中国东北冬季极端低温的年代际变化及其成因_闵锦忠.pdf
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1、书书书第 42 卷第 6 期气象科学Vol 42,No62022 年 12 月Journal of the Meteorological SciencesDec,2022闵锦忠,粘新悦,孙玉婷,等中国东北冬季极端低温的年代际变化及其成因气象科学,2022,42(6):711-720MIN Jinzhong,NIAN Xinyue,SUN Yuting,et alCharacteristics and causes of the interdecadal variability of winter low temperatureextremes in Northeast ChinaJournal
2、 of the Meteorological Sciences,2022,42(6):711-720中国东北冬季极端低温的年代际变化及其成因闵锦忠1,2粘新悦1,2孙玉婷3李岩1,2(1 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 210044;2 南京信息工程大学 大气科学学院,南京 210044;3 中国气象局武汉暴雨研究所 暴雨监测预警湖北省重点实验室,武汉 430205)摘要利用 JA-55 再分析资料和中国 824 站日最低气温数据,分析了 19612013 年冬季中国东北地区极端低温的年代际变化及其动力成因
3、。结果表明:东北冬季极端低温 1980s 中期前频发,1980s 后期到 2000s 初少发,2000s 后恢复多发。这与贝加尔湖阻塞高压频次偏多偏少偏多的同步年代际变化直接相关,与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和准定常行星波活动的年代际振荡相联系。相比于1980s 中期前,19881999 年期间行星波沿极地波导向平流层的传播减弱,引起高纬度平流层下层 E-P 通量辐合变弱;而行星波沿低纬波导往副热带对流层上层的传播增强,造成副热带对流层中上层 E-P 通量辐合增强。行星波 E-P 通量散度的异常由于波流相互作用,分别导致了极夜急流加强、副热带急流减弱,因而 AO 增
4、强,不利于贝湖阻高建立和环流经向型发展,极端低温减少。20002013 年,行星波活动相反,导致 AO 减弱,贝湖阻高多发,极端低温恢复增多。关键词极端低温;贝加尔湖阻塞高压;北极涛动;准定常行星波;年代际变化分类号:P467doi:1012306/2021jms0107文献标识码:A收稿日期(eceived):2021-10-05;修改稿日期(evised):2021-11-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(42075032);湖北省气象局科技发展基金项目(2020Z05)通信作者(Corresponding author):闵锦忠(MIN Jinzhong)minjz nuisted
5、ucnCharacteristics and causes of the interdecadal variability ofwinter low temperature extremes in Northeast ChinaMIN Jinzhong1,2NIAN Xinyue1,2SUN Yuting3LI Yan1,2(1 Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME)/Joint International esearch Laboratory ofClimate and Environment
6、 Change(ILCEC)/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of MeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),Nanjing University of Information Science Technology,Nanjing 210044,China;2 School of Atmospheric Sciences,Nanjing University of Information Science Technology,Nanjing 210044,China;3 Hubei
7、Key Laboratory for Heavy ain Monitoring and Warning esearch,Institute of Heavy ain,CMA,Wuhan 430205,China)AbstractOn the basis of the daily minimum surface air temperature data at 824 stations in Chinaand reanalysis data of the JA-55 from 1961 to 2013,the characteristics and internal dynamical cause
8、s ofthe interdecadal variability of winter low temperature extremes in Northeast China were analyzed esultsshow that an apparent interdecadal variability of winter low temperature extremes with the high-frequencyperiod before the mid-1980s,the low-frequency period from the late 1980s to the early 20
9、00s,and thefrequently-occurring recovery after the early 2000s It is found that the interdecadal variability wassynchronized with the frequency of Baikal Blocking High changing from high to low,and then to high onthe interdecadal timescale,and might be modulated by the interdecadal variation in the
10、Arctic Oscillation(AO)and the quasi-stationary planetary wave activity Compared with the period before the mid-1980s,for the period of 1988-1999 the upward propagation of quasi-stationary planetary waves into thestratosphere over high latitudes along the polar wave-guide was reduced,decreasing the c
11、onvergence ofEliassen-Palm(E-P)fluxes in the lower stratosphere over high latitudes of the Northern Hemisphere;whereas the horizontal propagation into the troposphere over the subtropics along the low-latitude wave-guide was enhanced,increasing the convergence of E-P fluxes in the middle and upper t
12、roposphere overthe subtropics These resulted in an enhanced polar front jet and a weakened subtropical jet,respectively,through planetary wave-mean flow interaction The wintertime AO was then enhanced,against the formation of Baikal Blocking High and the development of meridional circulation,which l
13、ed toa low occurrence of extreme low temperatures After entering the period 2000-2013,the opposite processcaused to the weakening of the AO,which in turn led to the frequent occurrences of Baikal blocking highand extreme low temperaturesKey wordsextreme low temperature;Baikal Blocking High;Arctic os
14、cillation;quasi-stationaryplanetary wave;interdecadal variability引言在全球变暖背景下,中国乃至欧亚大陆气温呈显著上升趋势1-2。然而与变暖形成鲜明对比的是,2000s 以来欧亚地区冬季大范围极端低温事件频发3-6,造成变暖停滞的表象。Katz,et al7 认为与平均态相比,极端气候事件对气候变化更敏感。冬季是增暖最明显的季节,而中国东北地区纬度高,是低温变化敏感区,因而对东北地区冬季极端低温变化及成因研究有助于理解气候增暖的本质,提高短期预测水平,以降低极端低温对自然和社会的影响。冬季,阻塞高压的崩溃经常造成大范围的寒潮过程,
15、引发极端低温事件。而北半球冬季阻塞高压活动有很强的年际变化特征,而且存在明显的地理差异。影响我国江南冬季低温的阻塞高压主要集中在乌拉尔山和贝加尔湖北部地区8;格陵兰阻塞高压也会造成日本、韩国、中国华北冬季气温下降9。那么东北地区冬季极端低温主要受哪个阻塞高压影响,如何影响?北极涛动(Arctic Oscillation,AO)作为北半球中高纬度重要的大气环流遥相关型,对东亚北部冬季气温有显著影响10-12。AO 在冬季表现为深厚的正压结构,自地面可延伸至平流层,也称为北半球环状模(Northern Annular Mode,NAM),反映了对流层和平流层密切的动力学相关性。这种相关性又与行星波
16、的活动有关。WEI,et al13 指出,准定常行星波的变化与 AO 以及平流层极涡的低频变化密切相关,通过波流相互作用,可以自上而下地影响对流层的气候异常。兰晓青等14 研究 20112012年低温严寒事件与平流层 AO 异常下传的关系时指出,低温事件同期对流层 AO 由正位相转为负位相,是由于前期行星波的异常上传导致的平流层 AO 位相的率先转变而引起的。黄荣辉等15 讨论并明确指出 1990s 末北半球冬季准定常行星波的极地波导和低纬波导两支波导之间的振荡直接影响 AO 由强变弱,进而造成东亚冬季风加强,导致我国北方低温雪暴冰冻灾害频发。尽管目前 AO 对冬季低温的影响已受关注,但对其影
17、响机理尚不完全清楚,且大多研究侧重从对流层环流异常的角度分析,将平流层环流异常与对流层的变化结合起来对东北地区极端低温的影响研究相对较少。因此,本文从东北地区冬季极端低温的年代际变化特征出发,分析其与中高纬阻塞高压活动、北极涛动的关系,并从准定常行星波活动的动力理论探讨其影响机理,为进一步认识平流层环流的异常对东北低温的影响提供参考。1资料与方法本文所用资料包括:(1)中国 824 个地面气象站逐日最低气温资料,取自国家气象信息中心提供的中国地面气候资料日值数据集(V3.0),并已经过极值检查、时空一致性检查等质量控制,且剔除了有效记录不足 85%的台站数据;(2)日本气象厅第二代再分析(JA
18、-55)逐日数据,水平分辨率为 2.52.5,包括海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)和垂直方向37 层的位势高度场、风场、温度场。资料时间为 1961年 1 月 1 日2014 年 12 月 31 日,冬季取当年 12 月217气象科学42 卷至次年 2 月,气候态取 19812010 年平均。参照 国 际 公 认 的 ETCCDI(Expert Team onClimate Change Detection and Indices)定义方法16,确定极端低温指数:定义各测站冬季日最低温度小于第 10 个分位值的日数与冬季天数的百分比为冬季极端低温事件出现频率(TN10
19、P);连续 3 d 以上极端低温事件的持续日数定义为冷日持续指数(CSDI)。研究区域选为全国冬季 TN10P 经验正交分解(EOF)的第二特征向量场(图略)最显著的异常区东北中北部地区(41.8 53.5N,115.5 133E;简称东北地区),包括 86 个气温代表站。这里与40N 以南的中国其他地区呈反相的空间分布,该模态的 解 释 方 差 为 11.9%,显 著 性 通 过 了 North检验17。北极涛动指数(Arctic Oscillation Index,AOI)是指北半球冬季 10N 以北的 SLP 场 EOF 得到的第一特征向量场对应的时间序列18,该指数采用 JA-55 的
20、 SLP 计算得到,正(负)AOI 表示北极涛动处于正(负)位相期。1.1阻塞形势识别为了明确影响东北低温的关键阻塞高压,采用Tibaldi,et al19 提出的客观阻高指数的定义方法,计算极端低温发生前 7 d 到当天 70N(6575N)纬度带上各经度(0360)的 500 hPa 位势高度南(北)梯度 GHGS(GHGN),如下:GHGS=Z(o)Z(s)os,(1)GHGN=Z(n)Z(o)no,(2)其中:Z 代表位势高度;n=85N+;o=70N+;s=55N+;=5,2.5,0,2.5,5。对某天某经度上任意一个 值,如果满足:GHGS0,且 GHGN10 m/()latitu
21、de 时,则诊断该日该经度发生“阻塞形势”,阻塞指数为 GHGS。1.2Eliassen-Palm 通量诊断准定常行星波的 Eliassen-Palm 通量(E-P 通量)平行于波经向传播的群速度,可表征准定常行星波的传播特征。为了探讨准定常行星波传播波导对东北低温年代际变化的影响,本研究采用球面p 坐标下的准地转二维 E-P 通量20,表达式如下:F()=cos uv;F(p)=fa cosv?p,(3)其中:F()、F(p)分别表示由于波动效应,单位质量空气南北方向的涡动角动量输送和涡动热量输送。f 是科里奥利参数;a 是地球半径;表示纬度;u、v、分别为扰动纬向风,扰动经向风和扰动位温;
22、上标“”表示纬向平均;下标“p”表示对气压的偏导。E-P 通量的散度为 F,其表达式为:F=1 cos F()cos+p F(p),(4)Edmon,et al20 还给出了球面等压坐标下的波流相互作用方程式,即?ut fv*=1 cosF,(5)其中:?u 为平均纬向风;v*为平均剩余经向气流。可以看出 E-P 通量的散度可以用于纬向平均流的加速或减速的诊断分析。CHEN,et al21 利用 E-P 通量的散度定义了一个行星波活动指数 PWA,表达式为:PWA=Nor(FAFB)。(6)其中:FA和FB分别为(500 hPa,50N)和(300 hPa,40N)区域行星波 E-P 通量的散
23、度;Nor表示标准化运算。2冬季极端低温频率与冷日持续指数图 1 给出了东北区域 86 站 TN10P 和 CSDI 的区域平均序列。从图 1a、b 可以看出,东北地区冬季的 TN10P 和 CSDI 均存在着明显的年际和年代际变化,1980s 中期前极端低温频发,1980s 后期到 2000s初为极端低温少发期,之后又进入多发期。从长期趋势来看,近 53 a TN10P 和 CSDI 均呈显著的减少趋势(均通过=0.01 显著性水平检验)。然而如果将 研 究 时 段 终 点 从 2013/2014 年 退 回 到2003/2004年时,TN10P 的递减率从1.53%/(10 a)增加 到
24、2.47%/(10 a),这 意 味 着 TN10P 在2003/20042013/2014 年的 10 a 有所增加。CSDI的 9 a 滑动平均序列也显示,CSDI 从 1990s(1990/19911998/1999 年)的最低平均值 0.76 d 增长到2000s(2004/20052012/2013 年)的 2.61 d,达到了 1980s 的大小。这与 TN10P 年代际特征一致,也与 2000s 欧亚大陆北部区域的冷冬年频发3-5 吻合。3阻塞高压的气候影响3.1关键阻塞高压在冬季,影响我国的阻塞高压活动的关键区通3176 期闵锦忠,等:中国东北冬季极端低温的年代际变化及其成因图
25、 1东北地区冬季 TN10P(a,单位:%)和 CSDI(b,单位:d)区域平均序列(长(短)虚线表示 19612013 年(19612003 年)的线性趋势;细实线表示气候平均值;点线表示 19612013 年 CSDI 的 9 a 滑动平均序列)Fig1Series of regional TN10P(a,unit:%)and CSDI(b,unit:d)in Northeast China for the winter period(The horizontal solidline indicates the average value,the long(short)dashed lin
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