2011/2012年冬季寒潮低频特征及其与500 hPa低频系统的耦合关系

苗青,巩远发*,白自斌



2011/2012年冬季寒潮低频特征及其与500 hPa低频系统的耦合关系

苗青①,巩远发①*,白自斌②

① 成都信息工程大学 大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都 610225;

② 山西省大气探测技术保障中心,山西 太原 030002

2015-05-27收稿，2016-04-21接受

国家自然科学基金资助项目(41275080);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306022)

利用NCEP/NCAR的逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站温度资料,首先分析了2011/2012年冬季中国低温异常过程中的两次典型寒潮过程和全国828个站平均温度低频振荡的变化特征,然后分析了温度场低频振荡随位相的演变,最后采用SVD(Singular Value Decomposition)方法研究了北半球中高纬度对流层中层低频环流系统配置对温度低频变化的影响。结果表明:1)2011/2012年冬季的寒潮和强降温过程是在全国区域平均温度存在较强的10～30 d低频振荡的背景下发生的,中国的北方和东南部地区温度的低频振荡较强是导致其降温显著的主要原因之一。2)SVD分析的第一模态显示,亚洲—西太平洋中低纬度与中高纬度的南北两支低频波列在东亚地区耦合,使我国中东部和东南部地区处于沿偏东路径南下的强冷空气中;第二模态显示,沿着喀拉海—乌拉尔山东侧—我国西部的低频波列引导源地冷空气沿西北路径南下相继影响我国西北和东北地区。这两个模态驱动了强度大、范围广的低频温度由升高向降低变化的振荡,是导致2011/2012年冬季寒潮发生和极端低温事件出现的环流系统。

寒潮

低频振荡

奇异值分解

低温异常

环流系统

北半球中高纬度地区大规模强冷空气从中国上游或以北地区南下侵入中国,往往会形成寒潮天气过程。来自源地的冷空气是寒潮过程的实体,阻塞形势、西伯利亚高压和冬季风等环流系统是冷空气的载体,冷空气的传播路径常表现为环流系统的移动路径,因此对寒潮过程的研究离不开对中高纬度环流系统的研究。目前在冷空气的源地、传播路径和寒潮的时空演变特征等方面已经形成比较系统的研究,对寒潮的研究逐渐从天气过程转向气候变化方面。在19世纪80年代中期前后中国冬季气温经历一次突变之后进入一个暖期,近年的研究(丁一汇,1991;Wang and Ding,2006;Qian and Zhang,2007;康志明等,2010;Ma et al.,2012)均表明,伴随着冬季变暖,近几十年间寒潮活动的频次呈现出减少的趋势。

在此背景下,2011/2012年冬季中国平均气温明显偏离平均气候态并出现历史新低,是中国大部分地区冬季气温一致偏低的典型异常年份。有关2011/2012年冬季异常低温的已有研究(孙丞虎等,2012;郭广芬等,2013)指出,北半球中高纬对流层低层的西伯利亚高压和阿留申低压异常偏强、中层的乌拉尔山阻塞高压稳定维持,以及受La Nia事件影响而增强的冬季风是此次异常低温的成因;此外,谭桂荣和王腾飞(2014)进一步分析了对其产生影响的中低纬系统和与中高纬影响系统相关的前期海温异常。显然,中国冬季温度并非受单一环流系统影响,并且中国地域广阔,地形复杂,各地区温度变化并非一致,影响系统也不尽相同,因此寒潮过程中中国各区域温度变化有怎样的空间差异和联系、各区域温度变化在时域上存在怎样的关系、中高纬度环流系统的配置关系及其对异常低温的影响如何?本文对这些问题进行了探讨。

寒潮过程通常会在一个季度内多次发生,表征寒潮强度的气象因子(地面温度和气压等)具有低频振荡特征,并且与大气环流的振荡周期密切相关,低频环流场的变化能很好地预示季内时间尺度低频天气系统的生消循环过程(杨松和朱乾根,1990;马晓青等,2008;刘慧斌等,2012;朱毓颖和江静,2013;杨双艳等,2014;Wei and Lin,2015)。因此,本文着眼于2011/2012年这一典型异常年份,旨在从低频振荡的角度出发进一步探讨该年冬季寒潮和强降温过程期间气温的时空变化特征,并分析低频环流系统的空间配置特征以及对寒潮的影响。

1　资料和方法

1.1资料

研究所用的资料是第Ⅱ套NCEP/NCAR全球逐日再分析资料中的2011/2012年500 hPa高度场资料,水平分辨率为2.5°×2.5°;观测站点资料来源于中国气象局国家气象中心整编的中国地面气候资料日值数据集,所使用的时间长度为1979年1月1日—2013年12月31日,剔除缺测多和建站晚的台站,选用其中的828个台站逐日平均温度来分析2011/2012年冬季中国温度的变化特征。

1.2方法

本文定义当年12月1日至翌年2月28日(闰年为2月29日)为冬季。选用墨西哥帽(Mexican hat)小波变换的方法进行周期分析,先将2011年7月1日—2012年6月30日全国828个台站的逐日温度时间序列扣除季节变化趋势(即傅里叶变换的1～3波),然后再进行小波变换。为剔除小波分析的边界影响,取其中2011年11月1日—2012年2月29日小波变换结果用于分析中国平均温度变化的显著周期。之后,采用Lanczos滤波器(Duchon,1979)(滤波参数n=181),对2011年和2012年中国828个台站温度和500 hPa高度场进行10～30 d的带通滤波,同样提取2011年7月1日—2012年6月30日的低频振荡信号,从而扣除滤波中受边界影响的时段。

为进一步探讨北半球中高纬低频环流系统对低频温度异常的影响,采用奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)方法,将500 hPa低频高度场作为左场,全国828个台站低频温度场作为右场进行SVD分解,得到的左(右)场奇异向量的空间分布反映了左场(或右场)低频序列与右场(或左场)模态时间系数的相关性和相关程度;此外,经计算得到左右场各模态时间系数相关性都较高,同性和异性相关系数的空间分布特征基本一致,本文使用两个耦合模态的异质相关图来揭示两要素场之间存在的时域相关性的空间联系,并采用Monte Carlo检验方法检验SVD模态在统计学上是否有意义。

1.3寒潮标准

采用王遵娅和丁一汇(2006)研究中所使用的过程降温和温度距平双重标准,将寒潮分为单站、区域性和全国性寒潮。其中,过程降温为冷空气影响过程中,日平均温度最高值与最低值之差;温度距平指冷空气影响过程中,日平均温度最低值与该日所在旬的多年旬平均温度之差。

单站寒潮标准为:冷空气影响过程中,过程降温在10 ℃以上,温度距平在-5 ℃以下。

全国性寒潮标准为:规定以32°N为南北方分界线,达到单站寒潮标准的南方站数和北方站数分别占总南方站数和总北方站数的1/4和1/3;或达到单站寒潮标准的站数占总站数的30%以上,同时过程降温在7 ℃以上,温度距平在-3 ℃以下的站数占到总站数的60%以上。

区域性寒潮标准为:除全国性寒潮外,达单站寒潮标准的站数占总站数的15%以上,同时过程降温在7 ℃以上,温度距平在-3 ℃以下的站数占总站数的30%以上。

在此基础上,本文定义强降温过程标准为:除全国性和区域性寒潮外,达单站寒潮标准的站数占总站数的10%以上,同时过程降温在7 ℃以上,温度距平在-3 ℃以下的站数占总站数的25%以上。

图1　1979/1980—2013/2014年冬季全国平均温度距平序列(a)和2011/2012年冬季温度距平(b)(图1a中绿线为气候平均值;图1b中●为极端日降温站,□为极端低温站;单位:℃)Fig.1　(a)The annual variation of the regionally averaged winter temperature anomalies in China from 1979/1980 to 2013/2014 and (b)temperature anomalies in winter of 2011/2012(according to the climate mean value from 1979 to 2013,shaded;● denotes stations with extreme daily temperature declines and □ denotes stations with extreme minimum temperature;units:℃)

2　2011/2012年冬季寒潮事件及温度的低频特征

2.12011/2012年冬季全国温度特征

图1a中给出相较于1979/1980—2013/2014年冬季气温气候平均值的历年冬季全国平均温度距平序列。可见在1979/1980年冬季以来的35个冬季中,2011/2012年冬季全国平均气温仅略高于1983/1984年和1984/1985年这两个冬季的全国平均气温,在最近一个气候态(30 a)内达到历史极值,为近29 a内中国最冷的冬季,冬季全国平均气温低于气候平均值约1.2 ℃。

图2　两次寒潮过程降温(阴影)及温度距平(等值线,相对于1979—2012年的气候平均值)(单位:℃)a.2011年11月28日—12月2日;b.2012年1月18日—23日Fig.2　Process temperature drops(color-shaded) and temperature anomalies(according to the climate mean value from 1979 to 2012,contours) of the two cold waves from 28 November to 1 December 2011(a) and from 18 to 23 January 2012(b)(units:℃)

图1b是相较于1979/1980—2011/2012年冬季气候平均值的2011/2012年冬季气温距平分布。可见除青藏高原、西南西部和黄淮部分地区以外,全国大部分地区普遍为显著的温度负距平。与常年同期相比,北方大部分地区和华南大范围地区的温度显著偏低,新疆、内蒙古西南部和东北部、辽宁、河北、贵州以及广西壮族自治区部分地区温度偏低达3 ℃以上。此外,该年冬季极端低温、极端日降温事件频发,在全国828个台站中,黑龙江省新林、吉林省农安、广东省河源等共24个台站(图1b中站)出现极端低温,日最低气温突破过去33个冬季的历史极值;并且,黑龙江省呼玛、新疆省七角井、青海省玛多等100个台站(图1b中●站)出现极端日降温,日平均气温的降温幅度突破过去33个冬季历史极值,多数分布在中国东北、新疆和长江中下游地区。因此,2011/2012年冬季是中国北方和东南部大范围地区普遍寒冷的典型冬季。

2.22011/2012年冬季典型寒潮事件及全国平均气温的低频特征

2011/2012年冬季我国发生两次典型寒潮事件,图2分别给出了2011年11月28日—12月2日和2012年1月18日—23日这两次寒潮过程期间过程降温和温度距平的分布情况。如图2a所示,第一次典型寒潮过程持续了4 d,共284个台站(北方81个台站和南方203个台站)达到单站寒潮标准;除了西北北部、川藏和云南地区以外,全国大部分地区过程降温为5 ℃以上,主要影响东部地区。其中东北南部、内蒙古中北部以及长江中下游以南均为过程降温大值区,最大中心值可达13 ℃以上;东部地区温度距平值均低于-6 ℃,华北、江淮及长江中下游以南地区较往年同期气温偏低8～10 ℃,内蒙古东部和东北地区温度距平值可达-14 ℃以下。

图3　2011年11月1日—2012年2月29日全国区域平均温度序列的逐日及季节变化(a;黑线为实际温度;绿线为季节趋势;横坐标红色(A)表示全国性寒潮,蓝色(B、C)表示区域性寒潮,蓝绿色(D、E)表示强降温;单位:℃)和其去趋势序列的小波变换(b;等值线是小波变换值,单位:℃;阴影区(虚线区)表示温度在季节平均变化趋势上偏强(弱))以及其在不同频域上的方差(c)(图3b左边纵坐标a为小波变换尺度因子,图3c右边纵坐标为a对应的近似周期)Fig.3　Daily and seasonal change of the regionally averaged temperature of China[(a);black line for actual temperature;green line for seasonal tendency;red abscissa (A) denotes the national cold,blue abscissa (B,C) denotes the regional cold,and green abscissa (D,E) denotes the strong cooling process;units:℃],the wavelet transform of the difference between the temperature and its seasonal change tendency[(b);isoline denotes the value of wavelet-transform,units:℃;shaded(dashed) area denotes the region with stronger(weaker) changing tendency,based on the seasonal variation of temperature),and the wavelet variances on different frequency domains of the wavelet transform of the difference between the temperature and its seasonal change tendency(c) from 1 November 2011 to 29 February 2012[the left vertical-axis in (b) is the scale-factor a of the wavelet-transform;the right vertical-axis in (c) is the corresponding period of the scale a]

如图2b所示,第二次典型寒潮过程持续5 d左右,除西南东部和南部以外,全国其他地区过程降温均在5 ℃以上,主要影响北方地区,尤其是在西北北部、内蒙古西部和东北南部,部分地区过程降温达到13 ℃以上,东南沿海一带过程降温也达到7 ℃以上。温度距平呈现出与过程降温类似的分布情况,全国除西南地区外温度普遍偏低,北方地区温度距平值基本均在-7 ℃以下,尤以内蒙古温度显著偏低,部分地区较往年同期偏低达到10 ℃以上。

图3a中给出了2011/2012年冬季全国平均气温序列的逐日变化(黑线),可见从11月到次年2月中旬,平均气温不断经历“下降—小幅回升—再下降”的过程。根据寒潮标准统计得到,2011年11月1日—2012年2月29日期间共发生1次全国性寒潮(A:2011年11月28日—12月2日,图3a中红色标注时段)、2次区域性寒潮(B:2012年1月18日—23日、C:2012年2月7日—10日,图3a中蓝色标注时段)和2次强降温过程(E:2011年11月17日—24日、D:2011年12月28日—2012年1月4日,图3a中蓝绿色标注时段),其中第一次区域性寒潮强度接近于全国性寒潮强度。为分析方便,将强度不等的寒潮和降温过程分别用“A”、“B”、“C”、“D”、“E”过程代表(如图3a所示,下同)。

由前文分析得到,“A”和“B”两次寒潮过程先后分别引起我国东部和北部地区大幅度降温并出现温度负距平,这两次典型寒潮事件是导致2011/2012年冬季中国北方和东南部大范围地区普遍寒冷的主要原因之一。此外,对“C”寒潮和“D”、“E”2次强降温过程的分析表明(图略),“E过程”主要影响北方的内蒙古、东北、华北和东部沿岸地区,引起的降温很强,过程降温最大中心值可达17 ℃以上;“D”和“E”这两次过程相似,除了西北西南部、西南南部和东部以外的全国大部分地区过程降温均在5 ℃以上。可见,从2011年11月初开始到2012年2月底,中国北方、青藏高原西部以及东部的广大地区相继出现强度不等的寒潮或强降温过程,降温过程的频次增加且影响范围较广,致使中国北方和东南部大范围地区温度距平持续偏低,这或许是导致该年冬季全国平均温度极端异常的原因之一。

图4　2011年11月1日—2012年2月29日冬季全国平均温度与其季节变化趋势之差(左边纵坐标和红色虚线)及10～30 d滤波后的温度序列(右边纵坐标和黑线)(单位:℃)Fig.4　The difference between the daily regional-averaged temperature of China and its seasonal change tendency(left vertical-axis and red dashed line) and the 10—30-day filtered temperature(right vertical-axis and black line) form 1 November 2011 to 29 February 2012(units:℃)

2011/2012年冬季的寒潮和强降温过程有10～30 d的时间间隔,存在明显的季节内尺度。为探讨2011/2012年冬季全国平均气温极端异常的原因,我们重点分析了2011/2012年冬季全国区域平均温度的低频变化特征和全国828个常规观测站构成的温度场的低频变化特征。首先在全国平均气温的原始时间系列中扣除季节变化趋势,即用原始时间序列减去季节变化趋势,并对其进行小波变换。然后利用小波变换检测出的温度变化的显著周期,对全国平均气温的原始时间序列和828个台站构成的温度场进行带通滤波,分析了气温在时间和空间上的低频变化对强降温过程的影响。

图3b是对2011/2012年全国平均气温时间序列与季节变化趋势(图3a中绿线所示)之间的偏差进行小波变换的结果,可以清楚地看出气温在时域和频域上的变化情况。为便于分析,定义小波变换值F≥2的时间范围表示气温回升时期,F≤-2的时间范围表示气温降低时期。可见,2011/2012年冬季全国平均气温存在以尺度因子a=2至a=8(即8～32 d)为主要周期的低频振荡,在这个尺度上,F值的变化表现出4次较强的降温过程,分别出现在2011年11月底至12月初、2011年12月底至2012年1月上旬、2012年1月下旬和2月上旬,分别对应“A”、“D”、“B”、“C”过程,说明10～30 d低频序列的气温对该年冬季的降温有重要作用。再从图3c中小波变换在不同时域内方差贡献的大小来看,在a=2与a=8之间的范围内方差均比较大,也表明2011/2012年冬季全国平均气温具有显著的10～30 d的低频振荡周期。

2.32011/2012年冬季不同位相低频气温的演变

结合小波变换分析结果,在此给出全国平均气温经10～30 d带通滤波后的时间序列(如图4所示)。可见,2011年11月低至12月初和2011年12月初至2012年2月中旬平均温度10～30 d的振荡明显偏强,与小波变换分析结果一致,几次寒潮和降温过程均与振荡由低频升温到低频降温位相转换阶段以及低频降温的阶段相对应。说明振荡的演变和降温存在较好的相关关系,且与强降温过程的关系密切,因此下文对10～30 d低频温度场的演变特征进行分析。

图5　2011/2012年冬季828个台站10～30 d低频温度(阴影;单位:℃)合成图a.第1位相;b.第2位相;c.第3位相;d.第4位相;e.第5位相;f.第6位相;g.第7位相;h.第8位相Fig.5　Composite of 10—30-day filtered temperature of 828 stations in China(color-shaded;units:℃) for (a)the first phase,(b)the second phase,(c)the third phase,(d)the fourth phase,(e)the fifth phase,(f)the sixth phase,(g)the seventh phase,and (h)the eighth phase,in winter 2011/2012

考虑到中国幅员辽阔、地形复杂,各地区温度变化并非一致,为了分析低频温度场随位相的演变,基于小波分析和带通滤波的结果,选取2011/2012年冬季全国平均温度10～30 d低频信号中与“A”、“D”、“B”过程相对应的3个主振荡周期,将828个台站气温的低频分量分别在第1—8位相上进行合成。其中第1(5)位相为10～30 d全国平均气温低频变化由负(正)向正(负)的转换位相,第3(7)位相为低频温度变化升高(降低)最强位相,其他位相为低频温度变化升(降)过程的过渡位相。图5是合成后的8个位相的全国828个台站低频温度场。

第1位相阶段(图5a)对应着黄河流域和长江中下游及其以南地区低频温度升高,其中河套西部和江南的升温较强;而东北北部为低频温度降低区。

在第2位相时(图5b),黄河流域和长江中下游及其以南的低频升温区范围扩大且明显增强,位于河套及其以北和江南西部的强升温区呈“一北一南”分布,最大中心值可达2 ℃;而东北北部低频降温区明显缩小并减弱,降温过程接近结束;在这个阶段,我国西北、青藏高原西部和东北南部变为低频温度升高区,西北北部的最大中心值可达2.5 ℃以上。

第3位相时(图5c),西北和东北南部地区的低频升温增强,原位于江南的强低频升温区向东南移动,东南沿海一带的大值区均达到2 ℃以上;在这个阶段,内蒙古东北部和东北北部地区也变为低频温度升高区,此时,除高原东部和西南西部地区以外,全国其他地区低频温度一致升高。

到第4位相(图5d),内蒙古东北部和东北地区的低频升温明显增强,其北部的最大中心值可达2 ℃;而西北北部和东北南部的低频升温明显减弱,其他地区的低频升温过程结束。

第5—8位相的低频温度场与相应的第1—4位相基本相反。第5位相阶段(图5e)对应东北地区的低频升温区向北缩小;西北西部、黄河流域及其以北地区和长江中下游地区变为低频温度降低区;相反,青藏高原中部和东部部分地区出现弱的低频升温区。

在第6位相时(图5f),黄河流域及其以北和长江中下游地区的低频降温区范围扩大且明显增强,强降温区也呈“一北一南”分布,分别位于河套和长江以南地区,最小中心值可达-2.5 ℃;青藏高原东部的低频降温区也明显加强且范围扩大,最大中心值可达2 ℃以上;东北北部低频升温过程接近结束;在这个阶段,我国西北、青藏高原西部和东北南部变为低频温度降低区,西北地区的最小中心值可达-2 ℃。

第7位相时(图5g),西北和东北南部地区的低频降温增强,而原“北”强降温区减弱,“南”强降温区向南移至华南,高原东部的低频升温区也有所减弱;在这个阶段,内蒙古东北部和东北北部地区也变为低频温度降低区。此时,除高原东部和西南西部地区以外,全国其他地区低频温度一致降低。

到第8位相时(图5h),内蒙古东北部和东北地区的低频降温明显增强,其北部的最小中心值可达-2.5 ℃;而西北北部和南部沿海地区低频降温减弱,其他地区的低频降温过程基本结束;与此同时,高原东部的低频升温也接近结束。

综合这一部分,从转换阶段的第1(5)位相到低频升(降)温最强的第3(7)位相,对应着我国除了东北北部以外的北方地区和东南部地区低频升(降)温普遍增强;而高原东部几乎呈现出与之相反的低频温度变化。我国的东北北部地区则在第3—5位相(第7、8、1位相)为低频升(降)温阶段,滞后于上述大范围低频升(降)温2个位相左右。西北北部地区介于前两者之间,在第2—4(6—8)位相为较强的低频升(降)温,分别在第2、3(6、7)位相与高原西部、河套、长江及其以南地区和在第3、4(7、8)位相与东北北部地区振荡相同。可见,以上三个范围地区的温度低频变化呈现明显的位相先后关联,2011/2012年冬季的“A”、“D”、“B”、“C”过程均对应降温过程的第5—7位相,除高原东部和西南地区以外的全国大部分地区较强的低频温度振荡是导致这些地区降温显著的主要原因之一;同样的,“E”过程对应降温过程的第5—8位相,说明内蒙古和东北地区气温的10～30 d振荡对其强降温过程起到主要作用。

3　中高纬500 hPa低频高度场与828个台站低频温度场的耦合关系

寒潮天气过程不仅本身具有低频振荡周期,而且与大气环流的振荡周期密切相关(朱毓颖和江静,2013)。不同地区气温低频变化的影响系统也不尽相同,冷空气的源地、南下的路径和侵入我国的路径均与中高纬对流层中层环流系统的配置和演变密切相关,其中常见的影响系统有极涡、阻塞形势、东北低涡和东亚大槽等。为进一步分析2011/2012年冬季中国大范围异常低温和气温低频变化的成因,探讨中高纬度对流层中层低频高度场与地面低频温度场振荡之间的关系,采用SVD分解方法分析了500 hPa亚洲—西太平洋地区(40～180°E,10～90°N)低频高度场与全国828个台站构成的低频温度场之间的耦合模态,分析了低频环流系统的配置及其对温度变化的影响。

考虑到高度场对气温的影响并非表现为同期关系,温度场的响应可能存在时间上的滞后,通过分析低频温度场与同期和超前1～5 d低频高度场的SVD分解结果,最后选取协方差贡献百分比率较高的2011年10月30日—2012年2月27日500 hPa低频高度场作为左场,滞后其2 d(即2011年11月1日—2012年2月29日)的低频温度场为右场进行SVD分解。前两个模态的SCF分别为44.85%和19.34%,均通过了99%的显著性水平检验。由于前两个模态的协方差贡献(约64.2%)足够大,故仅对前两个模态进行分析。

图6是二者SVD分解第一耦合模态异质关系图及时间系数变化。第一模态左场异性相关系数的空间分布(图6a)显示,在500 hPa亚洲—西太平洋中高纬度地区(30～70°N),达到99%置信水平的相关区沿着乌拉尔山至贝加尔湖地区(-)、内蒙古西部至长江中下游及黄海地区(+)到堪察加半岛以南的西北太平洋地区(-)是一个西北东南走向的低频波列;在中低纬度地区(10～40°N),显著相关区自西向东存在着从伊朗高原中部(+)、到喜马拉雅山脉以南的印度半岛东部和孟加拉湾西北部(-)、再到长江中下游以南的东南地区至日本岛以南的西太平洋(+)的低频波列。两个低频波列在东亚地区耦合,强相关区对应于东亚大槽所在的位置,中心相关系数可达0.6以上。

图6　亚洲—西太平洋500 hPa 10～30 d低频高度场(a) 与中国冬季10～30 d低频温度场(b) SVD分析的第一模态异类相关图及时间系数(c)(a、b中阴影表示达到99%的置信水平;c中虚线为左场,实线为右场)Fig.6　The distribution of the heterogeneous correlation and variations of the time coefficients(c) of the first pair of singular vectors in the SVD between the (a)10—30-day filtered height in Asia and the western Pacific at 500 hPa and (b)10—30-day filtered temperature[areas lager than the 99% confidence level are shaded;the left field is shown by dashed line and the right fileld is shown by solid line in (c)]

在这样的低频高度场分布型的影响下,相应的低频温度场异性相关系数的空间分布(图6b)显示:除了青藏高原东部、西南西部和中国东部45°N以北地区为负相关,其他地区一致与低频高度场为正相关;其中102°E以东、40°N以南大陆区的正相关均达到99%的置信水平,河套东部和华南沿海这两个高相关区的相关系数均达到0.7以上;相反,高原东部则为显著的负相关,即第一模态右异类相关图反映出与上一部分低频温度场随位相演变分析相对应的结果:河套东部和华南的强低频温度振荡形成明显的“一北一南”的分布形势;高原东部与高原西部、河套、华东和华南大范围地区呈相反的低频温度变化。

因此,第一对奇异向量的耦合空间分布很好地反映了低频温度场与低频高度场之间存在的耦合模态:当乌拉尔山—贝加尔湖的阻塞形势关键区低频高压系统增强,印度半岛—孟加拉湾的低频高度升高,而伊朗高原和东亚沿岸及临海对应的东亚大槽地区低频高度降低时,有利于高纬度冷空气沿乌拉尔山—贝加尔湖之间高压脊前的偏东路径南下从蒙古侵入我国;同时,低频高度场的中高纬度波列与中低纬度波列在东亚地区耦合,东亚地区经向环流增强促使冷空气南下次数增多,强度偏强;这样的低频系统配置模态对应高原西部、内蒙西部、河套至长江中下游、江南及华南地区低频温度降低,其中北面的河套东部和南面的东南沿海地区低频降温较强,是偏东路径冷空气影响下低频温度的强振荡区,反映了中高纬度的北支低频波列和中低纬度的南支低频波列对东部地区低频温度变化产生的影响;反之亦然。

图7　亚洲—西太平洋500 hPa 10～30 d低频高度场(a)与中国冬季10～30 d低频温度场(b)SVD分析的第二模态异类相关图和时间系数(c)(a、b中阴影表示达到99%的置信水平;c中虚线为左场,实线为右场)Fig.7　The distribution of the heterogeneous correlation and variations of the time coefficients(c) of the second pair of singular vectors in the SVD between the (a)10—30-day filtered height in Asia and the western Pacific at 500 hPa and (b)10—30-day filtered temperature[areas lager than the 99% confidence level are shaded;the left field is shown by dashed line and the right filed is shown by solid line in (c)]

如图6c所示,左右场第一模态时间系数的变化匹配得较好,两场模态的时间相关系数为0.81,表明低频高度场与低频温度场变化在空间上的一致性:第一模态低频温度场与超前其2 d的低频高度场密切相关,尤其在11月中、上旬和11月下旬到次年2月上旬这两段时间内几乎同相变化,反映了在“A”、“D”、“B”、“C”过程期间,乌拉尔山到贝加尔湖之间低频高度由低到高变化,东亚及沿海地区低频位势高度由高到低变化,有利于高纬度冷空气沿偏东路径扩散南下,致使青藏高原西部、内蒙西部、华北及东南地区表现出低频温度由暖到冷的变化。

第二模态左异类相关场(图7a)与第一模态有明显区别:在中高纬度(40～120°E、30～80°N)强相关中心从新地岛及其以东洋面(负相关)、到乌拉尔山东侧(正相关)、再到我国西部及其以西和内蒙古及其以北地区(负相关)是一个西北—东南向的“-+-”波列。该波列与起始于冷空气源地的巴伦支海或新地岛、经乌拉尔山及西西伯利亚的寒潮关键区(70～90°E、43～65°N)、巴尔喀什湖和蒙古、从我国西北和内蒙地区侵入我国的寒潮冷空气的西北路径相吻合,体现了冷空气的路径往往表现为环流系统的移动路径;此外,鄂霍次克海阻塞关键区也存在显著的强正相关区,在40～60°N范围内,纬向方向上低频高度场呈现出沿着乌拉尔山东侧(正相关)、蒙古(负相关)、鄂霍次克海(正相关)的低频波列;两个波列上的强相关中心的相关系数绝对值均可达到0.6以上。

与此相应的第二模态右异类相关场(图7b)显示:显著的负相关区位于西北北部、内蒙古东北部和东北北部地区,位于西北东北部和内蒙古东北部的强相关中心相关系数达-0.5以下,反映出与上一部分低频温度场随位相演变分析相对应的结果:西北与内蒙古东北部及东北北部低频温度振荡存在相同的变化。因此,第二对奇异向量的耦合空间分布表明:当乌拉尔山东侧和鄂霍次克海地区低频高压系统加强,而新地岛及喀拉海地区和中国西北地区低频高度降低时,有利于新地岛及其附近源地的冷空气沿西北路径南下扩散,从我国西北、蒙古、内蒙地区侵入,再以偏西偏北的路径相继影响我国西北和东北地区;西北路径侵入我国的冷空气往往比较强盛,可形成寒潮天气过程,该低频系统配置模态对应着我国西北和东北地区的强低频降温;反之亦然。

如图7c所示,第二模态低频高度场和低频温度场的时间序列波动趋势一致,两低频场模态的时间相关系数为0.87,说明第二模态也很好地反映了2011年11月—2012年2月低频温度场与超前其2 d的低频高度场之间存在的主要耦合关系,尤其是在11月初到12月中旬和次年1月下旬到2月底这两段时间内正负位相变化基本吻合:在“B”和“C”过程期间,乌拉尔山东侧和鄂霍次克海低频高压系统加强,喀拉海和我国西部北部地区低频位势高度降低,造成西北北部、内蒙古东北部和东北北部地区受沿西北路径南下的强冷空气影响引起较强的低频降温,反映了中高纬低频环流系统对冷空气低频活动及北方寒潮过程的重要影响;而在“E”和“A”过程期间低频高度场为相反的变化,高纬度强冷空气沿偏东路径南下影响内蒙古西部至东南沿海一带,致使内蒙古、东北南部和华北为强降温区,而西北和东北北部地区过程降温较小。

综合这一部分对流层中层低频高度场与低频温度场的耦合关系结果可以看到:全国性寒潮过程(“A”)是第一和第二模态共同作用导致青藏高原西部和中国东部大幅度降温;区域性寒潮过程(“B”、“C”)也是两个模态共同作用的结果,但第二模态起到的作用与在全国性寒潮过程中的相反,致使中国北方、高原西部和东南沿海地区降温较强;在“D”过程中第一模态起到主要作用,在“E”过程中第二模态起到主要作用。

4　结论与讨论

本文首先对2011/2012年冬季中国区域平均温度极端异常过程中强度不等的寒潮及强降温天气过程进行了分析;然后分析了中国区域平均温度的低频振荡变化特征,并基于周期分析结果合成研究了828个常规观测站构成的温度场的低频振荡空间分布随位相的演变特征;最后采用SVD方法研究了北半球中高纬度中层500 hPa低频环流系统配置对滞后其2 d中国各区域温度低频变化的影响。主要结论有:

1)2011年11月至2012年2月期间的1次全国性寒潮(2011年11月28日—12月2日)、2次区域性寒潮过程(2012年1月18日—23日、2月7日—10日)主要影响内蒙古、东北、青藏高原西部以及我国东南地区,后两次过程对西北北部影响更显著;寒潮和降温过程频次的累积增加致使中国北方和东南部地区温度距平值持续偏低。由全国828个观测站的平均温度变化得到,2011/2012年冬季中国区域平均温度极端异常是在温度季节变化趋势基础上,迭加了较强的10～30 d周期的温度低频振荡变化的结果。

2)合成分析全国平均温度10～30 d振荡变化8个位相低频温度场的演变得到,青藏高原西部、黄河流域和长江中下游以南大范围地区低频温度变化一致,而青藏高原东部则是与之相反的振荡;我国东北北部地区低频升(降)温滞后于大范围低频升(降)温约2个位相;西北北部地区低频温度变化介于前两者之间。寒潮和强降温过程均与低频温度振荡由升温到降温的转换位相和降温的位相相对应,温度10～30 d振荡较强的地区也对应于强降温区,说明较强的低频温度振荡是其显著降温的主要原因之一。

3)2011年11月—2012年2月低频温度场与超前其2 d的500 hPa低频高度场SVD分析的第一模态显示:中高纬度沿着乌拉尔山至贝加尔湖(高)—河套东部至渤海(低)—堪察加半岛以南的西北太平洋(高)的北支低频波列与中低纬度沿着伊朗高原中部(低)—印度半岛东部和孟加拉湾西北部(高)—我国东南至西太平洋地区(低)的南支低频波列在东亚地区耦合,引导高纬度冷空气沿偏东路径南下,致使青藏高原西部、河套和华北向南至东南沿海的大范围地区低频温度降低,而高原东部是与之相反的低频升温区;第二模态显示:沿着喀拉海(低)—乌拉尔山东侧(高)—我国西部(低)的低频波列引导源地冷空气沿西北路径南下扩散,并以偏西偏北的路径相继影响我国西北和东北地区。3次寒潮过程均为两个模态共同作用的结果,说明中层低频环流系统驱动了强度大、范围广的低频温度由升高向降低变化的振荡,导致2011/2012年冬季全国区域平均温度极端异常和北方、东南地区温度距平一致偏低。

此外,在过去的一些研究(陈文等,2013;伍红雨等,2014)已经发现La Nia事件对我国冬季气温存在较重要的影响。结合本文图1a的结果,在1979/1980—2013/2014年期间中,共包括1983/1984、1984/1985、1988/1989、1995/1996、1998/1999、1999/2000、2007/2008、2010/2011、2011/2012年的9个冬季是La Nia事件,其中除1988/1989年和1998/1999年两个冬季外,其余7 a的冬季均为全国平均温度距平低于-0.5 ℃的典型冷冬。将La Nia事件发生的7个典型冷冬全国气温距平进行合成(图略),得到我国除东北北部、青海南部、西藏中部的小范围地区之外,北方大部地区、秦岭及淮河流域以南的南方地区在La Nia事件发生年冬季气温偏低;与本文图1b对比可得,2011/2012年冬季全国除东北北部地区之外,其他地区温度距平与La Nia事件发生年冬季全国气温距平合成结果存在很好的相关关系。因此,La Nia事件的发生可能是2011/2012年冬季极端低温事件发生的原因之一。但是,ENSO是年际尺度变化的信号,与本文中主要研究的气温10～30 d的周期明显不同,两者之间的相互作用关系较为复杂,La Nia事件的发生与我国冬季极端低温事件的关系还需要进一步研究。

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Using the daily data of NCEP/DOE Reanalysis II and the temperature data established by conventional observation stations of the National Meteorological Information Center,cold waves during the extreme event of regional averaged temperature in China in the winter of 2011/2012 and the characteristics of the low-frequency oscillation(LFO) of the mean temperature of 828 stations were analyzed.Then,the evolution of the low-frequency temperature field with phases was also analyzed,as well as the impact of the spatial configuration of the low-frequency circulation system in the mid-troposphere in the extratropical Northern Hemisphere on temperature changes by using the SVD method.The results showed that:

(1)The increased cumulated frequency of the cold waves and the declining-temperature periods from November 2011 to February 2012,accompanied by the wide temperature reduction,led to the extreme event of regional averaged temperature in China and an abnormally low temperature anomaly in North and Southeast China in the winter of 2011/2012.

(2)Cold-temperature anomalies were the result of overlapping of the strong 10—30-day oscillation of temperature,based on the seasonal temperature change trend.Low-frequency temperature in the western Tibetan Plateau and Yellow River basin and middle and lower reaches of the Yangtze River and the region to its south changed coherently,and two centers of strong oscillation were separately located in the Hetao area in the north and in southern China in the south.Whereas,the eastern Tibetan Plateau showed the opposite,with a decrease(increase) of the low-frequency temperature in Northeast Inner Mongolia and Northeast China lagging behind the large area.As for northwest north,the LFO of temperature was mostly consistent with both of the two former.

(3)The results of coupling spatial patterns and their temporal variations of the low-frequency height field at 500 hPa and the low-frequency temperature field of 2 days later by using the SVD diagnosis method indicated that,when the low-frequency high between the Urals and Lake Baikal was enhanced,and the low-frequency wave train in mid-low latitudes was coupled with that in the mid-high latitudes,these circulation systems led to strong cold air spells south along the easterly path.Furthermore,they caused the eastern area from the west of Inner Mongolia to southern China to undergo cold waves and declining temperature in winter’s eve and in mid to late winter,with the two centers of severe declining temperature separately located in the east of the Hetao area in the north and in southern China in the south.However,the eastern Tibetan Plateau showed the opposite,with the low-frequency wave train along Kara-east of the Urals-Northwest China being the low-frequency circulation system that led to strong cold air spells in the south,which then dispersed along the westerly and northerly path before sequentially impacting Northwest and Northeast China during the cold waves in the latter half of winter.

cold wave;low-frequency circulation oscillation;SVD;cold-temperature anomalies;circulation system

(责任编辑：孙宁)

Characteristics of low-frequency oscillations during cold waves in winter 2011/2012 and its coupling with the low-frequency system at 500 hPa

MIAO Qing1,GONG Yuanfa1,BAI Zibin2

1CollegeofAtmosphericSciences,KeyLaboratoryofSichuanProvinceforPlateauAtmosphereandEnvironment,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China;2ShanxiAtmosphericSoundingTechnologySupportCenter,Taiyuan030002,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150527001

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