Analysis on the Cause of Cold and Warm Transition in Beijing- Tianjin-Hebei during November-December 2022

Xuxu GAO, Shaojing CHE, Haoyu DU

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Plateau Meteorology
Plateau Meteorology ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (2) : 323-334. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00069

Analysis on the Cause of Cold and Warm Transition in Beijing- Tianjin-Hebei during November-December 2022

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Abstract

During November-December of 2022， the climate of Beijing-Tianjin-Hebei （BTH） showed significant cold and warm transition， and the average air temperature difference between November and December was 10.6 °C， ranked first with 1971 and 1980 since 1961.Based on NCEP/NCAR reanalysis and multiple climate index data， the possible causes of the air temperature transition in November and December 2022 in BTH was explored from the perspective of the interdecadal influence of atmospheric circulation transition， ENSO and AO on variation of temperature anomalies.The results show that the weak strength of the Ural Mountains Blocking High and the Siberian High， as well as the strong strength of the Western Pacific Subtropical high led to the abnormally warm climate in the BTH region in November.But the turning of the atmospheric circulation in December， the strengthening of the Ural Blocking high， the deepening of the East Asia Great trough， the strengthening of the Siberian high， and the northerly air flow in BTH， resulting in the abnormally cold December.The temperature anomaly difference of these two months showed obvious interdecadal changes， positive in 1961-1985， negative in 1986 -2003， and positive again in 2004 -2022.Compared to the cold and warm transition events in 1971， 1980， and 2005， there were interdecadal changes observed in atmospheric circulation transitions.The weak cold air activity in the north and the southern warm air flow influenced by the strengthening of the Western Pacific subtropical high acted together to cause the warm November of 2022 and 2005.However， the weak cold air activity in the north was mainly influence factor for warm November 1971 and 1980.The combination of significant Arctic warming and a significantly stronger Siberian high led to unusually cold Decembers in 2022 and 2005.The correlation between ENSO and November temperature in the BTH， as well as the correlation between AO and December temperature， exhibited a significant increase during the 2000s.In the context of La Nin ̃a， AO transitioned from a positive phase in November to a negative phase in December， resulting in a high likelihood of temperature inversion.Given that 2022 was the year of La Niña and influenced by an AO shift， a cold to warm transition event occurred in the BTH from November to December.

Key words

transition from warm to cold / Beijing-Tianjin-Hebei / ENSO / AO

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Xuxu GAO , Shaojing CHE , Haoyu DU. Analysis on the Cause of Cold and Warm Transition in Beijing- Tianjin-Hebei during November-December 2022. Plateau Meteorology. 2025, 44(2): 323-334 https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2024.00069

1 引言

在全球气候变暖的背景下， 中国气温异常呈现出一些新的特征， 高温、 寒潮等极端事件频发。在冬季， 气候变暖带来更多的暖冬， 但大量观测事实也证明21世纪以来的北极增暖使欧亚极端冷事件显著增多（张向东等， 2020； Cohen et al， 2020）。我国冬季气温季内变率大， 目前国内许多研究已经关注到前冬和后冬气温异常反相的差异（Hu et al， 2005； Zuo et al， 2015）。冷暖转折尤其是极端气温的过山车现象对生态系统、 人类活动和环境资源等产生很大的影响。由于气候变化的新特征以及社会各级部门和公众对精细化气候预测服务的需求增加， 预测冬季气温异常具有一定的科学价值和实际应用价值。
对冬季气温季节内反相成因的研究表明， 北极涛动（Arctic Oscillation， AO）、 欧亚型遥相关、 东亚大槽、 平流层爆发性增温等影响我国冬季气温的主要环流系统存在一定的季内转向特征（谭赢等， 2022； 徐彬羽等， 2023）。如韦玮等（2014）指出我国冬季气温变化存在前冬、 后冬反相模态， 其中中高纬度地区大气遥相关型位相的持续或转换是该演变模态出现的重要原因。孙健等（2019）指出我国冬季气温具有出现前后冬反相的现象， 这主要与海陆热力差异、 西伯利亚高压以及东亚西风急流的强度变化有关。平流层温度异常对东亚冬季极端冷暖转换的有着重要作用（Lu et al， 2022； Huang et al， 2021）， Zhong and Wu（2024）指出1月平流层爆发性增温与对流层在东亚-北太平洋一侧耦合明显， 导致东亚大槽加深， 东亚中高纬偏冷； 2月平流层与对流层的耦合过程在东亚-北太平洋一侧不显著， 但会在北大西洋激发冷异常， 间接调控东亚中高纬气温反转。而环流系统的季节内转向还往往与下垫面强迫因子有关， 如厄尔尼诺-南方涛动（El Nin˜o-Southern Oscillation， ENSO）、 北大西洋海温、 北极海冰等（乔少博等， 2015； Lü et al， 2019； 郝立生等， 2023； 梁阔等， 2023）。祁莉和泮琬楠（2021）基于东亚冬季气温的季内反相现象， 利用统计方法发现北大西洋涛动的转向以及ENSO事件的宽窄对东亚冬季极端冷暖转换有重要作用。可见， 对关于造成前冬和后冬气温转向的原因及物理机制的认识并不一致， 且目前气温转折的研究更多地关注冬季季节内， 而对秋末冬初季风转折时期研究相对较少。
近年来， 中国气温异常与影响因子的关系发生了显著的年代际变化（李维京等， 2013； 琚建华和任菊章， 2005）。ENSO作为气候系统年际尺度上的最强信号， 其发生往往伴随着全球范围的天气气候异常。20世纪70年代以来ENSO和东亚冬季风的关系经历了显著的年代际减弱， 因此90年代后ENSO对华南冬季气温的影响减弱（伍红雨等， 2014）。朱益民等（2007）也通过滑动相关分析， 解释了ENSO与中国夏季气温异常关系的年代际变化。AO与欧亚冬季气温关系密切， 由于AO年代际尺度的变率， 对东亚冬季气温的影响也存在年代际变化， 庞子琴和郭品文（2010）指出AO与东北冬季气温的关系在20世纪60年代中后期显著加强， 80年代中后期减弱。车少静等（2022）发现京津冀冬季极端低温日数与同期AO指数相关性在20世纪80年代后期开始迅速减弱， 21世纪00年代初开始前冬增强， 后冬持续偏弱。
京津冀是我国政治和文化中心， 也是我国北方重要的经济发展区。秋末冬初气温的剧烈变化， 对京津冀地区的天然气、 电力等能源供应， 冬小麦的抗寒锻炼， 以及人类生活均产生重要影响。2021年10月起赤道中东太平洋发生了La Nin˜a事件， 直至2023年3月La Nin˜a结束。2022年11月， 京津冀多地月平均气温突破历史同期最大值； 同年12月， 该地区气温显著偏低， 两月温差为1961年以来同期第一位。为什么京津冀地区会出现冷暖转折， 是否与拉尼娜背景年有关， 尝试从大气环流季内转折、 ENSO及AO对气温异常影响年代际变化的角度， 阐释京津冀地区从气温偏暖向偏冷转变的可能原因， 进一步认识冷暖转折发生的规律， 为改进气候预测技术提供科学参考依据。

2 资料来源

（1）气温数据。使用河北省气象局提供的河北、 北京和天津的86个站点的月平均以及逐日气温资料。（2）环流数据。使用NCEP/NCAR（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）再分析资料， 选用要素为月平均海平面气压场（Surface Level Pressure， SLP）、 2 m气温、 850 hPa风场以及不同等压面的位势高度场， 水平分辨率为2.5°×2.5°。（3）逐月北极涛动指数。来自美国国家海洋和大气管理局网站（https： //www.cpc.ncep.noaa.gov）。（4） Nin˜o3.4指数。来自国家气候中心。
本文所用的观测站气温、 再分析资料以及海温观测资料时间段为1961 -2022年， 气候常年值为1991 -2020年的平均值。文中涉及的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（2022）4312的中国地图制作， 底图无修改。

3 结果与分析

3.1　 2022年11 -12月京津冀气候异常特征

2022年11 -12月， 京津冀平均气温为0.2 ℃， 接近常年同期。但期间气温变化剧烈， 由图1可见， 11月26 -30日出现了显著的降温天气过程， 气温距平由前期显著的正距平转为负距平为主， 由于转折时间发生在11月底附近， 本文按11月和12月整月进行分析。11月， 京津冀地区平均气温5.5 ℃， 为1961年以来历史同期第二高。12月， 京津冀地区平均气温-5.1 ℃， 为2014年以来最低， 较11月气温下降幅度达10.6 ℃。如图2所示， 进一步计算1961年以来11月与12月气温距平的差值（11月气温距平减去12月气温距平）， 2022年为3.9 ℃， 与1971年和1980年一起位列1961年以来第一位， 表明气温由11月的异常偏高转为12月的异常偏低。
Fig.1 Daily variation of mean temperature and its anomalies in Beijing-Tianjin-Hebei region from November to December in 2022

图1 2022年11 -12月京津冀地区日平均气温及距平变化

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Fig.2 The temperature anomalies in November and December and anomaly difference between these two months in Beijing-Tianjin-Hebei region from 1961 to 2022

图2 1961 -2022年京津冀11月、 12月气温距平及两月距平差值序列

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1961 -2022年11月和12月气温均呈上升趋势， 但是两月气温距平却呈现不同的年代际变化。通过MK检验， 发现11月距平在2003 -2004年出现突变， 12月距平在1985 -1986年出现突变， 因此将1961 -2022年划分为三个时段， 分别为1961 -1985年、 1986 -2003年、 2004 -2022年， 通过图2发现， 第一时段11月和12月的平均距平为负值， 且12月平均气温距平为-1.0 ℃， 为三个时段中最低； 第二时段11月距平整体为负， 与第一时段相当， 但12月温度上升显著， 转为正距平为0.2 ℃， 两月气温距平差值转为负值； 第三时段11月迅速转为正距平为0.4 ℃， 12月气温有所下降转为负距平， 为-0.1 ℃， 两月温差再次增大。从三个时段两个月气温距平差值的空间分布来看（图3）， 1961 -1985年全区域一致为正， 即11月气温距平明显高于12月， 并且从东北部到西南部存在一个距平差大值区， 距平差在0.6 ℃以上； 1986 -2003年全区域一致为负且差异性不大， 12月气温偏高， 11月气温偏低， 两月距平差出现负值； 2004年以后全区域再次一致为正， 除京津冀西部外， 其他地区距平差在0.4 ℃以上。
Fig.3 Spatial distribution of temperature anomaly difference （unit： ℃） between November and December in three ages.（a） from 1961 to 1985， （b） from 1986 to 2003， （c） form 2004 to 2022

图3 不同时段京津冀11月减12月气温距平（单位： ℃）的差值分布

（a） 1961 -1985年， （b） 1986 -2003年， （c） 2004 -2022年

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为认识京津冀地区11月和12月气温间的关系， 计算了1961 -2022年11月和12月平均气温的相关系数， 为0.07。可见， 两个月之间冷暖持续性较差。进一步计算21年滑动相关系数在-0.18~0.18之间， 表明两个月气温的相关性一直偏弱， 没有显著的年代际变化。统计62年中， 11月与12月气温距平的同号率为54.8%， 即有45.2%的年份出现气温距平转折。可以看出， 这两个月经常发生冷暖转折， 这增加了气温预测的难度。

3.2　 2022年11 -12月京津冀大气环流特征

大气环流异常是天气气候异常的根本原因， 因此， 大尺度环流背景的转变是天气气候发生转折的重要因素。11月［图4（a）］， 亚洲中高纬盛行纬向环流， 500 hPa高度距平场上， 亚洲中高纬为西低东高的距平分布， 乌拉尔山以东为负距平， 高压脊前偏北气流较弱， 使得极地冷空气缺乏动力输送无法抵达中低纬度地区， 极地冷气团偏向东欧地区； 东亚槽偏弱， 我国华南至京津冀地区受正高度距平控制； 副热带高压偏强。海平面气压距平场上， 欧亚大陆以负距平为主， 西伯利亚高压偏弱， 不利于冷空气南下。850 hPa风场距平场上， 菲律宾地区为反气旋控制， 京津冀地区为东南风和南风异常， 有效减弱来自北部冷空气势力， 造成11月的气温异常偏高。
Fig.4 The sea surface pressure anomalies （color area， unit： hPa）， 500 hPa geopotential height anomalies （contour， unit： gpm） and 850 hPa wind anomalies （vector， unit： m·s-1） for November （a） and December （b） in 2022

图4 2022年11月（a）和12月（b）的海平面气压距平（彩色区， 单位： hPa）、 500 hPa位势高度距平

（等值线， 单位： gpm）和850 hPa风场距平（矢量， 单位： m·s-1）

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12月［图4（b）］， 大气环流出现显著转折。亚洲中高纬调整为显著的经向环流特征， 500 hPa高度距平场上， 亚洲中高纬转为西高东低的距平分布， 乌拉尔山地区阻塞高压偏强， 与极地高压连通， 东西伯利亚至日本海地区为负距平， 有利于东亚大槽加深。海平面气压距平场上， 巴伦支海处为正距平并延伸至青藏高原北部， 东西伯利亚海至日本一带为负距平。这种气压分布， 造成在巴伦支海的北风距平南下直通中国大陆深处， 偏强的西伯利亚高压将冷空气直接输送到华北地区。850 hPa上， 南海至菲律宾地区受异常气旋控制， 不利于低纬度暖空气向京津冀输送， 京津冀地区为西北风异常， 形成12月的异常偏冷气候。

3.3　 11月异常暖转12月异常冷4个典型年环流对比分析

由图2可见， 1971年、 1980年和2005年这3年11月减去12月气温距平的差显著高于其他年份， 分别为3.9 ℃、 3.9 ℃和3.8 ℃， 因此选取这3年与2022年对比分析环流的异同， 认识气温出现显著转折的可能成因。图4给出了这3年11月和12月的大气环流异常分布图。从图4中可以看出， 1971年11月［图5（a）］， 500 hPa高度场上亚洲40°N -60°N为正位势高度距平控制， 中心位于萨彦岭附近， 热带地区为负位势高度距平； 亚洲中低纬大部分地区为弱海平面气压正距平， 但蒙古高原西部为一弱负距平区； 京津冀地区850 hPa受弱西南风距平影响。1980年11月［图5（b）］， 亚洲纬向环流特征显著， 亚洲大陆20°N -50°N范围的500 hPa高度场上为正位势高度距平控制， 中心位于华北至东北地区， 热带地区为负位势高度距平； 西伯利亚高压显著偏弱； 京津冀地区850 hPa为偏南风异常。2005年11月［图5（c）］， 环流形势出现明显差异， 500 hPa高度场上亚洲中纬度为负位势高度距平， 热带地区主要为正位势高度距平； 我国东部为负海平面气压距平， 中西伯利亚和东西伯利亚高压偏弱， 850 hPa风场上， 京津冀受偏西风影响， 菲律宾以东洋面上有一弱反气旋环流。
Fig.5 Sea surface pressure anomalies （color area， unit： hPa）， 500 hPa geopotential height anomalies （contour， unit： gpm）， and 850 hPa wind anomalies （vector， unit： m·s-1）.In Fig.5， （a）~（c） for November in 1971， 1980， and 2005， （d）~（f） for December in 1971， 1980， and 2005

图5 海平面气压距平（彩色区， 单位： hPa）、 500 hPa位势高度距平（等值线， 单位： gpm）和850 hPa风场距平（矢量， 单位： m·s-1）

（a）~（c）分别为1971年、 1980年、 2005年的11月； （d）~（f）分别为1971年、 1980年、 2005年的12月

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12月的环流与11月相比均发生了显著的变化， 1971年12月［图5（d）］， 亚洲中高纬形成了“两脊一槽”分布型， 高压脊分别位于乌拉尔山附近和鄂霍次克海以东地区， 东西伯利亚至我国东部地区为一低压槽控制， 冷空气沿乌拉尔山高压脊前偏北气流影响我国北方地区， 西西伯利亚地区海平面气压为正距平， 但影响我国的西伯利亚高压关键区（40°N -60°N， 80°E -120°E）为负距平。1980年12月［图5（e）］， 亚洲中高纬500 hPa高度距平和海平面气压场呈“北高南低”和“西高东低”分布， 乌拉尔山附近500 hPa高度场和海平面气压均由11月负距平转为12月的正距平， 东西伯利亚地区有强高压形成， 东亚槽偏强偏西， 京津冀地区受较强偏北风距平控制。2005年12月［图5（f）］， 欧亚中高纬500 hPa高度距平和海平面气压场呈“北高南低”分布， 高压中心位于喀拉海至西伯利亚地区， 西伯利亚高压显著偏强偏南， 东亚槽偏强偏西， 京津冀地区受较强偏北风异常控制。
结合图4可以发现， 1971年和1980年的11月偏暖主要是由于北方冷空气活动偏弱， 而2005年和2022年11月偏暖除了北方冷空气偏弱外， 南方地区的偏暖气流也有一定贡献。1980年、 2005年和2022年12月欧亚环流都表现出AO负位相特征， 而且2005年和2022年12月西伯利亚高压较1971年和1980年显著偏强， 这与蓝柳茹和李栋梁（2016）所得出了2000年以后西伯利亚高压增强的结论相符合。
为进一步分析大气环流对4个异常年的可能影响， 绘制了113°E -120°E范围平均不同高度气温距平和经向环流纬度-高度剖面图， 如图6所示。在这4年11月剖面图中［图6（a）~（d）］， 1971年11月和1980年11月气温分布形势相似， 极地地区为深厚的气温负距平， 中高纬度400 hPa以下高度层为正距平， 京津冀位于正距平区的南侧， 气温正异常区与图5（a）~（b）中500 hPa正高度距平区相对应。2005年11月气温距平分布， 与前两个异常年存在明显差异， 高纬度低层为气温正距平， 高层为负距平， 中纬度仅在850 hPa以下的对流层低层为浅薄的气温正距平区， 且较1971年和1980年偏南， 这与图5（c）中中纬度地区海平面气压偏弱而500 hPa负位势高度距平的环流异常相符合。2022年11月250 hPa以下高度层高纬度为气温负距平区、 中低纬度为深厚且大范围的气温正距平区， 也较1971年和1980年偏南， 京津冀处于正距平区。从经向环流可以看出， 1971年和1980年的高纬度为偏南气流异常， 而且随着高度降低向南倾斜， 这有效减弱了极地冷空气的南下， 导致中高纬度地区的偏暖； 低纬度的哈德来环流增强， 特别是其北侧的下沉支增强明显， 导致30°N以南地区的对流层低层为偏北风异常， 低纬度地区气温偏低。2005年和2022年哈德来环流减弱， 其北侧的上升气流异常较显著， 对流层中低层为偏南风异常， 且2022年的南风异常更为显著， 由于南方暖空气北上， 引起中纬度地区气温偏高。这2年中高纬经向环流是不同的， 2005年高纬度为偏南风异常， 与1971年和1980年相似， 北极地区冷空气南下偏弱， 导致中高纬气温偏高， 而2022年中低纬为大范围的深厚南风异常， 有利于南方暖空气持续北上， 偏暖区域南界为4年中最偏南。
Fig.6 Mean air temperature anomaly （color area， unit： ° C） and meridional circulation （vector， unit： m·s-1， vertical velocity expanded by 100 times） latitudinal altitude profile in 113°E -120°E area.In Fig.6， （a）~（d） for November in 1971， 1980， 2005， and 2022， （e）~（h） for December in 1971， 1980， 2005， and 2022

图6 113°E -120°E 范围平均气温距平（彩色区， 单位： ℃）和经向环流（矢量， 单位： m·s-1， 垂直速度扩大100倍）

纬度-高度剖面(a)~(d)分别为1971年、 1980年、 2005年、 2022年的11月; (e)~(h)分别为1971年、 1980年、 2005年、 2022的12月

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与11月相比， 这4年中12月的中高纬地区气温距平和经向环流纬度-高度剖面均发生了显著转折［图6（e）~（h）］， 其中1971年和1980年12月中高纬的温度距平分布比较相似， 均表现为极地地区为气温负距平区向北收缩， 60°N -80°N范围内对流层低层为弱的正距平区域， 中纬度地区对流层转为显著负距平， 平流层转为正距平； 2005年和2022年与1971年和1980年相同的是中纬度地区也由“上冷下暖”转为“上暖下冷”气温距平分布， 对流层中低层为显著的气温负距平， 与1971年和1980年12月不同， 极地地区转为深厚的气温正距平， 这一气温分布与前人研究结果“暖北极-冷欧亚”气温分布一致（张向东等， 2020）， 导致经向温度梯度减弱， 促进了极地冷空气南下。从经向环流来看， 1971年、 2005年和2022年自北极至中纬度整层由11月的南风异常转为北风异常， 将极地冷空气吹向中纬度， 1981年转为北风异常的区域较其他3年偏南， 主要在60°N以南区域， 而且随着高度降低北风范围逐渐向北倾斜， 60°N以北区域仍为偏南风异常， 这与图5（a）~（c）中的环流形势相匹配。
通过上述分析发现， 在气候变暖背景下， 1961年以来， 京津冀11月和12月的气温均呈现上升趋势， 但受大气环流的年代际变化影响， 两月气温也存在年代际波动。利用NCEP/NCAR的2 m气温采用王婧和吕俊梅（2021）的计算方法得到1961 -2022年12月的“暖北极-冷欧亚”模态（warm Arctic-cold Eurasia， WACE）指数， 发现WACE具有显著的年代际变化特征（图7）， 1986 -2003年指数平均为-0.67， 即北极偏冷， 经向温度梯度增加， 中纬度扰动减弱， 欧亚地区气温偏高， 呈现“冷北极-暖欧亚”特征， 对应第二个时段京津冀12月偏暖； 20世纪90年代末北极增暖加速（韩笑笑等， 2023）， 北极地区和中纬度气温差减弱， 西风急流难以维持， 中纬度扰动增加， 有利于AO处于负位相， 东亚大槽加深， 乌拉尔阻塞发生频率增加， 造成欧亚大陆温度偏低（Kug et al， 2015； Luo et al， 2016）， 因此2004 -2022年WACE指数平均为0.32， 再次呈现“暖北极-冷欧亚”特征， 第三个时段京津冀12月偏冷。21世纪以后秋季西太平洋副高明显增强， 导致东亚的中低纬为偏南风异常（图未列出）， 第三个时段京津冀11月气温易偏高。
Fig.7 The WACE index and 11-year moving average during December from 1961 to 2022

图7 1961 -2022年12月WACE指数及11年滑动平均

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3.4　拉尼娜和北极涛动的综合影响

3.4.1　 ENSO和AO与11月和12月气温相关性的年代际变化

由以上分析可见， 11月异常偏暖对应的热带地区环流因子和12月异常偏冷对应的北极地区环流因子表现出较显著的年代际变化特征， 这种的年代际变化是否存在外强迫等大尺度前兆信号。因此， 分别选取热带地区和北极地区最显著的2个信号即ENSO和AO， 进一步分析。
图8（a）为京津冀11月和12月气温与同期Niño3.4指数21年滑动相关系数， 可见ENSO对京津冀11月和12月气温影响存在差异， 在11月， 京津冀气温与同期Niño3.4指数与一直存在负相关， 在2000年以后相关性逐步增强， 2011年以后相关系数在-0.46~-0.42， 通过0.05显著性水平。在12月， 两者关系在20世纪80年代中期以前为不显著正相关， 之后转为负相关， 在20世纪90年代末到21世纪00年代初通过0.05显著性水平检验， 之后相关性显著减弱。表明20世纪90年代以来， 厄尔尼诺事件发生时， 京津冀地区11月和12月气温容易偏低， 拉尼娜事件发生时， 气温容易偏高， 21世纪00年代中期以后， ENSO对11月气温的影响明显大于12月。
Fig.8 Sliding correlations in a 21-year window between air temperature and Niño3.4 （a）， between air temperature and AO index （b）

图8 气温与同期Niño3.4指数（a）和AO指数（b）21年滑动相关系数

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图8（b）为京津冀11月和12月气温与同期AO指数的21年滑动相关系数， 可见11月AO指数与京津冀11月气温相关性在-0.2~0.2， 在1990年代以前二者为负相关， 20世纪90年代后转为正相关， 但相关性始终不显著。而12月气温与AO指数的相关系数始终为正相关， 在1990年代以前相关系数在0.2左右， 20世纪90年代后二者相关性呈上升趋势， 21世纪00年代后期相关系数在0.52~0.63， 通过0.05的显著性水平， 2011年代后通过了0.01显著性水平检验。表明20世纪90年代以来， AO正位相时， 京津冀地区11月和12月气温容易偏高， AO处于负位相时， 气温容易偏低， 而且21世纪00年代以来， AO对12月气温的影响显著高于11月。
为了揭示21世纪00年代以来ENSO 对11月气温和AO对12月气温可能的影响机理， 将2001年以来拉尼娜年（2005年、 2007年、 2010年、 2017年、 2020年、 2022年）减去厄尔尼诺年（2002年、 2006年、 2009年、 2015年、 2018年）11月的大气环流场做差值合成分析［图9（a）］， 发现500 hPa位势高度在乌拉尔山地区为负异常， 导致乌拉尔山阻高偏弱， 东亚地区为正异常， 利于西太平洋副高加强； 海平面气压在欧亚高纬度地区为负异常， 西伯利亚高压减弱， 我国大部分地区为正异常； 850 hPa风场在我国东部呈现弱西风异常。Niño3.4指数与大气环流的相关系数分布， 与合成分析分布类似， 只是没有通过显著性检验。在拉尼娜年11月的大气环流的影响下， 整体不利于极地冷空气南下； 同时21世纪以来西太平洋副高增强（蒋薇等， 2016）， 113°E -120°E的中低纬度地区为偏南风异常， 有利于京津冀11月气温增加。图9（b）为2001 -2022年12月AO与同期大气环流的相关系数分布， 可知当AO为负位相时， 500 hPa高度场上乌拉尔山阻塞高压加强， 东亚大槽加深， 西伯利亚高压增强， 我国中高纬出现西北风异常， 有利于极地冷空气向南爆发， 引起京津冀12月气温降低。
Fig.9 The differences （La Nin˜a years results minus El Nin˜o years results） of atmospheric circulation in November （a）， the correlation coefficient between AO and air circulation in December（b）， the atmospheric circulation difference in November （c） and December （d） during 2001 to 2022.In Fig.9 （a， d， d） the color area indicates sea surface pressure （unit： hPa）， the contour indicates 500 hPa geopotential heigh （unit： gpm）， the vector indicates the difference of 850 hPa wind field （unit： m·s-1）.In Fig.9 （b）， the doted area indicates geopotential heigh and AO have passed significance test at the 0.05 level

图9 2001 -2022年拉尼娜年和厄尔尼诺年11月的大气环流差值（a）、 12月AO和大气环流相关系数（b）， 11月大气环流差值（c）， 12月大气环流差值（d）

（a， c， d）中彩色区表示海平面气压差（单位： hPa）， 等值线表示500 hPa位势高度（单位： gpm）， 矢量表示850 hPa风场差值（单位： m·s-1）； （b）中打点区域代表位势高度场与AO通过了0.05的显著性水平检验

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3.4.2　拉尼娜和AO对京津冀2022年11 -12月气温转折的综合影响

Li et al（2019）指出了北半球中高纬对东亚天气气候的影响路径往往是2个或多个因子的综合影响， Zheng et al（2022）分析了拉尼娜和暖北极对2020/2021年中国极端冷冬的综合影响， 陈文等（2013）研究了ENSO和AO不同位相配置对中国冬季气候异常的综合影响。由于ENSO和AO分别与京津冀11月和12月气温的关系在21世纪00年代后增强， 因此统计了2001年以来所有的拉尼娜事件， 并列出了11月和12月的AO指数和京津冀平均气温距平（表1）。由表1可见， 8个拉尼娜年中， 6年中11月气温偏高， 1年正常， 1年偏低， 而12月则4年偏高， 4年偏低， 这与前面统计11月气温受ENSO影响显著于12月的结果一致。8年中有5年符合12月AO正（负）位相时， 气温偏高（偏低）， 3年是不相符的。拉尼娜年和11月AO正位相同时出现， 有利于11月气温异常偏高， 拉尼娜年和12月AO负位相同时出现， 有利于12月气温异常偏低。基于合成分析， 探讨拉尼娜和AO对京津冀气温转折的综合影响［图9（c）， （d）］。图9（c）为11月拉尼娜和AO正位相年份（2005年、 2020年和2022年）大气环流减去厄尔尼诺和AO负位相年份（2002年、 2018年和2019年）的差值。在拉尼娜和AO正位相的共同影响下， 500 hPa位势高度场在欧洲中高纬至东亚地区为正异常， 东亚大槽减弱， 西太平洋副高增强， 同时850 hPa在东亚东部盛行偏南风。图9（d）为12月拉尼娜和AO负位相年份（2005年、 2020年和2022年）的大气环流减去厄尔尼诺和AO正位相年份（2004年、 2006年和2015年）的差值， 与11月不同的是， 500 hPa位势高度东亚地区为负异常， 850 hPa风场在京津冀地区为偏西北风异常， 海平面气压正异常区从西伯利亚延伸至中国东部， 利于冷空气南下， 造成京津冀12月气温偏低。
Table 1 AO indies and temperature anomalies in November and December La Ni n˜a years since 2001

表1 2001年以来拉尼娜年11月和12月AO指数、 气温距平表

La Nin˜a年 11月AO 指数 12月AO 指数 11月气温 距平 12月气温 距平
2005 0.2277 -2.1039 2.1 -1.7
2007 -0.5187 0.8211 0.0 1.4
2010 -0.3757 -2.6310 0.6 0.4
2011 1.4592 2.2208 1.5 -0.6
2017 -0.0776 -0.0590 -0.7 0.6
2020 2.0864 -1.736 0.7 -1.6
2021 0.0930 0.1981 0.9 2.0
2022 0.3389 -2.7192 1.9 -2.0
加粗字体表示AO由11月正位相转为12月负位相的拉尼娜年（The bold font indicates La Niña years in which the AO changes from positive phase in November to negative phase in December）

4 结论

基于京津冀地区逐日和逐月气温观测数据和再分析环流资料以及 Nin˜o3.4和AO气候指数， 综合分析了京津冀地区2022年11 -12月气温转折的特征， 并对发生转折的成因进行了初步探讨， 得到以下主要结论：
（1） 2022年， 京津冀呈现11月偏暖， 12月偏冷的气候特征， 两月气温起伏大， 冷暖极端性明显。11月， 京津冀地区平均气温5.5 ℃， 较常年同期偏高1.9 ℃， 为1961年以来第二高值。12月， 京津冀地区平均气温-5.1 ℃， 为2014年以来同期最低。两月温差10.6 ℃， 与1971年和1980年温差位列1961年以来第一位。
（2） 2022年11 -12月东亚冬季风前期偏弱、 后期偏强， 强弱转换阶段性特征显著。11月乌拉尔山阻塞高压偏弱， 西伯利亚高压偏弱， 极地冷空气动力不足， 同时热带西太平洋受异常反气旋控制， 利于低纬度暖湿空气向北输送， 因此京津冀地区气候异常偏暖。12月， 整个欧亚大陆天气系统东移， 乌拉尔山阻高维持并发展， 东亚大槽加深， 西伯利亚高压偏强， 冷空气沿阻高脊前气流南下影响华北地区， 造成京津冀地区气候异常偏冷。
（3） 11月异常暖转为12月异常冷的4个典型年表明大气环流转折特征存在明显的年代际变化。2022年和2005年11月偏暖与北方冷空气活动偏弱外， 还受到南方暖气流北上影响， 而1971年与1980年主要是北方冷空气活动弱。2022年和2005年的12月异常偏冷在北极增暖和西伯利亚高压显著偏强的背景下出现。
（4） 2022年11 -12月京津冀的冷暖转折受拉尼娜和AO的共同影响。ENSO与京津冀11月气温以及AO与12月气温相关性在21世纪00年代明显增强， 拉尼娜背景下AO由11月正位相转为12月负位相， 气温出现反相概率高。2022年为拉尼娜年， AO在11 -12月由正位相转负位相， 京津冀出现冷暖转折事件。
影响冬季气温的因子众多， 目前已研究表明平流层爆发性增温导致东亚冬季风异常的重要影响原因（李琳等， 2010； 杨光等， 2012）， 平流层爆发性增温将使得环流异常向下传播， 引起东亚冬季风增强。因此揭示平流层的爆发性增温对京津冀气温冷暖转折可能影响及物理机制， 值得进一步分析研究。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
Cohen J， Zhang X， Francis J， et al， 2020.Divergent consensuses on Arctic amplification influence on midlatitude severe winter weather［J］.Nature Climate Change， 10（1）： 20-29.DOI： 10.1038/s41558-019-0662-y .
本文引用 [1]
Hu Y Y， Tung K K， Liu J P， 2005.A closer comparison of early and late-winter atmospheric trends in the Northern Hemisphere［J］.Journal of Climate， 18（16）： 3204-3216.DOI： 10.1175/JCLI3468.1 .
本文引用 [1]
Huang J L， Hitchcock P， Maycock A C， et al， 2021.Northern hemisphere cold air outbreaks are more likely to be severe during weak polar vortex conditions［J］.Communications earth & environment， 2（1）： 1-11.DOI： 10.1038/s43247-021-00215-6 .
本文引用 [1]
Kug J S， Jeong J H， Jang Y S， et al， 2015.Two distinct influences of Arctic warming on cold winters over North America and East Asia［J］.Nature Geoscience， 8（10）： 759-762.DOI： 10.1038/ngeo2517 .
本文引用 [1]
Li J P， Zheng F， Sun C， et al， 2019： Pathways of influence of the Northern Hemisphere mid-high latitudes on East Asian climate： A review［J］.Advances in Atmospheric Sciences， 36（9）： 902-921.DOI： 10.1007/s00376-019-8236-5 .
本文引用 [1]
Lu Q， Rao J， Shi C H， et al， 2022： Possible influence of sudden stratospheric warmings on the atmospheric environment in the Beijing-Tianjin-Hebei region［J］.Atmospheric Chemistry and Physics， 22 （19）： 13087-13102.DOI： 10.5194/acp-22-13087-2022 .
本文引用 [1]
Luo D H， Xiao Y Q， Yao Y， et al， 2016.Impact of Ural blocking on winter warm Arctic-cold Eurasian anomalies.Part I： Blockinginduced amplification ［J］.Journal of Climate， 29（11）： 3925-3947.DOI： 10.1175/JCLI-D-15-0611.1
本文引用 [1]
Lü Z Z， He S P， Li F， et al， 2019.Impacts of the autumn Arctic sea ice on the intraseasonal reversal of the winter Siberian high［J］.Advances in Atmospheric Sciences， 36（2）： 173-188.DOI： 10. 1007/s00376-017-8089-8 .
本文引用 [1]
Zheng F， Yuan Y， Ding Y H， et al， 2022： The 2020/21 Extremely cold winter in China Influenced by the synergistic effect of La N i n ˜ a and warm Arctic［J］.Advances in Atmospheric Sciences， 39（4）： 546-552.DOI： 10.1007/s00376-021-1033-y .
本文引用 [1]
Zhong W G， Wu Z W， 2024： Impact of stratospheric variability on sub-seasonal temperature reversals during late winter over the mid-high latitudes of East Asia［J］.Atmospheric Research， 297.
https： //doi.org/10.1016/j.atmosres.2023.107115
本文引用 [1]
Zuo J Q， Ren H L， Li W J， 2015.Contrasting impacts of the Arctic Oscillation on surface air temperature anomalies in southern China between early and middle-to-late winter ［J］.Journal of Climate， 28（10）： 4015-4026.DOI： 10.1175/JCLI-D-14-00687.1
本文引用 [1]
车少静， 王冀， 李晓帆， 等， 2022.京津冀后冬极端低温与北极涛动相关性年代际减弱［J］.气象， 48（4）： 418-427.
Che S J， Wang J， Li X F， et al， 2022.Interdecadal weakening in the relationship between extreme low temperature and Arctic Oscillation in Beijing-Tianjin-Hebei Region in late winter［J］.Meteorological Monthly， 48（4）： 418-427.
本文引用 [1]
陈文， 兰晓青， 王林， 等， 2013.ENSO和北极涛动对东亚冬季气候异常的综合影响［J］.科学通报， 58（8）： 634-641.
Chen W， Lan X Q， Wang L， et al， 2013.The combined effects of the ENSO and the Arctic Oscillation on the winter climate anomalies in East Asia［J］.Chinese Science Bulletion， 58（8）： 634-641.DOI： 10.1007/s11434-012-5654-5 .
本文引用 [1]
韩笑笑， 孟宪红， 赵林， 等， 2023.“北极放大”现象驱动因素及其影响的研究进展综述［J］.高原气象， 42（1）： 1-12.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00029.Han X X ，
Meng X H， Zhao L， et al， 2023.A review of the research progress on the drivers of the “Arctic amplification” phenomenon and its influence［J］.Plateau Meteorology， 42（1）： 1-12.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00029 .
本文引用 [1]
郝立生， 何丽烨， 马宁， 等， 2023.厄尔尼诺事件年际变化与我国华北夏季干旱的关系［J］.干旱气象， 41（6）： 829-840.DOI： 10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-06-0829.Hao L S ，
He L Y， Ma N， et al， 2023.Relationship between interannual variability of El N i n ˜ o events and summer droughts in North China［J］.Journal of Arid Meteorology， 41（6）： 829-840.DOI： 10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-06-0829 .
本文引用 [1]
蒋薇， 张祖强， 刘芸芸， 2016.21世纪以来西南地区干季降水与西太平洋副热带高压年代际变化的关系［J］.气象， 42（11）： 1335-1341.
Jiang W， Zhang Z Q， Liu Y Y， 2016.Relationship between the dry-season precipitation in southwest China and decadal changes of the western Pacific subtropical high since the 21st century［J］.Meteorological Monthly， 42（11）： 1335-1341.
本文引用 [1]
琚建华， 任菊章， 2005.冬季太平洋海温的年代际变化对亚洲地表气温异常的影响［J］.气象科学， 25（1）： 18-25.
Ju J H， Ren J Z， 2005.Possible impacts of winter north Pacific surface sea temperature fields on surface air temperature fields in Asia［J］.Scientia Meteorologica Sinica， 25（1）： 18-25.
本文引用 [1]
蓝柳茹， 李栋梁， 2016.西伯利亚高压的年际和年代际异常特征及其对中国冬季气温的影响［J］.高原气象， 35（3）： 662-674.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00022.Lan L R ，
Li D L， 2016.Interannual and interdecadal anomaly features of Siberian high and their impact on winter temperature of China［J］.Plateau Meteorology， 35（3）： 662-674.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00022 .
本文引用 [1]
梁阔， 李丽平， 任景华， 等， 2023.中纬度海温对北方冬季寒潮强度异常的协同影响［J］.高原气象， 42（3）： 711-724.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00095.Liang K ，
Li L P， Ren J H， et al， 2023.Synergistic effects of mid-latitude sea surface temperature on intensity anomalies of cold waves in winter of Northern China［J］.Plateau Meteorology， 42（3）： 711-724.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00095 .
本文引用 [1]
李琳， 李崇银， 谭言科， 等， 2010.平流层爆发性增温对中国天气气候的影响及其在ENSO影响中的作用［J］.地球物理学报， 53（7）： 1529-1542.DOI： 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.07004.Li L ，
Li C Y， Tan Y K， et al， 2010.Stratospheric sudden warming impacts on the weather/climate in China and its role in the influences of ENSO［J］.Chinese Journal of Geophysics， 53（7）： 1529-1542.DOI： 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.07004 .
本文引用 [1]
李维京， 李怡， 陈丽娟， 等， 2013.我国冬季气温与影响因子关系的年代际变化［J］.应用气象学报， 24（4）： 385-396.
Li W J， Li Y， Chen L J， et al， 2013.Inter-decadal variability of the relationship between winter temperature in China and its impact factors［J］.Journal of Applied Meteorological Science， 24（4）： 385-396.
本文引用 [1]
庞子琴， 郭品文， 2010.不同年代际背景下AO与冬季中国东北气温的关系［J］.大气科学学报， 33（4）： 469-476.
Pang Z Q， Guo P W， 2010.Interdecadal variation of relationship between AO and winter temperature interannual variability in Northeast China［J］.Transactions of Atmospheric Sciences， 33（4）： 469-476.
本文引用 [1]
祁莉， 泮琬楠， 2021.东亚气温前冬与后冬反相的变化特征及可能影响因子［J］.大气科学， 45（5）： 1039-1056.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20181.Qi L ，
Pan W N， 2021.Variability of the phase reversal of the East Asia temperature from early to late winter and the possible influencing factors［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences， 45（5）： 1039-1056.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.20181 .
本文引用 [1]
乔少博， 张志森， 孙晓娟， 等， 2015.晚秋和后冬间欧亚遥相关型波列反相现象探究［J］.气象学报， 73（4）： 711-724.
Qiao S B， Zhang Z S， Sun X J， et al， 2015.An investigation into the phase reversal of EU teleconnections from late autumn to the late winter［J］.Acta Meteorologica Sinica， 73（4）： 711-724.
本文引用 [1]
孙健， 李栋梁， 邵鹏程， 等， 2019.中国冬季气温月际变化特征及其对大气环流异常的响应［J］.气象学报， 77（5）： 885-897.
Sun J， Li D L， Shao P C， et al， 2019.Inter-monthly variation of winter air temperature in China and its relation with atmospheric circulation anomalies［J］.Acta Meteorologica Sinica， 77（5）： 885-895.
本文引用 [1]
谭赢， 李丽平， 施春华， 等， 2022.中国冬季大范围持续性低温事件低频特征及其与大气低频振荡的联系［J］.高原气象， 41（6）： 1410-1424.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00118.Tan Y ，
Li L P， Shi C H， et al， 2022.Low-frequency characteristics of large-scale persistent low temperature events in winter in China and its relation to atmospheric low-frequency oscillation［J］.Plateau Meteorology， 41（6）： 1410-1424.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00118 .
本文引用 [1]
王婧， 吕俊梅， 2021.“暖北极-冷欧亚”模态的年代际变化及其与北大西洋海温的联系［J］.大气科学， 45（4）： 915-930.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20205.Wang J ，
Lv J M， 2021.Interdecadal variation of the warm Arctic-cold Eurasia Mode and its association with North Atlantic sea surface temperature［J］.Chinese Journal of Atmospheric Science， 45（4）： 915-930.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.2103.20205 .
本文引用 [1]
韦玮， 王林， 陈权亮， 等， 2014.我国前冬和后冬气温年际变化的特征与联系 ［J］.大气科学， 38（3）： 524-536.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13320.Wei W ，
Wang L， Chen Q L， et al， 2014.Interannual variations of early and late winter temperatures in China and their linkage ［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences， 38（3）： 524-536.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.1401.13320 .
本文引用 [1]
伍红雨， 潘蔚娟， 王婷， 2014.华南冬季气温异常与ENSO的关系［J］.气象， 40（10）： 1230-1239.
Wu H Y， Pan Y J， Wang T， 2014.Winter temperature anomalies in South China and its relation to ENSO［J］.Meteorological Monthly， 40（10）： 1230-1239.
本文引用 [1]
徐彬羽， 姚素香， 孙庆飞， 2023.冬季乌拉尔山阻塞高压建立和维持与位势高度季节内振荡的联系［J］.高原气象， 42（6）： 1548-1561.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00006.Xu B Y ，
Yao S X， Sun Q F， 2023.The connections between the establishment and maintenance of ural blockings in winter and intra-seasonal oscillation of geopotential height［J］.Plateau Meteorology， 42（6）： 1548-1561.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00006 .
本文引用 [1]
杨光， 李崇银， 李琳， 2012.平流层爆发性增温及其影响研究进展［J］.气象科学， 32（6）： 694-708.
Yang G， Li C Y， Li L， 2012.Advance in research on stratospheric sudden warming and its influences［J］.Journal of the Meteorological Sciences， 32（6）： 694-708.
本文引用 [1]
张向东， 傅云飞， 管兆勇， 等， 2020.北极增幅性变暖对欧亚大陆冬季极端天气和气候的影响： 共识、 问题和争议［J］.气象科学， 40（5）： 596-604.
Zhang X D， Fu Y F， Guan Z Y， et al， 2020.Influence of Arctic warming amplification on Eurasian winter extreme weather and climate： consensus， open questions， and debates［J］.Journal of the Meteorological Sciences， 40（5）： 596-604.
本文引用 [2]
朱益民， 杨修群， 陈晓颖， 等， 2007.ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化［J］.热带气象学报， 23（2）： 105-116.
Zhu Y M， Yang X Q， Chen X Y， et al， 2007.Interdecadal variation of the relationship between ENSO and summer interannual climate variability in China［J］.Journal of Tropical Meteorology， 23（2）： 105-116.
本文引用 [1]

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