北半球中高緯度低頻振蕩對2012/2013年冬季中國東北極端低溫事件的影響

苗青 鞏遠發 鄧銳捷 魏挪巍

成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都610225

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北半球中高緯度低頻振蕩對2012/2013年冬季中國東北極端低溫事件的影響

苗青 鞏遠發 鄧銳捷 魏挪巍

成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都610225

摘 要利用NCEP/DOE的逐日再分析資料和國家氣象信息中心的常規觀測站溫度資料，首先分析了2012/2013年冬季中國東北區域極端低溫事件過程中區域平均溫度的低頻振蕩變化特征，然后分析了北半球中高緯度對流低層和中層低頻環流系統配置的變化及其與東北地區強冷空氣活動過程的聯系，最后進一步研究了中高緯度低頻環流系統的傳播特征及其對溫度變化的影響。主要結果有：（1）2012/2013年冬季東北區域平均溫度存在很強的30～60 d的周期振蕩特征，同時伴隨較強的10～30 d低頻振蕩，后者與實際降溫過程對應關系更好；（2）對10～30 d的低頻振蕩而言，在東北地區低頻溫度變化降低最大的位相7（位相3升高最大），500 hPa上，我國東部地區正好處于貝加爾湖地區的低頻高壓（低壓）環流和日本海的低頻低壓（高壓）環流型之間的低頻偏北（偏南）的較強引導氣流中；同時在850 hPa上，我國東部從東北到南海都是較強的偏北（偏南）低頻風控制，這使得東亞冬季風環流系統加強（被抑制），東北區域則經歷一次大幅度的低頻溫度降低（升高）過程，這些高低空低頻環流系統的配置和演變導致了2012/2013年冬季一次次強（或較強）的冷空氣沿偏東偏北的路徑影響我國東北地區，并導致極端低溫事件的出現；（3）沿著烏拉爾山—貝加爾湖—我國東北地區—西北太平洋傳播的500 hPa低頻波列，是驅動2012/2013年冬季東亞冬季風低頻振蕩和我國東北地區極端低溫事件的環流系統。

關鍵詞東北地區 極端低溫 低頻環流系統

苗青，鞏遠發，鄧銳捷，等. 2016. 北半球中高緯度低頻振蕩對2012/2013年冬季中國東北極端低溫事件的影響 [J]. 大氣科學, 40 (4): 817?830. Miao Qing, Gong Yuanfa, Deng Ruijie, et al. 2016. Impacts of the low-frequency oscillation over the extra-tropics of the Northern Hemisphere on the extreme low temperature event in Northeast China in the winter of 2012/2013 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 817?830, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15189.

1 引言

自 20世紀 70年代初大氣低頻振蕩（Lowfrequency Oscillation，簡稱LFO）發現于熱帶地區以來，LFO一直被視為重要的大氣環流系統之一，由于其時間尺度（10～90 d）介于天氣和短期氣候變化之間，因此大氣的低頻振蕩能在很大程度上影響各地的天氣和氣候變化。大量的研究證實，中高緯度的甚至是全球的大氣都存在低頻振蕩的周期變化現象（Madden and Julian，1971，1972；Anderson and Rosen，1983；張可蘇，1987；李崇銀，1990，1991a；李崇銀等，1995；李崇銀等，2003）。一直以來大氣低頻振蕩的相關研究主要集中于熱帶地區，在近些年來，對中高緯度地區大氣低頻振蕩的研究也逐漸豐富，但在其基本變化特征、與其它天氣系統的相互作用關系以及對天氣氣候異常的影響等方面相比熱帶地區還不是很多。李崇銀等和邱明宇等的研究（李崇銀，1991a，1991b；李崇銀等，1995；邱明宇等，2006）證實，全球大氣以熱帶地區和高緯度地區低頻振蕩最為顯著和重要，且從振蕩動能分布來看，中高緯度（尤其是高緯度）地區的大氣低頻振蕩比熱帶地區活動強，且在冬半年更強?？梢?，作為大氣低頻振蕩最顯著的地區之一，在冬季極端低溫和雨雪冰凍災害事件頻發的背景下，北半球中高緯度地區的大氣低頻振蕩變化對天氣氣候變化的影響值得關注。

已有一些研究從低頻振蕩的角度出發探討大氣環流與冷空氣活動的關系。冷空氣活動和表征冷空氣強度的氣象因子（地面溫度和氣壓等），以及北半球中高緯度系統（如極渦、西伯利亞高壓、東亞大槽、阿留申低壓、東北冷渦等）的變化都具有明顯的低頻振蕩特征（楊松和朱乾根，1990；唐東升和王建德，1994；金祖輝和孫淑清，1996；Takaya and Nakamura，2005a，2005b；馬曉青等，2008；劉慧斌等，2012），歐亞中高緯度大氣低頻振蕩為寒潮爆發提供了有利的大尺度背景，寒潮天氣過程除本身具有低頻周期外，還與大氣環流的振蕩周期密切相關（歐陽玫君等，1995）。近幾年，中高緯度低頻環流系統對天氣氣候的影響也逐漸引起人們的重視（譚本馗和陳文，2014），采用將低頻場在低頻信號顯著周期的不同位相上進行合成的方法，通過環流系統呈現的模態經進一步分析得到一些新的研究成果。劉慧斌等（2012）定義了描述東北冷渦活動的指數并指出東北冷渦活動具有 10～30 d振蕩特征，作為歐亞遙相關型（EU）低頻波列的一部分，相關的環流變化與東亞/太平洋型（EAP）低頻波列相互作用可影響東亞地區的降水分布情況。周寧芳等（2014）也采取了同樣的方法得到對流層各層低頻系統的相互配合和共同作用對降水有重要影響。馬曉青等（2008）以及朱毓穎和江靜（2013）在對中緯度和低緯度低頻波動的研究中指出，它們可以獨立活動或傳播，也可以相耦合共同作用導致中國冬季的持續低溫或寒潮爆發。由此，中高緯度低層和中層的低頻環流系統之間的作用關系和如何影響我國冬季氣溫變化引起我們的思考，本文對此做了進一步探討。

我國東北地區是直接受中高緯度低頻環流系統影響的地區，在2012/2013年冬季，其平均氣溫達到20世紀80年代以來與2000/2001年冬季相當的又一次歷史新低，這為研究北半球中高緯度大氣低頻振蕩的活動及其對我國氣溫的影響提供了一個契機。本文主要目的是利用2012/2013年這一典型年份，進一步分析中高緯度大氣低頻振蕩特征，并分析冬季北半球中高緯度低頻環流系統的空間配置特征以及對極端低溫事件的影響。

2 資料和方法

2.1 資料

本文使用第II套NCEP/NCAR全球逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°（經度）×2.5°（緯度），使用2012年1月1日至2013年12月31日，850 hPa 和500 hPa的高度場（Z850、Z500）、緯向風（U500、U850）、經向風（V500、V850）和溫度場（T850）資料；觀測資料來源于中國氣象局國家氣象中心整編的中國地面氣候資料日值數據集，所使用的時間長度為1979年1月1日至2013年12月31日，剔除缺測多和建站晚的臺站，選用其中的832個臺站逐日平均、日最高和日最低溫度來分析 2012/2013年冬季氣溫變化及分布情況。

2.2 方法

定義當年12月1日至翌年2月28日為冬季。相比功率譜周期分析方法，使用小波分析進行周期分析可以在給出氣候序列變化的顯著尺度的同時，得到各頻段隨時間的變化情況（Torrence and Compo，1998），因此本文選用墨西哥帽（Mexican hat）小波變換的周期分析方法。首先，為剔除小波分析的邊界影響，將2012年7月1日至2013年6 月30日東北地區的147個臺站逐日氣溫時間序列，除去其季節變化趨勢（即傅里葉變換的 1～3波）后進行小波變換，取其中2012年11月1日至2013 年3月31日的結果分析東北地區氣溫顯著的變化周期。然后，采用Lanczos濾波器（Duchon, 1979）（濾波參數n＝121），對2012年至2013年850 hPa的風場和溫度場以及500 hPa的風場和高度場進行10～30 d的帶通濾波，提取2012年7月1日～2013 年6月30日的低頻振蕩信號從而扣除濾波中受邊界影響的時段。最后，合成分析我國東北地區氣溫低頻振蕩不同位相的北半球中高緯度低頻流場演變特征。

3 2012/2013年冬季東北地區的極端低溫事件及氣溫的低頻特征

圖1 2012/2013年冬季氣溫距平（相對于1979～2013年同期氣候平均值，填色，單位：°C）。●為東北地區極端低溫站，D為西南地區極端高溫站Fig. 1 Temperature anomalies in the winter of 2012/2013 (compared to the climatological mean over the period of 1979 to 2013, shading, units: °C). “●”denotes the stations in Northeast China and “D” denotes the stations in Southwest China

3.1 2012/2013年冬季東北地區的極端低溫事件

圖1是相較于1979/1980～2012/2013年冬季氣候平均的2012/2013年冬季中國氣溫距平分布。從圖上可以看到，中國東北地區和華北大部地區呈現出顯著的溫度負距平，而西南地區云南四川則是相反的顯著溫度正距平，與1979/1980年冬季以來共34個冬季相比，我國東北部區域包括東三省、內蒙古東部、河北、山東氣溫明顯偏低，普遍偏低2°C，黑龍江省西南部和內蒙古東部偏低可達4°C；而西南地區包括四川、云南氣溫普遍偏高1°C以上，大值中心位于四川省與云南交界處，偏高可達2.5°C。

為提取代表東北地區和西南地區氣溫變化的臺站，分別以冬季氣溫距平最低的黑龍江省泰來站和最高的四川省攀枝花站為基點，做全國832個臺站氣溫與之氣溫的單點相關（如圖 2所示），結合地理位置選取出如圖所示相關系數大于0.8的147個臺站用于東北華北區域氣溫變化分析，同樣的選取相關系數大于0.75的55個臺站代表西南地區。在選取的臺站中，東北地區的丹東、臨江、靖宇等25個臺站（圖1中黑色圓點站）出現極端低溫，氣溫突破過去 34個冬季歷史極值；而西南地區太華山、馬爾康等24個臺站（圖1中Δ站）氣溫達到極端高溫。

圖2 以（a）泰來站和（b）攀枝花站為基點的2012/2013年冬季氣溫單點相關系數（陰影區的相關系數大于等于0.75，○為選取的站點）Fig. 2 The correlation coefficients between temperatures with the base points at (a) Tailai station and (b) Panzhihua station in the winter of 2012/2013. Shaded areas indicate where the correlation coefficient is larger than 0.75, hollow dots denote those selected stations

圖3 1979/1980～2012/2013年冬季東北和西南區域平均氣溫年際變化（單位：°C）Fig. 3 The interannual variation of the regionally averaged wintertime temperature in Northeast China (solid line with hollow circle) and Southwest China (dashed line with full circle) from 1979/1980 to 2012/2013 (units: °C)

圖3是1979/1980～2012/2013年東北、華北（147個站）和西南（55個站）冬季氣溫區域平均的年際變化圖。如圖所示，自1979/1980年以來，2012/2013年冬季東北、華北區域平均氣溫與 2000/2001年并列為近 34年來歷史同期最低；而西南地區是過去的 34年中冬季氣溫相對較高的暖年，僅次于之前的1998/1999年和2005/2006年冬季。因此，2012 /2013年冬季，中國東北、華北區域是極寒的極端低溫事件，西南地區則是相對暖的暖冬。

3.2 2012/2013年冬季東北地區氣溫變化的低頻特征

為探討影響2012/2013年冬季我國東北地區極端低溫事件的原因，我們首先對 2012～2013年東北區域平均溫度的變化特征進行了重點分析。首先在東北區域平均溫度的原始時間序列中扣除季節變化趨勢，得到東北區域平均溫度與季節變化趨勢之間的偏差，并對其進行小波變換從而進行小波分析。然后利用小波變換檢測出的溫度變化顯著周期，對溫度進行帶通濾波，分析了兩個頻帶溫度低頻變化對強降溫過程的影響。

圖4中給出了2012/2013年冬季東北區域平均溫度的逐日變化和氣溫的季節趨勢，以及東北區域平均溫度與季節變化趨勢之間的偏差。如圖 4a所示，從2012年11月中旬開始氣溫驟降，降溫過程陸續出現并持續到 12月初，短暫回溫后在 12月13～23日有兩次連續的強降溫過程，2013年1月31日～2月8日出現一次強烈的降溫過程，之后氣溫在波動中回升。

2012/2013年冬季東北區域平均溫度去掉季節變化趨勢后的小波變換的結果清楚地反映出氣溫在時域和頻域上的變化情況（如圖5a所示）。為便于分析，定義小波變換值F≥2的時間范圍表示氣溫的回升時期，F≤－2的時間范圍表示氣溫的降低時期。在小波變換尺度因子 a＝2～8（即 8～32 d周期變化）的時間尺度層次上，2012/2013年冬季表現出兩次較強的降溫過程，分別出現在 2012年12月中旬和2013年2月上旬；三次相對較弱的降溫過程分別出現在2012年11月中旬、12月初和2月下旬，可見在a＝2～8的時間尺度上，F值的變化與氣溫原始序列的變化對應較好。

為了準確分析小波變換在不同尺度因子上信號變化的顯著周期，我們基于以上結果進一步計算了氣溫的小波變換在不同時域內方差貢獻的大?。ㄈ鐖D5b所示），從方差的時域分布上可以得出在a＝4和 a＝10.56處都存在小波方差的極大值，即2012/2013年冬季東北地區氣溫有兩個明顯的變化周期，分別為T≈16 d和T≈42 d。經對氣溫進行小波變換分析得到該年東北地區氣溫存在 10～30 d 和30～60 d兩個顯著周期。

圖4b是東北區域平均溫度10～30 d和30～60 d的帶通濾波后的時間序列。從圖中可見10～30 d的振蕩在2012年11月、12月和2013年1月底到2月中旬明顯偏強，與小波變換分析結果一致，振蕩的演變和降溫有很好的對應關系，幾次降溫過程基本都發生在振蕩由強到弱的時段；而30～60 d的振蕩強度要弱于10～30 d的振蕩，其隨時間的演變與氣溫原始時間序列的對應情況，唯有 2013年 1月底到2月中旬30～60 d的振蕩從正位相向負位相轉變，這表明10～30 d振蕩和30～60 d振蕩的同位相迭加是導致強降溫過程發生的主要原因之一，從小波變化中亦可見實際的強冷空氣活動是這兩個周期的冷空氣活動迭加而成。

為分析低頻溫度變化分量在2012/2013年冬季實際氣溫與其季節趨勢之差中的貢獻大小，我們計算了圖 4b中實際氣溫與其季節趨勢之差的總方差及分離出的10～30 d和30～60 d低頻分量的方差，結果分別是8.49、3.27和1.85，其中10～30 d振蕩的方差貢獻占總方差的38.5%（3.27/8.49＝0.385），10～30 d振蕩與 30～60 d振蕩的總方差貢獻達60%，這也說明該年冬季期間東北區域平均溫度的低頻變化對降溫過程的貢獻是非常大的。

鑒于上面分析的 10～30 d低頻振蕩的溫度變化與強降溫過程的關系更為密切，因此下文僅針對10～30 d低頻環流形勢的演變特征進行分析，討論北半球中高緯度大氣低頻振蕩對2012/2013年冬季極端低溫事件的影響機制。

4 2012/2013年冬季北半球中高緯低頻環流系統特征

由于東北天氣氣候變化直接受到北半球中高緯度環流系統變化的影響，也為進一步分析極端低溫事件和氣溫低頻變化的成因，基于2012/2013年東北地區溫度小波分析和帶通濾波的結果，我們選取了2012/2013年冬季（即12月至翌年2月）10～30 d低頻信號中與兩次強降溫過程對應的2個強主振蕩周期（如圖4b所示），將T850、U850、V850、H500、U500和V500的低頻分量分別在位相1至位相8上進行合成，研究北半球中高緯度低頻環流系統隨位相的演變特征，揭示其對強降溫過程的影響機制。其中位相1（位相5）為10～30 d東北區域平均溫度低頻變化由負（正）向正（負）的轉換位相，位相 2～3（位相 6～7）為低頻溫度變化升高（降低）最強的位相，位相 4（位相 8）為低頻溫度變化升高（降低）后減弱的過渡位相。

4.1 中高緯對流層低層低頻環流系統特征

作為冬季對流層低層影響東亞天氣和氣候變化的重要環流系統，東亞冬季風可在西伯利亞東部，一直沿著歐亞大陸東岸到南海地區產生強勁的西北風和東北風，較大的風速攜帶著高緯度冷空氣南下，使得所經之處氣溫驟降，因此東亞冬季風是影響我國東北地區氣溫變化的重要因子之一（丁一匯等，2014）。圖6是850 hPa上合成的8個位相的低頻溫度場和低頻風場，我們先探討2012/2013年冬季東北區域極端低溫形成過程中北半球中高緯對流層低層大氣環流的低頻活動演變。

圖4 2012年11月1日至2013年3月30日逐日東北區域（a）平均溫度和（b）其剔除季節變化趨勢序列以及低頻溫度序列，單位：°C。（a）中黑線表示實際氣溫，綠線表示季節趨勢；（b）中左縱坐標和紅色虛線表示實際氣溫與其季節趨勢的差值，右縱坐標為濾波后的氣溫，綠線表示30～60 d濾波后氣溫，黑線表示10～30 d濾波后氣溫，●和數字表示位相合成的10～30 d濾波氣溫演變情況Fig. 4 (a) Daily mean regional-average temperature for Northeast China and (b) its seasonal changing tendency and low-frequency temperature sequences from 1 Nov 2012 to 30 Mar 2013. Black line indicates the temperature in (a), green lines indicates seasonal changing tendency in (b). The left vertical-axis and red dashed line in (b) are the difference between the temperature and its seasonal changing tendency; the right is the 10–30-day filtered temperature (black line) and the 30–60-day filtered temperature (green line) for Northeast China (solid dots and the number show the phases of the 10–30-day low-frequency temperature oscillation)

圖5 2012/2013年冬季東北地區氣溫與其季節變化趨勢之差的（a）小波變換和（b）其在不同頻域上的方差。（a）中縱坐標a（單位：°C）為小波變換尺度因子，（b）中縱坐標T（單位：d）為a對應的近似周期，等值線是小波變換值，陰影區表示氣溫在季節平均變化趨勢上偏強，虛線區則表示在季節平均變化趨勢上偏弱Fig. 5 (a) The wavelet transform of the difference between the temperature and its seasonal changing tendency for Northeast China in the winter of 2012/2013 and (b) the wavelet variances on different frequency domains of the wavelet transform. a is the scale-factor (units: °C) of the wavelet-transform in (a); T is the period (units: d) of the scale factor a in (b); isoline denotes the value of wavelet-transform; shaded area denotes the region with strong changing tendency based on the seasonal variation of temperature, while the dashed area indicates weak changing tendency

圖6 2012/2013年冬季各位相850 hPa 10～30 d低頻溫度（陰影區，單位：°C）和低頻風場（矢量）的合成圖：（a–h）第一到第八位相Fig. 6 Composites of 10–30-day filtered temperature anomalies (shaded, units: °C) and wind anomalies (vector, units: m s?1) at 850 hPa for (a) the first phase, (b) the second phase, (c) the third phase, (d) the fourth phase, (e) the fifth phase, (f) the sixth phase, (g) the seventh phase, and (h) the eighth phase in the winter of 2012/2013

在低頻溫度變化由負向正轉換的位相 1階段（圖 6a），在烏拉爾山到貝加爾湖之間存在低頻氣旋系統，鄂霍次克海上是一弱的低頻反氣旋系統，使我國西北東部、東北西部到貝加爾湖東部地區都受到低頻東南風（或偏南風）控制；相應的我國東北區域位于貝加爾湖西北低頻溫度升高中心區與日本南部低頻溫度降低中心區之間，東北西部是弱的低頻暖平流區。

位相2階段（圖6b），低頻氣旋系統向東移至貝加爾湖以北，鄂霍次克海的低頻反氣旋系統加強南移到日本海上，我國華北、東北地區到貝加爾湖東部地區位于低頻反氣旋西部的南風區域，東亞冬季環流系統開始被抑制；與環流對應的東北、內蒙古和華北地區出現明顯的低頻暖平流區，低頻溫度升高中心區位于內蒙古東部到東北西部，最大中心值在5°C以上。

到位相3階段（圖6c），貝加爾湖以北的低頻氣旋系統明顯減弱，位于日本海上的低頻反氣旋系統加強，我國東部幾乎都受低頻的偏南風控制，東亞冬季環流系統進一步被抑制；伴隨低頻的偏南風，我國東部幾乎全為低頻溫度升高的區域，溫度升高中心也隨之加強并向東南移動。這個階段在烏拉爾山地區出現新的低頻反氣旋系統，烏山以東地區也變為受偏北風控制。

位相4階段（圖6d），貝加爾湖低頻氣旋系統有所加強并東移至鄂霍次克海東側，位于日本海上的低頻反氣旋系統減弱東移到西北太平洋上并明顯減弱；烏拉爾山地區的新出現的低頻反氣旋系統加強東移，其東側至貝加爾湖西部地區轉為偏北的低頻風，東亞冬季環流系統被抑制的過程結束。與環流相對應，貝加爾湖地區東、西兩側及其以北的地區均為低頻的冷平流，貝加爾湖西北側的低頻溫度降低區域擴大；原位于我國東部較強的低頻溫度升高區向東南移出我國到朝鮮半島和日本南部之間的洋面上。

位相5到位相8階段的低頻風場和低頻溫度場與相應的位相1到位相4基本相反。在位相5（圖6e），烏拉爾山東側低頻反氣旋系統和鄂霍次克海上低頻氣旋系統都維持加強，致使貝加爾湖到我國東北、華北地區都受到較強的偏北低頻風控制，東亞冬季環流系統開始加強；相應的貝加爾湖到我國東北區域的低頻冷平流區范圍擴大、低頻溫度降低的中心值增加。這個階段，僅在我國的江淮以南地區還有弱的低頻溫度升高區。

到位相6時（圖6f），烏拉爾山東側低頻反氣旋系統向貝加爾湖移動，鄂霍次克海低頻氣旋系統南移到庫頁島，低頻的偏北風加強并向南向東擴展到我國的江南地區以及日本海一帶，東亞冬季環流系統明顯加強；對應的東北、內蒙古和華北地區為明顯的低頻冷平流區，內蒙古東部和東北西部較強的低頻溫度降低區，最小中心值低于－5°C。

位相7時（圖6g），烏拉爾山與貝加爾湖之間的低頻反氣旋系統中心迅速移至貝加爾湖南側，庫頁島的低頻氣旋系統加強并向南移到日本東北洋面上，使我國東部從東北到南海都是較強的偏北低頻風控制，歐亞大陸上形成一個大范圍的東亞冬季風低頻環流系統，整個東亞冬季環流系統也進一步加強；伴隨偏北低頻風異常我國東部幾乎全為低頻溫度降溫區，降溫異常中心加強移到我國東北南部和朝鮮半島之間。這個階段在烏拉爾山地區變為又一個低頻氣旋系統，烏拉爾山以東地區也開始改受西南風控制。

位相8時（圖6h），貝加爾湖南側的低頻反氣旋系統中心東移至我國東北的東北側，日本島以東洋面的低頻氣旋系統減弱東移，烏拉爾山地區的低頻氣旋系統東移加強，使貝加爾湖地區到我國東北西部地區都轉為偏南低頻風控制，東亞冬季環流系統開始被抑制。與環流相對應，貝加爾湖及東北西部地區均為低頻暖平流，低頻溫度升高中心位于貝加爾湖地區；原位于我國東部的低頻溫度降低中心減弱東移，我國僅長江流域到華南地區還有弱的負低頻溫度區，冷空氣活動過程接近結束。

從我國東北區域平均氣溫10～30 d振蕩的第1位相到第8位相，我國東北和東部沿海地區的對流層低層，經歷了一次由烏拉爾山及其以東地區低頻氣旋系統到低頻反氣旋系統和鄂霍次克海地區低頻反氣旋系統到低頻氣旋系統影響的轉變。其中，在6～7位相（2～3位相），烏拉爾山到貝加爾湖之間的低頻反氣旋系統（氣旋系統）和鄂霍次克海處低頻氣旋系統（反氣旋系統）的向東南方向移動和變化，東亞冬季風環流系統也隨之加強（被抑制），我國東北區域則經歷一次大幅度的溫度降低（升高）過程。

4.2 中高緯對流層中層低頻環流系統特征

阻塞高壓和東北冷渦是中高緯度對流層中層引起大范圍冷空氣活動和我國寒潮降溫的天氣系統，中高緯度低頻環流演變與阻塞形勢的變化密切相關，東北冷渦除本身具有低頻振蕩的變化特征外，還對中高緯冷空氣的低頻活動也起到重要作用（智協飛和何金海，1996；劉慧斌等，2012）。為進一步分析2012/2013年冬季極端低溫形成過程中對流層中層低頻環流系統的影響，與上一部分一樣，根據東北區域平均溫度10～30 d低頻變化的8個位相合成了500 hPa低頻高度場和低頻流場（如圖7所示）。

位相1階段（圖7a），烏拉爾山以西上空為一弱的低頻高壓環流系統，與對流層低層相對應，烏拉爾山東側是一弱的低頻低壓環流系統，貝加爾湖與我國東北區域之間存在一弱的低頻高壓環流系統，日本島以東洋面存在一較強的低頻低壓環流系統。

圖7 同圖6，但為500 hPa上濾波高度（填色）和流場合成圖Fig. 7 Same as Fig. 6, but for the filtered height and streamline composite at 500 hPa

位相2階段（圖7b），烏拉爾山以西的低頻高壓環流系統穩定加強，烏拉爾山東側的低頻低壓環流系統也隨之加強，原貝加爾湖與我國東北區域之間的低頻高壓環流系統加強，高壓中心移到我國東北區域上空，西太平洋上的低頻低壓環流系統減弱東移。在中高緯范圍（40°N～70°N）內，從歐洲北部到西北太平洋地區（20°E～160°E），自西向東是一個西北—東南向的低頻高壓（反氣旋）—低頻低壓（氣旋）—低頻高壓（反氣旋）—低頻低壓（氣旋）的低頻波列。

位相3階段（圖7c），原烏拉爾山以西的低頻高壓環流系統向東移動到烏拉爾山，并且發展成一強的低頻高壓中心，烏拉爾山到貝加爾湖之間的低頻低壓環流中心東移到巴爾喀什湖一帶；原東北區域上空的低頻高壓系統向東南緩慢移動加強，在日本海上空形成一強的低頻高壓中心，歐亞大陸中高緯地區到北太平洋西岸調整為“兩高一低”型的低頻環流系統，我國東北地區處于低頻低壓系統前、高壓系統后的偏南風影響的位置，南下冷空氣被抑制，引起850 hPa上低頻溫度升高。

到位相4階段（圖7d），與對流層低層相對應，烏拉爾山上空的低頻高壓系統移至烏拉爾山東側，巴爾喀什湖一帶的低頻低壓環流系統被兩個低頻高壓系統切斷，東北部分東移至貝加爾湖以東到我國東北北部及其以北地區，原日本海上空的低頻高壓中心減弱并向東移到日本東部洋面。

同對流層低層850 hPa一樣，500 hPa上位相5到位相8的低頻高（低）壓系統與位相1到位相4階段基本相反。在位相 5（圖 7e），烏拉爾山以東的低頻高壓系統繼續東移；貝加爾湖以東的低頻低壓中心東移至我國東北北部上空，對應的低頻高度負異常明顯加強；原日本以東的低頻高壓環流系統東移至西太平洋中西部地區。這個階段在烏拉爾山以西出現新的低頻低壓環流系統。

到位相6（圖7f），烏拉爾山以西的低頻低壓環流系統穩定加強，烏拉爾山東側的低頻高壓系統中心繼續向貝加爾湖靠近，我國東北地區的低頻低壓環流系統穩定加強，西北太平洋上的低頻高壓環流系統減弱；在中高緯范圍（40°N～70°N）內，從歐洲北部到西太平洋（20°E～160°E）轉變為與位相2階段相反的低頻低壓（氣旋）—低頻高壓（反氣旋）—低頻低壓（氣旋）—低頻高壓（反氣旋）的低頻波列。

到位相7階段（圖7g），原烏拉爾山以西的低頻低壓系統中心東移至烏拉爾山地區并加強，烏拉爾山以東的低頻高壓系統中心移至貝加爾湖西側，相應的低頻高度正異常有所減弱；與低層相應的原東北區域上空的低頻低壓系統中心南移，在日本北部形成一強的低頻低壓系統中心。與位相3相反，歐亞中高緯地區到亞洲東部沿岸形成“兩低一高”的低頻環流型，我國東北及東部大部分地區處于低頻高壓系統前和低壓系統后的高空偏北氣流中，這致使冷空氣加速南下影響我國東部地區，導致850 hPa上低頻溫度降低。

到位相8階段（圖7h），烏拉爾山上空的低頻低壓系統繼續東移加強，低壓中心位置到了烏拉爾山以東；貝加爾湖西側的低頻高壓中心迅速減弱移到我國東北西部，其東部的低頻低壓旋也迅速減弱，我國東部處于低頻高壓南側的偏東低頻氣流中，冷空氣南下的過程結束。

綜合這一部分對流層中層（500 hPa）和低層（850 hPa）低頻環流系統的演變發展的結果可以看到，從位相1到位相8的各個階段，500 hPa上是歐亞到西太平洋（20°E～160°E）中高緯范圍（40°N～70°N）內有低頻環流系統不斷從烏拉爾山以西地區沿西北—東南向的路徑向我國東部和西太平洋西部沿岸移動，850 hPa上則是相應的東亞冬季風低頻環流系統變化引起的我國東部地區偏南低頻風或偏北低頻風交替變化，從而抑制冷空氣南下或加速冷空氣南下，導致我國的寒潮過程發生。

其中，位相6～7（位相2～3）階段，500 hPa上，我國東部地區正好處于貝加爾湖地區的低頻高壓（低壓）環流和日本海的低頻低壓（高壓）環流型之間的低頻偏北（偏南）的較強導氣流中，同時在850 hPa上，我國東部從東北到南海都是較強的偏北（偏南）低頻風控制；這使得東亞冬季風環流系統也隨之加強（被抑制），我國東北區域則經歷一次大幅度的溫度降低（升高）過程。這些高低空低頻環流系統的配置和演變可能導致了2012/2013年冬季一次次強（或較強）的冷空氣沿偏東偏北的路徑影響我國東北地區，并導致極端低溫事件的出現。

5 北半球中高緯度大氣低頻環流系統的傳播特征及對溫度的影響

在上一部分，我們通過對2012/2013年冬季東北區域平均溫度10～30 d振蕩周期中的2個強主振蕩周期分8個位相合成低頻場的方法，得到了與東北區域平均溫度低頻變化相對應的對流層低層和中層的低頻環流模態。為進一步探討中高緯低頻環流系統的傳播特征及其與東北地區溫度低頻變化的對應關系，我們分別對2012/2013年冬季東北區域平均溫度的低頻序列與同期和超前其5日的500 hPa低頻高度場進行了相關性分析，考慮到實際天氣尺度環流場變化與天氣變化之間存在的時滯關系，在此給出顯著性較好的2012/2013年冬季東北區域平均溫度低頻序列與超前其2日（2012年11 月29日至2013年2月26日）的500 hPa低頻高度場的相關分析。

從圖8中可見500 hPa低頻高度場與滯后其2日的東北區域平均溫度低頻序列之間的相關性明顯存在著從烏拉爾山以西地區（＋）貝加爾湖以西地區（－）到我國東北地區（＋），再到西太平洋（－）的波列，對應于位相3和位相6低頻環流系統配置形成的低頻波列，該支波列的波動主要表現在烏拉爾山與貝加爾湖之間低頻高壓系統為低頻低壓系統代替，而東北地區低頻低壓系統為低頻高壓系統代替的過程。另一方面，根據相關系數大、小值中心的分布情況亦可得，該支波列上低頻環流系統的演變對東北地區溫度異常有很大的影響：當低頻高壓系統移動至烏拉爾山與貝加爾湖之間，而低頻低壓系統移動到東北地區時，伴隨著這兩個低頻環流系統的增強，低頻環流中心沿著該支低頻波列向東南方向移動，其間的偏北引導氣流有利于高緯度地區冷空氣南下侵入東北地區，對應著時間上滯后2日左右東北地區經歷一次降溫過程，這個滯后關系與上一部分低頻環流系統隨位相的演變特征的分析結果一致。值得一提的是，東北地區溫度的低頻變化與烏拉爾山西側低頻高度異常存在較強的正相關，烏山西側的低頻高壓環流系統隨位相的演變也呈現出：在位相1～4，低頻高壓系統穩定加強，低頻高壓中心緩慢移動到烏拉爾山東側；在位相4～8，低頻高壓中心減弱并迅速沿著低頻波列移至東北西部地區。可見，低頻環流系統沿著這支波列移動并相繼對中高緯度所經之處以及下游地區的溫度產生影響，由于是用東北區域平均溫度低頻序列進行的相關分析，更準確地說，這支低頻波列的發展及其低頻系統的相互作用與東北地區冬季氣溫的低頻變化密切相關。

圖8 2012/2013年冬季北半球500 hPa各格點濾波高度與東北地區平均濾波溫度的滯后相關系數（陰影區通過99%信度的t檢驗，直線為大值中心形成的波列連接線）Fig. 8 Lagging-correlations between the filtered height at every grid point of the Northern Hemisphere at 500hPa and the 10–30-day filtered regionally averaged temperature in Northeast China in the winter of 2012/2013. Shaded areas denote where the values are statistically significant at/above 99% confidence level with t test. The straight line is the connecting line of the wave train consisting of max value centers

圖9 2012年11月1日至2013年2月28日500 hPa 10～30天濾波高度Fig. 9 10–30-day band-pass filtered geopotential height at 500 hPa from 1 Nov 2012 to 28 Feb 2013

此外，我們也對東北區域平均溫度低頻序列與同期850 hPa低頻溫度場進行了相關分析（圖略），相關系數大、小值中心和相關性的分布情況均與圖8相同，唯有這支波列上烏拉爾山以西的正相關大值中心較圖8偏北，位于與大陸接壤的巴倫支海南部，說明低頻系統沿該波列向東南方向傳播的同時引導冷空氣從源地南下并沿偏東偏北的路徑侵入我國，并且主要對東北地區的溫度變化產生影響。

為了更準確地分析每個振蕩周期對應的低頻環流系統的演變情況，我們將相關分析中得到的相關系數的大值和小值的中心連接起來，圖9給出了這條波列上 500 hPa低頻高度值隨時間的變化情況?；谇懊娴牡皖l環流系統特征和相關性分析結果可知，烏拉爾山以西、烏拉爾山到貝加爾湖之間和東北地區是低頻環流系統活動的關鍵區，且關鍵區環流系統的低頻變化與滯后其 2日左右的東北區域平均溫度的低頻變化存在較好的對應關系，因此在分析中較關注這三個關鍵區所在的經緯度范圍內、超前于降溫起止 2日左右出現的低頻高度異常。

從圖中可以看到，在烏拉爾山及其以東的范圍內，低頻高度異常中心大體上均為明顯的向東南方向傳播，尤其是從 12月底開始，低頻高度正、負異常中心相繼地沿著從烏拉爾山以西到西太平洋的這支波列傳播；結合東北區域平均氣溫 10～30天的低頻變化情況，在11月10～18日、11月28日至12月7日和12月14～23日分別經歷了三次幅度逐漸增強的低頻降溫過程，提前2日左右分析發現，烏拉爾山地區出現低頻高度正異常并且中心傳播至貝加爾湖地區的同期，伴隨著低頻高度負異常中心移動到東北地區，該過程與降溫過程存在較好的對應關系，在1月18～25日、1月31日至2 月7日以及2月14～20日這三次低頻降溫過程中這種對應關系體現地更明顯。這進一步說明烏拉爾山到西北太平洋路徑的東傳上低頻環流系統是影響2012/2013年冬季東北區域平均溫度低頻變化的重要因子。

6 結論和討論

本文首先對2012/2013年冬季中國東北區域極端低溫事件過程中區域平均溫度的低頻振蕩變化特征進行了分析，基于周期分析結果合成分析了北半球中高緯度對流低層和中層低頻環流系統配置的變化及其與東北地區強冷空氣活動過程的聯系，最后進一步研究了中高緯度低頻環流系統的傳播特征及其對溫度變化的影響。主要結論如下：

（1）2012/2013年冬季東北極端低溫事件是冬季溫度季節變化趨勢基礎上，疊加了很強的 30～60 d周期和10～30 d周期兩個頻帶的溫度低頻振蕩變化的結果；10～30 d振蕩的溫度變化與實際強降溫過程的關系更為接近；其中2013年1月底到2月上旬的強降溫過程是10～30 d振蕩和30～60 d振蕩同時由低頻升溫到低頻降溫位相轉換同位相迭加的結果。

（2）500 hPa上歐亞到西太平洋（20°E～160°E）中高緯范圍（40°N～70°N）內有低頻環流系統不斷從烏拉爾山以西地區沿西北—東南向的路徑向我國東部和西太平洋西部沿岸移動，850 hPa上則是相應的東亞冬季風低頻環流系統變化引起的我國東部地區偏南低頻風或偏北低頻風交替變化，從而抑制冷空氣南下或加速冷空氣南下，導致我國的寒潮過程發生。其中，在低頻溫度變化降低（升高）到最強的位相6～7（位相2～3），500 hPa上是我國東部地區正好處于貝加爾湖地區的低頻高壓（低壓）環流和日本海的低頻低壓（高壓）環流型之間的低頻偏北（偏南）的較強導氣流中，850 hPa上，我國東部從東北到南海受較強的偏北（偏南）低頻風控制；這使得東亞冬季風環流系統隨之加強（被抑制），我國東北區域經歷一次大幅度的降溫（升溫）過程。這些高低空低頻環流系統的配置和演變可能導致了2012/2013年冬季一次次強（或較強）的冷空氣沿偏東偏北的路徑影響我國東北地區，并導致極端低溫事件的出現。

（3）沿著烏拉爾山以西地區—貝加爾湖以西地區—我國東北—西北太平洋的西北東南向的 10～30 d振蕩低頻波列的移動演變，即烏拉爾山地區的低頻高度正（負）異常中心移至貝加爾湖地區，同期伴隨著低頻高度負（正）異常中心移動到我國東北地區，該過程與滯后其2日左右的低頻降溫（升溫）過程存在很好的相關關系，說明上述低頻波列是驅動2012/2013年冬季東亞冬季風低頻振蕩和我國東北地區極端低溫事件的環流系統。

最后，需要說明的是，在2012/2013年冬季我國東北地區出現極端低溫，西南地區的云南和川西高原則是異常高溫現象，在本文的分析中我們很難發現，這個冬季西南地區溫度的變化與上述分析的中高緯度低頻環流系統和東亞冬季風低頻環流系統演變有直接的關系。因此，2012/2013年冬季而言，一方面可能是上述分析的相關低頻環流系統的配置影響的路徑偏北、偏東，另一方面，或者是南支的影響系統較強，導致西南地區難以受到較強冷空氣的影響；當然，分析該年冬季西南地區高溫的原因也是我們接下來要進行的工作。此外，本文僅選取10～30 d溫度低頻振蕩周期進行分析，我們也看到，2013年2月上旬的強降溫是兩個頻帶低頻振蕩疊加的共同影響，因此對中高緯度30～60 d的低頻振蕩和兩個頻帶低頻振蕩相互作用也有必要做進一步探討；此外，在我們的初步分析中還發現，2012/2013年冬，我國東北地區溫度和歐亞500 hPa高度場的低頻變化與超前其 9天的 NAO（North Atlantic Oscillation）波動的低頻變化有顯著的關系，這是一個值得深入研究的問題。

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資助項目 國家自然科學基金資助項目41275080，公益性行業（氣象）科研專項GYHY201306022

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grant 41275080), China Meteorological Administration Special Public Welfare Research Fund (Grant GYHY201306022)

文章編號1006-9895(2016)04-0817-14 中圖分類號 P466

文獻標識碼A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15189

收稿日期2015-04-29；網絡預出版日期 2015-08-04

作者簡介苗青，女，1990年出生，碩士研究生，主要從事短期氣候變化。E-mail: mq04209693@163.com

通訊作者鞏遠發，E-mail: gyfa@cuit.edu.cn

Impacts of the Low-Frequency Oscillation over the Extra-tropics of the Northern Hemisphere on the Extreme Low Temperature Event in
Northeast China in the Winter of 2012/2013

MIAO Qing, GONG Yuanfa, Deng Ruijie, and Wei Nuowei
Department of Atmosphere Science, Chengdu University of Information Technology, Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225

AbstractUsing daily data of NCEP/DOE reanalysis II and the temperature data collected at conventional observation stations of National Meteorological Information Center, the characteristics of the low-frequency oscillation (LFO) of theregionally averaged temperature during the extreme low temperature event in Northeast China in the winter of 2012/2013 is analyzed. Changes in the spatial configuration of low-frequency circulation systems in the mid- and lower troposphere in the extratropics of the Northern Hemisphere and their linkage with cold air activities are analyzed. Furthermore, the propagation character of the low-frequency circulation systems and their impacts on temperature changes are also investigated. Results show that: (1) the regionally averaged temperature in Northeast China in the winter of 2012/2013 exhibits a strong 10–30-day oscillation feature, which is accompanied by a significant 30–60-day oscillation and closely related to actual temperature drops. (2) for the 10–30-day oscillation, the phase 7 (phase 3) corresponds to maximum decrease (increase) in temperature over Northeast China; Northeast China is under control of the strong northerly (southerly) air current between the low-frequency high (low) pressure system around Lake Baikal and low-frequency low (high) pressure system nearby the Sea of Japan at 500 hPa; meanwhile, East China from the north to the South China Sea is mainly controlled by low-frequency northerly (southerly) wind at 850 hPa, which strengthens (suppresses) the circulation system of East Asian winter monsoon. As a result, Northeast China undergoes a cooling (warming) process. With such a spatial configuration and evolution of low-frequency circulation systems in the mid- and lower troposphere, Northeast China is affected by strong (or stronger) cold airmass that follows an easterly and/or northerly path and extremely low temperature event happens. (3) A low-frequency wave train at 500 hPa propagates along the path of Urals–Baikal Lake–Northeast China–western Pacific. It is the circulation system that actuates the LFO of East Asian winter monsoon and the extreme low temperature event in Northeast China.

KeywordsNortheast China, Extremely low temperature event, Low-frequency circulation system