白寒冰 曾剛

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044

2 中國(guó)民用航空西北地區(qū)空中交通管理局寧夏分局，銀川 750009

1 引言

寒潮是我國(guó)冬半年主要的天氣過程之一，出現(xiàn)時(shí)容易帶來(lái)大風(fēng)、雨雪冰凍等災(zāi)害性天氣，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸造成重大損失。寒潮帶來(lái)的劇烈降溫可能觸發(fā)我國(guó)的極端低溫事件，例如2008年與2018年出現(xiàn)的低溫雨雪冰凍災(zāi)害，這使得寒潮冷空氣以及極端低溫研究受到廣泛關(guān)注（Bueh et al.,2011; 陳海山等, 2012; Wang Z Yet al., 2017, 2020;布和朝魯?shù)? 2018; Peng et al., 2021）。我國(guó)寒潮活動(dòng)與東亞冬季風(fēng)密切相關(guān)，研究表明東亞冬季風(fēng)在20世紀(jì)80年代中期前后出現(xiàn)年代際減弱現(xiàn)象（Wang and Chen, 2010; 賀圣平和王會(huì)軍, 2012; 王會(huì)軍和范可, 2013; 丁一匯等, 2014; 梁蘇潔等, 2014），受此影響近幾十年我國(guó)寒潮冷空氣活動(dòng)頻次整體呈減少趨勢(shì)，并在20世紀(jì)70年代末前后出現(xiàn)顯著減少現(xiàn)象（李峰等, 2006; 王遵婭和丁一匯, 2006; 康志明等,2010; 王宗明等, 2011; 周琳和孫照勃, 2015; Wang Z M et al., 2017）。研究表明2000年代初期東亞冬季風(fēng)出現(xiàn)年代際增強(qiáng)現(xiàn)象（Wang and Chen, 2014; 黃榮輝等, 2014），東亞頻繁受到強(qiáng)冷空氣影響，極端低溫事件較1990年代增多（Ma et al., 2018; Shi et al.,2019）。近年關(guān)于地方性寒潮的變化特征研究較多，例如：Cai et al.（2019）將1961～2014年46次華北秋季寒潮路徑進(jìn)行分類，研究各類寒潮爆發(fā)前的環(huán)流演變特征及關(guān)鍵環(huán)流信號(hào)；毛煒嶧和陳穎（2016）研究了烏魯木齊市1951～2015年各季度寒潮過程的差異；Huang et al.（2017）研究了山東省1979～2013年幾類不同強(qiáng)度寒潮過程的時(shí)空分布特征。這些已有研究結(jié)果表明不同區(qū)域寒潮的變化特征各有異同。

北極濤動(dòng)（AO）被認(rèn)為是東亞冬季風(fēng)以及我國(guó)寒潮冷空氣活動(dòng)發(fā)生變化的影響因子之一（Jeong and Ho, 2005; 魏鳳英, 2008; Park et al., 2011a, 2011b;Cheung et al., 2012; Chen et al., 2013; Park et al., 2014;Wang Z Y et al., 2017）。北極海冰的變化對(duì)東亞冬季氣候以及我國(guó)寒潮冷空氣活動(dòng)同樣有顯著影響（狄慧, 2014; Wang and Chen, 2014; 謝永坤等,2014; 朱晨玉等, 2014; 唐孟琪和曾剛, 2017; Yang et al., 2020），Wang and Chen（2014）的研究指出秋季北極海冰減少對(duì)大氣內(nèi)部過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致東亞冬季風(fēng)在2000年代增強(qiáng)。Yang et al.（2020）指出巴倫支海海冰與東亞寒潮強(qiáng)度存在負(fù)相關(guān)，巴倫支海海冰減少使得北極出現(xiàn)類似AO負(fù)相位的位勢(shì)高度異常，進(jìn)而導(dǎo)致冷空氣由極地南下形成北路寒潮。此外，還有研究指出東亞大型斜槽斜脊是寒潮強(qiáng)冷空氣引發(fā)東亞冬季極端低溫事件的關(guān)鍵系統(tǒng)，并且持續(xù)性極端低溫事件可以在上游平流層找到一些前兆信號(hào)（施寧和布和朝魯, 2015; 布和朝魯?shù)?2018）。

華北作為我國(guó)的政治文化中心，也是寒潮冷空氣入侵我國(guó)南方的必經(jīng)之地，而且國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人民生產(chǎn)生活也都對(duì)寒潮預(yù)測(cè)提出了迫切需求，因而寒潮的變異機(jī)理亟需加強(qiáng)研究。盡管近年來(lái)我國(guó)寒潮活動(dòng)的變化特征逐漸受到關(guān)注，但不同地區(qū)寒潮變化特征差異明顯，所以具體區(qū)域需要具體分析。此外，前人的工作中對(duì)于寒潮冷空氣路徑的變化特征研究尚少，因此本文對(duì)比分析了華北寒潮1990年代與2000年代的變化特征，包括華北寒潮的頻次、強(qiáng)度以及冷空氣路徑，并探討了秋、冬季北極海冰對(duì)華北寒潮的可能影響。

2 資料與方法

2.1 資料

本文所用資料包括：（1）中國(guó)華北區(qū)域（35°N～42°N，110°E～120°E）1957～2011 年經(jīng)過質(zhì)量控制和均一化處理的站點(diǎn)觀測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)（Xu et al., 2013），原始站點(diǎn)資料經(jīng)過嚴(yán)格篩選，缺測(cè)時(shí)次利用前后數(shù)據(jù)進(jìn)行插值補(bǔ)全，存在大面積缺測(cè)數(shù)據(jù)的站點(diǎn)放棄使用，最終篩選得到華北區(qū)域共60站觀測(cè)氣溫?cái)?shù)據(jù)，其中包括日最高、最低氣溫以及日平均氣溫；（2）追蹤寒潮冷空氣路徑所使用的資料為NCEP/NCAR每日4次的CFSR再分析資料（Saha et al., 2010;Decker et al., 2012），資料所包含的要素有三維風(fēng)場(chǎng)、各層氣溫、比濕等物理量，垂直方向?yàn)?7層，資料時(shí)段為1990年11月到2011年3月，資料水平分辨率為2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度）；（3）NCEP/NCAR逐日以及逐月再分析資料，所選要素場(chǎng)包括：500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)，2 m地表氣溫，海平面氣壓場(chǎng)，資料時(shí)段為1990年11月到2011年3月，資料水平分辨率為2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度）；（4）NOAA高分辨率逐日北極海冰密集度資料，資料時(shí)段為1990年11月到2011年3月，資料水平分辨率為0.25°（緯度）×0.25°（經(jīng)度）。由于追蹤冷空氣路徑所采用的CFSR再分析資料只更新到2011年7月，因此本文的研究時(shí)段只到2011年。

2.2 華北區(qū)域寒潮定義標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中的《寒潮等級(jí)》（GB/T 21987-2017）以及《冷空氣等級(jí)》（GB/T 20484-2017）中的規(guī)定，將單站寒潮定義為：某地的日最低氣溫24 h內(nèi)降幅8°C，或48 h內(nèi)降幅10°C，或72 h內(nèi)降溫幅度12°C，并且同時(shí)滿足日最低氣溫低于4°C，那么就視為寒潮事件發(fā)生。在之后的幾日內(nèi)，最低氣溫回升則視為寒潮過程結(jié)束，將這一過程內(nèi)日最低氣溫的最大降幅定為寒潮事件強(qiáng)度。

本文研究對(duì)象為冬半年華北區(qū)域寒潮事件，這里定義冬半年為當(dāng)年11月至次年3月。區(qū)域寒潮的定義使用Park et al.（2011a）的方法，將華北地區(qū)分為4個(gè)5°（緯度）×5°（經(jīng)度）的方格，如圖1所示。首先將方格區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)做平均處理，再利用《冷空氣等級(jí)》（GB/T 20484-2017）中單站寒潮降溫標(biāo)準(zhǔn)判斷寒潮事件。當(dāng)西伯利亞區(qū)域（35°N～55°N，90°E～115°E）海平面氣壓（SLP）中心值大于1035 hPa時(shí)，視為存在西伯利亞高壓。各區(qū)域中有一個(gè)及以上的區(qū)域達(dá)到單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)，且這一天存在西伯利亞高壓，則視為發(fā)生一次華北區(qū)域寒潮事件，以達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)的方格區(qū)域中最高的降溫幅度來(lái)定義該次華北區(qū)域寒潮的強(qiáng)度。

圖1 華北區(qū)域分區(qū)（灰色虛線框）以及西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)（藍(lán)色實(shí)線框）Fig.1 North China partition (gray dotted line) and key region of the Siberian High (blue box)

2.3 寒潮路徑追蹤方法

寒潮冷空氣路徑追蹤采用基于拉格朗日算法的FLEXPART模式（Stohl, 1998; Stohl and Seibert,1998; Park et al., 2011a），自寒潮爆發(fā)當(dāng)日向前追蹤5天，追蹤起點(diǎn)為寒潮發(fā)生當(dāng)日平均降溫最大的方格中心。假設(shè)氣團(tuán)可用質(zhì)點(diǎn)來(lái)代替，那么質(zhì)點(diǎn)的軌跡方程為

其中，X(t)為t時(shí)刻的質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，為當(dāng)前坐標(biāo)下的風(fēng)速。

算法中利用二階形勢(shì)的差分方程來(lái)計(jì)算軌跡，軌跡方程為

其中， Δt是時(shí)間步長(zhǎng)，方程的解可以通過如下迭代方法得到：

其中，上標(biāo)i表示迭代次數(shù)，當(dāng)?shù)仁接覀?cè)的兩個(gè)迭代項(xiàng)之間的差值小于某一特定值，迭代則結(jié)束，此時(shí)可以確定軌跡方程。更多有關(guān)FLEXPART模式的算法請(qǐng)參考Stohl（1998）以及Stohl and Seibert（1998）的文章，模式介紹以及代碼詳見http://www.flexpart.eu[2021-01-01]。

3 1990年代與2000年代華北寒潮的差異

圖2是以區(qū)域寒潮定義標(biāo)準(zhǔn)確定的華北寒潮頻次以及強(qiáng)度序列。20世紀(jì)90年代之前華北寒潮在每個(gè)年代的頻次基本持平：1957～1967年華北寒潮共發(fā)生22次，1968～1978年發(fā)生23次，1979～1989年共發(fā)生23次。而1990～2000年華北寒潮發(fā)生了31次，但2001～2011年僅發(fā)生12次（圖2a）。華北寒潮平均強(qiáng)度自1957年開始逐漸減弱，到20世紀(jì)90年代寒潮強(qiáng)度達(dá)到最弱，21世紀(jì)初期寒潮強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)（圖2b）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，1990～2000年31次區(qū)域寒潮過程中，影響范圍達(dá)到圖1中4個(gè)區(qū)域中的3個(gè)的寒潮共3次，達(dá)到2個(gè)區(qū)域的寒潮共8次，只影響到1個(gè)區(qū)域的寒潮共20次，33次寒潮平均降溫幅度11.1°C；2001～2011年12次寒潮過程中影響范圍達(dá)到4個(gè)區(qū)域的寒潮有1次，出現(xiàn)在2008年12月1日，影響到3個(gè)區(qū)域的寒潮共5次，除此之外的6次寒潮過程只影響到1個(gè)區(qū)域，12次寒潮過程平均降溫幅度12.0°C，其中最高降溫幅度為15.2°C，出現(xiàn)在2002年12月21日。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，華北寒潮頻次與強(qiáng)度在1990～2000年與2001～2011年出現(xiàn)了較為明顯的差異，前一段時(shí)間比后一段時(shí)間寒潮頻次多19次，而寒潮平均降溫幅度低0.86°C，寒潮過程的影響范圍也相對(duì)較小。

圖2 1957～2011年華北寒潮（a）頻次與（b）強(qiáng)度序列（圖中紅色虛線表示年代平均）Fig.2 Time series of cold surge (CS) (a) frequency and (b) intensity in North China during 1957-2011(red dotted line denotes the interdecadal average)

除了頻次與強(qiáng)度，寒潮冷空氣的移動(dòng)路徑也是寒潮事件的重要特征。本文利用基于拉格朗日算法的FLEXPART模式追蹤華北寒潮爆發(fā)前5日至爆發(fā)當(dāng)日的冷空氣路徑。圖3a為1990～2000年共31次華北寒潮的路徑情況，冷空氣大多數(shù)來(lái)自格林蘭島附近，取偏西路徑進(jìn)入我國(guó)華北。圖3b為2001～2011年共12次華北寒潮的路徑情況，冷空氣大多數(shù)來(lái)自新地島附近，取偏北路徑進(jìn)入華北，其中還包括一些比較奇異的路徑。因此華北寒潮的冷空氣路徑特征同樣在1990～2000年與2001～2011年兩段時(shí)間存在明顯不同。為了便于研究?jī)啥螘r(shí)間華北寒潮的差異，下面將1990～2000年定為1990年代，將2001～2011年定為2000年代。

圖3 （a）1990～2000年與（b）2001～2011年華北寒潮冷空氣路徑Fig.3 Trajectories of cold surges in North China during (a) 1990-2000 and (b) 2001-2011

4 1990年代與2000年代環(huán)流特征的差異

本節(jié)進(jìn)一步探討華北寒潮特征在兩段時(shí)間不同的原因，對(duì)比分析1990年代與2000年代冬季相關(guān)環(huán)流要素的差異及其對(duì)華北寒潮特征的可能影響。圖4是1990年代與2000年代北半球冬季850 hPa以及500 hPa水平風(fēng)場(chǎng)距平合成，距平計(jì)算取1957～2011年共55年作為氣候態(tài)。由圖4a可以看到1990年代低層繞極偏西風(fēng)距平較強(qiáng)，北美至歐亞大陸東岸有一支低層強(qiáng)氣流帶，其中格陵蘭島南部海域以及貝加爾湖以西至烏拉爾山的西風(fēng)距平通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)，這兩段較強(qiáng)的西風(fēng)氣流有利于格陵蘭島附近冷空氣頻繁東移，導(dǎo)致1990年代華北寒潮冷空氣路徑大多數(shù)偏西且寒潮頻次較多。而2000年代繞極距平風(fēng)向雜亂，且風(fēng)速距平較小，西路冷空氣輸送通道遠(yuǎn)不如1990年代通暢，在貝加爾湖至遠(yuǎn)東地區(qū)850 hPa上存在反氣旋環(huán)流距平，有利于加強(qiáng)東亞偏北風(fēng)，為北方冷空氣入侵提供有利條件，因此2000年代華北寒潮冷空氣路徑大多數(shù)偏北。500 hPa的結(jié)果與850 hPa結(jié)果一致（圖5b），相較于2000年代，1990年代格陵蘭島南部有較強(qiáng)的西風(fēng)距平，歐亞大陸由西向東距平環(huán)流形式為“反氣旋—?dú)庑礆庑?，可以有效引?dǎo)冷空氣東移，這一結(jié)果與Park et al.（2014）文提出的“波列型”寒潮所對(duì)應(yīng)的環(huán)流中心位置有差異，因此結(jié)果也有所不同。Park et al.（2014）指出“波列型”寒潮的斜壓波向東南方向傳播，使得東亞北風(fēng)加強(qiáng)，導(dǎo)致寒潮爆發(fā)，而本文中1990年代歐亞的“反氣旋—?dú)庑礆庑杯h(huán)流型將使得東亞偏西風(fēng)加強(qiáng)。

圖5為1990年代與2000年代冬季500 hPa位勢(shì)高度距平合成，距平計(jì)算取1957～2011年共55年作為氣候態(tài)，圖中打點(diǎn)區(qū)域表示距平通過0.1置信度的顯著性檢驗(yàn)。圖5a中1990年代冬季500 hPa上極區(qū)存在顯著負(fù)位勢(shì)高度距平，表明極地渦旋偏強(qiáng)，貝加爾湖以南區(qū)域的位勢(shì)高度正距平使得東亞大槽填塞，有利于繞極西風(fēng)氣流加強(qiáng)，導(dǎo)致1990年代華北寒潮冷空氣路徑更易偏西。同時(shí)，歐亞大陸西部至日本自西向東方向存在明顯的“正—負(fù)—正”的波列特征，該特征與圖4中500 hPa水平風(fēng)場(chǎng)距平結(jié)果相吻合，但與Park et al.（2014）指出的“波列型”寒潮所對(duì)應(yīng)的波列傳播方向有差異，1990年代這種波列形勢(shì)有利于冷空氣自西向東快速移動(dòng)，使得華北寒潮以偏西路徑為主。圖5b中2000年代冬季500 hPa上極地大部分區(qū)域受到位勢(shì)高度正距平控制，極地渦旋偏弱，在以新地島為中心的歐亞大陸北部存在大片正距平區(qū)域，而貝加爾湖至遠(yuǎn)東地區(qū)存在位勢(shì)高度負(fù)距平，這種環(huán)流形勢(shì)有利于形成高緯阻塞系統(tǒng)，導(dǎo)致冷空氣堆積，同時(shí)也有利于偏北大風(fēng)引導(dǎo)冷空氣南下，從而形成“阻塞型”寒潮，因此2000年代華北寒潮以偏北路徑為主。Park et al.（2014）所提出的“阻塞型”寒潮所對(duì)應(yīng)的環(huán)流形式與2000年代比較一致，其指出阻塞型寒潮的爆發(fā)一方面與西伯利亞高壓向南擴(kuò)張有關(guān)，另一方面與該種阻塞形勢(shì)導(dǎo)致的穩(wěn)定東北風(fēng)有關(guān)，這與本文分析結(jié)果一致。300 hPa以及850 hPa上位勢(shì)高度距平的分析結(jié)果與500 hPa上結(jié)果吻合（圖略）。

圖4 （a、c）1990 年代與（b、d）2000 年代 850 hPa 以及 500 hPa 水平風(fēng)場(chǎng)距平（單位：m/s）：（a、b）850 hPa； （c、d）500 hPa。點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)Fig.4 Composite anomalies in the horizontal wind (units: m/s) at (a, b) 850 hPa and (c, d) 500 hPa: (a, c) 1990s; (b, d) 2000s.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

圖5 （a）1990年代與（b）2000年代500 hPa位勢(shì)高度距平（點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)）Fig.5 Composite anomalies of geopotential heights at 500 hPa in the (a) 1990s and (b) 2000s.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

圖6給出的是1990年代以及2000年代冬季海平面氣壓（SLP）距平合成，圖中打點(diǎn)區(qū)域表示距平通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)。圖中黑色實(shí)線框內(nèi)的區(qū)域是判斷區(qū)域寒潮時(shí)所選定的西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)。圖6a中1990年代西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)內(nèi)SLP距平正負(fù)不一且距平值較小，西伯利亞高壓偏弱，而圖6b中2000年代關(guān)鍵區(qū)內(nèi)則是顯著的SLP正距平中心，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，導(dǎo)致2000年代華北寒潮降溫強(qiáng)度相比于1990年代有所增加（圖2）。

圖6 （a）1990年代與（b）2000年代海平面氣壓（SLP）距平（點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)；黑色實(shí)線框表示西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)）Fig.6 Composite anomalies of sea level pressure (SLP) in the (a) 1990s and (b) 2000s.Stippling areas are significant at the 90% confidence level;black box represents the key region of Siberia High

圖7是1990年代與2000年代冬季地表氣溫（SAT）距平合成，圖7a中1990年代極區(qū)大部存在顯著溫度負(fù)距平，中心位于巴芬灣附近，圖7b中2000年代極區(qū)受到顯著的溫度正距平控制，中心位于新地島附近。1990年代極區(qū)氣溫偏低使上空位勢(shì)高度降低，進(jìn)而導(dǎo)致極渦加強(qiáng)、范圍減?。▓D5a），強(qiáng)冷空氣盤踞在極區(qū)內(nèi)使繞極區(qū)西風(fēng)距平偏強(qiáng)、西來(lái)冷空氣通道暢通（圖4a），受此影響1990年代華北寒潮冷空氣路徑大多數(shù)偏西。2000年代新地島附近溫度偏高，極區(qū)偏暖導(dǎo)致其上空位勢(shì)高度升高，使得極渦減弱、范圍增大（圖5b），冷空氣容易隨分裂進(jìn)而向南移動(dòng)，受此影響2000年代華北寒潮路徑大多偏北。李峰等（2006）通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算指出，20世紀(jì)70至90年代極渦面積與強(qiáng)度的乘積與極區(qū)溫度之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而極渦面積和強(qiáng)度呈反位相變化，而本文圖5及圖7的分析結(jié)果與該統(tǒng)計(jì)關(guān)系相吻合。

圖7 （a）1990年代與（b）2000年代地表氣溫（SAT）距平（點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)）Fig.7 Composite anomalies of surface air temperature (SAT) in the (a) 1990s and (b) 2000s.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

5 1990年代與2000年代華北寒潮差異與海冰的聯(lián)系

北極海冰的變化對(duì)中高緯度氣候異常有重要影響，并且海冰對(duì)大氣的影響有一定的延續(xù)性（Wang and Chen, 2014）。1990年代與2000年代大氣環(huán)流的顯著差異很可能與這一時(shí)段北極海冰的變化存在關(guān)聯(lián)，本節(jié)分析了1990年代與2000年代華北寒潮差異與秋、冬季北極海冰的聯(lián)系。這里秋季定義為9～10月，冬季仍然延用前文中冬半年的定義，即當(dāng)年11月至次年3月。

圖8給出了1990～2011年秋季與冬季北極海冰密集度（SIC）與華北寒潮頻次、強(qiáng)度序列（圖2）的相關(guān)分布，點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示相關(guān)系數(shù)通過0.1信度的顯著性檢驗(yàn)。秋季喀拉海至東西伯利亞海的大范圍海域SIC與華北寒潮頻次存在顯著正相關(guān)（圖8a），而冬季時(shí)相關(guān)顯著區(qū)域縮小，主要集中在新地島附近海域（圖8c）。秋季與華北寒潮強(qiáng)度存在顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域很少（圖8b），表明秋季海冰對(duì)華北寒潮強(qiáng)度影響較弱，而冬季巴芬灣及其以北海域SIC與華北寒潮強(qiáng)度存在一定面積的顯著負(fù)相關(guān)（圖8d）。綜合秋、冬季北極海冰與華北寒潮相關(guān)顯著的區(qū)域，取新地島（Novaya Zemlya）附近巴倫支海與喀拉海部分區(qū)域（70°N～80°N，45°W～70°W）為北極海冰影響華北寒潮頻次的關(guān)鍵區(qū)域；取巴芬灣（Baffin Bay）及其以北區(qū)域（70°N～85°N；60°W～120°W）為北極海冰影響華北寒潮強(qiáng)度的關(guān)鍵區(qū)域（如圖8c、8d中黑色實(shí)線框所示）。

圖8 1990～2011年華北寒潮（a、c）頻次及（b、d）強(qiáng)度序列與秋季和冬季北極海冰密集度（SIC）的相關(guān)：（a、b）秋季北極海冰密集度；（c、d）冬季北極海冰密集度。點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)；黑色實(shí)線框表示海冰關(guān)鍵區(qū)Fig.8 Correlation coefficients between the CS (a, c) frequency and (b, d) intensity in North China and Arctic sea ice concentration (SIC) in autumn and winter during 1990-2011: (a, b) Autumn SIC; (c, d) winter SIC.Stippling areas are significant at the 90% confidence level; black box denotes the key region of SIC

將上述關(guān)鍵區(qū)域的SIC進(jìn)行區(qū)域平均與標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到影響華北寒潮頻次的海冰關(guān)鍵區(qū)與影響華北寒潮強(qiáng)度的海冰關(guān)鍵區(qū)（下稱頻次關(guān)鍵區(qū)與強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)）SIC指數(shù)。如圖9a所示，頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)在21世紀(jì)初明顯下降，海冰明顯減少，這一特征與Wang and Chen（2014）給出的海冰變化時(shí)段一致，圖中黑色實(shí)線為華北寒潮頻次序列，其與頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.50，通過了95%置信度的顯著性檢驗(yàn)，圖中綠色虛線為每個(gè)年代頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)平均。結(jié)果表明，2000年代初新地島附近的頻次關(guān)鍵區(qū)秋季到冬季海冰減少，對(duì)應(yīng)2000年代華北寒潮頻次較1990年代減少，而朱晨玉等（2014）指出近50年秋季海冰（特別是東半球海冰）減少對(duì)應(yīng)中國(guó)后冬南方冷空氣頻數(shù)增多，導(dǎo)致不同結(jié)果的原因可能是關(guān)注的時(shí)段與區(qū)域不同。強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)在21世紀(jì)初同樣明顯下降（圖9b），但變化幅度弱于頻次關(guān)鍵區(qū)，圖中黑色實(shí)線為華北寒潮強(qiáng)度序列，其與強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為－0.48，通過了95%置信度的顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果表明，2000年代初巴芬灣附近強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)秋季到冬季海冰減少，對(duì)應(yīng)2000年代華北寒潮強(qiáng)度較1990年代增強(qiáng)。但相關(guān)系數(shù)只表明華北寒潮頻次及強(qiáng)度與各自關(guān)鍵區(qū)海冰變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此本文繼續(xù)分析關(guān)鍵區(qū)海冰變化如何影響1990年代與2000年代的華北寒潮。

圖9 1990～2011年華北寒潮（a）頻次序列與頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)以及（b）強(qiáng)度序列與強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)（柱狀圖表示關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)。黑色實(shí)線表示華北寒潮頻次或強(qiáng)度序列；綠色虛線表示各SIC指數(shù)年代平均值；R1與R2分別表示關(guān)鍵區(qū)海冰指數(shù)與華北寒潮頻次和強(qiáng)度序列的相關(guān)系數(shù)，**代表相關(guān)系數(shù)通過95%置信度的顯著性檢驗(yàn)）Fig.9 (a) Time series of CS frequency in North China and its associated SIC index and (b) time series of CS intensity in North China and its associated SIC index.Histogram denotes the SIC index; black solid line denotes the CS frequency or intensity in North China; green dotted line denotes the interdecadal average of SIC index; R1 and R2 denote the correlation coefficients between the SIC index and CS frequency and intensity in North China, respectively.** indicates the statistical significance above the 95% confidence level

前文分析表明，繞極圈西風(fēng)帶的強(qiáng)弱與華北寒潮頻次以及冷空氣的路徑有關(guān)，圖10是頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與1990～2011年850 hPa以及500 hPa緯向風(fēng)的相關(guān)分布，圖中矢量為1990～2011年850 hPa與500 hPa水平風(fēng)場(chǎng)平均。頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與兩高度上緯向風(fēng)在烏拉爾山以東至貝加爾湖存在顯著正相關(guān)，1990年代新地島附近海域海冰相對(duì)較多，對(duì)應(yīng)這一區(qū)域出現(xiàn)緯向風(fēng)正距平，導(dǎo)致對(duì)流層中層到低層繞極區(qū)西風(fēng)帶增強(qiáng)，西來(lái)冷空氣通道暢通，因此1990年代華北寒潮頻次較多，路徑以偏西為主。2000年代初新地島附近海域海冰較1990年代顯著減少，對(duì)應(yīng)這一區(qū)域出現(xiàn)緯向風(fēng)負(fù)距平，導(dǎo)致繞極區(qū)西風(fēng)帶減弱，西來(lái)冷空氣通道受阻，因此2000年代華北寒潮頻次較少，轉(zhuǎn)為以偏北路徑為主。

圖10 1990～2011年華北寒潮頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與冬季（a）850 hPa、（b）500 hPa緯向風(fēng)的相關(guān)系數(shù)（矢量表示1990～2011年850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)平均；點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示相關(guān)系數(shù)通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)）Fig.10 Correlation coefficients between the SIC index of key region (frequency) and horizontal wind at (a) 850 hPa and (b) 500 hPa in winter during 1990-2011.Vector denotes the average horizontal wind at 850 hPa or 500 hPa in winter during 1990-2011; stippling areas are significant at the 90%confidence level)

圖11是頻次與強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與500 hPa位勢(shì)高度的相關(guān)分布。圖11a中頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與500 hPa位勢(shì)高度的相關(guān)分布顯示：新地島以南烏拉爾山附近存在顯著負(fù)相關(guān)，我國(guó)華北至渤海為顯著正相關(guān)。1990年代新地島附近海冰相對(duì)較多，對(duì)應(yīng)新地島至烏拉爾山上空位勢(shì)高度降低，歐亞大陸東岸位勢(shì)高度升高，歐亞大陸大型槽脊波動(dòng)減弱，有利于繞極西風(fēng)偏強(qiáng)，引導(dǎo)格陵蘭島附近冷空氣東移，使得1990年代偏西路徑華北寒潮占多數(shù)。而2000年代情況則相反，新地島附近海冰顯著減少對(duì)應(yīng)歐亞大陸大型槽脊波動(dòng)加強(qiáng)，繞極西風(fēng)偏弱，且烏拉爾山位勢(shì)高度升高有利于阻塞系統(tǒng)形成，東亞大槽加深有利于冷空氣南下，使得2000年代偏北路徑華北寒潮占多數(shù)。圖11b中強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與500 hPa位勢(shì)高度的相關(guān)分布顯示：北美東岸存在顯著正相關(guān)，自北美東岸至日本由西向東相關(guān)中心呈波列狀分布，巴爾喀什湖至貝加爾湖南部為顯著負(fù)距平。2000年代初巴芬灣附近海冰較1990年代顯著減少對(duì)應(yīng)北美東岸位勢(shì)高度降低，其激發(fā)出的遙相關(guān)波列由西向東傳播，使得巴爾喀什湖至貝加爾湖這一區(qū)域位勢(shì)高度升高，進(jìn)而導(dǎo)致華北寒潮強(qiáng)度上升，這一猜想有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖11 1990～2011年華北寒潮（a）頻次與（b）強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與冬季500 hPa位勢(shì)高度的相關(guān)系數(shù)（點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示相關(guān)系數(shù)通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)）Fig.11 Correlation coefficients between the SIC index of the key regions for (a) frequency, (b) intensity, and geopotential heights at 500 hPa in winter during 1990-2011.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

圖12是強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與1990～2011年海平面氣壓的相關(guān)分布情況，圖中黑色實(shí)線框表示的是西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)。相關(guān)分布顯示：西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)內(nèi)存在較弱的負(fù)相關(guān)中心，而北美東岸以及烏拉爾山以東至貝加爾湖西部為顯著的正相關(guān)區(qū)域。2000年代巴芬灣海冰較1990年代顯著減少對(duì)應(yīng)烏拉爾山以東的中西伯利亞地區(qū)海平面氣壓偏低，同時(shí)北美東岸海平面氣壓偏低。強(qiáng)冷空氣南下時(shí)伴隨著低層絕熱冷卻上升運(yùn)動(dòng)，而地面氣壓減弱是冷空氣增強(qiáng)的特征，因此2000年代寒潮冷空氣平均強(qiáng)度較強(qiáng)。

圖12 1990～2011年華北寒潮強(qiáng)度海冰關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與冬季海平面氣壓（SLP）的相關(guān)系數(shù)（點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示相關(guān)系數(shù)通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)；黑色實(shí)線框表示西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)）Fig.12 Correlation coefficients between the SIC index of the key regions for CS intensity and sea level pressure (SLP) in winter during 1990-2011.Stippling areas are significant at the 90% confidence level;black box indicates the key region of Siberia High

圖13為頻次與強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與1990～2011年地表氣溫（SAT）的相關(guān)分布情況。圖13a中頻次關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與地表氣溫的相關(guān)分布顯示：極區(qū)主要為負(fù)相關(guān)，而蒙古高原至華北為正相關(guān)。2000年代初新地島附近海冰較1990年代顯著減少導(dǎo)致極地氣溫上升，有助于極渦減弱分裂，配合烏拉爾山地區(qū)位勢(shì)升高（圖11），有利于形成阻塞系統(tǒng)，偏北路徑寒潮增多，西路冷空氣通道受到阻擋，導(dǎo)致2000年代相較于1990年代偏西路徑冷空氣顯著減少。圖13b中強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與地表氣溫的相關(guān)分布顯示：極地大部分區(qū)域?yàn)轱@著負(fù)相關(guān)，北美東岸為顯著正相關(guān)區(qū)域，但蒙古高原至華北地區(qū)為較弱負(fù)相關(guān)。2000年代初巴芬灣附近海冰顯著減少導(dǎo)致極區(qū)升溫以及北美的降溫，結(jié)合強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與海平面氣壓的相關(guān)分布情況，巴芬灣海冰減少對(duì)北美影響更為顯著，對(duì)蒙古高原至華北地區(qū)影響較弱。而北美東岸地表氣溫異常是否會(huì)通過大氣遙相關(guān)波列東傳至東亞地區(qū)，進(jìn)而引起蒙古高原至華北區(qū)域地表氣溫降低，這一猜想還有待繼續(xù)研究。

圖13 1990～2011年華北寒潮（a）頻次與（b）強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)SIC指數(shù)與冬季地表氣溫（SAT）的相關(guān)（點(diǎn)狀陰影區(qū)域表示相關(guān)系數(shù)通過90%置信度的顯著性檢驗(yàn)）Fig.13 Correlation coefficients between the SIC index of key region (a) frequency, (b) intensity and Surface Air Temperature (SAT) in winter during 1990-2011.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

6 結(jié)論與討論

本文利用華北區(qū)域均一化站點(diǎn)氣溫資料、NCEP/NCAR再分析資料、CFSR再分析資料以及NOAA高分辨率海冰密集度資料對(duì)比分析了1990年代與2000年代我國(guó)華北寒潮頻次、強(qiáng)度以及冷空氣路徑的差異及其與秋、冬季北極海冰的聯(lián)系，得到以下結(jié)論：

（1）1990年代華北寒潮頻次為1957～2011年最多，但寒潮平均強(qiáng)度最低，冷空氣大多數(shù)來(lái)自于格陵蘭島附近海域，沿偏西路徑進(jìn)入華北；2000年代華北寒潮頻次為1957～2011年最少，但寒潮平均強(qiáng)度相對(duì)較高，冷空氣大多數(shù)來(lái)自于新地島附近海域，沿偏北路徑進(jìn)入華北。

（2）1990年代與2000年代兩段時(shí)間環(huán)流差異明顯，1990年代較強(qiáng)的繞極區(qū)西風(fēng)以及自西向東的“波列型”距平中心有利于格陵蘭島附近冷空氣向東輸送，因此1990年代華北寒潮冷空氣路徑以偏西為主，寒潮頻次偏多。同時(shí)1990年代東亞大槽異常填塞，西伯利亞高壓偏弱，導(dǎo)致華北寒潮強(qiáng)度較弱。2000年代東亞大型槽脊波動(dòng)加強(qiáng)，有利于阻塞形勢(shì)產(chǎn)生，西路冷空氣通道受阻，同時(shí)，東亞大槽加強(qiáng)使得冷空氣更易由北向南移動(dòng)，因此2000年代華北寒潮冷空氣路徑以偏北為主，寒潮頻次偏少。同時(shí)2000年代阻塞形勢(shì)更易形成，有利于冷空氣堆積、西伯利亞高壓增強(qiáng)，導(dǎo)致華北寒潮強(qiáng)度較強(qiáng)。

（3）2000年代新地島附近（華北寒潮頻次關(guān)鍵區(qū)）秋、冬季海冰較之前顯著減少，導(dǎo)致極區(qū)偏暖，極地渦旋減弱，歐亞大陸中高緯度大型槽脊波動(dòng)加強(qiáng)，繞極區(qū)西風(fēng)帶減弱，導(dǎo)致2000年代偏西路徑華北寒潮頻次減少。同時(shí)，海冰減少導(dǎo)致東亞大槽異常加深，導(dǎo)致2000年代偏北路徑華北寒潮增多。2000年代初巴芬灣附近（華北寒潮強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū)）秋、冬季海冰較之前顯著減少對(duì)應(yīng)華北寒潮強(qiáng)度增加，巴芬灣附近海冰減少可能激發(fā)北美到東亞的遙相關(guān)波列，進(jìn)而導(dǎo)致華北寒潮增強(qiáng)。

本文關(guān)于華北寒潮在1990年代與2000年代兩段時(shí)間的差異及其與海冰的聯(lián)系是基于觀測(cè)資料分析得出的，之后還需要采用數(shù)值模式進(jìn)行關(guān)鍵區(qū)海冰變化的敏感性試驗(yàn)，去進(jìn)一步探討北極海冰變化對(duì)華北寒潮的影響及其物理過程。此外，寒潮是一種具有天氣尺度的過程，而本文僅從年代際差異的角度進(jìn)行了分析，沒有探究寒潮爆發(fā)前的關(guān)鍵環(huán)流信號(hào)和北極海冰變化信號(hào)。因此，在未來(lái)的工作中需要提取每次華北寒潮爆發(fā)前的環(huán)流場(chǎng)以及北極海冰資料去探究這些前期信號(hào)，為寒潮的預(yù)測(cè)提供參考。