2014年夏季长江流域持续性低温的大尺度环流异常

杜雪婷　陆尔　赵玮

摘要 采用中国地面站气温逐日观测资料、NOAA全球逐日海表温度资料，及NCEP/NCAR的全球日均再分析资料，研究了2014年持续性低温的三维结构及大尺度环流异常。结果表明，2014年的低温异常，除了在陆地上区域性地出现在长江流域，还以大尺度带状的形式、从陆地延伸到海洋上。这种带状异常不只出现在近地面，在大气各层（925～500 hPa）都能看到。分析指出，大气中的这个低温带主要由高纬大气环流异常造成。在位势高度场上，最重要的异常出现在高纬60°N，有呈带状的位势高度正距平，它引导（距平意义上的）偏北气流从正北和东北偏东方向侵入，在其南侧形成一带状的偏低温区。大气各层均呈现出这种在高纬有位势高度正距平、相应地在稍南的低纬（40°N）有位势高度负距平、两者之间为低温区的分布特征。从低层往上，这种配置型式整体表现出由南往北的倾斜，其垂直剖面表现为距平意义上的、大尺度、类似于锋面的倾斜结构。文中用简单的概念模型对此进行理解，认为这种结构是由大气动力异常和热力异常相互影响、共同作用而形成的。

关键词持续性低温事件;大气环流异常;三维结构;维持机制

气候变化与人类的生存和发展息息相关，是当前国际社会普遍关注的问题。在全球变暖的背景下，气候极端事件有增多的趋势，这不但体现在降水量上，也体现在气温上。对大部分地区而言，高温事件有频繁发生的趋势，但低温事件也不时出现。在长江流域的夏季，2013年的持续性高温事件和2014年的持续性低温事件是近年来的两个重要个例。

高温热浪天气不但给人类的日常生活带来极大影响，而且会加重旱情，对农业生产造成危害。针对高温热浪的监测、形成机理和预测，许多学者进行了大量研究。结果表明，大范围的持续气候异常同大气环流的长时间异常密切相关（焦敏等，2019;张芳华等，2019）。西太平洋副热带高压是一个重要的系统，它对中国夏季的高温有较直接的作用（杨辉和李崇银，2005）。当它强度偏强、西伸北跳时，会导致长江流域出现高温天气（陶诗言和徐淑英，1962;陶诗言和卫捷，2006;彭京备等，2007，2016;龚志强等，2014）。南亚高压也是一个重要的系统，它与西太平洋副热带高压密切相关，两者的活动存在明显的“相向而行，相背而去”的特点（唐恬等，2014;谭晶等，2005;严文莲等，2012;王羱等，2015;彭京备等，2016）。大气环流的异常通常进一步地归因于海温的异常（宋耀明等，2019;李经纬等，2021）。一般认为，热带西太平洋海温的升高，通过影响副热带环流系统，会造成南方地区温度偏高。此外，印度洋和太平洋海温的异常，也有利于南方地区出现高温（隋翠娟等，2014）。

在夏季，持续性的低温会有双重的影响。夏季凉爽的天气对人们的日常生活大体是有利的;但夏季持续的低温天气会影响农作物的生长发育，使农业减产（金志凤等，2001;张蕾等，2014）。与高温事件相比，过往针对夏季低温的研究相对较少。已有的一些研究表明，西太平洋副热带高压的强度偏弱和南移东退、及相应的东南夏季风的减弱是造成南方地区低温的直接原因（蔡佳熙等，2009;管兆勇等，2010）;而西太平洋暖池变冷、印度洋海温偏暖及厄尔尼诺的作用，可能会导致副高的持续偏南（黄荣辉和孙凤英，1994;崔童等，2015）。大气环流异常也与陆面过程的作用有关，极端气候事件与陆面过程的异常存在一定的联系，土壤湿度、蒸发量的变化可通过陆-气相互作用，导致地面温度的变化（Gao et al.，2018）。此外，云量、温室气体、气溶胶也都可通过影响辐射平衡，导致地面气温的异常（Cess et al.，2001）。降水也可通过影响土壤湿度、蒸发，改变潜热和感热的分配，而降低雨区的地表气温（陈隆勋等，2004;Xie et al.，2016）。

近30年来长江流域夏季气温呈现出增暖趋势，低温事件大多出现在20世纪80、90年代，而2014年的持续低温是21世纪高温事件频发背景下最为严重的低温事件，其严重程度与80年代末的低温年相当，因此2014年的环流特征必有其特殊性。本文研究2014年夏季长江流域夏季持续性的低温事件，旨在弄清这次事件是在怎样的大气环流异常的背景下形成的。通过分析大气环流和大气状态异常的三维结构，关注如下的一些基本问题：这次的低温异常是区域性的还是大范围的？低温异常只出现在近地层，还是在大气的中高层也存在？大气环流的异常对于低温事件的形成和维持具有怎样的作用？大气的动力和热力异常是如何相互影响的？

1 资料

本文分析所采用的数据包括：1）中国地面气候资料日值数据集中的台站气温和降水资料，数据集包含了基准地面气象观测站及自动气象站在内的753个站点1986—2015年的逐日数据集资料;2）由美国NCEP/NCAR提供的1986—2015年间的全球日平均再分析資料，格点逐日资料包括17层等压面的位势高度、温度、风等气象要素，空间分辨率为2.5°×2.5°;3）由美国NCEP/NCAR提供的1986—2015年间的全球日平均地面温度资料，空间分辨率为2.5°×2.5°;4）由美国NOAA提供的1986—2015年间高精度的全球逐日海表温度资料，空间分辨率为0.25°×0.25°。其中，气候平均态指1986—2015年这30 a的平均。

2 低温事件概况

Lu et al.（2017）对极端降水事件进行时空监测检测的方法可用于细致确定持续性事件的维持时段和影响范围。对2014年的这次低温事件，业务部门已确定出了事件维持的时段和影响的范围，偏低温过程主要出现在6月16日—8月31日、长达77 d的时段内。从图1a可看出，这次事件大体包含4次过程。如图1b所示，偏低温过程可影响到除东北、新疆、广东等以外的全国大部分地区。其中影响最强的（负距平大值区）是长江流域，从川渝地区至长江中下游地区呈一明显的带状分布，其范围为104°～121°E、27°～34°N。

2014年的持续低温过程是近十几年来少有的低温事件。1986—2015年研究区域夏季逐年平均气温距平（图2）反映了该区域气温变化的整体趋势，可以看出，在80年代中期至90年代，该区域气温处于相对冷期，在此之后气温逐渐升高，处于相对暖期。自2000年以来，高温现象频繁发生，而2014年是近年来最为严重的低温年，其程度与80年代末的低温年相当。

对于持续性的气温异常事件，通常都会强调海洋的作用。为了同时反映出近地层陆地和海洋上温度的异常，绘制低温期（6月16日—8月31日）的温度距平分布（图3）。其中，陆地上使用观测的近地面气温，而海洋上使用观测的海表温度。由图3可见，2014年近地层大气的气温偏低不只是出现在长江流域一带的陆地上，还以带状的形式一直延伸至西北太平洋上。海洋温度负距平的大值区与陆地上的温度负距平大值区相连成一条明显的低温带。

上述近地面陆地和海洋之间的低温带，似乎表明陆地和海洋之间可能存在着某种联系。但这样的大尺度的低温带，很难是由海、陆之间直接的热力作用所造成的。为此，进一步分析近地层以上的大气环流和大气状态的异常。

3 大气低温带的维持与高纬大气环流的异常

为了进一步考察大气中各层的温度异常，用再分析资料绘制低温期间各层的气温及其距平分布（图4）。用再分析资料绘制的地面平均温度距平与用台站观测资料绘制的地面平均温度距平相似，陆地、海洋上的温度负距平大值区在近地层成带状，该低温带从长江流域的陆地上一直延伸到西北太平洋上。

在近地层以上的大气各层（925～500 hPa），长江流域附近的陆地和西北太平洋的海洋之间都存在着这样一条低温带，与近地层的低温带相似，陆地的温度负距平大值区与西太平洋温度负距平大值区相连成带状分布。进一步分析发现，上述低温带从低层到高层有明显的整体向北倾斜的趋势。

上述的低温带主要是由大气环流的异常造成的。由图5可见，在位势高度的距平（925 hPa）上，最重要的异常出现在高纬地区。高纬地区有大范围、成带状的位势高度的正距平，这能在距平意义上引导偏北气流在位势高度正距平南侧从东东北向西西南输送。在这个带状区域内，位势高度正距平的大值区还可进一步地分裂成东、西两个中心。因此，偏北气流南下的路径可以有两个：一个是从正北方向南下到长江流域，但更多的是从东北偏东方向、以准纬带的方式向西西南方向侵袭，到达长江流域。这样的两个路径在逐日的风场距平图上，可以更清楚地反映出来（图略）。持续的偏北气流造成了该带状区域的偏低温，这个低温区出现在高纬位势高度正距平的南侧。从图5看到，相应于高纬（45°～65°N）的位势高度正距平，在稍南的位置（30°～40°N）是带状的位势高度负距平区，偏低温区正好位于位势高度正距平区和位势高度负距平区的中间。

比较500 hPa以下的各层，环流异常和气温异常都呈相似的分布，即在高纬区域有大范围的、带状的位势高度正距平，在稍南的位置有位势高度负距平，偏低温区位于它们之间。进一步的比较发现，这种“正距平-低温带-负距平”的型式，从低层到高层整体地向北倾斜。

4 垂直倾斜结构的热力异常及维持机制

为了更清楚地考察上述这个大尺度的垂直倾斜结构，取90°～180°E作平均，绘制位势高度距平、经向风距平、温度距平的纬度-高度剖面（图6）。在位势高度距平的垂直剖面上，可看到在60°N附近有一个正距平中心，在40°N附近有一个负距平中心，正、负距平中心随高度明显往北倾斜。在经向风距平的垂直剖面上，经向风的负距平中心出现在位势高度的正距平区和负距平区的中间。经向风负距平的大值中心在500 hPa以下的连线，与位势高度距平剖面上高纬正距平和稍南纬度负距平之间的零线，两者相当吻合。相应于这个由偏北气流所造成的经向风的负距平区，在温度距平的垂直剖面上，表现为温度的負距平区，两者在925～500 hPa非常吻合，两者的负距平大值中心的连线也非常接近。综合来看，在垂直剖面上，这三个距平量整体表现出了一种大尺度的、类似于锋面的垂直倾斜结构。

在经向风距平的垂直剖面上，偏北风最大出现在低层。这可能是偏冷空气活动和类似锋面特征的一种体现。同时，作为平均的状态，低层经向风较强，高层纬向风较强。在温度距平的垂直剖面上，降温的大值区出现在高层。这可能是由于在低层，大气受环流的影响较小、受下垫面的动力学和热力学的影响较大，不容易产生大的年际变化。对于高层的自由大气，气温较地面低，容易产生较大的温度年际变化。

图5和图6的分析表明，大范围、带状的温度负距平区及与之相关的北侧的位势高度正距平带和南侧的位势高度负距平带，从近地层往上整体性地呈现出由南往北的倾斜。分析表明，这个倾斜结构是由大气的动力（偏北风）异常和热力（高度和温度）异常的相互影响而形成的，可以通过图7所示的简单概念模型进行理解。

高纬度的位势高度正距平区是高度场上最重要的异常系统，它引导偏北气流从正北方、特别是从东北偏东的方向侵入。受其强迫影响，在该位势高度正距平区和较低纬的位势高度负距平区之间形成了持续性的偏低温带。在图7中，将这三个异常带示意性地标在925 hPa层上。

该偏低温带的持续维持，使该区域的空气柱厚度减小，等压面降低，导致该区域的大气在这个大气层的上方（850 hPa）产生出一个位势高度的负距平区。据此，从较低层到较高层，位势高度的负距平区便出现了由南向北的倾斜。受该位势高度负距平区的强迫影响，北侧的位势高度正距平区相应地被推到了更高的纬度。于是，由该位势高度正距平区引导偏北气流南下所造成的偏低温带也相应地到达了更北的纬度。由此，从低层往上，三个异常带都整体性地发生了向北的倾斜。

上面是一个基于简单概念模型的理解。实际上，低层和高层是相互影响的，它们的关系可能更多的是一种同期的关系。本文所揭示的在距平意义上，温度异常的垂直倾斜结构可能是高层和低层共同作用造成的。

5 总结与讨论

2014年夏季的低溫事件是近年来的一个重要个例，本文对这次持续低温期间的大气环流和大气状态的异常特征进行了探讨，主要结论如下：

1）2014年的低温异常不只是区域性地出现在长江流域的陆地上，它还以大尺度、呈一带状的形式，从我国长江流域的陆地上一直延伸到北太平洋的中部。这种带状异常不只出现在近地面，在大气各层（925～500 hPa）都呈现出相似的特征。

2）大气中的这个低温带主要是由高纬度大气环流的异常造成的。在60°N附近有一大范围的、呈带状的位势高度正距平区。受其引导，偏北气流可从正北方向（中西伯利亚附近）、特别是从东北偏东方向（鄂霍次克海附近）侵入，由此在紧邻其南侧的区域（45°～55°N）形成了一个同样也为带状的偏低温区。

3）这个偏低温带和它北侧的位势高度正距平带、及南侧的位势高度负距平带，从低层到高层，它们整体地表现出由南往北的倾斜，其垂直剖面呈现为距平意义上的、大尺度、类似于锋面的倾斜结构（但不是通常所指的锋面）。这样的结构是由大气的动力异常和热力异常相互影响、共同作用而形成的。文中用简单的概念模型对此进行了理解。实际上，低层和高层之间可能更多的是一种同期的、相互影响的关系。本文所揭示的距平意义上、温度异常的垂直倾斜结构可能是高层和低层共同作用造成的。

本文旨在弄清这次低温事件的大尺度大气环流异常的特征。通过逐步的分析，已经对这次低温事件大气异常的维持形成了较清晰的、立体的物理图像。即低温带不只是局限在长江流域，它是大范围带状的;它不只是在近地层，大范围的低温带在大气各层都有;这些低温带都与其北面的位势高度场的带状正距平异常有关;各层的低温带从低层到高层有向北倾斜的特征;这样的特征通过简单的模型是可以理解的。

根据以上三维结构的分析，认为这次低温事件主要是由大气环流和大气状态的异常造成的，降水和云等的作用叠加在其上，可能也有一定贡献。在陆地雨区，因有较多的能量用于蒸发，以感热形式加热大气的能量会偏少。2014年夏季西太平洋副热带高压位置偏南，雨带位置也偏南，研究区域内只有一小部分地区降水偏多。依大气能量方程，局地温度的变化，既与水平方向大气环流的平流输送有关，也会在垂直方向上受到云、温室气体、气溶胶等辐射作用的影响。同时，这些大气成分的空间分布也会受到大气环流的影响。大气环流可进一步地受大气外强迫的影响，包括海温、海冰、积雪、高原热力、甚至火山活动等。每个因子影响大气环流的机制不同，它们的相对重要性也会不同。这些重要的问题将在后续工作中具体研究。

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DU Xueting，LU Er，ZHAO Wei

Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Despite the high temperatures associated with the warming climate，there are also occurrences of low temperatures.A persistent low temperature in summer 2014 is typical of recent years.The three-dimensional structure of the low temperature and anomaly in large-scale circulation is investigated using station observations of temperature over China，NOAA observations of sea surface temperature，and NCEP/NCAR reanalysis data.It has been shown that the low temperature anomalies in the near-surface layer are not only regionally located in the Yangtze River Basin，but can extend to the ocean in a large-scale belt pattern.The abnormality belt is not only visible near the surface，but also at all atmospheric levels （925—500 hPa）.Based on the analysis，the low temperature in the atmosphere is largely due to anomalous systems at high latitudes.In the geopotential height field，the belt-like positive anomalies at 60°N may induce the inflow of colder-than-normal air in its southern region from the north or northeast.At all levels，the geopotential height shows positive anomalies.Accordingly，there are negative geopotential anomalies at low latitudes （40°N）.A region of low temperatures lies between them，and all levels exhibit this distribution pattern.There is an overall tilt in these systems from the near surface to the upper levels，resulting in a large-scale front-like vertical cross-section，which a simple conceptual model can explain.The vertical structure may be maintained by the interaction between the dynamics and thermodynamics in the atmosphere.

persistent low-temperature event;anomalous atmospheric circulation;three-dimensional structure;maintenance mechanism

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180320001

（責任编辑：刘菲）