冬季大范围持续性极端低温事件与欧亚大陆大型斜脊斜槽系统研究进展

本文总结了近年来关于我国冬季大范围持续性极端低温事件(EPECE)及其对应的欧亚大陆大型斜脊斜槽系统的研究成果。EPECE和普通寒潮是冬季影响我国的两类不同时间尺度大型冷空气活动,对它们的异同点进行梳理和深入理解是非常必要的。最新研究进展可概括为如下:(1)基于极端低温站点的范围和极端低温过程的持续性特点,客观界定了我国冬季EPECE。近年来的研究表明,欧亚大陆大型斜脊斜槽系统是冬季EPECE形成和维持的主要关键环流系统。同时,鉴于大型斜脊斜槽系统的重要应用意义,建立了客观识别方法。(2)从前兆信号、环流演变、阻塞高压和反气旋式波破碎活动的角度,揭示了EPECE和普通寒潮事件之间的关键区别。全国类EPECE的发生具有一周之前的前兆信号,而普通寒潮并不存在这么早的前兆信号。EPECE以从乌拉尔山到东北亚的广阔区域的阻塞高压活动为关键特征,而普通寒潮则主要以区域性阻塞高压为其主要特征。这两类事件对应的阻塞高压活动的差异可由天气尺度波破碎活动的差异加以解释。(3)最新的研究解释了大型斜脊斜槽系统形成和维持的动力学机理。基本流场对位涡扰动的正压作用是大型斜脊斜槽系统的形成和维持最重要的动力学机制。基本流场通过变形场作功和线性平流使大型扰动维持和向下游发展。与阻塞高压不同,非线性作用并非大型斜脊斜槽系统维持的主要原因。

中国大范围持续性低温事件与中国南方降水异常

本文利用1951~2009年的数据资料,探讨了与冬季大范围持续性低温事件对应的中国南方降水多寡的原因以及不同降水类型事件的不同前兆信号。主要结果如下:(1)欧亚大陆中高纬大型斜脊斜槽是中国大范围持续性低温事件的关键环流特征。降水偏多型和偏少型低温事件的中高纬环流系统存在显著差异:当大型斜脊的纬向尺度较大且其正高度距平中心偏强时,斜槽的负距平中心靠近东亚大槽区,西伯利亚高压大范围加强,南侵冷空气活动偏强,使中国南方地区降水偏少。相反,当大型斜脊的纬向尺度相对小时,斜槽位置偏西,西伯利亚高压加强范围偏小,南侵冷空气活动也偏弱,有利于中国南方地区降水偏多。(2)在低温事件中我国南方地区的降水多寡,也取决于西太副高和孟加拉湾南支槽。当西太副高和孟加拉湾南支槽加强时,来自西太平洋、南海和孟加拉湾的三支暖湿气流到达我国南方地区,导致南方降水偏多,反之亦然。(3)不同降水类型低温事件的前兆环流信号(之前1~3侯)显著不同。降水偏多型低温事件前期,源自北大西洋地区的波列向东亚地区传播。降水偏少型事件前期,极涡在欧亚大陆一侧的次极区显著减弱,同时极涡呈两极型,一极伸向南欧及地中海地区,另一极伸向阿留申群岛。在中期—延伸期时间尺度上,这一结果可为持续性低温事件降水形势的预测提供依据。

冬季全国性持续低温事件过程中的平流层—对流层相互作用

利用1959~2017年ERA40/ERA-Interim逐日再分析资料和国家气候中心的逐日站点资料,针对发生在当年11月至次年3月(NDJFM)的全国性持续低温事件(EPECEs),分析了热带外环流的变化特征,以及平流层—对流层相互作用。结果表明,全国性EPECEs可划分为冷空气在乌拉尔山—西伯利亚关键区堆积和冷空气爆发以及消亡三个阶段,分别与对流层中层乌拉尔山—西伯利亚一带大型斜脊的建立、发展和崩溃以及平流层极涡强度的恢复、维持和再次减弱相对应,其中伴随着显著的平流层—对流层相互作用。首先,以大西洋地区异常扰动为主的热带外对流层形成2波型行星波异常,并上传影响平流层;随后在平流层2波调整为1波型的过程中,出现了行星波的异常下传以及平流层极涡强度的恢复,在对流层形成的1波型的高度正异常中心位于东欧地区,有利于乌拉尔山高度脊的建立以及源于北冰洋的冷空气在高压脊前形成堆积;随后由于平流层极涡强度维持,对流层行星波上传持续受到抑制,并主要在欧洲一带出现显著的异常向下反射,对应对流层1波型高度正异常中心逐步东移至中西伯利亚地区,从而有助于乌拉尔山脊向下游发展成一个横跨西伯利亚地区的大型斜脊,冷空气堆积区也东移到中西伯利亚地区。进入冷空气爆发阶段,随着斜脊前的大型横槽与上游移来的短波槽形成阶梯槽形势,横槽很快转竖引导低层冷空气向我国大范围爆发;同时大型斜脊的维持也使行星波再次出现1波型异常上传,影响平流层极涡再次减弱。最后,随着冷空气爆发,大型槽脊迅速崩溃,对流层波动减弱,低层气团的经向输送也随之减弱,EPECEs消亡。

中国南方大范围持续性低温、雨雪和冰冻组合性灾害事件:客观识别方法及关键特征

组合性灾害事件是指同时出现的若干个天气灾害的组合,它的发生会明显加重致灾程度。本文利用1961~2013年冬季我国南方区域206个台站的日平均温度、日降水量及雨凇资料,建立了冬季大范围持续性低温、雨雪和冰冻组合性灾害事件的客观识别方法,并揭示了三类组合性灾害事件的关键特征。首先,基于低温、雨雪、冰冻天气的强度和面积阈值以及持续天数建立了大范围持续性低温事件、雨雪事件以及冰冻事件各自的客观判识方法。在此基础上界定出了三类常见组合性灾害事件,即低温—雨雪灾害事件(C-RS)、低温—冰冻灾害事件(C-F)以及低温—雨雪—冰冻灾害事件(C-RS-F)。三类组合性灾害事件常见于1月上旬至2月中旬。尽管三类组合性灾害事件在低温和降水等方面有相似之处,但其形成条件却明显不同。充沛的水汽供应和大范围强烈的水汽辐合是低温—雨雪灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件发生的关键条件,而逆温层和冷垫则是低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件发生的必要条件。亚洲中高纬大型斜脊系统是低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件的关键环流特征,为强冷空气活动提供了有利环流条件。低温—雨雪灾害事件期间亚洲中高纬则盛行波状环流,有利于适度冷空气活动。在水汽供应和逆温层形成方面,三类组合性灾害事件受控于不同的副热带异常环流系统。孟加拉湾南支槽和南海上空异常反气旋分别是低温—雨雪灾害事件和低温—冰冻灾害事件形成的副热带关键环流系统,而孟加拉湾南支槽和西北太平洋异常反气旋相结合为低温—雨雪—冰冻灾害事件形成的副热带关键环流系统。

Classification of wintertime large-scale tilted ridges over the Eurasian continent and their influences on surface air temperature

This study investigates the major patterns of large-scale tilted ridges(LSTRS)over the Eurasian continent and their connections with large-scale surface air temperature during boreal winter.A total number of 134 LSTR events with zonal extent exceeding 90°of longitude on the peak day are identified.Using self-organizing map(SOM),the LSTRs are classified into five clusters that are characterized by different spatial distributions and orientations.The leading two clusters are closely associated with extensive and persistent cold events over different places.Considering the first cluster,LSTRs extend from the Ural Mountains to Northeast Asia and are favorable for the amplification and southeastward extension of the Siberian high.Therefore,this cluster is closely associated with the occurrence of extensive and persistent cold events in china.In comparison with the first cluster,the LSTRs of second group are situated to the west,with starting points from the Kola Peninsula,and cause extensive and persistent cold events over Eastern Europe,central Asia,and central Siberia.The results suggest that the vertical coupling between LSTRs and the corresponding anomalous sea level pressure is crucial for the persistent cold temperature events associated with the leading two SOM clusters.