引言

我国地处东亚，气候具有显著的季风特色，东亚冬季风是影响我国冬季气候的重要因子之一。作为全球最活跃的环流系统，强冬季风能够造成中高纬度地区的强烈降温、降雪及大风、霜冻等灾害天气，同我国的寒潮及冬季气温异常偏低联系紧密(朱乾根，1993；普业等，2006；孙丞虎等，2012；李多等，2012)。同时，西伯利亚高压也是影响我国冬季气候的一个重要因子，其发展及移动同样能够造成我国许多地区的偏冷天气(李勇等，2007)。朱乾根等(1997)分析了近110年北半球冬季6个大气活动中心与中国气候的关系，指出西伯利亚高压强度与中国冬季温度存在着明显的负相关关系。用西伯利亚高压异常能较好地解释近几十年来中国冬季气温变化特征(龚道溢等，1999)。Gong等(2001)在研究北极涛动同东亚冬季风的关系时，发现欧亚型遥相关(Euroasia，简称EU)在东亚冬季风系统中具有重要贡献，对西伯利亚高压的贡献为36%，并指出当EU指数为正时，东亚气温偏低。

EU型遥相关的存在最早是由Wallace等(1981)利用单点相关的方法，对500 hPa高度场距平及海平面气压场进行分析后提出的，同时他们指出EU型遥相关同东亚的冬季气温具有负相关关系。其后，Barnston等(1987)进一步用旋转经验正交函数对700 hPa北半球副热带月平均高度场距平进行分析，也揭示出欧亚大陆上空遥相关型的存在。一些学者对EU型的性质进行了分析，从不同角度揭示其时间演变特点和空间变化特征(林振敏等，2004；吴洪宝等，1994；施能，1996；李智才等，2007)。吴洪宝(1993)计算了1月欧亚遥相关型指数和同期中国160站气温的相关系数，指出欧亚遥相关型与同期中国东部气温呈显著的负相关关系。施能(1996)指出东亚冬季风强时, 我国冬季为冷干气候, 大气环流具有强WP(Western Pacific)型及弱的EU遥相关型的特征。Song等(2009)通过两个中心点定义出新的EU指数，研究了日尺度上其与东亚冬季气温的关系，并通过合成分析发现冷暖事件出现的概率与欧亚遥相关型有密切关系。杨小波等(2011)对我国东部季风区11月暖湿、暖干、冷湿、冷干年同期环流特征分析发现，亚洲中高纬度地区, 暖干、冷湿型的前期和同期环流特征分别具有EU型和反EU型遥相关距平结构。刘毓赞等(2012)利用REOF方法定义冬季欧亚遥相关型，考察其同我国冬季气温、降水的关系发现，EU正相位时我国东部降温、降水减少，负相位时东亚地区温度偏高。

已有的研究表明，EU型遥相关在月、季尺度上同我国冬季的气温、降水具有较好的相关关系，但月、季尺度并不能很好满足预报及短期气候预测的需求。本文尝试将气候概念运用到候时间尺度上，对冬季EU型遥相关在逐候时间尺度上的环流特征进行分析，以期得到候时间尺度EU型环流持续异常对我国冬季天气产生的影响，从而为冬季的预报工作提供有益线索。

1 资料与方法

本文采用资料为NCEP/NCAR全球逐月再分析资料、逐日再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°经纬度。逐日气温、降水资料来源于中国气象局国家气象信息中心。基于台站数据的时间序列长度和连续性，选取了753个台站中的474个站点，时间序列为1957年11月至2011年3月。利用1957年11月至2011年3月的逐日再分析资料中风场(u，v)、高度场(hgt)资料对逐候的EU型遥相关进行分析。同时为验证算法，方便同前人工作进行对比，采用1951年12月至2011年2月的逐月高度场来计算EU型遥相关的季平均指数。

运用的统计方法主要有小波分析、高斯滤波、合成分析、t显著性检验等。

2 欧亚型遥相关持续性异常的定义及其统计特征

对于欧亚遥相关型的定义，常用的主要有REOF及单点距平差值这两种。为方便同前人工作进行对照，本文选用Wallace等(1981)所提出的定义，

$ \begin{array}{l} {I_{EU}} = - \frac{1}{4}{Z^*}\left({55^\circ {\rm{N, }}20^\circ {\rm{E}}} \right) + \frac{1}{2}{Z^{\rm{*}}}\left({55^\circ {\rm{N, 75}}^\circ {\rm{E}}} \right) - \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{1}{4}{Z^*}\left({40^\circ {\rm{N, 145}}^\circ {\rm{E}}} \right) \end{array} $

(1)

式中，Z^*表示标准化的500 hPa季平均高度距平。

根据公式(1)，计算出1951—2010年冬季的EU指数，结果列于表 1。

为验证计算方法的可靠性，将表 1中结果同施能(1996)运用中国气象局发布的高度场资料所计算的1951—1992年指数进行相关性分析。相关系数为0.86，表明延长时间序列是可行的，表 1的结果是可信的。

为分析EU型的年际、年代际变化特征，用季平均指数减去其线性趋势，构建EU型年际尺度变化序列。同时，为滤去年际尺度的波动，利用9点高斯平滑得到EU的年代际变化特征，结果合成绘制成图 1。从图 1可以看出：1957年以来，冬季EU型遥相关指数的年代际变化十分明显；1969—1976年、1987—2002年两个时段，强度指数普遍为正，两个正异常时段之间为负异常指数时段；2003年以前，EU型具有准20年周期振荡特征。利用Morlet小波变换对54年的季节平均指数进行处理后，可以发现1967—1972年、1986—2005年存在若干不规则的8年内短周期，1960—2000年EU型存在准20年周期。但鉴于时间长度较短，所考察周期长度较大，部分存在周期的区段被边界条件所否定。

3 EU型遥相关候时间尺度强度异常及其特征

将公式(1) 中的Z^*用标准化的500 hPa候平均高度距平代入，可以计算1957—2010年冬季的EU逐候指数。其中整个冬季指数平均为0.08，月指数平均值分别为0.16(12月)、0.05(1月)及0.03(2月)。从1957—2011年冬季逐候的指数的波动来看，EU逐候指数可能出现连续负(正)异常形势。而对冬半年的逐候指数进行小波分析后发现，存在4候及超过4候的周期性波动，即指数连续2候以上处于正/负相位。为分析EU型环流维持较高强度时所造成的影响，本文定义连续两候及两候以上，遥相关强度指数的绝对值大于其1.5倍标准差时，为EU型遥相关出现持续性异常。

通常的冬季为12月至次年2月(DJF)，鉴于春秋季节为环流形势的调整时期，所以本文将始于11月、结束于冬季或始于冬季、结束于3月的持续性异常也算在冬季内。统计1957—2010年冬季出现的持续性异常过程(以冬季的起始年份代表该年冬季，从11月的第1候算至次年3月的第6候依次进行编号，如1987年11月第2候记做1987.2)，结果列于表 2。

共计有26个持续性异常过程，每个过程持续时间从2候至4候不等，其中正异常12次、负异常14次，平均每两年出现一个过程，每个过程持续2.4候，正负过程平均持续时间基本持平。20世纪60年代及2000—2010年间异常过程发生较多，分别为6次及7次；20世纪70年代，异常过程出现的次数最少，仅有3次，80、90年代各4次；54年中有3年出现2次过程，分别为1997、2001、2005年冬季，同年所出现的两次过程为同一相位。

对1957年以来54个冬季持续性异常过程在各候发生频次的统计结果(图 2)表明，EU指数持续性正异常过程主要发生在3个时段，分别为12月、1月第2—5候及2月第4候至3月第1候，负异常过程主要发生在3个时段：12月第4—5候、1月的前3候及2月第3候至3月第1候，故而应将这6个时段分别作为欧亚型遥相关正负持续性异常的重点发生时段，给予关注。

4 欧亚型遥相关持续性异常的大气环流特征

分别以200及850 hPa表征高、低层大气状况，将EU指数正持续异常个例所对应位势高度距平的合成场减去负异常个例对应的合成场，得到合成差值场(后文正、负异常合成即指表 2中个例的合成)，得到合成差值场(图 3)。从图中可以看出，200 hPa位势高度场上主要有6个在正、负相位下明显的反向变化中心，除EU型遥相关的3个中心外，另外3个中心分别位于(40°N、165°W)、(30°N、85°W)及格陵兰岛附近，但同EU中心相比变化强度较弱；850 hPa位势高度场上，显著变化中心的位置同200 hPa基本保持一致，差异幅度减小，位于乌拉尔山地区上空的EU中心北移，东亚沿海上空附近存在显著差异区域，但无明显差值。总的来说，EU指数异常时，高低空大气中均有明显的EU波列存在，表现出正压特性；东半球经向环流较为明显，西半球环流则有较强的纬向特征。

分别对正、负异常过程的高低层位势高度距平进行合成(图略)，能够更加清楚地看到持续性异常过程中各中心的状态。高低层位势高度上：EU型的3个中心在正异常过程中呈‘-、+、-’分布，其余3个中心，自西向东依次呈‘-、+、-’分布；负异常过程中状况相似。正/负异常过程中，乌拉尔地区的正/负距平意味着西伯利亚高压的增强/减弱。而根据朱乾根等(1997)的研究结果，西伯利亚高压则是对我国冬季气候产生影响的重要因子之一。由此可见，EU指数异常主要通过西伯利亚高压来影响我国冬季气候。

对200和850 hPa正、负异常过程的风场差值场分析(图 4)，并对差值场进行F统计检验(施能等，2004)。从图中可以看出，异常风差值场同位势高度差值场相匹配，乌拉尔山附近风场差异显著，通过α=0.01的显著性水平检验：200 hPa上，正异常与负异常时相比，乌拉尔山附近反气旋风场加剧，我国东北地区上空有一较弱的气旋式性环流异常，我国北方地区上空偏北风主导、南方为偏南风主导；850 hPa高度上，乌拉尔山附近的反气旋式环流中心保持不变，强度减弱；我国东北附近的气旋式环流中心东移至日本海附近，我国上空为偏北风主导。850 hPa异常风的合成场(图略)显示：正异常过程中，乌拉尔山地区有反气旋性异常环流，西伯利亚高压加强，我国上空风场处于偏北风距平，有利于冷空气南下；负异常时相反。总的来说，我国大部分地区上空的风场明显受EU指数异常过程的影响，正异常时风场促使冷空气南下，负异常相反。

5 欧亚型遥相关持续性异常对我国冬季天气的影响

以往的大量研究表明，大气环流能够直接影响温度的变化。EU指数异常过程中，我国温度分布相态具有较大差异。合成场(图略)显示：正异常过程中，欧亚经向环流突出，受西伯利亚高压加强的影响，我国对流层低层盛行偏北风，温度普遍偏低，仅青藏高原东沿及东北局部出现小范围的温度正距平区，北方的降温幅度高于南方，降温幅度最大的地区为内蒙古、山西交界西延至宁夏及新疆交界地区，同异常风场保持一致；负异常时，欧亚以纬向环流为主，我国呈现正的温度距平，辽吉交界、内蒙古中部地区及华南地区的增温幅度最大，超过2.5℃，云南西北部增温幅度最低。从温度距平的合成差值场(图 5)可以看出，我国受EU指数异常的影响明显，大部分地区的温度差异通过α=0.05的显著性水平检验，东北地区局部、四川西北部至川藏青三省交界处未通过显著性检验。

而EU指数异常对于我国降水的影响则远没有对温度影响的范围广。从降水距平的合成差值场(图 6)来看：降水差异显著的区域主要有黄河中下游、长江中下游流域局部及我国东南、西北的局部地区，差值自南向北整体呈减小趋势；华北北部及东北地区，降水差异不明显，也不显著。从正、负异常所对应的降水(图略)来看，在差异显著的区域：降水在正异常过程发生时是减少的，且减小幅度有由东南向西北递减的趋势，东南地区减少幅度为最大，西北减少幅度最小；负异常过程，降水为增加的，但西北地区降水增加的幅度同东南地区相近，超过华中地区。而在受影响不显著区域：四川中东部及贵州西部在正(负)过程下降水为偏多(偏少)的，且较为明显，同全国大多数地区截然相反，同异常风场中，该地区附近在正(负)异常时的偏南(北)风距平相匹配，表明该地区冬季中的降水多寡同孟加拉湾的气流联系较为密切，这一结论同李聪等(2012)的研究结果相符。

6 结果与讨论

本文按照Wallace等(1981)提出的欧亚型遥相关(Euroasia，简称EU)定义，计算了54年冬季的逐候EU指数，并以连续两候及两候以上指数距平达到1.5倍标准差以上，定义了EU指数持续性异常。继而对EU指数持续性异常的统计特征、其所对应时段的环流异常特征及我国冬季温度、降水的异常分布进行分析，得出以下结论。

(1) 1957年起的54个冬季共计发生了26次持续性异常，其中正异常12次、负异常14次，平均每两年出现一个过程，每个过程持续2.4候。正、负持续性异常过程各有3个重点发生时段：正异常的为12月、1月第2—5候及2月第4候至3月第1候，负异常的主要发生在12月第4、5候、1月的前3候及2月第3候至3月第1候，可作为重点预报时段。

(2) EU指数发生异常时，高低层大气中表现出强的EU型特征，具备正压特性。西伯利亚高压在正(负)异常时加强(减弱)，有明显的反气旋(气旋)式风异常。

(3) 受EU指数异常影响，我国大部分地区的气温差异显著。正异常过程中，我国温度普遍偏低，仅青藏高原东沿及东北局部出现小范围的温度正距平区，北方的降温幅度高于南方，降温幅度最大的地区为内蒙古、山西交界西延至宁夏及新疆交界地区，同异常风场保持一致；负异常时，我国呈现正的温度距平，辽吉交界、内蒙古中部地区及华南地区的增温幅度最大，超过2.5℃，云南西北部增温幅度最低，仅青藏高原东沿及东北局部出现小范围的温度正距平区。

(4) EU指数异常对于我国降水的影响则远没有对温度影响的范围广。差异显著区域主要有黄河中下游、长江中下游流域局部及我国东南、西北的局部地区，差值自南向北整体呈减小趋势。正异常过程使其降水减少，负异常过程中相反。

总的，EU指数持续性异常对我国冬季天气的影响同月、季尺度的讨论结果是一致的，正指数对应我国冬季的干冷天气，负指数对应暖湿天气。但在月、季尺度上，EU型遥相关结构主要同我国东部地区的冬季气温、降水的相关较好；候尺度上，同温度相关良好的区域扩大至全国的大部分地区。