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联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）在第六次评估报告中将极端天气事件定义为“在一年中的特定地点和时间罕见的事件”，将极端气候事件定义为“持续一段时间的极端天气模式，例如一个季节”。针对极端事件的定义，许多研究围绕极端温度、极端降水、旱涝急转、野火、沙尘暴等进行了讨论。然而，对于单一极端事件的研究逐渐无法解释许多频发的天气气候问题。因此，2012年IPCC关于极端气候的特别报告（Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation）首次展开了对复合事件的研究，旨在广泛地揭示天气和气候相关灾害结合的物理过程，以提高其可预测性，进而用于评估社会及环境的影响风险。复合事件的定义也在这个报告的基础上有所修正，被纳入IPCC风险框架。Zscheischler et al.（2020）将其广义定义为“导致社会或环境风险的多种驱动因素和/或危害的组合”，并将复合事件划分为预置条件、多变量、时间复合以及空间复合4种类型，为分析复合事件提供了一个连贯的框架。与单变量事件相比，它们可能对不同系统产生更大的负面影响，但对这些事件的认识、分析、量化和预测仍处于起步阶段。
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在全球变暖的背景下，北极放大效应加强，北极地区增暖使得其与中纬度地区之间的温度梯度减小、西风减弱，会引起平流层极地涡旋（Cohen et al.，2021）、急流和行星波（Barnes and Screen，2015; Francis and Vavrus，2015）发生改变，有利于北半球中纬度地区发生极端低温事件（Tang et al.，2013）。与屡次破纪录的极端高温事件相比，全球范围内的极端低温事件发生频率可能有所减少（Alexander et al.，2006; 高庆九等，2018），但降温速率变快（Kharin et al.，2007），且低温天数持续增加（Cohen et al.，2014; 谢韶青和卢楚翰，2018）。针对冬季极端低温，许多研究对北半球冬季个别时间或区域的极端低温异常事件（Sun，2012; 兰晓青和陈文，2013; 杜雪婷等，2021; Zhang et al.，2022）展开了讨论。同时研究表明，在不同地区同步发生的极端温度并非孤立事件（Deng et al.，2018）; 相反，它们多是由大气环流异常引起的复合极端温度事件（Kornhuber et al.，2020; Kornhuber and Messori，2023），即空间复合极端事件。极端气候的空间复合事件在不同地点的危害一般是通过一个具有空间整合能力的系统建立的，该系统能够将危害影响累积在空间较远的地点上。与平均气候相比，极端气候事件具有突发性、难预测性和强破坏性等特点（余荣和翟盘茂，2021; 陈海山等，2024），因此对极端低温的空间复合事件展开研究具有十分重要的科学意义。
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综合现有的研究结论以及极端事件空间复合的特征，不同的天气气候系统对极端低温事件有着许多影响（Fang et al.，2023）。高空急流是对流层重要的动力系统，其位置、形状、强度等特征被认为是气候变化的潜在指标，会使北半球中纬度地区频繁发生极端事件。Yang et al.（2002）指出，冬季西太平洋急流的异常与整个亚洲-太平洋-美洲冬季气候异常相关联，当冬季西太平洋急流增强时，东亚与美国东部出现更寒冷、更干燥的气候特征。Zhao et al.（2023）对北太平洋急流进行研究，发现不同形态的急流会对北半球不同地区同步产生冷暖异常的影响。除此以外，复合极端事件的发生、维持和增强还受局地气旋、反气旋异常的影响（Yang et al.，2021），急流的动力学及其与气旋和反气旋的相互作用控制会导致遥远地区的天气共变（Branstator，2002）。在行星尺度上，灾害和相关影响的空间同步可由气候变率的大尺度模态，如ENSO、大气遥相关（Boers et al.，2019）或由环极地波驱动（Kornhuber et al.，2019）造成。缓慢移动的放大Rossby波形成近似环全球的遥相关，有利于极端天气条件的发生，导致在中纬度地区同步产生异常天气事件。研究发现，冬季极端低温事件在北半球中纬度地区的Rossby-3波、4波中最为明显（Kornhuber and Messori，2023）。
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目前，有关空间复合事件的研究较为欠缺，对空间复合的关注主要围绕个例事件展开，对空间上不同位置极端事件相互影响的认识较为有限（Fang et al.，2023），极端温度的关键区域、严重程度和同步发生的情况尚未得到系统的量化。基于现有的研究发现，专门针对空间温度复合事件进行气候学统计分析的研究依然较少。通过前期的研究，高空急流会影响不同地区的高温或低温，东亚和北美地区在冬季存在着极端温度的空间复合变化。因此，本文重点关注这两个地区的极端低温空间复合事件，并进一步尝试寻找冬季极端低温空间复合事件的主要特征及可能机制。
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1 资料和方法
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1.1 资料
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本研究利用1979—2022年美国气候预测中心（Climate Prediction Center，CPC）的高分辨率网格化逐日最低地表气温数据集来识别冬季（12月、次年1月和2月）的复合极端低温事件，数据的水平分辨率为0.5°×0.5°。该资料集是全球通信系统收集的原始观测数据，使用Shepard算法插值到0.5°经度/纬度网格上。该数据集得到气候变化检测和指数专家组（ETCCDI）的推荐，被广泛应用于极端事件的研究。
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研究选取美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）联合制作的NCEP/NCAR再分析数据用于开展环流分析。该资料的空间分辨率为2.5°×2.5°，共17个标准气压层，主要选用的数据集有逐日气温、位势高度、经向风速、纬向风速、垂直速度等。
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1.2 方法
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1.2.1 极端低温空间复合事件的定义
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本研究涵盖的时间段为1979—2021年的43个冬季（定义为12月至次年2月，即DJF），例如，1979年冬季指1979年12月与1980年1月、2月。利用CPC冬季每日最低气温数据集，同时忽略了闰年2月的第29天，计算不重叠连续5 d的平均值，得到每年冬季18个候均值，由此构建了18候/a×43 a=774候长度的时间序列。
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定义某一格点某日最低气温小于该格点43 a冬季共3 881 d的最低气温序列中的第10个百分位点为发生极端低温天气，统计研究区域内每天发生极端低温天气的事件数（数据长度为3 881）作为某区域每日发生极端低温天气的事件频数，以此作为研究对象可以统计不同时间尺度上发生极端低温天气的事件频数。将不同时间尺度事件频数的时间序列进行标准化处理，选择大于给定标准差取值的事件作为极端低温事件。
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以东亚（73°~145°E，4°~53°N）和北美（160°~12°W，25°~75°N）作为研究对象进行讨论。使用Pearson相关对两时间序列进行局部同步性的计算，能够观察时间序列每一刻的状态，在所有滑动窗口内重复计算信号局部的Pearson相关，直到所有信号都被窗口覆盖过。本文以15帧作为窗口宽度，计算东亚与北美地区逐候的局部相关结果，用于探讨两地极端低温事件的相关关系。使用超前滞后相关系数证明两地区极端低温事件频数的时间序列发生演变的同步性。
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同时，本研究采用的统计方法包括合成分析（Fu et al.，2020）、相关性分析（Tabachnick and Fidell，2013）和经验正交函数（EOF）分解。对异常场（物理量与1979—2021年冬季的气候态的差值）采用t检验（Kalpić et al.，2011），对EOF分解的结果采用North检验（Smith et al.，1996）。
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1.2.2 动力诊断量
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已知有热力学方程（Shi et al.，2020）如下所示，可以依次算出等式左右两侧的各项:
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其中:u和v为纬向风和经向风; ω、T、p分别为垂直速度、气温和气压; R=287.05 J·kg-1·K-1，为干空气气体常数; cp=1 004.67 J·kg-1·K-1，为干空气的比定压热容。由热力学方程可知，地表气温的局地变化（dT）主要受到水平温度平流（uT与vT）、大气垂直运动引起的绝热变化（ωT）、非绝热变化（q）的影响。其中，非绝热变化与地表辐射和热通量有关。
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2 结果与分析
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2.1 识别极端低温空间复合事件
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首先分析东亚地区，从年代际、年际、月、候、日时间尺度出发，得到东亚地区极端事件总数的标准化时间序列（图1），用于选择最有效的时间尺度。同时，为了得到极端低温事件数的年代际变化特征，使用Butterworth滤波器对大于10 a的数据进行滤除; 对标准化后的时间序列作9点平滑处理，计算9点滑动平均值来近似代替年代际分量。
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在年代际尺度研究的基础上，从图1a发现，东亚地区冬季极端低温事件的发生频数随着时间的变化而有所减少，且发生极端低温事件较少的年份主要分布在2000年以后。为了更清晰地判断极端低温事件的年际变化情况，对2000年前后的极端事件数分别求平均值并计算差值，得到结果为-12.216 46，且差异显著。结合月尺度时间分布序列（图1b），发现极端低温频发的年份主要分布在1983年和2010年左右，对应于低温频发期。同时，从东亚地区1979—2021年冬季候、日时间尺度极端事件频数的标准化时间序列（图1c、d）中看出，极端低温事件的分布较为分散，各尺度极端事件频数的分布情况相似。综上来看，尽管在年际尺度上，东亚极端低温呈现出减少趋势，但在较小的月、候、日时间尺度上，近20 a仍会出现非常显著的极端低温事件。
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结合以上对不同时间尺度极端事件时间序列的研究结果，同时参考极端温度事件的定义，需要持续至少2 d以上且温度满足给定的阈值，最终确定以候时间尺度作为最有效的时间尺度，用于后续极端低温事件的判断，该时间尺度既比日时间尺度能够更好地概括极端低温的特征，又比更大的月时间尺度、年时间尺度具有更精确的分布。
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Lü et al.（2023）使用EOF分解得到欧亚大陆和北美两个偏远地区夏季地面气温距平在年际尺度上的相关关系。Griffin and Martin（2017）通过时间扩展EOF识别到北太平洋急流变率的两个主要模态。因此，也对候时间尺度上的北半球冬季逐候最低气温进行EOF分解（图略），主模态为东亚和北美地区同步出现一致的温度分布，即两地存在极端低温的空间复合; 计算第一模态时间序列与东亚和北美地区极端低温时间频数的候尺度时间序列之间的相关系数，结果分别为0.384 6和0.419 6，均呈现出显著正相关性。由此证明，冬季东亚和北美地区存在着极端低温异常的空间复合事件。
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进一步分析东亚和北美两地候尺度极端低温事件频数时间序列的相关关系，发现相关系数为0.200 5，且能够通过显著性检验（图2）。针对局部相关性，在绝大多数滑动窗口内相关系数为正，多候的相关系数超过0.5，说明两地具有很高的正相关关系。
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从上述分析得知，东亚和北美之间具有极端低温的空间复合关系，但是两地对于极端低温的响应可能不是完全同步的，因此利用超前滞后相关系数判断两个时间序列发生演变的相关性。分别计算两地标准化后的最低气温序列与极端低温事件频数序列超前滞后7候的相关系数。当横轴的超前滞后时间间隔τ＜0时，表示东亚地区低温事件的发生超前于北美地区; 反之，则落后于北美。综合温度与频数的结果（图3），当τ=0时，两地的正相关系数都很大，响应时间基本一致，说明极端低温事件基本是同步发生的。
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图1 1979—2021年东亚地区极端低温事件频数的变化特征（单位：次）:（a）年际、年代际时间尺度（黑色：标准化后的事件频数；橙色：作滤波；紫色：作9点平滑）；（b）月时间尺度；（c）候时间尺度；（d）日时间尺度
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Fig.1 Characteristics of the frequency of cold extremes in East Asiafrom 1979—2021: (a) interannual and interdecadal variations (black line:normalized event frequency; orange line:filtered time series; purpleline:nine-point smoothed series) ; (b) monthly frequency distribution; (c) pentad-scale frequency distribution; (d) daily frequency distribution
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图2 东亚（蓝色）与北美（红色）候尺度极端低温事件标准化的频数时间序列及两序列之间的局部同步性（黑色实线为两序列的局部同步性，对照右侧纵坐标）
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Fig.2 Local synchronization of pentad-scale cold extremes between East Asia (blue) and North America (red) .The black solid line shows the local correlation between the two series (refer to the vertical axis on the right)
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图3 东亚与北美最低气温（a）和频数（b）的超前滞后相关系数（红色：东亚超前于北美；蓝色：东亚落后于北美）
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Fig.3 Lead-lag correlation coefficients for (a) minimum temperature and (b) cold extreme frequency between East Asia and North America (red indicates East Asia leading North America, while blue indicates East Asia lagging North America)
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依据标准化后的候尺度时间序列，选择同时大于东亚与北美地区候尺度极端事件频数序列1倍标准差的事件作为两地同步发生的极端低温空间复合事件，得到的30个事件（图4）。可以看出，极端低温事件主要集中在对应事件年次年的第9、10、11、12、13候左右，即1月中下旬至2月上旬。此外，发生极端低温事件较多的时间与上文分析得到的极端低温事件年基本一致，包括1982、1983、1984、2006年等，主要集中在2000年以前。
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将东亚、北美及前文得到的30个两地同步发生的极端低温事件进行合成，并做置信度为95%的显著性t检验。结果显示，在对东亚与北美极端低温事件（图5a、b）进行讨论时，两地部分地区均存在相对气候态而言的显著负异常; 当东亚和北美之间发生复合极端低温事件时（图5c），两地存在着显著的温度负异常，且北美地区的负异常强度更强，东亚的负异常极小值位于45°N附近，而北美主要集中在60°N以北地区，两地温度异常的强度在南北方向上存在着非均匀分布。从以上合成分析的结果来看，无论是从单一地区发生极端低温事件的角度，还是从两地同步发生极端低温事件的角度出发，东亚和北美地区都存在着最低气温的显著负异常，说明两地区总存在着极端低温空间复合事件。
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2.2 极端低温复合事件发生的影响因子
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为了进一步探讨极端低温复合事件发生时的环流特征，本节所有的异常场都是相对于1979—2021年的平均气候态而言进行讨论的，并对结果进行了显著性检验。
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2.2.1 环流因子
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首先，对两地同步发生的30个极端低温事件不同气压层的位势高度场和风场进行分析（图6），总体来看，冬季位势高度相较多年平均的异常场和风场表现为从下至上的相当正压结构。在不同气压层中，对流层中高层上出现正位势高度异常带，同时伴有4个正异常大值中心的出现; 而在东亚和北美地区都出现相对气候态的显著负位势高度异常中心，对应异常的气旋环流和上升运动，但在850 hPa上，北美地区的位势高度负异常显著于东亚地区，与北美更为显著的温度负异常相对应; 这些正负位势高度异常中心的交替分布近似呈现Rossby-4波特征，与Kornhuber and Messori（2023）定义的北半球冬季环流的基本模式相一致，这种大尺度环流的异常可能也是造成极端低温空间复合事件发生的重要原因之一。正负异常中心的存在使得中纬度槽脊结构更加波动，东亚大槽与北美大槽加深南移，两地均位于槽前脊后，盛行偏北气流，有利于北方冷空气的南下，造成东亚和北美地区气温的下降。
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图4 极端低温复合事件集的时间分布（阴影表示极端低温复合事件数大于3的频发候（蓝色）和频发年（红色））
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Fig.4 Temporal distribution of concurrent cold extremes (shading indicates the pentad frequency (blue) and the annual frequency (red) when the number of extremes exceeds three events)
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图5 北半球极端低温事件相对于多年平均气候态的温度异常场（单位：℃；打点表示通过置信度为95%的显著性检验）:（a）东亚；（b）北美；（c）两地同步发生
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Fig.5 Temperature anomalies of concurrent cold extremes relative to the climate state (units:℃; dots indicate anomalies significant at the95% confidence level) : (a) East Asia; (b) North America; (c) concurrent cold extremes in both regions
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图6 极端低温复合事件发生时200 hPa（a）、500 hPa（b）、850 hPa（c）的风场（矢量，单位：m/s）、平均位势高度场（等值线，单位：gpm）及位势高度异常场（填色，单位：gpm; 打点区域表示通过95%显著性检验）
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Fig.6 Atmospheric circulation patterns during concurrent cold extremes: (a) wind vector (units:m/s) , average geopotential height (contours, units:gpm) , and geopotential height anomalies (shadings, units:gpm) at 200 hPa; (b) same as (a) but at 500 hPa; (c) same as (a) but at 850 hPa (dots indicate anomalies significant at the95% confidence level)
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此外，从200 hPa风场分布来看，东亚和北美地区的东南部都分布有风速的大值区域，这可能与高空急流有着密切关系。因此，对高空急流展开进一步研究。已知对流层上层全风速大于30 m/s的区域即为高空急流区（图7），发现在东亚东南侧的西太平洋上和北美东南侧的大西洋西岸都有高空急流存在且异常强盛。通过叠加气候态急流轴，发现两地上空的高空急流位置均没有发生显著变化，大西洋西岸的急流稍有逆转，急流强度相较气候态而言都有明显增强，这与Woollings et al.（2018）得到的结论一致。
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图7 极端低温复合事件发生时的200 hPa全风速（填色，单位：m/s）、全风速异常（等值线，单位：m/s）及气候态的急流轴（各经向上大于30 m/s风速最大点的拟合线；蓝色实线）
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Fig.7 200 hPa wind speed (shadings, units:m/s) , wind anomalies (contours, units:m/s) , and jet stream axis during concurrent cold extremes (solid blue line represents the fitted line for the point of maximum wind speed exceeding30 m/s at each longitude)
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为进一步探究东亚与北美地区高空急流的强度变化情况，对两地范围内的全风速气候态及相应的异常做垂直经向剖面，并取两地经向范围内的平均值。图8a中，对比全风速的多年平均态，全风速异常所对应的两个大值中心分别位于300 hPa气压层的30°N和45°N左右，急流轴与风速显著正异常中心基本重合，风速的负异常分布在其南北两侧，呈三极风异常模式，该“-+-”的全风速异常模式对应先前研究中大直急流群的特征，有利于东亚地区冬季极端低温事件的发生（Zhao et al.，2023）。图8b中，在200 hPa的25°N和150 hPa的50°N左右有两个全风速异常中心，急流轴位于风速正负异常的交界处，其南侧有异常风速的减小，北侧有异常风速的显著增加，主要模态近似小斜急流群特征，有利于北美地区发生极端低温事件（Zhao et al.，2023）。综合以上结果可知，东亚和北美地区复合极端低温事件的发生与中高层位势高度的显著负异常及高空急流的异常增强都有紧密的联系。
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与此同时，有研究表明，加深的大槽与增强的高空急流能够增强东亚与北美上空的经向环流，促使冷空气的爆发，使得两地极端低温事件同步发生（Dunn et al.，2020）。因此，对两地发生极端低温事件时的经向环流及垂直运动情况进行分析。已知冬季经向环流圈的上升支位于赤道，下沉支位于副热带地区。副热带急流下方的垂直运动主要受Hadley环流的下沉支所控制，结合次级环流的影响，对比全球纬向平均所呈现出的明显的三圈经向环流（图9a），在东亚和北美地区发生极端低温空间复合事件时，东亚地区西太平洋上空高空急流北侧的下沉运动加强，南侧的下沉运动减弱并存在较强盛的上升运动（图9b），北美地区高空急流的北侧呈现出大范围的相较多年平均垂直速度的负异常特征（图9c），在两地纬向平均的经向分布中非常显著，这对两地气温的降低起到了促进作用。垂直速度异常的经向分布在东亚45 °N南北范围内呈现出正负值交替分布特征，影响东亚地区经向极端低温分布的不均匀性；北美地区垂直速度异常在60 °N以北分布有多个上升运动的异常中心，造成北美60 °N以北地区大范围的极端低温。同时，可以发现东亚与北美纬向平均的经向环流特征在两地分布得更加明显，30 °N以北的东亚范围和45 °N以北的北美范围内各气压层均有稳定且深厚的气流自高纬度向低纬度输送，有利于高纬度冷空气的南下，使得东亚和北美地区气温下降。
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图8 极端低温复合事件发生时东亚地区（a）、北美地区（b）全风速的气候态（等值线，单位：m/s）及对应异常（填色，单位：m/s）的经向垂直剖面（打点表示通过置信度为95%的显著性检验）
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Fig.8 Longitudinal vertical profiles of wind speed during concurrent cold extremes (a) East Asia, and (b) North America.Contour shows the climatological stage (units:m/s) , while shading indicates anomalies (units:m/s) .Dots indicate anomalies significant at the95% confidence level
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图9 极端低温复合事件发生时全球纬向平均（a）、110 °~125 °E东亚范围的纬向平均（b）、110 °~65 °W北美范围的纬向平均（c）的经向环流（流线）及垂直速度异常（填色，单位：Pa/s；打点表示通过95%置信度的显著性检验）
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Fig.9 Meridional circulation (streamline) and vertical velocity anomalies (shadings, units:Pa/s) during concurrent cold extremes: (a) global zonal mean; (b) zonal mean from 110°—125°E; (c) zonal mean from 110°—65°W.Dots indicate anomalies significant at the95% confidence level
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2.2.2 热力学因子
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由上述分析可知，在极端低温事件发生时东亚与北美地区的经向运动特征异常显著，因此经向输送的温度平流分量可能是造成两地发生复合极端低温事件的主要原因。由此参考热力学方程，分析水平温度平流、垂直运动引起的绝热变化、非绝热变化对两地区温度变化的影响。从结果来看，温度平流的经向输送对东亚地区起到正贡献的作用（图10b），结合温度平流的纬向输送（图10a），东亚地区依然有很强的负温度平流（图10c），同时伴随有很强的偏北风，有利于东亚地区温度的降低; 而在北美地区，温度平流的经向输送则是其发生极端低温天气的原因之一。非绝热项（图10f）在东亚和北美地区存在负值中心，对两地温度的降低也起着有利作用，使得局地变化项（图10d）在两地的关键区域内有负值区域。
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为了更直观地判断热力学方程各项对于东亚和北美地区极端低温事件的贡献程度，对两地关键区域内的各项求和再做区域平均，得到每项的贡献分布（图11）。可以看出，温度的局地变化项在东亚和北美的关键区内均为负值，说明两地温度在极端低温事件发生时都有降低。对于东亚地区而言，温度平流项对区域温度的降低有正贡献，特别是经向温度平流; 对于北美地区而言，经向温度平流、绝热冷却都对北美低温起到正贡献; 非绝热变化项对东亚和北美两地都有着显著正贡献。根据以上分析结果，东亚和北美上空的非绝热冷却和温度平流的经向输送项都是影响两地极端低温事件发生的重要原因。
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3 结论与讨论
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本文重点研究东亚与北美地区冬季同步发生的极端低温空间事件，寻找极端低温空间复合事件的主要特征及可能机制，得到如下结论:
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1）在对东亚地区极端低温事件频数进行年际尺度分析时发现，2000年以后极端低温事件数呈减少趋势，但在较小时间尺度上，近20年仍会出现非常显著的极端低温事件。参考极端事件的定义，最终确定候时间尺度为本研究最有效的时间尺度。从冬季最低气温的EOF分解结果来看，第一模态空间场中东亚与北美的气温分布具有一致性，对应的时间序列与两地极端低温事件频数的候尺度序列高度相关。通过计算两地的局部同步性和超前滞后相关系数，发现两地的极端低温事件具有同步发生性和正相关关系。同时，对两地发生极端低温的事件进行合成分析，两地的气温分布具有相较气候态而言的显著负异常。
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图10 发生极端低温事件时的850 hPa纬向温度平流（a；单位：10-5 K/s）、经向温度平流（b；单位：10-5 K/s）、温度平流（阴影，单位：10-5 K/s）及水平风场（矢量，单位：m·s-1）（c）、局地变化（d；单位：10-5 K/s）、绝热变化（e；单位：10-5 K/s）、非绝热变化（f；单位：10-5 K/s）的热力学方程各项及东亚（90 °~140 °E，22.5 °~52.5 °N）和北美（140 °~85 °W，42.5 °~72.5 °N）关键区（黄色矩形）
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Fig.10 Thermodynamic processes at 850 hPa during concurrent cold extremes (units:10-5 K/s) : (a) zonal temperature advection; (b) meridional temperature advection; (c) total temperature advection and horizontal wind vector; (d) local temperature variability; (e) adiabatic temperature variability; (f) diabatic temperature variability.Yellow rectangle highlights critical regions in East Asia (90 °—140 °E, 22.5 °—52.5 °N) and North America (140 °—85 °W, 42.5 °—72.5 °N)
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图11 东亚和北美关键区区域平均的热力学方程各项的贡献（单位：10-5 K/s; dT、uT、vT、uT+vT、wT、q依次为温度的局地变化项、纬向温度平流项、经向温度平流项、温度平流项之和、绝热变化项及非绝热变化项）
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Fig.11 Contributions of thermodynamic terms averaged over the critical regions of East Asia and North America (unit:10-5 K/s) :dT, uT, vT, uT+vT, wT, and q are the local variability, zonal temperature advection, meridional temperature advection, total temperature advection, adiabatic variability and diabatic variability, respectively
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2）在分析极端低温空间复合事件发生的影响因子时，从纬向环流角度分析，东亚和北美地区都出现相对气候态的显著负位势高度异常中心，对应异常的气旋环流，且正负异常中心近似于特征Rossby-4波分布。在东亚东南侧的西太平洋上和北美东南侧的大西洋西岸都有高空急流存在，较气候态而言强度偏强、位置基本不变。同时，从经向环流角度分析，东亚和北美地区都存在明显的经向环流特征，有利于高纬度向低纬度输送冷空气，并伴随有显著的上升运动负异常，对两地气温的降低起推动作用。结合热力学方程可知，经向温度平流与非绝热冷却项对极端低温事件的发生有正向贡献，是影响两地极端低温事件发生的重要影响因子。
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尽管研究发现，东亚和北美地区极端低温空间复合事件整体相关性及其成因的一致性较好，但事实上，两地温度影响还存在一定的区域差异，对应垂直速度异常的经向分布等影响因子在南北方向上存在着非均匀分布。本研究只针对东亚与北美地区的冬季极端低温复合事件进行了分析，后续可以继续讨论其他情况的极端温度复合事件，希望能够建立起对北半球各类极端温度事件空间复合的完整认识。此外，本研究主要从极端低温出发探讨空间复合事件的环流成因，从位势高度的正负异常情况来看，冬季北半球存在近似Rossby波特征分布，与Rossby-4波比较相似，有待进一步探讨。后续可以先从波事件出发寻找极端温度空间复合事件，探究低温事件与高振幅事件之间的联系。
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参考文献
摘要
随着全球气候变化的加剧,极端低温事件在发生频率、降温速率等方面都有显著变化,对人类健康、社会经济和生态环境造成了重大影响。研究指出,许多不同地区会同步发生极端低温事件,此类事件被称为极端低温空间复合事件,往往与高空急流异常相联系。本研究基于1979—2022年美国气候预测中心的高分辨率网格化逐日最低地表气温数据集以及NCEP/NCAR再分析数据,针对冬季极端低温空间复合事件进行统计分析,寻找该复合事件下的高空急流分布特征及可能的影响机制。结果表明,东亚与北美在候尺度上存在发生极端低温空间复合事件的空间同步性。通过对环流场的对比分析发现,纬向环流上,高空急流整体增强,两地位势高度易出现负异常,正负分布的位势高度异常呈现出类Rossby-4波的特征;经向环流上,受高空急流影响,则易于造成冷空气从高纬向低纬输送。进一步从热力学方程的角度分析影响的相对贡献,指出经向温度平流和非绝热冷却是造成东亚和北美地区极端低温空间复合事件的重要原因。
Abstract
In recent decades,the Northern Hemisphere has experienced frequent temperature extremes that have significantly influenced human well-being,socioeconomic stability,and ecological systems.Among these,concurrent cold extremes have concurrently occurred across multiple regions and have drawn increasing attention,often linked to variations in jet stream dynamics.Despite growing interest,most studies have focused on individual events,leaving a limited understanding of the mechanisms driving concurrent temperature extremes across regions.This study focused on the characteristics and possible mechanisms of concurrent cold extremes in East Asia and North America during winter from 1979 to 2021,using the Climate Prediction Center minimum surface air temperature dataset and the NCEP/NCAR reanalysis dataset.Cold extremes were defined as daily minimum temperatures falling below the 10th percentile at each grid point,and their frequencies were analyzed across different time scales.The East Asia (73°—145°E,4°—53°N)and North America (160°—12°W,25°—75°N)were selected as the dominant study regions.The results show that concurrent cold extremes between East Asia and North America predominantly occurred on a pentad time scale.While the frequency of such events has shown a decreasing trend since 2000,significant concurrent cold extremes continue to occur on smaller time scales.Synchronicity between the two regions was confirmed through lead-lag correlation coefficients analysis,highlighting a robust connection.Further analysis of the atmospheric circulations and thermodynamic conditions during concurrent cold extremes identified key mechanisms.Zonal circulation patterns showed enhanced jet streams over the western Pacific Ocean and the West Atlantic Ocean,accompanied by negative geopotential height anomalies.These anomalies formed a Rossby wave-4 pattern,facilitating cold air advection from high latitudes to low latitudes.Meridional circulation analysis supported this,demonstrating the role of jet stream variations in transporting cold air masses.From a thermodynamic perspective,meridional temperature advection and non-adiabatic cooling emerged as the two most significant contributors to concurrent cold extremes in East Asia and North America.These findings provide new insights into the dynamics of concurrent cold extremes in the Northern Hemisphere and highlight the critical role of jet stream variability.Regional differences in temperature impacts between East Asia and North America were noted and need further investigation.Additionally,the resemblance of geopotential height anomalies to a Rossby wave-4 pattern suggests a need for further exploration of the underlying wave dynamics.This study advances the understanding of concurrent temperature extremes and their linkage to atmospheric circulation,offering a foundation for future research and prediction efforts.
关键词
极端低温空间复合事件 ； 高空急流 ； 环流特征 ； 热力学方程 ； 合成分析
