transport in January 2008(units:kg·s-1·m-1)

5 结论

采用NCEP/NCAR提供的1968—1996年全球逐月、2008年1月全球逐日再分析资料以及中国气象局提供的多年降水资料,对2008年1月中国南方持续低温雨雪冰冻天气的特征及东亚中低空大气环流的异常进行了分析。主要结论有:

(1)500 hPa乌拉尔山阻塞高压的建立和维持以及地面蒙古冷高压的长期维持,是2008年1月中国南方出现大范围低温雨雪冰冻天气重要的冷空气源地。

(2)700 hPa异常偏强的低空西南风急流,为此次大范围雨雪天气过程建立了重要的动量、热量和水汽输送通道,低空急流大风速中心随时间沿急流轴的传播对2008年1月低温雨雪冰冻天气的形成和维持极为重要,每一个大风速中心均对应着一次较强的雨雪天气过程。

(3)850 hPa流场蒙古冷高压维持且位置偏南,致使位于中国北方大陆的东亚冬季风西北风分量异常,与来自南支槽前的西南暖湿气流和西太平洋副热带高压西侧东南暖湿气流在长江中下游沿线汇合,形成持久稳定的冷暖空气交绥区。

(4)850 hPa等压面上垂直速度场中国南方大陆上空存在大范围的上升气流,此种形式对降水的产生极为有利。

(5)赤道辐合带、西太平洋副热带高压和南支槽的异常,导致东亚整层水汽输送异常:纬向上存在异常的南支槽前西风带水汽输送和西太平洋副热带高压西南侧东风带水汽输送,经向存在由印度洋经孟加拉湾向中国南方大陆的水汽输送。

[1] 王东海,柳崇健,刘英,等.2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气特征及其天气动力学成因的初步分析[J].气象学报,2008,66(3):405-422.

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[4] 布和朝鲁,纪立人,施宁.2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析Ⅰ:亚非副热带急流低频波[J].气候与环境研究,2008,13(4):419-433.

[5] 施宁,布和朝鲁,纪立人,等.2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析Ⅱ:西太平洋副热带高压特征[J].气候与环境研究,2008,13(4):434-445.

[6] 纪立人,布和朝鲁,施宁,等.2008年初我国南方雨雪低温天气的中期过程分析Ⅲ:青藏高原—孟加拉湾气压槽[J].气候与环境研究,2008,13(4):446-458.

[7] 孙建华,赵思雄.2008年初南方雨雪冰冻灾害天气的大气层结和地面特征的数值模拟[J].气候与环境研究,2008,13(4):510-519.

[8] 丁一汇,王遵娅,宋亚芳,等.中国南方2008年1月罕见低温雨雪冰冻灾害发生的原因及其与气候变暖的关系[J].气象学报,2008,66(5):808-825.

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[12] 丁一汇.高等天气学[M].北京:气象出版社,2005:443-453.

[13] 矫梅燕,曲晓波.2008年初中国南方持续性低温雨雪冰冻灾害天气分析[M].北京:气象出版社,2008:13-24.

[14] 周长艳,高文良,李跃清.2008年1月我国低温雨雪冰冻气象灾害中的水汽输送特征[J].高原山地气象研究,2008,28(4):25-30.

Characteristics of the Freezing Rain/Heavy Snow Process in South China and the Anomalies of Atmospheric Circulation over East Asia in January 2008

PENG Yan1,WANG Zhao2,LIU An-lin3,ZHANG Hong1,WANGMin4

(1.Meteorological Institute of Shaanxi Province,Xi'an 710015,China;2.Shaanxi Remote Sensing Information Center forAgriculture,Xi'an 710015,China;3.Shaanxi Meteorological Bureau,Xi'an 710015,China;4.Xi'an International Studies University,Xi'an 710128,China)

Based on the precipitation data from CMA and NCEP/NCAR global monthly reanalysis data from 1968 to 1996 and daily reanalysis data in January 2008,the atmospheric circulation anomaly over East Asia during the freezing rain/heavy snow process in South China in January 2008 was analyzed.The result shows that the anomalous strength of the Ural blocking high and the Mongolia cold anticyclone were the main cold air source for the freezing rain/heavy snow process in South China in January 2008.The anomalous strength of low level south-west jet at 700 hPa and the trans mission of the high wind speed center along its axis produced abundant momentum,heat and water vapor.The weather in South China in January 2008 was severely influenced by the anomalous southeast wind at 850 hPa stream field over west Pacific,the anomalous southwest wind over Indian Ocean and a large range of upward current at 850 hPa vertical velocity field over South China.Moreover,the anomaly of equatorial belt of convergence,West Pacific subtropical high and the southern branch of currents brought more moisture to South China in January 2008.

South China;lasting freezing rain/heavy snow process;anomalies of atmospheric circulation in East Asia

P434

A

1674-7097(2010)05-0634-07

2009-02-23;改回日期:2009-04-20

彭艳(1979—)女,吉林白城人,工程师,研究方向为大气边界层以及天气气候分析,penbird@sohu.com.

彭艳,王钊,刘安麟,等.2008年1月中国南部低温雨雪冰冻天气特征及其与东亚大气环流异常探讨[J].大气科学学报,2010,33(5):634-640.Peng Yan,Wang Zhao,Liu An-lin,etal.Characteristics of the freezing rain/heavy snow process in South China and the anomalies of atmospheric circulation over East Asia in January 2008[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):634-640.

(责任编辑:刘菲)