广西一次冷空气过程前后Rossby 波作用的对比分析

覃 皓

（广西壮族自治区气象台，南宁 530022）

引言

Rossby 波频散理论指出，西风带上Rossby 波能量向下游传播的速度可能快于其扰动本身，因此在扰动未到达时下游地区就有新的扰动发展［1］。该理论的提出加深了人们对大气内部动力过程的认识，推动了行星波动力学的发展［2］。近年来极端天气事件日益频发，大尺度的环流异常是众多研究关注的重点，而这之中大气内部行星波的活动扮演着重要角色［3－5］。

我国地处欧亚大陆东岸，由于“下游效应”，常受上游地区传播而来的Rossby 波影响［6］。上游地中海至里海地区激发的Rossby 波能量频散偏强时，我国南方地区上空高空急流在波流相互作用下增强，有利于出现降水正异常；而当波源区波能量频散偏弱时，Rossby 波能量以经向传播为主，有利于北方降水发展［5］。不仅如此，在亚洲急流出口区，Rossby 波能量频散能导致槽（脊）发展进而影响长江中下游地区的降水［7］。还有研究指出我国极端低温事件也与Rossby 波活动密切相关，当冬季欧亚大陆上空的瞬变Rossby 波活跃时，我国极端低温事件频发［8］。关于冷空气异常活动的动力学机制，许多工作则强调了Rossby 波列调控欧亚中高纬阻塞形势的贡献。可见，大气Rossby 波活动对我国天气气候具有重要影响。

广西位于我国低纬度地区，冬季受东北季风控制，降水较少。然而在2016 年1 月19—29 日广西出现了大范围的低温雨雪天气，多地气温突破历史最低值。此次冷空气活动过程分为两个阶段，第一阶段（19—25 日）以降温为主，雨雪较少，第二阶段（26—29 日）则转为明显降水，多个观测站突破建站以来1月份日降水极值［9］。关于此次过程的研究多关注于第一阶段的寒潮过程［10］，而对于后期降水激增的讨论较少。此外，两个阶段中大气环流存在明显差异，而大尺度形势的调整又与大气波动有关。因此，从大气内部动力学角度，讨论此次冷空气活动过程前后阶段Rossby 波作用的差异，加深对天气演变过程中波流相互作用的理解与认识。

1 资料和方法

采用美国环境预报中心和国家大气环境研究中心（NCEP／NCAR）的逐日再分析资料，分辨率2.5°×2.5°。美国大气海洋局（NOAA）提供的逐日北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）指数。

通过计算T-N（Takaya and Nakamura）波作用通量［11］来诊断大气Rossby 波能量的传播，并计算其散度以表征波动能量的汇聚和发散。相较于局地E-P（Elisassen-Palm）通量［12］以及Plumb 波作用通量［13］，T-N 波作用通量能更好地描述西风带纬向非均匀气流中较大振幅的Rossby 波扰动，对于北半球冬季对流层Rossby 波活动的诊断具有更好的适用性［14］，其表达式如下：

参考陈海山等［8］的方法，计算扰动动能K′＝（u′2＋v′2）／2，反映Rossby 活动的强弱和位置，其中u′和v′分别为扰动纬向风和扰动经向风。

2 冷空气过程概况

2016 年1 月18—19 日，500hPa 上欧亚中高纬为两槽一脊形势，乌拉尔山东侧为高压脊，向北伸展至65°N 附近。贝加尔湖东侧为一冷涡，伴随横槽从贝加尔湖向西南延伸至巴尔喀什湖，槽内冷空气堆积。20—21 日，乌拉尔高压脊向极发展，形成阻塞形势，阻高内暖空气挤压高纬度冷空气使其进一步向横槽内聚集。此时低层切变南压至华南北部，冷空气前锋开始影响广西，地面温度负距平达到-7～-4℃。22—23 日贝加尔湖东侧冷涡南压，横槽转竖，冷空气快速向南倾泻。24—25 日冷空气南下迅速，雪线直达南海。在这一阶段中，印缅槽在20 日前后由盛转衰。在21 日之后，低纬度地区孟加拉湾至广西一带的环流变得平直，一方面有利于冷空气快速南下，另一方面导致水汽经向输送减弱，最终使得过程带来的雨雪不明显，以降温为主。

26 日，广西仍为冷空气控制，但此时南支槽开始发展，位于95°E 附近。对流层低层850hPa 已由偏北风转为偏南风，风速达到急流标准。27—28 日高原短波槽与南支槽合并东移，欧亚低纬度区环流经向度增大，广西受南支槽前强盛西南急流控制，500 hPa 上风速超过30m·s-1。低层切变南压至广西中北部，冷空气与暖湿气流交汇造成广西中南部出现中到大雨。29 日南支槽发展东移至105°E 附近，槽前正涡度平流增强配合低层切变造成了广西东南部地区大暴雨量级的降水。30 日南支槽东移减弱，地面冷空气南压入海，过程结束。

可以看出，此次冷空气活动过程前后的两个阶段大气环流存在明显差异。第一阶段中高纬环流经向度大，阻塞形势明显，冷空气强势南下，而低纬度地区环流平直，水汽输送条件差，导致降温明显而降水较少。第二阶段低纬地区南支槽发展活跃，槽前暖湿气流强盛并与冷空气在广西交汇造成明显降水。

3 Rossby 波的调制作用

冬季欧亚大陆上空常有南北两支Rossby 波活动，分别调控了低纬以及中高纬环流形势的演变，在冷空气活动过程中扮演不同的角色［8，15］。下面进一步讨论这次过程前后阶段大气Rossby 波异常的影响。

3.1 Rossby 波活动对过程的影响

扰动动能反映了Rossby 波活动的强弱及位置。由扰动动能的分布可以看到，两个阶段中欧亚大陆上空均存在南北两支Rossby 波列（图1）。第一阶段中北支波列强度更强，由北大西洋上空途径东欧平原、乌拉尔山、贝加尔湖，一直到东亚沿岸都具有较强的扰动动能。相较而言，南支扰动动能小得多，从黑海至伊朗高原能量不断衰减（图1a）。第二阶段中，北支波列在贝加尔湖西侧仍然存在较高的扰动动能。南支波列相比第一阶段存在明显的增强，从地中海经阿拉伯海、孟加拉湾一直到我国华南地区均存在较强的扰动能量（图1b）。

图1 2016 年1 月19 日—22 日（a），26 日—29 日（b）500hPa 上K′分布（单位：m2·s－1）

通过计算T-N 波作用通量，可以更清楚地看到前后阶段中南北两支Rossby 波列能量的传播特征。在第一阶段中，北支波列能量由西欧地区向东传播，最终停滞于我国华北-东北一带，调控了中高纬度的两槽一脊形势，使欧亚大陆中高纬度地区上空高度距平呈“负-正-负”分布（图2a）。南支波列能量由地中海向东南方向传播，停滞于印度半岛，主要影响了低纬度地区的伊朗脊和印缅槽。第二阶段中北支波列能量从里海向东北方向的乌拉尔阻塞高压内传播，之后又转向东南方向，途径贝加尔湖冷涡后与南支波列在日本岛一带汇合，主要影响了阻高东移以及低涡入海。南支波列的能量传播与第一阶段不同，波能量在到达印度半岛后并未停滞，进一步东传至西北太平洋，调控了南支槽的东移发展，槽区内为-140～-100gpm 的高度距平（图2b）。

图2 2016 年1 月19 日—22 日（a），26 日—29 日（b）平均500hPa 位势高度（实线，单位：gpm）及其距平（填色，单位：gpm），波作用通量（箭矢，单位：m－2·s－2）

3.2 波活动通量逐日演变

图1、2 反映了前后两个阶段中Rossby 波活动的强弱以及分布特征，下面计算逐日的波作用通量及其散度，讨论Rossby 波作用随时间的演变情况。

2016 年1 月19 日，乌拉尔高压脊及其东北方向的高纬度横脊附近均有来自偏西方向的波作用通量，波能量在脊前辐合，这支起源于西欧冷涡附近的Rossby 波促进了后期乌拉尔阻塞以及横槽形势的建立（图3a）。在低纬度地区，另一支Rossby 波的波作用通量由地中海一带向东南方向指向印缅地区，促进印缅槽发展。20 日，中高纬波源区东移，乌拉尔高压脊发展强盛并开始向其东南方向频散波能量，波作用通量在下游辐合增强了贝加尔湖冷涡及横槽，有利于冷空气在此堆积（图3b）。与此同时，印缅槽东移至75°E 附近，槽前有暖湿气流向广西输送。到了21 日，贝加尔湖至我国华北一带基本为波作用通量辐合区，横槽达到最强盛时期（图3c）。低纬地区南支波作用通量开始减弱，这导致印缅槽随之减弱，印度半岛至华南一带的环流逐渐平直，向广西输送的水汽减少。22—23 日，横槽开始转竖，槽区波作用通量向南辐散，冷空气迅速南下（图3d）。总体而言，此阶段Rossby 波作用通量传播终点比常年更为偏南、偏西［15］，有利于寒潮爆发后影响区域更为偏南。

第二阶段的26 日，贝加尔湖冷涡已东移至130°E 附近，横槽转竖后位于我国黄海上空，槽后冷空气南下，但强度远不如第一阶段。然而此时南支扰动明显增强，中东槽发展强盛，槽内向东南方向频散的Rossby 能量在阿拉伯脊区内转向东传播，在孟加拉湾至华南地区辐合，使南支槽得以发展增强（图3e）。27 日中东槽东移，南支槽内波作用通量进一步增强，受波作用通量影响南支槽进一步发展，东移至95°E 附近（图3f）。此时低纬地区经向度增大，南支槽前西南急流为华南一带提供了充足水汽，广西中南部出现中到大雨。28—29 日，中高纬冷涡东移入海，低纬度地区受波能量影响有高原短波槽与南支槽合并东移至105°E（图3g－3h），冷暖空气在广西东南部交汇，配合槽前正涡度平流的抬升作用造成部分地区出现大暴雨。

图3 2016 年1 月19 日—22 日（a—d），26 日—29 日（e—h）500hPa 位势高度（等值线，单位：gpm），波作用通量（箭矢，单位：m－2·s－2）及其散度（填色）

综上所述，第一阶段中北支Rossby 波列调控了乌拉尔高压脊的发展以及横槽转竖，起到主导作用。而南支波列调控了印缅槽的减弱，使得低纬地区暖湿气流输送减弱，冷空气更易南下。第二阶段南支Rossby 波列起到了主要的调控作用，其促进了南支槽的发展东移。南支槽前的正涡度平流以及西南急流分别为此阶段降水提供了动力抬升以及水汽条件。

3.3 Rossby 波活动差异的可能原因

上述分析可知，北支和南支Rossby 波列分别在第一阶段和第二阶段中起到主要的调控作用。第一阶段中北支波列向东传播至东亚沿岸，而南支波列只能到达印度半岛一带，但是在第二阶段中后者却能东传至我国东部沿岸，这种差异的原因或许可以由上游波源区的环流异常解释。

北大西洋地区常为北半球冬季Rossby 波活动源区［16，17］，有研究表明，NAO 与该波源的活动密切相关［18］。当NAO 正位相时，北大西洋至地中海一带激发的南支波列向东南方向的波作用通量增强［17］，有利于波列传播至高原南侧一带。李纵横等［19］的研究也指出，冬季NAO 为负位相的年份中，向极传播并发生反射的北支Rossby 波列较强。然而较强的沿低纬度路径传播的Rossby 波列多出现在NAO 为正位相的年份，该波列沿着副热带急流波导传播，使得NAO 的影响可以东传至东亚地区。在此次过程中，从1 月7 日开始NAO 均维持负位相，而在1 月23日则转为正位相，这种位相的转变反映了大气环流异常的反转。进一步分析波作用通量，发现南支Rossby 波能量在1 月23 日开始增强，上游地区地中海一带存在较强的波作用通量。25 日波能量东传至了孟加拉湾一带，南支槽较前期有明显的增强，槽区内波作用通量辐合。可见，这种南、北支波列强度变化与NAO 位相转变的对应关系与前人研究得出的结论相符。因此，NAO 由负到正的位相转变可能是造成第二阶段南支Rossby 波列增强的原因。

4 结论

通过分析得出以下结论：

（1）冷空气活动过程前后两个阶段中大气环流存在明显差异。第一阶段中欧亚中高纬地区环流经向度大，阻塞形势明显，而低纬度地区环流平直，造成该阶段雨雪较少，以降温为主。第二阶段中欧亚低纬地区环流经向度增大，南支槽发展活跃，冷暖空气在广西交汇造成明显降水。

（2）两个阶段中欧亚大陆上空均存在南北两支Rossby 波列。第一阶段中北支Rossby 波列调控了乌拉尔高压脊的发展以及横槽转竖，起到主导作用。而南支波列调控了印缅槽的减弱，使得低纬地区暖湿气流输送减弱，南北两支波列协同使得冷空气更易南下。第二阶段南支Rossby 波列起到了主要的调控作用，其促进了南支槽的发展东移，为此阶段降水提供了动力抬升以及水汽条件。

（3）NAO 与南北两支Rossby 波列的活动密切相关，NAO 由负到正的位相转变可能是造成第二阶段南支Rossby 波列增强的原因。