李 菲，李 輯，林 蓉*，房一禾，胡春麗，秦美歐，王小桃，沈玉敏

（1.沈陽區(qū)域氣候中心，遼寧 沈陽 110166；2.遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，遼寧 沈陽 110166）

0 引言

寒潮天氣過程是一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣過程，其主要特點是降溫和大風(fēng)，有時還伴有雨、雪、雨凇或霜凍［1-4］。嚴(yán)重的寒潮天氣過程可以對漁牧業(yè)、交通業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)耕行業(yè)造成影響，對國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钤斐蓢?yán)重影響。

東北地區(qū)地處歐亞大陸中高緯度地帶，是我國最易受寒潮影響的地區(qū)［5-6］。隨著全球變暖，東北地區(qū)寒潮發(fā)生的頻數(shù)也呈現(xiàn)減少趨勢［7-11］，這與全國寒潮頻次減少的趨勢一致［12-13］。東北地區(qū)寒潮頻次的減少具有年代際變化特點，20世紀(jì)60～80年代冷空氣頻次呈年代際減弱趨勢［14］。研究指出，北極濤動（Arctic Oscillation, AO）對東亞寒潮的暴發(fā)頻次和強(qiáng)度都有重要影響，AO負(fù)位相易誘發(fā)中國東部寒潮發(fā)生［15-18］；冬季西伯利亞高壓與中國寒潮頻次呈顯著的正相關(guān)，西伯利亞高壓的減弱及其上空低層冷堆溫度的升高是造成中國寒潮減少的原因［13］；北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation, NAO）也是影響冬季氣溫的重要因子，冬季NAO指數(shù)異常偏低時，西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，冬季氣溫偏低［19］；東北冬季氣溫主要影響因子是AO、西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)，年代際尺度上AO是影響東北冬季氣溫的主要因子［20］；北太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO）對冬季氣溫及其影響因子的關(guān)系具有調(diào)制作用［21］。

目前，東北地區(qū)寒潮變化特征及影響因子的研究已十分豐富，東北地區(qū)寒潮頻次與全國寒潮的變化趨勢一致，但東北地區(qū)寒潮頻次變化又具有自身特點，年代際變化特點也有所不同，東北地區(qū)寒潮在20世紀(jì)90年代有所增多且在21世紀(jì)減少明顯，而全國寒潮在20世紀(jì)80～90年代銳減［9，13］。本文主要針對東北地區(qū)寒潮頻次的年代際變化特征展開研究，探討不同年代際背景下東北地區(qū)寒潮大氣環(huán)流影響因子的轉(zhuǎn)變及PDO這一年代際背景對東北地區(qū)寒潮頻次和影響因子關(guān)系的調(diào)制作用。

1 資料和方法

本文所用資料來源于沈陽區(qū)域氣候中心提供的東北地區(qū)106站逐日最低氣溫資料，時間為1961年1月1日～2020年12月31日；國家氣候中心提供的130項氣候系統(tǒng)監(jiān)測指數(shù)集；NCEP/NCAR逐月海平面氣壓場、位勢高度場，時間為1961年1月～2020年12月，水平分辨率為2.5°×2.5°，該資料由美國大氣科學(xué)研究中心和美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP/NCAR）共同完成；北極濤動和北大西洋濤動指數(shù)采用NOAA提供的1961年1月～2020年12月的逐月指數(shù)資料。

2 寒潮定義標(biāo)準(zhǔn)

單站寒潮根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21987—2017 《寒潮等級》 規(guī)定的寒潮劃分標(biāo)準(zhǔn)［22-23］，按照受寒潮影響的某地在一定時間內(nèi)日最低氣溫降溫幅度和日最低氣溫值2個指標(biāo)來具體劃分寒潮等級，把24 h內(nèi)降溫幅度≥8 ℃，或48 h內(nèi)降溫幅度≥10 ℃，或72 h內(nèi)降溫幅度≥12 ℃，且日最低氣溫≤4 ℃定義為一次單站寒潮過程。本文主要針對東北地區(qū)單站寒潮過程展開研究。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，寒潮出現(xiàn)時間一般為秋冬、冬春2個時段，所以本文寒潮統(tǒng)計時段為當(dāng)年9月1日至次年5月31日，共59年的寒潮頻次序列。

3 東北地區(qū)寒潮特征

依據(jù)單站寒潮定義標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計東北地區(qū)各站逐年的寒潮頻次序列，并進(jìn)行EOF分析，發(fā)現(xiàn)第一模態(tài)解釋了總方差的39.9%，從東北地區(qū)寒潮頻次EOF1的空間分布（圖1a）可以看出，東北地區(qū)寒潮暴發(fā)主要是全區(qū)一致發(fā)生的。時間系數(shù)序列（圖1b）顯示，東北地區(qū)寒潮頻次呈現(xiàn)明顯下降趨勢，減少趨勢為1.9次/10 a，達(dá)到95%置信度檢驗，時間系數(shù)11年滑動平均后發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)寒潮頻次階段性變化明顯，結(jié)合東北地區(qū)寒潮頻次M-K突變檢驗結(jié)果（圖2）來看，寒潮頻次突變發(fā)生在1974年，所以參照突變點和已有對東北地區(qū)寒潮變化特點［24-25］，將東北地區(qū)寒潮頻次分為3個階段，分別是1961～1974年為寒潮頻次偏多期、1975～1995年為振蕩減少期，1996～2019年為迅速減少期。

圖1 東北地區(qū)寒潮頻次EOF第一模態(tài)空間分布

圖2 東北地區(qū)寒潮頻次M-K檢驗

統(tǒng)計東北地區(qū)寒潮頻次逐月演變情況（圖3）發(fā)現(xiàn)，寒潮頻次在當(dāng)年9月至次年5月每月都有寒潮過程出現(xiàn)，寒潮過程主要集中出現(xiàn)在當(dāng)年11月至次年2月，也是寒潮高發(fā)時段，其中11月是寒潮頻次最多的月份（2.7次/月），其次是12月（寒潮2.6次/月）。研究還發(fā)現(xiàn)除冬季以外，秋季寒潮暴發(fā)次數(shù)要高于春季，秋季寒潮頻次5.9次/季，而春季為3.9次/季。周期分析發(fā)現(xiàn)（圖4），東北地區(qū)寒潮頻次1970s后期至1980s以及1990s中后期存在2～3年左右周期，1980s存在10～12年左右周期，2015年前后出現(xiàn)了一個4～6年左右周期，并通過顯著性檢驗。

圖3 東北地區(qū)寒潮頻次逐月演變情況

圖4 東北地區(qū)寒潮頻次小波分析

4 東北地區(qū)寒潮影響因子年代際變化

上述分析發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)寒潮暴發(fā)的集中期是秋末（11月）至冬季（12月至次年2月），11月是秋季到冬季的過渡月份，地面上冷空氣勢力開始活躍，冷空氣活動增多。東亞地區(qū)冷高壓勢力開始增強(qiáng)，海平面氣壓場上出現(xiàn)類似冬季的環(huán)流分布，但是各活動中心勢力都還較弱，冬季風(fēng)開始建立，直至11～12月間冬季風(fēng)完全建立，東北地區(qū)逐步受北風(fēng)控制。本文將針對東北地區(qū)寒潮頻發(fā)的11月至次年2月（以下簡稱寒潮高發(fā)時段）的環(huán)流特征進(jìn)行分析。

為了找出東北地區(qū)寒潮暴發(fā)的影響因子及其年代際變化情況，依據(jù)東北地區(qū)寒潮頻次變化的階段特征，分別對寒潮頻次偏多期（1961～1974年）、振蕩減少期（1975～1995年）和迅速減少期（1996～2020年）3個階段的影響因子展開分析。

從1961～2019年寒潮高發(fā)時段3個階段海平面氣壓合成場上來看，3個階段變化明顯的區(qū)域位于西伯利亞高壓地區(qū)以及北極地區(qū)。在寒潮頻次偏多期（圖5a）北極地區(qū)受位勢高度正異?？刂?，歐亞中高緯地區(qū)為位勢高度負(fù)異常，表現(xiàn)為AO正位相模態(tài)，極地冷空氣易向南擴(kuò)散影響中高緯度地區(qū)；振蕩減少期（圖5b）極地位勢高度正異常減弱，極渦中心偏向東半球，歐亞中高緯地區(qū)位勢高度負(fù)異常減弱，冷空氣蜷縮在極地地區(qū)不易南下，西伯利亞高壓強(qiáng)度偏弱；迅速減少期（圖5c）極地位勢高度正異常中心偏向東半球，西伯利亞高壓強(qiáng)度略增強(qiáng)。

圖5 1961～2019年寒潮頻發(fā)期平均的海平面氣壓距平合成場

將東北地區(qū)寒潮頻次EOF1時間序列分別與AO指數(shù)和西伯利亞高壓指數(shù)進(jìn)行滑動相關(guān)，可以體現(xiàn)出AO位相和西伯利亞高壓對東北地區(qū)寒潮頻次影響的變化情況，這里西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)ISH選?。?0°～60°N，80°～120°E）區(qū)域海平面氣壓場位勢高度平均值代表。從圖6可以看出：AO指數(shù)、西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)與東北地區(qū)寒潮頻次的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)出了明顯的年代際變化趨勢，IAO（圖6a）與寒潮頻次的關(guān)系在1980s中期至1990s中期為正相關(guān)，1990s中期后轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)；ISH（圖6c）與東北地區(qū)寒潮的關(guān)系在1977年以前和1996年以后為正相關(guān)，且在1990s后期和2000s初期達(dá)到0.05置信度檢驗，而在1978～1995年間為負(fù)相關(guān)。對比東北地區(qū)寒潮頻次的階段變化來看，振蕩減少期和迅速減少期東北地區(qū)寒潮頻次受AO和西伯利亞高壓共同影響，振蕩減少期寒潮頻次與AO以正相關(guān)為主、與西伯利亞高壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)；迅速減少期寒潮頻次與以AO負(fù)相關(guān)為主、與西伯利亞高壓強(qiáng)度呈正相關(guān)。

AO正位相時，西伯利亞高壓減弱，阿留申低壓加強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度偏弱［26-28］，東北地區(qū)冬季氣溫偏高［29］，寒潮頻次減少；反之，東北地區(qū)寒潮頻次增加。從IAO（圖6b）和ISH（圖6d）的時間變化情況看，IAO具有明顯的上升趨勢，ISH具有下降趨勢，但2個指數(shù)階段性變化較明顯［30-31］，在振蕩減少期，AO以正位相為主，西伯利亞高壓強(qiáng)度減弱，可以很好地解釋振蕩減少期東北地區(qū)寒潮頻次減少的原因，到了迅速減少期，IAO和ISH振蕩加劇，并不能很好地解釋東北地區(qū)寒潮頻次迅速減少的原因，還需進(jìn)一步分析其影響機(jī)制。

圖6 1961～2019年寒潮頻發(fā)期東北地區(qū)寒潮頻次EOF1時間系數(shù)與同期AO指數(shù)、SH指數(shù)的相關(guān)關(guān)系

同樣，對比分析1961～2019年寒潮頻發(fā)期3個階段500 hPa位勢高度合成場，在寒潮偏多期（圖7a）歐亞大陸中高緯度地區(qū)對流層中高層主要異常區(qū)域位于北大西洋上空和貝加爾湖地區(qū)，NAO表現(xiàn)為負(fù)位相，貝加爾湖南部至東亞大槽區(qū)域位勢高度負(fù)異常顯著；寒潮振蕩減少期（圖7b）北極地區(qū)受位勢高度負(fù)異常控制，影響顯著區(qū)域位于貝加爾湖西部地區(qū)；迅速減少期（圖7c）北極地區(qū)受位勢高度正異?？刂?，貝加爾湖附近受較弱位勢高度負(fù)異常控制，貝加爾湖東部至東亞大槽區(qū)域位勢高度負(fù)異常，烏拉爾山阻塞高壓偏強(qiáng)但位置偏北。

圖7 1961～2019年寒潮頻發(fā)期平均的500 hPa高度合成場

將東北地區(qū)寒潮頻次EOF1時間序列分別與NAO指數(shù)、貝加爾湖西部關(guān)鍵區(qū)強(qiáng)度指數(shù)、和東亞大槽強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行11年滑動相關(guān)，其中貝加爾湖關(guān)鍵區(qū)（Key area around Lake Baikal）強(qiáng)度指數(shù)ILB選取（50°～60°N，80°～100°E）區(qū)域500 hPa位勢高度平均值代表；東亞大槽（East Asian Trough）強(qiáng)度指數(shù)IEAT采用國家氣候中心提供的130項環(huán)流指數(shù)代表。

對比分析發(fā)現(xiàn)，東北地區(qū)寒潮頻次3個階段都與NAO關(guān)系密切（圖8a），寒潮頻次偏多期寒潮頻次與NAO呈負(fù)相關(guān)，且在1960s后期通過0.05顯著性檢驗，振蕩減少期中前期是NAO影響最顯著的階段，兩者關(guān)系為較好的正相關(guān)，并在1980s通過0.05顯著性檢驗，振蕩減少期后期兩者關(guān)系轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)，迅速減少期東北地區(qū)寒潮頻次與NAO以正相關(guān)為主，但只在初期通過顯著性檢驗；貝加爾湖關(guān)鍵區(qū)主要影響階段集中在振蕩減少期（圖8c），在這段時期東北地區(qū)寒潮頻次與ILB呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，在寒潮頻次偏多期和迅速減少期兩者均為負(fù)相關(guān)，但沒有通過顯著性檢驗；東亞大槽對寒潮頻次的影響主要凸顯在迅速減少期（圖8e），寒潮頻次偏多期至迅速減少期的初期兩者均呈現(xiàn)較一致的負(fù)相關(guān)關(guān)系，2010s后期開始轉(zhuǎn)為正相關(guān)并通過顯著性檢驗。

NAO與西伯利亞高壓以及冬季風(fēng)的關(guān)系密切，NAO可能通過大氣遙相關(guān)影響西伯利亞高壓進(jìn)而影響冬季風(fēng)及歐亞大陸中高緯度地區(qū)的氣溫［19］。NAO負(fù)位相時，極渦變淺，東亞大槽顯著增強(qiáng)，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，冷空氣不斷南侵［32-33］，東北地區(qū)寒潮頻次偏多，反之NAO正位相時，寒潮頻次偏少。從INAO的時間變化來看，在寒潮頻次偏多期，NAO以負(fù)位相為主（圖8b），西伯利亞高壓強(qiáng)度雖然是減弱的趨勢但在中前期指數(shù)明顯偏強(qiáng)（圖6d），貝加爾湖附近位勢高度負(fù)異常（圖8d），冷空氣活動頻繁，東亞大槽強(qiáng)度偏強(qiáng)（圖8f），東北地區(qū)寒潮頻次偏多；振蕩減少期NAO指數(shù)升高，西伯利亞高壓強(qiáng)度減弱，貝加爾湖附近位勢高度正異常，東亞大槽強(qiáng)度偏弱，冷空氣勢力減弱，東北地區(qū)寒潮頻次減少，這解釋了東北地區(qū)寒潮頻次前2個階段變化的大氣環(huán)流成因，而迅速減少期NAO指數(shù)振蕩加劇，正負(fù)位相轉(zhuǎn)變頻繁，2010s以后正位相頻次增加，東亞大槽強(qiáng)度減弱，解釋了此階段后期東北地區(qū)寒潮頻次迅速減少的成因。

圖8 1961～2019年寒潮頻發(fā)期東北地區(qū)寒潮頻次EOF1時間系數(shù)與同期NAO的相關(guān)關(guān)系

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，無論是東北地區(qū)寒潮頻次還是大氣環(huán)流影響因子都在1970s中期前后發(fā)生轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變時間與PDO位相轉(zhuǎn)變時間較為一致，PDO是一種年代到年代際時間尺度上的氣候變率信號，可造成太平洋及其周邊地區(qū)氣候的年代際變化［34］。已有研究指出，PDO指數(shù)在1976/1977年發(fā)生突變，由冷位相轉(zhuǎn)變?yōu)榕幌啵?1世紀(jì)以來PDO出現(xiàn)冷位相的頻次在增加［35］，在PDO冷位相期，北太平洋阿留申地區(qū)氣壓異常加強(qiáng)，北美西部氣壓異常偏低，表現(xiàn)為PNA遙相關(guān)分布，西伯利亞高壓增強(qiáng)，東亞大槽有所加強(qiáng)，東北地區(qū)氣溫偏低；PDO暖位相時則相反。對照東北地區(qū)寒潮頻次影響因子的年代際變化情況發(fā)現(xiàn)，海平面氣壓場上，寒潮頻次偏多期和振蕩減少期在北美西部和阿留申地區(qū)海平面氣壓位勢高度距平也是顯著異常區(qū)域，寒潮頻次偏多期時，PDO為冷位相期，阿留申低壓區(qū)域位勢高度正異常，北美西部位勢高度負(fù)異常，為PNA遙相關(guān)分布，NAO以負(fù)位相為主，西伯利亞高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)，貝加爾湖附近冷空氣活動頻繁，東亞大槽強(qiáng)度偏強(qiáng)，東北地區(qū)寒潮頻次偏多；振蕩減少期時，異常區(qū)域分布與寒潮頻次偏多期相反，AO以正位相為主，西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)減弱，NAO指數(shù)升高，西伯利亞高壓強(qiáng)度減弱，貝加爾湖附近位勢高度正異常，東亞大槽強(qiáng)度偏弱，冷空氣勢力減弱，東北地區(qū)寒潮頻次減少；在迅速減少期，阿留申地區(qū)氣壓又加強(qiáng)，但北美西部地區(qū)的異常區(qū)域不顯著，PNA遙相關(guān)型減弱，各影響因子振蕩加劇，對東北地區(qū)寒潮頻次的影響減弱。說明PDO這一年代際背景對東北地區(qū)寒潮頻次及其大氣環(huán)流影響因子的年代際變化起到調(diào)制作用，在不同PDO背景下影響因子及其與東北地區(qū)寒潮的影響都發(fā)生了年代際的變化。

5 結(jié)論與討論

利用1961～2020年東北地區(qū)106站逐日最低氣溫資料，梳理了東北地區(qū)寒潮頻次年代際變化特征，探討了東北地區(qū)寒潮頻次影響因子的年代際變化，分析了PDO不同位相對東北地區(qū)寒潮頻次與其影響因子關(guān)系的調(diào)制作用，得到以下結(jié)論：

（1）東北地區(qū)寒潮暴發(fā)時主要是全區(qū)一致發(fā)生的。1961年以來，東北地區(qū)寒潮頻次呈現(xiàn)明顯下降趨勢，且階段性變化明顯，東北地區(qū)寒潮頻次劃分為3個階段，分別是1961～1974年為寒潮頻次偏多期、1975～1995年為振蕩減少期，1996～2019年為迅速減少期。

（2）東北地區(qū)寒潮過程主要集中出現(xiàn)在當(dāng)年11月至次年2月，11月是寒潮頻次最多的月份（寒潮2.7次/月、強(qiáng)寒潮1.3次/月、超強(qiáng)寒潮0.6次/月），其次是12月（寒潮2.6次/月、強(qiáng)寒潮1.2次/月、超強(qiáng)寒潮0.6次/月），除冬季以外，秋季寒潮暴發(fā)次數(shù)高于春季。20世紀(jì)80年代初期至20世紀(jì)末期存在2～3年左右周期，2015年前后出現(xiàn)了一個4～6年左右周期。

（3）海平面氣壓場上主要大氣環(huán)流影響因子是AO和西伯利亞高壓，AO指數(shù)與寒潮頻次的關(guān)系在1980s中期至1990s中期為正相關(guān)，1990s中期后轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)；西伯利亞高壓強(qiáng)度與東北地區(qū)寒潮的關(guān)系在1977年以前和1996年以后為正相關(guān)，在1978～1995年間為負(fù)相關(guān)。東北地區(qū)寒潮頻次振蕩減少期和迅速減少期受AO和西伯利亞高壓共同影響，振蕩減少期寒潮頻次與AO以正相關(guān)為主、與西伯利亞高壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，此階段AO正位相，西伯利亞高壓減弱，阿留申低壓加強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度偏弱，東北地區(qū)冬季氣溫偏高。

（4）500 hPa高度合成場上主要的影響因子是NAO、貝加爾湖關(guān)鍵區(qū)和東亞大槽。東北地區(qū)寒潮頻次3個階段都與NAO關(guān)系密切，寒潮頻次偏多期時，寒潮頻次與NAO呈負(fù)相關(guān)，此階段NAO負(fù)位相，西伯利亞高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)，貝加爾湖附近位勢高度負(fù)異常，冷空氣活動頻繁，東亞大槽強(qiáng)度偏強(qiáng)，東北地區(qū)寒潮頻次偏多；振蕩減少期是NAO影響最顯著的階段，正相關(guān)關(guān)系明顯，與貝加爾湖關(guān)鍵區(qū)呈正相關(guān)，大氣環(huán)流影響機(jī)制與寒潮偏多期相反；在迅速減少期寒潮頻次與NAO以正相關(guān)為主，后期與東亞大槽呈正相關(guān)，NAO指數(shù)2010s以后正位相頻次增加，東亞大槽強(qiáng)度減弱，解釋了迅速減少期后期東北地區(qū)寒潮頻次迅速減少的成因。

（5）PDO這一年代際背景對東北地區(qū)寒潮頻次及其大氣環(huán)流影響因子的年代際變化起到調(diào)制作用，在不同PDO背景下影響因子及其與東北地區(qū)寒潮的影響都發(fā)生了年代際的變化。寒潮頻次偏多期PDO為冷位相，阿留申低壓區(qū)域位勢高度正異常，北美西部位勢高度負(fù)異常，為PNA遙相關(guān)分布，NAO以負(fù)位相為主，西伯利亞高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)，貝加爾湖附近冷空氣活動頻繁，東亞大槽強(qiáng)度偏強(qiáng)，東北地區(qū)寒潮頻次偏多；在振蕩減少期異常區(qū)域分布與寒潮頻次偏多期相反，AO以正位相為主，西伯利亞高壓強(qiáng)度減弱，NAO指數(shù)升高，西伯利亞高壓強(qiáng)度減弱，貝加爾湖附近位勢高度正異常，東亞大槽強(qiáng)度偏弱，冷空氣勢力減弱，東北地區(qū)寒潮頻次減少；在迅速減少期雖然阿留申地區(qū)氣壓又加強(qiáng)，但北美西部地區(qū)的異常區(qū)域不顯著，PNA遙相關(guān)型減弱，各影響因子振蕩加劇，對東北地區(qū)寒潮頻次的影響減弱。