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1961-2014年间华北地区倒春寒事件及其演变过程

Ya-Li ZHUa,b, Hui-Jun WANGa,b,c, Tao WANGa,b and Dong GUOc

摘要：本文研究了1961-2014年间华北地区倒春寒事件及其演变过程。在倒春寒期间，欧亚大陆北部受大规模的异常反气旋控制，并将北方冷空气源源不断地输送到华北地区，导致那里出现持续性低温。实际上，上述环流异常在倒春寒发生前10天已经出现在欧洲的西北地区。之后反气旋式风场距平持续向东南方向移动，并扩张到贝加尔湖西部，直到倒春寒发生的两天前，导致偏北风距平向华北输送冷空气。随后，上述异常环流减弱，倒春寒逐渐减弱至结束。这个结果对提高华北地区倒春寒预测和预警有重要意义。

关键词：倒春寒 华北 春季气温 极端天气

1 介绍

冬季东亚地区出现寒潮，其特点是西伯利亚地区出现高压系统、地表温度迅速下降(e.g. Zhang, Sperber, and Boyle 1997; Wang et al. 2012; Park et al. 2015; Ou et al. 2015 )，总是造成严重的社会经济问题，例如：对公共健康产生不利影响(Yang et al. 2009; Chung et al. 2009)。它们是极端天气/气候事件的重要类型之一，并与东亚冬季风的活动密切相关。自从19世纪50年代，气象学家开始研究东亚冬季寒潮(e.g.Li 1955; Ding 1990)。东亚地区寒潮总是伴随着西伯利亚高压的加强(Ding 1990; Zhang, Sperber, and Boyle 1997)。ENSO和北极涛动的变化对东亚地区寒潮有显著影响(Chen, Huang,and Yoon 2004; Jeong and Ho 2005)。近几十年，东亚冷季风的发生频率似乎在降低，这可能是由于受全球变暖影响导致东亚冬季风活动减弱， (Wang and Ding 2006)。Woo et al. (2012) 发现，与上世纪90年代相比，80年代和2000年代东亚寒潮更强烈，并且持续时间更久。

然而，尽管在这个地区倒春寒对作物产量有显著影响，并没有太多关于东亚地区倒春寒的研究，在之后的文章中用“ESCSs”表示。华北地区（35°-40°N，110°-120°E），包括河南省，河北省，山东省，山西省和北京市，是中国冬小麦的主要种植区。在春季（3-5月），这个地区的冬小麦进行返青、拔节、抽穗。许多研究表明冬春温度对冬小麦的长势和产量有决定性作用(e.g. Wheeler et al.2000; Li et al. 2015) 。当华北地区发生ESCSs时，持续的低温异常会对小麦产量产生灾难性的影响，造成减产20%以上（Li et al. 2015) 。之前的研究表明，春季冻害对小麦长势和产量的影响由冬-春季节内温度的波动调节：冬季变暖将加剧春季晚期冻害的影响，而春季早期的冷空气事件将减轻其影响（Li et al. 2015) 。伴随着全球变暖，暖冬变得更加频繁，ESCSs对作物产量负面影响将变得更加明显。然而，除了一些关于省级或者市级小范围倒春寒的初级研究 (e.g. Li et al. 2010; You et al. 2013; Zhao et al. 2014) 。，有关华北地区ESCSs特征、发展过程及环流形势的研究很少。

因此，为了更好地理解华北地区ESCSs，为预测提供有用的信息，在此研究中，我们研究了过去几十年间ESCSs的特征，分析了相关的大气环流，并从天气尺度揭露了华北地区ESCSs的演变过程。

2 数据和方法

在华北地区（35°-40°N，110°-120°E），54年春季日气温的标准偏差为6.68℃。定义ESCSs为：在三月至五月期间，连续五天当日气温低于气候日平均气温至少3℃（简称-3/5标准）。如果新的倒春寒在前一个结束前发生，这两个倒春寒被认为是一个连续的事件。使用持续五天春季气温异常是因为小麦的长势在这个时间段的低温影响下会受到明显的影响(Li et al. 2015)。与SLP明显增加，气温急剧下降的冬季寒潮相比(e.g. Zhang, Sperber, and Boyle 1997; Wang et al. 2012; Park et al. 2015; Ou et al. 2015) ，ESCSs最大的特征是持续低温异常，这将明显影响华北地区小麦的生长。在确定的21个ESCSs事件中（表1），10个事件气温下降超过3℃，剩余的11个事件气温下降少于3℃。

表一. 根据-3/5标准确定的21个ESCSs事件的细节

用来定义ESCSs的日平均气温资料来自CN05数据集(Xu et al. 2009; Wu and Gao 2013)，分辨率为0.5°*0.5°。此外，我们使用NCEP-1分析的日资料分析相关的大气环流，包括2m气温，SLP，位势高度以及经向/纬向风向。ESCSs的演化过程通过综合之前和ESCSs期间的异常环流形势来显示，如表1所示。例如，在ESCSs第一天，SLP异常用来计算这些天SLP和在相同日期气候日平均SLP的不同。

3 结果

春季，3月1日-5月31日期间，日气温从0.75℃逐渐升高至21.1℃，升温率为0.22℃/day（图1（a））。多年平均日气温的标准偏差为6.05℃。季节平均气温（54年春季的标准偏差为0.9℃）在90年代后期后增长迅速（图1（c）），这与太平洋年代震荡的临界点一致(Zhu et al. 2011, 2015)。图1（a）中红色和蓝色的虚线分别表示1961-95与1997-2014年的多年平均日气温。90年代末期以后，几乎整个春天的日气温都上升（图1（b））。尤其是在21世纪初期开始发生在早春的强增温，以及在晚春的弱增温甚至弱降温。

图1. 图1。(a)华北地区多年春季平均日气温时间序列(黑线，1961-2014；蓝色虚线，1961-95；红色虚线，1997-2014；单位：°C)。(b) 1997-2014年多年平均日温度与1961-95年平均日温度之间差异的时间序列。(c) 1961-2014年春季平均温度的时间序列。虚线是多年平均春季温度(11.72℃)。

图2表示SLP的在冬季和春季的气候平均值（纬向异常）以及850hPa风场，在冬季，西伯利亚高压，阿留申低压和在东亚上空的西风带受东亚冬季风环流控制。在春季，大型环流与冬季相似，只是强度稍弱。相关的弱环流形势表明冷空气活动对华北地区春季的影响较弱。

图2.气候学平均值冬季(a)和春季(b)SLP(纬向异常)和850hPa的风场。红色矩形显示华北地区（35°～40°N，110°～120°E）。

使用-3/5标准，我们在1961-2014年间确定了21个ESCSs（表1）。当ESCSs标准放宽为-2/5时，更多事件（65）可以被确定。但是，总而言之，这两种（-3/5和-2/5）确认ESCSs发展过程的不同方法是很相似的，唯一的不同是，当标准放宽为-2/5时，异常的强度会有一定程度的减弱。使用-3/5标准确定的ESCSs的频率（表1），表现出明显的年际变化。在1960s、1970s、1980s、1990s、2000s、2010s分别有6、3、3、5、1、3次ESCSs发生。在1960s和1990s ESCSs发生次数较多（6和5），在1970s、1980s和2000s ESCSs发生次数较少（分别为3、3、1）。然而，在1970s，3次ESCSs中有2次分别持续16天、17天，这比标准中的5天长很多。除此之外，考虑到在2010-14年已经发生了3次ESCSs，2010s ESCSs的发生将超过三次。

为了避免错误影响综合分析，我们挑选并移除了两个在前一过程发生10天内产生的事件：1965年4月26日和1969年3月9日。另一个发生在1969年3月1日事件也被移除了，因为它只是2月一次寒潮的最后一天。随后，我们使用18个ESCSs用来进行综合分析。用21与18个事件进行分析的结果十分相似，只是在欧亚大陆西北部，前8-10天的异常强度较弱。在一次ESCSs发生期间，东亚中心及北部的气温与气候平均气温相比明显较低（图3（a））。最冷的区域是华北地区与贝加尔湖区域，山东省、河南省、河北省的降幅大于-5℃。大尺度正向的SLP异常位于欧亚大陆北部，中心在贝加尔湖东北部（图3（b））。850hPa的低位势高度表明在欧亚北部有明显大规模正向异常，在南部有负向异常（图3（c））。关于高位势高度（图3（d））, 一个以喀拉海南部，贝加尔湖东南部以及本州岛为中心的正-负-正的异常中心的波列模式出现在欧亚大陆上。然而，高位势高度的差异并不明显。因此，在接下来的研究中，我们主要关注低位势高度的现象。

图3.(a)2m气温气温的不同、(b)SLP和(c,d)位势高度(c)850hPa和(d)200hPa 的ESCS第一天与同日气候日平均状态。在0.05水平上的统计意义用虚线区域表示。

为了说明与ESCSs相关的演变过程，我们进一步计算了SLP和850hPa风场在ESCSs期间和先前几天与在相应时期气候日平均值的差异。图四显示了，前第十天（-10）、第八天（-8）、第六天（-6）、第四天（-4）、第二天（-2），以及ESCSs的第一（0），第三（2），第五天（4）的结果。

在前第十天前，欧洲西北角出现正SLP异常，但是强度很弱并且不明显（没有显示）。从前第十天开始，明显的正向SLP异常在巴伦支海和乌拉尔北部上空开始形成。与此相比，那里开始出现明显的反气旋异常（图4（a））。前第八天，乌拉尔北部的标志性异常开始扩张，加强。因此，乌拉尔北部的反气旋异常开始加强（图4（b）），冷空气自西伯利亚西南部运输到西部。冷异常出现在欧亚大陆，但是强度并不明显（图S1b）。在接下来的时期，乌拉尔北部的正SLP异常持续向东南方向移动。同时，相关的反气旋异常也向东南方向移动（图4）。前第六天，西西伯利亚开始出现明显降温（图S1c），伴随着反气旋异常，冷异常的中心持续向东南移动。前第二天（图4（e）），正SLP异常以及反气旋异常占据欧亚大陆北部。冷空气在贝加尔湖上空积累（图S1e）。

图4.ESCS前10～5天850hPa水平风与同日气候日平均状态的不同。在0.05水平上的统计意义用虚线区域表示。

在这之后，正SLP异常和反气旋异常的中心移动到接近贝加尔湖（图4（f）），冷空气被运输至华北地区，华北地区开始发生ESCSs（图S1f）。在接下来的几天中，欧亚大陆北部的正SLP异常开始减弱并向南移动。在ESCSs发生的第三天（图4（g）），正SLP异常分裂为喀拉海南部和贝加尔湖南部的两个弱中心，这时华北地区受异常的北风控制，持续运输冷空气，并造成这里的冷异常（图S1g）。在ESCSs发生的第五天，明显的正SLP异常以及反气旋异常向华南移动，并产生负温度异常（图S1h）。之后，华北地区ESCSs结束。

4 总结与讨论

在文研究了华北地区ESCSs的特点以及演化过程。使用-3/5标准（连续五天当日日平均气温低于气候平均日气温至少三摄氏度），我们确定了华北地区21次ESCSs过程。在1961-2014间，ESCSs的发生频率展现出年际变化。ESCSs期间，大规模的正SLP异常发生在欧亚大陆北部，一个以西伯利亚为中心的反气旋异常出现，北部高纬相关北风异常给华北地区带来冷空气。

在前第十天，当在欧洲西北部观测到正SLP异常以及反气旋异常时，低纬大气环流出现明显的异常。在接下来几天中，正SLP异常和反气旋异常继续向东南移动，相关的西北风异常同时向东南移动。直到前第二天，正SLP的中心向乌拉尔北部移动，反气旋北部扩展至贝加尔湖东南部。之后，正SLP相关延伸至亚洲东南部以及东北部，并减弱。与临近贝加尔湖的反气旋异常相关的偏北异常携带冷空气至华北地区，这里的大气表面温度表现出明显的下降。华北地区北风异常在ESCSs期间持续。最后，正SLP异常以及相关的北风异常逐渐减弱至消失，ESCSs随即结束。

短期（3-5天）与中期（5-10天）的天气预报能力仍需要加强，尤其是针对极端天气事件。ESCSs期间与之前的标志性东南方向的繁衍过程反映了在中高纬度有10-60天的周期的季节内的震荡(e.g. Yang et al. 2013; Yang and Li 2016) 。一个运用季节内震荡标志为主要预测来源的经验预测模型，可以获得25天的有效预报 (Yang and Li 2016) 。因此，在ESCSs之前，欧亚大陆上大规模的环流信号可以用来预测以及华北地区ESCSs预警，以此减少可能的经济损失。除此之外，在北极海冰、北极涛动和海表温度中有什么信号吗？这个问题仍需要进一步的研究。

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