引言

东亚冬季风是东亚季风系统中重要的组成部分，是北半球冬季最活跃的大气环流系统之一，东亚冬季风的异常直接影响东亚地区冬季天气气候特征。当东亚冬季风偏强时，低层西伯利亚高压和阿留申低压偏强，中层东亚大槽偏深，造成副热带北风气流偏强，东亚副热带地区气温偏低(Lan et al, 1984; 陈隽等, 1999; 高辉, 2007)。东亚冬季风系统与我国冬季气候异常也有着密切的关系，研究表明，东亚冬季风强度与我国各地冬季气温均为负相关，偏强的东亚冬季风会导致冷空气和寒潮活动频繁影响我国地区，造成低温冷害等灾害性天气频发(Chang et al, 1982; Ding et al, 1987; Zhang et al, 1997; 郭其蕴, 1994; 孙丞虎等, 2012)。统计分析发现(吴尚森等，2000)，异常偏强的东亚冬季风还会造成我国华南地区冬季异常冷月的出现。同时，东亚冬季风的发展变化也与我国春季和夏季的气候异常有一定的关系。

2012/2013年冬季，东亚冬季风强度较常年同期略偏强，季风强度季内变化显著，与之相对应，我国冬季平均气温-3.7℃，较常年同期(-3.4℃)偏低0.3℃，季内，我国气温变化呈现前冬冷、后冬暖的阶段性变化特征。前冬东北、华北地区气温均创近40年新低，低温雨雪天气导致新疆北部、内蒙古中东部及黑龙江东北部等地遭受不同程度雪灾，对部分地区交通安全、物流运输和电力供应造成不利影响(黄威, 2013; 花丛, 2013)；而在后冬，全国除东北和内蒙古东部偏冷外，其余大部地区气温以偏暖为主(关月等，2013；安林昌等，2013)。由此可见，东亚冬季风强度的季内变化与我国冬季天气气候异常有密切的联系，那么，影响东亚冬季风系统的主要外强迫因子是什么？造成东亚冬季风强度季内变化的原因又是什么？本文将针对上述问题加以分析，并试图给出初步的解释。

1 资料和方法

本文使用的主要资料包括：国家气象信息中心提供的1951年以来中国2286站温度资料，美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)提供的NCEP/NCAR再分析数据集(Kalnay et al, 1996)，以及美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的IMS海冰积雪范围数据集(Helfrich et al, 2007)。本文使用的气候平均值为1981—2010年。

为表征东亚冬季风活动特征，本文还计算东亚冬季风指数(朱艳峰, 2008)和西伯利亚指数，具体定义为：

东亚冬季风指数：

I_EAWM=U₅₀₀(25°~35°N, 80°~120°E)-U₅₀₀(50°~60°N, 80°~120°E)

西伯利亚高压指数：

I_SH=SLP(40°~60°N, 80°~120°E)

2 2012/2013年冬季东亚冬季风活动及其影响 2.1 东亚冬季风活动特征

2012/2013年冬季，东亚冬季风强度指数为0.83，较常年同期略偏强(图 1)。从其年代际变化特征上看，东亚冬季风目前处于年代际偏强的阶段，已连续6年强度偏强。季内，冬季风强度变化显著，前冬冬季风偏强，后冬冬季风偏弱，2月上旬出现低频尺度的偏强阶段(图 2)。西伯利亚高压同样处于偏强的年代际背景下，但2012/2013年冬季西伯利亚总体强度呈现正常略偏弱的特征(图 3)；逐日监测表明，西伯利亚高压强度表现出与东亚冬季风相对应的季内变化特征(图 4)。

2.2 我国冬季气温异常特征

2012/2013年冬季，全国平均气温-3.7℃，较常年同期(-3.4℃)偏低0.3℃(图 5)。与常年同期相比，东北大部、内蒙古东部、华北大部、华东大部、华中大部、新疆北部和中部、西藏西部部分地区气温偏低，其中东北大部、内蒙古东部、华北东北部、新疆北部和西藏西部局部地区偏低2~4℃，局部偏低4℃以上；其余大部地区气温接近正常或偏高，其中云南大部和青海南部气温偏高1~2℃(图 6)。季内，我国气温变化呈现前冬冷、后冬暖的阶段性变化特征，其中2012年12月上旬至2013年1月上旬，全国除西南地区略偏暖外，北方和中东大部气温偏低2~4℃，部分地区偏低达4℃以上。2013年1月上旬至2月下旬，全国除东北大部和内蒙古东部偏冷外，其余大部地区气温以偏暖为主(图 7)。

2.3 我国极端事件特征

2012/2013年冬季，共有9次冷空气过程影响我国，受冷空气活动影响，我国主要发生了极端低温、极端日降温和极端连续降温事件。全国共有128站的日最低气温达极端低温事件监测标准，主要分布在华北北部、西南东北部和新疆等地，其中西藏狮泉河(-36.7℃)等6站的日最低气温突破历史极值(图 8)。同期，全国共有141站发生极端日降温事件，主要发生在东北南部、华南和青海、西藏等地，普遍降温幅度达10℃以上，其中18站的降温幅度突破历史极值(图 9)。另外，黑龙江、青海和西藏等地共45站的连续降温幅度达极端事件监测标准，其中3站的连续降温幅度突破历史纪录。

3 2012/2013年冬季大尺度环流异常特征 3.1 北极涛动

北极涛动(AO)作为高纬地区大气环流异常的重要组成部分，与欧亚中高纬地区表面气温和海平面气压变化都有密切联系，并通过影响西伯利亚高压影响东亚冬季风的强度变化(Thompson et al, 1998; 2000; Wallace, 2000; Wang et al, 2000)。2012/2013年冬季，AO指数持续维持负位相，有利于极地的冷空气向南侵袭影响我国。图 10给出冬季AO指数与表面气温和200 hPa纬向风场的相关关系。可见，欧亚地区中高纬大部分地区为显著的正相关区域，表明AO位于负位相时，对应欧亚中高纬地区表面气温负异常(图 10a)。一方面，中高纬地区气温的偏低减弱了该地区与极区的经向温度梯度，从而不利于纬向西风的加强，如图 10b所示，欧亚大陆50°~80°N区域为AO指数与200 hPa纬向风正相关区域，表明AO负位相时该区域纬向西风减弱；另一方面，减弱的纬向基本流有利于中高纬地区环流经向度加大，槽脊活动增多，引导极地的冷空气南下影响欧亚中高纬地区，造成该地区表面气温偏低。

3.2 高低层环流特征

根据上节的分析，北极涛动(AO)持续负位相有利于欧亚中高纬地区环流经向度加大，图 11a给出2012/2013年冬季对流层500 hPa高度及其异常场分布，分析表明，在500 hPa高度场上，欧亚大陆中高纬环流呈“两槽一脊”的环流形势，乌拉尔山的高压脊持续偏强，而东亚槽也异常偏强，有利于冷空气沿高空槽南下。此外，东亚中纬地区，位势高度距平场上为“北低南高”异常分布型，导致我国东部长江以北地区的东北、华北、内蒙古东部以及黄淮地区气温偏低，而长江以南的大部分地区气温偏高。而从海平面气压异常场分布来看(图 11b)，欧亚地区表现为“北高南低”的海平面气压异常分布，有利于欧亚大陆中高地区气温的偏低和低纬地区气温的偏高。进一步分析表面，2012/2013年冬季我国气温异常、500 hPa高度场异常和海平面气压场异常的分布，与Wang等(2010)研究中东亚地区冬季气温EOF分解第一模态及其对应的环流场相一致，受这种大尺度环流分布型影响，我国东南部地区为低层异常南风控制，整体表现出现东北冷、西南暖的温度异常分布特征。值得指出的是，2012/2013年冬季海平面气压场异常分布表现出对应AO持续负位相的分布特征，而不是典型的东亚冬季风和西伯利亚高压偏强的特征，这也是西伯利亚高压强度在季节尺度上略偏弱的重要原因。

4 东亚冬季风异常的可能原因 4.1 北极海冰的影响

前期研究表明，9月海冰范围与后期冬季大尺度大气环流异常有着密切联系，海冰的减少会导致北极地区增暖，并通过与大气的正/负反馈作用影响遥远区域的气候变异(Honda et al, 1999; 2009；Alexander et al, 2004; Screen et al, 2010; Kumar et al, 2010; Wu et al, 2011)。观测结果也显示，冬季巴伦支海—喀拉海海冰偏少时，东亚冬季风会偏强。自2012年夏季开始，北极海冰覆盖范围持续异常偏小，偏小幅度超过气候态两倍标准差，这一状况一直持续到2012/2013年冬季(图略)；其中8月中旬至10月中旬，海冰覆盖面积持续低于自有观测资料以来年海冰覆盖面积的最小纪录——2007年同期海冰覆盖面积。而从海冰范围距平分布来看(图 12)，秋季北极大部分地区海冰范围较常年明显偏少，巴伦支海北部、喀拉海、拉普捷夫海、楚科奇海、波弗特海和巴芬湾等海域海冰范围较常年同期偏低20%~60%，其中喀拉海北部和波弗特海偏低60%以上。图 13给出9月北极地区海冰范围与冬季海平面气压的相关系数分布，分析可以发现，自欧洲东部到西伯利亚地区为显著的负相关区域，表明前期海冰范围的减少有利于冬季欧亚大陆北部的海平面气压出现正异常，致使西伯利亚高压的偏强，有利于冷空气南下我国。另一方面，前期秋季北极海冰偏少使得北极地区温度较常年同期偏高，导致极区与欧亚大陆之间的温差较常年同期偏小，减弱了欧亚北部的西风急流，有利于欧亚地区高纬的冷空气南下影响我国，最终导致今年冬季我国东北、内蒙古东部、华北、华东等地大范围低温的出现。

4.2 平流层环流异常下传的影响

4.1节的分析显示，北极海冰异常偏少作为相对持续和稳定的外强迫因子，有利于冬季西伯利亚高压的偏强，这与2012/2013年冬季西伯利亚高压略偏弱的事实并不完全吻合，进一步研究发现，西伯利亚高压强度表现出明显的季内变化特征，在12月初至1月上旬和2月上中旬明显偏强，而在冬季的其他时段偏弱，西伯利亚高压强度的这种阶段性减弱受平流层位势高度异常下传影响。

图 14给出2012/2013年冬季平流层大气环流演变特征，分析发现，在2013年1月上中旬，平流层10 hPa等压面出现明显的位势高度正异常(图 14a)，并伴随着一次平流层爆发性增温过程(图略)，平流层位势高度正异常出现后迅速下传并在1月中下旬开始影响对流层中低层。从150 hPa上传波动热通量和20 hPa纬向风场的演变特征来看(图 14b和14c)，在这一次平流层位势高度正异常下传过程中，首先，在2012年12月中旬至2013年1月上中旬，整个平流层有异常强的上传波动热通量，这种异常强的上传波动热通量在平流层辐合，从而引起平流层的纬向基本流的减速；伴随着纬向西风减速作用，平流层极涡强度大大减弱，减弱的幅度在1月中旬前后达到最强，西风环流逆转为东风环流，形成暖的极区，导致平流层爆发性增温现象；在极区建立起来的东风环流不利于波动热通量的上传，从而抑制对流层能量的向上频散；在这种情况下，平流层大气环流在非绝热过程的调整下向辐射平衡发展，产生西风加速，从而逐渐恢复西风环流。在整个过程大约50 d的时间里，纬向基本流的偏弱一直在中高纬度维持(图 14c)，从而形成弱的绕极涡旋，有利于AO负位相的维持，这也是北极涛动在2012/2013年冬季持续维持负位相的原因之一。同时，根据陈文等(2009)的研究，平流层位势高度正异常下传至对流层中低层后的1个月左右时段内，会导致西伯利亚地区海平面气压的降低，是造成西伯利亚高压季内变化的重要原因。

5 小结

(1) 2012/2013年冬季，东亚冬季风强度较常年同期略偏强，季内冬季风强弱转换阶段性特征明显。

(2) 2012/2013年冬季，我国气温主要表现为东北冷，西南暖的异常分布，全国平均气温-3.7℃，较常年同期(-3.4℃)偏低0.3℃，季内，我国气温变化呈现前冬冷、后冬暖的阶段性变化特征。

(3) 2012/2013年冬季，北极涛动持续位于负位相，欧亚中高纬地区高层纬向西风减弱，环流经向度加大，在500 hPa高度场上，欧亚大陆中高纬环流呈“两槽一脊”的环流形势，乌拉尔山的高压脊持续偏强，而东亚槽也异常偏强，有利于极地的冷空气南下影响欧亚中高纬地区，是造成我国北方地区气温偏低的重要原因。

(4) 自2012年夏季开始持续偏低的北极海冰覆盖，有利于2012/2013年冬季西伯利亚地区海平面气压偏高，致使西伯利亚高压和东亚冬季风偏强，而2013年1月中旬前后平流层位势高度正异常下传并影响对流层中低层，是导致西伯利亚高压和冬季风出现显著季节内变化的重要原因。