2009年冬季黑龍江省氣溫異常診斷分析

李永生，于 梅，張 健

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱150030）

2009年冬季黑龍江省氣溫異常診斷分析

李永生，于 梅，張 健

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱150030）

利用常規(guī)觀測(cè)的溫度資料、國(guó)家氣候中心提供的環(huán)流特征量、NCEP/NCAR再分析資料和美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心（CPC）提供的AO指數(shù)等，分析了2009年11月到2010年2月的北半球大尺度環(huán)流及物理量特征。探討了2009年冬季黑龍江區(qū)域溫度異常偏低的可能成因。分析表明，北半球極渦向南擴(kuò)展，歐亞大陸上空經(jīng)向環(huán)流占優(yōu)勢(shì)，北方冷空氣活動(dòng)偏強(qiáng)，西伯利亞高壓異常強(qiáng)大，AO負(fù)異常偏強(qiáng)是造成黑龍江地區(qū)2009年冬季溫度偏低的主要原因。

AO；西伯利亞高壓；中高緯度環(huán)流異常；冷冬；短期氣候預(yù)測(cè)

1 引言

黑龍江省冬季漫長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)半年，氣候寒冷干燥，冬季氣溫的冷暖變化對(duì)人們的生產(chǎn)、生活有著不同程度的影響。經(jīng)研究表明，中國(guó)現(xiàn)代增暖最明顯的地區(qū)包括東北、華北、西北和青藏高原北部，而最顯著的季節(jié)是在冬季和春季，特別是在20世紀(jì)八十年代以后，氣溫呈不斷上升趨勢(shì)，氣候變暖會(huì)使天氣和氣候極端事件的出現(xiàn)頻率發(fā)生變化[1]。王邵武研究[2]20世紀(jì)八十年代以來(lái)，北半球中高緯度的大陸地區(qū)冬季和春季有強(qiáng)烈的增暖趨勢(shì)。陳隆勛等[3]氣溫變化和全球氣溫變化做過(guò)比較分析，發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方地區(qū)，主要是東北、西北和華北地區(qū)氣溫變化與全球氣溫變化較為一致，趨于升高，氣候變暖。任國(guó)玉的最近研究[4]我國(guó)的極端溫度事件也出現(xiàn)顯著變化，自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，我國(guó)大范圍的寒潮活動(dòng)逐漸減弱，特別是在80年代和90年代初，寒潮影響尤其減弱，大部分地區(qū)的低溫日數(shù)也趨于減少。黑龍江省在20世紀(jì)以后的連續(xù)暖冬給大家留下的深刻的印象，而2009年冬季，中國(guó)暖冬指數(shù)為63.7%，為弱暖冬，黑龍江地區(qū)則發(fā)生冷冬，區(qū)域冷冬指數(shù)為93.5%，區(qū)域異常氣候變化的規(guī)律，根源何在？本文試圖用前期的氣候資料和環(huán)流背景對(duì)造成2009年黑龍江地區(qū)氣候異常的物理因子加以分析，更好地認(rèn)識(shí)黑龍江省冬季氣溫異常的規(guī)律和機(jī)制，以期對(duì)黑龍江冬季氣溫趨勢(shì)預(yù)測(cè)提供有益的物理基礎(chǔ)。

2 資料和方法

資料采用的是黑龍江省氣候中心整理的月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，選取15個(gè)序列長(zhǎng)度在50年以上的站點(diǎn)作為代表站。以當(dāng)年11月到次年2月為冬季，計(jì)算各站1954-2009年冬季氣溫及其距平。氣候平均值統(tǒng)一取1971-2000年30年平均。國(guó)家氣候中心提供的74項(xiàng)特征環(huán)流指數(shù)。美國(guó)NCEP/NCAR的再分析資料中的1954年11月-2010年2月的月平均高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)資料以及海平面氣壓場(chǎng)資料，美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心（CPC）提供的AO指數(shù)。

依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《暖冬等級(jí)》給出的單站、區(qū)域和全國(guó)暖冬的定義及其等級(jí)劃分的方法，做出了黑龍江省冷冬的劃分。

一般認(rèn)為冬季平均氣溫服從正態(tài)分布，世界氣象組織把距平達(dá)到兩倍標(biāo)準(zhǔn)差(2σ)的事件稱(chēng)為異常。本文取大約10 a一遇為標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生概率為10%，其閾值界定為-1.29 σ。將其概率密度平均劃分為3等份(即三分位)，發(fā)生概率均為33.3%，相應(yīng)得到偏冷、偏暖的氣候邊界閾值分別為-0.43 σ和0.43 σ，將偏冷閾值(-0.43 σ)定義為單站冷冬閾值。當(dāng)某站冬季平均氣溫距平(△T)小于等于其標(biāo)準(zhǔn)差的-0.43倍，即為冷冬；強(qiáng)冷冬屬于冷冬事件中的極端(異常)氣候事件，據(jù)此，單站偏冷冬界定標(biāo)準(zhǔn)為-1.29 σ≤△T<-0.43 σ，強(qiáng)冷冬標(biāo)準(zhǔn)為△T≤-1.29 σ，定義冬季平均氣溫距平與冷冬閾值之差為單站冷冬指數(shù)(Icwi，單位：℃)，它以溫度值來(lái)反映站點(diǎn)的冷冬強(qiáng)度。定義區(qū)域內(nèi)冷冬站數(shù)占站點(diǎn)總數(shù)的百分比為區(qū)域冷冬指數(shù)。

3 2009年黑龍江省冬季基本氣候概況

2009年冬季黑龍江省全省平均氣溫明顯偏低，出現(xiàn)了五次全省范圍的寒潮天氣過(guò)程，冷空氣活動(dòng)更是多達(dá)20次，低溫成了2009年冬季的主旋律。

圖1 2009年冬季黑龍江省氣溫距平分布圖（℃）

根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，黑龍江省2009年冬季有72個(gè)氣象站達(dá)到冷冬標(biāo)準(zhǔn)，23個(gè)氣象站達(dá)到強(qiáng)冷冬標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域冷冬指數(shù)為93.5%。

需要提出的是，“冷冬”只是氣候?qū)W上的一個(gè)氣候概念，雖然季內(nèi)各月均伴有低溫、雨雪等強(qiáng)冷空氣活動(dòng)，但季內(nèi)冷暖變幅較大，特別是1月下旬出現(xiàn)一段異常高溫時(shí)段，給人們一種“冰火兩重天”的感覺(jué) ，對(duì)人們的日常生產(chǎn)、生活帶來(lái)很大的影響。

4 2009年冬季500 hPa環(huán)流實(shí)況

天氣氣候異常的直接影響因素是大氣環(huán)流異常。分析2009-2010年冬季的北半球500 hPa環(huán)流分布，冬季4個(gè)月平均高度距平顯示60N以北為正距平，30N-60N之間為負(fù)距平。這種分布表明中高緯度環(huán)流平均高壓系統(tǒng)為異常偏弱，平均低壓系統(tǒng)為異常偏強(qiáng)，其處在異常偏強(qiáng)的低壓系統(tǒng)中，氣溫為異常偏低。黑龍江省處在負(fù)距平區(qū)內(nèi)低壓系統(tǒng)中，冬季氣溫實(shí)況為偏低。

逐月高度場(chǎng)分析：

11月，500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)上，中高緯度環(huán)流呈3波環(huán)流型。極渦中心位于西半球，東半球?yàn)橐徊垡患?，脊位于烏拉爾山附近，槽位?20E中西伯利亞附近。西半球的兩個(gè)低槽在距平場(chǎng)是為兩個(gè)強(qiáng)的負(fù)距平中心，東半球的低槽在距平場(chǎng)是也是負(fù)距平，相對(duì)于西半球負(fù)距平中心弱；烏拉爾山地區(qū)的脊在距平場(chǎng)為北半球最強(qiáng)的正距平中心。黑龍江省處在東半球槽區(qū)負(fù)距平里，在低壓系統(tǒng)偏強(qiáng)的環(huán)流場(chǎng)控制下，月內(nèi)多冷空氣侵入，氣溫偏低。

12月，500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)中高緯度呈4波環(huán)流型，極渦中心主體在東半球西伯利亞區(qū)域。距平場(chǎng)呈現(xiàn)典型的北極濤動(dòng)負(fù)位相特征，中緯度為負(fù)距平區(qū)，高緯和極區(qū)為正高度距平覆蓋。異常強(qiáng)的負(fù)距平中心位于北大西洋北部至西歐和北太平洋北部，中心低于-120位勢(shì)米；格陵蘭上空的異常正距平中心超過(guò)200位勢(shì)米。黑龍江省處在東亞大槽槽區(qū)負(fù)距平區(qū)，月內(nèi)冷空氣活動(dòng)頻繁，氣溫偏低。

1月，500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)上，中高緯度環(huán)流呈4波環(huán)流型。極渦中心在極區(qū)，135E和60W分別為兩個(gè)相對(duì)偏強(qiáng)的大槽。距平場(chǎng)正距平中心在北美東北部和格陵蘭島、新地島上空；負(fù)距平中心在北太平洋東北部。黑龍江省處在東亞大槽后部偏弱的正距平區(qū)域里，冷空氣入侵少，氣溫偏高。

2月，500 hPa月平均位勢(shì)高度場(chǎng)上，中高緯度環(huán)流呈4波型分布，兩個(gè)主要的低值中心分別位于庫(kù)頁(yè)島和紐芬蘭島附近。高度距平場(chǎng)上，60 N以北的高緯度地區(qū)為正距平，正距平中心位于巴芬島附近，中心值為280位勢(shì)米。40 N-60 N的中高緯地區(qū)除烏拉爾山一帶為正距平外，其余地區(qū)均為負(fù)距平，三個(gè)顯著的負(fù)距平中心分別位于北大西洋中東部、北太平洋中東部、新西伯利亞附近。黑龍江省處在東亞大槽后部的西北氣流中，為高度場(chǎng)負(fù)距平區(qū)域，氣溫偏低。

5 影響黑龍江省冬季氣溫變化的主要因子

研究表明，亞洲大陸是冬季氣溫變化最為顯著的地區(qū)之一，對(duì)其變化的原因和機(jī)制也有許多分析，天氣氣候異常與大氣環(huán)流異常密切相關(guān)，AO和西伯利亞高壓對(duì)我國(guó)冬季氣候的影響是非常明顯的[5-10]。

6 2009年冬季環(huán)流異常分析

6.1 AO

Tomposon等[11]在1998年首次引入北極濤動(dòng)（AO）的概念，AO是一種行星尺度的大氣環(huán)流異常型，其特征表現(xiàn)為冬季海平面氣壓場(chǎng)上北極地區(qū)與其周?chē)h(huán)狀地區(qū)之間氣壓的蹺蹺板式分布。AO是半球尺度的氣候系統(tǒng)，冬季活動(dòng)范圍大，對(duì)寒潮活動(dòng)的影響顯著，受到國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)家越來(lái)越多的關(guān)注。Tomposon等[11]以月平均海平面氣壓的EOF第一模態(tài)的主成分作為AO指數(shù)。朱艷峰等[12]在分析中國(guó)冬季氣溫變化的空間模態(tài)及其與大尺度環(huán)流異常的聯(lián)系時(shí)指出，AO指數(shù)與中國(guó)冬季氣溫相關(guān)最顯著的區(qū)域主要在東北和西北地區(qū)，當(dāng)AO為正位相時(shí)，這些區(qū)域氣溫偏高。胡秀玲等[13]初步分析了冬季AO對(duì)我國(guó)東北冬季氣溫的影響機(jī)制，認(rèn)為在年代際尺度上冬季AO是通過(guò)影響西伯利亞高壓和東亞大槽來(lái)影響東北冬季氣溫的。

圖2給出了冬季AO指數(shù)和黑龍江省冬季溫度距平時(shí)間序列圖，直觀反映了冬季AO指數(shù)和溫度距平的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代前AO指數(shù)迅速下降，70年代至80年代中后期略有回升，其間有兩次較大的回升波動(dòng)；80年代中后期至今呈明顯的上升趨勢(shì)。

圖2 AO指數(shù)和溫度距平的時(shí)間序列

利用Morlet小波分析方法分析1954年以來(lái)冬季AO指數(shù)的周期變化（圖3左），冬季AO指數(shù)主要存在準(zhǔn)9a和準(zhǔn)18a周期，70年代到80年代周期信號(hào)比較明顯，（圖3右）給出了黑龍江冬季平均溫度累積曲線(xiàn)圖，可以看出，上世紀(jì)70年代之前黑龍江冬季氣溫呈下降趨勢(shì)，70年代初到80年代中后期開(kāi)始增長(zhǎng)，80年代中后期到21世紀(jì)增溫比較明顯。計(jì)算AO指數(shù)與黑龍江全省冬季平均溫度的相關(guān)系數(shù)，正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.59，通過(guò)了0.01（r0.01=0.35）的顯著性檢驗(yàn)。

利用冬季AO指數(shù)與北半球極渦面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)做相關(guān)，冬季AO指數(shù)與極渦面積指數(shù)反相關(guān)（-0.691），強(qiáng)度指數(shù)正相關(guān)（0.583），通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。冬季AO從近地面到平流層低層都存在，且接近正壓結(jié)構(gòu)。當(dāng)冬季AO指數(shù)偏負(fù)的時(shí)候，北半球極渦面積偏大，強(qiáng)度偏小，因而極地冷空氣向南活動(dòng)，容易爆發(fā)寒潮活動(dòng)，與鄧偉濤的研究結(jié)果[14]基本相似。

圖3 AO指數(shù)小波分析（左）冬季氣溫指數(shù)累積距平曲線(xiàn)（右）

AO正位相時(shí)，極渦加強(qiáng)，中緯度西風(fēng)帶加強(qiáng)并且位置偏北，冷空氣被限制在極地，因而中、高緯度歐亞大陸和東亞地區(qū)溫度偏高，容易出現(xiàn)暖冬。AO負(fù)位相時(shí)，對(duì)應(yīng)極渦減弱，中緯度西風(fēng)帶隨之減弱南移，這也就是氣候帶漂移，隨之北極冷空氣易向南爆發(fā)影響北美、歐洲和亞洲。AO的強(qiáng)弱直接導(dǎo)致北半球中緯度地區(qū)與北極地區(qū)之間氣壓和大氣質(zhì)量反向性質(zhì)的波動(dòng)，AO為正異常時(shí)，中緯度氣壓上升而極地下降，AO為負(fù)異常時(shí)，環(huán)流形式則與此相反。在AO指數(shù)連續(xù)偏弱的時(shí)候，極地500 hPa高度場(chǎng)升高，冷氣團(tuán)向中緯度地區(qū)活動(dòng)。500 hPa高度場(chǎng)上亞洲大槽、北美大槽均加強(qiáng)，在北太平洋地區(qū)以及歐洲南部地區(qū)高度場(chǎng)降低，在非洲北部以及阿拉伯半島北部地區(qū)高度場(chǎng)升高，環(huán)流形式有點(diǎn)像風(fēng)車(chē)的扇葉。

6.2 西伯利亞高壓

西伯利亞高壓是冬季影響亞洲大陸氣候的一個(gè)重要的環(huán)流系統(tǒng)，西伯利亞高壓是一個(gè)淺薄的系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在近地面1～2 km高度最明顯。西伯利亞高壓中心的氣壓的強(qiáng)弱主要反映了亞洲大陸及相鄰的北極地區(qū)的氣壓變化。在1980年代初的時(shí)候，陸巍等[15]就研究得到我國(guó)北方的冷年,往往對(duì)應(yīng)西伯利亞高壓強(qiáng)的時(shí)候；我國(guó)北方的暖年,又往往對(duì)應(yīng)著西伯利亞高壓較弱的時(shí)候。龔道溢等[16]計(jì)算了美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)的北半球海平面氣壓格點(diǎn)資料和英國(guó)East Anglia大學(xué)氣候研究組(CRU)整理和提供的歷史氣壓資料兩種資料，并進(jìn)行了對(duì)比，都表明，西伯利亞高壓中心氣壓除了有強(qiáng)烈的年際波動(dòng)之外，最近20多年來(lái)還有強(qiáng)烈的減弱趨勢(shì)，從1980年代以來(lái)的持續(xù)下降在兩套氣壓資料中都非常突出。還指出了歐亞大陸絕大部分地區(qū)的溫度都與西伯利亞高壓的強(qiáng)度有顯著的負(fù)相關(guān)，可見(jiàn)整個(gè)亞洲大陸中高緯地區(qū)，溫度與西伯利亞高壓的關(guān)系都比較一致。侯亞紅等[17]為了動(dòng)態(tài)地追蹤西伯利亞高壓面積、中心強(qiáng)度和位置的演變，定義了表征西伯利亞高壓活動(dòng)的特征指數(shù)，揭示西伯利亞高壓的總體變化特征。20世紀(jì)60年代后期以前和2000年以后，西伯利亞高壓中心強(qiáng)度多數(shù)在平均值以上，其余時(shí)段則正好相反，多數(shù)在平均值之下，說(shuō)明西伯利亞高壓主中心強(qiáng)度有明顯的年代際變化特征，并且有隨著時(shí)間變化先減弱后震蕩地逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。朱艷峰等[11]對(duì)中國(guó)冬季氣溫變化進(jìn)行了EOF分析，表明西伯利亞高壓變化與中國(guó)冬季氣溫變化的第一模態(tài)關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6，當(dāng)西伯利亞高壓偏強(qiáng)時(shí)，對(duì)應(yīng)冬季氣溫偏低。西伯利亞高壓強(qiáng)度的變化有顯著的階段性，20世紀(jì)60～70年代偏強(qiáng)，80年代以來(lái)持續(xù)偏弱，這與黑龍江省冬季80年代以后氣溫顯著增暖是一致的。國(guó)家氣候中心選取西伯利亞高壓氣候平均位置 （40°-60°N,80°-120°E）， 計(jì)算該區(qū)域冬季平均海平面氣壓值，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即得到西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)。自2009年10月6候東亞冬季風(fēng)形勢(shì)建立以來(lái)，逐日西伯利亞高壓指數(shù)的監(jiān)測(cè)顯示西伯利亞高壓強(qiáng)度有八次明顯加強(qiáng)過(guò)程，2010年1月上中旬到2月中旬西伯利亞高壓較常年同期明顯偏強(qiáng)，表征東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度偏強(qiáng)，2月中旬到3月初,西伯利亞高壓強(qiáng)度一度減弱。

圖4 逐日西伯利亞高壓指數(shù)演變

Wu and Wang[18]研究了冬季AO影響西伯利亞高壓的可能途徑。AO與西伯利亞高壓之間的聯(lián)系可能與它們之間的動(dòng)力聯(lián)系有關(guān)，當(dāng)AO正異常時(shí)西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)而平直，東亞大槽減弱，槽后的輻合下沉減弱，對(duì)流層中低層有弱的的下沉運(yùn)動(dòng)，因此地面的西伯利亞高壓也相應(yīng)減弱。2009年冬季，AO指數(shù)負(fù)異常，西伯利亞高壓強(qiáng)大，因此很好的解釋了東北地區(qū)低溫的原因。

7 海溫異常

按照趙振國(guó)[19-21]的厄爾尼諾和拉尼娜事件類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)符合下述3個(gè)條件的稱(chēng)為發(fā)展型厄爾尼諾、拉尼娜事件：①消亡時(shí)間晚，次年6月以后結(jié)束。②生命周期長(zhǎng),持續(xù)時(shí)間13個(gè)月以上。③強(qiáng)度大，強(qiáng)度等級(jí)中等以上。同時(shí)符合下述3個(gè)條件的稱(chēng)為衰減型厄爾尼諾、拉尼娜事件：①消亡時(shí)間早，次年6月以前結(jié)束。 ②生命周期短，持續(xù)時(shí)間13個(gè)月以下。③強(qiáng)度小，強(qiáng)度等級(jí)中等以下。此次厄爾尼諾事件起始于2009年6月，根據(jù)國(guó)家氣候中心最新監(jiān)測(cè)，還未確定屬于發(fā)展型還是衰減型。統(tǒng)計(jì)1954年以來(lái)的12次厄爾尼諾事件，衰減型的7次，有5次黑龍江冬季是冷冬年，發(fā)展型的占5次，有2次黑龍江冬季是冷冬年，因此海溫對(duì)黑龍江冬季氣溫的影響并不是主要直接影響因子。

8 結(jié)論

綜合以上分析，得到以下主要結(jié)論：

2009年冬季氣溫異常偏低與北半球大氣環(huán)流異常有關(guān)系。2009年冬季北半球歐亞中高緯度表現(xiàn)為烏拉爾山地區(qū)有阻高，盛行經(jīng)向環(huán)流，極渦面積偏大，強(qiáng)度偏弱，AO指數(shù)異常偏強(qiáng)，顯著負(fù)位相，冷空氣活動(dòng)較常年次數(shù)偏多，路徑偏東，偏北。雖然對(duì)海溫異常的作用進(jìn)行了簡(jiǎn)單討論，但具體的過(guò)程和因果關(guān)系還需要進(jìn)一步研究才能確定。同時(shí)，除海溫外，歐亞積雪[22]和一些其他外源強(qiáng)迫因子[23-24]對(duì)中國(guó)冬季氣溫也有顯著的影響。

影響黑龍江省冬季氣溫變化的因子很多，不同的因子之間又相互影響，本文只討論了黑龍江省2009年冬季氣溫異常與環(huán)流異常的關(guān)系，至于對(duì)其產(chǎn)生影響的機(jī)理，都需要利用更詳細(xì)的觀測(cè)和氣候數(shù)值模擬資料進(jìn)行深入的分析來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

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Diagnostic Analysis of temperature anomaly in Heilongjiang Province in winter 2009

LI Yong-sheng，Yu Mei，Zhang Jian
(Meteorological Climate Center of Heilongjiang Province，Heilongjiang Harbin 150030)

Based on the conventional observational temperature data,the circulation characteristics from National Climate Center of China(NCC),the NCEP/NCAR reanalysis data and the Arctic Oscillation(AO)index from U.S.Climate Prediction Center(CPC)et al,the physical characteristics of large-scale circulation in Heilongjiang region during November 2009 to February 2010 are analyzed and the possible causes of winter temperature anomaly of 2009 over Northern Hemisphere are investigated.Results indicate that：Northern Hemisphere polar vortex expanded southward，the meriditional circulation is advantaged over the Eurasia，cold air of northern is stronger than norma1，Siberian High unusually stronger than norma1 and AO negative anomaly is the main reason for the low winter temperature Heilongjiang region in 2009.

Arctic Oscillation(AO)；Siberian High；circulation anomaly at Mid-latitudes and High-latitudes；cold winter；short-range climate prediction

P457.3

A

1002-252X(2010)03-0004-04

2010-6-6

李永生（1984-），男，黑龍江省齊齊哈爾市人，南京信息工程大學(xué)，本科生，助理工程師.