北半球中高纬度低频振荡对2012/2013年冬季中国东北极端低温事件的影响

苗青 巩远发 邓锐捷 魏挪巍

成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室，成都610225



北半球中高纬度低频振荡对2012/2013年冬季中国东北极端低温事件的影响

苗青 巩远发 邓锐捷 魏挪巍

成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室，成都610225

摘 要利用NCEP/DOE的逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站温度资料，首先分析了2012/2013年冬季中国东北区域极端低温事件过程中区域平均温度的低频振荡变化特征，然后分析了北半球中高纬度对流低层和中层低频环流系统配置的变化及其与东北地区强冷空气活动过程的联系，最后进一步研究了中高纬度低频环流系统的传播特征及其对温度变化的影响。主要结果有：（1）2012/2013年冬季东北区域平均温度存在很强的30～60 d的周期振荡特征，同时伴随较强的10～30 d低频振荡，后者与实际降温过程对应关系更好；（2）对10～30 d的低频振荡而言，在东北地区低频温度变化降低最大的位相7（位相3升高最大），500 hPa上，我国东部地区正好处于贝加尔湖地区的低频高压（低压）环流和日本海的低频低压（高压）环流型之间的低频偏北（偏南）的较强引导气流中；同时在850 hPa上，我国东部从东北到南海都是较强的偏北（偏南）低频风控制，这使得东亚冬季风环流系统加强（被抑制），东北区域则经历一次大幅度的低频温度降低（升高）过程，这些高低空低频环流系统的配置和演变导致了2012/2013年冬季一次次强（或较强）的冷空气沿偏东偏北的路径影响我国东北地区，并导致极端低温事件的出现；（3）沿着乌拉尔山—贝加尔湖—我国东北地区—西北太平洋传播的500 hPa低频波列，是驱动2012/2013年冬季东亚冬季风低频振荡和我国东北地区极端低温事件的环流系统。

关键词东北地区 极端低温 低频环流系统

苗青，巩远发，邓锐捷，等. 2016. 北半球中高纬度低频振荡对2012/2013年冬季中国东北极端低温事件的影响 [J]. 大气科学, 40 (4): 817−830. Miao Qing, Gong Yuanfa, Deng Ruijie, et al. 2016. Impacts of the low-frequency oscillation over the extra-tropics of the Northern Hemisphere on the extreme low temperature event in Northeast China in the winter of 2012/2013 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (4): 817−830, doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15189.

1 引言

自 20世纪 70年代初大气低频振荡（Lowfrequency Oscillation，简称LFO）发现于热带地区以来，LFO一直被视为重要的大气环流系统之一，由于其时间尺度（10～90 d）介于天气和短期气候变化之间，因此大气的低频振荡能在很大程度上影响各地的天气和气候变化。大量的研究证实，中高纬度的甚至是全球的大气都存在低频振荡的周期变化现象（Madden and Julian，1971，1972；Anderson and Rosen，1983；张可苏，1987；李崇银，1990，1991a；李崇银等，1995；李崇银等，2003）。一直以来大气低频振荡的相关研究主要集中于热带地区，在近些年来，对中高纬度地区大气低频振荡的研究也逐渐丰富，但在其基本变化特征、与其它天气系统的相互作用关系以及对天气气候异常的影响等方面相比热带地区还不是很多。李崇银等和邱明宇等的研究（李崇银，1991a，1991b；李崇银等，1995；邱明宇等，2006）证实，全球大气以热带地区和高纬度地区低频振荡最为显著和重要，且从振荡动能分布来看，中高纬度（尤其是高纬度）地区的大气低频振荡比热带地区活动强，且在冬半年更强。可见，作为大气低频振荡最显著的地区之一，在冬季极端低温和雨雪冰冻灾害事件频发的背景下，北半球中高纬度地区的大气低频振荡变化对天气气候变化的影响值得关注。

已有一些研究从低频振荡的角度出发探讨大气环流与冷空气活动的关系。冷空气活动和表征冷空气强度的气象因子（地面温度和气压等），以及北半球中高纬度系统（如极涡、西伯利亚高压、东亚大槽、阿留申低压、东北冷涡等）的变化都具有明显的低频振荡特征（杨松和朱乾根，1990；唐东升和王建德，1994；金祖辉和孙淑清，1996；Takaya and Nakamura，2005a，2005b；马晓青等，2008；刘慧斌等，2012），欧亚中高纬度大气低频振荡为寒潮爆发提供了有利的大尺度背景，寒潮天气过程除本身具有低频周期外，还与大气环流的振荡周期密切相关（欧阳玫君等，1995）。近几年，中高纬度低频环流系统对天气气候的影响也逐渐引起人们的重视（谭本馗和陈文，2014），采用将低频场在低频信号显著周期的不同位相上进行合成的方法，通过环流系统呈现的模态经进一步分析得到一些新的研究成果。刘慧斌等（2012）定义了描述东北冷涡活动的指数并指出东北冷涡活动具有 10～30 d振荡特征，作为欧亚遥相关型（EU）低频波列的一部分，相关的环流变化与东亚/太平洋型（EAP）低频波列相互作用可影响东亚地区的降水分布情况。周宁芳等（2014）也采取了同样的方法得到对流层各层低频系统的相互配合和共同作用对降水有重要影响。马晓青等（2008）以及朱毓颖和江静（2013）在对中纬度和低纬度低频波动的研究中指出，它们可以独立活动或传播，也可以相耦合共同作用导致中国冬季的持续低温或寒潮爆发。由此，中高纬度低层和中层的低频环流系统之间的作用关系和如何影响我国冬季气温变化引起我们的思考，本文对此做了进一步探讨。

我国东北地区是直接受中高纬度低频环流系统影响的地区，在2012/2013年冬季，其平均气温达到20世纪80年代以来与2000/2001年冬季相当的又一次历史新低，这为研究北半球中高纬度大气低频振荡的活动及其对我国气温的影响提供了一个契机。本文主要目的是利用2012/2013年这一典型年份，进一步分析中高纬度大气低频振荡特征，并分析冬季北半球中高纬度低频环流系统的空间配置特征以及对极端低温事件的影响。

2 资料和方法

2.1 资料

本文使用第II套NCEP/NCAR全球逐日再分析资料，水平分辨率为2.5°（经度）×2.5°（纬度），使用2012年1月1日至2013年12月31日，850 hPa 和500 hPa的高度场（Z850、Z500）、纬向风（U500、U850）、经向风（V500、V850）和温度场（T850）资料；观测资料来源于中国气象局国家气象中心整编的中国地面气候资料日值数据集，所使用的时间长度为1979年1月1日至2013年12月31日，剔除缺测多和建站晚的台站，选用其中的832个台站逐日平均、日最高和日最低温度来分析 2012/2013年冬季气温变化及分布情况。

2.2 方法

定义当年12月1日至翌年2月28日为冬季。相比功率谱周期分析方法，使用小波分析进行周期分析可以在给出气候序列变化的显著尺度的同时，得到各频段随时间的变化情况（Torrence and Compo，1998），因此本文选用墨西哥帽（Mexican hat）小波变换的周期分析方法。首先，为剔除小波分析的边界影响，将2012年7月1日至2013年6 月30日东北地区的147个台站逐日气温时间序列，除去其季节变化趋势（即傅里叶变换的 1～3波）后进行小波变换，取其中2012年11月1日至2013 年3月31日的结果分析东北地区气温显著的变化周期。然后，采用Lanczos滤波器（Duchon, 1979）（滤波参数n＝121），对2012年至2013年850 hPa的风场和温度场以及500 hPa的风场和高度场进行10～30 d的带通滤波，提取2012年7月1日～2013 年6月30日的低频振荡信号从而扣除滤波中受边界影响的时段。最后，合成分析我国东北地区气温低频振荡不同位相的北半球中高纬度低频流场演变特征。

3 2012/2013年冬季东北地区的极端低温事件及气温的低频特征

图1 2012/2013年冬季气温距平（相对于1979～2013年同期气候平均值，填色，单位：°C）。●为东北地区极端低温站，D为西南地区极端高温站Fig. 1 Temperature anomalies in the winter of 2012/2013 (compared to the climatological mean over the period of 1979 to 2013, shading, units: °C). “●”denotes the stations in Northeast China and “D” denotes the stations in Southwest China

3.1 2012/2013年冬季东北地区的极端低温事件

图1是相较于1979/1980～2012/2013年冬季气候平均的2012/2013年冬季中国气温距平分布。从图上可以看到，中国东北地区和华北大部地区呈现出显著的温度负距平，而西南地区云南四川则是相反的显著温度正距平，与1979/1980年冬季以来共34个冬季相比，我国东北部区域包括东三省、内蒙古东部、河北、山东气温明显偏低，普遍偏低2°C，黑龙江省西南部和内蒙古东部偏低可达4°C；而西南地区包括四川、云南气温普遍偏高1°C以上，大值中心位于四川省与云南交界处，偏高可达2.5°C。

为提取代表东北地区和西南地区气温变化的台站，分别以冬季气温距平最低的黑龙江省泰来站和最高的四川省攀枝花站为基点，做全国832个台站气温与之气温的单点相关（如图 2所示），结合地理位置选取出如图所示相关系数大于0.8的147个台站用于东北华北区域气温变化分析，同样的选取相关系数大于0.75的55个台站代表西南地区。在选取的台站中，东北地区的丹东、临江、靖宇等25个台站（图1中黑色圆点站）出现极端低温，气温突破过去 34个冬季历史极值；而西南地区太华山、马尔康等24个台站（图1中Δ站）气温达到极端高温。

图2 以（a）泰来站和（b）攀枝花站为基点的2012/2013年冬季气温单点相关系数（阴影区的相关系数大于等于0.75，○为选取的站点）Fig. 2 The correlation coefficients between temperatures with the base points at (a) Tailai station and (b) Panzhihua station in the winter of 2012/2013. Shaded areas indicate where the correlation coefficient is larger than 0.75, hollow dots denote those selected stations

图3 1979/1980～2012/2013年冬季东北和西南区域平均气温年际变化（单位：°C）Fig. 3 The interannual variation of the regionally averaged wintertime temperature in Northeast China (solid line with hollow circle) and Southwest China (dashed line with full circle) from 1979/1980 to 2012/2013 (units: °C)

图3是1979/1980～2012/2013年东北、华北（147个站）和西南（55个站）冬季气温区域平均的年际变化图。如图所示，自1979/1980年以来，2012/2013年冬季东北、华北区域平均气温与 2000/2001年并列为近 34年来历史同期最低；而西南地区是过去的 34年中冬季气温相对较高的暖年，仅次于之前的1998/1999年和2005/2006年冬季。因此，2012 /2013年冬季，中国东北、华北区域是极寒的极端低温事件，西南地区则是相对暖的暖冬。

3.2 2012/2013年冬季东北地区气温变化的低频特征

为探讨影响2012/2013年冬季我国东北地区极端低温事件的原因，我们首先对 2012～2013年东北区域平均温度的变化特征进行了重点分析。首先在东北区域平均温度的原始时间序列中扣除季节变化趋势，得到东北区域平均温度与季节变化趋势之间的偏差，并对其进行小波变换从而进行小波分析。然后利用小波变换检测出的温度变化显著周期，对温度进行带通滤波，分析了两个频带温度低频变化对强降温过程的影响。

图4中给出了2012/2013年冬季东北区域平均温度的逐日变化和气温的季节趋势，以及东北区域平均温度与季节变化趋势之间的偏差。如图 4a所示，从2012年11月中旬开始气温骤降，降温过程陆续出现并持续到 12月初，短暂回温后在 12月13～23日有两次连续的强降温过程，2013年1月31日～2月8日出现一次强烈的降温过程，之后气温在波动中回升。

2012/2013年冬季东北区域平均温度去掉季节变化趋势后的小波变换的结果清楚地反映出气温在时域和频域上的变化情况（如图5a所示）。为便于分析，定义小波变换值F≥2的时间范围表示气温的回升时期，F≤－2的时间范围表示气温的降低时期。在小波变换尺度因子 a＝2～8（即 8～32 d周期变化）的时间尺度层次上，2012/2013年冬季表现出两次较强的降温过程，分别出现在 2012年12月中旬和2013年2月上旬；三次相对较弱的降温过程分别出现在2012年11月中旬、12月初和2月下旬，可见在a＝2～8的时间尺度上，F值的变化与气温原始序列的变化对应较好。

为了准确分析小波变换在不同尺度因子上信号变化的显著周期，我们基于以上结果进一步计算了气温的小波变换在不同时域内方差贡献的大小（如图5b所示），从方差的时域分布上可以得出在a＝4和 a＝10.56处都存在小波方差的极大值，即2012/2013年冬季东北地区气温有两个明显的变化周期，分别为T≈16 d和T≈42 d。经对气温进行小波变换分析得到该年东北地区气温存在 10～30 d 和30～60 d两个显著周期。

图4b是东北区域平均温度10～30 d和30～60 d的带通滤波后的时间序列。从图中可见10～30 d的振荡在2012年11月、12月和2013年1月底到2月中旬明显偏强，与小波变换分析结果一致，振荡的演变和降温有很好的对应关系，几次降温过程基本都发生在振荡由强到弱的时段；而30～60 d的振荡强度要弱于10～30 d的振荡，其随时间的演变与气温原始时间序列的对应情况，唯有 2013年 1月底到2月中旬30～60 d的振荡从正位相向负位相转变，这表明10～30 d振荡和30～60 d振荡的同位相迭加是导致强降温过程发生的主要原因之一，从小波变化中亦可见实际的强冷空气活动是这两个周期的冷空气活动迭加而成。

为分析低频温度变化分量在2012/2013年冬季实际气温与其季节趋势之差中的贡献大小，我们计算了图 4b中实际气温与其季节趋势之差的总方差及分离出的10～30 d和30～60 d低频分量的方差，结果分别是8.49、3.27和1.85，其中10～30 d振荡的方差贡献占总方差的38.5%（3.27/8.49＝0.385），10～30 d振荡与 30～60 d振荡的总方差贡献达60%，这也说明该年冬季期间东北区域平均温度的低频变化对降温过程的贡献是非常大的。

鉴于上面分析的 10～30 d低频振荡的温度变化与强降温过程的关系更为密切，因此下文仅针对10～30 d低频环流形势的演变特征进行分析，讨论北半球中高纬度大气低频振荡对2012/2013年冬季极端低温事件的影响机制。

4 2012/2013年冬季北半球中高纬低频环流系统特征

由于东北天气气候变化直接受到北半球中高纬度环流系统变化的影响，也为进一步分析极端低温事件和气温低频变化的成因，基于2012/2013年东北地区温度小波分析和带通滤波的结果，我们选取了2012/2013年冬季（即12月至翌年2月）10～30 d低频信号中与两次强降温过程对应的2个强主振荡周期（如图4b所示），将T850、U850、V850、H500、U500和V500的低频分量分别在位相1至位相8上进行合成，研究北半球中高纬度低频环流系统随位相的演变特征，揭示其对强降温过程的影响机制。其中位相1（位相5）为10～30 d东北区域平均温度低频变化由负（正）向正（负）的转换位相，位相 2～3（位相 6～7）为低频温度变化升高（降低）最强的位相，位相 4（位相 8）为低频温度变化升高（降低）后减弱的过渡位相。

4.1 中高纬对流层低层低频环流系统特征

作为冬季对流层低层影响东亚天气和气候变化的重要环流系统，东亚冬季风可在西伯利亚东部，一直沿着欧亚大陆东岸到南海地区产生强劲的西北风和东北风，较大的风速携带着高纬度冷空气南下，使得所经之处气温骤降，因此东亚冬季风是影响我国东北地区气温变化的重要因子之一（丁一汇等，2014）。图6是850 hPa上合成的8个位相的低频温度场和低频风场，我们先探讨2012/2013年冬季东北区域极端低温形成过程中北半球中高纬对流层低层大气环流的低频活动演变。

图4 2012年11月1日至2013年3月30日逐日东北区域（a）平均温度和（b）其剔除季节变化趋势序列以及低频温度序列，单位：°C。（a）中黑线表示实际气温，绿线表示季节趋势；（b）中左纵坐标和红色虚线表示实际气温与其季节趋势的差值，右纵坐标为滤波后的气温，绿线表示30～60 d滤波后气温，黑线表示10～30 d滤波后气温，●和数字表示位相合成的10～30 d滤波气温演变情况Fig. 4 (a) Daily mean regional-average temperature for Northeast China and (b) its seasonal changing tendency and low-frequency temperature sequences from 1 Nov 2012 to 30 Mar 2013. Black line indicates the temperature in (a), green lines indicates seasonal changing tendency in (b). The left vertical-axis and red dashed line in (b) are the difference between the temperature and its seasonal changing tendency; the right is the 10–30-day filtered temperature (black line) and the 30–60-day filtered temperature (green line) for Northeast China (solid dots and the number show the phases of the 10–30-day low-frequency temperature oscillation)

图5 2012/2013年冬季东北地区气温与其季节变化趋势之差的（a）小波变换和（b）其在不同频域上的方差。（a）中纵坐标a（单位：°C）为小波变换尺度因子，（b）中纵坐标T（单位：d）为a对应的近似周期，等值线是小波变换值，阴影区表示气温在季节平均变化趋势上偏强，虚线区则表示在季节平均变化趋势上偏弱Fig. 5 (a) The wavelet transform of the difference between the temperature and its seasonal changing tendency for Northeast China in the winter of 2012/2013 and (b) the wavelet variances on different frequency domains of the wavelet transform. a is the scale-factor (units: °C) of the wavelet-transform in (a); T is the period (units: d) of the scale factor a in (b); isoline denotes the value of wavelet-transform; shaded area denotes the region with strong changing tendency based on the seasonal variation of temperature, while the dashed area indicates weak changing tendency

图6 2012/2013年冬季各位相850 hPa 10～30 d低频温度（阴影区，单位：°C）和低频风场（矢量）的合成图：（a–h）第一到第八位相Fig. 6 Composites of 10–30-day filtered temperature anomalies (shaded, units: °C) and wind anomalies (vector, units: m s−1) at 850 hPa for (a) the first phase, (b) the second phase, (c) the third phase, (d) the fourth phase, (e) the fifth phase, (f) the sixth phase, (g) the seventh phase, and (h) the eighth phase in the winter of 2012/2013

在低频温度变化由负向正转换的位相 1阶段（图 6a），在乌拉尔山到贝加尔湖之间存在低频气旋系统，鄂霍次克海上是一弱的低频反气旋系统，使我国西北东部、东北西部到贝加尔湖东部地区都受到低频东南风（或偏南风）控制；相应的我国东北区域位于贝加尔湖西北低频温度升高中心区与日本南部低频温度降低中心区之间，东北西部是弱的低频暖平流区。

位相2阶段（图6b），低频气旋系统向东移至贝加尔湖以北，鄂霍次克海的低频反气旋系统加强南移到日本海上，我国华北、东北地区到贝加尔湖东部地区位于低频反气旋西部的南风区域，东亚冬季环流系统开始被抑制；与环流对应的东北、内蒙古和华北地区出现明显的低频暖平流区，低频温度升高中心区位于内蒙古东部到东北西部，最大中心值在5°C以上。

到位相3阶段（图6c），贝加尔湖以北的低频气旋系统明显减弱，位于日本海上的低频反气旋系统加强，我国东部几乎都受低频的偏南风控制，东亚冬季环流系统进一步被抑制；伴随低频的偏南风，我国东部几乎全为低频温度升高的区域，温度升高中心也随之加强并向东南移动。这个阶段在乌拉尔山地区出现新的低频反气旋系统，乌山以东地区也变为受偏北风控制。

位相4阶段（图6d），贝加尔湖低频气旋系统有所加强并东移至鄂霍次克海东侧，位于日本海上的低频反气旋系统减弱东移到西北太平洋上并明显减弱；乌拉尔山地区的新出现的低频反气旋系统加强东移，其东侧至贝加尔湖西部地区转为偏北的低频风，东亚冬季环流系统被抑制的过程结束。与环流相对应，贝加尔湖地区东、西两侧及其以北的地区均为低频的冷平流，贝加尔湖西北侧的低频温度降低区域扩大；原位于我国东部较强的低频温度升高区向东南移出我国到朝鲜半岛和日本南部之间的洋面上。

位相5到位相8阶段的低频风场和低频温度场与相应的位相1到位相4基本相反。在位相5（图6e），乌拉尔山东侧低频反气旋系统和鄂霍次克海上低频气旋系统都维持加强，致使贝加尔湖到我国东北、华北地区都受到较强的偏北低频风控制，东亚冬季环流系统开始加强；相应的贝加尔湖到我国东北区域的低频冷平流区范围扩大、低频温度降低的中心值增加。这个阶段，仅在我国的江淮以南地区还有弱的低频温度升高区。

到位相6时（图6f），乌拉尔山东侧低频反气旋系统向贝加尔湖移动，鄂霍次克海低频气旋系统南移到库页岛，低频的偏北风加强并向南向东扩展到我国的江南地区以及日本海一带，东亚冬季环流系统明显加强；对应的东北、内蒙古和华北地区为明显的低频冷平流区，内蒙古东部和东北西部较强的低频温度降低区，最小中心值低于－5°C。

位相7时（图6g），乌拉尔山与贝加尔湖之间的低频反气旋系统中心迅速移至贝加尔湖南侧，库页岛的低频气旋系统加强并向南移到日本东北洋面上，使我国东部从东北到南海都是较强的偏北低频风控制，欧亚大陆上形成一个大范围的东亚冬季风低频环流系统，整个东亚冬季环流系统也进一步加强；伴随偏北低频风异常我国东部几乎全为低频温度降温区，降温异常中心加强移到我国东北南部和朝鲜半岛之间。这个阶段在乌拉尔山地区变为又一个低频气旋系统，乌拉尔山以东地区也开始改受西南风控制。

位相8时（图6h），贝加尔湖南侧的低频反气旋系统中心东移至我国东北的东北侧，日本岛以东洋面的低频气旋系统减弱东移，乌拉尔山地区的低频气旋系统东移加强，使贝加尔湖地区到我国东北西部地区都转为偏南低频风控制，东亚冬季环流系统开始被抑制。与环流相对应，贝加尔湖及东北西部地区均为低频暖平流，低频温度升高中心位于贝加尔湖地区；原位于我国东部的低频温度降低中心减弱东移，我国仅长江流域到华南地区还有弱的负低频温度区，冷空气活动过程接近结束。

从我国东北区域平均气温10～30 d振荡的第1位相到第8位相，我国东北和东部沿海地区的对流层低层，经历了一次由乌拉尔山及其以东地区低频气旋系统到低频反气旋系统和鄂霍次克海地区低频反气旋系统到低频气旋系统影响的转变。其中，在6～7位相（2～3位相），乌拉尔山到贝加尔湖之间的低频反气旋系统（气旋系统）和鄂霍次克海处低频气旋系统（反气旋系统）的向东南方向移动和变化，东亚冬季风环流系统也随之加强（被抑制），我国东北区域则经历一次大幅度的温度降低（升高）过程。

4.2 中高纬对流层中层低频环流系统特征

阻塞高压和东北冷涡是中高纬度对流层中层引起大范围冷空气活动和我国寒潮降温的天气系统，中高纬度低频环流演变与阻塞形势的变化密切相关，东北冷涡除本身具有低频振荡的变化特征外，还对中高纬冷空气的低频活动也起到重要作用（智协飞和何金海，1996；刘慧斌等，2012）。为进一步分析2012/2013年冬季极端低温形成过程中对流层中层低频环流系统的影响，与上一部分一样，根据东北区域平均温度10～30 d低频变化的8个位相合成了500 hPa低频高度场和低频流场（如图7所示）。

位相1阶段（图7a），乌拉尔山以西上空为一弱的低频高压环流系统，与对流层低层相对应，乌拉尔山东侧是一弱的低频低压环流系统，贝加尔湖与我国东北区域之间存在一弱的低频高压环流系统，日本岛以东洋面存在一较强的低频低压环流系统。

图7 同图6，但为500 hPa上滤波高度（填色）和流场合成图Fig. 7 Same as Fig. 6, but for the filtered height and streamline composite at 500 hPa

位相2阶段（图7b），乌拉尔山以西的低频高压环流系统稳定加强，乌拉尔山东侧的低频低压环流系统也随之加强，原贝加尔湖与我国东北区域之间的低频高压环流系统加强，高压中心移到我国东北区域上空，西太平洋上的低频低压环流系统减弱东移。在中高纬范围（40°N～70°N）内，从欧洲北部到西北太平洋地区（20°E～160°E），自西向东是一个西北—东南向的低频高压（反气旋）—低频低压（气旋）—低频高压（反气旋）—低频低压（气旋）的低频波列。

位相3阶段（图7c），原乌拉尔山以西的低频高压环流系统向东移动到乌拉尔山，并且发展成一强的低频高压中心，乌拉尔山到贝加尔湖之间的低频低压环流中心东移到巴尔喀什湖一带；原东北区域上空的低频高压系统向东南缓慢移动加强，在日本海上空形成一强的低频高压中心，欧亚大陆中高纬地区到北太平洋西岸调整为“两高一低”型的低频环流系统，我国东北地区处于低频低压系统前、高压系统后的偏南风影响的位置，南下冷空气被抑制，引起850 hPa上低频温度升高。

到位相4阶段（图7d），与对流层低层相对应，乌拉尔山上空的低频高压系统移至乌拉尔山东侧，巴尔喀什湖一带的低频低压环流系统被两个低频高压系统切断，东北部分东移至贝加尔湖以东到我国东北北部及其以北地区，原日本海上空的低频高压中心减弱并向东移到日本东部洋面。

同对流层低层850 hPa一样，500 hPa上位相5到位相8的低频高（低）压系统与位相1到位相4阶段基本相反。在位相 5（图 7e），乌拉尔山以东的低频高压系统继续东移；贝加尔湖以东的低频低压中心东移至我国东北北部上空，对应的低频高度负异常明显加强；原日本以东的低频高压环流系统东移至西太平洋中西部地区。这个阶段在乌拉尔山以西出现新的低频低压环流系统。

到位相6（图7f），乌拉尔山以西的低频低压环流系统稳定加强，乌拉尔山东侧的低频高压系统中心继续向贝加尔湖靠近，我国东北地区的低频低压环流系统稳定加强，西北太平洋上的低频高压环流系统减弱；在中高纬范围（40°N～70°N）内，从欧洲北部到西太平洋（20°E～160°E）转变为与位相2阶段相反的低频低压（气旋）—低频高压（反气旋）—低频低压（气旋）—低频高压（反气旋）的低频波列。

到位相7阶段（图7g），原乌拉尔山以西的低频低压系统中心东移至乌拉尔山地区并加强，乌拉尔山以东的低频高压系统中心移至贝加尔湖西侧，相应的低频高度正异常有所减弱；与低层相应的原东北区域上空的低频低压系统中心南移，在日本北部形成一强的低频低压系统中心。与位相3相反，欧亚中高纬地区到亚洲东部沿岸形成“两低一高”的低频环流型，我国东北及东部大部分地区处于低频高压系统前和低压系统后的高空偏北气流中，这致使冷空气加速南下影响我国东部地区，导致850 hPa上低频温度降低。

到位相8阶段（图7h），乌拉尔山上空的低频低压系统继续东移加强，低压中心位置到了乌拉尔山以东；贝加尔湖西侧的低频高压中心迅速减弱移到我国东北西部，其东部的低频低压旋也迅速减弱，我国东部处于低频高压南侧的偏东低频气流中，冷空气南下的过程结束。

综合这一部分对流层中层（500 hPa）和低层（850 hPa）低频环流系统的演变发展的结果可以看到，从位相1到位相8的各个阶段，500 hPa上是欧亚到西太平洋（20°E～160°E）中高纬范围（40°N～70°N）内有低频环流系统不断从乌拉尔山以西地区沿西北—东南向的路径向我国东部和西太平洋西部沿岸移动，850 hPa上则是相应的东亚冬季风低频环流系统变化引起的我国东部地区偏南低频风或偏北低频风交替变化，从而抑制冷空气南下或加速冷空气南下，导致我国的寒潮过程发生。

其中，位相6～7（位相2～3）阶段，500 hPa上，我国东部地区正好处于贝加尔湖地区的低频高压（低压）环流和日本海的低频低压（高压）环流型之间的低频偏北（偏南）的较强导气流中，同时在850 hPa上，我国东部从东北到南海都是较强的偏北（偏南）低频风控制；这使得东亚冬季风环流系统也随之加强（被抑制），我国东北区域则经历一次大幅度的温度降低（升高）过程。这些高低空低频环流系统的配置和演变可能导致了2012/2013年冬季一次次强（或较强）的冷空气沿偏东偏北的路径影响我国东北地区，并导致极端低温事件的出现。

5 北半球中高纬度大气低频环流系统的传播特征及对温度的影响

在上一部分，我们通过对2012/2013年冬季东北区域平均温度10～30 d振荡周期中的2个强主振荡周期分8个位相合成低频场的方法，得到了与东北区域平均温度低频变化相对应的对流层低层和中层的低频环流模态。为进一步探讨中高纬低频环流系统的传播特征及其与东北地区温度低频变化的对应关系，我们分别对2012/2013年冬季东北区域平均温度的低频序列与同期和超前其5日的500 hPa低频高度场进行了相关性分析，考虑到实际天气尺度环流场变化与天气变化之间存在的时滞关系，在此给出显著性较好的2012/2013年冬季东北区域平均温度低频序列与超前其2日（2012年11 月29日至2013年2月26日）的500 hPa低频高度场的相关分析。

从图8中可见500 hPa低频高度场与滞后其2日的东北区域平均温度低频序列之间的相关性明显存在着从乌拉尔山以西地区（＋）贝加尔湖以西地区（－）到我国东北地区（＋），再到西太平洋（－）的波列，对应于位相3和位相6低频环流系统配置形成的低频波列，该支波列的波动主要表现在乌拉尔山与贝加尔湖之间低频高压系统为低频低压系统代替，而东北地区低频低压系统为低频高压系统代替的过程。另一方面，根据相关系数大、小值中心的分布情况亦可得，该支波列上低频环流系统的演变对东北地区温度异常有很大的影响：当低频高压系统移动至乌拉尔山与贝加尔湖之间，而低频低压系统移动到东北地区时，伴随着这两个低频环流系统的增强，低频环流中心沿着该支低频波列向东南方向移动，其间的偏北引导气流有利于高纬度地区冷空气南下侵入东北地区，对应着时间上滞后2日左右东北地区经历一次降温过程，这个滞后关系与上一部分低频环流系统随位相的演变特征的分析结果一致。值得一提的是，东北地区温度的低频变化与乌拉尔山西侧低频高度异常存在较强的正相关，乌山西侧的低频高压环流系统随位相的演变也呈现出：在位相1～4，低频高压系统稳定加强，低频高压中心缓慢移动到乌拉尔山东侧；在位相4～8，低频高压中心减弱并迅速沿着低频波列移至东北西部地区。可见，低频环流系统沿着这支波列移动并相继对中高纬度所经之处以及下游地区的温度产生影响，由于是用东北区域平均温度低频序列进行的相关分析，更准确地说，这支低频波列的发展及其低频系统的相互作用与东北地区冬季气温的低频变化密切相关。

图8 2012/2013年冬季北半球500 hPa各格点滤波高度与东北地区平均滤波温度的滞后相关系数（阴影区通过99%信度的t检验，直线为大值中心形成的波列连接线）Fig. 8 Lagging-correlations between the filtered height at every grid point of the Northern Hemisphere at 500hPa and the 10–30-day filtered regionally averaged temperature in Northeast China in the winter of 2012/2013. Shaded areas denote where the values are statistically significant at/above 99% confidence level with t test. The straight line is the connecting line of the wave train consisting of max value centers

图9 2012年11月1日至2013年2月28日500 hPa 10～30天滤波高度Fig. 9 10–30-day band-pass filtered geopotential height at 500 hPa from 1 Nov 2012 to 28 Feb 2013

此外，我们也对东北区域平均温度低频序列与同期850 hPa低频温度场进行了相关分析（图略），相关系数大、小值中心和相关性的分布情况均与图8相同，唯有这支波列上乌拉尔山以西的正相关大值中心较图8偏北，位于与大陆接壤的巴伦支海南部，说明低频系统沿该波列向东南方向传播的同时引导冷空气从源地南下并沿偏东偏北的路径侵入我国，并且主要对东北地区的温度变化产生影响。

为了更准确地分析每个振荡周期对应的低频环流系统的演变情况，我们将相关分析中得到的相关系数的大值和小值的中心连接起来，图9给出了这条波列上 500 hPa低频高度值随时间的变化情况。基于前面的低频环流系统特征和相关性分析结果可知，乌拉尔山以西、乌拉尔山到贝加尔湖之间和东北地区是低频环流系统活动的关键区，且关键区环流系统的低频变化与滞后其 2日左右的东北区域平均温度的低频变化存在较好的对应关系，因此在分析中较关注这三个关键区所在的经纬度范围内、超前于降温起止 2日左右出现的低频高度异常。

从图中可以看到，在乌拉尔山及其以东的范围内，低频高度异常中心大体上均为明显的向东南方向传播，尤其是从 12月底开始，低频高度正、负异常中心相继地沿着从乌拉尔山以西到西太平洋的这支波列传播；结合东北区域平均气温 10～30天的低频变化情况，在11月10～18日、11月28日至12月7日和12月14～23日分别经历了三次幅度逐渐增强的低频降温过程，提前2日左右分析发现，乌拉尔山地区出现低频高度正异常并且中心传播至贝加尔湖地区的同期，伴随着低频高度负异常中心移动到东北地区，该过程与降温过程存在较好的对应关系，在1月18～25日、1月31日至2 月7日以及2月14～20日这三次低频降温过程中这种对应关系体现地更明显。这进一步说明乌拉尔山到西北太平洋路径的东传上低频环流系统是影响2012/2013年冬季东北区域平均温度低频变化的重要因子。

6 结论和讨论

本文首先对2012/2013年冬季中国东北区域极端低温事件过程中区域平均温度的低频振荡变化特征进行了分析，基于周期分析结果合成分析了北半球中高纬度对流低层和中层低频环流系统配置的变化及其与东北地区强冷空气活动过程的联系，最后进一步研究了中高纬度低频环流系统的传播特征及其对温度变化的影响。主要结论如下：

（1）2012/2013年冬季东北极端低温事件是冬季温度季节变化趋势基础上，叠加了很强的 30～60 d周期和10～30 d周期两个频带的温度低频振荡变化的结果；10～30 d振荡的温度变化与实际强降温过程的关系更为接近；其中2013年1月底到2月上旬的强降温过程是10～30 d振荡和30～60 d振荡同时由低频升温到低频降温位相转换同位相迭加的结果。

（2）500 hPa上欧亚到西太平洋（20°E～160°E）中高纬范围（40°N～70°N）内有低频环流系统不断从乌拉尔山以西地区沿西北—东南向的路径向我国东部和西太平洋西部沿岸移动，850 hPa上则是相应的东亚冬季风低频环流系统变化引起的我国东部地区偏南低频风或偏北低频风交替变化，从而抑制冷空气南下或加速冷空气南下，导致我国的寒潮过程发生。其中，在低频温度变化降低（升高）到最强的位相6～7（位相2～3），500 hPa上是我国东部地区正好处于贝加尔湖地区的低频高压（低压）环流和日本海的低频低压（高压）环流型之间的低频偏北（偏南）的较强导气流中，850 hPa上，我国东部从东北到南海受较强的偏北（偏南）低频风控制；这使得东亚冬季风环流系统随之加强（被抑制），我国东北区域经历一次大幅度的降温（升温）过程。这些高低空低频环流系统的配置和演变可能导致了2012/2013年冬季一次次强（或较强）的冷空气沿偏东偏北的路径影响我国东北地区，并导致极端低温事件的出现。

（3）沿着乌拉尔山以西地区—贝加尔湖以西地区—我国东北—西北太平洋的西北东南向的 10～30 d振荡低频波列的移动演变，即乌拉尔山地区的低频高度正（负）异常中心移至贝加尔湖地区，同期伴随着低频高度负（正）异常中心移动到我国东北地区，该过程与滞后其2日左右的低频降温（升温）过程存在很好的相关关系，说明上述低频波列是驱动2012/2013年冬季东亚冬季风低频振荡和我国东北地区极端低温事件的环流系统。

最后，需要说明的是，在2012/2013年冬季我国东北地区出现极端低温，西南地区的云南和川西高原则是异常高温现象，在本文的分析中我们很难发现，这个冬季西南地区温度的变化与上述分析的中高纬度低频环流系统和东亚冬季风低频环流系统演变有直接的关系。因此，2012/2013年冬季而言，一方面可能是上述分析的相关低频环流系统的配置影响的路径偏北、偏东，另一方面，或者是南支的影响系统较强，导致西南地区难以受到较强冷空气的影响；当然，分析该年冬季西南地区高温的原因也是我们接下来要进行的工作。此外，本文仅选取10～30 d温度低频振荡周期进行分析，我们也看到，2013年2月上旬的强降温是两个频带低频振荡叠加的共同影响，因此对中高纬度30～60 d的低频振荡和两个频带低频振荡相互作用也有必要做进一步探讨；此外，在我们的初步分析中还发现，2012/2013年冬，我国东北地区温度和欧亚500 hPa高度场的低频变化与超前其 9天的 NAO（North Atlantic Oscillation）波动的低频变化有显著的关系，这是一个值得深入研究的问题。

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资助项目 国家自然科学基金资助项目41275080，公益性行业（气象）科研专项GYHY201306022

Funded by National Natural Science Foundation of China (Grant 41275080), China Meteorological Administration Special Public Welfare Research Fund (Grant GYHY201306022)

文章编号1006-9895(2016)04-0817-14 中图分类号 P466

文献标识码A

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15189

收稿日期2015-04-29；网络预出版日期 2015-08-04

作者简介苗青，女，1990年出生，硕士研究生，主要从事短期气候变化。E-mail: mq04209693@163.com

通讯作者巩远发，E-mail: gyfa@cuit.edu.cn

Impacts of the Low-Frequency Oscillation over the Extra-tropics of the Northern Hemisphere on the Extreme Low Temperature Event in
Northeast China in the Winter of 2012/2013

MIAO Qing, GONG Yuanfa, Deng Ruijie, and Wei Nuowei
Department of Atmosphere Science, Chengdu University of Information Technology, Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225

AbstractUsing daily data of NCEP/DOE reanalysis II and the temperature data collected at conventional observation stations of National Meteorological Information Center, the characteristics of the low-frequency oscillation (LFO) of theregionally averaged temperature during the extreme low temperature event in Northeast China in the winter of 2012/2013 is analyzed. Changes in the spatial configuration of low-frequency circulation systems in the mid- and lower troposphere in the extratropics of the Northern Hemisphere and their linkage with cold air activities are analyzed. Furthermore, the propagation character of the low-frequency circulation systems and their impacts on temperature changes are also investigated. Results show that: (1) the regionally averaged temperature in Northeast China in the winter of 2012/2013 exhibits a strong 10–30-day oscillation feature, which is accompanied by a significant 30–60-day oscillation and closely related to actual temperature drops. (2) for the 10–30-day oscillation, the phase 7 (phase 3) corresponds to maximum decrease (increase) in temperature over Northeast China; Northeast China is under control of the strong northerly (southerly) air current between the low-frequency high (low) pressure system around Lake Baikal and low-frequency low (high) pressure system nearby the Sea of Japan at 500 hPa; meanwhile, East China from the north to the South China Sea is mainly controlled by low-frequency northerly (southerly) wind at 850 hPa, which strengthens (suppresses) the circulation system of East Asian winter monsoon. As a result, Northeast China undergoes a cooling (warming) process. With such a spatial configuration and evolution of low-frequency circulation systems in the mid- and lower troposphere, Northeast China is affected by strong (or stronger) cold airmass that follows an easterly and/or northerly path and extremely low temperature event happens. (3) A low-frequency wave train at 500 hPa propagates along the path of Urals–Baikal Lake–Northeast China–western Pacific. It is the circulation system that actuates the LFO of East Asian winter monsoon and the extreme low temperature event in Northeast China.

KeywordsNortheast China, Extremely low temperature event, Low-frequency circulation system