張玲，智協(xié)飛

(氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044)

南海北部冷涌及其環(huán)流特征

張玲，智協(xié)飛

(氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044)

利用中國南部沿海風(fēng)向、地面氣溫及南海北部風(fēng)速的變化確定南海北部冷涌的判別標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了一個(gè)冷涌發(fā)生頻率指數(shù)，對南海北部冷涌的年際變化特征及其環(huán)流異常進(jìn)行討論。結(jié)果表明，南海北部冷涌頻率指數(shù)能夠更加全面地描述冷涌系統(tǒng)的特征，與全國范圍的冷空氣爆發(fā)關(guān)系密切。南海北部冷涌與中高緯、中低緯環(huán)流具有密切的聯(lián)系，是二者共同作用的結(jié)果。當(dāng)貝加爾湖以西高壓脊偏強(qiáng)，中高緯環(huán)流經(jīng)向度加大，西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏弱、位置偏東時(shí)，有利于大陸上冷空氣南下入海，在南海北部形成冷涌。冷涌發(fā)生時(shí)，經(jīng)向Hadley環(huán)流加強(qiáng)，調(diào)整中緯與低緯地區(qū)的大氣質(zhì)量，高層向北輸送的大氣在科氏力作用下導(dǎo)致東亞副熱帶西風(fēng)急流加強(qiáng)，有利于冷涌的維持和加強(qiáng)。

南海北部;冷涌;年際變化;環(huán)流特征

0 引言

冷涌是東亞冬季風(fēng)的重要特征，給東亞地區(qū)帶來低溫冷害等災(zāi)害性天氣(Chen，2002)。通常把冷空氣突然向南爆發(fā)，南海一帶的東北風(fēng)迅速加強(qiáng)的現(xiàn)象稱為“冷涌”(盧文通和丁一匯，1987)。在水平尺度上，南海冷涌以華南沿海和越南北部沿海最強(qiáng)，南海東南部最弱。冷涌影響的平均南界約為從呂宋島中部至越南南端的連線;在垂直尺度上，冷涌強(qiáng)度隨高度遞減，主要是700 hPa以下的現(xiàn)象，在華南沿海其厚度一般為3 000 m，在南海中部為1 500 m，而在南部更低，因此，冷涌僅在低空和海面上出現(xiàn)，屬于淺薄系統(tǒng)(丁一匯，1990;陳奇禮，1993;王啟和丁一匯，1997)。冷涌的南下傳播具有重力波的特征(周學(xué)群，1989;朱乾根和楊松，1990;陸維松和朱乾根，1991;張韌和張為付，1994)。

冷涌指數(shù)作為判斷冷涌的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其一般包括某一地區(qū)或區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)氣象要素的時(shí)間變化，如氣壓升高、地表風(fēng)強(qiáng)度增加及氣溫的下降。由于討論時(shí)所關(guān)注的區(qū)域不同，指數(shù)的定義也不盡相同。Lau and Chang(1987)將冷涌定義為:1)24～48 h之內(nèi)，香港地面氣溫下降不少于5℃;2)中國中部與沿海的地面氣壓差不小于5 mb;3)南海北部經(jīng)向風(fēng)不小于5 m/s。利用這一標(biāo)準(zhǔn)定義的冷涌能夠到達(dá)東亞熱帶地區(qū)，可以用來討論低緯與中低緯地區(qū)的相互作用。此標(biāo)準(zhǔn)通過三個(gè)氣象要素的變化對冷涌進(jìn)行了定義，對冷涌的描述相對完整，但也有學(xué)者認(rèn)為北風(fēng)可作為判別冷涌的基本條件。丁一匯(1990)在判別東亞、南亞及西太平洋地區(qū)的冷涌時(shí)將大于5 m/s的北風(fēng)定義為冷涌。王啟和丁一匯(1997)在討論東亞冷涌特征時(shí)將24 h內(nèi)出現(xiàn)偏北風(fēng)大于等于8 m/s視為一次冷涌。Chang and Lau(2005)將冷涌的標(biāo)準(zhǔn)定義為沿 110～117.5°E、15°N區(qū)域范圍內(nèi)925 hPa經(jīng)向風(fēng)平均值大于 8 m/s，即為一次冷涌。在定義冷涌時(shí)，不同學(xué)者所選用的氣象要素不同，即使是選用相同的氣象要素，在強(qiáng)度上也存在差異。Chang(2004)在綜合眾多學(xué)者的觀點(diǎn)后，提出冷涌的定義應(yīng)該主要關(guān)注氣溫的下降、北風(fēng)的增強(qiáng)以及風(fēng)向的變化。

冷涌與西伯利亞高壓活動關(guān)系密切(Lu and Chang，2009)。西伯利亞高壓在東海和南海可產(chǎn)生很強(qiáng)的水平氣壓梯度，這可能是冷涌發(fā)展的一個(gè)重要因子(丁一匯，1990)。冷涌活躍期，極鋒急流向東傳播隨后與東亞副熱帶急流合并，副熱帶急流從而得到加強(qiáng)。隨著冷涌的發(fā)展，由于赤道地區(qū)的回流作用副熱帶急流進(jìn)一步加強(qiáng)(Ding and Meng，1992)。這一觀點(diǎn)與Chang and Webster(1983)的基本一致，其指出東北季風(fēng)涌非?；钴S時(shí)期，Hadley環(huán)流、海洋性大陸地區(qū)(指印尼至馬來西亞一帶)上空的輻散氣流、赤道沃克環(huán)流都穩(wěn)定地加強(qiáng)，赤道對流區(qū)上空的向北氣流輸送凈科氏力，在冷涌爆發(fā)后的較短時(shí)間內(nèi)可使東亞急流入口區(qū)的風(fēng)速得到明顯加強(qiáng)。楊松和朱乾根(1989)在討論冷涌期間中低緯環(huán)流相互作用時(shí)指出，冷涌南下能引起低緯地區(qū)的對流加強(qiáng)和中緯度對流層高層的西風(fēng)急流增強(qiáng)，且冷涌越強(qiáng)效果越明顯。冷涌加強(qiáng)了中低緯環(huán)流之間的相互作用，其作用過程是冷涌激發(fā)赤道地區(qū)的擾動以增強(qiáng)上升運(yùn)動和冷空氣的下沉運(yùn)動相結(jié)合，通過Hadley環(huán)流加強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)。在能量場上表現(xiàn)為冷涌期間中低緯地區(qū)能量增大，通過能量的輻合輻散把中低緯環(huán)流聯(lián)系起來。朱復(fù)成(1986)指出冷涌南下侵入低緯后，?？梢鸺永锫の鞅焙Ｃ嫔戏e云對流的發(fā)展和擾動的加強(qiáng)。由于強(qiáng)對流降水，水汽大量凝結(jié)釋放潛熱，使得這里成為北半球冬季的熱源中心。近年來的研究指出，冷涌的變化與ENSO、AO(Arctic Oscillation)、NAO(North Atlantic Oscillation)聯(lián)系緊密(Chen et al.，2004;Gong and Ho，2004;Jeong and Ho，2005)。

冷涌和中高緯、中低緯環(huán)流系統(tǒng)都有密切的關(guān)系，對中國天氣氣候也有顯著的影響。近些年來，國內(nèi)有關(guān)冷涌的研究相對較少，對其年際變化及頻率指數(shù)的討論也不多。系統(tǒng)深入地統(tǒng)計(jì)、分析冷涌的環(huán)流特征，對于進(jìn)一步了解冷涌對中國天氣氣候的影響具有重要的理論意義。下面首先從冷涌的定義出發(fā)，對冷涌的基本特征進(jìn)行分析、討論。

1 資料與方法

利用站點(diǎn)資料和NCEP/NCAR再分析資料對1974—2008年冬半年南海北部北風(fēng)冷涌事件進(jìn)行定義。文中分析所指的冬半年為前一年11月至當(dāng)年3月，如1974/1975年冬半年(文中簡寫為1975年冬半年)指1974年11月至1975年3月。文中汕頭、惠來、臺山、深圳、汕尾五個(gè)站點(diǎn)資料來自國家氣象信息中心。地面要素場、標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的溫度場、風(fēng)場、位勢高度場等格點(diǎn)資料均來自NCEP/NCAR再分析資料。利用相關(guān)、合成分析等診斷方法，對南海北部冷涌事件發(fā)生時(shí)的環(huán)流特征進(jìn)行分析、討論。

2.1 北風(fēng)的分布特征

北風(fēng)異常加大是北風(fēng)冷涌事件的重要特征之一，首先對低緯北風(fēng)的分布特征進(jìn)行分析。圖1給出的是1974—2008年冬半年925 hPa等壓面上平均每年日平均風(fēng)速大于等于8 m/s的北風(fēng)日數(shù)。從圖中可以看出，冬半年異常北風(fēng)出現(xiàn)的高頻區(qū)主要位于東南沿海和南海，其中南海異常北風(fēng)的出現(xiàn)頻率要略高于東南沿海地區(qū)。除異常北風(fēng)外，氣溫與北風(fēng)冷涌事件亦存在密切聯(lián)系。因此，本文利用1974—2008年冬半年925 hPa等壓面上逐年日平均風(fēng)速大于等于8 m/s的北風(fēng)日數(shù)序列與地面溫度場進(jìn)行相關(guān)分析，以討論區(qū)域北風(fēng)異常與溫度場的相關(guān)關(guān)系(圖2)。由于南海區(qū)域較廣，分為南北兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。圖2a給出的是東南沿海(122.5～130.0°E，27.5 ～32.5°N)異常北風(fēng)日數(shù)與地面氣溫

圖1 1974—2008年925 hPa冬半年日平均風(fēng)速大于等于8 m/s的北風(fēng)出現(xiàn)的平均日數(shù)分布(單位:d)Fig.1 The distribution of the mean number of days with northerly wind at daily mean velocity of no less than 8 m/s at 925 hPa in winter during the period from 1974 to 2008(units:d)

2 南海北部冷涌的定義

圖2 1974—2008年東南沿海(a)、南海北部(b)、南海南部(c)異常北風(fēng)日數(shù)序列與地面氣溫場的相關(guān)分布(陰影區(qū)域通過90%置信水平的顯著性檢驗(yàn))Fig.2 The correlation distribution between the abnormal northerly days and the surface temperature during the period from 1974 to 2008 over the(a)southeast coast，(b)northern South China Sea and(c)southern South China Sea(shaded areas indicate the significance at the 90%confidence level)

的相關(guān)分析?？梢钥吹?，東南沿海的北風(fēng)異常與中國大陸地面氣溫的顯著相關(guān)區(qū)不大，且相關(guān)性不高。而南海北部(110.0 ～117.5°E，12.5 ～17.5°N)(圖2b)及南海南部(107.5 ～115.0°E，2.5 ～7.5°N)(圖2c)的北風(fēng)異常與中國大陸的地面氣溫顯著相關(guān)，且南海北部的北風(fēng)異常與地面氣溫的顯著相關(guān)區(qū)域向北延伸至中國西北地區(qū)和內(nèi)蒙古，說明北方冷空氣主要從南海區(qū)域侵入低緯。對比東南沿海和南海異常北風(fēng)出現(xiàn)的日數(shù)與地面氣溫的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)南海北部的異常北風(fēng)與中國大陸由北向南的地面氣溫相關(guān)性十分顯著?；诶溆渴录l(fā)生時(shí)的兩個(gè)基本特征，本文主要討論與中國大陸冬半年氣溫變化關(guān)系密切的南海北部北風(fēng)冷涌(以下簡稱冷涌)事件。

冷涌是淺薄系統(tǒng)。圖3給出的是(110.0～17.5°E，15°N)區(qū)域范圍內(nèi)平均經(jīng)向風(fēng)場的垂直剖面?？梢钥吹?，對流層低層盛行北風(fēng)，且隨著高度的增加北風(fēng)逐漸減小，經(jīng)向風(fēng)場在700 hPa開始轉(zhuǎn)為南風(fēng)。基于南海北部經(jīng)向風(fēng)場的垂直分布特征，為能充分反映冷涌事件發(fā)生時(shí)環(huán)流場的特征，本文選用標(biāo)準(zhǔn)等壓面925 hPa的環(huán)流場資料對冷涌事件進(jìn)行分析。

圖3 南海北部(110.0～117.5°E，15°N)平均經(jīng)向風(fēng)場垂直剖面(單位:m/s)Fig.3 The vertical section of the mean meridional wind fields(m/s)over the northern South China Sea(15°N，110.0—117.5°E)

2.2 定義

根據(jù)Chang(2004)提出的標(biāo)準(zhǔn)，綜合溫度場和風(fēng)場的變化特征，提出對中國東部氣候有顯著影響的南海北部冷涌的判別標(biāo)準(zhǔn):1)北風(fēng)到達(dá)汕頭、惠來、臺山、深圳、汕尾五個(gè)站點(diǎn)時(shí)為起始時(shí)刻，隨后2 d這五個(gè)站的區(qū)域日平均氣溫下降不小于2℃;2)隨后 24 h沿 110.0 ～117.5°E、15°N 范圍內(nèi) 925 hPa經(jīng)向風(fēng)的平均值大于等于8 m/s。根據(jù)以上兩點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)判別1974—2008年冬半年的逐年冷涌發(fā)生頻率指數(shù)。

2.3 冷涌頻率指數(shù)對比

根據(jù)本文冷涌的判別標(biāo)準(zhǔn)，對冬半年南海北部冷涌的頻率指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文定義的冷涌頻率指數(shù)與Chang and Lau(2005)定義的冷涌頻率指數(shù)，分別記為Is和Ic。如圖4所示，冬半年南海北部冷涌具有顯著的年際變化特征，Is所表示的冷涌頻率指數(shù)在20世紀(jì)90年代之前，其年際變化特征較90年代之后的更明顯。1974—2008年間平均每年出現(xiàn)5.2次冷涌。1975、1991年冷涌活動最少，僅出現(xiàn)2次，而在1977年冷涌活動最為頻繁，出現(xiàn)9次。而Ic所表示的冷涌的頻率指數(shù)要高于Is。1974—2008年間平均每年出現(xiàn)9.2次冷涌，1995年冷涌活動最少，出現(xiàn)4次，1989年冷涌活動最頻繁，出現(xiàn)16次。雖然Is和Ic在所表示的冷涌頻率指數(shù)上存在一定的差異，但二者的年際變化趨勢較為一致，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.49，通過99%置信水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1974—2008年冬半年南海北部冷涌頻率指數(shù)Is(實(shí)線)和Ic(虛線)的年際變化特征 (單位:次/a)Fig.4 The interannual variation features of the cold surge frequency reflected by Is(solid line)and Ic(dashed line)over the northern South China Sea in winter from 1974 to 2008(units:a-1)

由圖4可見，南海北部冷涌具有顯著的年際變化特征，進(jìn)一步利用Morlet小波變換(Torrence and Compo，1998;Zhi，2001)對冷涌頻率指數(shù)作小波功率譜分析。圖5給出了南海北部冷涌頻率指數(shù)的小波功率譜。從圖中可見，Is(圖5a)所表示的冷涌頻率指數(shù)存在2～4 a的周期振蕩，其中在80年代前期及90年代前期表現(xiàn)最為顯著，Ic(圖5b)所表示的冷涌頻率指數(shù)亦存在2～4 a的周期振蕩，且在80年代及90年代前期表現(xiàn)最為顯著。Is和Ic所表示的冷涌頻率指數(shù)的年際變化周期基本一致，只是存在顯著振蕩周期的年份略有差異。

圖5 1974—2008年冬半年南海北部冷涌頻率指數(shù)Morlet小波變換功率譜(實(shí)線區(qū)通過90%置信水平的顯著性檢驗(yàn);網(wǎng)格陰影區(qū)是小波變換受邊界影響的區(qū)域) a.Is;b.IcFig.5 Power spectrum analysis of the cold surge frequency reflected by(a)Isand(b)Icover the northern South China Sea in winter from 1974 to 2008(solid line areas indicate significance at 90%confidence level;grid areas represent the cone of influence)

冷涌的一個(gè)重要特征是冷空氣突然向南爆發(fā)，因此所定義的冷涌頻率指數(shù)應(yīng)當(dāng)與溫度場有密切的關(guān)系。本文將分析Is和Ic與地面氣溫的相關(guān)關(guān)系，討論Is和Ic所表示的冷涌特征。圖6分別給出了Is和Ic與地面氣溫的相關(guān)分布及兩種定義下冷涌發(fā)生時(shí)的地面氣溫場異常分布，從圖中可以看到，本文定義的冷涌頻率指數(shù)Is與中國西北、華北、華東、華南及南海北部地區(qū)的溫度場呈顯著的相關(guān)關(guān)系，Ic與溫度場的顯著相關(guān)區(qū)域要較Is與溫度場的顯著相關(guān)區(qū)域更大，除中國大陸外還包括低緯的海洋大陸。根據(jù)本文所定義的冷涌指標(biāo)，當(dāng)冷涌發(fā)生時(shí)，降溫幅度最大的區(qū)域位于蒙古及中國北方，平均降溫幅度為-4℃，降溫幅度向南逐步減小，中國大陸出現(xiàn)不同程度的降溫(圖6a)。根據(jù)Chang and Lau(2005)的冷涌定義標(biāo)準(zhǔn)，其反映的溫度負(fù)異常的位置基本與本文所定義的冷涌一致，但最大溫度負(fù)距平位于中低緯的大陸和海洋上(圖6b)。對比兩種指標(biāo)中冷涌表現(xiàn)的溫度異常(圖6c)，用Is定義的冷涌發(fā)生時(shí)的地面氣溫減去用Ic定義的冷涌發(fā)生時(shí)的地面氣溫，可以看到在蒙古和中國北方、華中地區(qū)溫度差值為負(fù)，在華南及沿海地區(qū)溫度差值為正。這說明用Is標(biāo)準(zhǔn)定義的冷涌與北方冷空氣活動的關(guān)系更加密切。

圖7給出的是Is和Ic與經(jīng)向風(fēng)場和緯向風(fēng)場的相關(guān)分布。由圖可見，Is與貝加爾湖、中國大陸東南沿海及南海地區(qū)的經(jīng)向風(fēng)場存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。而Ic與經(jīng)向風(fēng)場的顯著相關(guān)區(qū)域位于大陸的東南沿海及南海地區(qū)，與東亞中高緯的經(jīng)向風(fēng)場關(guān)系并不密切。對比圖7c、7d可以發(fā)現(xiàn)，在低緯地區(qū)Ic與緯向風(fēng)場的相關(guān)性要高于Is，兩者均與南海至西太平洋的緯向風(fēng)場存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在中高緯地區(qū)，Ic與緯向風(fēng)場的相關(guān)關(guān)系不如Is與緯向風(fēng)場的相關(guān)關(guān)系顯著。Is與烏拉爾山上空的緯向風(fēng)場存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在其北部有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而Ic同緯向風(fēng)場則沒有這種顯著的相關(guān)關(guān)系。

通過對比用Is和Ic表示的冷涌事件發(fā)生時(shí)溫度場特征及其與對流層低層風(fēng)場的相關(guān)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)Is指數(shù)能同時(shí)反映冷涌事件與中高緯和中低緯環(huán)流的關(guān)系，對冷涌的描述更加全面。

冷涌與西伯利亞高壓有緊密的聯(lián)系。圖8給出了南海北部冷涌頻率指數(shù)與1 000 hPa位勢高度場的相關(guān)分布。由圖可見，Is指數(shù)與西伯利亞高壓和阿留申低壓具有顯著的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)龔道溢和王紹武(2003)、侯亞紅等(2008)、孫曉娟等(2011)的定義標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了西伯利亞高壓((70～120°E，40～60°N)區(qū)域平均的海平面氣壓值)與阿留申低壓東部((147.5～180°E，27.5 ～72.5°N)區(qū)域平均的海平面氣壓值)的強(qiáng)度指數(shù)，將兩者與冷涌頻率指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)與冷涌頻率指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.46，通過99%置信水平的顯著性檢驗(yàn)，阿留申低壓東部強(qiáng)度指數(shù)與冷涌頻率指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.31，通過90%置信水平的顯著性檢驗(yàn)。結(jié)合環(huán)流指數(shù)、1 000 hPa位勢高度場與冷涌頻率指數(shù)的相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，冷涌發(fā)生時(shí)西伯利亞高壓顯著偏強(qiáng)，中國大陸的冷高壓亦異常偏強(qiáng)，與此同時(shí)阿留申低壓亦偏強(qiáng)，位置偏東，中高緯環(huán)流經(jīng)向度加大，有利于冷空氣向南爆發(fā)。冷空氣會影響西北、華北、華東和華南等地區(qū)，這一特征與圖6a表現(xiàn)一致，冷涌頻率指數(shù)與西北、華北、華東和華南地區(qū)的地面氣溫呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，中國大陸大部出現(xiàn)溫度負(fù)異常。

圖6 冷涌發(fā)生時(shí)的地面氣溫場合成距平分布(單位:℃;氣候態(tài):1974—2008年冬半年平均;陰影區(qū)表示冷涌頻率指數(shù)與地面氣溫相關(guān)分布通過90%置信水平的顯著性檢驗(yàn)) a.Is;b.Ic;c.Is-IcFig.6 The composite surface temperature anomalies when the cold surge occurs(units:℃;climate mean:winter(November—March)mean during 1974—2008;shaded areas indicate significance at the 90%confidence level) a.Is;b.Ic;c.Is-Ic.

綜上所述，兩種指數(shù)所定義的冷涌均能反映冷涌的主要特征。Ic表征的冷涌，有部分是來自中高緯的冷空氣入海所致，還包括中低緯環(huán)流系統(tǒng)異常引起的北風(fēng)異常。而本文定義的冷涌指數(shù)Is主要反映的是由西伯利亞經(jīng)蒙古進(jìn)入中國，影響全國大部的冷空氣。因此，Is與中國大部分地區(qū)的氣候關(guān)系更密切，對冷涌環(huán)流系統(tǒng)的描述更加全面，更能反應(yīng)冷涌對中國天氣氣候的影響，且與影響全國的冷空氣爆發(fā)關(guān)系密切。

3 南海北部冷涌的環(huán)流特征

氣象要素的變化與環(huán)流場變化密切相關(guān)。因此，要了解冷涌如何影響天氣氣候系統(tǒng)，有必要研究冷涌發(fā)生時(shí)大氣環(huán)流的變化特征。圖9給出了南海北部冷涌發(fā)生時(shí)1 000、500 hPa位勢高度場的異常情況。當(dāng)冷涌發(fā)生時(shí)，對流層低層西伯利亞高壓偏強(qiáng)，中層貝加爾湖以西地區(qū)出現(xiàn)正的位勢高度異常，表明此處高壓脊偏強(qiáng)，而中低緯地區(qū)位勢高度場整體出現(xiàn)負(fù)的異常分布。為了進(jìn)一步分析冷涌發(fā)生時(shí)對流層中層環(huán)流系統(tǒng)的異常特征，對500 hPa風(fēng)場與南海北部冷涌頻率指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析(圖10a)。由圖可見，在對流層中層南海北部冷涌頻率指數(shù)與貝加爾湖以西地區(qū)、菲律賓及西太平洋上空的環(huán)流系統(tǒng)具有顯著的相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圖9b的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)南海北部冷涌發(fā)生時(shí)，對流層中層貝加爾湖以西高壓脊異常活躍，強(qiáng)度偏強(qiáng)，而中心位于菲律賓及西太平洋上空的西太平洋副熱帶高壓則強(qiáng)度偏弱。這樣的環(huán)流系統(tǒng)分布有利于北方的冷空氣向南輸送。圖10b給出了南海北部冷涌頻率指數(shù)與300 hPa緯向風(fēng)場的相關(guān)分布及冷涌發(fā)生時(shí)300 hPa緯向風(fēng)場的異常分布。在對流層上層，南海北部冷涌頻率指數(shù)與東亞副熱帶地區(qū)緯向風(fēng)場呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與東亞熱帶地區(qū)緯向風(fēng)場呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在冷涌頻發(fā)的年份，東亞副熱帶地區(qū)出現(xiàn)西風(fēng)異常，而東亞熱帶地區(qū)出現(xiàn)東風(fēng)異常。這一緯向風(fēng)場的異常分布特征在冷涌發(fā)生時(shí)表現(xiàn)更加顯著。當(dāng)南海北部冷涌發(fā)生時(shí)(圖略)，東亞副熱帶地區(qū)出現(xiàn)西風(fēng)異常，異常值達(dá)到4～6 m/s，東亞副熱帶西風(fēng)急流偏強(qiáng)，而東亞熱帶地區(qū)出現(xiàn)東風(fēng)異常，異常中心值大小與副熱帶地區(qū)異常值相當(dāng)。

圖7 Is(a，c)和Ic(b，d)與925 hPa經(jīng)向風(fēng)場(a，b)、緯向風(fēng)場(c，d)的相關(guān)分布(陰影區(qū)域通過90%置信水平的顯著性檢驗(yàn))Fig.7 The correlation distribution at 925 hPa(shaded areas denote significance at 90%confidence level) a.Isand meridional wind;b.Icand meridional wind;c.Isand zonal wind;d.Icand zonal wind

圖8 南海北部冷涌頻率指數(shù)Is與1 000 hPa位勢高度場的相關(guān)分布(陰影區(qū)域通過90%置信水平的顯著性檢驗(yàn))Fig.8 The correlation distribution between the Isand the geopotential height fields at 1 000 hPa over the northern South China Sea(shaded areas denote significance at the 90%confidence level)

從前面的分析中發(fā)現(xiàn)，冷涌與西伯利亞高壓具有緊密的聯(lián)系，隨著冷高壓的南下，東亞地區(qū)大范圍的氣壓場發(fā)生了改變，即大氣質(zhì)量場發(fā)生了變化，隨后風(fēng)場向質(zhì)量場調(diào)整，從而導(dǎo)致冷涌的發(fā)生。因此大氣質(zhì)量場的變化特征與冷涌的發(fā)生具有密切的聯(lián)系，冷涌可以看作是熱帶大氣風(fēng)場(冷涌形式)對中緯度強(qiáng)迫的一種響應(yīng)(丁一匯和蒙曉，1994)。經(jīng)圈環(huán)流作為中、低緯度大氣質(zhì)量交換的表現(xiàn)形式，其在冷涌發(fā)生時(shí)必然也有顯著的變化。為了更加直觀地對經(jīng)圈環(huán)流特征進(jìn)行描述，本文根據(jù)王盤興(1994)提出的質(zhì)量流函數(shù)的算法，計(jì)算了110～130°E平均經(jīng)圈環(huán)流質(zhì)量流函數(shù)，以討論南海北部冷涌發(fā)生時(shí)經(jīng)向環(huán)流的變化。如圖11所示，當(dāng)南海北部冷涌發(fā)生時(shí)，南海北部至中緯度地區(qū)的經(jīng)向環(huán)流偏強(qiáng)。經(jīng)向環(huán)流的變化特征與熱帶地區(qū)對流及東亞副熱帶急流的變化一致。冷涌發(fā)生時(shí)，大陸上的干冷空氣入海，在低緯度暖濕洋面上激發(fā)對流。如圖12所示，冷涌頻率指數(shù)與低緯OLR(outgoing longwave radiation)場呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)冷涌發(fā)生時(shí)，熱帶地區(qū)對流異常偏強(qiáng)。對流偏強(qiáng)使得低緯地區(qū)上升運(yùn)動加強(qiáng)，高層向北輸送的大氣質(zhì)量增加。在科氏力的作用下，東亞副熱帶西風(fēng)急流加強(qiáng)。同時(shí)，經(jīng)向環(huán)流的加強(qiáng)使得低層北風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，冷涌得以維持和加強(qiáng)。

圖9 南海北部冷涌發(fā)生時(shí)1 000 hPa(a)、500 hPa(b)位勢高度場距平(單位:gpm)Fig.9 The geopotential height anomalies(units:gpm)at(a)1 000 hPa and(b)500 hPa when the cold surge occurred over northern South China Sea

圖10 500 hPa u、v合成風(fēng)速(a)、300 hPa緯向風(fēng)場(b)與南海北部冷涌頻率指數(shù)Is的相關(guān)分布(陰影區(qū)域通過90%置信水平的顯著性檢驗(yàn))Fig.10 The correlation distribution between Isand wind fields at 500 hPa and zonal wind fields at 300 hPa(shaded areas denote significance at the 90%confidence level) a.Isand combining wind velocity of u，v at 500 hPa;b.Is and zonal wind fields at 300 hPa

以上分析表明，南海北部的冷涌是東亞中高緯與中低緯環(huán)流共同作用的結(jié)果。在中高緯地區(qū)，對流層中層環(huán)流經(jīng)向度加大，有利于低層冷高壓南下，冷空氣由北向南推進(jìn);中低緯地區(qū)，對流層中低層西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏弱，位置偏東，有利于冷空氣繼續(xù)向南推進(jìn)入海。冷空氣入海后激發(fā)對流，對流偏強(qiáng)使得低緯地區(qū)上升運(yùn)動增強(qiáng)，北半球Hadley環(huán)流加強(qiáng)，對流層中高層向北輸送的大氣質(zhì)量增加，且在科氏力的作用下，東亞副熱帶西風(fēng)急流加強(qiáng)。同時(shí)，經(jīng)向環(huán)流的加強(qiáng)使得對流層低層北風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，從而使冷涌得以維持和加強(qiáng)。

圖11 南海北部冷涌發(fā)生時(shí)110～130°E平均經(jīng)圈環(huán)流質(zhì)量流函數(shù)距平場(單位:106t/s)Fig.11 The 110—130°E mean meridional circulation mass stream function anomalies when the cold surge occurred over the northern South China Sea(units:106t/s)

4 結(jié)論

本文從南海北部冷涌指數(shù)的定義出發(fā)，討論了南海北部冷涌的頻率變化及相應(yīng)的環(huán)流特征，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)南海北部的異常北風(fēng)頻率指數(shù)與中國大陸地面氣溫存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2)綜合運(yùn)用中國南部沿海風(fēng)向、地面氣溫及南海北部風(fēng)速的變化確定南海北部冷涌的判別標(biāo)準(zhǔn):首先，北風(fēng)到達(dá)汕頭、惠來、臺山、深圳、汕尾五個(gè)站點(diǎn)時(shí)為起始時(shí)刻，隨后兩天這五個(gè)站的區(qū)域日平均氣溫下降不小于2℃;其次，隨后24 h沿110.0～117.5°E、15°N 范圍內(nèi) 925 hPa經(jīng)向風(fēng)的平均值大于等于8 m/s。此冷涌標(biāo)準(zhǔn)能夠準(zhǔn)確地描述冷涌的特征，且對冷涌系統(tǒng)的描述更加全面。以此標(biāo)準(zhǔn)定義的冷涌活動與影響全國的冷空氣爆發(fā)關(guān)系密切。

3)1974—2008年間平均每年出現(xiàn)5.2次冷涌事件。南海北部冷涌發(fā)生的頻率存在顯著的年際變化，存在2～4 a的顯著振蕩周期。1975、1991年冷涌活動最少，僅出現(xiàn)2次，1977年冷涌活動最頻繁，出現(xiàn)9次。

4)南海北部冷涌與中高緯、中低緯環(huán)流具有密切的聯(lián)系，是二者共同作用的結(jié)果。當(dāng)貝加爾湖以西高壓脊偏強(qiáng)，中高緯環(huán)流經(jīng)向度加大，西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏弱、位置偏東時(shí)，有利于大陸上冷空氣南下入海，在南海北部形成冷涌。冷涌發(fā)生時(shí)，經(jīng)向Hadley環(huán)流加強(qiáng)，調(diào)整中緯與低緯地區(qū)的大氣質(zhì)量，高層向北輸送的大氣在科氏力作用下導(dǎo)致東亞副熱帶西風(fēng)急流加強(qiáng)，同時(shí)，經(jīng)向環(huán)流的加強(qiáng)使得對流層低層北風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，從而使冷涌得以維持和加強(qiáng)。

圖12 南海北部冷涌頻率指數(shù)Is與OLR場相關(guān)分布(陰影區(qū);陰影區(qū)域通過90%置信水平的顯著性檢驗(yàn))及冷涌發(fā)生時(shí)OLR場距平分布(單位:W/m2;等值線)Fig.12 The correlation distribution between Isand OLR fields(shaded areas;shaded areas denote significance at the 90%confidence level)，and the OLR anomalies distribution when the cold surge occurred(units:W/m2;contour line)

陳奇禮.1993.對南海季風(fēng)進(jìn)退及強(qiáng)度的氣候分析［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，9(2):124-132.

丁一匯.1990.東亞冬半年風(fēng)的統(tǒng)計(jì)研究［J］.熱帶氣象，6(2):119-128.

丁一匯，蒙曉.1994.一次東亞寒潮爆發(fā)后冷涌發(fā)展的研究［J］.氣象學(xué)報(bào)，52(4):442-450.

龔道溢，王紹武.2003.近百年北極濤動對中國冬季氣候的影響［J］.地理學(xué)報(bào)，58(4):45-51.

侯亞紅，楊修群，李剛，等.2008.西伯利亞高壓特征指數(shù)及其變率分析［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，31(3):326-330.

陸維松，朱乾根.1991.青藏高原大地形對冷涌作用的理論研究［J］.氣象學(xué)報(bào)，49(4):385-393.

盧文通，丁一匯.1987.近年來國外關(guān)于東亞冬季風(fēng)期間冷涌對熱帶環(huán)流影響的研究［J］.熱帶氣象，3(2):177-187.

孫曉娟，王盤興，智海，等.2011.阿留申低壓四種環(huán)流指數(shù)的分析和比較［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，34(1):74-84.

王盤興.1994.垂直低分辨率GCM模式大氣平均經(jīng)圈環(huán)流的診斷［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，17(2):200-204.

王啟，丁一匯.1997.東亞冬季風(fēng)的演變特征［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，8(2):186-196.

楊松，朱乾根.1989.冷涌結(jié)構(gòu)及冷涌中低緯環(huán)流相互作用的數(shù)值試驗(yàn)［J］.熱帶氣象，5(3):227-234.

張韌，張為付.1994.冬季風(fēng)期間南海地區(qū)冷涌的動力學(xué)分析［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，10(2):122-129.

周學(xué)群.1989.兩次冷涌過程的分析［J］.熱帶氣象，5(1):57-61.

朱復(fù)成.1986.冬季風(fēng)潮及其對低緯深厚積云對流和低層流場的影響［C］//朱復(fù)成.天氣學(xué)進(jìn)展.北京:氣象出版社:325-390.

朱乾根，楊松.1990.青藏高原大地形對冷涌作用的數(shù)值模擬研究［J］.氣象學(xué)報(bào)，48(2):171-184.

Chang C P.2004.East Asian monsoon:Northerly surges［M］.Singapore:World Scientific:63.

Chang C P，Lau K M.2005.Short-term planetary-scale interactions over the tropics and midlatitude during northern winter.PartⅠ:Contrasts between active and inactive periods［J］.Mon Wea Rev，110:933-946.

Chang C P，Webster P J.1983.Reports of a workshop for the winter monsoon experiment［C］.Washington D C:National Academy of Sciences:20418.

Chen T C.2002.A North Pacific short-wave train during the extreme phases of ENSO［J］.J Climate，15:2359-2376.

Chen T C，Huang W R，Yoon J H.2004.Interannual variation of the East Asian cold surge activity［J］.J Climate，17:401-413.

Ding Y H，Meng X.1992.A case study of development and structure of a cold surge in East Asia［C］//Kyle W J，Chang C P.2nd Intl Conf East Asia and Western Pac Meteor and Climate.Beijing:World Scientific:311-328.

Gong D Y，Ho C H.2004.Intra-seasonal variability of wintertime temperature over East Asia［J］.Int J Climatol，24:131-144.

Jeong J H，Ho C H.2005.Changes in occurrence of cold surges over East Asia in association with Arctic Oscillation［J］.Geophys Res Lett，32，L14704.doi:10.1029/2005GL023024.

Lau K M，Chang C P.1987.Planetary scale aspects of the winter monsoon and atmospheric teleconnection［M］//Monsoon Meteorology.Oxford:Oxford University Press:161-202.

Lu M M，Chang C P.2009.Unusual late-season cold surges during the 2005 Asian winter monsoon roles of Atlantic blocking and the central Asian anticyclone［J］.J Climate，22:5205-5217.

Torrence C，Compo G P.1998.A practical guide to wavelet analysis［J］.Bull Amer Meteor Soc，79:61-78.

Zhi Xiefei.2001.Interannual variability of the Indian summer monsoon and its modeling with a zonally symmetric 2D-model［M］.Aachen，Germany:Shaker Verlag:152.

(責(zé)任編輯:劉菲)

The cold surge over the NSCS and its atmospheric circulation features

ZHANG Ling，ZHI Xie-fei
(Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST)，Ministry of Education，Nanjing 210044，China)

Based on the data of daily wind direction and surface temperature over the China Southern Coast and the wind velocity over the northern South China Sea(NSCS)，the northerly cold surge criterion and the occurrence frequency of the cold surge over NSCS were defined.In addition，the interannual variation of the cold surge over NSCS and the variation of its associated circulation have been investigated.The results show that the occurrence frequency index of the cold surge over NSCS can describe the cold surge system characteristics more comprehensively.It is closely associated with the outbreaks of cold air which influence most part of China，and results from the interaction between the middle and high latitude circulation and lower latitude circulation.When the ridge over the west of the Lake Baikal is stronger than normal，the meridionality of the circulation over middle and high latitudes becomes larger，at the same time the subtropical western Pacific high becomes weaker and is located further east than normal.Both of these are beneficial for the southward movement of the cold air，and lead to the cold surge＇s formation over the NSCS.When the cold surge occurs，the Hadley cell becomes stronger and it adjusts the air quality over the middle and high latitudes.Meanwhile，the subtropical westerly jet resulting from the high-level air northward movement under the action of the Coriolis force becomes stronger than normal.Both of these elements are beneficial for the maintenance and strengthening of the cold surge.

northern South China Sea;cold surge;interannual variation;atmospheric circulation characteristics

P434

A

1674-7097(2014)01-0028-10

張玲，智協(xié)飛.2014.南海北部冷涌及其環(huán)流特征［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，37(1):28-37.

Zhang Ling，Zhi Xie-fei.2014.The cold surge over the NSCS and its atmospheric circulation features［J］.Trans Atmos Sci，37(1):28-37.(in Chinese)

2011-09-23;改回日期:2011-12-05

中國氣象局成都高原氣象研究所高原氣象開放基金課題(LPM2011004);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB955200);江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

張玲，博士，講師，研究方向?yàn)榧撅L(fēng)動力學(xué)、區(qū)域氣候，lingzhang@nuist.edu.cn.