揭阳冬季低温及其极端事件与低频振荡的关系

翁静娴，谢洁宏，郑瑶娜，陈婉玲，夏云，叶梦茜

（1.惠来县突发事件预警信息发布中心，广东惠来 515200；2.惠来县气象局，广东惠来 515200；3.揭阳市突发事件预警信息发布中心，广东揭阳 522000；4.揭阳市气象局，广东揭阳 522000）

在全球气候变暖背景下，极端天气气候事件发生频率和强度都出现明显变化［1－2］。对于揭阳市，有研究表明其低温日数呈显著减少趋势［3］，冬季的平均气温、极端最低气温和极端最高气温总体呈上升趋势［4］。另外有研究指出大范围持续性极端低温事件（persistent extreme cold event，PECE）1995年后显著降温区南移至广东、广西等省，且持续天数更久［5］，而冬季大范围PECE会给人民生产生活和生命财产安全带来更为严重、持久的影响［6－7］。

许多学者对中国冬季大范围PECE的形成机制进行研究［5，7－9］，表明欧亚大陆大型斜槽斜脊系统是其形成和维持的主要关键环流系统［7］。通过对PECE的低频特征分析，发现其发生是中低纬大气低频振荡共同作用的结果［8］。不同区域的低温事件均受到西伯利亚高压低频活动的影响，并伴随中层不同类型低频槽活动［9］。广州冬半年逐日气温和影响广州强冷空气活动存在显著准双周变率，低温过程受气温低频振荡影响［10］。

目前已有不少对广东低温特征及成因的研究［11－14］，但当前关于揭阳市冬季日最低气温（tmin）及其与极端事件（PECE）联系的研究较少。本研究旨在揭示揭阳市冬季tmin低频振荡以及PECE气候特征，探讨两者之间的联系，并在此基础上进一步讨论PECE在季节内尺度的可预报性来源，以期提高对揭阳市冬季PECE的了解及预测。

1 资料与方法

采用1981—2020年冬季（12月—次年2月）揭阳市4个国家站（揭阳、揭西、普宁、惠来）逐日tmin平均值来代表揭阳市冬季tmin。采用NCEP／NCAR再分析数据集提供的逐日500 hPa位势高度场和850 hPa水平风场，水平分辨率为2.5°×2.5°。多年平均值为1981—2020年平均值。

使用功率谱分析［8－10］研究逐日tmin序列低频振荡特征，使用10～30与30～90 d Butterworth带通滤波器提取tmin低频分量。

采用相对阈值［15－16］来监测识别观测中的PECE。定义当逐日tmin持续至少3 d小于第10个百分位数值（极端低温阈值）时为发生一次PECE。其中，逐日极端低温阈值通过基准期15 d滑动窗口（－7至＋7 d）进行获取，例如12月10日的低温阈值对应基准期12月3日至12月17日共600 d（40年×15 d）tmin的第10个百分位数值。

为更好地区分10～30与30～90 d振荡主导PECE的大尺度环流特征，定义冬季10～30 dtmin低于－1.5个标准差且30～90 dtmin大于－1.0个标准差的事件为异常10～30 d低温事件。这样的定义有利于强调10～30 d信号并滤除30～90 d信号的干扰，有利于提高分析结果的合理性。同理，定义冬季30～90 dtmin低于－1.5个标准差且10～30 dtmin大于－1.0个标准差的事件为异常30～90 d低温事件。

2 结果与分析

2.1 揭阳市tmin气候特征及其冬季低频振荡特征

图1a为揭阳市tmin多年平均值逐日演变图。由图1a可见，揭阳市tmin呈现单峰分布，高值主要出现在夏季（7—8月），最低值出现在冬季（12、1、2月）。因冬季tmin多年平均值较低（10～14℃），故被选定为本研究的时段。

图1 1月1日—12月31日tmin逐日多年平均值（a）；冬季逐日tmin谱分析（b）

对揭阳冬季tmin做功率谱分析（图1b），其中谱分析前已去除年循环分量并进行5 d滑动平均，可以看到冬季tmin存在显著季节内变率，主要振荡周期为10～30、30～40、准60以及80～90 d。总之，揭阳市冬季tmin存在显著的准双周振荡（10～30 d振荡）与季节内振荡（30～90 d振荡），这与东亚地区两种主导低频振荡模态周期相符［16－17］。经计算，这两种低频振荡模态分别可以解释揭阳市冬季tmin原始场54%与40%的方差，肯定了低频变率对揭阳市冬季tmin总场变率的显著贡献。

2.2 PECE气候特征及其与tmin低频振荡的关系

统计可知，1981—2020年间揭阳市有21年出现了PECE（图2a），共计40次；其中2013年PECE发生次数最多，共计4次。PECE出现月份差异较小，以事件爆发日为基准，累计12月发生16次，1月发生13次，2月发生11次。另外，PECE的平均持续时间为4.1 d，并且持续时间越长出现频次越少（图2b）。其中持续3 d的PECE出现频次最多，为18次（占比45%），持续4 d的PECE出现11次（占比27.5%），持续5和6 d的PECE分别出现4次（占比10%），持续7 d的PECE出现2次（占比5%），持续8 d的PECE仅出现1次（占比2.5%）。

图2 12月1日—次年2月28日PECE监测情况（a）和不同持续性时间的PECE的发生频次（b）

为了进一步探究揭阳市冬季tmin低频振荡及其PECE之间的联系，图3给出了历史上揭阳市发生PECE的年份对应的tmin时间演变。在此定义PECE期间（图3中灰色填图）10～30或30～90 dtmin小于一个负的气候值标准差（σ）时起显著调制作用。结果显示，当揭阳市冬季出现PECE时，均受到tmin的10～30或30～90 d变率的显著调制作用。60%的PECE同时受到10～30和30～90 d变率耦合影响，其余40%的PECE主要受单频段低频分量影响，其中30%的PECE只受tmin的10～30 d变率调节，仅有10%的PECE只受30～90 d变率调控。由此可见，揭阳市冬季PECE的发生与其tmin自身低频振荡密切相关。另外，持续3 d的PECE中有9次（占比50%）受10～30和30～90 d变率耦合影响，有8次（占比44.4%）仅受10～30 d变率显著调制，仅有1次（占比5.6%）受30～90 d变率显著调制；持续6 d及以上的PECE有5次（占比71.4%）受tmin的10～30和30～90 d变率耦合影响，说明持续时间短的PECE主要受10～30 d变率调制，而持续时间长的事件中主要受10～30和30～90 d变率耦合影响。

图3 揭阳市发生PECE的年份对应的冬季tmin时间演变

2.3 中高纬低频环流系统的演变特征及影响

大气环流低频振荡是引起局地tmin低频振荡的主要原因之一［8－9，14］。图4显示了异常10～30 d（第1行）与30～90 d（第2行）低温事件合成的大尺度低频环流场。对于异常10～30 d低温事件（图4第1行），事件出现前8 d（图4a），500 hPa高度场上从欧洲北部到西北太平洋上空存在一支西北－东南向的10～30 d低频波列，具体表现为斯堪的纳维亚半岛、新疆北部－蒙古国西部和日本岛以东洋面受低频低压环流系统控制，乌拉尔山东侧、朝鲜半岛－日本岛是一低频高压环流系统中心。与之对应的850 hPa低频风场表现为异常气旋和反气旋交替出现，此时揭阳地区（绿色圆点）受异常偏南风影响。随之时间推移，波列中心不断向东移动的同时，下游中心强度进一步增强（图4a－b）。事件发生前4 d（图4c），西伯利亚地区由于持续受低频高压系统控制，大量冷空气在此处堆积；朝鲜半岛－日本岛上空转受低频低压控制，对应东亚大槽在准双周尺度上的加深，进而引导低频冷空气南下，揭阳地区低层开始转受偏北低频风的影响。事件发生前2、0 d（图4d－e），西伯利亚高压与东亚大槽在准双周尺度上的持续异常导致揭阳地区持续受10～30 d北风异常控制，干冷空气南下引起的强冷平流进而造成揭阳地区10～30 dtmin的不断下降，进而导致揭阳市异常10～30 d低温事件的发生。

图4 超期异常10～30 d（a、b、c、d、e）和30～90 d（f、g、h、i、j）低温事件不同天数对应500 hPa高度场（阴影，单位：gpm）和850 hPa风场（矢量箭头，单位：m／s）的10～30 d分量和30～90 d分量的时空演变

异常30～90 d低温事件的30～90 d低频大气环流场时空演变（图4第2行）和异常10～30 d低温事件相似，但环流演变速率明显更为缓慢。事件发生前20 d，500 hPa低频高度场上从乌拉尔山到朝鲜－日本岛上空表现为西北－东南向的正、负异常中心交替出现（图4f），随着时间越加临近（事件发生前15、10、5、0 d），原本在乌拉尔山的低频高压系统东移到西伯利亚地区并不断增强，并伴随着朝鲜－日本地区转受低频低压的控制，揭阳地区低层从异常偏南低频风转为持续受偏北低频风的影响（图4g－j）。

综上所述，造成揭阳市冬季异常10～30 d低温事件和异常30～90 d低温事件的大尺度环流信号主要皆来源于中高纬地区，中高纬环流波列的低频振荡调制了西伯利亚高压和东亚大槽在季节内尺度上的位置及强度变化，造成中高纬经向梯度的加强，有利于北方冷空气在季节内尺度上的不断南侵，受低频偏北气流影响，冷平流致使揭阳市tmin低频分量的持续下降，有利于揭阳地区PECE的发生。这与前人关于中国东部PECE事件发生机理的相关研究结果［5，8－9］相似，表明欧亚中高纬环流的次季节变率可以被作为揭阳地区PECE次季节（延伸期）预测的可预报性来源之一。

3 结论

1）揭阳市冬季tmin存在显著的10～30 d振荡（准双周振荡）与30～90 d振荡（季节内振荡）。

2）1981—2020年间揭阳市出现了40次PECE，平均持续时间为4.1 d，事件持续时间越长出现频次越少，持续3 d的事件频次最多，为18次（占比45%）；持续6 d及以上的事件仅出现7次（占比17.5%）。

3）揭阳市冬季tmin低频振荡对其PECE的发生起重要调制作用。60%的PECE同时受到tmin的10～30和30～90 d变率耦合影响；其余40%的PECE主要受单频段低频分量影响（30%为10～30 d变率；10%为30～90 d变率）。持续时间短的PECE主要受10～30 d变率影响，而持续时间长的事件主要受10～30和30～90 d变率耦合影响。

4）中高纬低频环流波列通过调制西伯利亚高压和东亚大槽在季节内尺度上的位置及强度变化引导北方冷空气在季节内尺度上的不断南侵，使揭阳上空对流层低层受异常偏北气流影响，导致揭阳市tmin低频分量的持续下降，有利于揭阳地区PECE的发生。