近40年中国冬季寒潮的气候特征及大气环流异常

利用1980—2023年高分辨率中国气象站观测数据,根据寒潮标准及强度指数,对中国寒潮事件的强度及影响区域进行客观分类,探讨全国性、区域性寒潮事件的时空变化特征和环流演变。结果表明:近40年我国冬季寒潮频次呈显著减少趋势,其影响范围扩大,而强寒潮的强度呈显著增加趋势,且年际变化幅度明显增大。中国寒潮冷空气主要来源于新地岛东南地区,路径因寒潮类型而异。分析全国型、东北华北型和西北华北型寒潮前期和同期大气环流异常特征发现:格陵兰岛的异常深厚暖高压是全国型寒潮的重要前兆,欧亚大陆对流层中高层纬向波列是其爆发的显著特征;东北华北型寒潮与冷涡在中低纬度异常高压系统阻挡下的东移有关;西北华北型寒潮与东欧平原上空暖性高压脊的发展及欧亚大陆两脊一槽的形势密切相关。所有类型寒潮爆发前均有乌拉尔阻塞高压的维持和西伯利亚地区冷空气的堆积。

Predominant types of regional cold waves in North China and their historical changes

寒潮事件对东亚地区的社会经济,生态系统和人体健康影响巨大.根据1980-2019年间10月至次年3月的每日寒潮记录和K-means聚类,本文识别出了中国两种不同类型的区域性寒潮(T1和T2). T1区域性寒潮主要影响东北地区,T2区域性寒潮则主要影响华北和东部地区.与T1区域性寒潮相比, T2区域性寒潮强度更强,持续时间更长,影响范围更广. 1980–2019年期间, T1区域性寒潮的频率显著增加,而T2区域性寒潮的频率则没有趋势变化. T1和T2区域性寒潮事件均与西伯利亚高压增强有关,然而与它们相关的对流层中层波列明显不同.在T1区域性寒潮事件发生期间,西伯利亚-蒙古上空出现负-正模态的500-hPa位势高度异常波列,削弱了东亚大槽,导致西伯利亚冷空气东移.T1区域寒潮频次增加趋势可能与全球变暖引起的500-hPa位势高度的线性趋势变化有关.与T2区域寒潮事件相关的波列则在乌拉尔山脉,蒙古和华北地区形成了脊-槽-脊环流异常,导致冷空气向东南方向入侵.本文得出结论,由于两类区域寒潮影响不同,西伯利亚高压增强和对流层中层波列模态在我国区域性寒潮事件的预报中应综合考虑.

1961—2020年新疆区域性强冷空气及寒潮时空分布特征

选用1961—2020年新疆99个气象站气温、降水观测日资料,通过相关分析、线性趋势分析等方法,分析了新疆全年区域性强冷空气和寒潮的特征,并应用降水资料对新疆全年强冷空气和寒潮过程的干湿状况进行了识别。结果表明:(1)新疆区域性强冷空气和寒潮频次均有减少的趋势,在21世纪10年代更为显著,这种减少主要体现在秋季强冷空气与秋季寒潮频次的减少;(2)新疆寒潮在冬季3个月的发生频次较为接近;春季与秋季寒潮在11月最多,3月和4月次之;超强寒潮时间主要集中在冬季的12月和1月,强寒潮发生的频率则在2月最高;(3)新疆寒潮过程最低气温有所上升,降温幅度有所减小;过程平均降水量以及最大降水量自20世纪90年代以来较之前明显增加;新疆冬季区域性寒潮的降温幅度比春秋季区域性寒潮过程高1℃左右;(4)寒潮过程中最低气温和降水量最大中心基本出现在阿尔泰山及天山山区。新疆春秋季寒潮多为正常或干过程;冬季寒潮过程有76.4%为正常偏干,较湿和湿过程有85.7%集中在20世纪90年代以来。对寒潮过程干湿状况进行初步识别,有助于更全面地认识新疆寒潮的气候新特征,为防灾减灾服务;(5)冬季北疆及天山大多数站点是72 h达到寒潮标准,而南疆则更多是在24 h达到寒潮标准。

1981-2015年东北地区寒潮事件变化特征

利用东北地区1981-2015年226个气象台站日最低气温数据,以国家标准《寒潮等级》(GB/T 21987-2017)为依据,计算35a来各单站不同等级冷空气过程的次数和日数。应用线性回归、气候倾向率等统计分析方法,得出东北地区寒潮事件的年际尺度及月尺度变化特征。结果表明:1981-2015年东北地区寒潮、强寒潮及超强寒潮三种级别寒潮事件,空间分布规律符合高纬度和高海拔地区日数多,低纬度和平原地区日数少的特点,高发地区主要集中在大、小兴安岭和长白山等高海拔地区。研究期内整个东北地区寒潮事件呈减少趋势;寒潮及强寒潮主要呈低纬度减少而中高纬度增多的趋势,超强寒潮主要呈减弱的趋势;各月份三种级别寒潮事件年均次数及日数趋势变化幅度小,均在[-1, 1]区间内。1月和5月寒潮事件呈增多趋势,2月和10月呈减少趋势;3月增多区域主要集中在中部地区;4月呈次数减少而日数增加的趋势;9月呈次数增加而日数减少;11月寒潮事件主要呈中高纬度增加而低纬度地区减少的特点;12月与11月变化趋势相反,主要呈中低纬度增加而高纬度减少的趋势。

近11年中国寒潮频发的机理分析

利用全国840个站点观测资料以及ERA5再分析资料,分析了过去63 a(1960—2022年)冬半年(前一年10月—当年4月)全国性寒潮频次的年代际变化特征。统计结果表明:在全球变暖背景下,寒潮频次的下降趋势在2012年发生了转折,2012—2022年呈现显著上升趋势。2012—2022年,乌拉尔山阻塞频率与全国性寒潮发生频次呈显著负相关。乌拉尔山阻高会抑制高空急流发生发展,大气经向环流减弱,北极内冷气团南下受阻,从而减少寒潮发生的频次。同时乌拉尔山阻高与东亚中高纬地区地面2 m温度经向分布联系紧密,乌拉尔山阻塞的频繁发生往往会出现更多的北极增温、中纬度地区降温的天气尺度现象。此外,北极增暖效应本身也与我国寒潮频次有显著的负相关,北极增暖会减小中高纬温度差,西风带减弱,进而减弱冷空气的输送。近11 a,乌拉尔山阻塞频率呈显著减少趋势,相应地,等熵面位涡经向梯度具有线性增加趋势,不利于阻塞高压的维持,伴随北极增暖效应也呈现出减弱态势,这样的大气环流配置有利于近年来我国寒潮频次的增加。

青海省2021年11月5日至7日寒潮天气过程分析

受高空低涡、高空槽、地面冷高压和地面冷锋的共同影响,2021年11月5日至7日青海省出现了一次自西向东寒潮天气过程。利用MICAPS常规气象资料分析表明,造成本次寒潮天气的主要成因为:前期冷空气在巴尔喀什湖附近堆积,伴随着高空横槽发展转竖,引导冷空气向东南移动。高空冷中心接近青海省北部,且冷平流很强;此次寒潮过程地面冷高压中心强度较强,最强达到1062.5 hPa,在秋季寒潮中属于影响较大的寒潮天气,随着冷高压东移南压,推动地面冷锋沿高压外围影响青海地区。在此次过程中,前期增温为后期寒潮降温提供了空间,另外高空强冷平流为地面降温提供有利条件。总结分析结果,对今后准确预报类似寒潮天气过程,提高重大天气过程气象服务的质量和效益具有重要的参考作用。

A Statistical Linkage between Extreme Cold Wave Events in Southern China and Sea Ice Extent in the Barents-Kara Seas from 1289 to 2017

Arctic sea ice loss and the associated enhanced warming has been related to midlatitude weather and climate changes through modulate meridional temperature gradients linked to circulation. However, contrasting lines of evidence result in low confidence in the influence of Arctic warming on midlatitude climate. This study examines the additional perspectives that palaeoclimate evidence provides on the decadal relationship between autumn sea ice extent (SIE) in the Barents-Kara (B-K) Seas and extreme cold wave events (ECWEs) in southern China. Reconstruction of the winter Cold Index and SIE in the B-K Seas from 1289 to 2017 shows that a significant anti-phase relationship occurred during most periods of decreasing SIE, indicating that cold winters are more likely in low SIE years due to the “bridge” role of the North Atlantic Oscillation and Siberian High. It is confirmed that the recent increase in ECWEs in southern China is closely related to the sea ice decline in the B-K Seas. However, our results show that the linkage is unstable, especially in high SIE periods, and it is probably modulated by atmospheric internal variability.

宁夏近60 a寒潮变化特征及其环流异常

利用1961—2020年宁夏逐日最低气温观测资料及同期位势高度、海平面气压场和风场逐月再分析资料,分析近60 a宁夏24 h、48 h、72 h不同历时寒潮、强寒潮、超强寒潮的时空演变特征,并进一步揭示寒潮变化的大气环流异常特征。结果表明:(1)宁夏近60 a不同强度、不同历时寒潮一致表现为“东多西少、北多南少”的分布特征,这与冷空气路径及宁夏地形有关。(2)全区寒潮、强寒潮、超强寒潮频次分别占全年总寒潮频次的71.7%、22.6%和5.7%,寒潮以24 h和48 h为主,而强寒潮及超强寒潮不同历时的频次比例相当;各类寒潮存在1—4月递减、10—12月递增的逐月变化特征。(3)宁夏近60 a寒潮、强寒潮、超强寒潮分别以4.5站次·(10a)^(-1)、2.8站次·(10a)^(-1)及0.18站次·(10a)^(-1)的速率减少,其中24 h及48 h短历时频次减少,但72 h长历时增多;且1960s最多,之后波动减少,1990s达到最少,2000s以来波动增多,20世纪80年代后期寒潮及强寒潮发生突变。(4)宁夏寒潮突变前后的大气环流呈现出完全相反的分布特征,之前环流形势利于极地冷空气活跃南下,之后则相反;但1961—2020年及突变前后宁夏寒潮的关键影响系统较为一致,当乌山阻高异常偏强、东亚大槽偏强、欧洲西岸高度场异常偏低、贝加尔湖西侧以气旋性环流为主、极地冷高压活跃时,有利于中高纬冷空气活跃南下,宁夏寒潮则偏多,反之则偏少。

我国西北地区黑风暴的成因和对策

通过对我国北方地区气候资料分析，揭示了沙尘暴的时、空分布特征，并指出西北地区春季４、５月份常发生黑风暴天气的宏观气候背景和下垫面条件。同时以１９９３年５月５日发生的黑风暴天气过程为例，探讨了造成西北地区大范围黑风暴天气的大尺度环流形势，主要天气系统和中尺度系统。有针对性地提出预报着眼点和防灾、减灾对策。

基于雷达数据的风暴体识别、追踪及预警的研究进展

基于雷达数据的风暴体识别、追踪及预警方法是最早出现的临近预报技术,也是天气雷达系统和强天气预警业务的基本组成部分。风暴体识别、追踪及预警方法可以分为三大类:持续性预报法、交叉相关法和单体质心法,它们都属于外推预报法。其中,持续性预报法目前已经被后两者取代。首先较详细地介绍了交叉相关法和单体质心法的研究历史和主要算法,然后集中介绍了近几年来在外推预报基础上发展起来的一些新方法。最后,结合悉尼奥运会期间的FDP项目,讨论了临近预报技术的检验和准确性评价,重点介绍了列联表方法。

东北冷涡的时空分布特征及其与东亚大型环流系统之间的关系

文章用３５年（１９５６－１９９０）资料，对东北冷涡的时空分布特征，及其与东亚大型环流系统之间的关系做了研究，发现东北冷涡的出现不仅在时间上有相对的集中期，在地理分布上有着明显的密集性，并且东亚地区阻塞高压的异常发展及位置变化、西太平洋副高的强度及位置变化等对东北冷涡的形成和发展均具有至关重要的影响。

寒潮期间高空波动与东亚急流的相互作用

本文分析了东亚寒潮爆发过程中,高空波动和高空急流的相互作用,得出如下结果:(1)高空波动的动量和热通量输送,使高空急流迅速加速并同时导致急流入口区质量环流的加强.(2)质量环流引起中高纬度对流层顶下沉并使高空锋区加强.(3)对流层顶下沉和高空锋区的加强促使平流层下层的气流沿对流层顶折叠处下伸进入对流层,造成对流层中、上部层结及位涡分布的改变.(4)位涡分布的改变制约了斜压波发展的能量源,致使高空波动减弱.

风暴的多普勒雷达自动识别

3种基于雷达的风暴自动识别方法:(1)美国WSR-88D Build 7.0风暴算法,它利用多个预设阈值来检验回波的强度和连续性,以构造具有三维连续结构的风暴,该方法在风暴合并、分裂以及多个单体相距较近时误差较大。(2)为美国WSR-88D Biuld 9.0风暴算法(B9SI),它用7个反射率因子识别阈值替代此前唯一的一个反射率因子阈值,增加了特征核抽取和相近单体处理技术,并保留远距离上的强的2D分量。该方法在面对成串或成簇多单体时,能够识别出多个单体核,并准确定位。B9SI没有考虑反射率因子纹理结构和空间梯度的变化,也没有利用径向速度资料,因此无法描述风暴对流的发展状况。(3)CSI方法,它在降低B9SI反射率因子识别阈值的基础上,利用模糊逻辑技术对B9SI输出结果和雷达基资料做进一步的处理,以计算描述风暴对流发展强弱的对流指数。CSI首先提取一组最能描述风暴对流性特征的物理量,包括反射率因子纹理结构、反射率因子空间变化率、垂直积分含水量和径向速度标准方差,并分配权重;其次,利用每一个物理量的统计结果,结合其物理意义,设计出相应的隶属函数,以计算风暴与该物理量描述的对流性特征相匹配的概率;最后对多个概率值进行加权平均即得对流指数。此外,计算了2004年8月11日发生在广州的超级单体演变过程中的对流指数,分析表明:对流指数两次加大对应了超级单体的合并增长和辐合增长过程;风暴最强盛时对流指数为0.744;随后对流指数减小,雷达观测到的最大反射率因子对应高度明显降低,地面上开始出现大范围的强降水。

边界层辐合线在局地强风暴临近预警中的应用

利用济南CINRAD/SA雷达探测到的边界层辐合信息,结合地面实况和探空资料及NCEP资料,对近年发生在山东中部的典型局地强风暴的生成及对流参数进行了分析。结果表明:高时空分辨率的雷达能获得近地层辐合线信息,对流风暴强的出流和近地层环境风的辐合在一定条件下可产生窄带回波;远离风暴主体的出流边界和顺地面风移动的风速辐合线在热力条件较弱的情况下一般不会产生对流天气;出流边界的叠加或出流边界与环境风辐合线的叠加在有利的环境条件下可产生局地强风暴,单纯的近地层辐合线在有利的环境条件下可产生较为孤立的局地风暴,可作为强对流天气临近预警的关键参考依据;风暴初始位置、初始时间和风暴类型具有不确定性,是强对流天气临近预警的难点。

一次冷涡过程降水的微物理机制分析

该文分析了一次冷涡天气过程中云微物理量的分布特征、降水粒子的增长机制及云下雨滴的蒸发效应．主要结果为：云系由低层暖性Ｓｃ云和冷性主体Ａｓ云组成．Ａｓ云底高２ｋｍ，云顶高大于５ｋｍ，云中存在比较大的过冷水区，－１１．２℃时的过冷水含量０．２１ｇ·ｍ－３，但过冷水的含量分布极不均匀，大于０．０５ｇ·ｍ－３的过冷水区连续分布的宽度８７％小于２．４ｋｍ，不利于云中冰晶的连续凇附增长；同时云下雨滴的蒸发效应大，直径小于１．０ｍｍ的雨滴难以落到地面，因此本次过程只产生弱的降水．

暴雨类冷涡与非暴雨类冷涡的合成对比分析

选择了８例典型的东北冷涡暴雨过程和８例典型的东北冷涡弱降水过程进行了合成对比分析。发现暴雨类冷涡其暴雨主要出现在冷涡的发展阶段，而非暴雨类冷涡的降水主要发生在冷涡的成熟阶段；暴雨类冷涡与其南侧的副热带低值系统联系密切，非暴雨类冷涡的这一特点不甚明显；暴雨类冷涡的两个降水中心分别出现在系统东侧偏南和南侧偏东一些的地方，距系统中心大约３００－４００ｋｍ和７００—８００ｋｍ，这些区域处于低层辐合、高层辐散以及中低层涡度，水汽通量辐合以及θｓｅ锋生的高值区，同时也是冷涡中尺度活动比较频繁的地方。

垂直风切变对风暴云影响的数值模拟

本文用一个适合中─β尺度天气系统研究的三维非静力全弹性模式通过对理想环境大气中垂直风切变的不同分布进行数值模拟试验，结果表明：环境风场在风暴的发展演变中具有很大的影响作用，特别是低层民垂直切变值的大小决定了对流风暴的类型和发展演变的主要特征。

《湘绮楼日记》记录的湖南长沙1877—1878年寒冬

在对清代王运所著的《湘绮楼日记》中长达40余年(1869—1916)的冬季(12月—2月)天气记录进行整理之后,从王运在湖南长沙、衡阳一带记录的30多个完整冬季之中,提取了一个特殊的寒冬——1877—1878年冬天(记录于长沙境内)。将这年的天气记录与日记中其他年份进行比较,其寒冷程度可以明显地体现在以下几个方面(1)降雪——降雪日数14天,为最多的年份之一,且降雪次数最多;(2)积雪——积雪日数在27天以上,为历年之最;(3)冰冻——根据该年日记记录,冰冻的严重程度和持续时间均超过其他年份;(4)《日记》作者感受——王运留下了大量对“寒”、“暖”的感应记录,这一年有历年最多的“寒”记录(15条)和最少的“暖”记录(0)。由此可以得出结论1877—1878年冬天是《湘绮楼日记》中所仅见的、异常寒冷的严冬。文中对这年当地冬季严寒的天气过程和气候特点进行了初步分析。

淮北地区一次强风暴的弓形回波分析

2005年7月16日淮北地区发生了一次强风暴天气过程。主要使用新建成的阜阳CINRAD-SA多普勒天气雷达观测资料,辅以天气图、本站高空观测、地面观测资料,对此过程进行了综合分析。结果表明:这是一次以灾害性大风为主、有雨暴相伴随、局部还有冰雹发生的强对流天气过程。影响系统是一条中-β尺度的弓形飑线回波带。弓形回波带是由更早些时间出现的弧形的阵风锋触发而成的。中层干冷空气的侵入加强了对流云体中的下沉气流和低层出流,形成阵风锋。在如何综合应用如此丰富的雷达产品做好临近预报方面作了初步的尝试。

我国南方春季低温冷害气候及其大气环流特征

利用我国南方6省45个站1951～1995年2～4月的月平均气温资料分析该地区春季低温冷害气候特征,发现有7个低温冷害年:1957、1968、1969、1970、1984、1985和1988年,最严重的年份是1968和1988年。严重低温冷害主要发生在3、4月份。严重低温冷害最为频繁的地区是江南南部。南方春季低温冷害年际变化有着明显的阶段性和群发性。80年代我国南方春季低温冷害频繁;50年代次之;[(6)-115.8(0)]、70年代较少;90年代前期几乎没有。典型的春季低温和高温年份,亚洲中高纬度大气环流,西太平洋副热带高压以及太平洋热带海洋状况都有显著的差异。特别地,亚洲极涡、纬向环流指数、西太平洋副热带高压北界位置及太平洋暖池的海表面温度等因子均通过了95 %(90 %)信度水平检验。