白寒冰 曾刚

1 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室，南京 210044

2 中国民用航空西北地区空中交通管理局宁夏分局，银川 750009

1 引言

寒潮是我国冬半年主要的天气过程之一，出现时容易带来大风、雨雪冰冻等灾害性天气，给农业生产、交通运输造成重大损失。寒潮带来的剧烈降温可能触发我国的极端低温事件，例如2008年与2018年出现的低温雨雪冰冻灾害，这使得寒潮冷空气以及极端低温研究受到广泛关注（Bueh et al.,2011; 陈海山等, 2012; Wang Z Yet al., 2017, 2020;布和朝鲁等, 2018; Peng et al., 2021）。我国寒潮活动与东亚冬季风密切相关，研究表明东亚冬季风在20世纪80年代中期前后出现年代际减弱现象（Wang and Chen, 2010; 贺圣平和王会军, 2012; 王会军和范可, 2013; 丁一汇等, 2014; 梁苏洁等, 2014），受此影响近几十年我国寒潮冷空气活动频次整体呈减少趋势，并在20世纪70年代末前后出现显著减少现象（李峰等, 2006; 王遵娅和丁一汇, 2006; 康志明等,2010; 王宗明等, 2011; 周琳和孙照勃, 2015; Wang Z M et al., 2017）。研究表明2000年代初期东亚冬季风出现年代际增强现象（Wang and Chen, 2014; 黄荣辉等, 2014），东亚频繁受到强冷空气影响，极端低温事件较1990年代增多（Ma et al., 2018; Shi et al.,2019）。近年关于地方性寒潮的变化特征研究较多，例如：Cai et al.（2019）将1961～2014年46次华北秋季寒潮路径进行分类，研究各类寒潮爆发前的环流演变特征及关键环流信号；毛炜峄和陈颖（2016）研究了乌鲁木齐市1951～2015年各季度寒潮过程的差异；Huang et al.（2017）研究了山东省1979～2013年几类不同强度寒潮过程的时空分布特征。这些已有研究结果表明不同区域寒潮的变化特征各有异同。

北极涛动（AO）被认为是东亚冬季风以及我国寒潮冷空气活动发生变化的影响因子之一（Jeong and Ho, 2005; 魏凤英, 2008; Park et al., 2011a, 2011b;Cheung et al., 2012; Chen et al., 2013; Park et al., 2014;Wang Z Y et al., 2017）。北极海冰的变化对东亚冬季气候以及我国寒潮冷空气活动同样有显著影响（狄慧, 2014; Wang and Chen, 2014; 谢永坤等,2014; 朱晨玉等, 2014; 唐孟琪和曾刚, 2017; Yang et al., 2020），Wang and Chen（2014）的研究指出秋季北极海冰减少对大气内部过程产生影响，进而导致东亚冬季风在2000年代增强。Yang et al.（2020）指出巴伦支海海冰与东亚寒潮强度存在负相关，巴伦支海海冰减少使得北极出现类似AO负相位的位势高度异常，进而导致冷空气由极地南下形成北路寒潮。此外，还有研究指出东亚大型斜槽斜脊是寒潮强冷空气引发东亚冬季极端低温事件的关键系统，并且持续性极端低温事件可以在上游平流层找到一些前兆信号（施宁和布和朝鲁, 2015; 布和朝鲁等,2018）。

华北作为我国的政治文化中心，也是寒潮冷空气入侵我国南方的必经之地，而且国家经济发展以及人民生产生活也都对寒潮预测提出了迫切需求，因而寒潮的变异机理亟需加强研究。尽管近年来我国寒潮活动的变化特征逐渐受到关注，但不同地区寒潮变化特征差异明显，所以具体区域需要具体分析。此外，前人的工作中对于寒潮冷空气路径的变化特征研究尚少，因此本文对比分析了华北寒潮1990年代与2000年代的变化特征，包括华北寒潮的频次、强度以及冷空气路径，并探讨了秋、冬季北极海冰对华北寒潮的可能影响。

2 资料与方法

2.1 资料

本文所用资料包括：（1）中国华北区域（35°N～42°N，110°E～120°E）1957～2011 年经过质量控制和均一化处理的站点观测气温数据（Xu et al., 2013），原始站点资料经过严格筛选，缺测时次利用前后数据进行插值补全，存在大面积缺测数据的站点放弃使用，最终筛选得到华北区域共60站观测气温数据，其中包括日最高、最低气温以及日平均气温；（2）追踪寒潮冷空气路径所使用的资料为NCEP/NCAR每日4次的CFSR再分析资料（Saha et al., 2010;Decker et al., 2012），资料所包含的要素有三维风场、各层气温、比湿等物理量，垂直方向为17层，资料时段为1990年11月到2011年3月，资料水平分辨率为2.5°（纬度）×2.5°（经度）；（3）NCEP/NCAR逐日以及逐月再分析资料，所选要素场包括：500 hPa位势高度场，850 hPa水平风场，2 m地表气温，海平面气压场，资料时段为1990年11月到2011年3月，资料水平分辨率为2.5°（纬度）×2.5°（经度）；（4）NOAA高分辨率逐日北极海冰密集度资料，资料时段为1990年11月到2011年3月，资料水平分辨率为0.25°（纬度）×0.25°（经度）。由于追踪冷空气路径所采用的CFSR再分析资料只更新到2011年7月，因此本文的研究时段只到2011年。

2.2 华北区域寒潮定义标准

依据《中华人民共和国国家标准》中的《寒潮等级》（GB/T 21987-2017）以及《冷空气等级》（GB/T 20484-2017）中的规定，将单站寒潮定义为：某地的日最低气温24 h内降幅8°C，或48 h内降幅10°C，或72 h内降温幅度12°C，并且同时满足日最低气温低于4°C，那么就视为寒潮事件发生。在之后的几日内，最低气温回升则视为寒潮过程结束，将这一过程内日最低气温的最大降幅定为寒潮事件强度。

本文研究对象为冬半年华北区域寒潮事件，这里定义冬半年为当年11月至次年3月。区域寒潮的定义使用Park et al.（2011a）的方法，将华北地区分为4个5°（纬度）×5°（经度）的方格，如图1所示。首先将方格区域内的站点气温数据做平均处理，再利用《冷空气等级》（GB/T 20484-2017）中单站寒潮降温标准判断寒潮事件。当西伯利亚区域（35°N～55°N，90°E～115°E）海平面气压（SLP）中心值大于1035 hPa时，视为存在西伯利亚高压。各区域中有一个及以上的区域达到单站寒潮标准，且这一天存在西伯利亚高压，则视为发生一次华北区域寒潮事件，以达到寒潮标准的方格区域中最高的降温幅度来定义该次华北区域寒潮的强度。

图1 华北区域分区（灰色虚线框）以及西伯利亚高压关键区（蓝色实线框）Fig.1 North China partition (gray dotted line) and key region of the Siberian High (blue box)

2.3 寒潮路径追踪方法

寒潮冷空气路径追踪采用基于拉格朗日算法的FLEXPART模式（Stohl, 1998; Stohl and Seibert,1998; Park et al., 2011a），自寒潮爆发当日向前追踪5天，追踪起点为寒潮发生当日平均降温最大的方格中心。假设气团可用质点来代替，那么质点的轨迹方程为

其中，X(t)为t时刻的质点坐标，为当前坐标下的风速。

算法中利用二阶形势的差分方程来计算轨迹，轨迹方程为

其中， Δt是时间步长，方程的解可以通过如下迭代方法得到：

其中，上标i表示迭代次数，当等式右侧的两个迭代项之间的差值小于某一特定值，迭代则结束，此时可以确定轨迹方程。更多有关FLEXPART模式的算法请参考Stohl（1998）以及Stohl and Seibert（1998）的文章，模式介绍以及代码详见http://www.flexpart.eu[2021-01-01]。

3 1990年代与2000年代华北寒潮的差异

图2是以区域寒潮定义标准确定的华北寒潮频次以及强度序列。20世纪90年代之前华北寒潮在每个年代的频次基本持平：1957～1967年华北寒潮共发生22次，1968～1978年发生23次，1979～1989年共发生23次。而1990～2000年华北寒潮发生了31次，但2001～2011年仅发生12次（图2a）。华北寒潮平均强度自1957年开始逐渐减弱，到20世纪90年代寒潮强度达到最弱，21世纪初期寒潮强度有明显增强（图2b）。统计结果显示，1990～2000年31次区域寒潮过程中，影响范围达到图1中4个区域中的3个的寒潮共3次，达到2个区域的寒潮共8次，只影响到1个区域的寒潮共20次，33次寒潮平均降温幅度11.1°C；2001～2011年12次寒潮过程中影响范围达到4个区域的寒潮有1次，出现在2008年12月1日，影响到3个区域的寒潮共5次，除此之外的6次寒潮过程只影响到1个区域，12次寒潮过程平均降温幅度12.0°C，其中最高降温幅度为15.2°C，出现在2002年12月21日。统计结果表明，华北寒潮频次与强度在1990～2000年与2001～2011年出现了较为明显的差异，前一段时间比后一段时间寒潮频次多19次，而寒潮平均降温幅度低0.86°C，寒潮过程的影响范围也相对较小。

图2 1957～2011年华北寒潮（a）频次与（b）强度序列（图中红色虚线表示年代平均）Fig.2 Time series of cold surge (CS) (a) frequency and (b) intensity in North China during 1957-2011(red dotted line denotes the interdecadal average)

除了频次与强度，寒潮冷空气的移动路径也是寒潮事件的重要特征。本文利用基于拉格朗日算法的FLEXPART模式追踪华北寒潮爆发前5日至爆发当日的冷空气路径。图3a为1990～2000年共31次华北寒潮的路径情况，冷空气大多数来自格林兰岛附近，取偏西路径进入我国华北。图3b为2001～2011年共12次华北寒潮的路径情况，冷空气大多数来自新地岛附近，取偏北路径进入华北，其中还包括一些比较奇异的路径。因此华北寒潮的冷空气路径特征同样在1990～2000年与2001～2011年两段时间存在明显不同。为了便于研究两段时间华北寒潮的差异，下面将1990～2000年定为1990年代，将2001～2011年定为2000年代。

图3 （a）1990～2000年与（b）2001～2011年华北寒潮冷空气路径Fig.3 Trajectories of cold surges in North China during (a) 1990-2000 and (b) 2001-2011

4 1990年代与2000年代环流特征的差异

本节进一步探讨华北寒潮特征在两段时间不同的原因，对比分析1990年代与2000年代冬季相关环流要素的差异及其对华北寒潮特征的可能影响。图4是1990年代与2000年代北半球冬季850 hPa以及500 hPa水平风场距平合成，距平计算取1957～2011年共55年作为气候态。由图4a可以看到1990年代低层绕极偏西风距平较强，北美至欧亚大陆东岸有一支低层强气流带，其中格陵兰岛南部海域以及贝加尔湖以西至乌拉尔山的西风距平通过90%置信度的显著性检验，这两段较强的西风气流有利于格陵兰岛附近冷空气频繁东移，导致1990年代华北寒潮冷空气路径大多数偏西且寒潮频次较多。而2000年代绕极距平风向杂乱，且风速距平较小，西路冷空气输送通道远不如1990年代通畅，在贝加尔湖至远东地区850 hPa上存在反气旋环流距平，有利于加强东亚偏北风，为北方冷空气入侵提供有利条件，因此2000年代华北寒潮冷空气路径大多数偏北。500 hPa的结果与850 hPa结果一致（图5b），相较于2000年代，1990年代格陵兰岛南部有较强的西风距平，欧亚大陆由西向东距平环流形式为“反气旋—气旋—反气旋”，可以有效引导冷空气东移，这一结果与Park et al.（2014）文提出的“波列型”寒潮所对应的环流中心位置有差异，因此结果也有所不同。Park et al.（2014）指出“波列型”寒潮的斜压波向东南方向传播，使得东亚北风加强，导致寒潮爆发，而本文中1990年代欧亚的“反气旋—气旋—反气旋”环流型将使得东亚偏西风加强。

图5为1990年代与2000年代冬季500 hPa位势高度距平合成，距平计算取1957～2011年共55年作为气候态，图中打点区域表示距平通过0.1置信度的显著性检验。图5a中1990年代冬季500 hPa上极区存在显著负位势高度距平，表明极地涡旋偏强，贝加尔湖以南区域的位势高度正距平使得东亚大槽填塞，有利于绕极西风气流加强，导致1990年代华北寒潮冷空气路径更易偏西。同时，欧亚大陆西部至日本自西向东方向存在明显的“正—负—正”的波列特征，该特征与图4中500 hPa水平风场距平结果相吻合，但与Park et al.（2014）指出的“波列型”寒潮所对应的波列传播方向有差异，1990年代这种波列形势有利于冷空气自西向东快速移动，使得华北寒潮以偏西路径为主。图5b中2000年代冬季500 hPa上极地大部分区域受到位势高度正距平控制，极地涡旋偏弱，在以新地岛为中心的欧亚大陆北部存在大片正距平区域，而贝加尔湖至远东地区存在位势高度负距平，这种环流形势有利于形成高纬阻塞系统，导致冷空气堆积，同时也有利于偏北大风引导冷空气南下，从而形成“阻塞型”寒潮，因此2000年代华北寒潮以偏北路径为主。Park et al.（2014）所提出的“阻塞型”寒潮所对应的环流形式与2000年代比较一致，其指出阻塞型寒潮的爆发一方面与西伯利亚高压向南扩张有关，另一方面与该种阻塞形势导致的稳定东北风有关，这与本文分析结果一致。300 hPa以及850 hPa上位势高度距平的分析结果与500 hPa上结果吻合（图略）。

图4 （a、c）1990 年代与（b、d）2000 年代 850 hPa 以及 500 hPa 水平风场距平（单位：m/s）：（a、b）850 hPa； （c、d）500 hPa。点状阴影区域表示通过90%置信度的显著性检验Fig.4 Composite anomalies in the horizontal wind (units: m/s) at (a, b) 850 hPa and (c, d) 500 hPa: (a, c) 1990s; (b, d) 2000s.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

图5 （a）1990年代与（b）2000年代500 hPa位势高度距平（点状阴影区域表示通过90%置信度的显著性检验）Fig.5 Composite anomalies of geopotential heights at 500 hPa in the (a) 1990s and (b) 2000s.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

图6给出的是1990年代以及2000年代冬季海平面气压（SLP）距平合成，图中打点区域表示距平通过90%置信度的显著性检验。图中黑色实线框内的区域是判断区域寒潮时所选定的西伯利亚高压关键区。图6a中1990年代西伯利亚高压关键区内SLP距平正负不一且距平值较小，西伯利亚高压偏弱，而图6b中2000年代关键区内则是显著的SLP正距平中心，西伯利亚高压偏强，导致2000年代华北寒潮降温强度相比于1990年代有所增加（图2）。

图6 （a）1990年代与（b）2000年代海平面气压（SLP）距平（点状阴影区域表示通过90%置信度的显著性检验；黑色实线框表示西伯利亚高压关键区）Fig.6 Composite anomalies of sea level pressure (SLP) in the (a) 1990s and (b) 2000s.Stippling areas are significant at the 90% confidence level;black box represents the key region of Siberia High

图7是1990年代与2000年代冬季地表气温（SAT）距平合成，图7a中1990年代极区大部存在显著温度负距平，中心位于巴芬湾附近，图7b中2000年代极区受到显著的温度正距平控制，中心位于新地岛附近。1990年代极区气温偏低使上空位势高度降低，进而导致极涡加强、范围减小（图5a），强冷空气盘踞在极区内使绕极区西风距平偏强、西来冷空气通道畅通（图4a），受此影响1990年代华北寒潮冷空气路径大多数偏西。2000年代新地岛附近温度偏高，极区偏暖导致其上空位势高度升高，使得极涡减弱、范围增大（图5b），冷空气容易随分裂进而向南移动，受此影响2000年代华北寒潮路径大多偏北。李峰等（2006）通过统计计算指出，20世纪70至90年代极涡面积与强度的乘积与极区温度之间存在显著的正相关关系，而极涡面积和强度呈反位相变化，而本文图5及图7的分析结果与该统计关系相吻合。

图7 （a）1990年代与（b）2000年代地表气温（SAT）距平（点状阴影区域表示通过90%置信度的显著性检验）Fig.7 Composite anomalies of surface air temperature (SAT) in the (a) 1990s and (b) 2000s.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

5 1990年代与2000年代华北寒潮差异与海冰的联系

北极海冰的变化对中高纬度气候异常有重要影响，并且海冰对大气的影响有一定的延续性（Wang and Chen, 2014）。1990年代与2000年代大气环流的显著差异很可能与这一时段北极海冰的变化存在关联，本节分析了1990年代与2000年代华北寒潮差异与秋、冬季北极海冰的联系。这里秋季定义为9～10月，冬季仍然延用前文中冬半年的定义，即当年11月至次年3月。

图8给出了1990～2011年秋季与冬季北极海冰密集度（SIC）与华北寒潮频次、强度序列（图2）的相关分布，点状阴影区域表示相关系数通过0.1信度的显著性检验。秋季喀拉海至东西伯利亚海的大范围海域SIC与华北寒潮频次存在显著正相关（图8a），而冬季时相关显著区域缩小，主要集中在新地岛附近海域（图8c）。秋季与华北寒潮强度存在显著负相关的区域很少（图8b），表明秋季海冰对华北寒潮强度影响较弱，而冬季巴芬湾及其以北海域SIC与华北寒潮强度存在一定面积的显著负相关（图8d）。综合秋、冬季北极海冰与华北寒潮相关显著的区域，取新地岛（Novaya Zemlya）附近巴伦支海与喀拉海部分区域（70°N～80°N，45°W～70°W）为北极海冰影响华北寒潮频次的关键区域；取巴芬湾（Baffin Bay）及其以北区域（70°N～85°N；60°W～120°W）为北极海冰影响华北寒潮强度的关键区域（如图8c、8d中黑色实线框所示）。

图8 1990～2011年华北寒潮（a、c）频次及（b、d）强度序列与秋季和冬季北极海冰密集度（SIC）的相关：（a、b）秋季北极海冰密集度；（c、d）冬季北极海冰密集度。点状阴影区域表示通过90%置信度的显著性检验；黑色实线框表示海冰关键区Fig.8 Correlation coefficients between the CS (a, c) frequency and (b, d) intensity in North China and Arctic sea ice concentration (SIC) in autumn and winter during 1990-2011: (a, b) Autumn SIC; (c, d) winter SIC.Stippling areas are significant at the 90% confidence level; black box denotes the key region of SIC

将上述关键区域的SIC进行区域平均与标准化处理，得到影响华北寒潮频次的海冰关键区与影响华北寒潮强度的海冰关键区（下称频次关键区与强度关键区）SIC指数。如图9a所示，频次关键区SIC指数在21世纪初明显下降，海冰明显减少，这一特征与Wang and Chen（2014）给出的海冰变化时段一致，图中黑色实线为华北寒潮频次序列，其与频次关键区SIC指数相关系数为0.50，通过了95%置信度的显著性检验，图中绿色虚线为每个年代频次关键区SIC指数平均。结果表明，2000年代初新地岛附近的频次关键区秋季到冬季海冰减少，对应2000年代华北寒潮频次较1990年代减少，而朱晨玉等（2014）指出近50年秋季海冰（特别是东半球海冰）减少对应中国后冬南方冷空气频数增多，导致不同结果的原因可能是关注的时段与区域不同。强度关键区SIC指数在21世纪初同样明显下降（图9b），但变化幅度弱于频次关键区，图中黑色实线为华北寒潮强度序列，其与强度关键区SIC指数的相关系数为－0.48，通过了95%置信度的显著性检验。结果表明，2000年代初巴芬湾附近强度关键区秋季到冬季海冰减少，对应2000年代华北寒潮强度较1990年代增强。但相关系数只表明华北寒潮频次及强度与各自关键区海冰变化的对应关系，因此本文继续分析关键区海冰变化如何影响1990年代与2000年代的华北寒潮。

图9 1990～2011年华北寒潮（a）频次序列与频次关键区SIC指数以及（b）强度序列与强度关键区SIC指数（柱状图表示关键区SIC指数。黑色实线表示华北寒潮频次或强度序列；绿色虚线表示各SIC指数年代平均值；R1与R2分别表示关键区海冰指数与华北寒潮频次和强度序列的相关系数，**代表相关系数通过95%置信度的显著性检验）Fig.9 (a) Time series of CS frequency in North China and its associated SIC index and (b) time series of CS intensity in North China and its associated SIC index.Histogram denotes the SIC index; black solid line denotes the CS frequency or intensity in North China; green dotted line denotes the interdecadal average of SIC index; R1 and R2 denote the correlation coefficients between the SIC index and CS frequency and intensity in North China, respectively.** indicates the statistical significance above the 95% confidence level

前文分析表明，绕极圈西风带的强弱与华北寒潮频次以及冷空气的路径有关，图10是频次关键区SIC指数与1990～2011年850 hPa以及500 hPa纬向风的相关分布，图中矢量为1990～2011年850 hPa与500 hPa水平风场平均。频次关键区SIC指数与两高度上纬向风在乌拉尔山以东至贝加尔湖存在显著正相关，1990年代新地岛附近海域海冰相对较多，对应这一区域出现纬向风正距平，导致对流层中层到低层绕极区西风带增强，西来冷空气通道畅通，因此1990年代华北寒潮频次较多，路径以偏西为主。2000年代初新地岛附近海域海冰较1990年代显著减少，对应这一区域出现纬向风负距平，导致绕极区西风带减弱，西来冷空气通道受阻，因此2000年代华北寒潮频次较少，转为以偏北路径为主。

图10 1990～2011年华北寒潮频次关键区SIC指数与冬季（a）850 hPa、（b）500 hPa纬向风的相关系数（矢量表示1990～2011年850 hPa水平风场平均；点状阴影区域表示相关系数通过90%置信度的显著性检验）Fig.10 Correlation coefficients between the SIC index of key region (frequency) and horizontal wind at (a) 850 hPa and (b) 500 hPa in winter during 1990-2011.Vector denotes the average horizontal wind at 850 hPa or 500 hPa in winter during 1990-2011; stippling areas are significant at the 90%confidence level)

图11是频次与强度关键区SIC指数与500 hPa位势高度的相关分布。图11a中频次关键区SIC指数与500 hPa位势高度的相关分布显示：新地岛以南乌拉尔山附近存在显著负相关，我国华北至渤海为显著正相关。1990年代新地岛附近海冰相对较多，对应新地岛至乌拉尔山上空位势高度降低，欧亚大陆东岸位势高度升高，欧亚大陆大型槽脊波动减弱，有利于绕极西风偏强，引导格陵兰岛附近冷空气东移，使得1990年代偏西路径华北寒潮占多数。而2000年代情况则相反，新地岛附近海冰显著减少对应欧亚大陆大型槽脊波动加强，绕极西风偏弱，且乌拉尔山位势高度升高有利于阻塞系统形成，东亚大槽加深有利于冷空气南下，使得2000年代偏北路径华北寒潮占多数。图11b中强度关键区SIC指数与500 hPa位势高度的相关分布显示：北美东岸存在显著正相关，自北美东岸至日本由西向东相关中心呈波列状分布，巴尔喀什湖至贝加尔湖南部为显著负距平。2000年代初巴芬湾附近海冰较1990年代显著减少对应北美东岸位势高度降低，其激发出的遥相关波列由西向东传播，使得巴尔喀什湖至贝加尔湖这一区域位势高度升高，进而导致华北寒潮强度上升，这一猜想有待进一步验证。

图11 1990～2011年华北寒潮（a）频次与（b）强度关键区SIC指数与冬季500 hPa位势高度的相关系数（点状阴影区域表示相关系数通过90%置信度的显著性检验）Fig.11 Correlation coefficients between the SIC index of the key regions for (a) frequency, (b) intensity, and geopotential heights at 500 hPa in winter during 1990-2011.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

图12是强度关键区SIC指数与1990～2011年海平面气压的相关分布情况，图中黑色实线框表示的是西伯利亚高压关键区。相关分布显示：西伯利亚高压关键区内存在较弱的负相关中心，而北美东岸以及乌拉尔山以东至贝加尔湖西部为显著的正相关区域。2000年代巴芬湾海冰较1990年代显著减少对应乌拉尔山以东的中西伯利亚地区海平面气压偏低，同时北美东岸海平面气压偏低。强冷空气南下时伴随着低层绝热冷却上升运动，而地面气压减弱是冷空气增强的特征，因此2000年代寒潮冷空气平均强度较强。

图12 1990～2011年华北寒潮强度海冰关键区SIC指数与冬季海平面气压（SLP）的相关系数（点状阴影区域表示相关系数通过90%置信度的显著性检验；黑色实线框表示西伯利亚高压关键区）Fig.12 Correlation coefficients between the SIC index of the key regions for CS intensity and sea level pressure (SLP) in winter during 1990-2011.Stippling areas are significant at the 90% confidence level;black box indicates the key region of Siberia High

图13为频次与强度关键区SIC指数与1990～2011年地表气温（SAT）的相关分布情况。图13a中频次关键区SIC指数与地表气温的相关分布显示：极区主要为负相关，而蒙古高原至华北为正相关。2000年代初新地岛附近海冰较1990年代显著减少导致极地气温上升，有助于极涡减弱分裂，配合乌拉尔山地区位势升高（图11），有利于形成阻塞系统，偏北路径寒潮增多，西路冷空气通道受到阻挡，导致2000年代相较于1990年代偏西路径冷空气显著减少。图13b中强度关键区SIC指数与地表气温的相关分布显示：极地大部分区域为显著负相关，北美东岸为显著正相关区域，但蒙古高原至华北地区为较弱负相关。2000年代初巴芬湾附近海冰显著减少导致极区升温以及北美的降温，结合强度关键区SIC指数与海平面气压的相关分布情况，巴芬湾海冰减少对北美影响更为显著，对蒙古高原至华北地区影响较弱。而北美东岸地表气温异常是否会通过大气遥相关波列东传至东亚地区，进而引起蒙古高原至华北区域地表气温降低，这一猜想还有待继续研究。

图13 1990～2011年华北寒潮（a）频次与（b）强度关键区SIC指数与冬季地表气温（SAT）的相关（点状阴影区域表示相关系数通过90%置信度的显著性检验）Fig.13 Correlation coefficients between the SIC index of key region (a) frequency, (b) intensity and Surface Air Temperature (SAT) in winter during 1990-2011.Stippling areas are significant at the 90% confidence level

6 结论与讨论

本文利用华北区域均一化站点气温资料、NCEP/NCAR再分析资料、CFSR再分析资料以及NOAA高分辨率海冰密集度资料对比分析了1990年代与2000年代我国华北寒潮频次、强度以及冷空气路径的差异及其与秋、冬季北极海冰的联系，得到以下结论：

（1）1990年代华北寒潮频次为1957～2011年最多，但寒潮平均强度最低，冷空气大多数来自于格陵兰岛附近海域，沿偏西路径进入华北；2000年代华北寒潮频次为1957～2011年最少，但寒潮平均强度相对较高，冷空气大多数来自于新地岛附近海域，沿偏北路径进入华北。

（2）1990年代与2000年代两段时间环流差异明显，1990年代较强的绕极区西风以及自西向东的“波列型”距平中心有利于格陵兰岛附近冷空气向东输送，因此1990年代华北寒潮冷空气路径以偏西为主，寒潮频次偏多。同时1990年代东亚大槽异常填塞，西伯利亚高压偏弱，导致华北寒潮强度较弱。2000年代东亚大型槽脊波动加强，有利于阻塞形势产生，西路冷空气通道受阻，同时，东亚大槽加强使得冷空气更易由北向南移动，因此2000年代华北寒潮冷空气路径以偏北为主，寒潮频次偏少。同时2000年代阻塞形势更易形成，有利于冷空气堆积、西伯利亚高压增强，导致华北寒潮强度较强。

（3）2000年代新地岛附近（华北寒潮频次关键区）秋、冬季海冰较之前显著减少，导致极区偏暖，极地涡旋减弱，欧亚大陆中高纬度大型槽脊波动加强，绕极区西风带减弱，导致2000年代偏西路径华北寒潮频次减少。同时，海冰减少导致东亚大槽异常加深，导致2000年代偏北路径华北寒潮增多。2000年代初巴芬湾附近（华北寒潮强度关键区）秋、冬季海冰较之前显著减少对应华北寒潮强度增加，巴芬湾附近海冰减少可能激发北美到东亚的遥相关波列，进而导致华北寒潮增强。

本文关于华北寒潮在1990年代与2000年代两段时间的差异及其与海冰的联系是基于观测资料分析得出的，之后还需要采用数值模式进行关键区海冰变化的敏感性试验，去进一步探讨北极海冰变化对华北寒潮的影响及其物理过程。此外，寒潮是一种具有天气尺度的过程，而本文仅从年代际差异的角度进行了分析，没有探究寒潮爆发前的关键环流信号和北极海冰变化信号。因此，在未来的工作中需要提取每次华北寒潮爆发前的环流场以及北极海冰资料去探究这些前期信号，为寒潮的预测提供参考。