12月环流浅析

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1. 本文为个人分析, 仅供个人交流与学习之用.
2. 作者水平有限, 也是初次撰写这类天气分析, 疏漏之处难免, 欢迎读者指正.
3. 文章所引的所有图源, 均来自网络. 图注中已注明图源.
4. 不少图源为国外机构, 若国界线等图例与中国官方认定有不符之处, 不代表个人立场, 一切中国官方认定为准.

Part I 环流形势简要复盘：

A. 极地高压与阻塞

当前北半球北冰洋洋盆被一异常极高占据, 极高略偏心于北亚拉普捷夫海一侧. 北大西洋在侯平均（23th~27th）上显示的狭长阻塞实质上是原本位于冰岛北部的北大西洋阻塞在阻塞南北支流两个波列的相速差联合作用下经历槽前冷平流打击后在北美巴芬湾一带重建的表现（堪称教科书一般经典的阻塞的不连续后退）.

图1： 500hPa 5d平均 位势距平 图源： CPD/JMA

事实上, 北极涛动（AO）自11月中旬以来长期处于负相位.

B. 极涡与北支

极地涡旋在前面提到的极地高压和北大西洋阻塞的共同挤压下, 呈现破碎的多极型分布:

1. 主极涡位于北亚一侧, 对应有从西西伯利亚平原到远东的广阔的冷堆支持, 冷心-45℃, 从流场和位势上看有多个次中心, 总体呈狭长的横槽横亘于北亚高纬. 先前北亚高纬度纬向环流盛行, 北支西风急流平直且偏强, 极赤热交换偏弱, 北亚一侧累积了相当的斜压位能, 为接下来一周我国全境的寒潮爆发积累了热力条件.

2. 副极窝位于加拿大北极群岛附近, 明显偏弱, 对应冷心-43℃. 目前已经在新建立的巴芬湾阻塞的北侧西风气流引导下移动到格陵兰北部一带. 接上阻塞东侧的西北气流后将大规模的冷平流输送到原本已经趋于锢囚的冰岛以南温旋对应的后部冷槽中, 使得该温旋重新获得了斜压位能而有所再生发展, 该冷槽（切断）重新成为一个活跃的频散源向下游频散能量, 促进下游欧亚大陆的长波调整, 为下游欧亚大陆的寒潮爆发提供了必要条件，这将在后面提到.

3. 另外 阿拉斯加海上空也有一个在极高的挤压下碎裂的势力较弱小的破碎的极窝, 对应冷心-35℃, 原地徘徊少动，在西风基流下略有东移，逐渐浅化.

图2： 500hPa位势 2018112918UTC 图源： KMA

我们看到, 目前极地北支西风正在经历一个长波调整阶段, 先前一个阶段东西半球的R波波数呈明显的不对称分布, 西半球可以分析出3个个长波, 分别对应阿拉斯加海的低槽,北美大槽, 大西洋洋中槽, 而东半球只能分析出2个长波, 对应北亚的大横槽, 地中海切断的前身槽. 横槽上有不稳定短波发展.

1. 北美一侧径向扰动振幅很大, 中纬度的多个切断和高纬度的阻塞构成了径向的异常偶极子. 北大西洋不稳定瞬变扰动亦很活跃, 形成了北大西洋气旋族，极赤热交换频繁.

2. 相比之下北亚一侧则西风平直，盛行纬向环流, 对于我国来说仅有北支短波与南支高原涡东移配合诱导高纬度的冷空气小幅扩散南下, 中纬度冷空气不活跃, 大气静稳, 这样的条件下先前印缅槽活跃，槽前的暖平流造成了我国中东部的大范围持续阴雨天气.

从长波的波数来讲，破碎的极涡导致全球可以分析出5个长波, 大大超过了冬季12月初3-4波的气候平均态; 从长波的分布上讲, 西半球波长短, 东半球波长长, 全球R波分布不平衡，势必要发生大规模的长波调整。从24h变高图上看, 西半球北美东岸大西洋一侧有显著而剧烈的变高波列, 从频散源的角度讲目前位于纽芬兰近海的再北美切断的冷平流支持下先前发展较为显著的温旋和冰岛南侧的再生温旋都是非定常瞬变扰动, 都是较强的频散源，两者的频散作用相互叠加，导致大西洋势必成为下一波长波调整的源地.

图3： 500hPa位势 2018112618UTC[-72h]再分析 图源： TropicalTibits/GFS 图4： 500hPa位势24h变高 2018112918UTC 图源： KMA

下图是北大西洋的两个温带气旋, 在北大西洋暖流的潜热非绝热加热项支持和两者分别依赖的五大湖切断和格陵兰北部副极涡的强冷平流提供的斜压位能支持下, 两者的实力都非常强劲, 中心气压<960hPa, 曾经的发展速度按照24h降压标准都达到了爆炸性气旋的标准, 图中可以看到, 两个气旋目前都已经发展到锢囚阶段. 对应的高空槽未来将作为重要的频散源向下游频散能量.

图5： JPSS极轨卫星拍摄的北大西洋气旋族 2018112916-22UTC 图源： RAMMB/CIRA.slider 图6： NOAA/OPC 地面分析： 2018112918UTC 图源： NOAA/OPC 图7： 850hPa流场叠加温度场 2018112409UTC 图源： Nullschool/Earth

北太平洋方面事实上是上一波长波调整的源地： 我们注意到约五日前（11月24日）阿留申群岛南方有一气旋族趋于锢囚, 高空对应一个宽广的洋中冷槽, 槽中的冷空气是先前从东亚大槽中灌入的, 之前是这一气旋族发展的能量来源, 从300hPa波通量图上我们看到, 锢囚后这一异常的宽冷槽作为频散源向下游频散能量： 在下游依此形成了频散波列A: 阿拉斯加脊-五大湖槽-巴芬湾阻塞（其中这个频散波列对于巴芬湾阻塞的形成起到了动力学上的促进作用, 而巴芬湾的阻塞对于下游的北大西洋锋面波发展起到关键作用）.

图8： 300hPa 波通量 图源： CPD/JMA

27日的300hPa波通量图上我们还可以看到, 北大西洋上空有一支较强的频散波列B向沿副热带急流波导区向下游传播, 对应的频散源是北美东岸迅猛发展的温旋, 这个波列在下游一个波长处激发的槽也在动力上支持了冰岛南部的温旋的再生. 再进一步促进频散波列向下游传播. 由此可见，多种分析尽管途径不同，得到的结果是相似的.

再回到北太平洋方面, 阿留申一带的锢囚气旋族消散后, 冷宽槽内冷堆依旧很强， 北太平洋西风急流依然强劲, 中高纬度温度梯度依旧很大, 依旧有支持气旋族发展的热力条件. 结果就是上游移来的一个南支不稳定短波（事实上是从东移的长波尾部甩出来的小槽）在急流上获得了发展, 也得到了频散波列C的支持, 形成了太平洋上空的一个短波切断, 低空对应一个爆发性发展的温旋，后续将成为副热带急流波导区重要的频散源.

同时，东移的阿留申大宽槽在东移中分裂, 导致后槽呈明显的疏散态势，在后槽槽位上的正涡度平流支持下，北美沿岸有温旋发展，目前已经登陆北美西岸, 发展到锢囚阶段. 高空对应温哥华上空的一个冷涡.

后槽被迅速东移的南支短波前强盛的暖平流导致的正变高切断, 北段槽后脊前西北气流携带北亚高纬的冷堆灌入切断，形成了之前所述的阿拉斯加海一个孱弱的小极涡.

图9： NOAA/OPC 北太平洋地面分析： 2018112918UTC 图源： NOAA/OPC 图10： GOES-17静止卫星拍摄的东北太平洋气旋族 2018112918UTC 图源： RAMMB/CIRA.slider

C. 南支

南支方面, 首先不得不提到的是强大的地中海切断, 当前的地中海切断源于直布罗陀一短波，得以于上游北大西洋温旋的发展的频散波列而发展, 在脊前西北冷平流的作用下迅速加深, 尔后与下游亚平宁半岛的短波合并成为一长波, 接着在持续的强频散波列B的作用下继续加深, 与北部挪威海的北支脊位反相叠加, 最终在西侧暖平流侵入下成为一个切断.

频散波列沿着副热带波导区继续传播, 在黑海强迫出一个南支脊位, 此时恰好冰岛东侧的阻塞崩溃重建, 其东侧的副极涡横槽原本会因为阻塞崩溃而南摆, 但是此时恰逢南支反相叠加, 使槽呈汇聚态势，横槽暂时浅化北收, 保留了冷堆的实力. 后面会提到, 该低槽就是导致我国下一轮寒潮的主力. 属于非常典型的低槽东移型寒潮.

频散波列继续传播, 依此强迫出 黑海槽-青藏高原脊-华西槽, 其中黑海槽后续东移上青藏高原在地形项作用下浅化, 出高原后又在地形项作用下重新发展, 是我国下一轮寒潮水汽的重要来源.

图11： 500hPa流场叠加温度场 2018112809UTC 图源： Nullschool/Earth

副热带方面, 在当前弱厄尔尼诺事件的大气响应下, 菲律宾以东对应walker环流的异常下沉支, 因而今年秋冬季西北太平洋副热带高压异常偏北偏强, 目前脊线依旧保持在20N附近, 持块状.

热带方面, 目前整个北半球都处于热带气旋活动的沉寂期, 各个洋区没有扰动发展和气旋活动, 暂时不会影响高纬度西风环流.

Part II 环流形势展望：

A. +0h ~ +72h

图12： 500hPa位势 2018112918UTC[+72h]预报 图源： TropicalTibits/GFS

极高依旧维持稳定, 略有西移, 盘旋在巴伦支海附近.

欧亚大陆方面, 在北大西洋非定常扰动的频散波列能量支持下, 加之东欧平原上的大宽脊在脊前暖平流的支持下迅速向东北发展并隆起, 脊前的西北气流将新地岛一带的寒冷极地气团源源不断地输送到被南支脊托起的横槽中, 横槽一边东移一边堆积冷源, 在南支的异相叠加下暂时无法转竖.由于北支相速快于南支, 横槽移动到乌拉尔山一线时终于赶上南支槽位略有转竖, 但由于西风急流偏强，槽中的冷空气没有大规模南下. 此时该低槽槽前的温旋开始发展, 850hPa开始出现明显的温度平流, 标志着横槽彻底转竖, 从此便可视为经典的低槽东移型寒潮.

槽线移动至巴湖时低槽对应的极涡与东西伯利亚的冷堆合并, 一定程度上补充了冷堆沿途的气团变性消耗, 东西伯利亚的冷堆中的冷源顺着极涡的环流灌入巴湖槽中. 巴湖槽的迅速发展使之成为一个重要的频散源, 在下游强迫出频散波列： 贝湖脊-远东槽-阿留申脊. 对于东亚一侧长波调整具有深远的意义.

由于东亚方面在巴湖槽频散源下发生了大规模的长波调整, 并且频散源频散出的波列波长较短, 原本静止在高纬度的长波横槽变为短波, 便无法维持静止波的状态, 整个长波波列向东移动, 推动整个远东的冷堆东移入海, 巨大的斜压位能和海面的非绝热加热项的作用, 以及远东槽前的正涡度平流作用下, 在勘察加半岛附近的北支急流下诞生了全新的气旋族.

根据GFS对于瞬变扰动的预报, 北海道以东极有可能诞生一个新的炸弹气旋, 巅峰可达960hPa, 势必成为下一阶段长波调整的重要频散源. 瞬变扰动中继了上游巴湖传来的频散信号, 继续向下游传播, 进行长波调整.

图13： 1000hPa流场叠加MSLP 2018120218UTC 图源： Nullschool/Earth

与此同时, 北太平洋方面, 原先位于中太平洋的南支方面的温旋继续发展至锢囚, 相应的高空槽切断为一冷涡, 在之前所述的北海道至阿留申群岛的频散源作用下, 阿拉斯加海的频散脊位强烈发展, 强盛的暖平流直冲冰洋. 但是由于气旋族东侧的气旋较弱, 失去动力支援后脊位没有得到显著发展. 阿拉斯加脊的强盛的脊前西北气流将冰洋洋盆的寒冷空气直接灌入宽阔的北美大槽西侧.

说回西半球情况. 西半球作为本轮长波调整的源地, 本身也进行了明显的长波更替, 原本“拥挤”的R波波列明显在亚洲一侧长波调整的作用下变得“宽松”了:

北太平洋中部南支槽对应的温旋作为一个重要的频散源, 在下游依次动力强迫出加州槽-五大湖脊-纽芬兰槽位. 冰岛以东的切断槽位逐渐脱离西风急流主轴, 在格陵兰副极涡东部南风的控制下逐渐并入冰洋冷堆, 长波波数-1.

巴芬湾一带的阻塞尽管在动力条件支持下冰岛以东重建至巴芬湾, 但是明显失去了北大西洋暖流的下垫面条件感热支持, 另一方面, 格陵兰副极涡南部不断分裂出旋转槽打击阻塞, 巴芬湾阻塞终于在槽前冷平流和正涡度平流的双重打击下彻底东移崩溃. 但是必须指出的是: 巴芬湾阻塞这个位置本质上不利于阻塞稳定, 实质上又经历了一个类似不连续后退的过程, 由于南北支的相速差, 槽后北支脊位和南支方面的五大湖脊位同相叠加, 最终在大奴湖一带得以重建. 阻塞脊位被切断后滑落至北美大宽槽中, 逐渐崩溃.

长波波数调整后, 纽芬兰近海的槽逐渐东移入大西洋, 说回欧洲方面的情况, 之前提到冰岛切断北收并入副极涡的过程中, 南部分裂出的小槽成为新的地中海切断补充了南支波列. 新的地中海切断槽前的暖平流, 加之β效应将东移的旧地中海切断为南北两支. 北支并入北支西风, 南支继续东传, 上游南支波列的活跃势必导致未来10天内印缅槽的活跃, 结合偏强的副高给我国南方带来充沛的水汽.

此番长波调整后, 我们看到, 北支长波依旧呈四波态势, 分别对应东亚大槽, 阿留申切断, 北美大槽, 北大西洋切断. 但是波长的分布变得均匀, 全球的长波呈现大规模寒潮爆发后常见的Wave4模态.

B. +72h ~ +144h

图14： 500hPa位势 2018112918UTC[+144h]预报 图源： TropicalTibits/GFS

继续展望, 北亚东移的低槽东移至贝湖一线, 与原本位于远东的主极涡合并后, 低槽演变为主极涡南侧的一道旋转槽, 转竖南下, 为我国全境带去一次强寒潮天气过程.

新地岛脊位在暖平流和上游频散的动力支持下向北突进, 补充了盘旋于新西伯利亚群岛一带的极高. 全球北支4波的态势愈发明显. 由于长波波长明显偏短于静止波, 相位整体东移.

北大西洋的南支槽在对应的气旋锢囚后演变成切断逐渐滑落至低纬.
阿留申一带的低槽由于β效应尾部被切断.

加州的南支槽位东移后与位于加拿大北极群岛的主极涡同相叠加, 重建了北美大槽. 极地, 格陵兰一带的主极涡中冷堆不断堆积. 重建的北美大槽槽前北大西洋又有新的气旋族发展. 成为新的频散源. 在下游激发出英格兰脊-东欧槽-乌拉尔山脊, 位于巴伦支海的极涡在频散波列的动力支持和格陵兰主极涡的冷平流支持下逐渐发展东移南压, 未来将逐渐取代远东的主极涡成为北亚一侧的副极涡.

值得一提的是旧地中海切断的北段与北支合并后南部又分裂出来一个移速飞快的短波小槽, 沿着西伯利亚脊位南下至巴贝一线, 未来在强寒潮过程结束后将配合南支印缅槽为我国再带去一轮补充冷空气, 该轮冷空气实力孱弱, 但是由于南支水汽充沛, 形成了“南高北低”的异相叠加态势, 将为我国南方带来一轮降水天气过程.

C. +144h ~ +240h

图15： 500hPa位势 2018112918UTC[+240h]预报 图源： TropicalTibits/GFS

之前提到, GFS对于瞬变扰动的预报认为, 北海道以东极有可能诞生一个新的炸弹气旋, 巅峰可达960hPa, 势必成为下一阶段长波调整的重要频散源, 该频散源向下游依此频散出 阿留申脊-阿拉斯加槽-加州脊频散波列. 其中阿留申脊径向发展极为猛烈, 在极地与西伯利亚脊位打通, 形成一条高压坝将原先位于远东的主极涡切断.

而阿拉斯加海的温旋, 得到冷槽中冷平流的支持而发展, 根据预报亦达到爆发性气旋标准, GFS认为巅峰可达963hPa, 相应的冷槽也阿拉斯加海的冷槽也剧烈发展, 成位频散波列的重要中继源, 受其影响, 洛基山脉的脊位在频散波列和地形项支持下剧烈隆起, 最终被切断形成加拿大阻塞.

被东北太平洋气旋族中继的频散波列继续东传, 在下游一个波长处支持了纽芬兰近海的气旋族对应高度槽位的加深, 将北地群岛主极涡的寒冷空气导流至低槽中, 使得温旋和低槽剧烈发展. 瞬变扰动剧烈发展将频散波列继续中继东传. 当然涉及如此之多的瞬变扰动发展, 不确定因素很多, 况且考虑到数值预报的时效性, 可信度还存疑. 有趣的是, 至此, 历史仿佛走过了一个轮回.

尽管时效尚远, 我们还是可以看到一个大致的趋势: 东亚强寒潮爆发后长波调整的历史进程并没有结束, 全球范围内的瞬变扰动又迎来了一次大爆发，对应新的一次长波调整, 北太平洋东部和北大西洋极有可能迎来爆发性气旋, 对应纬向环流的剧烈发展. 频散波列将主要沿着副热带急流波导区传播, 激起我国上游的振幅较大, 波长较短的南支波列.

由于北大西洋南支急流下气旋族的活跃, 未来不断有猛烈的温旋掀起上游南支急流的波澜. 上游活跃的南支意味着未来一段时间印缅槽和高原涡的活跃, 未来10-20天我国南方水至汽供应充沛, 北支方面由于主极涡被切断后东移入海, 上游被西伯利亚阻塞控制, 呈现西脊东槽的态势, 全国寒潮过后冷空气以东路扩散和西路小槽冷空气为主, 势力孱弱, 与南支西南暖湿气流对峙, 则有可能迎来大范围的阴雨天气. 考虑到南支短波活跃, 相速较快, 则出现2-3日的晴雨交替的可能性较大.

更长远地来看, 东欧的槽位中因为冷空气堆积将有所发展东移, 在下垫面的支持下, 日后很可能取代远东的极涡切断完成东亚大槽的更替, 在合适的环流配置下成为北亚方面的副极涡.

新一轮的长波调整至此告一段落.

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