中国秋冬季阻塞型寒潮路径与环流特征分析_邵建红 (1).pdf

第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，中国秋冬季阻塞型寒潮路径与环流特征分析*邵建红，刁一娜*（中国海洋大学海洋与大气学院海洋气象学系，山东 青岛 ）摘要：利用 年 再分析资料，将中国秋冬季寒潮分为全国、北方和南方寒潮，分析其中阻塞型寒潮路径和环流特征。结果表明：乌拉尔山（乌山）的背景经向位涡梯度分布导致了阻塞高压的位置与强度的不同，全国阻塞型寒潮大部分由强大的乌拉尔山阻塞高压主导；北方阻塞型寒潮为大西洋阻塞；部分南方阻塞型寒潮阻塞高压在乌山地区，部分存在于大西洋。大多数全国和南方阻塞型寒潮的冷空气路径为西北型路径，两者环流过程类似，在乌山有着反气旋异常，在东亚地区有着西北东南向的波列，但是南方阻塞型的环流和冷空气强度较弱，而仅能对温度较高的南方造成强降温。北方阻塞型寒潮通过波能量的传播在贝加尔湖以西激发出反气旋异常，寒潮爆发后，当贝加尔湖南部的横槽明显东移或者反气旋强度不减反增都可以令冷空气沿西方型路径移动。关键词：中国寒潮；经向位涡梯度；阻塞高压；自组织映射网络中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：邵建红，刁一娜中国秋冬季阻塞型寒潮路径与环流特征分析中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：山东省自然科学基金重大基础研究项目（）；国家重点研究发展计划项目（）；国家自然科学基金项目（）资助 （）；（）；（）收稿日期：；修订日期：作者简介：邵建红（），女，硕士生。：*通讯作者：寒潮指的是高纬度强冷空气大规模向南侵袭的强降温过程，其发生时间集中在晚秋到初春，通常会造成大风、冻害、雪灾等灾害，是冬半年影响中国的主要灾害性天气之一，严重地影响着中国经济发展和国民生活。因此对寒潮的研究有助于提升寒潮的预报水平，为防灾减灾提供帮助。影响中国寒潮的冷空气源地主要有三个：新地岛以西、新地岛以东和冰岛以南的海冰，冷空气自源地南下，经过并积累在西伯利亚关键区，加强后沿条路径爆发南下影响中国。根据多年经验的积累，普遍的将寒潮的中短期天气形势分为小槽发展型、低槽东移型和横槽转竖型，它们分别对应着寒潮的西北路径、西方路径和北方路径。后经过学者们进一步的研究发现，高空对流层在乌拉尔山（乌山）、贝加尔湖（贝湖）、日本的“”波列可以通过影响东亚东海岸槽和对应的西北气流而影响冷空气路径；同时乌拉尔山阻塞高压（乌山阻高）能够通过改变乌山上空向东北强烈延伸的高压脊和在贝湖上空的横向槽，令冷空气随地面西伯利亚高压向贝加尔湖的扩张向南推进，影响寒潮路径。具体来说，当东亚中高纬度地区上空的波列偏纬向型分布时，冷空气能够沿西北型和西路型路径南下；当波列向东南移动、乌山地区有着强大的高压脊时，寒潮沿着西北型路径爆发；而当波列向东移动时，寒潮冷空气沿着西路径移动。若波列呈经向型分布、乌山高压脊表现为明显的阻塞特征时，寒潮冷空气便会沿着北路径入侵东亚。在寒潮强度的研究中，前人发现乌山阻塞高压不仅能够影响寒潮路径，而且可以影响寒潮强度 。乌山阻高通常伴有一个横跨欧亚大陆中高纬地区的准正压 波列，波列与西伯利亚地区的地面冷异常耦合，造成强烈动量和热量的经向交换，引导高纬度的地面冷空气向南移动，造成东亚地区的强降温事件，寒潮冷空气强度随着乌山阻高强度的增强而增强。综上所述，众多气象工作者已经对寒潮路径和强度特征做了大量的研究，他们大多是从寒潮路径和强中国海洋大学学报 年度不同能够导致中国降温分布和降温幅度的差异方面进行研究，而从寒潮路径和强度出发，研究具有不同强降温分布的寒潮的形成原因的研究却较少。由此本文根据寒潮客观标准，将影响中国的寒潮分为全国型、北方型和南方型寒潮，分析其冷空气路径和相应的典型环流过程。资料与方法研究资料本文所用资料：欧洲中期天气预报中心（，）的全球大气再分析数据集 的 地表温度、海平面气压场、等熵面上的位势涡度、和 位势高度场、风场、相对涡度场，时段为 年月 年月，空间分辨率为（）（），时间分辨率为。方法介绍寒潮的客观标准寒潮的发生实质是地面反气旋的移动，以及受影响地区的地表气温的显著下降，本文参考了 等 和 等 关于东亚寒潮的定义，在此基础上，根据本文所使用（）（）的再分析资料数据做出调整，定义寒潮开始标准：（）在寒潮发生之前，区域 ，内，地表存在一个反气旋。反气旋的判断标准根据文献 ，即 高度场上，个点相对于其相邻的个点有最大值，则判断为高压中心，且海平面气压场上中心的强度超 过 ，中 心 相 对 涡 度 的 绝 对 值 超 过 且维持超过一天以上。（）需要满足以下降温条件，选定南（，）、北（，）两个（）（）的网格区域，在该区域内，再设定一个（）（）的小网格，依次覆盖（）（）网格中的所有区域，并计算该滑块内地面温度的 降温（）和 降温（）的区域平均。在南侧小网格中，如果 或者 的区域降温达到 及以上即停止计算；北侧小网格中，如果 或者 的区域降温达到及以上即停止计算，判断为一次寒潮过程开始。定义寒潮结束标准：（）反气旋中心气压开始上升并且维持 以上，中心气压低于 。（）东亚大陆（，）范围内超过 以上的格点地面温度开始上升。寒潮爆发的日期定义为从寒潮开始到结束的整个周期内 降温最强的那天。本文定义的寒潮客观指标与气象局所用的寒潮标准的不同之处在于：本文使用的数据是再分析数据而非站点资料，如此而更完整地考虑区域的降温而非仅仅是某个或某几个站点。经过 等 的验证，极大多数的寒潮（从其它来源已知）都被发现与南、北区域的降温有关，并且其所确定的寒潮时间、持续时间和频次都与北京气象中心（）所得到的数据有较好的一致性。以此，当有寒潮在以上的南、北区域都达到降温标准时，定义寒潮为全国型寒潮（）；当仅北区域达到降温标准时，定义为北方型寒潮（）；若仅南区域满足降温标准则为南方型寒潮（）。阻 塞 指 数 参 考 等 和 等，利用 位势高度场得到阻塞指数：（，）（，）（，），（）（，）（，）（，）。（）式中：，分别表示格点的经纬度；的范围在 ；范围为 ；。当（，）并且（，）（）时，该格点定义为瞬时阻塞。当瞬时阻塞持续 个经度并且在发生的格点的 纬度 经度的范围中持续至少，则定义为阻塞事件。对各类寒潮在寒潮开始前 天到寒潮结束后天的时间段内，高度场上阻塞事件出现的频次进行统计，得出与寒潮有关的阻塞主要分布在 ，由此定义若在寒潮爆发前天的 ，范围内出现阻塞事件则为阻塞型寒潮事件，否则为其他寒潮事件。自组织特征映射分析自组织特征映射分析（，）是一种基于神经网络聚类的方法，可以对数据进行无监督学习聚类，其所采用的非线性聚类方法能够得到更接近真实分布的特征。训练时采用“竞争学习”的方式，每个输入的样例在隐藏层中找到一个和它最匹配的节点，称为它的激活节点，也叫“优胜向量”。紧接着用随机梯度下降法更新激活节点的参数。同时，和激活节点临近的点也根据它们距离激活节点的远近而适当地更新参数，通过一次次更新迭代，不断更新最优匹配单元直到误差稳定地达到规定范围之内或迭代次数达到规定次数 。混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型本研究还应用了混合单粒子拉格朗日综合轨迹 模 型（，）模型 ，以寒潮结束时地面 温度 最大降幅的格点为起点，向前追踪 得到寒潮冷空气路径。该模式假定质点的轨迹是随着风场而运动的，轨迹是质点在空间和时间上的积分，质点所在位置的矢量速度在时间和空间上都是线性插值得出的。波作用通量 和 为了更期邵建红，等：中国秋冬季阻塞型寒潮路径与环流特征分析好地诊断真实大气中 波的三维传播特征，使其更适用于复杂的背景气流，对 波作用通量进行改进得到波作用通量，它能更好地描述纬向非均匀气流中的较大振幅的西风带 长波扰动。其二维表达式如下：（）（）。（）式中：是准地转流函数相对于背景场的异常扰动；（，）表示背景场，为气压。秋冬季中国寒潮活动概况阻塞型和非阻塞型寒潮对比利用寒潮客观标准和阻塞指数挑选出 年 月到次年月秋冬季节的寒潮 个，平均每年发生 个，得到全国寒潮 个，北方寒潮 个以及南方寒潮 个，各路径寒潮中阻塞型寒潮大约占。分别计算在 以南，以东地区的中国境内的最强累积降温值，得到各寒潮路径的最强累计降温值的概率密度函数（，）。可以看出，无论寒潮路径，强累积降温事件更可能发生在阻塞型寒潮中，所以阻塞型寒潮对中国寒潮有着较好的代表性，同时考虑到阻塞型和其他寒潮事件有着不同的环流条件，因此本文的研究将仅集中于阻塞型寒潮。（灰色填色表示通过显著性水平蒙特卡洛检验。）图三种路径的阻塞型寒潮（实线）和其他寒潮（虚线）在 以南，以东地区的中国境内累积降温的概率密度函数以及频次（柱状）（）（）（）（）寒潮聚类结果寒潮路径的差异与寒潮过程的环流变化息息相关。图为各寒潮路径在寒潮爆发前天（）、前天（）和爆发天（）的 位势高度和纬向风相对于气候态的异常场。从图中可以看出，在全国阻塞型寒潮爆发前天时，欧洲北部存在强大反气旋异常，阻塞形势产生，其东南侧有气旋异常，两者构成偶极子，大大减弱了两者之间的纬向风。在寒潮爆发前天到寒潮爆发时，在欧亚大陆有着西北东南向波列。在北方阻塞型寒潮中，爆发前天时强大的阻塞高压位于大西洋，有气旋异常在乌山附近。在爆发前天时，在新地岛附近出现反气旋异常，气旋异常来到乌山以东。在爆发天时，反气旋异常向东移动来到贝湖以北，气旋异常迅速减弱。南方阻塞型寒潮阻塞高压不明显，在寒潮爆发前天时有反气旋异常在新地岛附近，气旋异常位于西伯利亚地区，两者强度较弱，而且呈东西分布，造成乌山附近纬向风负异常较弱。在爆发前天的时候，欧亚大陆上出现乌山贝湖以西日本的偏西北东南波列，而后在寒潮爆发时，乌山的反气旋异常和贝湖气旋异常强度均减弱。中国海洋大学学报 年（黑点表示通过显著性水平的蒙特卡洛检验的 位势高度异常场。）图阻塞型寒潮 位势高度异常场（等值线，单位：）和纬向风异常场（填色，单位：）过程图 （，：）（，：）南方阻塞型寒潮个例合成的环流强度弱，阻塞高压不明显，而这可能是因为南方阻塞型寒潮内部差异造成的。在之前的分析中，三类阻塞型寒潮在爆发前天时的环流系统强度较强，并且在大西洋东部至东亚的中纬度地区的环流形势差异显著，因此分别选取三类阻塞型寒潮在爆发前天时 高度上 ，区域的位势高度异常场作为 聚类依据。通过 方法得到各寒潮路径的优胜向量，然后对 优胜向量进行层次聚类，进一步得到各寒潮路径的典型环流特征，聚类结果如图所示。全国阻塞型寒潮分为个模态，分别有，个，占 全 国 阻 塞 型 寒 潮 个 例 的 ，。的阻塞高压位于大西洋，在中高纬度的欧亚大陆存在低压异常；的阻塞高压在乌山以西，气旋异常在贝湖西北的西伯利亚地区，北极地区为低压异常，而 欧亚大陆高纬度地区被强大的阻塞高压控制，有向南延伸到乌山地区，有气旋异常在贝湖的西部。北方阻塞型寒潮分为个模态，分别有和 个，占 和 。的北极地区为高压异常，阻塞高压中心位于大西洋。中纬度地区有个气旋异常，分别位于大西洋东部、乌山以东和日本海地区。的高纬度北极地区和西伯利亚地区为低压异常，阻塞高压在大西洋。南方阻塞型寒潮同样分为个 模 态，分 别 有 和 个，占 和 。中存在乌山阻塞，大西洋东部和贝湖以西有 气 旋 异 常。与 大 致 呈 反 位 相，的中高纬度大部分地区被低压异常控制，阻塞高压在大西洋东部。本文采用 模型，以寒潮结束时地面温度 最大降幅的格点为起点，向前追踪 得到寒潮冷空气路径。由图 可知，寒潮路径的冷空气大部分来源于西伯利亚，大部分全国阻塞型寒潮冷空气自西伯利亚向东南移动来到中国东北和华北，之后转南侵袭整个中国，另有部分冷空气路径为自俄罗斯北部南下影响中国，其中 相比较 与 有更多的冷空气来源于欧洲北部，这与降温场中欧亚大陆强大的高压中心从欧洲逐渐东移到亚洲中高纬度地区的结果相对应。而 有部分冷空气路径的起点偏北，在拉普捷夫海以南，这可能与寒潮爆发前一直维持在西伯利亚的高压中心有关，它引导了冷空气自俄罗斯东部的高纬度地区南下。北方阻塞型寒潮的寒潮结束于中国北方，冷空气路径偏东，其 的冷空气起点在蒙古附近，而 的的冷空气起点大多集中在西西伯利亚。南方阻塞型寒潮路径与全国阻塞型寒潮路径相似，大部分冷空气同样先