北美-東亞冬季極端低溫空間復(fù)合事件及其與高空急流的聯(lián)系

摘要 隨著全球氣候變化的加劇，極端低溫事件在發(fā)生頻率、降溫速率等方面都有顯著變化，對(duì)人類健康、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境造成了重大影響。研究指出，許多不同地區(qū)會(huì)同步發(fā)生極端低溫事件，此類事件被稱為極端低溫空間復(fù)合事件，往往與高空急流異常相聯(lián)系。本研究基于1979—2022年美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心的高分辨率網(wǎng)格化逐日最低地表氣溫?cái)?shù)據(jù)集以及NCEP／NCAR再分析數(shù)據(jù)，針對(duì)冬季極端低溫空間復(fù)合事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，尋找該復(fù)合事件下的高空急流分布特征及可能的影響機(jī)制。結(jié)果表明，東亞與北美在候尺度上存在發(fā)生極端低溫空間復(fù)合事件的空間同步性。通過對(duì)環(huán)流場(chǎng)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，緯向環(huán)流上，高空急流整體增強(qiáng)，兩地位勢(shì)高度易出現(xiàn)負(fù)異常，正負(fù)分布的位勢(shì)高度異常呈現(xiàn)出類Rossby-4波的特征;經(jīng)向環(huán)流上，受高空急流影響，則易于造成冷空氣從高緯向低緯輸送。進(jìn)一步從熱力學(xué)方程的角度分析影響的相對(duì)貢獻(xiàn)，指出經(jīng)向溫度平流和非絕熱冷卻是造成東亞和北美地區(qū)極端低溫空間復(fù)合事件的重要原因。

關(guān)鍵詞極端低溫空間復(fù)合事件;高空急流;環(huán)流特征;熱力學(xué)方程;合成分析

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）在第六次評(píng)估報(bào)告中將極端天氣事件定義為“在一年中的特定地點(diǎn)和時(shí)間罕見的事件”，將極端氣候事件定義為“持續(xù)一段時(shí)間的極端天氣模式，例如一個(gè)季節(jié)”。針對(duì)極端事件的定義，許多研究圍繞極端溫度、極端降水、旱澇急轉(zhuǎn)、野火、沙塵暴等進(jìn)行了討論。然而，對(duì)于單一極端事件的研究逐漸無法解釋許多頻發(fā)的天氣氣候問題。因此，2012年IPCC關(guān)于極端氣候的特別報(bào)告（Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation）首次展開了對(duì)復(fù)合事件的研究，旨在廣泛地揭示天氣和氣候相關(guān)災(zāi)害結(jié)合的物理過程，以提高其可預(yù)測(cè)性，進(jìn)而用于評(píng)估社會(huì)及環(huán)境的影響風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)合事件的定義也在這個(gè)報(bào)告的基礎(chǔ)上有所修正，被納入IPCC風(fēng)險(xiǎn)框架。Zscheischler et al.（2020）將其廣義定義為“導(dǎo)致社會(huì)或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的多種驅(qū)動(dòng)因素和／或危害的組合”，并將復(fù)合事件劃分為預(yù)置條件、多變量、時(shí)間復(fù)合以及空間復(fù)合4種類型，為分析復(fù)合事件提供了一個(gè)連貫的框架。與單變量事件相比，它們可能對(duì)不同系統(tǒng)產(chǎn)生更大的負(fù)面影響，但對(duì)這些事件的認(rèn)識(shí)、分析、量化和預(yù)測(cè)仍處于起步階段。

在全球變暖的背景下，北極放大效應(yīng)加強(qiáng)，北極地區(qū)增暖使得其與中緯度地區(qū)之間的溫度梯度減小、西風(fēng)減弱，會(huì)引起平流層極地渦旋（Cohen et al.，2021）、急流和行星波（Barnes and Screen，2015;Francis and Vavrus，2015）發(fā)生改變，有利于北半球中緯度地區(qū)發(fā)生極端低溫事件（Tang et al.，2013）。與屢次破紀(jì)錄的極端高溫事件相比，全球范圍內(nèi)的極端低溫事件發(fā)生頻率可能有所減少（Alexander et al.，2006;高慶九等，2018），但降溫速率變快（Kharin et al.，2007），且低溫天數(shù)持續(xù)增加（Cohen et al.，2014;謝韶青和盧楚翰，2018）。針對(duì)冬季極端低溫，許多研究對(duì)北半球冬季個(gè)別時(shí)間或區(qū)域的極端低溫異常事件（Sun，2012;蘭曉青和陳文，2013;杜雪婷等，2021;Zhang et al.，2022）展開了討論。同時(shí)研究表明，在不同地區(qū)同步發(fā)生的極端溫度并非孤立事件（Deng et al.，2018）;相反，它們多是由大氣環(huán)流異常引起的復(fù)合極端溫度事件（Kornhuber et al.，2020;Kornhuber and Messori，2023），即空間復(fù)合極端事件。極端氣候的空間復(fù)合事件在不同地點(diǎn)的危害一般是通過一個(gè)具有空間整合能力的系統(tǒng)建立的，該系統(tǒng)能夠?qū)⑽：τ绊懤鄯e在空間較遠(yuǎn)的地點(diǎn)上。與平均氣候相比，極端氣候事件具有突發(fā)性、難預(yù)測(cè)性和強(qiáng)破壞性等特點(diǎn)（余榮和翟盤茂，2021;陳海山等，2024），因此對(duì)極端低溫的空間復(fù)合事件展開研究具有十分重要的科學(xué)意義。

綜合現(xiàn)有的研究結(jié)論以及極端事件空間復(fù)合的特征，不同的天氣氣候系統(tǒng)對(duì)極端低溫事件有著許多影響（Fang et al.，2023）。高空急流是對(duì)流層重要的動(dòng)力系統(tǒng)，其位置、形狀、強(qiáng)度等特征被認(rèn)為是氣候變化的潛在指標(biāo)，會(huì)使北半球中緯度地區(qū)頻繁發(fā)生極端事件。Yang et al.（2002）指出，冬季西太平洋急流的異常與整個(gè)亞洲-太平洋-美洲冬季氣候異常相關(guān)聯(lián)，當(dāng)冬季西太平洋急流增強(qiáng)時(shí)，東亞與美國(guó)東部出現(xiàn)更寒冷、更干燥的氣候特征。Zhao et al.（2023）對(duì)北太平洋急流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)的急流會(huì)對(duì)北半球不同地區(qū)同步產(chǎn)生冷暖異常的影響。除此以外，復(fù)合極端事件的發(fā)生、維持和增強(qiáng)還受局地氣旋、反氣旋異常的影響（Yang et al.，2021），急流的動(dòng)力學(xué)及其與氣旋和反氣旋的相互作用控制會(huì)導(dǎo)致遙遠(yuǎn)地區(qū)的天氣共變（Branstator，2002）。在行星尺度上，災(zāi)害和相關(guān)影響的空間同步可由氣候變率的大尺度模態(tài)，如ENSO、大氣遙相關(guān)（Boers et al.，2019）或由環(huán)極地波驅(qū)動(dòng)（Kornhuber et al.，2019）造成。緩慢移動(dòng)的放大Rossby波形成近似環(huán)全球的遙相關(guān)，有利于極端天氣條件的發(fā)生，導(dǎo)致在中緯度地區(qū)同步產(chǎn)生異常天氣事件。研究發(fā)現(xiàn)，冬季極端低溫事件在北半球中緯度地區(qū)的Rossby-3波、4波中最為明顯（Kornhuber and Messori，2023）。

目前，有關(guān)空間復(fù)合事件的研究較為欠缺，對(duì)空間復(fù)合的關(guān)注主要圍繞個(gè)例事件展開，對(duì)空間上不同位置極端事件相互影響的認(rèn)識(shí)較為有限（Fang et al.，2023），極端溫度的關(guān)鍵區(qū)域、嚴(yán)重程度和同步發(fā)生的情況尚未得到系統(tǒng)的量化。基于現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，專門針對(duì)空間溫度復(fù)合事件進(jìn)行氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)分析的研究依然較少。通過前期的研究，高空急流會(huì)影響不同地區(qū)的高溫或低溫，東亞和北美地區(qū)在冬季存在著極端溫度的空間復(fù)合變化。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)地區(qū)的極端低溫空間復(fù)合事件，并進(jìn)一步嘗試尋找冬季極端低溫空間復(fù)合事件的主要特征及可能機(jī)制。

1 資料和方法

1.1 資料

本研究利用1979—2022年美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心（Climate Prediction Center，CPC）的高分辨率網(wǎng)格化逐日最低地表氣溫?cái)?shù)據(jù)集來識(shí)別冬季（12月、次年1月和2月）的復(fù)合極端低溫事件，數(shù)據(jù)的水平分辨率為0.5°×0.5°。該資料集是全球通信系統(tǒng)收集的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用Shepard算法插值到0.5°經(jīng)度／緯度網(wǎng)格上。該數(shù)據(jù)集得到氣候變化檢測(cè)和指數(shù)專家組（ETCCDI）的推薦，被廣泛應(yīng)用于極端事件的研究。

研究選取美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）聯(lián)合制作的NCEP／NCAR再分析數(shù)據(jù)用于開展環(huán)流分析。該資料的空間分辨率為2.5°×2.5°，共17個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓層，主要選用的數(shù)據(jù)集有逐日氣溫、位勢(shì)高度、經(jīng)向風(fēng)速、緯向風(fēng)速、垂直速度等。

1.2 方法

1.2.1 極端低溫空間復(fù)合事件的定義

本研究涵蓋的時(shí)間段為1979—2021年的43個(gè)冬季（定義為12月至次年2月，即DJF），例如，1979年冬季指1979年12月與1980年1月、2月。利用CPC冬季每日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)集，同時(shí)忽略了閏年2月的第29天，計(jì)算不重疊連續(xù)5 d的平均值，得到每年冬季18個(gè)候均值，由此構(gòu)建了18候／a×43 a=774候長(zhǎng)度的時(shí)間序列。

定義某一格點(diǎn)某日最低氣溫小于該格點(diǎn)43 a冬季共3 881 d的最低氣溫序列中的第10個(gè)百分位點(diǎn)為發(fā)生極端低溫天氣，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域內(nèi)每天發(fā)生極端低溫天氣的事件數(shù)（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為3 881）作為某區(qū)域每日發(fā)生極端低溫天氣的事件頻數(shù)，以此作為研究對(duì)象可以統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間尺度上發(fā)生極端低溫天氣的事件頻數(shù)。將不同時(shí)間尺度事件頻數(shù)的時(shí)間序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，選擇大于給定標(biāo)準(zhǔn)差取值的事件作為極端低溫事件。

以東亞（73°～145°E，4°～53°N）和北美（160°～12°W，25°～75°N）作為研究對(duì)象進(jìn)行討論。使用Pearson相關(guān)對(duì)兩時(shí)間序列進(jìn)行局部同步性的計(jì)算，能夠觀察時(shí)間序列每一刻的狀態(tài)，在所有滑動(dòng)窗口內(nèi)重復(fù)計(jì)算信號(hào)局部的Pearson相關(guān)，直到所有信號(hào)都被窗口覆蓋過。本文以15幀作為窗口寬度，計(jì)算東亞與北美地區(qū)逐候的局部相關(guān)結(jié)果，用于探討兩地極端低溫事件的相關(guān)關(guān)系。使用超前滯后相關(guān)系數(shù)證明兩地區(qū)極端低溫事件頻數(shù)的時(shí)間序列發(fā)生演變的同步性。

同時(shí)，本研究采用的統(tǒng)計(jì)方法包括合成分析（Fu et al.，2020）、相關(guān)性分析（Tabachnick and Fidell，2013）和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解。對(duì)異常場(chǎng)（物理量與1979—2021年冬季的氣候態(tài)的差值）采用t檢驗(yàn)（Kalpic＇ et al.，2011），對(duì)EOF分解的結(jié)果采用North檢驗(yàn)（Smith et al.，1996）。

1.2.2 動(dòng)力診斷量

已知有熱力學(xué)方程（Shi et al.，2020）如下所示，可以依次算出等式左右兩側(cè)的各項(xiàng)：

其中：u和v為緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng);ω、T、p分別為垂直速度、氣溫和氣壓;R=287.05 J·kg-1·K-1，為干空氣氣體常數(shù);cp=1 004.67 J·kg-1·K-1，為干空氣的比定壓熱容。由熱力學(xué)方程可知，地表氣溫的局地變化（dT）主要受到水平溫度平流（uT與vT）、大氣垂直運(yùn)動(dòng)引起的絕熱變化（ωT）、非絕熱變化（q）的影響。其中，非絕熱變化與地表輻射和熱通量有關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 識(shí)別極端低溫空間復(fù)合事件

首先分析東亞地區(qū)，從年代際、年際、月、候、日時(shí)間尺度出發(fā)，得到東亞地區(qū)極端事件總數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列（圖1），用于選擇最有效的時(shí)間尺度。同時(shí)，為了得到極端低溫事件數(shù)的年代際變化特征，使用Butterworth濾波器對(duì)大于10 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾除;對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的時(shí)間序列作9點(diǎn)平滑處理，計(jì)算9點(diǎn)滑動(dòng)平均值來近似代替年代際分量。

在年代際尺度研究的基礎(chǔ)上，從圖1a發(fā)現(xiàn)，東亞地區(qū)冬季極端低溫事件的發(fā)生頻數(shù)隨著時(shí)間的變化而有所減少，且發(fā)生極端低溫事件較少的年份主要分布在2000年以后。為了更清晰地判斷極端低溫事件的年際變化情況，對(duì)2000年前后的極端事件數(shù)分別求平均值并計(jì)算差值，得到結(jié)果為-12.216 46，且差異顯著。結(jié)合月尺度時(shí)間分布序列（圖1b），發(fā)現(xiàn)極端低溫頻發(fā)的年份主要分布在1983年和2010年左右，對(duì)應(yīng)于低溫頻發(fā)期。同時(shí)，從東亞地區(qū)1979—2021年冬季候、日時(shí)間尺度極端事件頻數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列（圖1c、d）中看出，極端低溫事件的分布較為分散，各尺度極端事件頻數(shù)的分布情況相似。綜上來看，盡管在年際尺度上，東亞極端低溫呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，但在較小的月、候、日時(shí)間尺度上，近20 a仍會(huì)出現(xiàn)非常顯著的極端低溫事件。

結(jié)合以上對(duì)不同時(shí)間尺度極端事件時(shí)間序列的研究結(jié)果，同時(shí)參考極端溫度事件的定義，需要持續(xù)至少2 d以上且溫度滿足給定的閾值，最終確定以候時(shí)間尺度作為最有效的時(shí)間尺度，用于后續(xù)極端低溫事件的判斷，該時(shí)間尺度既比日時(shí)間尺度能夠更好地概括極端低溫的特征，又比更大的月時(shí)間尺度、年時(shí)間尺度具有更精確的分布。

Lü et al.（2023）使用EOF分解得到歐亞大陸和北美兩個(gè)偏遠(yuǎn)地區(qū)夏季地面氣溫距平在年際尺度上的相關(guān)關(guān)系。Griffin and Martin（2017）通過時(shí)間擴(kuò)展EOF識(shí)別到北太平洋急流變率的兩個(gè)主要模態(tài)。因此，也對(duì)候時(shí)間尺度上的北半球冬季逐候最低氣溫進(jìn)行EOF分解（圖略），主模態(tài)為東亞和北美地區(qū)同步出現(xiàn)一致的溫度分布，即兩地存在極端低溫的空間復(fù)合;計(jì)算第一模態(tài)時(shí)間序列與東亞和北美地區(qū)極端低溫時(shí)間頻數(shù)的候尺度時(shí)間序列之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果分別為0.384 6和0.419 6，均呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)性。由此證明，冬季東亞和北美地區(qū)存在著極端低溫異常的空間復(fù)合事件。

進(jìn)一步分析東亞和北美兩地候尺度極端低溫事件頻數(shù)時(shí)間序列的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)為0.200 5，且能夠通過顯著性檢驗(yàn)（圖2）。針對(duì)局部相關(guān)性，在絕大多數(shù)滑動(dòng)窗口內(nèi)相關(guān)系數(shù)為正，多候的相關(guān)系數(shù)超過0.5，說明兩地具有很高的正相關(guān)關(guān)系。

從上述分析得知，東亞和北美之間具有極端低溫的空間復(fù)合關(guān)系，但是兩地對(duì)于極端低溫的響應(yīng)可能不是完全同步的，因此利用超前滯后相關(guān)系數(shù)判斷兩個(gè)時(shí)間序列發(fā)生演變的相關(guān)性。分別計(jì)算兩地標(biāo)準(zhǔn)化后的最低氣溫序列與極端低溫事件頻數(shù)序列超前滯后7候的相關(guān)系數(shù)。當(dāng)橫軸的超前滯后時(shí)間間隔τlt;0時(shí)，表示東亞地區(qū)低溫事件的發(fā)生超前于北美地區(qū);反之，則落后于北美。綜合溫度與頻數(shù)的結(jié)果（圖3），當(dāng)τ=0時(shí)，兩地的正相關(guān)系數(shù)都很大，響應(yīng)時(shí)間基本一致，說明極端低溫事件基本是同步發(fā)生的。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的候尺度時(shí)間序列，選擇同時(shí)大于東亞與北美地區(qū)候尺度極端事件頻數(shù)序列1倍標(biāo)準(zhǔn)差的事件作為兩地同步發(fā)生的極端低溫空間復(fù)合事件，得到的30個(gè)事件（圖4）。可以看出，極端低溫事件主要集中在對(duì)應(yīng)事件年次年的第9、10、11、12、13候左右，即1月中下旬至2月上旬。此外，發(fā)生極端低溫事件較多的時(shí)間與上文分析得到的極端低溫事件年基本一致，包括1982、1983、1984、2006年等，主要集中在2000年以前。

將東亞、北美及前文得到的30個(gè)兩地同步發(fā)生的極端低溫事件進(jìn)行合成，并做置信度為95％的顯著性t檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，在對(duì)東亞與北美極端低溫事件（圖5a、b）進(jìn)行討論時(shí)，兩地部分地區(qū)均存在相對(duì)氣候態(tài)而言的顯著負(fù)異常;當(dāng)東亞和北美之間發(fā)生復(fù)合極端低溫事件時(shí)（圖5c），兩地存在著顯著的溫度負(fù)異常，且北美地區(qū)的負(fù)異常強(qiáng)度更強(qiáng)，東亞的負(fù)異常極小值位于45°N附近，而北美主要集中在60°N以北地區(qū)，兩地溫度異常的強(qiáng)度在南北方向上存在著非均勻分布。從以上合成分析的結(jié)果來看，無論是從單一地區(qū)發(fā)生極端低溫事件的角度，還是從兩地同步發(fā)生極端低溫事件的角度出發(fā)，東亞和北美地區(qū)都存在著最低氣溫的顯著負(fù)異常，說明兩地區(qū)總存在著極端低溫空間復(fù)合事件。

2.2 極端低溫復(fù)合事件發(fā)生的影響因子

為了進(jìn)一步探討極端低溫復(fù)合事件發(fā)生時(shí)的環(huán)流特征，本節(jié)所有的異常場(chǎng)都是相對(duì)于1979—2021年的平均氣候態(tài)而言進(jìn)行討論的，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。

2.2.1 環(huán)流因子

首先，對(duì)兩地同步發(fā)生的30個(gè)極端低溫事件不同氣壓層的位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析（圖6），總體來看，冬季位勢(shì)高度相較多年平均的異常場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為從下至上的相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。在不同氣壓層中，對(duì)流層中高層上出現(xiàn)正位勢(shì)高度異常帶，同時(shí)伴有4個(gè)正異常大值中心的出現(xiàn);而在東亞和北美地區(qū)都出現(xiàn)相對(duì)氣候態(tài)的顯著負(fù)位勢(shì)高度異常中心，對(duì)應(yīng)異常的氣旋環(huán)流和上升運(yùn)動(dòng)，但在850 hPa上，北美地區(qū)的位勢(shì)高度負(fù)異常顯著于東亞地區(qū)，與北美更為顯著的溫度負(fù)異常相對(duì)應(yīng);這些正負(fù)位勢(shì)高度異常中心的交替分布近似呈現(xiàn)Rossby-4波特征，與Kornhuber and Messori（2023）定義的北半球冬季環(huán)流的基本模式相一致，這種大尺度環(huán)流的異常可能也是造成極端低溫空間復(fù)合事件發(fā)生的重要原因之一。正負(fù)異常中心的存在使得中緯度槽脊結(jié)構(gòu)更加波動(dòng)，東亞大槽與北美大槽加深南移，兩地均位于槽前脊后，盛行偏北氣流，有利于北方冷空氣的南下，造成東亞和北美地區(qū)氣溫的下降。

此外，從200 hPa風(fēng)場(chǎng)分布來看，東亞和北美地區(qū)的東南部都分布有風(fēng)速的大值區(qū)域，這可能與高空急流有著密切關(guān)系。因此，對(duì)高空急流展開進(jìn)一步研究。已知對(duì)流層上層全風(fēng)速大于30 m／s的區(qū)域即為高空急流區(qū)（圖7），發(fā)現(xiàn)在東亞東南側(cè)的西太平洋上和北美東南側(cè)的大西洋西岸都有高空急流存在且異常強(qiáng)盛。通過疊加氣候態(tài)急流軸，發(fā)現(xiàn)兩地上空的高空急流位置均沒有發(fā)生顯著變化，大西洋西岸的急流稍有逆轉(zhuǎn)，急流強(qiáng)度相較氣候態(tài)而言都有明顯增強(qiáng)，這與Woollings et al.（2018）得到的結(jié)論一致。

為進(jìn)一步探究東亞與北美地區(qū)高空急流的強(qiáng)度變化情況，對(duì)兩地范圍內(nèi)的全風(fēng)速氣候態(tài)及相應(yīng)的異常做垂直經(jīng)向剖面，并取兩地經(jīng)向范圍內(nèi)的平均值。

圖8a中，對(duì)比全風(fēng)速的多年平均態(tài)，全風(fēng)速異常所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)大值中心分別位于300 hPa氣壓層的30°N和45°N左右，急流軸與風(fēng)速顯著正異常中心基本重合，風(fēng)速的負(fù)異常分布在其南北兩側(cè)，呈三極風(fēng)異常模式，該“-+-”的全風(fēng)速異常模式對(duì)應(yīng)先前研究中大直急流群的特征，有利于東亞地區(qū)冬季極端低溫事件的發(fā)生（Zhao et al.，2023）。圖8b中，在200 hPa的25°N和150 hPa的50°N左右有兩個(gè)全風(fēng)速異常中心，急流軸位于風(fēng)速正負(fù)異常的交界處，其南側(cè)有異常風(fēng)速的減小，北側(cè)有異常風(fēng)速的顯著增加，主要模態(tài)近似小斜急流群特征，有利于北美地區(qū)發(fā)生極端低溫事件（Zhao et al.，2023）。綜合以上結(jié)果可知，東亞和北美地區(qū)復(fù)合極端低溫事件的發(fā)生與中高層位勢(shì)高度的顯著負(fù)異常及高空急流的異常增強(qiáng)都有緊密的聯(lián)系。

與此同時(shí)，有研究表明，加深的大槽與增強(qiáng)的高空急流能夠增強(qiáng)東亞與北美上空的經(jīng)向環(huán)流，促使冷空氣的爆發(fā)，使得兩地極端低溫事件同步發(fā)生（Dunn et al.，2020）。因此，對(duì)兩地發(fā)生極端低溫事件時(shí)的經(jīng)向環(huán)流及垂直運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。已知冬季經(jīng)向環(huán)流圈的上升支位于赤道，下沉支位于副熱帶地區(qū)。副熱帶急流下方的垂直運(yùn)動(dòng)主要受Hadley環(huán)流的下沉支所控制，結(jié)合次級(jí)環(huán)流的影響，對(duì)比全球緯向平均所呈現(xiàn)出的明顯的三圈經(jīng)向環(huán)流（圖9a），在東亞和北美地區(qū)發(fā)生極端低溫空間復(fù)合事件時(shí)，東亞地區(qū)西太平洋上空高空急流北側(cè)的下沉運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，南側(cè)的下沉運(yùn)動(dòng)減弱并存在較強(qiáng)盛的上升運(yùn)動(dòng)（圖9b），北美地區(qū)高空急流的北側(cè)呈現(xiàn)出大范圍的相較多年平均垂直速度的負(fù)異常特征（圖9c），在兩地緯向平均的經(jīng)向分布中非常顯著，這對(duì)兩地氣溫的降低起到了促進(jìn)作用。垂直速度異常的經(jīng)向分布在東亞45 °N南北范圍內(nèi)呈現(xiàn)出正負(fù)值交替分布特征，影響東亞地區(qū)經(jīng)向極端低溫分布的不均勻性；北美地區(qū)垂直速度異常在60 °N以北分布有多個(gè)上升運(yùn)動(dòng)的異常中心，造成北美60 °N以北地區(qū)大范圍的極端低溫。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)東亞與北美緯向平均的經(jīng)向環(huán)流特征在兩地分布得更加明顯，30 °N以北的東亞范圍和45 °N以北的北美范圍內(nèi)各氣壓層均有穩(wěn)定且深厚的氣流自高緯度向低緯度輸送，有利于高緯度冷空氣的南下，使得東亞和北美地區(qū)氣溫下降。

2.2.2 熱力學(xué)因子

由上述分析可知，在極端低溫事件發(fā)生時(shí)東亞與北美地區(qū)的經(jīng)向運(yùn)動(dòng)特征異常顯著，因此經(jīng)向輸送的溫度平流分量可能是造成兩地發(fā)生復(fù)合極端低溫事件的主要原因。由此參考熱力學(xué)方程，分析水平溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)引起的絕熱變化、非絕熱變化對(duì)兩地區(qū)溫度變化的影響。從結(jié)果來看，溫度平流的經(jīng)向輸送對(duì)東亞地區(qū)起到正貢獻(xiàn)的作用（圖10b），結(jié)合溫度平流的緯向輸送（圖10a），東亞地區(qū)依然有很強(qiáng)的負(fù)溫度平流（圖10c），同時(shí)伴隨有很強(qiáng)的偏北風(fēng)，有利于東亞地區(qū)溫度的降低;而在北美地區(qū)，溫度平流的經(jīng)向輸送則是其發(fā)生極端低溫天氣的原因之一。非絕熱項(xiàng)（圖10f）在東亞和北美地區(qū)存在負(fù)值中心，對(duì)兩地溫度的降低也起著有利作用，使得局地變化項(xiàng)（圖10d）在兩地的關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)有負(fù)值區(qū)域。

為了更直觀地判斷熱力學(xué)方程各項(xiàng)對(duì)于東亞和北美地區(qū)極端低溫事件的貢獻(xiàn)程度，對(duì)兩地關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)求和再做區(qū)域平均，得到每項(xiàng)的貢獻(xiàn)分布（圖11）。可以看出，溫度的局地變化項(xiàng)在東亞和北美的關(guān)鍵區(qū)內(nèi)均為負(fù)值，說明兩地溫度在極端低溫事件發(fā)生時(shí)都有降低。對(duì)于東亞地區(qū)而言，溫度平流項(xiàng)對(duì)區(qū)域溫度的降低有正貢獻(xiàn)，特別是經(jīng)向溫度平流;對(duì)于北美地區(qū)而言，經(jīng)向溫度平流、絕熱冷卻都對(duì)北美低溫起到正貢獻(xiàn);非絕熱變化項(xiàng)對(duì)東亞和北美兩地都有著顯著正貢獻(xiàn)。根據(jù)以上分析結(jié)果，東亞和北美上空的非絕熱冷卻和溫度平流的經(jīng)向輸送項(xiàng)都是影響兩地極端低溫事件發(fā)生的重要原因。

3 結(jié)論與討論

本文重點(diǎn)研究東亞與北美地區(qū)冬季同步發(fā)生的極端低溫空間事件，尋找極端低溫空間復(fù)合事件的主要特征及可能機(jī)制，得到如下結(jié)論：

1）在對(duì)東亞地區(qū)極端低溫事件頻數(shù)進(jìn)行年際尺度分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，2000年以后極端低溫事件數(shù)呈減少趨勢(shì)，但在較小時(shí)間尺度上，近20年仍會(huì)出現(xiàn)非常顯著的極端低溫事件。參考極端事件的定義，最終確定候時(shí)間尺度為本研究最有效的時(shí)間尺度。從冬季最低氣溫的EOF分解結(jié)果來看，第一模態(tài)空間場(chǎng)中東亞與北美的氣溫分布具有一致性，對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列與兩地極端低溫事件頻數(shù)的候尺度序列高度相關(guān)。通過計(jì)算兩地的局部同步性和超前滯后相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩地的極端低溫事件具有同步發(fā)生性和正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，對(duì)兩地發(fā)生極端低溫的事件進(jìn)行合成分析，兩地的氣溫分布具有相較氣候態(tài)而言的顯著負(fù)異常。

2）在分析極端低溫空間復(fù)合事件發(fā)生的影響因子時(shí)，從緯向環(huán)流角度分析，東亞和北美地區(qū)都出現(xiàn)相對(duì)氣候態(tài)的顯著負(fù)位勢(shì)高度異常中心，對(duì)應(yīng)異常的氣旋環(huán)流，且正負(fù)異常中心近似于特征Rossby-4波分布。在東亞東南側(cè)的西太平洋上和北美東南側(cè)的大西洋西岸都有高空急流存在，較氣候態(tài)而言強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置基本不變。同時(shí)，從經(jīng)向環(huán)流角度分析，東亞和北美地區(qū)都存在明顯的經(jīng)向環(huán)流特征，有利于高緯度向低緯度輸送冷空氣，并伴隨有顯著的上升運(yùn)動(dòng)負(fù)異常，對(duì)兩地氣溫的降低起推動(dòng)作用。結(jié)合熱力學(xué)方程可知，經(jīng)向溫度平流與非絕熱冷卻項(xiàng)對(duì)極端低溫事件的發(fā)生有正向貢獻(xiàn)，是影響兩地極端低溫事件發(fā)生的重要影響因子。

盡管研究發(fā)現(xiàn)，東亞和北美地區(qū)極端低溫空間復(fù)合事件整體相關(guān)性及其成因的一致性較好，但事實(shí)上，兩地溫度影響還存在一定的區(qū)域差異，對(duì)應(yīng)垂直速度異常的經(jīng)向分布等影響因子在南北方向上存在著非均勻分布。本研究只針對(duì)東亞與北美地區(qū)的冬季極端低溫復(fù)合事件進(jìn)行了分析，后續(xù)可以繼續(xù)討論其他情況的極端溫度復(fù)合事件，希望能夠建立起對(duì)北半球各類極端溫度事件空間復(fù)合的完整認(rèn)識(shí)。此外，本研究主要從極端低溫出發(fā)探討空間復(fù)合事件的環(huán)流成因，從位勢(shì)高度的正負(fù)異常情況來看，冬季北半球存在近似Rossby波特征分布，與Rossby-4波比較相似，有待進(jìn)一步探討。后續(xù)可以先從波事件出發(fā)尋找極端溫度空間復(fù)合事件，探究低溫事件與高振幅事件之間的聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)（References）

Alexander L V，Zhang X，Peterson T C，et al.，2006.Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation［J］.J Geophys Res：Atmos，111（D5）：D05109.DOI：10.1029／2005JD006290.

Barnes E A，Screen J A，2015.The impact of Arctic warming on the midlatitude jet-stream：Can it？Has it？Will it？［J］.Wiley Interdiscip Rev：Climate Change，6（3）：277-286.DOI：10.1002／wcc.337.

Boers N，Goswami B，Rheinwalt A，et al.，2019.Complex networks reveal global pattern of extreme-rainfall teleconnections［J］.Nature，566（7744）：373-377.DOI：10.1038／s41586-018-0872-x.

Branstator G，2002.Circumglobal teleconnections，the jet stream waveguide，and the North Atlantic Oscillation［J］.J Climate，15（14）：1893-1910.DOI：10.1175／1520-0442（2002）0151893：CTTJSWgt;2.0.CO;2.

陳海山，張耀存，張文君，等，2024.中國(guó)極端天氣氣候研究：“地球系統(tǒng)與全球變化” 重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目簡(jiǎn)介及最新進(jìn)展［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，47（1）：23-45. Chen H S，Zhang Y C，Zhang W J，et al.，2024.Research on weather and climate extremes over China：brief introduction and recent progress of the national key R ＆ D program of China for earth system and global change［J］.Trans Atmos Sci，47（1）：23-45.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240110007.（in Chinese）.

Cohen J，Screen J A，F(xiàn)urtado J C，et al.，2014.Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather［J］.Nat Geosci，7：627-637.DOI：10.1038／ngeo2234.

Cohen J，Agel L，Barlow M，et al.，2021.Linking Arctic variability and change with extreme winter weather in the United States［J］.Science，373（6559）：1116-1121.DOI：10.1126／science.abi9167.

Deng K Q，Yang S，Ting M F，et al.，2018.An intensified mode of variability modulating the summer heat waves in eastern Europe and northern China［J］.Geophys Res Lett，45（20）：11361-11369.DOI：10.1029／2018GL079836.

杜雪婷，陸爾，趙瑋，2021.2014年夏季長(zhǎng)江流域持續(xù)性低溫的大尺度環(huán)流異常［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，44（5）：795-803. Du X T，Lu E，Zhao W，2021.The large-scale anomalous circulation responsible for the persistent low temperature over the Yangtze River basin in summer 2014［J］.Trans Atmos Sci，44（5）：795-803.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20180320001.（in Chinese）.

Dunn R J H，Alexander L V，Donat M G，et al.，2020.Development of an updated global land in situ-based data set of temperature and precipitation extremes：HadEX3［J］.J Geophys Res：Atmos，125（16）：e2019JD032263.DOI：10.1029／2019JD032263.

Fang J，Tao K，Mu S，et al.，2023.Progress of research on compound extreme event and hazard assessment［J］.Prog Geogr，42（3）：587-601.DOI：10.18306／dlkxjz.2023.03.014.

Francis J A，Vavrus S J，2015.Evidence for a wavier jet stream in response to rapid Arctic warming［J］.Environ Res Lett，10（1）：014005.DOI：10.1088／1748-9326／10／1／014005.

Fu J L，Zhang F Q，Hewson T D，2020.Object-oriented composite analysis of warm-sector rainfall in North China［J］.Mon Wea Rev，148（7）：2719-2735.DOI：10.1175／mwr-d-19-0038.1.

高慶九，余汶檣，周小艷，2018.基于再分析資料與觀測(cè)資料的中國(guó)低溫閾值變化特征研究［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，41（3）：308-317. Gao Q J，Yu W Q，Zhou X Y，2018.Research on variation characteristics of low temperature threshold in China based on reanalysis data and observation data［J］.Trans Atmos Sci，41（3）：308-317.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20170903001.（in Chinese）.

Griffin K S，Martin J E，2017.Synoptic features associated with temporally coherent modes of variability of the North Pacific jet stream［J］.J Climate，30（1）：39-54.DOI：10.1175／jcli-d-15-0833.1.

Kalpic＇ D，Hlupic＇ N，Lovric＇ M，2011.Student’s t-tests BT-international encyclopedia of statistical science［M／OL］／／Lovric M.Berlin，Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg：1559-1563.https：／／DOI.org／10.1007／978-3-642-04898-2_641.DOI：10.1007／978-3-642-04898-2_641.

Kharin V V，Zwiers F W，Zhang X B，et al.，2007.Changes in temperature and precipitation extremes in the IPCC ensemble of global coupled model simulations［J］.J Climate，20（8）：1419-1444.DOI：10.1175／jcli4066.1.

Kornhuber K，Osprey S，Coumou D，et al.，2019.Extreme weather events in early summer 2018 connected by a recurrent hemispheric wave-7 pattern［J］.Environ Res Lett，14（5）：054002.

Kornhuber K，Coumou D，Vogel E，et al.，2020.Amplified Rossby waves enhance risk of concurrent heatwaves in major breadbasket regions［J］.Nat Climate Change，10：48-53.DOI：10.1038／s41558-019-0637-z.

Kornhuber K，Messori G，2023.Recent increase in a recurrent pan-Atlantic wave pattern driving concurrent wintertime extremes［J］.Bull Amer Meteor Soc，104（9）：E1694-E1708.DOI：10.1175／bams-d-21-0295.1.

蘭曉青，陳文，2013.2011—2012年冬季歐亞大陸低溫嚴(yán)寒事件與平流層北極濤動(dòng)異常下傳的影響［J］.大氣科學(xué)，37（4）：863-872. Lan X Q，Chen W，2013.Strong cold weather event over Eurasia during the winter of 2011/2012 and a downward Arctic oscillation signal from the stratosphere［J］.Chin J Atmos Sci，37（4）：863-872.（in Chinese）.

Lü C，Lu R，Chen W，2023.Connection of summer surface temperature anomalies between the East European plain-West Siberian plain and North America on the interannual timescale［J］.J Climate.DOI：10.1175／JCLI-D-23-0373.1.

Shi N，Tian P，Wang Y，2020.Contrasting relationship between 1 wintertime blocking highs over 2 Europe-Siberia and temperature 3 anomalies in the Yangtze River basin 4 5［C／OL］.https：／／api.semanticscholar.org／CorpusID：238756591.

Smith T M，Reynolds R W，Livezey R E，et al.，1996.Reconstruction of historical sea surface temperatures using empirical orthogonal functions［J］.J Climate，9（6）：1403-1420.DOI：10.1175／1520-0442（1996）009lt;1403：rohsstgt;2.0.co;2.

Sun C，2012.Analysis of anomalously low surface air temperature in the Northern Hemisphere during 2009／2010 winter［J］.Climatic Environ Res，17（3）：259-273.DOI：10.3878／j.issn.1006-9585.2011.10070.

Tabachnick B，F(xiàn)idell L，2013.Using multivariate statistics ［M／OL］.Pearson Deutschland.https：／／elibrary.pearson.de／book／99.150005／9781292034546.

Tang Q H，Zhang X J，Yang X H，et al.，2013.Cold winter extremes in northern continents linked to Arctic sea ice loss［J］.Environ Res Lett，8（1）：014036.DOI：10.1088／1748-9326／8／1／014036.

Woollings T，Barnes E，Hoskins B，et al.，2018.Daily to decadal modulation of jet variability［J］.J Climate，31（4）：1297-1314.DOI：10.1175／jcli-d-17-0286.1.

謝韶青，盧楚翰，2018.近16 a來冬季歐亞大陸中緯度地區(qū)低溫事件頻發(fā)及其成因［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，41（3）：423-432. Xie S Q，Lu C H，2018.Intensification of winter cold events over the past 16 years in the mid-latitudes of Eurasia and their causes［J］.Trans Atmos Sci，41（3）：423-432.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20160415003.（in Chinese）.

Yang S，Lau K M，Kim K M，2002.Variations of the East Asian jet stream and Asian-Pacific-American winter climate anomalies［J］.J Climate，15（3）：306-325.DOI：10.1175／1520-0442（2002）015lt;0306：voteajgt;2.0.co;2.

Yang X Y，Zeng G，Zhang S Y，et al.，2021.Relationship between two types of heat waves in northern East Asia and temperature anomalies in eastern Europe［J］.Environ Res Lett，16（2）：024048.DOI：10.1088／1748-9326／abdc8a.

余榮，翟盤茂，2021.關(guān)于復(fù)合型極端事件的新認(rèn)識(shí)和啟示［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，44（5）：645-649. Yu R，Zhai P M，2021.Advances in scientific understanding on compound extreme events［J］.Trans Atmos Sci，44（5）：645-649.DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20210824006.（in Chinese）.

Zhang X Q，He B，Liu Y M，et al.，2022.Evaluation of the seasonality and spatial aspects of the Southern Annular Mode in CMIP6 models［J］.Int J Climatol，42（7）：3820-3837.DOI：10.1002／joc.7447.

Zhao S，Huang D Q，Zhu J，et al.，2023.The ellipse-fitting detection of winter north Pacific jet and the associated air temperature variations in the Northern Hemisphere［J］.J Geophys Res：Atmos，128（12）：e2022JD038177.DOI：10.1029／2022JD038177.

Zscheischler J，Martius O，Westra S，et al.，2020.A typology of compound weather and climate events［J］.Nat Rev Earth Environ，1（7）：333-347.DOI：10.1038／s43017-020-0060-z.

·ARTICLE·

Wintertime concurrent cold extremes between North America and East Asia：dynamics and linkage with jet streams variability

ZHOU Wangchu HUANG Danqing YAO Suxiang2

School of Atmospheric Sciences，NanjingUniversity，Nanjing 210023，China;

2School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Abstract In recent decades，the Northern Hemisphere has experienced frequent temperature extremes that have significantly influenced human well-being，socioeconomic stability，and ecological systems.Among these，concurrent cold extremes have concurrently occurred across multiple regions and have drawn increasing attention，often linked to variations in jet stream dynamics.Despite growing interest，most studies have focused on individual events，leaving a limited understanding of the mechanisms driving concurrent temperature extremes across regions.This study focused on the characteristics and possible mechanisms of concurrent cold extremes in East Asia and North America during winter from 1979 to 2021，using the Climate Prediction Center minimum surface air temperature dataset and the NCEP／NCAR reanalysis dataset.Cold extremes were defined as daily minimum temperatures falling below the 10th percentile at each grid point，and their frequencies were analyzed across different time scales.The East Asia （73°—145°E，4°—53°N）and North America （160°—12°W，25°—75°N）were selected as the dominant study regions.The results show that concurrent cold extremes between East Asia and North America predominantly occurred on a pentad time scale.While the frequency of such events has shown a decreasing trend since 2000，significant concurrent cold extremes continue to occur on smaller time scales.Synchronicity between the two regions was confirmed through lead-lag correlation coefficients analysis，highlighting a robust connection.Further analysis of the atmospheric circulations and thermodynamic conditions during concurrent cold extremes identified key mechanisms.Zonal circulation patterns showed enhanced jet streams over the western Pacific Ocean and the West Atlantic Ocean，accompanied by negative geopotential height anomalies.These anomalies formed a Rossby wave-4 pattern，facilitating cold air advection from high latitudes to low latitudes.Meridional circulation analysis supported this，demonstrating the role of jet stream variations in transporting cold air masses.From a thermodynamic perspective，meridional temperature advection and non-adiabatic cooling emerged as the two most significant contributors to concurrent cold extremes in East Asia and North America.These findings provide new insights into the dynamics of concurrent cold extremes in the Northern Hemisphere and highlight the critical role of jet stream variability.Regional differences in temperature impacts between East Asia and North America were noted and need further investigation.Additionally，the resemblance of geopotential height anomalies to a Rossby wave-4 pattern suggests a need for further exploration of the underlying wave dynamics.This study advances the understanding of concurrent temperature extremes and their linkage to atmospheric circulation，offering a foundation for future research and prediction efforts.

Keywords spatially compound cold extremes;upper-level jet streams;circulation characteristics;thermodynamic equation;composite analysis

DOI：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20241001001

（責(zé)任編輯：劉菲）