晏紅明 孔祥吉 字俁丞 舒康寧

1 云南省氣候中心,昆明 650034 2 國(guó)家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院,北京 100013 3 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,合肥 230026 4 云南省氣象臺(tái),昆明 650034

提 要: 2022年2月19—24日受強(qiáng)冷空氣影響,云南全省發(fā)生了一次極端冷事件,該事件降溫強(qiáng)度大、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。利用云南124個(gè)站氣象觀測(cè)資料、NCEP/NCAR和ERA5大氣環(huán)流再分析資料,分析了此次冷事件的極端性特征及其過(guò)程期間高低層大氣環(huán)流異常的演變特征。結(jié)果表明:此次冷事件的極端性較強(qiáng),是云南省近10年第二強(qiáng)的區(qū)域性寒潮天氣過(guò)程,全省有69個(gè)站達(dá)到中等以上強(qiáng)度寒潮標(biāo)準(zhǔn),有10個(gè)站日平均氣溫達(dá)到或突破2月最低紀(jì)錄。過(guò)程期間雨雪天氣突出,過(guò)程累計(jì)降水接近2月常年,單日降雪范圍為近20年以來(lái)最大。影響此次冷事件的因子極其復(fù)雜,冷空氣活動(dòng)與烏拉爾山高壓脊、東亞槽、亞洲高空西風(fēng)急流、西伯利亞高壓等大氣環(huán)流系統(tǒng)的加強(qiáng)演變密切聯(lián)系,并與起源于北大西洋地區(qū)的副熱帶異常波列的東傳有關(guān),該異常波列對(duì)于青藏高原地區(qū)波能量的向南頻散和冷空氣的南下有十分重要的引導(dǎo)作用,并對(duì)南支槽前的西南水汽輸送加強(qiáng)有一定影響;同時(shí),熱帶地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)也對(duì)東亞地區(qū)冷空氣的加強(qiáng)南下有一定影響。過(guò)程期間,冷空氣沿東北路徑南下影響云南,云南區(qū)域冷暖空氣的交匯作用十分顯著,導(dǎo)致過(guò)程期間出現(xiàn)明顯低溫雨雪。

引 言

2022年2月19—24日,中國(guó)發(fā)生了一次大范圍的寒潮天氣過(guò)程,該過(guò)程降溫強(qiáng)度大、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),強(qiáng)冷空氣一直向南推進(jìn)到中南半島北部。云南大部分地區(qū)出現(xiàn)了強(qiáng)降溫和雨雪天氣,有69個(gè)站達(dá)到中等以上寒潮標(biāo)準(zhǔn),是云南近10年第二強(qiáng)的寒潮天氣過(guò)程,單日降雪范圍為近20年以來(lái)最大,給云南社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來(lái)了巨大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),僅本次極端冷事件就造成云南約23.7萬(wàn)人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5億元,其中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失逾18億元。

在全球變暖背景下,極端冷事件對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響日趨嚴(yán)重(艾雅雯等,2020)。云南位于低緯高原地區(qū),由于青藏高原大地形的阻擋,很少受到強(qiáng)冷空氣的影響,尤其是西部和西南部地區(qū)。因此,云南境內(nèi)的通訊、交通等設(shè)施以及多種熱帶經(jīng)濟(jì)作物等對(duì)極端冷事件的防御能力非常弱,一旦遭遇強(qiáng)冷空氣的影響,造成的損失就十分嚴(yán)重。但一直以來(lái)云南氣象工作關(guān)注的重點(diǎn)主要集中在雨季開(kāi)始期、春季和夏季旱澇等方面(陳艷等,2021;蘇錦蘭等,2021),對(duì)冬季氣候異常的研究還比較少(姚愚和晏紅明,2018),對(duì)極端冷事件的研究就更少(王學(xué)鋒,2020)。目前的大部分工作集中在對(duì)冬季云南寒潮的時(shí)空特征分析,海云莎等(2011)分析了1961—2008年冬季云南的寒潮過(guò)程,發(fā)現(xiàn)云南寒潮頻次東多西少,其中1月寒潮發(fā)生頻率最高,2月和12月次之,并指出云南寒潮的發(fā)生與500 hPa東亞槽加強(qiáng)和西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱(chēng)副高)偏弱有關(guān);羅燕等(2015)以極端低溫閾值小于-10℃分析了近50年云南極端低溫分布情況,發(fā)現(xiàn)低溫區(qū)主要出現(xiàn)在迪慶州北部。也有部分工作針對(duì)強(qiáng)寒潮過(guò)程進(jìn)行分析,晏紅明等(2009)、楊素雨等(2012)、閔穎等(2013)和史悅等(2017)分別對(duì)2008年、2011年、2016年三次云南強(qiáng)寒潮天氣過(guò)程的分析表明云南強(qiáng)寒潮過(guò)程與西伯利亞高壓、東亞槽、副高等高低緯度大氣環(huán)流異常,以及赤道中東太平洋地區(qū)的冷海溫異常密切聯(lián)系。研究成果為云南短期氣候預(yù)測(cè)提供了科學(xué)依據(jù),但對(duì)引起云南極端冷事件發(fā)生的更深層原因,以及影響云南的冷空氣與影響中國(guó)東部的冷空氣在移動(dòng)路徑和強(qiáng)度變化上的差異等方面的認(rèn)識(shí)還十分有限。

影響極端冷事件發(fā)生的因子非常復(fù)雜,尤其在全球變暖背景下,北極增暖導(dǎo)致的暖北極、冷歐亞,改變了熱力經(jīng)向梯度和海洋熱源環(huán)流的變化(Francis and Vavrus,2012;Cohen et al,2014;2020;Luo et al,2016)。另外,海冰融化、全球海溫異常等外強(qiáng)迫因子的影響(Gong and Luo,2017;Shi and Qian,2018;Lü et al,2019;徐士琦等,2022),使得極端冷事件的發(fā)生更加復(fù)雜多變,并存在顯著的區(qū)域差異(陳文等,2018;韓榮青等,2021;馬鋒敏等,2022;支蓉和鄭志海,2022;Sung et al,2021)。因此,開(kāi)展全球變暖背景下不同區(qū)域極端冷事件演變規(guī)律和形成機(jī)理的研究,對(duì)于提高低溫雨雪冰凍災(zāi)害天氣氣候事件的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力非常重要。盡管全球暖變化使得極端天氣氣候事件頻發(fā)多發(fā),但暖背景下的極端冷事件發(fā)生頻數(shù)并不多,尤其在中國(guó)西南地區(qū)發(fā)生的極端冷事件就更加偏少,極端冷事件的樣本量非常有限。2022年2月19—24日發(fā)生在云南的全省性極端冷事件,為我們開(kāi)展暖背景下的中國(guó)低緯高原地區(qū)的極端低溫事件的研究提供了很好的契機(jī)。深入分析此次冷事件的極端性特征及其影響的關(guān)鍵大氣環(huán)流因子,對(duì)認(rèn)識(shí)暖背景下中國(guó)西南低緯高原地區(qū)極端冷事件的成因機(jī)理,尋找暖背景下低緯高原地區(qū)極端冷事件的關(guān)鍵預(yù)測(cè)因子具有重要的科學(xué)意義。

本文利用云南站點(diǎn)觀測(cè)資料和高分辨率的大氣環(huán)流再分析資料,對(duì)2022年2月19—24日云南發(fā)生的寒潮天氣過(guò)程的極端性特征及其影響的關(guān)鍵大氣環(huán)流因子演變等進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析。

1 資料和方法

本文使用的資料主要有:(1)1961—2022年冬季(12月至次年2月)云南124個(gè)站逐日的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫觀測(cè)資料;(2)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的1981—2022年2月逐日不同等壓面上的高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)等再分析大氣環(huán)流資料,水平分辨率為2.5°×2.5°(Kistler et al,2001);(3)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的第五代大氣再分析全球逐日不同等壓面上的風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等大氣環(huán)流資料,水平分辨率為1.0°×1.0°(Hersbach et al,2020),用于計(jì)算后向軌跡追蹤冷空氣路徑。文中氣候常年值為1981—2010年的平均值,云南省地圖邊界審圖號(hào)為S(2019)033號(hào)。

本文分析利用了波通量(Plumb,1985;Takaya and Nakamura,2001)、后向軌跡追蹤(Draxler and Hess,1998)、30～60 d低通濾波(魏鳳英,2007)等方法。后向軌跡追蹤方法(HYSPLIT-4模式)是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專(zhuān)業(yè)模式(Draxler and Hess,1998)。該模式是具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過(guò)程和不同類(lèi)型污染物排放源功能較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種污染物的傳輸和擴(kuò)散研究。軌跡計(jì)算方法是假定質(zhì)點(diǎn)軌跡隨著風(fēng)場(chǎng)而運(yùn)動(dòng),在t時(shí)刻的初始位置是P(t),相應(yīng)速度為V(P,t),則質(zhì)點(diǎn)在t+Δt時(shí)刻的模擬位置P(t+Δt)由式(1)、式(2)計(jì)算得到。式(1)得到了質(zhì)點(diǎn)的第一假想位置P′(t+Δt),式(2)通過(guò)初始位置和第一假想位置線(xiàn)性插值的平均速度得到了質(zhì)點(diǎn)的最終模擬位置P(t+Δt)。具體計(jì)算公式如下:

P′(t+Δt)=P(t)+V(P,t)Δt

(1)

P(t+Δt)=P(t)+0.5[V(P,t)+

V(P′,t+Δt)]Δt

(2)

為了能夠更好地分析冷事件過(guò)程中冷空氣輸送路徑和源地的變化,利用HYSPLIT模式進(jìn)行向后15 d的冷空氣追蹤。追蹤的起始時(shí)刻為冷空氣影響云南全省的2月21日12時(shí),由于此次冷事件過(guò)程的影響范圍較大,同時(shí)冷空氣在不同高度上的輸送情況不盡相同,因此共選取云南冷空氣影響區(qū)域的22個(gè)格點(diǎn)(圖1),并對(duì)各格點(diǎn)的4個(gè)垂直高度層進(jìn)行后向追蹤。由于HYSPLIT模式本身能夠?qū)⒌葔好娴臄?shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和內(nèi)部插值得到等高面的數(shù)據(jù),4個(gè)垂直方向的高度層分別位于100、500、1000、3000 m。

圖1 云南冷空氣后向軌跡追蹤的格點(diǎn)分布Fig.1 Grid distribution of the backward trajectory track of Yunnan cold air

2 冷事件過(guò)程的極端性特征

2月19—24日的極端冷事件過(guò)程降溫強(qiáng)度大、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),為了全面了解此次冷空氣過(guò)程的極端性特征,首先從東亞范圍來(lái)分析該次過(guò)程的低溫情況,再重點(diǎn)針對(duì)云南區(qū)域進(jìn)行分析。

2.1 東亞地區(qū)的冷事件特征

用東亞區(qū)域(20°～50°N、100°～120°E)平均的地面氣溫來(lái)表征東亞地區(qū)氣溫的變化。2021/2022年冬季東亞地區(qū)表現(xiàn)為前冬暖、后冬冷的氣候特點(diǎn),后冬(1月27日至2月25日)氣溫持續(xù)偏低,其中2月19—24日寒潮過(guò)程是冬季最強(qiáng)的一次低溫事件(圖2a)。從過(guò)程期間溫度距平的空間分布來(lái)看,冷空氣影響范圍較大,東亞地區(qū)出現(xiàn)明顯降溫,強(qiáng)冷空氣一直向南推進(jìn),影響中南半島。18—19日冷空氣影響整個(gè)東亞大陸(圖2b),強(qiáng)降溫中心位于東亞北部地區(qū);20日以后向南推進(jìn)影響中南半島地區(qū),中南半島全區(qū)域氣溫偏低,超過(guò)-8℃的負(fù)距平中心位于華南—中南半島北部,明顯大于東亞北部地區(qū)的降溫(圖2c)。

注:矩形框標(biāo)注東亞區(qū)域(20°～50°N、110°～120°E)。圖2 (a)2021/2022年冬季東亞地區(qū)(20°～50°N、110°～120°E)逐日氣溫距平變化,(b,c)2022年2月(b)18—19日和(c)20—22日氣溫距平分布Fig.1 (a) Daily variation of anomalous surface air temperature (SAT) in East Asia (20°-50°N, 110°-120°E) in winter of 2021/2022; (b, c) distribution of SAT anomalies in (b) 18-19 and (c) 20-22 February 2022

2.2 云南冷事件的極端性特征

受強(qiáng)冷空氣的影響,云南也出現(xiàn)了極端冷事件。圖3a為2021/2022年冬季云南全省124個(gè)站平均的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫變化,可以看到自2022年1月下旬至2月底,受頻繁活動(dòng)的冷空氣影響,云南氣溫變化波動(dòng)較大,三次比較明顯的冷空氣過(guò)程分別出現(xiàn)在2022年1月17—19日、1月30日至2月3日、2月19—22日。其中2月19—24日的冷空氣過(guò)程最顯著,氣溫出現(xiàn)明顯下降, 22日的平均氣溫和最高氣溫下降至最低值,分別比常年同期偏低8.1℃和12.8℃,最低氣溫在23日降到最低,比常年同期偏低4.9℃。19—24日平均的最低氣溫、最高氣溫和平均氣溫分別為12.8℃、3.7℃和7.2℃,分別比常年同期偏低7.8℃、3.0℃和5.0℃。

圖3 (a)2021/2022年冬季云南逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫以及常年同期日平均氣溫變化,(b～d)2022年2月19—24日期間的(b)平均氣溫、(c)最高氣溫和(d)最低氣溫的最大變溫幅度分布(填色和等值線(xiàn),單位:℃)Fig.3 (a) Daily variation of average temperature, maximum temperature, minimum temperature in winter of 2021/2022 and climatological daily mean temperature in Yunnan;(b-d) distributions of the 24 h maximum temperature change range of (b) mean temperature, (c) maximum temperature and (d) minimum temperature (colored and isoline, unit: ℃) in 19-24 February 2022

圖3b～3d分別為2月19—24日期間平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的最大變溫幅度的空間分布,可以看到過(guò)程期間云南中部和東部地區(qū)的氣溫下降最顯著,平均氣溫普遍下降9～15℃(圖3b),最高氣溫下降15～21℃(圖3c),最低氣溫下降6～12℃(圖3d)。云南西部也出現(xiàn)了明顯降溫,尤其是西南部地區(qū),其降溫幅度與中部地區(qū)接近。

此次冷空氣過(guò)程影響范圍廣、降溫幅度大,過(guò)程期間有27個(gè)站日平均氣溫低于或等于0℃,個(gè)舊、宜良、建水等10個(gè)站達(dá)到或突破2月日平均氣溫最低紀(jì)錄(圖4a)。冷空氣由東向西推進(jìn):2月19日冷空氣開(kāi)始影響云南東部(圖4b);20日向西推進(jìn)影響云南中部和西北部(圖4c);21—24日冷空氣進(jìn)一步向西推進(jìn)到云南西部和西南部地區(qū),全省為氣溫負(fù)距平(圖4d～4g);25日氣溫逐漸回升,過(guò)程基本結(jié)束,但云南大部分地區(qū)仍為氣溫負(fù)距平(圖4h)。此次冷事件的極端性特征顯著,19—24日全省有69個(gè)站達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn),主要分布在云南中部、東部和西南部地區(qū)(圖5a)。過(guò)程期間,有60個(gè)站日最高氣溫低于5℃,其中有23個(gè)站達(dá)到或突破2月日最高氣溫最低值記錄(圖5b);有56個(gè)站最低氣溫低于或等于0℃,其中有19個(gè)站低于-2℃,個(gè)舊站突破2月日最低氣溫紀(jì)錄(圖略)。此次冷空氣過(guò)程是云南省近10年來(lái)第二強(qiáng)寒潮天氣過(guò)程,僅次于2016年1月22—26日發(fā)生在云南的極端冷事件。

圖4 2022年2月(a)19—24日平均的氣溫距平和(b～h)19—25日逐日的平均氣溫距平分布(填色和等值線(xiàn),單位:℃)Fig.4 (a) Distribution of average temperature anomaly in 19-24 February 2022 and (b-h) the daily distribution of daily average temperature anomaly in 19-25 February 2022 (colored and isoline, unit: ℃)

圖5 2022年2月19—24日(a)出現(xiàn)寒潮的站點(diǎn)(“1”:有寒潮,“0”:無(wú)寒潮)和(b)日最高氣溫最低值分布(填色和等值線(xiàn),單位:℃)Fig.5 (a) The stations with strong cold wave (“1”: cold wave, “0”: no cold wave) and (b) distribution of minimum value of daily maximum temperature (colored and isoline, unit: ℃) in 19-24 February 2022

2.3 極端冷事件期間的降水特征

過(guò)程期間,除低溫天氣突出,2月19—22日云南大部地區(qū)相伴出現(xiàn)了明顯降水,全省平均的累計(jì)降水為16.7 mm,接近2月常年降水(17.7 mm),其中22日全省平均降水為10.3 mm,是2021/2022年冬季第二大降水日(圖6a);降水主要集中在云南中西部和東南部地區(qū),大理、楚雄和紅河大部分地區(qū)的過(guò)程累計(jì)降水大于25 mm,紅河部分地區(qū)甚至超過(guò)50 mm(圖6b),與常年同期相比,除西北部和西南部的9個(gè)站降水距平百分率偏低4%～34%,其余大部分地區(qū)降水偏多超過(guò)3倍,其中在昆明、楚雄、玉溪、大理、紅河等地的30個(gè)站降水偏多10～85倍(楚雄元謀)(圖6c)。過(guò)程期間全省有10個(gè)站日降水達(dá)到大雨量級(jí),元謀、牟定、姚安、南華4個(gè)站日降水突破2月日降水極大值。2月22日全省有65個(gè)站出現(xiàn)降雪,單日降雪范圍為近20年以來(lái)最大;昭通南部、曲靖、昆明北部出現(xiàn)中到大雪、局部暴雪或大暴雪天氣,過(guò)程累計(jì)積雪深度達(dá)6～20 cm(會(huì)澤)(圖略)。

圖6 (a)2021年12月1日至2022年2月28日云南全省平均的逐日降水,(b,c)2022年2月19—22日(b)累計(jì)降水(填色和等值線(xiàn),單位:mm)和(c)降水距平百分率(填色和等值線(xiàn),單位:%)分布Fig.6 (a) Variation of daily precipitation in Yunnan from 1 December 2021 to 28 February 2022,(b, c) distribution of (b) accumulated precipitation (colored and isoline, unit: mm) and (c) percentage of precipitation anomaly (colored and isoline, unit: %) in 19-22 February 2022

3 中高緯度環(huán)流演變和冷空氣活動(dòng)

東亞冬季風(fēng)活動(dòng)是影響云南冬季極端冷事件發(fā)生的直接因素,而亞洲副熱帶高空西風(fēng)急流、歐亞中高緯度阻塞高壓、高原高度場(chǎng)變化、東亞大槽、西伯利亞高壓等是東亞季風(fēng)的主要成員,其異常變化反映了高低層?xùn)|亞冬季風(fēng)活動(dòng)的異常。下面圍繞以上東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵成員的演變特征來(lái)分析2022年2月19—24日極端冷事件的形成過(guò)程。

冷空氣從2月19日開(kāi)始影響云南東部,影響的關(guān)鍵時(shí)段主要集中在2月20—23日。由于云南特殊的地理位置,影響云南的冷空氣很難快速移出,大部分情況下冷空氣會(huì)一直滯留在云南區(qū)域,直至變性減弱,24日就屬于滯留冷空氣造成的強(qiáng)低溫天氣。因此以2月20—23日為冷空氣影響的關(guān)鍵時(shí)段,記為同期“0”時(shí)段,分析該時(shí)段超前1～5 d(2月15—19日)和滯后1～2 d(2月24—25日)逐日的大氣環(huán)流演變特征。

3.1 西伯利亞高壓

從2月15—25日海平面氣壓(SLP)場(chǎng)及其距平場(chǎng)(圖7)可以看到西伯利亞高壓(40°～60°N、70°～120°E)(Lü et al,2019)的演變過(guò)程。15日西伯利亞為SLP負(fù)距平,顯著的SLP高壓中心和正距平位于里海附近;16日里海附近的SLP正1050 hPa的高壓中心位于蒙古,云南為SLP負(fù)距平區(qū);19日西伯利亞高壓向南擴(kuò)展至20°N附近,但正距平中心仍位于蒙古國(guó),高壓前部等壓線(xiàn)密集,云南東北部為等壓線(xiàn)密集的SLP正距平區(qū);20—23日西伯利亞高壓主體明顯南壓,云南中東部為SLP正距平,在云南東部至貴州有一個(gè)SLP正距平中心;24—25日SLP正距平中心南壓至華南沿海,強(qiáng)度明顯減弱,標(biāo)志著冷空氣過(guò)程結(jié)束。從SLP場(chǎng)的演變來(lái)看,此次冷空氣過(guò)程與西伯利亞高壓的發(fā)展、加強(qiáng)和南壓密切聯(lián)系,而西伯利亞高壓的加強(qiáng)與里海附近高壓的發(fā)展東移有關(guān)。

注:綠色矩形框表示西伯利亞高壓位置,黑色矩形框表示云南所在區(qū)域。圖7 2022年2月15—25日SLP場(chǎng)(等值線(xiàn),單位:hPa)及其距平場(chǎng)(填色)逐日演變Fig.7 Daily evolution of SLP (isoline, unit: hPa) and its anomaly (colored) in 15-25 February 2022

3.2 500 hPa大氣環(huán)流演變

500 hPa高度場(chǎng)演變(圖8)表明此次冷空氣過(guò)程與烏拉爾山高壓(50°～70°N、40°～80°E)(Luo et al,2016;Gong and Luo,2017;Tyrlis et al,2019)的發(fā)展東移和東亞槽的發(fā)展加強(qiáng)密切聯(lián)系。15日歐亞中高緯度總體為一脊一槽,烏拉爾山以西的地區(qū)為脊區(qū),西伯利亞—東亞為寬廣的低壓槽區(qū)(圖8a);16—18日烏拉爾山以西的正高度距平東移,烏拉爾山高壓脊明顯加強(qiáng)(圖8b,8d);19日高壓脊主體繼續(xù)東移至烏拉爾山東部地區(qū),東亞?wèn)|部至青藏高原為負(fù)高度距平,有利于東亞槽加強(qiáng)(圖8e);20—23日烏拉爾山高壓脊東移至貝加爾湖附近,東亞地區(qū)位勢(shì)高度北高南低的形勢(shì)明顯,有利于冷空氣加強(qiáng)南壓(圖8f);24—25日,東亞槽減弱東移,青藏高原至我國(guó)大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為正距平,云南也轉(zhuǎn)為明顯的正距平區(qū),表明冷空氣活動(dòng)減弱(圖8g,8h)。從500 hPa高度場(chǎng)還可以看到副高的變化,在強(qiáng)冷空氣影響云南的前期(15—17日)副高較弱,位置明顯偏東(圖8a～8c);18—19日副高加強(qiáng)西伸,西脊點(diǎn)位置與多年氣候平均西脊點(diǎn)位置基本一致(圖8d,8e);20—23日強(qiáng)冷空氣南下影響的主要時(shí)段副高再次減弱東退,有利于冷空氣向南活動(dòng)(圖8f);24—25日副高又再次加強(qiáng)西伸,并與西亞的副熱帶高壓合并,熱帶印度洋至西太平洋地區(qū)的高度場(chǎng)升高,東亞北高南低的形勢(shì)減弱消失(圖8g,8h)。

注:綠色矩形框表示烏拉爾山高壓位置,黑色矩形框表示云南所在的區(qū)域,紅色實(shí)線(xiàn)為多年氣候平均副高位置,綠色虛線(xiàn)為副高的實(shí)時(shí)位置。圖8 2022年2月15—25日500 hPa高度場(chǎng)(等值線(xiàn),單位:gpm)及其距平場(chǎng)(填色)逐日演變Fig.8 Daily evolution of 500 hPa geopotential height (isoline, unit: gpm) and its anomaly (colored) in 15-25 February 2022

另外,從500 hPa高度的環(huán)流演變也可以看到無(wú)論在過(guò)程前期的15—18日,還是在過(guò)程期間的19—23日,北印度洋大部分地區(qū)均為負(fù)高度距平(圖8a～8f)。但過(guò)程前期負(fù)高度距平中心位于印度半島,表明南支槽位置偏西;19—23日南支槽東移,負(fù)距平中心東移至孟加拉灣北部地區(qū),表明過(guò)程期間孟加拉灣南支槽加強(qiáng)。24日之后北印度洋轉(zhuǎn)為正高度距平,南支槽明顯減弱。

3.3 高空西風(fēng)急流

高層西風(fēng)急流與低層冷空氣活動(dòng)密切聯(lián)系(Yang et al,2002;況雪源等,2008)。此次冷空氣過(guò)程的發(fā)展演變過(guò)程中200 hPa亞洲強(qiáng)西風(fēng)急流中心表現(xiàn)出明顯東移的特征,從青藏高原東移至西北太平洋地區(qū)。15日70 m·s-1的西風(fēng)急流中心以及較強(qiáng)的正距平中心位于青藏高原(圖9a);16—18日逐漸發(fā)展東移(圖9b～9d);19日西風(fēng)急流中心東移至華北,中心風(fēng)速加強(qiáng)至90 m·s-1(圖9e);20—23日強(qiáng)冷空氣南下影響云南時(shí)西風(fēng)急流中心繼續(xù)東移至日本海(圖9f);24—25日東移至西北太平洋上空,冷空氣過(guò)程結(jié)束(圖9g,9h)。高層西風(fēng)急流中心的變化表明此次冷空氣過(guò)程與西風(fēng)急流中心從青藏高原東移至西北太平洋上空的變化有關(guān)。目前的一些研究表明,東亞地區(qū)的高空急流與低層西伯利亞高壓和阿留申低壓的加強(qiáng)密切聯(lián)系。當(dāng)東亞西風(fēng)急流強(qiáng)度偏強(qiáng)時(shí),在急流入口區(qū)左側(cè),由于氣流輻合,造成低層氣壓上升;在出口區(qū)左側(cè),則由于氣流發(fā)生強(qiáng)烈輻散,造成低層氣壓下降。低層氣壓變化分別對(duì)應(yīng)西伯利亞高壓和北太平洋阿留申低壓的加強(qiáng)。同時(shí)由于海陸氣壓差加大,導(dǎo)致東亞大槽和東亞冬季風(fēng)加強(qiáng)(Yang et al,2002;況雪源等,2008)。因此,在此次極端冷事件過(guò)程中,低層西伯利亞高壓的加強(qiáng)南壓以及東亞冬季風(fēng)的加強(qiáng),可能與高層亞洲副熱帶西風(fēng)急流的加強(qiáng)東移有十分密切的聯(lián)系。

3.4 Rossby波列活動(dòng)

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)Rossby波活動(dòng)在此次極端冷事件中的作用,參考Takaya and Nakamura(2001)和Plumb(1985)的方法計(jì)算了過(guò)程前后300 hPa的波通量(圖10)?？梢?jiàn),2月16日分別在北大西洋副熱帶地區(qū)和烏拉爾山西部存在的兩個(gè)高度正異常中心,對(duì)應(yīng)著冷空氣過(guò)程的兩支波列,其中:北支波列顯著,表現(xiàn)為歐亞中高緯度至東亞為“+ -”高度異常,烏拉爾山西部為高度正異常,青藏高原至東亞為高度負(fù)異常,波能量從正高度異常區(qū)向負(fù)高度異常區(qū)頻散;南支波列表現(xiàn)為能量從北大西洋副熱帶的正高度異常區(qū)向非洲西北部的負(fù)高度異常區(qū)頻散,波列結(jié)構(gòu)特征不顯著(圖10a)。17—18日北支波列的烏拉爾山正高度異常中心東移至西西伯利亞,向下游青藏高原至東亞負(fù)高度異常區(qū)的能量頻散也逐漸加強(qiáng),有利于青藏高原至東亞?wèn)|部的冷空氣堆積,對(duì)應(yīng)此時(shí)西伯利亞高壓的增強(qiáng)(圖7c,7d);同樣,南支波列中北大西洋副熱帶正高度異常中心和非洲西北部的負(fù)高度異常中心也逐漸東移,“+ -”異常波列結(jié)構(gòu)特征逐漸清晰(圖10b,10c)。19日北支波列的青藏高原東部負(fù)高度異常區(qū)的能量出現(xiàn)向南頻散的分量,表明有冷空氣向南活動(dòng)影響西南地區(qū),對(duì)應(yīng)低層西伯利亞高壓中心南壓(圖7e);起源于北大西洋副熱帶地區(qū),經(jīng)非洲和阿拉伯海,到青藏高原的“+ - + -”的南支波列結(jié)構(gòu)變得非常顯著,阿拉伯海正高度異常區(qū)有能量向青藏高原地區(qū)頻散,加強(qiáng)了青藏高原地區(qū)的負(fù)高度異常(圖10d)。20日受北支波列和南支波列的共同影響,青藏高原地區(qū)的負(fù)高度異常和高原東部向南的能量頻散均明顯加強(qiáng)(圖10e),對(duì)應(yīng)低層西伯利亞高壓的明顯南壓(圖7f)。21—22日,南支波列明顯減弱,非洲至青藏高原的波列基本消失,而貝加爾湖地區(qū)和伊朗高原仍然有能量向中國(guó)東部和南部地區(qū)頻散。值得注意的是,盡管南支波列中伊朗高原至青藏高原的波列減弱,但在北大西洋中低緯度地區(qū)又出現(xiàn)新的波列,該波列中有波能量從中緯度的正高度異常區(qū)域向低緯度的負(fù)高度異常區(qū)頻散(圖10f,10g)。23—25日,貝加爾湖以北地區(qū)的正高度異常減弱,能量頻散也明顯減弱,而北大西洋中緯度地區(qū)經(jīng)非洲北部、伊朗高原、青藏高原的波列結(jié)構(gòu)和能量頻散卻再次加強(qiáng)(圖10h～10j),由于云南受到來(lái)自印度半島北部向東和青藏高原東部向南的能量頻散的影響,盡管此時(shí)冷空氣已逐漸減弱,但云南大部地區(qū)25日仍然出現(xiàn)大范圍的負(fù)高度距平區(qū)域(圖4h)。

以上分析表明,南北兩支波列的共同作用對(duì)青藏高原至東亞地區(qū)負(fù)高度異常的加強(qiáng)和云南極端冷事件的發(fā)生有十分重要的影響,尤其是19日南支波列的影響對(duì)于北支波列波能量在青藏高原東部地區(qū)的向南頻散和冷空氣南下有十分重要的引導(dǎo)作用,同時(shí),南支波列活動(dòng)有利于孟加拉灣地區(qū)南支槽加強(qiáng),相應(yīng)加強(qiáng)了西南水汽輸送。下文進(jìn)一步分析此次冷事件過(guò)程中熱帶環(huán)流系統(tǒng)和暖濕氣流的變化特征。

3.5 冷空氣活動(dòng)路徑

云南位于青藏高原向東延伸部份,受地形阻擋,影響云南的冷空氣路徑與影響中國(guó)東部地區(qū)的冷空氣路徑明顯不同。在云南,東北路徑最多(占冷空氣路徑總數(shù)的63 %),其次是偏東路徑(占28 %),西北路徑最少(僅占9 %)(秦劍等,1997)。冷空氣路徑主要看低層冷空氣的移動(dòng),通過(guò)HYSPLIT方法追蹤2月21日后向15 d的冷空氣路徑(圖11),發(fā)現(xiàn)此次過(guò)程的冷空氣主要沿東北路徑進(jìn)入云南。由于云南所處的地理位置和自身地形條件,當(dāng)冷空氣南下影響時(shí),低層的冷高壓由北向南移動(dòng),云南受高壓前部的偏東北或偏東氣流影響,冷空氣由東北或偏東路徑進(jìn)入云南。由圖11a看到,低層100 m高度層的大部分冷空氣從中國(guó)東北進(jìn)入,經(jīng)華北、華東向西南推進(jìn),從貴州進(jìn)入云南,另外,可以看到由于四川盆地海拔降低,有少量冷空氣從四川東部沿東北路徑南下影響云南東北部。但在500 m以上高度,冷空氣的移動(dòng)路徑與低層相比明顯不同,除了東北路徑的冷空氣,還有來(lái)自青藏高原南側(cè)的偏西氣流,越到高層,從青藏高原進(jìn)入云南的西風(fēng)氣流越強(qiáng),3000 m高度云南主要受到青藏高原南部西風(fēng)氣流的影響(圖11b～11d)。從氣流的起源和移動(dòng)路徑看到,影響云南的氣流主要是來(lái)自歐亞中高緯度的北支波列和北大西洋副熱帶地區(qū)的南支波列,在青藏高原合并后,向東南經(jīng)青藏高原南部,從云南西邊界進(jìn)入(圖11d)。同時(shí),可以看到在1000 m高度有來(lái)自孟加拉灣的氣流,表明在該高度上云南受到來(lái)自孟加拉灣地區(qū)水汽輸送的影響最明顯(圖11c)。

注:黑色線(xiàn)為云南省的邊界,其內(nèi)三角為水汽追蹤的起始點(diǎn),灰色線(xiàn)為水汽路徑。圖11 2022年2月21日不同高度后向15 d的冷空氣路徑軌跡追蹤(a)100 m,(b)500 m,(c)1000 m,(d)3000 mFig.11 The 15 d cold air path tracked by backward trajectory model at different altitudes on 21 February 2022(a) 100 m, (b) 500 m, (c) 1000 m, (d) 3000 m

4 熱帶環(huán)流系統(tǒng)和水汽輸送異常

此次極端冷事件不僅出現(xiàn)強(qiáng)降溫,還伴隨明顯的強(qiáng)雨雪天氣。因此,除了來(lái)自中高緯度地區(qū)的冷空氣影響,熱帶地區(qū)的環(huán)流異常及水汽輸送也是十分重要的。

過(guò)程期間,2月19—22日云南全省出現(xiàn)降水,23—24日無(wú)降水,最大降水出現(xiàn)在22日(圖6a)。圖12a為19—22日平均的整層水汽輸送通量異常和水汽輸送散度,可以看到該時(shí)段云南受到來(lái)自孟加拉灣西南水汽輸送的影響,全省大部分地區(qū)出現(xiàn)水汽輻合,水汽條件較好。過(guò)程期間西南氣流和東北氣流在云南區(qū)域交匯非常顯著,隨著偏北氣流的加強(qiáng),冷暖空氣交界面逐漸南壓至10°N附近,云南區(qū)域出現(xiàn)明顯降溫(圖12b)。19—22日700 hPa在云南區(qū)域也出現(xiàn)明顯的輻合,偏東和偏南氣流的交匯非常顯著,表明冷空氣在影響華南之后,由東向西推進(jìn)影響云南的過(guò)程(圖12c)。在氣象業(yè)務(wù)上一般稱(chēng)這種低層由東向西推進(jìn)的冷空氣為“回流”天氣,這是冷空氣影響云南的重要特征。

注:圖c中,綠色線(xiàn)為青藏高原700 hPa高度的輪廓線(xiàn);圖d中,紅色實(shí)心箭頭表示冷空氣和異常西南風(fēng),紅色空心箭頭表示異常西風(fēng)和東風(fēng)。圖12 2022年2月19—22日平均的(a)整層水汽通量異常(箭矢)和水汽輸送輻合輻散異常(填色),(c)700 hPa散度(填色)和距平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢),(d)30～60 d低頻向外長(zhǎng)波輻射異常(填色)和低頻850 hPa風(fēng)場(chǎng)異常(風(fēng)矢),以及(b)2月逐日沿100°～110°E平均的850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)和溫度距平(填色)的緯度-時(shí)間剖面Fig.12 (a) Water vapor flux anomaly (vector) and water vapor transport convergence and divergence anomaly (colored), (c) 700 hPa divergence (colored) and anomalous wind field (wind vector), (d) averaged 30-60 d low-frequency outward long-wave radiation anomaly (colored) and low-frequency 850 hPa wind field anomaly (wind vector) in 19-22 February, and (b) latitude-time profile of daily mean wind anomaly (wind vector) and temperature anomaly (colored) along 100°-110°E at 850 hPa in February 2022

副熱帶地區(qū)的環(huán)流變化可能與熱帶對(duì)流活動(dòng)有關(guān),當(dāng)熱帶地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)從印度洋東移至西太平洋時(shí),會(huì)引起副高和南支槽的異常變化,進(jìn)而引起我國(guó)降水異常(吳俊杰等,2009;Jia et al,2011)。圖12d 為2月19—22日異常的30～60 d低頻向外長(zhǎng)波輻射(OLR)和低頻850 hPa矢量風(fēng),看到極端冷事件發(fā)生時(shí)較強(qiáng)的對(duì)流活動(dòng)中心分別位于赤道中印度洋至孟加拉灣北部和熱帶西太平洋地區(qū)。熱帶西太平洋對(duì)流活動(dòng)中心西側(cè)的西風(fēng)和東側(cè)的東風(fēng)在菲律賓群島南部輻合,南海南部至菲律賓群島北部為氣旋性環(huán)流,該氣旋型環(huán)流西北側(cè)的偏東北氣流加強(qiáng)。另外,也可以看到從華南至中南半島北部偏東北氣流的加強(qiáng)在一定程度上也可能受到赤道中印度洋至孟加拉灣北部強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)的影響,該區(qū)域的強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)有利于低層氣流的輻合上升,進(jìn)而加強(qiáng)從華南至中南半島北部的偏東北氣流。因此,極端冷事件期間東亞冬季風(fēng)的加強(qiáng)南壓與熱帶地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)是密切聯(lián)系的。

5 結(jié)論和討論

通過(guò)分析,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)2022年2月19—24日云南寒潮過(guò)程的強(qiáng)降溫主要發(fā)生在20—23日,冷空氣從東北路徑進(jìn)入影響云南,低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)并伴有強(qiáng)降水,是云南近10年第二強(qiáng)的區(qū)域性寒潮天氣過(guò)程,全省有69個(gè)站達(dá)到中等以上強(qiáng)度的寒潮標(biāo)準(zhǔn),有10個(gè)站日平均氣溫達(dá)到或突破2月最低值紀(jì)錄,23個(gè)站日最高氣溫達(dá)到或突破2月最低值紀(jì)錄。

(2)此次冷空氣過(guò)程與烏拉爾山高壓脊、東亞槽、亞洲高空西風(fēng)急流、西伯利亞高壓等中高緯度環(huán)流系統(tǒng)的加強(qiáng)密切聯(lián)系。過(guò)程期間伴隨高層烏拉爾山高壓脊加強(qiáng)東移,低層西伯利亞高壓加強(qiáng)南壓、東亞槽加深,在東亞形成顯著的北高南低形勢(shì),非常有利于冷空氣向南活動(dòng)。過(guò)程期間亞洲高空西風(fēng)急流中心從青藏高原逐漸東移,強(qiáng)度顯著加強(qiáng),當(dāng)高空急流東移至日本附近時(shí),冷空氣過(guò)程結(jié)束,因此,極端冷事件的發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束時(shí)間與亞洲高空西風(fēng)急流中心由西向東的移動(dòng)過(guò)程密切聯(lián)系。

(3)該次強(qiáng)冷空氣過(guò)程中,起源于北大西洋副熱帶地區(qū)的異常波列東傳,對(duì)于青藏高原至東亞?wèn)|部地區(qū)負(fù)位勢(shì)高度異常的加強(qiáng),以及青藏高原東部地區(qū)波能量的向南頻散和冷空氣的南下有十分重要的引導(dǎo)作用,并對(duì)南支槽前西南水汽輸送的加強(qiáng)有一定影響。

(4)過(guò)程期間,除了強(qiáng)降溫,還伴隨明顯的降水天氣,影響降水的水汽主要來(lái)源孟加拉灣地區(qū),熱帶低頻對(duì)流活動(dòng)對(duì)于東亞?wèn)|部冷空氣的加強(qiáng)南壓有一定影響,西南氣流和東北氣流在云南區(qū)域交匯作用使得過(guò)程期間出現(xiàn)明顯的低溫雨雪。

很多研究表明烏拉爾山高壓脊和西伯利亞高壓是影響冷空氣活動(dòng)最直接的大氣環(huán)流系統(tǒng)(Luo et al,2016;Yan et al,2022)。本文分析發(fā)現(xiàn)亞洲高空西風(fēng)急流中心由青藏高原向日本海加強(qiáng)東移的過(guò)程,實(shí)際上對(duì)應(yīng)著此次冷空氣過(guò)程中西伯利亞高壓的加強(qiáng)南壓,以及冷空氣過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束。因此有關(guān)亞洲高空急流活動(dòng)影響云南冷事件發(fā)生發(fā)展的過(guò)程和機(jī)理還需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。

另外,本文分析還發(fā)現(xiàn)起源于北大西洋副熱帶地區(qū)的波列東傳對(duì)云南極端冷事件的影響也是值得進(jìn)一步關(guān)注的問(wèn)題。Song and Wu(2017)的研究以40°N為界將中國(guó)東部劃分為南部和北部?jī)蓚€(gè)區(qū)域,對(duì)比分析了冷空氣僅影響北部,以及同時(shí)影響北部和南部地區(qū)的兩種過(guò)程,發(fā)現(xiàn)副熱帶地區(qū)的環(huán)流存在顯著差異:當(dāng)冷空氣同時(shí)影響南部和北部時(shí),副熱帶地區(qū)沒(méi)有異常波列出現(xiàn);相反,當(dāng)冷空氣僅影響北部地區(qū)時(shí),副熱帶地區(qū)存在起源北大西洋“+ - + - +”的異常Rossby波列,該異常波列的東傳剛好在青藏高原至華南形成一個(gè)高壓環(huán)流,阻擋了冷空氣的南下,導(dǎo)致中國(guó)南部偏暖。該結(jié)論與本文的分析存在明顯不一致,因此,有關(guān)副熱帶Rossby波列東傳對(duì)中國(guó)南部氣候的影響還需要對(duì)更多極端冷事件個(gè)例的分析來(lái)驗(yàn)證。