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冬季冰火两重天:异常环流转型与热力因子贡献

已有 2065 次阅读 2021-3-6 15:18 |个人分类:气候学|系统分类:科研笔记

      国家气候中心宣布,刚刚过去的冬季又属于暖冬(图1),只有新疆北部和东北大部属于冷冬。为方便叙述,兹定义去冬2020121日至2021228日90天,以2021115日为界,将这个冬季分为 前冬 和“后冬”两个阶段。气候统计表明,中国大部前冬干冷,后冬暖湿 春节后气温波动幅度增大。这个冬季的奇特之处在于前冬后冬“冰火两重天”,前冬寒潮密集,少雪,多地打破同期最低温度记录;后冬多地破二月最高气温和降水量记录。这种冷热相继,旱涝并举的极端气候异常,起因于气候暖化背景下冬季异常大气环流转型及其伴随的地气系统动力热力变化。

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                                      1  2020/2021冬季中国平均气温异常分布,来源于国家气候中心.

         气温的变化与多种因素有关,大致可分为绝热变化和非绝热变化两类因子。前者包括冷、暖空气的南北交换(称之为空气的水平平流过程)和垂直运动(对流)。孤立干空气气块的上升运动属于干绝热过程,其温度递减率接近于1/100m,称为干绝热递减率(dry adiabatic lapse rate),它由重力加速度与空气定压比热之比决定。含水汽的湿空气块绝热运动的温度递减率要小于干绝热递减率。当高空气块下沉时也是按照这个干绝热递减率增温,可以造成干热事件,引发灾害。例如,夏季我国东部副热带高压控制区域持续的下沉气流会造成极端热浪(hot wave)事件;山脉背风坡的焚风(Foehn wind)会在其下沉区域形成干热气流,可以摧毁地表自然植被。

     非绝热变化因子主要有地面加热、土壤水分蒸发或凝结、空气中的温室气体(包括水汽)及气溶胶的热效应等。白天地面因接收太阳辐射而升温,通过向上感热通量加热近地面气层,夜晚因放射长波辐射地面降温,形成气温的日变化循环。当土壤水分较多时,一部分吸收的太阳辐射能量被用于土壤水分蒸发并吸收热量,冷却地表。这一负反馈过程降低了下垫面对近地面空气的加热率,导致湿地上空气温的日变化率小于干燥裸土。因此,沙漠戈壁气温的日变化幅度要远远大于草地、森林或湿地。当地面存在积雪时,因反照率增加会出现辐射亏损,是冬季北方区域气温持续偏低的一个重要原因。

       空气中的温室气体等会吸收长、短波辐射加热大气。例如,大气中温室气体浓度的持续上升造成了工业化革命(1870年)以来的全球气候暖化(Global warming)现象。在北半球,气候暖化率随纬度增强,北极的快速增暖已经导致北冰洋冰盖呈缩小趋势,减小了极地与赤道之间的温度差异。

      气溶胶种类繁多,功能各异,其与气候系统的相互作用是一个复杂的科学问题。简单地说,气溶胶在白天主要是一个阳伞效应,起降温作用,但在夜间会减少地面净的射出长波辐射,是一个增温效应,导致近地面气温的下降速率变慢。  去冬我国气温异常及起伏原因均可以从上述因子的变化加以分析或归因。

    前冬和后冬两个阶段的环流结构、天气及气温等变化特征均存在明显差异,其影响因子也各不相同。 前冬的大气环流背景是,北极涡旋分裂南掉,北极涛动(AO)进入负位相,环流经向度增大,有三个乌拉尔山阻塞高压建立,天气特点是寒潮频繁,北风强劲,气温剧降,降雪稀少,气候干旱等。 据此推断影响前冬气温的因子如下:

1)北极极冷气团直接南下入侵我国,冷空气平流降温剧烈,北风持续,南风罕见,冷空气过后回暖缓慢;

2)南下冷空气的下沉绝热增温抵不过冷空气平流降温效应,气温持续走低;

3)冬至前后太阳高度角最小,白天最短,入射太阳辐射最弱,降雪稀少的裸露地面对大气加热率不强,冷空气过后升温较慢;

4)雾霾天少,空气中气溶胶浓度很低,水汽云量少,有利于夜间裸露地面的辐射降温,对白天气温影响不大;

5)极地冷空气含水汽量少,西北风大,造成土壤干燥,有利于夜间裸露地面的辐射冷却降温。

    因此,前冬大部分国土气温偏低的主要原因是因为阻塞高压型环流引导北极强冷空气频繁入侵我国且路径偏北,晴空下裸露地面的太阳辐射升温较慢,持续低温时间长。

      后冬,随着去年12月初掉向亚洲一侧的北极低涡分裂体减弱东移出海,北半球大气环流开始调整,乌拉尔山阻塞高压消失,北极涛动指数(AO)向正位相回归,欧洲阻塞高压崛起,亚洲中纬度处于一个宽广的低压区,纬向环流盛行,西风增强,中纬度和青藏高原南侧绕流西风带上多低压槽东移,南风增强,天气过程频繁,降水逐渐增多,天空云量增加,中度至重度雾霾天气事件也变多,气温出现数次过山车式的大起大落,平均气温走高,多地最高气温和降水打破纪录。据此可以推断北方气温波动升高的因子如下:

1)冷空气来源于欧洲东部,并经西方路径侵入我国,影响范围偏北,冷空气气团温度高于前冬,冷空气平流降温率明显弱于前冬;

2)南风增强,温带大陆性暖气团波动北上,暖空气平流升温作用明显;

3)后冬太阳高度角逐渐增大,白天变长,入射太阳辐射增强,对干燥裸露地面加热率增大,导致后冬我国大部分地区升温较快,形成气候偏暖背景;

4)因西风带上东移低压槽天气系统都存在一个较强的东西向次级环流,在冷空气到来前的2-3天都会有下沉增温和南风增温过程,会造成一个2-3天左右短暂而剧烈的升温过程,当冷空气到来又会在此基础上快速降温;

5)雾霾天增多,气溶胶浓度上升,水汽与天空云量增加,夜晚地面长波辐射降温速率下降,冷空气过程主要表现为最高气温降低,后冬几次冷空气入侵事件的最低气温极值均接近于同期气候平均值,并无大的异常,这也为冷空气过后,下一次冷空气来临前的快速升温提供了有基础。

  因此,后冬变暖的原因主要是纬向环流下冷空气走西方路径,太阳入射辐射增强,大范围裸露干燥地面加热率上升,南风送暖,下沉绝热增温等的贡献。中纬度西风带上频繁东移的大气波动及冷空气来临前后的快速升温造成了气温的大起大落,体感温度象过山车,忽冷忽热

   此外,气候统计发现,欧亚大陆的气候暖化在后冬及初春最强,形成了这一季节偏暖的行星尺度气候基本态,促使春季到来的时间提前。随着北极涛动向正位相转换(图2),冬季环流也向气候基本态回归(收敛),致使中高纬度气候呈大范围回暖趋势。而西风带上一波又一波的低压槽或冷空气活动造成了气温围绕气候基本态上下波动,当升温幅度很强时就容易出现破纪录高温事件。注意到,二月下旬破纪录高温与南方破纪录降水事件几乎同期出现,即与“北方日头南方雨”有关。当南方大范围降雨增强,在南北方向上存在一个环流,即我国南方是一个上升运动区,北方是一个下沉增温区,下沉绝热增温强烈,同时,北方晴空少云也增强了太阳辐射干燥裸地加热的升温速率。可见,2021年2月下旬中国北方的破纪录高温事件,即有非绝热增温背景即全球气候暖化的贡献,也有前冬少雪干旱造成的大面积干燥裸地的区域升温条件,更有绝热增温过程的最后一击,即南方破纪录降水造成的北方大面积下沉气流绝热增温,以及西方路径冷空气来临之前的强烈升温。因此,“机缘巧合”造就了辛丑牛年之初罕见的破纪录高温事件。

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                                     图2  202011月至20213月初逐日北极涛动(AO)指数 (来源于美国CPC.

     新疆和东北成为冷冬的原因主要是后冬持续降温的结果。其实,前冬这两地的气温都偏高或正常,后冬却明显偏低,即属于前冬暖,后冬冷的气候分布,其主要原因也是大气环流异常型的转换。前冬的环流导致极地冷空气聚集于西伯利亚,走偏北方路径经内蒙古南下,对新疆和东北影响较小。两地降雪少、云量少、空气干燥,有利于地面太阳辐射加热升温,冷空气平流降温不强。后冬大气环流进行了调整,冷空气多走西方路径,影响范围偏北,给新疆和东北带来大量降雪,造成持续的辐射亏损,冷空气入侵降温后,气温也进一步持续走低,难以快速回暖。因此,新疆和东北的冷冬是后冬来自西风带上频繁的冷空气平流降温和积雪辐射降温的综合结果。

总之,气候暖化背景下,大气环流转型带来的冷空气强度和路径变化是去冬前后两个阶段天气迥异及区域气候差异大的主要原因,其中西风带上阻塞高压生成的地理位置是决定阶段性大气环流异常格局的关键因子之一。不过,目前阻塞高压的中长期动力数值预报依然是个难题。


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推荐读物

叶笃正. 北半球冬季阻塞形势的研究. 科学出版社, 1962 .

符淙斌编著. 地球的未来. 湖南师范大学出版社, 2001.

秦大河等. 气候变化:我们身边的科学问题. 学苑出版社, 2011.




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