1951—2006年期间我国寒潮活动特征分析.pdf

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1、第 2 9 卷第 2期 2 O 1 0年 4月 高 原 气 象 PLATEA U M ETEOROLOGY Vo 1 2 9 No 2 Ap r i l，2 01 0 康志 明，金荣花，鲍 媛媛 1 9 5 1 2 0 0 6年期间我 国寒潮活动特征分析 J 高原气象，2 0 1 0，2 9(2)：4 2 0 4 2 8 1 9 5 1 2 0 0 6年期 间我 国寒潮活动特征分析 康志明，金荣花，鲍媛媛 (中国气象局 国家气象 中心，北京 1 0 0 0 8 1)摘要：利 用中央气象 台 1 9 5 1-2 0 0 6年 共 5 6年 冬半 年(9月 至 次年 5月)的冷 空气 天气 过 程

2、 资料、NC E P N C AR逐 日再分析海平面气压、5 0 0 h P a 高度场和 8 5 0 h P a 气温等资料，统计分析 了我 国寒潮若 干气候特征和寒潮 中期过程 的物理量场特征，并 引入 聚类方法划分寒潮典型物理过程。结果表 明：(1)1 9 5 1 2。O 6 年期 间我 国寒潮强冷空气逐年的活动频次呈明显下降趋势。功率谱周期分析表 明，我国强 冷空气活动有多年代际 的变化周期。秋、冬、春季节是寒 潮易发时节。(2)对我 国寒潮天气过程特征物 理量统计得到 了一些表征寒潮天气特征量的阂值。寒 潮冷高压强度有较 明显的季节性变 化特征，其 源 地大多可追溯到亚欧大陆北端极地

3、，寒潮冷 高压受 山脉阻挡，在西伯利亚增 强后最常 以西北路径爆 发 南下，是我国寒潮最 常见的路径。(3)乌拉尔 山阻塞形 势的崩溃 与寒潮爆发密切相关；西风环流指数在 寒潮爆发前 6目前后至爆发后 2日前 后出现明 显下降；在寒潮初始 阶段，北半 球高纬度 以 2波为 主要 特征，在寒 潮爆 发前，高纬度 2 波 或 3 波为优势波 的概率较大；北半球 中纬度在寒潮 中期过程主要为 3 波能量变化；北 半球极 涡面积迅速增大，与东亚“倒 Q 流型”的建立 紧密相关，是极地冷 空气南下 酝酿 堆 积 的重 要 标 志。关键词：我 国寒潮；统计 分析；寒潮冷高压；聚类分析；波谱动能 文章编号：

4、1 0 0 0 0 5 3 4(2 0 1 0)0 2 0 4 2 0 0 9 中图分类号：P 4 5 8 1 2 2 文献标识码：A 1 引言 寒 潮是 我 国冬 半 年 主 要 灾 害 性 天气，它关 系 到季节 推迟 或提 前，甚 至 是 反 常气 候 的重 要 标 志。寒潮带来 的大风强 降温、暴风雪以及冻雨等天气，可 给 国 民 经 济 和 人 民 生 命 财 产 造 成 严 重 的 损 失 一 引。早 期 李 宪 之先 生 3 把 东 亚 寒潮 划 分 为 甲、乙、丙 三种类 型；1 9 5 7年 陶诗 言 先 生l 4 把 4 5。6 5。N，7 0。9 0。E范 围划 为 寒

5、潮 关 键 区；张 淮 等 l 5 分 析 了 东 亚反气 旋活 动规律。这 些工作 对早 期 了解我 国寒 潮活动规律和建立 预报方法有重要价值。到 了 2 0 世纪 8 O年代，我 国气象工作者对寒潮展开 了大规 模 的研 究，主 要研 究寒 潮 中期 过 程 的基本 物 理 事 实，同时 对 寒 潮 中 期 预 报 方 法 进 行 了一 系 列 探 索。如余鹤书等_ 9 结合寒潮过程的能量特征和寒潮 爆发 阶段 5 0 0 h P a 冷 中心 温度 和地 面高压 强度 等特 征物理量，建立 了寒潮 中期 预报模型。徐羹 慧 1。应用波数域能量方程，提出一个 5天预报时效的综 合预报方案

6、。此阶段对寒潮源地、活动特征、天气 系统、寒潮成因和预报等较系统的研究，更奠定了 经典寒 潮理 论l 1 的基础。进 入 2 1世 纪 后，寒潮 研 究 主 要 侧 重 于寒 潮 天 气 的气 候 变 化 及 其 可 能 原 因 的研 究。如：C h e n e t a 1 _】研究了东亚寒潮频次与 E N S O循环之间的关 系；王遵娅等r 1。提出西伯利亚 高压和冬季风强度 的减 弱、西 伯利 亚低层 冷堆 温度 和 中 国地 表温度 的 显著升高是中国寒潮及其伴随大风频次减少的可能 原 因。钱维宏 等口 分 析寒 潮 时空 变 化 与 冬 季 增 暖 的关系，发现西风带上天气尺度斜压波动

7、减少和减 弱，导致我 国 中高纬度寒潮事件减少。李峰等 1 分析 了近 3 0年冬半年北极 区及中高纬度地区大气 环 流形 势 的气 候变 化 以及对 中 国强 冷事件 的影 响。本文利用 中央气象台 1 9 5 1-2 0 0 6年寒潮资料 和 NC E P NC AR逐 日再分析等资料，应用天气学、统计学分析方法，分析我国寒潮活动 的气候特征。收稿 日期：2 0 0 9 0 6 0 1；改回 日期：2 0 0 9 1 1 2 0 基金项 目：财政部公益性行业(气象)科研专项“面向 TI G GE的集合 预报关键应用技术研 究”(GYHY 2 0 0 7 0 6 0 0 1)；中国气象局气

8、象新技 术推广项 目“低温雨雪冰冻灾害中期预报技术”(2 0 0 5 0 1 9 0 1 0 0 1)；国家 A然科学基金项 目“北半球平流层爆发性增温及极涡活 动对亚洲对流层阻塞影响的研究”(4 0 8 0 5 0 2 1)共同资助 作者简介：康志明(1 9 7 8)，男，福建人，高级工程师，硕 士，主要从事天气 预报及研究E ma i l：k z mg y s o h u c o rn 2 期 康 志明等：1 9 5 1 2()()6 年期 间我国寒 潮活动特征分 析 4 2 1 从 业务 角度 来看，寒 潮 中期 物理 过 程 的特 征 结合 数 值 预报 可延 长寒 潮 的预报 时效，

9、但 以往研 究 大 多根 据 合成 方法 得 到寒 潮 中期 物 理 过程 的一 般 性 特 征，本 文 引入客 观 聚类法，揭示 寒 潮 中期 物理 过 程 的几 种 不 同的典 型演 变特 征，为 寒 潮 中期、延 伸期 预报 提 供一 些参 考依 据。2 资料 和方法 2 1 冷 空气 天气 过 程资 料 本文利用 中央气象 台划分 的 1 9 5 1 2 O 0 6年寒 潮过程数据，划分标准结合过程 日平均气温降温幅 度和过 程 最低 气 温 距 平。过 程 日平 均气 温 下 降 1 0 (8-1 0)以上，负 距 平 值 超 过 6 (4 6)，且 占全 国三分 之二 的代 表站

10、数 时，即定 为一 次 全 国 性寒潮(强冷空气)，划分时间为 每年 9月至次年 5 月。这种划分方法不仅考虑 了过程降温幅度，还考 虑 了距平值 中包含 与常 年 同期冷 暖 的差别。2 2再分 析 资料 采用 1 9 5 1-2 0 0 6年 NC E P NC AR再 分 析逐 日 海 平 面气压 场、5 0 0 h P a高 度 场 以 及 8 5 0 h P a 气 温 格 点 资料，空 间分 辨 率 为 2 5。2 5。；气 候 平 均取 1 9 5 1 2 O O O年 月 平均。2 3 统 计分 析方 法【l 2 3 1 功率 谱估 计 为了解 我 国强 冷空 气 活动 的年

11、际变化 特 征，对 1 9 5 1 2 O O 6年 逐 年 强 冷 空 气 年 频 次 序 列 做 功 率 谱 分 析。离散 点功 率谱 计算 公式 如 下：S；一去(n；+b；)，(1)其 中“和 b 为不 同波 数 k的傅 里 叶系数 估计，即：a k 一 耋 。s。(2)一 塞 in 2 rck c 一 周期值与波数 k的关系为 丁 一 对 离散 功 率谱 检验 根据 方 差 检验 的方 法，在 假 设 H。：E(a )一E(b )一0的情况 下，统计 量：(n；+b；)2 F 一 兰 一，(3)(s 一 专 ；一 专 )(一 2 1)遵从 分 子 自由度 为 2，分母 自由度 为 一

12、2 1的 F 分布，式 中 S 为 原序 列 方差。2 3 2 聚类 分 析方法(1)聚类距 离 在 聚类 分析 中，需要 对 不 同环 流样 本进 行 相似 分析，文 中客观 度量 两 个样本 间 的相似 程 度距 离 主 要是 相关 系数：r 一 T i=1()()，其 中 7，S 分别为第 k及第 z 个变量的标准差。(2)逐级 归并 法 逐 级归并法一开始假 定每一个体为独立一组(类)，设 分 析 对 象 为 空 间 中 P个 点，这 样 就 有 P 组，第 一 步要 找 到 两 个 最 相 似 的组 并 把 它们 合 并，得 到(一1)组。在 这 一 步 中要 普 查 P(P 一 1

13、)2个 相 似 系数 中哪 两个最 相 似，最 相 似两 个点 的相 似系 数保 留下来 作 为第一 级 归并 级 的相似 水平。第 二步 把其余组与第一步合并组进行比较，比较哪一组与 它最相似为原则进行归并。由于相关系数(或距离)具 有 可加性，可用 平 均相 似系 数 作为 衡 量判 据。如 此下 去，每 一 次 都 将“最 相 似”或“最 近”的 两 组 归 并，直 到所 有 个体归 并 成一 组 为止。归并 的过 程可 制成 枝 形 图(或 称树 图)。文 中在 组归并 过 程 中主要 应用 了平均 距离 作为 判据，即组 之 间距离 定 义为 组 内成 员 之 间距 离 的平 均。3

14、 我 国寒潮活动概况 1 9 5 1 2 O O 6年 我 国共发 生 全 国性 强 冷 空气(包 括寒 潮，下 同)共 4 1 8次，年平 均 7 5次，其 中寒 潮 8 7次，年平 均 1 6次，最 早 出现 在 1 9 5 8年 9月 2 6 日，最 晚在 1 9 8 3年 4月 2 7日。从 强 冷 空 气 活 动 频 数 来 看(图 1)，2 0世 纪 6 O 年 代 出现次 数 最 多，达 9 9次，年 平 均 近 1 O次；5 0 年代为 9 1次；7 O年代和 8 0年代相当，均 7 3次；9 0 年代 明显减少到 5 7次，与 6 0年代相比，强冷空气 活动 频次 减 少 近

15、 一 半。2 0 0 1-2 0 0 6年 总 次 数 为 2 5 次，年均 不 到 5次，比 9 0年代 进一 步减 少。寒潮 活 动 的年代 际变 化 与强 冷 空 气 类 似，5 O年 代 和 6 0年 代 出现最为频繁，均达 2 3 次，年均 2 3次；7 0年代 为 2 0次，略有减 少；8 0年代 和 9 0年 代锐减 到 8 次，年均不足 1次。由此可见，目前我 国强冷空气 活动正处于一个相对不活跃 阶段。1 9 5 1 2 0 O 6年 寒 潮 活 动 的 年 频 数 标 准 化 处 理 结 果如 图 2所示，寒 潮发 生最 多 的是 1 9 6 7年，共 5 4 2 2 高

16、原 气 象 图 1 1 9 5 1 2。0 6年强 冷空气 和寒潮发生 频次年代际变化 Fi g 1 I nt e r de c a da I va r i at i o ns of t he s t r o ng c ol d ai r a nd c ol d wa ve oe ur r e d f r e q ue nc y f r o m 19 51 t o 20 06 次，而有 1 2年未 出现寒 潮，除 1 9 7 4年 外，有 8年 均发 生 在 2 O世 纪 8 O年 代 和 9 0年 代，而 2()()1 2 0 0 6年 的 6 年 中有 3年 未 出现 寒 潮。线 性 趋

17、势 线 反映寒 潮年频 数呈 明显 下降 趋势。对 5 6年 强 冷 空 气 年 频 次 序 列 做 功 率 谱 分 析，并计算各谐波数对应周期 的功率谱值，其结果与 裳 褂 雷 l ：I i l 图 2 1 9 5 1 2 0 0 6 年寒潮年发生频次 的标准化值 直线代表线性减少趋势 Fi g 2 Ye a r l y s t a n da r di z e d f r e q ue nc y of c ol d wa v e f r om 1 951 t o 2 006 Th e s t r a i g ht l i ne s ho ws t he l i ne a r de c r e

18、 a s e t e nd e nc y T a 5 6 0l 8 7l 1 2 8 0 6 2 5 1 4 3 3 7 3 3 2 9 2 7 2 4 2 2 2 1 邋 筑 图 3 1 9 5 1 2 0 0 6年强冷空气年变化功率谱 柱形为功率谱，虚线为对应各谐波的 F检验值 Fi g 3 Powe r s p e c t r um a n a l ys i s of t he s t r on g c o l d a i r f r om 1 9 51 t o 2 0 06Da s he d l i n e i s t he c or r e s p on di ng v a l u

19、e o f F t e s t，b a r i s p o we r s p e c t r u m 0 0 5 显著性水平值相 比，以检验其显著水平。计算 结果显示(图 3)，谐波数 1，4，2 5和 1 3的谱值较 大，其 对应 的周 期 分 别 为 5 6，1 4，2 2和 4 3年。其中周期为 5 6年和 1 4年的功率谱值通 过 0 0 5的 显 著性 水平检 验，说 明我 国强冷 空 气活 动有 年代 际 以上 的变 化 周 期，而 年 代 际 以 内 的变 化 周 期 不 明 显。4 寒潮中期天气过程特征量分析 寒潮酝酿和爆发是行星尺度和天气尺度系统相 互作用 的结 果，其 变化

20、 十 分 复杂，每次 过 程环 流 形 势演 变及 物理量 特征 都不 尽相 同 g 。下 面分 析寒 潮 中期 过程 环流形 势 和 不 同 阶段 物 理 量 的演 变 特征，这可 了解各 阶段 之 间物理 过程 的 内在 联 系，为寒 潮 预报 提供一 定 的物理 基础 和参考 依据。4 1 寒 潮冷高 压强 度特征 西伯利 亚地 面冷 高压 是寒潮 天气 过程 的直接影 响系统，它 的 中心强 度 和高压 前部 的气压 梯度 是 预 报寒潮 冷 空气强 度 和大风 等灾 害性天 气 的重要参考 指标。由于确定寒潮过程 日期有一定 主观性，故在分 析中取寒潮爆发前后 2天，并在 4 o。6

21、 5。N，7 0。1 3 O。E区域 内地 面气 压最大 值 定义 为 地 面冷 高压 中 心 强度。从历 年 8 7次寒 潮 过 程 的地 面 冷 高 压强 度 的统计 结果来 看，不 同寒潮 过程 的冷高 压强 度 变化 较 大，最 强 可 达 1 0 7 4 h P a以上(1 9 8 7年 1 1月 2 5 日)，最 弱只 有 1 0 3 4 h P a(1 9 6 7年 9月 2 8日)，相差 近 4 0 h P a。8 7次 寒 潮 过 程 平 均 强度 达 1 0 5 5 h P a，其 中超过 1 0 4 5 h P a的有 7 0次，占总 数 的 8 O 。线 性趋 势分 析

22、显 示，虽然 寒潮发 生 频次 的年代 际变 化 明显，但 冷 高压强度 无 明显年 代 际变化。寒 潮过 程冷 高压 强度 的月 际统计 结果 表明其 有 明显季节变化，隆冬最强，1 2月和 1月平均冷高压 强度 都超过 1 0 6 0 h P a；过 渡季 节 强 度最 弱，其 中 9 月平均仅有 1 0 3 6 h P a，4月稍强，为 1 0 4 4 h P a。定 义地 面冷 高压 中心 与 3 O。N，1 1 5。E格 点(武 汉附近)的气压差值为寒潮 冷高压梯度，以表征冷 高压的相对强度。8 7次寒潮过程中地面冷高压梯 度 最大 达 6 0 h P a，出现 在 1 9 8 7年

23、 1 1 月 2 5日的过 程，1 9 6 7年 9月 2 8日寒潮过程最小为 2 2 h P a。冷 高压越强则梯度越大，引发的寒潮天气越剧烈，两 者相 关 系数为 0 7 5。与 冷高 压强度 不 同，冷高压 梯 度 的季节 变化 不 明显。冷 高压 梯 度 9月 为 2 4 h P a，明显偏小，其他各月差别不大，最大梯度 4 7 h P a出 姑鞲 鬃 5 0 5 0 5 O 5 O 5 4 4 3 3 2 2 1 1 O O 2 期 康志明等：1 9 5 1-2 0 0 6年期间我 国寒潮活 动特 征分 析 4 2 3 现在 2月。4 2寒潮 冷高 压 区域分 布 特征 寒 潮冷 高

24、 压强 度有 明显 的季 节 变化 特征，因此 1 1月翌 年 3月取 1 0 4 0 h P a，4月 和 1 0月取 1 0 3 0 h P a，9月取 1 0 2 5 h P a，从 寒 潮 爆 发 前 1 0天 至 后 5 天，统 计冷 高压 在关 键 区域 内发 生频 次。结 果 表 明(图略)：冬 半 年强冷 高 压 主要 在 4 5。6 5。N，7 O。1 3 0。E范围内活动，其 中在 阿尔泰山和贝加尔湖西 南方 的萨彦岭 分别 有 两个 中心，揭 示 了 多数 冷 高压 都在 这 一带增 强爆 发 南下。冷 高压 活 动 中心均 与 山 脉相 对应，说 明冷 高 压 加 强

25、与地 形 作 用 密 切 相关。其原 因是 在对 流层 下部 涡 度局地 变 化方 程_ I：一A 一(R f)l o g(p。P)(d H d t)+(r。一I 1)+(g R)A (5)中，分析 第三 项绝 热 变化 可 知，在 反气 旋 中盛 行 下 沉气 流，故 c o co；r。一r一般 也 为 正，两者 从 反气 旋 中心 向外 减 小，则 一(I、一r)O，因此，绝 热 变 化项 限制 反气旋 加 强。当寒 潮冷 高压 移 至 山脉 附近时，山脉阻挡了冷空气 向南扩散，使之下沉作 用 减弱，从 而 限制 绝 热变 化 项，致使 冷 高 压 得 以加 强。同时，第 二 项非 绝 热

26、 项，在 冷 源 上 空 d H d 0，但 其绝 对 值 向外 减 小，故 一 。d H d t O，即冷 却 作用 有利 于 反 气旋 发 展。山 脉地 区冬 季 多积 雪，辐射冷却作用明显，这也有利于冷高压加强。在隆冬 1 月和 2月，冷高压活动区围绕着上述 两 个 中心 向 四周 扩展，范 围 比其他 月 份 偏南。从 蒙 古 国经 我 国河套地 区 向南 有一 个 冷高 压活 动 的高频 带，说 明有 较 高频 次 的西北 路 径寒 潮 影 响我 国。其 他 月份冷 高 压活 动 区多呈 东西 带 状，且 以 9月 最 明 显。冷 空气 从 欧 洲东 部，经黑 海、里海 向东 到 巴

27、尔 喀 什湖 以偏 西路 径影 响我 国。4 3 寒 潮冷 高压 移 动路 径 寒潮 冷 高压 移 动 路 径 有 4条 _】：(1)西 北 路：冷 空气 经 蒙 古 国 从 我 国河 套 附 近 南 下；(2)东 路：冷 空气从 蒙古 国进 入 我 国华北 北 部，经 华 北 或 渤海 南下；(3)西路：冷空气经新疆，从青藏高原北缘东 移南下；(4)东路加西路：东路冷 空气从 黄河下游 南下，西路冷空气从青海东南下，两路冷空气在我 国东 部合并 共 同影 响。在 8 7次寒 潮过 程 中有 6 4次 以西北 路径 人侵 我 国，占总数 的 7 4，为最多；其 次是 西路，有 1 2 次；东

28、路有 1 1次(表 1)。统 计未 发 现东路 加 西路 的 寒潮，此路径是分裂的冷高压分别从东、西两路南 下影响，难 以达到寒潮标准。寒潮路径也有年代变 化 特征，偏 东 路 径 大 都 发 生 在 寒 潮 频 发 的 2 0世 纪 5 0年 代 和 6 0年 代，8 O年代 至 2 1世 纪初 以偏 西 路 径 为主。表 1 1 9 5 1-2 0 0 6年寒潮过程冷 空气 路径 统计(单位：次数)Tab l e 1 The t r a c k s t a t i s t i c of c o l d wa v e f r o m 1 951 t o 20 0 6 年代 西北路 西路 东路

29、 东路加西路 总计 影 响我 国寒 潮 的源 地(表 略)可 分 为 5类，第 一 类冷 空 气从 巴伦 支海 向东南 进入 我 国，共 有 3 9次，占总数 的 4 5 ，为最 多；第 二类 冷空 气是 从 北 欧东 移，并 不 断加 强人侵 我 国，这 类有 1 6次，居 于第二 位；第 三 类 是 新 地 岛 以东 的冷 空气，经 喀 拉 海、西 伯利 亚 地 区进入 我 国，有 1 3次；第 四类 源 于新 西伯 利亚 群 岛 的极 区，也 为 1 3 次；第 五类 是亚 洲北 部 的 冷空 气 不断 加 强并 南 下 影 响，这 类 寒 潮 最 少，仅 5 次。4 4寒 潮过 程 8

30、 5 0 h P a冷 中心 分析 8 5 0 h P a冷 中 心 是 判 别 寒 潮 强 度 的重 要 指 标，其变 温对 预报 冷 空气 降 温幅度 和 最低 温度 具有很 好 的指 示 意 义口 。在 8 7次 寒 潮 过 程 爆 发 日前 后 2 日，4 0。6 5。N，7 0。1 3 0。E 区域 内 8 5 0 h P a 上平 均 冷中心温度为一3 1，而低于 一2 8 的有 6 O次，占 总数 的 6 9 。不 同 过 程 冷 中心 变 化 较 大，最 强 达 一4 5 (1 9 7 9 年 1月 1 0日)，最弱 只有 一1 2 (1 9 5 8 年 9月 2 6日)。冷

31、中心温 度有 明显 季节 差异，在 1 2 月、1 月 和 2月 冷 中 心 平 均 温 度 都 在 一 3 5 以下；而过渡季节要高得多，以秋季 8 5 0 h P a冷 中心平均 温度 最 高，9月 和 1 O月分 别 为 一 1 2 和 一2 2 ，4 月也 较 高，为 一2 5 。将 8 5 0 h P a上 3 O。N，1 1 5。E格点温度值与 4 O。6 5。N，7 O。1 3 0。E区域 内最 低气 温 的差 值定 义为 该层的温度梯度，此差值反映低层冷暖空气的相对 捣 8 8 盯 5 4 1 l 0 0 U 3 2 4 1 0 2 ”6 8 3 年年 0 O O O O 蚴

32、一 一 2 期 康志 明等：1 9 5 1 2 O 0 6年期 间我 国寒 潮活动特征分析 4 2 5 2 1 ；第三类有 1 3 次，占 1 5 ；其他两类共 5次，出现概率较小。占比重很大的第一类极涡面积演变(见 图 4)与 8 7次 平均 类 似，两 者 相关 系 数 达 9 5 。而第二 类 与平均 状 况有 明显 差 别，在 寒 潮爆 发 前 极 涡面积 变化 较 为平 稳，在寒 潮 爆 发 时极 涡 面积 才 出 现 明显 增 大。在 5 0 0 h P a上，这 类 寒 潮 爆 发 前，亚 欧大 陆 被 一 高 压 脊 所 控 制，极 涡 偏 在 两 侧，此 后，该高压脊崩溃或东

33、移减弱，引导寒潮爆发。原偏在 高压脊两侧的极涡重返极地，控制亚欧大陆北部，这个 区域 的极涡 面积 指数 呈增 大 态势。第 三类 极 涡 面积指 数演 变与 平均 状 况相 类 似，呈 上 升一 下 降一 上 升 3 个 变化 阶段。最大 不 同 的是 极 涡面 积达 到最 大 时间 比平均 状 况滞后 近 4天，因其第 一 阶 段极 涡 面积 增 大 比平 均状 况更 为 平稳。对寒 潮过 程 的极 涡面 积演 变 分 析表 明，在其 爆 发前 1 0 日前后，大 多数 极 涡 面 积 指 数 均 达 一 个 高 值，这 与东 亚“倒 Q 流型”的建立 有关，是 极地 冷 空 气南 下堆

34、积酝 酿 的 重要 标 志。对 8 7次 寒 潮 过 程 爆 发前 8 1 2日最大极 涡 面积 指 数统 计 发 现，平 均 极 涡面 积指数 达 到 2 5 6 1 0 k m，超 过 2 4 0 1 0 k m。的过 程 占总数 5 5 以上。5 寒潮 过程西风环流指数演变特征 大气环 流 的 中期 变 化主 要表 现 为高低 西 风指数 相 互交 替、循 环 往 复 的 变 化 过 程 1 。大 气 环 流 指 数(西 风指数)可 用 于分析 寒潮 中期过 程大 气环 流 的 调 整特 征。从 6 5。1 5 5。E，每隔 1 0。E，计算 4 5。N和 6 5。N 两个 纬 带位 势

35、高 度差 之 和，即得 到 亚洲 中高 纬度 西 风指数，计算 时间为寒潮爆发前 1 5日至爆 发后 4 日共 2 O天。8 7次寒 潮 过 程 平 均 西 风 指 数 演 变(图 5)显 示，从 寒 潮爆 发前 1 5 1 0日前后，中高纬 西风 指数 变化 较小，此后 至 寒潮 爆 发 前 5日，西风 指 数 不断 升 高，环 流 处 于 高 指 数 阶 段(纬 向环 流)。此 时，西 风 强 盛，南 北 风 弱，高低 纬 冷 暖 空气 不 能 交 换，中纬地 区 的温 度 梯 度不 断加 大，锋 区增 强，是 寒 潮 酝酿加 强 阶段。在 寒潮 爆 发 前 5日至 爆 发 后 3 日，西

36、风 指数 出现 一 个 陡 然 下 降 过 程，从 2 9 9 d a g p m最高位下降到 1 8 0 d a g p m 的最 低位，下 降 1 1 9 d a g p m。此 间 大气 环流从 高 指 数 阶段 向低指 数 阶 段 调 整，即从 纬 向环 流 向经 向环 流 调 整，原 中高 纬 强 西风有所减弱，经向风开始盛行，高低 纬冷暖空气 相互 交换，南北 温度 梯 度 减 小，是寒 潮 爆 发 和 南 下 影响的阶段。在寒潮过程后期，西风指数由最低点 向高 位调整，扰动逐 渐减弱 消失，环 流亦恢 复平 直，从经 向型变 成纬 向型。平 均 西风 指数 演 变 表 征 的是

37、8 7次 寒 潮 过 程 的 共 同特 征，其 实 每次寒 潮 过程 的大气 环 流演 变 特 点 都 不 相 同。通 过 聚 类，在 8 7次 寒 潮 过 程 的 西 风指 数 的五 种类 型 中，最多 的第 一类 有 5 8次，占 6 7 ，其指数演变(见图 5)与平均状况较为类似。这类特 征是西风指数从寒潮爆发前 6日至爆发后 2日出现 显著下降，平均下 降幅度为 1 8 2 d a g p m，是最常见 的西 风 环 流 演 变 特 征。第 二 类 有 1 7次，占 2 0 。与第 一类 不 同 的是大 气环 流在 寒潮 爆 发前 1 5 6日 前后 处 于低指 数 阶段，在 爆 发

38、前 1 0 日前 后 出现 最 低值，而后缓慢上升，从寒潮爆发前 6 2日，指数 剧 烈 上 升，在 4日 内，上 升 1 4 1 d a g p m，而 后从 高 位下降与寒潮爆发相对应。这类寒潮过程的大气环 流经历 了从 经 向 到纬 向又 到经 向两 个 阶段剧 变。第 三类有 1 O次，占 1 1 。在 寒 潮 爆 发 前 1 5 4 日，指 数处 于上 升 阶段，至寒 潮 爆 发 日，大气 环 流 由高 指 数调 整 为低指 数。与 前两 类不 同的是寒 潮爆 发期 间指数 是低 值 阶段 的反 弹。占 9 8 的前 三类 寒 潮，基本 上 代表 了寒 潮 爆 发 的 3种 环 流

39、演 变 特 征。四、五 两类 各有 1 例，代表 性不 强。皇 暑 籁 瓣 噻 般 图 5 1 9 5 1 2 0 0 6年 8 7次寒潮天气 过程 平均及 3 种优势类 型西风指数演变(单位：d a g p m)其余 说明同图 4 Fi g 5 Th e a ve r a ge a n d t he t hr e e do mi n a nt pa t t e r ns o f we s t e r l y i n de x dur i n g t he 8 7 c ol d wa v e pr o c e s s e s U n i t：da gp m Ot he r s a r e t

40、he s ame as Fi g4 6 寒潮过程波谱动能分析 寒 潮爆 发 发生 在半 球 性大 型环 流形 势调 整 和演 变 之 中，超长 波 型演 变 和 长波、超 长 波调 整反 映 了 这种环流形势的变化。分析寒潮过程波谱能量可从 能 量学 角度 来 描述 寒潮 天气 的物理 过程。高度场上某纬圈 动能的谱展开公式 为 4 2 6 高 原 气 象 2 9 卷 F 一点一 1 6 n r s i n ()(a ()一a k(2)+(b k(1)一 b k(2)。，(8)其中 k为波数，0为地球转动角速度，r为地球半 径，为所计算纬圈 的纬度，z 为 的两相邻(南、北)纬圈的纬度，一 z

41、，a ，为傅里 叶展 开 系数：n n 1 a k 一 1 l i=o hi c o s 舷，n 一 1 一 其中 为所计算纬 圈上格点数，为格点上高度 值。根据上 述公式，计 算 了 8 7 次 寒潮 过程 1 5波 的波谱 动能。寒潮 爆 发 前 2 O 1 5日为 寒 潮 中期 过 程初始阶段，寒潮爆发前 1 0 5日为酝酿 阶段，寒 潮爆发 前后 2日为爆 发 阶段，寒 潮 中期 过程 的 波谱 型分 析 如 表 2所 示。由表 2可见，在 寒 潮 初 始 阶 段，北半球高纬度(5 5 5。7 7 5。N)以超长波为优 势波，其 中 2波为 优 势波 型，占总 数 4 O ，1波 占

42、2 6 ，3波 占2 2 ，三者共 占 8 8 9 6；在寒潮酝酿 阶 段，仍 以超长波 占优势，其中 2波 占总数 的 4 4 。在 2波 发展 阶段，极 涡分 裂 成两 个 中心，出 现偶 极 型环 流，通 常认 为冬 季 2 波 作为 动 能源 向其 它超 长 波输送大量的能量，故 2 波成为寒潮酝酿阶段主要 波型。在寒 潮爆发 阶段，北半球 中纬度(3 7 5。5 5 5。N)长波 为优势 波的 比重有所增加，4波 和 1 波为优 势波 的几率 最高。对寒潮过程 中高纬度 2、3和 4波的波谱能量 演变特 征进 行聚类 分析，其 中优 势类 型 可反 映 出寒 潮 中期 过程北 半球

43、谐波 能量演 变 的主要特 征。北半球高纬度(5 5 5。7 7 5。N)寒潮 过程波谱 第一优势型能量特征(图 6 a)显示，在寒潮过程初始 阶段后期 2波能量强烈增长达到一个峰值，此后，以 2波 能量 衰减进 入 酝酿 阶段，3波 和 4波能 量 得 到增长，并 在寒潮 爆发 前 达最 大，寒 潮 爆 发是 3波 和 4波能 量 的释放。第 二 优 势 型 能量 特 征 显示(图 6 b)，3 波 和 4波 能 量 在 寒 潮 天 气 过 程 变 化 较 为平 稳，2波在寒潮初始阶段和寒潮爆发前 5日左右分 衄 勰 艇 燃 图 6 寒潮过程北半球高纬度(5 5 5。7 7 5。N)波谱能量

44、第一(a)、第二(b)优势型演变特征(单位：m s )其余说明 同图 4 Fi g 6 Th e f i r s t(a)a n d s e c o n d(b)d o mi n a n t p a t t e r n s o f wa v e e n e r g y i n h i g h l a t i t u d e o f No r t h e r n He mi s p h e r e (5 5 5。7 7 5。N)d u r i n g t h e 8 7 c o l d wa v e p r o c e s s e s Un i t：m sOt h e r s a r e t h

45、 e s a me a s F i g 4 一 一 再箍嵇艇 2期 康志 明等：1 9 5 l 2 O 0 6 年期 间我 国寒 潮活动特征分析 4 2 7 吕 删 怒 图 7 同图 6，但 为北半球 中纬度(3 7 5。5 5 5。N)F i g 7 Th e s a me a s Fi g 6，b u t f o r m i d l a t i t u d e o f No r t h e r n H e mi s p h e r e(3 7 5。5 5 5。N)别 出现 一个 峰值，寒 潮爆 发 时，2波能 量衰 减，3波 和 4波 能量无 明显变 化，能量 可 能 输 出给 更短 的谐

46、 波。这 两 种优 势 特 征 类 型 共 出现 5 7次，占总 数 的 66 。综合 上述 两种 类 型发 现，寒 潮 天气 过 程初 始 阶 段，北半球高纬度以 2波出现峰值为主要特征，在 寒潮爆发前，高纬度 2波或 3波为优势波的概率较 大。在北 半球 中纬 度(3 7 5。5 5 5。N)，寒 潮 过 程 波谱 第 一优势 型 能量特 征(图 7 a)显示，寒潮 过程 北 半球 中纬度能 量 的变化 主要 出现在 3波 中，在 寒 潮 爆发 前 5日前 后，3波 出现 一 明显 峰 值，至 寒 潮 爆 发，3波 能量迅 速 衰减，寒 潮爆 发 时，3波再 一次 发 展。这种能量变化特

47、征体现 了寒潮 过程 的谐 波演 变，在寒潮爆发前 5天前后中纬度 3波动能的增值 过程，对 应 乌拉 尔 山高压 脊或 西 伯利 亚 高 压脊 的发 展，高 压脊 崩 溃 或 减 弱 东 移 引导 冷 空 气 南 下 时，3 波 能量 迅 速 衰减，至寒 潮 爆 发 后，东 亚 大槽 重 建，槽后 偏北 气流 继续 引导 冷 空气南 下 影响 我 国南方 地 区，3波 动能再 迅 速增 强。这 种谐 波 演 变 类 型 共 发 生 了 4 2次，占所 有 过 程 近 一 半。第 二 优 势 类 型 的 谐波 特征 有 较 明 显 的不 同(图 7 b)，主 要 谐 波 能 量 变化 仍 然是

48、 3波，其 次是 4波，3波 峰 值 出现 的 时 段在 寒潮 的初 始 阶段，寒 潮爆 发影 响对应 2波 能 量 增长。7 结 论 通过 对 1 9 5 1 2 O 0 6年 我 国寒 潮 若 干 气 候 特 征 和寒 潮 中期 过 程特 征量 统计 分 析，得 到 以 下 主要 结 论：(1)我国寒潮逐年活 动的频次呈明显下降趋 势，目前处于不活跃阶段。功率谱周期分析表 明我 国寒潮 活动 的 多年代 际 变化 周 期较 为 明显。秋、冬 及 春季 是 我 国寒 潮 最易 发 生 的季节。(2)寒 潮 过 程 的冷 高 压 强 度 变 化 较 大，并 有 明显季 节性 变 化特 征。影

49、响我 国寒 潮源地 大 多可追 溯 到亚 欧 大陆北 端 的极 地 附近，大部 分寒 潮 冷 高压 在 新疆 北部 的阿尔 泰 山脉 和贝加 尔 湖西南 方 的萨彦 岭 山脉 一带，增强 后爆 发 南下。以西 北 路径 入 侵 我 国的寒 潮是 最 常见 的。(3)对 8 5 0 h P a冷 中心的统计分析得到 6 9 的寒 潮 天 气 过 程 8 5 0 h P a 冷 中 心 的 温 度 低 于 一2 8 。在影 响我 国的 大部 分 寒 潮 天气 过 程 中，乌 拉 尔 山地 区都有 高压 脊 活动，有 阻塞 高 压活 动 的 占 一半 以上。乌拉 尔 山阻 塞形 势崩 溃 与寒潮 爆

50、 发有 密 切 关系。(4)我 国寒 潮 天气 过 程 中极 涡 指 数 变 化 特征 明显，在寒 潮 初始 阶段，极 涡 面 积 迅速 上 升 达 到高 值，与东亚“倒 Q 流 型”建 立 密切相 联，是寒 潮 天气 过 程 中极地 冷空 气 南下 堆积 酝酿 的 重要标 志。(5)西风 环 流 指数 在 寒 潮 爆 发 前 6日至爆 发 后 2日前后 出现 明显下 降，是 我 国寒 潮 天气 过 程最 常见的环流演变特征。(6)在寒 潮 初始 阶段，北 半 球 高 纬 度 以 2波 出现峰值为主要特征，在寒潮爆发前，高纬度 2波 或 3波 为优 势波 的概率 较大；北 半球 中纬度 在 寒