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冷空气爆发

2020-05-20
renql

主要翻译自2006年《The Asian monsoon》4.5 Cold waves and cold surges

南亚东北季风

南亚的冬季环流,有时也不太准确地被称为南亚东北季风,其地表主要被中亚的大陆高压控制(是西伯利亚高压45N, 105E的西南延申),其西北-东南朝向气压脊经过巴基斯坦北部与恒河平原南部。高压南部逐渐落入赤道槽区域。

ITCZ位于南印度洋近赤道区域8-10S,但由于北印度洋近赤道区域的暖水,使得Andaman Sea(位于中南半岛西部)到阿拉伯海东南部存在一个比ITCZ弱一些的辐合带。由有组织的独立云团构成的小云带出现在这个弱辐合区域。当这些云系位于北半球近赤道槽区域并向西移动时,会在斯里兰卡东海岸、印度半岛最南端以及马尔代夫造成降水。更特殊少见的是,在孟加拉湾南部可能会产生一个热带气旋,例如1999年2月4-6日所发生的那样。1999年的冬季非常湿润,北半球近赤道槽也相当活跃,与气旋涡旋相关的云团尺度扰动从马来西亚西部出发,途径孟加拉湾南部,向马尔代夫移动。这些区域近地表的气流较弱,且在25N以南为东北风。

副热带脊随高度向南移动(850hPa层位于22-25N,200hPa层则位于5-8N),这表明南亚对流层中高层均被西风流动控制。巴基斯坦北部及印度区域的副热带脊偶尔会因冬季扰动(也叫西部扰动 western disturbances)的传播通道而分支。西部扰动是南亚北部冬季期间主要的瞬变系统。一直以来,学者们都认为他们起源于地中海和里海。他们与热带外风暴系统的区别在于:热带外风暴系统有很完整的锋面结构,向东北方向移动;而西部扰动则不具有任何锋面结构,多数属于固囚系统,但对南亚北部非常重要。他们与中纬度西风急流中经过65-70E的槽相关联。

青藏高原南脊、对流层高层的南支副热带急流经过恒河平原,最后在中国南部与北支副热带急流汇合。冬季和夏季风未开始前的副热带急流的纬度位置一般会有5-10度的波动,该波动对南亚背板的天气过程有显著影响,尤其在季风未开始前和季风结束后。大尺度环流与地形的特殊结合可以在巴基斯坦引起弱的气旋环流,偶尔是低压系统,反过来也会在印度西部引起低压。从阿拉伯海到孟加拉湾都会发生水汽入侵,而对流层中上层西风槽前的辐散环流有利于湿空气上升,随后在巴基斯坦的喜马拉雅区域及印度西北部下雪,而在山脚下和周围平原区域则下雨。降水有时候会从西向东扫过整个恒河平原。尽管南亚冬季降水占全年降水的比例很小,但印度北部的降雪为印度河和恒河提供水源,同时也对该区域的冬季农作物有重要影响。

因此,北部的西部扰动和北半球近赤道槽内、以云团尺度气旋环流形式出现的东风波是南亚区域冬季、影响小范围天气的主要瞬变扰动。冬季的天气一般都比较凉爽和干燥,巴基斯坦南部、印度北部和中部、印度半岛南部、孟加拉国以及尼泊尔中部和南部的天气则相对宜人。他们偶尔会被西部扰动所影响,造成多云和降水的天气,随后变冷、多雾。斯里兰卡和马尔代夫的天气也是很好的,只有偶尔会被云团扰动或东风波影响,从而飘过阵雨。

西部扰动 western disturbances经过巴基斯坦后,印度西北部从北到西北都会有冷风。剩下的西部扰动水汽、冷空气、晴天就会导致印度-巴基斯坦多雾天气的出现。这种雾天事件的持续事件和水平尺度在过去两个年代的冬季显著增长。在有些冬季,雾天事件可以持续10-20天,覆盖从巴基斯坦到印度孟加拉邦西部2000km的距离。雾天事件持续事件增长和大范围的覆盖已经成为了这个区域航空行业的一个重要的扰动因子。

冷波 cold wave是由冬季经过的西部扰动造成的。在扰动后方,巴基斯坦北部和印度有冷平流。该冷平流向东、向南传播,空气从喜马拉雅下泄到平原地区,地表迅速降温,在晴天时期,最低温度可以比正常情况低4-8摄氏度。平原北部的白天温度也可以降低到10-12摄氏度,并被持续的雾天加重。起源于山丘北部的冷波可以在1-2天内到达平原北部,2-4天内到达印度中部和东部,有时会在4-6天内到达印度半岛南部(15N)。可以持续3-5天的冷波会造成巴基斯坦、印度中北部及恒河区域由天气寒冷导致的死亡。

印度的冷波一般12月开始,1月达到峰值,3月减弱。其中有50%的冷涌发生在1月。印度的冷波和中东亚的冷涌是两个不同的东西,尽管他们产生时的环流情况类似,都是在热带外东移扰动后方的冷平流及增强高压的影响下产生。但印度-巴基斯坦的冷波的冷空气来源于副热带或中纬度,而东亚冷涌的冷空气则来源于极地。除此之外,Indo-Pakistan西部和中部的喜马拉雅群山也能阻挡冷空气的入侵。

然而,在一个异常活跃的西部扰动的影响下,低层气流相当快地从伊朗及其邻近地区通过巴基斯坦俾路支省的低山丘和印德帕基斯坦的锡瓦利克山丘排出。它还入侵了阿拉伯海北部,导致北部阿拉伯海、毗邻巴基斯坦和印度西部的北风加强。阿拉伯海大部分地区的东北风脉动是在西方扰动的后方造成的,与中国海域的冷潮具有相似的特征,但强度较小。

尽管南亚大部分地区10到11月为干燥时间,但在印度半岛南部、斯里兰卡经常会有显著降水,尤其是在这些地区的东海岸以及马尔代夫。在印度,这些降水被认为是东北季风,而在斯里兰卡则被认为第二季风。然后,在12月底,当东北季风最强且完全控制印度洋北部时,雨季却停止了。东北季风降水为印度泰米尔纳德邦提供了50%的降水(相对于年降水)。

东亚冷空气

东亚冬季最盛行的天气过程是冷空气的爆发,该过程以蒙古地区极端干冷空气的入侵为标志,相关的气象变化为:大风、温度骤降、霜、冻雨、暴风雪甚至沙尘暴。天气过程的剧烈程度取决于冷空气的寒冷程度、天气系统和环流结构、局地地形特征。

冷空气或冷波的爆发与东亚冬季风活动密切相关。东亚冬季风的空气从巨大的西伯利亚高压吹出,经过东亚大陆,进入低纬度成为冷涌。随后在新加坡、印度尼西亚等地穿越赤道流入南半球,从而加强南半球ITCZ。因此东亚冬季风是亚澳季风系统的重要组成部分,反映了该季风系统内部的半球相互作用。此外,东亚冬季风也是冬季东亚和西北太平洋局地Hadley环流的一部分,以急流入口区左侧广泛的下沉运动为特色。

东亚冬季风一般在11月到12月简历,4到5月撤退。如前所述,季风的简历和撤退过程都比较剧烈。在冬季风期间,可以观察到被10-20天低频振荡调控的active-break cycles。冬季风的活跃期一般与冷空气或冷波的爆发相关。冬季风的活跃过程一般可以分为三个阶段:爆发、向南移动、与中低纬系统相互作用。一般将影响中高纬区域天气的冬季风活动定义为冷波,而将入侵低纬区域的冬季风活动定义为冷涌。冷波的频率和强度的长期变化是减弱,这与东亚冬季风的长期变化一致。

在中国,冷波依据严重性可以分为四级(括号内是平均每年冬季的发生次数):

  1. 全国范围的冷空气爆发 nationwide outbreak of cold air
  2. 区域冷空气爆发 regional outbreak of cold air(1和2加起来6.3)
  3. 严重冷空气 severely cold air (4.2)
  4. 中等冷空气 cold air of moderate intensity(8.8)

Guo(1994)指出西伯利亚高压的强度对中国冬季温度的变化起到关键作用,尽管冬季风向南的扩张也很重要。自1980s,西伯利亚高压强度减弱,但向南的扩张却增强。因此,中国北部的显著升温及南部的弱增温可以用年代际变化来解释,

冷空气爆发的特征与西伯利亚高压的形成、增强、向南扩张、变形及耗散密切相关。一般来说,发生在东亚的冷高压通道大约每隔4天发生一次。从一定程度上来说,西伯利亚高压强度可以反映冷空气强度。西伯利亚高压发展的物理机制可以从两个角度来看:大尺度环流调整、区域状况。从区域角度来看,长波辐射导致的辐射冷却可以在对流层中引起下沉运动,从而引起中高层的质量辐合及底层质量辐散,从而导致西伯利亚高压增强。该理论机制与西伯利亚高压所在对流层大气是一个深厚冷柱(热汇)的实事一致。然而xie等人(1992)认为冷却效应是由绝热上升运动导致的。

很多学者都对西伯利亚冷高压进行过追踪,一般其路径可以分为以下五类(最后三种路径是比较常见的):

  1. 东北路径。高压从西伯利亚东部出发,向西南移动到达贝加尔湖和蒙古。这类路径比较少见
  2. 北部路径。高压从泰梅尔半岛(亚洲最北半岛)出发向东南方向移动,到达蒙古西部。
  3. 西北路径I。高压从喀拉海(北冰洋边海)出发向东南方向移动,知道蒙古西部
  4. 西北路径II。高压起源于欧洲北部,翻越乌拉尔山北部,到达西伯利亚,随后和路径3汇合。
  5. 西部路径。高压起源于欧洲西部,随后向东移动,穿过我国新疆或者蒙古西部

进入我国的西伯利亚高压路径主要有两种:

  1. 从源地向东南方向扩张到贝加尔湖,经过黄河中段、中国北部和黄河下游,最后到日本南部或中国南方。
  2. 从蒙古向东扩张,经过中国东北、日本海。

当冬季风达到中国南部、南海以及赤道太平洋西部,他可以进一步增强并变成底层盛行东北风。这些更强的底层北风或东北风就是冷涌。冷涌爆发时间通常定义为:24-48小时内发生以下一个或几个变化:

  1. 香港的地表温度下降5摄氏度或更多
  2. 中国内部和沿海区域地表气压梯度增加5hPa
  3. 南海地表盛行北风的速度超过5m/s

Ding(1990)根据1000hPa和850hPa北风速度大于5m/s并持续两天为标准统计了东亚地区冷涌的气候态情况。发现,若以1000hPa风速为依据,冷涌最大发生频率位于南海,其次是菲律宾东部,但后者的频率只有前者的一半。若用850hPa风速为依据,南海冷涌的发生频率显著减少,只有用1000hPa风速统计时的一半,最大频率移到了马来西亚和印度尼西亚。西北太平洋的冷涌活动几乎消失。到700hPa高度时,南海和西北太平洋冷涌完全消失。上述现象表明冷涌是一个浅薄现象,越靠近地表,其强度和频率均增大。

冷空气爆发期间,亚洲-太平洋区域行星尺度环流会在几天内经历一个显著的短期变化。Ramage(1971)认为冷涌在中国南方海岸的出现,会通过南海对流增强东亚局地Hadley环流。南海对流层上层的流出气流也沿着赤道加速,从而加强东部和西部的Walker环流。此外,在冷空气爆发期间,行星环流的快速东移使得200hPa强辐散环流也向东移动,这使得行星尺度上升运动移到赤道太平洋中部,导致Walker环流减弱,赤道东部太平洋对流和降水增强。

东亚沙尘暴依据成为一个重要的环境问题,因为它可以在大气中释放和运输大量气溶胶。沙尘暴的起源和移动与冬季风活动密切联系,其中冷波可以成为沙尘暴的一个触发机制。沙尘暴一般主要发生在春季和夏季早期,主要起源于我国北方、西北的干旱、半干旱地区,例如甘肃、内蒙古中部、新疆南部。沙尘暴发生频率的年代际变化:1950s到1970s,沙尘暴的发生频率很高。然而自那以后,其发生频率显著降低直到1996年,于东亚冬季风、冷涌、地表风速减弱时期一致。最近几年沙尘暴发生频率的轻微增加被认为是由于中国北部、西部部等地区的极端干旱气候导致的。由于这些地区降水量的显著降低,土壤变得又干又软,从而为沙尘暴的发生发展提供了必要条件。


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