高原气象

高原气象 >

2021 , Vol. 40 >Issue 2: 302 - 313

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00040

论文

蒙古高压和极涡中期过程对2010年疆北持续性降雪的影响

  • 马丽云 , 2 ,
  • 饶建 1, 2 ,
  • 孙晓娟 1, 2 ,
  • 朱素行 4 ,
  • 施春华 1, 2 ,
  • 陈长胜 5 ,
  • 郭栋 , 1, 2, 3
展开
  • 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，江苏 南京 210044
  • 2. 南京信息工程大学 大气科学学院，江苏 南京 210044
  • 3. 南京信息工程大学 雷丁学院，江苏 南京 210044
  • 4. 南京信息工程大学 大气科学与环境气象国家级实验教学示范中心，江苏 南京 210044
  • 5. 吉林省气象台，吉林 长春 130062
郭栋（1983 -）， 男， 河南宜阳人， 副教授， 主要从事平流层和对流层相互作用以及高原气象学与气候学研究 E-mail:

马丽云（1995 -）， 女， 新疆博乐人， 硕士研究生， 主要从事大气环流异常与极端天气气候异常研究. E-mail:

收稿日期: 2020-03-16

  修回日期: 2020-05-21

  网络出版日期: 2021-04-28

基金资助

国家重点研发计划项目(2018YFC1505602)

国家自然科学基金项目(41705055)

收起

Impact of Mongolian High and Polar Vortex Mid-term Synoptic Activity on Continuous Blizzard in North Xinjiang in 2010

  • Liyun MA , 2 ,
  • Jian RAO 1, 2 ,
  • Xiaojuan SUN 1, 2 ,
  • Suxing ZHU 4 ,
  • Chunhua SHI 1, 2 ,
  • Changsheng CHEN 5 ,
  • Dong GUO , 1, 2, 3
Expand
  • 1. Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME） / Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC） / Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，Jiangsu，China
  • 2. School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，Jiangsu，China
  • 3. Reading Academy，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，Jiangsu，China
  • 4. National Demonstration Center for Experimental Atmospheric Science and Environmental Meteorology Education，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，Jiangsu，China
  • 5. Jilin Provincial Meteorological Observatory，Changchun 130062，Jilin，China

Received date: 2020-03-16

  Revised date: 2020-05-21

  Online published: 2021-04-28

Fold

本文亮点

利用NCEP1再分析的逐日、 逐月位势高度、 海平面气压、 风、 温度、 相对湿度资料与中国地面气候资料日值数据集（3.0）降水资料， 分析了新疆北部2010年1 -2月连续5次降雪过程以及蒙古高压和极涡对其的影响。结果表明： 在充沛水汽条件下蒙古高压强而连续的爆发是导致2010年降雪极端异常的重要原因。该年蒙古高压平均强度为历年最强， 在此次持续性过程中， 存在5次蒙古高压的南北移动和5次蒙古高压强度与面积的振荡。且每一次降雪、 降温过程前基本都存在蒙古高压南进、 面积增大、 强度增强。蒙古高压中心纬度超前新疆日平均温度1~3天的相关和蒙古高压强度和面积指数超前新疆北部日平均温度1~4天的相关均显著。研究极涡与蒙古高压二者关系发现， 前期对流层高层极涡增强、 极涡中心北移， 有利于后期的蒙古高压增强增大且中心南移。

本文引用格式

马丽云 , 饶建 , 孙晓娟 , 朱素行 , 施春华 , 陈长胜 , 郭栋 . 蒙古高压和极涡中期过程对2010年疆北持续性降雪的影响[J]. 高原气象, 2021 , 40(2) : 302 -313 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00040

Highlights

Based on the NCEP1 reanalysis of daily， monthly geopotential height， sea level pressure， wind， temperature， relative humidity data and daily precipitation data of China's surface climate data multi-day data set V3.0（SURF_CLI_CHN_MUL_DAY）， the mid-term synoptic process characteristics of the 5 continuous snowfall episodes in northern Xinjiang province during January to February in 2010 and the influences of the surface Mongolian high pressure and the upper troposphere polar vortex on them are analyzed.The results show that the strong and continuous outbreak of Mongolian high pressure under abundant water vapor conditions is an important cause of extreme snowfall in 2010.In this year， the average intensity of Mongolian high pressure was the strongest in the historical data.During this continuous snowfall processes， there were 5 times north-south direction movements of the surface Mongolian high pressure’s center and 5 times oscillations of its intensity and area.In addition， before each snowfall and cooling process， the center of Mongolian high pressure at surface moved southward， and the area of Mongolian high pressure expanded and the intensity of Mongolian high pressure increased.Lead/lag correlation between the latitude of the surface Mongolian high pressure center and the daily average temperature of Xinjiang area is significant， and the number of days of leading is 1~3 days.Lead/lag correlation between the intensity of the surface Mongolian high pressure and the daily average temperature of Xinjiang area is significant， the number of days of leading is 1~3 days.Lead/lag correlation between the area of the surface Mongolian high pressure and the daily average temperature of Xinjiang area is significant as well， and the number of days of leading is 1~4 days.The article also selects the years of abnormal large snowfall in the historical records to study the lead-lag correlation between the upper troposphere polar vortex circulation index and the surface Mongolian high pressure circulation index， study found that the characteristics of the multi-year synthesis results are basically similar to the exceptional year 2010.The synthesis results further verify the correlation between the surface Mongolian high pressure and the upper troposphere polar vortex， that is， the enhancement of the intensity and the northward movement of the center of polar vortex at the upper troposphere in the early stage， which was conducive to the enhancement of the intensity， the expansion of the area and the northward movement of the center of the Mongolian high pressure at surface in the later stage.

1 引言

新疆是中国暴雪多发地区， 易形成雪灾（Sun et al， 2010； 陈海山等， 2019）。新疆降雪主要发生在偏北及天山一带（杨莲梅等， 2005； 毛炜峄等， 2008； 陈涛和崔彩霞， 2012）， 且随着全球增暖， 暴雪日数呈增加趋势（Zhou et al， 2018）， 新疆冬季降水异常也进一步加剧（崔彩霞等， 2005； 杨莲梅等， 2005）。杨莲梅和刘雯（2016）指出自1961以来新疆北部冬季降水异常偏多年份持续性暴雪过程频发， 易造成雪灾并引发春季融雪型洪水。2010年冬季北疆地区持续性暴雪天气导致新疆出现自气象记录以来最大降雪量及最严重雪灾（陈颖等， 2011）。其中又以2010年1月1 -9日的暖区暴雪及2月19 -28日冷锋暴雪过程最为罕见， 1月单站累积降雪量最大值超历史均值7倍， 积雪深度达历史极值94 cm（赵俊荣， 2011； 李如琦等， 2015）。这年冬季， 伴随着频发的持续性降雪， 温度也随之大幅度的波动， 导致雪情反复融化结冰， 电力、 交通等几近瘫痪， 人、 畜伤亡严重， 给群众生命财产安全造成极大危害（晋绿生等， 2010； 张书萍和祝从文， 2011）。
近年来众多学者对暴雪短期天气过程（0~72 h）做了大量研究， 认为暴雪天气过程是有利的水汽、 动力、 热力条件共同作用的结果（李勇等， 2007； 孙欣等， 2011； 陈海山等， 2019）。低空急流为暴雪提供水汽输送（秦华锋和金荣花， 2008）， 辅合线和切变线有利于上升运动（杨柳等， 2006）， 高、 低空急流合理配置的抽吸作用加强垂直上升， 为暴雪提供动力条件（张迎新等， 2011）。干冷空气侵入， 逆温层积蓄水汽及不稳定能量为暴雪的加强和降雪时间的持续创造有利条件（黄海波和徐海容， 2007）。在我国其他地区， 例如东北（孙欣等， 2011； Wang et al， 2011）、 内蒙古（宫德吉和李彰俊， 2001）、 华北（吴伟等， 2011）、 山东半岛（周淑玲等， 2008； 郑怡等， 2019）和青藏高原（王文和程麟生， 2000， 2002）等地的区域暴雪， 还存在着锋生强迫、 中尺度重力波、 条件对称不稳定等有利机制（Sanders and Bosart， 1985； 王建中和丁一汇， 1995； 姜俊玲等， 2010； 童金等， 2019）。
与此同时， 长期时间尺度（10~15天）的降温降雪过程， 前人也相继取得一些研究成果（邓伟涛和孙照渤， 2003； 李崇银等， 2008； Wu et al， 2011； 杜小玲等， 2014）。针对全国性冬季大范围持续性极端低温事件， 布和朝鲁等（2018）从低温类型角度揭示了其关键环流系统， 认为是由欧亚大陆大型斜槽斜脊主导， 同时西伯利亚冷高压范围较广， 阻高范围也较广， 有明显的前兆信号， 并且从动力学角度解释了环流的形成与维持。针对频发的新疆持续性降雪， 乌拉尔山阻塞高压的建立以及西伯利亚冷涡的配置是暴雪的有利环流背景（龚道溢等， 2002； 赵俊荣等， 2011； Wang et al， 2011； Kashki and Khoshhal， 2013）。伊朗副热带高压的东西摆动、 南北震荡影响中亚地区大气环流变化， 为暴雪的发生发展提供了有利的大尺度环流背景（黄海波和徐海容， 2007）。杨莲梅和刘雯（2016）从暴雪类型出发， 详细区分新疆各类型持续性暴雪的大尺度环流背景及关键环流系统配置， 通过参考环流场的波型配置给出降雪成因及机制。
近些年来， 国内外对更长时间尺度上降雪的影响因子有了新的研究发现， 张书萍和祝从文（2011）通过与历史同期降雪事件比较， 分析了北极涛动（Arctic Oscillation， AO）对新疆北部地区持续性暴雪的影响， 年际尺度上看， AO处于负位相有利于贝加尔湖一带负位势异常、 乌拉尔山阻塞形势的维持以及北半球经向环流异常， 从而加强冬季风， 使得该地区气温偏低、 降水偏多。AO位相变化影响环流背景， 进而影响冬季降温、 降雪过程在我国其他地区也有体现（所玲玲， 2008； Peings and Magnusdottir， 2014）。年际、 年代际尺度上， 北大西洋海温异常将会影响乌拉尔山高压脊的发展， 进而影响冬季西伯利亚高压的强弱和我国乃至东亚地区降温降水（李栋梁和蓝柳茹， 2017）。早冬北极海冰流失， 激发行星波减弱平流层极涡， 进而对对流层环流形势及地面天气气候产生影响（Kim et al， 2014； Waugh et al， 2016）。秋季Barents-Kara海海冰异常偏少有利冬季东亚大槽偏弱， 西伯利亚高压增强（Zhang et al， 2018）， 东亚地区气温异常偏低， 极端事件增多（Cohen et al， 2014； Kelleher and Screen， 2018）。
相对而言， 持续性极端事件的中期过程（3~15天）研究较少。例如， 2008年1月10日至2月2日， 我国南方遭受严重低温雨雪冰冻灾害， 此次灾害短期预报较准确， 但缺少中长期预报办法及相关预警， 这也使得众多气象学者开展大量研究（布和朝鲁等， 2008； 纪立人等， 2008； 麻巨慧等， 2009； Bueh et al， 2011）， 旨在提高持续性异常天气事件的预报时效。但我们仍然不清楚南方暴雪与北方暴雪的中期天气过程是否相似， 伴随着温度剧烈降低后升高的新疆北部持续性降雪过程其中期天气特征有何异常。因此， 本文选取新疆北部地区2010年1 -2月的持续性降雪过程， 详细探讨持续性暴雪期间的环流形势， 进而总结环流影响暴雪发生发展的可能机制。对此类事件的研究有利于理解该地区暴雪的生成机理， 并为此类暴雪的预测提供科学依据。

2 资料来源与方法介绍

2.1　资料来源

（1） 中国地面气候资料日值数据集（3.0）降水资料， 涵盖中国752个基本、 基准地面气象观测站及自动站1951以来日值数据集， 其中新疆有56个站。该数据的链接地址为http： //data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_V3.0.html。
（2） 美国国家环境预报中心与国家大气研究中心NCEP/NCAR 1（https： //www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.pressure.html）的再分析逐日、 月资料， 水平分辨率为2.5°×2.5°， 垂直有17层， 分别为1000、 925、 850、 700、 600、 500、 400、 300、 250、 200、 150、 100、 70、 50、 30、 20及10 hPa。采用变量包括700 hPa风场、 相对湿度， 1000~100 hPa位势高度场， 海平面气压场。考虑到资料统一性， 所有资料研究时间统一为1981 -2010年。

2.2　环流指数

为了客观定量地描述100 hPa极涡和地面蒙古高压逐日变化， 按王盘兴等（2010）所给方法， 根据系统历史气压场， 选定系统的特征等值线 f 0， 即界定系统主体部分的等值线（Frauenfeld and Davis， 2003； 王盘兴等， 2010）以及系统常年所在区域为系统搜索区Ω（管树轩等， 2009； 王盘兴等， 2010）。搜索区的选定既要保证逐日Ω内存在 f 0， 又要保证 f 0包围区域的主要部分落在Ω内。依照这一原则选取2010年1月1日至2月29日极涡特征线 f 0（1628 dagpm）及其搜索区 Ω ［20°N以北， 图1（a）］、 蒙古高压特征线 f 0（260 gpm）， 及其搜索区Ω ［40°E -140°E， 25°N -75°N， 图1（b）］。
图1 2010年1 -2月主要系统逐日特征等高线f0（黑色实线）和搜索区Ω（灰色实线包围区）综合分布

Fig.1 The daily representative geopotential height contours f0 (black contours) and the searched area Ω (the gray boxes) from January to February in 2010

王盘兴等（2010）指出， 闭合系统逐日的面积指数S（t）是t日 f 0等值线在Ω上围成的区域D（t）的面积； f（t）表示第t日搜索区Ω内的位势高度值（气压值）， 强度指数P（t）是高度差（压差） f（t）- f 0在D（t）上的面积加权平均值； 中心位置指数（λc， ϕ c）是f（t）-f0对应的重力场的重心位置。据此求得了2010年1月1日至2月28日的逐日环流指数S、 P、 （λc， ϕ c）， 用于影响系统中期过程的研究。应予指出， 这一方法较之于已有的环流指数有着更明确的动力学意义和更严格的数学定义， 更加严格的证明请参阅王盘兴等（2010）。根据这一方法， 孙晓娟等（2010）研究了冬季北半球大气活动中心异常规律， 麻巨慧等（2009）研究了2008年南方冰冻雨雪灾害环流的演变规律。

2.3　其他方法

另外还使用了超前滞后相关分析、 合成分析法， 用以研究气温与降雪、 降雪与环流之间的相关关系。

3 降雪与温度变化

新疆地处我国西北， 测站分布北密南疏。从2010年1 -2月新疆累积降雪量分布及平均温度场［图2， 该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）1711号的标准地图制作， 底图无修改］可以看出， 降雪由南至北渐次增加。新疆南部单站累计降雪量为20~300 mm， 北部为降雪大值区， 最大单站累计降雪量可达1135 mm［图2（a）］； 多日平均温度场上相应存在北冷南暖分布形态［图2（b）］， 新疆北部阿勒泰山一带作为最冷区域对应着降雪大值中心。
图2 新疆2010年1-2月累积降雪量（a, 单位: mm）和平均温度场（b, 单位: °C）

黑点为站点分布

Fig.2 The distribution of cumulative snowfall (a, unit: mm) and average temperature field (b, unit °C) from January to February in 2010.Black points mark the station positions

在此期间， 新疆北部地区（80°E -92°E， 43°N -50°N）发生了多次持续性降雪天气过程。各站点平均降雪和区域平均降温逐日演变如图3所示， 北疆地区共出现5次降雪过程。5次事件以2010年1月1 -9日的降雪过程影响最大， 其降雪量大， 温度极低， 是导致新疆罕见雪灾的主要过程之一（张书萍和祝从文， 2011； 赵俊荣， 2011； 李如琦等， 2015）。伴随着每一次的降雪过程均有不同程度的降温过程与之配合， 几次降温幅度均在10 ℃以上， 最大降温幅度达20 ℃。
图3 2010年1 -2月新疆北部气温（单位: ℃）及平均降雪量（单位: mm）的逐日变化

温度与降雪量相关系数r通过了95%显著性水平检验

Fig.3 Daily evolutions of temperature and daily total snowfall in northern Xinjiang from January to February in 2010.The correlation coefficient between the temperature and snowfall has passed the significant test of 95%

4 蒙古高压作用

蒙古高压是控制东亚冬季风活动的大气活动中心（郭其蕴， 1994； 孙晓娟， 2010； Sun et al， 2017）， 蒙古高压对东亚地区的气候起着至关重要的作用， 尤其对我国冬季的大范围气候异常有着重要影响（龚道溢等， 1999， 2002； 侯亚红等， 2007； 刘晴晴等， 2011； 杨冬东等， 2020）。有必要考察蒙古高压的环流特征， 包括蒙古高压面积指数S、 强度指数P、 系统中心经纬度位置（λ， ϕ）。本研究将（25°N -75°N， 40°E -140°E）区域设定为蒙古高压的主要活动区域， 对冬季的蒙古高压闭合系统进行搜索并计算相应的指数， 从而构建各个指数与持续性降雪的内在联系。
杨莲梅和刘雯（2016）指出新疆北部冬季降水异常偏多年份中持续性暴雪过程频发。因此文章选取了疆北降雪量异常偏多年前10位， 统计分析各年蒙古高压中期过程， 对比2010年极端降雪过程蒙古高压中期活动异常。由各年份蒙古高压强度P逐日变化（图4）可见， 2010年蒙古高压平均强度P为历年最强， 且有5次高位振荡（>15 gpm·rad2）， 各次峰值间隔时间短。其中1988， 2000和2006年同期也出现过较强的连续多次的蒙古高压活动过程， 但峰值之间间隔较2010年稍长， 1988年2月才出现较为频发的强蒙古高压活动， 2000年则在一月出现过类似情形。1993， 2001和2004年峰值间隔时间较短， 但所达强度远不及2010年。因此， 可以认为， 充沛水汽条件下， 蒙古高压强而频发的周期性活动是2010年1 -2月疆北持续性降雪频发、 雪量异常偏大的重要原因。
图4 2010年1 -2月新疆北部降雪异常偏多年蒙古高压强度P逐日变化曲线

黑色虚线为2010年蒙古高压平均强度P 2010=12.26 gpm·rad2

Fig.4 Evolution of the Mongolian high intensity for the ten extremely large precipitation winters in northern Xinjiang from January to February in 2010.The black dotted line marks the 2010 winter-mean Mongolian high intensity (P 2010=12.26 gpm·rad2)

蒙古高压中期过程与降雪过程的对应关系， 可由蒙古高压中心纬度ϕ超前新疆日平均温度的时滞相关分析（表1）看到， 二者有着密切的同时相关及较好的1~3天超前相关。由ϕ标准化时间变化曲线（图5）可以发现， 每一次的持续性降温、 降雪过程都存在着ϕ标准化曲线的逐渐下降过程， 表明蒙古高压持续南移。
表1 2010年1 -2月蒙古高压指数（中心纬度 ϕ、 高压强度 P和高压面积 S）与滞后/超前温度的相关系数

Table 1 Lead and lag correlation coefficients between Mongolian high index (latitude of Mongolian high center ϕ, Mongolian high strength P and Mongolian high area S) and northern Xinjiang lag/pre-temperature from January to February in 2010

指标 滞后、超前温度的天数/d
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
rϕt 0.144 0.208 0.296 0.382* 0.424* 0.396* 0.266 0.190 0.198 0.155 0.167
rpt 0.278 0.192 -0.01 -0.282 -0.525* -0.618* -0.551* -0.425* -0.308 -0.194 -0.098
rst 0.233 0.139 -0.051 -0.275 -0.456* -0.559* -0.560* -0.474* -0.342* -0.207 -0.098

首行负/正值代表环流指数滞后/超前温度的天数； * 表示通过99%的显著性水平检验

图5 2010年1 -2月新疆北部温度与蒙古高压指数（中心纬度ϕ、 高压强度P和高压面积S）的演变

所有参数已标准化, 单位为1； 横轴黑色加粗线段为5次持续性降雪过程

Fig.5 Evolutions of the Mongolia high latitude, intensity, and coverage area in northern Xinjiang from January to February in 2010.All parameters of the Mongolia high are standardized.The black lines along the x-axis represent 5 continuous snowfall processes

根据蒙古高压强度P超前于温度的时滞相关（见表1）， 同期的相关最大， 1~4天超前相关也较显著。由P标准化时间变化曲线（图5）可以清楚的看到， 除了第一次持续性降雪过程P峰值与温度极小值同步外， 其余4次过程P峰值均超前于降雪。这一时滞关系说明蒙古高压强度的变化先于降雪事件， 对极端事件的提前预报有一定的指示意义。此外， 值得注意的是2010年1 -2月蒙古高压强度P的5次峰值皆处高位（>15 gpm·rad2）， 彼此时间间隔较短， 表明冷空气相继得到补充加强， 使得温度反复经历剧烈降温-升温-降温过程， 这可能是导致2010年持续性暴雪频发、 冰冻灾害严重的主要原因。
蒙古高压面积S的中期变化特征与强度P较为相似， 只是时滞相关值相对更大。总体来说， 蒙古高压环流指数ϕ、 P、 S对降温降雪的指示准确度依次递增， 三者的变化与降温降雪有着密切的同期相关以及较好的超前相关。

5 极涡的作用

为了进一步理解区域性暴雪发生时的环流背景及其对地面系统的时滞影响。文章给出500 hPa位势高度场的气候态和2010年1月1 -9日平均的高度场［图6， 该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）1819号的标准地图制作， 底图无修改］。由气候高度场［图6（a）］可以看到， 冬季欧亚上空的东亚大槽维持， 新疆上空有一较弱的高压脊， 这种配置形势表明我国新疆冬季主要受新疆脊与东亚大槽之间南下的冷空气影响， 这与张书萍和祝从文（2011）研究结果一致。对比2010年1月1 -9日暴雪过程的高度场［图6（b）］可以发现， 中亚以北至中西伯利亚一带形成了阻高的环流形势（乌拉尔山阻高）， 在阻高以东的蒙古有切断低压形成。阻高东侧的偏北风为新疆北部地区带来了源源不断的寒冷空气。此外， 东亚大槽位置更加偏东偏南， 引导冷空气向东发展。切断低压系统刚好位于新疆以北， 低压系统西南侧的新疆弱脊有所加强， 并与乌拉尔山阻高打通， 环流经向度加大， 有利于高纬冷空气南下， 直接影响降雪过程。贝加尔湖以西的切断低压系统直接南压新疆北部， 也是影响此次暴雪过程的重要环流系统， 切断低压的形成与极涡的分裂南下有关。由气候态气压场［图6（c）］可见， 新疆北部冬季一般位于高压中心区附近。对比海平面气压气候态（中心强度1039 hPa）， 暴雪期间蒙古高压明显增强［图 6（d）］， 中心值高达1047 hPa， 中心位置则偏北偏西， 位于（65°N， 97.5°E）， 新疆北部位于蒙古高压边缘等高线密集处， 即隐槽（或地面锋线）附近。
图6 500 hPa位势高度场（上, 单位: gpm）与海平面气压场（下, 单位: hPa）

新疆省界已加粗, H标记了蒙古高压中心

Fig.6 The geopotential height at 500 hPa (up, unit: gpm) and the sea level pressure (down, unit: hPa).The Xinjiang boundary have been bolded, and the “H” denote the Mongolian high center

为进一步确定贝加尔湖以西、 新疆以北的低压环流系统与2010年1 -2月5次持续性暴雪的联系， 图7给出了新疆北部所在经度范围平均的环流时间演变图。选取的经度范围为80°E -92°E， 5次持续性降雪中， 新疆以北地区均有较强的阻塞高压和切断低压活动。伴随每次暴雪过程均有低压向南发展， 标志着极涡一次次分裂南下， 使得贝加尔湖以西新疆以北出现切断低压中心。在低压北侧， 阻塞高压也一次次出现、 崩溃， 进而重建。
图7 2010年1 -2月新疆北部500 hPa位势高度场在80°E -92°E经度带内纬向平均的纬度-时间剖面（单位: gpm）

红色虚线范围为新疆北部所在纬度带（43°N -50°N）； 黑色实线标记了5次降雪天气过程

Fig.7 Latitude-time evolution of the geopotential height average over the 80°E -90°E longitude band in northern Xinjiang from January to February in 2010.Unit: gpm.The red dotted lines denotes the latitude band of northern Xinjiang (43°N -

50°N).The black line along the x-axis denotes the 5 continuous snowfall processes

每一次寒潮天气过程都与极涡分裂南下有关， 疆北的暴雪过程与低压冷空气移至贝加尔湖以西有关。切断低压系统在新疆以北的境外区域发展并维持， 影响持续性降雪。为了进一步揭示暴雪持续性过程中极涡中期活动特征， 我们也引入对流层高层100 hPa极涡的相关环流指数， 即极涡面积指数s、 强度指数p、 系统中心位置指数（λ， ϕ）。以此为基础可以进一步考察持续性降雪期间对流层高层极涡的中期活动特征， 并探讨高层极涡与低层蒙古高压之间的相关关系。
由极涡中心位置纬度ϕ标准化时间变化曲线［图8（a）］可以看出， 极涡中心纬度曲线出现几次谷值（极小值）， 表明极涡冷空气南下。在5次暴雪期间， 极涡中心纬度几乎一直处于负位相状态， 表明冷空气一直在较低纬度处活动， 这是2010年持续性降雪多发的环流成因。极涡中心纬度曲线与蒙古高压中心纬度曲线之间存在着较好的负相关关系。由二者的超前滞后相关可以看到（表2）， 极涡ϕ标准化曲线的变化超前于蒙古高压ϕ标准化曲线的变化， 蒙古高压滞后5天时， 二者负相关关系最为密切。与之类似， 标准化的极涡面积s变化曲线与蒙古高压面积S曲线［图8（b）］之间也存在着负相关关系， 极涡面积先于蒙古高压面积的变化， 当超前4天时， 二者相关开始显著（表2）， 值得注意的是， 二者的这一关系在多年平均时表现为正相关（表略）， 即前期极涡面积增大， 后期蒙古高压面积随之增大， 对比而言， 可以认为多年平均的关系可信度更高。而标准化的极涡强度p与蒙古高压强度P［图8（c）］的相关性不强， 但在多年平均时表现出了显著的正相关。与此同时， 也计算其他参数的交叉相关系数， 可以看到（表2）， 极涡的面积s变化与蒙古高压中心纬度ϕ变化存在显著的正相关关系， 极涡超前4天时， 二者相关最显著。极涡的面积先于蒙古高压强度变化， 蒙古高压滞后4天时， 二者负相关关系最好， 但在多年合成时二者为显著正相关， 可以认为极涡的面积越大， 蒙古高压偏强且北移。极涡的强度p与蒙古高压中心纬度ϕ也呈显著的负相关关系， 极涡强度越强蒙古高压中心南移。总之， 前期极涡增强、 极涡中心北移， 有利于后期的蒙古高压增强增大且中心南移（多年合成结果与2010年较为相似， 交叉相关系数表不再重复给出）， 又因为蒙古高压的变化略先于降温降雪过程， 因此， 极涡的变化可以作为预报指标指示蒙古高压的发生发展， 对降温降雪过程的预报具有重要的意义。
图8 2010年1 -2月新疆北部100 hPa极涡与地面蒙古高压相关参数的时间演变

横轴黑色加粗线段标记了5次持续性降雪过程

Fig.8 Evolutions of the three parameters of the 100 hPa polar vortex and the surface Mongolia high in northern Xinjiang from January to February in 2010.The black lines along the x-axis denotes the 5 continuous snowfall processes

表2 2010年1 -2月100 hPa极涡参数（包括中心纬度 ϕ、 面积 s和强度 p）超前地面蒙古高压参数（包括中心纬度 ϕ、 面积 S和强度 P ）的超前滞后交叉相关统计表

Table 2 Lead and lag cross correlation coefficients between the 100 hPa polar vortex parameters (including central latitude, coverage area, and intensity) and the surface Mongolian high parameters (including central latitude, coverage area, and intensity) from January to February in 2010

指标 滞后、超前温度的天数/d
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
rϕϕ 0.154 0.130 0.112 0.091 0.066 0.014 -0.075 -0.157 -0.237 -0.304 -0.336*
rϕS -0.068 -0.028 0.023 0.078 0.125 0.132 -0.102 0.018 -0.081 -0.178 -0.253
rϕP -0.134 -0.051 0.031 0.102 0.14 0.133 0.112 0.062 -0.007 -0.086 -0.165
rsϕ 0.264 0.375* 0.441* 0.494* 0.529* 0.566* 0.597* 0.624* 0.629* 0.631* 0.616*
rsS -1.102 -0.108 -0.130 -0.156 -0.171 -0.179 -0.225 -0.281 -0.325 -0.337* -0.317
rsP -0.025 -0.056 -0.117 -0.18 -0.222 -0.242 -0.28 -0.326 -0.367* -0.399* -0.388*
rpϕ -0.449* -0.489* -0.514* -0.532* -0.543* -0.532* -0.507* -0.479* -0.462* -0.453* -0.436*
rpS 0.166 0.169 0.163 0.16 0.162 0.173 0.161 0.131 0.083 0.032 -0.008
rpP 0.119 0.153 0.18 0.198 0.21 0.224 0.226 0.216 0.18 0.13 0.085

首行负/正值代表环流指数滞后/超前温度的天数； * 表示相关系数通过了99%的显著性水平检验

6 水汽条件

新疆北部地处半干旱区， 其冬季水汽输送为全年最弱， 新疆降雪不仅与冷空气活动有关， 水汽条件也是重要因素之一（张书萍和祝从文， 2011）。为了考察2010年1 -2月持续性降雪过程的水汽供应情况， 有必要对每次降雪过程的水汽通量及水汽通量散度进行分析。有研究指出700 hPa水汽通量可较好的反映新疆地区整层水汽输送（陈涛等， 2012； 李如琦， 2015）。图9（a）给出了首次降雪过程的累积水汽通量及水汽通量散度场演变。可以看到2010年1月1 -9日的降雪过程， 新疆全区基本处于水汽的辐合区， 其中新疆北部阿勒泰山一带、 西南边界存在着水汽辐合大值中心， 最强累积可达-16×10-5 g ∙ h P a - 1 ∙ c m - 2 ∙ s - 1。其余4次降雪过程水汽辐合分布虽各略有不同， 但整体上降雪区皆存在着水汽大值辐合（图略）。对新疆北部地区4个边界（74°E -93°E， 40°N -50°N）的水汽输送收支情况进一步分析表明， 5次持续性降雪过程都有着较高值的净水汽通量［图9（b）］， 表明存在充沛的水汽输送及水汽辐合， 水汽源源不断由图中所示方框区域西、 南边界向东、 北方向输送至降雪区， 为持续性降雪提供了充沛的水汽。
图9 2010年1月1 -9日700 hPa等压面平均水汽通量[矢量, 单位: g·(hPa·cm·s)-1]、 水汽通量散度[彩色区, 单位: g·(hPa·cm2·s)-1]（a）及1 -2月新疆北部水汽净收入和4个边界（74°E -93°E, 40°N -50°N）水汽输送曲线（b）

图（b）中横轴黑色线段为5次持续性降雪过程

Fig.9 The multi-day mean water vapor flux [vector, unit: g·(hPa·cm·s)-1] and water vapor flux divergence [color area, unit: g·(hPa·cm2·s)-1] at 700 hPa from 1 to 9 January 2010 (a) and the evolution of water vapor flux in the four directions of north Xinjiang (74°E -93°E, 40°N -50°N) in the marked area from January to February (b).In Fig.9(b), the black line along the x-axis marks the 5 continuous snowfall processes

对比分析降雪偏多年水汽净收入（图10）及蒙古高压（见图4）的变化可以发现， 2010年蒙古高压强度、 连续性以及水汽的净收入几乎是历史的最优组合， 很好地对应了这一年发生的历史极端降雪。观察1988年发现， 尽管其水汽一般良好， 但有着强且连续的蒙古高压变化， 解释了其位列第二的降雪量级。2006年蒙古高压较强但其高位振荡间隔时间稍长， 使得冷空气不能更及时的补充， 因此虽然水汽较为充足， 但其降雪量稍少于1988年和2003年。2003年有着充沛的水汽条件， 配合着较为连续的蒙古高压， 尽管高压强度稍弱， 仍使的2003年降雪量位列第三。由此可进一步的明确， 充沛水汽条件配合蒙古高压强而连续的爆发是持续性极端降雪的重要原因。
图10 新疆北部降雪异常偏多年700 hPa水汽净收入逐日变化曲线

Fig.10 The daily evolution of 700 hPa water vapor net income for abnormal large precipitation years

7 结论

利用中国气象局日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料， 研究了2010年冬季疆北区域持续性暴雪过程。依照蒙古高压和对流层高层极涡系统逐日环流指数， 探讨了影响我国疆北地区暴雪极端事件的中期天气过程， 揭示了疆北地区降雪形成的的可能机制。主要结论如下：
（1） 充沛水汽条件下， 蒙古高压强而频繁的中期活动是2010年持续性降雪频发， 降雪量异常偏大的重要原因。蒙古高压频繁的周期性活动保证冷空气可以得到持续的补充， 较强的强度保证了每次补充的冷空气足以对降温降雪事件产生影响。
（2） 蒙古高压环流指数与持续性降温降雪过程有着显著的同期相关和超前时滞相关， 可以作为持续性降温降雪过程的预报因子。
（3） 利用影响系统中心纬度、 面积和强度等环流指数发现对流层上层极涡的变化超前于蒙古高压的变化。前期极涡增强、 极涡中心北移， 有利于后期的蒙古高压增强增大且中心南移。因此极涡环流指数可以作为延伸期预报的重要考察因子， 对持续性降温降雪过程有重要的指示意义。
本文的结果和结论主要是统计分析了降雪异常年环流背景与水汽条件的特征， 有待详细考察更多的极端事件， 根据水汽与蒙古高压的相对作用对暴雪类型进行划分， 以便更好了解持续性暴雪形成的动力机理。此外100 hPa极涡因其接近平流层高度， 因而对天气过程的影响尚存在一定的不确定性（Angell， 2006； Gardner and Sharp， 2007； Kashki and Khoshhal， 2013）， 但许多研究认为某些情况下， 平流层极涡对极端天气过程起到了关键的间接作用（李崇银等， 2006； Garfinkel et al， 2010； Graf et al， 2014； Waugh et al， 2016）， 关注平流层极涡的变化有利于理解平-对流层耦合的重要物理机制， 因此探讨多个极端天气个例的平-对流层环流背景关系应是下一阶段重点关注的内容。

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原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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