東北地區寒潮特征及與影響因子關系的年代際變化

李 菲，李 輯，林 蓉*，房一禾，胡春麗，秦美歐，王小桃，沈玉敏

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

0 引言

寒潮天氣過程是一種大規模的強冷空氣過程，其主要特點是降溫和大風，有時還伴有雨、雪、雨凇或霜凍［1-4］。嚴重的寒潮天氣過程可以對漁牧業、交通業、畜牧業和農耕行業造成影響，對國民經濟生產、人們日常生活造成嚴重影響。

東北地區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［5-6］。隨著全球變暖，東北地區寒潮發生的頻數也呈現減少趨勢［7-11］，這與全國寒潮頻次減少的趨勢一致［12-13］。東北地區寒潮頻次的減少具有年代際變化特點，20世紀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）對東亞寒潮的暴發頻次和強度都有重要影響，AO負位相易誘發中國東部寒潮發生［15-18］；冬季西伯利亞高壓與中國寒潮頻次呈顯著的正相關，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指數異常偏低時，西伯利亞高壓和東亞冬季風偏強，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，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系具有調制作用［21］。

目前，東北地區寒潮變化特征及影響因子的研究已十分豐富，東北地區寒潮頻次與全國寒潮的變化趨勢一致，但東北地區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，東北地區寒潮在20世紀90年代有所增多且在21世紀減少明顯，而全國寒潮在20世紀80～90年代銳減［9，13］。本文主要針對東北地區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寒潮大氣環流影響因子的轉變及PDO這一年代際背景對東北地區寒潮頻次和影響因子關系的調制作用。

1 資料和方法

本文所用資料來源于沈陽區域氣候中心提供的東北地區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項氣候系統監測指數集；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研究中心和美國國家環境預報中心（NCEP/NCAR）共同完成；北極濤動和北大西洋濤動指數采用NOAA提供的1961年1月～2020年12月的逐月指數資料。

2 寒潮定義標準

單站寒潮根據中華人民共和國國家標準GB/T 21987—2017 《寒潮等級》 規定的寒潮劃分標準［22-23］，按照受寒潮影響的某地在一定時間內日最低氣溫降溫幅度和日最低氣溫值2個指標來具體劃分寒潮等級，把24 h內降溫幅度≥8 ℃，或48 h內降溫幅度≥10 ℃，或72 h內降溫幅度≥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單站寒潮過程展開研究。

統計發現，寒潮出現時間一般為秋冬、冬春2個時段，所以本文寒潮統計時段為當年9月1日至次年5月31日，共59年的寒潮頻次序列。

3 東北地區寒潮特征

依據單站寒潮定義標準統計東北地區各站逐年的寒潮頻次序列，并進行EOF分析，發現第一模態解釋了總方差的39.9%，從東北地區寒潮頻次EOF1的空間分布（圖1a）可以看出，東北地區寒潮暴發主要是全區一致發生的。時間系數序列（圖1b）顯示，東北地區寒潮頻次呈現明顯下降趨勢，減少趨勢為1.9次/10 a，達到95%置信度檢驗，時間系數11年滑動平均后發現，東北地區寒潮頻次階段性變化明顯，結合東北地區寒潮頻次M-K突變檢驗結果（圖2）來看，寒潮頻次突變發生在1974年，所以參照突變點和已有對東北地區寒潮變化特點［24-25］，將東北地區寒潮頻次分為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 東北地區寒潮頻次EOF第一模態空間分布

圖2 東北地區寒潮頻次M-K檢驗

統計東北地區寒潮頻次逐月演變情況（圖3）發現，寒潮頻次在當年9月至次年5月每月都有寒潮過程出現，寒潮過程主要集中出現在當年11月至次年2月，也是寒潮高發時段，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）。研究還發現除冬季以外，秋季寒潮暴發次數要高于春季，秋季寒潮頻次5.9次/季，而春季為3.9次/季。周期分析發現（圖4），東北地區寒潮頻次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年前后出現了一個4～6年左右周期，并通過顯著性檢驗。

圖3 東北地區寒潮頻次逐月演變情況

圖4 東北地區寒潮頻次小波分析

4 東北地區寒潮影響因子年代際變化

上述分析發現，東北地區寒潮暴發的集中期是秋末（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。東亞地區冷高壓勢力開始增強，海平面氣壓場上出現類似冬季的環流分布，但是各活動中心勢力都還較弱，冬季風開始建立，直至11～12月間冬季風完全建立，東北地區逐步受北風控制。本文將針對東北地區寒潮頻發的11月至次年2月（以下簡稱寒潮高發時段）的環流特征進行分析。

為了找出東北地區寒潮暴發的影響因子及其年代際變化情況，依據東北地區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域位于西伯利亞高壓地區以及北極地區。在寒潮頻次偏多期（圖5a）北極地區受位勢高度正異常控制，歐亞中高緯地區為位勢高度負異常，表現為AO正位相模態，極地冷空氣易向南擴散影響中高緯度地區；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，歐亞中高緯地區位勢高度負異常減弱，冷空氣蜷縮在極地地區不易南下，西伯利亞高壓強度偏弱；迅速減少期（圖5c）極地位勢高度正異常中心偏向東半球，西伯利亞高壓強度略增強。

圖5 1961～2019年寒潮頻發期平均的海平面氣壓距平合成場

將東北地區寒潮頻次EOF1時間序列分別與AO指數和西伯利亞高壓指數進行滑動相關，可以體現出AO位相和西伯利亞高壓對東北地區寒潮頻次影響的變化情況，這里西伯利亞高壓強度指數ISH選取（40°～60°N，80°～120°E）區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、西伯利亞高壓強度指數與東北地區寒潮頻次的相關關系表現出了明顯的年代際變化趨勢，IAO（圖6a）與寒潮頻次的關系在1980s中期至1990s中期為正相關，1990s中期后轉為負相關；ISH（圖6c）與東北地區寒潮的關系在1977年以前和1996年以后為正相關，且在1990s后期和2000s初期達到0.05置信度檢驗，而在1978～1995年間為負相關。對比東北地區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以正相關為主、與西伯利亞高壓強度呈負相關；迅速減少期寒潮頻次與以AO負相關為主、與西伯利亞高壓強度呈正相關。

AO正位相時，西伯利亞高壓減弱，阿留申低壓加強，東亞冬季風強度偏弱［26-28］，東北地區冬季氣溫偏高［29］，寒潮頻次減少；反之，東北地區寒潮頻次增加。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，西伯利亞高壓強度減弱，可以很好地解釋振蕩減少期東北地區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寒潮頻次迅速減少的原因，還需進一步分析其影響機制。

圖6 1961～2019年寒潮頻發期東北地區寒潮頻次EOF1時間系數與同期AO指數、SH指數的相關關系

同樣，對比分析1961～2019年寒潮頻發期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對流層中高層主要異常區域位于北大西洋上空和貝加爾湖地區，NAO表現為負位相，貝加爾湖南部至東亞大槽區域位勢高度負異常顯著；寒潮振蕩減少期（圖7b）北極地區受位勢高度負異常控制，影響顯著區域位于貝加爾湖西部地區；迅速減少期（圖7c）北極地區受位勢高度正異常控制，貝加爾湖附近受較弱位勢高度負異常控制，貝加爾湖東部至東亞大槽區域位勢高度負異常，烏拉爾山阻塞高壓偏強但位置偏北。

圖7 1961～2019年寒潮頻發期平均的500 hPa高度合成場

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

對比分析發現，東北地區寒潮頻次3個階段都與NAO關系密切（圖8a），寒潮頻次偏多期寒潮頻次與NAO呈負相關，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，兩者關系為較好的正相關，并在1980s通過0.05顯著性檢驗，振蕩減少期后期兩者關系轉為負相關，迅速減少期東北地區寒潮頻次與NAO以正相關為主，但只在初期通過顯著性檢驗；貝加爾湖關鍵區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寒潮頻次與ILB呈現顯著的正相關，在寒潮頻次偏多期和迅速減少期兩者均為負相關，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較一致的負相關關系，2010s后期開始轉為正相關并通過顯著性檢驗。

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

圖8 1961～2019年寒潮頻發期東北地區寒潮頻次EOF1時間系數與同期NAO的相關關系

通過上述分析發現，無論是東北地區寒潮頻次還是大氣環流影響因子都在1970s中期前后發生轉變，這一轉變時間與PDO位相轉變時間較為一致，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氣候的年代際變化［34］。已有研究指出，PDO指數在1976/1977年發生突變，由冷位相轉變為暖位相，21世紀以來PDO出現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氣壓異常加強，北美西部氣壓異常偏低，表現為PNA遙相關分布，西伯利亞高壓增強，東亞大槽有所加強，東北地區氣溫偏低；PDO暖位相時則相反。對照東北地區寒潮頻次影響因子的年代際變化情況發現，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海平面氣壓位勢高度距平也是顯著異常區域，寒潮頻次偏多期時，PDO為冷位相期，阿留申低壓區域位勢高度正異常，北美西部位勢高度負異常，為PNA遙相關分布，NAO以負位相為主，西伯利亞高壓強度偏強，貝加爾湖附近冷空氣活動頻繁，東亞大槽強度偏強，東北地區寒潮頻次偏多；振蕩減少期時，異常區域分布與寒潮頻次偏多期相反，AO以正位相為主，西伯利亞高壓強度指數減弱，NAO指數升高，西伯利亞高壓強度減弱，貝加爾湖附近位勢高度正異常，東亞大槽強度偏弱，冷空氣勢力減弱，東北地區寒潮頻次減少；在迅速減少期，阿留申地區氣壓又加強，但北美西部地區的異常區域不顯著，PNA遙相關型減弱，各影響因子振蕩加劇，對東北地區寒潮頻次的影響減弱。說明PDO這一年代際背景對東北地區寒潮頻次及其大氣環流影響因子的年代際變化起到調制作用，在不同PDO背景下影響因子及其與東北地區寒潮的影響都發生了年代際的變化。

5 結論與討論

利用1961～2020年東北地區106站逐日最低氣溫資料，梳理了東北地區寒潮頻次年代際變化特征，探討了東北地區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寒潮頻次與其影響因子關系的調制作用，得到以下結論：

（1）東北地區寒潮暴發時主要是全區一致發生的。1961年以來，東北地區寒潮頻次呈現明顯下降趨勢，且階段性變化明顯，東北地區寒潮頻次劃分為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）東北地區寒潮過程主要集中出現在當年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、強寒潮1.3次/月、超強寒潮0.6次/月），其次是12月（寒潮2.6次/月、強寒潮1.2次/月、超強寒潮0.6次/月），除冬季以外，秋季寒潮暴發次數高于春季。20世紀80年代初期至20世紀末期存在2～3年左右周期，2015年前后出現了一個4～6年左右周期。

（3）海平面氣壓場上主要大氣環流影響因子是AO和西伯利亞高壓，AO指數與寒潮頻次的關系在1980s中期至1990s中期為正相關，1990s中期后轉為負相關；西伯利亞高壓強度與東北地區寒潮的關系在1977年以前和1996年以后為正相關，在1978～1995年間為負相關。東北地區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以正相關為主、與西伯利亞高壓強度呈負相關，此階段AO正位相，西伯利亞高壓減弱，阿留申低壓加強，東亞冬季風強度偏弱，東北地區冬季氣溫偏高。

（4）500 hPa高度合成場上主要的影響因子是NAO、貝加爾湖關鍵區和東亞大槽。東北地區寒潮頻次3個階段都與NAO關系密切，寒潮頻次偏多期時，寒潮頻次與NAO呈負相關，此階段NAO負位相，西伯利亞高壓強度偏強，貝加爾湖附近位勢高度負異常，冷空氣活動頻繁，東亞大槽強度偏強，東北地區寒潮頻次偏多；振蕩減少期是NAO影響最顯著的階段，正相關關系明顯，與貝加爾湖關鍵區呈正相關，大氣環流影響機制與寒潮偏多期相反；在迅速減少期寒潮頻次與NAO以正相關為主，后期與東亞大槽呈正相關，NAO指數2010s以后正位相頻次增加，東亞大槽強度減弱，解釋了迅速減少期后期東北地區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寒潮頻次及其大氣環流影響因子的年代際變化起到調制作用，在不同PDO背景下影響因子及其與東北地區寒潮的影響都發生了年代際的變化。寒潮頻次偏多期PDO為冷位相，阿留申低壓區域位勢高度正異常，北美西部位勢高度負異常，為PNA遙相關分布，NAO以負位相為主，西伯利亞高壓強度偏強，貝加爾湖附近冷空氣活動頻繁，東亞大槽強度偏強，東北地區寒潮頻次偏多；在振蕩減少期異常區域分布與寒潮頻次偏多期相反，AO以正位相為主，西伯利亞高壓強度減弱，NAO指數升高，西伯利亞高壓強度減弱，貝加爾湖附近位勢高度正異常，東亞大槽強度偏弱，冷空氣勢力減弱，東北地區寒潮頻次減少；在迅速減少期雖然阿留申地區氣壓又加強，但北美西部地區的異常區域不顯著，PNA遙相關型減弱，各影響因子振蕩加劇，對東北地區寒潮頻次的影響減弱。