2008年初我国南方低温冻雨灾害的气候特征＊

王 启，吴 方

（中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东省高校海洋－大气相互作用与气候重点实验室，山东青岛266100）

2008年初我国南方低温冻雨灾害的气候特征＊

王 启，吴 方

（中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东省高校海洋－大气相互作用与气候重点实验室，山东青岛266100）

根据2008年初中国南方低温冻雨灾害发生的时间和范围定义了中国南方地表气温异常指数（STAI）。研究表明，STAI与欧亚大陆的中、高纬度系统和太平洋副热带高压都有很好的相关性，并且中纬度系统在中层占优，高纬度系统在低层占优。根据STAI合成的典型冷（暖）年850和500 hPa欧亚大陆位势高度异常场呈“北正南负”（“南正北负”）型，西太平洋副热带高压减弱（加强），我国南方水汽主要来源于孟加拉湾（南海）。2008年STAI的前期大气环流背景既具有典型冷年的特征：欧亚大陆位势高度异常呈“北正南负”型；又具有典型暖年的特征：西太平洋副热带高压显著增强，中国南方水汽同时来源于孟加拉湾和南海。

中国南方；低温冻雨灾害；位势高度异常场；水汽

2008年1～2月初，我国南方地区出现了50 a一遇大范围持续低温冻雨天气。总体上看，这次气象灾害具有范围广、强度大、持续时间长、灾害影响严重的特点，很多地区为50 a一遇，部分地区百年一遇，属历史罕见［1］。1月份属于中国南方低温冻雨天气的多发期，其峰值多出现在1月下旬～2月上旬。因此，发生在2008年的南方低温冻雨天气从气候学角度来看，属于正常现象。但从持续时间、范围、强度和危害程度来看，是有气象记录以来最严重的［2］。

发生在2008年初中国南方的这次低温冻雨灾害是历史罕见的，因此引起了广泛关注。气候学分析认为：2007年8月～2008年初的拉尼娜事件发展非常迅速，其造成的大气环流异常是导致我国大范围持续低温冻雨灾害的重要原因［3］。天气诊断分析表明：地面准静止锋是造成这次严重低温冻雨灾害的主要天气系统；逆温层、西南暖湿气流及北方强冷空气的不断补充是造成南方连续出现冻雨天气及造成严重灾害的重要条件［2］。动力学研究指出：来自上游南支槽区的Rossby波能量频散是西太平洋副热带高压北扩西伸所对应异常环流中心形成维持的主要原因［4－7］。

本文主要分析了2008年初南方异常低温发生的天气过程和气候特征，定义了中国南方地区1月23日～2月11日地表温度异常指数，根据1950—2011年62 a的地表温度异常指数，挑选出典型冷（暖）年，然后比较典型冷（暖）年与2008年大气环流、温度平流、水汽输送的气候特征，分析了造成2008年初低温冻雨灾害的主要因素。

文中使用的是NCEP／NCAR再分析资料中1950—2011年62 a的位势高度场、风场、比湿场和温度场日平均资料。

1 南方地区地表气温异常指数

图1给出了我国南方地区2008年1～2月份地表气温异常EOF分解第一模态空间场，第一模态方差贡献率为73.79%。由图1可以看出，EOF第一模态空间分布大值中心在华南地区，本文选定107.5°E～117.5°E，22.5°N～32.5°N的区域为我国南方地区低温雨雪冰冻灾害的代表区域。

图1 我国南方地区2008年1～2月地表气温异常EOF分解第一模态空间场Fig.1 The spatial pattern of the first EOF mode of surface temperature anomalies from January to February，2008 in South China

图2为上述第一模态时间系数，可以看出：在1月23日～2月11日保持很低的值，据此定义南方地区地表气温异常指数（简记为STAI）：每年1月23日～2月11日，20d平均地表气温异常场在107.5°E～117.5°E，22.5°N～32.5°N区域内的面积平均值。

此外，由图2还可以看出1月10日～1月21日为2008年南方地区急剧降温时段，2月13日～2月22日为南方地区升温时段。因此选取每年的1月12日～1月21日为STAI前期，每年的2月13日～2月22日为STAI后期。

图3给出了1950—2011年STAI的时间序列，可以看出，2008年的STAI为自1951年以来的历史最低值。2008年STAI值为－7.38℃，远低于1977年的历史第二低值－4.87℃。

图2 EOF第一模态时间系数Fig.2 Time coefficient of the first EOF mode

图3 我国南方地区STAI时间序列Fig.3 Time series of South China STAI

2 异常低温天气过程的大尺度背景场

2.1 位势高度异常场与STAI相关分析

为了考察500与850 hPa位势高度异常场演变与STAI的关系，同样每年选取3个时段的位势高度异常场，即STAI前期、STAI同期和STAI后期的位势高度异常场。

图4a～c给出了不同时段500 hPa的位势高度异常场与STAI的相关关系（图中显示的相关系数全部通过95%显著性检验）。在前期（见图4a）：0°～120°E的广大中纬度地区为正相关区，贝加尔湖以北的西伯利亚地区是负相关区，太平洋20°N附近有明显的正相关区。在同期（见图4b）：中纬度地区正相关达到最强，相关系数达到0.6以上，中心向东向南移动，位于30°N～40°N，90°E～120°E附近；西伯利亚地区的负相关区也达到最强，中心值达到－0.4以上。太平洋20°N附近正相关区西移，与大陆正相关区联为一体。

综上，与STAI的前期和同期相关场在东亚地区整体呈“南正北负”型分布，意味着南方地区异常冷（暖）年，500 h Pa位势高度中纬度降低（升高），高纬度升高（降低），西太平洋副热带高压偏弱（强）。但相比中纬度的正相关区，高纬度的负相关区强度较弱、面积较小。

后期（见图4c）上述正、负相关区均减弱消失。

图4 500 hPa（a、b、c）、（850 hPa（d、e、f））位势高度异常场与STAI相关系数Fig.4 Correlation coefficient between 500 h Pa（a、b、c）、（850h Pa（d、e、f）hgt anomalies and STAI

850 hPa位势高度与STAI的相关系数场（见图4d～f）整体上与500 hPa相似，但同期（见图4e）相关场中欧亚大陆高纬度地区的负相关区面积更大更强。西太平洋副热带地区的正相关区在前期（见图4d）已大陆正相关区联为一体。

以上分析表明：STAI与欧亚大陆的中、高纬度系统和太平洋副热带高压都有很好的相关性，并且中纬度系统在中层占优，高纬度系统在低层占优。

2.2 典型异常年位势高度异常场

为了分析2008年与其他年份气候特征的异同。根据图3挑选出了5个异常冷（暖）年（见表1），然后合成为典型冷（暖）年。

表1 典型冷（暖）年STAITable 1 STAI of typical cold（warm）years

图5给出了合成的典型冷（暖）年3个时段的500 hPa位势高度异常场分布。

典型冷年前期（见图5a）欧亚大陆呈现“北正南负”型分布，由西亚中低纬度到整个东亚地区为负异常分布，北极地区和亚洲高纬度地区正异常。西太平洋副热带地区有显著的负异常中心，表明西太平洋副热带高压减弱。同期（见图5b）欧亚大陆“北正南负”的特征加强，由西亚至西太平洋的中、低纬度广大地区为正异常分布。西伯利亚高压明显增强，中心值超过100 gpm。后期（见图5c）东亚地区大气环流形势发生明显转变，东亚地区变为北负南正型，西太平洋副高和乌拉尔山高压加强。

典型暖年500 hPa大气环流基本与典型冷年呈反位相（见图5d～f），前期和同期欧亚大陆呈‘北负南正’型，乌拉尔山有显著的阻塞形势，西太平洋副热带高压加强。

850 hPa大气环流形势（图略）整体上与500 hPa的情况相同，体现了对流层中、低层大气环流特征的一致性，但是在同期合成场中，欧亚大陆高纬度区明显占优势，进一步表明欧亚大陆的低层高纬度系统对STAI有明显作用。

图5 典型冷年（a、b、c）与暖年（d、e、f）500 hPa位势高度异常场Fig.5 500 hPa hgt anomalies of typical cold year（a、b、c）and typical warm year（d、e、f）

2.3 2008年位势高度异常场

图6给出了2008年3个时段的500和850 hPa位势高度异常场分布。

2008年前期（见图6a）500 hPa位势高度异常场同时具有典型冷、暖年的特征。其中，与典型冷年类似的特征为：欧亚大陆异常区呈“北正南负”型分布，但异常值远比典型冷年大；与典型暖年类似的特征为：西太平洋副热带地区为正异常区，异常值也远超过典型暖年。

同期（见图6b）欧亚大陆中纬度“北正南负”型进一步加强，并且向东南移动；正异常中心值达到120 gpm以上，有利于乌拉尔阻塞形势的形成，引导冷空气直接侵入我国。大陆中纬度的强负异常区意味着大气低层有强冷平流输入。

后期（见图6c）上述异常区已减弱甚至变号。

图6 2008年500和850 hPa位势高度异常场Fig.6 500 and 850 hPa hgt anomalies in 2008

前期和同期850 hPa位势高度异常场（见图6d～e）同样呈“北正南负”型分布，但高纬度正异常区远大于中纬度负异常区，表明低层高纬度系统对2008年STAI有明显作用。另外应注意到850 h Pa的“北正南负”型分布在前期要强于同期，但是同期的正异常区在东亚地区南伸，有利于引导冷空气直接侵入我国南方。后期850 hPa位势高度异常场（见图6f）上述异常区已减弱甚至变号。

通过对比典型冷（暖）年位势高度异常场，发现2008年的大气环流形势十分特殊，它的前期和同期具有典型冷年的特征——欧亚大陆的位势高度异常呈“北正南负”分布，同时又具有典型暖年西太平洋副热带高压异常加强的特征。结果引导了北方冷空气与南方暖湿气流交汇，并且长期维持。这种天气形势在冬季是十分罕见的［8］。

另外由图6a～b还可以看出：在北大西洋地区，冰岛上空有很强的负异常中心，北大西洋是正异常区，标志着北大西洋涛动（NAO）处于正位相［9－10］。已有研究指出1990年代以来NAO持续的正位相是造成我国西南地区气温下降的重要原因［11］。而欧亚大陆长波的形成也可能与上游的NAO活动有关。

3 异常低温天气过程的影响因子分析

3.1 温度平流分析

图7给出了2008年3个时段的850 hPa和地表温度平流异常场分布。

850 hPa华南地区前期和同期（见图7a、b）为温度平流正异常区，表明由副高和西南地区倒槽所引导进入我国南方的暖气流。我国西南地区有很强的温度平流负异常，反映了由河西走廊伸入我国南方的冷高压脊所带来的冷空气；后期（见图7c）随着西太平洋副热带高压的减弱东退，北方冷空气南下，我国南方大部分地区为温度平流负异常区。

我国南方大部分地区地面在前期和同期（见图7d、e）为温度平流负异常区，它与850 hPa的温度平流正异常配合，形成了有利于冻雨的大气温度层结。即低层暖平流可使雨滴保持液态，当它落到冷地面时形成冻雨。

后期（见图7f）大部分区域已成为温度平流正异常区。

图7 2008年850 hPa（a、b、c）和地表（d、e、f）温度平流异常场（等值线，单位：10－6℃／s）以及风场异常（箭头，单位：m／s）Fig.7 850 hPa（a、b、c.）and surface（d、e、f）temperature advection anomalies（contour，Unit：10－6℃／s）and wind anomalies（vector，Unit：m／s）in 2008

3.2 水汽输送分析

图8给出了合成的典型冷（暖）年前期和同期2个时段的850 hPa水汽输送场和位势高度场分布。

典型冷年（见图8a、b）有倒槽由孟加拉湾伸入我国西南地区，进入我国南方的水汽主要由这个倒槽系统引导，水汽主要来自孟加拉湾，水汽输入大值区主要集中在广西、云南地区。典型暖年（见图8c、d）西太副高西伸（前期1540 gpm线可进入我国东南沿海），副高西北侧气流引导南海的暖湿气流进入我国南方地区。

图8 我国南方地区典型冷年（a、b）和暖年（c、d）850 hPa水汽输送场（阴影，单位：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）、水汽通量矢量（箭头，单位：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）以及位势高度场（等值线，单位：gpm）Fig.8 850 hPa vapor transportation（shaded and vector，Unit：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）and hgt（contour，Unit：gpm）of typical cold year（a、b）and typical warm year（c、d）in South China

图9给出了2008年3个时段的850 h Pa水气输送场和位势高度场分布。

前期（见图9a）西太平洋副高明显西伸（1 540 gpm线到达我国大陆），引导的气流为我国南方地区提供了来自南海的水汽。同时，有1个很强的倒槽由孟加拉湾地区伸入我国西南地区。正是2008年初特殊的大气环流形势，使得我国南方地区同时获得了来自于南海和孟加拉湾的水汽，具备了大范围降水的水汽条件，成为当年发生冻雨灾害的最重要原因之一。另外，在图9a中还可以看出，由我国西北伸入南方的高压脊开始形成。高压脊所处的位置与850 hPa温度平流异常场（见图7a）的分布形态相一致。同期（见图9b），西南地区倒槽继续维持很强的强度，而西太平洋副高明显减弱东退，我国南方地区得到的水汽输送明显减少。而北方伸入南方的高压脊强度加强，并伸入到30°N以南。后期（见图9c）西太副高压和西南倒槽迅速减弱，我国南方地区失去了水汽来源，大型降水过程结束。同时，由中高纬度向南伸出的高压脊减弱消失。

图9 我国南方地区2008年850 hPa水汽输送场（阴影，单位：10－3·g·s－1·h Pa－1·m－1）、水汽通量矢量（箭头，单位：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）以及位势高度场（等值线，单位：gpm）Fig.9 850 hPa vapor transportation（shaded and vector，Unit：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）and hgt（contour，Unit：gpm）of South China in 2008

4 结论

本文对2008年1月23日～2月11日发生于中国南方的低温雨雪冰冻灾害进行了气候分析。通过对比2008年和典型冷（暖）年相同时段的大气环流特征，主要结论如下：

（1）南方地区地表气温异常指数（STAI）与欧亚大陆的中、高纬度系统和太平洋副热带高压都有很好的相关性，并且中纬度系统在中层占优，高纬度系统在低层占优。

（2）典型冷年欧亚大陆500和850 hPa位势高度异常场呈“北正南负”型分布，高纬度地区为正异常，中纬度地区为负异常。西太平洋副热带高压减弱。2008年既具有典型冷年的特征：欧亚大陆地区位势高度异常场为“北正南负”型分布，也具有典型暖年的特征：西太平洋副高显著增强。

（3）2008年我国南方在850 hPa有异常暖平流，地面为异常冷平流，形成了有利于冻雨的大气温度层结。

（4）我国南方在典型冷年水汽主要来源于孟加拉湾，典型暖年水汽主要来源于南海，2008年水汽同时来源于孟加拉湾和南海。

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Study on Climate Character of Early 2008’s Low Temperature and Freezing Rain Disaster in Southern China

WANG Qi，WU Fang
（The Key Laboratory of Physical Oceanography，Ministry of Education，The Key Laboratory of Ocean－Atmospheric Interaction and Climate，Universities in Shandong Province，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

According to the time and region of the low temperature and freezing rain disaster happened in Southern China in early 2008，the surface temperature anomaly index（STAI）was defined.It was found that there were close correlations between STAI and hgt anomalies in Eurasia，as well as in the Western Pacific.In the middle layer the dominant correlation area happened at mid－latitude，while in the lower layer happened at high－latitude.In typical cold（warm）year：（1）the distribution of the hgt anomalies in Eurasia has a type of northern positive and southern negative'（‘southern positive and northern negative’）；（2）the WPSH is weak（strong）；（3）the vapor mainly comes from the Bay of Bengal（South China Sea）.In early 2008，the background general circulation of STAI has both character of typical cold year：hgt anomalies in Eurasia is northern positive and southern negative＇，and character of typical warm year：the WPSH is significantly enhanced，and the vapor comes from both the Bay of Bengal and South China Sea.

Southern China；low temperature and freezing rain disaster；hgt anomalies；vapor

P468.0＋24

A

1672－5174（2012）03－001－09

国家基础科学研究项目（2012CB417402）；国家自然科学基金项目（40876004）资助

2011－05－06；

2011－07－03

王 启（1953－），男，教授，博导。E－mail：wangqi＠ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻