东北地区寒潮特征及与影响因子关系的年代际变化

李 菲，李 辑，林 蓉*，房一禾，胡春丽，秦美欧，王小桃，沈玉敏

（1.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166；2.辽宁省生态气象和卫星遥感中心，辽宁 沈阳 110166）

0 引言

寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气过程，其主要特点是降温和大风，有时还伴有雨、雪、雨凇或霜冻［1-4］。严重的寒潮天气过程可以对渔牧业、交通业、畜牧业和农耕行业造成影响，对国民经济生产、人们日常生活造成严重影响。

东北地区地处欧亚大陆中高纬度地带，是我国最易受寒潮影响的地区［5-6］。随着全球变暖，东北地区寒潮发生的频数也呈现减少趋势［7-11］，这与全国寒潮频次减少的趋势一致［12-13］。东北地区寒潮频次的减少具有年代际变化特点，20世纪60～80年代冷空气频次呈年代际减弱趋势［14］。研究指出，北极涛动（Arctic Oscillation, AO）对东亚寒潮的暴发频次和强度都有重要影响，AO负位相易诱发中国东部寒潮发生［15-18］；冬季西伯利亚高压与中国寒潮频次呈显著的正相关，西伯利亚高压的减弱及其上空低层冷堆温度的升高是造成中国寒潮减少的原因［13］；北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation, NAO）也是影响冬季气温的重要因子，冬季NAO指数异常偏低时，西伯利亚高压和东亚冬季风偏强，冬季气温偏低［19］；东北冬季气温主要影响因子是AO、西伯利亚高压和东亚冬季风，年代际尺度上AO是影响东北冬季气温的主要因子［20］；北太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，PDO）对冬季气温及其影响因子的关系具有调制作用［21］。

目前，东北地区寒潮变化特征及影响因子的研究已十分丰富，东北地区寒潮频次与全国寒潮的变化趋势一致，但东北地区寒潮频次变化又具有自身特点，年代际变化特点也有所不同，东北地区寒潮在20世纪90年代有所增多且在21世纪减少明显，而全国寒潮在20世纪80～90年代锐减［9，13］。本文主要针对东北地区寒潮频次的年代际变化特征展开研究，探讨不同年代际背景下东北地区寒潮大气环流影响因子的转变及PDO这一年代际背景对东北地区寒潮频次和影响因子关系的调制作用。

1 资料和方法

本文所用资料来源于沈阳区域气候中心提供的东北地区106站逐日最低气温资料，时间为1961年1月1日～2020年12月31日；国家气候中心提供的130项气候系统监测指数集；NCEP/NCAR逐月海平面气压场、位势高度场，时间为1961年1月～2020年12月，水平分辨率为2.5°×2.5°，该资料由美国大气科学研究中心和美国国家环境预报中心（NCEP/NCAR）共同完成；北极涛动和北大西洋涛动指数采用NOAA提供的1961年1月～2020年12月的逐月指数资料。

2 寒潮定义标准

单站寒潮根据中华人民共和国国家标准GB/T 21987—2017 《寒潮等级》 规定的寒潮划分标准［22-23］，按照受寒潮影响的某地在一定时间内日最低气温降温幅度和日最低气温值2个指标来具体划分寒潮等级，把24 h内降温幅度≥8 ℃，或48 h内降温幅度≥10 ℃，或72 h内降温幅度≥12 ℃，且日最低气温≤4 ℃定义为一次单站寒潮过程。本文主要针对东北地区单站寒潮过程展开研究。

统计发现，寒潮出现时间一般为秋冬、冬春2个时段，所以本文寒潮统计时段为当年9月1日至次年5月31日，共59年的寒潮频次序列。

3 东北地区寒潮特征

依据单站寒潮定义标准统计东北地区各站逐年的寒潮频次序列，并进行EOF分析，发现第一模态解释了总方差的39.9%，从东北地区寒潮频次EOF1的空间分布（图1a）可以看出，东北地区寒潮暴发主要是全区一致发生的。时间系数序列（图1b）显示，东北地区寒潮频次呈现明显下降趋势，减少趋势为1.9次/10 a，达到95%置信度检验，时间系数11年滑动平均后发现，东北地区寒潮频次阶段性变化明显，结合东北地区寒潮频次M-K突变检验结果（图2）来看，寒潮频次突变发生在1974年，所以参照突变点和已有对东北地区寒潮变化特点［24-25］，将东北地区寒潮频次分为3个阶段，分别是1961～1974年为寒潮频次偏多期、1975～1995年为振荡减少期，1996～2019年为迅速减少期。

图1 东北地区寒潮频次EOF第一模态空间分布

图2 东北地区寒潮频次M-K检验

统计东北地区寒潮频次逐月演变情况（图3）发现，寒潮频次在当年9月至次年5月每月都有寒潮过程出现，寒潮过程主要集中出现在当年11月至次年2月，也是寒潮高发时段，其中11月是寒潮频次最多的月份（2.7次/月），其次是12月（寒潮2.6次/月）。研究还发现除冬季以外，秋季寒潮暴发次数要高于春季，秋季寒潮频次5.9次/季，而春季为3.9次/季。周期分析发现（图4），东北地区寒潮频次1970s后期至1980s以及1990s中后期存在2～3年左右周期，1980s存在10～12年左右周期，2015年前后出现了一个4～6年左右周期，并通过显著性检验。

图3 东北地区寒潮频次逐月演变情况

图4 东北地区寒潮频次小波分析

4 东北地区寒潮影响因子年代际变化

上述分析发现，东北地区寒潮暴发的集中期是秋末（11月）至冬季（12月至次年2月），11月是秋季到冬季的过渡月份，地面上冷空气势力开始活跃，冷空气活动增多。东亚地区冷高压势力开始增强，海平面气压场上出现类似冬季的环流分布，但是各活动中心势力都还较弱，冬季风开始建立，直至11～12月间冬季风完全建立，东北地区逐步受北风控制。本文将针对东北地区寒潮频发的11月至次年2月（以下简称寒潮高发时段）的环流特征进行分析。

为了找出东北地区寒潮暴发的影响因子及其年代际变化情况，依据东北地区寒潮频次变化的阶段特征，分别对寒潮频次偏多期（1961～1974年）、振荡减少期（1975～1995年）和迅速减少期（1996～2020年）3个阶段的影响因子展开分析。

从1961～2019年寒潮高发时段3个阶段海平面气压合成场上来看，3个阶段变化明显的区域位于西伯利亚高压地区以及北极地区。在寒潮频次偏多期（图5a）北极地区受位势高度正异常控制，欧亚中高纬地区为位势高度负异常，表现为AO正位相模态，极地冷空气易向南扩散影响中高纬度地区；振荡减少期（图5b）极地位势高度正异常减弱，极涡中心偏向东半球，欧亚中高纬地区位势高度负异常减弱，冷空气蜷缩在极地地区不易南下，西伯利亚高压强度偏弱；迅速减少期（图5c）极地位势高度正异常中心偏向东半球，西伯利亚高压强度略增强。

图5 1961～2019年寒潮频发期平均的海平面气压距平合成场

将东北地区寒潮频次EOF1时间序列分别与AO指数和西伯利亚高压指数进行滑动相关，可以体现出AO位相和西伯利亚高压对东北地区寒潮频次影响的变化情况，这里西伯利亚高压强度指数ISH选取（40°～60°N，80°～120°E）区域海平面气压场位势高度平均值代表。从图6可以看出：AO指数、西伯利亚高压强度指数与东北地区寒潮频次的相关关系表现出了明显的年代际变化趋势，IAO（图6a）与寒潮频次的关系在1980s中期至1990s中期为正相关，1990s中期后转为负相关；ISH（图6c）与东北地区寒潮的关系在1977年以前和1996年以后为正相关，且在1990s后期和2000s初期达到0.05置信度检验，而在1978～1995年间为负相关。对比东北地区寒潮频次的阶段变化来看，振荡减少期和迅速减少期东北地区寒潮频次受AO和西伯利亚高压共同影响，振荡减少期寒潮频次与AO以正相关为主、与西伯利亚高压强度呈负相关；迅速减少期寒潮频次与以AO负相关为主、与西伯利亚高压强度呈正相关。

AO正位相时，西伯利亚高压减弱，阿留申低压加强，东亚冬季风强度偏弱［26-28］，东北地区冬季气温偏高［29］，寒潮频次减少；反之，东北地区寒潮频次增加。从IAO（图6b）和ISH（图6d）的时间变化情况看，IAO具有明显的上升趋势，ISH具有下降趋势，但2个指数阶段性变化较明显［30-31］，在振荡减少期，AO以正位相为主，西伯利亚高压强度减弱，可以很好地解释振荡减少期东北地区寒潮频次减少的原因，到了迅速减少期，IAO和ISH振荡加剧，并不能很好地解释东北地区寒潮频次迅速减少的原因，还需进一步分析其影响机制。

图6 1961～2019年寒潮频发期东北地区寒潮频次EOF1时间系数与同期AO指数、SH指数的相关关系

同样，对比分析1961～2019年寒潮频发期3个阶段500 hPa位势高度合成场，在寒潮偏多期（图7a）欧亚大陆中高纬度地区对流层中高层主要异常区域位于北大西洋上空和贝加尔湖地区，NAO表现为负位相，贝加尔湖南部至东亚大槽区域位势高度负异常显著；寒潮振荡减少期（图7b）北极地区受位势高度负异常控制，影响显著区域位于贝加尔湖西部地区；迅速减少期（图7c）北极地区受位势高度正异常控制，贝加尔湖附近受较弱位势高度负异常控制，贝加尔湖东部至东亚大槽区域位势高度负异常，乌拉尔山阻塞高压偏强但位置偏北。

图7 1961～2019年寒潮频发期平均的500 hPa高度合成场

将东北地区寒潮频次EOF1时间序列分别与NAO指数、贝加尔湖西部关键区强度指数、和东亚大槽强度指数进行11年滑动相关，其中贝加尔湖关键区（Key area around Lake Baikal）强度指数ILB选取（50°～60°N，80°～100°E）区域500 hPa位势高度平均值代表；东亚大槽（East Asian Trough）强度指数IEAT采用国家气候中心提供的130项环流指数代表。

对比分析发现，东北地区寒潮频次3个阶段都与NAO关系密切（图8a），寒潮频次偏多期寒潮频次与NAO呈负相关，且在1960s后期通过0.05显著性检验，振荡减少期中前期是NAO影响最显著的阶段，两者关系为较好的正相关，并在1980s通过0.05显著性检验，振荡减少期后期两者关系转为负相关，迅速减少期东北地区寒潮频次与NAO以正相关为主，但只在初期通过显著性检验；贝加尔湖关键区主要影响阶段集中在振荡减少期（图8c），在这段时期东北地区寒潮频次与ILB呈现显著的正相关，在寒潮频次偏多期和迅速减少期两者均为负相关，但没有通过显著性检验；东亚大槽对寒潮频次的影响主要凸显在迅速减少期（图8e），寒潮频次偏多期至迅速减少期的初期两者均呈现较一致的负相关关系，2010s后期开始转为正相关并通过显著性检验。

NAO与西伯利亚高压以及冬季风的关系密切，NAO可能通过大气遥相关影响西伯利亚高压进而影响冬季风及欧亚大陆中高纬度地区的气温［19］。NAO负位相时，极涡变浅，东亚大槽显著增强，西伯利亚高压偏强，东亚冬季风偏强，冷空气不断南侵［32-33］，东北地区寒潮频次偏多，反之NAO正位相时，寒潮频次偏少。从INAO的时间变化来看，在寒潮频次偏多期，NAO以负位相为主（图8b），西伯利亚高压强度虽然是减弱的趋势但在中前期指数明显偏强（图6d），贝加尔湖附近位势高度负异常（图8d），冷空气活动频繁，东亚大槽强度偏强（图8f），东北地区寒潮频次偏多；振荡减少期NAO指数升高，西伯利亚高压强度减弱，贝加尔湖附近位势高度正异常，东亚大槽强度偏弱，冷空气势力减弱，东北地区寒潮频次减少，这解释了东北地区寒潮频次前2个阶段变化的大气环流成因，而迅速减少期NAO指数振荡加剧，正负位相转变频繁，2010s以后正位相频次增加，东亚大槽强度减弱，解释了此阶段后期东北地区寒潮频次迅速减少的成因。

图8 1961～2019年寒潮频发期东北地区寒潮频次EOF1时间系数与同期NAO的相关关系

通过上述分析发现，无论是东北地区寒潮频次还是大气环流影响因子都在1970s中期前后发生转变，这一转变时间与PDO位相转变时间较为一致，PDO是一种年代到年代际时间尺度上的气候变率信号，可造成太平洋及其周边地区气候的年代际变化［34］。已有研究指出，PDO指数在1976/1977年发生突变，由冷位相转变为暖位相，21世纪以来PDO出现冷位相的频次在增加［35］，在PDO冷位相期，北太平洋阿留申地区气压异常加强，北美西部气压异常偏低，表现为PNA遥相关分布，西伯利亚高压增强，东亚大槽有所加强，东北地区气温偏低；PDO暖位相时则相反。对照东北地区寒潮频次影响因子的年代际变化情况发现，海平面气压场上，寒潮频次偏多期和振荡减少期在北美西部和阿留申地区海平面气压位势高度距平也是显著异常区域，寒潮频次偏多期时，PDO为冷位相期，阿留申低压区域位势高度正异常，北美西部位势高度负异常，为PNA遥相关分布，NAO以负位相为主，西伯利亚高压强度偏强，贝加尔湖附近冷空气活动频繁，东亚大槽强度偏强，东北地区寒潮频次偏多；振荡减少期时，异常区域分布与寒潮频次偏多期相反，AO以正位相为主，西伯利亚高压强度指数减弱，NAO指数升高，西伯利亚高压强度减弱，贝加尔湖附近位势高度正异常，东亚大槽强度偏弱，冷空气势力减弱，东北地区寒潮频次减少；在迅速减少期，阿留申地区气压又加强，但北美西部地区的异常区域不显著，PNA遥相关型减弱，各影响因子振荡加剧，对东北地区寒潮频次的影响减弱。说明PDO这一年代际背景对东北地区寒潮频次及其大气环流影响因子的年代际变化起到调制作用，在不同PDO背景下影响因子及其与东北地区寒潮的影响都发生了年代际的变化。

5 结论与讨论

利用1961～2020年东北地区106站逐日最低气温资料，梳理了东北地区寒潮频次年代际变化特征，探讨了东北地区寒潮频次影响因子的年代际变化，分析了PDO不同位相对东北地区寒潮频次与其影响因子关系的调制作用，得到以下结论：

（1）东北地区寒潮暴发时主要是全区一致发生的。1961年以来，东北地区寒潮频次呈现明显下降趋势，且阶段性变化明显，东北地区寒潮频次划分为3个阶段，分别是1961～1974年为寒潮频次偏多期、1975～1995年为振荡减少期，1996～2019年为迅速减少期。

（2）东北地区寒潮过程主要集中出现在当年11月至次年2月，11月是寒潮频次最多的月份（寒潮2.7次/月、强寒潮1.3次/月、超强寒潮0.6次/月），其次是12月（寒潮2.6次/月、强寒潮1.2次/月、超强寒潮0.6次/月），除冬季以外，秋季寒潮暴发次数高于春季。20世纪80年代初期至20世纪末期存在2～3年左右周期，2015年前后出现了一个4～6年左右周期。

（3）海平面气压场上主要大气环流影响因子是AO和西伯利亚高压，AO指数与寒潮频次的关系在1980s中期至1990s中期为正相关，1990s中期后转为负相关；西伯利亚高压强度与东北地区寒潮的关系在1977年以前和1996年以后为正相关，在1978～1995年间为负相关。东北地区寒潮频次振荡减少期和迅速减少期受AO和西伯利亚高压共同影响，振荡减少期寒潮频次与AO以正相关为主、与西伯利亚高压强度呈负相关，此阶段AO正位相，西伯利亚高压减弱，阿留申低压加强，东亚冬季风强度偏弱，东北地区冬季气温偏高。

（4）500 hPa高度合成场上主要的影响因子是NAO、贝加尔湖关键区和东亚大槽。东北地区寒潮频次3个阶段都与NAO关系密切，寒潮频次偏多期时，寒潮频次与NAO呈负相关，此阶段NAO负位相，西伯利亚高压强度偏强，贝加尔湖附近位势高度负异常，冷空气活动频繁，东亚大槽强度偏强，东北地区寒潮频次偏多；振荡减少期是NAO影响最显著的阶段，正相关关系明显，与贝加尔湖关键区呈正相关，大气环流影响机制与寒潮偏多期相反；在迅速减少期寒潮频次与NAO以正相关为主，后期与东亚大槽呈正相关，NAO指数2010s以后正位相频次增加，东亚大槽强度减弱，解释了迅速减少期后期东北地区寒潮频次迅速减少的成因。

（5）PDO这一年代际背景对东北地区寒潮频次及其大气环流影响因子的年代际变化起到调制作用，在不同PDO背景下影响因子及其与东北地区寒潮的影响都发生了年代际的变化。寒潮频次偏多期PDO为冷位相，阿留申低压区域位势高度正异常，北美西部位势高度负异常，为PNA遥相关分布，NAO以负位相为主，西伯利亚高压强度偏强，贝加尔湖附近冷空气活动频繁，东亚大槽强度偏强，东北地区寒潮频次偏多；在振荡减少期异常区域分布与寒潮频次偏多期相反，AO以正位相为主，西伯利亚高压强度减弱，NAO指数升高，西伯利亚高压强度减弱，贝加尔湖附近位势高度正异常，东亚大槽强度偏弱，冷空气势力减弱，东北地区寒潮频次减少；在迅速减少期虽然阿留申地区气压又加强，但北美西部地区的异常区域不显著，PNA遥相关型减弱，各影响因子振荡加剧，对东北地区寒潮频次的影响减弱。