山东春季极端低温与前冬北大西洋海温的关系

徐玮平，孟祥新，顾伟宗，伯忠凯

(1.山东省气象防灾减灾重点实验室，山东 济南 250031；2.山东省气候中心，山东 济南 250031； 3.山东省气象局大气探测技术保障中心， 山东 济南 250031)

引 言

全球气候变暖背景下[1]，极端高温事件明显增多，极端低温事件明显减少，但极端低温的变化更剧烈[2-3]。极端低温事件对于经济、生产生活等有较大影响，因此引起较多关注[4-6]。

对于我国而言，极端低温事件呈现出显著减少趋势，表现为冷夜、冷昼日数显著减少；而暖夜、暖昼日数明显增多[7-10]。年极端低温强度整体表现为由东南向西北降低的空间分布特征[11]。我国东部地区春季极端低温事件发生频率增多、强度增强[12]，西北地区年极端低温强度明显减弱[13]，东北、华北以及青藏高原地区极端低温事件发生频次明显减少[14-18]。

区域气候异常是大气环流异常作用的结果，华北地区冬季气温异常与低频环流联系密切[19]；巴伦支海-喀拉海异常增暖导致的乌拉尔山附近出现位势高度正异常，使我国北方极端低温事件频发[20]。另外有研究发现当北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)为正(负)位相时，我国北方气温偏高(低)[21]；NAO也可以通过影响对流层纬向风，产生较厚的云层，再通过自身的云辐射作用进一步导致对流层低层的降温[22]；当北极涛动(Arctic Oscillation, AO)为负位相且西伯利亚高压强度增强时，北方冬季冷日频次增加[23]。此外，北极海冰显著减少导致欧亚大陆阻塞环流形势频繁，地表气温明显变冷、极端低温事件频发[24-25]。

海洋是大气最主要的能量来源，海洋通过感热和潜热等方式向高层大气吸收或释放能量。研究表明，中国冬季气温与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)密切相关[26]。El Nio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[27]，而2008年我国南方大范围低温与La Nia强度密切相关[28-29]。北大西洋“马蹄型”海温模态通过欧亚波列，使得华北地区上空气旋式异常加强，导致华北初春低温增强[30]。

春季是农作物生长的关键季节，也是冷空气活动频繁的时期，因此系统地研究春季极端低温事件对于气候为农服务具有一定的指导意义。考虑到海温的慢变特性及大气对海温变化的响应往往有滞后效应，可以寻找山东春季极端低温海温前兆信号，以期为山东春季气温预测提供参考。

1 资料与方法

1.1 资 料

使用的资料：(1)国家气候中心提供的1961—2018年春季(3—5月)山东省122个国家级气象观测站日最低气温资料。(2)欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的1979—2018年ERA-Interim逐月再分析资料[31]，要素包括高度场、温度场、三维风场，空间分辨率为0.75°×0.75°，垂直方向为1000、925、850、700、500、300和200 hPa共7个层次；另外将上述气象要素1981—2010年平均值作为气候态。(3)英国哈德莱中心(Hadley Center)提供的1871—2018年逐月全球海温资料[32]，水平分辨率为1°×1°。

本文附图涉及的地图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(2016)1594号的标准地图制作，底图无修改。

1.2 方 法

采用百分位法[33]将1961—2018年春季山东地区逐站日最低气温24 h降温幅度进行降序排列，取第90百分位值作为极端低温事件阈值，如果该日的降温幅度超过极端低温事件阈值，则认定该日出现一次极端低温事件。另外使用世界气象组织WMO(World Meteorological Organization)推荐的极端最低气温、冷夜日数(表1)两个极端低温指数对山东春季极端低温的时空分布特征进行分析。

采用集合经验模态分解(Ensemble empirical mode decomposition, EEMD)方法[34]分析山东春季极端低温时间变化特征；然后通过合成和回归等方法揭示山东春季极端低温与大气环流异常关系；采用TN波作用通量(Takaya and Nakamura wave activity flux, TNF)[35]描述北大西洋罗斯贝波能量频散特征；最后通过经验正交函数(EOF)展开、回归、相关等方法探究前冬北大西洋海温模态与山东春季极端低温的关系。

表1 极端低温指数定义Tab.1 Definition of extremely low temperature index

2 结果与分析

2.1 极端低温时空分布特征

从山东春季冷夜阈值[图1(a)]可以看出，冷夜阈值南北分布差异明显，高值区位于鲁南和半岛沿海部分地区，平均阈值在0 ℃以上；其他大部分地区为-3～0 ℃。从极端低温事件阈值[图1(b)]可以看出，鲁西北、鲁中山区和鲁西南的部分地区极端低温事件阈值最低，平均阈值大约在-6 ℃以下；其他大部地区为-6～-3 ℃。

图1 山东春季冷夜(a)和极端低温事件(b)阈值空间分布(单位：℃)Fig.1 Spatial distribution of cold night (a) and extremely low temperature event (b) thresholds in spring in Shandong (Unit: ℃)

分别用1961—2018年逐站冷夜日数和极端低温事件发生日数除以总日数得到逐站冷夜和极端低温事件发生频率。山东春季极端最低气温[图2(a)]分布不均。鲁西北和鲁中北部的部分地区极端最低气温低于-15 ℃；鲁西南和半岛沿海的部分地区极端最低气温较高，大约为-10～-5 ℃，其他地区为-15～-10 ℃。冷夜发生频率[图2(b)]显示，除个别站点外，全省大部地区都在10%以上，冷夜发生频率不是很高。极端低温事件发生频率[图2(c)]显示，全省极端低温事件发生频率分布不均，其中鲁西北、鲁中北部、鲁南和半岛沿海地区都在45%以上，其他地区在45%以下。

从春季山东区域平均冷夜发生频率标准化距平[图3(a)]可以看出，冷夜发生频率整体呈现出波动降低的趋势，其中在20世纪60年代至90年代初期，冷夜发生频率较高；20世纪90年代初期以后，冷夜发生频率较低，呈现出明显的年代际变化。从春季山东区域平均极端低温事件发生频率标准化距平[图3(b)]可以看出，极端低温事件在20世纪60年代至70年代发生频率较低，之后呈波动升高趋势，尤其是21世纪以后极端低温事件频繁发生。因春季冷暖空气活动频繁，下文从日最低气温24 h降温幅度定义的极端低温事件发生频率研究山东春季极端低温特征及其大气环流异常特征。

图3 1961—2018年春季山东区域平均冷夜(a)和极端低温事件(b)发生频率的标准化距平及其9 a滑动平均Fig.3 The standardized anomaly of cold night (a) and extremely low temperature events (b) regional average occurrence frequency in spring in Shandong from 1961 to 2018 and their 9-year moving average

利用EEMD方法对1961—2018年山东春季极端低温事件发生频率序列进行分解得到4个本征模态函数(intrinsic mode function, IMF)分量和趋势分量(residua, RES)(图4)，4个IMF分量反映了山东春季极端低温事件从高频到低频时间尺度的变化特征，趋势分量表示极端低温事件随时间变化的整体演变趋势。

结合表2和图4可以看出，IMF1分量的准3 a周期方差贡献率最大，达39.6%，振荡信号比较明显， 20世纪60年代至80年代、21世纪以后振幅明显高于其他时段；IMF2分量的准6 a周期方差贡献率约15.0%，其在20世纪80年代振幅相对较小；IMF3分量的准19 a周期振荡方差贡献率约6.4%，20世纪60年代、80年代和21世纪以后振幅明显较小；IMF4分量的准29 a周期振荡方差贡献率约8.5%，极端低温事件发生频率振幅在20世纪80年代至21世纪初处于偏小状态；趋势项分量的方差贡献率为30.4%，极端低温事件发生频率整体呈缓慢持续增加趋势。

表2 山东春季极端低温事件发生频率序列各IMF分量的周期和方差贡献率Tab.2 The period and variance contribution rate of IMF components of occurrence frequency series of extremely low temperature event in spring in Shandong

图4 基于EEMD的1961—2018年山东春季极端低温事件发生频率序列趋势分解Fig.4 Trend decomposition of occurrence frequency series of extremely low temperature events in spring in Shandong from 1961 to 2018 based on EEMD

另外针对各个IMF开展白噪声显著性检验，分析其显著性及周期T(图5)，其中IMF4通过了α=0.1的显著性检验，其他未通过，因此IMF4分量最为显著，即准29 a周期振荡最为显著。

图5 基于EEMD的1961—2018年山东春季极端低温事件发生频率序列IMF分量的显著性检验Fig.5 Significance test of IMF components of the occurence frequency series of extremely low temperature events in spring in Shandong from 1961 to 2018 based on EEMD

为进一步探讨山东春季极端低温事件年际、年代际振荡的变化特征，采用IMF1和IMF2相加构造年际变化序列，IMF3、IMF4和趋势项相加构造年代际变化序列。图6表明，极端低温事件发生频率在年际尺度上整体呈现出增加与减少相间的特征；在年代际尺度上整体表现出20世纪60年代开始明显上升，后期呈现明显下降趋势， 20世纪70年代中期至80年代中期呈缓慢上升趋势，后期呈明显下降趋势， 20世纪90年代中期至21世纪极端低温事件发生频率又呈上升趋势。

图6 1961—2018年山东春季极端低温事件发生频率年际与年代际变化Fig.6 Inter-annual and inter-decadal variations of occurrence frequency of extremely low temperature events in spring in Shandong from 1961 to 2018

2.2 极端低温事件与大气环流异常

2.2.1 异常环流型

大气环流异常可以直接导致区域尺度甚至全球尺度极端事件的频繁发生[36-37]。根据图6选取典型极端低温年(21世纪年际变化上升段，极端低温事件发生频率大于0的年份：2002、2004、2007、2008、2010和2012年)进行合成分析。图7为典型极端低温年春季500 hPa位势高度的距平场和气候态。可以看出，在中高纬上空存在 “+-+-+”波列，其中格陵兰岛、巴尔喀什湖地区和日本半岛以东洋面存在明显的正距平，乌拉尔山和贝加尔湖地区存在明显的负距平；格陵兰岛上空的正距平使脊北抬加强；乌拉尔山地区上空的负距平使槽偏东；同时贝加尔湖上空的负距平使槽偏西，呈现出波长增大的趋势。整个北极和北大西洋中纬度地区构成的模态类似于北半球冬季的AO负位相和NAO负位相，有利于极区冷空气南下，导致气温偏低[38-40]。另外山东地区上空存在明显的负距平，使得槽异常加强，受槽后西北气流控制，导致山东春季气温下降。

为进一步探讨山东春季极端低温事件与大气环流异常的关系，用1979—2018年山东春季极端低温事件发生频率回归同期500 hPa位势高度距平场和850 hPa温度距平场。回归的500 hPa位势高度距平场[图8(a)]上大西洋地区从低纬到高纬呈现出“-+-”的分布形态，其中从格陵兰岛到欧洲西部地区表现为负距平，呈东西带状分布，大西洋中纬度洋面为正距平，低纬度洋面为负距平；中高纬欧亚大陆上空存在着一个近似为“-+-+”的波列结构，该波列结构类似于欧亚型遥相关，与图7相似，其中两个显著的负距平中心分别位于欧洲西部和贝加尔湖地区，两个正距平中心分别位于巴尔喀什湖地区和日本岛以东洋面，并均通过α=0.1的显著性检验。受上游贝加尔湖高度场负异常影响，山东地区温度下降明显，极端低温事件频发。另外，回归的850 hPa温度距平场[图8(b)]上中高纬欧亚大陆大部分地区存在负距平，且贝加尔湖地区通过了α=0.1的显著性检验，山东地区也存在较明显的负距平。

2.2.2 中高纬波作用通量分布及传播特征

为探究中高纬大气环流异常与山东春季极端低温事件的相关关系，采用波作用通量来分析准定常波的活动。图9为典型极端低温年200 hPa TNF的水平分量(TNX)和500 hPa TNF的垂直分量(TNZ)。其中TNZ表示低层异常强迫导致波能量向高层传输，TNZ为正值(负值)时表示能量从低层(高层)到高层(低层)向上(向下)传输。

从图9(a)可以看出，200 hPa格陵兰岛以南的北大西洋为水平波作用通量辐散的关键区，200 hPa波作用通量从北大西洋洋面自西向东传播，从该关键区分别向偏南、偏北两个方向辐散，其中向偏北方向辐散的一支传播路径更加连续，沿着欧洲西部经过巴尔喀什湖、贝加尔湖传播至山东地区，山东地区上空存在明显的波作用通量辐合，使得上空的气旋式环流异常加强，导致冷空气加强影响山东地区，造成极端低温事件频发；向偏南方向传播的一支路径并不明显。另外，从500 hPa TNZ[图9(b)]可以发现，格陵兰岛南端的北大西洋亦是垂直波作用通量传输的关键区，该关键区由于异常强迫作用导致低层的能量向上传输，传输到高层的能量向外频散，有利于山东地区春季极端低温的维持和加强。

2.3 前冬北大西洋海温与山东春季极端低温事件的关系

研究表明北大西洋海温可以影响北半球大气环流，进而影响东亚气候[41-42]，另外还有研究指出，北大西洋海温异常很大程度受NAO影响[43-44]。为揭示山东春季极端低温事件与前冬北大西洋海温模态的关系，用1979—2018年山东春季极端低温事件发生频率序列回归前冬北大西洋海温距平场(图10)，可以发现回归的海温距平场在北大西洋上从低纬到高纬表现为“-+-”的“三极子”分布形态，北美东海岸(70°W—20°W，20°N—40°N)地区为正距平，南北两侧为负距平，格陵兰岛以东洋面为正距平，对应关键区通过了α=0.1的显著性检验。

采用EOF对1979—2018年前冬北大西洋海温标准化距平场进行分析(图11)，前两个模态均通过NORTH准则[45]，具有显著性差异。第一模态贡献率为26.8%，其空间型表现为“全区一致型”，类似于北大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)模态[46]。对应的时间系数整体呈下降趋势，通过α=0.05的显著性检验，年代际特征明显，表现为1995年以前大多为正值，表明北大西洋海温呈现出一致降低的趋势；而在1995年以后，时间系数由正值转为负值，表明北大西洋海温主要以升高趋势为主。

第二模态方差贡献率为15.1%，空间型表现为从北向南“-+-”的“三极子”型，其分布形态与山东春季极端低温事件发生频率序列回归的前冬北大西洋海温距平场(图10)相似，其中大约在北美东海岸(70°W—20°W，20°N—40°N)地区为正距平，在格陵兰岛以东洋面对应显著的正距平，其余地区海温主要以负距平为主。第二模态时间系数序列整体呈现出波动上升趋势，也通过了α=0.05的显著性检验，2011年为海温距平最低值，之后呈波动上升趋势，表明北美东海岸海温主要呈升高趋势，而其两侧的海温呈显著降低趋势，海温差越来越大。

图7 山东春季典型极端低温年500 hPa位势高度距平场(彩色填色区)和气候态(等值线)合成(单位：dagpm)Fig.7 The composite of anomaly field (color shaded areas) and climatic state (isoline) of 500 hPa geopotential height in the typical extreme low temperature years in spring in Shandong (Unit: dagpm)

图8 1979—2018年山东春季极端低温事件发生频率序列回归的同期500 hPa位势高度距平场(a，单位：dagpm)和850 hPa温度距平场(b，单位：℃)[打点区域为通过α=0.1的显著性检验(下同)；细线方框为114°E以东的山东地区(下同)]Fig.8 Regression of the 500 hPa geopotential height anomaly field (a, Unit: dagpm) and 850 hPa temperature anomaly field (b, Unit: ℃) on occurrence frequency series of extremely low temperature events in spring in Shandong from 1979 to 2018(the dotted areas passing the 0.1 significance test (the same as below);the rectangle with fine line for location of Shandong to the east of 114°E (the same as below))

图9 山东春季典型极端低温年北大西洋与欧亚大陆200 hPa波作用通量水平分量(箭头，单位：m2·s2)及其散度(彩色填色区，单位：10-5 m·s-2)(a)及500 hPa波作用通量垂直分量(b，彩色填色区，单位：m2·s2)合成[粗线方框为关键区(下同)]Fig.9 The composites of horizontal components of wave activity flux at 200 hPa (arrow, Unit: m2·s2) and its divergence (color shaded area, Units: 10-5 m·s-2) (a) and vertical components of wave activity flux at 500 hPa (b, color shaded area, Unit: m2·s2) over the North Atlantic and Eurasia in the typical extreme low temperature years in spring in Shandong(the rectangle with thick line for key area (the same as below))

图10 1979—2018年山东春季极端低温事件发生频率序列回归的前冬北大西洋海温距平场(单位：℃)Fig.10 Regression of the North Atlantic SST anomaly field in preceding winter on occurrence frequency series of extremely low temperature events in spring in Shandong from 1979 to 2018 (Unit: ℃)

图11 1979—2018年前冬北大西洋海温标准化距平场EOF分析第一(a、c)、第二模态(b、d)的空间型(a、b)及时间系数(c，d)Fig.11 The spatial patterns (a, b) and time coefficients (c, d) of the first (a, c) and second (b, d) modes of EOF analysis of standardized anomaly field of North Atlantic SST in the preceding winter during 1979-2018

为探讨前冬北大西洋海温与山东春季极端低温的关系，选取前冬北大西洋海温标准化距平场 EOF分解后的第一(PC1)和第二(PC2)模态的时间系数分别与山东春季极端低温事件发生频率序列(图12)进行相关分析。其中PC2与山东春季极端降温序列相关系数r=0.34，且通过α=0.05的显著性检验，但PC1与极端降温的相关性不明显。上述分析表明，前冬北大西洋海温“三极子”模态与山东春季极端低温具有显著的正相关关系，同时该海温模态异常激发出欧亚波列，导致贝加尔湖地区500 hPa位势高度场负异常，贝加尔湖附近的槽加深加强，山东春季气温下降，极端低温事件频繁发生。

图12 1979—2018年山东春季极端低温事件发生频率标准化距平年际变化和PC1(a)、PC2(b)Fig.12 The inter-annual variation of standardized anomaly of occurrence frequency of extremely low temperature events in spring in Shandong and PC1 (a), PC2 (b) during 1979-2018

3 结 论

(1)1961—2018年日最低气温24 h降温幅度定义的极端低温事件发生频率可以更好地反映山东春季极端低温特征。山东春季极端低温事件发生频率具有明显的多尺度时间变化特征，年际振荡特征明显；在年代际尺度上整体表现出从20世纪60年代开始明显上升，后期呈现明显下降趋势，20世纪70年代中期至80年代中期呈缓慢上升趋势，后期呈现明显下降趋势，20世纪90年代中期至21世纪极端低温事件发生频率又呈上升趋势。

(2)山东春季典型极端低温年500 hPa位势高度距平场上中高纬存在明显的波列结构，山东上空存在明显的负距平，受槽后西北气流控制，导致山东地区气温下降。由于格陵兰岛以南的北大西洋异常强迫作用，导致低层的能量向上传输，传输到高层能量向外频散，有利于山东春季极端低温的维持和加强。

(3)前冬北大西洋海温“三极子”模态与山东春季极端低温具有显著正相关关系，同时海温模态异常激发出欧亚波列，500 hPa贝加尔湖附近槽加深加强，受槽后冷空气影响，山东春季气温下降，极端低温事件频繁发生。