華北地區冬季持續性異常低溫事件與大氣低頻振蕩活動的關系

劉櫻,郭品文,馮濤

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室,江蘇 南京 210044;② 浙江省氣候中心，浙江 杭州 310002

華北地區冬季持續性異常低溫事件與大氣低頻振蕩活動的關系

劉櫻①②,郭品文①*,馮濤②

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室,江蘇 南京 210044;② 浙江省氣候中心，浙江 杭州 310002

2015-03-14收稿,2015-06-03接受

國家科技支撐計劃項目(2009BAC51B00)

摘要采用1959—2009年日平均氣溫觀測資料和NCEP/NCAR逐日再分析資料,對華北地區冬季持續性異常低溫事件進行了定義,并在此基礎上統計分析了該區近50 a來冬季持續性異常低溫事件的發生規律及環流特征,然后對華北地區持續性異常低溫事件與大氣低頻振蕩之間的關系進行了研究。研究表明,近50 a來華北地區共出現26次持續性異常低溫事件;環流場上持續性異常低溫過程對應的是烏拉爾山高壓脊的建立、發展、消亡以及東亞大槽的維持、加深、減弱過程;同時,分析發現低頻波動與持續性異常低溫事件密切相關,10～20 d低頻環流場上華北、東北地區上空的低頻氣旋、中西伯利亞的低頻反氣旋,及30～60 d低頻環流場上西西伯利亞附近的低頻反氣旋及日本海附近的低頻氣旋是造成持續性異常低溫事件的重要低頻影響因子,進一步分析發現對流層高層到低層的低頻信號主要是由中高緯向低緯且自西向東傳播,來影響我國華北地區的。

關鍵詞

持續性異常低溫事件

低頻振蕩

環流特征

傳播特征

我國是遭受氣象災害較為頻繁且嚴重的國家之一,特別是近幾年來持續性的、大范圍的異常事件頻頻發生,對人們的日常生活帶來了極大的影響與不便,尤其是2008年冬季我國南方低溫雨雪天氣及2009年華北強冷空氣過程,這些異常事件引起了專家、學者對持續低溫過程濃厚的研究興趣(丁一匯等,2008;高輝等,2008;苗春生等,2010;彭艷等,2010;盧楚翰等,2012)。

大氣低頻振蕩在天氣氣候的演變中扮演了重要的角色,尤其是對階段性、持續性異常/極端事件/高影響事件的發生具有重要作用(丁一匯和梁萍,2010),其主要包括周期為10～20 d和30～60 d左右的季節內變率。20個世紀70年代Yasunari(1979)指出印度夏季降水與熱帶低頻振蕩之間存在密切的聯系。而在對冬半年的研究中,Lau and Lau (1984)認為影響東南亞地區冷涌爆發的大尺度波動可分為高頻(5 d以內)和低頻(5 d以上)兩部分。強寒潮過程及中高緯環流系統則表現出強的10～20 d左右的季節內振蕩(丁一匯,1991;馬曉青等,2008;索渺清等,2008)。但是也有研究指出,我國冬季平均而言30～60 d周期振蕩的貢獻明顯大于10～20 d周期的振蕩(李崇銀,1991;金祖輝和孫淑清,1996)。相繼,很多研究都表明持續性異常事件與大氣低頻振蕩之間有很密切的聯系(陸爾和丁一匯,1996;Whitaker and Weickmann,2001;毛江玉和吳國雄,2005;Zhang et al.,2009)。尤其是持續低溫雨雪事件與大氣低頻振蕩活動更是密切相關(布和朝魯等,2008;馬寧等,2011;朱毓穎和江靜,2013),以及東亞冬季環流季節內低頻振蕩的位相變化能較好地揭示南方降雪過程的異常環流特征(王允等,2008),都再一次說明大氣低頻振蕩與持續性異常事件直接息息相關,大氣低頻振蕩為異常低溫的發生提供了有利的大尺度背景。

本文將試圖從大氣低頻振蕩的角度,來探討華北地區持續性異常低溫事件的變化特征及其規律,并討論其與大氣低頻振蕩之間的關系。

1資料與方法

主要使用1959—2009年中國753站逐日日平均溫度資料(中國氣象局國家氣象信息中心提供),以及1959—2009年NCEP/NCAR逐日再分析資料(Kalnay et al.,1996),包括逐日風場、高度場和溫度資料(水平分辨率均為2.5°×2.5°)。

采用的方法主要有合成分析、非整數波功率譜、Butterworth濾波等。

2華北地區冬季持續性異常低溫事件的特征

2.1站點的選取及持續性異常低溫的定義

從全國753站中提取出華北地區(110～120°E,35～42.5°N)的所有站點,基于站點數據時間序列的長度、連續性以及遷站距離(≤20 km)3個主要條件(翟盤茂和任福民,1997),選取了代表華北地區的48個站點,時間長度為1959—2008年,共50 a冬季的連續觀測數據。

圖1　1959—2008年持續性異常低溫事件年際變化Fig.1　Interannual variation of persistent abnormal low temperature events during 1959 to 2008

參考嚴寒日的定義(于淑秋,2005),將逐日區域日平均溫度小于等于-10.0 ℃的日子定義為低溫日。而對于連續7 d中有5 d或以上為低溫日,且期間只允許連續發生1 d間斷(即日平均氣溫大于-10.0 ℃的日子),則認為該區發生了一次持續性異常低溫過程,其中第一個低溫日為該過程的低溫開始日期,過程結束日期與后續天氣條件有關。如果其后連續的2 d中日平均氣溫均大于-10.0 ℃,則認為該次持續性異常低溫過程結束,結束日期為最后一個日平均氣溫小于-10.0 ℃的日期。

2.2華北地區冬季持續性異常低溫的統計特征

根據以上定義,對1959—2008年華北地區冬季的日平均溫度進行統計,發現:近50 a里出現上述的持續性異常低溫事件共26次,平均每次事件持續時間為7.8 d。且華北地區冬季持續性異常低溫事件具有明顯的年代際變化特征(表略),華北地區冬季持續性異常低溫事件具有明顯的年代際特征,且20世紀90年代前華北地區發生持續性異常低溫事件的次數明顯要多于90年代后,其中以60年代前后(1959—1968年)最為活躍,60年代共發生持續性異常低溫事件11次,達到近50 a的高峰,且這10 a中發生持續性異常低溫事件的天數已占發生總天數的38%;70年代及80年代前后發生持續性異常低溫事件次數及天數都基本穩定;但是到了90年代后持續性異常低溫事件明顯減少,尤其是90年代中發生這種持續性異常低溫事件次數明顯減少,僅為1次;而21世紀后持續性異常低溫事件發生的天數又有所增加。而由持續性異常低溫事件年際變化(圖1)可以看出,持續性異常事件存在明顯的年際變化,以60年代持續性異常低溫事件發生活躍,其中以1967年最為顯著;1985年后持續性異常低溫事件明顯減少,2000年后持續性異常低溫事件又有所增加。可見,60—90年代,持續性異常低溫事件呈先多后少的變化趨勢,其中以90年代持續性異常低溫事件發生次數最少,21世紀后,冬季持續性異常低溫事件又有所增加。

持續性異常低溫事件不但具有明顯的年代際變化特征,且多集中出現在12月21日—1月8日和1月19日—2月8日這兩個時段(圖略),即12月下旬到1月上旬及1月下旬到2月上旬。可見,這兩個時間段應當作為華北地區持續性異常低溫事件發生的重點預報時段,應當給予密切的關注。而其他時間段,很少發生甚至不發生這種持續性異常低溫事件。

2.3華北地區冬季持續性異常低溫環流特征

以往的研究表明,溫度的變化受到大氣環流的直接控制。所以,這里選取了近50 a華北地區冬季26次低溫事件的環流場進行合成,著重分析異常低溫事件發生前后對應的對流層低層到高層環流形勢的變化特征。

圖2　700 hPa合成風場(單位:m/s)和北風風速軸(大于6 m/s,等值線)　　a.低溫發生前6 d;b.低溫發生前3 d;c.低溫發生當天;d.低溫結束日Fig.2　700 hPa synthesis wind field(m·s-1)and north wind belt larger than 6 m·s-1(contours):(a—d) low temperature occurring six days before,three days before,on the start date,and on the end date,respectively

以持續性異常低溫發生的當天作為基準0 d進行合成,這里首先給出了對流層低層700 hPa風場合成。在異常低溫事件發生前,我國華北地區主要受位于鄂霍次克海附近的氣旋影響,及氣旋后部西北氣流的影響。由圖2可以看到,異常低溫事件發生的前6 d起,在烏拉爾山附近新生一個弱的反氣旋形勢,這個新生成的反氣旋在未來的幾天中不斷加強、并且向東移動;而鄂霍茨克海附近的氣旋在這段時間內也不斷加強。隨著烏拉爾山附近反氣旋的東移,反氣旋前部的西北風也在不斷的加大,直接影響了我國的內蒙古、東北、華北地區,較強的西北氣流使冷空氣向南輸送對我國華北地區降溫有直接的影響。從北風風速軸上可以看到,異常低溫發生的前6 d到異常低溫發生日北風風速大值中心從中西伯利亞高原到達內蒙古高原附近,在異常低溫發生日達到最大,相應的風場沿北風風速軸風速不斷加大,并由西北風轉為西北偏北風,到達華北地區北部。可見,低層產生很強的北風和西北風,引起中高緯度冷空氣的南下,導致華北地區出現這種持續性異常低溫天氣。而在異常低溫的結束日,烏拉爾山附近反氣旋、鄂霍茨克海附近的氣旋均減弱,北風風速的大值區也減弱、變小。

下面給出的是對流層中層500 hPa的環流形勢。對流層中層500 hPa是一個相當正壓層,在該層上可以分析出很多重要的系統如中高緯度的阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓、低渦等的位置與強度等要素。這里,仍然以持續性異常低溫發生的當天作為基準0 d,對華北地區冬季持續性異常低溫事件發生前后500 hPa的位勢高度場進行合成(圖略)。與700 hPa風場合成相類似,對流層中層500 hPa高度場上,異常低溫開始前,我國華北地區主要受到鄂霍次克海附近槽的影響,異常低溫事件發生的前6 d,烏拉爾山東側新生高壓脊,在以后的幾天里,高壓脊不斷向東移動,由于溫度場落后于高度場,也使得烏拉爾山附近的高壓脊、及鄂霍次克海附近的槽加強、發展。而在異常低溫事件發生的當天,在鄂霍次克海到我國東北部形成一個閉合低壓,而烏拉爾山附近新生的高壓脊也移至西西伯利亞東部附近,我國華北地區受到這兩個系統的共同影響,未來的幾天中,烏拉爾山附近的高壓脊減弱、東移,我國華北地區主要是受到這個高壓脊的影響。總的來說,對流層中層500 hPa的環流形勢表現的結果基本與低層一致。同樣,分析了對流層高層200 hPa的環流形勢,其與中、低層較為一致,這里就不再贅述。

可見,通過對對流層低、中、高層的環流場分析,發現:持續異常事件發生前期、發生時及發生后期,對應的對流層低層、中層到高層的環流形式基本一致,均為東亞大槽的維持、加強及減弱,及烏拉爾山高壓脊的建立、加強及減弱過程。

3華北地區冬季持續性異常低溫事件與大氣低頻振蕩的關系

3.1華北地區低頻變化特征

為了研究華北地區冬季持續性異常低溫事件與大氣低頻振蕩的關系,給出了華北地區冬季溫度場的振蕩周期。去除空間區域的影響,首先對華北地區1959—2008年冬季逐日日平均氣溫進行EOF分析,由于華北地區日平均溫度第一模態貢獻率較大(均在80%以上),故將各年第一模態的時間序列代表華北地區日平均溫度變化的時間序列,然后對各年第一模態時間序列,做非整數波功率譜分析,并將每年各個周期(非整數)上的功率譜對應的回歸方程的統計量F值以各周期作橫坐標,時間(年)為縱坐標,作二維F值的時間—周期(當F>3.5時,其顯著性是0.05)。從圖3a中可以看出,能通過0.05信度顯著性檢驗的主要周期為10～20 d、30～60 d,其中以30～60 d的振蕩周期較為顯著。而從華北地區冬季對流層低層到高層溫度場的周期(圖3b,c)也可以看出,對流層低層850 hPa溫度場周期變化和站點日平均溫度的周期變化表現的非常一致,從低到高層上溫度場的周期變化,仍存在10～20 d以及30～60 d的變化,并且仍以30～60 d的變化周期為主,這與李崇銀(1991)、金祖輝和孫淑清(1996)的研究成果也是較為一致的。可見,從溫度場上來看華北地區冬季主要以30～60 d的變化為主。

由實際天氣過程可知,經向北風的加大有利于中高緯度冷空氣向華北地區的輸入,從而有利于持續性異常低溫事件的發生,那么在冬季風場上是否也存在周期性的變化,所以這里將繼續討論華北地區冬季v風場的變化周期。仍然采用上述方法,對經向風場做非整數波功率譜分析(圖略),可見,對流層低層到高層經向風場仍以10～20 d以及30～60 d尺度的振蕩周期為主,并且越往高層30～60 d時間尺度的振蕩周期表現的越為明顯。可見,華北地區無論是在溫度場還是經向風場上,30～60 d波動都是顯著存在的,并且是冬季低頻變化的主要周期。

3.2華北地區冬季持續性異常低溫的低頻特征

上面已經討論了華北地區冬季的溫度場和經向風場的變化周期,得到兩者都存在10～20 d以及30～60 d振蕩的現象,然而這種低頻波動與持續性異常事件的爆發是否存在一定的關系呢?由于上述討論僅僅是基于統計特征,為了更詳細的了解大氣低頻波動與持續性異常事件之間的具體關系,下面將用濾波方法進一步討論。

3.2.1低頻波動與持續性異常低溫事件的關系

這里選取持續性異常低溫事件發生的年份,以持續異常低溫事件發生當天作為基準天的第0 d,將溫度場(未濾波)分別向前、后合成30 d;并且以同樣的方法,將濾波后的溫度資料進行合成(圖4)。由圖4可見,持續性異常低溫事件發生前,地面溫度并沒有明顯的大幅波動,但是當持續性異常低溫事件發生時地面溫度明顯降低,發生的當天溫度平均下降5～6 ℃,而這種溫度持續降低的現象也將維持6.5～7 d,這與前面的統計基本一致。而從低頻溫度場上來看,無論是10～20 d還是30～60 d的低頻溫度都對持續異常低溫事件有很大的貢獻,其中,10～20 d濾波的低頻溫度在事件發生時溫度平均下降1.9 ℃左右,而30～60 d濾波的低頻溫度則平均下降2.4 ℃左右,可見30～60 d時間尺度溫度場的低頻波動對實際天氣作用大于10～20 d低頻波動,但是兩者的共同貢獻占了實際下降溫度的78%,由此可見低頻溫度場的波動對實際溫度的變化有非常大的影響,故而它與持續性異常事件之間也有非常密切的聯系。

圖3　1959—2008年華北地區冬季溫度場主要周期的變化(陰影區表示通過0.05信度的顯著性檢驗)a.日平均溫度;b.850 hPa;c.200 hPaFig.3　Change in the main cycles for the temperature field in North China in winter during 1959 to 2008(shaded areas indicate statistical significance at the 0.05 level):(a)daily temperature;(b)850 hPa;(c)200 hPa

圖4　華北地區低溫事件發生前30 d及發生后30 d(包括發生當天)溫度場及其同期低頻溫度(10～20及30～60 d)時間序列(直線表示地面溫度值;虛線表示10～20 d濾波后的低頻溫度值;點線表示30～60 d濾波后的低頻溫度值)Fig.4　The temperature field 30 days before and after(including occurrence on the same day) persistent low temperature in North China,and the low-frequency(10—20 days and 30—60 days) temperature time series in the same period(solid line represents the actual temperature;dashed line indicates the 10—20-day low-frequency temperature after filtering;dotted line indicates the 30—60-day low-frequency temperature after filtering)

由于經向風場對持續性異常低溫的發生有密切的聯系,那么低頻經向風場的波動是否對其有同樣的影響呢,下面對低頻經向風場與溫度場的時間序列作同樣分析(圖略)。低頻經向風場v和持續性異常低溫事件關系也十分密切。在持續性異常低溫事件發生時,低頻經向風場的波動異常加大。在實際的天氣過程中,當持續性異常事件發生時對應有北風風量的異常加大,因為北風風場的異常加大有利于將中高緯度的冷空氣直接輸送到華北地區,從而有利于持續性異常低溫事件的爆發。而在3.1節中已經證明對于華北地區來說,經向風場上存在10～20 d、30～60 d的振蕩周期,而低頻風場與實際溫度場的時間序列同樣說明了,經向風場上這兩種時間尺度波動對持續性異常低溫事件爆發之間有密切的關系,持續性異常低溫事件爆發時伴隨著低頻經向風場波動的異常加大。可見,低頻經向風的異常加大是導致持續性異常低溫事件的一個重要因素。

圖5　700 hPa合成低頻風場(單位:m/s)　　a.低溫發生前6 d;b.低溫發生前3 d;c.低溫發生當天;d.低溫結束日Fig.5　700 hPa synthesis low-frequency wind field (units:m·s-1):(a—d) low temperature occurring six days before,three days before,on the start date,and on the end date,respectively

3.2.2低頻環流特征

既然大氣的低頻活動對持續性異常低溫事件的發生有密切的聯系,那么在持續性異常低溫事件發生時,所對應的低頻環流場上又有怎樣的表現呢?下面,利用濾波資料,繼續討論10～20 d、30～60 d的低頻環流特征。

3.2.2.110～20 d低頻環流特征

首先分析10～20 d低頻環流特征。這里仍然選取與實際天氣圖中相同的層次對流層700 hPa,以持續性異常低溫事件為基礎,以爆發的第一天作為基準天進行合成。由圖5可見,在持續性異常低溫事件發生的前6 d,在烏拉爾山以西的東歐平原附近存在一個低頻反氣旋,西西伯利亞平原附近有一個低頻氣旋,而渤海附近則存在一個低頻反氣旋中心,此時從低頻系統上看我國華北地區主要受到渤海附近低頻反氣旋后部的偏南氣流的影響。隨后東歐平原附近的低頻反氣旋不斷東移增強,而西西伯利亞平原附近的氣旋在向東南移動的過程中不斷減弱,渤海附近的反氣旋東移過程中有所增強。直至異常低溫事件發生時,東歐平原的低頻反氣旋已移至中西伯利亞附近,西西伯利亞平原附近的低頻氣旋移至我國東北、華北上空,我國華北地區明顯受到這個低頻氣旋后部的偏北氣流及中西伯利亞附近強大的低頻反氣旋系統前部的偏北氣流共同影響,可見這兩個低頻系統10～20 d時間尺度上對持續性異常低溫事件的爆發有直接影響的關鍵系統。同時可以看到在風場上,持續性異常低溫事件發生當天,低頻風場有明顯加強,這同之前的分析較為一致。

3.2.2.230～60 d低頻環流特征

圖6　700 hPa合成低頻風場(單位:m/s)　　a.低溫發生前6 d;b.低溫發生前3 d;c.低溫發生當天;d.低溫結束日Fig.6　700 hPa synthesis low-frequency wind field(units:m·s-1):(a—d)low temperature occurring six days before,three days before,on the start date,and on the end date,respectively

對于30～60 d時間尺度的低頻環流場,仍采用上述方法對對流層低層700 hPa的低頻風場進行合成,并得到以下結果:在持續性異常低溫過程發生前6 d時,可以看到烏拉爾山以西存在一個強大的低頻反氣旋中心,蒙新高地存在一個低頻氣旋中心,鄂霍次克海到日本海附近有一個低頻氣旋中心,華北地區受到由我國南部輸送來的偏南低頻氣流的影響。而在未來的幾天中,烏拉爾山以西的低頻反氣旋不斷增強并且緩慢東移,蒙新高地附近低頻氣旋減弱東移,鄂霍次克海附近的低頻氣旋向西南移動,在持續性異常低溫事件發生時移至日本海附近。從圖6中可見,烏拉爾山以西的低頻反氣旋在持續性異常低溫事件發生的當天達到異常的強大,伴隨的反氣旋前部的經向北風也異常增大,使得由中高緯度輸送到華北地區的冷空氣增加,這與持續性異常低溫事件的發生有密切的聯系。而在持續性異常低溫事件結束的當天,這個低頻反氣旋明顯減弱,可見烏拉爾山以西的低頻反氣旋以及日本海附近的低頻氣旋是造成持續性異常低溫事件發生的重要低頻系統。

3.2.3低頻渦度場的傳播特征

圖7　10～20 d低頻渦度場沿37.5°N的時間—經度剖面(a,b)及10～20 d低頻渦度場沿115°E的時間—緯度剖面(c,d)(陰影區表示負渦度,單位:10-6s-1)　　a,c.700 hPa;b,d.200 hPaFig.7　The (a,b)longitude-time sections along 37.5°N and (c,d)latitude-time sections along 115°E for the low-frequency component of the (a,c)700 hPa and (b,d)200 hPa vortex(shaded areas indicate negative vorticity;units:10-6 s-1)

為了尋找影響華北地區持續性異常低溫事件的大氣低頻系統的傳播特征,下面分別給出低頻渦度場沿經、緯度的傳播。這里對華北地區異常低溫過程發生前30 d及發生后的10 d進行合成,從時間—經度剖面看,對應中低層(圖7a),10～20 d正低頻渦度系統從地中海附近自西向東傳入我國華北地區并且在隨后的幾天中不斷向東傳播。這個正低頻渦度中心在異常低溫開始時前3 d左右維持在華北地區上空,而在此之前的5～6 d華北地區則受到負低頻渦度影響;而高層(圖7b),持續性異常低溫開始前10 d,華北地區則一直處于自西向東傳的負低頻渦度系統中,高層系統的斜壓性非常強,持續性異常低溫開始后,則處于正渦度系統中,該渦度系統是前12 d左右自地中海附近自西向東傳來的,和低層一致。時間—緯度剖面顯示異常低溫過程中低層(圖7c)正渦度系統由泰梅爾半島附近向南傳播到華北地區,表現出渦度系統由高緯向南傳播過程;而高層(圖7d)與中低層結果基本一致。這些結果說明,從時間—經度剖面圖看,低頻渦度系統是自西向東傳播,高層比較明顯;而時間—緯度剖面上表示,高低層一致表現為低頻渦度系統從中高緯向低緯度傳播。

同樣,對于30～60 d的低頻渦度場也做了相同的處理,結果表明:華北地區異常低溫過程發生前30 d及發生后的10 d,對應中低層(圖8a)負渦度系統沿北大西洋東側自西向東傳入80～90°E附近有所減弱,在持續性異常事件發生當天影響華北地區上空。正渦度中心在異常低溫開始前一直控制華北地區上空;而高層200 hPa(圖8b)上,持續性異常低溫開始前18 d,華北地區處于自西向東傳的負渦度系統中,高層系統的斜壓性也非常強,持續性異常低溫開始后,華北地區則處于北大西洋東側正渦度系統中。由時間—緯度剖面可以看出,異常低溫過程中低層700 hPa(圖8c)上負渦度系統由中高緯蒙古高原東側向南傳播到華北地區,正渦度系統由高緯向南傳播;而高層200 hPa(圖8d)與中低層基本一致。這些結果說明,華北地區低頻環流系統是呈斜壓性的,并且從時間—經度剖面看,從對流層高層到低層低頻渦度系統是自西向東傳播的,尤其在高層比較明顯,且由時間—緯度剖面圖高低層一致表現為低頻渦度系統從中高緯向低緯度傳播,可見這樣的低頻系統對華北地區異常低溫過程的發生起到了重要作用。

圖8　30～60 d低頻渦度場沿37.5°N的時間一經度剖面(a,b)及30～60 d低頻渦度場沿115°E的時間一緯度剖面(c,d) (陰影區表示負渦度;單位:10-6s-1)　　a,c.700 hPa;b,d.200 hPaFig.8　The (a,b)longitude-time sections along 37.5°N and (c,d)latitude-time sections along 115°E for the low-frequency component of the (a,c)700 hPa and (b,d)200 hPa vortex(shaded areas indicate negative vorticity;units:10-6 s-1)

4結論

1)1959—2009年中,冬季華北地區共出現26次持續性異常低溫事件,且具有明顯的年代際變化特征,20世紀60—90年代,持續性異常低溫事件呈先多后少的變化趨勢,以60年代最為活躍,90年代持續性異常低溫事件發生次數最少,21世紀后,冬季持續性異常低溫事件又有所增加。持續性異常低溫事件多集中出現在兩個時間段內,即12月下旬到1月上旬、及1月下旬到2月上旬,可見這是預報冬季持續性異常低溫事件的關鍵時段。

2)華北地區冬季持續性異常低溫事件的發生伴隨環流場上的調整,在對持續性異常低溫事件發生前后的環流特征分析后,發現:持續性異常事件發生前期、發生時及發生后期,對應的對流層低層、中層到高層的環流形式一致,為東亞大槽的維持、加強及減弱,及烏拉爾山高壓的建立、加強及減弱過程。

3)華北地區冬季持續性異常低溫事件與大氣低頻環流場的變化密切相關。在持續性異常低溫事件發生時,10～20 d低頻環流場上表現為華北、東北地區上空的低頻氣旋、中西伯利亞的低頻反氣旋;而30～60 d低頻環流場上表現西西伯利亞附近的低頻反氣旋及日本海附近的低頻氣旋,可見這些低頻系統是造成持續性異常低溫事件爆發的重要低頻系統。從時間剖面圖上可以看到,兩種時間尺度上的波動均是自西向東從中高緯度向低緯傳播,來影響我國華北地區的,且高層比低層更為顯著。

參考文獻(References)

布和朝魯,紀立人,施寧.2008.2008年初我國南方雨雪低溫天氣的中期過程分析I:亞洲副熱帶急流低頻波[J].氣候與環境研究,13(4):419-433.Bueh C L,Ji L R,Shi N.2008.On the medium-range process of the rainy,snowy and cold weather of South China in early 2008 PartⅠ:Low-frequency waves embedded in the Asian-Afrian subtropical jet[J].Climatic Environ Res,13(4):419-433.(in Chinese).

丁一匯.1991.東亞寒潮冷空氣的傳播和行星尺度作用[J].應用氣象學報,2(2):124-132.Ding Y H.1991.The propagation of the winter monsoon during cold air outbreaks in East Asia and the associated planetary-scale effect[J].Quarterly Journal of Applied Meteorology,2(2):124-132.(in Chinese).

丁一匯,梁萍.2010.基于MJO的延伸預報[J].氣象,36(7):111-122.Ding Y H,Liang P.2010.Extended range forecast basing on MJO[J].Meteor Mon,36(7):111-122.(in Chinese).

丁一匯,王遵婭,宋亞芳,等.2008.中國南方2008年1月罕見低溫雨雪冰凍災害發生的原因及其與氣候變暖的關系[J].氣象學報,66(5):808-825.Ding Y H,Wang Z Y,Song Y F,et al.2008.Causes of the unprecedented freezing disaster in January 2008 and its possible association with the global warming[J].Acta Meteorologica Sinica,66(5):808-825.(in Chinese).

高輝,陳麗娟,賈小龍,等.2008.2008年1月我國大范圍低溫雨雪冰凍災害分析II:成因分析[J].氣象,34(4):101-106.Gao H,Chen L J,Jia X L,et al.2008.Analysis of the severe cold surge,ice-snow and frozen disasters in South China during January 2008:Ⅱ.Possible climatic causes[J].Meteor Mon,34(4):101-106.(in Chinese).

金祖輝,孫淑清.1996.東亞大陸冬季風的低頻振蕩特征[J].大氣科學,20(1):101-111.Jin Z H,Sun S Q.1996.The characteristics of low frequency oscillations in winter monsoon over the eastern Asia[J].Scientia Atmospherica Sinica,20(1):101-111.(in Chinese).

Kalnay E,Kanamitsu M,Kistler R,et al.1996.The NCAR/NCEP 40-year reanalysis project[J].Bull Amer Meteor Soc,77(3):437-471.

Lau N C,Lau K M.1984.The structure and energetics of midlatitude disturbances accompanying cold-air outbreaks over East Asia[J].Mon Wea Rev,112(7):1309-1327.

李崇銀.1991.30～60天大氣振蕩的全球特征[J].大氣科學,15(3):66-76.Li C Y.1991.Global characteristics of 30—60 day atmospheric oscillation[J].Chin J Atmos Sci,15(3):66-76.(in Chinese).

盧楚翰,王蕊,秦育婧,等.2012.平流層異常下傳對2009年12月北半球大范圍降雪過程的影響[J].大氣科學學報,35(3):304-310.Lu C H,Wang R,Qin Y J,et a1.2012.Effect of stratospheric downward propagation on the large-scale snowfall of Northern Hemisphere in December 2009[J].Trans Atmos Sci,35(3):304-310.(in Chinese).

陸爾,丁一匯.1996.1991年江淮特大暴雨與東亞大氣低頻振蕩[J].氣象學報,54(5):730-736.Lu E,Ding Y H.1996.Low frequency oscillation in East Asia during the 1991 excessively heavy rain over ChangJiang-Huaihe river basin[J].Acta Meteorologica Sinica,54(5):730-736.(in Chinese).

毛江玉,吳國雄.2005.1991年江淮梅雨與副熱帶高壓的低頻特征[J].氣象學報,63(5):762-770.Mao J Y,Wu G X.2005.Intraseasonal variability in the Yangtze-Huaihe river rainfall and subtropical high during the 1991 Meiyu period[J].Acta Meteorologica Sinica,63(5):762-770.(in Chinese).

馬寧,李躍鳳,琚建華.2011.2008年初中國南方低溫雨雪冰凍天氣的季節內振蕩特征[J].高原氣象,30(2):318-327.Ma N,Li Y F,Ju J H.2011.Intra seasonal oscillation characteristics of extreme cold,snowy and freezing rainy weather in early 2008[J].Plateau Meteorology,30(2):318-327.(in Chinese).

馬曉青,丁一匯,徐海明,等.2008.2004/2005年冬季強寒潮事件與大氣低頻波動關系的研究[J].大氣科學,32(2):380-394.Ma X Q,Ding Y H,Xu H M,et al.2008.The relation between strong cold waves and low-frequency waves during the winter of 2004/2005[J].Chin J Atmos Sci,32(2):380-394.(in Chinese).

苗春生,趙瑜,王堅紅.2010.080125南方低溫雨雪冰凍天氣持續降水的數值模擬[J].大氣科學學報,33(1):25-33.Miao C S,Zhao Y,Wang J H.2010.Numerical simulation of 08125 cold air,freeing rain and snow in southern China[J].Trans Atmos Sci,33(1):25-33.(in Chinese).

彭艷,王釗,劉安麟,等.2010.2008年1月中國南部低溫雨雪冰凍天氣特征及其與東亞大氣環流異常探討[J].大氣科學學報,33(5):634-10.Peng Y,Wang Z,Liu A L,et a1.2010.Characteristics of the freezing rain/heavy snow process in South China and the anomalies of atmospheric circulation over East Asia in January 2008[J].Trans Atmos Sci,33(5):634-640.(in Chinese).

索渺清,丁一匯,王遵婭.2008.冬半年南支西風中Rossby波傳播及其與南支槽形成的關系[J].應用氣象學報,19(6):731-740.Suo M Q,Ding Y H,Wang Z Y.2008.Relationship Between Rossby wave propagation in southern branch of westerlies and the formation of the southern branch trough in wintertime[J].J Appl Meteor Sci,19(6):731-740.(in Chinese).

王允,張慶云,彭京備.2008.東亞冬季環流季節內振蕩與2008年初南方大雪關系[J].氣候與環境研究,13(4):459-467.Wang Y,Zhang Q Y,Peng J B.2008.Relationship between the intraseasonal oscillation of east Asian monsoon circulation and the heavy snow over southern China in boreal winter of 2007/2008[J].Climatic Environ Res,13(4):459-467.(in Chinese).

Whitaker J S,Weickmann K M.2001.Subseasonal variations of tropical convection and week two prediction of wintertime western North American rainfall[J].J Climate,14:3279-3288.

Yasunari T.1979.Cloudiness fluctuations associated with the Northern Hemisphere summer monsoon[J].J Meteor Soc Japan,57:227-242.

于淑秋.2005.近50年我國日平均氣溫的氣候變化[J].應用氣象學報,16(6):787-793.Yu S H.2005.The Chang of daily temperature during recent 50 years in China[J].J Appl Meteor Sci,16(6):787-793.(in Chinese).

翟盤茂,任福民.1997.中國近四十年最高最低溫度變化[J].氣象學報,55(4):418-429.Zhai P M,Ren F M.1997.On changes of China’s maximum and minimum themperatures in the recent 40 years[J].Acta Meteorologica Sinica,55(4):418-429.(in Chinese).

朱毓穎,江靜.2013.中國冬季持續性低溫事件的低頻特征以及中低緯大氣低頻振蕩對其的影響[J].熱帶氣象學報,29(4):649-655.Zhu Y Y,Jiang J.2013.The intraseasonal characteristics of wintertime persistent cold anomaly in China and the role of low frequency oscillation in the low latitude and midlatitude [J].J Trop Meteor,2013,29(4):649-655.(in Chinese).

Zhang L N,Wang B Z,Zeng Q C.2009.Impact of the Madden-Julian oscillation on summer rainfall in Southeast China[J].J Climate 22:201-215.

In recent years,a wide range of abnormal weather events have been occurring frequently in China,imposing considerable impacts on people’s daily lives.For example,the severe winter in South China in 2008 and the strong cold air over North China in 2009.These abnormal events have generated great interest among experts and scholars.A large body of research shows that the evolution of the atmospheric low-frequency oscillation in the weather and climate plays an important role.Building upon this previous research,the present paper attempts to discuss the characteristics and regularity of continuous abnormal events in North China,as well as the relationship with atmospheric low-frequency oscillations.

Based on 1959—2009 NCEP/NCAR daily reanalysis data and daily observed temperature data in China,we begin by defining persistent abnormal low temperature.When the average air temperature is less than or equal to -10 ℃ for five to seven consecutive days or more,with only 1 day of discontinuity permitted,we argue that the region is subject to a persistent abnormal low temperature process.At the same time,the first day of the continuous low temperature process is defined as the start date,and similarly,the end day is the last day of the average temperature being less than -10 ℃.On the basis of this definition,the characteristics of winter persistent abnormal low temperature events in North China are studied.Then,the main relationships between winter persistent abnormal low temperature in North China and atmospheric low-frequency oscillation activities are discussed.

A regular pattern is found insofar as,during 1959—2008,persistent abnormal low temperature processes occurred 26 times in North China,featuring obvious interdecadal variation characteristics.During the 1960s to 1990s,persistent abnormal low temperature events were more frequent than at other times.However,there was a rising trend after 2000.Importantly,persistent abnormal low temperature events were focused in two periods,late December to early January and late January to early February,which could be key for extended-range forecasting.

Previous research has pointed out that atmospheric low-frequency oscillations bear a close relationship with abnormal events,playing an especially important role in periodic,continuous abnormal extreme events and high impact events.It provides the background field for such abnormal events,whilst at the same time,the occurrence of persistent abnormal low temperature events usually takes place through adjustment of the circulation field.By analyzing the processing of persistent abnormal low temperature events,we found that the structure from the upper troposphere to the lower troposphere is consistent,corresponding to the establishment of a ridge of high pressure in the Ural Mountains,followed by its development and demise,and the maintenance,deepening and weakening of the East Asian trough.

Meanwhile,persistent abnormal low temperature events in North China are closely related to the change in the atmospheric low-frequency circulation field.Though a series analysis,we find that both 10—20-day and 30—60-day low-frequency activities influence persistent abnormal low temperature events greatly.When persistent abnormal events happened,a 10—20-day low-frequency cyclone occurs in Northeast and North China,and an interim one in the central Siberian Plateau.Meanwhile,an anticyclone near the western Siberian Plateau and a cyclone near the Sea of Japan are the important 30—60-day low-frequency systems caused by persistent abnormal low temperature events.

persistent abnormal low temperature events;low-frequency oscillation;characteristics of atmospheric circulation;propagation characteristic

(責任編輯：張福穎)

The relationship between winter persistent abnormal low temperature in North China and atmospheric low-frequency oscillation activities

LIU Ying1,2,GUO Pinwen1,FENG Tao2

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2ZhejiangClimateCenter,Hangzhou310002,China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150314053

引用格式:劉櫻,郭品文,馮濤.2016.華北地區冬季持續性異常低溫事件與大氣低頻振蕩活動的關系[J].大氣科學學報,39(3):370-380.

LiuY,GuoPW,FengT.2016.TherelationshipbetweenwinterpersistentabnormallowtemperatureinNorthChinaandatmos-phericlow-frequencyoscillationactivities[J].TransAtmosSci,39(3):370-380.doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150314053.(inChinese).

*聯系人，E-mail:guo@nuist.edu.cn