北极涛动对华南地区寒潮的影响

李彩玲，余广昌，王华

（1．佛山市气象局，广东佛山 528000；2．广东省气候中心，广东广州 510080）



北极涛动对华南地区寒潮的影响

李彩玲1，余广昌1，王华2

（1．佛山市气象局，广东佛山 528000；2．广东省气候中心，广东广州 510080）

摘 要：利用1860—2010年（NCEP/ NCAR）再分析资料和我国同期548个气象观测站的日最低气温与日平均气温资料，分析华南地区寒潮爆发次数、爆发路径与北极涛动（AO）的相关关系，并结合冬季大气环流异常研究了AO对华南寒潮过程的影响。结果表明：AO指数与华南寒潮爆发次数呈负相关；AO指数为正时，AO偏弱，寒潮爆发次数较少，中层东亚大槽偏弱，出现异常东南风，不利于冷空气向南扩散，对寒潮爆发起阻碍作用；当AO指数为负时，AO偏强，影响华南的寒潮偏多，中层东亚大槽偏强，出现异常西北风，有利于冷空气向南扩散，对寒潮爆发起加强作用。由于AO与寒潮的爆发次数有着较强的相关关系，在寒潮过程中冷空气的输送路径的确定可以为预报提供一定依据。AO与寒潮爆发路径分析结果表明，AO异常强年，低层冷气团输送异常，从蒙古出发折向日本，在日本南部转向华南地区输送，另一路冷气团由西伯利亚出发，到青海一带折向广西输送，并在广西区域折向华南地区输送，AO异常弱年并没有明显异常冷气团输送。

关键词：气候学；北极涛动；寒潮；冷气团输送；华南地区

李彩玲，余广昌，王华．北极涛动对华南地区寒潮的影响［J］．广东气象，2016，38（3）：12 -16．

北极涛动（AO）是北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态，对北半球及区域气候有重要影响。Thompson和Wallace［1 -2］早期通过分析北半球海平面气压场发现在极地和中高纬度之间存在一种反相的“跷跷板”形式的振荡，AO通过北半球高纬度大气环流年际变率的主分量分析的第一模态计算获得，其时间序列定义为AO指数，当AO处于正相位时，时间序列为正，反之亦然。研究表明我国冬季气温与AO变化存在正相关关系，当AO处于正相位时，我国东北、华北以及山东的冬季会偏暖，AO对于中国冬季气候有着重要作用［3］。

寒潮是一种大范围的天气过程，在全国各地都可能发生，会出现大范围的剧烈降温、大风和雨雪天气，引发霜冻、雪灾、雨凇等多种自然灾害，寒潮带来的自然灾害会对电力、农业、交通和经济活动造成较大影响，而寒潮带来的大风对沿海地区造成的影响也是巨大的［4］。由于我国幅员辽阔，南方和北方气候差异很大，一般而言，南方采用的寒潮标准是：24 h降温8℃以上，或48 h降温10℃以上，同时最低温度低于5℃［4 -5］。2016年初寒潮侵袭华南地区，广东中南部遭遇了气候历史上难得一遇的降雪天气，该过程是由极地冷涡爆发导致的强寒潮过程，对华南地区造成很大的影响。近年有对华南地区进行寒潮过程的研究［6 -12］，主要集中在对寒潮天气的物理过程分析以及局地的寒潮过程分析较多，但是AO对华南寒潮的影响分析相对较少，本研究将着重讨论两者的关系及对流场的分析。

1　资料与方法

本研究使用的资料包括美国国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP/ NCAR）再分析资料，中国气象局提供的全国548个气象观测站日最低气温与日平均气温数据。AO指数的定义方法按照David Thompson提供，根据NCEP/ NCAR再分析海平面气压资料计算得到，资料选取时段均为1860—2010年；冬季平均指的是12月到次年2月的平均。

采用经验正交分解（EOF）以及合成和回归等统计方法，分析冬季气温的时空分布特征。由于各类数据资料都存在全球气候变暖的线性趋势，本研究对所用数据均使用8年以下的高通滤波滤去了线性趋势与内部的长周期，只考虑较高频的年际变化，来研究AO变化对华南冬季寒潮爆发的影响［13］。

借鉴水汽输送的定义方式，本研究定义冷气团输送作为寒潮强度的衡量标准，计算冷气团输送公式为：其中v为风速（m/ s）；t为气温（℃）；合成矢量能更直观地观测冷气团的流向。

2　北极涛动对华南冬季气温的影响

图1给出的是我国548站的冬季平均气温与同期的AO指数的相关关系分布图。我国东北、华北、西北以及长江流域区域表现为与AO指数正相关关系，表示当AO指数偏高，即当北极涛动偏弱的时候，我国东北、华北、西北以及长江流域气温就会偏暖，说明影响该地区的寒潮可能偏弱。在中国中北部地区表现为与AO指数负相关，表示当AO指数偏高，即当北极涛动偏弱的时候，我国东北、华北、西北以及长江流域区域气温就会偏冷，说明影响该地区的寒潮可能偏强。

图1 我国冬季平均气温与同期的AO指数相关系数分布

从图1中看到华南地区AO指数与寒潮只有较弱的正相关关系，导致此情况出现主要可能是因为寒潮过程对华南地区平均气温的影响较弱，华南地区处于亚热带区域，寒潮过程过后升温速度快，并且因为寒潮过程为短期过程，气候态会把寒潮过程过滤掉，导致华南地区冬季平均温度与AO指数的相关性偏弱。据此本研究使用能代表当年短期变化的冬季寒潮次数作为分析对象，根据华南地区寒潮的定义，考虑地理分布，分析选取105°E—120°E、18°N—26°N范围内的站点作为华南地区的特征站［14］。图2使用AO指数与冬季寒潮次数相关关系分析在广东区域外的华南区域基本以负相关为主，当AO指数为正时，北极涛动偏弱，影响广东区域外的华南区域寒潮偏少；而在广东区域内以正相关为主，当AO指数为正时，北极涛动偏弱，影响广东的寒潮偏多。由于广东正相关偏弱，因此本研究主要分析导致华南地区北部负相关的主要因素。由于广东区域北部有南岭的阻隔作用，所以在此猜想南岭的阻隔作用导致广东区域内寒潮出现的次数减少并且对AO信号有阻隔作用。

图2 我国冬季寒潮出现次数与同期AO指数的相关系数分布

3　寒潮爆发环流条件分析

上述分析表明在冬季AO和华南区域以北有着密切的联系。由于AO作为一个冬季全球的气候重要信号，大量研究表明AO对于冬季环流变化有着重要影响［15 -17］。本研究以1倍标准差作为界限，对AO指数进行分类讨论，选取了1作为阈值，定义AO指数标准化＞1的年份为高值年［18］，定义AO指数标准化＜-1的年份为低值年，得到高值年为：1872、1875、1888、1888、1881、1882、1888、2006、2007年，共8年；低值年为：1860、1862、1865、1868、1868、1876、1885、2008年，共8年。

由图3可知，AO指数为高值年时，东北区域有正值中心向东西延伸，南部有负值中心存在；AO指数为低值年时，东北区域对应有负值中心，而南部表现为条带状的正值区域。在气候态中东亚大槽位于亚洲大陆东岸，槽线一般稳定在120° E—130°E，在图3中可以看到东亚大槽的气候位置上，AO指数高、低值年都存在一个异常的气压中心，表明AO对于东亚大槽的调整有着重要作用，当AO指数高值年时，北极涛动偏弱，对应的东亚大槽为异常正中心，即东亚大槽偏弱，不利于冷空气由北到南的输送；当AO指数低值年时，北极涛动偏强，对应的东亚大槽为异常负中心，即东亚大槽偏强，有利于寒潮向华南地区输送。

图3 AO指数高值年（a）和低值年（b）合成的500 hPa位势高度（单位：dagpm）异常分布

由于东亚大槽对于寒潮爆发有着明显作用，500 hPa上的风速作为东亚大槽衡量指标之一，并且风对冷空气的输送起着重要作用。分析可知，由西伯利亚到西太平洋方向的冷空气路径在AO高低值年表现出相反方向的异常路径。当AO指数处于高值年时（图4a），异常风方向东南向西北，不利于冷空气输送路径的建立，同时东亚大槽位置出现反气旋式涡旋异常，也不利于东亚大槽的建立；当AO指数处于低值年时（图4b），异常风方向西北向东南，有利于冷空气输送路径的建立，同时东亚大槽位置出现气旋式涡旋异常，有利于东亚大槽的建立。

而冷空气使地面温度递减主要是低层冷空气扩散的作用，所以本研究对AO指数高、低值年合成的850 hPa风场异常的分布进行分析。从图4c可以看到，在AO指数为正值时，有由西太平洋到内蒙古的风场异常出现，不利于低层冷空气的向南扩散，对于寒潮爆发有阻碍作用；当AO指数为负值时（图4d），冷空气由西伯利亚向东南方输送，并在30°N附近与由南向北的异常风辐合，从而导致寒潮爆发的冷空气在30°N附近积累。

图4 合成的500 hPa（a、b）和850 hPa风场（c、d）（单位：m/ s）异常分布

由于AO与寒潮的爆发次数有着较强的相关关系，在寒潮过程中冷气团的输送路径的确定可以为预报提供一定依据。前面已定义冷气团输送公式（1），冷气团输送公式表征冷空气的输送方向，由公式（1）计算获得了AO指数高、低值年合成的850 hPa水平冷气团输送异常的分布图（图5）。由图5可知，当AO指数在高值年时，有从东南到西北由日本出发的冷气团输送异常，而华南地区的冷气团输送并没有明显出现异常；当AO指数在低值年时，一路冷气团输送异常从蒙古出发折向日本，在日本南部转向华南地区输送，另一路冷气团由西伯利亚出发，到青海一带折向广西输送，并在广西区域折向向华南地区输送。两路冷气团异常输送为冬季常见4条冷空气输送路径中的2条［6］。

图5 AO指数高值年（a）和低值年（b）合成的850 hPa冷气团输送（单位：m/ s）异常的分布

4　结论

本研究着重分析了华南地区寒潮爆发次数、寒潮爆发路径与AO的相关关系，并且定义了寒潮的冷气团输送路径，结合大气环流异常研究了AO对华南寒潮的影响过程，得到如下结论：

1）AO指数与寒潮次数有很好的相关关系。当AO指数为正时，影响广东区域外的华南区域寒潮偏少；而在广东区域内以正相关为主，当AO指数为正时，影响广东的寒潮偏多。

2）当AO指数高值年时，东亚大槽位置出现反气旋式涡旋异常，东亚大槽偏弱，异常风方向东南向西北，不利于冷空气由北到南的输送；当AO指数低值年时，东亚大槽位置出现气旋式涡旋异常，东亚大槽偏强，异常风方向西北向东南，有利于寒潮向华南地区输送。

3）由于AO与寒潮的爆发次数有着较强的相关关系，在寒潮过程中冷空气的输送路径的确定可以为预报提供一定依据。AO与寒潮爆发路径分析结果表明，当AO指数高值年时，有由西太平洋到内蒙古的风场异常出现，不利于低层冷空气向南扩散，对于寒潮爆发有阻碍作用；当AO指数低值年时，冷气团输送异常从蒙古出发折向日本，在日本南部转向华南地区输送，另一路冷气团由西伯利亚出发，到青海一带折向广西输送，并在广西区域折向华南地区输送。

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Effect of Artic Oscillation on Cold Waves in Southern China

LI Cai-ling1，YU Guang-chang1，WANG Hua2
（1．Meteorological Bureau of Foshan City，Foshan 528000；2．Climate Center of Guangdong Province，Guangzhou 510080）

Abstract：With the NCEP/ NCAR reanalysis data for 1860 -2010 and daily minimum and mean temperatures from 548 weather stations across China during the same period，we analyzed the correlation between the times of cold waves outbreaks and paths of outbreaks and the Arctic Oscillation（AO）and studied its effect on the cold waves in southern China．The result is shown as follows．The AO index is negatively correlated with the times of cold waves outbreaks in southern China；when it is positive，the AO is weaker，cold waves have fewer outbreaks，a mid - level East Asian trough is weaker，and an anomalous southeasterly appears to make it hard for the cold air to spread southward，blocking the outbreak of cold waves，and when it is negative，the AO is stronger，the cold waves affecting the southern China are more frequent，the trough is stronger，and an anomalous northwesterly occurs to facilitate the southward spread of the cold air，strengthening the outbreaks of cold waves．As the AO is well correlated with the outbreak times of cold waves，the determination of cold air transporting paths during cold waves can be supportive to forecasting．As shown in an analysis of the relationship between the AO and the outbreak paths of cold waves，the anomalously strong AO years are accompanied with the transportation of anomalous low - level cold air masses while the anomalously weak AO years are not．In the former case，one route of cold air mass starts off from Mongolia and then diverts to Japan before traveling from the south of Japan to southern China，and the other route sets off from Siberia to pass Qinghai before diverting to Guangxi and then southern China．

Key words：climatology；Arctic Oscillation；southern China；cold waves；transportation of cold air mass

中图分类号：P46

文献标识码：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．003

收稿日期：2015 -08 -20

基金项目：佛山市气象局科学技术研究项目（201308）

作者简介：李彩玲（1881年生），女，硕士，工程师，主要从事短期天气预报工作。E - mail：35440483＠qq．com