最大高度异常信号在热浪和低温事件中的分析应用

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本文对最大高度异常信号在热浪和低温事件中的分析应用进行了探讨。高温热浪和低温冷害是主要发生在夏季和冬季典型的极端事件,极端气温的危害是多方面的。本文利用均一化订正的站点温度和NCEP再分析资料,对1980-2010年我国夏季高温热浪和冬季低温冷害事件进行了系统地分析。首先运用大气变量物理分解方法对比研究了极端气温事件发生时的原始、气候和异常场结构,并分析异常变量之间的大气动力学内在联系。对流层至平流层扰动变量主要表现为:高度和涡度异常中心都位于温度异常零线所在处(约150-300hPa的对流层顶附近),温度异常呈现出上下相反的正负分布,最大中心分别位于100hPa、400hPa和对流层底部850hPa附近,其中对流层中下层的温度异常(和高度异常中心符号一致)对应着地面高温和低温区。正的对流层中下部温度异常和正的对流层高度异常区,对应地面高温热浪;而负的对流层中下部温度异常和负的对流层高度异常区,对应地面低温冷害。对一个区域持续性极端气温事件,信号最有可能来自对流层的中高层,与高空深厚的异常系统长期稳定有关,而不是对流层低层的平流过程。对流层顶附近的高度异常从动力上反映了温度和风(即涡度)异常,且在垂直方向上仅存在一个中心,提取出这个高度异常中心值,建立了一个多年(本研究中为1980-2010年)的数据库,定义为最大高度异常(MHA),作为代表整个大气变量异常指示极端气温事件的信号。  通过个例诊断和统计合成研究极端气温事件与MHA之间的对应关系。1980-2010年8-9月达到标准MHA(≥120gpm)信号最大频次区在华北地区(35-45°N,105-120°E)。正MHA中心与地面高温区域中心的位置并不一致,而是普遍偏北平均10个纬距的倾斜结构,华北地区的正MHA中心可以代表正温度异常指示华中地区(25-35°N,105-120°E)高温热浪事件。31年1-2、10-12月连续5个月里达到标准MHA(≤-120gpm)信号存在北方(45-55°N,90-135°E)和南方(25-35°N,100-120°E)两个高频次区。北方和南方的高度-温度异常结构并不相同,北方的接近于“垂直”对称结构,而南方的表现为“倾斜”非对称结构,负MHA比地面低温中心纬度偏北的距离平均接近7.5个纬距。北方地区的负MHA中心可以代表负温度异常指示当地(45-55°N,90-135°E)低温冷害事件,而南方地区的负MHA中心可以代表负温度异常指示华南沿海(17.5-27.5°N,100-120°E)低温冷害事件。  探讨MHA对于极端气温事件的指示意义。1980-2010年8-9月华北地区(35-45°N,105-120°E)的164个正MHA中心日对应于52次华中(25-35°N,105-120°E)高温过程,前期信号主要来源于欧洲,可以平均提前8天追踪到。正向问题的空报率为21/164(13%,正MHA中心日)和15/52(29%,高温过程次数)。31年间8-9月在华中地区共发生了17次地面干热浪事件,其中15次事件对应有正MHA信号,倒向问题的漏报率是2/17(11.8%,热浪事件次数)。1980-2010年10-11月北方区域(45-55°N,90-135°E)的378个负MHA对应于97次地面低温过程,前期信号主要来源于新地岛及西伯利亚,平均可以提前8天追踪到;1-2月南方区域(25-35°N,100-120°E)的127个负MHA对应于54次华南沿海(17.5-27.5°N,100-120°E)地面低温过程,前期信号主要来源于欧洲,平均可以提前11天追踪到。北方地区正向问题的空报率为34/378/(9%,负MHA中心日)和13/97(13%,低温过程次数),南方地区正向问题的空报率为31/127/(25%)和18/54(33%)。31年10-11月在北方地区共发生了30次地面低温冷害事件,其中29次事件都对应有负MHA信号;1-2月在华南沿海共发生了7次地面低温冷害事件,6次事件对应有负MHA信号。北方地区倒向问题的漏报率是1/30(3%,低温冷害事件次数),南方地区倒向问题的漏报率是1/7(14%)。分析发现,空报主要原因有二:一是扰动异常系统倾斜度的变化,如华北的高度扰动延伸到地面的高温区不在华中,而出现在了华南;二是弱的MHA中心对应下方弱的温度异常中心未延伸至地面,导致确定地区受相反系统控制。漏报的都是弱的极端气温事件。这些实际上是强度和位置的偏移问题。
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