东亚冷空气的变化趋势

黄焕卿，韩雪

（国家海洋环境预报中心，北京100081）

东亚冷空气的变化趋势

黄焕卿，韩雪

（国家海洋环境预报中心，北京100081）

利用中国气象局国家气象中心整编的中国194站1951年1月1日—2003年5月31日逐日气温资料，应用一元线性回归方法得出了东亚地区不同强度冷空气的变化趋势；文中将冷空气入侵我国的3条主要路径进行了定义，明确了每年不同路径发生的次数，并得出不同路径的气候特征。结果发现：全国大部中强冷空气和寒潮年发生次数呈减少趋势，但少部分地区出现中强冷空气年发生次数增多趋势。就路径而言，西路冷空气年发生次数同比中、东两路减少趋势明显；就季节而言，冬季冷空气发生次数同比秋、春两季减少明显。

东亚；冷空气；路径；气候特征；变化趋势

1 引言

每年9月至次年5月时段，东亚冷空气都是影响我国的主要天气过程。东亚冷空气的爆发常常伴随一定幅度的降温和大风等天气现象，达到强冷空气级别以上的冷空气爆发时因剧烈降温而造成冻害、海冰以及海上大风引起灾害性海浪。同时东亚冷空气入侵我国时又分不同的路径：西路、中路和东路，不同的入侵路径又有着各自影响的范围和天气特征。因此，作好冷空气预报，服务于国防、经济生产部门和海上航运作业部门以便采取积极措施预防其灾害、利用其有利因素具有相当重要的意义。

自20世纪以来，一些学者对冷空气本身的气候特征、变化及其对各地天气和气候的影响等进行了研究。仇永康等[1]对1951—1989年期间我国冷空气活动的特征进行了总结，并得出自1970年以后强冷空气过程总的趋势是逐渐减少的。丁一汇[2]揭示出冷空气的向南传播主要是一种低频模态的10—20天周期的振荡，与寒潮爆发有关的西伯利亚高压作为北半球冬季对流层的主要冷源会导致一系列行星尺度过程的响应。赵强等[3]研究了东亚冷空气爆发后陆地变性的物理过程。吴海英等[4]研究了强冷空气影响过程中地面变压场和高空各层温度平流场的演变特征及其与地面风场之间的关系。孙燕等[5]发现冷空气的入侵促使地面风场发展，大风u、v分量的变化与旋转系数具有很好的相关性。

随着对冷空气研究的不断深入，我国很多学者发现了与冷空气活动关系密切的一些大气环流系统。杨松等[6]分析了冷空气活动关键区和影响区的各物理量的变化规律，发现存在明显的单周和准40天活动的振荡周期，冷空气的活动与这两种周期振荡有密切关系。林玉英等[7]揭示了西北太平洋海温场与冷空气过程次数存在密切相关关系。

近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化[8]。王遵娅等[9]发现全国和区域性寒潮频次的减少自20世纪60年代末开始，并在20世纪70年代末出现突变。其探究可能原因为西伯利亚高压和冬季风强度的减弱以及西伯利亚上空低层冷堆温度和中国地表温度的显著升高。那么，东亚冷空气整体对全球气候变暖的响应又是如何？不同的季节其变化趋势是否一致？不同入侵路径的冷空气是否也发生了变化？本文将针对这些问题进行详细分析，以期加深对东亚冷空气变化特征、气候效应以及物理机制的理解。

2 资料和方法

中国气象局国家气象中心整编的中国194站逐日气温资料，时间从1951年1月1日—2003年5月31日。该资料已经过初步的质量控制，并在使用前对其进行了进一步处理。首先对单个缺测值进行了插值，然后将9月1日至次年5月31日期间出现连续缺测1个月的年份剔除，最后将气温资料连续长度短于从1951—2003年的站点进行了剔除。经过上述处理，有6个气象站被剔除最后剩余188个站点用于本文的分析。

为便于分析，利用一元线性回归方法分析全国188个气象站冷空气变化趋势，线性变化趋势系数由最小二乘法计算得到：

式中，x为时间间隔（9月至次年5月定义为冷空气活动自然年），y为冷空气年发生次数。

3 冷空气指数定义

一次冷空气降温幅度（D）是指冷空气影响过程的始末，日平均气温的最高值与最低值之差。若24 h内降温幅度大于-0.7℃则视为降温过程结束。依照国家海洋环境预报中心冷空气业务预报标准把冷空气分为四类：寒潮、强冷空气、中等强度冷空气和弱冷空气，其划分标准如下：

寒潮：D≤-10.0℃

强冷空气：-9.9℃≤D≤-8.0℃

中等强度冷空气：-7.9℃≤D≤-5.0℃

弱冷空气：-4.9℃≤D≤-2.0℃

此定义同时参考了国家气象中心单站冷空气强度等级标准（见表1）。

表1 单站冷空气强度等级标准

4 冷空气路径定义

冷空气入侵我国的路径主要有3条：西路、中路（也称西北路）和东路。

（1）西路：从关键区经新疆、青海、西藏高原东南侧南下，对我国西北、西南及江南各地区影响较大，但降温幅度不大，不过当南支锋区波动与北支锋区波动同位相而叠加时，亦可以造成明显的降温；

（2）中路：从关键区经蒙古到达我国河套附近南下，直达长江中下游及江南地区。循这条路径下来的冷空气，在长江以北地区所产生的天气以偏北大风和降温为主；

（3）东路：从关键区经蒙古到我国华北北部，在冷空气主力继续东移的同时，低空的冷空气折向西南，经渤海侵入华北，再从黄河下游向南可达两湖盆地。循这条路径下来的冷空气，常使渤海、黄海、黄河下游及长江下游出现东北大风，华北、华东出现回流，气温较低，并有连阴雨雪天气。

5 全国冷空气变化趋势分析

由图1可见弱冷空气52年来没有明显的变化趋势，全国自北到南弱冷空气减弱和增强趋势呈现间隔分布。由于弱冷空气的过程降温幅度划分为-2.0—-4.9℃，这与局地降水造成的降温幅度相当，故在降温幅度为-2.0—-4.9℃区间难以区分弱冷空气过程还是降水过程。因此基于本文的冷空气划分标准分析弱冷空气的变化趋势有一定难度，本文主要研究降温幅度低于-5.0℃的冷空气过程。

由图2可知52年期间中强冷空气（-9.9℃≤D≤-5.0℃）在全国大部呈减弱趋势，除东北地区大部呈增强趋势外。内蒙、华北以及华南等地区，个别地方的中强冷空气每100年可减少8次。参照影响我国的三条冷空气路径，东北地区主要受东路冷空气影响较多及降温幅度较大，因此初步分析东北地区大部的中强冷空气过程次数增加可能与东路冷空气发生次数增多有一定关系。

图1 1951—2002年弱冷空气线性变化趋势分布图（图中各站点值为B*100，图中被蓝线包围的为负值）

图2 1951—2002年中强冷空气线性变化趋势分布图（图中各站点值为B*100，图中被红线包围的是正值）

由图3可见全国大部呈减小趋势约每100年减少4次，其中部分地区可减少5—7次，内蒙古及东北地区的减少次数大于全国其它地区；西南、华南以及西北等地的小部分地区寒潮线性变化略呈增加趋势。如图所示的寒潮线性变化趋势结果与王遵娅等[9]对寒潮的分析结果是一致的。

图3 1951—2002年寒潮线性变化趋势分布图（图中各站点值为B*100，图中被红线包围的是正值）

6 不同路径冷空气变化趋势分析

根据各路冷空气定义，本文从北到南在全国188个站里挑选出西路、北路和东路必经的气象站，依据降温时段和降温幅度定义各路发生次数。西路冷空气从北到南所经过的有代表性的气象站为：乌鲁木齐、酒泉、兰州、宜昌；北路冷空气从北到南所经过的有代表性的气象站为：呼和浩特、太原、郑州、榆林；东路冷空气从北到南所经过的有代表性的气象站为：哈尔滨、沈阳、大连、天津。

图4 1951—2002年9月至次年5月时段西路冷空气发生次数的时间序列及线性变化趋势图

为排除冷空气路径叠加计算，首先判断一次冷空气过程影响我国的最初位置，其次判断48—72 h内另外两条路径的降温幅度。

图5 1951—2002年9月至次年5月时段北路冷空气发生次数的时间序列及线性变化趋势图

图6 1951—2002年9月至次年5月时段东路冷空气发生次数的时间序列及线性变化趋势图

图7 1951—2002年9月至次年5月时段冷空气活动次数的时间序列及线性变化趋势图

图8 1951—2002年秋季冷空气活动次数的时间序列及线性变化趋势图

图9 1951—2002年冬季冷空气活动次数的时间序列及线性变化趋势图

图10 1951—2002年春季冷空气活动次数的时间序列及线性变化趋势图

影响我国的西路冷空气过程年平均值为12.4次，年际变化大，1951—2002年期间发生次数最多的一年是1955年有18次西路冷空气过程，最少的年份是1989年和1998年都是每年8次西路冷空气过程。图4为1951—2002年9月至次年5月西路冷空发生次数的时间序列及其线性变化趋势图，可见影响我国的西路冷空气年过程次数呈减少趋势，在1951—2002年的52年时间里大约减少了2次。在冷空气入侵我国的三条主要路径中，西路冷空气影响范围是最大的，它的减少趋势对我国大部地区的气温有着直接影响。

北路冷空气发生次数的年平均值为11.5次，年际变化较大，多数年位于10—15之间，1951—2002年期间发生次数最多的一年是1961年共18次北路冷空气过程，最少的年份是1996年只有3次北路冷空气过程。图5为1951—2002年9月至次年5月北路冷空气发生次数的时间序列及线性变化趋势图，可见北路冷空气过程年发生次数减少趋势不明显，但80年代以来，北路冷空气年发生次数总体是减少的变化趋势。

东路冷空气发生次数的年平均值为16.2次，高于西路冷空和北路冷空气的年平均值，年际变化较大。1951—2002年发生次数期间最多的年份是1958年、1960年、1969年和1990年达到23次东路冷空气过程，最少的年份是1961年只有7次东路冷空气过程。图6为1951—2002年9月至次年5月东路冷空气发生次数的时间序列及线性变化趋势图，由图可见东路冷空气过程年发生次数没有明显的变化趋势。

7 冷空气季节变化趋势分析

冷空气活动主要开始于9月结束于第二年的5月，跨越秋、冬、春三个季节，因为跨越时间较长有必要以季为时间尺度对冷空气活动展开进一步分析。

9月至次年5月期间影响我国的总冷空气过程次数年平均值为40.7次，年际变化大，1951—2002年期间发生次数最多的年份1960年有53次冷空气过程，最少的年份是1983年有33次冷空气过程。图7为1951—2002年9月至次年5月冷空气活动次数的时间序列及线性变化趋势图，由图可见9月至次年5月期间冷空气活动次数呈微弱减少趋势，平均每100年减少9次过程，尤其是70年代发生突变，降到低值阶段。

秋季（9—11月）影响我国的冷空气过程年平均值为14.7次，同比冬、春两季年平均值大，其年际变化大，1951—2002年期间发生次数最多的年份1955年和1993年都有20次冷空气过程，最少的年份是1971年仅有10次冷空气过程。图8为1951—2002年秋季冷空气活动次数的时间序列及线性变化趋势图，由图可见以秋季冷空气活动次数没有明显的变化趋势，平均每100年减少2次，但是90年代中期以来有较明显的减少趋势，且振幅较小。

冬季（12月至次年2月）影响我国的冷空气过程年平均值为13.6次，年际变化大，1951—2002年期间发生次数最多的年份是1957年共有22次冷空气过程，最少的年份是1983年仅有8次冷空气过程。图9为1951—2002年冬季冷空气活动次数的时间序列及线性变化趋势图，由图可见，冬季冷空气活动次数呈较明显的减少趋势，平均每100年减少5次。70年代发生突变，冬季冷空气发生次数处于低值期。

春季（3—5月）影响我国的冷空气过程年平均值为12.3次，年际变化大，1951—2002年期间发生次数最多的年份是1968年和1979年达到18次冷空气过程，最少的年份是1952年仅有5次冷空气过程。图10是1951—2002年春季冷空气活动次数的时间序列及线性变化趋势图，有图可见春季冷空气活动次数基本上没有变化趋势，每100年减少1次。

8 结论

（1）由于降温幅度为-2.0—-4.9℃的过程成因不明确，弱冷空气和降水都可引起此幅度的降温。故在此文中讨论的冷空气过程都是指降温幅度低于-5℃的过程；

（2）冷空气活动时间为9月至次年5月，把这9个月定义为冷空气自然年。就全国大部而言，中强冷空气和寒潮年发生次数呈减少趋势，但少部分地区出现中强冷空气年发生次数增加的趋势；

（3）西路、中路、东路三条冷空气路径比较而言，西路年发生次数同比中路、东路减少趋势明显，中路、东路年发生次数没有明显的变化趋势；

（4）冷空气发生次数的年平均值为40.7次，1951—2002年期间表现为弱的减少趋势。冷空气活动时间跨越秋、冬、春三个季度，秋季冷空气发生次数的年平均值为14.7次，同比冬季13.6次、春季12.3次要大。冬季冷空气发生次数同比秋、春两季减少趋势明显，秋、春两季无明显变化趋势。

[1]仇永康，李晓东，仇永炎.我国冷空气活动的特征及其与欧亚大陆积雪的关系[J].应用气象，1992，3(2):235-241.

[2]丁一汇.东亚寒潮冷空气的传播和行星尺度作用[J].应用气象学报，1991，2（2）：124-132.

[3]赵强，丁一汇.东亚冷空气爆发后陆地变性的物理过程研究[J].气象学报，1991,49(2):170-180.

[4]吴海英，孙燕，曾明剑，等.冷空气引发江苏近海强风形成和发展的物理过程探讨[J].热带气象学报，2007,23(4).388-394.

[5]孙燕，吴海英，沈树勤，等.冬春季江苏沿海大风的特征[J].南京气象学院学报，2007.30(5).699-704.

[6]杨松，朱乾根.东亚地区冬季大气低频振荡与冷空气活动的初步研究[J].南京气象学报，1990，13（3）：339－347.

[7]林玉英，战淑芸，杨淑瑞.西北太平洋海温与影响我国北部海区冷空气的关系[J].海洋预报，1999,16(2):27-34.

[8]Honghton J T,Ding Y H,Griggs D J,et al.Climate change 2001:the scientific basis[M].The United States of American:Cambridge University Press,2001.

[9]王遵娅，丁一汇.近53年中国寒潮的变化特征及其可能原因[J].大气科学，2006,30（6）：1068-1076.

Variation trend analysis of the cold airs in the East Asia

HUANG Huan-qing，HAN Xue
（National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 10081 China）

Based on the daily temperature data of 194 basic meteorology stations from September to the next May from 1951 to 2003,the trend of East Asia cold airs was analyzed using simple linear regression method.The main three paths of East Asia cold airs were defined.Meanwhile,the numbers and climate characteristic of different paths were studied.The main results showed as follows:(1)The frequency of medium-strong cold airs and cold wave decreased in most of China.(2)The frequency of west cold airs reduced more obviously than that of North or East cold airs.(3)The frequency of winter cold airs decreased more evidently than that of autumn and spring.

EastAsia;cold airs;path;climate characteristic;trend

P732

：A

：1003-0239（2014）05-0069-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.011

2013-12-10

国家海洋环境预报中心业务发展基金（2013004）

黄焕卿（1980-），女，工程师，主要从事短期气候预报及研究。E-mail：hqhuang@nmefc.gov.cn