基于氣流軌跡模式的西北地區(qū)強冷空氣特征研究

孫照渤， 王宗明， 曾 剛

(南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創(chuàng)新中心/氣象災害教育部重點實驗室 江蘇 南京 210044)

DOI: 10.13705/j.issn.1671-6841.2017064

基于氣流軌跡模式的西北地區(qū)強冷空氣特征研究

孫照渤， 王宗明， 曾 剛

(南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創(chuàng)新中心/氣象災害教育部重點實驗室 江蘇 南京 210044)

冷空氣的爆發(fā)路徑及其變化是氣象科學研究和業(yè)務預報關注的重點問題.使用1970—2013年NCEP-NCAR再分析資料以及中國基本基準825站地面氣溫均一化數據集，采用改進后的三維風速軌跡倒推方法，追蹤了冬半年(10月至次年4月)入侵中國西北地區(qū)的強冷空氣路徑.結果顯示，有西北路徑88次，偏西路徑143次，奇異路徑20次.臨近爆發(fā)前的環(huán)流演變導致西北路徑和偏西路徑冷氣團不同程度增溫，削弱了源地差異對冷氣團強度的影響.西北路徑年頻次增加幅度為0.37次/10 a，而偏西路徑年頻次有所減少.相比之下，西北路徑強冷空氣易于在我國北方地區(qū)、東部地區(qū)引發(fā)極寒事件.偏西路徑強冷空氣易于在西北、華北地區(qū)造成持續(xù)時間較長的冷害.

強冷空氣路徑； 中國西北地區(qū)； 冬半年； 氣溫異常

DOI: 10.13705/j.issn.1671-6841.2017064

0 引言

我國西北地區(qū)，特別是新疆北部，是北方三大強冷空氣活動中心之一[1-3]，鋒區(qū)及高原附近的非地轉風的加大促使冷空氣加速南下[4]，極易誘發(fā)大風、凍雨或暴雪等嚴重災害，給農牧業(yè)生產、交通運輸、國民經濟和人民生命財產等造成嚴重的損失[5-6].據統(tǒng)計，1951—1975年發(fā)生全國以及區(qū)域性寒潮共計144次，其中途徑新疆的有108次，占比高達75%[7].近年來，一些異常的極端冷害事件，例如2008年1—2月份的極端低溫事件，冷空氣就是通過西北地區(qū)入侵至長江流域[8].因而，研究影響西北地區(qū)的強冷空氣路徑特征，對于了解極端低溫事件的變化規(guī)律及其機理有重要意義，也有助于提高其預測水平，達到防災減災的目的.

國內學者對全球變暖背景下的強冷空氣活動進行了大量研究，結果表明，近幾十年影響我國西北地區(qū)強冷空氣活動的頻次呈減少趨勢[1-4].原因之一可能是伴隨平均氣溫的升高，極端最低氣溫也呈上升趨勢，從而導致強冷空氣頻次減少[9].另一個原因是大氣環(huán)流的改變可能導致歐亞大陸對流層中上層的準定常Rossby波列異常[10-13]，進而影響受西北氣流引導的冷異常向南發(fā)展.而主導地面冷空氣爆發(fā)的西伯利亞高壓是在上層波列與下層冷異常的相互作用下加強、維持的[10].此外，也有一些西伯利亞高壓的擴張和加強有別于波列造成的影響，而是與緩慢衰退的阻塞型偶極子位相有關[11-12].

盡管西北地區(qū)強冷空氣活動在減少，但其導致的低溫事件強度卻沒有明顯的變化趨勢[14].路徑特征對強冷空氣活動有明顯的警示作用[15].文獻[12]指出在AO不同位相下，入侵東亞的強冷空氣的路徑和強度明顯不同. 文獻[16]的研究表明高緯度大氣環(huán)流的變化會改變強冷空氣的路徑并影響冷氣團的強度.但是目前為止，入侵我國西北地區(qū)的不同強冷空氣路徑對應的中高緯環(huán)流系統(tǒng)的關鍵特征以及對下游地區(qū)的影響還不明確，而這些對異常天氣氣候事件的監(jiān)測以及預報具有重要參考價值.

本文使用1970—2013年NCEP-NCAR再分析資料以及中國基本基準825站地面氣溫均一化數據集，采用改進后的三維風速軌跡倒推方法，綜合分析影響西北地區(qū)的強冷空氣路徑特征，從而加深對我國強冷空氣活動特征及其可能機理的理解.

1 資料和方法

1.1 資料

所用的資料：1) NCEP-NCAR的每6小時一次的再分析資料[17]，所選要素場包括溫度、位勢高度、氣壓以及三維風場，資料水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直分辨率為17層. 2) 中國氣象信息中心制作的基本基準825站地面氣溫均一化數據集，剔除其中海拔高于2 000 m的臺站和研究時段內連續(xù)缺測超過10天的臺站，剩余640站，用來確定強冷空氣的個例以及統(tǒng)計其對下游地區(qū)的影響.冬半年定義為當年10月至次年4月，分析的時段為1970年10月—2013年4月.

1.2 強冷空氣定義

入侵我國西北地區(qū)的強冷空氣被定義在區(qū)域1 (我國75°E～105°E，40°N以北).強冷空氣的本質是地面反氣旋的快速南向移動，以及相關受影響區(qū)域顯著的地面氣溫降低[18].本文關注溫度的大幅波動，所以定義區(qū)域1內地面氣溫(模式最低層，σ=0.995)24 h降溫大于等于10 ℃的事件作為一次強冷空氣事件.區(qū)域2(中國107.5°E～122.5°E，40°N～47.5°N)、區(qū)域3(我國125°E～135°E，40°N～52.5°N)、區(qū)域4(我國110°E～122.5°E，30°N～40°N)、區(qū)域5(我國110°E～122.5°E，30°N以南的大陸地區(qū))位于區(qū)域1下游，是人口、經濟密集區(qū)域，也是主要的冷涌區(qū)，用來評估不同路徑強冷空氣對下游地區(qū)的影響.

因為強冷空氣活動是大范圍天氣過程，為保持路徑樣本的獨立性，避免增加某種路徑的權重，做兩步處理：1) 以日降溫最大值為中心，其周圍1 500 km范圍內的降溫均為同一次強冷空氣.2) 3天內的強冷空氣以最早的爆發(fā)日為準，記為一次.在1970—2013共43個冬半年內，共選出251次強冷空氣，平均每年有5.84次，用臺站資料比對，其結果是一致的.

1.3 冷空氣路徑的追蹤方法

路徑的計算采用三維軌跡模式架構[19-20]，起點高于地面氣溫，單日降幅最大格點50 hPa，氣團用質點替代，則軌跡方程為

其中：X(t)為t時刻質點的坐標；V為當前坐標下的風速.綜合考慮計算精度及氣象場離散的時間間隔，選擇二階形式的差分方程[21]，則軌跡方程寫為

1.4 定常波活動通量的計算

定常波活動通量使用Plumb[23]方法計算，公式為

其中：u′和v′是在應用了地轉近似之后的緯向距平值；Φ′表示位勢高度緯向距平值；Ω和α分別表示地球自轉角速度和地球半徑.

2 結果與討論

2.1 路徑差異

根據冷氣團移動的水平路徑特征，采用聚類分析方法將影響我國西北地區(qū)的強冷空氣路徑進行分類(圖1a)：1) 西北路徑.該路徑的冷氣團匯聚于西西伯利亞平原后沿額爾齊斯河流域入侵中國，有88次.2) 偏西路徑.該路徑的冷氣團匯聚于哈薩克丘陵后沿阿塔蘇-塔城一線入侵，有143次.3) 奇異路徑.路徑中另有20條在72 h內移動范圍很小，主要在巴爾喀什湖以及比斯克附近滯留和盤旋并不斷加強，這里將其歸類為奇異路徑.

如圖1b和圖1c所示：垂直方向上，兩種冷氣團主要在850 hPa高度層附近運動，爆發(fā)前72 h內的運動形式可概括為下沉-上升-下沉，這一過程中西北路徑下沉幅度最大為30 hPa，上升幅度僅為7 hPa.偏西路徑下沉幅度最大為15 hPa，上升幅度為18 hPa.垂直運動導致西北路徑冷氣團平均位溫從最低的-17.12 ℃升高4.04 ℃，而偏西路徑由于途徑哈薩克丘陵和準格爾盆地西部山脈，地形的抬升有利于保持冷氣團強度，從最低的-13.20 ℃僅升高1.04 ℃.爆發(fā)前12 h冷氣團下沉加快時，除去地形原因外通常是由于高空急流轉入槽前造成冷中心與高壓中心逐漸靠近所導致.此外，爆發(fā)前72 h，西北路徑與偏西路徑位溫差異達6.82 ℃，而爆發(fā)時這一差異下降至0.92 ℃.這說明兩類路徑存在源地差異，導致爆發(fā)前72 h冷氣團位溫差異較大，但爆發(fā)時差異被大幅縮小.顯然72 h內的環(huán)流演變對冷氣團強度更為重要.

圖1 爆發(fā)前72 h路徑，a為水平方向，其中紅色為西北路徑，黑色為偏西路徑，b、c為垂直方向，b為偏西路徑的 氣壓(藍色)、位溫(紅色)；c為西北路徑；橫坐標0表示爆發(fā)時，負號代表爆發(fā)前，時間間隔1 hFig.1 72 h track before outbreaks, horizontal views in a, the gray are northwest tracks and the black are west tracks. Vertical views in b-c, b is west track, c is northwest track, 0 in horizontal coordinate represents outbreak and “-” represent before outbreak, with the time interval of 1 hour

從路徑頻次的變率看，西北路徑的標準差為1.40次，而偏西路徑的標準差為2.06次，表明西北路徑頻次波動較小.從路徑頻次的趨勢可以發(fā)現，西北路徑的頻次以0.37次/10 a的速率增加(圖2a)，通過0.05的顯著性檢驗，而偏西路徑的頻次趨勢為-0.11次/10 a(圖2c)，沒有通過0.05的顯著性檢驗.

圖2 兩類路徑年頻次(a,c)以及占總頻次百分比(b,d).灰色線表示線性趨勢Fig.2 Interannual variation of frequency (a,c) and interannual variation of frequency proportion(b,d) obtained by dividing the total frequencies. The gray line is simple regression trend line

2.2 環(huán)流差異

冷空氣的向南輸送是東亞冬季風系統(tǒng)最重要的瞬變擾動[18]，一般來講，類似的強冷空氣的大氣環(huán)流背景特征存在很大程度的相似性[12]，但是按照路徑分類后，如圖3所示.不同類別的環(huán)流差異是非常明顯的.

兩類路徑在爆發(fā)日前2天(day-2)，對流層高層均存在脊、槽、脊波動，呈西北、東南走向分布，意味著有波列從歐洲沿東南方向傳播至東亞(圖3a和圖3d).對于西北路徑，位于烏拉爾山附近的異常強的正高度距平中心，加速從新地島附近極區(qū)輸送冷空氣至鄂木斯克附近(圖3a)，在西西伯利亞平原形成冷距平區(qū)，這是西伯利亞高壓發(fā)展的前提[10-12]，反氣旋過程造成西伯利亞高壓沿上層波列方向從中亞向和國東部擴張(圖3a～c).爆發(fā)日當天(day0)，西北路徑的冷槽進一步發(fā)展，位于貝加爾湖西部的負距平中心值下降至-180 m以下(圖3b)，顯然這與上游暖脊對其的增強作用有關，位于烏拉爾山的高值距平中心始終有向下游低值距平中心的能量輸送(圖3a～c)，維持低層的西伯利亞高壓并促使其向南擴張.對于偏西路徑，day-2時上游暖脊位于東歐平原，從東歐平原到東亞有明顯的波包輸送(圖2d)，冷槽位于烏拉爾山，低值距平中心可達到-210 m以下，強于西北路徑.由于偏西路徑上游暖脊較弱且隨波列向南移動，冷槽移至貝加爾湖上空后已經明顯弱于西北路徑(圖3c和圖3f)，導致對流層低層冷高壓以及沿海氣旋減弱，造成偏西路徑強冷空氣南侵能力較差.

圖3 西北路徑(a～c)、偏西路徑(d～f)爆發(fā)前、后2天300 hPa位勢高度距平(等值線，間隔30 m，粗線范圍內 通過95%信度檢驗)和300 hPa定常波活動通量(矢量，大于5 m-2s-2)Fig.3 Composite anomalies of geopotential height at 300 hPa (contours, in interval of 30 m, and the bolded items with a 95% reliability test) and Plumb’s wave activity flux(vectors, more than 5 m-2s-2) at 300 hPa during day-2 to day+2 relative to cold air outbreaks for(a～c)northwest tracks and (d～f)west tracks

2.3 影響差異

本文用臺站日平均氣溫來定量描述由兩類環(huán)流系統(tǒng)演變所導致的強冷空氣影響差異.受兩類強冷空氣影響時，新疆北部均是最大降溫中心，可達-12 ℃，內蒙古中東部以及東北平原也有降溫中心，是由于冷高壓東進所導致.西北路徑的強冷空氣會造成中東部及南方地區(qū)6 ℃以上的降溫，而偏西路徑的強冷空氣對40°N以南地區(qū)溫度的影響明顯弱于西北路徑，平均來說能造成4～6 ℃的降溫.西北路徑對溫度距平的影響也強于偏西路徑，其中在新疆北部能導致溫度距平降至-8 ℃以下，內蒙古中、東部地區(qū)平均為-5 ℃以下，在40°N以南地區(qū)為-3 ℃以下.從持續(xù)天數來看，西北路徑強冷空氣在內蒙古東部地區(qū)可持續(xù) 2.8天以上，在湖南可持續(xù)2.4天以上.偏西路徑對西北地區(qū)造成2.8天以上的影響，對華北的影響時間也要略長于西北路徑.考慮到日平均氣溫不是真實可測的溫度，而最低溫度不受太陽輻射的影響，可以更好地反映降溫的相對幅度以及強冷空氣活動的影響程度，所以也分析了最低溫度的降溫過程以及溫度距平，發(fā)現結果是一致的.用臺站資料計算的兩類強冷空氣對下游地區(qū)的影響特征符合圖3的環(huán)流演變過程.

2.4 區(qū)域降溫的熱量收支分析

在西北路徑和偏西路徑的強冷空氣活動影響下，各區(qū)域獨特的熱力和動力強迫因素導致降溫存在區(qū)域差異.為了定量比較它們的差異，對每一次強冷空氣來說，將850 hPa高度層上各區(qū)域平均的最大降溫日設為第0天，取其前、后3天的各項的區(qū)域平均值構成序列，之后分別合成兩類的總序列.由于包含各項日變化極值，所以強冷空氣演變過程會更加清晰.熱量平衡方程為

(1)

DT HA DIA VA

其中：DT項為逐日溫度變化；HA為日均溫度水平平流項；VA為日均溫度垂直平流項；DIA是日均非絕熱過程對溫度變化的貢獻.HA、VA和DT項直接使用再分析資料計算，而DIA項是由公式(1)計算得出，所以包含了一部分計算誤差.此外，還給出了溫度距平(TA)以及整層云覆蓋率距平(TCDC)的逐日變化，來幫助理解非絕熱過程對逐日溫度變化的貢獻，各項變化如圖4所示.

如圖4, day-1各區(qū)出現冷平流， TA開始減小，冷空氣前鋒到達更低(南)緯度地區(qū)，除區(qū)域1外，各區(qū)域內盛行上升運動，TCDC增加，DIA起增暖作用(潛熱釋放和減少輻射冷卻)，削弱了VA、HA的冷卻作用. 在西北路徑影響下，DT在區(qū)域2～5的降幅分別為-1.22 ℃/d、-0.69 ℃/d、-1.95 ℃/d、-0.71 ℃/d

圖4 爆發(fā)前、后3天西北路徑(a～e)、偏西路徑(f～j)影響下各區(qū)850 hPa熱量收支項的演變Fig.4 Time evolution of each item 3 days before and after outbreaks on 850hPa. Panels are arranged on the basis of each region′s

(圖4b～e)，其中在區(qū)域2和4的溫度降幅是偏西路徑影響下的2倍.對區(qū)域1來說，由于西北路徑冷氣團在day-1下沉幅度大于偏西路徑(圖4b和c)，這導致其增暖1.38 ℃/d，是偏西路徑的1.5倍，直接導致偏西路徑影響下區(qū)域1中day-1的DT降幅大于西北路徑.此外，由于疊加地形抬升影響，VA項冷卻作用在區(qū)域5更強，西北路徑影響下為-4.35 ℃/d、偏西路徑影響下為-3.31 ℃/d.HA的冷卻作用在day0導致各區(qū)DT大幅下降，顯然在強冷空氣演變過程中，HA對DT的影響具有時間特異性或者說是突然的影響，而不是與VA和DIA一樣的漸變過程，相比之下，西北路徑的冷平流僅在區(qū)域3稍弱于偏西路徑，而在區(qū)域4和5分別可達-6.28 ℃/d和-2.85 ℃/d，是偏西路徑影響下的1.27和1.98倍.此外，由于地面冷高壓，1～4區(qū)域盛行下沉運動，TCDC大幅減少，晴空導致輻射冷卻作用增強，HA、DIA項抵消了下沉增暖作用后，DT降幅達到最大，區(qū)域5則是由HA、DIA、VA共同冷卻導致DT下降.盡管各區(qū)冷平流在day+1已經減弱，但由于DIA冷卻作用加強，DT依然為負，從而TA達到最小，區(qū)域2在西北路徑影響下，TA可達-5.74 ℃，區(qū)域4為-4.07 ℃，區(qū)域5為-2.53 ℃，分別是偏西路徑影響下的1.69倍、1.59倍、1.79倍.day+1后各區(qū)的冷維持機制主要是由DIA、 HA共同減緩VA的增暖作用.

3 結論

1970—2013年冬半年入侵西北地區(qū)的強冷空氣按照路徑差異分為3類：西北路徑88次；偏西路徑143次；奇異路徑20次.爆發(fā)前72 h的環(huán)流演變導致西北路徑和偏西路徑冷氣團不同程度增暖，削弱了源地差異對冷氣團強度的影響.

西北路徑強冷空氣年頻次增加幅度為0.37次/10 a，而偏西路徑減少幅度為0.11次/10 a，這導致每年入侵西北地區(qū)的強冷空氣構成發(fā)生改變.相比之下，西北路徑強冷空氣影響北方地區(qū)溫度變化的能力強于偏西路徑，而且南侵能力也較強.熱量收支表明，對于區(qū)域4和5來說，西北路徑冷平流的峰值分別可達偏西路徑的1.27倍、1.98倍.而偏西路徑強冷空氣易于在西北、華北地區(qū)造成持續(xù)時間較長的冷害.

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(責任編輯：方惠敏)

TheCharacteristicsofColdAirOutbreaksinNorthwestChinaBasedonAirflowTrajectoryModel

SUN Zhaobo， WANG Zongming， ZENG Gang

(CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisastersandKeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation，NanjingUniversityofInformationScienceamp;Technology，Nanjing210044，China)

Strong cold air outbreak tracking has been a key meteorological focal point over years. With observational data and gridded datasets, "three-dimensional wind speed trajectory inverse method" was used to trace cold air intrusion tracks that occurred during the winter half-years for the northwest China in 1970-2013. The results indicated that there were a total of 88 northwest and 143 westward tracks, and 20 occurrences of "other" tracks. The imminent circulation evolution pattern prior to outbreaks essentially caused two categories of cold air masses to undergo dramatic temperature increases, thereby reduced the impacts of source regional differences on the subject air masses. The measure of annual frequency increment in northwest tracks was determined to be 0.37 incidents/10 a, while westward tracks′ annual frequencies reduced. Westward track was move likly to increase the extreme cold in north and east China.

strong cold air track； northwest China； winter half year； temperature anomaly

2017-03-29

國家自然科學基金項目(41575085，41575102).

孫照渤(1943—)，男，山東煙臺人，教授，主要從事氣候預測與氣候變化研究，E-mail:nimzbs@163.com；通信作者：王宗明(1984—)，男，河南鄭州人，主要從事短期氣候預測研究，E-mail:zzwzms@163.com.

P46

A

1671-6841(2017)04-0132-07