黃煥卿，韓雪

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081）

東亞冷空氣的變化趨勢(shì)

黃煥卿，韓雪

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081）

利用中國(guó)氣象局國(guó)家氣象中心整編的中國(guó)194站1951年1月1日—2003年5月31日逐日氣溫資料，應(yīng)用一元線性回歸方法得出了東亞地區(qū)不同強(qiáng)度冷空氣的變化趨勢(shì)；文中將冷空氣入侵我國(guó)的3條主要路徑進(jìn)行了定義，明確了每年不同路徑發(fā)生的次數(shù)，并得出不同路徑的氣候特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：全國(guó)大部中強(qiáng)冷空氣和寒潮年發(fā)生次數(shù)呈減少趨勢(shì)，但少部分地區(qū)出現(xiàn)中強(qiáng)冷空氣年發(fā)生次數(shù)增多趨勢(shì)。就路徑而言，西路冷空氣年發(fā)生次數(shù)同比中、東兩路減少趨勢(shì)明顯；就季節(jié)而言，冬季冷空氣發(fā)生次數(shù)同比秋、春兩季減少明顯。

東亞；冷空氣；路徑；氣候特征；變化趨勢(shì)

1 引言

每年9月至次年5月時(shí)段，東亞冷空氣都是影響我國(guó)的主要天氣過(guò)程。東亞冷空氣的爆發(fā)常常伴隨一定幅度的降溫和大風(fēng)等天氣現(xiàn)象，達(dá)到強(qiáng)冷空氣級(jí)別以上的冷空氣爆發(fā)時(shí)因劇烈降溫而造成凍害、海冰以及海上大風(fēng)引起災(zāi)害性海浪。同時(shí)東亞冷空氣入侵我國(guó)時(shí)又分不同的路徑：西路、中路和東路，不同的入侵路徑又有著各自影響的范圍和天氣特征。因此，作好冷空氣預(yù)報(bào)，服務(wù)于國(guó)防、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)部門和海上航運(yùn)作業(yè)部門以便采取積極措施預(yù)防其災(zāi)害、利用其有利因素具有相當(dāng)重要的意義。

自20世紀(jì)以來(lái)，一些學(xué)者對(duì)冷空氣本身的氣候特征、變化及其對(duì)各地天氣和氣候的影響等進(jìn)行了研究。仇永康等[1]對(duì)1951—1989年期間我國(guó)冷空氣活動(dòng)的特征進(jìn)行了總結(jié)，并得出自1970年以后強(qiáng)冷空氣過(guò)程總的趨勢(shì)是逐漸減少的。丁一匯[2]揭示出冷空氣的向南傳播主要是一種低頻模態(tài)的10—20天周期的振蕩，與寒潮爆發(fā)有關(guān)的西伯利亞高壓作為北半球冬季對(duì)流層的主要冷源會(huì)導(dǎo)致一系列行星尺度過(guò)程的響應(yīng)。趙強(qiáng)等[3]研究了東亞冷空氣爆發(fā)后陸地變性的物理過(guò)程。吳海英等[4]研究了強(qiáng)冷空氣影響過(guò)程中地面變壓場(chǎng)和高空各層溫度平流場(chǎng)的演變特征及其與地面風(fēng)場(chǎng)之間的關(guān)系。孫燕等[5]發(fā)現(xiàn)冷空氣的入侵促使地面風(fēng)場(chǎng)發(fā)展，大風(fēng)u、v分量的變化與旋轉(zhuǎn)系數(shù)具有很好的相關(guān)性。

隨著對(duì)冷空氣研究的不斷深入，我國(guó)很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了與冷空氣活動(dòng)關(guān)系密切的一些大氣環(huán)流系統(tǒng)。楊松等[6]分析了冷空氣活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)和影響區(qū)的各物理量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)存在明顯的單周和準(zhǔn)40天活動(dòng)的振蕩周期，冷空氣的活動(dòng)與這兩種周期振蕩有密切關(guān)系。林玉英等[7]揭示了西北太平洋海溫場(chǎng)與冷空氣過(guò)程次數(shù)存在密切相關(guān)關(guān)系。

近百年來(lái)，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化[8]。王遵婭等[9]發(fā)現(xiàn)全國(guó)和區(qū)域性寒潮頻次的減少自20世紀(jì)60年代末開始，并在20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)突變。其探究可能原因?yàn)槲鞑麃喐邏汉投撅L(fēng)強(qiáng)度的減弱以及西伯利亞上空低層冷堆溫度和中國(guó)地表溫度的顯著升高。那么，東亞冷空氣整體對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)又是如何？不同的季節(jié)其變化趨勢(shì)是否一致？不同入侵路徑的冷空氣是否也發(fā)生了變化？本文將針對(duì)這些問題進(jìn)行詳細(xì)分析，以期加深對(duì)東亞冷空氣變化特征、氣候效應(yīng)以及物理機(jī)制的理解。

2 資料和方法

中國(guó)氣象局國(guó)家氣象中心整編的中國(guó)194站逐日氣溫資料，時(shí)間從1951年1月1日—2003年5月31日。該資料已經(jīng)過(guò)初步的質(zhì)量控制，并在使用前對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步處理。首先對(duì)單個(gè)缺測(cè)值進(jìn)行了插值，然后將9月1日至次年5月31日期間出現(xiàn)連續(xù)缺測(cè)1個(gè)月的年份剔除，最后將氣溫資料連續(xù)長(zhǎng)度短于從1951—2003年的站點(diǎn)進(jìn)行了剔除。經(jīng)過(guò)上述處理，有6個(gè)氣象站被剔除最后剩余188個(gè)站點(diǎn)用于本文的分析。

為便于分析，利用一元線性回歸方法分析全國(guó)188個(gè)氣象站冷空氣變化趨勢(shì)，線性變化趨勢(shì)系數(shù)由最小二乘法計(jì)算得到：

式中，x為時(shí)間間隔（9月至次年5月定義為冷空氣活動(dòng)自然年），y為冷空氣年發(fā)生次數(shù)。

3 冷空氣指數(shù)定義

一次冷空氣降溫幅度（D）是指冷空氣影響過(guò)程的始末，日平均氣溫的最高值與最低值之差。若24 h內(nèi)降溫幅度大于-0.7℃則視為降溫過(guò)程結(jié)束。依照國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心冷空氣業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)把冷空氣分為四類：寒潮、強(qiáng)冷空氣、中等強(qiáng)度冷空氣和弱冷空氣，其劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

寒潮：D≤-10.0℃

強(qiáng)冷空氣：-9.9℃≤D≤-8.0℃

中等強(qiáng)度冷空氣：-7.9℃≤D≤-5.0℃

弱冷空氣：-4.9℃≤D≤-2.0℃

此定義同時(shí)參考了國(guó)家氣象中心單站冷空氣強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 單站冷空氣強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4 冷空氣路徑定義

冷空氣入侵我國(guó)的路徑主要有3條：西路、中路（也稱西北路）和東路。

（1）西路：從關(guān)鍵區(qū)經(jīng)新疆、青海、西藏高原東南側(cè)南下，對(duì)我國(guó)西北、西南及江南各地區(qū)影響較大，但降溫幅度不大，不過(guò)當(dāng)南支鋒區(qū)波動(dòng)與北支鋒區(qū)波動(dòng)同位相而疊加時(shí)，亦可以造成明顯的降溫；

（2）中路：從關(guān)鍵區(qū)經(jīng)蒙古到達(dá)我國(guó)河套附近南下，直達(dá)長(zhǎng)江中下游及江南地區(qū)。循這條路徑下來(lái)的冷空氣，在長(zhǎng)江以北地區(qū)所產(chǎn)生的天氣以偏北大風(fēng)和降溫為主；

（3）東路：從關(guān)鍵區(qū)經(jīng)蒙古到我國(guó)華北北部，在冷空氣主力繼續(xù)東移的同時(shí)，低空的冷空氣折向西南，經(jīng)渤海侵入華北，再?gòu)狞S河下游向南可達(dá)兩湖盆地。循這條路徑下來(lái)的冷空氣，常使渤海、黃海、黃河下游及長(zhǎng)江下游出現(xiàn)東北大風(fēng)，華北、華東出現(xiàn)回流，氣溫較低，并有連陰雨雪天氣。

5 全國(guó)冷空氣變化趨勢(shì)分析

由圖1可見弱冷空氣52年來(lái)沒有明顯的變化趨勢(shì)，全國(guó)自北到南弱冷空氣減弱和增強(qiáng)趨勢(shì)呈現(xiàn)間隔分布。由于弱冷空氣的過(guò)程降溫幅度劃分為-2.0—-4.9℃，這與局地降水造成的降溫幅度相當(dāng)，故在降溫幅度為-2.0—-4.9℃區(qū)間難以區(qū)分弱冷空氣過(guò)程還是降水過(guò)程。因此基于本文的冷空氣劃分標(biāo)準(zhǔn)分析弱冷空氣的變化趨勢(shì)有一定難度，本文主要研究降溫幅度低于-5.0℃的冷空氣過(guò)程。

由圖2可知52年期間中強(qiáng)冷空氣（-9.9℃≤D≤-5.0℃）在全國(guó)大部呈減弱趨勢(shì)，除東北地區(qū)大部呈增強(qiáng)趨勢(shì)外。內(nèi)蒙、華北以及華南等地區(qū)，個(gè)別地方的中強(qiáng)冷空氣每100年可減少8次。參照影響我國(guó)的三條冷空氣路徑，東北地區(qū)主要受東路冷空氣影響較多及降溫幅度較大，因此初步分析東北地區(qū)大部的中強(qiáng)冷空氣過(guò)程次數(shù)增加可能與東路冷空氣發(fā)生次數(shù)增多有一定關(guān)系。

圖1 1951—2002年弱冷空氣線性變化趨勢(shì)分布圖（圖中各站點(diǎn)值為B*100，圖中被藍(lán)線包圍的為負(fù)值）

圖2 1951—2002年中強(qiáng)冷空氣線性變化趨勢(shì)分布圖（圖中各站點(diǎn)值為B*100，圖中被紅線包圍的是正值）

由圖3可見全國(guó)大部呈減小趨勢(shì)約每100年減少4次，其中部分地區(qū)可減少5—7次，內(nèi)蒙古及東北地區(qū)的減少次數(shù)大于全國(guó)其它地區(qū)；西南、華南以及西北等地的小部分地區(qū)寒潮線性變化略呈增加趨勢(shì)。如圖所示的寒潮線性變化趨勢(shì)結(jié)果與王遵婭等[9]對(duì)寒潮的分析結(jié)果是一致的。

圖3 1951—2002年寒潮線性變化趨勢(shì)分布圖（圖中各站點(diǎn)值為B*100，圖中被紅線包圍的是正值）

6 不同路徑冷空氣變化趨勢(shì)分析

根據(jù)各路冷空氣定義，本文從北到南在全國(guó)188個(gè)站里挑選出西路、北路和東路必經(jīng)的氣象站，依據(jù)降溫時(shí)段和降溫幅度定義各路發(fā)生次數(shù)。西路冷空氣從北到南所經(jīng)過(guò)的有代表性的氣象站為：烏魯木齊、酒泉、蘭州、宜昌；北路冷空氣從北到南所經(jīng)過(guò)的有代表性的氣象站為：呼和浩特、太原、鄭州、榆林；東路冷空氣從北到南所經(jīng)過(guò)的有代表性的氣象站為：哈爾濱、沈陽(yáng)、大連、天津。

圖4 1951—2002年9月至次年5月時(shí)段西路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖

為排除冷空氣路徑疊加計(jì)算，首先判斷一次冷空氣過(guò)程影響我國(guó)的最初位置，其次判斷48—72 h內(nèi)另外兩條路徑的降溫幅度。

圖5 1951—2002年9月至次年5月時(shí)段北路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖

圖6 1951—2002年9月至次年5月時(shí)段東路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖

圖7 1951—2002年9月至次年5月時(shí)段冷空氣活動(dòng)次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖

圖8 1951—2002年秋季冷空氣活動(dòng)次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖

圖9 1951—2002年冬季冷空氣活動(dòng)次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖

圖10 1951—2002年春季冷空氣活動(dòng)次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖

影響我國(guó)的西路冷空氣過(guò)程年平均值為12.4次，年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的一年是1955年有18次西路冷空氣過(guò)程，最少的年份是1989年和1998年都是每年8次西路冷空氣過(guò)程。圖4為1951—2002年9月至次年5月西路冷空發(fā)生次數(shù)的時(shí)間序列及其線性變化趨勢(shì)圖，可見影響我國(guó)的西路冷空氣年過(guò)程次數(shù)呈減少趨勢(shì)，在1951—2002年的52年時(shí)間里大約減少了2次。在冷空氣入侵我國(guó)的三條主要路徑中，西路冷空氣影響范圍是最大的，它的減少趨勢(shì)對(duì)我國(guó)大部地區(qū)的氣溫有著直接影響。

北路冷空氣發(fā)生次數(shù)的年平均值為11.5次，年際變化較大，多數(shù)年位于10—15之間，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的一年是1961年共18次北路冷空氣過(guò)程，最少的年份是1996年只有3次北路冷空氣過(guò)程。圖5為1951—2002年9月至次年5月北路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖，可見北路冷空氣過(guò)程年發(fā)生次數(shù)減少趨勢(shì)不明顯，但80年代以來(lái)，北路冷空氣年發(fā)生次數(shù)總體是減少的變化趨勢(shì)。

東路冷空氣發(fā)生次數(shù)的年平均值為16.2次，高于西路冷空和北路冷空氣的年平均值，年際變化較大。1951—2002年發(fā)生次數(shù)期間最多的年份是1958年、1960年、1969年和1990年達(dá)到23次東路冷空氣過(guò)程，最少的年份是1961年只有7次東路冷空氣過(guò)程。圖6為1951—2002年9月至次年5月東路冷空氣發(fā)生次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖，由圖可見東路冷空氣過(guò)程年發(fā)生次數(shù)沒有明顯的變化趨勢(shì)。

7 冷空氣季節(jié)變化趨勢(shì)分析

冷空氣活動(dòng)主要開始于9月結(jié)束于第二年的5月，跨越秋、冬、春三個(gè)季節(jié)，因?yàn)榭缭綍r(shí)間較長(zhǎng)有必要以季為時(shí)間尺度對(duì)冷空氣活動(dòng)展開進(jìn)一步分析。

9月至次年5月期間影響我國(guó)的總冷空氣過(guò)程次數(shù)年平均值為40.7次，年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的年份1960年有53次冷空氣過(guò)程，最少的年份是1983年有33次冷空氣過(guò)程。圖7為1951—2002年9月至次年5月冷空氣活動(dòng)次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖，由圖可見9月至次年5月期間冷空氣活動(dòng)次數(shù)呈微弱減少趨勢(shì)，平均每100年減少9次過(guò)程，尤其是70年代發(fā)生突變，降到低值階段。

秋季（9—11月）影響我國(guó)的冷空氣過(guò)程年平均值為14.7次，同比冬、春兩季年平均值大，其年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的年份1955年和1993年都有20次冷空氣過(guò)程，最少的年份是1971年僅有10次冷空氣過(guò)程。圖8為1951—2002年秋季冷空氣活動(dòng)次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖，由圖可見以秋季冷空氣活動(dòng)次數(shù)沒有明顯的變化趨勢(shì)，平均每100年減少2次，但是90年代中期以來(lái)有較明顯的減少趨勢(shì)，且振幅較小。

冬季（12月至次年2月）影響我國(guó)的冷空氣過(guò)程年平均值為13.6次，年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的年份是1957年共有22次冷空氣過(guò)程，最少的年份是1983年僅有8次冷空氣過(guò)程。圖9為1951—2002年冬季冷空氣活動(dòng)次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖，由圖可見，冬季冷空氣活動(dòng)次數(shù)呈較明顯的減少趨勢(shì)，平均每100年減少5次。70年代發(fā)生突變，冬季冷空氣發(fā)生次數(shù)處于低值期。

春季（3—5月）影響我國(guó)的冷空氣過(guò)程年平均值為12.3次，年際變化大，1951—2002年期間發(fā)生次數(shù)最多的年份是1968年和1979年達(dá)到18次冷空氣過(guò)程，最少的年份是1952年僅有5次冷空氣過(guò)程。圖10是1951—2002年春季冷空氣活動(dòng)次數(shù)的時(shí)間序列及線性變化趨勢(shì)圖，有圖可見春季冷空氣活動(dòng)次數(shù)基本上沒有變化趨勢(shì)，每100年減少1次。

8 結(jié)論

（1）由于降溫幅度為-2.0—-4.9℃的過(guò)程成因不明確，弱冷空氣和降水都可引起此幅度的降溫。故在此文中討論的冷空氣過(guò)程都是指降溫幅度低于-5℃的過(guò)程；

（2）冷空氣活動(dòng)時(shí)間為9月至次年5月，把這9個(gè)月定義為冷空氣自然年。就全國(guó)大部而言，中強(qiáng)冷空氣和寒潮年發(fā)生次數(shù)呈減少趨勢(shì)，但少部分地區(qū)出現(xiàn)中強(qiáng)冷空氣年發(fā)生次數(shù)增加的趨勢(shì)；

（3）西路、中路、東路三條冷空氣路徑比較而言，西路年發(fā)生次數(shù)同比中路、東路減少趨勢(shì)明顯，中路、東路年發(fā)生次數(shù)沒有明顯的變化趨勢(shì)；

（4）冷空氣發(fā)生次數(shù)的年平均值為40.7次，1951—2002年期間表現(xiàn)為弱的減少趨勢(shì)。冷空氣活動(dòng)時(shí)間跨越秋、冬、春三個(gè)季度，秋季冷空氣發(fā)生次數(shù)的年平均值為14.7次，同比冬季13.6次、春季12.3次要大。冬季冷空氣發(fā)生次數(shù)同比秋、春兩季減少趨勢(shì)明顯，秋、春兩季無(wú)明顯變化趨勢(shì)。

[1]仇永康，李曉東，仇永炎.我國(guó)冷空氣活動(dòng)的特征及其與歐亞大陸積雪的關(guān)系[J].應(yīng)用氣象，1992，3(2):235-241.

[2]丁一匯.東亞寒潮冷空氣的傳播和行星尺度作用[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1991，2（2）：124-132.

[3]趙強(qiáng)，丁一匯.東亞冷空氣爆發(fā)后陸地變性的物理過(guò)程研究[J].氣象學(xué)報(bào)，1991,49(2):170-180.

[4]吳海英，孫燕，曾明劍，等.冷空氣引發(fā)江蘇近海強(qiáng)風(fēng)形成和發(fā)展的物理過(guò)程探討[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2007,23(4).388-394.

[5]孫燕，吳海英，沈樹勤，等.冬春季江蘇沿海大風(fēng)的特征[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2007.30(5).699-704.

[6]楊松，朱乾根.東亞地區(qū)冬季大氣低頻振蕩與冷空氣活動(dòng)的初步研究[J].南京氣象學(xué)報(bào)，1990，13（3）：339－347.

[7]林玉英，戰(zhàn)淑蕓，楊淑瑞.西北太平洋海溫與影響我國(guó)北部海區(qū)冷空氣的關(guān)系[J].海洋預(yù)報(bào)，1999,16(2):27-34.

[8]Honghton J T,Ding Y H,Griggs D J,et al.Climate change 2001:the scientific basis[M].The United States of American:Cambridge University Press,2001.

[9]王遵婭，丁一匯.近53年中國(guó)寒潮的變化特征及其可能原因[J].大氣科學(xué)，2006,30（6）：1068-1076.

Variation trend analysis of the cold airs in the East Asia

HUANG Huan-qing，HAN Xue
（National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 10081 China）

Based on the daily temperature data of 194 basic meteorology stations from September to the next May from 1951 to 2003,the trend of East Asia cold airs was analyzed using simple linear regression method.The main three paths of East Asia cold airs were defined.Meanwhile,the numbers and climate characteristic of different paths were studied.The main results showed as follows:(1)The frequency of medium-strong cold airs and cold wave decreased in most of China.(2)The frequency of west cold airs reduced more obviously than that of North or East cold airs.(3)The frequency of winter cold airs decreased more evidently than that of autumn and spring.

EastAsia;cold airs;path;climate characteristic;trend

P732

：A

：1003-0239（2014）05-0069-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.011

2013-12-10

國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)發(fā)展基金（2013004）

黃煥卿（1980-），女，工程師，主要從事短期氣候預(yù)報(bào)及研究。E-mail：hqhuang@nmefc.gov.cn