典型极端低温事件形成原因对比研究

发布时间：2020-11-08 21:32

　　 在全球变暖的背景下,近些年来我国极端低温事件频繁发生,对国民经济持续、稳定、健康发展带来了不利影响,有必要对极端低温事件的形成原因进行深入研究。本文首先根据持续时间将我国极端低温事件分为大范围持续性低温事件(the extensive and persistent extreme cold events,简称:EPECE)和全国类普通寒潮(the ordinary cold wave events,简称:CWE)两类研究了其环流场演变情况,并挑选了近年来对我国影响严重的两次极端低温过程作为典型个例进行深入研究。其次利用定量化指数研究了两次个例期间高空急流、阻塞高压(简称阻高)和西伯利亚高压(Siberian High,简称SH)这三个大尺度环流系统的组合性异常特征。最后,从大气低频波和瞬变波两个角度研究了两次个例期间关键环流系统的生成演变机制,从而对这两次典型极端低温事件的成因作出解释。主要结论如下:(1)与CWE相比,EPECE期间欧亚大陆500 hPa环流场由大型斜脊斜槽系统主导,高低层环流系统的强度更强、范围更广;在事件发生前12(-12)天巴伦支海出现了高压脊,第-8天SH在欧亚大陆北部加强;事件发生后第4(+4)天,高低层环流系统的强度略减弱但仍维持着之前的形态。而CWE期间高层由高压脊主导,未出现明显的前兆信号,第+4天斜脊和SH大幅度减弱近乎消失。选择2008年持续性低温雨雪冰冻天气事件和2016年的“霸王级”寒潮作为典型个例深入研究,发现两次过程中2008年降水更强,低温持续时间久,2016年降温更强,范围更广,降水偏少。500hPa环流场上,2008年与EPECE一样由大型斜槽斜脊主导,阻高持续时间更久,但没有2016年强,且冷空气主力离我国较远,因而降温时间长但强度不如2016年。中亚中纬度低压槽活跃,为降水提供了充足的水汽输送。2016年由极强高压脊主导,阻高异常强大但发展演变快,前期中纬度横槽积蓄的冷空气较强,造成短时间剧烈降温。(2)利用定量化指数对两次事件期间大尺度系统组合性异常特征的研究表明:与气候态相比,1月份中东急流和东亚副热带急流核频次在2008年偏强5天,2016年略偏强;两次过程中强度均偏强10 m/s。2008年乌拉尔山阻高频率高达45%,西伯利亚高压指数(Siberia high Index,简称:SHI)呈波动变化,存在20 hPa、14 hPa、8 hPa三个峰值。2016年阻高频率为35%SHI峰值高达37 hPa。2008年温带急流更强,纬向气流强而经向气流弱,因而阻高不如2016年强,但是阻高的长时间维持,以及SHI的波动性异常,有利于冷空气保持一定强度向我国扩散,降温持续时间长。中东急流偏东偏强、中纬度低压槽活跃有利于孟加拉湾和西太平洋向我国的水汽输送,造成了持续性降水、冻雨天气。而2016年阻高异常强大,在西风急流的动力调制下,阻塞高压脊呈东北-西南走向,引导新地岛以东的极强冷空气南下对SH进行加强,造成了大范围剧烈降温。由于阻高维持时间短,中纬度低槽不活跃,且冷空气势力强劲不利于降水,因而降温和降水时间短。(3)利用低频滤波方法,从大气低频波(30-60天)角度研究了这两次事件环流系统的低频特征。结果表明2008年未滤波位势高度正(负)距平与低频高(低)压相对应,纬向风速正距平与低频风速大值区一致。阻高、高空急流、北极涛动(Arctic Oscillation,简称:AO)等具有明显的30-60天低频振荡特征,表现为系统发展缓慢、维持时间久。此外,低频高压中心超前于位势高度正距平中心,表明低频高压信号可以提前预报形势的演变过程。2016年初环流背景场的30-60天低频振荡不明显,这是由于事件时间短以及两次过程低频系统的位置和冷空气南下路径不同,但低频低压较好地反映了极涡的形成、演变过程,低频形势场在一定程度上可以体现AO位相的转变。寒潮爆发时,AO处于负位相,中纬度经向环流增强,极涡呈现多极型结构,积蓄了大量强冷空气,在阻高脊前偏北气流和东亚大槽的引导下入侵我国,造成剧烈降温。(4)以阻高生命期为基准,利用瞬变波的动量、热量输送、Eliassen-Palm通量(简称:E-P通量)以及Ertel位涡对两次事件的成因进行了研究,结果表明两次事件中,在55°N-65°N处均有瞬变波动量输送[u'v']和热量输送[v'T']的辐合,为阻高的发生、发展提供了良好的条件。不同的是,在2008年事件第0天,60°N南北两侧的[u'v']均向北输送,但北侧的[u'v']小于南侧的,表明[u'v']在60°N处辐合;[v'T']在55°N辐合。而2016年第0天,65°N南侧[u'v']向北输送,北侧向南输送,[u'v']在65°N处辐合且比2008年更强;[v'T']在60°N辐合,强度更强;这与此次事件中阻高更强,位置更偏北的特征是相符合的。在第+3天,2008年阻高区域仍有瞬变波动、热量的输送,使得阻高维持时间更久。此外,两次事件中阻高区域均有E-P通量的辐合,西风在辐合区域减速,有利于阻高的建立,2016年的辐合中心更偏北,同样符合阻高偏北的特征。Rossby波破碎(Rossby wavebreaking,简称:RWB)特征分析显示,第-2天欧亚大陆地区存在反气旋式RWB,第0天位涡输送明显增强,瞬变涡动通过反气旋式破碎影响阻塞高压的形成和维持。2016年的RWB强度更强,位置更偏东、偏北,使得阻高强度更强,位置偏北。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P423
【部分图文】：

兰州大学硕士学位论文典型极端低温事件形成原因对比研究17图3-1EPECE事件发生前12天（-12）至发生后6天（+6）500hPa位势高度场（等值线）及其距平（阴影区）合成场（单位：gpm）,黑色点区表示合成的500hPa高度距平通过95%信度检验。Fig.3-1Composited500-hPageopotentialheight(contours)anditsanomalies(shaded)fromtwelvedaysprior(-12)tosixdaysafter(+6)nationwideEPECEevents(Unit:gpm).Thevaluesoverblackdottedregionsarestatisticallysignificantatthe95%confidencelevelofthecomposited500-hPageopotentialheightanomalies.

兰州大学硕士学位论文典型极端低温事件形成原因对比研究18图3-2全国类CWE事件前12天（-12）至发生后6天（+6）500hPa位势高度场（等值线）及其距平（阴影区）合成场（单位：gpm），黑色点区表示合成的500hPa高度距平通过95%信度检验。Fig.3-2Composited500-hPageopotentialheight(contours)anditsanomalies(shaded)fromtwelvedaysprior(-12)tosixdaysafter(+6)nationwideCWEevents(Unit:gpm).Thevaluesoverblackdottedregionsarestatisticallysignificantatthe95%confidencelevelofthecomposited500-hPageopotentialheightanomalies.3.2.2海平面气压场特征与500hPa环流场类似的是，两类低温事件期间的海平面气压场上西伯利亚高压的特征也显著不同。图3-3、3-4为两类事件期间海平面气压场及距平合成场，可以看到西伯利亚高压的演变情况。西伯利亚高压作为冷空气的聚集地，冬季常常在高空气流的引导下入侵我国。与上层斜脊斜槽的演变相一致，在EPECE事件

兰州大学硕士学位论文典型极端低温事件形成原因对比研究19发生前一周，海平面气压场已经出现了较为明显的信号，西伯利亚冷高压在欧亚大陆北部加强，正距平中心位于新地岛地区。此后，随着斜槽斜脊的发展东移，冷高压进一步加强并向东南方向扩展。至第-2天，增强的西伯利亚高压已经从西伯利亚北部扩展到巴尔喀什湖西北部，SH中心强度增加到1050hPa。事件爆发后，可以明显看到冷高压扩展至我国长江以北地区，并伴随着冷空气入侵我国，引发了大范围的低温异常。图3-3全国类EPECE前8天（-8）至发生后4天（+4）海平面气压场（等值线）及其距平（阴影区）合成场（单位：hPa），黑色点区表示合成海平面气压距平通过95%信度检验。Fig.3-3Compositedvaluesofsealevelpressure(contours)anditsanomalies(shaded)fromeightdaysprior(-8)tofourdaysafter(+4)nationwideEPECEevents,(Unit:hPa).Thevaluesoverblackdottedregionsarestatisticallysignificantatthe95%confidencelevelofthecompositedsealevelpressureanomalies.图3-4全国类CWE前8天（-8）至发生后4天（+4）海平面气压场（等值线）及其距平（阴影区）合成场（单位：hPa），黑色点区表示合成的海平面气压距平通过95%信度检验。Fig.3-4Compositedvaluesofsealevelpressure(contours)anditsanomalies(shaded)fromeightdaysprior(-8)tofourdaysafter(+4)nationwideEPECEevents,(Unit:hPa).Thevaluesoverblackdottedregionsarestatisticallysignificantatthe95%confidencelevelofthecompositedsealevelpressureanomalies.
【参考文献】

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本文编号：2875377