高原气象

高原气象 >

2024 , Vol. 43 >Issue 6: 1475 - 1492

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00032

大气环流及北大西洋海温对我国南方冬季寒潮频次异常的可能影响

  • 姜峰 ,
  • 李丽平
展开
  • 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/气象灾害教育部重点实验室，江苏 南京 210044

姜峰（1998-），男，江苏溧阳人，硕士研究生，主要从事极端天气气候事件研究. E-mail：

收稿日期: 2023-07-06

  修回日期: 2024-03-11

  网络出版日期: 2024-08-30

基金资助

国家重点研发计划(2018YFC1505602)

收起

The Possible Influence of Atmospheric Circulation and North Atlantic Sea Surface Temperature Anomaly on the Winter Cold Wave Frequency in the Southern China

  • Feng JIANG ,
  • Liping LI
Expand
  • Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Key Laboratory of Meteorological Disaster （NUIST），Ministry of Education，Nanjing University of Information Science &Technology，Nanjing 210044，Jiangsu，China

Received date: 2023-07-06

  Revised date: 2024-03-11

  Online published: 2024-08-30

Fold

摘要

利用国家气象信息中心提供的1980 -2022年日最低温度站点资料、 NCEP/NCAR逐月再分析资料和NOAA逐月海表温度（Sea Surface Temperature， SST）资料， 采用了EOF、 一元线性回归和T-N波作用通量等方法， 分析了南方冬季寒潮频次的主要异常时空特征及大气环流异常和冬季大西洋海温异常（Sea Surface Temperature Anomaly， SSTA）对其影响机制。结果表明： （1）冬季寒潮频次大值区主要位于南方东部及中部地区， 大致呈“逆C”型分布。寒潮频次主要有全区一致型、 南北反位相型和三极型三类主要异常模态， 其中全区一致型能很好反映南方寒潮频次的总体异常时空特征。（2）负位相的北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation， NAO）、 强的里海-青藏高原脊和偏东偏北的东亚大槽、 北弱南强的西伯利亚高压、 强的温带急流和弱的副热带急流是影响南方冬季寒潮频次的关键环流系统， 冷空气堆位于西西伯利亚地区， 高低层环流系统配合， 使得冷空气自西西伯利亚南下到里海附近， 再沿着青藏高原北侧向东输送， 在青藏高原东侧南下进入南方地区， 造成南方冬季寒潮频次全区一致型增加。（3）冬季北大西洋“+”“-”“+”三极型SSTA可通过海气间热通量交换激发出-NAO型环流异常及Rossby波能量异常。Rossby波能量沿南、 北两条路径自北大西洋向东亚传播， 并激发出相应的异常波列， 增强了影响南方寒潮的南、 北方关键环流系统， 致南方寒潮频发。当春季北大西洋SSTA呈现逆“C”型异常， 且夏、 秋季有发展为+”“-”“+”三极型的态势， 可预测南方寒潮频次偏多。

关键词： 南方冬季寒潮; 时空特征; 北大西洋涛动; 大西洋海温

本文引用格式

姜峰 , 李丽平 . 大气环流及北大西洋海温对我国南方冬季寒潮频次异常的可能影响[J]. 高原气象, 2024 , 43(6) : 1475 -1492 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00032

Abstract

Based on the daily minimum temperature station data provided by the National Meteorological Information Centre from 1980 to 2022， the month-by-month reanalysis data of the NCEP/NCAR， and the monthly Sea Surface Temperature （SST） data from the NOAA， by using EOF， simple linear regression and T-N wave flux methods， the main anomalous spatial and temporal characteristics of winter cold wave frequency in the southern China are studied， and the influence mechanisms of atmospheric circulation and winter Atlantic Sea Surface Temperature Anomaly （SSTA） on it are also analyzed.The results show that： （1） The large value areas of winter cold wave frequency are mainly located in the eastern and central of the southern China， with an approximately "inverse C" distribution.There are three main frequency anomalous modes， namely， regionally consistent anomaly， north-south antiphase anomaly and tripole anomaly patterns according to the EOF analysis， among which the regionally consistent anomaly reflects the overall anomalous spatial and temporal characteristics of the winter cold wave frequency in the southern China.（2） The negative phase of the North Atlantic Oscillation （NAO）， the strong Caspian Sea - Tibetan Plateau ridge and the East Asian Trough located to the north and to the east， the weak in the north and strong in the south of the Siberian High， the strong temperate jet and the weak subtropical jet are the key circulation systems affect the winter cold wave frequency in the southern China.The cold air pool is located in the Western Siberia.The high and low level circulation systems cooperate together to make the cold air from Western Siberia move southward to the vicinity of the Caspian Sea， and then transport eastward along the northern side of the Tibetan Plateau， then move southward into the southern China along the eastern side of the Tibetan Plateau， resulting in the increase of the winter cold wave frequency in the whole southern China.（3）In winter， the “+”“-”“+” tripolar SSTA in the North Atlantic can stimulate the -NAO atmospheric circulation anomalies through the exchange of heat fluxes between air and sea and the Rossby wave energy anomalies.The Rossby wave energy propagates from the North Atlantic to East Asia along the south and north two paths， and stimulates the corresponding anomalous waves， which enhance the key circulation systems in the north and south affecting the cold wave frequency in the southern China.When the North Atlantic SSTA exhibits an inverse "C" anomaly in spring， and there is a trend of developing into a “+”“-”“+” tripolar pattern in summer and autumn， the winter cold wave frequency in the southern China can be predicted to more.

Key words： winter cold wave in the southern China; spatial and temporal characteristics; North Atlantic Oscillation; North Atlantic sea surface temperature

1 引言

寒潮是一种由于受到大尺度环流的控制导致冷空气从高纬极区南下至低纬地区的一种天气气候现象。寒潮作为我国冬半年最主要的灾害性天气之一， 发生时常带来大风降温， 并伴随着冰冻雨雪等恶劣天气， 对沿途地区的工农业生产、 交通运输甚至人民生活健康造成严重影响。我国南方地区人口众多经济工农业发达， 虽寒潮强度远不及北方， 但南方地区是中国寒潮频次发生最高的区域之一（Ding et al， 2015）， 且由于地处低纬在寒潮入侵前温度较高， 冷空气造成剧烈降温幅度并不亚于北方（林爱兰和吴尚森， 1998； 李彩玲等， 2016）， 因此研究冬季南方寒潮对人民生产生活和防灾减灾有着重要意义。
目前对寒潮频次的研究主要分为两大类： 一类是全国型寒潮， 魏凤英（2008）研究发现， 我国冬春季气温在20世纪90年代呈显著增暖趋势， 气候变暖后， 冬春季发生全国型寒潮灾害的频次显著减少， 以内蒙古、 华北和江淮地区寒潮频次减少明显； 马力等（2022）研究指出， 过去的57年内全国型寒潮频次总体呈减少趋势， 但2000年后寒潮频发且持续时间久强度大。另一类主要关注某些区域如北方、 南方甚至个别省份的区域型寒潮。孟祥君等（2013）研究发现， 中国东北地区寒潮频次自20世纪70年代后开始减少， 并在80年代呈现显著减弱； Li et al（2021）研究指出， 华北地区寒潮频次在2008年前呈减少趋势， 之后显著增加。对南方地区寒潮频次的研究主要分为长江中下游地区、 华南地区或个别南方省份。伍红雨和杜尧东（2010）研究发现华南三省的寒潮主要发生在12月至次年3月， 寒潮频次从80年代以来逐渐减少； 姚永明等（2011）研究发现长江中下游地区寒潮频次在80年代以前逐渐减少， 90年代又略微增多， 且每年3月和11月发生频次最多， 年际差异最大的区域在皖南、 赣北和浙西； 张玥等（2017）研究发现， 江苏的寒潮主要发生在秋冬季， 2009年以后寒潮频次显著增加； 黄雪婷和彭建东（2020）研究发现福建省寒潮主要出现在12月， 20世纪80~90年代寒潮频次呈上升趋势， 21世纪后虽略有下降但下降幅度不大。
目前关于寒潮的成因已有许多研究， 主要包括大气环流因子和外强迫因子。西伯利亚高压是发生寒潮天气的必要条件（Zhang et al， 1997）， 冬季西伯利亚的强度与上层堆积的冷空气相配合是影响我国冬季气温的主要因素（王遵娅和丁一汇， 2006； 康志明等， 2010）， 且西伯利亚越强寒潮频次越多（陈豫英等， 2010； 白寒冰， 2018； 李艳等， 2019； 朱姜韬等， 2022）。西伯利亚高压会和乌拉尔山阻高配合导致我国冬季低温事件增多（刘明歆等， 2021）。东亚冬季风是由西伯利亚高压和阿留申低压相互配合形成的在东亚盛行的西北风， 当东亚冬季风偏强时西伯利亚高压偏强， 有利于将冷空气从高纬度输送至我国， 导致我国冬季气温偏低（谢安等， 1992； 梁苏洁等， 2014）。东亚大槽也与我国寒潮频次显著相关。当东亚大槽偏强偏东时寒潮频发（丁一汇等， 2008）。东亚大槽常与乌拉尔山脊相配合影响我国寒潮频次（胡思乐等， 2018）。对流层的高空急流通过影响低层的东亚冬季风、 东亚大槽等系统影响我国冬季气温（李艳等， 2018； 谭赢等， 2022）。大气遥相关型对我国寒潮有着显著影响。当冬季北大西洋涛动（NAO）偏弱时， 西伯利亚高压偏强、 阿留申低压偏弱（朱红霞等， 2019）， 造成欧亚大陆冬季气温偏低（韩方红等， 2018； 张梦， 2021）。北极涛动（Arctic Oscillation， AO）是北半球冬季中高纬度大气环流中最重要的一个模态， 对整个北半球及北半球的区域气候有重要影响。当冬季AO呈负位相时， 西伯利亚高压偏强， 东亚大槽加深（李彩玲等， 2016； 梁苏洁等， 2019； 刘子奇等， 2022）， 利于我国冬季降温（龚道溢和王绍武， 2003； 宋哲， 2015； 黎文懋， 2019）。但是需要注意的是， 虽然NAO/AO与中国冷事件频次整体具有显著负相关关系， 但这种关系具有不对称性（张梦等， 2022）。
寒潮的形成不仅与大气环流异常密切相关， 外强迫因子如海温、 海冰同样能够影响寒潮。太平洋海温年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation）主要通过海气相互作用进而影响阿留申低压、 西伯利亚高压等系统（Nathan et al， 1997； Nicholas et al， 2000）， 间接影响我国冬季气温（施能等， 2000； 琚建华和任菊章， 2005）。Palmer and Sun（1985）通过观测与模式验证太平洋海温通过海气相互作用影响上方的大气环流异常。冬季赤道中东太平洋出现La Niña事件时， 通过海气相互作用引起中高纬大气环流与东亚冬季风异常， 使得欧亚中高纬形成稳定的异常阻塞形势， 导致南方冬季气温偏低和冻雨事件多发（常蕊等， 2008； 白慧等， 2016）。冬季偏暖的黑潮区、 赤道印度洋和北大西洋海温协同作用， 导致副热带高压加强、 南支槽加深及南下的高纬冷空气加强， 造成南方冬季低温多雨（宗海锋等， 2008； 吴俊杰等， 2014）。当前春鄂霍茨克海、 前夏和前秋的澳大利亚西北部海区海温偏低时， 闽东冬季寒潮偏多（黄雪婷和彭建东， 2020）。El Niño事件爆发的冬季， 广东多寒潮（曾琮和谢炯光， 2003）。大西洋是三大冷空气源地之一， 前秋和冬季的大西洋海温会通过影响大气环流、 中高纬地区的阻塞高压等天气系统（时晓曚等， 2015）， 并通过上下游效应对我国冬季西南地区的低温冻雨天气产生影响（王玥彤， 2018）。冬季北大西洋海温呈正（北部）、 负（中部）两极型异常分布， 500 hPa高度场中欧亚呈现正欧亚型环流异常时， 我国冬季气温偏低（曲金华等， 2006）。冬季北大西洋中纬度海温可通过大气遥相关激发向东传播的Rossby波， 引起欧亚大气环流的显著变化（Liu et al， 2014； Chen et al， 2016； Ding et al， 2020）， 进而影响我国冬季气温变化和寒潮（张霏燕和徐海明， 2011； 金燕等， 2022； 梁阔等， 2023）。朱晨玉等（2014）通过研究发现， 夏季北极海冰作为外强迫因子对南方寒潮有着显著作用， 南方寒潮与夏季北极海冰的快速融化有关， 夏季北极海冰通过激发跨极型和类欧亚遥相关波列使后冬的中国南方寒潮冷空气活动增多； 王璠等（2021）发现秋季北极海冰异常与之后冬季海冰异常显著相关， 前秋海冰异常通过季节持续性实现对后期冬季大气环流的影响， 进而影响我国冬季气温。
综上可见， 对我国寒潮频次的研究已有许多， 但大多是对全国和北方寒潮进行分析， 对南方寒潮的研究偏局地性。关于海温异常与我国冬季气温、 南方低温事件的关系已有一定研究， 但其与南方寒潮关系的研究还较为匮乏， 而海温异常与冬季欧亚大气环流及气候异常密切相关。故本文将利用长序列最低气温资料， 在分析南方冬季寒潮频次主要时空特征基础上， 进一步从动力、 热力和波能量传播角度研究其与大气环流及海温异常之间的联系， 揭示南方寒潮形成的物理机制， 提取其年际预测信号， 为南方冬季短期气候预测及防灾减灾提供有价值的参考信息。

2 资料来源和方法介绍

2.1　资料及预处理

本文所用资料包括： （1）国家气象信息中心提供的中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集（V3.0）中的2423站逐日最低气温资料； （2）美国环境预报中心和国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction-National Center for Atmospheric Research， NCEP/NCAR）提供的月平均海平面气压场（Sea level pressure， SLP）、 高度场H、 温度场T、 风场（纬向风U、 经向风V）以及垂直速度ω资料， 水平分辨率为2.5°×2.5°； （3）美国国家海洋大气中心（National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA）提供的水平分辨率为1°×1°的逐月海表温度资料（Sea Surface Temperature， SST）； （4）欧洲中心天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts， ECMWF）提供的ERA5再分析资料中的表面潜热通量和感热通量， 水平分辨率0.1°×0.1°； （5）美国气候预测中心（Climate Prediction Center， CPC）提供的逐月北大西洋涛动指数。文中涉及的中国地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2019）4344的中国地图制作， 底图无修改； 文中涉及的世界地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2016）1665的世界地图制作， 底图无修改。研究时段为1980 -2021年共42年的冬季， 冬季定义为12月到次年2月。选取（18°N -34°N， 105°E -125°E）作为南方区域。资料预处理中剔除了自1980年开始有迁移或者冬季最低温度资料长度不足40年的站点， 为消除海拔的影响， 剔除了海拔在1500 m以上的站点， 共得到907个南方站点， 分布如图1所示。
图1 中国907个南方站点分布

Fig.1 Distribution of 907 observation stations in the southern China

2.2　方法

依据《GB/T 21987-2017寒潮等级》（魏荣庆等， 2017）， 将单站寒潮事件定义为： 某一地区冷空气过境后， 日最低气温24 h内降温幅度≥8 °C， 或48 h内降温幅度≥10 °C， 或72 h内降温幅度≥12 °C， 并使该地日最低气温≤4 °C的冷空气活动。冬季寒潮事件的频次定义为整个冬季发生单站寒潮事件的总次数， 为了更详细了解寒潮频次在冬季各月的分布差异， 定义季内各月寒潮频次为该月内发生单站寒潮事件的次数。
另外， 本文还使用了经验正交函数分析（EOF）及North检验、 一元线性回归分析及检验、 相关分析及检验（施能， 2009； 李湘阁和胡凝， 2015； 黄嘉佑， 2016； 魏风英， 2022）、 T-N波作用通量等方法（Takaya and Nakamura， 2001）。

3 南方冬季寒潮频次气候及异常时空分布特征

3.1　寒潮频次气候时空特征

对1980 -2021年南方冬季寒潮频次场做42年平均后， 得到南方冬季和季内各月寒潮频次多年平均值的空间分布（图2）。冬季［图2（a）］寒潮频次大值（≥0.8）区主要位于苏浙皖闽赣和湘东南黔东南的南方东部及中部地区， 大致呈“逆C”型分布。季内各月寒潮频次空间分布差异较大， 12月［图2（b）］大值区（≥0.4）主要在南方东部的苏浙闽沿海三省， 1月［图2（c）］大值区较小， 主要位于闽西和闽浙交界的小范围地区， 2月［图2（d）］大值区较分散， 一处位于皖北， 一处位于黔东南， 以及湘西赣南南方中部地区。
图2 1980 -2021年42年多年平均的南方冬季及季内各月寒潮频次空间分布（单位： 次）

（a）冬季， （b）12月， （c）1月， （d）2月

Fig.2 Spatial distribution of multi-year averaged cold wave frequency in winter and each month within the season in the southern China.Unit： times of occurrence.（a） Winter， （b） December， （c） January， （d） February

为进一步了解寒潮频次时间变化特征， 给出了南方冬季和季内各月寒潮频次区域平均值的时间序列（图3）。可见， 冬季寒潮频次［图3（a）］平均为每年0.63次， 最大（小）值出现在1995（2018）年， 为1.67（0.19）次， 年际差异较大。注意到1990年之后寒潮频次的年际振幅变化较之前更大， 进一步计算了1980 -1990年寒潮频次方差为0.07， 1991 - 2021年为0.22， 二者差异通过了信度α=0.1的F检验， 表明自1991年以来寒潮发生频次表现出较强极端性。寒潮频次也存在一定趋势变化特征， 1980 -1995年（第一阶段）频次显著增加， 增加速率为0.38 次·（10a）-1； 1995 -2006年（第二阶段）频次显著减少， 减少速率为0.55次·（10a）-1； 2006年后（第三阶段）线性趋势不再显著。季内各月寒潮频次分布上， 12月［图3（b）］平均为每年0.24次， 最大（小）值在2010（1983）年， 为1.18（0.03）次； 1月［图3（c）］平均为每年0.15次， 最大（小）值在2021（2003）年， 为0.56（0.01）次； 2月［图3（d）］平均为0.24次， 最大（小）值在1995（2021）年， 为1.46（0.01）次。第一、 二阶段中， 1、 2月寒潮频次呈先增加后减少的趋势， 与冬季类似， 但12月则呈弱的先减少后增加趋势； 第三阶段频次在12月、 1月和冬季均呈弱下降趋势， 但2月则略呈上升趋势。
图3 1980 -2021年南方冬季及季内各月区域平均寒潮频次时间序列

**和*分别表示通过信度α=0.05和α=0.1的显著性检验。（a）冬季， （b）12月， （c）1月， （d）2月

Fig.3 Time series of regional averaged cold wave frequency in winter and each month within the season in the southern China from 1980 to 2021.** and * respectively represent passing the test with the significant level α=0.05 and α=0.1.（a） Winter， （b） December， （c） January， （d） February

3.2　南方寒潮频次主要异常时空特征

为进一步了解南方冬季寒潮频次主要异常时空特征， 对1980 -2021年共42年南方907站冬季寒潮频次距平场进行EOF分析， 其前三个模态的累计方差贡献率达到46.61%， 且都通过North准则检验。下面主要分析前三个模态的时空特征。
EOF第一模态［图4（a）， 图4（b）］方差贡献率28.13%， 第一特征向量［图4（a）］除海南南部外， 南方其他区域均呈一致正异常， 故称这一模态为全区一致型， 异常大值区主要位于南方东部和中部地区， 整个空间分布与多年平均的南方冬季寒潮频次分布［图2（a）］相似。其标准化时间系数PC1具有明显年际变化特征， 且与冬季南方区域平均寒潮频次时间序列［图3（a）］相关系数为0.99， 通过信度α=0.01的显著性检验， 说明这一模态能反应南方冬季寒潮频次的最主要时空变化特征。
图4 1980 -2021年南方冬季寒潮频次距平场EOF前三个模态

（a）、 （c）和（e）为第一到第三特征向量， （b）、 （d）和（f）为对应的标准化时间序列（单位： 次）

Fig.4 The first three EOF modes of the frequency anomaly of winter cold waves in the southern China

from 1980 to 2021.（a）， （c） and （e） are the first three eigenvectors （unit： time），

（b）， （d） and （f） are the corresponding standardized time series

EOF第二模态［图4（c）和图4（d）］方差贡献率为11.06%， 第二特征向量大致呈南北反向型异常分布， 负异常中心位于南方东北部的浙江北部、 江苏和安徽， 正异常中心位于南方中部地区， 其时间系数PC2表现出明显的年际极端性异常特征。EOF第三模态的方差贡献率为7.42%， 特征向量［图4（e）］大致呈“-”“+”“-”异常三极型分布， 其时间序列PC3表现出明显的年代际异常特征， 年代际转折点在1995 -1996年之间。
综上， 冬季寒潮频次大值区主要位于南方东部及中部地区， 大致呈“逆C”型分布。1980 -1995年寒潮频次显著增加， 1995 -2006年显著减少， 2006年后线性趋势不再显著。季内各月寒潮频次空间分布差异较大， 1月和2月寒潮频次在前两个阶段的变化趋势与冬季类似， 1991年之前后的年际振幅显著大于1990年之前。冬季寒潮频次大致有三类主要异常时空模态， 即全区一致型、 南北反位相型和三极型， 分别主要反映年际、 极端性年际及年代际异常特征。

4 大气环流异常与南方寒潮频次的相关关系

由上述可知， 冬季寒潮频次EOF第一模态（全区一致型）能反应南方寒潮频次最主要年际异常时空变化特征， 故本节将重点讨论与这一模态相关的大气环流异常特征。

4.1　水平环流场

据南方冬季寒潮频次PC1与各环流要素场的一元线性回归系数分布（图5）可知， 500 hPa高度场［图5（b）］、 850 hPa风场［图5（c）］和SLP场［图5（d）］基本呈准正压结构。SLP场中［图5（d）］， 北大西洋上空呈北大西洋涛动负位相（-NAO）， 这一异常形态甚至延伸至欧亚大陆中西部中高纬地区， 由此产生由高纬指向低纬的气压梯度力， 利于极区冷空气南下达到欧亚中纬地区； 欧亚大陆中、 低纬基本呈北负南正异常， 导致西伯利亚高压北弱南强， 其东南边界已南扩到南方地区， 西伯利亚高压本身就是冷空气的载体， 故利于南方降温。500 hPa高度场［图5（b）］中北大西洋上空有正西大西洋（+WA）遥相关型， 欧亚大陆中东部到北太平洋中西部呈北负南正异常， 使得里海到青藏高原北部上空的高压脊（以下简称里海-青藏高原脊）增强， 东亚大槽偏北偏东， 且槽线呈西北偏北走向。850 hPa温度场［图5（c）］中的欧亚大陆中高纬、 低纬分别为温度负、 正异常， 并在东欧平原到西西伯利亚形成一冷空气堆； 850 hPa风场［图5（c）］中相应有异常气旋式和反气旋式环流， 使得里海到青藏高原上空为二者交汇形成的强盛异常偏西风控制， 配合200 hPa纬向风场［图5（a）］中偏强的东亚温带急流， 使得低层这一源自西西伯利亚的偏西冷空气流向东输送， 偏弱的东亚副热带急流有利于这一冷空气流继续沿里海-青藏高原脊脊前和东亚大槽槽后的偏北气流侵入南方地区。高低层环流系统配合， 造成南方寒潮事件频发。
图5 冬季200 hPa纬向风场（a， U200， 单位： m·s-1）、 500 hPa位势高度场（b， H500， 阴影； 等值线为回归的高度场， 单位： dagpm）、 850 hPa温度场和风场（c， T850， 阴影； 温度场， 单位： ℃； UV850， 矢量： 风场， 单位： m·s-1； 实线为回归的温度0 ℃线； C为气旋， A为反气旋）、 SLP场（d， 阴影； 海平面气压场， 单位： hPa； 实线为回归的西伯利亚高压1024 hPa特征等值线）与PC1的一元线性回归系数

黑色打点区域通过信度α=0.05的显著性检验， 黑色框为南方区域， 黑色点实线框A， B， C， D为特征区

Fig.5 Distribution of simple linear regression coefficients of winter 200 hPa zonal wind field （a， U200， unit： m·s-1）， 500 hPa geopotential height field （b， H500， shaded； contours are regressed geopotential height， unit： dagpm）， 850 hPa temperature and wind fields （c， T850， shaded： temperature， unit： °C； UV850， vector： wind， unit： m·s-1； the solid line is regressed temperature 0 °C line； C is cyclone， A is anticyclone）， SLP field （d， unit： hPa； the solid line is the regressed Siberian High 1024 hPa characteristic contour） onto PC1.The black dotting regions pass the test at the significant level α=0.05， the black frame is the southern China region and the black dotted solid line frames are the characteristic regions

4.2　 NAO和欧亚（EU）遥相关型

为更细致了解NAO、 里海-青藏高原脊、 东亚大槽与南方寒潮频次之间的相关关系， 首先根据上节的结果定义NAO指数， 即选取区域A（30°N -45°N， 60°W -10°W）、 B（60°N -85°N， 10°W -5°E）分别作为亚速尔高压和冰岛低压特征区， 计算这两个区域SLP的区域平均标准化序列， 分别记为A序列和B序列， 定义A区序列减去B区序列即为NAO指数序列。计算了该指数与美国气候预测中心（CPC）提供的NAO指数间的相关系数为0.93， 通过了信度α=0.01的显著性检验。再定义欧亚（EU）波列指数， 即选取C（25°N -40°N， 65°E -80°E）为里海-青藏高原脊特征区， D（50°N -70°N， 70°E - 140°E）为东亚大槽特征区， 将C区高度场区域平均标准化距平序列减去D区序列即得欧亚（EU）波列指数。NAO、 EU两个指数序列如图6（a）所示， 分别计算了1980 -2021年的NAO指数、 EU指数与PC1时间序列间的相关系数为-0.35、 0.37， 偏相关系数为-0.26和0.23， NAO指数与EU指数间的相关系数为-0.47， 均通过信度α=0.05的显著性检验， 表明NAO和EU对南方寒潮频次异常的作用相当。进一步计算了NAO指数、 EU指数分别与南方冬季寒潮频次的一元线性回归系数分布［图6（b）， （c）］， 可见， 除小范围区域外， 几乎南方整个区域的寒潮频次与NAO间呈显著负相关， 与EU指数呈显著正相关， 即冬季NAO越弱或呈负位相， EU波列越强， 南方寒潮频次越多。
图6 1980 -2021年的NAO指数、 EU指数和PC1时间序列（a）以及NAO指数（b）、 EU指数（c）与南方冬季寒潮频次的一元线性回归系数的空间分布

灰色打点表示通过信度α=0.05的显著性检验的站点

Fig.6 Time series （a） of NAO index、 EU index and PC1 from 1980 to 2021 and spatial distribution of the simple linear regression coefficients of NAO index （b）， EU index （c） onto the winter cold wave frequency in the southern China.The gray dotting regions represent stations passing the test at the significant level α = 0.05

4.3　涡度场和散度场

为了解造成南方寒潮频次偏多的欧亚异常环流系统的动力学成因， 给出寒潮频次PC1回归沿（18°N -34°N）平均的温度场、 涡度场、 散度场和风场的回归系数经度-高度垂直剖面（图7）。可见， 60°E -80°E间的对流层中下层温度正异常［图7（a）］， 此热源加热其上大气柱， 气柱受热膨胀， 形成了对流层中层的异常里海-青藏高原脊［图5（b）］； 相应涡度场中表现为70°E附近整层为负涡度控制［图7（a）］。南方地区对流程中上层气旋性涡度增强、 低层反气旋性涡度增强［图7（a）］， 配合对流层中上层辐合、 低层辐散， 下沉运动增强［图7（b）］， 使得南方地区低层为异常增强的西伯利亚高压［图5（d）］、 中上层为较强的东亚大槽槽后偏北气流［图5（b）］控制之下。 南方对流层中层气温异常偏低［图7（a）］， 下沉运动也可将南方上空堆积的冷空气带到低层， 有利于南方地区寒潮爆发。关于高层冷空气对南方寒潮的作用将在以后通过表征冷空气的物理量位涡来进一步深入研究。-NAO、 +WA中包含了中高纬异常环流， 且位于大西洋上空， 其形成原因将在下文结合外强迫异常进行讨论。
图7 沿（18°N-34°N）平均的冬季温度场和涡度场（a， 等值线： 温度， 单位： ℃； 阴影： 涡度场， 单位： s-1）、 散度场（b， 单位： s-1）与PC1的一元线性回归系数的经度-高度垂直剖面

白色打点区域通过α=0.05的显著性检验， 黑色箭头为经向环流， 竖线为南方经度（105°E-125°E）

Fig.7 The longitude-height vertical section of the simple linear regression coefficients of the averaged winter temperature field and the vorticity field along 18°N to 34°N （a， contours： temperature， unit： ℃； shading： vorticity， unit： s-1）， the divergence field （b， unit： s-1） onto PC1.The white dotting regions represent passing the test at the significant level α=0.05， black arrows are meridional circulation， vertical line is the southern longitude （105°E to 125°E）

综上， 在热力和动力共同作用下， -NAO、 +WA异常环流将大西洋扇区极地冷空气向南输送， 配合强的东亚温带急流和弱的东亚副热带急流、 强的里海-青藏高原脊和偏北偏东的东亚大槽（EU波列）、 北弱南强的西伯利亚高压及其上的气旋式和反气旋式异常环流， 共同使得冷空气自西西伯利亚向南输送到里海附近并继续沿青藏高原北侧向东输送， 在青藏高原东北侧南下进入南方地区， 造成南方冬季寒潮频次全区一致增加。冬季-NAO和EU波列越强， 南方寒潮频次越多。

5 北大西洋海温异常对南方寒潮频次的影响

由第4可知， NAO是影响我国南方冬季寒潮频次的关键环流系统之一， 已有许多研究表明， 冬季北大西洋SST与NAO之间关系密切（Bjerknes， 1964； Delworth and Thomas， 1996）。那冬季北大西洋SST影响南方冬季寒潮频次的机制是什么？是否NAO是二者联系的桥梁？本节将围绕这一问题展开讨论， 试图从外强迫角度寻找南方冬季寒潮频次年际异常的可能成因。

5.1　北大西洋SSTA与南方冬季寒潮频次的时滞相关关系

由于SST异常通常具有比较强的持续性， 为了解北大西洋SSTA与南方冬季寒潮频次全区一致型异常间的相关关系， 计算了PC1序列分别与前期春、 夏、 秋以及同期冬季北大西洋SSTA间的一元线性回归系数分布（图8）。为了去除全球变暖对海温的影响， 对海温资料做了时间维上的去趋势处理。可见， 春季［图8（a）］， PC1与北大西洋SSTA的相关分布在格陵兰岛以南大致呈逆“C”型分布， 显著相关区较小， 位于纽芬兰岛以南小范围区域。到夏季［图8（b）］， 二者相关显著增强， 且相关分布在格陵兰岛以南的北大西洋基本呈“+”“-”“+”三极型异常分布。秋［图8（c）］、 冬季［图8（d）］， 二者相关分布依然维持三极型形态， 正、 负相关区及显著区各季有所差异。由此表明， 北大西洋三极型SSTA与南方冬季寒潮频次之间存在显著相关， 且当前期春季北大西洋SSTA呈现“+”“-”“+”三极型异常初期的逆“C”型分布， 到夏、 秋季有发展为三极型的态势， 可预测冬季南方寒潮频次可能偏多。
图8 春季（a）、 夏季（b）、 秋季（c）和冬季（d）SSTA分别与PC1的一元线性回归系数分布

黑色打点区域通过信度α=0.1的显著性检验， 黑色点实线框为海温关键区

Fig.8 Distribution of simple linear regression coefficients of spring （a）， summer （b）， autumn （c） and winter （d） SSTA onto PC1.The black dotting regions pass the test at the significant level α=0.05 and the black dotted solid line frames are the SST key regions

为进一步了解北大西洋三极型SSTA与南方冬季寒潮频次相关关系， 依据图8（d）选取SSTA关键区， 定义三极型SST指数。为方便起见， 将SST关键区分别用矩形框表示， 以E、 F和G命名。关键区E包括（55°N -60°N， 60°W -50°W）， （50°N -55°N， 55°W -40°W）两个子区， 关键区F包括（30°N - 40°N， 50°W -35°W）和（30°N -40°N， 65°W -55°W）两个子区， 关键区G包括（5°N -15°N， 40°W - 30°W）和（2°N -7°N， 50°W -40°W）两个子区。将三个关键区SST作区域平均后再进行标准化， 分别记为SSTE、 SSTF和SSTG， 包含几个子区的关键区先合并再进行计算。据此定义冬季大西洋三极型SST指数SSTAtl=SSTE+SSTG-SSTF， 该SST指数与南方寒潮频次PC1的简单相关系数为0.41； 类似地， 也定义了夏、 秋季北大西洋三极型SST指数， 其与PC1的相关系数均为0.48， 通过信度α=0.01的显著性检验。再次表明， 当冬季北大西洋呈“+”“-”“+”三极型SST海温加强时， 南方寒潮频次将偏多。
为了解北大西洋三极型SST异常影响南方冬季寒潮频次的途径， 进一步用冬季三极型SST指数SSTAtl序列回归500 hPa、 850 hPa环流场和SLP场（图9）。可见， 图9各要素场在北大西洋到欧亚大陆的异常分布与PC1与各要素的回归分布（图5）很类似， 在北大西洋为+WA［图9（a）］、 -NAO［图9（c）］及相应的气旋和反气旋式异常环流［图9（b）］， 在欧亚大陆中东部为北低南高［图9（a）］、 北冷南暖（850 hPa）及相应的气旋和反气旋式异常环流［图9（b）］， 即冬季北大西洋三极型“+”“-”“+”SSTA会激发+WA、 -NAO等遥相关型及偏强的里海-青藏高原脊及偏北的东亚大槽， 有利于来自极区的冷空气从西西伯利亚南下、 沿青藏高原北侧向东传播并从其东侧南下进入中国南方地区， 造成南方寒潮频次增多。
图9 冬季500 hPa位势高度场（a， H500， 阴影； 等值线： 回归的高度场， 单位： dagpm）、 850 hPa温度场和风场（b， T850， 阴影： 温度场， 单位： ℃； UV850， 矢量： 风场， 单位： m·s-1； C为气旋， A为反气旋）、 SLP场（c， 单位： hPa）与SSTAtl的一元线性回归系数分布

黑色打点区域通过α=0.05的显著性检验， 黑色框为南方区域

Fig.9 Distribution of simple linear regression coefficients of winter 500 hPa geopotential height field （a， H500， shaded； contours are regressed geopotential height， unit： dagpm）， 850 hPa temperature and wind fields （b， T850， shaded： temperature， unit： °C； UV850， vector： wind field， unit： m·s-1； C is cyclone， A is anticyclone）， SLP field （c， unit： hPa） onto SSTAtl.The black dotting regions pass the test at the significant level α=0.05 and the black frame is the southern China region

图9（a）、 图9（b）中北太平洋的异常环流较图5中相应要素的异常环流形态基本一致， 但位置略偏北， 这说明北太平洋上空的环流异常除与北大西洋三极型SST异常有关外， 可能还有其他影响因子， 如北太平洋SST本身的作用； 另外， 北大西洋三极型SSTA与SLP场中西伯利亚高压异常的相关也不显著， 这可能是由于西伯利亚高压的变化除了与大西洋海温有关外， 还受到AO、 NAO等大气环流因子以及海温、 海冰等外强迫因子影响（ Wu and Wang， 2002； 侯亚红等， 2007； 武炳义等， 2011； 陈文等， 2013； 李栋梁和蓝柳茹， 2017）， 这些问题在以后的研究中可进一步探讨。

5.2　冬季大西洋SSTA影响南方寒潮频次的可能机制

根据上述研究已可了解冬季北大西洋三极型SSTA影响南方冬季寒潮频次的途径， 那其中的影响机制是什么呢？本节将从海气热通量交换及Rossby波能量的传播两个方面进行探讨。
首先， 与北大西洋 “+”“-”“+” 三极型SSTA相关最密切的异常环流系统之一即是-NAO， 下面就从探讨-NAO产生的机制开始。为进一步验证NAO与北大西洋三极型SST异常的关系， 图10（a）给出了冬季-NAO 指数与北大西洋SST的一元线性回归系数分布， 考虑全球变暖的影响， 计算中去除了SST的线性趋势。可见， -NAO指数与北大西洋SST的一元线性回归系数分布与图8非常类似， 均呈“+”“-”“+”三极型异常分布， 进一步计算了冬季三极型SST指数SSTAtl与NAO指数相关系数为-0.59， 通过了信度α=0.01的显著性检验， 表明二者关系密切相关。
图10 -NAO指数与冬季北大西洋SSTA的一元线性回归系数分布（a， SSTA， 单位： ℃）， SSTAtl分别与冬季海表面异常风场和湍流热通量（b， 矢量： 风场， 单位： m·s-1； 阴影： 热通量， 单位： J·m-2）、 250 hPa扰动流函数（c， 单位： ×105 m2·s-1）的一元线性回归系数分布

黑色打点区域通过α=0.05的显著性检验， 灰色箭头为T-N波通量（单位： m2·s-2）， 白色箭头为波通量路径

Fig.10 Distribution of simple linear regression coefficients of winter North Atlantic SSTA onto -NAO index （a， unit： ℃）， and distribution of simple linear regression coefficients of winter sea surface wind anomaly and turbulent heat flux （b， vector： wind， unit： m·s-1； shaded： heat flux， unit： J·m-2）， 250 hPa perturbed stream function （c， unit： ×105 m2·s-1） onto SSTAtl.The black dotting regions pass the test at the significant level α=0.05， grey arrows are T-N wave flux （unit： m2·s-2）， white arrows are the paths of T-N wave flux

SST通过海气表面的热通量交换来激发和影响大气环流异常。海表面湍流热通量为潜热通量和感热通量之和， 正湍流通量表示大气向海洋传送热量， 反之则为海洋传送给大气。由冬季三极型海温指数SSTAtl与海表面异常风场和湍流热通量［图10（b）］的一元线性回归系数分布可知， 当冬季北大西洋SST呈“+”“-”“+”三极型异常分布时， 中高纬、 副热带-中纬度地区分别为显著相关的湍流热通量负、 正异常， 表明中高纬海洋相对大气为热源， 副热带-中纬度海洋相对大气为冷源。在中高纬， 海洋向大气传输热量， 气柱受热膨胀气压升高， 向外辐散的气流在地转偏向力作用下形成强的异常反气旋式环流， 使得冰岛低压减弱， 异常反气旋环流又抑制海表面蒸发导致海洋不断向大气输送热量， 冰岛低压持续偏弱； 在副热带-中纬度， 大气向海洋输送热量， 大气柱失去热量降温收缩导致气压异常降低， 周围空气向亚速尔高压区聚拢， 在地转偏向力作用下在海气界面形成强大的气旋式异常环流， 使得亚速尔高压减弱， 而气旋式环流又加强了海表面的蒸发散热导致海气温差进一步增大， 亚速尔高压持续偏低。因此偏弱的冰岛低压与偏弱的亚速尔高压形成了-NAO型环流异常。
高纬冷空气南下至中低纬度时往往伴随着大型槽脊的移动和发展， 会造成异常的波列活动， T-N波活动通量可以很好地表征大气活动中的Rossby波能量的传播特征（Takaya and Nakamura， 2001）， 故图10（c）给出了冬季SSTAtl与250 hPa扰动流函数的一元线性回归系数分布及相应的T-N波通量。由图10（c）可知， 冬季北大西洋三极型海温异常激发出的异常Rossby波能量自北大西洋向东亚频散， 频散路径有南北两支， 北支从北大西洋出发， 沿冰岛进入北欧， 之后继续向东经西西伯利亚到达中西伯利亚， 在贝加尔湖地区经蒙古南下到达我国南方地区， 并产生“+”“-”“+”“-”波列异常， 使得欧亚中高纬的气旋式异常环流增强， 有利于东亚大槽偏北。南支从北大西洋出发， 向南经西欧-北非-阿拉伯半岛-伊朗高原-青藏高原东北部南下进入我国南方地区， 并产生“+”“-”“+”“-”“+”“-”的异常波列， 使得里海-青藏高原脊加强。南北两支波能量及其激发的异常波列配合使得极区高纬冷空气向我国南方地区输送， 致使寒潮频发。陈海山等（2012）曾研究发现类似的两支瞬变波， 并指出上述两支瞬变波不活跃时我国极冷事件少发； 施春华等（2016）在研究2016年1月中国南方超级寒潮的动力学机制中指出， 寒潮爆发前夕有两支瞬变波列活跃在亚欧大陆， 北、 南两支瞬变波列分别调制了北方和南方的大气长波， 两者共同作用， 促使冷平流大举南下致南方寒潮发生。
综上， 根据本节和第4节的分析， 冬季北大西洋SST影响南方寒潮频次的可能机制可概括为： 冬季， 当北大西洋SST发生“+”、 “-”、 “+”三极型SSTA时， 中高纬海洋相对大气为热源， 副热带-中纬度海洋相对大气为冷源， 通过海气之间的热通量交换， 在北大西洋上空激发出-NAO型环流异常， 及Rossby波能量异常。Rossby波能量异常自北大西洋沿南、 北两条路径向东亚频散， 由此激发出正、 负相间的波列异常。北支传播的Rossby波能量及其激发的波列使得低层欧亚中高纬气旋式异常环流增强、 中层东亚大槽偏北； 南支Rossby波能量及其波列使得里海-青藏高原脊和低层的反气旋式异常环流加强。南北两支波能量及其激发的波列在南方地区汇合， 再结合高层偏强的温带急流、 偏弱的副热带急流以及南强北弱的西伯利亚高压， 使得极区高纬冷空气自西西伯利亚南下到里海以东， 沿着青藏高原北缘向东输送并在高原东侧进入南方地区， 致使寒潮频发。

6 结论

本文研究了南方地区寒潮频次的主要异常时空特征， 并从大气环流异常和北大西洋SST多方面探讨了其可能成因， 得到如下主要结论：
（1） 冬季寒潮频次大值区主要位于南方东部及中部地区， 大致呈“逆C”型分布。1980 -1995年寒潮频次显著增加， 1995 -2006年显著减少， 2006年后线性趋势不再显著。1991年之前后的年际振幅显著大于1990年之前。
（2） 冬季寒潮频次大致有全区一致型、 南北反位相型和三极型三类主要异常模态， 其中全区一致型能很好反映南方寒潮频次的总体异常时空特征。
（3） 大气环流异常是南方冬季寒潮频次全区一致型异常的直接原因。-NAO、 +WA型大气环流异常将北大西洋扇区极地冷空气向东南输送到西西伯利亚， 在高空强的温带急流引导下， 伴随着北弱南强的西伯利亚高压及其上空的气旋式和反气旋式异常环流， 冷空气继续沿着青藏高原北侧向东输送； 在弱的副热带急流配合下， 冷空气在青藏高原东侧里海-青藏高原脊前和东亚大槽槽后偏北气流的引导下进入南方地区， 造成南方冬季寒潮频次全区一致型增加。
（4） 冬季北大西洋三极型SST异常对南方冬季全区一致型寒潮频次有重要影响， 其影响机制为： 当冬季北大西洋SST发生“+”“-”“+”三极型异常， 通过海气之间的热通量交换， 在北大西洋上空激发出-NAO型环流异常及Rossby波能量异常。Rossby波能量沿南、 北两条路径自北大西洋向东亚传播。北支能量激发的异常波列增强了欧亚中高纬气旋式异常环流和偏北的东亚大槽； 南支能量激发的异常波列加强了里海-青藏高原脊及欧亚大陆中低纬的反气旋式异常环流。再配合高层偏强的温带急流和偏弱的副热带急流， 以及北弱南强的西伯利亚高压， 使得高纬冷空气南下进入南方地区， 致使南方寒潮频发。
获得了南方冬季寒潮频次的前期SST预测信号： 即当前期春季北大西洋SST呈现逆“C”型分布， 到夏、 秋季有发展为“+”“-”“+”三极型的态势， 预测冬季南方寒潮频次可能偏多。
本文研究了大气环流及大西洋三极型SST异常对南方寒潮频次的影响， 所得结论需利用数值模拟等方法进一步验证。高层冷空气对南方寒潮事件的影响如何？南北反位相型和三极型寒潮频次异常模态的成因为何？ENSO、 北极海冰等是否会调制大西洋三极型SST异常与南方寒潮事件频次的关系？等等这些问题值得以后深入研究。另外， 根据国家气候中心的统计结果， 11月和3月也是寒潮的高发月份， 未来拟将对冬半年（11月至次年3月）寒潮频次进一步展开研究。

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