2015年初北极极端气旋对中国寒潮的影响

张 琳 吕俊梅 丁明虎

(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室， 北京 100081)

引 言

受全球变暖影响，北极地区气象要素发生剧烈变化并出现北极放大效应[1]，中纬度极端天气气候事件频发，引起广泛关注[2-6]。大量研究表明：北极放大效应会影响中纬度环流和天气形势[7-10]，存在一种“暖北极-冷大陆”的模态[11]，但其影响方式和程度尚不明确，需要进一步研究[12-13]。

很多研究从不同角度探究北极和中纬度之间的联系[14-17]，不同尺度天气系统扮演不同角色，大尺度环流为天气系统的生成和发展提供背景场，这些系统又作为扰动因子影响大气环流，彼此相互作用又紧密相连。对大尺度环流而言，北极放大效应可能激发出弱的中纬度西风和增幅的行星波，有利于中纬度发生持续性极端天气[18]。阻塞是联系北极和中纬度地区的一种重要机制。出现在乌拉尔地区(40°～75°N，40°～80°E)并持续7 d以上的阻塞环流称为乌拉尔阻塞形势，常根据500 hPa位势高度梯度定义阻塞指数，进行定量研究[19-23]。受北极气候影响，巴伦支海—喀拉海温度升高，乌拉尔阻塞形势生命期延长，加剧欧亚大陆冷距平[20-21]，阻塞上游的北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation，NAO)和平均纬向风对其生命期和位置变化也有重要影响[22-24]，因此，生成于北大西洋的气旋对乌拉尔阻塞形势的作用值得进一步分析。此外，平流层也被看作联系极地和中纬度环流的关键界面[25]。对天气系统而言，中高纬度气旋北移并通过温度、海冰等影响大尺度环流，对中纬度天气气候异常和极端天气的发生有重大影响[26]，受到越来越多的关注。

很多学者从气候学意义上对中高纬度气旋的频数、路径、强度等进行统计研究[27-29]。Sorteberg等[30]统计了中高纬度气旋进入北极的主要通道，指出经过格陵兰岛/挪威海区域的气旋数量最多，平均强度最强。Sanders等[31]将中心气压在24 h内至少下降24 hPa 的高纬度气旋称为“气象炸弹”。Rinke等[32]将中高纬度气旋中心海平面气压值低于第5个百分位数(即985 hPa)的气旋定义为极端气旋。

极端气旋比普通气旋强度更强，常生成于北大西洋中高纬度地区，北移时携带大量暖湿空气，与北极异常增暖联系密切[32-34]。

极端气旋从中高纬度向极区移动，引发极端天气事件，对人类生活和经济等方面危害极大。2015年12月底，北大西洋超强极端气旋进入北极，中心气压低至928 hPa，带来大量暖湿空气，使北极出现极端异常增暖[33-34]。2018年1月美国东海岸遭受“炸弹气旋”袭击，多个地区出现极寒天气，波士顿连续7 d最高气温低于-6.7℃，打破当地100年的持续低温纪录，造成多人死亡。研究极端气旋与极端天气之间的可能联系至关重要。

1 资料和方法

1.1 资 料

再分析资料为欧洲中期天气预报中心提供的ERA-Interim数据集[40]，选取2015年1—2月逐6 h 的500 hPa和850 hPa高度场、温度场、风场、比湿及海平面气压场，分析前先转化成08:00(北京时，下同)，14:00，20:00和次日02:00，得到日平均资料，空间分辨率为1.5°×1.5°，气候平均定义为1981—2010年平均值。

观测资料为国家气象信息中心提供的中国地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)中的气温和降水资料。挑选出1981—2017年无缺测的观测站，共1429个(图1)。选取2015年1—2月日平均气温和日最低气温用于定义寒潮。降水资料选用2015年1—2月20:00—次日20:00累积降水量作为日降水量，单位为mm。

图1 中国1429个地面观测站分布Fig.1 Distribution of 1429 meteorological ground stations in China

1.2 极端气旋移动路径的定义

Rinke等[32]将1979—2015年挪威北部斯瓦尔巴群岛以北地区平均海平面气压第5个百分位数(985 hPa)定义为极端气旋的阈值。因此，本文将985 hPa作为阈值，根据逐日平均海平面气压定义极端气旋的中心和路径，极端气旋的中心定义为气旋范围内海平面气压最小值所处位置，将气旋中心逐日相连，即为移动路径。

1.3 寒潮标准

本文采取《冷空气等级》(GB/T20484-2006)的寒潮标准[41]，将日平均气温和日最低气温两者结合，即将观测站的日平均气温24 h内降温幅度不小于8℃，或48 h内降温幅度不小于10℃，或72 h内降温幅度不小于12℃，且当天日最低气温不大于4℃的冷空气过程定义为寒潮。

对于Rossby波能量频散和传播，使用Takaya等[42]提出的波活动通量进行诊断。

2 C1的生命史及其对中国天气影响

2.1 C1的生命史

极端气旋的生成和移动伴随低层增温、气旋式环流和地面降压(图2)。2015年1月18日，C1生成于格陵兰岛南部大西洋上空(图2a)，中心气压985.7 hPa，未达到阈值。19日强度最强，中心气压低至973.1 hPa。此后C1逐渐减弱并沿格陵兰岛东侧海岸向东北移动，21日登陆格陵兰岛，22日到达格陵兰岛以北，进入极区并向东半球移动，25日到达泰梅尔半岛。随着C1北移，海平面气压呈负距平，低层气旋环流也向北移动，且方向与C1的路径一致。以上过程中低层增暖也随之不断北移。1月18日C1生成时，格陵兰岛以南和以西出现大范围的低层异常增暖，此后随着C1移动，低层暖异常从格陵兰海，沿巴伦支海、喀拉海东移，虽经过极区，但未直接穿越极区中心。

图2 2015年1月18日(a)、20日(b)、22日(c)和25日(d)C1的移动路径(黑色点表示历史路径，黄色三角形表示当日位置)、850 hPa温度距平(填色)和平均海平面气压距平场(等值线，单位：hPa，实线为正，虚线为负，间隔5 hPa)Fig.2 Track of C1(black dots represent historic track and the yellow triangle represents the center location on the date) and distribution of 850 hPa temperature anomalies(the shaded) and mean sea level pressure anomalies(the contour,unit:hPa,solid and dashed lines denote positive and negative values with interval of 5 hPa,respectively) on 18 Jan(a),20 Jan(b),22 Jan(c) and 25 Jan(d) in 2015

2.2 北极大气环流的调整

随着C1及低层暖异常北移，500 hPa也出现异常增暖并向极移动，对应高压脊向极地扩张，图2和图3体现出C1的垂直斜压结构，表现在大气低层为低压系统，高层为高压系统。1月18日格陵兰岛东南侧有一高压脊(图3a)，随着C1北移，此高压脊发展并向东北延伸。图2中850 hPa异常增暖位于C1的东北方向，且500 hPa与850 hPa异常增暖位置对应，500 hPa异常增暖北移(暖平流)对应高压脊后偏南气流，引导C1北移并进入极区，表明热力因子对动力因子可能存在引导作用[43]。22日500 hPa 暖异常进入极区，高压脊继续向极区扩张，极涡受到挤压发生变形，主体分为两部分并分别向东、西半球偏移。24日受到高压脊向西挤压，极涡分裂成两个中心(参考朱乾根等[44]对极涡分裂的描述，本文极涡分裂以等高线504 dagpm的断裂为标准)，其中亚洲一侧的极涡较强并南压至西伯利亚(图3c)。25—30日两个极涡中心的位置维持不变。

1.3统计学意义本研究使用的统计学软件为SPSS12.0,计量资料主要是使用χ±s表示,组间对比则通过t检验,存在统计学意义则以P<0.05表示。

图3 2015年1月18 日(a)、22日(b)、24日(c)和26日(d)500 hPa温度距平场(填色)和高度场(等值线，单位：dagpm，棕色线表示脊线，“D”表示极涡中心) Fig.3 Distribution of 500 hPa temperature anomalies(the shaded) and geopotential height(the contour,unit:dagpm,brown line represents ridge-line, “D” represents polar vortex center) on 18 Jan(a),22 Jan(b),24 Jan(c) and 26 Jan(d) in 2015

2.3 C1对中国天气影响及物理机制

C1北移使北极环流发生调整，并通过加强异常的Rossby波能量频散影响下游中高纬度大气环流(图4)。1月18日C1生成位置为异常辐散中心，对应较强的能量向下游频散(图4a)。巴伦支海—喀拉海为低压槽，乌拉尔山地区主要受纬向环流控制。异常Rossby波增强后，分为中纬度和高纬度两支波列，能量也分为南北两支向下游频散。21日高压脊东移至斯堪的纳维亚半岛附近，出现阻塞形势。受高纬度Rossby波能量频散影响，乌拉尔阻塞形势维持并缓慢东移南压。25日低压槽分离出的小槽位于新疆以西。26日低压槽槽线转为南北走向，在槽后偏北气流的引导下，冷空气从西伯利亚南下，我国开始降温(图5)。27日我国东北、华北北部出现寒潮天气，中部地区出现降温。小槽位于新疆的西北方向时，新疆北部出现降温，个别站达到寒潮等级。此后低压槽持续加深南压，小槽东移并对冷空气进行补充，受环流形势的影响，28—29日我国出现大范围降温，中部降温强烈并发生寒潮，气温距平最低为-8～-7℃。此时低压槽已东移入海，但来自中纬度Rossby的能量继续向小槽频散，冷空气得到补充，我国持续出现低温寒潮天气。

图4 2015年1月18 日(a)、21日(b)、24日(c)和26日(d)300 hPa Rossby波活动通量的距平场(箭头)及散度距平场(填色)和500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)Fig.4 Distribution of Rossby wave activity flux anomalies at 300 hPa(the arrow,unit:m2·s-2) with its divergence anomalies(the shaded) and 500 hPa geopotential height(the contour) on 18 Jan(a),21 Jan(b),24 Jan(c) and 26 Jan(d) in 2015

图5 2015年1月27日(a)、28日(b)、29日(c)和30日(d)全国气温距平分布(黑色点表示达到寒潮标准的观测站)Fig.5 Distribution of temperature anomalies on 27 Jan(a),28 Jan(b),29 Jan(c) and 30 Jan(d) in 2015(black dots represent stations reaching standard for cold spells)

此次天气过程中，异常Rossby波分裂为高纬度和中纬度两支，高纬度Rossby波的能量频散使乌拉尔阻塞形势发展和维持，低压槽加深南压，是引起我国寒潮天气的主要原因；中纬度Rossby波的能量频散使分裂的小槽发展加强，冷空气得到补充。受此影响，全国范围出现寒潮，1月27日开始，31日结束，持续5 d。

逐日500 hPa高度距平场(图略)表现为1月9—15日为NAO正位相异常，16日减弱消亡，这为18日C1的生成提供扰动背景场。乌拉尔阻塞形势生成位置偏北，随后缓慢东移南压，最后维持在新地岛以南。Luo等[45]提出NAO正位相和乌拉尔阻塞形势出现时，北大西洋气旋东移并输送水汽，从而导致巴伦支海—喀拉海的海冰融化和东亚变冷。

C1向东北移动，使北大西洋的高压系统东移，有利于西伯利亚高压建立和维持。整个过程中，西伯利亚高压异常强盛并不断东移，1月25日位于乌拉尔山，27日东移至我国以北，高压前部偏北风向我国输送冷空气(图6)。28—30日高压始终位于我国北部并逐渐减弱。

伴随寒潮的发生，我国出现大范围降水，从整层积分的水汽通量散度(图6)看到，在西太平洋有一条水汽输送带，水汽从西太平洋沿南海、孟加拉湾向西输送，在印度半岛分为两支，一支继续向西南输送，另一支转向东北输送至我国南部。在北方南下冷空气和南方暖湿空气配合下，1月27—31日我国南方出现大范围降水，日降水量最大达18 mm。

图6 2015年1月25日(a)和27日(b)整层(地面至300 hPa)积分水汽通量散度(填色，单位：10-4 kg·m-2·s-1)，海平面气压距平场(等值线，单位：hPa)和850 hPa风场(箭头)(阴影区为青藏高原)Fig.6 Vertically integrated(surface to 300 hPa) moisture flux divergence(the shaded,unit:10-4 kg·m-2·s-1),mean sea level pressure anomalies(the contour,unit:hPa) and 850 hPa wind field(the arrow,the gray shading represents the Tibet Plateau) on 25 Jan(a) and 27 Jan(b) in 2015

3 C2的生命史及其对中国天气影响

3.1 C2的生命史

极端气旋C2的生成和移动与C1不同。2015年1月31日C2生成于北美东部的大西洋上空(图7a)，2月3日在格陵兰岛中部登陆，5日进入并穿越极区，此时C2达到最强，中心值为973.9 hPa，此后继续向偏西方向移动并逐渐减弱消失。相比于C1，C2生成纬度较低，路径偏西并直接穿越极区(C1未穿越极区)。随着C2北移，低层暖异常从格陵兰岛中西部穿过，进入并穿越极区中心。

图7 同图2，但为2015年1月31日(a)和2月2日(b)、4日(c)、7日(d)的C2Fig.7 The same as in Fig.2,but for C2 on 31 Jan(a),2 Feb(b),4 Feb(c) and 7 Feb(d) in 2015

续图7

3.2 北极大气环流的调整

图8展示500 hPa异常增暖向极地移动，高压脊向极地扩张。1月31日在格陵兰岛南部为高压脊，并随着C2北移而发展北伸。C2与C1的垂直结构相似，但由于C2路径偏西，相应地高压脊向东、向北挤压极涡，这与C1对应的向西挤压不同，2月5日极涡分裂后，东半球极涡位于贝加尔湖的东北向且偏东。8—9日极涡分离出小涡旋并东移入海，西半球极涡向极区伸展，极涡逐渐恢复为1个中心。

图8 同图3，但为2015年1月31日(a)和2月3日(b)、5日(c)、7日(d)的C2Fig.8 The same as in Fig.3, but for C2 on 31 Jan(a),3 Feb(b),5 Feb(c) and 7 Feb(d) in 2015

续图8

3.3 C2对中国天气影响及物理机制

通过异常的Rossby波能量频散，下游的中纬度环流也发生调整(图9)。1月31日C2生成伴有异常辐散中心，与C1对应的高纬度和中纬度两支异常Rossby波不同，与C2相伴的Rossby波只有位于中纬度的一支，通过能量频散使中高纬度槽脊发展。2月2日格陵兰岛的高压脊北伸，乌拉尔阻塞形势形成。5日乌拉尔阻塞形势维持并缓慢北伸，低压槽南压至贝加尔湖以东，位置较C1偏东。7—9日低压槽加深并东移南压，乌拉尔阻塞形势维持并于9日减弱。受低压槽影响，7日我国东北出现寒潮天气，华北北部也出现降温(图10)。8日东北、华北和中国大部分地区出现降温，寒潮主要集中在我国东北地区东南部，气温距平最低为-10～-9℃。9日低压槽分裂出一个小涡旋，寒潮强度减弱。随着小涡旋东移入海，天气过程结束。

图9 同图4，但为2015年1月31日(a)和2月3日(b)、6日(c)、8日(d)的C2Fig.9 The same as in Fig.4, but for C2 on 31 Jan(a),3 Feb(b),6 Feb(c) and 8 Feb(d) in 2015

图10 同图5，但为2015年2月7日(a)和8日(b)的C2Fig.10 The same as in Fig.5,but for C2 on 7 Feb(a) and 8 Feb(b) in 2015

在此次天气过程中，乌拉尔阻塞形势生成位置较C1偏南，低压槽偏东，主体虽未大幅度东移，但经向性比C1更强。受其影响，我国在2月7—9日出现寒潮，主要影响我国东北地区，影响范围较小，持续时间较C1短，为3 d，但强度更强。对低层环流，C2对应的西伯利亚高压偏东，水汽条件较差，并未出现明显的降水过程。

4 结论与讨论

本文探讨了2015年1月和2月从北大西洋中高纬度进入北极的两个极端气旋(C1和C2)影响中国冬季寒潮天气的途径和机制，得到如下结论：

1) 极端气旋生成于北大西洋中高纬度地区，大气低层和高层均出现异常增温，随着极端气旋北移，低层和高层暖异常进入极区，伴随着高压脊发展并向极延伸，极涡受到挤压并分裂，东半球极涡南压，乌拉尔阻塞形势出现并维持，低压槽不断加深南压，使我国发生低温寒潮天气。

2) 与极端气旋伴随的异常增暖加强大气Rossby波能量向下游频散，使下游中高纬度槽脊发展。不同纬度生成的气旋对应Rossby波异常不同，C1生成纬度较高，对应两支异常Rossby波分别沿高纬度和中纬度向下游频散，高纬度Rossby波是影响寒潮的主要原因，中纬度Rossby波补充冷空气，造成寒潮持续时间较长。C2生成纬度较低，未能使高纬度Rossby波得到加强，只增强中纬度Rossby波并沿西风带频散，寒潮过程持续时间较短。

3) 极端气旋移动的不同路径引起我国低温寒潮天气的强度、范围均不同。C1路径偏东，对应乌拉尔阻塞形势的生成位置偏北，低压槽偏西，在东移南压过程中对我国的影响范围更大，可达全国范围；C2路径偏西，乌拉尔阻塞形势生成偏南，相应地，低压槽偏东并很快分离出涡旋东移入海，冷空气活动范围达到我国南部，东部地区受主要影响且持续时间较短，但冷空气强度极强。

研究表明，极涡面积和强度的变化对西风带槽脊和我国气温均有影响[46-48]。极涡分裂后，位于东半球一侧的面积扩大并南压，与东、西两侧的高压脊形成倒Ω流型，底部低压槽南压，影响我国寒潮天气。

Rossby波的气候平均态反映出北大西洋存在一个辐散中心(波源)，而极端气旋加强原有的辐散中心和能量频散路径。C1加强高纬度和中纬度两支Rossby波，与陈文等[49]提出的两支波导均一致，但与Zhong等[50]的中纬度波列不同。C2生成纬度较低，根据波垂直传播的经向剖面[49]，只加强其中一支较低纬度的Rossby波。受不同Rossby波影响，C1和C2对应乌拉尔阻塞形势位置也不同。Luo等[20,23]发现北大西洋中纬度增暖通过Rossby波能量频散激发下游的阻塞形势，且偏南乌拉尔阻塞形势对应的冷距平可影响至我国南部。本文C1对应的乌拉尔阻塞形势虽生成位置偏北，但东移南压后维持在新地岛以南，与Luo等[23]偏南的乌拉尔阻塞形势相对应。因此，在影响中国寒潮天气的环流和系统中，乌拉尔阻塞形势确实有重要作用，极端气旋的影响也同样不可忽视。

本文发现极端气旋的生成早于我国寒潮天气大约7～9 d，因此，对北大西洋中高纬极端气旋的监测和研究对提高中国寒潮天气的预报水平有指示意义。本文只得到初步的研究结果，表明C1和C2对我国寒潮天气存在一定影响，且不同路径(偏东和偏西)造成的影响不同，其普适性还需进一步证实。