劉櫻,郭品文,馮濤

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室,江蘇 南京 210044;② 浙江省氣候中心，浙江 杭州 310002

華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件與大氣低頻振蕩活動的關系

劉櫻①②,郭品文①*,馮濤②

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室,江蘇 南京 210044;② 浙江省氣候中心，浙江 杭州 310002

2015-03-14收稿,2015-06-03接受

國家科技支撐計劃項目(2009BAC51B00)

摘要采用1959—2009年日平均氣溫觀測資料和NCEP/NCAR逐日再分析資料,對華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件進行了定義,并在此基礎上統(tǒng)計分析了該區(qū)近50 a來冬季持續(xù)性異常低溫事件的發(fā)生規(guī)律及環(huán)流特征,然后對華北地區(qū)持續(xù)性異常低溫事件與大氣低頻振蕩之間的關系進行了研究。研究表明,近50 a來華北地區(qū)共出現(xiàn)26次持續(xù)性異常低溫事件;環(huán)流場上持續(xù)性異常低溫過程對應的是烏拉爾山高壓脊的建立、發(fā)展、消亡以及東亞大槽的維持、加深、減弱過程;同時,分析發(fā)現(xiàn)低頻波動與持續(xù)性異常低溫事件密切相關,10～20 d低頻環(huán)流場上華北、東北地區(qū)上空的低頻氣旋、中西伯利亞的低頻反氣旋,及30～60 d低頻環(huán)流場上西西伯利亞附近的低頻反氣旋及日本海附近的低頻氣旋是造成持續(xù)性異常低溫事件的重要低頻影響因子,進一步分析發(fā)現(xiàn)對流層高層到低層的低頻信號主要是由中高緯向低緯且自西向東傳播,來影響我國華北地區(qū)的。

關鍵詞

持續(xù)性異常低溫事件

低頻振蕩

環(huán)流特征

傳播特征

我國是遭受氣象災害較為頻繁且嚴重的國家之一,特別是近幾年來持續(xù)性的、大范圍的異常事件頻頻發(fā)生,對人們的日常生活帶來了極大的影響與不便,尤其是2008年冬季我國南方低溫雨雪天氣及2009年華北強冷空氣過程,這些異常事件引起了專家、學者對持續(xù)低溫過程濃厚的研究興趣(丁一匯等,2008;高輝等,2008;苗春生等,2010;彭艷等,2010;盧楚翰等,2012)。

大氣低頻振蕩在天氣氣候的演變中扮演了重要的角色,尤其是對階段性、持續(xù)性異常/極端事件/高影響事件的發(fā)生具有重要作用(丁一匯和梁萍,2010),其主要包括周期為10～20 d和30～60 d左右的季節(jié)內(nèi)變率。20個世紀70年代Yasunari(1979)指出印度夏季降水與熱帶低頻振蕩之間存在密切的聯(lián)系。而在對冬半年的研究中,Lau and Lau (1984)認為影響東南亞地區(qū)冷涌爆發(fā)的大尺度波動可分為高頻(5 d以內(nèi))和低頻(5 d以上)兩部分。強寒潮過程及中高緯環(huán)流系統(tǒng)則表現(xiàn)出強的10～20 d左右的季節(jié)內(nèi)振蕩(丁一匯,1991;馬曉青等,2008;索渺清等,2008)。但是也有研究指出,我國冬季平均而言30～60 d周期振蕩的貢獻明顯大于10～20 d周期的振蕩(李崇銀,1991;金祖輝和孫淑清,1996)。相繼,很多研究都表明持續(xù)性異常事件與大氣低頻振蕩之間有很密切的聯(lián)系(陸爾和丁一匯,1996;Whitaker and Weickmann,2001;毛江玉和吳國雄,2005;Zhang et al.,2009)。尤其是持續(xù)低溫雨雪事件與大氣低頻振蕩活動更是密切相關(布和朝魯?shù)?2008;馬寧等,2011;朱毓穎和江靜,2013),以及東亞冬季環(huán)流季節(jié)內(nèi)低頻振蕩的位相變化能較好地揭示南方降雪過程的異常環(huán)流特征(王允等,2008),都再一次說明大氣低頻振蕩與持續(xù)性異常事件直接息息相關,大氣低頻振蕩為異常低溫的發(fā)生提供了有利的大尺度背景。

本文將試圖從大氣低頻振蕩的角度,來探討華北地區(qū)持續(xù)性異常低溫事件的變化特征及其規(guī)律,并討論其與大氣低頻振蕩之間的關系。

1資料與方法

主要使用1959—2009年中國753站逐日日平均溫度資料(中國氣象局國家氣象信息中心提供),以及1959—2009年NCEP/NCAR逐日再分析資料(Kalnay et al.,1996),包括逐日風場、高度場和溫度資料(水平分辨率均為2.5°×2.5°)。

采用的方法主要有合成分析、非整數(shù)波功率譜、Butterworth濾波等。

2華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件的特征

2.1站點的選取及持續(xù)性異常低溫的定義

從全國753站中提取出華北地區(qū)(110～120°E,35～42.5°N)的所有站點,基于站點數(shù)據(jù)時間序列的長度、連續(xù)性以及遷站距離(≤20 km)3個主要條件(翟盤茂和任福民,1997),選取了代表華北地區(qū)的48個站點,時間長度為1959—2008年,共50 a冬季的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

圖1　1959—2008年持續(xù)性異常低溫事件年際變化Fig.1　Interannual variation of persistent abnormal low temperature events during 1959 to 2008

參考嚴寒日的定義(于淑秋,2005),將逐日區(qū)域日平均溫度小于等于-10.0 ℃的日子定義為低溫日。而對于連續(xù)7 d中有5 d或以上為低溫日,且期間只允許連續(xù)發(fā)生1 d間斷(即日平均氣溫大于-10.0 ℃的日子),則認為該區(qū)發(fā)生了一次持續(xù)性異常低溫過程,其中第一個低溫日為該過程的低溫開始日期,過程結束日期與后續(xù)天氣條件有關。如果其后連續(xù)的2 d中日平均氣溫均大于-10.0 ℃,則認為該次持續(xù)性異常低溫過程結束,結束日期為最后一個日平均氣溫小于-10.0 ℃的日期。

2.2華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫的統(tǒng)計特征

根據(jù)以上定義,對1959—2008年華北地區(qū)冬季的日平均溫度進行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn):近50 a里出現(xiàn)上述的持續(xù)性異常低溫事件共26次,平均每次事件持續(xù)時間為7.8 d。且華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件具有明顯的年代際變化特征(表略),華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件具有明顯的年代際特征,且20世紀90年代前華北地區(qū)發(fā)生持續(xù)性異常低溫事件的次數(shù)明顯要多于90年代后,其中以60年代前后(1959—1968年)最為活躍,60年代共發(fā)生持續(xù)性異常低溫事件11次,達到近50 a的高峰,且這10 a中發(fā)生持續(xù)性異常低溫事件的天數(shù)已占發(fā)生總天數(shù)的38%;70年代及80年代前后發(fā)生持續(xù)性異常低溫事件次數(shù)及天數(shù)都基本穩(wěn)定;但是到了90年代后持續(xù)性異常低溫事件明顯減少,尤其是90年代中發(fā)生這種持續(xù)性異常低溫事件次數(shù)明顯減少,僅為1次;而21世紀后持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生的天數(shù)又有所增加。而由持續(xù)性異常低溫事件年際變化(圖1)可以看出,持續(xù)性異常事件存在明顯的年際變化,以60年代持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生活躍,其中以1967年最為顯著;1985年后持續(xù)性異常低溫事件明顯減少,2000年后持續(xù)性異常低溫事件又有所增加?？梢?60—90年代,持續(xù)性異常低溫事件呈先多后少的變化趨勢,其中以90年代持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生次數(shù)最少,21世紀后,冬季持續(xù)性異常低溫事件又有所增加。

持續(xù)性異常低溫事件不但具有明顯的年代際變化特征,且多集中出現(xiàn)在12月21日—1月8日和1月19日—2月8日這兩個時段(圖略),即12月下旬到1月上旬及1月下旬到2月上旬?？梢?這兩個時間段應當作為華北地區(qū)持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生的重點預報時段,應當給予密切的關注。而其他時間段,很少發(fā)生甚至不發(fā)生這種持續(xù)性異常低溫事件。

2.3華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫環(huán)流特征

以往的研究表明,溫度的變化受到大氣環(huán)流的直接控制。所以,這里選取了近50 a華北地區(qū)冬季26次低溫事件的環(huán)流場進行合成,著重分析異常低溫事件發(fā)生前后對應的對流層低層到高層環(huán)流形勢的變化特征。

圖2　700 hPa合成風場(單位:m/s)和北風風速軸(大于6 m/s,等值線)　　a.低溫發(fā)生前6 d;b.低溫發(fā)生前3 d;c.低溫發(fā)生當天;d.低溫結束日Fig.2　700 hPa synthesis wind field(m·s-1)and north wind belt larger than 6 m·s-1(contours):(a—d) low temperature occurring six days before,three days before,on the start date,and on the end date,respectively

以持續(xù)性異常低溫發(fā)生的當天作為基準0 d進行合成,這里首先給出了對流層低層700 hPa風場合成。在異常低溫事件發(fā)生前,我國華北地區(qū)主要受位于鄂霍次克海附近的氣旋影響,及氣旋后部西北氣流的影響。由圖2可以看到,異常低溫事件發(fā)生的前6 d起,在烏拉爾山附近新生一個弱的反氣旋形勢,這個新生成的反氣旋在未來的幾天中不斷加強、并且向東移動;而鄂霍茨克海附近的氣旋在這段時間內(nèi)也不斷加強。隨著烏拉爾山附近反氣旋的東移,反氣旋前部的西北風也在不斷的加大,直接影響了我國的內(nèi)蒙古、東北、華北地區(qū),較強的西北氣流使冷空氣向南輸送對我國華北地區(qū)降溫有直接的影響。從北風風速軸上可以看到,異常低溫發(fā)生的前6 d到異常低溫發(fā)生日北風風速大值中心從中西伯利亞高原到達內(nèi)蒙古高原附近,在異常低溫發(fā)生日達到最大,相應的風場沿北風風速軸風速不斷加大,并由西北風轉為西北偏北風,到達華北地區(qū)北部。可見,低層產(chǎn)生很強的北風和西北風,引起中高緯度冷空氣的南下,導致華北地區(qū)出現(xiàn)這種持續(xù)性異常低溫天氣。而在異常低溫的結束日,烏拉爾山附近反氣旋、鄂霍茨克海附近的氣旋均減弱,北風風速的大值區(qū)也減弱、變小。

下面給出的是對流層中層500 hPa的環(huán)流形勢。對流層中層500 hPa是一個相當正壓層,在該層上可以分析出很多重要的系統(tǒng)如中高緯度的阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓、低渦等的位置與強度等要素。這里,仍然以持續(xù)性異常低溫發(fā)生的當天作為基準0 d,對華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生前后500 hPa的位勢高度場進行合成(圖略)。與700 hPa風場合成相類似,對流層中層500 hPa高度場上,異常低溫開始前,我國華北地區(qū)主要受到鄂霍次克海附近槽的影響,異常低溫事件發(fā)生的前6 d,烏拉爾山東側新生高壓脊,在以后的幾天里,高壓脊不斷向東移動,由于溫度場落后于高度場,也使得烏拉爾山附近的高壓脊、及鄂霍次克海附近的槽加強、發(fā)展。而在異常低溫事件發(fā)生的當天,在鄂霍次克海到我國東北部形成一個閉合低壓,而烏拉爾山附近新生的高壓脊也移至西西伯利亞東部附近,我國華北地區(qū)受到這兩個系統(tǒng)的共同影響,未來的幾天中,烏拉爾山附近的高壓脊減弱、東移,我國華北地區(qū)主要是受到這個高壓脊的影響。總的來說,對流層中層500 hPa的環(huán)流形勢表現(xiàn)的結果基本與低層一致。同樣,分析了對流層高層200 hPa的環(huán)流形勢,其與中、低層較為一致,這里就不再贅述。

可見,通過對對流層低、中、高層的環(huán)流場分析,發(fā)現(xiàn):持續(xù)異常事件發(fā)生前期、發(fā)生時及發(fā)生后期,對應的對流層低層、中層到高層的環(huán)流形式基本一致,均為東亞大槽的維持、加強及減弱,及烏拉爾山高壓脊的建立、加強及減弱過程。

3華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件與大氣低頻振蕩的關系

3.1華北地區(qū)低頻變化特征

為了研究華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件與大氣低頻振蕩的關系,給出了華北地區(qū)冬季溫度場的振蕩周期。去除空間區(qū)域的影響,首先對華北地區(qū)1959—2008年冬季逐日日平均氣溫進行EOF分析,由于華北地區(qū)日平均溫度第一模態(tài)貢獻率較大(均在80%以上),故將各年第一模態(tài)的時間序列代表華北地區(qū)日平均溫度變化的時間序列,然后對各年第一模態(tài)時間序列,做非整數(shù)波功率譜分析,并將每年各個周期(非整數(shù))上的功率譜對應的回歸方程的統(tǒng)計量F值以各周期作橫坐標,時間(年)為縱坐標,作二維F值的時間—周期(當F>3.5時,其顯著性是0.05)。從圖3a中可以看出,能通過0.05信度顯著性檢驗的主要周期為10～20 d、30～60 d,其中以30～60 d的振蕩周期較為顯著。而從華北地區(qū)冬季對流層低層到高層溫度場的周期(圖3b,c)也可以看出,對流層低層850 hPa溫度場周期變化和站點日平均溫度的周期變化表現(xiàn)的非常一致,從低到高層上溫度場的周期變化,仍存在10～20 d以及30～60 d的變化,并且仍以30～60 d的變化周期為主,這與李崇銀(1991)、金祖輝和孫淑清(1996)的研究成果也是較為一致的?？梢?從溫度場上來看華北地區(qū)冬季主要以30～60 d的變化為主。

由實際天氣過程可知,經(jīng)向北風的加大有利于中高緯度冷空氣向華北地區(qū)的輸入,從而有利于持續(xù)性異常低溫事件的發(fā)生,那么在冬季風場上是否也存在周期性的變化,所以這里將繼續(xù)討論華北地區(qū)冬季v風場的變化周期。仍然采用上述方法,對經(jīng)向風場做非整數(shù)波功率譜分析(圖略),可見,對流層低層到高層經(jīng)向風場仍以10～20 d以及30～60 d尺度的振蕩周期為主,并且越往高層30～60 d時間尺度的振蕩周期表現(xiàn)的越為明顯?？梢?華北地區(qū)無論是在溫度場還是經(jīng)向風場上,30～60 d波動都是顯著存在的,并且是冬季低頻變化的主要周期。

3.2華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫的低頻特征

上面已經(jīng)討論了華北地區(qū)冬季的溫度場和經(jīng)向風場的變化周期,得到兩者都存在10～20 d以及30～60 d振蕩的現(xiàn)象,然而這種低頻波動與持續(xù)性異常事件的爆發(fā)是否存在一定的關系呢?由于上述討論僅僅是基于統(tǒng)計特征,為了更詳細的了解大氣低頻波動與持續(xù)性異常事件之間的具體關系,下面將用濾波方法進一步討論。

3.2.1低頻波動與持續(xù)性異常低溫事件的關系

這里選取持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生的年份,以持續(xù)異常低溫事件發(fā)生當天作為基準天的第0 d,將溫度場(未濾波)分別向前、后合成30 d;并且以同樣的方法,將濾波后的溫度資料進行合成(圖4)。由圖4可見,持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生前,地面溫度并沒有明顯的大幅波動,但是當持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生時地面溫度明顯降低,發(fā)生的當天溫度平均下降5～6 ℃,而這種溫度持續(xù)降低的現(xiàn)象也將維持6.5～7 d,這與前面的統(tǒng)計基本一致。而從低頻溫度場上來看,無論是10～20 d還是30～60 d的低頻溫度都對持續(xù)異常低溫事件有很大的貢獻,其中,10～20 d濾波的低頻溫度在事件發(fā)生時溫度平均下降1.9 ℃左右,而30～60 d濾波的低頻溫度則平均下降2.4 ℃左右,可見30～60 d時間尺度溫度場的低頻波動對實際天氣作用大于10～20 d低頻波動,但是兩者的共同貢獻占了實際下降溫度的78%,由此可見低頻溫度場的波動對實際溫度的變化有非常大的影響,故而它與持續(xù)性異常事件之間也有非常密切的聯(lián)系。

圖3　1959—2008年華北地區(qū)冬季溫度場主要周期的變化(陰影區(qū)表示通過0.05信度的顯著性檢驗)a.日平均溫度;b.850 hPa;c.200 hPaFig.3　Change in the main cycles for the temperature field in North China in winter during 1959 to 2008(shaded areas indicate statistical significance at the 0.05 level):(a)daily temperature;(b)850 hPa;(c)200 hPa

圖4　華北地區(qū)低溫事件發(fā)生前30 d及發(fā)生后30 d(包括發(fā)生當天)溫度場及其同期低頻溫度(10～20及30～60 d)時間序列(直線表示地面溫度值;虛線表示10～20 d濾波后的低頻溫度值;點線表示30～60 d濾波后的低頻溫度值)Fig.4　The temperature field 30 days before and after(including occurrence on the same day) persistent low temperature in North China,and the low-frequency(10—20 days and 30—60 days) temperature time series in the same period(solid line represents the actual temperature;dashed line indicates the 10—20-day low-frequency temperature after filtering;dotted line indicates the 30—60-day low-frequency temperature after filtering)

由于經(jīng)向風場對持續(xù)性異常低溫的發(fā)生有密切的聯(lián)系,那么低頻經(jīng)向風場的波動是否對其有同樣的影響呢,下面對低頻經(jīng)向風場與溫度場的時間序列作同樣分析(圖略)。低頻經(jīng)向風場v和持續(xù)性異常低溫事件關系也十分密切。在持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生時,低頻經(jīng)向風場的波動異常加大。在實際的天氣過程中,當持續(xù)性異常事件發(fā)生時對應有北風風量的異常加大,因為北風風場的異常加大有利于將中高緯度的冷空氣直接輸送到華北地區(qū),從而有利于持續(xù)性異常低溫事件的爆發(fā)。而在3.1節(jié)中已經(jīng)證明對于華北地區(qū)來說,經(jīng)向風場上存在10～20 d、30～60 d的振蕩周期,而低頻風場與實際溫度場的時間序列同樣說明了,經(jīng)向風場上這兩種時間尺度波動對持續(xù)性異常低溫事件爆發(fā)之間有密切的關系,持續(xù)性異常低溫事件爆發(fā)時伴隨著低頻經(jīng)向風場波動的異常加大。可見,低頻經(jīng)向風的異常加大是導致持續(xù)性異常低溫事件的一個重要因素。

圖5　700 hPa合成低頻風場(單位:m/s)　　a.低溫發(fā)生前6 d;b.低溫發(fā)生前3 d;c.低溫發(fā)生當天;d.低溫結束日Fig.5　700 hPa synthesis low-frequency wind field (units:m·s-1):(a—d) low temperature occurring six days before,three days before,on the start date,and on the end date,respectively

3.2.2低頻環(huán)流特征

既然大氣的低頻活動對持續(xù)性異常低溫事件的發(fā)生有密切的聯(lián)系,那么在持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生時,所對應的低頻環(huán)流場上又有怎樣的表現(xiàn)呢?下面,利用濾波資料,繼續(xù)討論10～20 d、30～60 d的低頻環(huán)流特征。

3.2.2.110～20 d低頻環(huán)流特征

首先分析10～20 d低頻環(huán)流特征。這里仍然選取與實際天氣圖中相同的層次對流層700 hPa,以持續(xù)性異常低溫事件為基礎,以爆發(fā)的第一天作為基準天進行合成。由圖5可見,在持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生的前6 d,在烏拉爾山以西的東歐平原附近存在一個低頻反氣旋,西西伯利亞平原附近有一個低頻氣旋,而渤海附近則存在一個低頻反氣旋中心,此時從低頻系統(tǒng)上看我國華北地區(qū)主要受到渤海附近低頻反氣旋后部的偏南氣流的影響。隨后東歐平原附近的低頻反氣旋不斷東移增強,而西西伯利亞平原附近的氣旋在向東南移動的過程中不斷減弱,渤海附近的反氣旋東移過程中有所增強。直至異常低溫事件發(fā)生時,東歐平原的低頻反氣旋已移至中西伯利亞附近,西西伯利亞平原附近的低頻氣旋移至我國東北、華北上空,我國華北地區(qū)明顯受到這個低頻氣旋后部的偏北氣流及中西伯利亞附近強大的低頻反氣旋系統(tǒng)前部的偏北氣流共同影響,可見這兩個低頻系統(tǒng)10～20 d時間尺度上對持續(xù)性異常低溫事件的爆發(fā)有直接影響的關鍵系統(tǒng)。同時可以看到在風場上,持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生當天,低頻風場有明顯加強,這同之前的分析較為一致。

3.2.2.230～60 d低頻環(huán)流特征

圖6　700 hPa合成低頻風場(單位:m/s)　　a.低溫發(fā)生前6 d;b.低溫發(fā)生前3 d;c.低溫發(fā)生當天;d.低溫結束日Fig.6　700 hPa synthesis low-frequency wind field(units:m·s-1):(a—d)low temperature occurring six days before,three days before,on the start date,and on the end date,respectively

對于30～60 d時間尺度的低頻環(huán)流場,仍采用上述方法對對流層低層700 hPa的低頻風場進行合成,并得到以下結果:在持續(xù)性異常低溫過程發(fā)生前6 d時,可以看到烏拉爾山以西存在一個強大的低頻反氣旋中心,蒙新高地存在一個低頻氣旋中心,鄂霍次克海到日本海附近有一個低頻氣旋中心,華北地區(qū)受到由我國南部輸送來的偏南低頻氣流的影響。而在未來的幾天中,烏拉爾山以西的低頻反氣旋不斷增強并且緩慢東移,蒙新高地附近低頻氣旋減弱東移,鄂霍次克海附近的低頻氣旋向西南移動,在持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生時移至日本海附近。從圖6中可見,烏拉爾山以西的低頻反氣旋在持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生的當天達到異常的強大,伴隨的反氣旋前部的經(jīng)向北風也異常增大,使得由中高緯度輸送到華北地區(qū)的冷空氣增加,這與持續(xù)性異常低溫事件的發(fā)生有密切的聯(lián)系。而在持續(xù)性異常低溫事件結束的當天,這個低頻反氣旋明顯減弱,可見烏拉爾山以西的低頻反氣旋以及日本海附近的低頻氣旋是造成持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生的重要低頻系統(tǒng)。

3.2.3低頻渦度場的傳播特征

圖7　10～20 d低頻渦度場沿37.5°N的時間—經(jīng)度剖面(a,b)及10～20 d低頻渦度場沿115°E的時間—緯度剖面(c,d)(陰影區(qū)表示負渦度,單位:10-6s-1)　　a,c.700 hPa;b,d.200 hPaFig.7　The (a,b)longitude-time sections along 37.5°N and (c,d)latitude-time sections along 115°E for the low-frequency component of the (a,c)700 hPa and (b,d)200 hPa vortex(shaded areas indicate negative vorticity;units:10-6 s-1)

為了尋找影響華北地區(qū)持續(xù)性異常低溫事件的大氣低頻系統(tǒng)的傳播特征,下面分別給出低頻渦度場沿經(jīng)、緯度的傳播。這里對華北地區(qū)異常低溫過程發(fā)生前30 d及發(fā)生后的10 d進行合成,從時間—經(jīng)度剖面看,對應中低層(圖7a),10～20 d正低頻渦度系統(tǒng)從地中海附近自西向東傳入我國華北地區(qū)并且在隨后的幾天中不斷向東傳播。這個正低頻渦度中心在異常低溫開始時前3 d左右維持在華北地區(qū)上空,而在此之前的5～6 d華北地區(qū)則受到負低頻渦度影響;而高層(圖7b),持續(xù)性異常低溫開始前10 d,華北地區(qū)則一直處于自西向東傳的負低頻渦度系統(tǒng)中,高層系統(tǒng)的斜壓性非常強,持續(xù)性異常低溫開始后,則處于正渦度系統(tǒng)中,該渦度系統(tǒng)是前12 d左右自地中海附近自西向東傳來的,和低層一致。時間—緯度剖面顯示異常低溫過程中低層(圖7c)正渦度系統(tǒng)由泰梅爾半島附近向南傳播到華北地區(qū),表現(xiàn)出渦度系統(tǒng)由高緯向南傳播過程;而高層(圖7d)與中低層結果基本一致。這些結果說明,從時間—經(jīng)度剖面圖看,低頻渦度系統(tǒng)是自西向東傳播,高層比較明顯;而時間—緯度剖面上表示,高低層一致表現(xiàn)為低頻渦度系統(tǒng)從中高緯向低緯度傳播。

同樣,對于30～60 d的低頻渦度場也做了相同的處理,結果表明:華北地區(qū)異常低溫過程發(fā)生前30 d及發(fā)生后的10 d,對應中低層(圖8a)負渦度系統(tǒng)沿北大西洋東側自西向東傳入80～90°E附近有所減弱,在持續(xù)性異常事件發(fā)生當天影響華北地區(qū)上空。正渦度中心在異常低溫開始前一直控制華北地區(qū)上空;而高層200 hPa(圖8b)上,持續(xù)性異常低溫開始前18 d,華北地區(qū)處于自西向東傳的負渦度系統(tǒng)中,高層系統(tǒng)的斜壓性也非常強,持續(xù)性異常低溫開始后,華北地區(qū)則處于北大西洋東側正渦度系統(tǒng)中。由時間—緯度剖面可以看出,異常低溫過程中低層700 hPa(圖8c)上負渦度系統(tǒng)由中高緯蒙古高原東側向南傳播到華北地區(qū),正渦度系統(tǒng)由高緯向南傳播;而高層200 hPa(圖8d)與中低層基本一致。這些結果說明,華北地區(qū)低頻環(huán)流系統(tǒng)是呈斜壓性的,并且從時間—經(jīng)度剖面看,從對流層高層到低層低頻渦度系統(tǒng)是自西向東傳播的,尤其在高層比較明顯,且由時間—緯度剖面圖高低層一致表現(xiàn)為低頻渦度系統(tǒng)從中高緯向低緯度傳播,可見這樣的低頻系統(tǒng)對華北地區(qū)異常低溫過程的發(fā)生起到了重要作用。

圖8　30～60 d低頻渦度場沿37.5°N的時間一經(jīng)度剖面(a,b)及30～60 d低頻渦度場沿115°E的時間一緯度剖面(c,d) (陰影區(qū)表示負渦度;單位:10-6s-1)　　a,c.700 hPa;b,d.200 hPaFig.8　The (a,b)longitude-time sections along 37.5°N and (c,d)latitude-time sections along 115°E for the low-frequency component of the (a,c)700 hPa and (b,d)200 hPa vortex(shaded areas indicate negative vorticity;units:10-6 s-1)

4結論

1)1959—2009年中,冬季華北地區(qū)共出現(xiàn)26次持續(xù)性異常低溫事件,且具有明顯的年代際變化特征,20世紀60—90年代,持續(xù)性異常低溫事件呈先多后少的變化趨勢,以60年代最為活躍,90年代持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生次數(shù)最少,21世紀后,冬季持續(xù)性異常低溫事件又有所增加。持續(xù)性異常低溫事件多集中出現(xiàn)在兩個時間段內(nèi),即12月下旬到1月上旬、及1月下旬到2月上旬,可見這是預報冬季持續(xù)性異常低溫事件的關鍵時段。

2)華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件的發(fā)生伴隨環(huán)流場上的調(diào)整,在對持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生前后的環(huán)流特征分析后,發(fā)現(xiàn):持續(xù)性異常事件發(fā)生前期、發(fā)生時及發(fā)生后期,對應的對流層低層、中層到高層的環(huán)流形式一致,為東亞大槽的維持、加強及減弱,及烏拉爾山高壓的建立、加強及減弱過程。

3)華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件與大氣低頻環(huán)流場的變化密切相關。在持續(xù)性異常低溫事件發(fā)生時,10～20 d低頻環(huán)流場上表現(xiàn)為華北、東北地區(qū)上空的低頻氣旋、中西伯利亞的低頻反氣旋;而30～60 d低頻環(huán)流場上表現(xiàn)西西伯利亞附近的低頻反氣旋及日本海附近的低頻氣旋,可見這些低頻系統(tǒng)是造成持續(xù)性異常低溫事件爆發(fā)的重要低頻系統(tǒng)。從時間剖面圖上可以看到,兩種時間尺度上的波動均是自西向東從中高緯度向低緯傳播,來影響我國華北地區(qū)的,且高層比低層更為顯著。

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In recent years,a wide range of abnormal weather events have been occurring frequently in China,imposing considerable impacts on people’s daily lives.For example,the severe winter in South China in 2008 and the strong cold air over North China in 2009.These abnormal events have generated great interest among experts and scholars.A large body of research shows that the evolution of the atmospheric low-frequency oscillation in the weather and climate plays an important role.Building upon this previous research,the present paper attempts to discuss the characteristics and regularity of continuous abnormal events in North China,as well as the relationship with atmospheric low-frequency oscillations.

Based on 1959—2009 NCEP/NCAR daily reanalysis data and daily observed temperature data in China,we begin by defining persistent abnormal low temperature.When the average air temperature is less than or equal to -10 ℃ for five to seven consecutive days or more,with only 1 day of discontinuity permitted,we argue that the region is subject to a persistent abnormal low temperature process.At the same time,the first day of the continuous low temperature process is defined as the start date,and similarly,the end day is the last day of the average temperature being less than -10 ℃.On the basis of this definition,the characteristics of winter persistent abnormal low temperature events in North China are studied.Then,the main relationships between winter persistent abnormal low temperature in North China and atmospheric low-frequency oscillation activities are discussed.

A regular pattern is found insofar as,during 1959—2008,persistent abnormal low temperature processes occurred 26 times in North China,featuring obvious interdecadal variation characteristics.During the 1960s to 1990s,persistent abnormal low temperature events were more frequent than at other times.However,there was a rising trend after 2000.Importantly,persistent abnormal low temperature events were focused in two periods,late December to early January and late January to early February,which could be key for extended-range forecasting.

Previous research has pointed out that atmospheric low-frequency oscillations bear a close relationship with abnormal events,playing an especially important role in periodic,continuous abnormal extreme events and high impact events.It provides the background field for such abnormal events,whilst at the same time,the occurrence of persistent abnormal low temperature events usually takes place through adjustment of the circulation field.By analyzing the processing of persistent abnormal low temperature events,we found that the structure from the upper troposphere to the lower troposphere is consistent,corresponding to the establishment of a ridge of high pressure in the Ural Mountains,followed by its development and demise,and the maintenance,deepening and weakening of the East Asian trough.

Meanwhile,persistent abnormal low temperature events in North China are closely related to the change in the atmospheric low-frequency circulation field.Though a series analysis,we find that both 10—20-day and 30—60-day low-frequency activities influence persistent abnormal low temperature events greatly.When persistent abnormal events happened,a 10—20-day low-frequency cyclone occurs in Northeast and North China,and an interim one in the central Siberian Plateau.Meanwhile,an anticyclone near the western Siberian Plateau and a cyclone near the Sea of Japan are the important 30—60-day low-frequency systems caused by persistent abnormal low temperature events.

persistent abnormal low temperature events;low-frequency oscillation;characteristics of atmospheric circulation;propagation characteristic

(責任編輯：張福穎)

The relationship between winter persistent abnormal low temperature in North China and atmospheric low-frequency oscillation activities

LIU Ying1,2,GUO Pinwen1,FENG Tao2

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2ZhejiangClimateCenter,Hangzhou310002,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150314053

引用格式:劉櫻,郭品文,馮濤.2016.華北地區(qū)冬季持續(xù)性異常低溫事件與大氣低頻振蕩活動的關系[J].大氣科學學報,39(3):370-380.

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*聯(lián)系人，E-mail:guo@nuist.edu.cn