東亞冷空氣的變化趨勢

黃煥卿，韓雪

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081）

東亞冷空氣的變化趨勢

黃煥卿，韓雪

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081）

利用中國氣象局國家氣象中心整編的中國194站1951年1月1日—2003年5月31日逐日氣溫資料，應(yīng)用一元線性回歸方法得出了東亞地區(qū)不同強度冷空氣的變化趨勢；文中將冷空氣入侵我國的3條主要路徑進行了定義，明確了每年不同路徑發(fā)生的次數(shù)，并得出不同路徑的氣候特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：全國大部中強冷空氣和寒潮年發(fā)生次數(shù)呈減少趨勢，但少部分地區(qū)出現(xiàn)中強冷空氣年發(fā)生次數(shù)增多趨勢。就路徑而言，西路冷空氣年發(fā)生次數(shù)同比中、東兩路減少趨勢明顯；就季節(jié)而言，冬季冷空氣發(fā)生次數(shù)同比秋、春兩季減少明顯。

東亞；冷空氣；路徑；氣候特征；變化趨勢

1 引言

每年9月至次年5月時段，東亞冷空氣都是影響我國的主要天氣過程。東亞冷空氣的爆發(fā)常常伴隨一定幅度的降溫和大風(fēng)等天氣現(xiàn)象，達到強冷空氣級別以上的冷空氣爆發(fā)時因劇烈降溫而造成凍害、海冰以及海上大風(fēng)引起災(zāi)害性海浪。同時東亞冷空氣入侵我國時又分不同的路徑：西路、中路和東路，不同的入侵路徑又有著各自影響的范圍和天氣特征。因此，作好冷空氣預(yù)報，服務(wù)于國防、經(jīng)濟生產(chǎn)部門和海上航運作業(yè)部門以便采取積極措施預(yù)防其災(zāi)害、利用其有利因素具有相當(dāng)重要的意義。

自20世紀以來，一些學(xué)者對冷空氣本身的氣候特征、變化及其對各地天氣和氣候的影響等進行了研究。仇永康等[1]對1951—1989年期間我國冷空氣活動的特征進行了總結(jié)，并得出自1970年以后強冷空氣過程總的趨勢是逐漸減少的。丁一匯[2]揭示出冷空氣的向南傳播主要是一種低頻模態(tài)的10—20天周期的振蕩，與寒潮爆發(fā)有關(guān)的西伯利亞高壓作為北半球冬季對流層的主要冷源會導(dǎo)致一系列行星尺度過程的響應(yīng)。趙強等[3]研究了東亞冷空氣爆發(fā)后陸地變性的物理過程。吳海英等[4]研究了強冷空氣影響過程中地面變壓場和高空各層溫度平流場的演變特征及其與地面風(fēng)場之間的關(guān)系。孫燕等[5]發(fā)現(xiàn)冷空氣的入侵促使地面風(fēng)場發(fā)展，大風(fēng)u、v分量的變化與旋轉(zhuǎn)系數(shù)具有很好的相關(guān)性。

隨著對冷空氣研究的不斷深入，我國很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了與冷空氣活動關(guān)系密切的一些大氣環(huán)流系統(tǒng)。楊松等[6]分析了冷空氣活動關(guān)鍵區(qū)和影響區(qū)的各物理量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)存在明顯的單周和準40天活動的振蕩周期，冷空氣的活動與這兩種周期振蕩有密切關(guān)系。林玉英等[7]揭示了西北太平洋海溫場與冷空氣過程次數(shù)存在密切相關(guān)關(guān)系。

近百年來，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化[8]。王遵婭等[9]發(fā)現(xiàn)全國和區(qū)域性寒潮頻次的減少自20世紀60年代末開始，并在20世紀70年代末出現(xiàn)突變。其探究可能原因為西伯利亞高壓和冬季風(fēng)強度的減弱以及西伯利亞上空低層冷堆溫度和中國地表溫度的顯著升高。那么，東亞冷空氣整體對全球氣候變暖的響應(yīng)又是如何？不同的季節(jié)其變化趨勢是否一致？不同入侵路徑的冷空氣是否也發(fā)生了變化？本文將針對這些問題進行詳細分析，以期加深對東亞冷空氣變化特征、氣候效應(yīng)以及物理機制的理解。

2 資料和方法

中國氣象局國家氣象中心整編的中國194站逐日氣溫資料，時間從1951年1月1日—2003年5月31日。該資料已經(jīng)過初步的質(zhì)量控制，并在使用前對其進行了進一步處理。首先對單個缺測值進行了插值，然后將9月1日至次年5月31日期間出現(xiàn)連續(xù)缺測1個月的年份剔除，最后將氣溫資料連續(xù)長度短于從1951—2003年的站點進行了剔除。經(jīng)過上述處理，有6個氣象站被剔除最后剩余188個站點用于本文的分析。

為便于分析，利用一元線性回歸方法分析全國188個氣象站冷空氣變化趨勢，線性變化趨勢系數(shù)由最小二乘法計算得到：

式中，x為時間間隔（9月至次年5月定義為冷空氣活動自然年），y為冷空氣年發(fā)生次數(shù)。

3 冷空氣指數(shù)定義

一次冷空氣降溫幅度（D）是指冷空氣影響過程的始末，日平均氣溫的最高值與最低值之差。若24 h內(nèi)降溫幅度大于-0.7℃則視為降溫過程結(jié)束。依照國家海洋環(huán)境預(yù)報中心冷空氣業(yè)務(wù)預(yù)報標準把冷空氣分為四類：寒潮、強冷空氣、中等強度冷空氣和弱冷空氣，其劃分標準如下：

寒潮：D≤-10.0℃

強冷空氣：-9.9℃≤D≤-8.0℃

中等強度冷空氣：-7.9℃≤D≤-5.0℃

弱冷空氣：-4.9℃≤D≤-2.0℃

此定義同時參考了國家氣象中心單站冷空氣強度等級標準（見表1）。

表1 單站冷空氣強度等級標準

4 冷空氣路徑定義

冷空氣入侵我國的路徑主要有3條：西路、中路（也稱西北路）和東路。

（1）西路：從關(guān)鍵區(qū)經(jīng)新疆、青海、西藏高原東南側(cè)南下，對我國西北、西南及江南各地區(qū)影響較大，但降溫幅度不大，不過當(dāng)南支鋒區(qū)波動與北支鋒區(qū)波動同位相而疊加時，亦可以造成明顯的降溫；

（2）中路：從關(guān)鍵區(qū)經(jīng)蒙古到達我國河套附近南下，直達長江中下游及江南地區(qū)。循這條路徑下來的冷空氣，在長江以北地區(qū)所產(chǎn)生的天氣以偏北大風(fēng)和降溫為主；

（3）東路：從關(guān)鍵區(qū)經(jīng)蒙古到我國華北北部，在冷空氣主力繼續(xù)東移的同時，低空的冷空氣折向西南，經(jīng)渤海侵入華北，再從黃河下游向南可達兩湖盆地。循這條路徑下來的冷空氣，常使渤海、黃海、黃河下游及長江下游出現(xiàn)東北大風(fēng)，華北、華東出現(xiàn)回流，氣溫較低，并有連陰雨雪天氣。

5 全國冷空氣變化趨勢分析

由圖1可見弱冷空氣52年來沒有明顯的變化趨勢，全國自北到南弱冷空氣減弱和增強趨勢呈現(xiàn)間隔分布。由于弱冷空氣的過程降溫幅度劃分為-2.0—-4.9℃，這與局地降水造成的降溫幅度相當(dāng)，故在降溫幅度為-2.0—-4.9℃區(qū)間難以區(qū)分弱冷空氣過程還是降水過程。因此基于本文的冷空氣劃分標準分析弱冷空氣的變化趨勢有一定難度，本文主要研究降溫幅度低于-5.0℃的冷空氣過程。

由圖2可知52年期間中強冷空氣（-9.9℃≤D≤-5.0℃）在全國大部呈減弱趨勢，除東北地區(qū)大部呈增強趨勢外。內(nèi)蒙、華北以及華南等地區(qū)，個別地方的中強冷空氣每100年可減少8次。參照影響我國的三條冷空氣路徑，東北地區(qū)主要受東路冷空氣影響較多及降溫幅度較大，因此初步分析東北地區(qū)大部的中強冷空氣過程次數(shù)增加可能與東路冷空氣發(fā)生次數(shù)增多有一定關(guān)系。

圖1 1951—2002年弱冷空氣線性變化趨勢分布圖（圖中各站點值為B*100，圖中被藍線包圍的為負值）

圖2 1951—2002年中強冷空氣線性變化趨勢分布圖（圖中各站點值為B*100，圖中被紅線包圍的是正值）

由圖3可見全國大部呈減小趨勢約每100年減少4次，其中部分地區(qū)可減少5—7次，內(nèi)蒙古及東北地區(qū)的減少次數(shù)大于全國其它地區(qū)；西南、華南以及西北等地的小部分地區(qū)寒潮線性變化略呈增加趨勢。如圖所示的寒潮線性變化趨勢結(jié)果與王遵婭等[9]對寒潮的分析結(jié)果是一致的。

圖3 1951—2002年寒潮線性變化趨勢分布圖（圖中各站點值為B*100，圖中被紅線包圍的是正值）

6 不同路徑冷空氣變化趨勢分析

根據(jù)各路冷空氣定義，本文從北到南在全國188個站里挑選出西路、北路和東路必經(jīng)的氣象站，依據(jù)降溫時段和降溫幅度定義各路發(fā)生次數(shù)。西路冷空氣從北到南所經(jīng)過的有代表性的氣象站為：烏魯木齊、酒泉、蘭州、宜昌；北路冷空氣從北到南所經(jīng)過的有代表性的氣象站為：呼和浩特、太原、鄭州、榆林；東路冷空氣從北到南所經(jīng)過的有代表性的氣象站為：哈爾濱、沈陽、大連、天津。

圖4 1951—2002年9月至次年5月時段西路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖

為排除冷空氣路徑疊加計算，首先判斷一次冷空氣過程影響我國的最初位置，其次判斷48—72 h內(nèi)另外兩條路徑的降溫幅度。

圖5 1951—2002年9月至次年5月時段北路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖

圖6 1951—2002年9月至次年5月時段東路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖

圖7 1951—2002年9月至次年5月時段冷空氣活動次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖

圖8 1951—2002年秋季冷空氣活動次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖

圖9 1951—2002年冬季冷空氣活動次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖

圖10 1951—2002年春季冷空氣活動次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖

影響我國的西路冷空氣過程年平均值為12.4次，年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的一年是1955年有18次西路冷空氣過程，最少的年份是1989年和1998年都是每年8次西路冷空氣過程。圖4為1951—2002年9月至次年5月西路冷空發(fā)生次數(shù)的時間序列及其線性變化趨勢圖，可見影響我國的西路冷空氣年過程次數(shù)呈減少趨勢，在1951—2002年的52年時間里大約減少了2次。在冷空氣入侵我國的三條主要路徑中，西路冷空氣影響范圍是最大的，它的減少趨勢對我國大部地區(qū)的氣溫有著直接影響。

北路冷空氣發(fā)生次數(shù)的年平均值為11.5次，年際變化較大，多數(shù)年位于10—15之間，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的一年是1961年共18次北路冷空氣過程，最少的年份是1996年只有3次北路冷空氣過程。圖5為1951—2002年9月至次年5月北路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖，可見北路冷空氣過程年發(fā)生次數(shù)減少趨勢不明顯，但80年代以來，北路冷空氣年發(fā)生次數(shù)總體是減少的變化趨勢。

東路冷空氣發(fā)生次數(shù)的年平均值為16.2次，高于西路冷空和北路冷空氣的年平均值，年際變化較大。1951—2002年發(fā)生次數(shù)期間最多的年份是1958年、1960年、1969年和1990年達到23次東路冷空氣過程，最少的年份是1961年只有7次東路冷空氣過程。圖6為1951—2002年9月至次年5月東路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖，由圖可見東路冷空氣過程年發(fā)生次數(shù)沒有明顯的變化趨勢。

7 冷空氣季節(jié)變化趨勢分析

冷空氣活動主要開始于9月結(jié)束于第二年的5月，跨越秋、冬、春三個季節(jié)，因為跨越時間較長有必要以季為時間尺度對冷空氣活動展開進一步分析。

9月至次年5月期間影響我國的總冷空氣過程次數(shù)年平均值為40.7次，年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的年份1960年有53次冷空氣過程，最少的年份是1983年有33次冷空氣過程。圖7為1951—2002年9月至次年5月冷空氣活動次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖，由圖可見9月至次年5月期間冷空氣活動次數(shù)呈微弱減少趨勢，平均每100年減少9次過程，尤其是70年代發(fā)生突變，降到低值階段。

秋季（9—11月）影響我國的冷空氣過程年平均值為14.7次，同比冬、春兩季年平均值大，其年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的年份1955年和1993年都有20次冷空氣過程，最少的年份是1971年僅有10次冷空氣過程。圖8為1951—2002年秋季冷空氣活動次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖，由圖可見以秋季冷空氣活動次數(shù)沒有明顯的變化趨勢，平均每100年減少2次，但是90年代中期以來有較明顯的減少趨勢，且振幅較小。

冬季（12月至次年2月）影響我國的冷空氣過程年平均值為13.6次，年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的年份是1957年共有22次冷空氣過程，最少的年份是1983年僅有8次冷空氣過程。圖9為1951—2002年冬季冷空氣活動次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖，由圖可見，冬季冷空氣活動次數(shù)呈較明顯的減少趨勢，平均每100年減少5次。70年代發(fā)生突變，冬季冷空氣發(fā)生次數(shù)處于低值期。

春季（3—5月）影響我國的冷空氣過程年平均值為12.3次，年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的年份是1968年和1979年達到18次冷空氣過程，最少的年份是1952年僅有5次冷空氣過程。圖10是1951—2002年春季冷空氣活動次數(shù)的時間序列及線性變化趨勢圖，有圖可見春季冷空氣活動次數(shù)基本上沒有變化趨勢，每100年減少1次。

8 結(jié)論

（1）由于降溫幅度為-2.0—-4.9℃的過程成因不明確，弱冷空氣和降水都可引起此幅度的降溫。故在此文中討論的冷空氣過程都是指降溫幅度低于-5℃的過程；

（2）冷空氣活動時間為9月至次年5月，把這9個月定義為冷空氣自然年。就全國大部而言，中強冷空氣和寒潮年發(fā)生次數(shù)呈減少趨勢，但少部分地區(qū)出現(xiàn)中強冷空氣年發(fā)生次數(shù)增加的趨勢；

（3）西路、中路、東路三條冷空氣路徑比較而言，西路年發(fā)生次數(shù)同比中路、東路減少趨勢明顯，中路、東路年發(fā)生次數(shù)沒有明顯的變化趨勢；

（4）冷空氣發(fā)生次數(shù)的年平均值為40.7次，1951—2002年期間表現(xiàn)為弱的減少趨勢。冷空氣活動時間跨越秋、冬、春三個季度，秋季冷空氣發(fā)生次數(shù)的年平均值為14.7次，同比冬季13.6次、春季12.3次要大。冬季冷空氣發(fā)生次數(shù)同比秋、春兩季減少趨勢明顯，秋、春兩季無明顯變化趨勢。

[1]仇永康，李曉東，仇永炎.我國冷空氣活動的特征及其與歐亞大陸積雪的關(guān)系[J].應(yīng)用氣象，1992，3(2):235-241.

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Variation trend analysis of the cold airs in the East Asia

HUANG Huan-qing，HAN Xue
（National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 10081 China）

Based on the daily temperature data of 194 basic meteorology stations from September to the next May from 1951 to 2003,the trend of East Asia cold airs was analyzed using simple linear regression method.The main three paths of East Asia cold airs were defined.Meanwhile,the numbers and climate characteristic of different paths were studied.The main results showed as follows:(1)The frequency of medium-strong cold airs and cold wave decreased in most of China.(2)The frequency of west cold airs reduced more obviously than that of North or East cold airs.(3)The frequency of winter cold airs decreased more evidently than that of autumn and spring.

EastAsia;cold airs;path;climate characteristic;trend

P732

：A

：1003-0239（2014）05-0069-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.011

2013-12-10

國家海洋環(huán)境預(yù)報中心業(yè)務(wù)發(fā)展基金（2013004）

黃煥卿（1980-），女，工程師，主要從事短期氣候預(yù)報及研究。E-mail：hqhuang@nmefc.gov.cn