东北地区是中国商品粮的主产区之一,粮食生产在全国粮食供需平衡中具有重要地位,粮食多年平均产量占全国的13%,其中玉米占30%,大豆占35%以上^[1,2]。20世纪50~70年代,中国东北地区夏季低温冷害频发,由东北三省气象部门与中央业务、科研院所等单位组成的东北低温协作研究组,对东北夏季低温的成因以及长期预报方法,进行了系统的研究,发现东北地区持续低温时,自亚洲大陆到太平洋东部,除亚洲南部、青藏高原和西伯利亚中部外,气温几乎都是负距平,同时还发现东北夏季低温具有群发性的特点^[3~5]。20世纪80年代以来,东北夏季低温冷害出现的频率明显减少^[6]。尤其是90年代以后,全球进入了百年以来最暖的时期^[7],中国东北地区成为全球变暖区域响应显著变暖的地区之一, 1994~2008年未发生大范围的夏季低温气候事件,2009年夏季,东北地区中部和北部出现一次较为严重低温事件,再次引起了人们的关注^[9,10]。

6月和10月大气环流往往发生突变现象^[11] ,而6月正值东北亚地区大气环流开始盛行阻高和东北冷涡活动（偶极子）,本文拟在这种环流背景下,给出辽宁、吉林和黑龙江（以下简称东北三省）初夏极端低温事件的定义,揭示其空间分布特征以及持续的天气动力机制,探讨东北三省初夏气温变化是否对整个夏季气温变化趋势具有预警作用。

1 资料和方法

本文采用东北三省150个测站1961~2008年的逐日温度资料和同期美国环境预报中心(NCEP)、国家大气研究中心(NCAR) 2.5°×2.5°分辨率的全球再分析资料。依据沈柏竹等^[10]定义的东北地区夏季低温极端气候事件的划分标准,用于东北三省测站初夏（6月）日平均气温低温事件的定义。

将同时满足下述2个条件的,定义为东北三省初夏（6月）1次极端低温事件：① 任一测站日平均气温 T̅6D≤-1.0σ为一个极端低温天气日,并持续≥5 d,其中 σ为6月日平均气温变化的标准偏差;②东北三省某一区域（测站比较集中）,达到≥5个极端低温天气日的测站数≥20个,且发生在同一个时间段,即：各个测站之间发生该次事件的开始日期不能相差2日以上。

将达到极端低温事件测站数最大的日期,定义为极端低温事件的代表日期,统计得到符合上述标准的样本11个,日期为：1964-06-06,1967-06-10,1969-06-29,1974-06-24, 1977-06-16,1983-06-09,1983-06-15,1983-06-30,1989-06-19,1992-06-09,2002-06-15 。

采用Takaya和Nakamura推导出的三维波作用通量^[12,13],来描述Rossby波能量频散过程^[14],其中,气候态取自1971~2000年500 hPa日平均场作为基本场,与此对应的异常场则为准地转扰动场,位势高度的单位为gpm。

将同时满足下述2个条件的,定义为东北三省初夏（6月）1次典型高温事件： ① 任一测站日平均气温 T̅6G≥1.0σ为一个极端高温天气日,并持续≥5d,其中σ为6月日平均气温变化的标准偏差;②东北三省某一区域（测站比较集中）,达到≥5个极端高温天气日的测站数≥20个,且发生在同一个时间段,即：各个测站之间发生该次事件的开始日期不能相差2日以上;

将达到典型高温事件测站数最大的日期,定义为典型高温事件的代表日期。

根据刘刚等^①定义的阻高标准：① 500 hPa位势高度场上有高压中心;② 高压中心日移动不超过12.5个经度;③ 高压中心至少维持3 d或以上。

根据孙力等^[15]有关500 hPa高度场东北冷涡的定义：① 在500 hPa天气图上至少能分析出一条闭合等高线,并有冷中心或明显冷槽配合的低压环流系统;② 冷涡出现在（35°N~60°N、115°E~145°E）范围内;③ 冷涡在上述区域内的生命史至少为3 d或3 d以上。将影响初夏极端低温事件的东北冷涡和亚洲阻高的活动天数进行统计对比,找出这2个影响系统与东北初夏极端低温事件之间可能存在的联系。

从表1可见极端低温事件出现在9个年份之中（1983年初夏发生了3次）,除了1977年冷涡天数较少（2002年冷涡活动正常）外,其余的极端低温事件均发生在初夏冷涡活动天数为正距平的年份;极端低温事件同样多发生在初夏阻高活动天数为正距平的年份（除1964年和1992年外）。

2 东北三省初夏与夏季气温相关性的空间分布

图1为东北三省150个测站1961~2008年6月与6~8月及6月与7~8月平均气温相关系数分布图,由图1a可见,东北三省150个测站初夏与夏季平均气温相关显著（除个别测站外）,表明东北三省初夏平均气温变化趋势不仅在时间尺度上对整个夏季平均气温变化有很好的代表性,而且,东北三省无论是初夏还是夏季气温变化在空间尺度上具有整体一致性。图1b可见,除了黑龙江最北部、吉林省中南部和辽宁省中部有一部分区域没有达到显著性水平外,其余大部分地区的相关系数也都达到了α=0.05的显著性水平,说明东北地区的初夏温度变化在整个夏季有较好持续性。

① 刘 刚,沈柏竹,廉 毅,等.亚洲阻塞高压及其与东北冷涡活动和东北夏季低温的联系[J].地理科学,待发.

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图1   东北三省150个测站1961~2008年6月与6~8月（a）和6月与7~8月（b）平均气温的相关系数(注：图中白色区域外部分的显著性水平\begin{array}{c}\alpha =0.05\end{array},等值线间隔为0.1。)

Fig.1   Correlation between June and the whole summer average temperature (a), June average temperature and average temperature of July and August (b) in 1961-2008 of 150 observatory stations in Northeast China

3 极端低温事件空间分布类型

依据东北三省的地理特征,由高纬度到低纬度,将极端低温事件分为3类,第Ⅰ类为极端低温事件的测站和低温的大值区都集中在黑龙江境内（图2a）,第Ⅱ类为极端低温事件的测站和低温的大值区主要集中在黑龙江和吉林省（图2b）,第Ⅲ类为极端低温事件的测站和低温的大值区遍布东北三省（图2c）。

表2的11个极端低温事件中,第Ⅰ类有4个,第Ⅱ类3个,第Ⅲ类4个。20世纪90年代以来仅有2次第Ⅲ类极端低温事件发生,表明由于东北地区是全球变暖响应的显著区域,东北地区不仅整个夏季极端低温事件明显减少^[6,9,10] ,而且发生的频率也明显降低,但是,一旦出现往往是大范围的,1992年和2002年6月出现的2次事件就是例证;在东北三省范围内,黑龙江省3类极端低温事件均有发生（11次,见表2）,吉林省多有第Ⅱ和第Ⅲ类事件发生（7次,见表2）,而辽宁省则仅出现第Ⅲ类事件（4次,见表2）,说明东北三省初夏极端低温事件发生次数随纬度的增高而增加。

4 三类极端低温和一次典型高温事件的Rossby波能量频散

本文尝试从大气基本流与低频变化相互作用的角度出发,进一步分析初夏极端低温事件发生的大气环流主要特征,而北半球大气低频变化的水平结构就是二维的Rossby波,往往有可能揭示出东北亚地区高空大气环流局域环流异常的某些动力机制^[16]。

图3为3种类型极端低温事件和一次典型高温事件的Rossby波波作用通量和500 hPa位势高度异常场分布图。从图3可以看出,阻高和冷涡的位置和配置决定了极端低温事件的空间范围。第Ⅰ、Ⅱ类事件中,阻塞高压出现在鄂霍次克海地区,与黑龙江省低温的关系更加密切,第Ⅲ类事件中东北冷涡偏南,贝加尔湖阻高与鄂霍次克海阻高相互匹配,同时,该次事件东北冷涡中心异常强,达到-40 gpm(图3c)。也说明发生低温事件时,东北亚地区与6月大气环流盛行的由北向南的阻塞高压和东北冷涡偶极子系统相比还要异常,也就是在原有基本流的基础上又增加了位相相同的异常强迫,即,北面为“+”和南面为“-”的异常,表明东北亚地区比同时期偶极子还要强,尤其阻塞高压区的位势高度异常达到+100 gpm,东北冷涡中心的位势高度异常相对弱一些,一般为-20 gpm(图3a,b)。

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图2   典型极端低温事件站点分布及对应的站点温度距平（℃）(a. 第Ⅰ类(1964-06-06); b. 第Ⅱ类(1974-06-24); c. 第Ⅲ类(1992-06-09))

Fig.2   Distribution of extreme cool summer events and corresponding temperature anomalies

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图3   500 hPa位势高度异常场及其对应的波作用通量分布
(a.第Ⅰ类; b. 第Ⅱ类;c. 第Ⅲ类; d. 典型高温天气事件（1994-06-15）注：箭头长短表示波作用通量大小（m²/s²）,0.5cm长度代表80 m²/s²;彩色区域表示波作用通量辐散（辐合）大于（小于）2×10^-5（-2×10^-5）m/s²的区域。)

Fig.3   The 500 hPa geopotential height anomalies and the corresponding wave activity fluxes

东北亚地区都位于Rossby波能量频散大值区内,东北区西侧为显著波作用通量辐散区,表明该处有波源存在,其东侧为波作用通量辐合区,说明Rossby波在该处被阻截,加强了该地区的局地环流异常,这种结构在第Ⅱ类和第Ⅲ类极端低温事件中尤其明显。从北向南呈典型的“+、-”波列结构,以及东亚至西北太平洋地区500 hPa位势高度呈 "ω"形状的两槽一脊的异常场,从而形成有利于初夏极端低温事件发生的环流异常背景和低频动力条件,致使来自北方和东北方向的强冷空南下在东北亚地区持续活动,该偶极子结构在其余的6次极端低温事件中也很明显（图略）。而在高温事件典型代表年份东北亚区500 hPa位势高度异常场与极端低温事件相反,从北向南则呈典型的“-、+”波列结构,东亚至西北太平洋地区500 hPa位势高度呈倒 "ω"形状的两脊一槽的异常场,即,阻高与冷涡的配置同低温事件相比基本相反。在勘察加半岛至阿留申群岛地区上空有两组显著的Rossby波能量辐散和辐合区,致使该区阻塞高压异常强,为东北亚地区典型高温异常“-、+”波列结构的维持提供了有利的环流异常背景和低频动力条件,不利于北方和东北方的强冷空南下(图3d)。

5 对流层垂直剖面特征

采用垂直剖面分析方法,揭示极端低温天气事件与冷空气的平流以及异常大气环流系统所伴随强烈的上升运动之间的关系。

图4为3种典型极端低温事件和1次典型高温天气事件沿125°E的垂直速度ω与水平速度v的合成场 [ω-v]和温度距平纬圈剖面图,平均场为1971~2000年。造成第Ⅰ类和第Ⅱ类极端低温事件是由于东北区上空的冷涡系统是切断低压系统,冷平流起主要作用,使得该区域温度降低,这两类事件在东北地区（40 °N ~50°N）的异常上升运动较弱,大都位于800 hPa及以下的对流层下层,异常强上升区位于50°N的偏北地区;而第Ⅲ类极端低温事件则在整个东北地区呈现强烈的对流态势,异常上升运动延伸到对流层中上层300 hPa附近,有深厚的冷堆相对应,强冷中心为-7℃位于行星边界层的900 hPa附近,对流层顶至平流下层（250~100 hPa）则是较深厚暖中心（见图4c）,这也正好解释了为什么第Ⅲ类事件分布在东三省全境且测站最多,面积也最广的机制。东北三省典型高温天气事件过程上空 [ω-v]合成和温度距平场与上述3种典型极端低温事件的结构刚好相反,处于垂直运动的下沉区（ [ω-v]合成的箭矢指向下）,暖堆则位于580 hPa及以下的对流层中下层,而冷中心位于对流层的上层,这样的垂直结构既不利于冷涡的发展,更不利极端低温天气的发生（见图4d）。

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图4   沿125°E垂直速度-水平速度合成和温度距平纬圈剖面(a.第Ⅰ类;b.第Ⅱ类;c.第Ⅲ类;d. 典型高温天气事件（1994-06-15）)

Fig.4   Synthesis pattern of the latitude-high cross section showing the \begin{array}{c}[\omega -v]\end{array} and temperature anomaly zonal profiles for the Northeast China along the longitude of 125°E

6 结 论

1） 东北三省150个测站6月与6~8月及6月与7~8月平均气温的相关显著,表明东北三省初夏与夏季气温相关显著（显著性水平α=0.05）,在时空尺度变化上具有整体的一致性,因此,东北三省初夏气温的变化对整个夏季气温变化有着重要的预警作用。

2） 文中给出东北三省测站初夏极端低温事件的定义;揭示极端低温事件共发生11次并且可分3种类型,其中第Ⅰ类、第Ⅱ类和第Ⅲ类事件各有4次、3次和4次,说明东北三省随纬度的增加极端低温事件发生的频率也明显增大;自20世纪90年代以来,随着东北地区显著变暖,极端低温事件也明显减少,仅出现2次,一旦发生,便在东北三省全境出现。

3） 阻高与冷涡的位置和配置决定了极端低温事件的空间范围,鄂霍次克海阻塞高压与黑龙江省极端低温事件的关系更加密切,贝加尔湖阻高与鄂霍次克海阻高相互匹配,同时东北冷涡偏南的情形下易出现第Ⅲ类极端低温事件。东北亚地区盛行北面阻高和南面东北冷涡这对偶极子气候平均态,由于受到大气低频Rossby波扰动的同位相强迫,更增强了500 hPa位势高度场由北向南的“+、-”局域环流的异常,东亚至西北太平洋地区上空呈 "ω"形状的两槽一脊的异常场,形成有利于初夏极端低温天气事件发生的条件;在垂直方向上,发生极端低温事件,尤其是第Ⅲ类的东北区域上空对流层上升运动异常强,第Ⅰ、Ⅱ类事件,由于冷涡系统是切断低压系统,冷平流的作用是造成这两类事件的主要原因,而典型高温事件则与极端低温事件相反。

本文仅仅给出了东北三省初夏发生的极端低温事件测站区域分布特征和天气动力一般特征分析。对于发生极端低温事件的瞬变强迫以及有关前期大气和海洋影响因子还要做进一步的研究。

致谢：本文有关Rossby波的计算得到了施宁博士和谢作威博士的帮助,在此表示感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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