1 引言
近些年来在气候变暖的大背景下， 全球各区域的气候发生了不同程度的改变， 其中对国际社会经济发展影响甚深的极端天气事件引起了许多公众、 学者以及政府部门的密切关注（IPCC， 2013）。作为极端天气事件的重要组成部分， 极端温度事件发生的变化也十分显著。Manton et al（2001）就指出， 在全球范围内极端高温事件频次有所增加， 而极端低温事件则在减少。也有学者指出， 相较极端高温事件而言， 极端低温事件的变化更为剧烈， 对温度变化的响应更加敏感（Alexander et al， 2006）。事实证明近10多年间， 北半球中纬度地区受到冷冬影响的年份有所增加（王迪等， 2015）， 如： 2008年初， 中国南方出现的大范围低温雨雪冰冻灾害（Bueh et al， 2011b； 丁一汇等， 2008）； 2009/2010年冬多次侵袭美国、 欧洲多国的寒潮（李威和朱艳峰， 2007）； 2013/2014年冬季美国东部半数地区遭受的严寒与持续性降雪（Wallace et al， 2014）。
在全球气候变化的背景下， 很多研究均表明我国冬季气温和极端低温事件均呈现出明显的年代际变化特征。例如， Yang and Wu（2013）对1979 -2011年东亚冬季气温进行分析时发现20世纪90年代末以来东亚冬季气温趋于偏冷。Yun et al（2018）研究东亚冬季低温与冬季风关系时将1960 -1986年划分为冷期， 1987 -2007年为暖期， 2008 -2015年为冷期。索朗塔杰等（2020）在研究中采用谐波分解的方法提取了1961 -2016年全国839个台站的冬季极端低温指数的前四波分量， 将1979年后的时段划分为前冷期（1979 -1986年）、 暖期（1987 -2007年）和后冷期（2008 -2016年）。
极端低温事件形成的直接原因是不同位势高度上各个环流系统发生异常并产生协同作用（Bueh et al， 2011a； 李艳等， 2019）。极涡作为极地大规模冷空气的象征， 冬季极涡面积及极涡强度与中国极端低温事件间存在显著的相关关系（Huang and Tian， 2019； 张婧雯等， 2014）。阻塞高压脊前的偏北气流可以引导冷空气南下进而影响中低纬度区域， 乌拉尔山至西伯利亚地区的阻塞高压活动异常是极端低温事件产生的重要原因之一（Wen et al， 2009； Zhou et al， 2009； 龚志强等， 2013）。西伯利亚高压可以直观地反映地面冷气团的强度及厚度， 中国大部分地区气温偏低时西伯利亚高压较为强大且东扩南伸（蓝柳茹和李栋梁， 2016； 王遵娅和丁一汇， 2006）。针对极端低温事件年代际变化的形成机制， 也有许多学者进行了研究， 如： 杨冬东等（2020）发现， 秋季波弗特海、 楚科奇海、 巴伦支海和喀拉海的海冰面积的年代际变化与亚洲北部冬季极端低温事件有显著负相关关系； El Niño强度的年代际变化可以通过平流层极涡对中纬度极端低温事件产生影响（Zhou et al， 2020）； 冬季北大西洋涛动相关环流系统的年代际变化会引起中国北方极端低温事件的改变（韩方红等， 2018）； 梁苏洁等（2014）指出北极涛动在年代际尺度上对我国冬季气温有很强的调控作用。
较一般极端低温事件， 冬季大范围持续性极端低温事件（extensive and persistent extreme cold event， EPECE）对我国的交通、 电力以及人民群众生命财产安全有更为严重、 持久的影响（布和朝鲁等， 2018）。同时EPECE的形成机制也更加复杂， 针对2018年1月南方持续性雨雪天气的研究发现（彭京备和孙淑清， 2019）， 对流层环流比较稳定、 西风带小波动型活动多发会促使持续性雨雪冰冻天气的发生。李尚锋等（2018）也发现， 500 hPa位势高度场上如果存在超长波槽与长波槽扰动叠加的情况， 会促使东北地区持续性极端低温事件的发生。从以上的研究进展可见， 目前我国极端低温事件出现明显的年代际变化特征， 表现为近些年大范围持续性极端低温事件发生次数增多、 其影响也日益严重， 但是针对此类特殊的、 高影响的极端低温事件年代际变化及其成因的系统研究， 目前还较少见到。
因此， 针对以上的问题， 本文将在前人研究的基础上， 分析研究近60年我国大范围持续性极端低温事件的特征， 重点关注其年代际变化特征， 并尝试从大气环流异常变化的角度来分析和讨论其年代际变化的成因， 以期为我国冬季极端低温天气气候事件的预测提供科学参考。
2 资料来源与方法介绍
2.1 资料来源
采用的资料包括： （1）吴佳和高学杰（2013）基于我国2416个地面气象气象台站的观测资料， 通过插值方法建立起来的一套经纬度分辨率达到0.25°×0.25°的日平均温度格点数据集CN05.1， 选取时间长度为1961 -2018年。（2）NCEP/NCAR再分析资料， 时间长度为1961 -2018年， 水平分辨率2.5°×2.5°， 垂直方向1000~10 hPa共17层， 要素场包括海平面气压场、 位势高度、 温度以及风速。
文中涉及的中国地图和世界地图分别是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2020）3184号的中国地图和GS （2016） 1666号的世界地图制作， 底图无修改。
2.2 方法介绍
目前有许多对极端低温事件的定义方法， 为了研究大范围持续性极端低温事件， 本文主要参考Peng and Bueh（2011）提出的方法， 并根据使用资料精度较高， 分布均匀的特点做出相应的改进。最终大范围持续性极端低温事件的界定过程分为3个部分： （1）利用百分位法按照10%计算各格点极端低温阈值； （2）每日全国发生极端低温格点数若超过总格点数的15%， 则认为该日发生了大范围极端低温事件； （3）当大范围极端低温事件维持8天及以上， 并且极端低温事件持续时间内发生极端低温的格点数最大值超过总格点数的30%， 则认为发生了一次EPECE。并将一次事件中极端低温格点最多的日期称为峰值日期， 该日极端低温格点与总格点数的比值称为峰值日覆盖率。在1961 -2018年共检索出41次事件， Peng and Bueh（2011）定义的冬季EPECE日历记录时段为1953 -2008年， 1961 -2008年这一相同时段内共37次事件可日历内找到26次（剩余11次由于阈值计算不同， 事件强度偏弱未在日历中找到）， 证明该方法运用于格点数据集也同样有效。将满足上述条件的第1日记为开始（即“day 0”）日期， 用“day-n”（“day n”）代表事件发生前（后）n天。此外， Peng and Bueh（2011）在研究中通过聚类方法将EPECE分为5个大类， 分别为全国类、 西北/江南类、 东部类、 中东部类以及东北/华北类。
西伯利亚高压指数（Siberia high index， SHI）定义为 40°N -65°N， 80°E -120°E 区域的平均海平面气压（Cheung and Zhou， 2014）。指数值越高， 说明西伯利亚高压越强。
二维阻高指数采用Davini et al（2012）定义的方法， 对于每一经度的格点， 南500 hPa高度梯度（GHGS）和北500 hPa高度梯度（GHGN）计算公式如下：
式中： 30°N≤ ≤75°N； = -15°； = +15°。当某一格点满足GHGS >0 m（°lat）-1， GHGN<-10 m（°lat）-1时， 则认为该格点上有瞬时阻塞（Instantaneous Blocking）发生。当瞬时阻塞沿经向延伸尺度大于15°时， 则该区域的阻塞可以判断为大尺度阻塞（Large-scale Blocking）。如果大尺度阻塞覆盖的格点范围达到10°经度×5°纬度， 并且5日及以上时间都维持这一形势， 则定义该格点发生了阻塞事件。将阻塞事件在研究时段内的累计发生天数与总天数之比定义为阻塞事件发生频率。
此外， 阻塞强度指数BI（Blocking Intensity）的计算参考Wiedenmann et al（2002）采用的方法， 对于每一经度的格点， 公式为：
式中： 为选取格点的纬度； MZ 为该格点500 hPa位势高度； Zu 和Zd 则分别为同一纬度上该格点上下游±60°内500 hPa位势高度场上的位势高度最小值。BI指数取值范围为0~10， 指数值越大（小）， 说明阻塞高压越强（弱）。
由Teubler and Riemer（2016）提出的等熵面上Ertel位涡为：
式中： 表示等熵面上相对涡度的垂直分量； 为科氏参数。
式中： g， p和θ分别为重力加速度， 气压和位温。
冬季中高纬度对流层顶高度接近315 K等熵面， 因此选取该等熵面上的位涡针对其经向梯度反转来进行研究， 以期从等熵面位涡分析的角度研究EPECE 事件期间极涡活动及Rossby破碎等特征。
3 大范围持续性极端低温事件时空分布特征
3.1 时间变化特征
为探讨EPECE是否存在年代际变化， 本文首先对EPECE的累计天数做分析［图1 （a）］。可以看到， EPECE的累计天数年际变化总体上呈下降趋势， 下降趋势通过了95%显著性检验。根据9年滑动平均结果也可以看出， 我国EPECE累计天数在20世纪60 -90年代中期具有明显的波动下降特征， 呈现清晰的年代际变化。而在 1995年后， 波动下降趋势不明显， 在2005年后累计天数又出现了增多的趋势， 特别是2010/2011年冬春季累计天数达到了32天之多。
以上分析表明EPECE存在明显的年代际变化特征， 遂将EPECE的研究时段分为1961 -1995年（时段1）， 1996 -2018年（时段2）两个时间段来研究。对1961 -2018年我国冬春季发生的EPECE类别进行分析可知［图1 （b）］， 波及范围最广的全国类EPECE在时段1的32次事件中共有18次， 占比56.3%， 而在 1995年后的23年间仅有2次全国类EPECE发生， 占该时段9次事件的22.2%。西北/江南类事件在时段1发生6次， 占比18.75%， 在时段2发生5次， 占时段2总事件数比例达55.5%， 说明其是时段2主要的EPECE类型。中东部类虽然次数较少， 但在时段2发生频次与时段1一致， 均为两次。东部类与东北/华北类EPECE仅在1995年前有发生。
从图1 中可以看出， 1961 -2018年EPECE累计天数变化趋势总体是下降的， 但在 1995年后有小幅的增加。此外， EPECE的影响范围在57年间也发生了较大的改变， 占比最多、 影响范围最广的全国类EPECE频次减少， 取而代之的则是西北/江南类和中东部类EPECE占比逐渐增大。西北、 长江以南地区成为了EPECE发生的主要区域， 表明我国中东部至华南地区在时段2间更易受到EPECE影响。
3.2 空间分布特征
从不同年代际内EPECE峰值日的温度距平差异（图2 ）中可以看出， 时段1降温显著的区域覆盖我国大部分地区， 新疆中部至吉林省， 向南直至湖北、 江西等省均有明显的温度负距平。而时段2在东北地区基本没有出现显著的温度负距平， 与之相对的则是新疆西南地区、 新疆东部、 内蒙古大部、 甘肃、 陕西、 山西等省， 以及华东、 华南地区出现了明显的温度负距平。这与前文所述全国类EPECE减少， 东北地区受影响偏少， 1996 -2018年间EPECE多为西北/江南类以及中东部类的结论相一致。
综合分析图1 和图2 表明， 在1995年前后， EPECE在累计天数以及发生区域上都出现了明显的改变。1995年前全国类事件多发， 经过20世纪90年代的低频期进入2005年后EPECE累计天数升高， 主要表现为对我国南方影响更大的西北/江南类和中东部类事件多发。在针对一般极端低温事件的研究中杨冬东等（2020）发现， 冬季欧亚大陆北部极端低温事件在1997年发生突变， 由偏少转为偏多； 艾雅雯等（2020）也指出， 春季江南地区极端低温事件频次的突变时间为1995/1996年， 频次和强度均有所增加。可以看到， EPECE与一般极端低温事件均在1990年代中期发生了由偏少变为偏多的趋势转变， 江南地区是1995年前后发生转变较为明显的区域。为了更好地分析这两类事件为何在近20多年间频繁出现， 其模态和影响是否存在异同， 并在此基础上探究发生这些变化的大气环流成因， 本文将选择1961 -1995年西北/江南类与中东部类共8次事件， 与1996 -2018年的7次事件进行对比分析（见表1 ）。
表1 1961 -2018年冬春季41次EPECE的开始日期、 持续时间、 峰值日期、 峰值日覆盖率和类型Table 1 Beginning dates， durations， peak day， coverage in the peak day and types of 41 EPECE in winter and spring from 1961 to 2018 |
| 序号 | 开始日期 | 持续时间/d | 峰值日期 | 峰值日覆盖率 | 类别 | 序号 | 开始日期 | 持续时间/d | 峰值日期 | 峰值日覆盖率 | 类别 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1963-01-02 | 14 | 1963-01-12 | 42% | 全国类 | 22 | 1980-01-29 | 12 | 1980-02-05 | 70% | 全国类 |
| 2 | 1964-01-25 | 11 | 1964-01-31 | 44% | 全国类 | 23 | 1984-01-19 | 13 | 1984-01-26 | 44% | 全国类 |
| 3 | 1964-02-08 | 20 | 1964-02-18 | 61% | 全国类 | 24 | 1984-12-16 | 16 | 1984-12-25 | 69% | 全国类 |
| 4 | 1966-12-20 | 30 | 1967-01-02 | 65% | 全国类 | 25 | 1985-02-17 | 9 | 1985-02-18 | 45% | 东北/华北类 |
| 5 | 1967-02-08 | 8 | 1967-02-11 | 46% | 东部类 | 26 | 1985-03-08 | 15 | 1985-03-10 | 63% | 全国类 |
| 6 | 1967-03-03 | 8 | 1967-03-05 | 58% | 西北/江南类 | 27 | 1985-12-05 | 13 | 1985-12-09 | 45% | 东部类 |
| 7 | 1968-02-02 | 21 | 1968-02-06 | 62% | 全国类 | 28 | 1988-02-26 | 12 | 1988-03-02 | 65% | 全国类 |
| 8 | 1968-12-30 | 10 | 1969-01-02 | 49% | 全国类 | 29 | 1991-12-26 | 8 | 1991-12-28 | 59% | 西北/江南类 |
| 9 | 1969-01-28 | 13 | 1969-01-31 | 79% | 全国类 | 30 | 1992-03-16 | 9 | 1992-03-16 | 37% | 西北/江南类 |
| 10 | 1969-02-14 | 20 | 1969-02-28 | 62% | 东部类 | 31 | 1993-01-14 | 12 | 1993-01-16 | 54% | 中东部类 |
| 11 | 1970-01-02 | 10 | 1970-01-05 | 36% | 中东部类 | 32 | 1993-04-02 | 11 | 1993-04-09 | 44% | 东北/华北类 |
| 12 | 1970-02-25 | 29 | 1970-03-16 | 68% | 全国类 | 33 | 1996-03-22 | 16 | 1996-04-02 | 70% | 全国类 |
| 13 | 1971-02-27 | 16 | 1971-03-06 | 40% | 东部类 | 34 | 1998-03-18 | 9 | 1998-03-20 | 62% | 全国类 |
| 14 | 1972-02-03 | 10 | 1972-02-05 | 59% | 全国类 | 35 | 1999-12-18 | 8 | 1999-12-21 | 39% | 中东部类 |
| 15 | 1974-12-03 | 24 | 1974-12-14 | 54% | 西北/江南类 | 36 | 2002-12-23 | 16 | 2002-12-26 | 51% | 西北/江南类 |
| 16 | 1975-12-07 | 17 | 1975-12-13 | 75% | 西北/江南类 | 37 | 2008-01-20 | 28 | 2008-02-02 | 59% | 西北/江南类 |
| 17 | 1976-03-27 | 9 | 1976-03-29 | 42% | 西北/江南类 | 38 | 2011-01-02 | 20 | 2011-01-10 | 54% | 西北/江南类 |
| 18 | 1976-12-25 | 23 | 1976-12-27 | 73% | 全国类 | 39 | 2011-03-14 | 12 | 2011-03-22 | 50% | 西北/江南类 |
| 19 | 1977-01-27 | 16 | 1977-01-31 | 77% | 全国类 | 40 | 2012-12-30 | 12 | 2013-01-04 | 40% | 中东部类 |
| 20 | 1977-12-30 | 14 | 1978-01-09 | 38% | 全国类 | 41 | 2018-01-23 | 9 | 2018-01-29 | 38% | 西北/江南类 |
| 21 | 1978-02-08 | 16 | 1978-02-13 | 66% | 全国类 |
3.3 不同时段内两类EPECE空间分布特征
从峰值日温度距平图［图3 （a）， （b）］来看， 两类EPECE在两个时期内的主要差异在华东、 华南地区以及新疆西北部。时段1新疆北部至内蒙古中部存在比较明显的降温区域， 而在时段2新疆西南部则存在明显温度负距平。华东地区的山东、 江苏、 河南、 安徽以及湖北等省在时段1为显著降温区域， 至 1995年后贵州、 广西、 湖南、 广东、 江西和福建大部温度距平更加明显。在平均发生天数图［图3 （c）， （d）］上， 一次事件中发生极端低温天数最多的格点在两个时间段基本都位于新疆中部地区， 但时段2平均发生天数明显高于时段1。时段2大于6天的格点一直延伸至广西省。由此可以看出， 1996 -2018年的两类EPECE发生的变化主要有降温范围更加偏南， 持续天数也更久。
图3 1961 -1995年（左）和1996 -2018年（右）不同年代际两类EPECE峰值日气温距平合成（上， 单位： ℃）及单次事件平均发生天数合成（下， 单位： 天）黑色点区表示通过95%的置信度检验 Fig.3 The distribution of daily mean temperature anomalies （up， unit： ℃） at the peak days and mean days for a single event （down， unit： day） for interdecadal two types of EPECE during 1961 -1995 （left） and 1996 -2018 （right）. The black dots have passed the confidence test of 95% |
4 大气环流成因分析
4.1 大气环流场特征
为了研究不同年代际两类EPECE发生过程中冷空气活动的差异， 本文利用合成分析方法来讨论EPECE发生前至发生时这一时间段内不同位势高度场及海平面气压场的变化特征。
200 hPa平均位势高度场可以反映出对流层极涡的形态、 位置与强度的变化。从图4 中可以看出， 在不同时间段两类EPECE爆发前后极涡的表现形式有所不同。时段1前期极涡偏强， 在事件第-15~-12天时就有明显的负距平信号出现在亚洲北部， 在此之后负距平逐渐东移减弱。极涡来自冷空气源地， 偏强的极涡则说明亚欧大陆高纬地区处于强烈的冷空气控制。时段2前期极涡强度偏弱， 但在第-12~-6天极涡东移减弱的过程中， 由于得到了新鲜的冷空气补充， 位于亚洲北部的负异常强度得以维持。至第0天， 分裂的极涡中心使欧洲西北高纬地区出现了明显的负异常。通过对比分析， 第-3天120°E附近的大槽在不同时期方向不同， 代表极涡长轴的方向不一致， 时段2此时已在北欧地区出现非常明显的负距平， 与时段1相比出现时间更早、 强度更强、 边缘更南。该区域附近的极涡中心东移将会为阻高的发生发展提供重要的动力支持。
图4 1961—1995年（左）和1996 -2018年（右）不同年代际两类EPECE发生第-15~3天200 hPa位势高度场（等值线）及其距平（彩色区）合成场（单位： dagpm）黑色点区表示通过95%的置信度检验 Fig.4 200 hPa height field （contour） and its anomalies （color area） from fifteen days prior （-15） to three days after （+3） for interdecadal two types of EPECE during 1961 -1995 （left） and 1996 -2018 （right）.Unit： dagpm. The black dots have passed the confidence test of 95% |
图5 1961 -1995年（左）和1996 -2018年（右）不同年代际两类EPECE发生第-12~6天500 hPa位势高度场（等值线）及其距平（彩色区）合成场（单位： dagpm）黑色点区表示通过95%的置信度检验 Fig.5 500 hPa height field （contour） and its anomalies （shaded） from twelve days prior （-12） to six days after （+6） for interdecadal two types of EPECE during 1961 -1995 （left） and 1996 -2018 （right）.Unit： dagpm.The black dots have passed the confidence test of 95% The black dots have passed the confidence test of 95% |
影响我国的冷空气在高纬地区的积蓄情况可以由西伯利亚高压的强弱直观地反映。不同年代际两类EPECE发生第-8~4天海平面气压场及其距平合成场（图6 ）可以看出， EPECE发生前8天， 两个时段在欧亚大陆西北部均出现了正距平信号， 不同的是时段1正异常偏北， 并在向东向南发展移动的过程中逐渐增强； 时段2出现的正异常信号位于欧洲一带， 与时段1相比更为偏南， 并且在东移增强的过程中可以看到第 -4天还有部分来自新地岛以东的冷空气汇入。在第-2天海平面气压的正异常达到最强， 强大的西伯利亚高压已经覆盖西伯利亚北部至巴尔喀什湖的大部分地区， 可以看到相较时段1而言， 此时时段2的正距平中心位于90°N附近， 冷空气堆积的范围更广， 位置更加偏东。在事件爆发后， 时段2的冷高压更加快速地入侵我国， 异常范围迅速延伸至长江以北地区。事件发生第4天时段1冷高压强度减弱明显， 我国中部已无正异常信号； 时段2正距平仍然显著并继续向南移动， 从而影响到我国华南地区， 引起大范围的温度异常。
图6 1961 -1995年（左）和1996 -2018年（右）不同年代际两类EPECE发生第-8~4天海平面气压场（等值线）及其距平（彩色区）合成场（单位： hPa）黑色点区表示通过95%的置信度检验 Fig.6 Composite values of sea level pressure （contour） and its anomalies （color area） from eight days prior （-8） to four days after （+4） for interdecadal two types of EPECE during 1961 -1995 （left） and 1996 -2018 （right）.Unit： hPa. The black dots have passed the confidence test of 95% |
4.2 定量化指数与Rossby波破碎特征
利用阻塞高压指数分析乌拉尔山阻高（40°E -80°E）、 贝加尔湖阻高（80°E -120°E）、 鄂霍次克海阻高（120°E -160°E）（下称乌山阻高、 贝湖阻高、 鄂海阻高， 对应区域已在图中框出）， 时间长度选取为事件发生第-10~10天。从阻塞事件发生频率图［图8 （a）， （b）］上看， 时段1乌山阻高与鄂海阻塞事件发生频率更高， 乌山阻塞事件发生频率最高为21.8%， 鄂海阻塞事件频率则达到了26.2%， 贝湖阻塞事件频率为15.4%。在这期间乌山阻高的高频中心较为偏南， 在60°N以下， 位于60°E附近。而时段2情况有所不同， 特别是乌山阻塞事件发生频率最高， 达到34.6%， 相较前一时期， 这期间阻高高频中心在65°N附近， 范围更广， 已向东延伸至80°E左右。在这一时期， 贝湖与鄂海阻塞事件频率都不高， 贝湖阻塞事件最高频率仅有13.5%， 鄂海为19.2%， 特别是鄂海阻高较前一时期范围也有较为明显的收缩。结合强度图［图8 （c）， （d）］来看， 时段1乌山阻高强度指数最高为4.3， 主要范围集中在50°N -60°N， 60°E -75°E之间； 贝湖阻高虽然频率偏低， 但也有较高的强度， 可以达到4.1； 而鄂海阻高虽然在这一时期频率最高， 但强度是最弱的， 仅有3.7。时段2的乌山阻高从45°E一直分布至80°E附近， 且位置更加偏北， 可以延伸至70°N， 强度达到4.7， 与前一时期相比偏高； 贝湖阻高强度则是这一时期三类阻高中最强的， 最高可达5.3； 鄂海阻高与前期类似也是强度最小的一类阻高， 最高为3.8。值得说明的是， 在时段1乌拉尔山地区的阻塞事件频率有为0的情况， 这并不代表没有两类事件中对流层中层中高纬度没有阻塞形势的影响， 只是没有达到阻塞事件的标准， 而是表现为瞬时阻塞或者大尺度阻塞（图略）。
图8 1961 -1995年（左）和1996 -2018年（右）不同年代际两类EPECE发生期间阻塞事件发生频率（上， 单位： %）与强度（下）分布黑色方框表示所选阻高区域 Fig.8 The frequency （up， unit： %） and intensity （down） of blocking high for interdecadal two types of EPECE during 1961 -1995 （left） and 1996 -2018 （right）.The black boxes denote the blocking areas that are selected The black boxes denote the blocking areas that are selected |
不同时期两类EPECE发生前后均表现出极涡由强转弱， 阻高发展异常偏东， 形成大型斜槽斜脊以及西伯利亚高压强度偏强南伸东扩的特征。相比较而言时段1极涡前期强度更强， 时段2较弱的极涡则在减弱的过程中得到了新鲜冷空气的补充维持了强度。时段1阻高建立更早， 在欧亚大陆中高位地区建立起一个大型的斜槽斜脊系统， 乌山阻高的中心位于55°N， 60°E附近， 频率为21.8%； 时段2乌山阻高在这一时期虽然建立较晚， 但范围更加偏东至80°E左右， 甚至在第-3~0天与贝湖阻高连成一个整体。且频率也更高， 为34.6%， 强度更强达到4.7。时段1西伯利亚高压最大强度距平为8.9 hPa， 并在南下的过程中迅速减弱； 而时段2西伯利亚高压在冷空气堆积阶段就有更强的强度， 距平达到11.5 hPa， 在入侵我国后强度得以维持， 从而造成持续时间更长的降温天气。
根据线性波理论， Rossby波破碎发生在其传播至临界线且无法维持传播时， 此时E-P通量辐合， 使得中纬西风减弱， 为阻塞高压的形成创造有利条件。有学者研究指出（Pelly and Hoskins， 2003）， 天气尺度波破碎通常会发生在阻塞高压的生成期间。Michel and Riviere（2011）进一步指出， 气旋式（或反气旋式）破碎是瞬变涡动影响阻塞高压发展形成的主要形式。从图9 中可以看到， 1961 -2018年在EPECE爆发前后， 低纬地区的低位涡空气向极向东移动， 位于贝加尔湖地区的高位涡空气则向西南移动， 两者共同作用使得在乌拉尔山附近有Rossby波破碎， 且中心轴为东北-西南向， 表明均为反气旋式的Rossby波破碎。但不同的是时段1在第-4~-1天来自极地的高位涡空气更强， 代表极涡的强度也偏强。在事件发生第0~2天该环流一直存在并东移， 意味着阻高的建立与维持。在此之后， 随着阻高的崩溃环流也逐渐减弱消亡。时段2位于贝加尔湖地区的高位涡空气虽然在过程中得到补充有所增强， 但整体上强度相对偏弱， 正因为如此， 来自低纬地区的低位涡空气向高纬移动时可以伸展至贝加尔湖以东， 形成的PV环流位置偏东、 偏北。
图9 1961 -1995年（左）和1996 -2018年（右）不同年代际两类EPECE发生第-4~2天315 K等熵面上Ertel位涡分布（单位： ×10-6 K∙m2∙kg-1∙s-1）Fig.9 The Ertels PV on the 315 K isentropic surface from four days prior （-4） to two days after （+2） for interdecadal EPECE during 1961 -1995 （left） and 1996 -2018 （right）.Unit： ×10-6 K∙m2∙kg-1∙s-1 |
5 结论和讨论
利用我国逐日温度观测资料和NCEP再分析资料研究了近60年大范围极端低温事件的年代际变化特征， 并在此基础上进一步分析了事件发生前后的环流场变化， 从而探讨这类极端低温事件年代际变化的可能成因。主要得出以下结论：
（1） 1961 -2018年EPECE累计天数年际变化总体呈下降趋势， 1961 -1995年累计天数呈明显的波动下降趋势， 主要类型为全国类事件； 1995年后下降趋势减缓并在后期出现增多趋势， 且事件类型以西北/江南类和中东部类为主。对西北/江南类以及中东部类EPECE进行展开研究发现， 1995年后两类事件发生的变化主要有降温范围更加偏南， 显著降温区南移至广东、 广西等省， 且持续天数更久。
（2） 不同年代际两类EPECE在环流场特征上出现了明显的差异， 1961 -1995年事件发生前后极涡由强转弱， 阻高建立得更早， 但乌山阻高发生频率并不高， 为21.8%， 引导南下的冷空气较少， 使得西伯利亚高压强度偏弱， SHI距平最大值为8.9 hPa。1996 -2018年间偏弱极涡在过程中由于得到新鲜冷空气补充强度得以维持， 伴随着频率达到34.6%且范围更偏北偏东的阻高使得来自新地岛以东更强的冷空气有机会源源不断地移向中高纬地区完成堆积， 最终SHI距平达到11.5 hPa， 这造成在1996 -2018年间两类EPECE影响我国时能到达更南的地区， 造成持续时间更长的极端低温天气。
（3） 在不同时期的两类EPECE发生前后欧亚大陆上空均存在着反气旋式RWB， 使得乌山附近PV环流增强， 瞬变涡动从而能够影响阻高的生成与维持。在1996 -2018年间由于位于贝加尔湖地区的高位涡空气相对偏弱， 在巴尔喀什湖附近的低位涡空气向东北方向移动时也可以延伸至我国北部甚至是俄罗斯东南部上空， 这便造成PV环流自乌山延伸至贝湖以北， 位置偏东、 偏北， 从而影响阻高向东向北延伸。
本文讨论了大范围持续性极端低温事件的年代际变化特征以及与大尺度环流系统之间的联系。除此之外， 我国极端低温事件的形成还受到北极放大效应（Mori et al， 2019）、 前秋雪盖面积（吴俊杰等， 2014）及平流层爆发性增温（Cagnazzo and Manzini， 2009）等因素的影响， 且这些因素之间也存在着复杂的非线性相互作用。此外， 本文的结论还缺乏深层次的理论验证和数值模拟验证， 这些均需要在今后的工作中进行更深入的探讨。