廣西兩次罕見致災(zāi)冷空氣活動(dòng)過程中Rossby波作用的差異及成因

覃 皓，伍麗泉

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，廣西南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，廣西南寧 530022）

引言

近百年以來，隨著全球地表平均溫度的上升，極端天氣事件日益頻發(fā)。最近，IPCC第六次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告指出，未來全球許多地區(qū)極端事件并發(fā)的概率仍將增加［1］。因此，對(duì)極端事件的分析總結(jié)對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

廣西位于我國(guó)低緯度沿海地區(qū)，冬季受東北季風(fēng)控制，降水較少。然而在2016年1月廣西出現(xiàn)了大范圍的低溫雨雪天氣，全區(qū)258個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)到0℃以下的最低氣溫，同時(shí)雪線更是打破歷史觀測(cè)記錄，首次壓至了南部沿海地區(qū)，是一次罕見的冷空氣活動(dòng)過程［2-3］。在4年后的2020年，同樣是1月份，受冷空氣擴(kuò)散南下影響，廣西出現(xiàn)了當(dāng)年首場(chǎng)區(qū)域性暴雨，過程伴有大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣，全區(qū)8個(gè)市的41個(gè)縣（區(qū)）遭受冰雹襲擊，影響范圍是自2000年以來最廣。前人總結(jié)表明，廣西前汛期一般為4～6月份，冰雹天氣主要出現(xiàn)在2～5月份，占全年總?cè)諗?shù)的90%以上，很少出現(xiàn)在1月份，并且一次強(qiáng)對(duì)流過程出現(xiàn)30站以上的冰雹觀測(cè)記錄也極為罕見［4］。廣西冬季常受北方南下的冷空氣影響，但上述2次如此極端的災(zāi)害性過程仍是預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的難點(diǎn)。針對(duì)這兩次天氣過程學(xué)者們開展了研究，其中有工作指出華南強(qiáng)鋒區(qū)的長(zhǎng)時(shí)間維持對(duì)2016年低溫雨雪過程具有重要貢獻(xiàn)［2］。相較于2008年的寒潮過程，2016年中高緯阻高形勢(shì)建立和崩潰均較快，導(dǎo)致地面冷空氣更強(qiáng)，南下速度更快，從而導(dǎo)致了雪線位置更為偏南［3］。覃皓等［4］的工作中指出2020年大范圍冰雹過程與南支槽的異?；钴S有關(guān)，偏強(qiáng)的南支槽為此次過程提供了天氣尺度動(dòng)力背景。

可見，前人已經(jīng)對(duì)這兩次過程的環(huán)流異常進(jìn)行了詳細(xì)的分析。然而極端事件的發(fā)生除了大尺度的環(huán)流背景異常外，大氣內(nèi)部波動(dòng)也扮演著重要角色。已有研究表明，東亞冬季風(fēng)與準(zhǔn)定常行星波的活動(dòng)密切相關(guān)［5］，行星波能量的傳播可以影響極鋒急流以及副熱帶急流的強(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)東亞冬季風(fēng)起到調(diào)控作用［6］。在北半球冬季，北大西洋一帶至歐亞大陸上空常有南北兩支活躍的Rossby波列影響東亞地區(qū)［7-8］。施春華等［9］通過計(jì)算Plumb波作用通量［10］討論了北支Rossby波列波能量的頻散對(duì)烏拉爾阻高以及華北橫槽的調(diào)控作用。張琳等［11］在研究2015年極端氣旋對(duì)我國(guó)寒潮的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)高緯度北支波列的能量頻散是烏拉爾阻塞形勢(shì)發(fā)展維持的主要原因。除此之外，還有研究指出我國(guó)西南地區(qū)降水與中低緯度的南支波列活動(dòng)密切相關(guān)［12］，其中南支槽是聯(lián)系兩者的紐帶［13］。廣西地處歐亞大陸東南沿岸，由于“下游效應(yīng)”，必然會(huì)受到上游地區(qū)Rossby波異常的影響。然而不同類型災(zāi)害性天氣過程中大氣Rossby波異常扮演的角色有所不同，并且在極端性事件中關(guān)于Rossby波活動(dòng)診斷的研究也較少，因此有必要從大氣內(nèi)部動(dòng)力過程的角度進(jìn)一步討論。

綜上，本文將通過診斷2016年以及2020年兩次災(zāi)害性冷空氣天氣過程中Rossby波的活動(dòng)異常，分析動(dòng)力學(xué)機(jī)制的差異，加深對(duì)這兩類極端性災(zāi)害天氣的認(rèn)識(shí)。

1 資料和方法

1.1 資料

站點(diǎn)數(shù)據(jù)使用廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)提供的常規(guī)自動(dòng)站氣象觀測(cè)資料，包括降水量及溫度。格點(diǎn)數(shù)據(jù)采用美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣環(huán)境研究中心（NCEP/NCAR）1950-2020年的逐日和逐月再分析資料（NCEP/NCAR Reanalysis 1）［14-15］，分辨率為2.5°×2.5°，包括位勢(shì)高度、溫度和水平風(fēng)場(chǎng)。美國(guó)大氣海洋局（NOAA）提供的1950-2020年北大西洋濤動(dòng)（North Atlantic Oscillation，NAO）指數(shù)以及全球陸地降水資料（PREC_L，分辨率為1°×1°）［16］。

1.2 波活動(dòng)診斷

波作用通量常作為刻畫Rossby波能量傳播的重要工具。本文通過計(jì)算T-N（Takaya and Nakamura）波作用通量［17］來診斷大氣Rossby波能量的傳播，并計(jì)算其散度以表征波動(dòng)能量的匯聚以及發(fā)散。相較于局地E-P（Elisassen-Palm）通量［18］以及Plumb波作用通量，T-N波作用通量能更好地描述西風(fēng)帶緯向非均勻氣流中較大振幅的Rossby波擾動(dòng)，有利于反映大氣長(zhǎng)波擾動(dòng)能量的傳播，對(duì)于北半球冬季對(duì)流層Rossby波活動(dòng)的診斷具有更好的適用性［19］，其表達(dá)式如下：

1.3 因果分析

以往研究中常采用時(shí)間滯后相關(guān)分析來診斷兩個(gè)給定的時(shí)間序列X1和X2間的因果關(guān)系，但由于相關(guān)分析不區(qū)分方向性，應(yīng)用時(shí)存在諸多局限。Liang-Kleeman的信息流理論可以根據(jù)時(shí)間序列間單位時(shí)間內(nèi)傳遞的信息來表征兩者間的因果關(guān)系［21-23］。給出一個(gè)二維系統(tǒng)：

式中：w?i(i=1,2)為白噪音；bij、Fi為x1、x2和t的任意函數(shù)。Liang［21］推導(dǎo)給出了從x2到x1的信息流為：

式中：ρ1為x1的邊際密度；E為數(shù)學(xué)期望。當(dāng)只給出兩時(shí)間序列X1和X2，對(duì)于線性系統(tǒng)，Liang［23］證明了方程（3）的極大似然估計(jì)為：

式中：Cij為Xi與Xj的樣本協(xié)方差（i,j=1,2）；Ci,dj為Xi與X?j的協(xié)方差；X?j為dXj/dt的歐拉前差差分近似。若|T2→1|=0，則X1的變化獨(dú)立于X2，即X2不是X1變化的原因。若|T2→1|＞0，且通過顯著性檢驗(yàn)［23］，則X2是X1變化的原因。該方法已在氣象領(lǐng)域的因果分析中廣泛應(yīng)用［23-25］。

2 受災(zāi)情況及天氣形勢(shì)對(duì)比

2.1 受災(zāi)情況

2016年1月21～25日，我國(guó)大部地區(qū)經(jīng)歷了一次強(qiáng)寒潮天氣過程，多個(gè)省市出現(xiàn)入冬以來最低氣溫，過程達(dá)到全國(guó)性寒潮標(biāo)準(zhǔn)［26］。此次過程降雪范圍廣，其中雪線壓至了廣西南部沿海，廣西多個(gè)市縣出現(xiàn)1956年以來首次降雪觀測(cè)記錄，同時(shí)最低氣溫打破建站以來歷史記錄。此次過程引發(fā)的低溫冷凍災(zāi)害造成190 hm2農(nóng)作物絕收，22.7萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到8 052萬元。

受南支槽發(fā)展東移和冷空氣滲透南下影響，2020年1月24～25日廣西出現(xiàn)了當(dāng)年首場(chǎng)區(qū)域性暴雨，較往年偏早。同時(shí)此次過程具有明顯的對(duì)流性質(zhì)，伴有大范圍的雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣，其中8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)17 m·s-1以上大風(fēng)，31個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，百色、河池、玉林、南寧、欽州、防城港、崇左、柳州等8個(gè)市的41個(gè)縣（區(qū)）遭受冰雹襲擊，冰雹直徑最大達(dá)到50 mm。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，此次過程造成直接經(jīng)濟(jì)損失800萬，其中農(nóng)業(yè)損失750萬元，家庭財(cái)產(chǎn)損失50萬。

兩次過程相同之處在于均造成了全區(qū)大面積受災(zāi)，2016年主要為低溫冰凍災(zāi)害，2020年則為冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流導(dǎo)致的農(nóng)作物受災(zāi)、建筑物受損、交通受影響。同時(shí)，兩次過程均具有一定的極端性，打破多個(gè)國(guó)家站建站以來的觀測(cè)記錄。兩次過程均有冷空氣活動(dòng)（圖1），不同之處在于2016年低溫冰凍過程主要以降溫為主，冷空氣強(qiáng)勢(shì)但雨雪并不明顯，全區(qū)92個(gè)國(guó)家自動(dòng)站中僅20站累計(jì)雨量達(dá)到10 mm。2020年過程冷空氣較弱但暖濕氣流強(qiáng)盛，大氣對(duì)流劇烈，85個(gè)國(guó)家站累計(jì)雨量超過10 mm，其中5站達(dá)100 mm以上。

圖1 2016年1月、2020年1月以及氣候態(tài)1月的20~30日全區(qū)平均逐日最低溫度（單位：℃）Fig.1 Daily the minimum temperature from 20 to 30 in Jan 2016，2020 and climatological in Guangxi（Unit：℃）

2.2 天氣形勢(shì)對(duì)比

2.2.1 環(huán)流形勢(shì)

2016年1月20日，500 hPa上歐亞中高緯為兩槽一脊形勢(shì)，烏拉爾山東側(cè)為高壓脊，向北伸展至75°N附近。貝加爾湖東側(cè)為一冷渦，冷渦內(nèi)溫度負(fù)距平達(dá)到-8℃，伴隨橫槽由貝加爾湖向西南延伸至巴爾喀什湖，槽內(nèi)冷空氣堆積（圖2（a））。此時(shí)低層850 hPa切變線位于長(zhǎng)江淮河一帶，冷空氣主體還在我國(guó)東北至華北（圖2（d））。21～22日，烏拉爾高壓脊內(nèi)暖空氣向極發(fā)展，擠壓高緯度冷空氣進(jìn)一步向橫槽內(nèi)匯集，溫度負(fù)距平增強(qiáng)至-16℃（圖2（b））。低層切變南壓至華南中部，冷空氣前鋒開始影響廣西，地面溫度負(fù)距平達(dá)到-7～-4℃（圖2（e））。23～24日，橫槽轉(zhuǎn)豎（圖2（c）），冷空氣由東西向分布轉(zhuǎn)為南北向，并快速向南傾瀉，廣西地表溫度負(fù)距平增強(qiáng)至-10℃（圖2（f））。

圖2 2016年1月20日~24日的（a-c，間隔48 h，下同）500 hPa位勢(shì)高度（實(shí)線，單位：gpm）及溫度距平（填色，單位：℃），（d-f，黑實(shí)線為3 km高度地形邊界）850 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭矢，單位：m·s-1）以及地表溫度距平（填色，單位：℃）Fig.2 Distribution of（a-c，time step 48h，the same below）geopotential height（contours，unit：gpm）and temperature anomalies（shaded，unit：℃）at 500 hPa，（d-f，black line indicate the 3 km topographic boundary）wind field at 850 hPa（arrows，unit：m·s-1）and surface temperature anomalies（shaded，unit：℃）from 20 to 24 in Jan.2016

與2016年低溫過程不同的是，2020年過程中中高緯冷空氣活動(dòng)較弱，但低緯南支西風(fēng)槽活躍［4，27］，這是造成兩次過程災(zāi)害性天氣不同的原因之一。2020年1月21～22日，500 hPa歐亞中高緯地區(qū)烏拉爾山一帶為冷渦控制，中層冷空氣在高原西側(cè)向南滲透，貝加爾湖北側(cè)冷渦向西南延伸一冷槽（圖3（a）），引導(dǎo)槽后冷空氣侵襲我國(guó)北方。在低緯度地區(qū)，南支槽攜帶冷空氣位于孟加拉灣北側(cè)，槽前暖濕西南氣流與副高西側(cè)東南氣流匯合后輸入華南一帶，造成廣西低層850 hPa溫度正距平（圖3（d））。23～24日，烏拉爾山至紅海一帶發(fā)展為寬廣的冷槽，在其下游的南支槽與高原槽同位相疊加后攜帶冷空氣東移至100°E附近（圖3（b）），中層冷空氣疊加在前期增溫的低層之上，廣西上空不穩(wěn)定能量積聚，850 hPa與500 hPa溫差大部達(dá)到24℃，對(duì)流不穩(wěn)定增強(qiáng)。與此同時(shí)，華北冷槽東移引導(dǎo)850 hPa切變以及地面弱冷空氣在高原東側(cè)南下（圖3（e）），冷暖氣團(tuán)在廣西交匯，槽前正渦度平流配合鋒面觸發(fā)對(duì)流。25～26日冷空氣已擴(kuò)散至廣西沿海一帶，全區(qū)低層均受冷氣團(tuán)控制（圖3（f））。廣西上空700 hPa與500 hPa溫差大部達(dá)到17℃，在冷墊之上仍然具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定層結(jié)，隨著南支槽進(jìn)一步發(fā)展東移（圖3（c）），槽前不斷有高架對(duì)流觸發(fā)。26日后廣西上空轉(zhuǎn)為槽后，過程結(jié)束。

圖3 2020年1月22日~26日的（a-c）500 hPa位勢(shì)高度（實(shí)線，單位：gpm）及溫度距平（填色，單位：℃），（d-f，黑實(shí)線為3 km高度地形邊界）850 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭矢，單位：m·s-1）以及地表溫度距平（填色，單位：℃）Fig.3 Distribution of（a-c）geopotential height（contours，unit：gpm）and temperature anomalies（shaded，unit：℃）at 500 hPa，（d-f，black line indicate the 3 km topographic boundary）wind field at 850 hPa（arrows，unit：m·s-1）and surface temperature anomalies（shaded，unit：℃）from 22 to 26 in Jan.2020

2.2.2水汽條件

在水汽條件上，兩次過程存在明顯的差異。計(jì)算2016年1月24日整層積分的水汽通量及其散度，可以看到廣西上空為水汽通量的輻散，水汽自北向南流失。低層的水汽含量也較低，925 hPa上比濕不到10 g·kg-1（圖4（a）），因而過程降水也較少。2020年1月24日廣西一帶則具有較好的水汽供應(yīng)。可以看到在南支槽前以及副高西側(cè)各存在一支水汽輸送帶，分別將孟加拉灣，南海以及西太平洋的水汽向廣西輸送，低層絕對(duì)水汽含量最大超過12 g·kg-1（圖4（b）），為強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生發(fā)展提供必要條件。

圖4 2016年，2020年1月24日1000-300 hPa整層水汽通量（箭矢，單位：kg·m-1·s-1）及其散度（填色，單位：10-4 kg·m-2·s-1），925 hPa比濕（等值線，單位：g·kg-1，只顯示大于10 g·kg-1）Fig.4 Distribution of water vapor flux（arrows，unit：kg·m-1·s-1）and its divergence（shaded，unit：10-4 kg·m-2·s-1）integrated from 1000 hPa to 300 hPa，925 hPa specific humidity（contours，unit：g·kg-1，only show the value＞10 g·kg-1）in 24 in Jan.2016 and 2020

3 Rossby波調(diào)制作用對(duì)比

環(huán)流形式分析表明，2016年過程中烏拉爾高壓脊的發(fā)展以及華北橫槽轉(zhuǎn)豎是具有預(yù)報(bào)意義的前期環(huán)流調(diào)整信號(hào)，決定了后期冷空氣的爆發(fā)南下。這種前期高度場(chǎng)形勢(shì)與前人工作總結(jié)的第一類信號(hào)場(chǎng)類似［28-29］，烏拉爾山和華北地區(qū)是預(yù)報(bào)關(guān)鍵區(qū)。在這種形勢(shì)下，中高緯環(huán)流經(jīng)向度大，而低緯地區(qū)環(huán)流平直，有利于冷空氣快速南下，同時(shí)水汽經(jīng)向輸送減弱，最終使得過程帶來的雨雪不明顯，以降溫為主。與此不同的是，2020年的過程中低緯度地區(qū)環(huán)流具有明顯的經(jīng)向發(fā)展特征，南支槽是關(guān)鍵的影響系統(tǒng)，其不僅提供了動(dòng)力抬升作用，還對(duì)暖濕氣流的輸送具有重要貢獻(xiàn)，使得冷暖空氣在廣西上空交匯，導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣。與前人總結(jié)的概念模型相比，此次過程中高緯形勢(shì)與第二類信號(hào)場(chǎng)相似，屬于大型低槽東移型，但低緯度形勢(shì)卻存在差異。原模型中未體現(xiàn)出低緯地區(qū)南支槽的異常信號(hào)，這也是造成預(yù)報(bào)誤差的原因之一?？梢钥闯?，大尺度環(huán)流決定了冷空氣和暖濕氣流活動(dòng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而導(dǎo)致了不同類型的災(zāi)害性天氣，而環(huán)流形勢(shì)的演變又受大氣內(nèi)部動(dòng)力過程的影響。前人研究表明，冬季歐亞大陸上空常有南北兩支Rossby波活動(dòng)，分別調(diào)控了低緯以及中高緯環(huán)流形勢(shì)的演變，在冷空氣活動(dòng)過程中扮演不同的角色［9，30］。接下來進(jìn)一步對(duì)這兩次過程中大氣Rossby波異常進(jìn)行分析，討論Rossby波調(diào)制作用的差異。

3.1 Rossby波異常強(qiáng)度

參考陳海山等［30］的方法，計(jì)算逐日的擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)v'2，然后對(duì)整個(gè)過程取平均得到Rossby強(qiáng)度進(jìn)一步地，通過類似方法得到擾動(dòng)動(dòng)能以反映Rossby活動(dòng)的強(qiáng)弱和位置。

可以看到兩次過程中歐亞中高緯度均存在兩支Rossby波列。相較而言，北支波列在2016年過程中強(qiáng)度更強(qiáng)，由北大西洋上空向下游傳播途徑東歐平原、烏拉爾山、西西伯利亞平原、貝加爾湖，一直到東亞沿岸（圖5（a））。2020年過程中北支波列按上述類似路徑傳播至東亞沿岸，但強(qiáng)度較弱，波能量在烏拉爾山以西就已經(jīng)開始減弱（圖5（b））。南支波列則在2020年過程中更為活躍，由北大西洋傳播經(jīng)地中海、中東、阿拉伯海、孟加拉灣后與北支波列在我國(guó)東部沿岸匯合。相較而言2016年南支波列強(qiáng)度較弱，途徑地中海、中東、阿拉伯海，能量不斷衰減。

圖5 2016年1月20日~24日，2020年1月22日~26日500hPa上分布（單位：m2·s-2）Fig.5 Distribution of 500 hPa（unit：m2·s-2）during 20~24 Jan.2016 and 22~26 Jan.2020

擾動(dòng)動(dòng)能的分布也與上述強(qiáng)度場(chǎng)類似。2016年北支波列在烏拉爾山-貝加爾湖-我國(guó)東北一帶具有較強(qiáng)的擾動(dòng)動(dòng)能（圖6（a）），有利于冷空氣向南輸送，而南支波列能量微弱，不利于水汽向北輸送。2020年北支波列擾動(dòng)動(dòng)能相對(duì)較弱，能量較強(qiáng)區(qū)主要位于上游一帶（圖6（b））。相較而言南支波列具有穩(wěn)定的傳播路徑，能量高值區(qū)一直延伸至中南半島一帶，有利于南支擾動(dòng)的發(fā)展。

圖6 2016年1月20日~24日，2020年1月22日~26日500 hPa上K'分布（單位：m2·s-2）Fig.6 Distribution of 500 hPa K'（unit：m2·s-2）during 20~24 Jan.2016 and 22~26 Jan.2020

3.2 Rossby波異常的演變

圖5、圖6反映了兩次冷空氣過程中Rossby波活動(dòng)的強(qiáng)弱以及分布特征，下面進(jìn)一步討論波動(dòng)隨時(shí)間的演變情況。

2016年1月20日，烏拉爾山一帶有來自上游北大西洋的波作用通量（圖7（a）），促進(jìn)烏拉爾高壓脊的發(fā)展加強(qiáng)。發(fā)展強(qiáng)盛的烏拉爾高壓脊向其東南方向頻散波能量，波作用通量在下游輻合增強(qiáng)了貝加爾湖冷渦及橫槽，有利于冷空氣在此堆積。與此同時(shí)，南支波列波作用通量由里海一帶指向東南方向印緬地區(qū)，促進(jìn)了印緬槽的發(fā)展，槽前暖濕氣流向廣西輸送。到了22日，橫槽發(fā)展到最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)于圖2（b）中-16℃溫度距平。而由于南支波作用通量的減弱，印緬槽逐漸減弱（圖7（b）），造成廣西一帶水汽供應(yīng)減少。23～24日，橫槽內(nèi)波作用通量向南輻散，橫槽轉(zhuǎn)豎（圖7（c）），冷空氣大舉南下。25～26日，槽區(qū)進(jìn)一步東移減弱，寒潮過程結(jié)束。

2020年1月22日，低緯度歐亞大陸下游地區(qū)環(huán)流較為平直，上游地區(qū)波作用通量在中東地區(qū)輻合（圖7（d）），促進(jìn)低槽逐漸發(fā)展加深。與此同時(shí)，中高緯度烏拉爾山以西有源自北大西洋阻高內(nèi)部的波作用通量，使得北支冷槽逐漸發(fā)展，但其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于2016年。貝加爾湖冷渦較2016年偏東偏北，波能量向東南方向的我國(guó)華北至東北地區(qū)輻散，冷空氣擴(kuò)散南下。23～24日烏拉爾山冷槽增強(qiáng)并與南側(cè)的中東槽同位相疊加，并向下游頻散能量，使得低緯地區(qū)經(jīng)向度增大，下游波作用通量在孟加拉灣一帶輻合使南支槽區(qū)得到發(fā)展（圖7（e））。南支槽發(fā)展東移至100°E附近后開始影響廣西，為廣西提供了抬升條件以及源源不斷的南海水汽。25～26日，冷空氣已擴(kuò)散至廣西南部沿海，而波作用通量輻合進(jìn)一步促進(jìn)了南支槽的發(fā)展（圖7（f）），暖濕氣流輸送增強(qiáng)并在冷墊上爬升，造成廣西出現(xiàn)大范圍的高架對(duì)流。

圖7 2016年1月20日~24日（a-c）、2020年1月22日~26日（d-f）500 hPa位勢(shì)高度（等值線，單位：gpm），波作用通量（箭矢，單位：m2·s-2）及其散度（填色）Fig.7 Distribution of 500 hPa geopotential height（contours，unit：gpm），wave-activity fluxes（arrows，unit：m2·s-2）and its anomalies（shaded）（a-c）from 20 to 24 in Jan 2016 and（d-f）from 22 to 26 in Jan.2020

綜上所述，2016年北支Rossby波列調(diào)控了烏拉爾高壓脊的發(fā)展以及橫槽轉(zhuǎn)豎，起到主導(dǎo)作用。而南支波列調(diào)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。與此不同的是，2020年冷空氣過程則是南支Rossby波列起到了主要的調(diào)控作用，其促進(jìn)了南支槽的發(fā)展東移，為此次過程提供了動(dòng)力抬升以及水汽條件，槽前強(qiáng)盛暖濕氣流與冷空氣交匯促進(jìn)了對(duì)流的發(fā)展。而北支波列則起到了協(xié)同作用，促進(jìn)了烏拉爾山冷槽的發(fā)展以及與中東槽的合并，從而增強(qiáng)了南支擾動(dòng)能量向下游的傳播，進(jìn)一步增強(qiáng)了南支槽。

3.3 Rossby波異常的背景

由上述分析可知，歐亞大陸上空的環(huán)流形勢(shì)由上游地區(qū)傳播而來的南北兩支Rossby波列調(diào)控。有研究表明，北大西洋區(qū)域常為北半球冬季Rossby波的活動(dòng)源區(qū)［31-33］，而NAO與該波源的活動(dòng)密切相關(guān)［8］。其中許多工作強(qiáng)調(diào)了NAO對(duì)南北兩支波列的激發(fā)作用。Watanabe［34］的研究指出，冬季NAO可以通過激發(fā)沿急流波導(dǎo)傳播的準(zhǔn)定常Rossby波列與下游東亞地區(qū)的天氣氣候建立聯(lián)系。當(dāng)NAO為負(fù)位相時(shí)，向極傳播并發(fā)生反射的北支Rossby波列較強(qiáng)［35］，其調(diào)控了高緯地區(qū)冷空氣的活動(dòng)，是導(dǎo)致我國(guó)南方地區(qū)溫度偏低的原因之一［36］。當(dāng)NAO為正位相時(shí)，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(qiáng)［33］，有利于Rossby波能量傳播至高原南側(cè)一帶，為南支槽的形成和強(qiáng)度變化提供擾動(dòng)背景場(chǎng)，進(jìn)而與西南地區(qū)降水產(chǎn)生聯(lián)系［12］。Li等［37］在分析我國(guó)南方地區(qū)一次冬季強(qiáng)對(duì)流過程時(shí)也發(fā)現(xiàn)，NAO由負(fù)到正的位相轉(zhuǎn)變?cè)斐傻刂泻５貐^(qū)上對(duì)流層輻合增強(qiáng)，使得南支波列能進(jìn)一步東傳至中南半島北側(cè)，促進(jìn)南支槽的發(fā)展東移。

可見，NAO對(duì)歐亞大陸上空Rossby波列的活動(dòng)具有顯著影響，而這種作用又間接影響了東亞地區(qū)的環(huán)流形勢(shì)。為進(jìn)一步討論NAO對(duì)下游地區(qū)環(huán)流形勢(shì)變化的影響，計(jì)算1950-2020年1月份NAO指數(shù)對(duì)500 hPa位勢(shì)高度的信息流。由結(jié)果可以看到，NAO顯著影響了中低緯地區(qū)的環(huán)流形勢(shì)，從北非至我國(guó)華南均存在NAO的影響信號(hào)，信息流通過了90%顯著性檢驗(yàn)（圖8）。而在歐亞大陸上空，NAO主要影響了地中海以東至巴爾喀什湖一帶的環(huán)流。信息流進(jìn)一步驗(yàn)證了前人的結(jié)論，NAO是下游歐亞地區(qū)環(huán)流形勢(shì)的影響源之一。疊加上兩次過程的平均位勢(shì)高度擾動(dòng)場(chǎng)可見，2016年過程中烏拉爾高壓脊、華北橫槽以及印緬槽均位于對(duì)上游NAO信號(hào)的響應(yīng)區(qū)（圖8（a）），在一定程度上受到影響源NAO變化的調(diào)控。而在2020年過程中，烏拉爾山冷槽、中東槽以及南支槽均受到上游波源NAO的影響（圖8（b））。因此，可以認(rèn)為NAO的變化是下游地區(qū)槽脊變化的因，而這種因果聯(lián)系的機(jī)制可由Rossby波能量的頻散所解釋。

圖8 2016年1月20日~24日、2020年1月22日~26日平均500 hPa高度擾動(dòng)場(chǎng)（等值線，單位：gpm）以及NAO指數(shù)對(duì)500hPa高度場(chǎng)的信息流分布Fig.8 Distribution of mean geopotential height anomalies（contours，unit：gpm）during 20~24 Jan 2016 and 22~26 Jan 2020，information flow from NAO to geopotential height at 500 hPa

進(jìn)一步選取NAO正、負(fù)異常年份做合成分析，根據(jù)±1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差選取得到NAO正異常（1983、1984、1993、2005和2015年）和負(fù)異常（1955、1963、1966、1970和1985年）年份，討論下游地區(qū)環(huán)流形勢(shì)對(duì)NAO變化的響應(yīng)。圖9為1月份500 hPa上波作用通量在NAO正、負(fù)異常的差異合成?？梢钥吹?，NAO正異常年南支波列向東傳途經(jīng)地中海、中東、阿拉伯海，波能量在孟加拉灣北側(cè)輻合。相應(yīng)地，異常經(jīng)向風(fēng)沿南支波列呈南北風(fēng)相間分布。這種形勢(shì)下的南支Rossby波列特征與前人研究結(jié)論相似，NAO處于正位相時(shí)有利于南支波列向東亞傳播，促進(jìn)南支槽發(fā)展［34，37］。在2016年的過程中，1月7日至1月23日NAO均維持負(fù)位相，而2020年1月28日之前均為NAO的正位相，2020年過程歐亞低緯地區(qū)擾動(dòng)明顯強(qiáng)于2016年，這一差異體現(xiàn)了上述分析中NAO對(duì)南支Rossby波列的影響。

圖9 NAO正負(fù)異常年500 hPa經(jīng)向風(fēng)（等值線，單位：m·s-1）、波作用通量（箭矢，單位：m2·s-2）及其散度（填色）的差值合成分布Fig.9 Composite difference of 500 hPa meridional wind（contours，unit：m·s-1），wave-activity fluxes（arrows，unit：m2·s-2）and its divergence（shaded）between the positive NAO and negative NAO years

下游地區(qū)的天氣氣候與環(huán)流形勢(shì)變化密切相關(guān)，通過計(jì)算1月份NAO指數(shù)對(duì)降水的信息流可以看到，NAO變化是導(dǎo)致廣西地區(qū)1月份降水的部分原因，從越南東北部至廣西大部地區(qū)的信息流均通過90%顯著性檢驗(yàn)（圖10（a）），這反映了NAO通過影響環(huán)流而間接與廣西地區(qū)的天氣氣候建立聯(lián)系。進(jìn)一步討論廣西地區(qū)降水對(duì)NAO變化的響應(yīng)，將NAO正、負(fù)異常年份合成降水量做差，結(jié)果如圖10（b）所示：廣西地區(qū)NAO正異常年份相對(duì)于負(fù)異常年份1月降水偏多15～30 mm，其中桂東南和桂西北降水增幅達(dá)到100%。以上分析表明，1月份NAO的變化顯著影響了廣西地區(qū)的降水，NAO偏強(qiáng)（偏弱）在一定程度上導(dǎo)致了廣西降水增多（減少）。在本研究的個(gè)例中，2020年過程降水量明顯大于2016年，這一差異與上述分析具有較好的對(duì)應(yīng)。

圖10 信息流分布，降水差值（填色，單位：mm）以及變化率（等值線，單位：%）合成分布Fig.10 Distribution of information flow，composite difference of precipitation（shaded，unit：mm）and its change percentage（contours，unit：%）

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)2016年1月21～25日和2020年1月24～25日兩次大范圍致災(zāi)冷空氣活動(dòng)過程的天氣形勢(shì)以及動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）2016年冷空氣過程主要以降溫為主，冷空氣強(qiáng)勢(shì)但雨雪并不明顯，而2020年的過程中冷空氣活動(dòng)較弱但大氣對(duì)流劇烈，降雹范圍廣，降雨量大。

（2）兩次過程中歐亞中高緯度均存在兩支Rossby波列。北支波列在2016年過程中強(qiáng)度更強(qiáng)，調(diào)控了烏拉爾高壓脊的發(fā)展以及橫槽轉(zhuǎn)豎，起到主導(dǎo)作用。而南支波列調(diào)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。2020年過程則是南支Rossby波列起到了主要的調(diào)控作用，其促進(jìn)了南支槽的發(fā)展東移，為過程提供了動(dòng)力抬升以及水汽條件。而北支波列則起到了協(xié)同作用，其促進(jìn)了烏拉爾山冷槽與中東槽的發(fā)展合并，從而增強(qiáng)了南支擾動(dòng)能量向下游的傳播，進(jìn)一步增強(qiáng)了南支槽。

（3）兩次過程中北大西洋Rossby波源地區(qū)具有不同的強(qiáng)迫背景。NAO的變化是下游地區(qū)槽脊變化的因，而這種因果聯(lián)系的機(jī)制可由Rossby波能量的頻散所解釋。NAO處于正位相更有利于南支波列向東亞傳播，促進(jìn)南支槽發(fā)展。2016年和2020年過程中NAO分別維持負(fù)、正位相，后者在歐亞低緯地區(qū)的擾動(dòng)明顯強(qiáng)于前者，這一差異造成了兩次冷空氣活動(dòng)過程中不同類型的災(zāi)害性天氣，體現(xiàn)了南支波列對(duì)NAO位相差異的響應(yīng)。

本文主要討論了大氣Rossby波對(duì)這兩次罕見大范圍災(zāi)害性天氣過程的調(diào)控作用，而Rossby波又可以進(jìn)一步分為波長(zhǎng)較長(zhǎng)的定常行星波以及波長(zhǎng)在幾千公里的天氣尺度瞬變波。天氣尺度瞬變波對(duì)大氣長(zhǎng)波起到調(diào)制的作用［9］，并且尺度與天氣尺度過程相當(dāng)，與我國(guó)極端低溫事件密切相關(guān)［30］。因此在未來的工作中可以進(jìn)一步討論不同尺度Rossby波在災(zāi)害性天氣過程中的作用。此外，NAO與歐亞Rossby波列的關(guān)系具有多樣性，并且還受ENSO的調(diào)制［38］，其中的具體機(jī)制還需要深入探討。