苗青 鞏遠(yuǎn)發(fā) 鄧銳捷 魏挪巍

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610225

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北半球中高緯度低頻振蕩對(duì)2012/2013年冬季中國(guó)東北極端低溫事件的影響

苗青 鞏遠(yuǎn)發(fā) 鄧銳捷 魏挪巍

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610225

摘 要利用NCEP/DOE的逐日再分析資料和國(guó)家氣象信息中心的常規(guī)觀測(cè)站溫度資料，首先分析了2012/2013年冬季中國(guó)東北區(qū)域極端低溫事件過程中區(qū)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(duì)流低層和中層低頻環(huán)流系統(tǒng)配置的變化及其與東北地區(qū)強(qiáng)冷空氣活動(dòng)過程的聯(lián)系，最后進(jìn)一步研究了中高緯度低頻環(huán)流系統(tǒng)的傳播特征及其對(duì)溫度變化的影響。主要結(jié)果有：（1）2012/2013年冬季東北區(qū)域平均溫度存在很強(qiáng)的30～60 d的周期振蕩特征，同時(shí)伴隨較強(qiáng)的10～30 d低頻振蕩，后者與實(shí)際降溫過程對(duì)應(yīng)關(guān)系更好；（2）對(duì)10～30 d的低頻振蕩而言，在東北地區(qū)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(guó)東部地區(qū)正好處于貝加爾湖地區(qū)的低頻高壓（低壓）環(huán)流和日本海的低頻低壓（高壓）環(huán)流型之間的低頻偏北（偏南）的較強(qiáng)引導(dǎo)氣流中；同時(shí)在850 hPa上，我國(guó)東部從東北到南海都是較強(qiáng)的偏北（偏南）低頻風(fēng)控制，這使得東亞冬季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)加強(qiáng)（被抑制），東北區(qū)域則經(jīng)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(huán)流系統(tǒng)的配置和演變導(dǎo)致了2012/2013年冬季一次次強(qiáng)（或較強(qiáng)）的冷空氣沿偏東偏北的路徑影響我國(guó)東北地區(qū)，并導(dǎo)致極端低溫事件的出現(xiàn)；（3）沿著烏拉爾山—貝加爾湖—我國(guó)東北地區(qū)—西北太平洋傳播的500 hPa低頻波列，是驅(qū)動(dòng)2012/2013年冬季東亞冬季風(fēng)低頻振蕩和我國(guó)東北地區(qū)極端低溫事件的環(huán)流系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞東北地區(qū) 極端低溫 低頻環(huán)流系統(tǒng)

苗青，鞏遠(yuǎn)發(fā)，鄧銳捷，等. 2016. 北半球中高緯度低頻振蕩對(duì)2012/2013年冬季中國(guó)東北極端低溫事件的影響 [J]. 大氣科學(xué), 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(jì) 70年代初大氣低頻振蕩（Lowfrequency Oscillation，簡(jiǎn)稱LFO）發(fā)現(xiàn)于熱帶地區(qū)以來，LFO一直被視為重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一，由于其時(shí)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(shí)，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(xiàn)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(guān)研究主要集中于熱帶地區(qū)，在近些年來，對(duì)中高緯度地區(qū)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(tǒng)的相互作用關(guān)系以及對(duì)天氣氣候異常的影響等方面相比熱帶地區(qū)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(shí)，全球大氣以熱帶地區(qū)和高緯度地區(qū)低頻振蕩最為顯著和重要，且從振蕩動(dòng)能分布來看，中高緯度（尤其是高緯度）地區(qū)的大氣低頻振蕩比熱帶地區(qū)活動(dòng)強(qiáng)，且在冬半年更強(qiáng)?？梢?，作為大氣低頻振蕩最顯著的地區(qū)之一，在冬季極端低溫和雨雪冰凍災(zāi)害事件頻發(fā)的背景下，北半球中高緯度地區(qū)的大氣低頻振蕩變化對(duì)天氣氣候變化的影響值得關(guān)注。

已有一些研究從低頻振蕩的角度出發(fā)探討大氣環(huán)流與冷空氣活動(dòng)的關(guān)系。冷空氣活動(dòng)和表征冷空氣強(qiáng)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(tǒng)（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(fā)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(huán)流的振蕩周期密切相關(guān)（歐陽(yáng)玫君等，1995）。近幾年，中高緯度低頻環(huán)流系統(tǒng)對(duì)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(chǎng)在低頻信號(hào)顯著周期的不同位相上進(jìn)行合成的方法，通過環(huán)流系統(tǒng)呈現(xiàn)的模態(tài)經(jīng)進(jìn)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(dòng)的指數(shù)并指出東北冷渦活動(dòng)具有 10～30 d振蕩特征，作為歐亞遙相關(guān)型（EU）低頻波列的一部分，相關(guān)的環(huán)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(qū)的降水分布情況。周寧芳等（2014）也采取了同樣的方法得到對(duì)流層各層低頻系統(tǒng)的相互配合和共同作用對(duì)降水有重要影響。馬曉青等（2008）以及朱毓穎和江靜（2013）在對(duì)中緯度和低緯度低頻波動(dòng)的研究中指出，它們可以獨(dú)立活動(dòng)或傳播，也可以相耦合共同作用導(dǎo)致中國(guó)冬季的持續(xù)低溫或寒潮爆發(fā)。由此，中高緯度低層和中層的低頻環(huán)流系統(tǒng)之間的作用關(guān)系和如何影響我國(guó)冬季氣溫變化引起我們的思考，本文對(duì)此做了進(jìn)一步探討。

我國(guó)東北地區(qū)是直接受中高緯度低頻環(huán)流系統(tǒng)影響的地區(qū)，在2012/2013年冬季，其平均氣溫達(dá)到20世紀(jì)80年代以來與2000/2001年冬季相當(dāng)?shù)挠忠淮螝v史新低，這為研究北半球中高緯度大氣低頻振蕩的活動(dòng)及其對(duì)我國(guó)氣溫的影響提供了一個(gè)契機(jī)。本文主要目的是利用2012/2013年這一典型年份，進(jìn)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(huán)流系統(tǒng)的空間配置特征以及對(duì)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(jīng)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(chǎng)（Z850、Z500）、緯向風(fēng)（U500、U850）、經(jīng)向風(fēng)（V500、V850）和溫度場(chǎng)（T850）資料；觀測(cè)資料來源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象中心整編的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，所使用的時(shí)間長(zhǎng)度為1979年1月1日至2013年12月31日，剔除缺測(cè)多和建站晚的臺(tái)站，選用其中的832個(gè)臺(tái)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(dāng)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(jìn)行周期分析可以在給出氣候序列變化的顯著尺度的同時(shí)，得到各頻段隨時(shí)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(qū)的147個(gè)臺(tái)站逐日氣溫時(shí)間序列，除去其季節(jié)變化趨勢(shì)（即傅里葉變換的 1～3波）后進(jìn)行小波變換，取其中2012年11月1日至2013 年3月31日的結(jié)果分析東北地區(qū)氣溫顯著的變化周期。然后，采用Lanczos濾波器（Duchon, 1979）（濾波參數(shù)n＝121），對(duì)2012年至2013年850 hPa的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)以及500 hPa的風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)進(jìn)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(hào)從而扣除濾波中受邊界影響的時(shí)段。最后，合成分析我國(guó)東北地區(qū)氣溫低頻振蕩不同位相的北半球中高緯度低頻流場(chǎng)演變特征。

3 2012/2013年冬季東北地區(qū)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(duì)于1979～2013年同期氣候平均值，填色，單位：°C）。●為東北地區(qū)極端低溫站，D為西南地區(qū)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(qū)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(guó)氣溫距平分布。從圖上可以看到，中國(guó)東北地區(qū)和華北大部地區(qū)呈現(xiàn)出顯著的溫度負(fù)距平，而西南地區(qū)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(gè)冬季相比，我國(guó)東北部區(qū)域包括東三省、內(nèi)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(nèi)蒙古東部偏低可達(dá)4°C；而西南地區(qū)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(dá)2.5°C。

為提取代表東北地區(qū)和西南地區(qū)氣溫變化的臺(tái)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(diǎn)，做全國(guó)832個(gè)臺(tái)站氣溫與之氣溫的單點(diǎn)相關(guān)（如圖 2所示），結(jié)合地理位置選取出如圖所示相關(guān)系數(shù)大于0.8的147個(gè)臺(tái)站用于東北華北區(qū)域氣溫變化分析，同樣的選取相關(guān)系數(shù)大于0.75的55個(gè)臺(tái)站代表西南地區(qū)。在選取的臺(tái)站中，東北地區(qū)的丹東、臨江、靖宇等25個(gè)臺(tái)站（圖1中黑色圓點(diǎn)站）出現(xiàn)極端低溫，氣溫突破過去 34個(gè)冬季歷史極值；而西南地區(qū)太華山、馬爾康等24個(gè)臺(tái)站（圖1中Δ站）氣溫達(dá)到極端高溫。

圖2 以（a）泰來站和（b）攀枝花站為基點(diǎn)的2012/2013年冬季氣溫單點(diǎn)相關(guān)系數(shù)（陰影區(qū)的相關(guān)系數(shù)大于等于0.75，○為選取的站點(diǎn)）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(qū)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?yáng)|北、華北（147個(gè)站）和西南（55個(gè)站）冬季氣溫區(qū)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(qū)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(qū)是過去的 34年中冬季氣溫相對(duì)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(guó)東北、華北區(qū)域是極寒的極端低溫事件，西南地區(qū)則是相對(duì)暖的暖冬。

3.2 2012/2013年冬季東北地區(qū)氣溫變化的低頻特征

為探討影響2012/2013年冬季我國(guó)東北地區(qū)極端低溫事件的原因，我們首先對(duì) 2012～2013年?yáng)|北區(qū)域平均溫度的變化特征進(jìn)行了重點(diǎn)分析。首先在東北區(qū)域平均溫度的原始時(shí)間序列中扣除季節(jié)變化趨勢(shì)，得到東北區(qū)域平均溫度與季節(jié)變化趨勢(shì)之間的偏差，并對(duì)其進(jìn)行小波變換從而進(jìn)行小波分析。然后利用小波變換檢測(cè)出的溫度變化顯著周期，對(duì)溫度進(jìn)行帶通濾波，分析了兩個(gè)頻帶溫度低頻變化對(duì)強(qiáng)降溫過程的影響。

圖4中給出了2012/2013年冬季東北區(qū)域平均溫度的逐日變化和氣溫的季節(jié)趨勢(shì)，以及東北區(qū)域平均溫度與季節(jié)變化趨勢(shì)之間的偏差。如圖 4a所示，從2012年11月中旬開始?xì)鉁伢E降，降溫過程陸續(xù)出現(xiàn)并持續(xù)到 12月初，短暫回溫后在 12月13～23日有兩次連續(xù)的強(qiáng)降溫過程，2013年1月31日～2月8日出現(xiàn)一次強(qiáng)烈的降溫過程，之后氣溫在波動(dòng)中回升。

2012/2013年冬季東北區(qū)域平均溫度去掉季節(jié)變化趨勢(shì)后的小波變換的結(jié)果清楚地反映出氣溫在時(shí)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(shí)間范圍表示氣溫的回升時(shí)期，F(xiàn)≤－2的時(shí)間范圍表示氣溫的降低時(shí)期。在小波變換尺度因子 a＝2～8（即 8～32 d周期變化）的時(shí)間尺度層次上，2012/2013年冬季表現(xiàn)出兩次較強(qiáng)的降溫過程，分別出現(xiàn)在 2012年12月中旬和2013年2月上旬；三次相對(duì)較弱的降溫過程分別出現(xiàn)在2012年11月中旬、12月初和2月下旬，可見在a＝2～8的時(shí)間尺度上，F(xiàn)值的變化與氣溫原始序列的變化對(duì)應(yīng)較好。

為了準(zhǔn)確分析小波變換在不同尺度因子上信號(hào)變化的顯著周期，我們基于以上結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算了氣溫的小波變換在不同時(shí)域內(nèi)方差貢獻(xiàn)的大?。ㄈ鐖D5b所示），從方差的時(shí)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(qū)氣溫有兩個(gè)明顯的變化周期，分別為T≈16 d和T≈42 d。經(jīng)對(duì)氣溫進(jìn)行小波變換分析得到該年?yáng)|北地區(qū)氣溫存在 10～30 d 和30～60 d兩個(gè)顯著周期。

圖4b是東北區(qū)域平均溫度10～30 d和30～60 d的帶通濾波后的時(shí)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(qiáng)，與小波變換分析結(jié)果一致，振蕩的演變和降溫有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，幾次降溫過程基本都發(fā)生在振蕩由強(qiáng)到弱的時(shí)段；而30～60 d的振蕩強(qiáng)度要弱于10～30 d的振蕩，其隨時(shí)間的演變與氣溫原始時(shí)間序列的對(duì)應(yīng)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(fù)位相轉(zhuǎn)變，這表明10～30 d振蕩和30～60 d振蕩的同位相迭加是導(dǎo)致強(qiáng)降溫過程發(fā)生的主要原因之一，從小波變化中亦可見實(shí)際的強(qiáng)冷空氣活動(dòng)是這兩個(gè)周期的冷空氣活動(dòng)迭加而成。

為分析低頻溫度變化分量在2012/2013年冬季實(shí)際氣溫與其季節(jié)趨勢(shì)之差中的貢獻(xiàn)大小，我們計(jì)算了圖 4b中實(shí)際氣溫與其季節(jié)趨勢(shì)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(jié)果分別是8.49、3.27和1.85，其中10～30 d振蕩的方差貢獻(xiàn)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(xiàn)達(dá)60%，這也說明該年冬季期間東北區(qū)域平均溫度的低頻變化對(duì)降溫過程的貢獻(xiàn)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(qiáng)降溫過程的關(guān)系更為密切，因此下文僅針對(duì)10～30 d低頻環(huán)流形勢(shì)的演變特征進(jìn)行分析，討論北半球中高緯度大氣低頻振蕩對(duì)2012/2013年冬季極端低溫事件的影響機(jī)制。

4 2012/2013年冬季北半球中高緯低頻環(huán)流系統(tǒng)特征

由于東北天氣氣候變化直接受到北半球中高緯度環(huán)流系統(tǒng)變化的影響，也為進(jìn)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?yáng)|北地區(qū)溫度小波分析和帶通濾波的結(jié)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(hào)中與兩次強(qiáng)降溫過程對(duì)應(yīng)的2個(gè)強(qiáng)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(jìn)行合成，研究北半球中高緯度低頻環(huán)流系統(tǒng)隨位相的演變特征，揭示其對(duì)強(qiáng)降溫過程的影響機(jī)制。其中位相1（位相5）為10～30 d東北區(qū)域平均溫度低頻變化由負(fù)（正）向正（負(fù)）的轉(zhuǎn)換位相，位相 2～3（位相 6～7）為低頻溫度變化升高（降低）最強(qiáng)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(duì)流層低層低頻環(huán)流系統(tǒng)特征

作為冬季對(duì)流層低層影響東亞天氣和氣候變化的重要環(huán)流系統(tǒng)，東亞冬季風(fēng)可在西伯利亞東部，一直沿著歐亞大陸東岸到南海地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)勁的西北風(fēng)和東北風(fēng)，較大的風(fēng)速攜帶著高緯度冷空氣南下，使得所經(jīng)之處氣溫驟降，因此東亞冬季風(fēng)是影響我國(guó)東北地區(qū)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(gè)位相的低頻溫度場(chǎng)和低頻風(fēng)場(chǎng)，我們先探討2012/2013年冬季東北區(qū)域極端低溫形成過程中北半球中高緯對(duì)流層低層大氣環(huán)流的低頻活動(dòng)演變。

圖4 2012年11月1日至2013年3月30日逐日東北區(qū)域（a）平均溫度和（b）其剔除季節(jié)變化趨勢(shì)序列以及低頻溫度序列，單位：°C。（a）中黑線表示實(shí)際氣溫，綠線表示季節(jié)趨勢(shì)；（b）中左縱坐標(biāo)和紅色虛線表示實(shí)際氣溫與其季節(jié)趨勢(shì)的差值，右縱坐標(biāo)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(shù)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(qū)氣溫與其季節(jié)變化趨勢(shì)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(biāo)a（單位：°C）為小波變換尺度因子，（b）中縱坐標(biāo)T（單位：d）為a對(duì)應(yīng)的近似周期，等值線是小波變換值，陰影區(qū)表示氣溫在季節(jié)平均變化趨勢(shì)上偏強(qiáng)，虛線區(qū)則表示在季節(jié)平均變化趨勢(shì)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(qū)，單位：°C）和低頻風(fēng)場(chǎng)（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(fù)向正轉(zhuǎn)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(tǒng)，鄂霍次克海上是一弱的低頻反氣旋系統(tǒng)，使我國(guó)西北東部、東北西部到貝加爾湖東部地區(qū)都受到低頻東南風(fēng)（或偏南風(fēng)）控制；相應(yīng)的我國(guó)東北區(qū)域位于貝加爾湖西北低頻溫度升高中心區(qū)與日本南部低頻溫度降低中心區(qū)之間，東北西部是弱的低頻暖平流區(qū)。

位相2階段（圖6b），低頻氣旋系統(tǒng)向東移至貝加爾湖以北，鄂霍次克海的低頻反氣旋系統(tǒng)加強(qiáng)南移到日本海上，我國(guó)華北、東北地區(qū)到貝加爾湖東部地區(qū)位于低頻反氣旋西部的南風(fēng)區(qū)域，東亞冬季環(huán)流系統(tǒng)開始被抑制；與環(huán)流對(duì)應(yīng)的東北、內(nèi)蒙古和華北地區(qū)出現(xiàn)明顯的低頻暖平流區(qū)，低頻溫度升高中心區(qū)位于內(nèi)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(tǒng)明顯減弱，位于日本海上的低頻反氣旋系統(tǒng)加強(qiáng)，我國(guó)東部幾乎都受低頻的偏南風(fēng)控制，東亞冬季環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)一步被抑制；伴隨低頻的偏南風(fēng)，我國(guó)東部幾乎全為低頻溫度升高的區(qū)域，溫度升高中心也隨之加強(qiáng)并向東南移動(dòng)。這個(gè)階段在烏拉爾山地區(qū)出現(xiàn)新的低頻反氣旋系統(tǒng)，烏山以東地區(qū)也變?yōu)槭芷憋L(fēng)控制。

位相4階段（圖6d），貝加爾湖低頻氣旋系統(tǒng)有所加強(qiáng)并東移至鄂霍次克海東側(cè)，位于日本海上的低頻反氣旋系統(tǒng)減弱東移到西北太平洋上并明顯減弱；烏拉爾山地區(qū)的新出現(xiàn)的低頻反氣旋系統(tǒng)加強(qiáng)東移，其東側(cè)至貝加爾湖西部地區(qū)轉(zhuǎn)為偏北的低頻風(fēng)，東亞冬季環(huán)流系統(tǒng)被抑制的過程結(jié)束。與環(huán)流相對(duì)應(yīng)，貝加爾湖地區(qū)東、西兩側(cè)及其以北的地區(qū)均為低頻的冷平流，貝加爾湖西北側(cè)的低頻溫度降低區(qū)域擴(kuò)大；原位于我國(guó)東部較強(qiáng)的低頻溫度升高區(qū)向東南移出我國(guó)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(fēng)場(chǎng)和低頻溫度場(chǎng)與相應(yīng)的位相1到位相4基本相反。在位相5（圖6e），烏拉爾山東側(cè)低頻反氣旋系統(tǒng)和鄂霍次克海上低頻氣旋系統(tǒng)都維持加強(qiáng)，致使貝加爾湖到我國(guó)東北、華北地區(qū)都受到較強(qiáng)的偏北低頻風(fēng)控制，東亞冬季環(huán)流系統(tǒng)開始加強(qiáng)；相應(yīng)的貝加爾湖到我國(guó)東北區(qū)域的低頻冷平流區(qū)范圍擴(kuò)大、低頻溫度降低的中心值增加。這個(gè)階段，僅在我國(guó)的江淮以南地區(qū)還有弱的低頻溫度升高區(qū)。

到位相6時(shí)（圖6f），烏拉爾山東側(cè)低頻反氣旋系統(tǒng)向貝加爾湖移動(dòng)，鄂霍次克海低頻氣旋系統(tǒng)南移到庫(kù)頁(yè)島，低頻的偏北風(fēng)加強(qiáng)并向南向東擴(kuò)展到我國(guó)的江南地區(qū)以及日本海一帶，東亞冬季環(huán)流系統(tǒng)明顯加強(qiáng)；對(duì)應(yīng)的東北、內(nèi)蒙古和華北地區(qū)為明顯的低頻冷平流區(qū)，內(nèi)蒙古東部和東北西部較強(qiáng)的低頻溫度降低區(qū)，最小中心值低于－5°C。

位相7時(shí)（圖6g），烏拉爾山與貝加爾湖之間的低頻反氣旋系統(tǒng)中心迅速移至貝加爾湖南側(cè)，庫(kù)頁(yè)島的低頻氣旋系統(tǒng)加強(qiáng)并向南移到日本東北洋面上，使我國(guó)東部從東北到南海都是較強(qiáng)的偏北低頻風(fēng)控制，歐亞大陸上形成一個(gè)大范圍的東亞冬季風(fēng)低頻環(huán)流系統(tǒng)，整個(gè)東亞冬季環(huán)流系統(tǒng)也進(jìn)一步加強(qiáng)；伴隨偏北低頻風(fēng)異常我國(guó)東部幾乎全為低頻溫度降溫區(qū)，降溫異常中心加強(qiáng)移到我國(guó)東北南部和朝鮮半島之間。這個(gè)階段在烏拉爾山地區(qū)變?yōu)橛忠粋€(gè)低頻氣旋系統(tǒng)，烏拉爾山以東地區(qū)也開始改受西南風(fēng)控制。

位相8時(shí)（圖6h），貝加爾湖南側(cè)的低頻反氣旋系統(tǒng)中心東移至我國(guó)東北的東北側(cè)，日本島以東洋面的低頻氣旋系統(tǒng)減弱東移，烏拉爾山地區(qū)的低頻氣旋系統(tǒng)東移加強(qiáng)，使貝加爾湖地區(qū)到我國(guó)東北西部地區(qū)都轉(zhuǎn)為偏南低頻風(fēng)控制，東亞冬季環(huán)流系統(tǒng)開始被抑制。與環(huán)流相對(duì)應(yīng)，貝加爾湖及東北西部地區(qū)均為低頻暖平流，低頻溫度升高中心位于貝加爾湖地區(qū)；原位于我國(guó)東部的低頻溫度降低中心減弱東移，我國(guó)僅長(zhǎng)江流域到華南地區(qū)還有弱的負(fù)低頻溫度區(qū)，冷空氣活動(dòng)過程接近結(jié)束。

從我國(guó)東北區(qū)域平均氣溫10～30 d振蕩的第1位相到第8位相，我國(guó)東北和東部沿海地區(qū)的對(duì)流層低層，經(jīng)歷了一次由烏拉爾山及其以東地區(qū)低頻氣旋系統(tǒng)到低頻反氣旋系統(tǒng)和鄂霍次克海地區(qū)低頻反氣旋系統(tǒng)到低頻氣旋系統(tǒng)影響的轉(zhuǎn)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(tǒng)（氣旋系統(tǒng)）和鄂霍次克海處低頻氣旋系統(tǒng)（反氣旋系統(tǒng)）的向東南方向移動(dòng)和變化，東亞冬季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)也隨之加強(qiáng)（被抑制），我國(guó)東北區(qū)域則經(jīng)歷一次大幅度的溫度降低（升高）過程。

4.2 中高緯對(duì)流層中層低頻環(huán)流系統(tǒng)特征

阻塞高壓和東北冷渦是中高緯度對(duì)流層中層引起大范圍冷空氣活動(dòng)和我國(guó)寒潮降溫的天氣系統(tǒng)，中高緯度低頻環(huán)流演變與阻塞形勢(shì)的變化密切相關(guān)，東北冷渦除本身具有低頻振蕩的變化特征外，還對(duì)中高緯冷空氣的低頻活動(dòng)也起到重要作用（智協(xié)飛和何金海，1996；劉慧斌等，2012）。為進(jìn)一步分析2012/2013年冬季極端低溫形成過程中對(duì)流層中層低頻環(huán)流系統(tǒng)的影響，與上一部分一樣，根據(jù)東北區(qū)域平均溫度10～30 d低頻變化的8個(gè)位相合成了500 hPa低頻高度場(chǎng)和低頻流場(chǎng)（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(huán)流系統(tǒng)，與對(duì)流層低層相對(duì)應(yīng)，烏拉爾山東側(cè)是一弱的低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)，貝加爾湖與我國(guó)東北區(qū)域之間存在一弱的低頻高壓環(huán)流系統(tǒng)，日本島以東洋面存在一較強(qiáng)的低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)。

圖7 同圖6，但為500 hPa上濾波高度（填色）和流場(chǎng)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(huán)流系統(tǒng)穩(wěn)定加強(qiáng)，烏拉爾山東側(cè)的低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)也隨之加強(qiáng)，原貝加爾湖與我國(guó)東北區(qū)域之間的低頻高壓環(huán)流系統(tǒng)加強(qiáng)，高壓中心移到我國(guó)東北區(qū)域上空，西太平洋上的低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)減弱東移。在中高緯范圍（40°N～70°N）內(nèi)，從歐洲北部到西北太平洋地區(qū)（20°E～160°E），自西向東是一個(gè)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(huán)流系統(tǒng)向東移動(dòng)到烏拉爾山，并且發(fā)展成一強(qiáng)的低頻高壓中心，烏拉爾山到貝加爾湖之間的低頻低壓環(huán)流中心東移到巴爾喀什湖一帶；原東北區(qū)域上空的低頻高壓系統(tǒng)向東南緩慢移動(dòng)加強(qiáng)，在日本海上空形成一強(qiáng)的低頻高壓中心，歐亞大陸中高緯地區(qū)到北太平洋西岸調(diào)整為“兩高一低”型的低頻環(huán)流系統(tǒng)，我國(guó)東北地區(qū)處于低頻低壓系統(tǒng)前、高壓系統(tǒng)后的偏南風(fēng)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(duì)流層低層相對(duì)應(yīng)，烏拉爾山上空的低頻高壓系統(tǒng)移至烏拉爾山東側(cè)，巴爾喀什湖一帶的低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)被兩個(gè)低頻高壓系統(tǒng)切斷，東北部分東移至貝加爾湖以東到我國(guó)東北北部及其以北地區(qū)，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(duì)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(tǒng)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(tǒng)繼續(xù)東移；貝加爾湖以東的低頻低壓中心東移至我國(guó)東北北部上空，對(duì)應(yīng)的低頻高度負(fù)異常明顯加強(qiáng)；原日本以東的低頻高壓環(huán)流系統(tǒng)東移至西太平洋中西部地區(qū)。這個(gè)階段在烏拉爾山以西出現(xiàn)新的低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)。

到位相6（圖7f），烏拉爾山以西的低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)穩(wěn)定加強(qiáng)，烏拉爾山東側(cè)的低頻高壓系統(tǒng)中心繼續(xù)向貝加爾湖靠近，我國(guó)東北地區(qū)的低頻低壓環(huán)流系統(tǒng)穩(wěn)定加強(qiáng)，西北太平洋上的低頻高壓環(huán)流系統(tǒng)減弱；在中高緯范圍（40°N～70°N）內(nèi)，從歐洲北部到西太平洋（20°E～160°E）轉(zhuǎn)變?yōu)榕c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(tǒng)中心東移至烏拉爾山地區(qū)并加強(qiáng)，烏拉爾山以東的低頻高壓系統(tǒng)中心移至貝加爾湖西側(cè)，相應(yīng)的低頻高度正異常有所減弱；與低層相應(yīng)的原東北區(qū)域上空的低頻低壓系統(tǒng)中心南移，在日本北部形成一強(qiáng)的低頻低壓系統(tǒng)中心。與位相3相反，歐亞中高緯地區(qū)到亞洲東部沿岸形成“兩低一高”的低頻環(huán)流型，我國(guó)東北及東部大部分地區(qū)處于低頻高壓系統(tǒng)前和低壓系統(tǒng)后的高空偏北氣流中，這致使冷空氣加速南下影響我國(guó)東部地區(qū)，導(dǎo)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(tǒng)繼續(xù)東移加強(qiáng)，低壓中心位置到了烏拉爾山以東；貝加爾湖西側(cè)的低頻高壓中心迅速減弱移到我國(guó)東北西部，其東部的低頻低壓旋也迅速減弱，我國(guó)東部處于低頻高壓南側(cè)的偏東低頻氣流中，冷空氣南下的過程結(jié)束。

綜合這一部分對(duì)流層中層（500 hPa）和低層（850 hPa）低頻環(huán)流系統(tǒng)的演變發(fā)展的結(jié)果可以看到，從位相1到位相8的各個(gè)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(nèi)有低頻環(huán)流系統(tǒng)不斷從烏拉爾山以西地區(qū)沿西北—東南向的路徑向我國(guó)東部和西太平洋西部沿岸移動(dòng)，850 hPa上則是相應(yīng)的東亞冬季風(fēng)低頻環(huán)流系統(tǒng)變化引起的我國(guó)東部地區(qū)偏南低頻風(fēng)或偏北低頻風(fēng)交替變化，從而抑制冷空氣南下或加速冷空氣南下，導(dǎo)致我國(guó)的寒潮過程發(fā)生。

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

5 北半球中高緯度大氣低頻環(huán)流系統(tǒng)的傳播特征及對(duì)溫度的影響

在上一部分，我們通過對(duì)2012/2013年冬季東北區(qū)域平均溫度10～30 d振蕩周期中的2個(gè)強(qiáng)主振蕩周期分8個(gè)位相合成低頻場(chǎng)的方法，得到了與東北區(qū)域平均溫度低頻變化相對(duì)應(yīng)的對(duì)流層低層和中層的低頻環(huán)流模態(tài)。為進(jìn)一步探討中高緯低頻環(huán)流系統(tǒng)的傳播特征及其與東北地區(qū)溫度低頻變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們分別對(duì)2012/2013年冬季東北區(qū)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(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)性分析，考慮到實(shí)際天氣尺度環(huán)流場(chǎng)變化與天氣變化之間存在的時(shí)滯關(guān)系，在此給出顯著性較好的2012/2013年冬季東北區(qū)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(chǎng)的相關(guān)分析。

從圖8中可見500 hPa低頻高度場(chǎng)與滯后其2日的東北區(qū)域平均溫度低頻序列之間的相關(guān)性明顯存在著從烏拉爾山以西地區(qū)（＋）貝加爾湖以西地區(qū)（－）到我國(guó)東北地區(qū)（＋），再到西太平洋（－）的波列，對(duì)應(yīng)于位相3和位相6低頻環(huán)流系統(tǒng)配置形成的低頻波列，該支波列的波動(dòng)主要表現(xiàn)在烏拉爾山與貝加爾湖之間低頻高壓系統(tǒng)為低頻低壓系統(tǒng)代替，而東北地區(qū)低頻低壓系統(tǒng)為低頻高壓系統(tǒng)代替的過程。另一方面，根據(jù)相關(guān)系數(shù)大、小值中心的分布情況亦可得，該支波列上低頻環(huán)流系統(tǒng)的演變對(duì)東北地區(qū)溫度異常有很大的影響：當(dāng)?shù)皖l高壓系統(tǒng)移動(dòng)至烏拉爾山與貝加爾湖之間，而低頻低壓系統(tǒng)移動(dòng)到東北地區(qū)時(shí)，伴隨著這兩個(gè)低頻環(huán)流系統(tǒng)的增強(qiáng)，低頻環(huán)流中心沿著該支低頻波列向東南方向移動(dòng)，其間的偏北引導(dǎo)氣流有利于高緯度地區(qū)冷空氣南下侵入東北地區(qū)，對(duì)應(yīng)著時(shí)間上滯后2日左右東北地區(qū)經(jīng)歷一次降溫過程，這個(gè)滯后關(guān)系與上一部分低頻環(huán)流系統(tǒng)隨位相的演變特征的分析結(jié)果一致。值得一提的是，東北地區(qū)溫度的低頻變化與烏拉爾山西側(cè)低頻高度異常存在較強(qiáng)的正相關(guān)，烏山西側(cè)的低頻高壓環(huán)流系統(tǒng)隨位相的演變也呈現(xiàn)出：在位相1～4，低頻高壓系統(tǒng)穩(wěn)定加強(qiáng)，低頻高壓中心緩慢移動(dòng)到烏拉爾山東側(cè)；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(qū)?？梢?，低頻環(huán)流系統(tǒng)沿著這支波列移動(dòng)并相繼對(duì)中高緯度所經(jīng)之處以及下游地區(qū)的溫度產(chǎn)生影響，由于是用東北區(qū)域平均溫度低頻序列進(jìn)行的相關(guān)分析，更準(zhǔn)確地說，這支低頻波列的發(fā)展及其低頻系統(tǒng)的相互作用與東北地區(qū)冬季氣溫的低頻變化密切相關(guān)。

圖8 2012/2013年冬季北半球500 hPa各格點(diǎn)濾波高度與東北地區(qū)平均濾波溫度的滯后相關(guān)系數(shù)（陰影區(qū)通過99%信度的t檢驗(yàn)，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(duì)東北區(qū)域平均溫度低頻序列與同期850 hPa低頻溫度場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)分析（圖略），相關(guān)系數(shù)大、小值中心和相關(guān)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(guān)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(tǒng)沿該波列向東南方向傳播的同時(shí)引導(dǎo)冷空氣從源地南下并沿偏東偏北的路徑侵入我國(guó)，并且主要對(duì)東北地區(qū)的溫度變化產(chǎn)生影響。

為了更準(zhǔn)確地分析每個(gè)振蕩周期對(duì)應(yīng)的低頻環(huán)流系統(tǒng)的演變情況，我們將相關(guān)分析中得到的相關(guān)系數(shù)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(shí)間的變化情況。基于前面的低頻環(huán)流系統(tǒng)特征和相關(guān)性分析結(jié)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(qū)是低頻環(huán)流系統(tǒng)活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)，且關(guān)鍵區(qū)環(huán)流系統(tǒng)的低頻變化與滯后其 2日左右的東北區(qū)域平均溫度的低頻變化存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在分析中較關(guān)注這三個(gè)關(guān)鍵區(qū)所在的經(jīng)緯度范圍內(nèi)、超前于降溫起止 2日左右出現(xiàn)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(nèi)，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(fù)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(jié)合東北區(qū)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(jīng)歷了三次幅度逐漸增強(qiáng)的低頻降溫過程，提前2日左右分析發(fā)現(xiàn)，烏拉爾山地區(qū)出現(xiàn)低頻高度正異常并且中心傳播至貝加爾湖地區(qū)的同期，伴隨著低頻高度負(fù)異常中心移動(dòng)到東北地區(qū)，該過程與降溫過程存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)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(duì)應(yīng)關(guān)系體現(xiàn)地更明顯。這進(jìn)一步說明烏拉爾山到西北太平洋路徑的東傳上低頻環(huán)流系統(tǒng)是影響2012/2013年冬季東北區(qū)域平均溫度低頻變化的重要因子。

6 結(jié)論和討論

本文首先對(duì)2012/2013年冬季中國(guó)東北區(qū)域極端低溫事件過程中區(qū)域平均溫度的低頻振蕩變化特征進(jìn)行了分析，基于周期分析結(jié)果合成分析了北半球中高緯度對(duì)流低層和中層低頻環(huán)流系統(tǒng)配置的變化及其與東北地區(qū)強(qiáng)冷空氣活動(dòng)過程的聯(lián)系，最后進(jìn)一步研究了中高緯度低頻環(huán)流系統(tǒng)的傳播特征及其對(duì)溫度變化的影響。主要結(jié)論如下：

（1）2012/2013年冬季東北極端低溫事件是冬季溫度季節(jié)變化趨勢(shì)基礎(chǔ)上，疊加了很強(qiáng)的 30～60 d周期和10～30 d周期兩個(gè)頻帶的溫度低頻振蕩變化的結(jié)果；10～30 d振蕩的溫度變化與實(shí)際強(qiáng)降溫過程的關(guān)系更為接近；其中2013年1月底到2月上旬的強(qiáng)降溫過程是10～30 d振蕩和30～60 d振蕩同時(shí)由低頻升溫到低頻降溫位相轉(zhuǎn)換同位相迭加的結(jié)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(nèi)有低頻環(huán)流系統(tǒng)不斷從烏拉爾山以西地區(qū)沿西北—東南向的路徑向我國(guó)東部和西太平洋西部沿岸移動(dòng)，850 hPa上則是相應(yīng)的東亞冬季風(fēng)低頻環(huán)流系統(tǒng)變化引起的我國(guó)東部地區(qū)偏南低頻風(fēng)或偏北低頻風(fēng)交替變化，從而抑制冷空氣南下或加速冷空氣南下，導(dǎo)致我國(guó)的寒潮過程發(fā)生。其中，在低頻溫度變化降低（升高）到最強(qiáng)的位相6～7（位相2～3），500 hPa上是我國(guó)東部地區(qū)正好處于貝加爾湖地區(qū)的低頻高壓（低壓）環(huán)流和日本海的低頻低壓（高壓）環(huán)流型之間的低頻偏北（偏南）的較強(qiáng)導(dǎo)氣流中，850 hPa上，我國(guó)東部從東北到南海受較強(qiáng)的偏北（偏南）低頻風(fēng)控制；這使得東亞冬季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)隨之加強(qiáng)（被抑制），我國(guó)東北區(qū)域經(jīng)歷一次大幅度的降溫（升溫）過程。這些高低空低頻環(huán)流系統(tǒng)的配置和演變可能導(dǎo)致了2012/2013年冬季一次次強(qiáng)（或較強(qiáng)）的冷空氣沿偏東偏北的路徑影響我國(guó)東北地區(qū)，并導(dǎo)致極端低溫事件的出現(xiàn)。

（3）沿著烏拉爾山以西地區(qū)—貝加爾湖以西地區(qū)—我國(guó)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(dòng)演變，即烏拉爾山地區(qū)的低頻高度正（負(fù)）異常中心移至貝加爾湖地區(qū)，同期伴隨著低頻高度負(fù)（正）異常中心移動(dòng)到我國(guó)東北地區(qū)，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(guān)關(guān)系，說明上述低頻波列是驅(qū)動(dòng)2012/2013年冬季東亞冬季風(fēng)低頻振蕩和我國(guó)東北地區(qū)極端低溫事件的環(huán)流系統(tǒng)。

最后，需要說明的是，在2012/2013年冬季我國(guó)東北地區(qū)出現(xiàn)極端低溫，西南地區(qū)的云南和川西高原則是異常高溫現(xiàn)象，在本文的分析中我們很難發(fā)現(xiàn)，這個(gè)冬季西南地區(qū)溫度的變化與上述分析的中高緯度低頻環(huán)流系統(tǒng)和東亞冬季風(fēng)低頻環(huán)流系統(tǒng)演變有直接的關(guān)系。因此，2012/2013年冬季而言，一方面可能是上述分析的相關(guān)低頻環(huán)流系統(tǒng)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(tǒng)較強(qiáng)，導(dǎo)致西南地區(qū)難以受到較強(qiáng)冷空氣的影響；當(dāng)然，分析該年冬季西南地區(qū)高溫的原因也是我們接下來要進(jìn)行的工作。此外，本文僅選取10～30 d溫度低頻振蕩周期進(jìn)行分析，我們也看到，2013年2月上旬的強(qiáng)降溫是兩個(gè)頻帶低頻振蕩疊加的共同影響，因此對(duì)中高緯度30～60 d的低頻振蕩和兩個(gè)頻帶低頻振蕩相互作用也有必要做進(jìn)一步探討；此外，在我們的初步分析中還發(fā)現(xiàn)，2012/2013年冬，我國(guó)東北地區(qū)溫度和歐亞500 hPa高度場(chǎng)的低頻變化與超前其 9天的 NAO（North Atlantic Oscillation）波動(dòng)的低頻變化有顯著的關(guān)系，這是一個(gè)值得深入研究的問題。

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資助項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目41275080，公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)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(hào)1006-9895(2016)04-0817-14 中圖分類號(hào) P466

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15189

收稿日期2015-04-29；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-08-04

作者簡(jiǎn)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(yuǎn)發(fā)，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