近11年中國寒潮頻發的機理分析

胡宏博,黃艷艷*②,戴金,趙錢飛

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;

② 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海),廣東 珠海 519080;

③ 大連市氣象臺,遼寧 大連 116000

北方寒冷的空氣活動達到一定強度并大規模向南侵襲的過程稱為寒潮。寒潮是冬季的災害性天氣之一,造成劇烈降溫和大風,有時伴隨雨、雪、凍雨、霜凍等一系列天氣現象,常常造成國民經濟的損失并對人民生命財產安全帶來隱患,對我國人民的生產生活產生嚴重影響。寒潮的變化特征及其發生原因一直受到國內外學者的廣泛關注。

寒潮的發生直接受到大尺度環流的控制。有研究指出,寒潮的發生與阻塞形勢密切相關。阻塞高壓持續發展,高壓脊向北抬升,一方面可以打斷中緯度西風帶,有利于北極冷空氣向南輸送(Berggren et al.,1949),另一方面隨著阻塞形勢的破壞以及長波系統的東移,有利于寒潮天氣發生(葉篤正等,1962;娜仁突婭等,2001)。很多因素與阻塞的異常有關。例如平流層環流異常可以通過與對流層阻塞相互作用,影響極渦的位置和強度,進而造成我國寒潮的發生(Baldwin and Dunkerton,1999;陸春暉和丁一匯,2013;黃雯菁和王蕾,2023);北極增暖效應也會通過影響經向溫度梯度使得大氣的斜壓度改變,造成烏拉爾山阻塞的異常,從而對寒潮的發生發展造成影響(Zhang et al.,2021)。然而,統計結果表明,超過50%寒潮的發生并不是由阻塞形勢造成(康志明等,2010;李艷等,2010)。脊前不穩定小槽東移發展,緯向基流中的槽脊在東移過程中的發展以及溫帶氣旋的發生發展等均與寒潮發生有直接的關系(陳豫英等,2009)。

全球變暖背景下,20世紀50年代以來,大多數陸地上的極端冷事件的頻率和強度呈現下降趨勢(IPCC,2021)。已有研究表明,我國的寒潮頻次也不例外,整體上呈現下降趨勢。王遵婭和丁一匯(2006)、錢維宏和張瑋瑋(2007)、蔡倩等(2020)提出,20世紀中葉至21世紀初我國寒潮事件普遍減少;Gao et al.(2019)、李麗平等(2022)指出,我國北方地區寒潮事件的頻率在1960—2016年期間有所下降;朱姜韜等(2022)提出1970—2019年寒潮事件發生頻次整體呈下降趨勢。關鍵大氣環流以及外強迫因子的年代際變化均對寒潮頻次的減少貢獻顯著。例如:西伯利亞高壓和冬季風強度的減弱(王遵婭和丁一匯,2006),北極海冰的減少(武炳義等,1999;解小寒和楊修群,2006),北極濤動以及北大西洋濤動指數正位相偏多(Thompson and Wallace,2000;龔道溢等,2004;Hong et al.,2008;魏鳳英,2008;朱偉軍等,2019)。

值得注意的是,近年來我國發生多次寒潮事件。其中,針對2020年12月28日的寒潮事件,中央氣象臺發布了寒潮橙色預警,全國大部分地區出現了8～12 ℃的降溫,伴隨7～9級大風,從東北到江南都伴隨有雨雪天氣;2021年11月5日中央氣象臺發布了寒潮黃色預警并啟動重大氣象災害(寒潮)Ⅲ級應急響應,九成國土降溫6 ℃以上,11.8億人受影響,造成多地出現低溫冷凍害和雪災,經濟損失巨大,這些極端天氣事件引起了社會各界的高度關注。那么寒潮頻次是否發生了新的年代際變化?這背后的原因又如何?以上問題值得探討。本文利用全國840個站點觀測資料,研究了近63 a(1960—2022年)全國寒潮頻次的年代際變化特征,發現寒潮頻次的下降趨勢在2012發生突變,2012—2022年冬半年的寒潮頻次呈現顯著增加趨勢。本文進一步并通過尋找關鍵環流因子的年代際變化特征,探究了我國近11 a寒潮頻次增加的原因。

1 資料和方法

1.1 資料

本文關注時段為1959—2022年的冬半年(前一年10月至當年4月)。日最低溫度(Tmin)資料來源于全國840個觀測站點(圖1)。同時采用了水平分辨率0.25°×0.25°的ERA5逐日再分析數據,變量包括:地面2 m溫度(T2m),位勢高度場(Φ)和緯向風場(U)。此外,使用了由美國國家環境預報中心和美國大氣科學研究中心(NCAR/NCEP)發布的逐日北極濤動指數(AO)和北大西洋濤動指數(NAO)。(https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/teleconnections.shtml)。

圖1 全國840站的站點分布Fig.1 Distribution of 840 observed stations

1.2 寒潮標準

根據中央氣象臺寒潮預警標準,本文對全國性寒潮定義是:站點最低溫度24 h內下降8 ℃或48 h內下降10 ℃或72 h內下降12 ℃且日最低溫度降至4 ℃以下,視為該站點發生寒潮。當發生寒潮的站點數≥30%全國總站點數,或達單站寒潮標準的南方站點數和北方站點數分別占當年總南方站點數和總北方站點數的1/3和1/4時,視為一次全國性寒潮事件,本文以32°N為南北分界線。

1.3 關鍵環流指數

1.3.1 阻塞高壓指數

為了識別阻高事件,本文選用由Davini et al.(2012)提出的改進T&M指數(Tibaldi and Molteni,1990)。具體表達式如下,其中Z為位勢高度,Φ0代表緯度,為30°～75°N之間的任意緯度:

(1)

(2)

(3)

Φn=Φ0+15°,Φs=Φ0-15°,GHGS表示目標格點向南的經向位勢高度梯度,GHGN表示目標格點向北的經向位勢高度梯度,用GHGS2表示一個更低緯度上的位勢高度梯度,如果滿足下列所有條件,則認為發生阻塞:

1)GHGS>0;

2)GHGN<-10 m/(°);

3)GHGS2<-5 m/(°)。

將冬半年發生阻塞的天數與總天數之比作為阻塞頻率指數,本文中烏拉爾山阻塞高壓頻率指數(UB)采用該指數在30°～90°E、50°～75°N區域的平均,以表示烏拉爾山地區的阻塞頻率。

等熵面位渦經向梯度:

(4)

(5)

(6)

1.3.2 其他相關指數:

本文用巴倫支海地區(30°～90°E,65°～85°N)減去西伯利亞地區(60°～120°E,40°～60°N)的T2m異常得到的指數(Tb-Ts)作為考察溫度經向分布的指標(Zhang et al.,2021)。西伯利亞高壓指數(Siberian High,SH)、平流層極渦指數(Stratospheric Polar Vortex,SPV)、東亞大槽指數(East Asian Trough,EAT)、東亞高空急流(East Asian Jet Stream,EAJS)強度指數(JII)和切變指數(JSI)均采用區域平均方法,對關鍵區內的氣象要素求空間平均。SH關鍵區域為80°～120°E、40°～60°N;SPV關鍵區域為65°N以北的極區;EAT關鍵區域為100°～150°E、50°～75°N;JII關鍵區域為60°～120°E、50°～70°N;JSI關鍵區域為60°～120°E、45°～55°N(南)和60°～120°E、60°～70°N(北),JSI指數通過北關鍵區區域平均減南關鍵區區域平均確定。

1.4 方法

本文所有的異常場定義為某日的氣象要素場相對于1960—2022年該日的氣候平均態的偏差。Monte-Carlo檢驗法是一種利用隨機抽樣或統計模擬來解決計算問題的方法,在本文中應用于合成分析的顯著性檢驗中:將1960—2022年10月—次年4月每天扣除其日平均氣候態的異常作為總體,從這個總體中隨機抽樣18次(近11 a全國性寒潮共發生18次,具體日期見表1),將這18次的平均結果作為一個樣本,共隨機抽取1 000次得到1 000個樣本,考察這1 000個樣本的概率密度分布,當合成場中的值落在概率密度函數的2.5%～97.5%之外時,認為其顯著異常。t檢驗用于本文的相關分析顯著性檢驗中。

2 結果與分析

2.1 我國寒潮頻次的年代際變化特征

利用逐日最低氣溫站點資料,根據本文定義的全國性寒潮標準,本文計算了1960—2022年冬半年寒潮頻次的時間序列,并分析了其趨勢變化特征(圖2)。1960—2022年整個時段寒潮頻次雖呈下降趨勢,但未能通過信度為90%的顯著性檢驗。1960—2012年我國寒潮頻次整體呈顯著下降趨勢(通過90%置信度檢驗),2012發生突變,2012—2022年寒潮頻次轉為顯著上升趨勢(通過95%置信度檢驗,并且通過99%置信度的M-K趨勢檢驗)。以上結果說明,近11 a,寒潮頻次出現了明顯的年代際轉折。

圖2 1960—2022年冬半年全國性寒潮頻次的時間序列及其線性趨勢Fig.2 Time series and linear trend of China’s cold wave frequency from 1960 to 2022

要明確寒潮頻次在近11 a發生年代際突變的原因,接下來首先探討了近11 a影響寒潮頻次的關鍵環流因子(2.2節),在此基礎上,通過研究關鍵環流的年代際變化特征(2.3節)來探究其原因。

2.2 影響寒潮爆發的關鍵環流及其演變過程

2012—2022年,全國性寒潮事件共計發生18次,具體寒潮發生日期如表1所示。以寒潮爆發日為第0 d,根據相對日期的早晚(寒潮爆發日前10 d～后10 d,簡記為-10～10 d,下文同),對18次寒潮過程中的環流異常進行了合成分析,以此明確近11 a寒潮的主要影響系統。分析的氣象要素場主要包括:平流層極冠區的位勢高度異常(50 hPa)、高層的對流層緯向風場異常、中層的阻塞形式和東亞大槽異常(500 hPa)、低層的海平面氣壓異常和溫度異常。

平流層過程和關鍵的極鋒急流異常與寒潮的發生發展具有緊密的聯系(Quiroz,1986;高守亭等,1992;姚慧茹和李棟梁,2013;吳國華等,2021)。圖3反映了近11 a寒潮發生發展過程中平流層中層(50 hPa)極渦的變化情況,可以看到,-10 d時,平流層極渦中心分裂在北美和東亞上空,屬歐亞-北美型(ENA型),-5 d時,兩極渦中心連通合并,極渦中心發生偏移,主體處于歐亞大陸中西部和大西洋區域,屬阿留申侵入型(AI型),指極渦被從阿留申地區的阻塞高壓形勢推擠至歐亞大陸中西部和大西洋上空,意味著歐亞大陸上空區域被平流層極渦控制,一旦環流形勢調整,冷空氣會向南爆發,給歐亞大陸帶來寒潮天氣。而寒潮爆發后5 d時,平流層極渦再次分裂,而兩極渦中心位置分別在西歐上空和西北太平洋上空,屬大西洋-東亞型(AEA型)。平流層極渦的分裂與對流層阻塞活動有重要聯系,對流層中的阻塞高壓活動為平流層中高壓系統的發生發展提供支持,從而引起平流層極渦的擾動。通過緯向風在中高緯地區的垂直剖面(圖4),極鋒急流在寒潮爆發前期(-5 d)開始南移并減弱,急流南部切變增大,使得垂直運動改變,隨之引起對流層中下層的氣壓變化和環流調整。

圖4 類似于圖3,但為60°～120°E平均的緯向風異常合成場的緯度-高度剖面(陰影;單位:m/s)Fig.4 Same as Fig.3,but for the latitude-height section of the composite analysis of zonal wind anomalies averaged between 60°～120°E (shaded parts,unit:m/s)

對流程中層高壓異常與低層大氣環流的配合對于寒潮的發生發展具有重要的作用。圖5主要考察對流層500 hPa和地面主要環流系統的異常,可以發現,寒潮爆發前對流層中下層呈現較為明顯的斜壓結構,隨后轉為深厚的正壓系統,寒潮爆發。-5 d時,東亞大槽顯著增強,隨后逐漸東移;位于烏拉爾山上空的暖性高壓脊也顯著增強;同時,歐亞大陸海平面氣壓異常位于正位相,而西北太平洋上的海平面氣壓異常位于負位相,阿留申低壓增強,海陸氣壓差增大。

圖5 500 hPa位勢高度(等值線;單位:hPa)和海平面氣壓異常(陰影;單位:gpm)的合成,輪廓線和填色區域已通過95%置信度的Monte-Carlo檢驗:寒潮爆發(a)前10 d;(b)前5 d;(c)前3 d;(d)當日;(e)后3 d;(f)后5 dFig.5 Composites of 500 hPa geopotential height (contours,unit:hPa) and SLP anomalies (shadings,units:gpm).Only the values above the 95% confidence level are presented.Outbreak of the cold wave (a) 10 days prior;(b) 5 days prior;(c) 3 days prior;(d) the same day;(e) 3 days after;(f) 5 days after

以往的研究結果表明,極區與歐亞大陸中高緯地表溫度的梯度分布對寒潮的爆發有顯著影響(Cohen et al.,2014;Gao et al.,2015;Zhang et al.,2018)。圖6給出的是寒潮爆發前后10 d的T2m溫度異常。如圖所示,寒潮爆發-5 d時地面2 m溫度已經出現巴倫支海地區正異常,西伯利亞地區負異常,表明寒潮爆發前期總是伴隨極區升溫,西伯利亞地區降溫的特征,事實上,在寒潮發生發展的整個過程中,極地地區總是處于溫度正異常的狀態,這樣的溫度分布特征使得暖空氣向極輸送,冷空氣向南爆發,經向環流得以增強,近年來,隨著全球地表溫度升高,北極的放大增暖效應可能通過影響溫度經向梯度從而改變大氣環流形勢,進而影響寒潮的爆發。

圖6 近11 a中18個寒潮過程地面2 m溫度異常(陰影;單位:K)的天氣尺度演變合成:寒潮爆發(a)前10 d;(b)前5 d;(c)前3 d;(d)當日;(e)后3 d;(f)后5 dFig.6 Composite plot of t2m anomalies (shaded parts,unit:K) for the 18 cold wave events (-10 d to 5 d) on a weather scale.Outbreak of the cold wave (a) 10 days before;(b) 5 days before;(c) 3 days before;(d) on the day;(e) 3 days after;(f) 5 days after

綜上,2012—2022年爆發的寒潮事件中,在前10 d,平流層極渦出現分裂,兩個極渦中心分別分布在東西半球;在前5 d,這兩個極渦中心在歐亞大陸上空合并,呈阿留申侵入型,東亞上空極鋒急流開始向南移動,同時對流層中層的環流形勢隨之調整,東亞大槽增強東移,烏拉爾山地區上空的暖性高壓脊開始增強,伴隨地面溫度極地出現正異常,西伯利亞地區出現負異常的分布特征;在前3 d,對流層環流系統的異常引起平流層環流的調整,平流層極渦的出現減弱分裂趨勢,此時對流層大氣斜壓性持續增強,有利于暖空氣向極地輸送,冷空氣向南爆發。隨著烏拉爾山高壓脊的減弱和東亞大槽的增強,寒潮正式爆發。爆發后平流極渦的異常信號進一步減弱,地面溫度極地與歐亞大陸的反位相異常消失。

2.3 寒潮頻發的可能原因

接下來探討我國寒潮頻次為何在近11 a顯著增加?與上文中關鍵環流因子的天氣尺度的年代際變率又有怎樣的聯系?本節將對比1960—2011與2012—2022年兩個時段,重點討論以上問題。

首先,本文計算了前后兩個時期寒潮頻次與關鍵環流的相關性(表2)。結合2.2節,關注的關鍵環流系統天氣尺度變率包括:烏拉爾山阻塞高壓頻率指數(UB)、東亞大槽正位相頻率(EAT)、西伯利亞高壓正位相頻率(SH)、極地與西伯利亞地表溫度梯度正位相頻率(Tb-Ts),平流層極渦天氣尺度變率(SPV)。SPV的天氣尺度變率通過冬半年內逐日SPV指數的標準差衡量,其余環流指數的正位相頻率均由其正異常出現的天數與冬半年總天數的比計算得到(具體定義可見1.3節),以此考察主要影響因子的天氣尺度變率的年代際變化。對比1961—2011年與2012—2022年,Tb-Ts的正位相頻率與寒潮頻次的相關從-0.02上升為-0.57,UB頻率對寒潮的影響也顯著上升,從-0.12提高至-0.57,SPV天氣尺度變率則從0.05上升至0.65。這和2.2節的結果相對應,值得注意的是,平流層過程在近11 a寒潮爆發中更具有指示意義。與此同時,東亞大槽、西伯利亞高壓、阿留申低壓指數與寒潮頻次的相關則出現明顯下降,近11 a對寒潮爆發的影響已不再顯著。

表2 寒潮頻次與各關鍵環流指數的相關

為了明確關鍵環流的具體的影響過程,進一步考察了各環流因子之間的相關。結果顯示,UB頻率與急流強度指數和Tb-Ts正位相頻率指數有較強的關聯(圖7c、7d)。分析以上相關,烏拉爾山阻高會抑制高空急流發生發展,大氣經向環流減弱,北極內冷氣團南下受阻,從而減少寒潮發生的頻次。烏山阻高與Tb-Ts指數的可能聯系可概括為,一方面,阻塞高壓頻繁占據在巴倫支海上空,使得北極地區冷空氣難以南下,形成了巴倫支海附近溫度負異常,西伯利亞地區溫度正異常的現象;另一方面,北極增暖,可以通過改變西風的水平結構和強度而改變位渦的經向梯度,從而影響中高緯度阻塞的維持。阻塞頻率線性回歸(圖7a)顯示,烏拉爾山地區的阻塞頻率在近11 a呈現顯著下降態勢,結合上述討論,這一情況利于寒潮多發。

圖7 2012—2022年歐亞地區阻塞頻次(a)和等熵面位渦經向梯度(PVy)的線性趨勢(b)以及2012—2022年高空急流指數與歐亞地區阻塞頻次的相關(c),2012—2022年Tb-Ts正位相頻率指數與歐亞地區阻塞頻次的相關(d)。打點區域通過95%置信度的t檢驗Fig.7 (a) The linear trend of cold season blocking frequency and (b) PVy during 2012—2022;(c) the correlation coefficient between high-altitude westerly jet intensity index and blocking frequency over Eurasia;(d) correlation coefficient between Tb-Ts index and blocking frequency over Eurasia.The dotted area indicates the value above the 95% confidence level using Student-t test

等熵面位渦經向梯度(PVy)可以反映大氣在等熵面上的水平溫度梯度。PVy與阻塞高壓的關系是,當PVy較小時,有利于阻塞高壓的維持;反之不利于阻塞高壓的維持。這是因為,當PVy較小時,阻塞系統的能量頻散弱,非線性強,阻塞高壓可以抵抗西風帶上的擾動;反之,阻塞系統的能量頻散強,非線性弱,阻塞高壓容易被西風帶上的擾動打破(Luo et al.,2019)。因此,北極增暖可以通過改變西風帶的水平結構和強度而改變PVy,從而影響中高緯度阻塞高壓的維持和變化。315 K等熵面是平流層與對流層之間的重要聯系,將315 K等熵面PV梯度作為考察對象,北極放大增暖效應在近11 a呈現減弱趨勢,溫度的經向梯度增加,歐亞大陸高緯度地區PV梯度(圖7b)在近11 a增強,烏拉爾山上空的阻塞變得難以形成或維持。

圖8展示了各環流指數的年代際變化曲線及其5 a滑動平均,近11 a,東亞高緯度極區與西伯利亞地區的地面2 m溫度差處于正位相的頻率在減小,在天氣尺度上,“北極的放大增暖”在近11 a效應一定程度上減小,但整體上依然處于較高水平;平流層極渦的天氣尺度變率則先減小后增加,這可能與太陽活動的周期變化有關;高空急流有所增強但變化趨勢不明顯,且處于較弱水平。

圖8 1960—2022年各環流指數的標準化時間序列及其5 a滑動平均(豎直虛線代表2012年):(a)烏拉爾山阻塞高壓頻率指數;(b)巴倫支海地區(30°～90°E,65°～85°N)減去西伯利亞地區(60°～120°E,40°～60°N)的T2m異常得到的Tb-Ts指數;(c)平流層極渦指數;(d)東亞高空急流強度指數Fig.8 Standardized time series of various circulation indices from 1960 to 2022 and their 5-year moving average (the vertical dashed line represents 2012).(a) Ural Mountain blocking high frequency index;(b) Tb-Ts index obtained by subtracting the T2m anomaly in the Siberian region (40°～60°N,60°～120°E) from the Barents Sea region (65°～85°N,30°～90°E);(c) stratospheric polar vortex index;(d) East Asian upper-level jet stream intensity index

綜上所述,烏拉爾山阻塞頻率與寒潮爆發頻率呈負相關,即阻塞天數越多,寒潮發生次數越少。這是因為阻塞高壓會抑制高空急流和經向環流,使得冷空氣南下受阻。烏拉爾山阻塞高壓與T2m經向異常呈負相關,即阻塞頻繁發生時,不易出現“極地暖,西伯利亞冷”的現象。烏拉爾山阻塞高壓與西風急流強度指數呈正相關,烏拉爾山阻高會抑制高空急流發生發展。位渦經向梯度反映了大氣的水平溫度梯度,當位渦經向梯度較小時,有利于阻塞高壓的維持;反之不利于阻塞高壓的維持。近年來,位渦經向梯度有增強趨勢,對應烏拉爾山阻塞頻率減少,利于寒潮頻次的增加。

3 結論和討論

本文利用1959—2022年840個全國觀測站點的最低溫度,研究了全國寒潮發生頻次的年代際變化特征。結果表明,在全球地表溫度持續增暖的背景下,我國全國性寒潮事件發生頻率的下降趨勢在2012年發生突變,2012—2022年全國性寒潮頻次呈現顯著增加趨勢。本文通過合成分析探討了近11 a影響我國全國性寒潮事件的主要驅動因子及其演化過程。在對流層低層,寒潮爆發前期總是伴隨極區升溫,西伯利亞地區降溫的特征,歐亞大陸海平面氣壓異常位于正位相,而西北太平洋上的海平面氣壓異常位于負位相,阿留申低壓增強,海陸氣壓差增大;對流層中層,位于烏拉爾山上空的暖性高壓脊也顯著增強;對流層高層,極鋒急流在寒潮爆發前期開始南移,急流南部切變增大,使得垂直運動改變,隨之引起對流層中下層的氣壓變化和環流調整;而平流層也伴隨有極渦的分裂和偏移過程。

進一步研究主要環流系統的年代際變化特征,并結合相關分析,考察各關鍵驅動因子之間的聯系,得出可能導致寒潮增加的環流耦合機制(圖9),即烏拉爾山阻高頻率的下降使得高空的極鋒急流處于偏強位相的頻率增加,大氣經向環流增強,北極內冷氣團更容易南下,從而增加寒潮發生的頻次。并且,阻塞頻率與極地-西伯利亞地面2 m溫度差處于正位相的頻率有顯著的正相關,二者并非簡單的線性關系,其相互作用機制仍需要進一步討論,一方面,阻塞高壓可以通過向北極地區輸送大量水汽和熱量,使得北極地區增暖,并且激發經向環流異常,西伯利亞地區出現降溫現象,形成了巴倫支海附近溫度正異常,西伯利亞地區溫度負異常的現象;另一方面,北極增暖,可以通過改變西風的水平結構和強度而改變位渦的經向梯度,從而影響中高緯度阻塞的維持。本文利用等熵面位渦經向梯度考察大氣阻塞的變化趨勢,較小的等熵面位渦經向梯度,對應阻塞系統的能量頻散弱,非線性強,此時阻塞高壓可以抵抗西風帶上的擾動;當等熵面位渦經向梯度較大時,阻塞系統的能量頻散強,非線性弱,阻塞高壓容易被西風帶上的擾動打破。因此,北極增暖可以通過改變西風帶的水平結構和強度而改變等熵面位渦經向梯度,從而影響中高緯度阻塞高壓的維持和變化。而北極增暖本身也會影響中國寒潮的發生,北極增暖會使高緯度地區溫度升高,從而減小高低緯度之間的溫度差,導致西風帶減弱。西風帶是冷空氣輸送到中國東部的主要途徑,當西風帶減弱時,冷空氣輸送也會減弱,導致寒潮事件的減少。因此,北極增暖會同時導致烏拉爾山阻塞頻率和中國寒潮頻次的下降,從而使它們呈現負相關。

圖9 近11 a利于寒潮增加的環流背景示意Fig.9 Schematic diagram of abnormal circulations causing increased cold waves in the past 11 years

以往研究指出,AO/NAO指數的正位相偏多,有利于寒潮頻次的減少(Thompson and Wallace,1998,Gong and Ho,2003)。本文中,近11 a中AO/NAO負位相出現的頻率依然處在較低水平(圖10),但是寒潮頻次卻在增加。這可能的原因是:近11 a的AO/NAO負位相頻率對于寒潮頻次的直接影響已不再顯著,AO/NAO可能通過影響東亞高空極鋒急流切變間接影響寒潮的發生(表3)。AO/NAO可以通過影響烏拉爾山高壓脊和東亞大槽,引起對流程上層經向溫度梯度異常,通過造成亞高空急流異常(邵太華和張耀存,2012;Luo and Zhang,2015),進而影響寒潮的發生。太陽活動周期可能與寒潮頻次與AO/NAO負位相頻率相關的年代際轉變有關。已經有研究發現在太陽活動較強的年份,AO/NAO的信號更為活躍,其信號可延伸至歐亞東部及其下游區域,其信號與我國冬季氣候的聯系也在太陽活動較強時更緊密(Kodera and Kuroda,2005;王林等,2021),因此,太陽活動的強度在很大程度上使得AO信號與東亞冬季氣候的相關產生變化(王瑞麗等,2015;黃艷艷和王會軍,2020),而根據太陽10.7 cm輻射通量的時間序列(圖略),近11 a太陽活動處在較弱的位相,這可能是AO/NAO與寒潮頻次相關下降的原因之一。

表3 AO/NAO負位相頻率與寒潮頻次和急流切變正位相頻率的相關

圖10 AO、NAO負位相頻率(標準化)的時間變化特征(橫線為近11 a的平均)Fig.10 Temporal variation characteristics of AO and NAO negative phase frequencies (normalized),with the horizontal line representing the average of the past 11 years