2011/2012年冬季寒潮低頻特征及其與500 hPa低頻系統(tǒng)的耦合關(guān)系

苗青,鞏遠(yuǎn)發(fā)*,白自斌

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2011/2012年冬季寒潮低頻特征及其與500 hPa低頻系統(tǒng)的耦合關(guān)系

苗青①,鞏遠(yuǎn)發(fā)①*,白自斌②

① 成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,四川 成都 610225;

② 山西省大氣探測技術(shù)保障中心,山西 太原 030002

2015-05-27收稿，2016-04-21接受

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

利用NCEP/NCAR的逐日再分析資料和國家氣象信息中心的常規(guī)觀測站溫度資料,首先分析了2011/2012年冬季中國低溫異常過程中的兩次典型寒潮過程和全國828個站平均溫度低頻振蕩的變化特征,然后分析了溫度場低頻振蕩隨位相的演變,最后采用SVD(Singular Value Decomposition)方法研究了北半球中高緯度對流層中層低頻環(huán)流系統(tǒng)配置對溫度低頻變化的影響。結(jié)果表明:1)2011/2012年冬季的寒潮和強降溫過程是在全國區(qū)域平均溫度存在較強的10～30 d低頻振蕩的背景下發(fā)生的,中國的北方和東南部地區(qū)溫度的低頻振蕩較強是導(dǎo)致其降溫顯著的主要原因之一。2)SVD分析的第一模態(tài)顯示,亞洲—西太平洋中低緯度與中高緯度的南北兩支低頻波列在東亞地區(qū)耦合,使我國中東部和東南部地區(qū)處于沿偏東路徑南下的強冷空氣中;第二模態(tài)顯示,沿著喀拉?！獮趵瓲柹綎|側(cè)—我國西部的低頻波列引導(dǎo)源地冷空氣沿西北路徑南下相繼影響我國西北和東北地區(qū)。這兩個模態(tài)驅(qū)動了強度大、范圍廣的低頻溫度由升高向降低變化的振蕩,是導(dǎo)致2011/2012年冬季寒潮發(fā)生和極端低溫事件出現(xiàn)的環(huán)流系統(tǒng)。

寒潮

低頻振蕩

奇異值分解

低溫異常

環(huán)流系統(tǒng)

北半球中高緯度地區(qū)大規(guī)模強冷空氣從中國上游或以北地區(qū)南下侵入中國,往往會形成寒潮天氣過程。來自源地的冷空氣是寒潮過程的實體,阻塞形勢、西伯利亞高壓和冬季風(fēng)等環(huán)流系統(tǒng)是冷空氣的載體,冷空氣的傳播路徑常表現(xiàn)為環(huán)流系統(tǒng)的移動路徑,因此對寒潮過程的研究離不開對中高緯度環(huán)流系統(tǒng)的研究。目前在冷空氣的源地、傳播路徑和寒潮的時空演變特征等方面已經(jīng)形成比較系統(tǒng)的研究,對寒潮的研究逐漸從天氣過程轉(zhuǎn)向氣候變化方面。在19世紀(jì)80年代中期前后中國冬季氣溫經(jīng)歷一次突變之后進(jìn)入一個暖期,近年的研究(丁一匯,1991;Wang and Ding,2006;Qian and Zhang,2007;康志明等,2010;Ma et al.,2012)均表明,伴隨著冬季變暖,近幾十年間寒潮活動的頻次呈現(xiàn)出減少的趨勢。

在此背景下,2011/2012年冬季中國平均氣溫明顯偏離平均氣候態(tài)并出現(xiàn)歷史新低,是中國大部分地區(qū)冬季氣溫一致偏低的典型異常年份。有關(guān)2011/2012年冬季異常低溫的已有研究(孫丞虎等,2012;郭廣芬等,2013)指出,北半球中高緯對流層低層的西伯利亞高壓和阿留申低壓異常偏強、中層的烏拉爾山阻塞高壓穩(wěn)定維持,以及受La Nia事件影響而增強的冬季風(fēng)是此次異常低溫的成因;此外,譚桂榮和王騰飛(2014)進(jìn)一步分析了對其產(chǎn)生影響的中低緯系統(tǒng)和與中高緯影響系統(tǒng)相關(guān)的前期海溫異常。顯然,中國冬季溫度并非受單一環(huán)流系統(tǒng)影響,并且中國地域廣闊,地形復(fù)雜,各地區(qū)溫度變化并非一致,影響系統(tǒng)也不盡相同,因此寒潮過程中中國各區(qū)域溫度變化有怎樣的空間差異和聯(lián)系、各區(qū)域溫度變化在時域上存在怎樣的關(guān)系、中高緯度環(huán)流系統(tǒng)的配置關(guān)系及其對異常低溫的影響如何?本文對這些問題進(jìn)行了探討。

寒潮過程通常會在一個季度內(nèi)多次發(fā)生,表征寒潮強度的氣象因子(地面溫度和氣壓等)具有低頻振蕩特征,并且與大氣環(huán)流的振蕩周期密切相關(guān),低頻環(huán)流場的變化能很好地預(yù)示季內(nèi)時間尺度低頻天氣系統(tǒng)的生消循環(huán)過程(楊松和朱乾根,1990;馬曉青等,2008;劉慧斌等,2012;朱毓穎和江靜,2013;楊雙艷等,2014;Wei and Lin,2015)。因此,本文著眼于2011/2012年這一典型異常年份,旨在從低頻振蕩的角度出發(fā)進(jìn)一步探討該年冬季寒潮和強降溫過程期間氣溫的時空變化特征,并分析低頻環(huán)流系統(tǒng)的空間配置特征以及對寒潮的影響。

1　資料和方法

1.1資料

研究所用的資料是第Ⅱ套NCEP/NCAR全球逐日再分析資料中的2011/2012年500 hPa高度場資料,水平分辨率為2.5°×2.5°;觀測站點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(shù)據(jù)集,所使用的時間長度為1979年1月1日—2013年12月31日,剔除缺測多和建站晚的臺站,選用其中的828個臺站逐日平均溫度來分析2011/2012年冬季中國溫度的變化特征。

1.2方法

本文定義當(dāng)年12月1日至翌年2月28日(閏年為2月29日)為冬季。選用墨西哥帽(Mexican hat)小波變換的方法進(jìn)行周期分析,先將2011年7月1日—2012年6月30日全國828個臺站的逐日溫度時間序列扣除季節(jié)變化趨勢(即傅里葉變換的1～3波),然后再進(jìn)行小波變換。為剔除小波分析的邊界影響,取其中2011年11月1日—2012年2月29日小波變換結(jié)果用于分析中國平均溫度變化的顯著周期。之后,采用Lanczos濾波器(Duchon,1979)(濾波參數(shù)n=181),對2011年和2012年中國828個臺站溫度和500 hPa高度場進(jìn)行10～30 d的帶通濾波,同樣提取2011年7月1日—2012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。

為進(jìn)一步探討北半球中高緯低頻環(huán)流系統(tǒng)對低頻溫度異常的影響,采用奇異值分解(Singular Value Decomposition,SVD)方法,將500 hPa低頻高度場作為左場,全國828個臺站低頻溫度場作為右場進(jìn)行SVD分解,得到的左(右)場奇異向量的空間分布反映了左場(或右場)低頻序列與右場(或左場)模態(tài)時間系數(shù)的相關(guān)性和相關(guān)程度;此外,經(jīng)計算得到左右場各模態(tài)時間系數(shù)相關(guān)性都較高,同性和異性相關(guān)系數(shù)的空間分布特征基本一致,本文使用兩個耦合模態(tài)的異質(zhì)相關(guān)圖來揭示兩要素場之間存在的時域相關(guān)性的空間聯(lián)系,并采用Monte Carlo檢驗方法檢驗SVD模態(tài)在統(tǒng)計學(xué)上是否有意義。

1.3寒潮標(biāo)準(zhǔn)

采用王遵婭和丁一匯(2006)研究中所使用的過程降溫和溫度距平雙重標(biāo)準(zhǔn),將寒潮分為單站、區(qū)域性和全國性寒潮。其中,過程降溫為冷空氣影響過程中,日平均溫度最高值與最低值之差;溫度距平指冷空氣影響過程中,日平均溫度最低值與該日所在旬的多年旬平均溫度之差。

單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)為:冷空氣影響過程中,過程降溫在10 ℃以上,溫度距平在-5 ℃以下。

全國性寒潮標(biāo)準(zhǔn)為:規(guī)定以32°N為南北方分界線,達(dá)到單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)的南方站數(shù)和北方站數(shù)分別占總南方站數(shù)和總北方站數(shù)的1/4和1/3;或達(dá)到單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)的站數(shù)占總站數(shù)的30%以上,同時過程降溫在7 ℃以上,溫度距平在-3 ℃以下的站數(shù)占到總站數(shù)的60%以上。

區(qū)域性寒潮標(biāo)準(zhǔn)為:除全國性寒潮外,達(dá)單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)的站數(shù)占總站數(shù)的15%以上,同時過程降溫在7 ℃以上,溫度距平在-3 ℃以下的站數(shù)占總站數(shù)的30%以上。

在此基礎(chǔ)上,本文定義強降溫過程標(biāo)準(zhǔn)為:除全國性和區(qū)域性寒潮外,達(dá)單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)的站數(shù)占總站數(shù)的10%以上,同時過程降溫在7 ℃以上,溫度距平在-3 ℃以下的站數(shù)占總站數(shù)的25%以上。

圖1　1979/1980—2013/2014年冬季全國平均溫度距平序列(a)和2011/2012年冬季溫度距平(b)(圖1a中綠線為氣候平均值;圖1b中●為極端日降溫站,□為極端低溫站;單位:℃)Fig.1　(a)The annual variation of the regionally averaged winter temperature anomalies in China from 1979/1980 to 2013/2014 and (b)temperature anomalies in winter of 2011/2012(according to the climate mean value from 1979 to 2013,shaded;● denotes stations with extreme daily temperature declines and □ denotes stations with extreme minimum temperature;units:℃)

2　2011/2012年冬季寒潮事件及溫度的低頻特征

2.12011/2012年冬季全國溫度特征

圖1a中給出相較于1979/1980—2013/2014年冬季氣溫氣候平均值的歷年冬季全國平均溫度距平序列?？梢娫?979/1980年冬季以來的35個冬季中,2011/2012年冬季全國平均氣溫僅略高于1983/1984年和1984/1985年這兩個冬季的全國平均氣溫,在最近一個氣候態(tài)(30 a)內(nèi)達(dá)到歷史極值,為近29 a內(nèi)中國最冷的冬季,冬季全國平均氣溫低于氣候平均值約1.2 ℃。

圖2　兩次寒潮過程降溫(陰影)及溫度距平(等值線,相對于1979—2012年的氣候平均值)(單位:℃)a.2011年11月28日—12月2日;b.2012年1月18日—23日Fig.2　Process temperature drops(color-shaded) and temperature anomalies(according to the climate mean value from 1979 to 2012,contours) of the two cold waves from 28 November to 1 December 2011(a) and from 18 to 23 January 2012(b)(units:℃)

圖1b是相較于1979/1980—2011/2012年冬季氣候平均值的2011/2012年冬季氣溫距平分布。可見除青藏高原、西南西部和黃淮部分地區(qū)以外,全國大部分地區(qū)普遍為顯著的溫度負(fù)距平。與常年同期相比,北方大部分地區(qū)和華南大范圍地區(qū)的溫度顯著偏低,新疆、內(nèi)蒙古西南部和東北部、遼寧、河北、貴州以及廣西壯族自治區(qū)部分地區(qū)溫度偏低達(dá)3 ℃以上。此外,該年冬季極端低溫、極端日降溫事件頻發(fā),在全國828個臺站中,黑龍江省新林、吉林省農(nóng)安、廣東省河源等共24個臺站(圖1b中站)出現(xiàn)極端低溫,日最低氣溫突破過去33個冬季的歷史極值;并且,黑龍江省呼瑪、新疆省七角井、青海省瑪多等100個臺站(圖1b中●站)出現(xiàn)極端日降溫,日平均氣溫的降溫幅度突破過去33個冬季歷史極值,多數(shù)分布在中國東北、新疆和長江中下游地區(qū)。因此,2011/2012年冬季是中國北方和東南部大范圍地區(qū)普遍寒冷的典型冬季。

2.22011/2012年冬季典型寒潮事件及全國平均氣溫的低頻特征

2011/2012年冬季我國發(fā)生兩次典型寒潮事件,圖2分別給出了2011年11月28日—12月2日和2012年1月18日—23日這兩次寒潮過程期間過程降溫和溫度距平的分布情況。如圖2a所示,第一次典型寒潮過程持續(xù)了4 d,共284個臺站(北方81個臺站和南方203個臺站)達(dá)到單站寒潮標(biāo)準(zhǔn);除了西北北部、川藏和云南地區(qū)以外,全國大部分地區(qū)過程降溫為5 ℃以上,主要影響東部地區(qū)。其中東北南部、內(nèi)蒙古中北部以及長江中下游以南均為過程降溫大值區(qū),最大中心值可達(dá)13 ℃以上;東部地區(qū)溫度距平值均低于-6 ℃,華北、江淮及長江中下游以南地區(qū)較往年同期氣溫偏低8～10 ℃,內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)溫度距平值可達(dá)-14 ℃以下。

圖3　2011年11月1日—2012年2月29日全國區(qū)域平均溫度序列的逐日及季節(jié)變化(a;黑線為實際溫度;綠線為季節(jié)趨勢;橫坐標(biāo)紅色(A)表示全國性寒潮,藍(lán)色(B、C)表示區(qū)域性寒潮,藍(lán)綠色(D、E)表示強降溫;單位:℃)和其去趨勢序列的小波變換(b;等值線是小波變換值,單位:℃;陰影區(qū)(虛線區(qū))表示溫度在季節(jié)平均變化趨勢上偏強(弱))以及其在不同頻域上的方差(c)(圖3b左邊縱坐標(biāo)a為小波變換尺度因子,圖3c右邊縱坐標(biāo)為a對應(yīng)的近似周期)Fig.3　Daily and seasonal change of the regionally averaged temperature of China[(a);black line for actual temperature;green line for seasonal tendency;red abscissa (A) denotes the national cold,blue abscissa (B,C) denotes the regional cold,and green abscissa (D,E) denotes the strong cooling process;units:℃],the wavelet transform of the difference between the temperature and its seasonal change tendency[(b);isoline denotes the value of wavelet-transform,units:℃;shaded(dashed) area denotes the region with stronger(weaker) changing tendency,based on the seasonal variation of temperature),and the wavelet variances on different frequency domains of the wavelet transform of the difference between the temperature and its seasonal change tendency(c) from 1 November 2011 to 29 February 2012[the left vertical-axis in (b) is the scale-factor a of the wavelet-transform;the right vertical-axis in (c) is the corresponding period of the scale a]

如圖2b所示,第二次典型寒潮過程持續(xù)5 d左右,除西南東部和南部以外,全國其他地區(qū)過程降溫均在5 ℃以上,主要影響北方地區(qū),尤其是在西北北部、內(nèi)蒙古西部和東北南部,部分地區(qū)過程降溫達(dá)到13 ℃以上,東南沿海一帶過程降溫也達(dá)到7 ℃以上。溫度距平呈現(xiàn)出與過程降溫類似的分布情況,全國除西南地區(qū)外溫度普遍偏低,北方地區(qū)溫度距平值基本均在-7 ℃以下,尤以內(nèi)蒙古溫度顯著偏低,部分地區(qū)較往年同期偏低達(dá)到10 ℃以上。

圖3a中給出了2011/2012年冬季全國平均氣溫序列的逐日變化(黑線),可見從11月到次年2月中旬,平均氣溫不斷經(jīng)歷“下降—小幅回升—再下降”的過程。根據(jù)寒潮標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計得到,2011年11月1日—2012年2月29日期間共發(fā)生1次全國性寒潮(A:2011年11月28日—12月2日,圖3a中紅色標(biāo)注時段)、2次區(qū)域性寒潮(B:2012年1月18日—23日、C:2012年2月7日—10日,圖3a中藍(lán)色標(biāo)注時段)和2次強降溫過程(E:2011年11月17日—24日、D:2011年12月28日—2012年1月4日,圖3a中藍(lán)綠色標(biāo)注時段),其中第一次區(qū)域性寒潮強度接近于全國性寒潮強度。為分析方便,將強度不等的寒潮和降溫過程分別用“A”、“B”、“C”、“D”、“E”過程代表(如圖3a所示,下同)。

由前文分析得到,“A”和“B”兩次寒潮過程先后分別引起我國東部和北部地區(qū)大幅度降溫并出現(xiàn)溫度負(fù)距平,這兩次典型寒潮事件是導(dǎo)致2011/2012年冬季中國北方和東南部大范圍地區(qū)普遍寒冷的主要原因之一。此外,對“C”寒潮和“D”、“E”2次強降溫過程的分析表明(圖略),“E過程”主要影響北方的內(nèi)蒙古、東北、華北和東部沿岸地區(qū),引起的降溫很強,過程降溫最大中心值可達(dá)17 ℃以上;“D”和“E”這兩次過程相似,除了西北西南部、西南南部和東部以外的全國大部分地區(qū)過程降溫均在5 ℃以上?？梢?從2011年11月初開始到2012年2月底,中國北方、青藏高原西部以及東部的廣大地區(qū)相繼出現(xiàn)強度不等的寒潮或強降溫過程,降溫過程的頻次增加且影響范圍較廣,致使中國北方和東南部大范圍地區(qū)溫度距平持續(xù)偏低,這或許是導(dǎo)致該年冬季全國平均溫度極端異常的原因之一。

圖4　2011年11月1日—2012年2月29日冬季全國平均溫度與其季節(jié)變化趨勢之差(左邊縱坐標(biāo)和紅色虛線)及10～30 d濾波后的溫度序列(右邊縱坐標(biāo)和黑線)(單位:℃)Fig.4　The difference between the daily regional-averaged temperature of China and its seasonal change tendency(left vertical-axis and red dashed line) and the 10—30-day filtered temperature(right vertical-axis and black line) form 1 November 2011 to 29 February 2012(units:℃)

2011/2012年冬季的寒潮和強降溫過程有10～30 d的時間間隔,存在明顯的季節(jié)內(nèi)尺度。為探討2011/2012年冬季全國平均氣溫極端異常的原因,我們重點分析了2011/2012年冬季全國區(qū)域平均溫度的低頻變化特征和全國828個常規(guī)觀測站構(gòu)成的溫度場的低頻變化特征。首先在全國平均氣溫的原始時間系列中扣除季節(jié)變化趨勢,即用原始時間序列減去季節(jié)變化趨勢,并對其進(jìn)行小波變換。然后利用小波變換檢測出的溫度變化的顯著周期,對全國平均氣溫的原始時間序列和828個臺站構(gòu)成的溫度場進(jìn)行帶通濾波,分析了氣溫在時間和空間上的低頻變化對強降溫過程的影響。

圖3b是對2011/2012年全國平均氣溫時間序列與季節(jié)變化趨勢(圖3a中綠線所示)之間的偏差進(jìn)行小波變換的結(jié)果,可以清楚地看出氣溫在時域和頻域上的變化情況。為便于分析,定義小波變換值F≥2的時間范圍表示氣溫回升時期,F≤-2的時間范圍表示氣溫降低時期。可見,2011/2012年冬季全國平均氣溫存在以尺度因子a=2至a=8(即8～32 d)為主要周期的低頻振蕩,在這個尺度上,F值的變化表現(xiàn)出4次較強的降溫過程,分別出現(xiàn)在2011年11月底至12月初、2011年12月底至2012年1月上旬、2012年1月下旬和2月上旬,分別對應(yīng)“A”、“D”、“B”、“C”過程,說明10～30 d低頻序列的氣溫對該年冬季的降溫有重要作用。再從圖3c中小波變換在不同時域內(nèi)方差貢獻(xiàn)的大小來看,在a=2與a=8之間的范圍內(nèi)方差均比較大,也表明2011/2012年冬季全國平均氣溫具有顯著的10～30 d的低頻振蕩周期。

2.32011/2012年冬季不同位相低頻氣溫的演變

結(jié)合小波變換分析結(jié)果,在此給出全國平均氣溫經(jīng)10～30 d帶通濾波后的時間序列(如圖4所示)?？梢?2011年11月低至12月初和2011年12月初至2012年2月中旬平均溫度10～30 d的振蕩明顯偏強,與小波變換分析結(jié)果一致,幾次寒潮和降溫過程均與振蕩由低頻升溫到低頻降溫位相轉(zhuǎn)換階段以及低頻降溫的階段相對應(yīng)。說明振蕩的演變和降溫存在較好的相關(guān)關(guān)系,且與強降溫過程的關(guān)系密切,因此下文對10～30 d低頻溫度場的演變特征進(jìn)行分析。

圖5　2011/2012年冬季828個臺站10～30 d低頻溫度(陰影;單位:℃)合成圖a.第1位相;b.第2位相;c.第3位相;d.第4位相;e.第5位相;f.第6位相;g.第7位相;h.第8位相Fig.5　Composite of 10—30-day filtered temperature of 828 stations in China(color-shaded;units:℃) 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 winter 2011/2012

考慮到中國幅員遼闊、地形復(fù)雜,各地區(qū)溫度變化并非一致,為了分析低頻溫度場隨位相的演變,基于小波分析和帶通濾波的結(jié)果,選取2011/2012年冬季全國平均溫度10～30 d低頻信號中與“A”、“D”、“B”過程相對應(yīng)的3個主振蕩周期,將828個臺站氣溫的低頻分量分別在第1—8位相上進(jìn)行合成。其中第1(5)位相為10～30 d全國平均氣溫低頻變化由負(fù)(正)向正(負(fù))的轉(zhuǎn)換位相,第3(7)位相為低頻溫度變化升高(降低)最強位相,其他位相為低頻溫度變化升(降)過程的過渡位相。圖5是合成后的8個位相的全國828個臺站低頻溫度場。

第1位相階段(圖5a)對應(yīng)著黃河流域和長江中下游及其以南地區(qū)低頻溫度升高,其中河套西部和江南的升溫較強;而東北北部為低頻溫度降低區(qū)。

在第2位相時(圖5b),黃河流域和長江中下游及其以南的低頻升溫區(qū)范圍擴大且明顯增強,位于河套及其以北和江南西部的強升溫區(qū)呈“一北一南”分布,最大中心值可達(dá)2 ℃;而東北北部低頻降溫區(qū)明顯縮小并減弱,降溫過程接近結(jié)束;在這個階段,我國西北、青藏高原西部和東北南部變?yōu)榈皖l溫度升高區(qū),西北北部的最大中心值可達(dá)2.5 ℃以上。

第3位相時(圖5c),西北和東北南部地區(qū)的低頻升溫增強,原位于江南的強低頻升溫區(qū)向東南移動,東南沿海一帶的大值區(qū)均達(dá)到2 ℃以上;在這個階段,內(nèi)蒙古東北部和東北北部地區(qū)也變?yōu)榈皖l溫度升高區(qū),此時,除高原東部和西南西部地區(qū)以外,全國其他地區(qū)低頻溫度一致升高。

到第4位相(圖5d),內(nèi)蒙古東北部和東北地區(qū)的低頻升溫明顯增強,其北部的最大中心值可達(dá)2 ℃;而西北北部和東北南部的低頻升溫明顯減弱,其他地區(qū)的低頻升溫過程結(jié)束。

第5—8位相的低頻溫度場與相應(yīng)的第1—4位相基本相反。第5位相階段(圖5e)對應(yīng)東北地區(qū)的低頻升溫區(qū)向北縮小;西北西部、黃河流域及其以北地區(qū)和長江中下游地區(qū)變?yōu)榈皖l溫度降低區(qū);相反,青藏高原中部和東部部分地區(qū)出現(xiàn)弱的低頻升溫區(qū)。

在第6位相時(圖5f),黃河流域及其以北和長江中下游地區(qū)的低頻降溫區(qū)范圍擴大且明顯增強,強降溫區(qū)也呈“一北一南”分布,分別位于河套和長江以南地區(qū),最小中心值可達(dá)-2.5 ℃;青藏高原東部的低頻降溫區(qū)也明顯加強且范圍擴大,最大中心值可達(dá)2 ℃以上;東北北部低頻升溫過程接近結(jié)束;在這個階段,我國西北、青藏高原西部和東北南部變?yōu)榈皖l溫度降低區(qū),西北地區(qū)的最小中心值可達(dá)-2 ℃。

第7位相時(圖5g),西北和東北南部地區(qū)的低頻降溫增強,而原“北”強降溫區(qū)減弱,“南”強降溫區(qū)向南移至華南,高原東部的低頻升溫區(qū)也有所減弱;在這個階段,內(nèi)蒙古東北部和東北北部地區(qū)也變?yōu)榈皖l溫度降低區(qū)。此時,除高原東部和西南西部地區(qū)以外,全國其他地區(qū)低頻溫度一致降低。

到第8位相時(圖5h),內(nèi)蒙古東北部和東北地區(qū)的低頻降溫明顯增強,其北部的最小中心值可達(dá)-2.5 ℃;而西北北部和南部沿海地區(qū)低頻降溫減弱,其他地區(qū)的低頻降溫過程基本結(jié)束;與此同時,高原東部的低頻升溫也接近結(jié)束。

綜合這一部分,從轉(zhuǎn)換階段的第1(5)位相到低頻升(降)溫最強的第3(7)位相,對應(yīng)著我國除了東北北部以外的北方地區(qū)和東南部地區(qū)低頻升(降)溫普遍增強;而高原東部幾乎呈現(xiàn)出與之相反的低頻溫度變化。我國的東北北部地區(qū)則在第3—5位相(第7、8、1位相)為低頻升(降)溫階段,滯后于上述大范圍低頻升(降)溫2個位相左右。西北北部地區(qū)介于前兩者之間,在第2—4(6—8)位相為較強的低頻升(降)溫,分別在第2、3(6、7)位相與高原西部、河套、長江及其以南地區(qū)和在第3、4(7、8)位相與東北北部地區(qū)振蕩相同?？梢?以上三個范圍地區(qū)的溫度低頻變化呈現(xiàn)明顯的位相先后關(guān)聯(lián),2011/2012年冬季的“A”、“D”、“B”、“C”過程均對應(yīng)降溫過程的第5—7位相,除高原東部和西南地區(qū)以外的全國大部分地區(qū)較強的低頻溫度振蕩是導(dǎo)致這些地區(qū)降溫顯著的主要原因之一;同樣的,“E”過程對應(yīng)降溫過程的第5—8位相,說明內(nèi)蒙古和東北地區(qū)氣溫的10～30 d振蕩對其強降溫過程起到主要作用。

3　中高緯500 hPa低頻高度場與828個臺站低頻溫度場的耦合關(guān)系

寒潮天氣過程不僅本身具有低頻振蕩周期,而且與大氣環(huán)流的振蕩周期密切相關(guān)(朱毓穎和江靜,2013)。不同地區(qū)氣溫低頻變化的影響系統(tǒng)也不盡相同,冷空氣的源地、南下的路徑和侵入我國的路徑均與中高緯對流層中層環(huán)流系統(tǒng)的配置和演變密切相關(guān),其中常見的影響系統(tǒng)有極渦、阻塞形勢、東北低渦和東亞大槽等。為進(jìn)一步分析2011/2012年冬季中國大范圍異常低溫和氣溫低頻變化的成因,探討中高緯度對流層中層低頻高度場與地面低頻溫度場振蕩之間的關(guān)系,采用SVD分解方法分析了500 hPa亞洲—西太平洋地區(qū)(40～180°E,10～90°N)低頻高度場與全國828個臺站構(gòu)成的低頻溫度場之間的耦合模態(tài),分析了低頻環(huán)流系統(tǒng)的配置及其對溫度變化的影響。

考慮到高度場對氣溫的影響并非表現(xiàn)為同期關(guān)系,溫度場的響應(yīng)可能存在時間上的滯后,通過分析低頻溫度場與同期和超前1～5 d低頻高度場的SVD分解結(jié)果,最后選取協(xié)方差貢獻(xiàn)百分比率較高的2011年10月30日—2012年2月27日500 hPa低頻高度場作為左場,滯后其2 d(即2011年11月1日—2012年2月29日)的低頻溫度場為右場進(jìn)行SVD分解。前兩個模態(tài)的SCF分別為44.85%和19.34%,均通過了99%的顯著性水平檢驗。由于前兩個模態(tài)的協(xié)方差貢獻(xiàn)(約64.2%)足夠大,故僅對前兩個模態(tài)進(jìn)行分析。

圖6是二者SVD分解第一耦合模態(tài)異質(zhì)關(guān)系圖及時間系數(shù)變化。第一模態(tài)左場異性相關(guān)系數(shù)的空間分布(圖6a)顯示,在500 hPa亞洲—西太平洋中高緯度地區(qū)(30～70°N),達(dá)到99%置信水平的相關(guān)區(qū)沿著烏拉爾山至貝加爾湖地區(qū)(-)、內(nèi)蒙古西部至長江中下游及黃海地區(qū)(+)到堪察加半島以南的西北太平洋地區(qū)(-)是一個西北東南走向的低頻波列;在中低緯度地區(qū)(10～40°N),顯著相關(guān)區(qū)自西向東存在著從伊朗高原中部(+)、到喜馬拉雅山脈以南的印度半島東部和孟加拉灣西北部(-)、再到長江中下游以南的東南地區(qū)至日本島以南的西太平洋(+)的低頻波列。兩個低頻波列在東亞地區(qū)耦合,強相關(guān)區(qū)對應(yīng)于東亞大槽所在的位置,中心相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.6以上。

圖6　亞洲—西太平洋500 hPa 10～30 d低頻高度場(a) 與中國冬季10～30 d低頻溫度場(b) SVD分析的第一模態(tài)異類相關(guān)圖及時間系數(shù)(c)(a、b中陰影表示達(dá)到99%的置信水平;c中虛線為左場,實線為右場)Fig.6　The distribution of the heterogeneous correlation and variations of the time coefficients(c) of the first pair of singular vectors in the SVD between the (a)10—30-day filtered height in Asia and the western Pacific at 500 hPa and (b)10—30-day filtered temperature[areas lager than the 99% confidence level are shaded;the left field is shown by dashed line and the right fileld is shown by solid line in (c)]

在這樣的低頻高度場分布型的影響下,相應(yīng)的低頻溫度場異性相關(guān)系數(shù)的空間分布(圖6b)顯示:除了青藏高原東部、西南西部和中國東部45°N以北地區(qū)為負(fù)相關(guān),其他地區(qū)一致與低頻高度場為正相關(guān);其中102°E以東、40°N以南大陸區(qū)的正相關(guān)均達(dá)到99%的置信水平,河套東部和華南沿海這兩個高相關(guān)區(qū)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.7以上;相反,高原東部則為顯著的負(fù)相關(guān),即第一模態(tài)右異類相關(guān)圖反映出與上一部分低頻溫度場隨位相演變分析相對應(yīng)的結(jié)果:河套東部和華南的強低頻溫度振蕩形成明顯的“一北一南”的分布形勢;高原東部與高原西部、河套、華東和華南大范圍地區(qū)呈相反的低頻溫度變化。

因此,第一對奇異向量的耦合空間分布很好地反映了低頻溫度場與低頻高度場之間存在的耦合模態(tài):當(dāng)烏拉爾山—貝加爾湖的阻塞形勢關(guān)鍵區(qū)低頻高壓系統(tǒng)增強,印度半島—孟加拉灣的低頻高度升高,而伊朗高原和東亞沿岸及臨海對應(yīng)的東亞大槽地區(qū)低頻高度降低時,有利于高緯度冷空氣沿烏拉爾山—貝加爾湖之間高壓脊前的偏東路徑南下從蒙古侵入我國;同時,低頻高度場的中高緯度波列與中低緯度波列在東亞地區(qū)耦合,東亞地區(qū)經(jīng)向環(huán)流增強促使冷空氣南下次數(shù)增多,強度偏強;這樣的低頻系統(tǒng)配置模態(tài)對應(yīng)高原西部、內(nèi)蒙西部、河套至長江中下游、江南及華南地區(qū)低頻溫度降低,其中北面的河套東部和南面的東南沿海地區(qū)低頻降溫較強,是偏東路徑冷空氣影響下低頻溫度的強振蕩區(qū),反映了中高緯度的北支低頻波列和中低緯度的南支低頻波列對東部地區(qū)低頻溫度變化產(chǎn)生的影響;反之亦然。

圖7　亞洲—西太平洋500 hPa 10～30 d低頻高度場(a)與中國冬季10～30 d低頻溫度場(b)SVD分析的第二模態(tài)異類相關(guān)圖和時間系數(shù)(c)(a、b中陰影表示達(dá)到99%的置信水平;c中虛線為左場,實線為右場)Fig.7　The distribution of the heterogeneous correlation and variations of the time coefficients(c) of the second pair of singular vectors in the SVD between the (a)10—30-day filtered height in Asia and the western Pacific at 500 hPa and (b)10—30-day filtered temperature[areas lager than the 99% confidence level are shaded;the left field is shown by dashed line and the right filed is shown by solid line in (c)]

如圖6c所示,左右場第一模態(tài)時間系數(shù)的變化匹配得較好,兩場模態(tài)的時間相關(guān)系數(shù)為0.81,表明低頻高度場與低頻溫度場變化在空間上的一致性:第一模態(tài)低頻溫度場與超前其2 d的低頻高度場密切相關(guān),尤其在11月中、上旬和11月下旬到次年2月上旬這兩段時間內(nèi)幾乎同相變化,反映了在“A”、“D”、“B”、“C”過程期間,烏拉爾山到貝加爾湖之間低頻高度由低到高變化,東亞及沿海地區(qū)低頻位勢高度由高到低變化,有利于高緯度冷空氣沿偏東路徑擴散南下,致使青藏高原西部、內(nèi)蒙西部、華北及東南地區(qū)表現(xiàn)出低頻溫度由暖到冷的變化。

第二模態(tài)左異類相關(guān)場(圖7a)與第一模態(tài)有明顯區(qū)別:在中高緯度(40～120°E、30～80°N)強相關(guān)中心從新地島及其以東洋面(負(fù)相關(guān))、到烏拉爾山東側(cè)(正相關(guān))、再到我國西部及其以西和內(nèi)蒙古及其以北地區(qū)(負(fù)相關(guān))是一個西北—東南向的“-+-”波列。該波列與起始于冷空氣源地的巴倫支?；蛐碌貚u、經(jīng)烏拉爾山及西西伯利亞的寒潮關(guān)鍵區(qū)(70～90°E、43～65°N)、巴爾喀什湖和蒙古、從我國西北和內(nèi)蒙地區(qū)侵入我國的寒潮冷空氣的西北路徑相吻合,體現(xiàn)了冷空氣的路徑往往表現(xiàn)為環(huán)流系統(tǒng)的移動路徑;此外,鄂霍次克海阻塞關(guān)鍵區(qū)也存在顯著的強正相關(guān)區(qū),在40～60°N范圍內(nèi),緯向方向上低頻高度場呈現(xiàn)出沿著烏拉爾山東側(cè)(正相關(guān))、蒙古(負(fù)相關(guān))、鄂霍次克海(正相關(guān))的低頻波列;兩個波列上的強相關(guān)中心的相關(guān)系數(shù)絕對值均可達(dá)到0.6以上。

與此相應(yīng)的第二模態(tài)右異類相關(guān)場(圖7b)顯示:顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)位于西北北部、內(nèi)蒙古東北部和東北北部地區(qū),位于西北東北部和內(nèi)蒙古東北部的強相關(guān)中心相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.5以下,反映出與上一部分低頻溫度場隨位相演變分析相對應(yīng)的結(jié)果:西北與內(nèi)蒙古東北部及東北北部低頻溫度振蕩存在相同的變化。因此,第二對奇異向量的耦合空間分布表明:當(dāng)烏拉爾山東側(cè)和鄂霍次克海地區(qū)低頻高壓系統(tǒng)加強,而新地島及喀拉海地區(qū)和中國西北地區(qū)低頻高度降低時,有利于新地島及其附近源地的冷空氣沿西北路徑南下擴散,從我國西北、蒙古、內(nèi)蒙地區(qū)侵入,再以偏西偏北的路徑相繼影響我國西北和東北地區(qū);西北路徑侵入我國的冷空氣往往比較強盛,可形成寒潮天氣過程,該低頻系統(tǒng)配置模態(tài)對應(yīng)著我國西北和東北地區(qū)的強低頻降溫;反之亦然。

如圖7c所示,第二模態(tài)低頻高度場和低頻溫度場的時間序列波動趨勢一致,兩低頻場模態(tài)的時間相關(guān)系數(shù)為0.87,說明第二模態(tài)也很好地反映了2011年11月—2012年2月低頻溫度場與超前其2 d的低頻高度場之間存在的主要耦合關(guān)系,尤其是在11月初到12月中旬和次年1月下旬到2月底這兩段時間內(nèi)正負(fù)位相變化基本吻合:在“B”和“C”過程期間,烏拉爾山東側(cè)和鄂霍次克海低頻高壓系統(tǒng)加強,喀拉海和我國西部北部地區(qū)低頻位勢高度降低,造成西北北部、內(nèi)蒙古東北部和東北北部地區(qū)受沿西北路徑南下的強冷空氣影響引起較強的低頻降溫,反映了中高緯低頻環(huán)流系統(tǒng)對冷空氣低頻活動及北方寒潮過程的重要影響;而在“E”和“A”過程期間低頻高度場為相反的變化,高緯度強冷空氣沿偏東路徑南下影響內(nèi)蒙古西部至東南沿海一帶,致使內(nèi)蒙古、東北南部和華北為強降溫區(qū),而西北和東北北部地區(qū)過程降溫較小。

綜合這一部分對流層中層低頻高度場與低頻溫度場的耦合關(guān)系結(jié)果可以看到:全國性寒潮過程(“A”)是第一和第二模態(tài)共同作用導(dǎo)致青藏高原西部和中國東部大幅度降溫;區(qū)域性寒潮過程(“B”、“C”)也是兩個模態(tài)共同作用的結(jié)果,但第二模態(tài)起到的作用與在全國性寒潮過程中的相反,致使中國北方、高原西部和東南沿海地區(qū)降溫較強;在“D”過程中第一模態(tài)起到主要作用,在“E”過程中第二模態(tài)起到主要作用。

4　結(jié)論與討論

本文首先對2011/2012年冬季中國區(qū)域平均溫度極端異常過程中強度不等的寒潮及強降溫天氣過程進(jìn)行了分析;然后分析了中國區(qū)域平均溫度的低頻振蕩變化特征,并基于周期分析結(jié)果合成研究了828個常規(guī)觀測站構(gòu)成的溫度場的低頻振蕩空間分布隨位相的演變特征;最后采用SVD方法研究了北半球中高緯度中層500 hPa低頻環(huán)流系統(tǒng)配置對滯后其2 d中國各區(qū)域溫度低頻變化的影響。主要結(jié)論有:

1)2011年11月至2012年2月期間的1次全國性寒潮(2011年11月28日—12月2日)、2次區(qū)域性寒潮過程(2012年1月18日—23日、2月7日—10日)主要影響內(nèi)蒙古、東北、青藏高原西部以及我國東南地區(qū),后兩次過程對西北北部影響更顯著;寒潮和降溫過程頻次的累積增加致使中國北方和東南部地區(qū)溫度距平值持續(xù)偏低。由全國828個觀測站的平均溫度變化得到,2011/2012年冬季中國區(qū)域平均溫度極端異常是在溫度季節(jié)變化趨勢基礎(chǔ)上,迭加了較強的10～30 d周期的溫度低頻振蕩變化的結(jié)果。

2)合成分析全國平均溫度10～30 d振蕩變化8個位相低頻溫度場的演變得到,青藏高原西部、黃河流域和長江中下游以南大范圍地區(qū)低頻溫度變化一致,而青藏高原東部則是與之相反的振蕩;我國東北北部地區(qū)低頻升(降)溫滯后于大范圍低頻升(降)溫約2個位相;西北北部地區(qū)低頻溫度變化介于前兩者之間。寒潮和強降溫過程均與低頻溫度振蕩由升溫到降溫的轉(zhuǎn)換位相和降溫的位相相對應(yīng),溫度10～30 d振蕩較強的地區(qū)也對應(yīng)于強降溫區(qū),說明較強的低頻溫度振蕩是其顯著降溫的主要原因之一。

3)2011年11月—2012年2月低頻溫度場與超前其2 d的500 hPa低頻高度場SVD分析的第一模態(tài)顯示:中高緯度沿著烏拉爾山至貝加爾湖(高)—河套東部至渤海(低)—堪察加半島以南的西北太平洋(高)的北支低頻波列與中低緯度沿著伊朗高原中部(低)—印度半島東部和孟加拉灣西北部(高)—我國東南至西太平洋地區(qū)(低)的南支低頻波列在東亞地區(qū)耦合,引導(dǎo)高緯度冷空氣沿偏東路徑南下,致使青藏高原西部、河套和華北向南至東南沿海的大范圍地區(qū)低頻溫度降低,而高原東部是與之相反的低頻升溫區(qū);第二模態(tài)顯示:沿著喀拉海(低)—烏拉爾山東側(cè)(高)—我國西部(低)的低頻波列引導(dǎo)源地冷空氣沿西北路徑南下擴散,并以偏西偏北的路徑相繼影響我國西北和東北地區(qū)。3次寒潮過程均為兩個模態(tài)共同作用的結(jié)果,說明中層低頻環(huán)流系統(tǒng)驅(qū)動了強度大、范圍廣的低頻溫度由升高向降低變化的振蕩,導(dǎo)致2011/2012年冬季全國區(qū)域平均溫度極端異常和北方、東南地區(qū)溫度距平一致偏低。

此外,在過去的一些研究(陳文等,2013;伍紅雨等,2014)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)La Nia事件對我國冬季氣溫存在較重要的影響。結(jié)合本文圖1a的結(jié)果,在1979/1980—2013/2014年期間中,共包括1983/1984、1984/1985、1988/1989、1995/1996、1998/1999、1999/2000、2007/2008、2010/2011、2011/2012年的9個冬季是La Nia事件,其中除1988/1989年和1998/1999年兩個冬季外,其余7 a的冬季均為全國平均溫度距平低于-0.5 ℃的典型冷冬。將La Nia事件發(fā)生的7個典型冷冬全國氣溫距平進(jìn)行合成(圖略),得到我國除東北北部、青海南部、西藏中部的小范圍地區(qū)之外,北方大部地區(qū)、秦嶺及淮河流域以南的南方地區(qū)在La Nia事件發(fā)生年冬季氣溫偏低;與本文圖1b對比可得,2011/2012年冬季全國除東北北部地區(qū)之外,其他地區(qū)溫度距平與La Nia事件發(fā)生年冬季全國氣溫距平合成結(jié)果存在很好的相關(guān)關(guān)系。因此,La Nia事件的發(fā)生可能是2011/2012年冬季極端低溫事件發(fā)生的原因之一。但是,ENSO是年際尺度變化的信號,與本文中主要研究的氣溫10～30 d的周期明顯不同,兩者之間的相互作用關(guān)系較為復(fù)雜,La Nia事件的發(fā)生與我國冬季極端低溫事件的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

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Using the daily data of NCEP/DOE Reanalysis II and the temperature data established by conventional observation stations of the National Meteorological Information Center,cold waves during the extreme event of regional averaged temperature in China in the winter of 2011/2012 and the characteristics of the low-frequency oscillation(LFO) of the mean temperature of 828 stations were analyzed.Then,the evolution of the low-frequency temperature field with phases was also analyzed,as well as the impact of the spatial configuration of the low-frequency circulation system in the mid-troposphere in the extratropical Northern Hemisphere on temperature changes by using the SVD method.The results showed that:

(1)The increased cumulated frequency of the cold waves and the declining-temperature periods from November 2011 to February 2012,accompanied by the wide temperature reduction,led to the extreme event of regional averaged temperature in China and an abnormally low temperature anomaly in North and Southeast China in the winter of 2011/2012.

(2)Cold-temperature anomalies were the result of overlapping of the strong 10—30-day oscillation of temperature,based on the seasonal temperature change trend.Low-frequency temperature in the western Tibetan Plateau and Yellow River basin and middle and lower reaches of the Yangtze River and the region to its south changed coherently,and two centers of strong oscillation were separately located in the Hetao area in the north and in southern China in the south.Whereas,the eastern Tibetan Plateau showed the opposite,with a decrease(increase) of the low-frequency temperature in Northeast Inner Mongolia and Northeast China lagging behind the large area.As for northwest north,the LFO of temperature was mostly consistent with both of the two former.

(3)The results of coupling spatial patterns and their temporal variations of the low-frequency height field at 500 hPa and the low-frequency temperature field of 2 days later by using the SVD diagnosis method indicated that,when the low-frequency high between the Urals and Lake Baikal was enhanced,and the low-frequency wave train in mid-low latitudes was coupled with that in the mid-high latitudes,these circulation systems led to strong cold air spells south along the easterly path.Furthermore,they caused the eastern area from the west of Inner Mongolia to southern China to undergo cold waves and declining temperature in winter’s eve and in mid to late winter,with the two centers of severe declining temperature separately located in the east of the Hetao area in the north and in southern China in the south.However,the eastern Tibetan Plateau showed the opposite,with the low-frequency wave train along Kara-east of the Urals-Northwest China being the low-frequency circulation system that led to strong cold air spells in the south,which then dispersed along the westerly and northerly path before sequentially impacting Northwest and Northeast China during the cold waves in the latter half of winter.

cold wave;low-frequency circulation oscillation;SVD;cold-temperature anomalies;circulation system

(責(zé)任編輯：孫寧)

Characteristics of low-frequency oscillations during cold waves in winter 2011/2012 and its coupling with the low-frequency system at 500 hPa

MIAO Qing1,GONG Yuanfa1,BAI Zibin2

1CollegeofAtmosphericSciences,KeyLaboratoryofSichuanProvinceforPlateauAtmosphereandEnvironment,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China;2ShanxiAtmosphericSoundingTechnologySupportCenter,Taiyuan030002,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150527001

引用格式：苗青,鞏遠(yuǎn)發(fā),白自斌,2016.2011/2012年冬季寒潮低頻特征及其與500 hPa低頻系統(tǒng)的耦合關(guān)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報,39(5):608-619.

Miao Q,Gong Y F,Bai Z B,2016.Characteristics of low-frequency oscillations during cold waves in winter 2011/2012 and its coupling with the low-frequency system at 500 hPa[J].Trans Atmos Sci,39(5):608-619.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150527001.(in Chinese).

*聯(lián)系人，E-mail:gyfa@cuit.edu.cn