强厄尔尼诺事件下2016年1月中国南方超级寒潮的动力学机制:瞬变波对大气长波异常的调制

施春华,蔡雯昳,金鑫

南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044

强厄尔尼诺事件下2016年1月中国南方超级寒潮的动力学机制:瞬变波对大气长波异常的调制

施春华*,蔡雯昳,金鑫

南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044

2016-08-01收稿，2016-09-03接受

国家自然科学基金资助项目(41375047;91537213;41675039)

本文采用Plumb三维波活动通量和局地Eliassen-Palm通量诊断方法,利用欧洲中期天气预报中心的逐日再分析资料ERA-Interim,分析了超强厄尔尼诺背景下2016年1月下旬中国南方超级寒潮的动力学机制:瞬变波对大气长波异常的调制。前期2015年12月的北大西洋海表热通量正异常,有助于后期大西洋阻塞形势的维持。大气长波能量沿大圆路径从大西洋阻高经乌拉尔地区向东亚中低纬度传播并在此辐合,导致了乌拉尔阻高和华北横槽的经向结构,更多强冷空气聚集在异常偏南的纬向槽线附近。寒潮爆发前夕,2支瞬变波列活跃在亚欧大陆。北支瞬变波列调制了北方的大气长波,使横槽转竖;南支瞬变波列协同调控了南方的大气长波,使南支印缅槽减弱;两者共同作用,促使冷平流大举南下,直达华南沿海,南方寒潮发生。

南方寒潮

大气长波

瞬变波

阻塞高压

横槽

2015/2016年厄尔尼诺(El Niño)事件是半个世纪以来最强的El Niño事件。与1997/1998年El Niño事件相比其持续时间更长(21个月比14个月),Niño3.4指数峰值更强(3.0比2.8)。在此背景下,2016年1月下旬,中国南方经历了一次罕见的超级寒潮过程,华东地区经历了-10 ℃左右的极端低温,华南地区的最低温度也在0 ℃左右,南方地区的工农业生产和居民生活深受影响。虽然我国科学家在ENSO机理及预测(黄荣辉等,2003;李崇银等,2008)领域取得许多重要的成果。但对ENSO异常期间天气尺度的极端扰动事件的认识和准备尚不充分,例如2008年初我国南方在拉尼娜背景下发生的冰冻灾害,2016年初我国南方却是在强厄尔尼诺事件背景下发生超级寒潮。而通常认为厄尔尼诺年对应暖冬(曹艳艳等,2015;李丽平等,2015)。这超出了地方政府和民众的预案,给南方人民的生活带来了极大的困扰。

受厄尔尼诺影响,2015年12月,北大西洋和北极地区曾发生了异常增暖事件,这本身受环流异常控制,但该异常引起的热通量异常,很可能给后期亚欧大陆的环流形势带来深刻影响(Han et al.,2011)。邓淑梅等(2015)曾指出,行星波的形态和位置变化对我国冬季的低温事件有影响。陈海山等(2012)曾指出,我国冬季极寒事件常与西欧过来的两支瞬变波列的强度有关。本文试图分别从大气长波和瞬变波异常及其相互作用的角度,讨论厄尔尼诺背景下2016年1月下旬中国南方极低温事件的发生发展机制。

1 资料和方法

本研究采用欧洲中期天气预报中心提供的再分析资料(ERA-Interim;Dee et al.,2011),分别使用了其国际标准时00时的逐日资料和月平均资料。还用到了美国家海洋大气管理局(NOAA)的扩展重建海温(ERSST;Smith ad Reynolds,2003)和NCEP/NCAR再分析月平均表面感热和潜热通量资料。

图1 2001—2015年1月平均的500 hPa位势高度(等值线;单位:gpm)和温度(阴影;单位:℃)(a);2016年1月相对图1a的异常(b);2001—2015年1月平均的850 hPa水平风速(箭矢;单位:m·s-1)和表面温度(阴影;单位:℃)(c);2016年1月相对图1c的异常(d)Fig.1 (a)The mean geopotential height(contours;units:gpm) and mean temperature(shading;units:℃) at 500 hPa in January from 2001 to 2015;(b)the anomalies of January 2016 with respect to (a);(c)the mean horizontal wind(vectors;units:m·s-1) at 850 hPa and mean surface temperature(shading;units:℃) in January from 2001 to 2015;(d)the anomalies of January 2016 with respect to (c)

Plumb(1985)提出了三维波活动通量(Wave Activity Flux,WAF),可以用来表征大气超长波波包在三维空间中的传播。用地转风和热成风关系改写后,WAF的诊断方程(Wang and Yasunari,1994):

局地Eliassen-Palm通量(Trenberth,1986)能有效描述瞬变波对时间平均流的作用。局地Eliassen-Palm 通量的计算如下:

(2)

上标“-”和“′”分别表示时间平均和纬向偏差。通过分析局地Eliassen-Palm通量及其散度,可以了解瞬变波的能量传播及其对风场的加减速作用.

2 环流异常

在超级厄尔尼诺背景下,2016年1月有显著的环流异常(图1b),500 hPa极涡减弱,极地偏暖4～5 ℃,中高纬波动加强,亚洲乌拉尔地区气压异常增强。850 hPa表现为绕极西风减弱,乌拉尔地区异常的反气旋(图1d),太平洋副高加强。与此相对应的表面温度异常:极地大范围增暖5 ℃左右,亚欧北部包括我国北方偏冷3 ℃左右,但我国南方却略偏暖1 ℃左右。通常来讲,厄尔尼诺年我国普遍暖冬,南方1月下旬寒潮爆发在偏暖的背景下,进一步加大降温幅度,带来了更大的灾害。

图2 2016年1月18—26日(a—i)500 hPa位势高度(等值线;单位:gpm)和温度异常(阴影;单位:℃)的逐日演变Fig.2 Evolution of geopotential height(contours;units:gpm) and temperature anomalies(shading;units:℃) at 500 hPa during (a—i)18—26 January 2016

3 寒潮天气过程

从1月18日00时—22日00时(图2a—2e),在北大西洋阻塞高压的背景下,500 hPa乌拉尔高压脊发展加强为阻塞高压。20—22日,在乌拉尔阻高的东南侧,横槽伴生并加强,横槽内的冷空气聚集,在22日冷异常达到-15 ℃(图2e)。23—24日,阻高减弱为高压脊,位于我国北方的下游横槽转为竖槽(图2g),此后,波动迅速减弱并东移入海。

20日00时—22日00时,高空横槽仍未转竖,低层中(图3a—3c),冷平流这主要集中位于朝鲜半岛附近,且冷平流带的大致走向多为西北—东南走向(图3a),因此,对于我国南方地区影响不大。与此同时,低层的强冷空气团逐步从贝加尔湖以北向南移动。到23日00时,伴随高空横槽转竖,低层冷平流走向已转为南北走向(图3d),并且长驱直入,从贝加尔湖一直延伸到华南沿海,影响到我国南方大部地区,造成剧烈降温。24—25日,我国南方地区先后经历了10 ℃左右的降温(图3e、3f)。26日后,过程结束,温度回升。图4的逐日最低温演变显示,本次寒潮长三角多地最低温度创下1991年以来的极值,如上海、南京和杭州的最低温为-8～-10 ℃;华南多地的最低温更是创了当地建国以来的新纪录,如福州的最低温达到了-1.9 ℃。

图3 20—25日(a—f)850 hPa水平风速(箭头;单位:m·s-1)和表面温度异常(阴影;单位:℃)Fig.3 Evolution of horizontal wind(vectors;units:m·s-1) at 850 hPa and surface temperature anomalies(shading;units:℃) during (a—f)20—25 January 2016

图4 2016年1月上海、南京、杭州、福州的逐日最低气温演变Fig.4 Evolution of minimum temperature(shading;units:℃) at four stations during 15—31 January 2016

4 Rossby波异常

由图2可见,本次寒潮过程,始终伴随着大西洋阻塞高压的背景。热力强迫是阻塞高压形成的一个重要因子(罗哲贤,1989)。大气对热带外海温有重要影响,但海温能够对大气产生反馈,尤其是在冬季(Kushnir et al.,2002)。

图5a显示,在寒潮过程前期的2015年12月,尽管北大西洋海温偏冷,但是其两侧,大西洋西岸和东岸及北冰洋入口处,均存在大范围的正异常海温区。剧烈的海温梯度异常,通过感热和潜热作用,反而造成了北大西洋和北冰洋入口处的海表热通量正异常,最大异常在100 W·m-2以上(图5b),是北半球高纬度最大的异常中心。该热通量异常反映了此时的海气相互作用最活跃的地区主要位于北大西洋。该热源异常,也反映了该时期当地剧烈的风暴活动。活动期间暖空气的向极输送加剧了经向型环流形势,有利于大西洋阻塞的形成。而大西洋阻塞高压区,常常成为冬季北半球Rossby波活动的源区(Kodera et al.,2013)。

4.1 大气长波异常

图5 2015年12月平均的海表温度异常(a;单位:℃)和海表热通量异常(b;感热和潜热通量异常之和;单位：W·m-2)Fig.5 The (a)SST anomalies(units:℃)and (b)surface atmosphere-ocean heat flux anomalies(sensible heat net flux added to the latent heat net flux;units:W·m-2) in December 2015

图6 18—23日(a—f)50～70°N平均的1～4波的波作用通量WAF(箭矢;仅显示大于25 m2·s-2),垂直分量(阴影;单位:m2·s-2),位势高度异常(等值线;单位:gpm)(WAF水平项已乘以;垂直项已乘以;向上(下)白色空心箭头表示高(低)压异常的发展)Fig.6 Longitude-pressure cross sections of the 50—70°N mean zonal anomaly of geopotential height (contours;units:m),WAF (vectors;only>25 m2·s-2 shown) and vertical WAF(shading;units:m2·s-2) of waves 1—4 during (a—f)18—23 January 2016 (WAF components are scaled by horizontally and by vertically)

1月500 hPa位势高度异常分布(图1b)表明,1～4波的扰动是月平均尺度异常的主要特征。1～4波反映了大气的长波活动。图6和图7分析了寒潮爆发前1～4波的逐日波作用通量的水平和垂直传播。18—23日,大西洋阻塞高压区有波作用通量向极、向上传播(图7a—7e),但是受波流相互作用的限制,该向东向上传的波作用通量在对流层顶附近转为向下传播(图6a—6f中60°E西侧的蓝色阴影区),该区成为此时期北半球中高纬大气超长波能量下传最强的区域。下传的能量注入促使18—22日乌拉尔阻塞高压的发展增强(图6a—6c中的白色向上空心箭头,以及图7a—7d)。Han et al.(2011)曾通过数值模拟指出,前期北大西洋的热通量正异常有利于后期乌拉尔阻塞高压的维持。而这里,大西洋阻塞或高压脊对前期热通量异常的响应,成为了乌拉尔地区大气长波扰动的能量源区。

乌拉尔阻高强盛后,通过其东侧的波作用通量向东、向上传播(图6d—6f中120°E附近的红色区域),促使高空槽向下发展加强(图6d—6f中的白色向下空心箭头)。在500 hPa水平图上,来自乌拉尔阻高区的波作用通量,向东南方向快速输送,21—22日在45°N附近呈纬向辐合,促使该辐合带发展成横槽的中心(槽线)(图7c、7d),横槽达到最强阶段,对应图2e横槽内的冷空气聚集,冷异常达到-15 ℃以上。23日水平波作用通量在槽区的辐合停滞,24日槽区的波作用通量迅速向华南地区辐散,槽区的扰动能量减弱,横槽转竖(图7f)。此后槽区波作用通量进一步向南辐散,槽进一步减弱。

在寒潮爆发前期,持续的大气长波异常,以22日为代表,波作用通量沿大圆路径(图7d中的黑曲线),由北大西洋,经乌拉尔地区,直达我国华北。乌拉尔—华北走向的波活动路径使得槽脊系统保持较大的经向跨度,有助于冷空气向更南的槽内积聚,且异常的横槽结构内沿槽线纬向展开能容纳更多的冷空气。该结构的横槽一旦转竖,其底部直达华东地区(图7f,通常冬季的大槽底部在华北或东北地区),槽内的冷空气直接控制华东地区,通过低层的冷平流可进一步入侵华南。而冬季通常的大气长波作用通量的传播路径的终点更加偏北、偏东(图略),东北亚的槽脊系统也趋于纬向排列,通常寒潮爆发更多的影响我国北方地区。

图8 19—24日平均的500 hPa位势高度(等值线;单位:gpm)、局地Eliassen-Palm通量(箭头;仅显示大于80 m2·s-2)及其散度(阴影;单位:m·s-2)(粉色和黑色曲线表示波传播路径)Fig.8 The mean 500 hPa geopotential height (contours;units:gpm),local E-P flux (vectors;only>80 m2·-2 are shown) and its divergence (shading;units:m·s-2) during 19—24 January 2016 (pink and black curves indicate two great circle routes for transient waves)

4.2 瞬变波对大气长波的调制

候,对应我国极冷事件的少发。

5 结论

在超强厄尔尼诺背景下,2016年1月下旬中国南方经历了一次创纪录的寒潮事件,是大气长波和瞬变波相互作用的结果。前期2015年12月的北大西洋海表热通量正异常,活跃的海气相互作用有利于气旋风暴活动期间暖空气的向极输送和经向型环流形势的形成,有助于大西洋阻塞生成。

受波流相互作用的限制,大西洋阻塞高压区向东向上传的波作用通量,在对流层顶附近转为向下传播,加强了乌拉尔地区的大气长波扰动。大气长波能量进一步沿大圆路径向中低纬度传播并在此辐合,使得华北上空出现了异常偏南的稳定数日的横槽。大气长波异常导致了乌拉尔阻高和华北横槽的经向结构,有助于冷空气聚集在异常偏南的纬向槽线附近。为南方寒潮爆发提供了背景条件。

寒潮爆发前夕,亚欧大陆有2支瞬变波列活跃。北支瞬变波列调制了北方的大气长波,使横槽转竖;南支瞬变波列协同调控了南方的大气长波,使南支印缅槽减弱;两者共同作用,促使冷平流大举南下,直达华南沿海,南方寒潮发生。

致谢:ECMWF、NOAA和中国气象数据网提供了在线数据下载服务。

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Modulation by transient waves of atmospheric longwave anomalies:Dynamic mechanism of the super cold wave in South China in the extremely strong El Nio of 2015/2016

SHI Chunhua,CAI Wenyi,JIN Xin

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

A super cold wave occurred in South China in January 2016 against the background of the extremely strong El Nio of 2016/2016.Cities in the Yangtze River Delta experienced their coldest temperatures since 1991;for example,the minimum temperature in Nanjing was -10 ℃.Also,new records for minimum temperature were set in South China;for example,the minimum temperature in Fuzhou was -1.9 ℃.To analyze the dynamic mechanism involved,Plumb’s wave activity flux(WAF) and local Eliassen-Palm flux were computed using ERA-Interim reanalysis data.Harmonic analysis along the parallel circles was performed firstly,to extract the 1—4 wave signal,revealing evident modulation by transient waves of the atmospheric longwave anomalies.The previous positive anomaly of the sea surface heat flux in the North Atlantic in December 2015 benefitted the maintenance of the later Atlantic blocking.The energy of the atmospheric long waves was propagated from the Atlantic blocking to the midlatitudes in East Asia along the great circle.The Urals blocking and transverse trough in East Asia developed well.The meridional distribution of the atmospheric disturbance centers led to more cold air in the transverse trough.Before the outbreak of the cold wave,two transient wave trains were located in Eurasia.The northern one lay along western Europe to East Asia and modulated the rotation of the transverse trough.At the same time,the southern one lay along western Europe to the Bay of Bengal and weakened the India-Burma trough.They came together to favor cold advection moving southwards to South China.The cold wave then occurred in South China.

cold wave in South China;atmospheric long wave;transient waves;blocking;transverse trough

(责任编辑：张福颖)

施春华,蔡雯昳,金鑫,2016.强厄尔尼诺事件下2016年1月中国南方超级寒潮的动力学机制:瞬变波对大气长波异常的调制[J].大气科学学报,39(6):827-834. Shi C H,Cai W Y,Jin X,2016.Modulation by transient waves of atmospheric longwave anomalies:Dynamic mechanism of the super cold wave in South China in the extremely strong El Nio of 2015/2016[J].Trans Atmos Sci,39(6):827-834.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160801022.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160801022

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