2007/2008年冬季雨雪冰冻灾害的副热带高压环流背景与变异特征

张韧，洪梅，刘科峰，陈奕德

(解放军理工大学气象学院军事海洋环境全军重点实验室，江苏南京211101)

2007/2008年冬季雨雪冰冻灾害的副热带高压环流背景与变异特征

张韧，洪梅，刘科峰，陈奕德

(解放军理工大学气象学院军事海洋环境全军重点实验室，江苏南京211101)

基于NCEP/NCAR提供的1958—2008年逐日再分析资料，对2007/2008年冬季我国雨雪冰冻灾害期间副高指数特征与El Nino/La Nina年平均冬半年副高指数特征以及50 a平均冬半年副高指数特征进行对比分析。采用交叉小波和小波相干分析方法，进一步分析了它们之间的相关性和异同性以及对大气环流的影响，揭示了2007/2008年我国南方雨雪冰冻灾害期间副热带高压活动与环流变异特性的一些基本特征，如La Nina事件冬季(尤其是中等强度La Nina事件年份的冬季)，副高通常比一般年份副高的平均位置偏北。

雨雪冰冻;副热带高压;交叉小波;小波相干

0 引言

2008年1月我国南方发生了极为严重的雨雪冰冻灾害，造成了巨大经济损失与人员伤亡。这次罕见冰雪灾害天气是由多种因素造成的，许多研究从中高纬环流(李灿等，2009)、极涡活动异常(徐辉和金荣花，2011)、热带大气季节内振荡异常(吴俊杰等，2009)或平流层环流异常(陈月娟等，2009)等角度对这次灾害天气过程进行机理分析，也有研究认为此次极端灾害事件与2007年第二季度开始出现的拉尼娜(La Nina)现象有关联(吕校华等，2009)，但是未进行更加细致的研究。

拉尼娜现象是指赤道太平洋中东部海水温度持续异常下降，它引起的气候变化特征与厄尔尼诺现象相反。拉尼娜现象和厄尔尼诺现象会导致气候出现反常。李崇银(2002)研究证实，El Nino/La Nina事件是复杂的非线性系统，El Nino/La Nina是引起全球气候异常及年际气候变化的强信号，El Nino/La Nina事件显著影响全球范围的区域气候、生态、经济发展和人类生活等诸多方面，并带来相应的气象灾害。2007—2008年发生了一次显著的El Nino向La Nina快速转换事件。

副高是影响我国夏季天气气候及其异常的主要大气环流系统，副高位置和强度的变化是影响我国雨季时间、雨带位置和降雨强度的重要因素。对于副高活动规律及其活动机理的研究一直是气象和海洋学家面临的重要课题(Zhang and Yu，2000;Zhang et al.，2003)。鉴于副高主要影响我国夏季风环流和夏季天气过程，故一般的副高研究主要侧重于副高夏季活动与变异规律和机理研究(张韧等，2006，2007)。2007/2008年冬季，我国南方发生严重雨雪冰冻灾害期间，西太平洋副热带高压(简称副高)表现出明显偏西、偏北态势，由此造成的副热带环流的异常与稳定维持(施宁等，2008)，对此次雨雪冰冻灾害起了重要的环流背景和水汽输运支持(李崇银等，2008)。

此次百年不遇的雨雪冰冻灾害的机理过程和影响因子是多方面的。然而，灾害期间西太平洋副高冬季活动的变异以及La Nina事件无疑也极为关键。其中，La Nina现象和副高是引起气候与大气环流异常的非常重要的因子。为此，本文主要对这两个因子的变化特征进行分析、诊断，找出它们之间的相关性以及对大气环流的影响，以揭示2007/2008年冬季我国南方雨雪冰冻灾害的环流诱因。

1 研究资料

采用美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)提供的2.5°×2.5°网格1958年1月—2008年1月共50 a又1个月的逐日再分析资料。

副高特征指数定义如下:

1)面积指数。5°×10°网格500 hPa位势高度上，110°E～180°、10°N以北范围内，平均位势高度大于588 dagpm网格点数称为副高的面积指数。

2)西脊点。取90°E～180°范围内588 dagpm等值线最西位置所在经度定义为副高的西脊点。

3)脊线指数。取110～150°E范围内的副高体脊线与9条经线(每两条经线之间相差5°)交点的纬度的平均值定义为副高的脊线位置。

2 研究方法

2.1 交叉小波变换

交叉小波变换(cross wavelet transform，XWT)是将小波变换与交叉谱分析相结合的一种新的信号分析技术，它可从多时间尺度的角度来研究两个时间序列在时频域中的相互关系(余丹丹等，2007)。设WX(s)、WY(s)分别是给定的两个时间序列X和Y的连续小波变换，则定义它们的交叉小波谱为，其中“*”表示复共轭，s为伸缩尺度，对应交叉小波功率谱密度为，其值越大，表明两者具有共同的高能量区，彼此相关越显著。

对连续交叉小波功率谱的检验也是与红色噪音标准谱作比较，假设两个时间序列X和Y的期望谱均为红色噪音谱和，则交叉小波功率谱分布有如下关系式:

其中:σX、σY为时间序列X和Y各自的标准差;进行Morlet小波变换，自由度v取2;Zv(P)是与概率P有关的置信度，在显著水平α=0.05下，Z2(95%)=3.999。先求出红色噪音功率谱的95%的置信限上界，当等式(1)左端超过置信限，则认为通过了显著水平α=0.05下的红色噪音标准谱的检验，两者相关显著。

2.2 小波相干谱

基于两个时间序列的连续小波变换(continuous wavelet transform，CWT)的交叉小波变换(XWT)，可以揭示它们共同的高能量区以及位相关系。另一个有用的工具是小波相干谱(wavelet tramsform coherence，WTC;余丹丹等，2008)，它可用于度量时—频空间中两个时间序列的局部相关密切程度，即使对应交叉小波功率谱中低能量值区，两者在小波相干谱中的相关性也有可能很显著。定义两个时间序列X和Y的小波相干谱为

这种定义类似于传统意义上相关系数表达式，它是两个时间序列在某一频率上波振幅的交叉积与各个振动波的振幅乘积之比，这里S是平滑器，

其中:Sscale表示沿着小波伸缩尺度轴平滑;Stime表示沿着小波时间平移轴平滑。对于Morlet小波的平滑器表达式为:

这里的c1和c2是标准化常数，∏是矩形函数，参数0.6是根据经验确定的尺度与Morlet小波波长的解相关。小波相干谱的显著性检验采用Monte Carlo方法。交叉小波功率谱和小波相干谱两种方法都可以确定位相角，最主要的区别在于后者使用了平滑函数。需要说明的是，文中给出的平均角及其95%置信区间是针对小波相干谱而言的，而且小波相干谱中只标示出(s)≥0.5的位相差箭头。

3 2008年1月冬季副高活动特征

3.1 副高特征分析

图1a、b分别是2008年1月500 hPa位势高度场沿120°E的时间—纬度剖面和沿15°N的时间—经度剖面。由图1a可以看出，在1月中，副高在1月上旬与下旬经历了北抬—南撤—北抬的过程。由图1b可以看出，1月的上旬、中旬和下旬，副高西伸脊点分别达到100°E、135°E与120°E。可见，2008年1月副高经历了一次西伸/增强—东退/减弱—西伸增强的过程。

3.2 副高面积指数、脊线指数与El Nino/La Nina年平均情况比较

图2给出了2008年、1958—2007年50 a平均、10 a平均El Nino、10 a平均La Nina的1月副高脊线指数的逐日演变。可以看出，冬季期间(1月)，50 a平均的副高脊线通常位于15°N以南，而2008年1月的脊线明显比50 a平均偏北，表明2008年1月副高位置较平均年份位置显著偏北，其中2008年1月11日，脊线更是到达19°N。

2007年正值La Nina事件期间，对2008年1月的副高状况和10 a平均La Nina年副高状况的对比表明，10个La Nina年平均的副高脊线明显高于50 a平均状况，与2008年1月情况类似，表明La Nina事件冬季副高易维持在较偏北位置;而10个El Nino年平均的副高位置则围绕着平均年份有较大的波动(总体位置偏南)，表现出一定的随机性和不确定性。

进一步分析La Nina年冬季的副高脊线特征。选取1973、1984与1999年强La Nina事件年份和1967、1970、1975、1988与1995年中强度La Nina事件年份，对1月副高脊线进行合成分析。

图3给出了强La Nina事件、中等强度La Nina事件和50 a平均的1月副高脊线指数逐日演变。可以看出，强La Nina事件1月的副高脊线围绕多年平均状况起伏较大;另一个显著特征是中等强度La Nina事件发生年份，副高脊线的整体位置偏北，明显偏北于平均年份和强La Nina年的副高脊线，这与前面分析的La Nina事件期间2008年1月的副高脊线大于平均状况的特征相符。这是一个有意思的现象，其内在机理值得进一步探讨。

同理，图4给出了2008年、1958—2007年50 a平均、5个中等强度El Nino平均、5个中等强度La Nina平均的1月副高面积指数的逐日演变。可以看出，除2008年1月中下旬有数天(1月17—21日)副高面积指数小于50 a平均面积指数之外，大部分时段，2008年1月的副高面积指数均大于50 a平均的副高面积指数，与中等强度La Nina年的平均状况大致相当，但显著强于El Nino年(El Nino事件冬季的副高强度明显弱于一般年份)。

图1 2008年1月500 hPa位势高度场沿120°E的时间—纬度剖面(a)和沿15°N的时间—经度剖面(b)(单位:gpm)Fig.1 The cross sections of(a)time-latitude along 120°E and(b)time-longitude along 15°N for 500 hPa potential height in January 2008(units:gpm)

综上所述，2008年1月La Nina事件期间冬季副高异常增强、北抬，有利于形成“冬季梅雨型”环流形势，对该年雨雪冰冻灾害的冷、暖空气交汇和水汽输送起到了积极的作用。

图2 2008年(长虚线)、50 a平均(短虚线)、10 a平均El Nino(点划线)、10 a平均La Nina(实线)1月副高脊线指数的逐日演变Fig.2 Daily variation of the subtropical high ridge line index in January of 2008(long dashed line)，50-yr average(short dashed line)，10 El Nino events average(dash dotted line)，and 10 La Nina events average(solid line)

图3 强La Nina事件(点叉线)、中等强度的La Nina事件(点星线)和50 a平均(点方形线)的1月副高脊线指数逐日演变Fig.3 Daily variation of the subtropical high ridge line index in January of the stronger(fork line)and mean(star line)La Nina events average and the 50-yr average(square line)

3.3 时频特征

为进一步描述上述副高活动特征，对副高指数进行小波分析。分别计算和对比分析了2007年11月到2008年2月(为避免时间序列过短对小波分析信度区域的影响，故时—频分析的时间序列拓展到2008年2月)以及50 a平均、10 a平均El Nino和10 a平均La Nina的同期副高脊线和西脊点指数的小波功率谱。

3.3.1 面积指数的小波能量谱

小波能量谱能够较好地描述副高活动的信号强弱(Zhang et al.，2004)。由图5可见，1958—2007年50 a平均的冬半年面积指数的小波能量谱和10 a平均El Nino面积指数的小波能量谱基本无显著周期，表明这些年份冬季副高强度很弱和稳定少动;10 a平均La Nina面积指数的小波能量谱则较好表现出副高的一周左右(3～10 d)短期活动，在12月中旬至1月中旬期间还出现一个显著的15～30 d的能量高值区;而2007年11月到2008年2月冬半年副高面积指数的小波能量谱则更好地反映了副高的增强和活跃状况，主要表现为15～20 d的中期活动(以2007年12月中旬—2008年1月中旬期间最明显)和1周左右(4～6 d)的短期活动。对比图5a、d可以发现，2007年11月—2008年2月期间的副高面积指数小波能谱与10 a平均La Nina年份大体结构相似，但也存在局部差异。总的来说，2007年12月—2008年2月及La Nina年份冬季副高偏强，且强度存在周和双周左右的周期波动;而其他年份冬季，副高则偏弱、少动。

3.3.2 西脊点指数的小波能量谱

副高西脊点指数比面积指数的情况复杂。由图6可看出，1958—2007年50 a平均的冬半年副高西脊点指数的小波能量谱仍无显著周期;而10 a平均El Nino年的副高西脊点指数的小波能量谱周期则表现出1周左右(3～7 d)短期活动和准双周活动(主要出现在12月);10 a平均La Nina年的副高西脊点指数的小波能量谱周期与El Nino年小波能量谱较类似，也存在3～7 d的周期波动，但双周尺度的周期较El Nino年份略短，且主要集中在1月时段。2007年11月到2008年2月副高西脊点指数的小波能量谱则显得更强，结构也有所差异，西脊点活动周期表现为2～8 d(主要发生在2008年1月下旬—2月上旬)、4～15 d(主要发生在2007年11月下旬—12月上旬)和20～30 d(主要发生在2007年12月—2008年1月，信号最强)。其中20～30 d的副高西脊点活动周期显著强于El Nino/La Nina年，即2007—2008年冬季的副高存在有别于常年(包括一般El Nino/La Nina年)的20～30 d周期的东西进退活动，这可能是形成2008年冬季雨雪冰冻灾害的“冬季梅雨型”副热带环流形势的重要特征之一。

图4 2008年(长虚线)、50 a平均(短虚线)、5个中等强度El Nino平均(点划线)、5个中等强度La Nina平均(实线)的1月副高面积指数的逐日演变Fig.4 Daily variation of the subtropical high area index in January of 2008(long dashed line)，50-yr average(short dashed line)，five middling intensity El Nino events average(dash dotted line)，and five middling intensity La Nina events average(solid line)

图5 2007年11月—2008年2月(a)以及50 a平均(b)、10 a平均El Nino(c)和10 a平均La Nina(c)的11月—次年2月的副高面积指数的小波能量谱Fig.5 The wavelet energy spectrum of subtropical high area index from November 1 to next February 28a.from 2007 to2008;b.50-yr average;c.10 El Nino events average;d.10 La Nina events average

4 不同特性年份副高指数的关联分析

通过小波能量谱分析可以发现，2008年冬半年的副高活动与50 a平均和10 a平均El Nino的相关性不大，而与10 a平均La Nina的相关性较大，但也存在局部差异。为此，引入交叉小波相干谱方法进一步开展副高面积指数和西脊点指数的关联特征分析。

4.1 副高面积指数的交叉小波相干谱

由图7可以看出，2007年10月到2008年2月冬半年副高面积指数和10个El Nino事件平均年份的副高面积指数的交叉小波相干谱中表现出的相关结构比较杂乱，特别在1月没有出现明显的相关高能区间，表明2007年冬季的副高强度与El Nino事件冬季的副高强度属于不同的背景结构，相关性较小。2007年10月到2008年2月冬半年副高面积指数和10个La Nina事件平均年份的面积指数的交叉小波相干谱的相关性较好，表现为两个显著的相关高能区，主要出现在1月。第一个是3～8 d周期和92°±18°位相差，即La Nina事件期间和2007/2008年冬季，副高强度(面积指数)变化相似，均表现出3～8 d的活动周期，且前者超前后者1/4±1/20个周期(约1～2 d)。另一个副高活动周期是16～24 d，位相差为270°，即La Nina事件期间的面积指数提前2007/2008年冬季3/4±1/20个周期(约12～18 d)。2007年10月到2008年2月冬季副高面积指数和1958—2007年50 a平均的副高面积指数的交叉小波相干谱较弱，没有表现出清晰的相关结构和倾向，也没有明显的能量相关区间。

4.2 西脊点指数的交叉小波相干谱

副高西脊点的活动情况比面积指数情况复杂得多。由图8可以看出，2007年10月—2008年2月副高西脊点指数和10 a平均El Nino西脊点指数的交叉小波相干谱有3个较小的相关区，分别在12月底和2月中旬，位相差分别为90°、270°、120°，但在1月无明显的能量相关区间。

2007年10月到2008年2月冬半年副高西脊点指数和10 a平均La Nina期间的西脊点指数的交叉小波相干谱则存在一个较大相关区，处于1月中旬到2月中旬，位相差为60°±20°;在1月存在一个较明显的能量相关区间，周期为5～8 d，位相差为1/6±1/18，表明在该周期波段上10 a平均La Nina期间的副高西脊点活动先于2007—2008年冬季的副高西脊点变化1～2 d。

2007年10月到2008年2月冬半年的副高西脊点指数与1958—2007年50 a平均期间的副高西脊点指数的交叉小波相干谱基本没有呈现出强的相关能量区间。

图6 2007年11月—2008年2月(a)以及50 a平均(b)、10 a平均El Nino(c)和10 a平均La Nina(d)的11月—次年2月的西脊点指数的小波能量谱Fig.6 The wavelet energy spectrum of subtropical high west ridge point index from November 1 to next February 28 a.from 2007 to 2008;b.50-yr average;c.10 El Nino events average;d.10 La Nina events average

5 结论

通过对副高面积指数、脊线指数、西脊点指数在2007—2008年冬季和La Nina事件年冬季、El Nino事件年冬季以及近50 a冬季平均的小波交叉与小波相干的相关分析，可得到如下结论:

1)同历史年份的平均状况相比，2008年1月西太平洋副热带高压偏北、偏西、偏强。正是这个原因，导致2008年冬季影响我国的冷空气在到达我国南方后受副高阻挡以及与副高北侧的暖湿水汽交汇，形成稳定的冬季“梅雨环流”形势。这可能是2008年冬季我国南方持续性雨雪冰冻灾害的一个重要原因。

2)2008年属La Nina事件年。分析发现，La Nina事件冬季(尤其是中等强度La Nina事件年份的冬季)，副高通常比一般年份的副高平均位置偏北(中等强度La Nina年1月的副高要比强La Nina年冬季的副高位置偏北)，这是一个有意思的现象，值得进一步开展机理研究。

3)交叉小波能量谱和相干谱分析表明，2008年冬季的副高活动表现出较强的La Nina事件的背景倾向和个性特征，既与一般年份和El Nino年情况明显不同，也与La Nina事件冬季期间的平均状况存在一些差异(部分短周期活动相似，中、长周期活动有别)。

图7 2007年11月—2008年2月与10 a平均El Nino(a)、10 a平均La Nina(b)和1958—2007年50 a平均(c)的11月—次年2月的面积指数的交叉小波相干谱Fig.7 The wavelet cross coherence spectrum of subtropical high area index from November 1 to next February 28 between 2007—2008 and(a)10 El Nino events average，(b)10 La Nina events average，and(c)50-yr average

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图8 2007年11月—2008年2月与10 a平均El Nino(a)、10 a平均La Nina(b)和1958—2007年50 a平均(c)的11月—次年2月的西脊点指数的交叉小波相干谱Fig.8 The wavelet cross coherence spectrum of subtropical high west ridge point index from November 1 to next February 28 between 2007—2008 and(a)10 El Nino events average，(b)10 La Nina events average，and(c)50-yr average

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Subtropical high circulation background and its variation characters in a serious cold rain-snow frost disaster in winter of 2007/2008

ZHANG Ren，HONG Mei，LIU Ke-feng，CHEN Yi-de

(PLA Key Laboratory of Military Marine Environment，Institute of Meteorology，PLA University of Science and Technological，Nanjing 211101，China)

Based on the NCEP/NCAR daily reanalysis data from 1958 to 2008，this paper studies the subtropical high indexes in the winter of 2007/2008(a serious cold rain-snow frost disaster occurred in southern China)，El Nino/La Nina events average，and 50-yr average(from 1958 to 2007).Then，the cross wavelet and wavelet coherence techniques are introduced to analyse the relativity and the difference of subtropical high indexes，and the influence of subtropical high on atmospheric circulation in different periods including the El Nino/La Nina periods and the usual years.Some meaning characters of subtropical high activity and corresponding subtropical circulation are revealed in the winter of 2007/2008，such as the position of subtropical high moves northward in the winter of La Nina event average，especially in the winter of mean-strong La Nina event.

rain-snow and frost;subtropical high;cross wavelet;wavelet coherence

P456.8

A

1674-7097(2012)01-0001-09

2011-08-10;改回日期:2011-10-19

国家自然科学基金资助项目(41075045;41005025)

张韧(1963—)，男，四川峨眉人，博士，教授，博士生导师，研究方向为海气相互作用，zren63@126.com.

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(责任编辑:倪东鸿)