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青藏高原异常升温对2008年华南中部冬季强风暴的作用

Roles of Anomalous Tibetan Plateau Warming on the Severe 2008 Winter Storm in Central-Southern China

QING BAO,JING YANG,YIMIN LIU,GUOXIONG WU,BIN WANG

摘要

青藏高原异常升温发生在2008年一月中国中部与华南受灾害性冻雨与大雪袭击期间和其之前，我们使用了一个大气环流模式来研究这两者之间的关系。在模式中，两个过程会持续不断地运行。一个是由1月气候平均海表温度控制强迫运行，而另一个也采用了类似的模式设置，除了在用青藏高原异常升温来模拟观测温度异常方面。数值结果表明，青藏高原升温催生了发生这类极端事件的有利环流条件，其中包括加深的南压低槽、中国中南部加强的低层西南水汽输送、中国东南部低层气旋性切变的偏南气流和强化的中、上对流层中的中东急流。此外，青藏高原异常升温导致中国中部地表异常冷，而其高空异常暖，形成一个稳定的分层逆温层，有利于形成持续的冻雨。由此我们提出了青藏高原变暖和相关环流异常之间的物理联系，并就2007-2008冬季青藏高原异常升温之间的潜在原因进行了讨论。

1. 简介

2008年1月10日-2月2日，严重的冻雨与大雪袭击了中国东部与华南地区，造成了巨大的损失，包括生命损失、财产损坏，并造成了许多交通事故和广泛的停电，总计财产损失达到并超过220亿美元。理清发生这一极端事件的原因是气象部门的重要责任。

许多研究分析了许多可能导致或者相关于这一极端灾害性事件的有利背景和异常情况。首先，与冬季风暴紧密联系的多方面大气环流异常已被注意到，包括乌拉尔阻塞高压的异常持续性，西太平洋副高的西伸和北移，南压低槽的加强以及华南中部逆温层的形成。其次，中东急流的增强和东南移被认为有利于寒冷天气系统入侵东亚和在2008年1月时加深南压槽。另外，北半球极涡的向下传播也被认为是2008极端冬季风暴的一个可能的贡献因子。

这一极端事件的主要边界强迫被归因于07-08年冬的强拉尼娜事件。数值实验表明，一次强拉尼娜事件可以通过加深南压槽与增强蒙古高压导致中国南部的异常寒冷。不过，高（2009）认为，与拉尼娜事件相比，高纬度地区的异常环流可能才是造成这一极端事件的主要原因。

青藏高原的热力条件是另一个被证明与异常有着密切关系的潜在的重要边界强迫。青藏高原可通过土壤湿度、冰和积雪来储存一些之前的大气信号。对夏季风，Ose (1996) 表明，青藏高原积雪区域异常远比东欧和西伯利亚地区积雪区域异常对季风年际变化的影响要大。陈和吴（2000）和吴和钱（2003）都认为西藏冬季降雪与随后的夏季降水有正相关关系。王和保等（2008）最近基于分层模式的工作发现青藏高原变暖是夏季风降水变化的最主要原因之一。然而，对于冬季风的影响，大部分之前的研究集中在青藏高原的物理影响，而很少研究关注青藏高原对亚洲冬季风作用的热力影响。

值得关注的是，近4℃的地表空气温度异常出现在青藏高原地表从2007年12月（图1a）开始，并于2008年1月开始增强（图1b）。气候变暖信号也与降低的积雪观测结果一致。

Fig. 1. Surface temperature anomalies in (a) December 2007 and (b) January 2008, after removing the climatology mean during the period from 1971 to 2000

文等（2009）显示，积雪日数低于青藏高原常年同期中部和南部地区。青藏高原变暖如何以及在何种程度上，有助于冬季极端风暴和其下游地区，如今正准备研究。

本文的目的是通过大气通用环流模式（AGCM）来研究青藏高原地表变暖对持续性的中国2008冬季天气的可能影响。本研究中使用的数据集都记录在第2节中。第3节介绍了AGCM模式与实验设计，第4节则包括了相关数值结果。第5节中给出了可能的物理解释，最后一节则给出了结论并做了讨论。

1. 数据集

原位观测气温数据集从北京市气候中心获得，其涵盖了中国2007年12月-2008年1月超过700个站点的资料。特别是其中有超过100个青藏高原地区的站点，因此在青藏高原地区显示出异常的图1可以认为是可靠的。另一组观测雨量数据是由站点数据0.5°times;0.5°插值得到的格点数据，可以揭示整个大尺度东亚区域的降水区域异常。在上部和下部对流层的环流和温度数据集则是欧洲中期天气预报中心再分析资料。

1. 模式和实验设计

在这项研究中使用的模型是标准版本6.02的ECHAM4，一个19层的大气空间谱变换模式，从地表延伸了10hPa，并且这里使用的结果根据实验使用了T42的空间分辨率。参考时间在当前版本ECHAM4 T42中是24分钟，但在本研究中，我们使用15分钟以使整合更稳定。地表过程通过用改进过的雨量径流参数处理修改的“桶”模式来描述。在ECHAM3中使用的背景反照率已经被更新为新的数据集。雪和冰面的反照率是关于温度和局部森林区域的函数，并假设所有水面反照率为0.07。辐射方案源于ECMWF模式并做了一些改进，包括考虑额外的温室气体、臭氧和各类气溶胶。该模式可以卓越的重现真实的季平均气候。许多先前的研究已经用这种模式来研究东亚季风，ECHAM4拥有捕捉东亚季风主要特征的能力，1月850hPa风与地表温度的气候研究在控制实验上与观测结果一致（图2）。该模式忠实地再现了印度洋北部的东风冬季风，青藏高原北部的亚洲大陆反气旋环流以及相关联的东亚地区下部空气温度与大温度梯度。在青藏高原上，地表空气温度低于240K的模拟区域与观测也基本一致。

我们用ECHAM4做了2套数值模拟来实验青藏高原变暖对冬季下游环流与降水异常的热力影响。控制实验是由程序的气候模式和诊断比对得到的1月气候平均海表温度强迫运行的，其由1978-1995年数据进行平均，敏感测试使用了同样的海表面温度但使用了青藏高原地区减弱的地表反射率来代表青藏高原的异常升温。它们都是通过固定1月份的太阳天顶角太持续运行的，这样我们可以更容易减少随机偏差。每个实验都被集成为4年，并且其前12个月被视为自旋过程。每个实验的后36个月的平均会取为数值结果用于本研究分析。

Fig. 2. The climatology of 850-hPa winds [vectors (m sminus;1)] and surface temperature [colored (K)] in January: (a) in the ECHAM4 control run and (b) in the ECMWF reanalysis. The gray shaded regions denote the TP areas with elevations over 2500 m.

1. 数值结果

地表空气温度和降水在TP_W运行和CTRL运行之间的差异分别展示于图3和图4。与观测数据一致，在模式中减少青藏高原地区地表反射率后青藏高原地区会发生明显的升温，而青藏高原和伊朗高原北部以及中国中南部地区出现显著偏冷，这与观测到的温度异常相一致（图1b）。在青藏高原变暖的条件下，沿着东亚亚热带锋线有许多增加降雨的区域（图4a），这与从PREC/L衍生出的数据集相协调一致（图4b）。此外，在原位地面测量中所揭示的北部青藏高原地区正面观测雨量异常在青藏高原变暖条件下也有很好的符合。

低层风异常展示于图5。整体而言，青藏高原变暖导致了从925-700hPa的下部层结的大陆性气旋性异常环流（图5a-c）。所以，南压槽由于青藏高原南部的气旋性环流而加深（图5a-c），同时它也是ECMWF分析所揭示的一个重要特征（图5d-f）。同时，东亚地区低层西南风向异常的压倒性，增强了向东亚亚热带锋面的暖湿空气输送。东亚地区，增强的暖湿空气与干冷的西北方气流相遇（图2）增强了东亚锋面系统。在850hPa和925hPa层结，青藏高原变暖还导致青藏高原下游气旋性环流异常与东亚地区偏北气流的强气旋性切变（图5b,c），被视为形成大雪和冻雨的关键因素之一。

另外要注意，在中国中南部，近30°N，110°E与120°E之间，在925hPa有一个明显的东北风异常（图5c,f），而在700hPa有一个相反的西南风异常（图5a,d）。925pHa的东北风异常运输来自高纬度地区的干冷空气，而700hPa东南异常则带来了低纬度地区的暖湿空气，在这一地区产生了一个逆温层，这与观测吻合（图6）。逆温层的形成是这一环境的前提条件，而且有利于2008年冬天的冻雨带。

Fig. 3. The difference of surface temperature between the TP warming (TP_W) and control (CTRL) experiments with the ECHAM4 model in January (the dotted regions are at 0.05 significant levels).

Fig. 4. (a) The difference of precipitation between the TP_W and CTRL experiments in January 2008 (the dotted regions are at 0.05 significant levels), and (b) the precipitation anomaly in January 2008 revealed from PREC/L.

相关的中层和高层风异常展示于图7。模拟纬向伸长气旋性环流异常（图7a,b）集中于中亚到青藏高原的西北端，表明其与观测相对应的部分（图7c,d）可能会由于青藏高原的气温升高而下降。沿纬向伸长环流异常时，其关联的MEJS异常得到加强，被证明其与极端冬季风暴有紧密联系。

1. 青藏高原变暖与引起的环流异常间的可能联系

逆温层和下层气旋性切变在经向气流中对于极端冻雨的发生是2个有利的环境条件。中国南部地区，边界层间的相对风向层（低于850hPa）与下自由对流层（接近700hPa）是形成逆温层的主要原因。在下对流层西南风向异常与由于青藏高原升温引起的大尺度大陆气旋性异常相联系。该西南风向异常从低纬度地区向中国南部地区输送了更多的暖湿空气，增加了降雨。正如罗斯贝波对于雨量增加导致的潜热施放的回应，在中国南部地区临近地表出现了气旋性异常（图5b,c）这一气旋性异常引起了925hPa上中国中部与东部地区的东北风向异常增加，从而增加了从较高纬度输入的干冷空气，并且冷却了中国中部与东部地区的地表。

Fig. 5. (left) Mean wind anomalies (m sminus;1) between the TP_W and CTRL experiments in January (colored cells are significant at 0.05 levels) at the levels of (a) 700, (b) 850, and (c) 920 hPa. (right) The wind anomalies (m sminus;1) in January derived from ECMWF reanalysis at the levels of (d) 700, (e) 850, and (f) 925 hPa. The gray shadings denote the TP areas with elevations over 2500 m.

Fig. 6. Latitude–height cross section of temperature (colored) and vertical–meridional wind (vectors) anomalies averaged along 110°–120°E in (a) simulations and (b) observations derived from ECMWF reanalysis.

另一方面，模拟中青藏高原升温可能会导致中东急流的增强。中东急流的增强是观测中伴随着2008年冬季风暴的一个重要的环流异常现象。第4节中已经表明加强的中东急流是位于青藏高原南侧的咸海中心纬向伸长异常气旋性环流的一部分（图7a）。为什么青藏高原地表升温导致了对流层上层的气旋异常？其形成主要有两个因素影响。一种是与东北风异常配置对应的青藏高原东北对低层暖空气平流的抑制（图8）。这一东北向异常与因青藏高原变暖而引起的低层大尺度大陆性低压减小相联系（图5a-c）。在青藏高原与伊朗高原北部的本地异常负温度累积与由此产生的贯穿整个对流层中低层的冷却异常造成了其下的空气柱收缩，减少了对流层上层的气压从而产生了上层气旋性环流异常。另一个对对流层上层气旋性环流的贡献因子是高纬度地区准正压结构下低层气旋性异常的存在。这一低层气旋性异常是由青藏高原与伊朗高原的地形阻塞引起的。由于青藏高原西北面相对干燥的环境条件（图4），潜热释放是不存在的，所以位于青藏高原北侧的低层气旋性异常及其山脉北侧的高层气旋性环流异常具有准正压结构。另外，受青藏高原与伊朗高原的地形影响，冷却异常和低层气旋性异常沿着高原北侧有纬向伸长变形（图8），因此，负温度异常与异常气旋性环流在高原北侧会逐渐纬向伸长。

Fig. 7. As in Fig. 5, but for (a),(c) 200- and (b),(d) 500-hPa wind anomalies (m sminus;1). The letter “C” denotes the cyclonic c

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