1961—2014年云南冬季寒潮活動規律及其與大氣環流異常的關系

陶 云，陳 艷，任菊章，段長春

(云南省氣象科學研究所，云南 昆明 650034)

寒潮是冬季的主要天氣過程之一，其造成的災害性天氣（暴雪、凍雨、大風等）對農牧業花卉生產、交通運輸、社會經濟和人民生命財產等造成重大損失. 北半球冬季極端天氣事件以強冷空氣和寒潮爆發最為常見[1]. 20世紀50年代，李憲之[2]分析東亞寒潮后將其劃分為甲、乙、丙3種類型；陶詩言[3]通過研究影響中國大陸冷空氣的源地和路徑，把45°～65°N, 70°～90°E 范圍劃為寒潮關鍵區，冷空氣在此滯留、聚集加強后，南下爆發影響中國. 中國大陸寒潮活動的規律、影響因子以及預報方法等研究長期受到氣象工作者的關注. 20 世紀80年代早期，仇永炎等[4-5]和劉怡等[6]通過研究寒潮天氣個例的物理過程，獲得了一系列寒潮中期的預報思路. 近年來，郭其蘊[7]、武炳義等[8]、陳海山等[9]分析得出中高緯環流異?？墒骨秩霒|亞冷空氣的活動產生異常，是導致中國大陸冬季氣溫異常的直接原因. 王遵婭等[10]、李峰等[11]、錢維宏等[12]和康志明等[13]發現中國寒潮近幾十年來的活動頻次總趨勢為減少. 魏鳳英[14]及梁蘇潔等[15]指出寒潮的爆發與AO位相的變化有著密切關系. 葉丹等[16]指出寒潮冷空氣的活動與高空西風急流之間存在聯系，東亞溫帶急流與副熱帶急流間的協同變化影響冷空氣的路徑.

云南地處青藏高原東南側的低緯高原地區，地形復雜，高山、盆地、河谷相間分布. 獨特的地理位置和地形地貌形成了“四季不分明，干濕季明顯”的獨特氣候特征. 云南寒潮強度及頻次都較全國大部偏弱、偏少[11]，形成云南冬季氣溫較高，防寒防凍能力偏弱，寒潮強冷空氣南下影響云南，常常造成嚴重雪災和低溫冷害，產生較大損失. 寒潮引發的低溫雨雪冰凍災害成為了云南冬半年最主要的氣象災害之一[17-18]. 2008年1—2月受源源不斷北方強冷空氣和南方暖濕氣流的共同影響，云南出現了嚴重低溫雨雪冰凍災害，造成28人死亡，直接經濟損失高達90.9億元；2016年1—2月冬季強寒潮給農林牧業、交通、電力、水務和綠化等部門帶來嚴重影響和損失，直接經濟損失28.3億元等等. 為了解影響云南寒潮強冷空氣的變化特征及其影響因子，張云瑾等[19]分析了云南強冷空氣過程的特點，指出云南存在鋒面附近的雨雪天氣和造成重霜凍的晴好天氣等兩種寒潮天氣過程. 劉麗[20]對2000年1月29—31日云南一次強寒潮天氣過程物理量進行分析，得到一些預報指標. 張騰飛等[21]對影響云南的4次降雪寒潮個例進行對比分析，指出4次降雪過程中高緯度環流形勢以及水汽的來源. 陶云等[22-23]分析寒潮與昆明準靜止鋒的氣候關聯性，以及寒潮降雪過程的環流型，在一定程度上了解了影響云南寒潮的天氣背景. 上述研究利用云南典型寒潮個例從天氣學角度對云南寒潮（強冷空氣）產生的大氣環流形勢、物理量以及水汽來源特征進行了診斷分析，對于寒潮天氣過程的預報預警有很好的指導意義. 在氣候變暖背景下，海云莎等[24]、姚愚等[25]分析了近幾十年來云南寒潮（冷空氣）時空活動規律. 但從氣候角度對于云南寒潮年際及年代際變化特征及成因研究不多. 本文從氣候學角度對發生頻率最高的云南冬季寒潮（冬季寒潮頻次占冬半年總寒潮頻次的84%）的年際、年代際變化特征及其對應的異常大氣環流進行分析，有助于提高對云南冬季寒潮活動規律及成因的認識，為云南寒潮短期氣候預測和防災減災提供更可靠的科學依據.

1 資料和方法

1.1 資料由云南省信息中心提供的 1961—2015年云南122個氣象站逐日最低氣溫和日平均氣溫資料及逐月氣溫和降水資料；國家氣候中心提供的1961—2012年逐月74項環流指數資料；美國國家環境預報中心和國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）發布的1961—2015年全球逐月大氣環流再分析資料（500 hPa高度場、700 hPa風場、200 hPa風場及海平面氣壓場）[26]，水平分辨率為2.5°×2.5°. 冬季為當年 12月、次年 1月和 2月（故本文包括2015年）. 氣候平均值為1981—2010年的要素平均.

1.2 云南寒潮標準定義使用姚愚等[25]提出的云南寒潮標準（表1）對云南1961—2014年冬季寒潮頻次進行了統計，獲得云南冬季寒潮發生頻次的時間序列，利用最低氣溫計算了相應冬季寒潮強度時間序列，對時間序列進行標準化處理.

1.3 方法本文使用相關分析、t-檢驗、一元回歸分析、Mann-Kendall突變檢驗方法、功率譜周期分析以及合成分析方法.

表 1 云南寒潮標準Tab. 1 The standard of Yunnan cold wave

1.4 各類指數的來源及定義

（1）北極濤動（AO） 美國NOAA氣候預測中心發布的1961—2015年逐月AO指數（http://www.cpc.ncep.noaa.gov/），計算獲得 1961—2014 年冬季AO指數并進行標準化處理.

（2）西伯利亞高壓指數（ISH） 王遵婭等[10]的定義，?。?0°～60°N, 70°～120°E）區域內海平面氣壓的平均值作為西伯利亞高壓強度指數. 計算獲得1961—2014年冬季ISH指數并進行標準化處理.

（3）東亞冬季風指數（IWM） 施能等[27]的定義，將 20°～50°N、13 個緯度帶（間隔 2.5°）的緯向標準化海平面差（110°E 減 160°E）的和，再進行 1次標準化處理. 計算獲得1961—2014年冬季IWM指數.

（4）南支槽指數（IST） 呂俊梅等[28]的定義，?。?5°～95°E、17.5°～27.5°N）區域內 700 hPa位勢高度平均值的標準化負值定義為南支槽指數. 計算獲得1961—2014年冬季IST指數.

2 云南冬季寒潮活動概況

2.1 云南冬季寒潮變化規律1961—2014 年冬季云南省共發生230次寒潮，平均4.26次/a. 從冬季寒潮年代際變化來看（圖1），20世紀60年代出現次數最多，達52次，平均5.18次/a；其次是70年代為49次；最少是2000年代，為31次，平均3.13次/a，與 20世紀 60年代相比較減少了21次. 2011—2014年全省平均總次數為17次，年均為4.35次，較20世紀70年代、80年代和90年代發生次數有所增加. 總之，從20世紀60年代到21世紀初云南冬季寒潮頻次逐漸減少，與全國寒潮年代際變化基本一致[13]. 從距平值看也是20世紀60年代、70年代及2011—2014年為正距平，20世紀80年代、90年代及2000年代為負距平，最大正距平出現在20世紀60年代，最大負距平出現在2000年代. 云南寒潮強度的變化與頻次一致，頻次多的年代其對應寒潮強度也偏強，20世紀60、70年代寒潮強度較強，20世紀90年代后強度減弱.

圖 1 1961—2014 年云南冬季寒潮年代際變化Fig. 1 Interdecadal variations of the cold wave from 1961 to 2014

圖2是云南冬季寒潮時間演變圖. 從圖2中可知，云南冬季寒潮發生最多的是1975年，標準化值為 2.78，有 6 年（1975、1982、1973、1983、1999年及1976年）標準化值超過1.5，有3 年出現在20世紀70年代；最少的是1986年，標準化值為 ?1.32，有6 年（1986、1980、1974、2000、2009年及 2008年）標準化值低于 ?1.0，有 3 年出現在 21 世紀初. 從趨勢線看，云南冬季寒潮近54 a的總趨勢是減少，全省平均減少 0.16 次/10 a，通過了 90% 的顯著性檢驗. 這與全國大部分區域冬季寒潮的長期變化趨勢為減少一致[10,12,29]，但減少速率不同，云南冬季寒潮減少趨勢較全國冬季（0.34 次/10 a）[10]和華南（0.21次/10 a）[29]更平緩. 從趨勢線看出，在 1984 年附近有一個多轉少的轉折點，1961—1983年23年中有8 年為負值，15 年為正值，平均寒潮頻次為5.35次/a，距平為1.09次，云南冬季寒潮在這個時期以偏多為主；1984—2014年 31年中有 8 年為正值，23 年為負值，平均寒潮頻次為3.45次/a，距平為?0.81次，這段時期云南冬季寒潮以偏少為主. 利用t?檢驗，發現這2個時段平均值的差異通過了98%的顯著性檢驗. 利用Mann-Kendall突變檢驗方法（圖略）也在1984年附近檢測出云南冬季寒潮的一個突變點，進一步說明1984年前后云南冬季寒潮發生了一次明顯的由多轉少的年代際變化.

圖 2 1961—2014 年云南冬季寒潮演變圖Fig. 2 The winter cold wave evolution over Yunnan from 1961 to 2014

從云南寒潮強度變化趨勢看，總體變化與頻次一致，近54 a寒潮強度總趨勢是減弱，寒潮出現時的全省平均最低氣溫升高 0.27 ℃/10 a，通過了99%的顯著性檢驗，比頻次的減少趨勢顯著. 兩者之間的相關系數高達0.87，通過了99.9%的顯著性檢驗. 從圖2中可知，云南冬季寒潮最強發生在1983年，標準化值為?2.48，有 5 年（1983、1982、1973、1999年及1975年）標準化值低于?1.5，與頻次偏多年份基本一致；寒潮最弱的是2000年，標準化值為1.64，有 8 年（2000、2009、2006、2008、1990、2001、1980年及2011年）標準化值超過1.0，基本包含了頻次偏少的年份. 從年代際變化看，寒潮強度與頻次的變化也基本一致，在1984年附近有一個由強轉弱的轉折點. 1961—1983年23年中有7 年為正值，16 年為負值，這段時期云南冬季寒潮總體偏強；1984—2014 年 31 年中有 9 年為負值，22 年為正值，這段時期云南冬季寒潮總體偏弱. 下面的分析以寒潮頻次為代表.

利用離散功率譜方法對54 a冬季寒潮頻次序列進行功率譜分析（圖3），從圖3可看出，云南冬季寒潮主要周期有 3 a左右、5 a左右、8 a左右及54 a的周期，其中8 a左右的周期通過了0.05的顯著性水平檢驗，說明云南冬季寒潮存在年代際以內的變化周期，而年代際以上的變化周期不明顯.

圖 3 云南冬季寒潮功率譜（虛線：α=0.05 的顯著性水平臨界值）Fig. 3 The power spectrum distribution of winter cold wave over Yunnan (The dashed line is the critical value of α=0.05 significance level)

2.2 云南冬季寒潮對冬季氣溫和降水量變化的影響寒潮作為云南冬季主要的天氣過程，對云南冬季氣候變化起著極其重要的作用. 下面對云南1961—2014年冬季氣溫（降水量）進行標準化處理，分析寒潮頻次對云南冬季氣溫、降水量2個主要氣象要素的影響.

圖4是1961—2014年云南冬季標準化寒潮頻次（藍柱狀）、標準化氣溫（紅虛線）和降水量（綠實線）序列演變圖. 從圖4中可知，云南冬季寒潮頻次與降水量變化基本一致，同號對應率為（37/54=68.4%），計算兩者的相關系數為0.32，通過了98%的顯著性檢驗，說明寒潮頻次與冬季降水量間存在很好的正相關關系；而氣溫與寒潮和降水量的變化基本是反向的，寒潮頻次與氣溫的異號對應率為（44/54=81.5%），兩者相關系數高達?0.71，通過了99.9%的顯著性檢驗，說明寒潮頻次與冬季氣溫間存在極好的負相關關系. 當冬季寒潮頻次偏多（少）時，云南氣溫偏低（高），降水量偏多（少），因此寒潮不僅為云南帶來明顯降溫，還有利于云南冬季降水.

圖 4 1961—2014 年云南冬季標準化寒潮頻次（柱狀）、標準化氣溫（虛線）和降水量（實線）序列演變Fig. 4 The normalized cold wave frequency (bar chart),normalized temperature (dashed line) and normalized precipitation (solid line) evolution over Yunnan in winter from 1961 to 2014

為了進一步分析研究冬季寒潮異常時大氣環流的結構特征，根據圖4標準化寒潮、氣溫及降水量序列，定義寒潮和降水大于0.5標準化值同時氣溫小于?0.5標準化值的年份為寒潮頻次偏多年；寒潮和降水小于?0.5標準化值同時氣溫大于0.5標準化值的年份為寒潮頻次偏少年. 這樣選取寒潮異常的年份，可以同時考慮到寒潮頻次的異常及其對云南冬季氣候影響的強度. 在1961—2014年54年中有 7 年為寒潮偏多年，分別為 1961、1967、1970、1982、1983、1992年和 1999年；有 6 年為寒潮偏少年，分別為 1972、1978、2000、2008、2009年和2011年. 可見寒潮偏多年主要出現在20世紀90年代前，偏少年主要出現在2000年以后，這與前面分析的云南冬季寒潮頻次總趨勢減少的結論相一致.

3 云南冬季寒潮年際異常的環流分析

根據上面挑選出的寒潮頻次偏多（少）年，對海平面氣壓場、500 hPa高度場、700 hPa風場和氣溫場及200 hPa緯向風場進行了合成分析，從大氣環流的角度分析云南冬季寒潮頻次異常的原因，并用t-檢驗方法對分析結果進行顯著性檢驗（圖5）.

在寒潮偏多年與偏少年海平面氣壓差值圖上（圖5（a）），中高緯度為負—正的帶狀分布，類似環狀模(NAM)結構. 高緯度異常負中心位于巴倫支海到新地島一帶；中緯度存在2個正異常中心，分別在亞速爾群島的洋面及貝加爾湖附近. 云南寒潮偏多年，從西伯利亞以東至貝加爾湖一直到東亞，均為正海平面氣壓控制，說明這一帶異常冷高壓活動頻繁，有利于冷空氣沿著冷高壓東南側向南方侵入. 中國東南沿海及南方大部的正異常海平面氣壓通過90%以上顯著性水平檢驗，也說明了影響該區域的冷高壓較為異常偏多，有利于冷空氣影響云南，致使寒潮頻次偏多. 計算同期冬季北極濤動指數（AO）、西伯利亞高壓指數以及東亞冬季風指數與云南寒潮頻次的相關系數，分別為0.15、0.23及0.34，說明云南寒潮頻次與同期冬季北極濤動、西伯利亞高壓以及東亞冬季風存在正相關關系，冬季北極濤動為正（負）位相、西伯利亞高壓偏強（弱）以及東亞冬季風偏強（弱）時，云南冬季寒潮頻次偏多（少）. 云南寒潮與西伯利亞高壓的相關系數通過了90%的顯著性水平檢驗，與東亞冬季風的相關系數通過了98%的顯著性水平檢驗.

在寒潮偏多年與偏少年500 hPa高度場差值圖上（圖5（b）），從高緯度至低緯度也為負—正—負的帶狀分布. 高緯度異常負中心位于巴倫支海到新地島一帶，通過了90%以上的顯著性水平檢驗.北半球極區附近幾乎為負值區，說明云南寒潮偏多年極渦較偏少年偏強，中心位置偏東半球在巴倫支海到新地島附近；中緯度的2個正異常中心，分別在亞速爾群島的洋面及貝加爾湖附近，貝加爾湖正異常中心通過了90%以上的顯著性水平檢驗，說明在云南寒潮偏多年從西伯利亞以東到貝加爾湖一帶為異常高壓脊控制. 張騰飛等[21]和陶云等[23]研究也指出貝加爾湖附近的阻塞高壓形勢有利于強冷空氣南侵影響云南. 低緯度地區30°N以南為負值帶狀分布，大部地區通過了90%以上的顯著性水平檢驗，最大負值中心位于日本半島南部. 在云南寒潮偏多年，南支槽以及東亞大槽均較偏少年偏強. 總之，當極渦偏強（弱）、貝加爾湖高壓脊偏強（弱）、東亞大槽和南支槽偏強（弱）時，有利于云南冬季寒潮頻次偏多（少）.

在寒潮偏多年與偏少年200 hPa緯向風場差值圖上（圖5（c）），從高緯度到低緯度為正—負—正的波列分布，表明云南寒潮頻次偏多年對流層上層東亞副熱帶急流明顯偏強，極鋒急流明顯偏弱.Yang 等[30]、Jhun 等[31]研究指出，當對流層上層東亞副熱帶急流偏強、極鋒急流偏弱時，東亞地區地面經向溫度梯度和北風增強，為冷涌向南爆發提供了有利大尺度動力條件. 這與700 hPa的風場和溫度場（圖 5（d）和（e））相一致，說明對流層上層的急流變化是影響云南寒潮頻次的一個重要因子，其可能通過影響冷涌向南爆發的頻次進而影響云南寒潮的發生頻次.

圖 5 云南冬季寒潮正負異常年各氣象要素差值（陰影區：通過90%以上的信度檢驗）Fig. 5 Difference of meteorological elements in positive and negative abnormal years of winter cold wave in Yunnan Province(shadow area: pass the reliability test of more than 90%)

在寒潮偏多年與偏少年700 hPa風場差值圖上（圖5（d）），從高緯度有異常偏北氣流向南入侵到低緯度地區（20°N），向西到了云南東部，說明在云南寒潮偏多年東亞冬季風較強，進一步證明了東亞冬季風指數與云南寒潮頻次有較好的相關性，當冬季風偏強（弱）時，云南冬季寒潮頻次偏多（少）；另外，從圖5（d）中發現在青藏高原西部也有一支從巴爾喀什湖南側向南的異常偏北氣流，經過印度北部、孟加拉灣北部到達云南. 索渺清等[32]研究發現，青藏高原西側的冷空氣沿高原南側到達孟加拉灣加深南支槽. 馬曉青等[33]發現，南支槽的東移及其位相對寒潮向南爆發有很大的影響. 計算同期冬季南支槽指數與云南寒潮頻次的相關系數高達0.54，通過了99.9%的顯著性水平，說明云南寒潮頻次與同期冬季南支槽存在極好的正相關關系，冬季南支槽偏強（弱）時，云南冬季寒潮頻次偏多（少）. 南支槽影響云南寒潮頻次的原因，可能與高原西側的異常偏北氣流有關. 相應的，在700 hPa溫度場差值圖上（圖5（e）），中高緯度烏拉爾山以東到貝加爾湖一帶為異常高溫區；中低緯度大部地區氣溫偏低，顯著異常偏低的區域主要位于青藏高原至日本南部，云南也處于異常低溫區，這是由于云南寒潮頻次偏多，導致氣溫偏低.

利用國家氣候中心提供的1961—2012年74項環流特征指數資料，計算環流指數與云南冬季寒潮頻次的相關關系，獲得了與云南冬季寒潮頻次高相關的環流特征指數（見表2）.

表 2 高相關的環流指數Tab. 2 The circulation index of highly correlate

從表2可看出，影響云南冬季寒潮頻次的高相關因子主要是中緯度的副熱帶高壓、中低緯度的印緬地區的低槽和西藏高原高度和及中高緯度的亞洲極渦. 云南冬季寒潮多（寡）變化與因子的強（弱）及位置的變化密切相關. 這與圖 5（b）中 500 hPa高度場的分布相一致，兩者間的相關關系均在0.3以上或?0.27以下，顯著性超過95%的檢驗水平.當南海副高位置偏南（北）、強度偏弱（強）、面積偏?。ù螅?，西太平洋副高位置偏南（北）偏東（西）、強度偏弱（強）、面積偏?。ù螅?，有利于（不利于）北方冷空氣向南入侵影響云南；西藏高原高度和偏低（高）和印緬槽偏強（弱），說明高原上及孟加拉灣低槽活躍（不活躍）；亞洲區極渦面積指數偏大（?。?，有利于（不利于）冷空氣生成，造成冬季云南寒潮頻次偏多（少）.

通過上述分析可知，云南冬季寒潮頻次年際變異不僅與對流層上層的急流有關，與中層極渦、貝加爾湖的高壓脊、東亞大槽、西太平洋副高、南支槽以及地面西伯利亞以東貝加爾湖附近的冷高壓等系統也存在密切相關.

通過上述分析，可概括出適用于云南的影響冬季寒潮異常的大氣環流概念模型（圖6）.

圖 6 云南冬季寒潮異常概念模型Fig. 6 The conceptual model of the winter cold wave anomaly in Yunnan

4 結論

通過對1961—2014年云南冬季寒潮頻次（強度）年際、年代際活動規律及其對應的大氣環流異常的分析，得到了以下主要結論.

（1）近 50 a（1961—2014 年）云南冬季寒潮頻次（強度）總體呈減少（弱）趨勢. 頻次平均減少0.16次/10 a，寒潮出現時的云南平均最低氣溫升高 0.27 ℃/10 a；1984 年附近為寒潮頻次（強度）由多（強）轉少（弱）的一個轉折點，目前處于寒潮偏少（偏弱）時期. 功率譜周期分析表明云南冬季寒潮主要周期有 3 a 左右、5 a 左右、8 a 左右及 54 a的周期，其中8 a左右的周期通過了0.05的顯著性水平檢驗.

（2）云南冬季寒潮與氣溫、降水量存在較好的協同變化. 當冬季寒潮頻次偏多（少）時，云南氣溫偏低（高），降水量偏多（少）. 由此定義寒潮和降水大于0.5標準化值同時氣溫小于?0.5標準化值的年份為寒潮頻次偏多年（即 1961、1967、1970、1982、1983、1992年和 1999年）；寒潮和降水量小于?0.5標準化值同時氣溫大于0.5標準化值的年份為寒潮頻次偏少年（即 1972、1978、2000、2008、2009年和2011年）.

（3）云南冬季寒潮頻次年際變異與中層極渦、貝加爾湖的高壓脊、東亞大槽、西太平洋副高、南支槽以及地面西伯利亞以東貝加爾湖附近的冷高壓等系統存在密切相關關系. 在海平面氣壓場，冬季北極濤動為正（負）位相、西伯利亞高壓偏強（弱）以及東亞冬季風偏強（弱）時，云南冬季寒潮頻次偏多（少）；在 500 hPa高度場當極渦偏強（弱）、貝加爾湖高壓脊偏強（弱）、東亞大槽和南支槽偏強（弱）時，有利于云南冬季寒潮頻次偏多（少）；當南海副高位置偏南（北）、強度偏弱（強）、面積偏?。ù螅?，西太平洋副高位置偏南（北）偏東（西）、強度偏弱（強）、面積偏?。ù螅?，有利于（不利于）北方冷空氣向南入侵，影響云南，造成冬季云南寒潮頻次偏多（少）.

（4）副熱帶對流層上層的急流變化是影響云南寒潮頻次變化的一個重要因子，其可能通過影響冷涌向南爆發的頻次進而影響云南寒潮的發生頻次.