浙江一次强雨雪过程大气环流特征及成因分析

许金萍，刘 琨，李 云

（1.浙江省安吉县气象局，浙江 安吉 313300；2.广东省深圳市气象局，广东 深圳 518040）

引言

低温、雨雪和冰冻都是冬季常见的气象灾害，当它们同时出现或以不同组合形式一起发生，会明显加重致灾程度［1］，特别是我国南方地区，一旦发生持续性雨雪冰冻灾害，往往会造成巨大的经济损失，更对人民生产、生活带来极大影响［2-3］。雨雪冰冻天气是在多天气系统综合作用下产生的，形成机理复杂，因而预报难度大［4-7］。研究表明，北极涛动（arctic oscillation，AO）的异常活跃、高纬度地区阻塞形势长期维持、青藏高原以南低纬地区南支气流活跃以及西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）的增强西进等是造成我国南方地区冬季低温雨雪冰冻天气的重要原因［5-11］。MJO（Madden-Julian Oscillation）作为热带大气季节内变化的主要模态对我国阶段性、持续性和频发性的高影响天气气候事件的形成及发展起着重要作用［12-22］，热带MJO对流强迫可通过遥相关的方式引起亚欧中高纬度地区环流异常，进而影响东亚地区天气气候变化［16-18］。当MJO对流在热带印度洋活跃时，我国降水量随季节由南向北呈现递减，而当MJO对流位于海洋性大陆地区时，秋、冬季我国东部和高原大部分地区降水异常偏少［20］。

以往针对雨雪冰冻天气的研究为本文研究提供了基础，但在全球气候变暖的大背景下，我国南方地区冬季雨雪冰冻天气及其造成的影响等均呈现了新的特点。2018年1月我国多地出现灾害性持续异常天气，其中2018年1月24—28日浙江地区出现罕见持续雨雪天气，造成全省受灾人口36万［23］，农作物受灾面积11.57万hm2，直接经济损失17.3亿元人民币。通过对复杂天气总结分析，把握相关预报的主要方法，是精准气象预报预警工作的重要前提，可为科学防灾减灾能力的提高提供有利支撑，为此本文利用2018年浙江省75个国家级气象观测站的逐日降水、雪深等资料，NCEP/DOE再分析资料及MJO指数，对此次浙江地区连续雨雪过程特征及环流形势进行分析，并试图从热带MJO演变及遥相关配置与Rossby波能量频散的角度揭示其可能形成机制。

1 资料与方法

1.1 资料

选用资料包括：（1）国家气象信息中心提供的浙江省75个国家级气象观测站1981年1月至2018年3月地面观测资料，包括小时降水量、雪深、气温；（2）NCEP/DOE提供 的1981年1月至2018年3月1000～10 hPa共17层等压面的风场、高度场、温度场、气压场，1000～100 hPa共12层的垂直速度场，1000～300 hPa共8层的相对湿度场及向外长波辐射（outgoing longwave radiation，OLR）场，空间分辨率为2.5°×2.5°的逐日再分析资料；（3）中国气象局国家气候中心ISV/MJO监测和预测系统［24］（IMPRESS 2.1）提供的由WHEELER等［25］提出的基于GRAPES和FY3D_OLR数据计算的RMM（Real-time Multivariate MJO）指数资料；（4）NOAA提供的逐日最优插值海温分析数据（OISSTv2），水平空间分辨率为0.25°×0.25°。气候平均值选取时段为1981—2010年。

文中附图涉及的地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS（2022）1873号的标准地图制作，底图无修改。

1.2 方 法

利用三维波作用通量来描述Rossby波的能量频散特征。三维波作用通量计算公式［26］如下：

式中：（m2·s-2）是三维波作用通量；ψ'（m2·s-1）是准地转流函数；u'、v'（m·s-1）为纬向风、经向风扰动，u＇x、u＇y（m·s-1）为u＇在直角坐标系x轴及y轴上的投影，v＇x（m·s-1）为v＇在直角坐标系x轴上的投影；u、v（m·s-1）为纬向风及经向风气候平均场；p（hPa）为气压；Ra=287 J·kg-1·K-1是干空气气体常数；f0=2Ωsinφ（s-1）为科氏参数，Ω（rad·s-1）为地球自转角速度，数值等于7.292×10-5，φ（°）为地理纬度；H0（m）为标高；T＇（K）为温度，T＇x、T＇y（K）为温度T＇在直角坐标系x轴及y轴上的投影；N2（s-2）是Brunt-Vaisala频率。

2 气象要素实况

2.1 降水量及雪深

2018年1月24—28日浙江省出现大范围连续性雨雪天气，截至28日20：00（北京时，下同）全省平均累计降水量为36.2 mm，其中德清县最大61.3 mm，其次安吉县57.1 mm、萧山55.6 mm［图1（a）］。全省共有31个县（市、区）出现积雪，主要分布在浙北，最大积雪深度平原10～20 cm、山区20～35 cm，其中国家级气象观测站最大积雪深度长兴22 cm，其次德清19 cm、湖州18 cm；山区煤山最大35 cm、其次莫干山31 cm［图1（b）］。主要强降雪过程出现在1月24日夜间至26日凌晨、27日白天到夜间。

图1 2018年1月23日20：00至28日20：00浙江累计降水量（a，单位：mm）与最大积雪深度（b，单位：cm）空间分布Fig.1 The spatial distribution of accumulated precipitation（a，Unit：mm）and the maximum snow cover depth（b，Unit：cm）in Zhejiang from 20：00 BST 23 to 20：00 BST 28 January2018

2.2 气温

降雪结束后，浙江省出现大范围低温冰冻天气过程，其中位于浙北的湖州地区灾情最为严重。由逐日最低气温变化［图2（a）］可以看出，30日湖州地区最低气温普遍降至-7℃以下，其中安吉县-9.1℃、部分山区低于-12℃，直到2月9日才逐渐上升至-2℃。就平均气温而言［图2（b）］，1月24日至2月8日湖州各站平均气温均低于0℃，较历史同期偏低4℃左右，其中德清县平均气温-0.3℃，为该时段历史极端最低值；安吉县平均气温-0.9℃，是历史极端次低值。雨雪过后持续低温，致使冰雪不易消融、灾害影响时间长。

图2 2018年1月22日至2月10日湖州地区逐日最低气温（a）及1月24日至2月8日及历史同期平均气温（b）Fig.2 The daily minimum temperature from January 22 to February 10，2018（a）and average temperature from January 24 to February 8，2018 and during historical corresponding period（b）in Huzhou

3 环流形势

3.1 位势高度场

通过对降雪期间高空环流形势演变（图3）进行分析，发现此次降雪过程属于典型的“阻高横槽型”，在乌拉尔山附近阻塞高压长期维持，呈现气压正异常，异常中心强度超过25 dagpm。2018年1月24日及26日500 hPa［图3（a）、图3（c）］日本海至鄂霍茨克海附近及蒙古西部地区有横槽，我国新疆北部至长江中下游地区存在着广泛的西北风带，引导冷空气南下，与此同时横槽不断分裂成小槽南下，叠加孟加拉湾北侧东移的南支槽，致使西南暖湿气流发展强盛。850 hPa［图3（b）、图3（d）］阿留申低压及西南涡之间有一西北—东南向切变维持，浙江地区处于其中，造成第一轮雨雪天气。27日500 hPa［图3（e）］，横槽稳定发展，南支槽东移至孟加拉湾东部地区，700 hPa西南急流加强（图略），850 hPa［图3（f）］低涡东移，西北—东南向切变转为东西向切变维持在江淮地区，冷暖气流交汇导致新一轮雨雪天气出现。28日500 hPa［图3（g）］贝加尔湖附近阻塞高压南落，中国东北冷涡后部西北气流引导阻塞高压北部冷空气迅速南下，850 hPa［图3（h）］转为西北气流，浙江地区雨雪渐止转为晴冷天气。

图3 2018年1月24日（a、b）、26日（c、d）、27日（e、f）、28日（g、h）平均500 hPa（a、c、e、g）和850 hPa（b、d、f、h）风场（风矢，单位：m·s-1）、位势高度（等值线，单位：dagpm）及其距平（彩色填色区，单位：dagpm）Fig.3 The 500 hPa（a，c，e，g）and 850 hPa（b，d，f，h）wind field（wind vectors，Unit：m·s-1），geopotential height（contour，Unit：dagpm）and its anomaly（color shaded areas，Unit：dagpm）in January 24（a，b），26（c，d），27（e，f）and 28（g，h），2018

3.2 风场

不同风场的配置对降水落区影响重大，通过对浙江地区降雪前后风场演变特征进行分析，发现降雪前期1月19—23日［图4（a）］，浙江地区位于副热带西风急流中心，受平直西风气流控制，位于急流大风中心区域，同时受下沉气流控制，不利于降水产生。1月24—28日［图4（b）］随着中国东北—东西伯利亚地区上空的气旋发展东移，气旋后部西北冷空气南下渗透至30°N以南地区，此时急流南侧位于西北太平洋地区的反气旋环流沿中国南海向西延伸至孟加拉湾地区，致使暖湿气流能有效输送至长江流域。通过经向垂直环流距平［图4（d）］可以看出，10°S以南存在异常上升气流，而30°N以北呈现异常下沉气流，整体Hadley环流偏强，10°S—30°N自南向北呈现三级局地异常经向环流，浙江地区位于冷暖气流交汇区，其所在区域上空受异常上升气流控制，是持续雨雪天气形成的必要动力条件。

1月29日至2月7日［图4（c）］，位于鄂霍茨克海附近的气旋系统东移南压，南部副热带高压反气旋也有所分裂、南压，浙江地区转为强西北冷空气控制，加之下沉气流影响，进而转为雪后晴朗低温冰冻天气。

图4 2018年1月19—23日（a）、1月24—28日（b）及1月29日至2月7日（c）600 hPa风场（箭矢，单位：m·s-1）及垂直速度场ω（彩色填色区，单位：m·s-1），2018年1月24—28日119°E—123°E平均经向垂直环流距平（箭矢，单位：m·s-1，其中ω放大了100倍）及平均纬向风距平（彩色填色区，单位：m·s-1）（d）Fig.4 The 600 hPa wind field（arrow vectors，Unit：m·s-1）and vertical velocity（color shaded area，Unit：m·s-1）from January 19 to 23，2018（a），from January 24 to 28，2018（b），from January 29 to February 7，2018（c），and meridional vertical circulation anomaly averaged over 119°E-123°E（arrow vectors，Unit：m·s-1，vertical velocity is magnified 100 times）and mean zonal wind anomaly（color shaded areas，Unit：m·s-1）from January 24 to 28，2018（d）

3.3 水汽分布

水汽输送的路径及源汇与降水的分布关系密切［27］。从2018年1月24日至2月7日浙江地区发生雨雪冰冻事件水汽输送场分布的变化可以看出：降雪期间有沿西太副高边缘自孟加拉湾经中国西南地区向大陆东部输送的水汽带，浙江地区上空整层水汽通量超过150 kg·m-1·s-1［图5（a）］，呈现水汽通量正距平［图5（c）］，且水汽通量散度及其距平均呈现正异常［图5（e）］，说明浙江地区上空水汽充足且辐合强烈，是雨雪天气能够长时间维持的重要条件。

降雪过后冷空气加强、暖湿气流减弱，随着西太副高的减弱、东退，源自西北太平洋的水汽无法有效向北输送，浙江地区的水汽通量迅速减弱至50 kg·m-1·s-1左右［图5（b）］，且呈现水汽通量负距平［图5（d）］，其东侧呈现一个水汽的出口区，配合异常辐散带控制［图5（f）］，是该段时间降水停止、低温维持的重要原因。

图5 2018年1月24—28日（a、c、e）、1月29日至2月7日（b、d、f）对流层整层水汽通量（a、b）、850 hPa水汽通量距平（c、d）（单位：kg·m-1·s-1），850 hPa水汽通量散度（彩色填色区）及其距平（等值线）（单位：10-9 kg·hPa-1·cm-2·s-1）（e、f）［图5（a、b、c、d）中灰色矩形方框为图5（e、f）范围］Fig.5 The whole troposphere water vapor flux（a，b）and 850 hPa water vapor flux anomaly（c，d）（Unit：kg·m-1·s-1），850 hPa water vapor flux divergence（color shaded area）and its anomaly（isoline）（Unit：10-9 kg·hPa-1·cm-2·s-1）（e，f）from January 24 to 28（a，c，e）and from January 29 to February 7（b，d，f）in 2018［The grey rectangular boxes in Fig.5（a，b，c，d）are range of Fig.5（e，f）］

4 MJO与雨雪异常的可能联系

MJO通过对流异常强迫及遥相关响应对热带外垂直环流异常及东亚重要天气系统维持起重要作用。2018年1月有一次强热带MJO事件向东发展，图6（a）是MJO指数（http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_mjo_impress.php？product=OBS.）对这次MJO过程的监测，可以看到1月开始MJO从印度洋向西太平洋传播（1月17日位于第4位相，22日转为第5位相，27日转为第6位相，2月1日转为第7位相），MJO在整个传播过程中强度比较强，值得注意的是1月25日以后，MJO由海洋大陆区域向东传至西太平洋地区，MJO指数振幅超过2，甚至超过3。由15°S—15°N平均850 hPa纬向风距平场及RMM（http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_mjo_impress.php？product=DIG.）指数时间-经度剖面［图6（b）］可以看出，热带地区2018年1月存在明显纬向风及MJO指数自印度洋向太平洋传播的特征，且强度异常偏强。

OLR场可以表征对流活动，通过对雨雪过程前后OLR距平场的演变进行分析发现：MJO向东传播过程中，OLR场的演变亦呈现东传特征。由图6及图7（a）对比分析可以看到，MJO由第5位相向第7位相发展时，海洋大陆上的OLR负距平区域不断向西太平洋传播，意味着对流活跃区向东发展。浙江地区降雪前期中国中部及南部地区处于OLR正距平区，整体对流偏弱，受下沉气流控制［图7（b）］。浙江地区降雪期间孟加拉湾东侧及南海地区—华南大部地区—长江中下游地区OLR距平由南向北呈现“-+-”的分布结构［图7（c）］，这与经向垂直环流［图4（d）］相对应，说明MJO事件东传至第5～6位相时，120°E附近整体Hadley环流偏强，所激发的局地经向环流增强，浙江地区对流活跃，有利于降雪（雨）的产生。随着MJO传播至第7位相，华南地区转而呈现OLR负距平［图7（d）］，之前的“-+-”经向分布结构被打破，浙江地区连续雨雪天气也逐渐停止。

图7 2018年1月1日至2月28日10°S—10°N平均OLR距平场时间-经度剖面（a）和2018年1月第5候（b）、第6候（c）、2月第1候（d）OLR距平场（单位：W·m-2）Fig.7 The time-longitude cross section of OLR anomaly field from January 1 to February 28，2018 averaged over 10°S-10°N（a）and OLR anomaly field（b，Unit：W·m-2）in the 5th（b），the 6th（c）pentad of January and in the 1st pentad of February（d）2018

5 遥相关响应与海温强迫

5.1 波作用通量

Rossby波能量的频散对中国重要天气系统的形成与维持起着重要作用。通过对2018年1月24—28日浙江地区降雪期间不同高度Rossby波列及波作用通量进行分析发现：200 hPa［图8（a）］，北大西洋地区冰岛及北极地区上空呈现负高度距平，副热带北大西洋及南欧上空为正高度距平，空间分布为经向偶极子型，呈现出北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）正位相结构。与NAO相联系，沿高纬及中纬存在向东传播的Rossby波波列：（1）高纬地区北大西洋西部—格陵兰岛—东欧平原—蒙古高原—中国东部地区呈现“+-+-+”高度异常中心，形成类似NAULEA（北大西洋—乌拉尔—东亚）遥相关型；（2）中纬地区自墨西哥湾—北大西洋西部—北大西洋东部—撒哈拉沙漠—地中海—亚美尼亚高原—伊朗高原—青藏高原北部呈现“+-+-+-+-”高度异常中心，类似于“丝绸之路”遥相关型，两列波列于乌拉尔山附近合并。东亚地区自中国东南部—日本群岛—鄂霍茨克海呈现“+-+”高度异常中心的负东亚太平洋（East Asia-Pacific，EAP）遥相关型。500 hPa［图8（b）］波列结构与200 hPa类似，值得注意的是中国东南部上空500 hPa位势高度距平场上的正高度距平强度减弱，范围缩小，850 hPa［图8（c）］位势高度场距平场上则均为负高度距平控制，具有明显斜压特征。3种（NAULEA、丝绸之路及负EAP）遥相关型共同作用，使得源自北大西洋的Rossby波能量沿高纬度和中纬度两列波列向东频散至东亚地区合并、堆积，源自孟加拉湾附近的Rossby波能量经向输送至中纬地区并向东频散至东亚地区，加强了蒙古高原附近的负位势高度中心以及中国东南部—西太平洋地区的正高度异常中心，对负EAP遥相关型的维持与发展起着重要作用。

图8 2018年浙江降雪期间（1月24—28日）200 hPa（a）、500 hPa（b）、850 hPa（c）波作用通量（箭矢，单位：m2·s-2）和位势高度距平（彩色填色区，单位：gpm）以及25°N—35°N平均纬向垂直波作用通量（箭矢，单位：m2·s-2，其中垂直分量放大10000倍）及高度距平场（彩色填色区，单位：gpm）（d）Fig.8 The 200 hPa（a），500 hPa（b），850 hPa（c）wave activity flux（arrow vector，Unit：m2·s-2）and height anomaly field（color shaded areas，Unit：gpm）during the snowfall period（January 24-28，2018）in Zhejiang and zonal vertical wave activity flux averaged from 25°N to 35°N（arrow vector，Unit：m2·s-2，the vertical component is magnified by 10000 times）and the height anomaly field（color shaded areas，Unit：gpm）（d）

从纬向垂直剖面［图8（d）］可以更清晰地看出：有Rossby波自北大西洋30°W附近被激发至对流层中高层并沿波列向东传播，与源自孟加拉湾—南海地区北部激发的Rossby波能量合并堆积于东亚地区，加强了中国东南部—西太平洋上空的正位势高度中心，以及日本海附近上空的负位势高度中心，造成负EAP遥相关型的维持与发展，中国近海上空—西太平洋上空反气旋环流加强西伸，促使冷暖气流持续影响浙江地区，造成连续雨雪天气。

5.2 海温特征

海温异常是引起大气环流异常的重要因素，通过对比分析此次雨雪冰冻前后的海温距平［图9（a）、图9（c）、图9（e）］特征发现：2018年冬季北大西洋自北向南呈现“-+-”的海温异常分布，且有加强趋势，这与正位相NAO［28］（副极地大西洋异常冷中心、纽芬兰岛东南海域异常偏暖中心、副热带大西洋东部异常冷中心）发生时的海温相一致。其与NAULEA等遥相关型相互作用，致使Rossby波列由北大西洋传播至东亚地区，影响东亚地区天气系统分布形势的维持与发展。

图9 2018年1月第5候（a、b）、第6候（c、d）、2月第1候（e、f）海温距平场（a、c、e）及分别与其前一候海温差值（b、d、f）（单位：℃）Fig.9 Sea surface temperature anomaly（a，c，e）in the 5th pentad（a，b），6th pentad（c，d）of January，1st pentad of February（e，f）and SST difference between it and its previous pentad（d，e，f）（Unit：℃）

太平洋地区则呈现典型La Nina特征，然而在La Nina背景长期维持的情况下，仅1月24—28日激发了浙江地区的强雨雪天气，值得关注的是海洋性大陆区域（100°E—120°E、0°—20°N）附近的海温变化，1月第5侯［图9（a）］该区海温呈负距平，第6侯［图9（c）］正距平增多，2月第1侯［图9（e）］再次转为负距平。为进一步分析该区域海温变化特征，将相应侯海温与前一侯海温相减，以判断其具体变化特征。发现1月第5侯［图9（b）］，海洋性大陆大部海温较前期降低，而其南部及东部部分地区海温较前期升高；1月第6侯［图9（d）］，大部海域较前期海温显著上升，局部升温幅度超过1.5℃；2月第1侯［图9（f）］，该区域大部海域海温较前期明显下降，局部降温幅度超1℃。降雪期间中国近海海温的显著升高，一方面引发大气上升运动增强，进而通过局地经向环流影响浙江地区上空垂直运动，为雨雪天气提供动力条件；另一方面该区域上空的反气旋环流西伸加强，这种环流的配合致使西太平洋及孟加拉湾的水汽有效输送至中国中东部地区，为雨雪天气提供水汽条件。

6 结论

通过对2018年1月下旬浙江地区一次雨雪冰冻过程特征及其可能的影响机制进行分析，得到如下结论：

（1）2018年1月24—28日浙江地区出现连续雨雪冰冻天气，全省平均累计降水量36.2 mm，其中德清县最大为61.3 mm；最大积雪深度平原10～20 cm，山区20～35 cm，其中国家级气象观测站长兴22 cm，山区煤山最大35 cm。1月29日开始出现持续降温，最低气温30日普遍降至-7℃以下，其中安吉县-9.1℃，部分山区低于-12℃，直到2月9日才逐渐上升至-2℃以上。1月24日至2月8日湖州各站平均气温均低于0℃，较历史同期偏低4℃左右。

（2）降雪期间高纬度贝加尔湖附近槽东移南下，低纬南支槽东移北抬，使得冷暖气流长时间在浙江地区上空交汇，水汽辐合强烈，导致强降雪天气的产生。1月28日后浙江地区逐渐转为槽后西北气流，受异常辐散带控制、对流抑制，降雪停止、气温下降。

（3）2018年1月24—28日浙江地区降雪期间强MJO事件由海洋性大陆向西太平洋传播，孟加拉湾东侧及中国南海地区—华南大部地区—长江中下游地区OLR距平由南向北呈现“-+-”的分布结构，局地经向环流增强，致使浙江地区处于异常上升区，有利于降雪产生。此后随着MJO继续东传至第7位相，赤道地区OLR正距平场已完全深入至太平洋，浙江地区转为异常下沉气流控制，进而转为雪后晴朗低温冰冻天气。

（4）降雪期间东亚地区呈现负EAP遥相关型，是南支槽活跃、西太副高北抬的重要原因。而该遥相关型能够维持、发展，一方面是源自北大西洋的Rossby波能量沿高纬和中纬两列波列向东频散至东亚地区合并、堆积，加强了蒙古高原附近的负位势高度中心以及中国东南部—西太平地区的正高度异常中心；另一方面受热带MJO活跃区影响，有源自低纬的Rossby波能量被激发传至对流层中高层堆积并向东北方向经向传播。两者共同作用，促使冷暖气流持续影响浙江地区，造成连续降雪（雨）。

（5）1月第6侯海洋性大陆区域附近海温显著升高，引发局地Hadley环流异常，影响浙江地区上空垂直运动，为雨雪天气提供动力条件。同时该区域上空的反气旋环流西伸加强，这种环流的配合致使西太平洋及孟加拉湾的强烈暖湿气流有效输送至中国中东部地区，为雨雪天气提供水汽条件。