覃 皓，伍麗泉

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象臺，廣西南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，廣西南寧 530022）

引言

近百年以來，隨著全球地表平均溫度的上升，極端天氣事件日益頻發(fā)。最近，IPCC第六次評估報告第一工作組報告指出，未來全球許多地區(qū)極端事件并發(fā)的概率仍將增加［1］。因此，對極端事件的分析總結(jié)對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

廣西位于我國低緯度沿海地區(qū)，冬季受東北季風控制，降水較少。然而在2016年1月廣西出現(xiàn)了大范圍的低溫雨雪天氣，全區(qū)258個鄉(xiāng)鎮(zhèn)達到0℃以下的最低氣溫，同時雪線更是打破歷史觀測記錄，首次壓至了南部沿海地區(qū)，是一次罕見的冷空氣活動過程［2-3］。在4年后的2020年，同樣是1月份，受冷空氣擴散南下影響，廣西出現(xiàn)了當年首場區(qū)域性暴雨，過程伴有大范圍強對流天氣，全區(qū)8個市的41個縣（區(qū)）遭受冰雹襲擊，影響范圍是自2000年以來最廣。前人總結(jié)表明，廣西前汛期一般為4～6月份，冰雹天氣主要出現(xiàn)在2～5月份，占全年總?cè)諗?shù)的90%以上，很少出現(xiàn)在1月份，并且一次強對流過程出現(xiàn)30站以上的冰雹觀測記錄也極為罕見［4］。廣西冬季常受北方南下的冷空氣影響，但上述2次如此極端的災(zāi)害性過程仍是預(yù)報預(yù)測的難點。針對這兩次天氣過程學(xué)者們開展了研究，其中有工作指出華南強鋒區(qū)的長時間維持對2016年低溫雨雪過程具有重要貢獻［2］。相較于2008年的寒潮過程，2016年中高緯阻高形勢建立和崩潰均較快，導(dǎo)致地面冷空氣更強，南下速度更快，從而導(dǎo)致了雪線位置更為偏南［3］。覃皓等［4］的工作中指出2020年大范圍冰雹過程與南支槽的異?；钴S有關(guān)，偏強的南支槽為此次過程提供了天氣尺度動力背景。

可見，前人已經(jīng)對這兩次過程的環(huán)流異常進行了詳細的分析。然而極端事件的發(fā)生除了大尺度的環(huán)流背景異常外，大氣內(nèi)部波動也扮演著重要角色。已有研究表明，東亞冬季風與準定常行星波的活動密切相關(guān)［5］，行星波能量的傳播可以影響極鋒急流以及副熱帶急流的強度，進而對東亞冬季風起到調(diào)控作用［6］。在北半球冬季，北大西洋一帶至歐亞大陸上空常有南北兩支活躍的Rossby波列影響東亞地區(qū)［7-8］。施春華等［9］通過計算Plumb波作用通量［10］討論了北支Rossby波列波能量的頻散對烏拉爾阻高以及華北橫槽的調(diào)控作用。張琳等［11］在研究2015年極端氣旋對我國寒潮的影響時，發(fā)現(xiàn)高緯度北支波列的能量頻散是烏拉爾阻塞形勢發(fā)展維持的主要原因。除此之外，還有研究指出我國西南地區(qū)降水與中低緯度的南支波列活動密切相關(guān)［12］，其中南支槽是聯(lián)系兩者的紐帶［13］。廣西地處歐亞大陸東南沿岸，由于“下游效應(yīng)”，必然會受到上游地區(qū)Rossby波異常的影響。然而不同類型災(zāi)害性天氣過程中大氣Rossby波異常扮演的角色有所不同，并且在極端性事件中關(guān)于Rossby波活動診斷的研究也較少，因此有必要從大氣內(nèi)部動力過程的角度進一步討論。

綜上，本文將通過診斷2016年以及2020年兩次災(zāi)害性冷空氣天氣過程中Rossby波的活動異常，分析動力學(xué)機制的差異，加深對這兩類極端性災(zāi)害天氣的認識。

1 資料和方法

1.1 資料

站點數(shù)據(jù)使用廣西壯族自治區(qū)氣象臺提供的常規(guī)自動站氣象觀測資料，包括降水量及溫度。格點數(shù)據(jù)采用美國環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣環(huán)境研究中心（NCEP/NCAR）1950-2020年的逐日和逐月再分析資料（NCEP/NCAR Reanalysis 1）［14-15］，分辨率為2.5°×2.5°，包括位勢高度、溫度和水平風場。美國大氣海洋局（NOAA）提供的1950-2020年北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）指數(shù)以及全球陸地降水資料（PREC_L，分辨率為1°×1°）［16］。

1.2 波活動診斷

波作用通量常作為刻畫Rossby波能量傳播的重要工具。本文通過計算T-N（Takaya and Nakamura）波作用通量［17］來診斷大氣Rossby波能量的傳播，并計算其散度以表征波動能量的匯聚以及發(fā)散。相較于局地E-P（Elisassen-Palm）通量［18］以及Plumb波作用通量，T-N波作用通量能更好地描述西風帶緯向非均勻氣流中較大振幅的Rossby波擾動，有利于反映大氣長波擾動能量的傳播，對于北半球冬季對流層Rossby波活動的診斷具有更好的適用性［19］，其表達式如下：

1.3 因果分析

以往研究中常采用時間滯后相關(guān)分析來診斷兩個給定的時間序列X1和X2間的因果關(guān)系，但由于相關(guān)分析不區(qū)分方向性，應(yīng)用時存在諸多局限。Liang-Kleeman的信息流理論可以根據(jù)時間序列間單位時間內(nèi)傳遞的信息來表征兩者間的因果關(guān)系［21-23］。給出一個二維系統(tǒng)：

式中：w?i(i=1,2)為白噪音；bij、Fi為x1、x2和t的任意函數(shù)。Liang［21］推導(dǎo)給出了從x2到x1的信息流為：

式中：ρ1為x1的邊際密度；E為數(shù)學(xué)期望。當只給出兩時間序列X1和X2，對于線性系統(tǒng)，Liang［23］證明了方程（3）的極大似然估計為：

式中：Cij為Xi與Xj的樣本協(xié)方差（i,j=1,2）；Ci,dj為Xi與X?j的協(xié)方差；X?j為dXj/dt的歐拉前差差分近似。若|T2→1|=0，則X1的變化獨立于X2，即X2不是X1變化的原因。若|T2→1|＞0，且通過顯著性檢驗［23］，則X2是X1變化的原因。該方法已在氣象領(lǐng)域的因果分析中廣泛應(yīng)用［23-25］。

2 受災(zāi)情況及天氣形勢對比

2.1 受災(zāi)情況

2016年1月21～25日，我國大部地區(qū)經(jīng)歷了一次強寒潮天氣過程，多個省市出現(xiàn)入冬以來最低氣溫，過程達到全國性寒潮標準［26］。此次過程降雪范圍廣，其中雪線壓至了廣西南部沿海，廣西多個市縣出現(xiàn)1956年以來首次降雪觀測記錄，同時最低氣溫打破建站以來歷史記錄。此次過程引發(fā)的低溫冷凍災(zāi)害造成190 hm2農(nóng)作物絕收，22.7萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失達到8 052萬元。

受南支槽發(fā)展東移和冷空氣滲透南下影響，2020年1月24～25日廣西出現(xiàn)了當年首場區(qū)域性暴雨，較往年偏早。同時此次過程具有明顯的對流性質(zhì)，伴有大范圍的雷暴大風、短時強降水和冰雹等強對流天氣，其中8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)17 m·s-1以上大風，31個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)短時強降水，百色、河池、玉林、南寧、欽州、防城港、崇左、柳州等8個市的41個縣（區(qū)）遭受冰雹襲擊，冰雹直徑最大達到50 mm。據(jù)不完全統(tǒng)計，此次過程造成直接經(jīng)濟損失800萬，其中農(nóng)業(yè)損失750萬元，家庭財產(chǎn)損失50萬。

兩次過程相同之處在于均造成了全區(qū)大面積受災(zāi)，2016年主要為低溫冰凍災(zāi)害，2020年則為冰雹、短時強降水等強對流導(dǎo)致的農(nóng)作物受災(zāi)、建筑物受損、交通受影響。同時，兩次過程均具有一定的極端性，打破多個國家站建站以來的觀測記錄。兩次過程均有冷空氣活動（圖1），不同之處在于2016年低溫冰凍過程主要以降溫為主，冷空氣強勢但雨雪并不明顯，全區(qū)92個國家自動站中僅20站累計雨量達到10 mm。2020年過程冷空氣較弱但暖濕氣流強盛，大氣對流劇烈，85個國家站累計雨量超過10 mm，其中5站達100 mm以上。

圖1 2016年1月、2020年1月以及氣候態(tài)1月的20~30日全區(qū)平均逐日最低溫度（單位：℃）Fig.1 Daily the minimum temperature from 20 to 30 in Jan 2016，2020 and climatological in Guangxi（Unit：℃）

2.2 天氣形勢對比

2.2.1 環(huán)流形勢

2016年1月20日，500 hPa上歐亞中高緯為兩槽一脊形勢，烏拉爾山東側(cè)為高壓脊，向北伸展至75°N附近。貝加爾湖東側(cè)為一冷渦，冷渦內(nèi)溫度負距平達到-8℃，伴隨橫槽由貝加爾湖向西南延伸至巴爾喀什湖，槽內(nèi)冷空氣堆積（圖2（a））。此時低層850 hPa切變線位于長江淮河一帶，冷空氣主體還在我國東北至華北（圖2（d））。21～22日，烏拉爾高壓脊內(nèi)暖空氣向極發(fā)展，擠壓高緯度冷空氣進一步向橫槽內(nèi)匯集，溫度負距平增強至-16℃（圖2（b））。低層切變南壓至華南中部，冷空氣前鋒開始影響廣西，地面溫度負距平達到-7～-4℃（圖2（e））。23～24日，橫槽轉(zhuǎn)豎（圖2（c）），冷空氣由東西向分布轉(zhuǎn)為南北向，并快速向南傾瀉，廣西地表溫度負距平增強至-10℃（圖2（f））。

圖2 2016年1月20日~24日的（a-c，間隔48 h，下同）500 hPa位勢高度（實線，單位：gpm）及溫度距平（填色，單位：℃），（d-f，黑實線為3 km高度地形邊界）850 hPa風場（箭矢，單位：m·s-1）以及地表溫度距平（填色，單位：℃）Fig.2 Distribution of（a-c，time step 48h，the same below）geopotential height（contours，unit：gpm）and temperature anomalies（shaded，unit：℃）at 500 hPa，（d-f，black line indicate the 3 km topographic boundary）wind field at 850 hPa（arrows，unit：m·s-1）and surface temperature anomalies（shaded，unit：℃）from 20 to 24 in Jan.2016

與2016年低溫過程不同的是，2020年過程中中高緯冷空氣活動較弱，但低緯南支西風槽活躍［4，27］，這是造成兩次過程災(zāi)害性天氣不同的原因之一。2020年1月21～22日，500 hPa歐亞中高緯地區(qū)烏拉爾山一帶為冷渦控制，中層冷空氣在高原西側(cè)向南滲透，貝加爾湖北側(cè)冷渦向西南延伸一冷槽（圖3（a）），引導(dǎo)槽后冷空氣侵襲我國北方。在低緯度地區(qū)，南支槽攜帶冷空氣位于孟加拉灣北側(cè)，槽前暖濕西南氣流與副高西側(cè)東南氣流匯合后輸入華南一帶，造成廣西低層850 hPa溫度正距平（圖3（d））。23～24日，烏拉爾山至紅海一帶發(fā)展為寬廣的冷槽，在其下游的南支槽與高原槽同位相疊加后攜帶冷空氣東移至100°E附近（圖3（b）），中層冷空氣疊加在前期增溫的低層之上，廣西上空不穩(wěn)定能量積聚，850 hPa與500 hPa溫差大部達到24℃，對流不穩(wěn)定增強。與此同時，華北冷槽東移引導(dǎo)850 hPa切變以及地面弱冷空氣在高原東側(cè)南下（圖3（e）），冷暖氣團在廣西交匯，槽前正渦度平流配合鋒面觸發(fā)對流。25～26日冷空氣已擴散至廣西沿海一帶，全區(qū)低層均受冷氣團控制（圖3（f））。廣西上空700 hPa與500 hPa溫差大部達到17℃，在冷墊之上仍然具有較強的不穩(wěn)定層結(jié)，隨著南支槽進一步發(fā)展東移（圖3（c）），槽前不斷有高架對流觸發(fā)。26日后廣西上空轉(zhuǎn)為槽后，過程結(jié)束。

圖3 2020年1月22日~26日的（a-c）500 hPa位勢高度（實線，單位：gpm）及溫度距平（填色，單位：℃），（d-f，黑實線為3 km高度地形邊界）850 hPa風場（箭矢，單位：m·s-1）以及地表溫度距平（填色，單位：℃）Fig.3 Distribution of（a-c）geopotential height（contours，unit：gpm）and temperature anomalies（shaded，unit：℃）at 500 hPa，（d-f，black line indicate the 3 km topographic boundary）wind field at 850 hPa（arrows，unit：m·s-1）and surface temperature anomalies（shaded，unit：℃）from 22 to 26 in Jan.2020

2.2.2水汽條件

在水汽條件上，兩次過程存在明顯的差異。計算2016年1月24日整層積分的水汽通量及其散度，可以看到廣西上空為水汽通量的輻散，水汽自北向南流失。低層的水汽含量也較低，925 hPa上比濕不到10 g·kg-1（圖4（a）），因而過程降水也較少。2020年1月24日廣西一帶則具有較好的水汽供應(yīng)?？梢钥吹皆谀现Р矍耙约案备呶鱾?cè)各存在一支水汽輸送帶，分別將孟加拉灣，南海以及西太平洋的水汽向廣西輸送，低層絕對水汽含量最大超過12 g·kg-1（圖4（b）），為強對流的發(fā)生發(fā)展提供必要條件。

圖4 2016年，2020年1月24日1000-300 hPa整層水汽通量（箭矢，單位：kg·m-1·s-1）及其散度（填色，單位：10-4 kg·m-2·s-1），925 hPa比濕（等值線，單位：g·kg-1，只顯示大于10 g·kg-1）Fig.4 Distribution of water vapor flux（arrows，unit：kg·m-1·s-1）and its divergence（shaded，unit：10-4 kg·m-2·s-1）integrated from 1000 hPa to 300 hPa，925 hPa specific humidity（contours，unit：g·kg-1，only show the value＞10 g·kg-1）in 24 in Jan.2016 and 2020

3 Rossby波調(diào)制作用對比

環(huán)流形式分析表明，2016年過程中烏拉爾高壓脊的發(fā)展以及華北橫槽轉(zhuǎn)豎是具有預(yù)報意義的前期環(huán)流調(diào)整信號，決定了后期冷空氣的爆發(fā)南下。這種前期高度場形勢與前人工作總結(jié)的第一類信號場類似［28-29］，烏拉爾山和華北地區(qū)是預(yù)報關(guān)鍵區(qū)。在這種形勢下，中高緯環(huán)流經(jīng)向度大，而低緯地區(qū)環(huán)流平直，有利于冷空氣快速南下，同時水汽經(jīng)向輸送減弱，最終使得過程帶來的雨雪不明顯，以降溫為主。與此不同的是，2020年的過程中低緯度地區(qū)環(huán)流具有明顯的經(jīng)向發(fā)展特征，南支槽是關(guān)鍵的影響系統(tǒng)，其不僅提供了動力抬升作用，還對暖濕氣流的輸送具有重要貢獻，使得冷暖空氣在廣西上空交匯，導(dǎo)致強對流天氣。與前人總結(jié)的概念模型相比，此次過程中高緯形勢與第二類信號場相似，屬于大型低槽東移型，但低緯度形勢卻存在差異。原模型中未體現(xiàn)出低緯地區(qū)南支槽的異常信號，這也是造成預(yù)報誤差的原因之一?？梢钥闯觯蟪叨拳h(huán)流決定了冷空氣和暖濕氣流活動的強弱，進而導(dǎo)致了不同類型的災(zāi)害性天氣，而環(huán)流形勢的演變又受大氣內(nèi)部動力過程的影響。前人研究表明，冬季歐亞大陸上空常有南北兩支Rossby波活動，分別調(diào)控了低緯以及中高緯環(huán)流形勢的演變，在冷空氣活動過程中扮演不同的角色［9，30］。接下來進一步對這兩次過程中大氣Rossby波異常進行分析，討論Rossby波調(diào)制作用的差異。

3.1 Rossby波異常強度

參考陳海山等［30］的方法，計算逐日的擾動經(jīng)向風v'2，然后對整個過程取平均得到Rossby強度進一步地，通過類似方法得到擾動動能以反映Rossby活動的強弱和位置。

可以看到兩次過程中歐亞中高緯度均存在兩支Rossby波列。相較而言，北支波列在2016年過程中強度更強，由北大西洋上空向下游傳播途徑東歐平原、烏拉爾山、西西伯利亞平原、貝加爾湖，一直到東亞沿岸（圖5（a））。2020年過程中北支波列按上述類似路徑傳播至東亞沿岸，但強度較弱，波能量在烏拉爾山以西就已經(jīng)開始減弱（圖5（b））。南支波列則在2020年過程中更為活躍，由北大西洋傳播經(jīng)地中海、中東、阿拉伯海、孟加拉灣后與北支波列在我國東部沿岸匯合。相較而言2016年南支波列強度較弱，途徑地中海、中東、阿拉伯海，能量不斷衰減。

圖5 2016年1月20日~24日，2020年1月22日~26日500hPa上分布（單位：m2·s-2）Fig.5 Distribution of 500 hPa（unit：m2·s-2）during 20~24 Jan.2016 and 22~26 Jan.2020

擾動動能的分布也與上述強度場類似。2016年北支波列在烏拉爾山-貝加爾湖-我國東北一帶具有較強的擾動動能（圖6（a）），有利于冷空氣向南輸送，而南支波列能量微弱，不利于水汽向北輸送。2020年北支波列擾動動能相對較弱，能量較強區(qū)主要位于上游一帶（圖6（b））。相較而言南支波列具有穩(wěn)定的傳播路徑，能量高值區(qū)一直延伸至中南半島一帶，有利于南支擾動的發(fā)展。

圖6 2016年1月20日~24日，2020年1月22日~26日500 hPa上K'分布（單位：m2·s-2）Fig.6 Distribution of 500 hPa K'（unit：m2·s-2）during 20~24 Jan.2016 and 22~26 Jan.2020

3.2 Rossby波異常的演變

圖5、圖6反映了兩次冷空氣過程中Rossby波活動的強弱以及分布特征，下面進一步討論波動隨時間的演變情況。

2016年1月20日，烏拉爾山一帶有來自上游北大西洋的波作用通量（圖7（a）），促進烏拉爾高壓脊的發(fā)展加強。發(fā)展強盛的烏拉爾高壓脊向其東南方向頻散波能量，波作用通量在下游輻合增強了貝加爾湖冷渦及橫槽，有利于冷空氣在此堆積。與此同時，南支波列波作用通量由里海一帶指向東南方向印緬地區(qū)，促進了印緬槽的發(fā)展，槽前暖濕氣流向廣西輸送。到了22日，橫槽發(fā)展到最強，對應(yīng)于圖2（b）中-16℃溫度距平。而由于南支波作用通量的減弱，印緬槽逐漸減弱（圖7（b）），造成廣西一帶水汽供應(yīng)減少。23～24日，橫槽內(nèi)波作用通量向南輻散，橫槽轉(zhuǎn)豎（圖7（c）），冷空氣大舉南下。25～26日，槽區(qū)進一步東移減弱，寒潮過程結(jié)束。

2020年1月22日，低緯度歐亞大陸下游地區(qū)環(huán)流較為平直，上游地區(qū)波作用通量在中東地區(qū)輻合（圖7（d）），促進低槽逐漸發(fā)展加深。與此同時，中高緯度烏拉爾山以西有源自北大西洋阻高內(nèi)部的波作用通量，使得北支冷槽逐漸發(fā)展，但其強度遠小于2016年。貝加爾湖冷渦較2016年偏東偏北，波能量向東南方向的我國華北至東北地區(qū)輻散，冷空氣擴散南下。23～24日烏拉爾山冷槽增強并與南側(cè)的中東槽同位相疊加，并向下游頻散能量，使得低緯地區(qū)經(jīng)向度增大，下游波作用通量在孟加拉灣一帶輻合使南支槽區(qū)得到發(fā)展（圖7（e））。南支槽發(fā)展東移至100°E附近后開始影響廣西，為廣西提供了抬升條件以及源源不斷的南海水汽。25～26日，冷空氣已擴散至廣西南部沿海，而波作用通量輻合進一步促進了南支槽的發(fā)展（圖7（f）），暖濕氣流輸送增強并在冷墊上爬升，造成廣西出現(xiàn)大范圍的高架對流。

圖7 2016年1月20日~24日（a-c）、2020年1月22日~26日（d-f）500 hPa位勢高度（等值線，單位：gpm），波作用通量（箭矢，單位：m2·s-2）及其散度（填色）Fig.7 Distribution of 500 hPa geopotential height（contours，unit：gpm），wave-activity fluxes（arrows，unit：m2·s-2）and its anomalies（shaded）（a-c）from 20 to 24 in Jan 2016 and（d-f）from 22 to 26 in Jan.2020

綜上所述，2016年北支Rossby波列調(diào)控了烏拉爾高壓脊的發(fā)展以及橫槽轉(zhuǎn)豎，起到主導(dǎo)作用。而南支波列調(diào)控了印緬槽的減弱，使得低緯地區(qū)暖濕氣流輸送減弱，冷空氣更易南下。與此不同的是，2020年冷空氣過程則是南支Rossby波列起到了主要的調(diào)控作用，其促進了南支槽的發(fā)展東移，為此次過程提供了動力抬升以及水汽條件，槽前強盛暖濕氣流與冷空氣交匯促進了對流的發(fā)展。而北支波列則起到了協(xié)同作用，促進了烏拉爾山冷槽的發(fā)展以及與中東槽的合并，從而增強了南支擾動能量向下游的傳播，進一步增強了南支槽。

3.3 Rossby波異常的背景

由上述分析可知，歐亞大陸上空的環(huán)流形勢由上游地區(qū)傳播而來的南北兩支Rossby波列調(diào)控。有研究表明，北大西洋區(qū)域常為北半球冬季Rossby波的活動源區(qū)［31-33］，而NAO與該波源的活動密切相關(guān)［8］。其中許多工作強調(diào)了NAO對南北兩支波列的激發(fā)作用。Watanabe［34］的研究指出，冬季NAO可以通過激發(fā)沿急流波導(dǎo)傳播的準定常Rossby波列與下游東亞地區(qū)的天氣氣候建立聯(lián)系。當NAO為負位相時，向極傳播并發(fā)生反射的北支Rossby波列較強［35］，其調(diào)控了高緯地區(qū)冷空氣的活動，是導(dǎo)致我國南方地區(qū)溫度偏低的原因之一［36］。當NAO為正位相時，北大西洋至地中海一帶激發(fā)的南支波列向東南方向的波作用通量增強［33］，有利于Rossby波能量傳播至高原南側(cè)一帶，為南支槽的形成和強度變化提供擾動背景場，進而與西南地區(qū)降水產(chǎn)生聯(lián)系［12］。Li等［37］在分析我國南方地區(qū)一次冬季強對流過程時也發(fā)現(xiàn)，NAO由負到正的位相轉(zhuǎn)變造成地中海地區(qū)上對流層輻合增強，使得南支波列能進一步東傳至中南半島北側(cè)，促進南支槽的發(fā)展東移。

可見，NAO對歐亞大陸上空Rossby波列的活動具有顯著影響，而這種作用又間接影響了東亞地區(qū)的環(huán)流形勢。為進一步討論NAO對下游地區(qū)環(huán)流形勢變化的影響，計算1950-2020年1月份NAO指數(shù)對500 hPa位勢高度的信息流。由結(jié)果可以看到，NAO顯著影響了中低緯地區(qū)的環(huán)流形勢，從北非至我國華南均存在NAO的影響信號，信息流通過了90%顯著性檢驗（圖8）。而在歐亞大陸上空，NAO主要影響了地中海以東至巴爾喀什湖一帶的環(huán)流。信息流進一步驗證了前人的結(jié)論，NAO是下游歐亞地區(qū)環(huán)流形勢的影響源之一。疊加上兩次過程的平均位勢高度擾動場可見，2016年過程中烏拉爾高壓脊、華北橫槽以及印緬槽均位于對上游NAO信號的響應(yīng)區(qū)（圖8（a）），在一定程度上受到影響源NAO變化的調(diào)控。而在2020年過程中，烏拉爾山冷槽、中東槽以及南支槽均受到上游波源NAO的影響（圖8（b））。因此，可以認為NAO的變化是下游地區(qū)槽脊變化的因，而這種因果聯(lián)系的機制可由Rossby波能量的頻散所解釋。

圖8 2016年1月20日~24日、2020年1月22日~26日平均500 hPa高度擾動場（等值線，單位：gpm）以及NAO指數(shù)對500hPa高度場的信息流分布Fig.8 Distribution of mean geopotential height anomalies（contours，unit：gpm）during 20~24 Jan 2016 and 22~26 Jan 2020，information flow from NAO to geopotential height at 500 hPa

進一步選取NAO正、負異常年份做合成分析，根據(jù)±1.5倍標準差選取得到NAO正異常（1983、1984、1993、2005和2015年）和負異常（1955、1963、1966、1970和1985年）年份，討論下游地區(qū)環(huán)流形勢對NAO變化的響應(yīng)。圖9為1月份500 hPa上波作用通量在NAO正、負異常的差異合成?？梢钥吹剑琋AO正異常年南支波列向東傳途經(jīng)地中海、中東、阿拉伯海，波能量在孟加拉灣北側(cè)輻合。相應(yīng)地，異常經(jīng)向風沿南支波列呈南北風相間分布。這種形勢下的南支Rossby波列特征與前人研究結(jié)論相似，NAO處于正位相時有利于南支波列向東亞傳播，促進南支槽發(fā)展［34，37］。在2016年的過程中，1月7日至1月23日NAO均維持負位相，而2020年1月28日之前均為NAO的正位相，2020年過程歐亞低緯地區(qū)擾動明顯強于2016年，這一差異體現(xiàn)了上述分析中NAO對南支Rossby波列的影響。

圖9 NAO正負異常年500 hPa經(jīng)向風（等值線，單位：m·s-1）、波作用通量（箭矢，單位：m2·s-2）及其散度（填色）的差值合成分布Fig.9 Composite difference of 500 hPa meridional wind（contours，unit：m·s-1），wave-activity fluxes（arrows，unit：m2·s-2）and its divergence（shaded）between the positive NAO and negative NAO years

下游地區(qū)的天氣氣候與環(huán)流形勢變化密切相關(guān)，通過計算1月份NAO指數(shù)對降水的信息流可以看到，NAO變化是導(dǎo)致廣西地區(qū)1月份降水的部分原因，從越南東北部至廣西大部地區(qū)的信息流均通過90%顯著性檢驗（圖10（a）），這反映了NAO通過影響環(huán)流而間接與廣西地區(qū)的天氣氣候建立聯(lián)系。進一步討論廣西地區(qū)降水對NAO變化的響應(yīng)，將NAO正、負異常年份合成降水量做差，結(jié)果如圖10（b）所示：廣西地區(qū)NAO正異常年份相對于負異常年份1月降水偏多15～30 mm，其中桂東南和桂西北降水增幅達到100%。以上分析表明，1月份NAO的變化顯著影響了廣西地區(qū)的降水，NAO偏強（偏弱）在一定程度上導(dǎo)致了廣西降水增多（減少）。在本研究的個例中，2020年過程降水量明顯大于2016年，這一差異與上述分析具有較好的對應(yīng)。

圖10 信息流分布，降水差值（填色，單位：mm）以及變化率（等值線，單位：%）合成分布Fig.10 Distribution of information flow，composite difference of precipitation（shaded，unit：mm）and its change percentage（contours，unit：%）

4 結(jié)論與討論

本文對2016年1月21～25日和2020年1月24～25日兩次大范圍致災(zāi)冷空氣活動過程的天氣形勢以及動力學(xué)機制進行了對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）2016年冷空氣過程主要以降溫為主，冷空氣強勢但雨雪并不明顯，而2020年的過程中冷空氣活動較弱但大氣對流劇烈，降雹范圍廣，降雨量大。

（2）兩次過程中歐亞中高緯度均存在兩支Rossby波列。北支波列在2016年過程中強度更強，調(diào)控了烏拉爾高壓脊的發(fā)展以及橫槽轉(zhuǎn)豎，起到主導(dǎo)作用。而南支波列調(diào)控了印緬槽的減弱，使得低緯地區(qū)暖濕氣流輸送減弱，冷空氣更易南下。2020年過程則是南支Rossby波列起到了主要的調(diào)控作用，其促進了南支槽的發(fā)展東移，為過程提供了動力抬升以及水汽條件。而北支波列則起到了協(xié)同作用，其促進了烏拉爾山冷槽與中東槽的發(fā)展合并，從而增強了南支擾動能量向下游的傳播，進一步增強了南支槽。

（3）兩次過程中北大西洋Rossby波源地區(qū)具有不同的強迫背景。NAO的變化是下游地區(qū)槽脊變化的因，而這種因果聯(lián)系的機制可由Rossby波能量的頻散所解釋。NAO處于正位相更有利于南支波列向東亞傳播，促進南支槽發(fā)展。2016年和2020年過程中NAO分別維持負、正位相，后者在歐亞低緯地區(qū)的擾動明顯強于前者，這一差異造成了兩次冷空氣活動過程中不同類型的災(zāi)害性天氣，體現(xiàn)了南支波列對NAO位相差異的響應(yīng)。

本文主要討論了大氣Rossby波對這兩次罕見大范圍災(zāi)害性天氣過程的調(diào)控作用，而Rossby波又可以進一步分為波長較長的定常行星波以及波長在幾千公里的天氣尺度瞬變波。天氣尺度瞬變波對大氣長波起到調(diào)制的作用［9］，并且尺度與天氣尺度過程相當，與我國極端低溫事件密切相關(guān)［30］。因此在未來的工作中可以進一步討論不同尺度Rossby波在災(zāi)害性天氣過程中的作用。此外，NAO與歐亞Rossby波列的關(guān)系具有多樣性，并且還受ENSO的調(diào)制［38］，其中的具體機制還需要深入探討。