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庚子冷冬:环流异常

已有 1218 次阅读 2020-12-26 22:53 |个人分类:气候学|系统分类:科研笔记

1. 气环流与天气系统   

    由于入射太阳短波辐射及地表射出长波辐射的不均匀性,在地球的低纬度带有净辐射盈余,加热着大气和海洋,高纬度带和极地呈现净辐射亏损,在冷却大气。地球大气系统像是一部热机,大气和海洋的运动将低纬度热量不停地输送到高纬度,以弥补热量亏损,维持着全球热量和能量平衡的气候状态。围绕绕旋转地球运动着的大尺度大气运动形态称之为大气环流。通常,一地的天气气候异常可归结为大气环流异常。因为大气环流是海洋、陆地、山脉、冰川等复杂下垫面上冷热源与当地天气变化连接的桥梁,也是天气的直接制造者。因此,气象预报员往往用环流异常来回答或解释天气气候异常的原因。不过,这似乎有用一个问题去回答另一个问题之嫌。人们不禁要问,大气环流异常的原因又是什么呢?例如,庚子冷冬的大气环流发生了哪些异常,异常的原因是什么?天气专家也许会这样回答,在北半球天气图上,今年冬季的乌拉尔山高压脊偏强,有过几次阻塞高压出现,以及12月以来北极涛动进入负位相等。 高压脊、阻塞高压、低压、低涡等都是天气预报人员在天气图中分析出所谓“环流系统”,与某种天气的发生有直接的联系,因而又常常称其为天气系统。如地面天气图上的气旋、反气旋、冷高压、冷锋、暖锋等。 移动性冷高压前沿存在的温度密集带称为冷锋,北上暖气团与北方较冷气团之间的交界面成为暖锋,前者常常带来大风降温天气,后者会伴随着阴雨连绵。在地面图上填上气象观测站观测的气压、气温、湿度、风和降水等气象要素,绘制等压线,就制作出地面天气图。根据气球探空等观测记录,又可以在高空等压面上绘制等高线、等温线等,制作成高空天气图。高空天气图每日有08点和20点两张,地面天气图每隔三小时有一张。在高空天气图上,等高线大致呈东西走向,等高线值在低纬度高,在高纬度低,环绕地球一周。在北极区域冬季常常为一个大低涡(低气压)占据,在副热带则是一个围绕地球一周的高压带,称之为副热带高压,其间的中纬度是一个等高线和等温线的密集带,称之为行星锋区,伴随很强的西风,故也称西风带。行星锋区围绕地球一周,呈波状分布,其中波峰称为高压脊(脊),波谷称为低压槽(槽)。槽脊随着时间环绕地球移动,在槽的后部或脊的前部是偏北气流,引导冷空气南下,在槽的前部或脊的后部是偏南气流,向北输送暖湿空气,伴随着风云雨雪等天气。这些大气运动的结构图就像是大气环流系统的面孔,透过这张面孔可以识别出影响各种天气的环流系统。早期的天气预报员就是通过分析地面或高空天气图来识别相关的天气系统特征,依靠经验外推或统计推断来制作未来1-3天的短期天气预报。虽然现在可以利用巨型计算机比较准确地计算出未来一周左右的短期及中期天气预报,但超过两周的天气可预报参考价值很低,这受限于天气预报本身存在的可预报期限及预报系统的计算机模型完善水平。目前,对于季、年,或更长时期的气候预测,大多还要依赖概率统计或大数据技术等进行推断,做出的是概率预报。这就是为什么气候预报人员常常用一些气候统计指标(环流指数或海温指数)表示与一地天气气候异常密切关联的气候背景。下面,就几个与庚子冷冬关联的环流系统或环流指标(指数)做一简单介绍。

 

2. 阻塞高压(Blocking)

    天气图上的闭合等压线或等高线围出的区域称为高气压(高压)或低气压(低压)。在高空天气图上,高压与暖空气相伴,风近似平行于等高线,呈顺时针方向旋转;低压与冷空气相拥,风呈逆时针方向旋转。在中纬度地面天气图上温度压力的配置与此相反。阻塞高压(阻高)是指对流层中高层Ω字符型的巨大气压系统,其北部是一个大的闭合高压,南部左右两侧有一对较小低压相伴。在阻塞高压西侧,南风将大量的暖空气输送到高纬度,在其东侧,北风又将高纬度冷空气输送到南方。多年的气候统计发现,阻塞高压常常出现在高纬度一些特定地区,如欧洲东部、乌拉尔山、贝加尔湖、鄂霍次克海等。一般阻塞高压形成后稳定少动,可以维持7-10天,往往伴随着大范围气温或降水的持续异常。阻塞高压的崩溃往往会导致冷空气快速向东南爆发,可以带来剧烈的寒潮天气过程。例如,20207月初,乌拉尔山阻塞高压建立并稳定维持,它频繁地引导高纬度小股冷空气南下,从西北方向汇入江淮地区,维持着江淮梅雨锋(温带气团与热带暖湿气团交界面)南北的热力差异,沿着梅雨锋形成持续的对流降水带,造成长江中下游地区的洪涝。又如,202012月初乌拉尔山阻塞高压形成,引导分裂后北极涡旋中的冷空气南下,横扫了大半个中国,造成12月中旬的寒潮天气过程。在这次寒潮天气过程结束后,伴随着环流调整,乌拉尔山阻塞高压也逐渐消失了。因此,冬季乌拉尔山阻塞高压的出现频次是东亚庚子冷冬形成的重要指标之一。

 

3. 北极涡旋

    冬季,在北极上空常常是一个庞大的低压占据,在高空表现为一个反时针方向旋转、近似对称的巨大涡旋,称之为北极低涡(简称极涡)。因冬季极地辐射严重亏损,北极气温度很低,极涡便成为冷空气的制造源地和冷藏库。当极涡发生不对称变形时,便有低压槽分裂出走,携带着冷空气侵入中纬度地区,造成降温降雪天气。当极涡严重变形,分裂、甚至移出极地时,便会造成中纬度大范围、长时间的低温天气过程。例如,自2020 11月下旬起极涡就发生了不对称变形,其主体部分掉向亚洲一侧,受其中分裂出的小股冷空气频繁活动影响,中国北方气温较低,华北的重污染天气很少出现。当12月上旬乌拉尔山阻塞高压建立后,它引导极涡中的大股冷空气南下,造成我国12月中旬的寒潮天气过程。因此,极涡的异常与中纬度大范围持续性天气异常关联。然而,极涡造成的降温区域、降温幅度、降雪强度及持续时间等却存在多种可能选择。这既取决于极涡分裂的形状和掉出的方向,也取决于中纬度西风带强高压脊或阻塞高压出现的地理位置等。例如,当极涡的主体掉向北美一方,可能造成美加地区的低温寒潮天气;当它掉向中亚一侧并伴随东欧阻塞高压形成时,可能会有西方路径的冷空气影响中国,过程降温不会太剧烈,但伴随着较大的雨雪天气。12月中旬影响中国的寒潮冷空气是西北路径,其主体自蒙古国西部入境,影响主要是大风降温,北方降水不大。 因此,除了阻塞高压外,庚子冷冬还与分裂极涡的走势及持续时间关联。

 

4. 北极涛动(AO)

  北极涛动是指北半球中纬度海平面气压场与北极地区气压场之间存在的互动或相关现象,常用一个所谓北极涛动指数(AOI)描述之。AO的正位相对应于极地气压偏低,中纬度气压偏高,两者差异越大,AO指数越大;其负位相对应于北极地区气压偏高,中纬度气压偏低。在高空天气图上,AO的正位相对应于北极上空庞大冷性涡旋,中纬度呈比较平直的纬向强西风环流,南北温差较大,冷空气常常随西风带上的不稳定波动扩散南下,天气过程一般比较缓慢,中纬度气温偏高,极地偏低;当AO处于负位相时,北极地区常常被地面高气压或高空反气旋占据,中纬度环流波动振幅增大,西风带变弱,容易形成阻塞高压,冷暖空气的南北交换剧烈,冷空气活动频繁,容易出现寒潮天气,中纬度气温偏低。气候统计显示,AO的负位相常常伴随冷空气入侵东亚,造成我国冬季的低温天气。例如,自202012月初,AO变为负位相(见下图),即北极为高气压或高空反气旋占据,原北极涡旋分裂移向中纬度,伴随着冷空气入侵,中纬度气温偏低。例如,12月中旬东亚的寒潮天气过程是由分裂的极涡(AO负位相)内冷空气在乌拉尔山阻塞高压东侧偏北气流引导下大举南下造成的。 一般,AO的生命期大约为10-20天,平均为2周,长于阻塞高压,其影响范围是半球尺度,远大于阻塞高压。因此,冬季持续性低温过程往往与AO负位相关联,AO的负位相还有利于乌拉尔山阻塞高压的形成。

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                                                     4.1 北极涛动(AO)逐日指数演变;上图来源于美国气候预测中心(CPC)网站                  

              (https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao_index.html

5. 寒潮与“北极怪兽”

    寒潮,俗称寒流,是一种因强冷空气入侵造成的大范围强降温天气过程,要求整个过程降温幅度超过10-12度,最低气温要低于-4度。据中央气象台预报,1227-30日,新一轮寒潮又将自西向东席卷全国,降温幅度超过本月中旬的寒潮。从最近几天的天气图跟踪可以发现,冷空气仍然来源于12月上旬南掉于亚洲一侧极涡残余的西部。可能有人会问,这一次寒潮有乌拉尔山阻塞高压帮凶吗?答案是,象是有,但不是传统意义上的阻塞高压,它更像是一个通过南北嫁接形成巨大怪兽,头枕北冰洋,脚踏欧亚大陆。诡异的是,这个巨大阻高北部的闭合高压过于庞大且位置过于偏北,目前高压中心位于欧亚大陆北端新地岛附近。这个高压系统在对流层低层看,形状像是一个覆盖整个欧亚大陆的巨无霸阻塞高压。而通常的阻塞高压中心位于50N附近,其Ω流场结构特征在对流层中高层更清楚。根据连续几天的北半球天气图侦查发现,这个庞大的高压体来路不凡,它不是一般意义下西风带高压脊发展过盛的产物,而是来自北极。更离奇的是,这个高压体原本是一个位于太平洋高纬度上空的高压,逐渐发展强大并向北移动,途经白冷海峡强行锲入北极圈,将极地大涡旋挤压变形后切为两截赶出北极,“一截赠美、一截还东国”,却忘了多切“一截遗欧”。大功告成后它取代极涡占据了北极中心,导致AO跨入负位相。因此,这个高压是促使AO从正位相转为负位相的主导环流系统。最近,它又缓慢地穿越北冰洋,逐渐向欧亚大陆方向靠近,出现了如今跨越北冰洋与欧亚大陆的庞大高压体。在高压底部和中纬度西风带之间是一个所谓的“横槽”,即东西走向的扁平低压区,位于乌拉尔山东侧的西西伯利亚,其中蕴藏着即将影响我国的冷空气堆。当这个“横槽”逆时针旋转(“横槽转竖”)成南北走向时便会东移,随之这团冷空气可能爆发南下,席卷我国的大部分地区,多地的降温幅度可能会超过月中寒潮,大风、降雪也会相随相伴。然而,“横槽转竖”型寒潮,通常是阻塞高压崩溃或有新的冷槽沿阻塞高压顶部气流向南移动造成的结果,这个小漕被天气预报员称之为“上游赶槽”。可是,这个庞大的阻塞高压中心位置太偏北,体型过于庞大,结构异常稳定,也不可能见到“上游赶槽”。因此,这个横槽难以快速转竖。结果是该横槽存在的时间长,大高压东侧东北风不断引导北方冷空气南下补充进入这个横槽,横槽中的冷空气堆不断发展壮大且向南扩散,冷高压极限施压。这个过程逐渐增大了中纬度西风带的南北温差,当西风带变为不稳定时会有波动产生,横槽中的冷空气堆便会南下入侵我国。因此,这个巨型高压也是年末东亚寒潮的助推手,多才多艺,身手不凡。总之,强寒潮难免,是2020离去前的最后一次“馈赠”。这许是为了“留念”而抛出的一朵蓝色浪花:别了,2020,挥挥手,不带走一片云彩。

 

   一个月两次寒潮过程会造成202012月平均气温偏低。但整个冬季是否是冷冬,还要看20211月或2月的气温是否也会偏低。这涉及到后两个月大气环流的演变趋势,如AO负位相持续时间及再现时间,分裂极涡残余的动向及阻塞高压出现的次数等。尽管整个冬季的气候背景有利于庚子冷冬形成,即赤道中东太平洋海温持续偏低,目前已经形成中等强度的拉尼娜事件(La Nina)。


下篇预告:“庚子冷冬:拉尼娜”

 

      

20201226


参考读物

叶笃正. 北半球冬季阻塞形势的研究. 科学出版社, 1962 

叶笃正,朱抱真. 大气环流的若干基本问题. 科学出版社,1958

曾庆存. 天气预报一由经验到物理数学和超级计算机. 物理,2013

丁一汇. 高等天气学. 气象出版社,2005

 




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