揭陽冬季低溫及其極端事件與低頻振蕩的關系

翁靜嫻，謝潔宏，鄭瑤娜，陳婉玲，夏云，葉夢茜

（1.惠來縣突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東惠來 515200；2.惠來縣氣象局，廣東惠來 515200；3.揭陽市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東揭陽 522000；4.揭陽市氣象局，廣東揭陽 522000）

在全球氣候變暖背景下，極端天氣氣候事件發(fā)生頻率和強度都出現(xiàn)明顯變化［1－2］。對于揭陽市，有研究表明其低溫日數(shù)呈顯著減少趨勢［3］，冬季的平均氣溫、極端最低氣溫和極端最高氣溫總體呈上升趨勢［4］。另外有研究指出大范圍持續(xù)性極端低溫事件（persistent extreme cold event，PECE）1995年后顯著降溫區(qū)南移至廣東、廣西等省，且持續(xù)天數(shù)更久［5］，而冬季大范圍PECE會給人民生產(chǎn)生活和生命財產(chǎn)安全帶來更為嚴重、持久的影響［6－7］。

許多學者對中國冬季大范圍PECE的形成機制進行研究［5，7－9］，表明歐亞大陸大型斜槽斜脊系統(tǒng)是其形成和維持的主要關鍵環(huán)流系統(tǒng)［7］。通過對PECE的低頻特征分析，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生是中低緯大氣低頻振蕩共同作用的結果［8］。不同區(qū)域的低溫事件均受到西伯利亞高壓低頻活動的影響，并伴隨中層不同類型低頻槽活動［9］。廣州冬半年逐日氣溫和影響廣州強冷空氣活動存在顯著準雙周變率，低溫過程受氣溫低頻振蕩影響［10］。

目前已有不少對廣東低溫特征及成因的研究［11－14］，但當前關于揭陽市冬季日最低氣溫（tmin）及其與極端事件（PECE）聯(lián)系的研究較少。本研究旨在揭示揭陽市冬季tmin低頻振蕩以及PECE氣候特征，探討兩者之間的聯(lián)系，并在此基礎上進一步討論PECE在季節(jié)內尺度的可預報性來源，以期提高對揭陽市冬季PECE的了解及預測。

1 資料與方法

采用1981—2020年冬季（12月—次年2月）揭陽市4個國家站（揭陽、揭西、普寧、惠來）逐日tmin平均值來代表揭陽市冬季tmin。采用NCEP／NCAR再分析數(shù)據(jù)集提供的逐日500 hPa位勢高度場和850 hPa水平風場，水平分辨率為2.5°×2.5°。多年平均值為1981—2020年平均值。

使用功率譜分析［8－10］研究逐日tmin序列低頻振蕩特征，使用10～30與30～90 d Butterworth帶通濾波器提取tmin低頻分量。

采用相對閾值［15－16］來監(jiān)測識別觀測中的PECE。定義當逐日tmin持續(xù)至少3 d小于第10個百分位數(shù)值（極端低溫閾值）時為發(fā)生一次PECE。其中，逐日極端低溫閾值通過基準期15 d滑動窗口（－7至＋7 d）進行獲取，例如12月10日的低溫閾值對應基準期12月3日至12月17日共600 d（40年×15 d）tmin的第10個百分位數(shù)值。

為更好地區(qū)分10～30與30～90 d振蕩主導PECE的大尺度環(huán)流特征，定義冬季10～30 dtmin低于－1.5個標準差且30～90 dtmin大于－1.0個標準差的事件為異常10～30 d低溫事件。這樣的定義有利于強調10～30 d信號并濾除30～90 d信號的干擾，有利于提高分析結果的合理性。同理，定義冬季30～90 dtmin低于－1.5個標準差且10～30 dtmin大于－1.0個標準差的事件為異常30～90 d低溫事件。

2 結果與分析

2.1 揭陽市tmin氣候特征及其冬季低頻振蕩特征

圖1a為揭陽市tmin多年平均值逐日演變圖。由圖1a可見，揭陽市tmin呈現(xiàn)單峰分布，高值主要出現(xiàn)在夏季（7—8月），最低值出現(xiàn)在冬季（12、1、2月）。因冬季tmin多年平均值較低（10～14℃），故被選定為本研究的時段。

圖1 1月1日—12月31日tmin逐日多年平均值（a）；冬季逐日tmin譜分析（b）

對揭陽冬季tmin做功率譜分析（圖1b），其中譜分析前已去除年循環(huán)分量并進行5 d滑動平均，可以看到冬季tmin存在顯著季節(jié)內變率，主要振蕩周期為10～30、30～40、準60以及80～90 d?？傊谊柺卸総min存在顯著的準雙周振蕩（10～30 d振蕩）與季節(jié)內振蕩（30～90 d振蕩），這與東亞地區(qū)兩種主導低頻振蕩模態(tài)周期相符［16－17］。經(jīng)計算，這兩種低頻振蕩模態(tài)分別可以解釋揭陽市冬季tmin原始場54%與40%的方差，肯定了低頻變率對揭陽市冬季tmin總場變率的顯著貢獻。

2.2 PECE氣候特征及其與tmin低頻振蕩的關系

統(tǒng)計可知，1981—2020年間揭陽市有21年出現(xiàn)了PECE（圖2a），共計40次；其中2013年PECE發(fā)生次數(shù)最多，共計4次。PECE出現(xiàn)月份差異較小，以事件爆發(fā)日為基準，累計12月發(fā)生16次，1月發(fā)生13次，2月發(fā)生11次。另外，PECE的平均持續(xù)時間為4.1 d，并且持續(xù)時間越長出現(xiàn)頻次越少（圖2b）。其中持續(xù)3 d的PECE出現(xiàn)頻次最多，為18次（占比45%），持續(xù)4 d的PECE出現(xiàn)11次（占比27.5%），持續(xù)5和6 d的PECE分別出現(xiàn)4次（占比10%），持續(xù)7 d的PECE出現(xiàn)2次（占比5%），持續(xù)8 d的PECE僅出現(xiàn)1次（占比2.5%）。

圖2 12月1日—次年2月28日PECE監(jiān)測情況（a）和不同持續(xù)性時間的PECE的發(fā)生頻次（b）

為了進一步探究揭陽市冬季tmin低頻振蕩及其PECE之間的聯(lián)系，圖3給出了歷史上揭陽市發(fā)生PECE的年份對應的tmin時間演變。在此定義PECE期間（圖3中灰色填圖）10～30或30～90 dtmin小于一個負的氣候值標準差（σ）時起顯著調制作用。結果顯示，當揭陽市冬季出現(xiàn)PECE時，均受到tmin的10～30或30～90 d變率的顯著調制作用。60%的PECE同時受到10～30和30～90 d變率耦合影響，其余40%的PECE主要受單頻段低頻分量影響，其中30%的PECE只受tmin的10～30 d變率調節(jié)，僅有10%的PECE只受30～90 d變率調控。由此可見，揭陽市冬季PECE的發(fā)生與其tmin自身低頻振蕩密切相關。另外，持續(xù)3 d的PECE中有9次（占比50%）受10～30和30～90 d變率耦合影響，有8次（占比44.4%）僅受10～30 d變率顯著調制，僅有1次（占比5.6%）受30～90 d變率顯著調制；持續(xù)6 d及以上的PECE有5次（占比71.4%）受tmin的10～30和30～90 d變率耦合影響，說明持續(xù)時間短的PECE主要受10～30 d變率調制，而持續(xù)時間長的事件中主要受10～30和30～90 d變率耦合影響。

圖3 揭陽市發(fā)生PECE的年份對應的冬季tmin時間演變

2.3 中高緯低頻環(huán)流系統(tǒng)的演變特征及影響

大氣環(huán)流低頻振蕩是引起局地tmin低頻振蕩的主要原因之一［8－9，14］。圖4顯示了異常10～30 d（第1行）與30～90 d（第2行）低溫事件合成的大尺度低頻環(huán)流場。對于異常10～30 d低溫事件（圖4第1行），事件出現(xiàn)前8 d（圖4a），500 hPa高度場上從歐洲北部到西北太平洋上空存在一支西北－東南向的10～30 d低頻波列，具體表現(xiàn)為斯堪的納維亞半島、新疆北部－蒙古國西部和日本島以東洋面受低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)控制，烏拉爾山東側、朝鮮半島－日本島是一低頻高壓環(huán)流系統(tǒng)中心。與之對應的850 hPa低頻風場表現(xiàn)為異常氣旋和反氣旋交替出現(xiàn)，此時揭陽地區(qū)（綠色圓點）受異常偏南風影響。隨之時間推移，波列中心不斷向東移動的同時，下游中心強度進一步增強（圖4a－b）。事件發(fā)生前4 d（圖4c），西伯利亞地區(qū)由于持續(xù)受低頻高壓系統(tǒng)控制，大量冷空氣在此處堆積；朝鮮半島－日本島上空轉受低頻低壓控制，對應東亞大槽在準雙周尺度上的加深，進而引導低頻冷空氣南下，揭陽地區(qū)低層開始轉受偏北低頻風的影響。事件發(fā)生前2、0 d（圖4d－e），西伯利亞高壓與東亞大槽在準雙周尺度上的持續(xù)異常導致揭陽地區(qū)持續(xù)受10～30 d北風異常控制，干冷空氣南下引起的強冷平流進而造成揭陽地區(qū)10～30 dtmin的不斷下降，進而導致揭陽市異常10～30 d低溫事件的發(fā)生。

圖4 超期異常10～30 d（a、b、c、d、e）和30～90 d（f、g、h、i、j）低溫事件不同天數(shù)對應500 hPa高度場（陰影，單位：gpm）和850 hPa風場（矢量箭頭，單位：m／s）的10～30 d分量和30～90 d分量的時空演變

異常30～90 d低溫事件的30～90 d低頻大氣環(huán)流場時空演變（圖4第2行）和異常10～30 d低溫事件相似，但環(huán)流演變速率明顯更為緩慢。事件發(fā)生前20 d，500 hPa低頻高度場上從烏拉爾山到朝鮮－日本島上空表現(xiàn)為西北－東南向的正、負異常中心交替出現(xiàn)（圖4f），隨著時間越加臨近（事件發(fā)生前15、10、5、0 d），原本在烏拉爾山的低頻高壓系統(tǒng)東移到西伯利亞地區(qū)并不斷增強，并伴隨著朝鮮－日本地區(qū)轉受低頻低壓的控制，揭陽地區(qū)低層從異常偏南低頻風轉為持續(xù)受偏北低頻風的影響（圖4g－j）。

綜上所述，造成揭陽市冬季異常10～30 d低溫事件和異常30～90 d低溫事件的大尺度環(huán)流信號主要皆來源于中高緯地區(qū)，中高緯環(huán)流波列的低頻振蕩調制了西伯利亞高壓和東亞大槽在季節(jié)內尺度上的位置及強度變化，造成中高緯經(jīng)向梯度的加強，有利于北方冷空氣在季節(jié)內尺度上的不斷南侵，受低頻偏北氣流影響，冷平流致使揭陽市tmin低頻分量的持續(xù)下降，有利于揭陽地區(qū)PECE的發(fā)生。這與前人關于中國東部PECE事件發(fā)生機理的相關研究結果［5，8－9］相似，表明歐亞中高緯環(huán)流的次季節(jié)變率可以被作為揭陽地區(qū)PECE次季節(jié)（延伸期）預測的可預報性來源之一。

3 結論

1）揭陽市冬季tmin存在顯著的10～30 d振蕩（準雙周振蕩）與30～90 d振蕩（季節(jié)內振蕩）。

2）1981—2020年間揭陽市出現(xiàn)了40次PECE，平均持續(xù)時間為4.1 d，事件持續(xù)時間越長出現(xiàn)頻次越少，持續(xù)3 d的事件頻次最多，為18次（占比45%）；持續(xù)6 d及以上的事件僅出現(xiàn)7次（占比17.5%）。

3）揭陽市冬季tmin低頻振蕩對其PECE的發(fā)生起重要調制作用。60%的PECE同時受到tmin的10～30和30～90 d變率耦合影響；其余40%的PECE主要受單頻段低頻分量影響（30%為10～30 d變率；10%為30～90 d變率）。持續(xù)時間短的PECE主要受10～30 d變率影響，而持續(xù)時間長的事件主要受10～30和30～90 d變率耦合影響。

4）中高緯低頻環(huán)流波列通過調制西伯利亞高壓和東亞大槽在季節(jié)內尺度上的位置及強度變化引導北方冷空氣在季節(jié)內尺度上的不斷南侵，使揭陽上空對流層低層受異常偏北氣流影響，導致揭陽市tmin低頻分量的持續(xù)下降，有利于揭陽地區(qū)PECE的發(fā)生。