1 引言

冬季，中国北方受冷空气影响频繁，常常出现区域性大风、低温雨雪天气，有时还伴有雨凇或霜冻过程，可形成灾害性天气（张宗婕和钱维宏，2012），给国民经济和人民生产生活造成损失。东亚冬季风强烈地向南爆发会产生寒潮，通常情况下侵袭中国的寒潮绝大多数溯源于北极地区（陶诗言，1959）。总体上，影响中国的寒潮冷空气主要有三条路径：一是新地岛以西的北冰洋洋面，冷空气经巴伦支海、前苏联的欧洲地区进入我国；二是新地岛以东的北冰洋洋面，冷空气经过喀拉海、太梅尔半岛、前苏联地区进入我国；三是冰岛以南的大西洋洋面，冷空气经前苏联的欧洲南部地区或地中海、黑海、里海进入我国（Ding，1990；张培忠和陈光明，1999）。通常情况下，冷空气沿这三条路径进入西伯利亚中部（43°~65°N，70°~90°E）的寒潮关键区（陶诗言，1959），滞留、聚集和加强，在适当的天气形势下南下爆发侵入中国。

北半球冬季极端天气事件以强冷空气活动和寒潮爆发最为常见（易明建等，2013），其中，中高纬度环流异常可使侵入东亚的冷空气活动异常，是导致中国冬季气温异常的直接原因（郭其蕴，1994；武炳义和黄荣辉，1999；陈海山和孙照渤，2001）。近十年来，北半球范围内冬季区域性极端低温及其伴随的冰冻、暴风雪事件频繁发生，且影响范围大，持续时间长，如：2005年冬季，山东威海遭受了百年一遇的罕见持续性暴风雪（隋素丽等，2007）；2006年冬季，美国和加拿大频繁遭受暴风雪和低温严寒（李威和朱艳峰，2007）；2008年初，中国南方出现大范围低温雨雪冰冻天气（布和朝鲁等，2008；丁一汇等，2008；Bueh et al., 2011a）；2009年冬季，美国和欧洲多国经历多次大雪和寒流，波兰气温降到-20℃，而巴伐利亚的气温降到了欧洲有记录以来最低的-33.6℃（李威等，2010）；2010年冬季，美国南部和东北部遭受暴风雪袭击，俄罗斯、日本、韩国、中国乃至印度和孟加拉国等亚洲国家也受到了低温寒流的席卷（司东等，2012）；2012/2013年冬季，中国东北冬季平均气温突破过去34个冬季历史极值，有25个台站出现极端低温（苗青等，2016）。

有关极端低温事件的定义、时空特征、环流背景和成因机理方面的研究，我国学者近年来做了大量工作，取得了一系列成果。对于极端低温事件的定义，从采用早期气象业务系统中参照寒潮定义方法以某一具体温度值为阈值的判断标准，到采用温度阈值百分位方法（Jones et al., 1999），使得判据更加适用与合理。基于上述方法，Zhang and Qian（2011）对单站持续性极端低温事件进行了重新定义：日最低气温低于常年值（常年值＝当日及前后5 d，共11 d的气候平均值），且日最低温度大小排序小于第10个百分位值，连续日数超过5 d。由于不同地区冷空气活动的频率和影响范围存在较大不同，在对区域持续性极端低温事件的定义上相关学者也做了适当调整（Peng and Bueh, 2011；王晓娟等，2013；李尚锋等，2014a）。同时，还有学者根据区域性极端低温事件的定义，建立了识别极端低温事件的指标体系，并应用于业务预报中，该体系包括以下几个部分：极端低温阈值的确定、空间区域的识别、空间区域的连续性过程提取（龚志强等，2012）。除了对极端低温事件的时空特征进行分析外，许多学者对引起这类事件的环流因子也进行了探讨。Li et al.（2016）揭示，春季来自贝加尔湖的西北路径冷空气对东北强极端低温事件起主要作用，而东北弱极端低温事件的主要气流则来自东北路径的鄂霍次克海地区冷空气。Bueh et al.（2011b）对引起中国冬季区域性极端低温事件的环流做了系统剖析，指出中国冬季区域性低温事件的一个重要环流特征是在对流层中层存在一对欧亚大陆尺度的、沿东北至西南方向倾斜的槽脊。另外，高纬的平流层与冬季极端低温也有关联，平流层极涡异常偏强或者偏弱能相应地引起冬季地面温度变化（易明建等，2009；施宁和布和朝鲁，2015）。

众所周知，东北位于中国东部的最北面，易受极地冷空气侵袭，加之那里既是国家主要的重工业基地，亦是战略粮食储备地，对该地区极端低温事件进行研究尤为必要。过去对东北低温的分析主要是集中在季节和月时间尺度上开展（东北低温科研协作组，1979；廉毅和安刚，1998；沈柏竹等，2011；李尚锋等，2014b），对天气尺度的极端低温事件研究较少，且早期对极端低温事件的研究主要侧重于单站低温的强度和持续时间等方面。本文针对东北进行冷空气影响区域和持续时间相结合的研究，相比单站分析而言，区域性研究可以探讨影响东北极端低温过程的冷空气路径，分析何种路径冷空气影响频次高，研究何种路径冷空气引起的降温更为剧烈以及各类路径冷空气对东北以外地区（尤其是中国东南部地区）是否有影响。另外，东北的冬季极端低温同全国其他区域极端低温有无联系，是东北的独有区域性事件，还是全国极端低温的前哨？另外，通过对东北区域性极端低温事件环流异常的研究，有助于揭示其成因机理，对于东北极端低温的预测有一定的实际意义。

2 资料与方法 2.1 数据资料

所采用的数据包括：（1）吴佳和高学杰（2013）根据2416个中国地面气象台站的逐日观测记录，通过插值程序建立起来的一套1961~2014年中国区域水平分辨率为0.5°×0.5°的格点数据集CN05.2，这里使用的是日平均温度资料；（2）NCEP/NCAR（Kalnay et al., 1996）再分析数据，包括位势高度场和水平风场，选取长度为1961~2014年，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向为1000~70 hPa共13层。东北定义为（38°~55°N，116°~137°E），冬季为当年12月、次年1月和2月。

2.2 冬季东北极端低温事件的定义

冬季东北一次极端低温事件需要同时满足下述两个条件：一是任一格点上日平均温度距平$\overline {{T_{\rm{d}}}} \le \beta $、持续日数≥3日，其中β为该格点冬季日平均温度距平的第10个百分位的值（按由小到大的排列顺序）；二是东北达到条件一的格点总数大于该区域格点总数的50%，并且定义第一天达到上述标准的日期为极端低温事件的开始日期，峰值日期定义为该次降温过程中东北达到阈值要求的格点$\overline {{T_{\rm{d}}}} $区域平均值最小的日期，峰值强度定义为该次极端低温过程中峰值日达到阈值要求的格点$\overline {{T_{\rm{d}}}} $的区域平均值。

将达到上述条件的极端低温事件统称为总的极端低温事件（简称：TECEs），为了研究东北极端低温事件与中国东部其他地区极端低温的关系，以中国105°E以东的地区作为研究对象，若在一次东北极端低温事件发生过程中，该区域内达到标准（≤该格点$\overline {{T_{\rm{d}}}} $的第10个百分位值）的格点数超过该区域格点总数的50%，并且发生天数≥1天，则将该类极端低温事件定义为第二类极端低温事件（简称：第二类），否则称为第一类极端低温事件（简称：第一类）。简而言之，第一类表示的是仅在东北发生的极端低温事件，第二类表示的是东北发生极端低温事件的同时，中国东部其他地区也发生了大范围的极端低温事件。关于极端低温事件的开始日期、持续时间、峰值日期、峰值强度和类型等情况，详见表 1。

同Peng and Bueh（2011）定义的冬季极端低温事件日历相比，表 1中第二类极端低温事件发生了19次，这19次事件在Peng and Bueh（2011）的日历中能找到14次；同Bueh et al.（2011b）定义的冬季持续性低温事件日历相比，表 1中19次第二类极端低温事件在其日历中发生了17次。由于本文使用的温度资料（水平分辨率为0.5°×0.5°的CN05.2数据）与Peng and Bueh（2011）和Bueh et al.（2011b）使用的（中国756个气象测站温度资料）不同，且判断标准亦有差别；加之本文定义的第二类极端低温事件前提是东北局地发生极端低温后，冷空气南移发生的，而Peng and Bueh（2011）和Bueh et al.（2011b）定义的低温事件则没有该项限制，故而低温日历有部分差异。

为了探讨两类极端低温事件发生频次的异同，对其空间分布特征做了分析。由图 1可见，在整个时段内，第一类极端低温事件发生频次最高的地区主要位于黑龙江省东南部、吉林省和辽宁省。此外，其冷空气影响次频繁地区为河北省和山东半岛一带。第二类极端低温事件发生期间，其冷空气作用频次较高的地区为105°E以东的中国地区，其发生频次最高的地区为黑龙江省东南部、吉林、辽宁、河北、山东、安徽和江苏等地。

本文采用准地转二维E-P通量（Edmon et al., 1980），来诊断罗斯贝波的活动，计算公式如下：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{F_\emptyset } = - a{\rm{cos}}\emptyset \overline {u'v'} }\\ {{F_p} = fa{\rm{cos}}\emptyset \frac{{\overline {v'\theta '} }}{{{\theta _p}}}} \end{array}} \right. $

(1)

其中，${F_\emptyset }$、F_p分别表示由于波动效应，单位质量空气南北方向的涡动角动量输送和涡动热量输送，u、v表示纬向风和经向风，a为地球半径，θ为位温，f为科氏参数，$\emptyset $为纬度。

为了研究极端低温事件发生期间超长波和长波活动特点，采用了谐波分析，用波数1~3波之和代表超长波活动（王绍武，1964；吴晓红和王绍武，1996），波数4~6波之和代表长波活动（廉毅等，2010）。

3 东北极端低温事件的年代际变化

为了探讨冬季东北极端低温事件是否有年代际变化，对总的、第一类和第二类极端低温事件的峰值强度和发生频次的年代际特征分别做了分析。由图 2可见，在整个时段内，总的和第一类极端低温事件的峰值强度均随时间减弱，第二类极端低温事件从1960年代到1970年代为增加、1970年代到1980年代减弱、1980年代后则不再发生；第二类极端低温事件峰值强度要比第一类的强，这说明能够影响到中国东部更南方的这种大范围冷空气活动，其在东北造成的低温过程要比仅发生在东北局地的低温过程更加强烈。

就冬季东北极端低温事件发生天数的年代际变化而言（图 3），总的极端低温事件在1990年代以前减少明显，但1990年代以后发生天数开始增加。第一类极端低温事件的发生天数在1960年代至1980年代期间少变，1990年代以后则明显增加。第二类极端低温事件的发生天数在1960年代至1990年代急剧减少，1990年代后则不再发生。上述特征表明，1990年代以后，随着全球变暖的影响，冬季中国东部这种大范围的极端低温事件出现甚少（Peng and Bueh, 2011），但是区域尺度的极端低温事件的发生频次则在增加。

根据东北极端低温事件冬季各月份发生天数的年代际变化可知（图 4），2月份总的极端低温事件发生天数最多，它在1990年代以前发生天数要远大于12月和1月，且在1990年代以前总体减少，1990年代以后开始增加，这与1月份的情形比较一致。在整个时间段上，12月份总的极端低温事件发生天数减少比较明显，发生天数最低的时段是1980年代，之后开始增加，说明12月份总的极端低温事件发生天数一直比较稳定，这与12月份东北冬季温度变率（图 5a）相对于1月（图 5b）和2月份（图 5c）较为稳定有关；而2月份是冬、春季节间的过渡性月份，期间低、中、高纬度系统间相互作用频繁，导致温度变化比较剧烈，使得该月份是基于温度距平场上定义的极端低温事件发生频率最高的月份（图 5c）。

冬季各月第一类和第二类极端低温事件发生天数的年代际变化显示（图 6），在1960年代和1970年代期间，冬季所有月份第二类极端低温事件发生天数要远高于第一类。另外，2月第二类的发生天数要大于12月和1月；1980年代期间12月只发生了第二类极端低温事件，1月只发生了第一类极端低温事件，2月第一和第二类极端低温事件均有发生，但2月第二类极端低温事件的发生天数要多于第一类；而1990年代和2000年代期间第二类极端低温事件基本没有出现。同时，1990年代至2000年代期间，在所有月份中第一类极端低温事件的发生天数增加，表明全球变暖背景下，发生像1960年代和1970年代期间那种大范围的极端低温事件的概率在降低，但是区域性极端低温事件的发生频次增加的却很明显。这与先前研究中认为东北冬季气温在1980年代存在增暖突变相一致（刘实等，2009）。

4 关键环流系统特征

为了研究第一类和第二类极端低温事件发生过程中冷空气活动的异同，利用合成分析方法探讨了它们发生、峰值和整个过程中的对流层低层850 hPa风场的变化特征。图 7表明，引起这两类极端低温事件的主要气流来源相同，均是由来自贝加尔湖方向的西北气流（简称：西北路径冷空气）和来自鄂霍次克海方向的东北气流（简称：东北路径冷空气）在55°N附近区域汇合入侵东北。但是，影响第一类极端低温事件的西北气流来自中心位于叶尼塞河中游地区的阻塞高压（图 7a，c，e），而第二类极端低温事件的西北气流则来自位于乌拉尔山至贝加尔湖间的反气旋；鄂霍次克海上空维持的异常气旋环流，引导东北风向南侵入中低纬度，使得中国东部大部分出现低温（图 7b，d，f），是这两类事件中东北气流的主要来源。

另外，在这两类事件的风场差值场（图 7g）上可以看到，鄂霍次克海上空出现一个异常的反气旋环流，说明第二类极端低温事件中鄂海低压系统比第一类要弱，同时也说明第二类极端低温事件中东北路径冷空气比第一类要弱；乌拉尔山至叶尼塞河中游地区亦出现了一个异常的反气旋环流，说明第二类极端低温事件中西北冷空气比第一类的要强。

由对流层中层500 hPa上极端低温事件位势高度距平合成图 8上可见，在亚洲中高纬度地区北正南负波列的分布为第一类和第二类极端低温事件中最明显的特点，即：乌拉尔山地区为很强的阻塞高压，而亚洲地区维持低压，这种典型的北高南低型表明大气的经向度大，有利于冷空气大规模南下，进而导致受其影响的地区出现极端低温，该结构特征与2008年中国南方大范围低温冰冻灾害的500 hPa位势高度距平场特点相似，但2008年阻塞高压更强且持续时间长（Bueh et al., 2011a）。第一类和第二类极端低温事件的不同点也比较明显：第一类极端低温事件的波列主要为贝加尔湖至鄂霍茨克海为较强的正距平区，其中心位于贝加尔湖附近，负距平中心始终位于中国东北上空（图 8a，b，c），而第二类极端低温事件的波列则主要为乌拉尔山至贝加尔湖西北侧为较强的正距平区，中心位于乌拉尔山，东北虽为负距平区控制，但是负距平中心处在东北的西南侧（图 8d，e，f）；第二类与第一类极端低温事件的差值图（图 8g）更能突出显示它们的差异，第二类极端低温事件中的乌拉尔山阻塞高压较第一类要更稳定和强大，同时，东北上空覆盖的负距平中心也比第一类要强，这种配置使得大气南北经向梯度更大，冷空气较易入侵到中国更南部的地区，而第一类极端低温事件中的鄂霍次克海上空的槽则比第二类要更深，强的槽前西南气流使得高纬度入侵的冷空气仅仅能影响到东北和朝鲜半岛，这与图 7所示的鄂霍次克海上空对流层低层的大气环流型相匹配。

为进一步研究第一类和第二类极端低温事件发生过程中能量的传播特征，采用合成分析探讨了这两类事件所对应的对流层中高层（300 hPa）罗斯贝波波动能量频散变化，试图找出各自的主要物理过程。冬季第一和第二类极端低温事件发生、峰值以及整个过程的300 hPa上E-P通量、散度及流函数场的合成图表明（图 9），第一和第二类极端低温事件发生时东北上空均被负的流函数场所覆盖，其位于塞班岛上空的南部中心为一个正的流函数场，从北到南这种北负南正的波列在第一和第二类事件中都很明显，说明在这两类极端低温事件发生时，东北上空都是冷空气的堆积区。同时，在这两类极端低温事件中，东北上空都处于弱的波作用通量辐散中心，该中心处于上下游的辐合、辐散波列传播路径之上；不同之处在于，在极端低温事件发生、峰值以及整个过程中，第一类极端低温事件时在东亚30°N以北地区上空波作用通量辐散、辐合中心都呈东西向交替分布，且明显比第二类强，表明第一类极端低温事件E-P通量波列分布利于该区域的纬向环流加速，这种传播形态使得能量更容易向下游频散，不利于大范围和长时间的维持（图 9a，c，e）；第二类极端低温事件中向下游西北太平洋上空传播的波动能量比第一类事件要弱的多（图 9b，d，f），该特点在两者差值图上表现的很明显（图 9g）。

王绍武（1964）指出谐波分析可以定量客观地计算出各种波的位置和振幅，对研究不同尺度波在大气环流变化中的作用是一种较好的方法。本文利用这一方法尝试找出这两类事件中超长波和长波相互作用关系的异同，以便于更清晰地剖析第一类和第二类极端低温事件的发生过程。从冬季500 hPa位势高度距平谐波展开合成场（图 10）上可见：第一类和第二类极端低温事件中超长波有相同的结构特点（图 10a，b），北半球超长波为2波分布，为稳定型，超长波脊一个位于北太平洋的中东部至北美洲的太平洋西海岸上空，另一个自北大西洋横跨中亚地区上空；超长波槽较弱的一个位于北美洲大陆的西北侧上空，另一个横跨东亚至阿留申群岛上空，表明东亚大槽稳定，十分有利于冷空气活动在东亚地区。第一类和第二类极端低温事件中长波结构异同点均较为明显：从东亚经北太平洋至北美洲大陆上空的负—正—负—正长波槽脊分布较为相似；但是，从乌拉尔山至东亚上空的长波脊槽分布在两类事件中不尽相同，最显著的区别在于，第一类极端低温事件的长波脊位于巴尔喀什湖至贝加尔湖附近，第二类则出现在乌拉尔山附近，其次，第一类的长波槽主要位于东北亚上空，而第二类的长波槽则明显偏西，控制着从贝加尔湖至中国华北、华东，乃至华中的宽广东亚地区上空（图 10d，e）。

第一和第二类事件中超长波和长波的500 hPa位势高度差值图显示，东北上游60°E到90°E之间的中高纬度存在明显的北高南低异常（图 10c），这是影响第二类极端低温事件的典型中高层环流型，而图 10f中并没有这样的特征，表明第二类事件更多地受到超长波的影响，而第一类中长波作用较明显。并且，超长波更具有驻波性质，传播慢，频散慢，有利于冷空气堆积与活动，这与图 9的分析结果相一致。而第一类极端低温事件时，东北上空为异常槽的超长波和长波的叠加，使得该槽较第二类的要深，也进一步揭示第一类比第二类极端低温事件发生范围小的重要谐波特征，这与图 8所示的结果吻合。综上可知，位势高度负距平场中异常槽的长波和超长波的扰动叠加，是形成极端低温事件的基础，这种同位相扰动叠加能够诱发极端低温事件发生，该结论与李尚锋等（2012）研究夏季极端低温事件时的超长波、长波的扰动叠加特点相同。

5 结论和讨论

本文利用CN05.2日平均温度数据，给出了冬季东北极端低温事件定义，并将其按影响范围分为第一类极端低温事件（简称：第一类）和第二类极端低温事件（简称：第二类）两种，通过对两类极端低温事件强度和频次的年代际特点、对应的环流背景以及能量频散等的研究，得到以下主要结论：

（1）1961~2014年，在年代际尺度上，第一类极端低温事件发生强度减弱，而第二类的增大；总的极端低温事件发生频次在1990年代以前总体减少，但此后增多，第二类事件发生频次显著减少并在1990年代以后基本消亡，第一类事件发生频次前期比较稳定但在1990年代以后急剧增加。

（2）就冬季各月而言，2月份总的极端低温事件发生频次最高，其在1990年代以前要远大于12月和1月，在1990年代以前总体减少而后为增加，这与1月的情形比较一致；在整个时间段内，12月最低频次出现在1980年代，较1960年代稍微减少，而后开始增加；在1960年代和1970年代期间，冬季所有月份第二类事件发生频次要远大于第一类事件，2月第二类事件发生频次要大于12月和1月。

（3）第一和第二类极端低温事件发生时，流函数场显示东北都是冷空气堆积区，在E-P通量散度场上东北都处于波动能量辐散大值区中心；相比较而言，第二类事件中波动能量传播比第一类要弱的多，第一类事件则纬向传播比较明显，而且波动中心值都比较大，这种方式的传播使得能量更容易频散，不利于大范围和长时间维持。

（4）第二类极端低温事件中西北路径冷空气比第一类的要强，东北路径冷空气则相反，在第一类极端低温事件中的强度要大于第二类；在500 hPa上位势高度距平场上，长波槽扰动叠加在超长波槽上，这种同位相扰动叠加更易导致极端低温事件的发生。

最后需要说明的是，本文从冬季东北地区极端低温事件的角度出发，按其影响范围分为第一和第二类极端低温事件两类。但是，对于中国其他地区发生大范围的极端低温事件而东北没有出现的情况在本文并没有讨论，这两种事件间的关系还应细化并分别进行讨论，这些问题有待于进一步研究。

致谢: 感谢两位审稿人的宝贵评阅意见