1951—2017年冬季中国南方持续性冰冻雨雪事件的气候特征及其与环流异常的联系

孙晓娟,李驷焱,虞越越,郭栋,施春华

南京信息工程大学 大气科学学院/气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044

低温冰冻雨雪天气是我国冬季对人民生产生活影响较大的灾害之一,对交通、能源、农业、通讯、电力等造成严重的影响(麻巨慧等,2008;杨玮等,2011)。特别是我国南方地区,一旦发生持续性冰冻雨雪灾害,往往会造成巨大的经济损失。如:2008年1—2月,我国南方20多个省市在连续20多天遭受了冰冻雨雪袭击,造成的影响几乎涉及各行各业,直接经济损失之大、受灾人口之多为近50年来同类灾害之最(李双双,2015);2011年初,西南地区又发生了一次较强的冰冻雨雪过程;从2012年1月下旬开始的持续性极寒天气席卷了整个欧亚大陆,给多个国家带来严重的损失;而2016年1月中国发生的低温雨雪天气则导致19个省最低气温跌破历史极值;2018年我国多个地区出现了灾害性持续性异常天气,中东部地区出现多次大范围持续性雨雪天气。因此,对我国南方冰冻雨雪事件开展研究具有的重要的研究意义,对其成因机理研究已成为目前国际上备受关注的热点问题(Grumm and Hart,2001;张宁等,2008;Bueh et al.,2011;杨玮等,2011;江漫等,2014;彭京备和孙淑清,2019;武炳义,2019)。

2008年初我国南方持续性低温雨雪天气过程中,其最大连续低温日数、最大连续降雪量和最大连续冰冻日数均为1951年以来历年冬季的最大值,其强度则为百年一遇,引起了国内许多学者的高度关注(万素琴等,2008;杨贵名等,2008),大量的研究表明,蒙古高压、副热带高压、南支槽等大气环流系统的组合性异常是此次过程的直接成因(丁一汇等,2008;李崇银等,2008;李艳等,2012)。而类似的事件在历史上并非绝无仅有,王林等(2011)确定了1951—2008年我国南方19个强冰冻灾害年份及其过程,分析了其气候特征;Qian et al.(2014)给出了1951—2011年我国湿冷和持续性冰冻事件的时空分布特征,对其成因并未深入研究;事实上,冰冻雨雪事件往往具有区域性爆发特征(毛淑君和李栋梁,2015;田青等,2017),这可能与局地环流异常有关(孙晓娟等,2015),有必要进一步确定不同区域关键环流系统的差异,并且近10 a冰冻雨雪事件亦频发,众多学者相继对个例展开了研究(陈海山等,2012;苗青等,2016;彭京备和孙淑清,2019;Sun et al,2019;武炳义,2019),其普遍代表性仍需验证。因此本文旨在确定1951—2017年冬季我国南方强持续性低温雨雪冰冻事件,系统分析它们的时空特征、区划,并探究不同类型的冰冻雨雪事件的大气环流系统组合性异常因子。

1 资料和方法

1.1 资料

1)国家气象信息中心提供的753站1950—2018年逐日气温、降水数据(http://data.cma.cn)。

2)1950年12月—2018年2月NECP/NCAR逐日再分析资料,包括:1 000～300 hPa八个标准等压面的高度场、风场、比湿场,水平分辨率均为2.5°×2.5°(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)。

1.2 年冰冻指数

我国南方主要台站冰冻日定义为日平均气温小于1.0 ℃,且必须存在降水。若冰冻日持续3 d及以上则称为持续性冰冻雨雪天气过程(王海军等,2008)。

冰冻指数的计算如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

,1、,2、,3、,4分别为冰冻日数、过程降水总量、过程平均气温、过程最低气温4个因子平均值；为我国南方综合冰冻天气过程指数(简称冰冻指数)。利用计算年平均值(是对某一年冬季所有站点及过程的平均)，得到冰冻指数的逐年序列。本文利用该指数表征我国南方冰冻雨雪事件强度，用于确定1951—2017年冬季强冰冻雨雪事件发生年。

1.3 单站PTD指数

冬季气温-降水综合标准指数(PT指数)计算方法如下(Zhang et al.,2011):

(6)

(7)

1.4 K-means聚类

K-means算法通过把样本分离成个具有相同方差的类的方式来聚集数据,最小化称为惯量或簇内平方和的标准。主要过程如下:将一组样本划分成不相交的簇,每个都用该簇中的样本的均值描述，这个均值通常被称为簇的质心。计算方法旨在选择一个质心,能够最小化惯性或簇内平方和的标准

(8)

K-means聚类在分类之前需给出类的个数,本文使用簇内均方差(SSE)检验方法确定待定系数,即为类型个数。韩微和翟盘茂(2015)使用三种聚类方法对全国温度变化分区研究中均取得了较好结果,其中K-means聚类算法运算简单快捷,分类结果会不断修正到最佳为止。因此,本文使用该算法对我国南方冬季持续性冰冻雨雪事件进行区域划分。

图1 1951—2017年冬季冰冻指数的时间演变、线性趋势和累积距平(a)及谱分析(b)Fig.1 (a)Time evolution,linear trend and cumulative anomaly,and (b) spectral analysis of freezing index in winter from 1951 to 2017

2 我国南方持续性冰冻雨雪事件时空特征

2.1 我国南方持续性冰冻雨雪事件时间变化特征

受全球增暖的影响,1951—2017年我国持续性冰冻雨雪事件强度整体呈显著下降趋势,利用累积距平方法进行变化趋势分析,对变化趋势作检验,其中=-0.97、=0.16,||>,在=0.05的显著性水平下,1985年可视为冰冻雨雪事件的一个突变点,1951—1985年冬季冰冻雨雪事件强度偏强,20世纪80年代后处于偏弱状态(图1a),尽管如此,近年来我国南方仍存在异常强冰冻雨雪事件发生,如2007、2017年冬季。此外,我国持续性冰冻雨雪事件存在显著的2～3 a周期性变化(图1b)。

2.2 我国南方持续性冰冻雨雪事件空间分布特征

统计了1951—2017年冬季我国南方持续性冰冻雨雪事件发生频次、强过程平均PTD指数及每次过程的平均持续日数(图2),结果表明,除云南西南部、四川盆地、两广中南部以外,我国南方普遍存在持续性冰冻雨雪事件的发生。其中我国西南地区事件的发生频次高,达到了40次左右,而我国南方中西部地区发生频次较低,仅为10次左右(图2a);而一旦发生大范围的强持续性冰冻雨雪事件,北纬30°N左右的我国长江中下游及西南地区受灾最为严重(图2b);在西南地区的事件持续时间显著高于我国南方其他地区,平均为4 d左右,其次为我国南方的中部和东部地区,平平均持续日数为1～3 d,华南地区的事件平均持续时间最短,不足1 d(图2c)。

图2 1951—2017年冬季持续性冰冻雨雪事件频次(a;单位:次)、37次强持续性冰冻雨雪天气过程的中国南方标准化PTD指数(b)及37次强持续性冰冻雨雪事件的平均持续日数(c;单位:d/次)的空间分布Fig.2 Spatial distributions of (a)frequency of long-lasting freezing rain and snow events in winter from 1951 to 2017 (units:time),(b)standardized PTD index in southern China during 37 strong long-lasting freezing rain and snow weather processes,and (c)average duration days of 37 strong long-lasting freezing rain and snow events (units:d/time)

上述分析可知,我国南方西南区为持续性冰冻雨雪事件发生高频区,事件的持续时间最长,强度较强;南方中部及东部地区虽然事件的发生频次较低,但一旦发生强的持续性冰冻雨雪时间,该地区也是我国南方较严重受灾区。此外,华南、云南南部主要为未达到冰冻日标准的湿冷过程(平均气温未降至1 ℃以下),因此发生频次极少、平均持续日数极短、强度较弱。

3 我国南方强持续性冰冻雨雪事件的确定及区划

为减小全球气候增暖对近年来强持续性冰冻雨雪事件筛选的影响,首先对我国南方逐年冰冻指数进行去气候趋势处理,通过均值比较检验选取通过=0.01信度检验的前17个强冰冻雨雪事件年,结合持续性冰冻雨雪过程定义确定了37次强冰冻雨雪过程(表1),其中,事件发生过程为南方台站平均爆发日到结束日。

表1 1951—2017年冬季中国南方37次强持续性冰冻雨雪过程及区划

对37次强持续性冰冻雨雪过程单站PTD指数进行K-means均值聚类分析,根据SSE方法事件可分为3类(图3)。我国南方37次强事件中,第一类事件13次,其严重影响区集中在湖北省、安徽省、重庆市及周边地区,将其称为华中型持续性冰冻雨雪事件(105°～120°E,27.5°～35°N);第二类事件占比最小,仅5次过程,但影响范围却较大,涵盖了广西壮族自治区、广东省、江西省、福建省及周边地区,将其命名为华南型持续性冰冻雨雪事件(107.5°～122.5°E,20°～30°N);第三类事件为西南型持续性冰冻雨雪事件(100°～110°E,22.5°～32.5°N),主要影响西南地区的云南省、贵州省及四川省,在历史上发生的事件中强事件占比最大,共计19次过程(图4)。

图3 PTD指数分为n类的簇内均方差(a)以及K-means算法对强持续性冰冻雨雪事件的聚类结果(b;站点PTD值大于等于0.8倍的PTD)Fig.3 (a)Intra-cluster mean square deviation of PTD index divided into n classes,and (b)clustering results of strong long-lasting freezing rain and snow events by K-means algorithm (Scatters are the top 20 percent of PTD index)

图4 中国南方强持续性冰冻雨雪事件的区划结果:(a)西南型;(b)华南型;(c)华中型Fig.4 Division results of strong long-lasting freezing rain and snow events in southern China:(a)Southwest China type;(b)South China type;(c)Central China type

4 我国南方强持续性冰冻雨雪事件的环流特征

为持续性冰冻雨雪事件的前兆信号研究奠定基础,对三类事件的发生日环流异常进行了分析比较,由于事件在冬季的三个月均有发生,因此气候背景场取为1951—2017年冬季平均(12月—次年2月)。

4.1 西南型事件爆发日环流特征

由图5a知,西南型事件爆发日对流层500 hPa北部位势高度异常偏强(60°～120°E,50°～70°N),中心大于100 gpm,乌拉尔山-贝加尔湖上空的高压脊显著加强;亚洲大陆的低纬地区及东亚大槽存在显著负位势高度异常,南支槽及东亚大槽加深,形成东亚北高南低的环流形势,有利于中高层极区冷空气的欧亚大陆输送。850 hPa高压脊脊前的西北气流引导冷空气南下至我国南方30°N。

中高层极区冷空气向欧亚大陆输送使得底层的冷空气在西伯利亚地区堆积,1 000 hPa亚洲地区表现为大范围的显著正位势高度异常,其中心位于(90°E,60°N),蒙古高压影响范围显著扩大、强度加强,其220 gpm特征等值线穿过我国西南地区南伸至25°N左右,底层冷空气沿蒙古高压脊线向我国南方扩散,造成我国南方大范围的降温,导致西南地区气温较气候态偏低0～5 ℃(图5b)。

由事件爆发日的整层水汽通量及水汽通量散度(图5c)可以看出,事件爆发过程中北印度洋及孟加拉湾的暖湿空气由南支槽槽前的西南气流输送至我国西南地区并辐合,该区域内的水汽通量散度达到-2×10kg/(m·s);冷暖空气在我国西南地区汇合,气柱抬升,我国南方90°～110°E低层存在强烈的垂直上升运动(中心强度达-0.1 Pa/s),为冰冻雨雪事件提供了有利的水汽和动力条件(图5d)。

图5 西南型持续性冰冻雨雪事件爆发日的环流特征(黑色方框为持续性冰冻雨雪事件发生区域):(a)500 hPa平均位势高度异常(单位:gpm;填色通过95%置信度的显著性检验)及850 hPa风场(箭矢;单位:m/s);(b)1 000 hPa平均位势高度异常(单位:gpm;填色通过95%置信度的显著性检验)、220 gpm的蒙古高压特征等值线(红色等值线)及温度异常(黑色等值线;单位:K);(c)整层(1 000～300 hPa)水汽通量(箭矢;单位:kg/(m·s))及水汽通量散度异常(填色;单位:10-5 kg/(m2·s));(d)27.5°～35°N平均垂直风速的经度-高度剖面(单位:Pa/s)Fig.5 Circulation characteristics on the outbreak day of Southwest China type long-lasting freezing rain and snow events (Black box is the area where the long-lasting freezing rain and snow events occurred):(a)500 hPa mean geopotential height anomalies (units:gpm;Shadings show the anomalies passing the significance test at 95% confidence level) and 850 hPa wind field (arrows;units:m/s);(b)1 000 hPa mean geopotential height anomalies (units:gpm;Shadings show the anomalies passing the significance test at 95% confidence level),characteristic contour of Mongolian high of 220 gpm (red contour) and temperature anomalies (black contours;units:K);(c)water vapor fluxes (arrows;units:kg/(m·s)) and water vapor flux divergence anomalies (shadings;units:10-5 kg/(m2·s)) in the whole layer (1 000—3 00 hPa);(d)longitude-height profile of average vertical wind speed along 27.5°—35°N (units:Pa/s)

4.2 华南型事件爆发日环流特征

与西南型事件不同(图6a),华南型持续性冰冻雨雪事件爆发日,500 hPa欧亚大陆高纬地区不存在显著的正位势高度扰动,而东亚的中低纬度表现为显著负位势高度异常,南支槽加深,使得亚洲高纬地区的冷空气向低纬地区输送;由850 hPa风场可以看出,我国30°N以北的地区受大范围的西北气流控制,西北风影响至我国长江中下游地区。

在中低层西北气流的引导下,底层冷空气在西伯利亚-远东地区堆积,1 000 hPa的位势高度异常呈显著的三中心结构(巴尔喀什湖以北、贝加尔湖、鄂霍次克海),蒙古高压220 gpm特征等值线南伸至我国华南地区的北部(图6b);在异常偏强的蒙古高压不断向南扩张的影响下,冷空气侵入我国华南地区,使得该地区的气温较气候态偏低2～6 ℃。

华南型事件爆发日我国南海的水汽沿副热带高压西脊由西南方向输送到华南地区,南支槽带来的孟加拉湾的暖湿空气同时汇入华南地区,两支水汽在我国华南地区大范围辐合(图6c);最终,暖湿水汽与冷空气相会于华南地区,辅以大范围的垂直上升运动(图6d),在该地区形成冰冻雨雪的天气过程。

图6 华南型持续性冰冻雨雪事件爆发日的环流特征(黑色方框为持续性冰冻雨雪事件发生区域):(a)500 hPa平均位势高度异常(单位:gpm;填色通过95%置信度的显著性检验)及850 hPa风场(箭矢;单位:m/s);(b)1 000 hPa平均位势高度异常(单位:gpm;填色通过95%置信度的显著性检验)、220 gpm的蒙古高压特征等值线(红色等值线)及温度异常(黑色等值线;单位:K);(c)整层(1 000～300 hPa)水汽通量(箭矢;单位:kg/(m·s))及水汽通量散度异常(填色;单位:10-5 kg/(m2·s));(d)27.5°～35°N平均垂直风速的经度-高度剖面(单位:Pa/s)Fig.6 Circulation characteristics on the outbreak day of South China type long-lasting freezing rain and snow events (Black box is the area where the long-lasting freezing rain and snow events occurred):(a)500 hPa mean geopotential height anomalies (units:gpm;Shadings show the anomalies passing the significance test at 95% confidence level) and 850 hPa wind field (arrows;units:m/s);(b)1 000 hPa mean geopotential height anomalies (units:gpm;Shadings show the anomalies passing the significance test at 95% confidence level),characteristic contour of Mongolian high of 220 gpm (red contour) and temperature anomalies (black contours;units:K);(c)water vapor fluxes (arrows;units:kg/(m·s)) and water vapor flux divergence anomalies (shadings;units:10-5 kg/(m2·s)) in the whole layer (1 000—3 00 hPa);(d)longitude-height profile of average vertical wind speed along 27.5°—35°N (units:Pa/s)

4.3 华中型事件爆发日环流特征

华中型持续性冰冻雨雪事件的爆发日,与西南型类似,500 hPa乌拉尔山-贝加尔湖高压存在显著正异常、东亚-北太平洋存在位势高度显著负异常,乌拉尔山-贝加尔湖高压脊、南支槽及东亚大槽的加强,有利于极区冷空气的向南输送,850 hPa在120°E左右高纬冷空气径直向南方输送;此外,500 hPa我国东海地区存在显著正位势高度异常,西低东高的位势高度异常配置有利于我国南方上空南风加强,850 hPa的西南风向北影响至华中地区(图7a)。

图7 华中型持续性冰冻雨雪事件爆发日的环流特征(黑色方框为持续性冰冻雨雪事件发生区域):(a)500 hPa平均位势高度异常(单位:gpm;填色通过95%置信度的显著性检验)及850 hPa风场(箭矢;单位:m/s);(b)1 000 hPa平均位势高度异常(单位:gpm;填色通过95%置信度的显著性检验)、220 gpm的蒙古高压特征等值线(红色等值线)及温度异常(黑色等值线;单位:K);(c)整层(1 000～300 hPa)水汽通量(箭矢;单位:kg/(m·s))及水汽通量散度异常(填色;单位:10-5 kg/(m2·s));(d)27.5°～35°N平均垂直风速的经度-高度剖面(单位:Pa/s)Fig.7 Circulation characteristics on the outbreak day of Central China type long-lasting freezing rain and snow events (Black box is the area where the long-lasting freezing rain and snow events occurred):(a)500 hPa mean geopotential height anomalies (units:gpm;Shadings show the anomalies passing the significance test at 95% confidence level) and 850 hPa wind field (arrows;units:m/s);(b)1 000 hPa mean geopotential height anomalies (units:gpm;Shadings show the anomalies passing the significance test at 95% confidence level),characteristic contour of Mongolian high of 220 gpm (red contour) and temperature anomalies (black contours;units:K);(c)water vapor fluxes (arrows;units:kg/(m·s)) and water vapor flux divergence anomalies (shadings;units:10-5 kg/(m2·s)) in the whole layer (1 000—3 00 hPa);(d)longitude-height profile of average vertical wind speed along 27.5°—35°N (units:Pa/s)

中低层极区的冷空气在西北气流的引导下向我国扩散,使得低层冷空气在西伯利亚关键区堆积,1 000 hPa欧亚大陆40°～70°N区域呈显著正高度异常,蒙古高压偏强,其异常中心在巴尔喀什湖以北地区,而高压的东南侧无显著偏强,且1 000 hPa蒙古高压特征等值线220 gpm南缘仅影响至我国华北地区,受蒙古高压的活动的影响,底层的冷空气沿蒙古高压南侧脊线扩散至华北地区,对我国南方地区的气温影响不大,1 000 hPa温度负异常仅出现在我国的东北、华北,然而华中地区整体气温仍然较低(部分地区最低达到0 ℃),仍利于冰冻雨雪事件的发生(图7b)。

由整层水汽通量及水汽通量散度知(图7c),华中地区的水汽来源主要为南支槽槽前西南气流带来的孟加拉湾水汽以及副热带高压西脊带来的我国南海的暖湿空气,分别在华中区域的西侧和东侧辐合;低层(107°～120°E,27.5°～35°N)的强垂直上升运动(图7d)为降水过程提供动力条件,配合冷空气活动导致了华中地区持续性冰冻雨雪事件的发生。

综上所述,通过三类事件环流异常对比分析表明:我国南方持续性冰冻雨雪事件中,高纬度的环流特征均表现为有利于冷空气的向南扩散的形势;而造成事件存在地理位置差异的主要因素为低层冷空气的扩散范围不同和水汽来源、辐合带的差异。底层冷空气的扩散主要体现在蒙古高压的偏强和南进,三类事件蒙古高压强度均显著偏强,脊线向南延伸引导低层冷空气向南输送,其中西南型蒙古高压面积最大、南进最强;华南型次之;华中型事件蒙古高压面积小且中心位置最偏北。水汽输送主要受南支槽及副热带高压活动的调控,西南型事件水汽主要南支槽调控;华南、华中型事件受副热带高压及南支槽共同影响。

5 讨论和结论

1)我国南方年冰冻指数近年来存在减弱趋势,但仍然存在强的持续性冰冻雨雪事件发生;冰冻指数存在显著的2～3 a周期性变化趋势。事件多发于我国西南地区,我国南方的西南地区及我国长江中下游地区受强冰冻雨雪灾害最为严重。

2)根据冰冻指数及持续性冰冻雨雪事件定义,确定1951年冬季以来强冰冻雨雪强年及37次强冰冻雨雪事件。利用K-means均值聚类方法将我国南方持续性冰冻雨雪事件分为西南型、华南型、华中型三类。

3)我国南方持续性冰冻雨雪事件爆发日高纬地区的环流形势均有利于冷空气的向南扩散,其中三类事件东亚低纬度均出现显著负位势高度扰动,西南型、华南型乌拉尔山-贝加尔湖阻塞高压异常偏强,南支槽明显加深;低层蒙古高压均显著增强,其在我国的影响范围西南型最大、华南型次之、华中型最小;受蒙古高压活动差异的影响,西南型、华南型事件我国南方出现负温度异常,华中型事件仅在华中北部出现负温度异常;华中、华南型事件水汽输送由南支槽和副热带高压共同影响,西南型事件水汽主要由南支槽调控。

本文主要分析了我国南方地区持续性冰冻雨雪事件的时空特征,对其进行区域划分并给出各类事件爆发日的基本环流特征,确定其可能的致灾的关键环流因子,而对于各类事件过程中环流因子的持续影响过程及前兆信号研究尚未给出,有待进一步研究。