王 啟，吳 方

（中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室，山東省高校海洋－大氣相互作用與氣候重點實驗室，山東青島266100）

2008年初我國南方低溫凍雨災(zāi)害的氣候特征＊

王 啟，吳 方

（中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室，山東省高校海洋－大氣相互作用與氣候重點實驗室，山東青島266100）

根據(jù)2008年初中國南方低溫凍雨災(zāi)害發(fā)生的時間和范圍定義了中國南方地表氣溫異常指數(shù)（STAI）。研究表明，STAI與歐亞大陸的中、高緯度系統(tǒng)和太平洋副熱帶高壓都有很好的相關(guān)性，并且中緯度系統(tǒng)在中層占優(yōu)，高緯度系統(tǒng)在低層占優(yōu)。根據(jù)STAI合成的典型冷（暖）年850和500 hPa歐亞大陸位勢高度異常場呈“北正南負”（“南正北負”）型，西太平洋副熱帶高壓減弱（加強），我國南方水汽主要來源于孟加拉灣（南海）。2008年STAI的前期大氣環(huán)流背景既具有典型冷年的特征：歐亞大陸位勢高度異常呈“北正南負”型；又具有典型暖年的特征：西太平洋副熱帶高壓顯著增強，中國南方水汽同時來源于孟加拉灣和南海。

中國南方；低溫凍雨災(zāi)害；位勢高度異常場；水汽

2008年1～2月初，我國南方地區(qū)出現(xiàn)了50 a一遇大范圍持續(xù)低溫凍雨天氣。總體上看，這次氣象災(zāi)害具有范圍廣、強度大、持續(xù)時間長、災(zāi)害影響嚴重的特點，很多地區(qū)為50 a一遇，部分地區(qū)百年一遇，屬歷史罕見［1］。1月份屬于中國南方低溫凍雨天氣的多發(fā)期，其峰值多出現(xiàn)在1月下旬～2月上旬。因此，發(fā)生在2008年的南方低溫凍雨天氣從氣候?qū)W角度來看，屬于正?，F(xiàn)象。但從持續(xù)時間、范圍、強度和危害程度來看，是有氣象記錄以來最嚴重的［2］。

發(fā)生在2008年初中國南方的這次低溫凍雨災(zāi)害是歷史罕見的，因此引起了廣泛關(guān)注。氣候?qū)W分析認為：2007年8月～2008年初的拉尼娜事件發(fā)展非常迅速，其造成的大氣環(huán)流異常是導(dǎo)致我國大范圍持續(xù)低溫凍雨災(zāi)害的重要原因［3］。天氣診斷分析表明：地面準靜止鋒是造成這次嚴重低溫凍雨災(zāi)害的主要天氣系統(tǒng)；逆溫層、西南暖濕氣流及北方強冷空氣的不斷補充是造成南方連續(xù)出現(xiàn)凍雨天氣及造成嚴重災(zāi)害的重要條件［2］。動力學(xué)研究指出：來自上游南支槽區(qū)的Rossby波能量頻散是西太平洋副熱帶高壓北擴西伸所對應(yīng)異常環(huán)流中心形成維持的主要原因［4－7］。

本文主要分析了2008年初南方異常低溫發(fā)生的天氣過程和氣候特征，定義了中國南方地區(qū)1月23日～2月11日地表溫度異常指數(shù)，根據(jù)1950—2011年62 a的地表溫度異常指數(shù)，挑選出典型冷（暖）年，然后比較典型冷（暖）年與2008年大氣環(huán)流、溫度平流、水汽輸送的氣候特征，分析了造成2008年初低溫凍雨災(zāi)害的主要因素。

文中使用的是NCEP／NCAR再分析資料中1950—2011年62 a的位勢高度場、風(fēng)場、比濕場和溫度場日平均資料。

1 南方地區(qū)地表氣溫異常指數(shù)

圖1給出了我國南方地區(qū)2008年1～2月份地表氣溫異常EOF分解第一模態(tài)空間場，第一模態(tài)方差貢獻率為73.79%。由圖1可以看出，EOF第一模態(tài)空間分布大值中心在華南地區(qū)，本文選定107.5°E～117.5°E，22.5°N～32.5°N的區(qū)域為我國南方地區(qū)低溫雨雪冰凍災(zāi)害的代表區(qū)域。

圖1 我國南方地區(qū)2008年1～2月地表氣溫異常EOF分解第一模態(tài)空間場Fig.1 The spatial pattern of the first EOF mode of surface temperature anomalies from January to February，2008 in South China

圖2為上述第一模態(tài)時間系數(shù)，可以看出：在1月23日～2月11日保持很低的值，據(jù)此定義南方地區(qū)地表氣溫異常指數(shù)（簡記為STAI）：每年1月23日～2月11日，20d平均地表氣溫異常場在107.5°E～117.5°E，22.5°N～32.5°N區(qū)域內(nèi)的面積平均值。

此外，由圖2還可以看出1月10日～1月21日為2008年南方地區(qū)急劇降溫時段，2月13日～2月22日為南方地區(qū)升溫時段。因此選取每年的1月12日～1月21日為STAI前期，每年的2月13日～2月22日為STAI后期。

圖3給出了1950—2011年STAI的時間序列，可以看出，2008年的STAI為自1951年以來的歷史最低值。2008年STAI值為－7.38℃，遠低于1977年的歷史第二低值－4.87℃。

圖2 EOF第一模態(tài)時間系數(shù)Fig.2 Time coefficient of the first EOF mode

圖3 我國南方地區(qū)STAI時間序列Fig.3 Time series of South China STAI

2 異常低溫天氣過程的大尺度背景場

2.1 位勢高度異常場與STAI相關(guān)分析

為了考察500與850 hPa位勢高度異常場演變與STAI的關(guān)系，同樣每年選取3個時段的位勢高度異常場，即STAI前期、STAI同期和STAI后期的位勢高度異常場。

圖4a～c給出了不同時段500 hPa的位勢高度異常場與STAI的相關(guān)關(guān)系（圖中顯示的相關(guān)系數(shù)全部通過95%顯著性檢驗）。在前期（見圖4a）：0°～120°E的廣大中緯度地區(qū)為正相關(guān)區(qū)，貝加爾湖以北的西伯利亞地區(qū)是負相關(guān)區(qū)，太平洋20°N附近有明顯的正相關(guān)區(qū)。在同期（見圖4b）：中緯度地區(qū)正相關(guān)達到最強，相關(guān)系數(shù)達到0.6以上，中心向東向南移動，位于30°N～40°N，90°E～120°E附近；西伯利亞地區(qū)的負相關(guān)區(qū)也達到最強，中心值達到－0.4以上。太平洋20°N附近正相關(guān)區(qū)西移，與大陸正相關(guān)區(qū)聯(lián)為一體。

綜上，與STAI的前期和同期相關(guān)場在東亞地區(qū)整體呈“南正北負”型分布，意味著南方地區(qū)異常冷（暖）年，500 h Pa位勢高度中緯度降低（升高），高緯度升高（降低），西太平洋副熱帶高壓偏弱（強）。但相比中緯度的正相關(guān)區(qū)，高緯度的負相關(guān)區(qū)強度較弱、面積較小。

后期（見圖4c）上述正、負相關(guān)區(qū)均減弱消失。

圖4 500 hPa（a、b、c）、（850 hPa（d、e、f））位勢高度異常場與STAI相關(guān)系數(shù)Fig.4 Correlation coefficient between 500 h Pa（a、b、c）、（850h Pa（d、e、f）hgt anomalies and STAI

850 hPa位勢高度與STAI的相關(guān)系數(shù)場（見圖4d～f）整體上與500 hPa相似，但同期（見圖4e）相關(guān)場中歐亞大陸高緯度地區(qū)的負相關(guān)區(qū)面積更大更強。西太平洋副熱帶地區(qū)的正相關(guān)區(qū)在前期（見圖4d）已大陸正相關(guān)區(qū)聯(lián)為一體。

以上分析表明：STAI與歐亞大陸的中、高緯度系統(tǒng)和太平洋副熱帶高壓都有很好的相關(guān)性，并且中緯度系統(tǒng)在中層占優(yōu)，高緯度系統(tǒng)在低層占優(yōu)。

2.2 典型異常年位勢高度異常場

為了分析2008年與其他年份氣候特征的異同。根據(jù)圖3挑選出了5個異常冷（暖）年（見表1），然后合成為典型冷（暖）年。

表1 典型冷（暖）年STAITable 1 STAI of typical cold（warm）years

圖5給出了合成的典型冷（暖）年3個時段的500 hPa位勢高度異常場分布。

典型冷年前期（見圖5a）歐亞大陸呈現(xiàn)“北正南負”型分布，由西亞中低緯度到整個東亞地區(qū)為負異常分布，北極地區(qū)和亞洲高緯度地區(qū)正異常。西太平洋副熱帶地區(qū)有顯著的負異常中心，表明西太平洋副熱帶高壓減弱。同期（見圖5b）歐亞大陸“北正南負”的特征加強，由西亞至西太平洋的中、低緯度廣大地區(qū)為正異常分布。西伯利亞高壓明顯增強，中心值超過100 gpm。后期（見圖5c）東亞地區(qū)大氣環(huán)流形勢發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，東亞地區(qū)變?yōu)楸必撃险停魈窖蟾备吆蜑趵瓲柹礁邏杭訌姟?/p>

典型暖年500 hPa大氣環(huán)流基本與典型冷年呈反位相（見圖5d～f），前期和同期歐亞大陸呈‘北負南正’型，烏拉爾山有顯著的阻塞形勢，西太平洋副熱帶高壓加強。

850 hPa大氣環(huán)流形勢（圖略）整體上與500 hPa的情況相同，體現(xiàn)了對流層中、低層大氣環(huán)流特征的一致性，但是在同期合成場中，歐亞大陸高緯度區(qū)明顯占優(yōu)勢，進一步表明歐亞大陸的低層高緯度系統(tǒng)對STAI有明顯作用。

圖5 典型冷年（a、b、c）與暖年（d、e、f）500 hPa位勢高度異常場Fig.5 500 hPa hgt anomalies of typical cold year（a、b、c）and typical warm year（d、e、f）

2.3 2008年位勢高度異常場

圖6給出了2008年3個時段的500和850 hPa位勢高度異常場分布。

2008年前期（見圖6a）500 hPa位勢高度異常場同時具有典型冷、暖年的特征。其中，與典型冷年類似的特征為：歐亞大陸異常區(qū)呈“北正南負”型分布，但異常值遠比典型冷年大；與典型暖年類似的特征為：西太平洋副熱帶地區(qū)為正異常區(qū)，異常值也遠超過典型暖年。

同期（見圖6b）歐亞大陸中緯度“北正南負”型進一步加強，并且向東南移動；正異常中心值達到120 gpm以上，有利于烏拉爾阻塞形勢的形成，引導(dǎo)冷空氣直接侵入我國。大陸中緯度的強負異常區(qū)意味著大氣低層有強冷平流輸入。

后期（見圖6c）上述異常區(qū)已減弱甚至變號。

圖6 2008年500和850 hPa位勢高度異常場Fig.6 500 and 850 hPa hgt anomalies in 2008

前期和同期850 hPa位勢高度異常場（見圖6d～e）同樣呈“北正南負”型分布，但高緯度正異常區(qū)遠大于中緯度負異常區(qū)，表明低層高緯度系統(tǒng)對2008年STAI有明顯作用。另外應(yīng)注意到850 h Pa的“北正南負”型分布在前期要強于同期，但是同期的正異常區(qū)在東亞地區(qū)南伸，有利于引導(dǎo)冷空氣直接侵入我國南方。后期850 hPa位勢高度異常場（見圖6f）上述異常區(qū)已減弱甚至變號。

通過對比典型冷（暖）年位勢高度異常場，發(fā)現(xiàn)2008年的大氣環(huán)流形勢十分特殊，它的前期和同期具有典型冷年的特征——歐亞大陸的位勢高度異常呈“北正南負”分布，同時又具有典型暖年西太平洋副熱帶高壓異常加強的特征。結(jié)果引導(dǎo)了北方冷空氣與南方暖濕氣流交匯，并且長期維持。這種天氣形勢在冬季是十分罕見的［8］。

另外由圖6a～b還可以看出：在北大西洋地區(qū)，冰島上空有很強的負異常中心，北大西洋是正異常區(qū)，標志著北大西洋濤動（NAO）處于正位相［9－10］。已有研究指出1990年代以來NAO持續(xù)的正位相是造成我國西南地區(qū)氣溫下降的重要原因［11］。而歐亞大陸長波的形成也可能與上游的NAO活動有關(guān)。

3 異常低溫天氣過程的影響因子分析

3.1 溫度平流分析

圖7給出了2008年3個時段的850 hPa和地表溫度平流異常場分布。

850 hPa華南地區(qū)前期和同期（見圖7a、b）為溫度平流正異常區(qū)，表明由副高和西南地區(qū)倒槽所引導(dǎo)進入我國南方的暖氣流。我國西南地區(qū)有很強的溫度平流負異常，反映了由河西走廊伸入我國南方的冷高壓脊所帶來的冷空氣；后期（見圖7c）隨著西太平洋副熱帶高壓的減弱東退，北方冷空氣南下，我國南方大部分地區(qū)為溫度平流負異常區(qū)。

我國南方大部分地區(qū)地面在前期和同期（見圖7d、e）為溫度平流負異常區(qū)，它與850 hPa的溫度平流正異常配合，形成了有利于凍雨的大氣溫度層結(jié)。即低層暖平流可使雨滴保持液態(tài)，當它落到冷地面時形成凍雨。

后期（見圖7f）大部分區(qū)域已成為溫度平流正異常區(qū)。

圖7 2008年850 hPa（a、b、c）和地表（d、e、f）溫度平流異常場（等值線，單位：10－6℃／s）以及風(fēng)場異常（箭頭，單位：m／s）Fig.7 850 hPa（a、b、c.）and surface（d、e、f）temperature advection anomalies（contour，Unit：10－6℃／s）and wind anomalies（vector，Unit：m／s）in 2008

3.2 水汽輸送分析

圖8給出了合成的典型冷（暖）年前期和同期2個時段的850 hPa水汽輸送場和位勢高度場分布。

典型冷年（見圖8a、b）有倒槽由孟加拉灣伸入我國西南地區(qū)，進入我國南方的水汽主要由這個倒槽系統(tǒng)引導(dǎo)，水汽主要來自孟加拉灣，水汽輸入大值區(qū)主要集中在廣西、云南地區(qū)。典型暖年（見圖8c、d）西太副高西伸（前期1540 gpm線可進入我國東南沿海），副高西北側(cè)氣流引導(dǎo)南海的暖濕氣流進入我國南方地區(qū)。

圖8 我國南方地區(qū)典型冷年（a、b）和暖年（c、d）850 hPa水汽輸送場（陰影，單位：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）、水汽通量矢量（箭頭，單位：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）以及位勢高度場（等值線，單位：gpm）Fig.8 850 hPa vapor transportation（shaded and vector，Unit：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）and hgt（contour，Unit：gpm）of typical cold year（a、b）and typical warm year（c、d）in South China

圖9給出了2008年3個時段的850 h Pa水氣輸送場和位勢高度場分布。

前期（見圖9a）西太平洋副高明顯西伸（1 540 gpm線到達我國大陸），引導(dǎo)的氣流為我國南方地區(qū)提供了來自南海的水汽。同時，有1個很強的倒槽由孟加拉灣地區(qū)伸入我國西南地區(qū)。正是2008年初特殊的大氣環(huán)流形勢，使得我國南方地區(qū)同時獲得了來自于南海和孟加拉灣的水汽，具備了大范圍降水的水汽條件，成為當年發(fā)生凍雨災(zāi)害的最重要原因之一。另外，在圖9a中還可以看出，由我國西北伸入南方的高壓脊開始形成。高壓脊所處的位置與850 hPa溫度平流異常場（見圖7a）的分布形態(tài)相一致。同期（見圖9b），西南地區(qū)倒槽繼續(xù)維持很強的強度，而西太平洋副高明顯減弱東退，我國南方地區(qū)得到的水汽輸送明顯減少。而北方伸入南方的高壓脊強度加強，并伸入到30°N以南。后期（見圖9c）西太副高壓和西南倒槽迅速減弱，我國南方地區(qū)失去了水汽來源，大型降水過程結(jié)束。同時，由中高緯度向南伸出的高壓脊減弱消失。

圖9 我國南方地區(qū)2008年850 hPa水汽輸送場（陰影，單位：10－3·g·s－1·h Pa－1·m－1）、水汽通量矢量（箭頭，單位：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）以及位勢高度場（等值線，單位：gpm）Fig.9 850 hPa vapor transportation（shaded and vector，Unit：10－3·g·s－1·hPa－1·m－1）and hgt（contour，Unit：gpm）of South China in 2008

4 結(jié)論

本文對2008年1月23日～2月11日發(fā)生于中國南方的低溫雨雪冰凍災(zāi)害進行了氣候分析。通過對比2008年和典型冷（暖）年相同時段的大氣環(huán)流特征，主要結(jié)論如下：

（1）南方地區(qū)地表氣溫異常指數(shù)（STAI）與歐亞大陸的中、高緯度系統(tǒng)和太平洋副熱帶高壓都有很好的相關(guān)性，并且中緯度系統(tǒng)在中層占優(yōu)，高緯度系統(tǒng)在低層占優(yōu)。

（2）典型冷年歐亞大陸500和850 hPa位勢高度異常場呈“北正南負”型分布，高緯度地區(qū)為正異常，中緯度地區(qū)為負異常。西太平洋副熱帶高壓減弱。2008年既具有典型冷年的特征：歐亞大陸地區(qū)位勢高度異常場為“北正南負”型分布，也具有典型暖年的特征：西太平洋副高顯著增強。

（3）2008年我國南方在850 hPa有異常暖平流，地面為異常冷平流，形成了有利于凍雨的大氣溫度層結(jié)。

（4）我國南方在典型冷年水汽主要來源于孟加拉灣，典型暖年水汽主要來源于南海，2008年水汽同時來源于孟加拉灣和南海。

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Study on Climate Character of Early 2008’s Low Temperature and Freezing Rain Disaster in Southern China

WANG Qi，WU Fang
（The Key Laboratory of Physical Oceanography，Ministry of Education，The Key Laboratory of Ocean－Atmospheric Interaction and Climate，Universities in Shandong Province，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

According to the time and region of the low temperature and freezing rain disaster happened in Southern China in early 2008，the surface temperature anomaly index（STAI）was defined.It was found that there were close correlations between STAI and hgt anomalies in Eurasia，as well as in the Western Pacific.In the middle layer the dominant correlation area happened at mid－latitude，while in the lower layer happened at high－latitude.In typical cold（warm）year：（1）the distribution of the hgt anomalies in Eurasia has a type of northern positive and southern negative'（‘southern positive and northern negative’）；（2）the WPSH is weak（strong）；（3）the vapor mainly comes from the Bay of Bengal（South China Sea）.In early 2008，the background general circulation of STAI has both character of typical cold year：hgt anomalies in Eurasia is northern positive and southern negative＇，and character of typical warm year：the WPSH is significantly enhanced，and the vapor comes from both the Bay of Bengal and South China Sea.

Southern China；low temperature and freezing rain disaster；hgt anomalies；vapor

P468.0＋24

A

1672－5174（2012）03－001－09

國家基礎(chǔ)科學(xué)研究項目（2012CB417402）；國家自然科學(xué)基金項目（40876004）資助

2011－05－06；

2011－07－03

王 啟（1953－），男，教授，博導(dǎo)。E－mail：wangqi＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻