葉丹 張耀存

南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京210093

1 引言

在東亞冬季風(fēng)盛行期間，冷空氣活動(dòng)頻繁，達(dá)到一定的強(qiáng)度即為寒潮，這種向南爆發(fā)的冷空氣會(huì)造成中國(guó)境內(nèi)劇烈降溫、降雪、大風(fēng)、霜凍等災(zāi)害性天氣，從而對(duì)農(nóng)業(yè)、交通和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成巨大損失。當(dāng)寒潮爆發(fā)時(shí)，高空波動(dòng)和高空急流存在著明顯的相互作用，引起能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致東亞高空急流強(qiáng)度發(fā)生變化（Chang and Lau，1980；高守亭等，1992），進(jìn)而影響冷空氣的活動(dòng)強(qiáng)度和路徑。因此，研究高空急流強(qiáng)度變化與冷空氣活動(dòng)的關(guān)系具有重要意義。

對(duì)流層高層環(huán)繞緯圈的急流帶是中緯度大氣環(huán)流系統(tǒng)中的重要成員之一。觀測(cè)表明，冬季東亞地區(qū)上空存在兩支不同的急流：東亞副熱帶西風(fēng)急流（EASJ）和東亞溫帶急流（EAPJ）（又稱為極鋒急流）。已有的研究表明，東亞副熱帶急流在6月中旬自青藏高原南側(cè)北跳至高原北側(cè)的同時(shí)，東亞溫帶急流消失；而東亞副熱帶急流于 10月中旬的南撤則伴隨著東亞溫帶急流在高原北側(cè)的出現(xiàn)，東亞副熱帶急流位于青藏高原南側(cè)約20°N～35°N，并向東北延伸到西北太平洋上空，東亞溫帶急流位于高原北側(cè)約 40°N～60°N 地區(qū)上空（鄒進(jìn)上等，1990）。副熱帶急流的形成與 Hadley環(huán)流輸送的來(lái)自熱帶地區(qū)的大氣角動(dòng)量有關(guān)，溫帶急流的形成則與中緯度斜壓渦旋強(qiáng)迫有著密切關(guān)系，而低層的溫度梯度是斜壓渦旋產(chǎn)生的重要原因（Lee and Kim，2003）。此外，急流與高空和地面鋒區(qū)相對(duì)應(yīng)，鋒區(qū)內(nèi)擾動(dòng)的發(fā)展和風(fēng)暴的生成會(huì)帶來(lái)強(qiáng)降水、寒潮等極端天氣、氣候事件（高守亭和陶詩(shī)言，1991；丁一匯，2005）。在以往關(guān)于東亞高空急流與冬季風(fēng)關(guān)系的研究方面，Yang et al.（2002）指出冬季西太平洋急流（30°N～35°N，130°E～160°E）的異常與整個(gè)東亞—太平洋—北美冬季氣候異常相關(guān)聯(lián)，當(dāng)冬季西太平洋急流增強(qiáng)時(shí)，東亞冬季風(fēng)加強(qiáng)，頻繁的冷空氣活動(dòng)直接導(dǎo)致東亞地表溫度降低。毛睿等（2007）指出在年際尺度上，冬季東亞上空西風(fēng)急流（30°N～35°N，127.5°E～155°E，200 hPa緯向風(fēng)）存在強(qiáng)度的變化和位置的南北移動(dòng)，并通過(guò)東亞冬季風(fēng)影響中國(guó)的溫度和降水分布。冬季自東亞至西太平洋上空的西風(fēng)急流與東亞溫帶急流區(qū)域的西風(fēng)有反相變化特征，并且與東亞冬季風(fēng)關(guān)系密切（Jhun and Lee, 2004）。此外，還有研究表明，東亞副熱帶急流與冬季風(fēng)具有正相關(guān)關(guān)系，即副熱帶急流越強(qiáng)，冬季風(fēng)越強(qiáng)，而高緯度的200 hPa緯向風(fēng)和冬季風(fēng)具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，即高緯度地區(qū)緯向風(fēng)越大，冬季風(fēng)越弱（況雪源等，2008）。Li and Yang（2010）利用200 hPa緯向風(fēng)切變表征東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)弱變化。由此可見(jiàn)，東亞高空急流與東亞冬季風(fēng)有著密切關(guān)系。雖然冬季風(fēng)強(qiáng)的時(shí)候，對(duì)應(yīng)著頻繁的冷空氣活動(dòng)，但關(guān)于高空急流與冷空氣活動(dòng)關(guān)系的研究還不多。此外，過(guò)去有關(guān)高空急流與東亞季風(fēng)關(guān)系的研究更多的是關(guān)注東亞副熱帶西風(fēng)急流，而溫帶急流作為東亞高空急流整體的一部分，與副熱帶急流具有協(xié)同變化關(guān)系，這種協(xié)同變化關(guān)系與冬季風(fēng)爆發(fā)、中國(guó)境內(nèi)冷空氣活動(dòng)等也必然會(huì)存在一定的聯(lián)系，目前考慮溫帶急流和副熱帶急流的不同強(qiáng)度變化對(duì)冬季冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度和路徑影響的研究尚不多見(jiàn)，因此有必要開(kāi)展急流協(xié)同變化與冷空氣活動(dòng)關(guān)系的研究。本文利用NCEP/NCAR再分析資料和地面臺(tái)站氣溫觀測(cè)資料，分析冬季東亞副熱帶急流（EASJ）和東亞溫帶急流（EAPJ）強(qiáng)度變化特征及其與影響我國(guó)的冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度、路徑、持續(xù)時(shí)間以及源地的不同特征，為我國(guó)冬季冷空氣活動(dòng)的預(yù)報(bào)提供新的思路。

2 資料與方法

本文所用資料：（1）中國(guó)境內(nèi)724個(gè)站的日平均氣溫觀測(cè)資料，時(shí)間為1960年12月～2008年2月；（2）NCEP/NCAR逐日再分析資料（Kalnay et al.,1996），所選要素包括海平面氣壓場(chǎng)、500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、1000 hPa風(fēng)場(chǎng)，時(shí)間為1960年1月～2008年12月，資料水平分辨率為2.5°×2.5°（格點(diǎn)數(shù)為144×73），垂直方向?yàn)?7層。本文中的冬季定義為12月1日～2月28日，在分析兩支急流的強(qiáng)度變化時(shí)，將逐日資料處理成候平均資料。

為了確定溫帶急流和副熱帶急流的關(guān)鍵區(qū)，本文首先計(jì)算中國(guó)東部地區(qū) 1000 hPa經(jīng)向風(fēng)與 300 hPa全風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)，找出相關(guān)的顯著區(qū)域，在此基礎(chǔ)上利用NCEP/NCAR逐日再分析資料統(tǒng)計(jì)逐日急流發(fā)生頻數(shù)，在急流發(fā)生頻數(shù)高的區(qū)域確定急流的強(qiáng)度和關(guān)鍵區(qū)。逐日急流發(fā)生頻數(shù)計(jì)算方法為：在東亞—太平洋（20°N～70°N，50°E～170°E）范圍內(nèi)查找風(fēng)速大值中心，若該中心滿足：（1）中心風(fēng)速值≥28 m s–1；（2）該中心周?chē)?個(gè)格點(diǎn)上的風(fēng)速值均小于該中心的風(fēng)速值，則定義該中心為一個(gè)急流中心，記下該中心的經(jīng)緯度位置（張耀存等，2008）。對(duì)每年的12月、1月和2月的逐日資料重復(fù)進(jìn)行這一過(guò)程，最后得到 48個(gè)冬季每個(gè)格點(diǎn)上的急流發(fā)生頻數(shù)。

3 溫帶急流和副熱帶急流協(xié)同變化和冬季冷空氣活動(dòng)的關(guān)系

3.1 溫帶急流和副熱帶急流關(guān)鍵區(qū)的選擇

由于在300 hPa高度上溫帶急流最強(qiáng)，副熱帶急流在300 hPa與200 hPa高度上的強(qiáng)度相當(dāng)，本文在300 hPa高度上選取副熱帶急流和溫帶急流活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)域。因?yàn)槔淇諝饽舷?，?jīng)常伴隨著大風(fēng)，所以經(jīng)向風(fēng)從某種程度能反映冷空氣的活動(dòng)特征，并且是表征寒潮的一個(gè)重要指標(biāo)。圖1給出的是中國(guó)東部地區(qū)區(qū)域（105°E～120°E，25°N～50°N）冬季平均1000 hPa經(jīng)向風(fēng)與300 hPa全風(fēng)速的相關(guān)圖和冬季300 hPa全風(fēng)速分布圖。從圖中等值線分布可清楚地看到副熱帶急流中心主要位于 120°E～160°E、25°N～35°N，而溫帶急流由于具有顯著的瞬變特征，強(qiáng)度和位置變動(dòng)范圍較大，在氣候平均風(fēng)場(chǎng)上溫帶急流僅表現(xiàn)為風(fēng)速大值區(qū)，因此溫帶急流活動(dòng)區(qū)域不容易確定。從圖1的相關(guān)系數(shù)分布（填色圖）看到，經(jīng)向風(fēng)與副熱帶急流區(qū)和溫帶急流區(qū)的全風(fēng)速相關(guān)系數(shù)最高，與溫帶急流活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速相關(guān)達(dá)到0.7，與副熱帶急流活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速相關(guān)達(dá)到－0.7，兩個(gè)高相關(guān)區(qū)相對(duì)獨(dú)立。從低層經(jīng)向風(fēng)與高空風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系上可以看到，冬季影響中國(guó)東部地區(qū)的冷空氣活動(dòng)與兩支急流強(qiáng)度變化有著密切聯(lián)系。

為了進(jìn)一步確定兩支急流變化的關(guān)鍵區(qū)，圖 2給出了基于逐日資料統(tǒng)計(jì)出的300 hPa冬季急流發(fā)生頻數(shù)。從圖中可以看到，東亞上空 45°N～60°N為溫帶急流活動(dòng)頻繁的區(qū)域，副熱帶急流主要活動(dòng)于20°N～35°N地區(qū)，并從中國(guó)東部地區(qū)上空向東北方向延伸，溫帶急流活動(dòng)區(qū)和副熱帶急流活動(dòng)區(qū)相對(duì)獨(dú)立。根據(jù)低層經(jīng)向風(fēng)與高空風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)和急流發(fā)生頻數(shù)分布圖，選取 45°N～60°N，70°E～110°E范圍為溫帶急流的關(guān)鍵區(qū)，選取 27.5°N～37.5°N，130°E～160°E 范圍為副熱帶急流的關(guān)鍵區(qū)。對(duì)關(guān)鍵區(qū)的全風(fēng)速進(jìn)行區(qū)域平均，逐候計(jì)算EAPJ和EASJ的強(qiáng)度，然后對(duì)每個(gè)冬季18個(gè)候的EAPJ和EASJ強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（即每年共18候標(biāo)準(zhǔn)化一次），用標(biāo)準(zhǔn)化后的區(qū)域平均風(fēng)速值分別表征溫帶急流和副熱帶急流的強(qiáng)度，由此確定溫帶急流和副熱帶急流強(qiáng)度指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，以±0.8為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)急流強(qiáng)度指數(shù)大于0.8（小于－0.8）時(shí)，分別表示EAPJ和EASJ強(qiáng)度強(qiáng)（弱）。根據(jù)急流的強(qiáng)度變化，挑選出EAPJ和EASJ兩支急流強(qiáng)弱變化的不同配置，得到兩支急流強(qiáng)度變化的四種情形。在總共864候中，兩支急流都強(qiáng)（記為SS），有33次；兩支急流都弱（WW），有 31次；EAPJ強(qiáng)、EASJ弱（SW），有55次；EAPJ弱、EASJ強(qiáng)（WS），有66次。

3.2 兩支急流不同強(qiáng)度變化下的冷空氣活動(dòng)特征

從以往關(guān)于寒潮的研究中（朱乾根等，2000）可知，冷空氣入侵我國(guó)的路徑主要分為四條：（1）西北路徑：冷空氣自新地島以西的白海、巴倫支海經(jīng)西伯利亞、蒙古進(jìn)入我國(guó)；（2）北方路徑：冷空氣自新地島以東喀拉海或新西伯利亞進(jìn)入亞洲北部，自北向南經(jīng)蒙古進(jìn)入我國(guó)；（3）西方路徑：冷空氣在 50°N以南歐亞大陸自西而東經(jīng)新疆、蒙古影響我國(guó)東部；（4）東北路徑：冷空氣自鄂霍次克海或西伯利亞?wèn)|部向西南影響我國(guó)東北。本文試圖探討副熱帶急流和溫帶急流不同強(qiáng)度變化情形下冷空氣強(qiáng)度和路徑特征，從高空急流變化的角度尋找影響我國(guó)冷空氣活動(dòng)的預(yù)報(bào)指標(biāo)。由于地面溫度變化可表征冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度和路徑特征，下面將分析副熱帶急流和溫帶急流不同強(qiáng)度變化情形下對(duì)應(yīng)的地面24 h溫度變化，考慮到本文中高空急流強(qiáng)度變化是以候平均風(fēng)速表征的，在高空急流強(qiáng)度變化的一個(gè)候里，冷空氣活動(dòng)影響我國(guó)的時(shí)間可能會(huì)出現(xiàn)在不同的日期，因此對(duì)應(yīng)四種情況24 h變溫的起始時(shí)間也會(huì)不同，本文給出了冷空氣活動(dòng)影響我國(guó)最為顯著時(shí)段的地面溫度變化。圖3是兩支急流均強(qiáng)（SS）情況下24 h變溫合成圖，從圖中可看出最先在我國(guó)東北地區(qū)出現(xiàn)降溫，之后降溫幅度最大區(qū)出現(xiàn)在遼東半島，冷空氣從內(nèi)蒙古中東部入侵我國(guó)，影響華北、東北及東部沿海地區(qū)，但強(qiáng)度不大，且影響時(shí)間很短，這種情況與北方路徑一致。圖 4是兩支急流均弱（WW）情況下24 h變溫圖，從圖

中可看出，這種情形在新疆北部最先有明顯的降溫，之后最大降溫區(qū)向東北、中國(guó)東部移動(dòng)，冷空氣從新疆北部入侵，冷空氣強(qiáng)度強(qiáng)，降溫幅度大，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，范圍涉及全國(guó)大部分地區(qū)，這種情況與西方路徑相對(duì)應(yīng)。圖5是溫帶急流強(qiáng)、副熱帶急流弱（SW）情況下24 h變溫圖，從圖中可看出降溫是從中國(guó)東北部開(kāi)始逐步向中國(guó)南部擴(kuò)展，主要影響我國(guó)東北部，中國(guó)南部降溫不明顯，冷空氣強(qiáng)度較強(qiáng)，但持續(xù)時(shí)間短, 這種情況與東北路徑一致。圖 6是溫帶急流弱、副熱帶急流強(qiáng)（WS）情況下24 h變溫圖，從圖中可看出降溫最先出現(xiàn)在內(nèi)蒙古中部，進(jìn)而影響華北和我國(guó)東部地區(qū)，降溫強(qiáng)度不大，但影響范圍涉及整個(gè)中國(guó)境內(nèi)，這種情況大致與西北方路徑相對(duì)應(yīng)。

圖1 1000 hPa區(qū)域（25°N～50°N，105°E～120°E）平均經(jīng)向風(fēng)與300 hPa全風(fēng)速的相關(guān)（填色圖，信度為95%、99%的閾值分別是0.35、0.45）和300 hPa氣候平均風(fēng)速（等值線，單位：m s–1）Fig.1 Geographical distribution of correlations between the regional mean of 1000-hPa meridional wind speed over the domain (25°–50°N, 105°–120°E) and 300-hPa wind speed in each grid over East Asia (shaded, the threshold values at the 95% and 99% confidence levels of significance are 0.35 and 0.45), and climatological means of 300-hPa wind speed (contours, units: m s–1)

圖2 氣候平均冬季300 hPa逐日急流發(fā)生頻數(shù)分布Fig.2 The climatologicalwinter mean jet-center numbers at 300 hPa

圖3 溫帶急流和副熱帶急流都強(qiáng)（SS）情況下24 h變溫合成圖（單位：°C）：(a)、(b)、(c)、(d)依次是所在候的第一天與前一天的溫度差、第二天與第一天的溫度差、第三天與第二天的溫度差、第四天與第三天的溫度差Fig.3 Geographical distribution of 24 h temperature change with the occurrence of strong East Asian Polar Jet (EAPJ) and strong East Asian Subtropical Jet(EASJ) (units: °C): (a) Temperature difference between the first day of the current pentad and the last day of the pre-pentad; (b) between the second day and the first day of the current pentad; (c) between the third day and the second day of the current pentad; (d) between the fourth day and the third day of the current pentad

圖4 同圖3，但為溫帶急流和副熱帶急流均弱（WW）的情況Fig.4 The same as in Fig.3, but for weak EAPJ and weak EASJ

3.3 冷空氣源地特征

為了探討副熱帶急流和溫帶急流強(qiáng)度四種變化情況下影響我國(guó)的冷空氣源地，針對(duì)上文給出的冷空氣活動(dòng)影響我國(guó)最為顯著時(shí)段分析冷空氣影響我國(guó)之前1～2候850 hPa候平均溫度和高度距平（圖7）。圖7a是EAPJ強(qiáng)、EASJ強(qiáng)（SS）時(shí)，冷空氣影響我國(guó)前兩候的溫度距平，從圖中可以看出，最大溫度負(fù)距平區(qū)位于新地島以東的洋面及陸地上，中心位于120°E，最大溫度距平達(dá)到－2°C，并且與一個(gè)位勢(shì)高度負(fù)距平中心對(duì)應(yīng)，冷空氣影響我國(guó)前一候時(shí)（圖略），負(fù)溫度距平擴(kuò)展到中國(guó)上空，與此相對(duì)應(yīng)，冷空氣的入侵路徑位于我國(guó)內(nèi)蒙古中東部地區(qū)。由此可知，兩支急流都強(qiáng)時(shí)影響我國(guó)的冷空氣源地在新地島以東地區(qū)，與北方路徑冷空氣的源地（新地島以東喀拉?；蛐挛鞑麃啠┮恢?。圖7b是EAPJ弱、EASJ弱（WW）時(shí)冷空氣影響我國(guó)前兩候的溫度距平，從圖中可以看到，溫度負(fù)距平的大值區(qū)位于巴爾喀什湖的西部，最大溫度距平達(dá)到－1.5°C，從前一候的溫度變化上（圖略）看到，最大溫度負(fù)距平中心東移至巴爾喀什湖，最大溫度距平達(dá)到－3°C，由此可知，兩支急流均弱時(shí)影響我國(guó)的冷空氣源地位于巴爾喀什湖以西的大陸上，與從新疆北部入侵我國(guó)的冷空氣路徑一致，冷空氣以西方路徑影響我國(guó)。圖 7c是 EAPJ強(qiáng)、EASJ弱（SW）時(shí)，冷空氣影響我國(guó)前一候的溫度距平，從圖中可以看到，溫度負(fù)距平的大值區(qū)位于西西伯利亞偏東地區(qū)，最大溫度距平達(dá)到－2.4°C，同時(shí)存在一個(gè)位勢(shì)高度負(fù)距平中心，表明溫帶急流強(qiáng)、副熱帶急流弱時(shí)影響我國(guó)的冷空氣源地位于中西伯利亞偏西地區(qū)，與東北路徑冷空氣源地基本一致。圖7d是EAPJ弱、EASJ強(qiáng)（WS）時(shí)，冷空氣影響我國(guó)前兩候的溫度距平，溫度負(fù)距平的大值區(qū)位于巴爾喀什湖，負(fù)距平范圍較大，一直擴(kuò)展到中國(guó)境內(nèi)，而歐亞大陸、新地島以西也存在一個(gè)負(fù)距平中心，并且有一個(gè)位勢(shì)高度負(fù)距平中心相對(duì)應(yīng)，與西北路徑的冷空氣源地基本一致。

3.4 大氣環(huán)流特征

為了探討冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度和路徑變化與兩支急流強(qiáng)度變化的關(guān)系，本文接下來(lái)分析兩支急流不同強(qiáng)度變化的四種情形對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流特征，主要分析海平面氣壓場(chǎng)、500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、反映大氣斜壓性的Eady增長(zhǎng)率以及1000 hPa矢量風(fēng)場(chǎng)等不同高度上的環(huán)流特征。以下均為候平均的合成場(chǎng)和距平場(chǎng)。

圖8給出的是急流強(qiáng)度四種變化情形下海平面氣壓的合成場(chǎng)及其距平場(chǎng)。從圖8等值線可以看出兩支急流不同強(qiáng)度變化情形下西伯利亞高壓和阿留申低壓中心位置的差異，兩支急流都弱（WW）時(shí)，阿留申低壓中心位置比其他三種情形偏東，EAPJ弱、EASJ強(qiáng)（WS）的情況下阿留申低壓位置更偏西。對(duì)于西伯利亞高壓的中心位置，四種情況差異不大，當(dāng)EAPJ強(qiáng)的兩種情況（SS和SW），相較于EAPJ弱的兩種情況（WW和WS），西伯利亞高壓中心位置略偏向西南。分析海平面氣壓距平值發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫帶急流強(qiáng)（SS和SW這兩種情況）時(shí)，西伯利亞高壓為負(fù)距平，較平均態(tài)弱，而兩支急流均強(qiáng)時(shí)（SS），負(fù)距平值更大，西伯利亞高壓強(qiáng)度顯著減弱；當(dāng)溫帶急流弱（WW和WS這兩種情況）時(shí)，則剛好相反，西伯利亞高壓為正距平，強(qiáng)度偏強(qiáng)。當(dāng)副熱帶急流強(qiáng)（SS和WS這兩種情況）時(shí)，阿留申低壓均為負(fù)距平，較平均態(tài)強(qiáng)，溫帶急流弱時(shí)（WS），負(fù)距平值更大，阿留申低壓顯著增強(qiáng)；當(dāng)副熱帶急流較弱（WW和SW這兩種情況）時(shí)，則剛好相反。

圖9給出了急流強(qiáng)度變化對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場(chǎng)。寒潮冷空氣一般沿著東亞大槽槽后的西北氣流運(yùn)動(dòng)，從圖中可看出東亞大槽、北美大槽以及歐洲大槽的變化特征。對(duì)比急流強(qiáng)度變化四種情形對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場(chǎng)變化發(fā)現(xiàn)，兩支急流均強(qiáng)（SS）時(shí)，北美大槽深，歐洲大槽也較為深厚，但是東亞大槽弱；兩支急流均弱（WW）時(shí)，東亞大槽偏強(qiáng)，槽線呈現(xiàn)出西南—東北向傾斜形勢(shì)，但北美大槽和歐洲大槽相對(duì)都較弱；當(dāng)溫帶急流強(qiáng)、副熱帶急流

弱（SW）時(shí)，高度場(chǎng)平直，歐洲和北美以及東亞大槽均較弱；當(dāng)溫帶急流弱、副熱帶急流強(qiáng)（WS）時(shí)，東亞大槽偏強(qiáng)，槽線沿南北方向，北美大槽和歐洲大槽也相對(duì)偏強(qiáng)。

圖5 溫帶急流強(qiáng)、副熱帶急流弱（SW）情況下24 h變溫合成圖（單位：°C）：(a)、(b)、(c)、(d)依次是所在候第五天與第四天的溫度差、下一候的第一天與所在候的第五天的溫度差，依此類推Fig.5 Geographical distribution of 24 h temperature change with the occurrence of strong EAPJ and weak EASJ (units: °C): (a) Temperature difference between the fifth day and the fourth day of the current pentad; (b) between the fifth day of the current pentad and the first day of the next pentad; (c) between the second day and the first day of the next pentad; (d) between the third day and the second day of the next pentad

圖6 溫帶急流弱、副熱帶急流強(qiáng)（WS）情況下24 h變溫合成圖（單位：°C）：(a)、(b)、(c)、(d)依次是前一候的第四天與第三天的溫度差、前一候的第五天與第四天的溫度差，依此類推Fig.6 Geographical distribution of 24 h temperature change with the occurrences of weak EAPJ and strong EASJ (units: °C): (a) Temperature difference between the fourth day and the third day of the pre-pentad; (b) between the fifth day and the fourth day of the pre-pentad; (c) between the first day of the current pentad and the fifth day of the pre-pentad; (d) between the second day and the first day of the current pentad

圖7 850 hPa合成溫度距平場(chǎng)（等值線，單位：°C，通過(guò)95%以上的信度檢驗(yàn)）和高度場(chǎng)距平（填色圖，單位：dagpm）：（a）SS前兩候；（b）WW前兩候；（c）SW前一候；（d）WS前兩候Fig.7 Composites of 850-hPa temperature anomaly (contour, units: °C) and 850-hPa geopotential height anomaly (shaded, units: dagpm): (a) 2-pentad lead for strong EAPJ and strong EASJ (SS) situation; (b) 2-pentad lead for weak EAPJ and weak EASJ (WW) situation; (c) 1-pentad lead for strong EAPJ and weak EASJ (SW) situation; (d) 2-pentad lead for weak EAPJ and strong EASJ (WS) situation

圖8 海平面氣壓場(chǎng)的合成場(chǎng)（等值線，等值線間隔為5 hPa）和距平場(chǎng)（填色圖，單位：hPa，“＋”號(hào)區(qū)通過(guò)95%以上的信度檢驗(yàn)），圖中灰色陰影為海拔高度3000 m以上的青藏高原：（a）SS；（b）WW；（c）SW；（d）WSFig.8 Composites (contour, the interval of contour is 5 hPa) and composite anomalies (shaded, “+” indicates the 95% confidence level) of sea level pressure:(a)SS; (b) WW; (c) SW; (d) WS

圖9 500 hPa位勢(shì)高度合成場(chǎng)（等值線，等值線間隔為10 dagpm）和距平場(chǎng)（填色圖，通過(guò)95%的信度檢驗(yàn)，單位：dagpm）：（a）SS；（b）WW；（c）SW；（d）WS。東亞沿岸地區(qū)的粗實(shí)線為槽線Fig.9 Composites of geopotential height at 500 hPa (contour, the interval of contour is 10 dagpm) and its anomalies (shaded, it reaches the 95% confidence level): (a) SS; (b) WW; (c) SW; (d) WS.The thick solid line is the East Asian trough

中緯度大氣斜壓性可反映溫帶急流的強(qiáng)度變化，本文利用Eady增長(zhǎng)率表征大氣斜壓性（Eady，1949；Hoskins and Valdes，1990），Eady 增長(zhǎng)率 σBI計(jì)算方法如下：σBI=0.31f(? |V|/?Z)N–1，f是科氏力，N是Brunt-Vaisala頻率，V是時(shí)間平均的水平風(fēng)速，Z是垂直高度。由于大氣斜壓性強(qiáng)的區(qū)域主要出現(xiàn)在低層，所以本文主要分析850 hPa高度上的Eady增長(zhǎng)率。圖10為850 hPa高度上Eady增長(zhǎng)率分布圖，從圖中可以看到，當(dāng)溫帶急流弱（WW和WS這兩種情況）的時(shí)候，Eady增長(zhǎng)率的大值區(qū)位于貝加爾湖東部，中心最大值為 0.9；溫帶急流強(qiáng)（SS和SW這兩種情況）的時(shí)候，Eady增長(zhǎng)率的大值區(qū)位于貝加爾湖西部。由于冷空氣活動(dòng)會(huì)引起溫度的變化，進(jìn)而造成水平溫度梯度發(fā)生變化，導(dǎo)致天氣尺度瞬變過(guò)程的發(fā)生，通過(guò)反饋過(guò)程，高空急流的強(qiáng)度變化又會(huì)進(jìn)一步影響冷空氣的活動(dòng)。當(dāng)冷空氣活動(dòng)的路徑不同時(shí)，所引起的低層溫度梯度發(fā)生變化的位置不同，對(duì)急流強(qiáng)度變化的影響也不同：當(dāng)冷空氣的南下路徑是西方路徑，即冷空氣從新疆、內(nèi)蒙古入侵我國(guó)時(shí)，對(duì) 45°N以南的區(qū)域帶來(lái)降溫，而溫帶急流主要位于 45°N～60°N，所以南北的溫度梯度減小，斜壓性減弱，對(duì)應(yīng)的溫帶急流也減弱。當(dāng)冷空氣的南下路徑從我國(guó)東北移入，則對(duì)新疆南部影響較小，溫度梯度改變不大，對(duì)溫帶急流影響不大。東亞大槽的傾斜與中緯度的斜壓過(guò)程有著密切的聯(lián)系，Wang et al.（2009）發(fā)現(xiàn)，當(dāng) 500 hPa東亞大槽的槽線呈南北向時(shí)，40°N～60°N區(qū)域的Eady增長(zhǎng)率大于槽線呈東北—西南向的情形，而30°N～45°N區(qū)域的Eady增長(zhǎng)率小于槽線呈東北—西南向的情形。本文中溫帶急流強(qiáng)的兩種情況下（SS和SW），槽線呈南北向，40°N～60°N區(qū)域的 Eady增長(zhǎng)率較大，而溫帶急流弱的兩種情況下（WW和WS）， 槽線呈東北—西南向，40°N～60°N區(qū)域的 Eady增長(zhǎng)率較小，這與 Wang et al.（2009）的結(jié)論一致。

通常，來(lái)自于西伯利亞?wèn)|部地區(qū)的強(qiáng)西北風(fēng)在低層?xùn)|亞沿岸地區(qū)分為兩支，一支向東穿過(guò)副熱帶海洋和太平洋中部，另一支沿著東亞沿岸進(jìn)入南海（Staff Members of the Section of Synoptic and Dynamic Meteorology, 1957；Krishnamurti et al.,1973），而東亞沿岸上空的偏北風(fēng)是冬季冷空氣活動(dòng)的一個(gè)重要指標(biāo)。圖 11給出了兩支急流強(qiáng)度變化四種情況下的1000 hPa矢量風(fēng)場(chǎng)，分析發(fā)現(xiàn)，溫帶急流弱的兩種情況（即WW和WS），50°N以北的歐亞大陸上空南風(fēng)明顯強(qiáng)于溫帶急流強(qiáng)的兩種情況（即SS和SW）；而EAPJ弱、EASJ弱（WW）的情況下，中國(guó)東南部地區(qū)有很強(qiáng)的向南海入侵的北風(fēng)，而其他三種情況幾乎沒(méi)有顯著的北風(fēng)分量，這正好反映了前文提到的兩只急流均弱的情況下冷空氣活動(dòng)范圍廣，強(qiáng)度大；EAPJ弱 EASJ強(qiáng)（WS）時(shí)，來(lái)自西伯利亞的西北氣流轉(zhuǎn)向太平洋上空的一支很強(qiáng)，而沿中國(guó)境內(nèi)向南的一支較弱。

圖10 850-hPa Eady增長(zhǎng)率的合成場(chǎng)（等值線間隔為0.3 d–1）：（a）SS；（b）WW；（c）SW；（d）WSFig.10 Composites of Eady growth rate at 850 hPa: (a) SS; (b) WW; (c) SW; (d) WS.The interval of contour is 0.3 d–1

圖11 1000 hPa矢量風(fēng)的合成場(chǎng)：（a）SS；（b）WW；（c）SW；（d）WSFig.11 Composites of wind fields at 1000 hPa: (a) SS; (b) WW; (c) SW; (d) WS

由于對(duì)流層中層的環(huán)流系統(tǒng)與冬季風(fēng)爆發(fā)有著直接的關(guān)系，朱艷峰（2008）定義了反映冬季溫度變化的冬季風(fēng)指數(shù)U500(25°N～35°N，80°E～120°E)－U500(50°N～60°N，80°E～120°E)，該指數(shù)可表征大氣環(huán)流的經(jīng)向度，其值為正時(shí),表示在對(duì)流層中層的東亞中高緯度和中低緯度之間的緯向風(fēng)切變強(qiáng)，東亞地區(qū)緯向氣流偏弱，有利于中高緯度冷空氣向南侵入。分析副熱帶急流和溫帶急流不同強(qiáng)度變化情形時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩支急流都弱（WW）的情況下，反映環(huán)流經(jīng)向度的冬季風(fēng)指數(shù)非常高，達(dá)到13，并且500 hPa大槽偏強(qiáng)，槽線向西南—東北方向傾斜，有利于強(qiáng)冷空氣南下至中國(guó)境內(nèi)；當(dāng)EAPJ弱、EASJ強(qiáng)（WS）的時(shí)候，西伯利亞高壓和阿留申低壓均偏強(qiáng)，500 hPa東亞大槽最深，徑向度指數(shù)也很高，但槽線沿南北方向，所以轉(zhuǎn)向太平洋一支的經(jīng)向風(fēng)非常強(qiáng)，而向中國(guó)境內(nèi)爆發(fā)的冷空氣強(qiáng)度并不大，因?yàn)樵谖鞑麃喐邏哼^(guò)于強(qiáng)大的時(shí)候，短波槽移動(dòng)的速度更快，引起的經(jīng)向擾動(dòng)比較?。╖hang et al., 1997）；而其他兩種情況（SS和SW），西伯利亞高壓相對(duì)較弱，500 hPa大槽偏淺，冷空氣強(qiáng)度弱，影響范圍小，持續(xù)時(shí)間短，從經(jīng)向度指數(shù)來(lái)看，二者值都很?。ǎ?.4和1），不利于冷空氣南下。

4 結(jié)論和討論

本文利用NCEP/NCAR再分析資料和中國(guó)境內(nèi)724站地面溫度觀測(cè)資料分析了溫帶急流和副熱帶急流均強(qiáng)（SS）、均弱（WW）、強(qiáng)弱（SW）、弱強(qiáng)（WS）四種情況下，影響我國(guó)冬季冷空氣活動(dòng)的強(qiáng)度、路徑、持續(xù)時(shí)間以及源地特征，并對(duì)相關(guān)聯(lián)的大尺度環(huán)流異常進(jìn)行了探討，所得結(jié)論如下：

（1）當(dāng)EAPJ和EASJ均強(qiáng)（SS）時(shí)，影響我國(guó)的冷空氣源地位于新地島以東的洋面上，冷空氣從內(nèi)蒙古中東部入侵，主要影響華北、東北和東部沿海地區(qū)，強(qiáng)度較弱，持續(xù)時(shí)間短；當(dāng)EAPJ和EASJ均弱（WW）時(shí)，冷空氣源地位于巴爾喀什湖西部，從新疆西北部入侵，影響我國(guó)大部分地區(qū)，強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；當(dāng)EAPJ強(qiáng)，EASJ弱（SW）的情況下，冷空氣的源地位于中西伯利亞，主要影響我國(guó)東北部，中國(guó)南部降溫不明顯，冷空氣強(qiáng)度較強(qiáng)，但持續(xù)時(shí)間短；當(dāng)EAPJ弱，EASJ強(qiáng)（WS）的情況下，冷空氣的源地位于貝加爾湖的西側(cè)，冷空氣從內(nèi)蒙古中部入侵，進(jìn)而影響華北和我國(guó)東部地區(qū)，但冷空氣強(qiáng)度較弱。為清楚地歸納出上述結(jié)論，表1綜合給出了溫帶急流和副熱帶急流四種強(qiáng)度變化情況下的冷空氣活動(dòng)的源地、侵入點(diǎn)、強(qiáng)度、范圍及持續(xù)時(shí)間。

表1 SS、WW、SW、WS情況下的冷空氣活動(dòng)的源地、侵入點(diǎn)、強(qiáng)度、范圍及持續(xù)時(shí)間Table 1 The origin, route, intensity, and duration of cold air in the four situations，that is SS,WW, SW, and WS

（2）分析環(huán)流特征發(fā)現(xiàn)，EAPJ和 EASJ均弱（WW）時(shí)，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，阿留申低壓偏弱，東亞大槽偏深，槽線向西南—東北方向傾斜，中國(guó)東部的偏北風(fēng)強(qiáng)，而EAPJ弱、EASJ強(qiáng)（WS）時(shí)，盡管西伯利亞高壓和阿留申低壓偏強(qiáng)，東亞大槽偏深，但槽線沿南北方向,中國(guó)東部的偏北風(fēng)偏弱，而另兩種情況時(shí)，西伯利亞高壓較弱，東亞大槽也較弱，中國(guó)東部的偏北風(fēng)偏弱。

本文分析了溫帶急流和副熱帶急流的強(qiáng)度變化與影響我國(guó)的冷空氣活動(dòng)之間的關(guān)系，除了急流強(qiáng)度變化外，急流位置變化對(duì)大氣環(huán)流也有重要影響，因此兩支急流位置變化與影響我國(guó)的冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度和范圍之間的關(guān)系值得深入研究。另外，本文只考慮了急流強(qiáng)度的同期變化，并沒(méi)有考慮高空急流和冷空氣活動(dòng)之間超前或滯后關(guān)系，研究急流強(qiáng)度和位置變化與冷空氣活動(dòng)之間的超前或滯后關(guān)系對(duì)冬季氣溫的預(yù)報(bào)具有重要應(yīng)用價(jià)值，值得開(kāi)展深入的研究。此外，冷空氣活動(dòng)影響中國(guó)的時(shí)間通常在幾天之內(nèi)，本文以候平均的急流來(lái)選取個(gè)例，如果冷空氣活動(dòng)恰好發(fā)生在兩候之間，不利于分析24 h變溫，本文中24 h變溫合成圖的起始時(shí)間存在差別，正是因?yàn)槔淇諝饣顒?dòng)沒(méi)有發(fā)生在所在候的第一天導(dǎo)致的，這有待于通過(guò)分析高空急流的逐日變化來(lái)解決。

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