晏紅明 孔祥吉 字俁丞 舒康寧

1 云南省氣候中心,昆明 650034 2 國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院,北京 100013 3 中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院,合肥 230026 4 云南省氣象臺,昆明 650034

提 要: 2022年2月19—24日受強冷空氣影響,云南全省發(fā)生了一次極端冷事件,該事件降溫強度大、影響范圍廣、持續(xù)時間長。利用云南124個站氣象觀測資料、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,是云南省近10年第二強的區(qū)域性寒潮天氣過程,全省有69個站達到中等以上強度寒潮標準,有10個站日平均氣溫達到或突破2月最低紀錄。過程期間雨雪天氣突出,過程累計降水接近2月常年,單日降雪范圍為近20年以來最大。影響此次冷事件的因子極其復(fù)雜,冷空氣活動與烏拉爾山高壓脊、東亞槽、亞洲高空西風急流、西伯利亞高壓等大氣環(huán)流系統(tǒng)的加強演變密切聯(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,并對南支槽前的西南水汽輸送加強有一定影響;同時,熱帶地區(qū)的對流活動也對東亞地區(qū)冷空氣的加強南下有一定影響。過程期間,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)致過程期間出現(xiàn)明顯低溫雨雪。

引 言

2022年2月19—24日,中國發(fā)生了一次大范圍的寒潮天氣過程,該過程降溫強度大、影響范圍廣、持續(xù)時間長,強冷空氣一直向南推進到中南半島北部。云南大部分地區(qū)出現(xiàn)了強降溫和雨雪天氣,有69個站達到中等以上寒潮標準,是云南近10年第二強的寒潮天氣過程,單日降雪范圍為近20年以來最大,給云南社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活帶來了巨大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計,僅本次極端冷事件就造成云南約23.7萬人受災(zāi),直接經(jīng)濟損失達5億元,其中農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失逾18億元。

在全球變暖背景下,極端冷事件對生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的影響日趨嚴重(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)濟作物等對極端冷事件的防御能力非常弱,一旦遭遇強冷空氣的影響,造成的損失就十分嚴重。但一直以來云南氣象工作關(guān)注的重點主要集中在雨季開始期、春季和夏季旱澇等方面(陳艷等,2021;蘇錦蘭等,2021),對冬季氣候異常的研究還比較少(姚愚和晏紅明,2018),對極端冷事件的研究就更少(王學鋒,2020)。目前的大部分工作集中在對冬季云南寒潮的時空特征分析,海云莎等(2011)分析了1961—2008年冬季云南的寒潮過程,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東亞槽加強和西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)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。也有部分工作針對強寒潮過程進行分析,晏紅明等(2009)、楊素雨等(2012)、閔穎等(2013)和史悅等(2017)分別對2008年、2011年、2016年三次云南強寒潮天氣過程的分析表明云南強寒潮過程與西伯利亞高壓、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)測提供了科學依據(jù),但對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東部的冷空氣在移動路徑和強度變化上的差異等方面的認識還十分有限。

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)律和形成機理的研究,對于提高低溫雨雪冰凍災(zāi)害天氣氣候事件的預(yù)報預(yù)測能力非常重要。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,為我們開展暖背景下的中國低緯高原地區(qū)的極端低溫事件的研究提供了很好的契機。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,對認識暖背景下中國西南低緯高原地區(qū)極端冷事件的成因機理,尋找暖背景下低緯高原地區(qū)極端冷事件的關(guān)鍵預(yù)測因子具有重要的科學意義。

本文利用云南站點觀測資料和高分辨率的大氣環(huán)流再分析資料,對2022年2月19—24日云南發(fā)生的寒潮天氣過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個站逐日的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫觀測資料;(2)美國國家環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的1981—2022年2月逐日不同等壓面上的高度場、風場、溫度場等再分析大氣環(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場、高度場、溫度場等大氣環(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為S(2019)033號。

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)是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模式(Draxler and Hess,1998)。該模式是具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能較為完整的輸送、擴散和沉降模式,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種污染物的傳輸和擴散研究。軌跡計算方法是假定質(zhì)點軌跡隨著風場而運動,在t時刻的初始位置是P(t),相應(yīng)速度為V(P,t),則質(zhì)點在t+Δt時刻的模擬位置P(t+Δt)由式(1)、式(2)計算得到。式(1)得到了質(zhì)點的第一假想位置P′(t+Δt),式(2)通過初始位置和第一假想位置線性插值的平均速度得到了質(zhì)點的最終模擬位置P(t+Δt)。具體計算公式如下:

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程中冷空氣輸送路徑和源地的變化,利用HYSPLIT模式進行向后15 d的冷空氣追蹤。追蹤的起始時刻為冷空氣影響云南全省的2月21日12時,由于此次冷事件過程的影響范圍較大,同時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個格點(圖1),并對各格點的4個垂直高度層進行后向追蹤。由于HYSPLIT模式本身能夠?qū)⒌葔好娴臄?shù)據(jù)通過內(nèi)坐標轉(zhuǎn)換和內(nèi)部插值得到等高面的數(shù)據(jù),4個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分布Fig.1 Grid distribution of the backward trajectory track of Yunnan cold air

2 冷事件過程的極端性特征

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

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,后冬(1月27日至2月25日)氣溫持續(xù)偏低,其中2月19—24日寒潮過程是冬季最強的一次低溫事件(圖2a)。從過程期間溫度距平的空間分布來看,冷空氣影響范圍較大,東亞地區(qū)出現(xiàn)明顯降溫,強冷空氣一直向南推進,影響中南半島。18—19日冷空氣影響整個東亞大陸(圖2b),強降溫中心位于東亞北部地區(qū);20日以后向南推進影響中南半島地區(qū),中南半島全區(qū)域氣溫偏低,超過-8℃的負距平中心位于華南—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,受頻繁活動的冷空氣影響,云南氣溫變化波動較大,三次比較明顯的冷空氣過程分別出現(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,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。

此次冷空氣過程影響范圍廣、降溫幅度大,過程期間有27個站日平均氣溫低于或等于0℃,個舊、宜良、建水等10個站達到或突破2月日平均氣溫最低紀錄(圖4a)。冷空氣由東向西推進:2月19日冷空氣開始影響云南東部(圖4b);20日向西推進影響云南中部和西北部(圖4c);21—24日冷空氣進一步向西推進到云南西部和西南部地區(qū),全省為氣溫負距平(圖4d～4g);25日氣溫逐漸回升,過程基本結(jié)束,但云南大部分地區(qū)仍為氣溫負距平(圖4h)。此次冷事件的極端性特征顯著,19—24日全省有69個站達到寒潮標準,主要分布在云南中部、東部和西南部地區(qū)(圖5a)。過程期間,有60個站日最高氣溫低于5℃,其中有23個站達到或突破2月日最高氣溫最低值記錄(圖5b);有56個站最低氣溫低于或等于0℃,其中有19個站低于-2℃,個舊站突破2月日最低氣溫紀錄(圖略)。此次冷空氣過程是云南省近10年來第二強寒潮天氣過程,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,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(“1”:有寒潮,“0”:無寒潮)和(b)日最高氣溫最低值分布(填色和等值線,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)的過程累計降水大于25 mm,紅河部分地區(qū)甚至超過50 mm(圖6b),與常年同期相比,除西北部和西南部的9個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3倍,其中在昆明、楚雄、玉溪、大理、紅河等地的30個站降水偏多10～85倍(楚雄元謀)(圖6c)。過程期間全省有10個站日降水達到大雨量級,元謀、牟定、姚安、南華4個站日降水突破2月日降水極大值。2月22日全省有65個站出現(xiàn)降雪,單日降雪范圍為近20年以來最大;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,過程累計積雪深度達6～20 cm(會澤)(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)累計降水(填色和等值線,單位:mm)和(c)降水距平百分率(填色和等值線,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

東亞冬季風活動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急流、歐亞中高緯度阻塞高壓、高原高度場變化、東亞大槽、西伯利亞高壓等是東亞季風的主要成員,其異常變化反映了高低層?xùn)|亞冬季風活動的異常。下面圍繞以上東亞冬季風系統(tǒng)關(guān)鍵成員的演變特征來分析2022年2月19—24日極端冷事件的形成過程。

冷空氣從2月19日開始影響云南東部,影響的關(guān)鍵時段主要集中在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低溫天氣。因此以2月20—23日為冷空氣影響的關(guān)鍵時段,記為同期“0”時段,分析該時段超前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)場及其距平場(圖7)可以看到西伯利亞高壓(40°～60°N、70°～120°E)(Lü et al,2019)的演變過程。15日西伯利亞為SLP負距平,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負距平區(qū);19日西伯利亞高壓向南擴展至20°N附近,但正距平中心仍位于蒙古國,高壓前部等壓線密集,云南東北部為等壓線密集的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SLP正距平中心;24—25日SLP正距平中心南壓至華南沿海,強度明顯減弱,標志著冷空氣過程結(jié)束。從SLP場的演變來看,此次冷空氣過程與西伯利亞高壓的發(fā)展、加強和南壓密切聯(lián)系,而西伯利亞高壓的加強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(等值線,單位:hPa)及其距平場(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高度場演變(圖8)表明此次冷空氣過程與烏拉爾山高壓(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(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),東亞東部至青藏高原為負高度距平,有利于東亞槽加強(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)位勢高度北高南低的形勢明顯,有利于冷空氣加強南壓(圖8f);24—25日,東亞槽減弱東移,青藏高原至我國大部分地區(qū)轉(zhuǎn)為正距平,云南也轉(zhuǎn)為明顯的正距平區(qū),表明冷空氣活動減弱(圖8g,8h)。從500 hPa高度場還可以看到副高的變化,在強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日副高加強西伸,西脊點位置與多年氣候平均西脊點位置基本一致(圖8d,8e);20—23日強冷空氣南下影響的主要時段副高再次減弱東退,有利于冷空氣向南活動(圖8f);24—25日副高又再次加強西伸,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)的高度場升高,東亞北高南低的形勢減弱消失(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,紅色實線為多年氣候平均副高位置,綠色虛線為副高的實時位置。圖8 2022年2月15—25日500 hPa高度場(等值線,單位:gpm)及其距平場(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論在過程前期的15—18日,還是在過程期間的19—23日,北印度洋大部分地區(qū)均為負高度距平(圖8a～8f)。但過程前期負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,負距平中心東移至孟加拉灣北部地區(qū),表明過程期間孟加拉灣南支槽加強。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 高空西風急流

高層西風急流與低層冷空氣活動密切聯(lián)系(Yang et al,2002;況雪源等,2008)。此次冷空氣過程的發(fā)展演變過程中200 hPa亞洲強西風急流中心表現(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的西風急流中心以及較強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日西風急流中心東移至華北,中心風速加強至90 m·s-1(圖9e);20—23日強冷空氣南下影響云南時西風急流中心繼續(xù)東移至日本海(圖9f);24—25日東移至西北太平洋上空,冷空氣過程結(jié)束(圖9g,9h)。高層西風急流中心的變化表明此次冷空氣過程與西風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密切聯(lián)系。當東亞西風急流強度偏強時,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)生強烈輻散,造成低層氣壓下降。低層氣壓變化分別對應(yīng)西伯利亞高壓和北太平洋阿留申低壓的加強。同時由于海陸氣壓差加大,導(dǎo)致東亞大槽和東亞冬季風加強(Yang et al,2002;況雪源等,2008)。因此,在此次極端冷事件過程中,低層西伯利亞高壓的加強南壓以及東亞冬季風的加強,可能與高層亞洲副熱帶西風急流的加強東移有十分密切的聯(lián)系。

3.4 Rossby波列活動

為了進一步認識Rossby波活動在此次極端冷事件中的作用,參考Takaya and Nakamura(2001)和Plumb(1985)的方法計算了過程前后300 hPa的波通量(圖10)。可見,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高度正異常中心,對應(yīng)著冷空氣過程的兩支波列,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異常,波能量從正高度異常區(qū)向負高度異常區(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高度異常區(qū)的能量頻散也逐漸加強,有利于青藏高原至東亞東部的冷空氣堆積,對應(yīng)此時西伯利亞高壓的增強(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影響西南地區(qū),對應(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,加強了青藏高原地區(qū)的負高度異常(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)的負高度異常和高原東部向南的能量頻散均明顯加強(圖10e),對應(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(圖10h～10j),由于云南受到來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青藏高原至東亞地區(qū)負高度異常的加強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,南支波列活動有利于孟加拉灣地區(qū)南支槽加強,相應(yīng)加強了西南水汽輸送。下文進一步分析此次冷事件過程中熱帶環(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,通過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)此次過程的冷空氣主要沿東北路徑進入云南。由于云南所處的地理位置和自身地形條件,當冷空氣南下影響時,低層的冷高壓由北向南移動,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東北進入,經(jīng)華北、華東向西南推進,從貴州進入云南,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,冷空氣的移動路徑與低層相比明顯不同,除了東北路徑的冷空氣,還有來自青藏高原南側(cè)的偏西氣流,越到高層,從青藏高原進入云南的西風氣流越強,3000 m高度云南主要受到青藏高原南部西風氣流的影響(圖11b～11d)。從氣流的起源和移動路徑看到,影響云南的氣流主要是來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,從云南西邊界進入(圖11d)。同時,可以看到在1000 m高度有來自孟加拉灣的氣流,表明在該高度上云南受到來自孟加拉灣地區(qū)水汽輸送的影響最明顯(圖11c)。

注:黑色線為云南省的邊界,其內(nèi)三角為水汽追蹤的起始點,灰色線為水汽路徑。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)強降溫,還伴隨明顯的強雨雪天氣。因此,除了來自中高緯度地區(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。

過程期間,2月19—22日云南全省出現(xiàn)降水,23—24日無降水,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,可以看到該時段云南受到來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,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,由東向西推進影響云南的過程(圖12c)。在氣象業(yè)務(wù)上一般稱這種低層由東向西推進的冷空氣為“回流”天氣,這是冷空氣影響云南的重要特征。

注:圖c中,綠色線為青藏高原700 hPa高度的輪廓線;圖d中,紅色實心箭頭表示冷空氣和異常西南風,紅色空心箭頭表示異常西風和東風。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)和距平風場(風矢),(d)30～60 d低頻向外長波輻射異常(填色)和低頻850 hPa風場異常(風矢),以及(b)2月逐日沿100°～110°E平均的850 hPa距平風場(風矢)和溫度距平(填色)的緯度-時間剖面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流活動有關(guān),當熱帶地區(qū)的對流活動從印度洋東移至西太平洋時,會引起副高和南支槽的異常變化,進而引起我國降水異常(吳俊杰等,2009;Jia et al,2011)。圖12d 為2月19—22日異常的30～60 d低頻向外長波輻射(OLR)和低頻850 hPa矢量風,看到極端冷事件發(fā)生時較強的對流活動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)。熱帶西太平洋對流活動中心西側(cè)的西風和東側(cè)的東風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。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對流活動的影響,該區(qū)域的強對流活動有利于低層氣流的輻合上升,進而加強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的加強南壓與熱帶地區(qū)的對流活動是密切聯(lián)系的。

5 結(jié)論和討論

通過分析,得到以下幾點結(jié)論:

(1)2022年2月19—24日云南寒潮過程的強降溫主要發(fā)生在20—23日,冷空氣從東北路徑進入影響云南,低溫持續(xù)時間長并伴有強降水,是云南近10年第二強的區(qū)域性寒潮天氣過程,全省有69個站達到中等以上強度的寒潮標準,有10個站日平均氣溫達到或突破2月最低值紀錄,23個站日最高氣溫達到或突破2月最低值紀錄。

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

(3)該次強冷空氣過程中,起源于北大西洋副熱帶地區(qū)的異常波列東傳,對于青藏高原至東亞東部地區(qū)負位勢高度異常的加強,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,并對南支槽前西南水汽輸送的加強有一定影響。

(4)過程期間,除了強降溫,還伴隨明顯的降水天氣,影響降水的水汽主要來源孟加拉灣地區(qū),熱帶低頻對流活動對于東亞東部冷空氣的加強南壓有一定影響,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)亞洲高空西風急流中心由青藏高原向日本海加強東移的過程,實際上對應(yīng)著此次冷空氣過程中西伯利亞高壓的加強南壓,以及冷空氣過程的開始和結(jié)束。因此有關(guān)亞洲高空急流活動影響云南冷事件發(fā)生發(fā)展的過程和機理還需要開展進一步研究。

另外,本文分析還發(fā)現(xiàn)起源于北大西洋副熱帶地區(qū)的波列東傳對云南極端冷事件的影響也是值得進一步關(guān)注的問題。Song and Wu(2017)的研究以40°N為界將中國東部劃分為南部和北部兩個區(qū)域,對比分析了冷空氣僅影響北部,以及同時影響北部和南部地區(qū)的兩種過程,發(fā)現(xiàn)副熱帶地區(qū)的環(huán)流存在顯著差異:當冷空氣同時影響南部和北部時,副熱帶地區(qū)沒有異常波列出現(xiàn);相反,當冷空氣僅影響北部地區(qū)時,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高壓環(huán)流,阻擋了冷空氣的南下,導(dǎo)致中國南部偏暖。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波列東傳對中國南部氣候的影響還需要對更多極端冷事件個例的分析來驗證。