2011年初云南东部极端低温冰冻灾害天气气候特征及成因分析

2012-09-21杨素雨李华宏严华生牛法宝

成都信息工程大学学报 2012年1期

杨素雨, 李华宏, 严华生, 牛法宝

（1.云南省气象台,云南昆明 650034;2.云南大学大气科学系,云南昆明 650091）

0 引言

近年来中国的低温严寒、暴风雪等极端天气时常发生[1-7],最为突出的是2008年初南方遭受了历史罕见的持续的大范围低温雨雪冰冻灾害。国内很多学者对其气候特征、大气环流异常特征及天气动力学成因等方面进行了大量研究[8-12]。研究表明,贝加尔湖（简称贝湖）依稀地区阻塞高压异常强大、稳定,700 hPa西南气流稳定,850 hPa低层切变、低涡活动,副高强盛,位置偏西、偏北是2008年初南方低温雨雪冰冻灾害天气的大尺度大气环流背景。云南气象学者段旭等[13]鉴于2008年云南严重的低温冰冻灾害,对云南冰冻灾害与电线覆冰进行了区划研究,指出云南冰冻灾害最严重的是东北部地区。晏红明等[14]从大尺度大气环流和海温异常等方面分析了2008年初云南低温雨雪冰冻天气的气候成因,为云南短期气候预测此类灾害性天气提供了预报思路。

从以上分析可以看出,关于低温冰冻灾害天气的分析研究,大多是针对南方地区。然而,云南地处低纬高原,受青藏高原大地形阻挡影响,冷空气很少从正北面南下影响云南,与中国其他地方相比,云南的冷空气路径有其特殊性,如冷空气出现时间偏晚,强度相对较弱。有关云南冬季持续低温冰冻灾害天气的研究总结还比较少。因此,总结分析造成云南持续低温冰冻灾害的天气气候特征及成因,对提高此类灾害性天气的预报水平是很有帮助的。

2011年1月云南东部地区出现持续极端低温冰冻天气,造成交通主干线受阻、乡村公路中断、电力通讯受损严重、农作物受灾、牲畜受冻死亡等,对群众生产生活产生了较大影响及困难。造成此次灾害的气候特征及成因是什么、云南省预报低温冰冻天气的预报依据和着眼点在哪里、太平洋海温异常与东部低温冰冻灾害的关系如何、都值得进一步分析和研究。应用诊断分析、合成分析及相关分析等方法,从2011年初低温冰冻灾害的天气气候特征,2008年初和2011年初大气环流、海温状况的月际异常差异特征的对比分析等方面,对以上问题进行了分析和探讨,为提前做好云南的防灾减灾工作提供决策依据。

1 资料和方法

所用资料有2011年云南省122个县站的逐日温度观测资料,NCEP/NCAA2008年和2011年逐日平均和逐月平均再分析资料,网格距为2.5°×2.5°。在相关分析中应用了1961～2011年国家气候中心的74项环流指数,月平均海表温度,NOAA的各项大气环流指数、海温指数。所用方法有诊断分析、合成分析及相关分析等。

2 天气气候概况

2011年初云南东部出现了持续的低温冰冻灾害天气,此次灾害主要发生在1月。图1为2011年1月云南省122个县站月平均温度距平,与历史同期相比,除滇西南、滇中及滇西北局部地区气温正常略偏高外,全省大部地区气温都偏低,偏低3℃以上的区域主要集中在滇中以东以南地区,这些地区正是云南冰冻灾害最严重和相对严重的区域[12]。因此,云南东部地区是昆明东部、昭通、曲靖、文山共4个地州（市）包含的28个县站。2011年1月 28个县站中就有16个县站的月平均气温突破了历史同期最低记录（表略）。分析图2可以看出,1月东部地区30年平均气温为7.4℃,2011年1月东部平均气温为3.8℃,比历史同期偏低3.6℃,为自1961年来气温最低的年份,其次是1962年偏低3.2℃。分析图2还可以看出,2011年1月是东部地区自20世纪90年代中期以来气温偏暖背景下的一个异常偏冷事件,是近50年来的极端偏冷年,也是自2010年1月极端高温年后的又一极端事件。

图1 2011年1月云南省122个县站月平均温度距平

图2 1月云南东部地区平均气温时间变化

图3 2011年1月云南降雪和冻雨站次的逐日变化

从2011年1月云南降雪和冻雨出现站次的逐日变化（图3）和空间分布（图略）可以看出,冻雨只出现在云南中东部地区,1个月内共出现79站次,只有3天没有出现。位于云南东北部的镇雄县出现冻雨的站次最多,有18次;其次是师宗,有12次。降雪也主要出现在滇中以东地区,滇西北降雪站次明显较2008年少。1月全省共出现降雪288站次,只有2天无降雪,全省降雪站次最多的仍是镇雄,1月共出现26站次,其次是云南东部的威信县,共出现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,出现了329站次。2011年1月降雪站次是21世纪以来最多的一年。

分析可见,2011年初灾害持续时间和影响范围相对2008年稍小,但云南东部地区的低温灾害却是近50年来最严重的,持续的低温冰冻灾害造成长时间的道路结冰、电网覆冰等仍对人民生产生活、工农业生产以及东部地区的经济发展带来严重影响,因此,以下主要针对云南东部地区的低温冰冻灾害进行讨论分析。

3 天气过程及诊断分析

3.1 主要天气过程分析

由云南东部地区降水量和平均最高气温的逐日变化（图4）可以看出,2011年1月云南东部主要受到4次强冷空气影响,即5～7日、9～11日、14～20日、28～31日明显降温过程,其中14～20日东部地区日最高气温普降至0℃～5℃,昭通市南部日最高气温大都低于0℃。自2月初东部的平均日最高气温就出现了迅速回升的趋势。主要的降水过程是9～11日和14～20日,两次过程也是冷空气降雪强度和范围最大的,11日和16日达到了云南省的寒潮标准。

3.2 天气过程的诊断分析

持续的冷空气过程是造成低温冰冻灾害的主要原因,东亚中东部地区850hPa经向风一定程度上能反映东亚冬季风的强弱,云南东北部地区经向风的强弱也往往能反映出冷空气对云南影响的强度。图5（a）为2011年1月云南东部沿 27°N的850hPa经向风时间-经度剖面,由图可以看出,自1月5日开始云南省东部110°E～115°E地区的经向风由偏南风（正值）转为偏北风（负值）,之后偏北风比较活跃,4次冷空过程中,9～11日和14～20日时段偏北风最强,中心最大风速≥-6m/s。结合东部地区的垂直速度（图5b）和水汽条件（图5c）可以看到,9～11日东部的垂直上升运动最强,最大上升速度值达到了-20×10-2Pa/s,此时,东部 700hPa水汽通量≥8 g/（cm◦hPa◦s）,是1月的最大值,水汽通量散度为-2×10-6g/（hPa◦cm＾2◦s）,具有明显的水汽辐合。分析可见,低层较好的水汽输送和水汽辐合,加上强烈的上升运动和较强的冷空气配合才造成了9～11日云南省大范围的强降温降雪天气过程。其次是14～20日,其同样造成云南省大范围的强降温降雪天气过程。5～7日和28～31日两次过程的偏北风、垂直上升运动以及水汽的输送和辐合都相对较弱,因此冷空气和降水的范围和强度也相对较弱,但昆明准静止锋在云南东部地区维持少动,仍造成东部地区低温冰冻灾害的持续。分析还发现,22～23日东部地区有明显的偏北风,但高低层为一致的下沉气流控制,低层虽然有水汽辐合,但水汽通量较小,因此,这是一次弱降温过程,无明显降水和降雪。

以上分析表明,云南出现寒潮或大范围降温降雪过程时,110°E～115°E地区的850hPa经向风中心最大风速≥-6m/s,高低层有强的上升运动,700hPa上不但要有较好的水汽通量,还要有水汽的辐合。物理量的这些特征可为预报员提前做好冷空过程的监测和强度预报提供一定的参考依据。

图4 2011年初云南东部地区降水量和平均最高温度逐日变化（柱形为降水,折线为温度）

图5 2011年 1月云南东部区域（22°N～ 28°N,102°E～ 105°E）物量诊断分析

4 大气环流和海温异常的分析

4.1 大气环流异常特征分析

大气环流的异常是造成天气气候异常的最直接原因,若同样的天气过程在一段时间内频繁出现,那这段时间的大气环流一定会表现出某种异常的气候特征。以下就主要讨论2011年初大气环流的异常特征。

图6（a）为2011年1月500hPa平均高度场和距平场,可以看出,欧亚中高纬呈明显的两槽一脊型,西西伯利亚高压脊异常偏强,最大正距平中心值为18dagpm。东亚中高纬地区为“+-+”的距平场分布,高度场呈北高南低,有利于高纬地区冷空气的南下。分析还发现,西西伯利亚高压脊呈东北西南走向,有利于巴尔喀什湖和贝加尔湖地区（以下简称贝巴之间）形成切断低压或横槽,使得冷空气不断堆积,随着大气长波的不断东移演变,贝巴之间的冷空气阶段性的分裂南下形成一次次冷空气过程。东亚大槽较常年偏强偏东,使中高纬主体强冷空偏东,影响云南的冷空气也相对偏东。中低纬孟加拉湾（以下简称孟湾）地区有弱的南支锋区。这样的大气环流分布形势明显有利于云南东部出现低温雨雪天气。

2008年的低温冰冻灾害主要发生在2月,因此将2008年2月500 hPa高度场图6（b）与2011年1月对比分析可以看出,2008年2月中高纬最大正距平区位于乌拉尔山（以下简称乌山）地区,说明乌山阻塞高压异常偏强;青藏高原及其西侧为一西风带短波槽,高度场为负距平,说明高原上多异常低槽东移,贝巴间西北气流带来的冷空气使高原低槽加深南压,有利于昆明准静止锋加强影响云南。与2011年1月相比,2008年2月乌山阻塞高压较强,东亚大槽较偏强偏西,在加强气流的东西交换的同时使冷空气东移南下速度减弱,冷空气持续影响时间偏强。西太平洋副高较强,一方面阻挡了强冷气的南下速度,另一方面加强了副高西侧偏南气流的水汽输送。

图6 环流场对比分析

图6（c）为2011年1月700 hPa异常风场,可以看到中低纬20°N附近印度半岛和中南半岛分别为异常反气旋环流控制,中南半岛的异常反气旋相对较弱,而两高之间的孟湾地区为一弱的异常气旋,这样的大气环流配置有利于西风带南支槽东移到孟湾后受两个高压的挤压加深,且移速减慢。中南半岛反气旋外围的西南气流也有利于引导南支槽槽前西南暖湿气流北上为云南输送水汽。从海平面气压场（图6d）可以看出,2011年1月蒙古高压异常偏强,中国中东部海平面气压都为正距平,说明1月影响中国的冷空气异常偏强。1020hPa线是冬季预报冷空气影响云南强弱的重要依据之一,2011年1月1020hPa线的平均位置位于云南东部边缘,等压线的密集区（气压梯度较大）也主要位于云南东部地区,这进一步说明1月影响云南的冷空气主体偏东,静止锋主要控制云南东部地区。

综合以上分析发现,即使在相同的季节背景下,大气环流的月异常分布差异,也会造成明显的天气气候异常差异。

4.2 各种指数与云南东部气温的关系

气象科学家常通过定义与大气环流或海温异常有关的指数来对天气气候进行跟踪、分析或预测。计算分析了国家气候中心提供的74项环流指数以及其它各项指数（NINO1+2,NINO3,NINO4,NINO3.4,AO,AAO,NAO,PNA）与1月云南东部气温的同期相关关系,将通过0.05信度检验的指数列成表1。结合2011年初各项指数的特征,进而探讨造成云南东部地区低温冰冻灾害的原因。

从表1可以看出,影响云南东部1月气温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区的海温。从2011年1月这些指数的异常可以看出,西太平洋副高位置异常偏东,强度偏弱,南海副高异常偏南偏弱,有利于北方冷空气南下;青藏高原高度和较常年同期偏低,说明高原上多低槽活动,这与在4.1中的分析一致。分析还发现,云南东部1月气温仅与同期NINO4区的海温存在较好的正相关关系,监测数据也表明2011年1月NINO4区的海温较前期12月继续偏低,而其他海区的海温都有回升的趋势。

表1 与云南东部1月气温显著相关的各项指数

5 结论

通过分析2011年初云南低温冰冻灾害的天气气候特征,从物理量特征、高低层大气环流异常和海温异常等方面分析了此次灾害的成因,得到以下结论:

（1）在拉尼娜事件背景下,2011年初云南再次出现的严重低温雨雪冰冻灾害天气与2008年初持续近2个月的低温雨雪冰冻灾害相比,虽然灾害影响时间较短,范围较小,但冷空气过程较频发,是云南东部近50年来最严重的极端低温冰冻灾害。

（2）500hPa高度场欧亚中高纬呈两槽一脊,西西伯利亚高压脊异常强大,贝巴之间为东西向横槽,东亚中高纬呈“+-+”的距平场分布,西太平洋副热带高压异常偏东偏弱,南海副高异常偏南偏弱是2011年1月云南遭受频繁冷空气影响的大尺度大气环流背景,而南支槽槽前西南暖湿气流与冷空气结合是造成与云南大范围降温降雪天气的重要原因。

（3）东亚大槽偏强偏东,中高纬冷空气主体偏东,使得影响云南的冷空气偏东,贝巴间分裂东移的短波槽常与高原低槽叠加南下影响云南,这样的冷空气势力不强,但后部不断有弱冷空气补充,致使昆明准静止锋长时间控制云南东部。

（4）云南东部1月气温与NINO4区的海温异常存在显著的正相关关系,而其与倍受气象工作者关注的NINO3区的海温相关并不显著。

[1] 胡宜昌,董文杰,何勇,等.21世纪初极端天气气候事件研究进展[J].地球科学进展,2007,22（10）:1066-1075.

[2] 杨金虎,江志红,王鹏,等.中国年极端降水事件的时空分布特征[J].气候与环境研究,2008,13（1）:75-83.

[3] 江志红,丁裕国,陈威霖.21世纪中国极端降水事件预估[J].气候变化研究进展,2007,3（4）:202-207.

[4] 刘学华,季致建,吴洪宝,等.中国近40年极端气温和降水的分布特征及年代际差异[J].热带气象学报,2006,（6）:618-624.

[5] 段旭,段玮,陶云,等.云南冰冻灾害研究与电线覆冰区划,气象出版社[M].2010:48-55.

[6] 刘雅星,范广洲,董一平,等.近46年中国冬季日均气温及极端温度的变化[J].成都信息工程学院学报,2010,25（3）:286-292.

[7] 吴俊杰,袁卓建,钱钰坤,等.热带季节内振荡对2008年初南方持续性冰冻雨雪天气的影响[J].热带气象学报,2009,增刊:103-111.

[8] 杨贵名,孔期,毛冬艳,等.2008年初“低温雨雪冰冻”灾害天气的持续性原因分析[J].气象学报,2008,66（5）:837-850.

[9] 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.

[10] 王凌,高歌,张强,等.2008年1月我国大范围低温雨雪冰冻灾害分析Ⅰ.气候特征与影响评估[J].气象,2008,34（4）:21-26.