廣西一次冷空氣過程前后Rossby 波作用的對比分析

覃 皓

（廣西壯族自治區(qū)氣象臺，南寧 530022）

引言

Rossby 波頻散理論指出，西風帶上Rossby 波能量向下游傳播的速度可能快于其擾動本身，因此在擾動未到達時下游地區(qū)就有新的擾動發(fā)展［1］。該理論的提出加深了人們對大氣內部動力過程的認識，推動了行星波動力學的發(fā)展［2］。近年來極端天氣事件日益頻發(fā)，大尺度的環(huán)流異常是眾多研究關注的重點，而這之中大氣內部行星波的活動扮演著重要角色［3－5］。

我國地處歐亞大陸東岸，由于“下游效應”，常受上游地區(qū)傳播而來的Rossby 波影響［6］。上游地中海至里海地區(qū)激發(fā)的Rossby 波能量頻散偏強時，我國南方地區(qū)上空高空急流在波流相互作用下增強，有利于出現(xiàn)降水正異常；而當波源區(qū)波能量頻散偏弱時，Rossby 波能量以經向傳播為主，有利于北方降水發(fā)展［5］。不僅如此，在亞洲急流出口區(qū)，Rossby 波能量頻散能導致槽（脊）發(fā)展進而影響長江中下游地區(qū)的降水［7］。還有研究指出我國極端低溫事件也與Rossby 波活動密切相關，當冬季歐亞大陸上空的瞬變Rossby 波活躍時，我國極端低溫事件頻發(fā)［8］。關于冷空氣異?；顒拥膭恿W機制，許多工作則強調了Rossby 波列調控歐亞中高緯阻塞形勢的貢獻?？梢姡髿釸ossby 波活動對我國天氣氣候具有重要影響。

廣西位于我國低緯度地區(qū)，冬季受東北季風控制，降水較少。然而在2016 年1 月19—29 日廣西出現(xiàn)了大范圍的低溫雨雪天氣，多地氣溫突破歷史最低值。此次冷空氣活動過程分為兩個階段，第一階段（19—25 日）以降溫為主，雨雪較少，第二階段（26—29 日）則轉為明顯降水，多個觀測站突破建站以來1月份日降水極值［9］。關于此次過程的研究多關注于第一階段的寒潮過程［10］，而對于后期降水激增的討論較少。此外，兩個階段中大氣環(huán)流存在明顯差異，而大尺度形勢的調整又與大氣波動有關。因此，從大氣內部動力學角度，討論此次冷空氣活動過程前后階段Rossby 波作用的差異，加深對天氣演變過程中波流相互作用的理解與認識。

1 資料和方法

采用美國環(huán)境預報中心和國家大氣環(huán)境研究中心（NCEP／NCAR）的逐日再分析資料，分辨率2.5°×2.5°。美國大氣海洋局（NOAA）提供的逐日北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）指數。

通過計算T-N（Takaya and Nakamura）波作用通量［11］來診斷大氣Rossby 波能量的傳播，并計算其散度以表征波動能量的匯聚和發(fā)散。相較于局地E-P（Elisassen-Palm）通量［12］以及Plumb 波作用通量［13］，T-N 波作用通量能更好地描述西風帶緯向非均勻氣流中較大振幅的Rossby 波擾動，對于北半球冬季對流層Rossby 波活動的診斷具有更好的適用性［14］，其表達式如下：

參考陳海山等［8］的方法，計算擾動動能K′＝（u′2＋v′2）／2，反映Rossby 活動的強弱和位置，其中u′和v′分別為擾動緯向風和擾動經向風。

2 冷空氣過程概況

2016 年1 月18—19 日，500hPa 上歐亞中高緯為兩槽一脊形勢，烏拉爾山東側為高壓脊，向北伸展至65°N 附近。貝加爾湖東側為一冷渦，伴隨橫槽從貝加爾湖向西南延伸至巴爾喀什湖，槽內冷空氣堆積。20—21 日，烏拉爾高壓脊向極發(fā)展，形成阻塞形勢，阻高內暖空氣擠壓高緯度冷空氣使其進一步向橫槽內聚集。此時低層切變南壓至華南北部，冷空氣前鋒開始影響廣西，地面溫度負距平達到-7～-4℃。22—23 日貝加爾湖東側冷渦南壓，橫槽轉豎，冷空氣快速向南傾瀉。24—25 日冷空氣南下迅速，雪線直達南海。在這一階段中，印緬槽在20 日前后由盛轉衰。在21 日之后，低緯度地區(qū)孟加拉灣至廣西一帶的環(huán)流變得平直，一方面有利于冷空氣快速南下，另一方面導致水汽經向輸送減弱，最終使得過程帶來的雨雪不明顯，以降溫為主。

26 日，廣西仍為冷空氣控制，但此時南支槽開始發(fā)展，位于95°E 附近。對流層低層850hPa 已由偏北風轉為偏南風，風速達到急流標準。27—28 日高原短波槽與南支槽合并東移，歐亞低緯度區(qū)環(huán)流經向度增大，廣西受南支槽前強盛西南急流控制，500 hPa 上風速超過30m·s-1。低層切變南壓至廣西中北部，冷空氣與暖濕氣流交匯造成廣西中南部出現(xiàn)中到大雨。29 日南支槽發(fā)展東移至105°E 附近，槽前正渦度平流增強配合低層切變造成了廣西東南部地區(qū)大暴雨量級的降水。30 日南支槽東移減弱，地面冷空氣南壓入海，過程結束。

可以看出，此次冷空氣活動過程前后的兩個階段大氣環(huán)流存在明顯差異。第一階段中高緯環(huán)流經向度大，阻塞形勢明顯，冷空氣強勢南下，而低緯度地區(qū)環(huán)流平直，水汽輸送條件差，導致降溫明顯而降水較少。第二階段低緯地區(qū)南支槽發(fā)展活躍，槽前暖濕氣流強盛并與冷空氣在廣西交匯造成明顯降水。

3 Rossby 波的調制作用

冬季歐亞大陸上空常有南北兩支Rossby 波活動，分別調控了低緯以及中高緯環(huán)流形勢的演變，在冷空氣活動過程中扮演不同的角色［8，15］。下面進一步討論這次過程前后階段大氣Rossby 波異常的影響。

3.1 Rossby 波活動對過程的影響

擾動動能反映了Rossby 波活動的強弱及位置。由擾動動能的分布可以看到，兩個階段中歐亞大陸上空均存在南北兩支Rossby 波列（圖1）。第一階段中北支波列強度更強，由北大西洋上空途徑東歐平原、烏拉爾山、貝加爾湖，一直到東亞沿岸都具有較強的擾動動能。相較而言，南支擾動動能小得多，從黑海至伊朗高原能量不斷衰減（圖1a）。第二階段中，北支波列在貝加爾湖西側仍然存在較高的擾動動能。南支波列相比第一階段存在明顯的增強，從地中海經阿拉伯海、孟加拉灣一直到我國華南地區(qū)均存在較強的擾動能量（圖1b）。

圖1 2016 年1 月19 日—22 日（a），26 日—29 日（b）500hPa 上K′分布（單位：m2·s－1）

通過計算T-N 波作用通量，可以更清楚地看到前后階段中南北兩支Rossby 波列能量的傳播特征。在第一階段中，北支波列能量由西歐地區(qū)向東傳播，最終停滯于我國華北-東北一帶，調控了中高緯度的兩槽一脊形勢，使歐亞大陸中高緯度地區(qū)上空高度距平呈“負-正-負”分布（圖2a）。南支波列能量由地中海向東南方向傳播，停滯于印度半島，主要影響了低緯度地區(qū)的伊朗脊和印緬槽。第二階段中北支波列能量從里海向東北方向的烏拉爾阻塞高壓內傳播，之后又轉向東南方向，途徑貝加爾湖冷渦后與南支波列在日本島一帶匯合，主要影響了阻高東移以及低渦入海。南支波列的能量傳播與第一階段不同，波能量在到達印度半島后并未停滯，進一步東傳至西北太平洋，調控了南支槽的東移發(fā)展，槽區(qū)內為-140～-100gpm 的高度距平（圖2b）。

圖2 2016 年1 月19 日—22 日（a），26 日—29 日（b）平均500hPa 位勢高度（實線，單位：gpm）及其距平（填色，單位：gpm），波作用通量（箭矢，單位：m－2·s－2）

3.2 波活動通量逐日演變

圖1、2 反映了前后兩個階段中Rossby 波活動的強弱以及分布特征，下面計算逐日的波作用通量及其散度，討論Rossby 波作用隨時間的演變情況。

2016 年1 月19 日，烏拉爾高壓脊及其東北方向的高緯度橫脊附近均有來自偏西方向的波作用通量，波能量在脊前輻合，這支起源于西歐冷渦附近的Rossby 波促進了后期烏拉爾阻塞以及橫槽形勢的建立（圖3a）。在低緯度地區(qū)，另一支Rossby 波的波作用通量由地中海一帶向東南方向指向印緬地區(qū)，促進印緬槽發(fā)展。20 日，中高緯波源區(qū)東移，烏拉爾高壓脊發(fā)展強盛并開始向其東南方向頻散波能量，波作用通量在下游輻合增強了貝加爾湖冷渦及橫槽，有利于冷空氣在此堆積（圖3b）。與此同時，印緬槽東移至75°E 附近，槽前有暖濕氣流向廣西輸送。到了21 日，貝加爾湖至我國華北一帶基本為波作用通量輻合區(qū)，橫槽達到最強盛時期（圖3c）。低緯地區(qū)南支波作用通量開始減弱，這導致印緬槽隨之減弱，印度半島至華南一帶的環(huán)流逐漸平直，向廣西輸送的水汽減少。22—23 日，橫槽開始轉豎，槽區(qū)波作用通量向南輻散，冷空氣迅速南下（圖3d）?？傮w而言，此階段Rossby 波作用通量傳播終點比常年更為偏南、偏西［15］，有利于寒潮爆發(fā)后影響區(qū)域更為偏南。

第二階段的26 日，貝加爾湖冷渦已東移至130°E 附近，橫槽轉豎后位于我國黃海上空，槽后冷空氣南下，但強度遠不如第一階段。然而此時南支擾動明顯增強，中東槽發(fā)展強盛，槽內向東南方向頻散的Rossby 能量在阿拉伯脊區(qū)內轉向東傳播，在孟加拉灣至華南地區(qū)輻合，使南支槽得以發(fā)展增強（圖3e）。27 日中東槽東移，南支槽內波作用通量進一步增強，受波作用通量影響南支槽進一步發(fā)展，東移至95°E 附近（圖3f）。此時低緯地區(qū)經向度增大，南支槽前西南急流為華南一帶提供了充足水汽，廣西中南部出現(xiàn)中到大雨。28—29 日，中高緯冷渦東移入海，低緯度地區(qū)受波能量影響有高原短波槽與南支槽合并東移至105°E（圖3g－3h），冷暖空氣在廣西東南部交匯，配合槽前正渦度平流的抬升作用造成部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雨。

圖3 2016 年1 月19 日—22 日（a—d），26 日—29 日（e—h）500hPa 位勢高度（等值線，單位：gpm），波作用通量（箭矢，單位：m－2·s－2）及其散度（填色）

綜上所述，第一階段中北支Rossby 波列調控了烏拉爾高壓脊的發(fā)展以及橫槽轉豎，起到主導作用。而南支波列調控了印緬槽的減弱，使得低緯地區(qū)暖濕氣流輸送減弱，冷空氣更易南下。第二階段南支Rossby 波列起到了主要的調控作用，其促進了南支槽的發(fā)展東移。南支槽前的正渦度平流以及西南急流分別為此階段降水提供了動力抬升以及水汽條件。

3.3 Rossby 波活動差異的可能原因

上述分析可知，北支和南支Rossby 波列分別在第一階段和第二階段中起到主要的調控作用。第一階段中北支波列向東傳播至東亞沿岸，而南支波列只能到達印度半島一帶，但是在第二階段中后者卻能東傳至我國東部沿岸，這種差異的原因或許可以由上游波源區(qū)的環(huán)流異常解釋。

北大西洋地區(qū)常為北半球冬季Rossby 波活動源區(qū)［16，17］，有研究表明，NAO 與該波源的活動密切相關［18］。當NAO 正位相時，北大西洋至地中海一帶激發(fā)的南支波列向東南方向的波作用通量增強［17］，有利于波列傳播至高原南側一帶。李縱橫等［19］的研究也指出，冬季NAO 為負位相的年份中，向極傳播并發(fā)生反射的北支Rossby 波列較強。然而較強的沿低緯度路徑傳播的Rossby 波列多出現(xiàn)在NAO 為正位相的年份，該波列沿著副熱帶急流波導傳播，使得NAO 的影響可以東傳至東亞地區(qū)。在此次過程中，從1 月7 日開始NAO 均維持負位相，而在1 月23日則轉為正位相，這種位相的轉變反映了大氣環(huán)流異常的反轉。進一步分析波作用通量，發(fā)現(xiàn)南支Rossby 波能量在1 月23 日開始增強，上游地區(qū)地中海一帶存在較強的波作用通量。25 日波能量東傳至了孟加拉灣一帶，南支槽較前期有明顯的增強，槽區(qū)內波作用通量輻合?？梢?，這種南、北支波列強度變化與NAO 位相轉變的對應關系與前人研究得出的結論相符。因此，NAO 由負到正的位相轉變可能是造成第二階段南支Rossby 波列增強的原因。

4 結論

通過分析得出以下結論：

（1）冷空氣活動過程前后兩個階段中大氣環(huán)流存在明顯差異。第一階段中歐亞中高緯地區(qū)環(huán)流經向度大，阻塞形勢明顯，而低緯度地區(qū)環(huán)流平直，造成該階段雨雪較少，以降溫為主。第二階段中歐亞低緯地區(qū)環(huán)流經向度增大，南支槽發(fā)展活躍，冷暖空氣在廣西交匯造成明顯降水。

（2）兩個階段中歐亞大陸上空均存在南北兩支Rossby 波列。第一階段中北支Rossby 波列調控了烏拉爾高壓脊的發(fā)展以及橫槽轉豎，起到主導作用。而南支波列調控了印緬槽的減弱，使得低緯地區(qū)暖濕氣流輸送減弱，南北兩支波列協(xié)同使得冷空氣更易南下。第二階段南支Rossby 波列起到了主要的調控作用，其促進了南支槽的發(fā)展東移，為此階段降水提供了動力抬升以及水汽條件。

（3）NAO 與南北兩支Rossby 波列的活動密切相關，NAO 由負到正的位相轉變可能是造成第二階段南支Rossby 波列增強的原因。