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        煙臺(tái)異常冷暖冬季環(huán)流特征及其與大氣阻塞的聯(lián)系

        2021-07-04 01:54:58黃顯婷隋揚(yáng)
        區(qū)域治理 2021年6期
        關(guān)鍵詞:高緯度暖冬冷暖

        黃顯婷,隋揚(yáng)

        1.煙臺(tái)市福山區(qū)氣象局;2.煙臺(tái)市萊州市人民政府

        一、引言

        近幾十年來全球氣候變暖,特別是在冬季,發(fā)生極端天氣事件的頻率和強(qiáng)度明顯增加。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),在中高緯度地區(qū)的持續(xù)性大尺度環(huán)流異常系統(tǒng)阻塞高壓,它的建立與崩潰常常會(huì)伴隨著大范圍的天氣與氣候異常,它的活動(dòng)與我國(guó)許多災(zāi)害性天氣密切相關(guān)[1-3]。因此,研究北半球中高緯度環(huán)流異常特征對(duì)了解煙臺(tái)地區(qū)冬季天氣和氣候有重要意義。

        煙臺(tái)市處于山東半島東北部,屬溫帶季風(fēng)性氣候,在全球氣候變暖的背景下,區(qū)域響應(yīng)特征明顯[4]?,F(xiàn)在煙臺(tái)市短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù),是在省局以及國(guó)家氣候中心指導(dǎo)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,根據(jù)本區(qū)域的氣候特征做出的訂正預(yù)報(bào);因而分析了解本區(qū)域氣候異常特征及其成因能為煙臺(tái)市預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)工作提供了相關(guān)的依據(jù)。本文主要針對(duì)煙臺(tái)市冬季氣溫演變特征、異常冷暖年與中高緯度環(huán)流背景進(jìn)行分析,為冬季氣溫異常預(yù)測(cè)提供預(yù)測(cè)依據(jù)[5]。

        二、資料與計(jì)算方法

        本文研究資料時(shí)間段選取為1980—2017年冬季(冬季:12月至翌年2月;如1980年冬季指1980年12月/1981年1-2月)共38年,數(shù)據(jù)來自(1)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的再分析數(shù)據(jù)集:北半球500hPa逐日高度場(chǎng)、地面2m溫度;(2)煙臺(tái)市11個(gè)氣象觀測(cè)站提供的平均氣溫觀測(cè)資料。對(duì)于各物理量的逐日距平場(chǎng)定義為該日的數(shù)值均減去該日的多年平均值。通過計(jì)算得到共38年的冬季數(shù)據(jù);本文定義異常冷暖年為冬季平均氣溫距平絕對(duì)值≥1.0℃,0.5℃≤冬季平均氣溫距平絕對(duì)值<1.0℃為典型冷暖年。

        阻塞高壓挑選方法來自Tibaldi等(1990)的經(jīng)典的一維阻塞指數(shù)(以下簡(jiǎn)稱為TM指數(shù)),其定義如下:

        式子中:φn=80°N+?;φ0=60°N+?;φs=40°N+?;

        GHGS和GHGN分別代表500hPa南北向的位勢(shì)高度梯度,?=-4°、0°和4°當(dāng)任意經(jīng)度上至少有一個(gè)值滿足GHGS>0,GHGN

        三、煙臺(tái)冬季平均氣溫變化特征以及中高緯度阻塞特征分析

        (一)全球變暖趨勢(shì)下煙臺(tái)冬季氣溫變化特征

        通過計(jì)算得到煙臺(tái)1980—2017年共38年的冬季平均氣溫,通過三年滑動(dòng)平均,圖1黑色虛線表示:圖中可知煙臺(tái)冬季氣溫整體呈增暖的趨勢(shì),且具有一定的階段性特征。80年代中期前氣溫偏低,80年代中期到2015年前后呈相對(duì)偏暖,稱為相對(duì)暖期,其中2008年至2011年明顯偏冷。通過滑動(dòng)t檢驗(yàn),顯示1986年前后的冬季平均氣溫有顯著差異,突變后比突變前平均上升了1.5℃以上,進(jìn)一步反映出煙臺(tái)冬季氣溫80年代中期后增暖十分顯著。上述結(jié)果與中國(guó)冬季氣溫在1984年前后發(fā)生突變的研究結(jié)論大致相同。

        圖1 煙臺(tái)冬季氣溫距平逐年變化

        其中相對(duì)暖期中有12年為負(fù)距平值,占39%,正距平為20年,占61%。煙臺(tái)異常冷冬頻數(shù)為2年,異常暖冬出現(xiàn)在次數(shù)為6年。以上數(shù)據(jù)說明在全球變暖的背景下,煙臺(tái)冬季氣溫在80年代中期后明顯變暖,且出現(xiàn)異常暖冬頻率較高。

        (二)去除全球變暖趨勢(shì)下煙臺(tái)冬季氣溫變化特征

        為更好地了解煙臺(tái)冬季氣溫變化特征,圖2為去除趨勢(shì)后煙臺(tái)冬季氣溫變化。根據(jù)冷暖冬季定義劃分可知:異常暖年出現(xiàn)了4年,1998年(1.9℃),2001年(1.9℃),2003年(1.1℃),2006年(1.7℃);典型暖年出現(xiàn)了8年,1988年(0.9℃),1991年(0.9℃),1992年(0.8℃),1994年(0.9℃),1997年(0.7℃),2008年(0.6℃),2013年(0.6℃)2016年(0.9℃);異常冷年出現(xiàn)了8年,1980年(-1.6℃),1983年(-1.2℃),1984年(-1.0℃),1985年(-1.5℃),2010年(-1.4℃),2011年(-1.3℃),2012年(-1.9℃),2017年(-1.1℃);典型冷年出現(xiàn)了4年,1999年(-0.6℃),2004年(-0.6℃),2005年(-0.7℃),2009年(-0.9℃)。

        圖2 去除趨勢(shì)后煙臺(tái)冬季氣溫距平變化

        由統(tǒng)計(jì)可知,出現(xiàn)異常冷冬的年數(shù)總體多于異常暖冬的年數(shù),但在相對(duì)年期間,它們出現(xiàn)的年數(shù)一樣,均為4年。而異常暖冬和典型暖冬均出現(xiàn)在相對(duì)暖期。

        四、煙臺(tái)冬季冷暖年大氣環(huán)流與阻塞特征

        (一)煙臺(tái)冬季冷暖年聯(lián)系的環(huán)流結(jié)構(gòu)

        異常暖冬在500hPa平均環(huán)流場(chǎng)上(未展示圖)主要表現(xiàn)為:在極地呈單極渦,烏拉爾山區(qū)域的脊偏弱位置偏西,歐亞大陸中高低緯呈緯向型發(fā)展。高度距平場(chǎng)呈南正北負(fù)分布,歐洲北部為負(fù)低壓,而整個(gè)亞洲地區(qū)被暖高壓控制,其正距平中心位于西伯利亞附近,煙臺(tái)處在高壓控制范圍內(nèi),極地的冷空氣受高壓阻擋難以南下,而低緯地區(qū)暖空氣相對(duì)活躍,這種環(huán)流結(jié)構(gòu)下有利于冬季氣溫持續(xù)偏高。

        異常冷冬年北半球500hPa平均高度場(chǎng)上,整個(gè)極地中高緯主要表現(xiàn)為單極渦,其中心位置位于巴倫支海極區(qū)上空呈經(jīng)向分布,位于烏拉爾山區(qū)域有明顯高脊區(qū),且強(qiáng)度比常年偏強(qiáng),歐亞大陸為深厚的經(jīng)向環(huán)流控制,在亞洲東岸形成較深的東亞大槽;高度距平場(chǎng)呈西北正東南負(fù)的分布,正中心位于烏拉爾山附近;亞洲東部受負(fù)低壓控制,煙臺(tái)處于負(fù)距平區(qū)域內(nèi)。這種環(huán)流結(jié)構(gòu),中高緯度高壓較常年偏強(qiáng),冬季風(fēng)強(qiáng),中高緯度大氣高壓將極地冷空氣分裂南下,煙臺(tái)冬季長(zhǎng)時(shí)間處在東亞大槽前的西北氣流中,使整個(gè)冬季氣溫異常偏低。

        (二)異常冷暖冬季下中高緯度阻塞特征

        為了進(jìn)一步說明中高緯度大氣阻塞與煙臺(tái)異常冷暖冬季的聯(lián)系,這里對(duì)比討論異常冷暖冬季中阻塞的特征。由表1統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)煙臺(tái)冬季冷年中中高緯度發(fā)生大氣阻塞的事件頻率遠(yuǎn)高于暖年中的阻塞事件數(shù),冷冬中發(fā)生的阻塞是暖冬中發(fā)生阻塞事件數(shù)約1.7倍。其中,冷冬中烏拉爾山阻塞共發(fā)生了13次,貝加爾湖阻塞發(fā)生了12次;暖冬中烏拉爾山阻塞發(fā)了9次,貝加爾湖阻塞發(fā)生了6次。(見表1)

        表1 異常冷暖冬季下烏拉爾山阻塞和貝加爾湖阻塞統(tǒng)計(jì)情況

        五、結(jié)論

        1980—2017年煙臺(tái)冬季氣溫存在著明顯的階段性和年際變化特征,煙臺(tái)冬季氣溫整體呈上升趨勢(shì),從20世紀(jì)80年代中期(1986年)發(fā)生突變,之前氣溫以負(fù)距平為主,80年代中期后增暖趨勢(shì)明顯,除了2008年至2011年氣溫相對(duì)較低外。去除趨勢(shì)后,煙臺(tái)冬季出現(xiàn)異常與典型冷暖冬季之和的頻次一樣,而80年代中期后出現(xiàn)暖冬的頻次遠(yuǎn)高于出現(xiàn)冷冬的頻次。

        煙臺(tái)冬季異常暖年,北半球500hPa高度場(chǎng),在烏拉爾山為負(fù)低壓中心,亞洲大陸為暖高壓控制,正距平中心位于西伯利亞附近,煙臺(tái)處在暖高壓控制下,這種環(huán)流結(jié)構(gòu)不利于極地冷空氣分裂南下影響煙臺(tái);而異常冷冬高度距平場(chǎng)呈西北正東南負(fù)的分布,烏拉爾山處為強(qiáng)于常年的高壓中心,亞洲大陸上空為負(fù)低壓,煙臺(tái)地區(qū)處在負(fù)低壓控制下,這種環(huán)流結(jié)構(gòu)下有利于阻塞環(huán)流將極地冷空氣分裂南下,在低壓中心配置條件下將冷空氣輸送到煙臺(tái)。

        煙臺(tái)冬季異常冷年中發(fā)生大氣阻塞的頻率高于異常暖年中的中高緯度發(fā)生大氣阻塞的頻率;暖冬中發(fā)生烏拉爾山阻塞的次數(shù)高于發(fā)生貝加爾湖阻塞的次數(shù),冷冬年中發(fā)生烏拉爾山阻塞的頻次與貝加爾湖阻塞出現(xiàn)的頻次相當(dāng)。

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