1961—2014年云南冬季寒潮活动规律及其与大气环流异常的关系

陶 云，陈 艳，任菊章，段长春

(云南省气象科学研究所，云南 昆明 650034)

寒潮是冬季的主要天气过程之一，其造成的灾害性天气（暴雪、冻雨、大风等）对农牧业花卉生产、交通运输、社会经济和人民生命财产等造成重大损失. 北半球冬季极端天气事件以强冷空气和寒潮爆发最为常见[1]. 20世纪50年代，李宪之[2]分析东亚寒潮后将其划分为甲、乙、丙3种类型；陶诗言[3]通过研究影响中国大陆冷空气的源地和路径，把45°～65°N, 70°～90°E 范围划为寒潮关键区，冷空气在此滞留、聚集加强后，南下爆发影响中国. 中国大陆寒潮活动的规律、影响因子以及预报方法等研究长期受到气象工作者的关注. 20 世纪80年代早期，仇永炎等[4-5]和刘怡等[6]通过研究寒潮天气个例的物理过程，获得了一系列寒潮中期的预报思路. 近年来，郭其蕴[7]、武炳义等[8]、陈海山等[9]分析得出中高纬环流异常可使侵入东亚冷空气的活动产生异常，是导致中国大陆冬季气温异常的直接原因. 王遵娅等[10]、李峰等[11]、钱维宏等[12]和康志明等[13]发现中国寒潮近几十年来的活动频次总趋势为减少. 魏凤英[14]及梁苏洁等[15]指出寒潮的爆发与AO位相的变化有着密切关系. 叶丹等[16]指出寒潮冷空气的活动与高空西风急流之间存在联系，东亚温带急流与副热带急流间的协同变化影响冷空气的路径.

云南地处青藏高原东南侧的低纬高原地区，地形复杂，高山、盆地、河谷相间分布. 独特的地理位置和地形地貌形成了“四季不分明，干湿季明显”的独特气候特征. 云南寒潮强度及频次都较全国大部偏弱、偏少[11]，形成云南冬季气温较高，防寒防冻能力偏弱，寒潮强冷空气南下影响云南，常常造成严重雪灾和低温冷害，产生较大损失. 寒潮引发的低温雨雪冰冻灾害成为了云南冬半年最主要的气象灾害之一[17-18]. 2008年1—2月受源源不断北方强冷空气和南方暖湿气流的共同影响，云南出现了严重低温雨雪冰冻灾害，造成28人死亡，直接经济损失高达90.9亿元；2016年1—2月冬季强寒潮给农林牧业、交通、电力、水务和绿化等部门带来严重影响和损失，直接经济损失28.3亿元等等. 为了解影响云南寒潮强冷空气的变化特征及其影响因子，张云瑾等[19]分析了云南强冷空气过程的特点，指出云南存在锋面附近的雨雪天气和造成重霜冻的晴好天气等两种寒潮天气过程. 刘丽[20]对2000年1月29—31日云南一次强寒潮天气过程物理量进行分析，得到一些预报指标. 张腾飞等[21]对影响云南的4次降雪寒潮个例进行对比分析，指出4次降雪过程中高纬度环流形势以及水汽的来源. 陶云等[22-23]分析寒潮与昆明准静止锋的气候关联性，以及寒潮降雪过程的环流型，在一定程度上了解了影响云南寒潮的天气背景. 上述研究利用云南典型寒潮个例从天气学角度对云南寒潮（强冷空气）产生的大气环流形势、物理量以及水汽来源特征进行了诊断分析，对于寒潮天气过程的预报预警有很好的指导意义. 在气候变暖背景下，海云莎等[24]、姚愚等[25]分析了近几十年来云南寒潮（冷空气）时空活动规律. 但从气候角度对于云南寒潮年际及年代际变化特征及成因研究不多. 本文从气候学角度对发生频率最高的云南冬季寒潮（冬季寒潮频次占冬半年总寒潮频次的84%）的年际、年代际变化特征及其对应的异常大气环流进行分析，有助于提高对云南冬季寒潮活动规律及成因的认识，为云南寒潮短期气候预测和防灾减灾提供更可靠的科学依据.

1 资料和方法

1.1 资料由云南省信息中心提供的 1961—2015年云南122个气象站逐日最低气温和日平均气温资料及逐月气温和降水资料；国家气候中心提供的1961—2012年逐月74项环流指数资料；美国国家环境预报中心和国家大气研究中心（NCEP/NCAR）发布的1961—2015年全球逐月大气环流再分析资料（500 hPa高度场、700 hPa风场、200 hPa风场及海平面气压场）[26]，水平分辨率为2.5°×2.5°. 冬季为当年 12月、次年 1月和 2月（故本文包括2015年）. 气候平均值为1981—2010年的要素平均.

1.2 云南寒潮标准定义使用姚愚等[25]提出的云南寒潮标准（表1）对云南1961—2014年冬季寒潮频次进行了统计，获得云南冬季寒潮发生频次的时间序列，利用最低气温计算了相应冬季寒潮强度时间序列，对时间序列进行标准化处理.

1.3 方法本文使用相关分析、t-检验、一元回归分析、Mann-Kendall突变检验方法、功率谱周期分析以及合成分析方法.

表 1 云南寒潮标准Tab. 1 The standard of Yunnan cold wave

1.4 各类指数的来源及定义

（1）北极涛动（AO） 美国NOAA气候预测中心发布的1961—2015年逐月AO指数（http://www.cpc.ncep.noaa.gov/），计算获得 1961—2014 年冬季AO指数并进行标准化处理.

（2）西伯利亚高压指数（ISH） 王遵娅等[10]的定义，取（40°～60°N, 70°～120°E）区域内海平面气压的平均值作为西伯利亚高压强度指数. 计算获得1961—2014年冬季ISH指数并进行标准化处理.

（3）东亚冬季风指数（IWM） 施能等[27]的定义，将 20°～50°N、13 个纬度带（间隔 2.5°）的纬向标准化海平面差（110°E 减 160°E）的和，再进行 1次标准化处理. 计算获得1961—2014年冬季IWM指数.

（4）南支槽指数（IST） 吕俊梅等[28]的定义，取（85°～95°E、17.5°～27.5°N）区域内 700 hPa位势高度平均值的标准化负值定义为南支槽指数. 计算获得1961—2014年冬季IST指数.

2 云南冬季寒潮活动概况

2.1 云南冬季寒潮变化规律1961—2014 年冬季云南省共发生230次寒潮，平均4.26次/a. 从冬季寒潮年代际变化来看（图1），20世纪60年代出现次数最多，达52次，平均5.18次/a；其次是70年代为49次；最少是2000年代，为31次，平均3.13次/a，与 20世纪 60年代相比较减少了21次. 2011—2014年全省平均总次数为17次，年均为4.35次，较20世纪70年代、80年代和90年代发生次数有所增加. 总之，从20世纪60年代到21世纪初云南冬季寒潮频次逐渐减少，与全国寒潮年代际变化基本一致[13]. 从距平值看也是20世纪60年代、70年代及2011—2014年为正距平，20世纪80年代、90年代及2000年代为负距平，最大正距平出现在20世纪60年代，最大负距平出现在2000年代. 云南寒潮强度的变化与频次一致，频次多的年代其对应寒潮强度也偏强，20世纪60、70年代寒潮强度较强，20世纪90年代后强度减弱.

图 1 1961—2014 年云南冬季寒潮年代际变化Fig. 1 Interdecadal variations of the cold wave from 1961 to 2014

图2是云南冬季寒潮时间演变图. 从图2中可知，云南冬季寒潮发生最多的是1975年，标准化值为 2.78，有 6 年（1975、1982、1973、1983、1999年及1976年）标准化值超过1.5，有3 年出现在20世纪70年代；最少的是1986年，标准化值为 −1.32，有6 年（1986、1980、1974、2000、2009年及 2008年）标准化值低于 −1.0，有 3 年出现在 21 世纪初. 从趋势线看，云南冬季寒潮近54 a的总趋势是减少，全省平均减少 0.16 次/10 a，通过了 90% 的显著性检验. 这与全国大部分区域冬季寒潮的长期变化趋势为减少一致[10,12,29]，但减少速率不同，云南冬季寒潮减少趋势较全国冬季（0.34 次/10 a）[10]和华南（0.21次/10 a）[29]更平缓. 从趋势线看出，在 1984 年附近有一个多转少的转折点，1961—1983年23年中有8 年为负值，15 年为正值，平均寒潮频次为5.35次/a，距平为1.09次，云南冬季寒潮在这个时期以偏多为主；1984—2014年 31年中有 8 年为正值，23 年为负值，平均寒潮频次为3.45次/a，距平为−0.81次，这段时期云南冬季寒潮以偏少为主. 利用t−检验，发现这2个时段平均值的差异通过了98%的显著性检验. 利用Mann-Kendall突变检验方法（图略）也在1984年附近检测出云南冬季寒潮的一个突变点，进一步说明1984年前后云南冬季寒潮发生了一次明显的由多转少的年代际变化.

图 2 1961—2014 年云南冬季寒潮演变图Fig. 2 The winter cold wave evolution over Yunnan from 1961 to 2014

从云南寒潮强度变化趋势看，总体变化与频次一致，近54 a寒潮强度总趋势是减弱，寒潮出现时的全省平均最低气温升高 0.27 ℃/10 a，通过了99%的显著性检验，比频次的减少趋势显著. 两者之间的相关系数高达0.87，通过了99.9%的显著性检验. 从图2中可知，云南冬季寒潮最强发生在1983年，标准化值为−2.48，有 5 年（1983、1982、1973、1999年及1975年）标准化值低于−1.5，与频次偏多年份基本一致；寒潮最弱的是2000年，标准化值为1.64，有 8 年（2000、2009、2006、2008、1990、2001、1980年及2011年）标准化值超过1.0，基本包含了频次偏少的年份. 从年代际变化看，寒潮强度与频次的变化也基本一致，在1984年附近有一个由强转弱的转折点. 1961—1983年23年中有7 年为正值，16 年为负值，这段时期云南冬季寒潮总体偏强；1984—2014 年 31 年中有 9 年为负值，22 年为正值，这段时期云南冬季寒潮总体偏弱. 下面的分析以寒潮频次为代表.

利用离散功率谱方法对54 a冬季寒潮频次序列进行功率谱分析（图3），从图3可看出，云南冬季寒潮主要周期有 3 a左右、5 a左右、8 a左右及54 a的周期，其中8 a左右的周期通过了0.05的显著性水平检验，说明云南冬季寒潮存在年代际以内的变化周期，而年代际以上的变化周期不明显.

图 3 云南冬季寒潮功率谱（虚线：α=0.05 的显著性水平临界值）Fig. 3 The power spectrum distribution of winter cold wave over Yunnan (The dashed line is the critical value of α=0.05 significance level)

2.2 云南冬季寒潮对冬季气温和降水量变化的影响寒潮作为云南冬季主要的天气过程，对云南冬季气候变化起着极其重要的作用. 下面对云南1961—2014年冬季气温（降水量）进行标准化处理，分析寒潮频次对云南冬季气温、降水量2个主要气象要素的影响.

图4是1961—2014年云南冬季标准化寒潮频次（蓝柱状）、标准化气温（红虚线）和降水量（绿实线）序列演变图. 从图4中可知，云南冬季寒潮频次与降水量变化基本一致，同号对应率为（37/54=68.4%），计算两者的相关系数为0.32，通过了98%的显著性检验，说明寒潮频次与冬季降水量间存在很好的正相关关系；而气温与寒潮和降水量的变化基本是反向的，寒潮频次与气温的异号对应率为（44/54=81.5%），两者相关系数高达−0.71，通过了99.9%的显著性检验，说明寒潮频次与冬季气温间存在极好的负相关关系. 当冬季寒潮频次偏多（少）时，云南气温偏低（高），降水量偏多（少），因此寒潮不仅为云南带来明显降温，还有利于云南冬季降水.

图 4 1961—2014 年云南冬季标准化寒潮频次（柱状）、标准化气温（虚线）和降水量（实线）序列演变Fig. 4 The normalized cold wave frequency (bar chart),normalized temperature (dashed line) and normalized precipitation (solid line) evolution over Yunnan in winter from 1961 to 2014

为了进一步分析研究冬季寒潮异常时大气环流的结构特征，根据图4标准化寒潮、气温及降水量序列，定义寒潮和降水大于0.5标准化值同时气温小于−0.5标准化值的年份为寒潮频次偏多年；寒潮和降水小于−0.5标准化值同时气温大于0.5标准化值的年份为寒潮频次偏少年. 这样选取寒潮异常的年份，可以同时考虑到寒潮频次的异常及其对云南冬季气候影响的强度. 在1961—2014年54年中有 7 年为寒潮偏多年，分别为 1961、1967、1970、1982、1983、1992年和 1999年；有 6 年为寒潮偏少年，分别为 1972、1978、2000、2008、2009年和2011年. 可见寒潮偏多年主要出现在20世纪90年代前，偏少年主要出现在2000年以后，这与前面分析的云南冬季寒潮频次总趋势减少的结论相一致.

3 云南冬季寒潮年际异常的环流分析

根据上面挑选出的寒潮频次偏多（少）年，对海平面气压场、500 hPa高度场、700 hPa风场和气温场及200 hPa纬向风场进行了合成分析，从大气环流的角度分析云南冬季寒潮频次异常的原因，并用t-检验方法对分析结果进行显著性检验（图5）.

在寒潮偏多年与偏少年海平面气压差值图上（图5（a）），中高纬度为负—正的带状分布，类似环状模(NAM)结构. 高纬度异常负中心位于巴伦支海到新地岛一带；中纬度存在2个正异常中心，分别在亚速尔群岛的洋面及贝加尔湖附近. 云南寒潮偏多年，从西伯利亚以东至贝加尔湖一直到东亚，均为正海平面气压控制，说明这一带异常冷高压活动频繁，有利于冷空气沿着冷高压东南侧向南方侵入. 中国东南沿海及南方大部的正异常海平面气压通过90%以上显著性水平检验，也说明了影响该区域的冷高压较为异常偏多，有利于冷空气影响云南，致使寒潮频次偏多. 计算同期冬季北极涛动指数（AO）、西伯利亚高压指数以及东亚冬季风指数与云南寒潮频次的相关系数，分别为0.15、0.23及0.34，说明云南寒潮频次与同期冬季北极涛动、西伯利亚高压以及东亚冬季风存在正相关关系，冬季北极涛动为正（负）位相、西伯利亚高压偏强（弱）以及东亚冬季风偏强（弱）时，云南冬季寒潮频次偏多（少）. 云南寒潮与西伯利亚高压的相关系数通过了90%的显著性水平检验，与东亚冬季风的相关系数通过了98%的显著性水平检验.

在寒潮偏多年与偏少年500 hPa高度场差值图上（图5（b）），从高纬度至低纬度也为负—正—负的带状分布. 高纬度异常负中心位于巴伦支海到新地岛一带，通过了90%以上的显著性水平检验.北半球极区附近几乎为负值区，说明云南寒潮偏多年极涡较偏少年偏强，中心位置偏东半球在巴伦支海到新地岛附近；中纬度的2个正异常中心，分别在亚速尔群岛的洋面及贝加尔湖附近，贝加尔湖正异常中心通过了90%以上的显著性水平检验，说明在云南寒潮偏多年从西伯利亚以东到贝加尔湖一带为异常高压脊控制. 张腾飞等[21]和陶云等[23]研究也指出贝加尔湖附近的阻塞高压形势有利于强冷空气南侵影响云南. 低纬度地区30°N以南为负值带状分布，大部地区通过了90%以上的显著性水平检验，最大负值中心位于日本半岛南部. 在云南寒潮偏多年，南支槽以及东亚大槽均较偏少年偏强. 总之，当极涡偏强（弱）、贝加尔湖高压脊偏强（弱）、东亚大槽和南支槽偏强（弱）时，有利于云南冬季寒潮频次偏多（少）.

在寒潮偏多年与偏少年200 hPa纬向风场差值图上（图5（c）），从高纬度到低纬度为正—负—正的波列分布，表明云南寒潮频次偏多年对流层上层东亚副热带急流明显偏强，极锋急流明显偏弱.Yang 等[30]、Jhun 等[31]研究指出，当对流层上层东亚副热带急流偏强、极锋急流偏弱时，东亚地区地面经向温度梯度和北风增强，为冷涌向南爆发提供了有利大尺度动力条件. 这与700 hPa的风场和温度场（图 5（d）和（e））相一致，说明对流层上层的急流变化是影响云南寒潮频次的一个重要因子，其可能通过影响冷涌向南爆发的频次进而影响云南寒潮的发生频次.

图 5 云南冬季寒潮正负异常年各气象要素差值（阴影区：通过90%以上的信度检验）Fig. 5 Difference of meteorological elements in positive and negative abnormal years of winter cold wave in Yunnan Province(shadow area: pass the reliability test of more than 90%)

在寒潮偏多年与偏少年700 hPa风场差值图上（图5（d）），从高纬度有异常偏北气流向南入侵到低纬度地区（20°N），向西到了云南东部，说明在云南寒潮偏多年东亚冬季风较强，进一步证明了东亚冬季风指数与云南寒潮频次有较好的相关性，当冬季风偏强（弱）时，云南冬季寒潮频次偏多（少）；另外，从图5（d）中发现在青藏高原西部也有一支从巴尔喀什湖南侧向南的异常偏北气流，经过印度北部、孟加拉湾北部到达云南. 索渺清等[32]研究发现，青藏高原西侧的冷空气沿高原南侧到达孟加拉湾加深南支槽. 马晓青等[33]发现，南支槽的东移及其位相对寒潮向南爆发有很大的影响. 计算同期冬季南支槽指数与云南寒潮频次的相关系数高达0.54，通过了99.9%的显著性水平，说明云南寒潮频次与同期冬季南支槽存在极好的正相关关系，冬季南支槽偏强（弱）时，云南冬季寒潮频次偏多（少）. 南支槽影响云南寒潮频次的原因，可能与高原西侧的异常偏北气流有关. 相应的，在700 hPa温度场差值图上（图5（e）），中高纬度乌拉尔山以东到贝加尔湖一带为异常高温区；中低纬度大部地区气温偏低，显著异常偏低的区域主要位于青藏高原至日本南部，云南也处于异常低温区，这是由于云南寒潮频次偏多，导致气温偏低.

利用国家气候中心提供的1961—2012年74项环流特征指数资料，计算环流指数与云南冬季寒潮频次的相关关系，获得了与云南冬季寒潮频次高相关的环流特征指数（见表2）.

表 2 高相关的环流指数Tab. 2 The circulation index of highly correlate

从表2可看出，影响云南冬季寒潮频次的高相关因子主要是中纬度的副热带高压、中低纬度的印缅地区的低槽和西藏高原高度和及中高纬度的亚洲极涡. 云南冬季寒潮多（寡）变化与因子的强（弱）及位置的变化密切相关. 这与图 5（b）中 500 hPa高度场的分布相一致，两者间的相关关系均在0.3以上或−0.27以下，显著性超过95%的检验水平.当南海副高位置偏南（北）、强度偏弱（强）、面积偏小（大），西太平洋副高位置偏南（北）偏东（西）、强度偏弱（强）、面积偏小（大），有利于（不利于）北方冷空气向南入侵影响云南；西藏高原高度和偏低（高）和印缅槽偏强（弱），说明高原上及孟加拉湾低槽活跃（不活跃）；亚洲区极涡面积指数偏大（小），有利于（不利于）冷空气生成，造成冬季云南寒潮频次偏多（少）.

通过上述分析可知，云南冬季寒潮频次年际变异不仅与对流层上层的急流有关，与中层极涡、贝加尔湖的高压脊、东亚大槽、西太平洋副高、南支槽以及地面西伯利亚以东贝加尔湖附近的冷高压等系统也存在密切相关.

通过上述分析，可概括出适用于云南的影响冬季寒潮异常的大气环流概念模型（图6）.

图 6 云南冬季寒潮异常概念模型Fig. 6 The conceptual model of the winter cold wave anomaly in Yunnan

4 结论

通过对1961—2014年云南冬季寒潮频次（强度）年际、年代际活动规律及其对应的大气环流异常的分析，得到了以下主要结论.

（1）近 50 a（1961—2014 年）云南冬季寒潮频次（强度）总体呈减少（弱）趋势. 频次平均减少0.16次/10 a，寒潮出现时的云南平均最低气温升高 0.27 ℃/10 a；1984 年附近为寒潮频次（强度）由多（强）转少（弱）的一个转折点，目前处于寒潮偏少（偏弱）时期. 功率谱周期分析表明云南冬季寒潮主要周期有 3 a 左右、5 a 左右、8 a 左右及 54 a的周期，其中8 a左右的周期通过了0.05的显著性水平检验.

（2）云南冬季寒潮与气温、降水量存在较好的协同变化. 当冬季寒潮频次偏多（少）时，云南气温偏低（高），降水量偏多（少）. 由此定义寒潮和降水大于0.5标准化值同时气温小于−0.5标准化值的年份为寒潮频次偏多年（即 1961、1967、1970、1982、1983、1992年和 1999年）；寒潮和降水量小于−0.5标准化值同时气温大于0.5标准化值的年份为寒潮频次偏少年（即 1972、1978、2000、2008、2009年和2011年）.

（3）云南冬季寒潮频次年际变异与中层极涡、贝加尔湖的高压脊、东亚大槽、西太平洋副高、南支槽以及地面西伯利亚以东贝加尔湖附近的冷高压等系统存在密切相关关系. 在海平面气压场，冬季北极涛动为正（负）位相、西伯利亚高压偏强（弱）以及东亚冬季风偏强（弱）时，云南冬季寒潮频次偏多（少）；在 500 hPa高度场当极涡偏强（弱）、贝加尔湖高压脊偏强（弱）、东亚大槽和南支槽偏强（弱）时，有利于云南冬季寒潮频次偏多（少）；当南海副高位置偏南（北）、强度偏弱（强）、面积偏小（大），西太平洋副高位置偏南（北）偏东（西）、强度偏弱（强）、面积偏小（大），有利于（不利于）北方冷空气向南入侵，影响云南，造成冬季云南寒潮频次偏多（少）.

（4）副热带对流层上层的急流变化是影响云南寒潮频次变化的一个重要因子，其可能通过影响冷涌向南爆发的频次进而影响云南寒潮的发生频次.