0 引言

我国西北地区，特别是新疆北部，是北方三大强冷空气活动中心之一^[1-3]，锋区及高原附近的非地转风的加大促使冷空气加速南下^[4]，极易诱发大风、冻雨或暴雪等严重灾害，给农牧业生产、交通运输、国民经济和人民生命财产等造成严重的损失^[5-6].据统计，1951—1975年发生全国以及区域性寒潮共计144次，其中途径新疆的有108次，占比高达75%^[7].近年来，一些异常的极端冷害事件，例如2008年1—2月份的极端低温事件，冷空气就是通过西北地区入侵至长江流域^[8].因而，研究影响西北地区的强冷空气路径特征，对于了解极端低温事件的变化规律及其机理有重要意义，也有助于提高其预测水平，达到防灾减灾的目的.

国内学者对全球变暖背景下的强冷空气活动进行了大量研究，结果表明，近几十年影响我国西北地区强冷空气活动的频次呈减少趋势^[1-4].原因之一可能是伴随平均气温的升高，极端最低气温也呈上升趋势，从而导致强冷空气频次减少^[9].另一个原因是大气环流的改变可能导致欧亚大陆对流层中上层的准定常Rossby波列异常^[10-13]，进而影响受西北气流引导的冷异常向南发展.而主导地面冷空气爆发的西伯利亚高压是在上层波列与下层冷异常的相互作用下加强、维持的^[10].此外，也有一些西伯利亚高压的扩张和加强有别于波列造成的影响，而是与缓慢衰退的阻塞型偶极子位相有关^[11-12].

尽管西北地区强冷空气活动在减少，但其导致的低温事件强度却没有明显的变化趋势^[14].路径特征对强冷空气活动有明显的警示作用^[15].文献[12]指出在AO不同位相下，入侵东亚的强冷空气的路径和强度明显不同.文献[16]的研究表明高纬度大气环流的变化会改变强冷空气的路径并影响冷气团的强度.但是目前为止，入侵我国西北地区的不同强冷空气路径对应的中高纬环流系统的关键特征以及对下游地区的影响还不明确，而这些对异常天气气候事件的监测以及预报具有重要参考价值.

本文使用1970—2013年NCEP-NCAR再分析资料以及中国基本基准825站地面气温均一化数据集，采用改进后的三维风速轨迹倒推方法，综合分析影响西北地区的强冷空气路径特征，从而加深对我国强冷空气活动特征及其可能机理的理解.

1 资料和方法 1.1 资料

所用的资料：1) NCEP-NCAR的每6小时一次的再分析资料^[17]，所选要素场包括温度、位势高度、气压以及三维风场，资料水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直分辨率为17层. 2)中国气象信息中心制作的基本基准825站地面气温均一化数据集，剔除其中海拔高于2 000 m的台站和研究时段内连续缺测超过10天的台站，剩余640站，用来确定强冷空气的个例以及统计其对下游地区的影响.冬半年定义为当年10月至次年4月，分析的时段为1970年10月—2013年4月.

1.2 强冷空气定义

入侵我国西北地区的强冷空气被定义在区域1 (我国75°E~105°E，40°N以北).强冷空气的本质是地面反气旋的快速南向移动，以及相关受影响区域显著的地面气温降低^[18].本文关注温度的大幅波动，所以定义区域1内地面气温(模式最低层，σ=0.995)24 h降温大于等于10 ℃的事件作为一次强冷空气事件.区域2(中国107.5°E~122.5°E，40°N~47.5°N)、区域3(我国125°E~135°E，40°N~52.5°N)、区域4(我国110°E~122.5°E，30°N~40°N)、区域5(我国110°E~122.5°E，30°N以南的大陆地区)位于区域1下游，是人口、经济密集区域，也是主要的冷涌区，用来评估不同路径强冷空气对下游地区的影响.

因为强冷空气活动是大范围天气过程，为保持路径样本的独立性，避免增加某种路径的权重，做两步处理：1)以日降温最大值为中心，其周围1 500 km范围内的降温均为同一次强冷空气.2) 3天内的强冷空气以最早的爆发日为准，记为一次.在1970—2013共43个冬半年内，共选出251次强冷空气，平均每年有5.84次，用台站资料比对，其结果是一致的.

1.3 冷空气路径的追踪方法

路径的计算采用三维轨迹模式架构^[19-20]，起点高于地面气温，单日降幅最大格点50 hPa，气团用质点替代，则轨迹方程为

$ \frac{{{\rm{d}}\mathit{\boldsymbol{X}}\left( t \right)}}{{{\rm{d}}t}} = V\left[{\mathit{\boldsymbol{X}}\left( t \right), t} \right], $

其中：X(t)为t时刻质点的坐标；V为当前坐标下的风速.综合考虑计算精度及气象场离散的时间间隔，选择二阶形式的差分方程^[21]，则轨迹方程写为

$ {\mathit{\boldsymbol{X}}^n}(t + \Delta t) \approx \mathit{\boldsymbol{X}}\left( t \right) + \frac{1}{2}(\Delta t)[\mathit{\boldsymbol{\dot X}}\left( t \right) + {{\mathit{\boldsymbol{\dot X}}}^{n-1}}(t + \Delta t)], $

其中：Δt是时间步长，这里取为1小时；X是位置矢量；$\mathit{\boldsymbol{\dot X}}$是风速矢量.计算中输入的变量包括三维风场、温度场、地形和地面气压，采用P坐标系.轨迹聚类使用分段聚类方法^[22].基于实际天气预报需要，本文主要研究冷空气爆发前72 h路径特征.

1.4 定常波活动通量的计算

定常波活动通量使用Plumb^[23]方法计算，公式为

$ F = \left( \begin{array}{l} {F_\lambda }\\ {F_\varphi } \end{array} \right) = \frac{p}{{{p_s}}}{\rm{cos}}\varphi \times \left( \begin{array}{l} v{\prime ^2} - \frac{1}{{2\mathit{\Omega} \alpha {\rm{sin}}2\varphi }}\frac{{\partial \left( {v\prime \mathit{\Phi} \prime } \right)}}{{\partial \lambda }}\\ - u\prime v\prime + \frac{1}{{2\mathit{\Omega} \alpha {\rm{sin}}2\varphi }}\frac{{\partial \left( {u\prime \mathit{\Phi} \prime } \right)}}{{\partial \lambda }} \end{array} \right), $

其中：u′和v′是在应用了地转近似之后的纬向距平值；Φ′表示位势高度纬向距平值；Ω和α分别表示地球自转角速度和地球半径.

2 结果与讨论 2.1 路径差异

根据冷气团移动的水平路径特征，采用聚类分析方法将影响我国西北地区的强冷空气路径进行分类(图 1a)：1)西北路径.该路径的冷气团汇聚于西西伯利亚平原后沿额尔齐斯河流域入侵中国，有88次.2)偏西路径.该路径的冷气团汇聚于哈萨克丘陵后沿阿塔苏-塔城一线入侵，有143次.3)奇异路径.路径中另有20条在72 h内移动范围很小，主要在巴尔喀什湖以及比斯克附近滞留和盘旋并不断加强，这里将其归类为奇异路径.

如图 1b和图 1c所示：垂直方向上，两种冷气团主要在850 hPa高度层附近运动，爆发前72 h内的运动形式可概括为下沉-上升-下沉，这一过程中西北路径下沉幅度最大为30 hPa，上升幅度仅为7 hPa.偏西路径下沉幅度最大为15 hPa，上升幅度为18 hPa.垂直运动导致西北路径冷气团平均位温从最低的-17.12 ℃升高4.04 ℃，而偏西路径由于途径哈萨克丘陵和准格尔盆地西部山脉，地形的抬升有利于保持冷气团强度，从最低的-13.20 ℃仅升高1.04 ℃.爆发前12 h冷气团下沉加快时，除去地形原因外通常是由于高空急流转入槽前造成冷中心与高压中心逐渐靠近所导致.此外，爆发前72 h，西北路径与偏西路径位温差异达6.82 ℃，而爆发时这一差异下降至0.92 ℃.这说明两类路径存在源地差异，导致爆发前72 h冷气团位温差异较大，但爆发时差异被大幅缩小.显然72 h内的环流演变对冷气团强度更为重要.

从路径频次的变率看，西北路径的标准差为1.40次，而偏西路径的标准差为2.06次，表明西北路径频次波动较小.从路径频次的趋势可以发现，西北路径的频次以0.37次/10 a的速率增加(图 2a)，通过0.05的显著性检验，而偏西路径的频次趋势为-0.11次/10 a(图 2c)，没有通过0.05的显著性检验.

2.2 环流差异

冷空气的向南输送是东亚冬季风系统最重要的瞬变扰动^[18]，一般来讲，类似的强冷空气的大气环流背景特征存在很大程度的相似性^[12]，但是按照路径分类后，如图 3所示.不同类别的环流差异是非常明显的.

两类路径在爆发日前2天(day-2)，对流层高层均存在脊、槽、脊波动，呈西北、东南走向分布，意味着有波列从欧洲沿东南方向传播至东亚(图 3a和图 3d).对于西北路径，位于乌拉尔山附近的异常强的正高度距平中心，加速从新地岛附近极区输送冷空气至鄂木斯克附近(图 3a)，在西西伯利亚平原形成冷距平区，这是西伯利亚高压发展的前提^[10-12]，反气旋过程造成西伯利亚高压沿上层波列方向从中亚向和国东部扩张(图 3a~c).爆发日当天(day0)，西北路径的冷槽进一步发展，位于贝加尔湖西部的负距平中心值下降至-180 m以下(图 3b)，显然这与上游暖脊对其的增强作用有关，位于乌拉尔山的高值距平中心始终有向下游低值距平中心的能量输送(图 3a~c)，维持低层的西伯利亚高压并促使其向南扩张.对于偏西路径，day-2时上游暖脊位于东欧平原，从东欧平原到东亚有明显的波包输送(图 2d)，冷槽位于乌拉尔山，低值距平中心可达到-210 m以下，强于西北路径.由于偏西路径上游暖脊较弱且随波列向南移动，冷槽移至贝加尔湖上空后已经明显弱于西北路径(图 3c和图 3f)，导致对流层低层冷高压以及沿海气旋减弱，造成偏西路径强冷空气南侵能力较差.

2.3 影响差异

本文用台站日平均气温来定量描述由两类环流系统演变所导致的强冷空气影响差异.受两类强冷空气影响时，新疆北部均是最大降温中心，可达-12 ℃，内蒙古中东部以及东北平原也有降温中心，是由于冷高压东进所导致.西北路径的强冷空气会造成中东部及南方地区6 ℃以上的降温，而偏西路径的强冷空气对40°N以南地区温度的影响明显弱于西北路径，平均来说能造成4~6 ℃的降温.西北路径对温度距平的影响也强于偏西路径，其中在新疆北部能导致温度距平降至-8 ℃以下，内蒙古中、东部地区平均为-5 ℃以下，在40°N以南地区为-3 ℃以下.从持续天数来看，西北路径强冷空气在内蒙古东部地区可持续2.8天以上，在湖南可持续2.4天以上.偏西路径对西北地区造成2.8天以上的影响，对华北的影响时间也要略长于西北路径.考虑到日平均气温不是真实可测的温度，而最低温度不受太阳辐射的影响，可以更好地反映降温的相对幅度以及强冷空气活动的影响程度，所以也分析了最低温度的降温过程以及温度距平，发现结果是一致的.用台站资料计算的两类强冷空气对下游地区的影响特征符合图 3的环流演变过程.

2.4 区域降温的热量收支分析

在西北路径和偏西路径的强冷空气活动影响下，各区域独特的热力和动力强迫因素导致降温存在区域差异.为了定量比较它们的差异，对每一次强冷空气来说，将850 hPa高度层上各区域平均的最大降温日设为第0天，取其前、后3天的各项的区域平均值构成序列，之后分别合成两类的总序列.由于包含各项日变化极值，所以强冷空气演变过程会更加清晰.热量平衡方程为

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial T}}{{\partial t}} = - \vec V \cdot \nabla T + \frac{1}{{{c_p}}}\frac{{{\rm{d}}H}}{{{\rm{d}}t}} + \omega \left( {\frac{\alpha }{{{c_p}}} - \frac{{\partial T}}{{\partial P}}} \right), \\ {\rm{DT}}\;\;\;\;\;\;\;{\rm{HA}}\;\;\;\;\;\;\;{\rm{DIA}}\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{VA}} \end{array} $

(1)

其中：DT项为逐日温度变化；HA为日均温度水平平流项；VA为日均温度垂直平流项；DIA是日均非绝热过程对温度变化的贡献.HA、VA和DT项直接使用再分析资料计算，而DIA项是由公式(1)计算得出，所以包含了一部分计算误差.此外，还给出了温度距平(TA)以及整层云覆盖率距平(TCDC)的逐日变化，来帮助理解非绝热过程对逐日温度变化的贡献，各项变化如图 4所示.

如图 4, day-1各区出现冷平流，TA开始减小，冷空气前锋到达更低(南)纬度地区，除区域1外，各区域内盛行上升运动，TCDC增加，DIA起增暖作用(潜热释放和减少辐射冷却)，削弱了VA、HA的冷却作用.在西北路径影响下，DT在区域2~5的降幅分别为-1.22 ℃/d、-0.69 ℃/d、-1.95 ℃/d、-0.71 ℃/d (图 4b~e)，其中在区域2和4的温度降幅是偏西路径影响下的2倍.对区域1来说，由于西北路径冷气团在day-1下沉幅度大于偏西路径(图 4b和c)，这导致其增暖1.38 ℃/d，是偏西路径的1.5倍，直接导致偏西路径影响下区域1中day-1的DT降幅大于西北路径.此外，由于叠加地形抬升影响，VA项冷却作用在区域5更强，西北路径影响下为-4.35 ℃/d、偏西路径影响下为-3.31 ℃/d.HA的冷却作用在day0导致各区DT大幅下降，显然在强冷空气演变过程中，HA对DT的影响具有时间特异性或者说是突然的影响，而不是与VA和DIA一样的渐变过程，相比之下，西北路径的冷平流仅在区域3稍弱于偏西路径，而在区域4和5分别可达-6.28 ℃/d和-2.85 ℃/d，是偏西路径影响下的1.27和1.98倍.此外，由于地面冷高压，1~4区域盛行下沉运动，TCDC大幅减少，晴空导致辐射冷却作用增强，HA、DIA项抵消了下沉增暖作用后，DT降幅达到最大，区域5则是由HA、DIA、VA共同冷却导致DT下降.尽管各区冷平流在day+1已经减弱，但由于DIA冷却作用加强，DT依然为负，从而TA达到最小，区域2在西北路径影响下，TA可达-5.74 ℃，区域4为-4.07 ℃，区域5为-2.53 ℃，分别是偏西路径影响下的1.69倍、1.59倍、1.79倍.day+1后各区的冷维持机制主要是由DIA、HA共同减缓VA的增暖作用.

3 结论

1970—2013年冬半年入侵西北地区的强冷空气按照路径差异分为3类：西北路径88次；偏西路径143次；奇异路径20次.爆发前72 h的环流演变导致西北路径和偏西路径冷气团不同程度增暖，削弱了源地差异对冷气团强度的影响.

西北路径强冷空气年频次增加幅度为0.37次/10 a，而偏西路径减少幅度为0.11次/10 a，这导致每年入侵西北地区的强冷空气构成发生改变.相比之下，西北路径强冷空气影响北方地区温度变化的能力强于偏西路径，而且南侵能力也较强.热量收支表明，对于区域4和5来说，西北路径冷平流的峰值分别可达偏西路径的1.27倍、1.98倍.而偏西路径强冷空气易于在西北、华北地区造成持续时间较长的冷害.