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(南京信息工程大學(xué)1.氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

0 引言

極端低溫是對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要影響的氣候?yàn)?zāi)害之一，尤其對(duì)東北地區(qū)的影響最為顯著，極端低溫事件會(huì)造成東北地區(qū)糧食大幅度減產(chǎn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，全球氣溫出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。隨著氣候的變暖，東北地區(qū)農(nóng)作物的生長(zhǎng)期有所提前，尤其是春季氣溫對(duì)高新農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響也越來(lái)越明顯，所以春季溫度的高低對(duì)糧食產(chǎn)量的影響越來(lái)越重要。因此，充分認(rèn)識(shí)東北極端低溫事件的氣候特征和變化規(guī)律，以及造成這種事件的原因，對(duì)于東北地區(qū)安排好作物品種，制定合理的耕作制度，適時(shí)采取抗御極端低溫事件的措施，奪取農(nóng)業(yè)的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重大意義。

最近10 a來(lái)，氣候變暖背景下的極端天氣事件的變化引起了廣泛的關(guān)注。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)極端天氣進(jìn)行了大量的研究，已得到了許多有意義的事實(shí)。Nogaj et al.(2006)指出，北大西洋地區(qū)極端高溫事件頻數(shù)增加的同時(shí)，其振幅大小卻沒(méi)有變化。Vincent and Mekis(2006)發(fā)現(xiàn)，1950—2003年加拿大冷日、冷夜顯著減少，暖日、暖夜顯著增加;1900—2003年除了上述變化外，南部地區(qū)的溫度日較差也在減小。我國(guó)近十幾年的氣候最高溫度略有增加，最低溫度顯著增加，日較差顯著變少，在最近40～50 a中，極端最低溫度和平均最低溫度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，尤以北方冬季更為突出(Zhai et al.，1999)。婁德君等(2007)指出，1957—2000年?yáng)|北地區(qū)的霜日、冰日、冷日、冷夜和日平均溫差為減少趨勢(shì)，暖日、暖夜、夏天日數(shù)和生長(zhǎng)期長(zhǎng)度主要為增加趨勢(shì)。

中國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫與冬季赤道印度洋海溫呈同位相變化的關(guān)系(陳佩燕等，2001)，與其他外強(qiáng)迫因子也有關(guān)系。劉實(shí)和王寧(2001)發(fā)現(xiàn)上一年5—7月Nino C區(qū)海溫與東北地區(qū)夏季氣溫有著密切聯(lián)系，特別是在ENSO事件出現(xiàn)之后，厄爾尼諾年的次年?yáng)|北地區(qū)夏季多高溫，而拉尼娜年的次年?yáng)|北地區(qū)夏季低溫更明顯。王冀等(2007)指出，東北春季氣溫與春季北極濤動(dòng)在年際時(shí)間尺度上具有很強(qiáng)的正相關(guān)性，AO(Arctic Oscillation，北極濤動(dòng))指數(shù)和極端氣溫指數(shù)存在著相同的變化周期和突變時(shí)間。許多研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冬季歐亞中高緯度呈現(xiàn)EU型遙相關(guān)環(huán)流異常時(shí)，烏拉爾山阻塞高壓持續(xù)發(fā)展異常，東亞大槽長(zhǎng)期穩(wěn)定維持在蒙古上空，槽后偏北風(fēng)不斷誘導(dǎo)冷空氣南下，對(duì)應(yīng)西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，可造成中國(guó)地面氣溫偏低(吳洪寶，1993;朱艷峰等，2007)。

目前對(duì)極端溫度事件的研究大多側(cè)重于揭示其趨勢(shì)變化，缺乏對(duì)極端低溫事件異常型的分析，本文試圖進(jìn)一步弄清東北地區(qū)春季極端低溫的時(shí)空特征和變化規(guī)律，探討海溫異常、極渦等因子與春季極端低溫事件之間的可能聯(lián)系，從而為預(yù)測(cè)東北春季極端低溫事件提取某些信號(hào)。

1 資料與方法

1.1 資料

1)東北地區(qū)(116.04～132.58°E，38.54～53.28°N)64個(gè)臺(tái)站1958—2007年逐日平均氣溫資料(氣象站點(diǎn)資料都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，剔除了原有資料中有較大非氣象誤差如站點(diǎn)遷移、資料缺測(cè)等的站點(diǎn))。

2)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/國(guó)家大氣環(huán)境中心(NCEP/NCAR)發(fā)布的水平分辨率為2.5°×2.5°的月平均全球再分析資料(Kalnay et al.，1996)。美國(guó)國(guó)家大氣海洋局(NOAA)發(fā)布的第二版延長(zhǎng)重構(gòu)的月平均海表面溫度資料(Smith and Reynolds，2004)，水平分辨率為2°×2°。文中所選取時(shí)段為1957年9月—2007年5月，春季取3—5月平均。

1.2 極端低溫的定義

在定義極端低溫閾值和極端低溫事件頻數(shù)時(shí)，參考了黃丹青和錢永甫(2008)的定義，選定極端低溫事件頻數(shù)作為衡量極端低溫事件的指標(biāo)。以呼瑪站為例，其極端低溫閾值分布如圖1所示。

圖1 呼瑪站極端低溫的閾值分布Fig.1 The threshold distribution of the extreme low temperature at Huma station

2 結(jié)果分析

2.1 東北地區(qū)春季極端低溫事件頻數(shù)的趨勢(shì)分析

為了解氣象要素的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化，根據(jù)張寧等(2008)的方法計(jì)算趨勢(shì)系數(shù)，圖2給出了1958—2007年?yáng)|北地區(qū)極端低溫事件頻數(shù)趨勢(shì)變化的空間分布?？梢钥吹?，東北地區(qū)春季極端低溫事件是趨于減少的，除一個(gè)臺(tái)站外，其他臺(tái)站都通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，大部分臺(tái)站通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，減少趨勢(shì)明顯。

圖2 1958—2007年?yáng)|北地區(qū)春季極端低溫事件頻數(shù)的趨勢(shì)系數(shù)(圓形、三角形分別表示通過(guò)0.05、0.01信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.2 The trend of frequency of spring extreme low temperature in Northeast China from 1958 to 2007(the circle and triangle indicate the trend passed the significance test at 0.05 and 0.01 levels，respectively)

2.2 東北地區(qū)春季極端低溫事件頻數(shù)的異常特征分析

對(duì)1958—2007年?yáng)|北64個(gè)臺(tái)站春季極端低溫事件頻數(shù)距平場(chǎng)進(jìn)行EOF分析。經(jīng)North檢驗(yàn)(North et al.，1982)，前三個(gè)特征值可分離。前兩個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率分別為69.78%、7.60%，共占總方差的77.38%，表明前兩個(gè)模態(tài)可以較好代表東北極端低溫事件頻數(shù)的空間分布特征，因此，下面對(duì)前兩個(gè)EOF模態(tài)及其時(shí)間系數(shù)進(jìn)行分析。

由第一模態(tài)空間型(圖3a)可知，整個(gè)東北地區(qū)一致為同位相分布，大值中心位于吉林和遼寧交界處。同時(shí)可以看出，各地差異不大，即空間分布比較均勻。這表明盡管東北三省幅員遼闊，地形多樣，但是由于大部分地區(qū)同屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，故各地極端低溫事件頻數(shù)變化規(guī)律有較好的空間一致性。由該特征向量的時(shí)間系數(shù)變化曲線(圖3b)可以看出，1988年之前時(shí)間系數(shù)以正值為主，而1988之后，時(shí)間系數(shù)除了1999年外全為負(fù)值，表明1988年至今我國(guó)東北地區(qū)春季極端低溫事件頻數(shù)有較明顯的減少趨勢(shì)。

圖3 東北春季極端低溫事件頻數(shù)距平經(jīng)EOF展開的前兩個(gè)特征向量的空間分布及其時(shí)間系數(shù)a.第一特征向量場(chǎng);b.第一特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù);c.第二特征向量場(chǎng);d.第二特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)Fig.3 (a，c)The first and second EOF modes and(b，d)their time coefficients of the frequency anomalies of spring extreme low temperature in Northeast Chinaa.the first EOF mode(EOF1);b.the time coefficient of EOF1;c.the second EOF mode(EOF2);d.the time coefficient of EOF2

第二模態(tài)空間型(圖3c)主要反映了我國(guó)東北春季極端低溫事件頻數(shù)變化呈現(xiàn)出內(nèi)蒙古呼倫貝爾附近、大興安嶺沿線以及整個(gè)黑龍江和吉林北部地區(qū)與其他地區(qū)反位相的分布，即西南、東北向的反相分布特征。從其時(shí)間系數(shù)(圖3d)可以看出，該空間型存在著10 a左右的年代轉(zhuǎn)換特征。

2.3 東北春季極端低溫頻數(shù)多年和少年的同期環(huán)流異常特征

2.3.1 典型年份的選取

將東北64站同年的春季極端低溫頻數(shù)相加做平均并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到東北春季極端低溫事件頻數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化序列(圖4a)，本文定義頻數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化距平大于1.0為極端低溫多年，小于－1.0為極端低溫少年。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，得到8個(gè)多年(1958、1962、1969、1970、1971、1972、1980、1987年)、6個(gè)少年(1968、1989、1992、2002、2003、2004年)。圖4b是東北地區(qū)春季溫度距平的年際變化。比較圖4a與4b可以看到，在東北極端低溫多年，東北地區(qū)的溫度都為負(fù)距平，而在東北極端低溫少年則相反，兩者的相關(guān)系數(shù)為－0.759，通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，因此，東北極端低溫頻數(shù)與東北春季溫度存在著顯著的反相關(guān)關(guān)系。

2.3.2 水平結(jié)構(gòu)

由東北春季極端低溫事件頻數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化序列與500 hPa高度的相關(guān)分布(圖5a)可見，北極地區(qū)上空為大范圍的正相關(guān)區(qū)，而中緯度地區(qū)為大范圍的負(fù)相關(guān)區(qū)，明顯反映出北極濤動(dòng)的分布形態(tài)，這說(shuō)明東北春季極端低溫事件頻數(shù)與北極濤動(dòng)的強(qiáng)弱存在相關(guān)。春季極端低溫頻數(shù)與春季北極濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為－0.449，通過(guò)了0.01信度的顯著性檢驗(yàn)，表明春季極端低溫頻數(shù)與北極濤動(dòng)指數(shù)有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。

由東北春季極端低溫多年和少年500 hPa高度的差值場(chǎng)(圖5b)可以看出，極端低溫多年與極端低溫少年相比，極地地區(qū)為正距平區(qū)，表明極渦強(qiáng)度較弱。烏拉爾山地區(qū)為正距平區(qū)，烏拉爾山阻塞高壓偏強(qiáng)，而東北地區(qū)上空存在顯著的負(fù)距平區(qū)，表明東北冷渦較強(qiáng)。東北冷渦是造成東北地區(qū)低溫的重要天氣系統(tǒng)，對(duì)東北地區(qū)的天氣氣候有重大影響，為了定量描述東北冷渦與極端低溫之間的關(guān)系，參考何金海等(2006)的定義計(jì)算了春季東北冷渦強(qiáng)度指數(shù)并與東北春季極端低溫頻數(shù)的相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.702，通過(guò)了0.01信度的顯著性水平檢驗(yàn)。這表明，東北冷渦強(qiáng)度越強(qiáng)，極端低溫事件也越頻發(fā);反之，東北冷渦強(qiáng)度較弱，極端低溫事件也較少。

東北春季極端低溫多年與少年的海平面氣壓差值場(chǎng)、300 hPa高度差值場(chǎng)顯示對(duì)流層低層與高層具有一致的變化關(guān)系(圖略)。同時(shí)可以看出，極端低溫多年，位于東北地區(qū)上空的負(fù)距平區(qū)高低空都存在，且隨著高度的增加，負(fù)距平的強(qiáng)度增大，呈準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，說(shuō)明盤踞在東北地區(qū)上空的低壓系統(tǒng)是一深厚系統(tǒng)，有利于東北地區(qū)極端低溫的產(chǎn)生。

2.3.3 垂直結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步探討環(huán)流異常特征，圖6給出了春季極端低溫多年與少年沿37.5～55.0°N平均的高度差值及沿115～135°E平均的高度差值的垂直剖面。在極端低溫多年，東北地區(qū)上空為負(fù)距平，呈準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)隨高度東傾，極小值中心位于400～300 hPa，烏拉爾山上空為正距平，烏拉爾山阻塞高壓偏強(qiáng);在極端低溫少年，則反之(圖6a)。圖6b反映出了同樣的垂直結(jié)構(gòu)特征。

圖4 東北春季極端低溫事件頻數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化序列(a)以及東北地區(qū)春季溫度距平的年際變化(b)Fig.4 (a)The standardized time series of the frequency of spring extreme low temperature and(b)variation of annual spring temperature anomaly in Northeast China

圖5 東北春季極端低溫事件頻數(shù)與500 hPa高度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)分布(a)及500 hPa高度場(chǎng)差值分布(b;多年減去少年;單位:dagpm)(陰影區(qū)表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.5 (a)The correlation coefficients between the frequency of extreme low temperature in Northeast China and 500 hPa geopotential height in spring and(b)the difference of 500 hPa geopotential height(dagpm)between the more and less SELT years(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shown)

圖6 東北地區(qū)春季極端低溫多年與少年沿37.5～55.0°N緯度帶平均的高度差值(a)及沿115～135°E平均的高度差值(b)的垂直剖面(多年減去少年;單位:dagpm)Fig.6 The vertical profiles of geopotential height difference between the more and less SELT years(units:dagpm)a.vertical－zonal cross section averaged over 37.5—55.0°N;b.vertical－meridional cross section averaged over 115—135°E

2.4 全球海溫異常與春季極端低溫事件頻數(shù)的關(guān)系

從2.3節(jié)的討論中可以看到，東北春季極端低溫事件的多少與同期環(huán)流異常密切相關(guān)。那么春季這種大尺度的環(huán)流異常又是由什么因素造成的呢?已有的研究表明，大范圍的環(huán)流異常主要由海溫、海冰、積雪和土壤濕度等外強(qiáng)迫因子所造成的，其中以海溫異常的影響最為重要(楊修群和黃土松，1993)。圖7為東北地區(qū)春季極端低溫事件頻數(shù)多年與少年的前期秋季、前期冬季和同期春季的海溫差值場(chǎng)?？梢?前期秋季，中北太平洋、中北大西洋以及印度洋海區(qū)為負(fù)差值顯著區(qū)(圖7a);前期冬季，印度洋海區(qū)、新西蘭以東洋面、中北太平洋以及中北大西洋為負(fù)差值顯著區(qū)(圖7b);同期春季，黑潮區(qū)、新西蘭以東洋面、以20°N為中心的東太平洋以及中北大西洋為負(fù)差值顯著區(qū)(圖7c)。

由上述分析可知，在前期秋季、冬季和同期春季的海溫差值分布中，中北大西洋海區(qū)的負(fù)差值顯著區(qū)一直穩(wěn)定存在。由此可見，中北大西洋是影響東北春季極端低溫頻數(shù)異常的關(guān)鍵海區(qū)，但該關(guān)鍵區(qū)是否是影響東北春季溫度高低的關(guān)鍵區(qū)呢?本文分析了東北春季溫度與同期海溫的相關(guān)(圖略)，可以看到中北大西洋為顯著正相關(guān)區(qū)，即當(dāng)中北大西洋海溫異常增暖時(shí)，東北春季溫度較易出現(xiàn)異常偏暖，反之，東北地區(qū)春季溫度偏冷。

3 數(shù)值模擬

上述分析表明，中北大西洋海溫異常是判斷東北春季極端低溫事件的一個(gè)重要指標(biāo)。為了進(jìn)一步研究中北大西洋海溫異常是通過(guò)何種途徑和機(jī)制影響東北春季極端低溫的，下面采用一個(gè)全球氣候模式來(lái)模擬中北大西洋海溫異常對(duì)東北春季極端低溫的影響。

3.1 模式和試驗(yàn)方案

所用模式為美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)研制的公共氣候系統(tǒng)模式(Community Climate System Model，包括大氣、海洋、陸面、海冰和耦合器，其前身是CSM模式)中的大氣部分NCAR CAM3.0(Community Atmosphere Model v3.0)，它是大氣環(huán)流模式系列的最新版本。該模式是一個(gè)全球譜模式，采用三角形譜截?cái)?，水平分辨率為T42(相當(dāng)于2.182 5°×2.182 5°，全球共128×64個(gè)格點(diǎn))，模式在垂直方向采用混合η坐標(biāo)，共分26層。模式運(yùn)行的時(shí)間積分采用半隱式方案，時(shí)間步長(zhǎng)為20 min。模式中考慮了比較完整的物理過(guò)程，包括云物理參數(shù)化、輻射物理參數(shù)化等物理過(guò)程的參數(shù)化，還考慮了大氣水汽、二氧化碳含量對(duì)輻射的影響。該模式包含了大氣模式和一個(gè)完整的陸面模式以及可供選擇的海洋模式。模式的詳細(xì)情況可參考有關(guān)文獻(xiàn)(Collins et al.，2004)。

圖7 東北地區(qū)春季極端低溫多年與少年的海溫差值場(chǎng)(多年減去少年;單位:℃;陰影區(qū)表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))a.前期秋季;b.前期冬季;c.同期春季Fig.7 The sea surface temperature difference(℃)between the more and less SELT years(Only regions with difference exceeding 0.05 significance level are shown)a.preceding autumn;b.preceding winter;c.spring

為了研究冬、春季中北大西洋海溫異常對(duì)東北春季極端低溫的影響，本文設(shè)計(jì)如下兩個(gè)數(shù)值試驗(yàn):

第1個(gè)試驗(yàn)，海溫及其他外強(qiáng)迫場(chǎng)采用隨時(shí)間變化的氣候平均場(chǎng)作為背景場(chǎng)，模式自9月1日起，積分10 a，該試驗(yàn)稱為控制試驗(yàn)。

第2個(gè)試驗(yàn)，取模式積分第6年2月的結(jié)果作為初始值，與第1個(gè)試驗(yàn)不同之處在于模式積分過(guò)程中，12月至次年5月的中北大西洋海溫氣候場(chǎng)上分別疊加了6個(gè)月正、負(fù)海溫異常場(chǎng)(圖9)，在積分過(guò)程中保持海溫異常不變，模式積分5 a，該試驗(yàn)稱為中北大西洋海溫異常試驗(yàn)。以正負(fù)異常試驗(yàn)的差異，來(lái)分析冬春季中北大西洋區(qū)域海溫異常對(duì)東北春季極端低溫的影響。

圖9 中北大西洋海溫異常示意圖(單位:℃)Fig.9 A sketch map of SST anomaly of North－middle Atlantic(units:℃)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 中北大西洋海溫異常對(duì)東北春季溫度的影響

圖10給出了正負(fù)異常試驗(yàn)的東北春季溫度差值分布，可見，我國(guó)東北地區(qū)溫度為負(fù)值，最大負(fù)值中心位于長(zhǎng)春附近。中北大西洋海溫異常對(duì)我國(guó)東北地區(qū)的溫度會(huì)造成影響，當(dāng)中北大西洋海溫異常偏暖時(shí)，東北地區(qū)的溫度也會(huì)隨之升高，當(dāng)中北大西洋海溫異常偏冷時(shí)，東北地區(qū)的溫度也會(huì)隨之降低。

3.2.2 中北大西洋海溫異常對(duì)北半球春季大氣環(huán)流的影響

圖10 正負(fù)異常試驗(yàn)的東北春季溫度差值分布(負(fù)異常減去正異常;單位:℃)Fig.1 0Spring temperature difference between the positive and negative SSTA experiments in Northeast China(the negative minus the positive;units:℃)

圖11 正負(fù)異常試驗(yàn)的北半球春季500 hPa高度場(chǎng)差值分布(負(fù)異常減去正異常;單位:dagpm)Fig.1 1500 hPa height difference field between the positive and negativeSSTAexperimentsoverNorthern Hemisphere in spring(the negative minus the positive;units:dagpm)

圖11為海溫正負(fù)異常試驗(yàn)的北半球春季500 hPa高度場(chǎng)差值分布，可以看到其分布形態(tài)與極端低溫多年與少年500 hPa高度場(chǎng)差值的分布相似。主要表現(xiàn)為:在中高緯度、極地地區(qū)為正差值區(qū)，有兩個(gè)正值中心，分別在格陵蘭島和新西伯利亞群島附近，同時(shí)極地地區(qū)的正差值區(qū)伸展到西歐地區(qū);而歐亞大陸東部的中高緯度地區(qū)為負(fù)差值區(qū)，負(fù)值中心位于貝加爾湖地區(qū)。除此之外，中高緯度的北大西洋、北美大陸和北太平洋都為負(fù)差值區(qū)，這種環(huán)流分布與前述診斷結(jié)果一致。當(dāng)中北大西洋海溫減弱時(shí)，在歐洲至亞洲大陸高緯地區(qū)，烏拉爾山及西側(cè)高度為正距平，東側(cè)貝加爾湖地區(qū)為負(fù)距平中心，表明歐洲到烏拉爾山的高壓脊偏強(qiáng)，脊前偏北風(fēng)有利于冷空氣南下，貝加爾湖低渦偏強(qiáng)。

3.2.3 中北大西洋海溫異常對(duì)東北春季溫度的影響機(jī)制

為了進(jìn)一步揭示中北大西洋海溫異常對(duì)中國(guó)東北春季溫度的影響機(jī)制，圖12給出了正負(fù)異常試驗(yàn)的500 hPa流場(chǎng)及其差值場(chǎng)。從圖12a中可以看到，中北大西洋海溫正異常時(shí)，在中國(guó)東北地區(qū)上空和北美東海岸上空分別為兩個(gè)大槽所控制，新西伯利亞群島上空為一個(gè)氣旋性環(huán)流，烏拉爾山地區(qū)和阿拉斯加?xùn)|部分別為兩個(gè)反氣旋性高壓脊，熱帶大西洋上空也為一個(gè)寬廣的高壓脊所控制。圖12b給出了負(fù)異常試驗(yàn)的流場(chǎng)，可以清楚地看到，中北大西洋海溫的異常偏冷使東北地區(qū)上空的槽加強(qiáng)，新西伯利亞群島上空的氣旋性環(huán)流減弱消失，副熱帶高壓強(qiáng)度增強(qiáng)。由圖12c可見，北大西洋中緯度西部地區(qū)為一個(gè)反氣旋性差值環(huán)流、格陵蘭島以南的東北大西洋上為一個(gè)氣旋性差值環(huán)流所控制，在西歐地區(qū)上空為一個(gè)反氣旋性差值環(huán)流所控制，歐洲大陸東部至中國(guó)東北上空又為一個(gè)氣旋性差值環(huán)流，這4個(gè)反氣旋性、氣旋性相間的差值環(huán)流中心連線類似于Wallace and Gutzler(1981)所揭示的歐亞波列。由此可見，中北大西洋海溫異常通過(guò)激發(fā)歐亞波列影響歐亞上空的大氣環(huán)流，從而影響到東北地區(qū)的溫度。

圖12 正負(fù)異常試驗(yàn)的北半球春季500 hPa流場(chǎng)及其差值分布a.正異常試驗(yàn);b.負(fù)異常試驗(yàn);c.兩試驗(yàn)之差(負(fù)異常減去正異常)Fig.1 2500 hPa flow fields over the Northern Hemisphere in spring for(a)the positive and(b)negative SSTA experiments and(c)their differences(the negative minus the positive)

對(duì)于中緯度海洋對(duì)大氣的影響機(jī)制，Palmer and Sun(1985)早在1985年就進(jìn)行了較深入的研究，并給出了動(dòng)力學(xué)解釋:當(dāng)?shù)蛯有眽杭訜岙a(chǎn)生強(qiáng)的輻合時(shí)，需渦旋將由南來(lái)的行星波動(dòng)力系統(tǒng)平衡，于是在下游產(chǎn)生脊。計(jì)算表明，氣候斜壓加熱在行星邊界層的中緯度最大，北大西洋中部的海溫異常熱力強(qiáng)迫可以在其下游的歐洲大陸形成脊，同時(shí)通過(guò)能量頻散，致使中國(guó)上空環(huán)流異常，從而導(dǎo)致氣候異常。曲金華等(2006)也指出，北大西洋中部海溫偏低(高)時(shí)，歐亞呈現(xiàn)正(負(fù))EU型環(huán)流異常，500 hPa上中國(guó)為負(fù)(正)高度距平區(qū)，氣溫偏低(高)。而本文得出的結(jié)果與上述理論是相吻合的。

4 結(jié)論和討論

利用1958—2007年全球海溫、位勢(shì)高度場(chǎng)月平均資料和我國(guó)東北地區(qū)64個(gè)測(cè)站的春季地面氣溫等資料，分析了我國(guó)東北地區(qū)春季極端低溫的時(shí)空變化特征及其與大氣環(huán)流和海溫異常的關(guān)系，得到如下結(jié)論:

1)近50 a來(lái)我國(guó)東北春季極端低溫事件頻數(shù)整體呈減少趨勢(shì)，極端低溫事件頻數(shù)主要存在全區(qū)一致變化型和南北反相變化型兩種空間異常型。

2)東北春季極端低溫事件頻數(shù)與北極濤動(dòng)存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時(shí)在極端低溫多(少)年，極渦較弱(強(qiáng))，烏拉爾山阻塞高壓偏強(qiáng)(弱)，東北冷渦較強(qiáng)(弱)。

3)東北春季極端低溫事件頻數(shù)的年際變化與中北大西洋海溫異常密切相關(guān)。東北春季極端低溫事件頻數(shù)多年，中北大西洋海溫較常年偏冷;反之，中北大西洋海溫較常年偏暖。這對(duì)于預(yù)測(cè)東北春季極端低溫事件的年際變化具有很好的指示意義。

4)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明，中北大西洋海溫的異常偏暖(冷)可導(dǎo)致春季中國(guó)東北地區(qū)溫度升高(降低)。結(jié)果進(jìn)一步表明，中北大西洋海溫的異常可通過(guò)激發(fā)歐亞波列影響歐亞上空的大氣環(huán)流，從而影響到東北地區(qū)的溫度。

由于受計(jì)算條件限制，數(shù)值試驗(yàn)部分只做了單個(gè)試驗(yàn)，沒(méi)有做集合試驗(yàn)，北大西洋海溫影響我國(guó)東北春季極端低溫事件的過(guò)程和機(jī)制還有待做更多的數(shù)值試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

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