大气低频振荡对2019年冬季华北强降温事件的影响

李丽平,付佳丽,梁阔,李一格,高辉

① 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室,江苏 南京 210044;② 南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;③ 昔阳县气象局,山西 晋中 045300;④ 国家气候中心,北京 100081

1951—2012年间,全球平均气温上升0.72 ℃(0.49～0.89 ℃)(Stocker et al.,2013),全球变暖已成事实。在此背景下,我国寒潮频次明显减少(王遵娅和丁一汇,2006;钱维宏和张玮玮,2007),但冰冻雨雪(张春艳和张耀存,2013)、极端低温(孙丞虎等,2012;韩方红等,2018;武炳义,2019)、持续低温(朱毓颖和江静,2013)等极端气候事件频发,严重威胁人民生命财产安全。

大气环流年际异常是大范围极端天气气候事件形成的直接原因。其中,西伯利亚高压(SH)的强度与我国冬季气温存在明显负相关关系(龚道溢和王绍武,1999;王遵娅和丁一汇,2006;申红艳等,2010;朱红霞等,2019;李艳等,2019),当SH偏强且东扩南伸时,我国冬季偏冷(蓝柳茹和李栋梁,2016)。但也有学者认为,单个环流系统造成的影响有限,多个系统同时发生异常并互相配合往往会导致极端天气气候事件发生(李崇银等,2008;孙丞虎等,2012;郭广芬等,2013;李艳等,2019)。北大西洋涛动(NAO)、北极涛动(AO)等遥相关型对强降温也具有重要影响。当NAO、AO为负位相时,我国北方冬季偏冷(王永波和施能,2001;Wu and Wang,2002;Chen et al.,2005;陈文和康丽华,2006;Wang et al.,2009;谭桂容等,2010;孙诚和李建平,2012;韩方红等,2018)。此外,高层急流也是影响我国冬季气温的重要因素(姚慧茹和李栋梁,2013;张春艳和张耀存,2013;叶丹和张耀存,2014;李蓉等,2017)。

除上述环流因子年际异常的影响外,大气低频振荡对极端事件的发生也具有重要作用。Madden-Julian在1971年发现热带大气存在30～60 d的振荡(MJO)(Madden and Julian,1971),并且该现象在中高纬度也存在(Madden and Julian,1972)。大气低频变化包括季节内振荡(30～60 d,ISO)和准双周振荡(10～20 d,QBW)(李崇银,1993)。我国冬季温度主要存在10～20 d和30～60 d振荡(朱毓颖和江静,2013),但不仅强降温过程本身存在低频周期,表征冷空气强度的气象因子和环流系统也具有明显低频振荡特征(杨松和朱乾根,1990;马晓青等,2008;李艳等,2018)。有研究表明,强寒潮过程及中高纬环流系统表现出强的10～20 d左右的低频振荡(丁一汇,1991;马晓青等,2008;索渺清等,2008)。低纬赤道印度洋的对流活动与中纬加强的西伯利亚地区低频高压、贝-巴湖低频横槽的加深与维持共同导致了持续低温事件的发生(朱毓颖和江静,2013)。张伟和江静(2015)在研究MJO对中国冬季持续低温事件的影响时发现,中国北方在MJO位于5、6位相时发生持续低温事件的概率较高。刘樱等(2016)统计1959—2009年华北冬季的持续性低温事件并探讨其与大气低频振荡的关系,指出华北、东北上空的低频气旋、中西伯利亚的低频反气旋是重要的低频影响因子,并且高低层的低频信号主要是由中高纬向低纬且自西向东传播。苗青等(2016)研究表明,2011/2012年冬季的寒潮和强降温过程是在全国区域平均温度存在较强的10～30 d低频振荡的背景下发生,并利用SVD分析了其与500 hPa低频系统的耦合关系发现,第一模态中,亚洲-西太平洋中低纬度与中高纬度的南北两支低频波列在东亚耦合,第二模态中沿着喀拉海-乌拉尔山东侧-我国西部的低频波列引导冷空气沿西北路径南下扩散,两个模态驱动了强度大、范围广的低频温度由升高向降低变化的振荡。

华北作为我国的交通枢纽、农业发展重地,受寒潮影响严重(杨晓玲等,2016;倪云虎等,2017)。而在过去对寒潮的研究中,多针对全国及其他地区,华北寒潮研究较少,且主要围绕华北气温、寒潮频次的年际年代际特征等来分析(何春和何金海,2003;倪云虎等,2017),因此,对华北冬季强降温(寒潮)事件的研究十分必要。2016年1月的“霸王级”寒潮令人记忆深刻,华北北部地区气温骤降,降温幅度达到10～14 ℃,对人民的生活产生严重的破坏。已有学者对此次寒潮进行过研究,李艳等(2018)采用低频天气图方法分析了我国2008年初低温雨雪冰冻灾害和2016年“霸王级”寒潮的30～60 d低频特征,揭示典型极端低温事件中低频系统的特征及其生成、演变过程。江雨霏等(2019)分析了2016年1月发生在我国南方的持续低温事件,指出2015—2016年我国冬季气温存在明显的10～20 d低频振荡,且由于天气尺度(3～10 d)和低频尺度(10～20 d)异常环流叠加导致了南方的持续性低温事件,也指出天气尺度降温略大于低频降温,温度平流项和绝热变化项是使得局地温度降低的主要原因。本文则以华北冬季的强降温事件为研究对象,利用Morlet小波方法分析2015年冬季华北最低温度的显著低频周期,对包括此次寒潮过程在内的2015年冬季华北两次区域强降温事件及与之相关的大气环流低频环流特征进行对比分析,旨在从低频角度探究强降温事件的成因,以期对华北强降温事件延伸期预报提供一些参考信息。

所用资料包括:1)国家气候中心提供的2 480站逐日最低气温资料。2)NCEP/NCAR逐日再分析资料,包括高度场、风场、温度场,垂直方向共17层;垂直速度场,垂直方向共12层;海平面气压场。水平分辨率为2.5°×2.5°,时段为1980年1月1日—2017年12月31日。将当年12月—次年2月定义为当年冬季。

华北范围取为(110°～120°E,35°～42.5°N)。为保持数据的连续性,剔除有缺测的站点,从全国2 000多站中挑选出419站作为华北代表站,如图1所示。

图1 华北419站分布Fig.1 Distribution of 419 stations in northern China

关于强降温事件的定义已有许多(马乃孚等,1998;毛炜峄和陈颖,2016;苗青等,2016;杨晓玲等,2016),由于气候区域性差异较大,定义不尽相同。本文根据《冷空气等级》(GB/T 20484—2017)和《寒潮等级》(GB/T 21987—2017),参考刘宪锋等(2014)给出华北单站、区域强降温事件的定义如下:1)某地的日最低气温24 h内降幅大于等于8 ℃,或48 h大于等于10 ℃,或72 h大于等于12 ℃,并且使该地日最低气温小于等于4 ℃的冷空气活动,定义为一次单站强降温事件。2)在一次冷空气的影响过程中,区域内累积发生单站强降温事件的站点达40%以上,则定义为一次区域强降温事件(RECE)。在一次强降温事件中,考虑到冷空气对范围内站点的影响存在时间差,允许连续降温过程发生1 d的间隔(即该日没有站点发生强降温事件)。

另外,本文采用Morlet小波分析要素的显著低频周期,采用Butterworth带通滤波器来提取要素的显著低频分量,用时滞相关方法来寻找延伸期预报参考信号(吴洪宝和吴蕾,2005;魏凤英,2007)。

根据定义,对1980—2016共37 a冬季华北发生的RECE频次进行统计(图2)。可见,1980—2016年冬季,华北共发生了29次RECE。整体来看,RECE年代际变化特征明显,2000年以前,频次较多且呈下降趋势,之后明显减少。在此背景下,2015年冬季华北发生两次RECE,在近20 a中属频次较多年份(2008年除外)。故本文拟选取2015年冬季的RECE为研究重点,分析其低频特征及可能成因,寻找RECE发生的延伸期预报信号。

图2 1980—2016年冬季华北RECE频次Fig.2 Frequency of the RECE in winter of 1980—2016 in northern China

为了解华北最低温度的显著低频周期,对2015年7月1日—2016年6月30日华北区域平均最低温度序列做Morlet小波分析(图3a)。可见,2015年冬季华北最低温度存在10～20 d显著低频周期,与江雨霏等(2019)结论类似。结合华北最低温度距平逐日序列及其10～20 d滤波序列(图3b),确定两次强降温过程分别为2016年1月16—24日、2月11—15日,可见,两次强降温过程与最低温度的10～20 d低频分量从峰值位相到谷值位相的变化很好对应。下节将进一步对比分析两次过程中大气环流场低频特征的异同。

图3 2015年7月1日—2016年6月30日华北区域平均最低温度序列小波图(a;阴影通过信度α=0.1的显著性检验)及2015年冬季逐日最低温度距平序列 (直方图)与10～20 d序列(实线)(b;竖线之间为两次降温过程;单位:℃)Fig.3 (a)Wavelet analysis of regional-averaged minimum temperature series in northern China from July 1,2015 to June 30,2016 (the shaded part shows that the significance test of reliability α=0.1 has been passed);(b) daily minimum temperature anomaly sequence (histogram) and 10—20 d sequence (solid line) in winter of 2015 (there are two cooling processes between vertical lines;unit:℃)

据上节可知,2015年冬季华北最低温度存在10～20 d显著低频周期。为了解大气低频振荡对2015年冬季华北强降温事件的影响,先用滤波方法提取大气环流要素的10～20 d低频分量,再据图3b,参考毛江玉和吴国雄(2005)确定低频分量位相的方法,选取第一次强降温过程中的1月16、20、24日和第二次过程的2月11、13、15日作为研究时间点,分别对应低频最低温度的峰值位相、过渡位相和谷值位相。下面将进一步对比分析两次强降温过程在上述三个位相所对应的10～20 d低频大气环流场演变特征的异同,以期揭示低频RECE的可能成因。

3.1 500 hPa高度场

首先对比分析第一次降温过程的1月16、20、24日(图4a—c)和第二次过程的2月11、13、15日(图4d—f)500 hPa低频高度场特征异同。由图4可知:1)中、高纬有低频正异常向巴-贝湖区移动,使得巴-贝湖低频高压脊偏强,但其位置和范围存在差异。第一次过程中(图4a—c),位于60°N以北的新地岛及以东地区强大的低频正异常逐渐南移,地中海附近的低频正异常逐渐加强并向东北移动,二者于1月24日在巴-贝湖交汇,使得巴-贝湖低频高压脊加强,经向跨度较大,从里海延伸至中国东北西部,中心位于巴湖上空。第二次过程中(图4d—f),西西伯利亚地区的低频正异常逐渐加强并向东南移至贝湖西北部,地中海也有低频正异常向巴-贝湖区域移动(图4e),但很快2月15日此能量输送通道已断裂(图4f),使得巴-贝湖低频高压脊偏强但范围偏小,位置偏东偏北。对500 hPa低频高度场沿90°E作时间-纬度剖面(图5a),可见两次降温过程中均有低频正异常扰动从高纬向南传播到巴-贝湖附近,但第一次过程比第二次过程明显传播的更偏南,也使得巴-贝湖低频高压脊更偏南,再次证实了图4反映的特征。2)中纬度低频正异常输送持续时间不同,可能是造成两次降温过程持续时间差异的重要原因之一。对第一次过程低频500 hPa高度场沿45°N作时间-经度剖面(图5b)。可见,1月16日开始到24日地中海附近的低频正异常逐渐加强东移,为其东北方向与之相连的巴-贝湖低频高压脊不断补充能量,使得这次降温过程持续时间较长。第二次过程中,低频正异常扰动从地中海向其东北方向的巴-贝湖高压脊输送能量只持续了2 d,即2月13日(图4e)和2月14日(图略),2月15日该能量输送通道已断裂(图4f),使得这次降温过程持续时间较短。3)两次降温过程低频东亚大槽的位置演变明显不同。第一次过程中,1月16日(图4a),巴-贝湖存在一较强的低频横槽,之后随着低频极涡向东亚及沿海地区延伸(图4b),使得东亚大槽进一步加深并逐渐呈东北-西南走向,冷空气也随着低频横槽的转竖不断南下(图4c)。第二次过程,2月11日(图4d),东北亚地区为低频正异常控制,华北偏暖;之后伴随低频负异常从新西伯利亚群岛附近的极区向东北亚移动,上述低频正异常逐渐减弱(图4e),东亚大槽逐渐加深,且基本呈南北走向(图4f),冷空气沿更偏北的路径南侵华北。4)北极涛动(AO)负位相型(记为-AO)异常只存在于第二次过程中。第二次降温开始不久(图4e),极地低频环流呈正异常分布,中高纬基本为负异常,呈“-AO”型异常分布,更有利于极区冷空气南下,使得华北降温更快。

图4 1月16(a)、20(b)、24(c)日与2月11(d)、13(e)、15(f)日低频500 hPa高度场(阴影)与实况场(等值线)(单位:gpm)Fig.4 Low-frequency 500 hPa height field (shadow) and observation field (contour) on January (a) 16,(b) 20 and (c) 24,and February (d) 11,(e) 13 and (f) 15 (unit:gpm)

综上,两次过程中,巴-贝湖低频高压脊和低频东亚大槽配合,使得环流经向度增大,高纬强冷空气沿高压脊前和槽后偏北气流南下侵袭华北,造成华北强降温。但两次过程中低频环流系统的形成过程、范围、位置和走向均有一定差异。第一次过程中巴-贝湖低频高压脊偏西南,东亚大槽呈东北-西南走向,第二次过程巴-贝湖高压脊偏东北,东亚大槽呈南北走向。第一次过程有上游扰动能量对巴-贝湖低频高压脊的持续补给,使得降温过程持续时间更长,第二次过程中上游能量补给持续时间短(只有2 d),极区和中高纬之间的低频环流又呈“-AO”异常,有利于高纬冷空气快速南下,使得第二次过程降温快速,但持续时间短。

图5 低频500 hPa高度场沿90°E的时间-纬度剖面(a)和沿45°N的时间-经度剖面(b)(单位:gpm)Fig.5 The (a) time-latitude section along 90°E,and (b) time-longitude section along 45°N of the low-frequency 500 hPa height field (unit:gpm)

图6 同图4,但为低频海平面气压场(单位:hPa)Fig.6 The same as Fig.4,but for the low-frequency sea level pressure field (unit:hPa)

3.2 海平面气压场

低频海平面气压场(图6)异常分布与500 hPa高度场异常(图4)较一致,表明对流层中下层的中高纬低频大气环流呈垂直正压结构特征。通过对比可知:1)两次降温过程均表现为中高纬低频正异常扰动加强南压,使得SH偏强,第一次过程SH更偏南(图6c),第二次过程SH较之偏北,正异常中心位于贝湖西北(图6f)。从散度场的气压-经度剖面图(图7)可以看到,SH上空对流层内低(高)层辐散(合),深厚的下沉运动使高压得以发展,与蓝柳茹和李栋梁(2016)所得结论一致。在下沉支的东侧,均存在明显上升区,对应低层洋面海温异常增暖(图略),有利于该上升支的形成,从而形成一个较强的次级环流。2)阿留申低压(AL)作为海平面气压场上重要系统之一,也表现出明显的差异。1月16日开始(图6a),贝湖附近的负异常不断向东南移,使得1月20日(图6b)时日本群岛以东洋面出现负异常,AL偏弱,并于24日(图6c)与极区南扩的负异常连通,使得AL有所加强。第二次降温开始时(图6d),阿留申群岛南部为负异常,之后高纬的负异常逐渐南压并逐渐与之合并(图6e,6f),一方面极区和中高纬呈“-AO”型异常,有利于高纬冷空气南下,另一方面使得AL偏强偏西,其与SH共同配合引导冷空气向华北输送。

综上,与第一次降温过程相比,第二次过程中的SH范围更偏北偏强,AL更偏西偏深,又有“-AO”型异常,降温更迅速。

3.3 300 hPa纬向风场

在强降温事件发展过程中,高空急流是如何演变的呢?为此,对300 hPa低频纬向风场(图8)进行分析。可知:1)偏弱的东亚温带急流使得南下的冷空气向华北汇集。降温开始时(图8a,d),华北以北受强西风控制,之后60°N附近负异常逐渐向南推进到达华北及以北地区(图8c,f),此时极地与中纬度呈“-”、“+”、“-”的异常分布,极地强冷空气南下活动加强,华北北部偏弱的温带急流使得冷空气向华北汇聚。2)东亚副热带急流一致增强北抬。降温开始时(图8a、d),东亚副热带急流均偏弱,温度降至最低时(图8c、f),急流已增强北抬,阻挡冷空气进一步南下,使得华北持续受冷空气侵袭。

图7 低频散度(阴影,单位:10-6/s)的高度-经度剖面和低频纬向垂直环流(矢量,单位:m/s):(a)1月24日,沿37.5°N;(b)2月15日,沿50°NFig.7 The height-longitude sections of low-frequency divergence (shaded part,unit:10-6/s) and low-frequency zonal vertical circulation field (vector,unit:m/s):(a) January 24,along 37.5°N;(b) February 15,along 50°N

图8 同图4,但为300 hPa纬向风场(等值线:≥20 m/s)及其低频分量(阴影)(单位:m/s)Fig.8 The same as Fig.4,but for the 300 hPa zonal wind field (contour:≥20 m/s) and its low-frequency component (shaded part) (units:m/s)

综上,急流北弱南强时,即东亚温带急流偏弱,东亚副热带急流偏强,高纬冷空气不断南下并向华北汇聚,使得华北降温。

3.4 等压位涡场

位涡是表征冷空气的最优指标(赵亮和丁一汇,2009)。对比两次过程的850 hPa低频等压位涡场(图9)可以看出,第一次过程中,贝湖北部为一高位涡中心(图9a),是冷空气的直接源地,随着该高位涡中心的南移,冷空气逐渐南下,于1月24日(图9c)到达华北地区,华北温度降至最低。第二次过程中,降温过程初期(图9d),西伯利亚高原的高位涡冷空气与华北局地高位涡冷空气连通,有利于华北快速降温;之后两地高位涡冷空气带断裂,华北主要受局地高位涡空气控制(图9e、f),随着华北高位涡冷空气减弱、移出,降温结束。

图9 同图4,但为低频850 hPa等压位涡场(单位:10-6 K·m2·kg-1·s-1)Fig.9 The same as Fig.4,but for the low-frequency 850 hPa isobaric potential vortex field (unit:10-6 K·m2·kg-1·s-1)

冷空气并不局限于低层等压面,高层的高位涡库也是冷空气的重要来源,那这两次降温过程中高层冷空气源地位于何处?为此,对位涡的高度-纬度垂直剖面(图10)进行分析。由图10可见,第一次过程中,对流层高层高位涡大致沿315 K等熵面南移(图10a),并逐渐向低层伸展,与低层打通,1月24日(图10c),华北上空冷空气深厚。第二次降温开始时,对流层顶及平流层中低层位于巴湖以北50°N附近有较强的高位涡中心(图10d),之后东移至贝湖以南,此时等熵面异常倾斜,有利于冷空气下传(图10e),2月15日(图10f)高层高位涡空气已东传至华北上空,高低层充足的冷空气使得华北进一步降温。

图10 1月16(a,115°E)、20(b,115°E)、24(c,115°E)日与2月11(d,70°E)、13(e,104°E)、15(f,115°E)日低频等压位涡的气压-纬度剖面(实线:西风急流,单位:m/s;虚线:等位温线,单位:K;阴影:10～20 d等压位涡,单位:10-6 K·m2·kg-1·s-1)Fig.10 The pressure-latitude sections of low-frequency isobaric potential vorticity on January (a,115°E) 16,(b,115°E) 20 and (c,115°E) 24,and February (d,70°E) 11,(e,104°E) 13 and (f,115°E) 15 (solid line:westerly jet,unit:m/s;dotted line:isentrope,unit:K;shadow:10—20 d isobaric potential vortex,unit:10-6 K·m2·kg-1·s-1)

综上,第一次过程,高低层冷空气源地均位于贝湖北部60°N附近,并逐渐南传至华北地区,冷空气系统深厚;第二次过程中,华北低层一直为冷空气控制,华北上空逐渐出现由巴湖以北东传而来的高位涡冷空气,有利于低层冷空气维持,伴随着低层冷空气减弱移出,第二次降温结束。

由第3节已知,伴随着华北强降温事件的发展和发生,有显著的大气低频信号从中高纬度向南移动。那到底应该更关注前期何时的大气低频环流系统及其演变呢?回答这一问题对于延伸期预报具有重要意义。下面分别给出低频500 hPa高度场超前华北最低温度序列18 d到0 d的时滞相关系数分布。

由10～20 d华北最低温度序列与500 hPa高度场时滞相关系数分布(图11)可知,0 d时,巴-贝湖(东亚)为显著负(正)相关,巴-贝湖低频高压脊(低频东亚大槽)偏强,华北温度最低。其中,-18 d,西欧有显著低频正相关信号,随后(-16～0 d)逐渐向东南方向移动至东亚地区,使得低频东亚大槽加深;-12 d,西欧出现明显的负相关信号,之后(-10～0 d)逐渐向东南传播至巴-贝湖区域,使得低频巴-贝湖高压脊加强。

图11 10～20 d华北最低温度序列与500 hPa高度场时滞相关系数分布(阴影通过信度α=0.01的显著性检验,负数表示高度场超前于最低温度的天数):(a)-18 d;(b)-16 d;(c)-12 d;(d)-10 d;(e)-5 d;(f)0 dFig.11 Distribution of lead-lag correlation coefficient between the 10—20 d minimum temperature series in northern China and 500 hPa height field (the shaded part shows that the significance test of reliability α=0.01 has been passed,and the negative numbers indicate the days of height field ahead of minimum temperature):(a)-18 d;(b)-16 d;(c)-12 d;(d)-10 d;(e)-5 d;(f) 0 d

综上,-18 d(-12 d)存在于西欧地区的正(负)相关信号,对应500 hPa高度场的低频负(正)异常,对预测低频东亚大槽(低频巴-贝湖高压脊)的变动,进而预测华北降温具有重要参考意义。

本文主要分析了2015年冬季华北两次强降温过程及其与大气低频振荡的联系,主要结论如下:

1)2015年冬季华北发生两次强降温过程,第一次较第二次持续时间更长;两次过程是在华北最低温度存在10～20 d显著周期背景下发生,并与其10～20 d低频分量从峰值到谷值的变化很好对应。

2)影响两次强降温过程的低频环流系统演变、位置和范围存在差异。第一次过程,巴-贝湖高压由高纬正异常南移和地中海正异常向东移形成,位置偏西,伴随低频横槽旋转南下及极涡向东亚延伸,东亚大槽呈东北-西南走向,SH偏南偏强,AL也较深,高低层冷空气源地均位于贝湖北部60°N附近,冷空气系统深厚。第二次过程,巴-贝湖高压也由高纬正异常南移和地中海正异常向东北移形成,但位置偏东偏北,极地与中高纬之间呈“-AO”型异常,伴随低频负异常从极区向东北亚移动,东亚大槽加深并呈南北走向,SH范围较第一次过程更偏北,AL较第一次过程更偏西偏深,华北低空局地一直为冷空气控制,由巴湖以北东传到华北上空的高位涡冷空气,有利于低层冷空气维持。另外,两次降温过程东亚温带急流与东亚副热带急流的演变略有差异,但均为前者弱后者强,有利于冷空气南下并维持在华北。

3)上游扰动能量输送的持续时间不同,是导致两次过程持续时间差异的原因之一。第一次过程中,地中海的正异常不断加强东移,为其东北方向与之相连的巴-贝湖高压脊补充能量;第二次过程中,从地中海向其东北方向的巴-贝湖高压脊输送的能量通道很快断裂,降温过程持续时间较短。

4)-18 d(-12 d)存在于西欧地区的500 hPa高度场低频负(正)异常,是预测低频东亚大槽(巴-贝湖高压脊或贝湖高压脊)变动及华北降温的重要参考信号。

本文主要研究了个例年大气低频振荡对华北强降温过程的影响,所揭示的影响系统及延伸期预报信号具一定局限性,未来工作将选取多个降温过程展开系统研究,寻找更具普适性的延伸期预报信号。