李言蹊 陳海山

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044

2 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044

1 引言

北極近地表氣溫的上升幾乎是近幾十年全球增暖的兩倍，這一現(xiàn)象被稱為“北極放大”。大量研究認(rèn)為極地外熱量、水汽向極輸送（Cai,2005,2006;Graversen,2006;Lu and Cai, 2010;Lee,2014;Ding et al.,2014;Krishnamurti et al.,2015;Li et al.,2019）和北極海—冰—?dú)庀嗷プ饔玫恼答仯⊿creen and Simmonds,2010;Serreze and Barry,2011;Serreze et al.,2012）是北極放大的可能原因。

在全球變暖大背景下，20世紀(jì)90年代末以來中緯度大陸冬季氣溫卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（Cohen et al.,2014;梁蘇潔等,2014;Kug et al.,2015），歐亞大陸多次受到強(qiáng)寒潮的影響。伴隨冷空氣爆發(fā)，遠(yuǎn)東地區(qū)出現(xiàn)氣溫驟降、冰凍、雨雪（Ding et al.,2008;衛(wèi)捷等,2008;Gong et al.,2014;Ma et al.,2018;武炳義, 2019）。例如，2016年1月下旬東亞經(jīng)歷了一次嚴(yán)重的極端低溫事件。這股寒潮橫掃中國(guó)東部甚至泰國(guó)南部，導(dǎo)致東亞地區(qū)地表氣溫極低，在越南北部造成冬季降雪。已有學(xué)者對(duì)于亞洲中緯度寒潮及極端低溫進(jìn)行了大量研究（Ding,1990;Takaya and Nakamura,2005;張宗婕和錢維宏,2012）。研究認(rèn)為烏拉爾山附近的高壓脊發(fā)展是寒潮中短期過程的關(guān)鍵系統(tǒng)，烏拉爾阻塞相增強(qiáng)能夠加強(qiáng)地面冷高壓；而西伯利亞高壓的增強(qiáng)及其向東亞移動(dòng)是產(chǎn)生和維持寒潮的重要因素（Takaya and Nakamura,2005;王遵婭和丁一匯,2006;Park et al., 2014;譚本馗和陳文, 2014;Shi et al.,2018;李亞飛和任榮彩,2019）。

伴隨北極異常增暖，中緯度的天氣系統(tǒng)也發(fā)生深刻了變化。許多學(xué)者指出，北極增溫快于中緯度地區(qū)，使得副極地西風(fēng)減弱，環(huán)流經(jīng)向性增大（Francis and Vavrus,2012），羅斯貝波傳播速度變慢（Screen and Simmonds,2014），造成了部分地區(qū)更頻繁的阻塞事件和極端天氣事件（Liu et al.,2012; Feng and Wu,2015;Luo et al.,2016;Yao et al.,2017; Ma et al.,2018; 李 牧 原 和 羅德 海,2019）。Kug et al.（2015）基于CMIP5模式結(jié)果和觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)巴倫支—喀拉海異常增暖明顯超前于東亞降溫；巴倫支—喀拉海異常增暖，通常伴隨其上空反氣旋異常和其下游中緯度槽的加深，在這種環(huán)流背景下，烏拉爾阻塞的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)（Yao et al.,2017），進(jìn)而在中緯度地區(qū)產(chǎn)生持續(xù)性冷卻，為東亞嚴(yán)冬提供了有利條件。Nakamura et al.（2015）研究表明11月海冰減少會(huì)使向上的輻射、感熱和潛熱增加，激發(fā)羅斯貝波在極地向上和自極地向中緯度的傳播；東亞氣旋性異常被認(rèn)為是對(duì)巴倫支海海冰減少引起的穩(wěn)定羅斯貝波的響應(yīng)，Honda et al.（2009）和武炳義等（1999）的研究也給出了較為一致的結(jié)論。

盡管大量研究闡述北極與中緯度之間的聯(lián)系，但其機(jī)制還存在相當(dāng)大的不確定性（Barnes and Screen,2015;McCusker et al.,2016;Sun et al.,2016），這可能是低信噪比及缺乏完備的動(dòng)力理解等原因造成的（Cohen et al.,2014;Overland et al.,2016;Gu et al., 2018）。已有研究表明，西伯利亞高壓增強(qiáng)有利于極端低溫頻發(fā)（Gong and Ho,2002;Liu and Zhu,2020），烏拉爾阻塞增強(qiáng)有利于西伯利亞高壓增強(qiáng)（Takaya and Nakamura,2005），而巴倫支—喀拉海異常增暖通常伴隨烏拉爾阻塞正異常（Kug et al.,2015;Luo et al.,2016）。本文擬通過統(tǒng)計(jì)和診斷，深入討論巴倫支—喀拉海異常增暖導(dǎo)致亞洲中緯度極端低溫頻發(fā)的動(dòng)力機(jī)制，試圖解決以下幾個(gè)問題：（1）確定亞洲中緯度極端低溫事件發(fā)生頻次與巴倫支—喀拉海異常增暖的關(guān)系，通過對(duì)溫度進(jìn)行時(shí)間尺度分解后的概率密度分析，發(fā)現(xiàn)其季節(jié)循環(huán)尤其對(duì)中緯度前冬的偏冷與巴倫支—喀拉海異常增暖的關(guān)聯(lián)；（2）揭示巴倫支—喀拉海異常增暖伴隨西伯利亞冷高壓異常的可能機(jī)制；（3）進(jìn)一步通過對(duì)熱力學(xué)方程的診斷，評(píng)估水平溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)、非絕熱加熱異常對(duì)亞洲中緯度近地面局地溫度變化增強(qiáng)的貢獻(xiàn)，闡述了在巴倫支—喀拉海異常暖年前冬異常偏冷對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程。

2 資料和方法

本文所用資料為NCEP-DOE的高斯格點(diǎn)日最高、日平均、日最低2 m氣溫再分析資料；月平均、日平均的風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)的再分析資料，空間分辨率為2.5°×2.5°（Kanamitsu et al.,2002）。為了區(qū)分溫度季節(jié)內(nèi)擾動(dòng)和季節(jié)循環(huán)成分，我們對(duì)日平均2 m氣溫資料用Lanczos濾波方法進(jìn)行時(shí)間尺度90天以下的和90天以上的Laconz濾波（Duchon,1979）。

此外，本文參照世界氣象組織（WMO）世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）的氣候變率和預(yù)測(cè)研究項(xiàng)目（CLIVAR）中氣候變化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和指數(shù)專家組（ETCCDMI）推薦使用的極端天氣氣候事件監(jiān)測(cè)指標(biāo)（表1）。

表1 極端溫度指數(shù)定義Table 1 Definition of extreme temperature indices

為了診斷大氣環(huán)流異常對(duì)巴倫支—喀拉海異常增暖的響應(yīng)，量化波動(dòng)能量的傳播，本文利用Takaya and Nakamura（2001）定義的波活動(dòng)通量。波活動(dòng)通量的方向?yàn)槿核俣葌鞑シ较?，其輻散、輻合能夠表征波包的源、匯。在β平面、p坐標(biāo)系中，波活動(dòng)通量為

其中，ψ′為擾動(dòng)地轉(zhuǎn)流函數(shù)，即為當(dāng)年冬季平均與氣候態(tài)平均地轉(zhuǎn)流函數(shù)之差；U、V為背景場(chǎng)的緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)；|U|為氣候態(tài)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值大小，S2為靜力穩(wěn)定度參數(shù)，CUM表示擴(kuò)展波活動(dòng)的位相傳播，對(duì)于冬季平均可以忽略。

為了診斷溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)、非絕熱加熱對(duì)于局地溫度變化的貢獻(xiàn)，討論巴倫支—喀拉海異常增暖背景下，亞洲中緯度冬季極端低溫頻發(fā)的原因，本文采用p坐標(biāo)系中的熱力學(xué)方程：

其中，Sp=RT/Cp p??T/?p=?T/θ·?θ/?p，只要實(shí)際遞減率小于干絕熱遞減率，Sp為正。J是輻射、感熱、潛熱對(duì)單位質(zhì)量流體的加熱率。非絕熱加熱項(xiàng)的計(jì)算為熱力學(xué)方程中局地溫度變化與溫度平流項(xiàng)、垂直輸送項(xiàng)之差。

3 冬季巴倫支—喀拉海異常增暖與亞洲中緯度極端低溫的關(guān)系

已有研究表明，巴倫支—喀拉海附近的異常增暖會(huì)使得大氣環(huán)流形勢(shì)變化導(dǎo)致亞洲中緯度降溫（Kug et al.,2015;Luo et al.,2016;Yao et al.,2017;Ma et al.,2018）。根據(jù)Kug et al.（2015），定義巴倫支—喀拉海（70°～80°N，30°～70°E）區(qū)域平均并作標(biāo)準(zhǔn)化處理后的2 m氣溫為ARTI（Arctic temperature index）。為了驗(yàn)證中緯度歐亞大陸極端低溫頻發(fā)與巴倫支—喀拉海異常增暖的聯(lián)系，對(duì)亞洲中緯度的冷晝、冷日、冷夜日數(shù)和去趨勢(shì)前、后的ARTI進(jìn)行相關(guān)分析（圖1），結(jié)果表明，雖然各相關(guān)系數(shù)數(shù)值上存在差異，但在亞洲中緯度的冷晝、冷日、冷夜日數(shù)基本與去趨勢(shì)前、后ARTI呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)。即巴倫支—喀拉海異常增暖通常對(duì)應(yīng)亞洲中緯度極端低溫頻發(fā)。

圖1 中緯度歐亞大陸冬季（a、b）冷晝、（c、d）冷日、（e、f）冷夜日數(shù)與去趨勢(shì)前（左列）、去趨勢(shì)后（右列）ARTI相關(guān)系數(shù)空間分布。打黑（綠）點(diǎn)區(qū)域通過0.05（0.1）顯著性水平student-t檢驗(yàn)；黑框表示亞洲中緯度（35°～50°N，50°～130°E）區(qū)域Fig.1 Spatial distributions of correlation coefficients between (a, b)TX10P,(c,d)Tave10P,(e,f)TN10Pand ARTI before detrending(left column),ARTI after detrending (right column).Black (green)dotsdenote theregions with significance level at 0.05(0.1) with student-t test.Black box indicates the region of mid-latitude Asia (35°–50°N，50°–130°E)

北極放大這一現(xiàn)象出現(xiàn)于近幾十年，且21世紀(jì)以來增暖最為明顯。北極放大雖與自然變率如ENSO（Li et al.,2019）、PDO（Pacific Decadal Oscillation；Trenberth et al.,2014）存在聯(lián)系，存在一定的年際變化和年代際變化，但本文更多強(qiáng)調(diào)其出現(xiàn)的非線性、不可逆的趨勢(shì)對(duì)亞洲中緯度冬季氣候影響。故選取1981/1982、1985/1986、1986/1987、1988/1989、1993/1994、1996/1997、1997/1998、2003/2004年為ARTI負(fù)異常年（ARTI＜?1），即巴倫支—喀拉海冷異常年；2004/2005、2005/2006、2007/2008、2011/2012、2012/2013、2015/2016、2016/2017、2017/2018年為ARTI正異常年（ARTI>1），即巴倫支—喀拉海暖異常年。

為了診斷亞洲中緯度局地2 m氣溫的變化，給出巴倫支—喀拉海冷、暖異常年份亞洲中緯度區(qū)域平均的2 m日平均氣溫冬季的變化曲線（圖2）。不難發(fā)現(xiàn)，巴倫支—喀拉海暖異常年亞洲中緯度前冬局地溫度變化明顯大于巴倫支—喀拉海冷異常年亞洲中緯度前冬局地溫度變化，為極端低溫的頻發(fā)提供有利條件。

亞洲中緯度冬季溫度的變化可視為季節(jié)內(nèi)擾動(dòng)疊加在季節(jié)循環(huán)之上。將時(shí)間尺度小于90天的部分視為季節(jié)內(nèi)擾動(dòng)，將時(shí)間尺度大于90天的部分視為季節(jié)循環(huán)。在巴倫支—喀拉海暖異常年季節(jié)循環(huán)的振幅明顯大于氣候態(tài)（圖2）。將亞洲中緯度冬季日平均溫度距平（圖3a）及其季節(jié)循環(huán)（圖3b）和季節(jié)內(nèi)擾動(dòng)（圖3c）進(jìn)行概率密度分析，在巴倫支—喀拉海暖異常年出現(xiàn)冷日的概率是近40年出現(xiàn)冷日的概率的1.90倍，而季節(jié)循環(huán)溫度擾動(dòng)出現(xiàn)小于1979/1980～2018/2019年冬季季節(jié)循環(huán)溫度擾動(dòng)達(dá)到升序第10個(gè)百分位日數(shù)的概率是近40年的2.61倍，季節(jié)內(nèi)溫度擾動(dòng)出現(xiàn)小于1979/1980～2018/2019年冬季季節(jié)內(nèi)溫度擾動(dòng)達(dá)到升序第10個(gè)百分位日數(shù)的概率是近40年的0.90倍。即在巴倫支—喀拉海暖異常年季節(jié)內(nèi)溫度擾動(dòng)疊加與更大振幅的季節(jié)循環(huán)之上，更加有利于極端低溫的發(fā)生。

圖2 亞洲中緯度（35°～50°N，50°～130°E）區(qū)域平均ARTI負(fù)異常年（藍(lán)色細(xì)線）、ARTI正異常年（紅色細(xì)線）、1979/1980年至2018/2019年冬季逐日氣候態(tài)（黑色實(shí)線）的2 m氣溫；21天滑動(dòng)平均后ARTI負(fù)異常年（藍(lán)色粗線）、ARTI正異常年（紅色粗線）8年逐日平均、1979/1980年至2018/2019年冬季逐日氣候態(tài)（黑色虛線）的2 m氣溫（K）序列Fig.2 Regional averagetemperatures(units:K)at 2 m height in mid-latitude Asia (35°–50°N，50°–130°E)for the yearsof negative ARTI anomalies(blue thin lines),the years of positive ARTI anomalies(red lines),the daily climate state in winter of 1979/1980–2018/2019(black solid lines);the daily average in the years of negative ARTIanomalies after 21 day moving average(blue thick lines), the daily average in the years of positive ARTI anomalies after 21 day moving average(red thick lines),and the daily climate state in winter of 1979/1980–2018/2019 after 21 day moving average(black dotted lines)

圖3 1979/1980～2018/2019年冬季總體（黑線）、ARTI負(fù)異常年（藍(lán)線）和ARTI正異常年（紅線）的亞洲中緯度（35°～50°N，50°～130°E）區(qū)域平均2 m（a）日平均氣溫、（b）時(shí)間尺度大于90天溫度擾動(dòng)以及（c）時(shí)間尺度小于90天溫度擾動(dòng)距平（單位：K）的概率密度（PDF）分布Fig.3 Probability density distributions(PDF)of regional average for(a)daily average temperature,(b) time scale greater than 90-d temperature disturbance,and(c) time scale less than 90-d temperature disturbance anomalies(K)at 2 m in mid-latitude Asia(35°–50°N，50°–130°E),for the winter of 1979/1980-2018/2019(black lines mean),the years of negative ARTIanomalies(blue lines)and the years of positive ARTI anomalies(red lines)

4 冬季巴倫支—喀拉海異常增暖伴隨東亞極端低溫頻發(fā)的可能機(jī)制

為了分析環(huán)流異常和巴倫支—喀拉海異常增暖的聯(lián)系，挑選出ARTI正異常年與ARTI負(fù)異常年進(jìn)行合成差值（圖4）。從合成差值的環(huán)流不難發(fā)現(xiàn)，巴倫支—喀拉海增暖在靠近巴倫支—喀拉海的洋面最為明顯，向?qū)α鲗禹敺较蛑饾u減弱，且對(duì)應(yīng)著對(duì)流層高層波活動(dòng)通量輻散，能夠激發(fā)一準(zhǔn)定常羅斯貝波向東南方向傳播（圖4a），在新地島以西存在一位勢(shì)高度正異常，且在300 hPa附近異常達(dá)到最大，這種位勢(shì)高度正異常為一深厚的暖高壓異常，除了極地近地面地區(qū)有淺薄熱低壓異常，幾乎從地面一直延伸到對(duì)流層頂；貝加爾湖西南部調(diào)整出位勢(shì)高度負(fù)異常，且在300 hPa附近異常達(dá)到最大，這種位勢(shì)高度負(fù)異常為一深厚的冷低壓異常，從對(duì)流層低層700 hPa一直延伸到對(duì)流層頂（圖4）。值得注意的是，在貝加爾湖西部有顯著的下沉運(yùn)動(dòng)異常（圖4c），近地面西伯利亞的東北風(fēng)異常增強(qiáng)了冷平流，貝加爾湖附近的低層為冷高壓異常（圖4b）。

圖4 ARTI正異常年與ARTI負(fù)異常年（a）300 hPa溫度（等值線，范圍為?1.5 K～1.5 K，間隔為0.5 K）、位勢(shì)高度（單位：gpm，填色）、波活動(dòng)通量（單位：m2 s?2，矢量），（b）2 m溫度（等值線，范圍為?2 K～6 K，間隔為1 K）、海平面氣壓（單位：hPa，填色）、10 m風(fēng)場(chǎng)（單位：m s?1，矢量），（c）（85°N～35°N，57.5°E～137.5°E）溫度（等值線，范圍為?2 K～12 K，間隔為2 K）、位勢(shì)高度（單位：gpm，填色）、垂直速度（單位：m s?1，矢量）合成差值場(chǎng)分布。打黑（灰）點(diǎn)區(qū)域通過0.05（0.1）顯著性水平的t檢驗(yàn)；波活動(dòng)通量、10 m風(fēng)場(chǎng)、垂直速度只給出通過0.1顯著性水平t檢驗(yàn)的矢量Fig.4 The distributions of composite differences (ARTI positive yearsminus ARTI negative years) for (a)temperature (coutours from ?1.5 K to 1.5 K by 0.5-K intervals),geopotential height (units:gpm,shaded),and wave activity flux(units:m2 s?2,vectors)at 300 hPa,(b)temperatureat 2 m (coutour from ?2 K to 6 K by 1-K intervals),sea level pressure(units:hPa,shaded), wind at 10 m(units:m s?1, vector),and (c) temperature from 85°N,57.5°E to 35°N,137.5°E(K,coutour from?2 to 12 by 2),geopotential height(units:gpm,shading),vertical velocity(units:m s?1,vectors).Black(gray)dots denote the regions with significance at the 0.05(0.1)confidence level by t-test.Wave activity flux,wind at 10 m and vertical velocity are only shown significance at the0.1 confidence level with t-test

為了分析巴倫支—喀拉海異常增暖伴隨西伯利亞高壓異常的原因，圖5進(jìn)行了500 hPa水平風(fēng)場(chǎng)、溫度平流和垂直速度以及300 hPa和近地面輻散風(fēng)的合成。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巴倫支—喀拉海異常暖時(shí)，近地面出現(xiàn)顯著的異常風(fēng)場(chǎng)輻合（圖5a），伴隨上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)流層頂出現(xiàn)顯著的異常風(fēng)場(chǎng)輻散（圖5b），在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，在西伯利亞上空出現(xiàn)顯著的異常偏北氣流（Xu et al.,2019）。這種偏北風(fēng)異常有利于冷平流的增強(qiáng)（圖5c）。根據(jù)干空氣狀態(tài)方程可得，在等壓面上大氣溫度的降低對(duì)應(yīng)著密度的增加，同等體積的氣體質(zhì)量增大。由于對(duì)流層中高層大氣質(zhì)量增加，單位截面積氣柱質(zhì)心偏高，進(jìn)而增強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)調(diào)整氣柱質(zhì)心（圖5d）。這種下沉運(yùn)動(dòng)的異常的有利于中西伯利亞高原、西西伯利亞平原的對(duì)流層底氣壓升高（Ding,1990;武炳義等,2011），進(jìn)而產(chǎn)生向東、向南的異常輻散風(fēng)（圖5a），使得異常高壓向東向南延伸，即在整個(gè)中高緯歐亞大陸對(duì)流層低層為一高壓異常（圖4b）。

圖5 ARTI正異常年與ARTI負(fù)異常年（a）10 m散度（單位：106 s?1，填色）、散度風(fēng)（單位：m s?1，矢量）,（b）300 hPa散度（單位：106 s?1，填色）、散度風(fēng)（單位：m s?1，矢量），（c）500 hPa溫度平流（單位：106 K s?1，填色）、水平風(fēng)場(chǎng)（單位：m s?1，矢量），（d）500 hPa垂直運(yùn)動(dòng)（單位：Pa s?1，填色）、水平風(fēng)場(chǎng)（單位：m s?1，矢量）合成差值；打黑（灰）點(diǎn)區(qū)域通過0.05（0.1）顯著性水平的t檢驗(yàn)。水平風(fēng)場(chǎng)只給出通過0.1顯著性水平t檢驗(yàn)的矢量Fig.5 The distributions of composite differences(ARTI positive years minus ARTI negative years)for(a)divergence(units:106 s?1,shaded),divergent wind (units:m s?1,vectors)at 10 m,(b)divergence(units:106 s?1,shaded),divergent wind (units: m s?1,vectors)at 300 hPa,(c) temperature advection (units:106 K s?1,shaded), horizontal wind fields(units: m s?1,vectors)at 500 hPa,and (d) vertical motion (units:Pa s ?1,shaded), horizontal wind fields(units: m s?1,vectors)at 500 hPa.Black(gray)dots denote the regions with significance at the 0.05(0.1)confidence level by t-test.Horizontal wind fieldsare only shown the significance at the0.1 confidencelevel by t-test

由于亞洲中緯度前冬局地溫度的變化在ARTI正異常年明顯大于ARTI負(fù)異常年，而前冬更大的局地溫度變化有利于極端低溫的頻發(fā)，又因逐日40年氣候態(tài)的亞洲中緯度區(qū)域平均2 m氣溫在1月23日達(dá)到最?。▓D2），利用熱力學(xué)方程，從12月1日積分至次年1月23日，積分的計(jì)算過程為逐日各項(xiàng)乘以86400秒再求和，比較巴倫支—喀拉海冷、暖異常年水平溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)、非絕熱加熱對(duì)局地溫度變化貢獻(xiàn)的差異。巴倫支—喀拉海暖異常時(shí)，亞洲中緯度近地面前冬局地溫度變化增加，但其原因不盡相同。從850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)（圖6b）和對(duì)流層中低層垂直運(yùn)動(dòng)（圖7c）異常來看，圖蘭低地和我國(guó)東北南部、朝鮮、韓國(guó)存在顯著的偏北風(fēng)異常進(jìn)而導(dǎo)致更強(qiáng)的冷平流和下沉運(yùn)動(dòng)；而受地形作用，我國(guó)長(zhǎng)江流域以北、蒙古東部異常偏東氣流在垂直方向上主要表現(xiàn)為異常上升運(yùn)動(dòng)；準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地主要表現(xiàn)為異常下沉運(yùn)動(dòng)。圖蘭低地的近地面下沉異常造成的絕熱增溫異常（圖7c）和非絕熱加熱異常（圖7d）不足以彌補(bǔ)冷平流異常（圖6b、圖7b）對(duì)局地大氣的冷卻作用，使得該地區(qū)近地面局地溫度變化增大（圖7a）。而中國(guó)新疆、蒙古西部主要依靠非絕熱冷卻異常（圖7d）。蒙古中部、我國(guó)內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏的主要依靠冷平流異常（圖6b、圖7b）和異常的絕熱上升冷卻（圖6c、圖7c）。蒙古東部、華北、絕熱下沉冷卻主要依靠異常的絕熱上升冷卻（圖6c、圖7c）。我國(guó)東北、朝鮮、韓國(guó)主要依靠異常的冷平流（圖7b）。

圖6 ARTI正異常年與ARTI負(fù)異常年850 hPa前冬54天（a）溫度局地變化積分、（b）水平溫度平流積分、（c）垂直輸送項(xiàng)積分以及（d）非絕熱加熱項(xiàng)積分合成差值場(chǎng)（單位：K，填色）分布；（b）中矢量為平均水平風(fēng)場(chǎng)。打黑（灰）點(diǎn)區(qū)域通過0.05（0.1）顯著性水平t檢驗(yàn)；水平風(fēng)場(chǎng)只給出通過0.1顯著性水平t檢驗(yàn)的矢量；黑框表示亞洲中緯度（35°～50°N，50°～130°E）區(qū)域；診斷各項(xiàng)的計(jì)算方法見方程（3）Fig.6 The distributions of composite differences(units:K,shaded;ARTI positive years minus ARTI negative years)for(a)integral of local temperaturechanges,(b)integral of horizontal temperatureadvection,(c)integral of vertical transporting,and (d)integral of diabatic heating in thefirst 54 days of winter at 850 hPa,the vectors in(b) mean average horizontal wind fields(units: m s?1).Black(gray)dots denote the regions with significance at the 0.05(0.1)confidence level by t-test.Horizontal wind fields are only shown the significance at the 0.1 confidence level by t-test.Black box indicatesthe region of mid-latitude Asia (35°–50°N,50°–130°E)；The calculation method of diagnosisitemsisshown in equation (3)

為了比較對(duì)流層低層巴倫支—喀拉海冷、暖異常年水平溫度平流、垂直運(yùn)動(dòng)、非絕熱加熱對(duì)亞洲中緯度局地溫度變化作用的差異，將850 hPa前冬54天溫度局地變化、水平溫度平流、垂直輸送項(xiàng)、非絕熱加熱項(xiàng)積分合成差值取亞洲中緯度進(jìn)行區(qū)域平均。總體來看，水平溫度平流與垂直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)對(duì)對(duì)流層低層局地溫度變化呈正貢獻(xiàn)，而非絕熱加熱部分抵消了水平溫度平流與垂直運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)（圖8）。

在亞洲中緯度地區(qū)，總體來看，巴倫支—喀拉海暖異常年相較于冷異常年，非絕熱加熱不能完全抵消水平溫度平流和垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)大氣的冷卻作用，使得前冬局地溫度變化增大（圖8）。在亞洲中緯度的不同地區(qū)，西伯利亞高壓異常南側(cè)東北風(fēng)導(dǎo)致的異常冷平流、偏東風(fēng)異常經(jīng)過地形造成的異常上升運(yùn)動(dòng)以及輻射、感熱、潛熱交換造成的異常非絕熱冷卻（圖6、圖7）導(dǎo)致亞洲中緯度近地面溫度季節(jié)循環(huán)振幅增大（圖2、圖3b），有利于極端低溫頻發(fā)。

圖7 ARTI正異常年與ARTI負(fù)異常年（35°～50°N）平均前冬54天（a）溫度局地變化積分、（b）水平溫度平流積分、（c）垂直輸送項(xiàng)積分、（d）非絕熱加熱項(xiàng)積分合成差值場(chǎng)（單位：K，填色）分布；（c）中等值線表示平均垂直速度（單位：Pa s?1）。打黑（灰）點(diǎn)區(qū)域通過0.05（0.1）顯著性水平t檢驗(yàn)，水平風(fēng)場(chǎng)只給出通過0.1顯著性水平t檢驗(yàn)的矢量；診斷各項(xiàng)的計(jì)算方法見方程（3）Fig.7 The distributions of composite differences(units:K,shaded;ARTI positive years minus ARTI negative years)for(a)integral of local temperature changes,(b)integral of horizontal temperature advection,(c)integral of vertical transport,and(d)integral of diabatic heating(K),in the first 54 days of winter averaged along 35°–50°N;the coutoursin (c) mean average vertical velocity (units:Pa s?1).Black (gray)dotsdenotethe regions with significance at the 0.05(0.1)confidence level by t-test.Horizontal wind fields are only shown with significance at the 0.1 confidence level by ttest；Thecalculation method of diagnosisitemsisshown in equation (3)

圖8 ARTI正異常年與ARTI負(fù)異常年850 hPa亞洲中緯度（35°～50°N，50°～130°E）區(qū)域平均前冬54天溫度局地變化、水平溫度平流、垂直輸送項(xiàng)、非絕熱加熱項(xiàng)積分合成差值，單位：KFig.8 Composite differences(ARTI positive years minus ARTI negative years)of the regional averages with the integrals of local temperature changes,horizontal temperature advection, vertical transport,and diabatic heating in the first 54 days of winter at 850 hPa in mid-latitude Asia (35°–50°N,50°–130°E), units:K

5 結(jié)論與討論

本文應(yīng)用NCEP-DOE再分析資料，運(yùn)用合成、診斷分析等方法，揭示巴倫支—喀拉海異常增暖伴隨亞洲中緯度極端低溫頻發(fā)的可能機(jī)制。研究結(jié)果表明：

（1）巴倫支—喀拉海異常增暖通常對(duì)應(yīng)亞洲中緯度極端低溫頻發(fā)。通過對(duì)溫度進(jìn)行時(shí)間尺度分解后的概率密度分析，發(fā)現(xiàn)了中緯度季節(jié)循環(huán)巴倫支—喀拉海暖異常年對(duì)應(yīng)著亞洲中緯度冬季更大振幅的季節(jié)循環(huán)，進(jìn)而有利于亞洲中緯度極端低溫發(fā)生；

（2）冬季巴倫支—喀拉海異常增暖伴隨西伯利亞高壓異常增強(qiáng)，可能的影響途徑為：當(dāng)巴倫支—喀拉海異常暖時(shí)，近地面出現(xiàn)顯著的異常風(fēng)場(chǎng)輻合，伴隨上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)流層頂出現(xiàn)顯著的異常風(fēng)場(chǎng)輻散，在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，在西伯利亞上空出現(xiàn)顯著的異常偏北氣流。這種偏北風(fēng)異常有利于冷平流的增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)。這種下沉運(yùn)動(dòng)的異常的有利于中西伯利亞高原、西西伯利亞平原的對(duì)流層底氣壓升高，進(jìn)而產(chǎn)生向東、向南的異常輻散風(fēng)，使得異常高壓向東向南延伸，即在整個(gè)中高緯歐亞大陸對(duì)流層低層為一高壓異常；

（3）在這種異常環(huán)流配置下，進(jìn)一步運(yùn)用熱力學(xué)方程進(jìn)行診斷，診斷結(jié)果表明：巴倫支—喀拉海暖異常年，冷平流異常、穩(wěn)定層結(jié)大氣中異常上升運(yùn)動(dòng)及異常的非絕熱冷卻為亞洲中緯度近地面前冬局地溫度變化增大提供了有利條件。西伯利亞高壓異常東側(cè)、南側(cè)異常的偏北氣流有利于冷平流增強(qiáng)；氣流過地形導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)異常，在穩(wěn)定層結(jié)中使得大氣絕熱冷卻；再通過輻射、感熱、潛熱等作用在中國(guó)新疆、蒙古西部出現(xiàn)非絕熱冷卻異常。進(jìn)而導(dǎo)致巴倫支—喀拉海暖異常年季節(jié)循環(huán)振幅增大，有利于極端低溫頻發(fā)。

目前，我們很難確認(rèn)巴倫支—喀拉海異常增暖與新地島以西的位勢(shì)高度正異常之間的因果關(guān)系，科學(xué)界也并未得到一致結(jié)論（Luo et al.,2016;Overland et al.,2016;McCusker et al.,2016;Sun et al.,2016;武炳義,2018）。北極放大從20世紀(jì)90年代后才開始變得明顯，其特征及成因還有待進(jìn)一步研究；前人研究表明，北極放大是自然變率和人類活動(dòng)的共同結(jié)果，因此預(yù)測(cè)未來北極放大的變化趨勢(shì)仍具有挑戰(zhàn)性（Screen and Simmonds,2010;Lee,2014;Overland et al.,2016）。更有研究表明，亞洲中緯度極端低溫事件所對(duì)應(yīng)的環(huán)流異常不僅與北極異常增暖有關(guān)，與前期熱帶太平洋海溫異常關(guān)系更為密切（Wu,2017），因此，從氣候角度看，亞洲中緯度冬季極端低溫事件為對(duì)巴倫支—喀拉海異常增暖的響應(yīng)亦或是亞洲中緯度冬季極端低溫事件和巴倫支—喀拉海異常增暖均為對(duì)太平洋海溫異常的響應(yīng)，還有待進(jìn)一步討論。此外，北極海冰、熱帶海溫和歐亞積雪等下墊面異常為亞洲中緯度冬季極端低溫事件提供了可能的季節(jié)預(yù)測(cè)信號(hào)（Wang et al.,2000;Peings et al.,2013;Nakamura et al.,2015），探討這些因素?zé)o疑是下一階段重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。