东亚冬季风寒温度的气候特征分析_姚吴秋实.pdf

第 42 卷第 6 期气象科学Vol 42，No62022 年 12 月Journal of the Meteorological SciencesDec，2022姚吴秋实，任雪娟，邵典伟，等东亚冬季风寒温度的气候特征分析气象科学，2022，42(6):721-729YAO Wuqiushi，EN Xuejuan，SHAO Dianwei，et alClimatic characteristics of winter wind chill temperature in East AsiaJournal ofthe Meteorological Sciences，2022，42(6):721-729东亚冬季风寒温度的气候特征分析姚吴秋实任雪娟邵典伟苏洪萱(南京大学 大气科学学院，南京 210023)摘要基于 EA-Interim 19792019 年的再分析资料，本文研究了东亚地区月平均、极端和强冷风寒温度空间分布。研究表明，在冬季 3 个月里，东亚地区风寒温度表现为自南向北递减，同时还具有较强的局地特征;最低极端风寒温度主要出现在内蒙古东北部、蒙古国东部和黑龙江地区;冬季 3 个月比较而言，平均风寒温度和极端风寒温度最低的月份为 1 月。强冷风寒温度发生频率最高的月份为 2 月。在成因方面，东亚大部分地区的风寒温度是由温度决定的，而中蒙交界区(蒙古和内蒙古东部地区)以及青藏高原北部地区，风速对风寒温度的影响最显著。此外，在所研究的几个区域中，京津冀城市群极端风寒温度与风速的负相关性最强。关键词冬季风寒温度;东亚;极端;大气环流分类号:X16doi:1012306/2021jms0069文献标识码:A收稿日期(eceived):2021-05-05;修改稿日期(evised):2021-07-21基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC1505903);国家自然科学基金资助项目(41675067)通信作者(Corresponding author):任雪娟(EN Xuejuan)renxuej njueducnClimatic characteristics of winter wind chill temperature in East AsiaYAO WuqiushiEN XuejuanSHAO DianweiSU Hongxuan(School of Atmospheric Sciences，Nanjing University，Nanjing 210023，China)AbstractBased on the reanalysis data of EA-Interim from 1979 to 2019，the spatial distributionof monthly mean，extreme and severe Wind Chill Temperature(WCT)in East Asia were studied esultsshow that in the three months of winter，the WCT in East Asia decreases from south to north with stronglocal characteristics;the lowest extreme WCT mainly occurred in Northeast Inner Mongolia，easternMongolia and Heilongjiang;comparing the three months in winter，the months with the lowest monthlymean WCT，the lowest extreme WCT is January The highest frequency of WCT appears in FebruaryWCT in most parts of East Asia is determined by temperature，and the wind speed has the mostsignificant effect on WCT in China and Mongolia Border Area(Mongolia and Eastern Inner Mongolia)and the northern part of Qinghai Tibet Plateau In addition，the negative correlation between extremewind cold temperature and wind speed is the strongest in Beijing-Tianjin-Hebei Urban AgglomerationKey wordsWCT;East Asia;extreme;atmospheric circulation引言冬季，影响体感温度的因素主要有气温、风速、湿度等，其中最主要的是气温和风速1。在气温相同的情况下，风速大通常比风速小人体感觉更冷。Siple2 最早提出风寒的概念，并用风寒温度指数衡量在一定气温和风速的情况下人体感受到寒冷的程度，低(高)风寒温度代表低(高)温和强(弱)风。在此之后，学者们针对不同区域和应用领域定义了不同的风寒温度指数。比如，Smithson，et al3 设计指数并用以研究英国低海拔地区的风寒温度;Soul，et al4 用所设计的该指数研究佐治亚地区平均和极端风寒温度的趋势。冯胜辉等1 表明近50 a来我国冬季风寒温度整体呈上升趋势，且与东亚大气环流系统的相关性很强。MA，et al5 研究指出，在青藏高原地区风寒温度增加稍显停滞，可能是由于风速增加与气温增加所导致的影响相互抵消。目前，风寒温度指数的研究在欧美已经比较成熟，其研究结果在部分地区已经应用于气象服务，用以预警寒冷冰冻的极端事件。而东亚地区风寒指数的研究比较欠缺，其社会经济应用价值还需进一步揭示。此外，风寒温度和舒适度关系紧密。近年来，为使得天气预报更好地服务于人民生活，天气预报业务中逐渐加入了人体舒适度的概念6-8。但是关于舒适度的已有研究多集中在夏季9-10，而针对冬季的人体舒适度，国内的研究相对较少。因此本文以风寒温度为切入点，意在扩充国内关于冬季舒适度的研究。2020 年 12 月至 2021 年 1 月，受 La Nia 影响，中国国内冷空气活动频繁，影响范围大、风寒效应明显，使得天然气供应压力剧增。在全球变暖背景下，极端冷事件发生的频率及其对于人类生产生活的影响程度有所增加11-12。不仅是北方地区，南方地区也受到了寒潮侵袭的影响，南方居民的供暖需求日益增长。为了给相关政策提供科学客观的依据，风寒温度与极端风寒事件的地区分布规律研究显得尤为重要。本文采用 Howarth，et al13，Osczevski，et al14 和 Mekis，et al15 对于风寒温度的定义，分析了东亚地区风寒温度的气候态和极端事件的空间分布特点，并初步探讨了其成因。1资料和方法本文资料为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的 EA-Interim 再分析资料16 中的 2 m 温度场、10m 风速场以及 850 hPa 位势高度场和风场，空间分辨率为 1 1，时间段为 19792018 年冬季(12月次年 2 月)。本文将每日 4 次的再分析资料平均成逐日资料进行分析。采用 Osczevski，et al14 对风寒温度(WCT)的定义，如下:WCT=13.12+0.621 5T11.37V0.16+0.396 5TV0.16，(1)其中:T 的单位是;10 m 风速的单位是 kmh1。该公式对于温度小于 10 和 10 m 风速大于 10kmh1的情形较为准确，对于 10 m 风速小于 10km h1的情况本研究采用了 Mekis，et al15 使用的定义:WCT=T+1.59+0.134 5T5V。(2)式中的单位同公式(1)。对于 2 m 温度高于10 的情况，本文将风寒温度定义为实际 2 m 温度。关于不同温度和风速条件下风寒温度的定义如表 1。表 1不同条件下温度和风速的定义式Table 1Definition of WCT under different conditions oftemperature and windWind 10 kmh1Wind10 kmh1T10 T0.318V+0.026 9TV0.396 5TV0.16+0.621 5T11.37V0.16+13.12T10 TT极端风寒温度定义为:各个格点的冬季风寒温度日资料，自冷至暖排序，排在总体 1%位置的风寒温度。定义风寒温度低于20 的日数占总日数的比例为强冷风寒发生频率13。图 1本文中使用到的地理区域(色彩表示海拔高度)Fig1The geographical area(The colored indicates the altitude)图 1 给出了本文使用的东亚区域范围和各个子区域的范围。子区域包括 3 个城市群(长三角城市群(28 33N，116 122E)、关中城市群(33 36N，105 111E)和京津冀城市群(37 42N，113118E)，以及两个冬季地表风速大值区(中蒙交界区和青藏高原北部)。中蒙交界区为(43 51N，109120E)，青藏高原北部为(32 36N，8095E)。选取中蒙交界区和青藏高原北部，是由于这两个区域的平均态风速最大，其对风寒温度的影响也最明显。而选取文中的 3 个城市群，首先是因为风寒效应对中国南部地区影响不明显，故 3个城市群都在中国的中部或北部;其次，3 个城市群都是人口较为密集的区域，其对全国的经济效应非常明显。此外，这 3 个城市群以至中蒙交界区的纬度是递增的，这样选取有利于比较 2.2 节中极端风寒温度的经向差异。227气象科学42 卷2结果21冬季月平均风寒温度分布图 2 给出了东亚地区气候平均 12、1 和 2 月风寒温度分布以及前后两个月的差异情况。总体而言，东亚冬季风寒温度呈现出准纬向特征，而南部和北部又受地形影响表现出一定的局地性。南部，图 2东亚地区气候平均冬季风寒温度(ac)及月际差异(d、e)分布(单位:):(ac)分别为 12、1、2 月;(d)1 月与 12 月之差;(e)2 月与 1 月之差。图中灰色等值线表示青藏高原(下同)Fig2Climatological winter WCT distribution over East Asia(unit:):(a-c)December，January and February respectively;(d)the difference between January and December;(e)the difference between February and January The grey isoline in themap represents the Qinghai Tibet Plateau(the same below)青藏高原的大地形切割了纬向型的温度分布，使得中国西南地区呈现东北西南向的风寒温度;青藏高原北部是风寒温度的低值中心。对于北部，几个大地形切割了风寒温度的纬向分布，使得风寒温度表现出一定的局地性:大兴安岭附近区域呈现较强经向型，风寒温度的纬向梯度大;新疆塔里木盆地地区风寒温度较同纬度高，在15 以上。就我国而言，冬季风寒温度最低的区域为青藏高原北部(3236N，8095E)、内蒙古和黑龙江以北地区(4854N，115 138E)。冬季风寒温度的月际差异表现为:整体上从 12次年 1 月风寒温度有 46 的降低，且风寒温度降低的大值区包括东亚北部区域和青藏高原西部区域。从 1 月到 2 月风寒温度有 10 以内的升高，风寒温度升高的大值区主要包括新疆塔里木盆地地区、东北三省及内蒙古以北地区。图 3a、d 给出 19792018