2010年冬季江苏省雷暴异常活动与北极涛动的相关分析

张蓬勃，姜有山，姜爱军，管兆勇，孙佳丽，刘梅

(1．南京市气象局，江苏 南京210009;2．气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏 南京210044;

3．南京信息工程大学 大气科学院，江苏南京210044;4．江苏省气候中心，江苏 南京210008;5．江苏省气象台，江苏 南京210008)

2010年冬季江苏省雷暴异常活动与北极涛动的相关分析

张蓬勃1，姜有山1，姜爱军1，管兆勇2，3，孙佳丽4，刘梅5

(1．南京市气象局，江苏 南京210009;2．气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏 南京210044;

3．南京信息工程大学 大气科学院，江苏南京210044;4．江苏省气候中心，江苏 南京210008;5．江苏省气象台，江苏 南京210008)

运用江苏省冬季雷暴日数统计数据和NCEP/NCAR再分析数据，在结合30 a江苏冬季雷暴异常变化可能机理的基础上，分析了2010年冬季雷暴异常变化的原因。结果表明:2010年冬季江苏省雷暴活动异常偏多，其异常变化与同期北极涛动环流异常有密切的负相关关系。AO(Arctic Oscillation)指数偏弱时江苏雷暴增多的天气原因主要是:1)中西伯利亚和西西伯利亚地区气压异常偏高，中纬度地区气压异常偏低，乌拉尔山以西有阻塞高压与之配合，因此东亚冬季风偏强，冷空气南下频繁。对流层低层30°N附近表现为异常暖中心，低层孟加拉湾水汽输送强盛，江苏处于水汽辐合中心，这样“上冷下暖”和“上干下湿”的配置不仅有利于引起大气异常上升运动，也易于不稳定层结的形成，利于雷暴天气的发生。2)30～50°N北太平洋中东部海温异常偏低，引起低层风场异常辐散，对应上空为异常的下沉运动，通过类似于沃克环流圈形式使得东亚同纬度地区低层辐合异常，有利于该地区异常气旋性环流的加强。

雷暴;北极涛动;负相关关系

0 引言

2009年12月—2010年3月上旬江苏省出现7次大范围雷暴天气。大范围雷暴出现之集中、时间之早、频率之高为1961年以来罕见，尤其是2月大范围雷暴发生的次数远多于其他年份(大范围雷暴发生次多的年份为1979年和2009年，仅3 d)。频繁的雷暴活动对农业、电力、交通行业造成一定的影响和损失。2010年2月9日凌晨，南京出现初雷，9日21时左右六合区一农户住宅遭受雷击、房屋、电器受损。2月10—11日，江苏省出现大范围雷暴并伴有降雪、冰雹、冰粒、冻雨等复合性复杂天气，对春运交通造成重大压力和严重影响。冬季雷暴因其发生频率少且突然，常引起雷暴灾害，所以研究冬春季雷暴发生的环流特征以及影响因子，对准确预测预报冬春季雷暴有重要意义。

近年来对南方雷暴天气的天气特征，以及多发季节雷暴的结构、形成和预报已有一些研究(景元书等，2000;尹丽云等，2007;刘梅等，2010;沈永海等，2010;黄兴友等，2011)，但针对冬季雷暴，特别是长三角冬春季雷暴发生的大气环流、海温特征及触发机制的研究较少。张腾飞等(2008)利用多种探测资料对云南2006年7月17日强雷暴天气过程进行了分析，认为雷暴天气过程是在有利的大尺度背景下由中尺度对流系统直接产生的。徐桂玉和杨修群(2001)研究了我国南方雷暴的气候特征。陈绍东等(2004)研究了雷暴与海温的关系。近年来，江苏气象学者也开展了一些关于雷暴的研究(张旭晖等，2007;付志康等，2010;钟颖颖等，2010)。刘梅等(2010)利用江苏省1951—2007年雷暴资料，分析近57 a雷暴的气候变化趋势发现，江苏雷暴日数年际变化整体呈减少趋势，主要表现为夏季和秋季雷暴日数的减少。

Thompson and Wallace(1998)基于对北半球大气环流的分析，提出了北极涛动(Arctic Oscillation，AO)的概念。AO是北半球热带外地区大气环流变化的最主要模态，表现为北半球高纬度和中纬度地区海平面气压场反相的“跷跷板”式振荡现象。其后的研究表明，对应极区的正(负)气压异常，在北半球中纬度地区往往有沿纬圈的带状负(正)气压异常区，因此也将AO称之为环状模。Li and Wang(2003)利用中高纬两个环状活动带的中心纬度35°N和65°N上的标准化纬向平均海平面气压差构造AO指数。目前已有研究结果证明，AO作为北半球环流异常的主要模态，对冬季北半球气温(龚道溢和王绍武，2003;琚建华等，2004)和降水(琚建华等，2006;程炳岩等，2007)有显著影响。但这些研究成果大多认为AO对东亚北部地区影响显著，很少有对长江以南区域的研究。此外，陈思蓉等(2009)认为华南、长江流域等地区都存在独立的异常时空分布，与特定的大尺度环流密切相关。因此，本文拟在近30 a江苏省冬季雷暴异常机理分析的基础上，针对2010年雷暴活动个例，进一步探讨雷暴多发与AO的联系。

1 资料和方法

1.1 资料

1)1981—2010年NCEP/NCAR全球再分析资料:月平均17层风场、高度场、气压场及比湿场，空间分辨率为 2.5°×2.5°(Kalnay et al.，1996);月平均海温资料，空间分辨率为2°×2°。

2)AO指数来自美国气候预测中心(CPC/NCEP);江苏省冬季雷暴日数统计数据来自江苏省气候中心。

1.2 方法

在江苏省范围内选择12个站点(徐州、宿迁、连云港、淮安、盐城、南京、扬州、泰州、镇江、常州、无锡、南通)作为代表站，站点分布均匀(图1)，可以代表全省的情况。首先计算12个站30 a(1981—2010年)冬季雷暴总日数并对其时间序列进行标准化(图2)，定义其值大于0.5σ为江苏省冬季雷暴多发年，小于-0.5σ为江苏省冬季雷暴少发年。根据这个定义得到，江苏省冬季雷暴多发年为:1987、2004、2009、2010年;江苏省冬季雷暴少发年为:1982、1983、1984、1985、1986、1988、1990、1995、1998、1999、2006、2008 年。

图1 选取站点分布Fig.1 The distribution of selected stations

图2 1981—2010年江苏冬季雷暴日数的标准化时间序列(实线:线性趋势)Fig.2 Standardized time series of thunderstorm days in Jiangsu in winter from 1981 to 2010(solid line:linear trend)

标准化方法:气象数据资料都是有单位的，为了消去单位量纲不同所造成的影响，经常使用标准差标准化方法，公式如下:

2 近30 a冬季雷暴特征及环流特点

分析1981—2010年冬季江苏12站雷暴日数(图2)发现，近30 a江苏冬季雷暴日数呈上升趋势，且2010年冬季江苏雷暴日数显著上升。另外从南京站与其他各站相关分析(表1)中发现，其他各站均与南京站呈显著的正相关关系，12个站点冬季雷暴日数变化趋势几乎一致，表明近30 a江苏冬季各站雷暴日数都呈上升趋势。此外，从1981—2010年冬季各个站点雷暴日数趋势的一致性来看，在冬季可能存在一个较为稳定的气候背景，其对江苏雷暴的发生有重要影响，因此下面把江苏作为一个整体，分析冬季雷暴的环流特点及其影响因子。

为了分析雷暴活动频繁的原因，首先对直接影响气候异常的同期环流进行分析。从2010年冬季500 hPa高度距平场(图3a)可见，在大西洋中低纬度和中国北方一带为显著的负距平，而相对应的高纬度地区表现为一致的正距平，并且在北半球中高纬地区的两个异常中心呈“跷跷板”状，呈现AO异常特征，这与典型异常环流分布显著异常中心(图中阴影区域)对应，表明2010年冬季环流异常变化与典型年是一致的。从海平面气压距平场(图3b)可见，大西洋中低纬度地区环流和中、西西伯利亚附近有明显的异常，但是北方负异常区明显南下且强度减弱。由850 hPa距平风场(图3c)可见，类似于高度场，在大西洋中低纬度表现为异常的气旋性环流，北大西洋以北及中、西西伯利亚表现为异常的反气旋性环流，中国大陆地区为显著的异常气旋性环流，且中国东部沿海地区南风异常明显。以上结果表明，引起2010年冬季雷暴活动多发的环流特征与典型异常环流分布一致，即AO异常是造成江苏省雷暴活动多发的主要原因。

进一步分析AO与江苏省雷暴活动异常的关系，将近30 a江苏省冬季雷暴日数的时间序列进行标准化(图4)，并与AO指数时间序列标准化(IAO)做相关分析，相关系数为-0.51，经检验置信水平超过了99%。结果表明，当AO指数偏低时，江苏省冬季雷暴日数异常偏多;当AO指数偏高时，江苏省冬季雷暴日数异常偏少。2010年冬季江苏省雷暴日数显著上升，对应着AO指数异常偏低。这进一步说明AO异常与江苏省冬季雷暴日数有密切关系。根据图4，将标准化后的AO指数时间序列大于0.5σ定义为AO指数偏强年，小于-0.5σ定义为AO指数偏弱年。

表1 1981—2010年冬季南京雷暴日数与其他站点的相关分析Table 1 Correlation analysis of thunderstorm days between Nanjing and other stations in winter from 1981 to 2010

3 AO指数的变化对江苏冬季雷暴活动的影响途径

3.1 环流特征和水汽条件

AO现象虽然表现的是中高纬度地区环流特征变化，但是它不仅影响北极和北大西洋区域气候变化，而且还通过影响冬季西伯利亚高压，进而影响东亚冬季风以及中国冬季气候(Wu and Wang，2002)。

图4 标准化江苏省冬季雷暴日数(点线)和标准化AO指数(实线)Fig.4 Standardized time series of thunderstorm days in Jiangsu Province in winter from 1981 to 2010(dotted line)and AO index(solid line)

从2010年冬季500 hPa高度距平场与30 a(1981—2010年)雷暴偏多典型场(图3a)来看，东亚中高纬度是一对偶极型异常环流，高纬度中西伯利亚附近为正异常环流，贝加尔湖附近为负异常环流，AO指数偏弱，这种异常分布有利于东亚高空西风急流(图5)加强，东亚大槽偏强。从纬向分布来看，欧亚中高纬地区从西到东呈“正负正”分布，乌拉尔山以西和北太平洋中西部地区为正距平区，即有长波脊或阻塞高压与之对应。在海平面气压距平场上(图3b)，中西伯利亚和西西伯利亚为正距平，东亚中纬度地区为弱的负距平，因此东亚冬季风偏强，冷空气频繁南下。当冷空气大举南下时，北方的干冷空气与南方的较暖较湿空气相遇所造成的“上干冷下湿暖”易激发不稳定能量。从低层(图6a)和高层(图6b)积分的水汽通量来看，2010年冬季低层来自孟加拉湾以及南海的水汽输送异常偏强，江苏处于强的水汽辐合中心附近，而高层则对应为异常强的水汽辐散区域，这样异常的“上干下湿”的配置，有利于低层不稳定能量的聚集以及“干切入”所造成的不稳定能量的释放，利于雷暴活动的发生。

3.2 热力和动力场特征

图5 冬季200 hPa纬向风50 m/s的特征线(虚线:1981—2010年平均;实线:2010年)Fig.5 Isolines of 50 m/s zonal wind speed at 200 hPa in winter(dashed line:1981—2010;solid line:2010)

很多研究成果证明冬季AO指数变化与中国同期气温存在显著的相关关系，所玲玲等(2008)认为北极涛动指数为正极端异常年时，我国冬季最高气温响应主要表现地域是长江中下游、华北和河套地区。反之，我国最低气温的响应主要表现地域是东部沿海和长江黄河上游地区。何春和何金海(2003)认为冬季北极涛动高(低)指数年，华北地区为暖(冷)冬年。从AO指数偏弱年与偏强年的经向垂直温度场合成差值分布的显著异常区(图7a)来看，当AO指数偏弱时，中高纬度地区低层气温异常偏冷，而低纬度地区低层温度异常偏暖，高层温度异常偏冷，低纬度地区的“上冷下暖”的分布，有利于形成不稳定层结，利于雷暴活动的发生;反之亦然。从2010年冬季的经向垂直温度距平场来看，正负距平中心与AO指数偏弱年的显著异常区域一致，实际上2010年冬季的AO指数近30 a中AO指数变化中异常偏弱年。由2010年冬季经向垂直温度距平场还发现，40～70°N区域负距平场从对流层低层一直延伸到对流层顶，这块区域正好对应着影响江苏的东路冷空气路径，对流层上部的冷空气中心向南向下渗透，同时对流层低层30°N附近表现为异常暖中心，冷空气的向下渗透迫使暖空气向上运动，在经向垂直环流场上表现为异常的上升气流(图7c)，这为雷暴活动的发生提供了有利的热力和动力条件。另外，假相当位温以及相对涡度异常分布可以进一步说明不稳定条件的存在。假相当位温(θse)在大气热力学、气象学研究，以及日常天气分析预报中，有着广泛的应用，当气层的θse随高度的增加不断减小时，表示大气层结的不稳定，反之，情况相反。从图7b可以看到，近30 a中当AO指数偏弱时，30°N附近的θse随着高度的增加而显著减小，表明江苏上空大气层结不稳定，这为雷暴天气的发生提供了有利的气象条件。同时从2010年冬季假相当位温距平来看，江苏也处于不稳定层结中。相对涡度异常分布场显示，当AO指数偏弱时，江苏低层处于正涡度显著异常区(图7e)，高层处于负涡度异常区(图7d)，这种高低层配置，使得江苏表现为异常的上升气流(图7c);反之，情况相反。

图6 2010年冬季与1981—2010年冬季平均的差值分布 a.1 000～700 hPa积分的水汽通量输送(箭矢，单位:104kg·m-1·s-1;阴影表示水汽通量散度小于0，为辐合区);b.600～300 hPa积分的水汽通量输送(箭矢，单位:104kg·m-1·s-1;阴影表示水汽通量散度大于0，为辐散区)Fig.6 The value distribution between the winter of 2010 and the mean in winter from 1981 to 2010 a.vertically integrated moisture flux from 1000 hPa to 700 hPa(arrows，units:104kg·m-1·s-1;the shaded areas represent the regions where the divergence is less than 0，for the convergence zone);b.vertically integrated moisture flux from 600 hPa to300 hPa(arrows，units:104kg·m-1·s-1;the shaded areas represent the regions where the divergence is greater than 0，for the divergence area)

图7 2010年冬季距平场(等值线)和AO指数偏弱与偏强年的合成差值分布(阴影;阴影区表示置信水平超过90%的区域) a.沿110～120°E平均的经向垂直温度场(单位:℃);b.假相当位温场(单位:K);c.环流场(单位:m/s);d.300 hPa相对涡度场(单位:10-5s-1);e:850 hPa相对涡度场(单位:10-5s-1)Fig.7 Anomalies in the winter of 2010(isolines)and composite t-test values of the differences between the years with stronger and weaker AO index(shaded areas denote significance at 90%confidence level) a.the longitudinal air temperature averaged over 110—120°E(℃);b.the pseudo-equivalent potential temperature(K);c.vertical circulation(m/s);d.300 hPa relative vorticity(10-5s-1);e.850 hPa relative vorticity(10-5s-1)

3.3 海温场特征

海洋是地球气候系统中一个重要的组成部分，海表温度(sea surface temperature，SST)与大气的相互作用历来是气象学家十分关注的问题，很多研究成果证明海温的异常变化对大气环流的调整有重要影响。由于我国濒临太平洋，有不少工作研究了太平洋SST变化对东亚气候的影响(符淙斌等，1979;李克让等，1979;杨鉴初和王连英，1979)。

本文用近30 a冬季AO指数与同期全球海温作相关分析(图8)发现，AO指数与北太平洋海域存在显著的相关关系，即与50～60°N中东部海域为负相关关系，与30～50°N中东部海域为正相关关系。当AO指数偏弱时，30～50°N北太平洋中东部海温异常偏低，从2010年冬季海温距平场来看，这块区域海温也表现为负距平。异常偏低的海温引起低层风场异常辐散，对应上空为异常的下沉运动，通过类似于沃克环流使得东亚同纬度地区低层辐合异常，有利于该地区异常气旋性环流的加强，在北太平洋上空对应着强的西风急流(图5)，在500 hPa高度场距平(图3a)上表现为负距平，这有利于北方冷空气南下，江苏受冷空气影响，易于不稳定能量的释放。实际上江苏省2010年2月出现寒潮天气过程2次，为2000年来较为少见，仅在2004年出现过2次。

图8 1981—2010年冬季AO指数的时间系数与海表温度的同期相关分布(阴影;阴影区表示通过了90%置信水平的显著性检验)以及2010年冬季850 hPa辐散风场距平场(箭矢;单位:m/s)、SST距平(等值线;单位:℃)Fig.8 The correlation distribution associated the time coefficient of AO index in winter from 1981 to 2010 with the sea surface temperature during same period(the shaded areas represent those where the correlation passes 90%confidence level)，the 850 hPa divergence wind anomaly in winter of 2010(arrows;units:m/s)，the SST anomaly(contours;units:℃)

4 结论

利用1981年以来江苏冬季雷暴日数记录资料，简单分析了其气候变化趋势特征，并结合1981年以来典型年冬季雷暴活动异常的环流特征，分析了2010年江苏省冬季雷暴活动异常偏多的原因，得出以下结论。

1)1981—2010年江苏冬季雷暴表现为上升趋势特征，且2010年冬季雷暴日数显著上升，但2010年冬季属典型雷暴多发年，其雷暴活动异常的空间分布、中高纬度环流异常特征与典型异常环流分布一致。

2)AO指数的时间系数与江苏省雷暴活动存在负相关关系，即AO指数偏弱时，江苏易发生雷暴活动;当AO指数偏强时，情况相反。

3)AO指数偏弱时江苏雷暴增多的天气原因主要有:首先，中西伯利亚和西西伯利亚地区气压异常偏高，中纬度地区气压异常偏低，乌拉尔山以西有阻塞高压与之配合，因此东亚冬季风偏强，冷空气南下频繁，对流层低层30°N附近表现为异常暖中心，低层孟加拉湾水汽输送强盛，江苏处于水汽辐合中心，这样“上冷下暖”和“上干下湿”的配置不仅有利于引起大气异常上升运动，也有利于不稳定层结的形成。另外，对假相当位温及相对涡度的分析进一步证明了不稳定条件的存在。其次，30～50°N北太平洋中东部海温异常偏低，引起低层风场异常辐散，对应上空为异常的下沉运动，通过类似于沃克环流圈形式使得东亚同纬度地区低层辐合异常，有利于该地区异常气旋性环流的加强。

此外，冬季低层暖湿气流的输送可能为雷暴天气的发生提供了很好的动力和热力条件，本文限于篇幅，对其他方面未做分析，有待下一步研究。

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(责任编辑:刘菲)

Thunderstorm anomaly in Jiangsu Province in winter 2010 and its relationship with the Arctic Oscillation

ZHANG Peng-bo1，JIANG You-shan1，JIANG Ai-jun1，GUAN Zhao-yong2，3，SUN Jia-li4，LIU Mei5
(1.Nanjing Meteorological Bureau，Nanjing 210009，China;2.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST)，Ministry of Education，Nanjing 210044，China;3.School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China;4.Jiangsu Climate Center，Nanjing 210008，China;5.Jiangsu Meteorological Observatory，Nanjing 210008，China)

By using the monthly NCEP/NCAR data and the data of thunderstorms in Jiangsu Province from 1981 to 2010，the main causes for anomalous thunderstorms in Jiangsu in winter 2010 are analysed on the basis of the possible mechanism of typical episodes occurring in recent 30 years.Results show that there were more thunderstorms in winter of 2010 than normal in most areas of China，which was negatively related with the teleconnection circulation anomaly of the Arctic Oscillation(AO).When the AO was weaker than normal，the air pressure in Central Siberian and West Siberian were higher than normal while that in middle-latitude area was lower.At the same time，Ural blocking high played a supporting role，so the East Asia winter monsoon was stronger，which meant the cold air was stronger than normal.There was an anomalous warm center at 30°N of lower troposphere，which caused the intensification of water vaportransfer at Bay of Bengal and thus there would be a water vapour convergence center in Jiangsu.The distribution of“cold and dry upper-layer and warm and wet lower-layer”triggered upward movement of the air，which was beneficial for the occurrences of thunderstorms.The negative anomalies of SSTA in such regions as central and eastern North Pacific caused anomalous divergence，resulting in the anomalous downward movement of the air.It then caused anomalous convergence in the area of the same latitude in East Asia via Walker pattern and enhanced cyclonic circulation in both areas.

thunderstorms;Arctic Oscillation;negative correlation

P434

A

1674-7097(2014)01-0082-09

张蓬勃，姜有山，姜爱军，等.2014.2010年冬季江苏省雷暴异常活动与北极涛动的相关分析［J］.大气科学学报，37(1):82-90.

Zhang Peng-bo，Jinag You-shan，Jiang Ai-jun，et al.2014.Thunderstorm anomaly in Jiangsu Province in winter 2010 and its relationship with the Arctic Oscillation［J］.Trans Atmos Sci，37(1):82-90.(in Chinese)

2011-09-13;改回日期:2012-03-13

青奥会期间高影响天气监测预警服务技术集成与应用(2011BAK21B04);科技厅科技支撑计划—社会发展项目(BE2011612);江苏省科技厅资助项目(BS2007088)

张蓬勃，硕士，工程师，研究方向为海气相互作用，bobozpb@163.com.