在全球变暖的背景下，中国乃至欧亚大部分地区的气温成显著升高的趋势(赵宗慈等，2005；唐国利等，2009)。然而近年来欧亚地区冬季大范围极端低温事件却频繁发生。例如，2004/2005年冬季，中国出现了两次大范围寒潮过程，改变了1986年以来大部分地区连续出现18个暖冬的局面(马晓青等，2008)；2005/2006年欧洲经历近一个世纪最冷冬季(Scaife et al，2008)；2008年1月，中国南方出现了历史罕见的持续性冰冻雨雪灾害(王凌等，2008)；2009/2010、2010/2011年冬季，极端低温/暴雪侵袭了北半球大部分国家和地区(孙诚等，2012；Wang et al，2013)；2012年1—2月，寒流横扫欧亚大陆，一些地区甚至出现了近百年来的最低气温记录(兰晓青等，2013)。

冬季大范围持续性极端低温事件给人们的生活和生产活动带来了极大的破坏，对此类事件的成因进行分析，并对其提前进行预测具有重大意义。近年来围绕冬季低温频发的情况开展了大量研究，如围绕2004/2005年冬季两次大寒潮过程、2007/2008年冬季低温雨雪冰冻事件等个例分析(马晓青等，2008；陶诗言等，2008；丁一汇等，2008；王东海等，2008；杨贵名等，2008；陶祖钰等，2008；王亚非等，2008；曾明剑等，2008；顾雷等，2008；Zhou et al，2009; 谭桂容等，2010；Bueh et al，2011a；王阔等，2012)；围绕近年来冬季区域性低温事件频繁发生对应的异常特征及其与历史类似时期的环流系统对比分析研究(Peng et al，2011; 沈柏竹等，2012；Liu et al，2012；龚志强等，2012；王晓娟等，2012，2013)；冬季持续较长的区域性低温事件形成对应大气系统中的大型的斜脊斜槽(Bueh et al，2011b)，低频扰动(张宗婕等，2012；钱维宏，2012)，阻塞高压配置(龚志强等，2013)等。但是，从季节尺度上来看，21世纪初尤其2004年以来频繁冷冬温度异常分布情况差异显著，有的年份表现为整个欧亚大陆偏冷，有的年份仅仅局部地区偏冷，这种差异如何来区分，其形成的机理又有何异同。对这些问题的进一步深入研究，将有助于更好地认识和理解当前频繁冷冬的特征。鉴于此，选取2004年以来显著变冷的欧亚北部，对该区域冷冬主要类型进行划分，并就其形成可能机理开展初步探究。 2 资料和方法

所用资料来自NCEP/NCAR发布的全球逐月再分析资料，包括2 m温度场、分辨率为2.5°×2.5°的海平面气压场和垂直方向自1000 hPa至10 hPa共17层的位势高度场、风场资料；分辨率为2.0°×2.0°的NOAA ERSST的逐月海表温度资料(Smith，2003)；CPC网站(ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/cwlinks)逐月的北极涛动、北大西洋涛动、Nino3.4指数资料；时间均为1961年1月—2013年2月；文中冬季定义为当年12月至次年2月，气候态取1981—2010年。

主要方法为经验正交函数分解(EOF)，另外，还采用了合成分析以及相关分析的方法，并采用F、t检验来检验其显著性。 3 2004年以来冬季低温显著影响区

为了得到2004年以来冬季低温显著影响区，对2004—2012年冬季地面气温距平进行合成，得到图 1。由图 1可知，40°N以南除青藏高原、非洲东北部等显著升高外其他区域不明显；40°N以北欧亚大陆以降低为主，最显著影响区域位于欧亚北部，气温距平低于-1.0℃范围为50°—120°E。 因此，以气温距平低于-1.0℃为标准，选取欧亚北部(40°—65°N，50°—120°E)作为气温异常典型区，并研究该区域2004年以来频繁出现冷冬的异常特征。

图 1 2004—2012年冬季地面气温距平合成分布(单位：℃； 阴影区域表示通过信度为0.05的统计检验) Fig. 1 Horizontal distribution of the composite surface air temperature anomalies(SATA)during the 2004-2012 winter seasons(unit: ℃; the shaded area is significant at the confidence level of 0.95)

图选项

图 2给出了1961—2012年冬季欧亚北部地面气温距平时间序列。由图 2可知，欧亚北部总体成变暖趋势，线性趋势为0.16℃/(10 a)，表现出明显“偏冷—偏暖—偏冷”的年代际变化特征。20世纪60—70年代气温显著偏低，其中1965—1979年出现11个偏冷年，20世纪80年代至21世纪初以偏高为主，其中1980—2003年出现20个偏暖年，2004年以来9 a出现7个偏冷年，近4年连续偏冷，冷冬进入频发期。经过11 a滑动平均处理后也表现出类似的年代际变化特征，两次转折分别发生在1982、2005年前后。

图 2 1961—2012年冬季欧亚北部(40°—65°N，50°—120°E)地面气温距平时间序列(单位：℃；虚线为11 a滑动平均序列) Fig. 2 Time series of winter SATA in northern Eurasia(40°-65°N，50°-120°E)for the period of 1961-2012(unit: ℃; dotted line means the 11 years moving-average)

图选项

为了得到欧亚北部冬季气温异常的主要分布特征，对1961—2012年欧亚北部冬季地面气温距平进行经验正交函数分解。前两个模态解释方差达79%，按照North等(1982)的准则，这两个主分量彼此可分，并且可以和其他主分量区分开，因此可以表征该区域的冬季气温异常的主要分布型。从图 3a的EOF1空间分布可以看出，第1模态表现为全区一致变化，变化幅度由北至南递减。结合图 3b可知，PC₁正位相代表全区偏冷，负位相相反。与图 2类似，PC₁年代际变化特征明显，20世纪60—70年代以偏冷为主，80—90年代以偏暖为主，21世纪以来气温下降趋势明显。从图 3c的EOF2空间分布可以看出，第2模态表现为约以55°N为分界线南北气温成反相变化，南部变化幅度最大区域位于50°N以南，北部位于最北端。结合图 3d可知，PC₂正位相代表 55°N以南偏冷，以北偏暖，负位相相反。PC₂最大值出现在2011年，为2.61，最小值出现在1978年，为-2.61。

图 3 欧亚北部冬季气温距平场经验正交函数分解的前两个主模态(a、b分别为经验正交函数分解第1模态的空间分布型和对应标准化时间系数；c、d同a、b，但为第2模态) Fig. 3 Two leading EOF modes of the winter air temperature anomalies in northern Eurasia:(a)Spatial pattern;(b)the corresponding normalized time coefficient of the first EOF mode; and (c) and (d)as in(a) and (b)，respectively but for the second mode

图选项

具体到一个特定年份的总方差而言，每个模态都有一定量解释方差。为了进一步区分前两个模态在任意年份的作用大小，如果该年第1模态(第2模态)解释方差为所有模态中最大，且解释方差超过35%，即表明这一具体年份气温异常主要表示第1模态(第2模态)的特征，这样即可挑选出所有以第1模态(第2模态)为主模态的典型年。进一步从这些年份中筛选出PC₁(PC₂)大于0的年份，则为全区偏冷年(南部偏冷年)，相反则为全区偏暖年(南部偏暖年)。

采用该定义后计算发现，52 a中以第1模态为主模态年份共有27个，全区偏冷年12个，全区偏暖年15个，平均解释方差达72.2%；以第2模态为主模态年份为12个，南部偏冷、暖年均为6个，平均解释方差为54.6%。前两个模态典型年分别以圆圈标记在图 3b、3d中。欧亚北部2004年以来9 a中出现7个偏冷年(图 2)，其中2005、2009、2010、2012年为第1模态典型年，均为全区偏冷年(图 3b)，第1模态解释方差分别为71%、87%、71%及56%；2004、2007、2011年为第2模态典型年，均为南部偏冷年，第2模态解释方差分别达到37%、78%、87%。

表 1进一步给出欧亚北部585个格点所有全区偏冷年、南部偏冷年地面气温距平场与对应主模态距平相关系数(ACC)分布。从表中可以发现，所有典型年与对应主模态间距平相关系数大都在0.5以上，远超信度为0.001的统计检验，表明2004年以来全区偏冷年、南部偏冷年气温异常分布均与历史典型年非常相似。因此，下文分别对所有全区偏冷年、南部偏冷年做合成，对两种类型冷冬进行全面比较。

图 4分别给出了全区偏冷年与南部偏冷年地面气温距平合成分布。全区偏冷年气温距平场表现为显著偏低区域位于40°N以北的欧亚大陆，偏低中心位于60°N附近，气温距平低于-2.0℃范围为20°—130°E，40°N以南以偏高为主，比较显著区域位于非洲北部及青藏高原(图 4a)；南部偏冷年气温距平场约以55°N为分界线从北至南成“+、-”分布，60°N以北显著偏高，中心位于极区，50°N以南的亚洲大陆显著偏低，中心位于40°N附近，气温距平低于-2.0℃范围为50°—100°E(图 4b)。从图 4还可以看出，两个主模态不仅为欧亚北部两个主要异常气温分布类型，也可表征整个欧亚大陆异常温度主要分布特征。

图 4(a)全区偏冷年地面气温距平场合成分布，(b)同(a)，但为南部偏冷年(单位：℃；阴影区域表示通过信度为0.05的统计检验) Fig. 4(a)Horizontal distribution of SATA in whole-region-colder years，(b)as in(a)but for south-region-colder years(unit: ℃; the shaded area is significant at the confidence level of 0.95)

图选项

气温异常与大气环流密切相关，图 5分别给出了全区偏冷年与南部偏冷年环流距平场合成分布。在对流层上层200 hPa上，全区偏冷年45°N以北为东风异常带，中心位于60°N附近，表明极地急流偏弱，20°—40°N为西风异常带，显著区域位于北大西洋—地中海及中国西北(图 5a)；南部偏冷年表现出欧亚地区与北大西洋不一致的变化特征，欧亚地区在50°N附近为东风异常带，30°N附近为西风异常带，表明西、东亚副热带急流偏强，北大西洋表现为20°—45°N东风异常，45°—70°N西风异常(图 5b)。在对流层中层500 hPa上，全区偏冷年从北至南呈“+、-”形势，60°N以北几乎全为显著正距平，中心位于极区，最大强度超过60 gpm。中纬度存在两个显著负距平中心，并且呈现出带状的分布特征，中心分别位于西欧沿岸和贝加尔湖，表明西欧沿岸高压脊偏弱、东亚大槽偏西偏强；南部偏冷年也表现出欧亚地区与北大西洋不一致的变化特征，欧亚地区在50°N以北地区为显著正距平，范围为50°—120°E，中心位于(65°N，80°E)附近，最大强度超过60 gpm，表明乌拉尔阻塞高压与贝加尔湖阻塞高压均偏强，两个显著负距平中心分别位于里海以东和日本中部，表明中亚多低压槽活动及东亚大槽偏强，北大西洋则表现为格陵兰岛南部为负距平，北大西洋中部为显著正距平(图 5d)。在对流层底层海平面气压场上，全区偏冷年约以50°N为分界线从北至南成“+、-”分布，西伯利亚高压略偏强但位置偏北，北大西洋涛动区异常对应北大西洋涛动负位相(图 5e)；南部偏冷年欧亚大陆除青藏高原外均为正距平，显著正距平中心位于50°N附近，表明西伯利亚高压偏强，东亚冬季风加强，北太平洋中部为显著负距平，北大西洋涛动区异常对应北大西洋涛动正位相(图 5f)。无论是全部偏冷年还是南部偏冷年，各层环流异常表现出相当正压结构。对欧亚北部的影响而言，全区偏冷年对流层上层60°N附近西风偏弱、40°N附近西风偏强有利于对流层中下层在50°N 附近形成气旋式环流，相应西伯利亚高压略偏强，位置偏北；南部偏冷年对流层上层50°N附近西风偏弱、30°N附近西风偏强有利于对流层中、下层乌拉尔—贝加尔湖阻塞高压及西伯利亚高压显著偏强。

图 5 全区偏冷年大气环流距平场合成分布(a. 200 hPa纬向风场(m/s)，c. 500 hPa高度场(gpm)与风场(m/s)，e. 海平面气压场(hPa)与850 hPa风场(m/s)；b、d、f同a、c、e，但为南部偏冷年环流距平场合成分布；阴影区域表示通过信度为0.05的统计检验) Fig. 5 Horizontal distribution of the atmospheric circulation anomalies(a)200 hPa zonal wind(m/s)，(c)500 hPa geopotential height(gpm) and wind(m/s)，and (e)sea level pressure(hPa) and 850 hPa wind(m/s);(b)，(d)，(f)as in(a)，(c)，(e)but for south-region-colder years(The shaded area is significant at the confidence level of 0.95)

图选项

从图 5的分析可以看出，两种类型冷冬均对应北大西洋涛动区环流异常，而北极涛动在保留北大西洋涛动特征基础上对北半球热带外气候更具有代表性(Thompson et al，1998)。此外，相关研究表明，ENSO对东亚冬季风强弱有较好指示意义，拉尼娜(厄尔尼诺)年有利于东亚冬季风偏强(偏弱)，这种影响在中低纬度地区尤为明显(Li，1990；Wang et al，2000，2010)。因此，表 2给出了1961—2012年PC₁、PC₂与北极涛动、北大西洋涛动及Nino3.4指数同期相关系数，可以看出PC₁与北极涛动、北大西洋涛动指数成显著负相关，尤其是北极涛动指数，相关系数达到-0.64，通过了信度为0.001的统计检验，对12个全区偏冷年北极涛动指数与PC₁进行统计分析后发现，12 a中二者反位相变化年份有11个，准确率达到92%，且往往PC₁越大对应北极涛动负位相强度越高(图略)，表明全区偏冷年与北极涛动关系确实密切。

为了具体探究全区偏冷年与北极涛动负位相关系，图 6给出了1961—2012年冬季北极涛动指数的相反数对同期环流场及海表温度场线性回归分布。从图中可以发现，当冬季北极涛动指数呈显著负位相时，500 hPa风场上从格陵兰岛、中西欧、乌拉尔山至贝加尔湖附近依次形成“+、-、+、-”的罗斯贝波列分布，对应高纬度西风减弱，极涡减弱，欧亚北部地区为异常气旋式环流(图 6a)，有利于极地冷空气南下并在欧亚北部聚集，从而导致全区偏冷(图 6b)，这与Hurrell(1995，1996)、 Thompson等(1998，2000)、龚道溢等(2000)、陈文等(2006)、谭本馗等(2007)、所玲玲等(2009)的相关研究是类似的。有关该过程的物理机制，李建平(2005a，2005b)、孙诚等(2012)指出，负位相的北极涛动会使费雷尔环流减弱，欧亚北部因异常北风及经向冷平流作用而降温。因此，北极涛动负位相是导致全区偏冷年的主要大气内部活动因子。

图 6 1961—2012年冬季北极涛动指数的相反数对(a)500 hPa风场(矢量箭头)，海表温度(℃，阴影部分)及(b)地面气温场(℃)线性回归分布(黑点表示通过信度为0.05的统计检验) Fig. 6 Regression maps for(a)500 hPa wind(m/s，vectors)，SST(℃，shadings) and (b)surface air temperature(℃)on the inverted AO index for the 1961-2012 winter seasons(black symbols are significant at the confidence level of 0.95)

图选项

作为大气系统最主要的外强迫之一，海表温度一直是气象学家关注的重点。从图 6a中冬季北极涛动指数的相反数回归的同期海表温度分布可以看出，北极涛动负位相时海表温度特征主要表现为北大西洋海表温度高、中、低纬度呈现出明显东北—西南走向的“+、-、+”带状分布以及太平洋年代际振荡正位相。对于北大西洋海表温度高、中、低纬度呈现出东北—西南走向的“+、-、+”带状分布而言，根据热成风原理，可通过非绝热加热造成北大西洋中、低(高)纬度间温度梯度增大(减小)，西风增强(减弱)，有利于北大西洋涛动/北极涛动负位相维持和增强，相互间存在一个正反馈过程(Watanabe et al，2000)。对于太平洋年代际振荡正位相而言，有利于北太平洋出现显著气旋式环流，高纬度地区出现纬向东风异常，加强贝加尔湖附近气旋式环流，间接加强北极涛动负位相。因此，北大西洋海表温度高、中、低纬度成东北—西南走向的“+、-、+”带状分布有利于北极涛动负位相，太平洋年代际振荡正位相也产生一定影响。5.2 2004年以来4个全区偏冷年北极涛动及海表温度实况特征

具体到2004年以来4个全区偏冷年显著大气内部活动异常而言，2005、2009、2010、2012年冬季北极涛动指数分别为-0.81、-3.42、-0.91、-1.12，均表现为显著负位相。图 7则给出了4个全区偏冷年海表温度距平分布，其中2009、2010年冬季北大西洋高、中、低纬度海表温度成东北—西南走向的“+、-、+”带状分布特征非常显著，2005、2012年虽然北大西洋中纬度地区海表温度为正常态，但高、低纬度暖海表温度非常明显，同样类似于高、中、低纬度成东北—西南走向的“+、-、+”带状分布，但4个全区偏冷年太平洋年代际振荡指数差异较大，正、负位相均为2a。因此，2004年以来4个全区偏冷年对应北极涛动负位相与北大西洋海表温度高、中、低纬度成东北—西南走向的“+、-、+”带状分布特征与历史上典型年是类似的，是导致4个全区偏冷年的重要原因。

图 7(a)2005、(b)2009、(c)2010、(d)2012年冬季海表温度距平分布(阴影，℃) Fig. 7 Horizontal distribution of SSTA in(a)2005，(b)2009，(c)2010，and (d)2012 winter season(shadings，℃)

图选项

由表 1还可以看出，PC₂与同期北极涛动/北大西洋涛动指数为正相关，与Nino3.4指数为负相关，均通过了信度为0.10的统计检验。具体到2004年以来3个南部偏冷年可以发现，北极涛动/北大西洋涛动指数分别为0.11/0.59、0.86/0.38、0.65/1.05，Nino3.4指数距平值分别为0.53、 -1.76、-0.92，即3个南部偏冷年中北极涛动/北 大西洋涛动指数均为弱正位相，赤道中东太平洋出现2个拉尼娜事件，对应关系较好。但如果采用北极涛动/北大西洋涛动指数为正位相且Nino3.4指数为显著负位相(距平低于-0.5℃)作为南部偏冷年发生判据的话，满足条件的8个年份有4 a为南部偏冷年，准确率只有50%。因此，仅仅从北极涛动/北大西洋涛动弱正位相及持续拉尼娜事件来描述南部偏冷年特征既不充分也不够准确，应该关注更显著的大气内部活动异常及其对应整个海表温度背景。

对流层中层的环流系统是影响冷空气活动及气温变化的重要因子。从上文对图 5d的分析可知，南部偏冷年500 hPa高度场最显著的环流 特征表现为“北高南低”形势分布，乌拉尔—贝加尔湖阻塞高压偏强，亚洲中纬度地区多低槽活动，与南部偏冷年“北暖南冷”气温异常有很好的对应关系。因此以图 5d中通过信度为0.05的统计检验区域为标准，定义指数I_UB=H^*_{(55°—70°N，40°—110°E)}、I_MA=-H^*_{(30°-45°N，60°-160°E)}分别代表乌拉尔—贝加尔湖阻塞高压、亚洲中纬度低槽强度，这里H^*代表 500 hPa高度场区域平均的标准化值。分别计算PC₂与上述两个指数相关系数发现，PC₂与I_UB、I_MA关系非常密切，相关系数分别达到0.65、0.54，均通过信度为0.001的统计检验。与此同时，I_UB、I_MA也有很强相关关系，相关系数为0.75，远超过信度为0.001的统计检验。鉴于I_UB与PC₂相关系数更高且I_UB基本可以反映I_MA情况，因此选I_UB作为南部偏冷年最显著大气内部活动异常因子。

同样地，图 8给出了1961—2012年冬季I_UB对同期环流场及海表温度线性回归分布。从图 8a可以发现，I_UB正异常时500 hPa风场从北大西洋中部至中东欧、乌拉尔—贝加尔湖地区、东北亚地区存在一个类似欧亚遥相关的“+、-、+、-”罗斯贝波列，欧亚地区50°N附近纬向西风减弱，东亚副热带急流轴大幅度增强，有利于南部偏冷年50°N以南亚洲大部分偏冷，55°N以北欧亚地区由于异常反气旋活动反而偏暖(图 8b)，这与龚志强等(2013)的相关研究是一致的。

图 8 1961—2012年冬季IUB对(a)500 hPa风场(矢量箭头，m/s)，海表温度(阴影，℃)及(b)地面气温场(℃)线性回归分布(黑点表示通过信度为0.05的统计检验) Fig. 8 Regression maps for(a)500 hPa wind(vectors，m/s)，SST(shadings，℃) and (b)surface air temperature(℃)on the AO index for the 1961-2012 winter seasons(black symbols are significant at the confidence level of 0.95)

图选项

从图 8a中I_UB回归的同期海表温度可以看出，I_UB正异常时北大西洋中部海表温度特征表现为40°N 附近显著偏高，太平洋海表温度表现为“类拉尼娜事件”及太平洋年代际振荡显著负位相。当北大西洋中部海表温度偏高时，该地区上空出现显著反气旋式环流，对类似于欧亚遥相关的“+、-、+、-”罗斯贝波列产生起重要作用，有利于乌拉尔—贝加尔湖阻塞高压偏强，这与Gambo等(1983)；顾雷等(2008)、Li等(2012)的相关研究是一致的；当赤道太平洋表现出“类拉尼娜事件”时，会造成东亚副热带西风急流增强(Yang et al，2002)，50°N附近纬向西风相应减弱，有利于乌拉尔—贝加尔湖阻塞高压建立，且作用效果在太平洋年代际振荡负位相时更加显著(Wang et al，2008)。因此，乌拉尔—贝加尔湖阻塞高压偏强对应海表温度特征为北大西洋中部显著偏暖，其次则为太平洋年代际振荡负位相下“类拉尼娜事件”。

具体到2004年以来3个南部偏冷年显著大气内部活动异常而言，2004、2007、2011年冬季I_UB分别为1.37、0.85、2.99，均表现为明显正异常。图 9则给出了3个南部偏冷年海表温度距平分布，2004、2007年北大西洋中部海表温度均为异常偏高，2011年偏高程度稍弱甚至小范围偏低，但其上空异常反气旋式环流十分显著(图略)，是造成3个南部偏冷年的重要原因。与此同时，2007、2011年还为太平洋年代际振荡负位相下显著拉尼娜事件，相应南部偏冷程度更强(PC₂均高于2.5)。

图 9(a)2004，(b)2007，(c)2011年冬季海表温度异常分布(阴影，℃) Fig. 9 Horizontal distribution of SSTA in(a)2004，(b)2007，and (c)2011 winter season(shadings，℃)

图选项

选取2004年以来冬季显著变冷的欧亚北部地区，并从历史相似角度分析了该区域频繁冷冬的异常特征及形成机理，得到以下结论：

(1)2004年以来冷冬频繁发生，显著影响区位于欧亚北部，1961—2012年冬季欧亚北部气温表现出明显的“偏低-偏高-偏低”年代际变化特征。

(2)欧亚北部2004年以来频繁冷冬的温度异常有所差异。2005、2009、2010、2012年表现为全区偏低，全区偏低年气温场表现为40°N以北欧亚大陆显著偏低，中心位于60°N附近。 2004、2007、2011年表现为50°N以南显著偏低，偏低中心位于40°N附近，60°N以北显著偏高。

(3)全区偏冷年主要由北极涛动显著负位相所致，主要外强迫海表温度特征为北大西洋高、中、低纬度成东北—西南走向的“+、-、+”带状分布，该分布有利于北极涛动/北大西洋涛动负位相维持和增强；南部偏冷年北极涛动/北大西洋涛动特征不明显且以弱正位相为主，主要大气内部活动异常为乌拉尔—贝加尔湖阻塞高压偏强，主要外强迫海表温度特征为北大西洋中部海表温度偏高，其次则为太平洋年代际振荡负位相下“类拉尼娜事件”，上述海表温度异常均可促进类似欧亚遥相关的罗斯贝波列活动，有利于乌拉尔—贝加尔湖阻塞高压偏强、亚洲中部多低槽活动。2004年以来欧亚北部两种类型冷冬在大气环流与外强迫海表温度上均表现出与历史典型年相类似的特征。

值得注意的是，进入21世纪以来全球变暖进入停滞期(唐国利等，2012;Jeff，2014)，当前欧亚北部频繁冷冬存在一些新的特征，如北极海冰减少与欧亚北部频繁冷冬存在密切联系(Liu et al，2012)。在新的背景下，对全球变暖停滞期频繁冷冬与历史相似年间外强迫进行系统比较是下一步探索的重点。