冬季全国性持续低温事件过程中的平流层—对流层相互作用

吴嘉蕙 任荣彩

1 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029

2 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044

3 中国科学院大学，北京 100049

1 引言

寒潮是中国冬半年主要的天气过程之一，可造成霜冻、急剧降温、暴雪、冻雨和大风等灾害性天气，给农牧业生产、交通运输、国民经济和人民生命财产等造成严重的损失（康志明等, 2010; Gao et al., 2019; 阎琦等, 2019）。中央气象台将单站降温（即冷空气影响过程中日平均气温的最高值与最低值之差）达10℃及以上，且温度距平（即冷空气影响过程中最低日平均气温与该日所在旬的多年旬平均气温之差）超过-5℃的过程定义为寒潮（朱乾根等, 2007）。研究指出，影响中国大陆的寒潮冷空气主要源于新地岛以西和以东的北冰洋洋面，以及冰岛以南的大西洋洋面，冷空气一般经西伯利亚寒潮关键区（45°～65°N，70°～90°E），可从西路、中路和东路三条路径爆发南下（陶诗言, 1957;丁一汇, 1990; 张培忠和陈光明, 1999）。乌拉尔山阻塞高压被认为是欧亚大陆及我国寒潮爆发的关键系统，其发展北伸可引起大气经向输送增强，使极区冷空气持续在脊前堆积，而其崩溃则伴随大规模寒流南下和寒潮事件发生（叶笃正等, 1962; Ding,1990; 李艳等, 2012）。除了乌拉尔山阻塞高压外，位于北大西洋和北太平洋上空的大洋高压脊也与我国寒潮爆发有关联，大洋脊向极区的延伸可导致极涡分裂，分裂的极涡中心向东亚地区的偏移可导致寒潮爆发（仇永炎, 1985）。

与普通寒潮事件相比，有一类寒潮事件的冷空气强度更强且持续时间更长，影响范围更广，这类寒潮事件一般称为大范围持续性低温事件（extensive and persistent extreme cold events，简称EPECEs）。例如，普通寒潮事件的持续时间一般在5天左右，而EPECEs的持续时间通常可达15天左右；在冷空气发展阶段，普通寒潮冷空气一般只影响叶尼塞河至贝加尔湖之间的小范围区域，而EPECEs的冷空气可覆盖从欧洲东部至贝加尔湖的广阔区域（Peng and Cholaw, 2012）。普通寒潮事件一般以乌拉尔山地区的区域性高压脊（总体范围不超过30经距）为主要关键系统，而EPECEs的发生多伴随一个横跨欧亚大陆的大型斜脊，该斜脊可从乌拉尔山一直向东延伸至贝加尔湖地区，呈现西南—东北向倾斜，纬向跨度可达60个经距左右，在其维持阶段，前部经常有一个东西向“横脊”存在；该大型斜脊多由两大洋高压脊和乌拉尔山弱脊的合并而形成（符仙月, 2011; Cholaw et al.,2011; Xie and Bueh, 2017; 布和朝鲁等, 2018）。

北半球冬季的中高纬地区是平流层—对流层耦合的关键区域，也是平流层向下影响的关键区域。平流层环流变化缓慢，异常信号通过向下传播及动力耦合过程与对流层的北极涛动（Arctic Oscillation，简称AO）及北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，简称NAO）密切相关（Baldwin and Dunkerton, 1999; Ren and Cai, 2007; Cai and Ren, 2007），对中纬度的寒潮事件发生有一定的指示作用（Plumb and Semeniuk, 2003; Perlwitz and Harnik, 2003; Kolstad et al., 2010; Wang and Chen,2010; Yu et al., 2018）。统计结果表明，在平流层爆发性增温事件（sudden stratospheric warming，简称SSW）发生前后，北半球寒潮冷空气的爆发更为频繁（Thompson and Wallace, 2001; Thompson et al., 2002; Cai, 2003; Woo et al., 2015）。我国学者在研究中国寒潮时发现，平流层强SSW所激发的中高纬温度及位势高度异常场，可形成AO型振荡并向下传播，与地面西伯利亚高压增强、阿留申低压加深以及东亚大槽位置偏西和加深有关，可对寒潮在我国北部地区爆发产生影响（李琳等, 2010; 孔文文和胡永云, 2014）。

2008年初我国南方的极端冷事件即是一次典型的EPECEs过程，仅仅根据对流层环流的异常，难以解释长江中下游地区持续1个月的暴雪天气过程，而考虑平流层环流异常信号对对流层环流系统变化的影响则可以更加清楚地阐述这次典型EPECE的冷空气爆发过程。例如，刘毅等（2008）的研究指出，平流层极涡从2007年12月上旬即开始出现变形且强度增强，并向欧亚大陆伸出槽线，这一高度负异常随高度自上而下、自西向东影响对流层环境且一直持续到次年的1月份，造成了东亚大槽主体北部偏强、位置偏东，为2008年1月中旬南方地区的极寒雪灾天气提供了有利的环流背景。向纯怡等（2009）进一步发现，从2007年10月份开始，来自热带平流层太平洋地区的位势高度负异常信号，即开始逐步向极传播，使冬季12月份开始平流层极涡异常偏强并向东亚地区偏心。上述平流层异常信号的向下传播，有利于对流层乌拉尔山阻塞高压和鄂霍次克海低槽的发展，并有利于在东亚副热带地区形成并维持西高—东低的环流形势，从而有利于在亚洲大陆中高纬地区形成北风异常，使得强冷空气不断沿蒙古高原东侧南下入侵我国华中、华东和华南地区。Nath et al.（2014）以及Nath and Chen（2016）在研究中还发现，冷事件前期巴芬岛以及拉布拉多海岸附近行星波1波的上传和东移，通过平流层波动反射作用，在欧亚大陆西部以及俄罗斯和中国的中南部地区出现1波下传，引起近地面热对流发展，使得乌拉尔山—西伯利亚地区的阻塞高压迅速增强，从而有利于2008年1月我国南部地区持续性冷空气的大面积爆发。上述证据表明，发生在我国的EPECEs过程，可能与平流层环流的调整和变化有重要联系。施宁和布和朝鲁（2015）通过位势涡度（potential vorticity，简称PV）反演和分析即发现，巴伦支海附近平流层中低层的正PV异常的向下发展，有助于对流层中上层乌拉尔山高度脊及贝加尔湖以东低压槽的发展和维持，从而可对全国性EPECEs的爆发起促进作用。

因此，要理解EPECEs这类持续冷事件的发生机理和过程，不能忽视平流层环流异常及平流层—对流层相互作用过程。前人关于EPECEs的研究多针对个例过程，对其中平流层过程的分析也仅局限于平流层环流异常的向下影响，而对平流层环流的异常变化，特别是EPECEs发生发展过程中平流层—对流层的相互作用关注较少。本文拟通过客观定义EPECEs过程，系统分析EPECEs前后平流层—对流层相互作用的总体特征，为进一步把握EPECEs发生提供具有普遍意义的证据。分析结果不仅将有助于我们把握EPECEs发生的过程和机理以及提高对此类事件的预警预测水平，而且也将有利于提升我们对平流层向下影响以及平流层—对流层相互作用过程在区域性极端气候事件发生过程中的作用等的认识水平。

2 资料和方法

2.1 资料

本文采用的日平均气温数据来自国家气候中心整编的1959～2017共59年的当年11月份到次年3月份（NDJFM）全国824个站点资料；逐日再分析资料来自欧洲中长期天气预报中心提供的ERA40（1959～1978年）叠加ERA-Interim（1979～2017年）等压面数据集，包括位势高度场、温度场和风场等，垂直方向从 1000 hPa到 1 hPa共 23层, 水平分辨率为1.5°×1.5°，还包括这两套再分析资料的2 m温度场、海平面气压场以及10 m风场等地表资料。下文中所用到的气候平均态即是基于该资料1959～2017年的气候平均场所得到的。

2.2 EPECEs的界定及分类

2.2.1 界定

参考陈峪等（2009）和Peng and Cholaw（2011）对极端事件的定义方法，我们对EPECEs的界定分为三个步骤：

（1）测站极端低温阈值：对于每一个测站，以某日及其前后各2天，取每年这5天的气温资料，得到一个样本数为5天×59年=295的时间序列。将该序列以升序排列，取第10个百分位值作为该站在这一天达到极端低温的阈值。

（2）极端低温面积：鉴于站点资料空间分布的不均匀性，我们以1°×1°经纬网格覆盖全国，将每天全国极端低温台站所覆盖的网格数，定义为该日的极端低温面积指数（定义为S）。当单日S超过全国总网格数（1012个）的10%时，即认为这一天我国境内发生了大范围极端低温事件。

（3）持续性：当S维持10%以上网格数达到8天以上（中间允许有连续不超过2天少于10%）且S峰值超过20%全国总网格数，则确定为一次大范围极端低温事件。S超过（少于）10%全国总网格日即定为事件的开始日（结束日）。

根据上述界定标准，在1959～2017年的59个冬季中，共有40次EPECEs发生（表1）。

2.2.2 分类

尽管每次EPECEs的影响范围都比较大，但各个事件的影响范围和区域仍有明显差异。我们参照Peng and Cholaw（2011）的做法，将40次EPECEs峰值日当作一个序列，对40次峰值日的标准化日平均气温距平做EOF分析，所得到的第一主导模态（可解释方差达42.1%）表现为全国一致型（本文统一称该类EPECEs为全国性EPECEs，见图1）。由图1可见，在全国性EPECEs峰值日，相对于40次EPECEs峰值日的站点标准化日平均气温来说，极端低温区集中在除青藏高原、东北北部之外的中国绝大多数地区。上述EOF分析的第二和第三模态则分别表现为西北—江南分布型和中国东部分布型，西北—江南型的极端低温区分为长江以南以及河套以西的南北两支，而东部型的极端低温区包括东北、华北、华南以及西南地区东部呈经向带状分布（图略，发生情况见表1）。由表1可知，全国性EPECEs的发生次数相对最多（17/40），占总事件数的42.5%，冷空气影响范围相对最大（平均影响我国617个站点/次），持续天数也最多（平均持续19天）。另外两类EPECEs发生的频数仅为9/40和8/40，冷空气影响范围也小得多（分别平均影响我国502和534个站点/次），持续时间也相对短得多（分别平均持续15天和13天）。由于不同类型EPECEs发生的环流过程差异较大，本文将主要针对全国性EPECEs进行分析，而对于另外两种次主导型EPECEs，将在后续研究中另文阐述。

图1 40个大范围持续性低温事件（EPECEs）峰值日我国824站标准化日均气温异常EOF（Empirical Orthogonal Function）第一特征向量分布。其中空心圆表示冷异常站点，从红色到蓝色表示异常的绝对值越大Fig. 1 The spatial pattern of the first leading EOF (Empirical Orthogonal Function) eigenvector of the normalized daily mean temperature anomalies at 824 weather stations in China on the 40 EPECEs (Extensive and Persistent Extreme Cold Events) peak days. The open circles represent the extremely cold stations. From red color to blue color, the colder the event

表1 40次冬季EPECEs的起讫时间、峰值时间、峰值站点数、持续天数和类型。Table 1 History data for the 40 EPECEs: Case Number, Beginning and Ending Dates, Peak Date, Number of Stations at Peak, Duration (in days), and EPECE Type

2.3 诊断方法

为了研究EPECEs过程中平流层—对流层环流的变化特征，本文以17个全国性事件峰值日为参考日，进行前后30 d的超前（滞后）合成分析，本文所有图中标示的0 d表示峰值日，-nd（nd）表示峰值前（后）第n天，并利用t检验方法对合成结果进行了统计显著性检验。为了描述EPECEs发生、发展过程中平流层—对流层相互作用发生的区域分布特征，我们采用三维的波通量（Plumb,1985）诊断欧亚大陆各个地区的波动能量传播情况，公式如下：

其中，Fx、Fy和Fz分别表示纬向、经向和垂直方向的波活动通量分量（单位：m2s-2），p、ψ'分别为气压和准地转流函数的纬向偏差，Ω为地球自转角速度，λ为经度。

为了说明全国性EPECEs发生发展过程中行星波的活动情况，我们还利用二维E-P通量（Andrews and Mcintyre, 1976），诊断了纬向平均波活动通量的分布和演变，其表达式如下：

文中合成的波通量异常场均为59年中每天波活动通量场减去冬季（NDJFM）相应每天这59年平均的气候态场得到的59年每天的波活动通量异常场，再根据17个全国性EPECE峰值日时间对这些异常场进行合成。

3 全国性EPECEs基本特征

图2给出了全国性EPECEs峰值前后地面温度异常场及海平面气压场分布。由图2可见，EPECEs冷空气峰值前15日，乌拉尔山附近开始出现低温异常并迅速增强，在峰值前12日，与峰值前21日即在中西伯利亚地区存在的温度负异常区合并形成宽广的冷空气堆，西伯利亚地面高压在该时间段内没有明显增强，但其覆盖范围明显向东扩展（图2a-c）；随后峰值前12日到6日，地面温度异常中心向东移动到中西伯利亚地区且随之强度迅速增强，同时地面高压中心强度也相应地在贝加尔湖西侧发展增强（图2c-d）；从EPECEs峰值前6日开始，冷异常中心与地面高压中心一致向南压，首先影响到我国新疆及内蒙古北部地区（图2d），随后逐步在我国绝大多数地区形成EPECEs（图2f）。在峰值日后，冷异常中心强度和西伯利亚地面高压中心强度均明显减弱，峰值后6日时我国地面气温逐步接近气候平均值，地面高压中心的强度也接近气候平均值（图2f-h）。

图2 17个全国性EPECEs（f）峰值（0 d）前后各天数海平面气压（等值线，间隔5 hPa）及地表温度异常（阴影，单位：K）的合成分布。粗实线为1030 hPa等值线，打点区表示地表温度异常合成分析通过95%信度检验。-n d（n d）表示峰值前（后）第n天，下同Fig. 2 Composite plot of the distributions of sea level pressure (contours, interval: 5 hPa) and surface air temperature anomalies (shadings, units: K)for the 17 nationwide EPECEs before and after their peak days. The bold solid line is the 1030 hPa isoline. The dotted area indicates where the composite surface air temperature anomalies are above 95% confidence level. -n d (n d) represents n d before (after) peak day, the same below

从造成全国性EPECEs的冷异常中心的逐日移动路径图（图3a）可以看出，该冷空气主要源于新地岛以东的北冰洋洋面，起初沿超极地路径，在贝加尔湖西侧的中西伯利亚地区有一个堆积增强的阶段（峰值前12日到峰值前6日），而后于峰值前5日到2日在新疆以北地区短暂停留后，沿西北路径，经内蒙古地区影响全国大部分地区。为了清楚地表征冷空气的堆积和爆发，我们将中西伯利亚地区（45°～70°N，60°～120°E）冷空气堆积关键区（图3b）和我国地面温度异常的时间变化进行对比，可更加清楚地表示，在EPECEs峰值前7日以前，中西伯利亚关键区平均地面温度异常持续增强，而此时我国国内地面温度没有明显的异常变化，说明中西伯利亚地区的冷气团堆积在峰值前7日达到了极大值，至此完成了冷空气在关键区的堆积阶段。而从EPECEs峰值日前6日开始，我国地面温度负异常开始明显增强，同时对应着西伯利亚关键区温度负异常的显著减弱，表明平均而言，在EPECEs峰值前一周左右，冷空气已离开关键区南下侵入我国，而峰值前6日至峰值日正好对应冷空气在我国的爆发阶段。EPECEs峰值日后，关键区及我国境内地面温度负异常同时减弱，表明冷空气的爆发阶段已经结束，进入衰减阶段。总之，全国性EPECEs的发生包括冷空气在关键区的堆积阶段（即峰值前6日以前）、冷空气爆发阶段（即峰值前6日至峰值日）以及爆发后的衰减阶段（即峰值日后）。下面，我们将围绕这三个阶段，诊断分析其中的平流层—对流层相互作用过程。

图3 （a）全国性EPECEs峰值前地面温度冷异常中心逐日移动路径，（b）EPECEs峰值前后我国范围（实线）及西伯利亚冷空气堆积关键区（45°～70°N，60°～120°E；点划线）地面平均温度异常的时间演变。（a）中蓝色点颜色越深表示冷异常强度越强，红框表示西伯利亚冷空气堆积关键区Fig. 3 (a) Daily routes of cold anomaly centers for the 17 nationwide EPECEs before their peak days, and (b) the temporal evolution of the mean surface air temperature anomalies over China (solid line) and Siberia key cold-air region (45°-70°N, 60-120°E; dot-dash line) from day -20 to day 10 around EPECE peak days. In (a), the deeper the color, the colder the temperature, with the red box denoting the Siberia key cold-air region

4 全国性EPECEs过程中平流层—对流层环流异常及相互作用

4.1 东亚地区对流层中层大型斜脊的建立、发展和崩溃

图4给出了EPECEs峰值前后对流层中层（500 hPa）位势高度及其异常场的合成分布。由图可见，自EPECEs峰值前18日到峰值前12日，欧亚大陆北部为位势高度正异常所主导，中心位于新地岛附近，此时有一位势高度脊开始在乌拉尔山附近（60°～90°E）建立（图4a-b）。从EPECEs峰值前12日到峰值前6日，位势高度正异常北缘向东伸展，之前沿乌拉尔山南北伸展的天气尺度高压脊逐渐演变成一条从乌拉尔山向东北方向延伸至中西伯利亚高原北侧的西南—东北向大型斜脊，且中心强度在此期间也持续增强，并在贝加尔湖附近形成一条东西向伸展的横槽（图4c），对应着来自极区的大量冷空气在斜脊前的中西伯利亚地区积聚（如前面图2d所示）。EPECEs峰值前6日，有一条中低纬短波槽在伊朗附近生成，峰值前3日时与南压到我国新疆北部至贝加尔湖一带的大型横槽形成阶梯槽形势（图4d）。随着横槽槽后北风转为西北风，横槽在峰值日转竖（图4e），结束冷空气的堆积，对应低层冷空气在全国范围内爆发。峰值日后，大型斜脊及转竖低槽的强度均开始明显减弱（图4f），对应影响我国冷空气的强度也相应减弱。由此我们发现，EPECEs地面冷空气的堆积、爆发和衰亡三个阶段，分别与对流层中层乌拉尔山至西伯利亚一带大型斜脊的建立、发展和崩溃相对应。

图4 全国性EPECEs峰值前后500 hPa位势高度（等值线，间隔：100 gpm）及位势高度异常（阴影，单位：gpm）的合成分布。黄色虚线表示脊线，棕色实线表示槽线，（b）中紫框表示斜脊形成区（60°～75°N，60°～90°E）。打点区表示合成分析通过95%信度检验Fig. 4 Composite plot of the distributions of 500-hPa geopotential height (contours, interval: 100 gpm) and its anomalies (shadings, units: gpm)during the 17 nationwide EPECEs. The yellow dash lines denote the ridge lines and the brown solid lines denote the ridge lines. The purple box in (b)denotes the broad tilted height ridge (60°-75°N, 60°-90°E). The dotted area indicates where the composite geopotential height anomalies are above 95% confidence level

4.2 平流层环流的阶段性调整

为了考察在EPECEs中平流层环流的变化特征，我们在图5中给出了对流层500 hPa大型斜脊形成区（60°～75°N，60°～90°E）和平流层10 hPa极区（60°～90°N，0°～360°）平均位势高度异常的时间演变。由图可见，大型斜脊形成建立—增强发展—减弱崩溃的演变过程，恰好对应了平流层纬向平均的极涡总体强度异常偏弱—逐渐恢复—再次减弱的变化过程，且后期弱极涡事件强度要明显强于前期的事件。亦即，EPECEs冷空气的堆积、爆发和衰亡以及对流层大型斜脊的建立、维持和崩溃过程中，对应着平流层纬向平均的极涡总体强度恢复、维持和再次减弱，说明此期间平流层环流也发生了阶段性的调整。

上述热带外平流层环流型的阶段性调整，由EPECEs各阶段的平流层 10 hPa位势高度及其异常分布（图6）也可以更加清楚地看到。具体地，峰值前27日，中高纬地区的位势高度异常场为一致的正异常，表明平流层极涡异常偏弱（图6a）。随后从峰值前21日开始，太平洋中低纬地区高度负异常中心向高纬地区伸展并增强，大西洋地区的位势高度负异常也有一定程度的增强，位势高度异常场由极区一致型正异常转变为了2波型异常（图6b）。随后，位于欧亚大陆上的位势高度正异常中心开始出现缓慢西退，到峰值前15日时西退到新地岛附近；同时，太平洋上空的位势高度负异常中心向北美大陆扩张，位势高度异常场又逐步转变为了1波型，新的正负异常中心分别位于欧亚大陆和北美大陆北部上空（图6c）。峰值前9日，1波型位势高度异常场维持，但伴随正负异常中心的缓慢向东移动，其中的正异常中心逐步移动到西伯利亚地区上空，负异常中心则逐步移动到大西洋地区上空（图6d）。在峰值前3日至峰值日，平流层正、负高度异常中心均迅速减弱，整个中高纬地区不再表现出明显的波动型异常（图6e-f）。直到峰值日后，大西洋中高纬地区出现的位势高度正异常向极伸展并逐渐影响整个极区，对应极涡再次呈现极区一致减弱型（图6g-h）。

图6 全国性EPECEs峰值前后10 hPa位势高度（等值线，间隔：200 gpm）及位势高度异常（阴影，单位：gpm）的合成分布。打点区表示合成分析通过90%信度检验Fig. 6 Composite plot of the distributions of the 10-hPa geopotential height (contours, interval: 200 gpm) and its anomalies (shadings, units: gpm)during the 17 nationwide EPECEs. The dotted area indicates where the composite geopotential height anomalies are above 90% confidence level

为了进一步阐释EPECEs峰值前后平流层中高纬地区环流异常型的调整情况，图7给出了60°～75°N纬度带平均的平流层10 hPa位势高度及其异常场的Hovmöller图。由图可见，在地面冷空气堆积阶段前期，平流层中高纬地区位势高度异常场经历了由一致正异常型向2波型，再向1波型变化的两次环流调整，对应平流层纬向平均的弱极涡逐渐进入总体强度恢复阶段的过程（图5中EPECEs峰值前12日以前）。在冷空气堆积阶段后期，位势高度1波异常型维持并东移，对应极涡的强度变化不显著，始终处于极涡总体强度的恢复阶段（图5中EPECEs峰值前12～6日）。在冷空气爆发阶段，位势高度1波异常型转变为纬向一致的位势高度正异常，对应极涡由再次逐渐向弱极涡型转变（图5中EPECEs峰值前6日后）。

图5 500 hPa斜脊形成区（60°～75°N，60°～90°E）位势高度异常（实线）和极区（60°～90°N，0°～360°）10 hPa位势高度异常（点划线）的时间演变Fig. 5 The temporal evolution of the 500-hPa geopotential height anomalies averaged over the broad tilted height ridge (60°-75°N, 60°-90°E; solid line) and the 10-hPa geopotential height anomalies averaged over the polar region (60°-90°N, 0°-360°; dot-dash line) around the peak day of EPECEs

图7 17个全国性EPECEs峰值前后60°～75°N纬度带平均10 hPa位势高度（等值线，间隔：200 gpm）及位势高度异常（阴影，单位：gpm）的合成Hovmöller图。打点区表示合成分析通过90%信度检验Fig. 7 Composite Hovmöller diagram of the 10-hPa zonal mean geopotential height (contours, intervals: 200 gpm) and its anomalies(shadings, units: gpm) over 60°-75°N during the 17 nationwide EPECEs. The dotted area indicates where the composite geopotential height anomalies are above 90% confidence level

4.3 平流层—对流层相互作用

4.3.1 波活动异常垂直传播

为了说明上述平流层环流调整与对流层环流变化的联系，我们在图8中给出了全国性EPECEs峰值前后北半球60°～75°N纬度带平均的当年11月至次年3月（NDJFM）气候态位势高度纬向偏差、高度异常以及波活动通量异常的高度—经度合成分布。由图可见，在冷空气堆积阶段前期，大约EPECEs峰值前三周以前，在对流层大西洋地区出现显著的位势高度负异常，在其下游的西欧至乌拉尔山地区有位势高度正异常，这有利于大西洋地区的高压脊位置略向东偏移；同时，在欧亚大陆东岸的位势高度负异常则有利于东亚大槽的加深（图8a-b）。对流层波动在欧亚地区异常增强，此时平流层极涡及绕极西风处于较弱的状态（如图5所示），有利于对流层扰动能量向平流层上传，尤其是大西洋高压脊前部异常向上的波活动通量清楚展示了波动能量的上传。随后，平流层形成了2波型位势高度异常形势（图8c-d）。EPECEs峰值前18日至12日，随着北太平洋东岸至北美大陆西岸的平流层位势高度负异常的增强，以及东亚地区的位势高度正异常中心西退到东欧地区，平流层异常2波型开始向1波型调整。但我们注意到，异常行星波与气候态的行星波动基本呈反位相叠加，在中西太平洋地区，行星波表现出明显的异常下传信号，表明了平流层行星波活动异常偏弱，极涡强度开始恢复（图5中EPECEs峰值前18～12日）。与平流层行星波分布相联系，对流层太平洋西岸的位势高度正异常中心开始逐步向乌拉尔山附近西退并有增强，使得对流层环流异常也逐步从2波型向1波型演变，这有利于大西洋高压脊加强（图8e-g）。

图8 17个全国性EPECEs峰值前后60°～75°N纬度带平均的当年11月至次年3月气候态位势高度纬向偏差（等值线，间隔：100 gpm）、异常（阴影，单位：gpm）及波活动通量异常（箭头，单位：105 m2 s-2，垂直分量已被放大100倍，且150 hPa以上的通量异常已被放大3倍）的高度—经度合成剖面。打点区表示合成分析通过90%信度检验Fig. 8 Composites of height-longitude cross sections of mean zonal deviation of geopotential height in climatology (contours, intervals: 100 gpm),mean geopotential height anomalies (shadings, units: gpm) and mean 3-D wave flux anomalies (vectors, units: 105 m2 s-2, the vertical component is enlarged 100 times and the flux anomalies over 150 hPa are enlarged 3 times) over 65°-75°N from November to March of the next year during the 17 nationwide EPECEs. The dotted area indicates where the composite geopotential height anomalies are above 90% confidence level

在冷空气堆积阶段后期（即EPECEs峰值前12～6日），平流层异常1波缓慢东移；对流层位势高度正异常中心也东移至中西伯利亚地区，有利于该区域高度脊的增强。同时，波动能量异常上传区也随该高压脊而相应地东移。但此时平流层极涡维持在总体强度恢复阶段（图5中EPECEs峰值前12～6日），上传背景的不同，使得波动能量上传在大西洋至西欧一带出现向下反射，对应着西伯利亚地区的平流层位势高度正异常信号的向下传播，有利于乌拉尔山至西伯利亚地区大型斜脊的进一步发展（图8g-i）。关于平流层通过反射上传波动的方式，向下影响对流层的机制在Nath and Chen（2016）中有详细讨论。在冷空气爆发前后（即峰值前3日后），发展强盛的对流层大型槽脊的存在，代表对流层波动最强，波动能量在大型斜脊上下游地区均表现为一致的异常上传，随后平流层波动增强，极夜急流区东风异常发展，对应极涡的再次且更显著地减弱（图5中峰值日后）。而在对流层，乌拉尔山至西伯利亚一带发展强盛的大型斜脊则开始逐渐减弱（图8j-l），预示着低层冷空气即将爆发。为了进一步证实各阶段中行星波活动的变化，下面我们给出北半球60°～75°N纬度带平均的E-P通量垂直分量异常以及其中1波和2波分量异常的演变情况。

4.3.2 行星波1波/2波贡献

图9中给出了北半球60°～75°N平均的100 hPa的E-P通量垂直分量总异常以及1波和2波分量异常的时间演变。由图可见，在冷空气堆积阶段前期，中高纬地区向上的E-P通量异常增强，其中2波分量上传异常增强而1波分量上传异常减弱，但前者的增强幅度超过后者的减弱幅度，因此的确是2波分量决定了该阶段E-P通量整体异常上传的特征（与图8a-d所示一致）。在冷空气堆积阶段后期，E-P通量表现为异常下传，虽然在峰值前15天前后，1波、2波分量下传异常均较弱，对流层表现出的1波型的高度正异常中心出现在东欧地区，有利于乌拉尔山位势高度脊的形成（与图8f所示一致），但由于前期对流层上传波动以2波异常为主，平流层向下反射的波动在峰值前9日前后转变为以2波异常为主导，此时对应对流层中西伯利亚大型斜脊的维持（与图8h所示一致）。从冷空气爆发阶段开始，E-P通量再次表现出显著的上传异常，1波和2波分量均对此上传异常有贡献，但此时以1波的贡献为主（与图8j-l所示一致）。

图9 17个全国性EPECEs峰值前后60°～75°N纬度带平均100 hPa的E-P通量垂直异常分量以及1波和2波E-P通量垂直异常分量（单位：105 m3 s-2）的时间演变。正值为上传异常分量Fig. 9 The temporal evolution of the vertical component of E-P (Eliassen-Palm) flux anomalies (VCEPFA) together with wavenumber-1 and wavenumber-2 components (units: 105 m3 s-2) at 100 hPa and averaged in 65°-75°N during the 17 nationwide EPECEs. The positive value denotes upward wave propagation and vice versa

总之，对应冷空气开始堆积前，对流层首先出现第一次环流调整，即随着对流层2波主导的行星波异常上传，平流层从2波型环流异常向1波型转变，主要体现对流层对平流层的向上影响；随后平流层极涡强度恢复并维持，对流层行星波持续上传受到抑制，在欧洲出现异常向下反射，对流层大型斜脊建立并维持，有利于冷空气在中西伯利亚地区形成堆积，主要体现平流层的向下影响；冷空气的爆发源于对流层大型横槽转竖，受对流层波动异常上传影响，平流层极涡再次减弱，该阶段主要是对流层的向上影响。

5 总结和讨论

本文通过对EPECEs中发生频率最高、持续时间最长、影响范围最大的全国性EPECEs发生、发展过程中地面冷空气、对流层槽脊系统以及平流层环流异常特征的分析，揭示了此过程中平流层和对流层之间的相互作用过程。结果表明，全国性EPECEs可划分为冷空气在中西伯利亚的堆积、冷空气爆发以及衰亡三个阶段。此期间平流层出现阶段性环流调整，极涡强度经历减弱、恢复并维持及再次减弱三阶段，与对流层乌拉尔山向东一直延伸至勒拿河的大型斜脊的建立、维持和崩溃相关联，伴随各阶段不同的平流层—对流层相互作用。

具体地，在冷空气堆积阶段前期，平流层极涡强度较弱，以大西洋地区异常扰动为主的热带外对流层形成2波型行星波异常，并上传影响平流层也调整为2波型环流异常。随后，平流层位于北美大陆的位势高度负异常中心加强，极涡强度开始恢复，行星波出现以2波为主的异常下传。东亚沿岸位势高度正异常中心逐步西退至东欧地区，平流层2波型环流异常调整为1波型，行星波异常下传减弱，对应对流层转变为1波型环流异常，影响对流层在欧洲大陆东部形成位势高度正异常中心，有利于乌拉尔山脊建立及来自北冰洋的冷空气在脊前出现堆积。此后，由于平流层波活动减弱，极涡强度进一步恢复并继续抑制对流层波动上传，与波反射相联系的异常向下影响主要出现在欧洲地区，对应对流层位势高度正异常中心向西伯利亚地区东移，乌拉尔山脊向东北方向发展形成一条横跨整个西伯利亚的大型横槽，从而冷空气堆积中心也相应东移至中西伯利亚地区。随着冷空气进入爆发阶段，发展强盛的对流层大型槽脊再次引起1波型行星波异常上传，平流层波动增强，极涡再次减弱，而此时大型斜脊东南方向的横槽与上游短波槽形成阶梯槽，随后横槽转竖，槽后西北气流引导脊前堆积的冷空气在我国大范围爆发。随着冷空气的爆发，大型槽脊开始明显减弱崩溃，低层影响我国境内的冷空气随之逐步衰亡。为了更清楚说明上述三个阶段中的平流层—对流层相互作用，表2列出了各阶段对流层和平流层环流异常变化主要特征以及相互作用的特征。

表2 全国性EPECEs的阶段划分以及各阶段中对流层、平流层环流异常特征和平流层—对流层相互作用Table 2 The stages of an EPECE and their associations with the characteristics of circulation anomalies in troposphere and stratosphere, and the stratosphere-troposphere interactions

总之，本文对历年来全国性EPECEs的综合分析结果，指出了发生EPECEs前后的平流层—对流层相互作用的基本特征，结果进一步说明了平流层—对流层相互作用过程对把握EPECEs的重要性，尽管对于不同的个例事件，上述特征可能略有差异，但本文结果依然为利用平流层向下影响过程，对全国性EPECEs做出可能的早期预判以及预测提供了有意义的科学依据。