蒙古高壓異常對我國冬季氣候的影響分析

任智勇 王斌飛 翟晴飛 辛明月 賈岸斌 趙一俊 趙楠 王楠 牛哲

摘要 基于單位半徑球面上，計(jì)算了表征蒙古高壓特征的4個高壓指數(shù)（面積指數(shù)S、強(qiáng)度指數(shù)P、中心經(jīng)度λc、中心緯度φc），并研究了蒙古高壓指數(shù)與我國160站氣溫、降水的同期相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，蒙古高壓特征參數(shù)具有明顯的階段性，1951～1965年高壓偏強(qiáng)、偏北，1980年后高壓偏弱、偏南；蒙古高壓面積與強(qiáng)度指數(shù)具有25年左右、8 ～16和3～6年的振蕩周期；除西南地區(qū)外，蒙古高壓面積、強(qiáng)度和中心緯度異常與我國大部分地區(qū)冬季氣溫呈強(qiáng)烈負(fù)相關(guān)，而經(jīng)度異常變化對我國冬季氣溫影響不大；特征指數(shù)與降水的同期相關(guān)性明顯不及其與氣溫的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞 蒙古高壓；環(huán)流指數(shù)；小波分析；氣候異常；冬季

中圖分類號 S161；P467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）26-09029-04

Analysis of Effects of Mongolian High Anomalies on Winter Climate in China

REN Zhi-yong， WANG Bin-fei et al （Panjin Meteorological Service， Panjin， Liaoning 124011）

Abstract Based on the unit radius sphere， 4 high indexes to characterize the characteristics of Mongolian high （area index S， strength index P， center longitude ， center latitude ） were calculated， and Mongolian high index of 160 stations with temperature and precipitation correlation over the same period were studied. The results showed that： Mongolian high characteristic parameters have obvious stage. From 1951 to 1965 the high pressure on the strong side， northerly， after 1980 the high pressure weak， southerly. The area index and the strength index of Mongolia high have about 25a， 8-16a and 3-6 a oscillation cycle. In addition to southwest， the area index， the strength index and the central latitude anomalies of Mongolia high are strongly negatively correlated with winter temperatures in most areas of China. But longitude abnormal changes have little effect on our winter temperatures. The collection of characteristic index and precipitation over the same period has no apparent correlation compared with the temperature correlation.

Key words Mongolian high； Circulation index； Wavelet analysis； Climate anomalies； Winter

近一段時間，許多研究工作均涉及到了冬季溫度的問題， 一方面是由于冬季是全球增暖最明顯的時期， 研究冬季溫度變化有助于理解氣候增暖本質(zhì)， 另一方面， 冬季嚴(yán)重的災(zāi)害性氣候主要與溫度有關(guān)， 溫度的變化與人們的生活息息相關(guān)^[1]。

蒙古高壓（又叫西伯利亞高壓、亞洲高壓）是北半球環(huán)流的大尺度系統(tǒng)，它制約著多個其他系統(tǒng)，如歐亞環(huán)流、東亞季風(fēng)、長江流域的梅雨等，同時也是冬季影響和控制亞洲大陸低層的最大和最強(qiáng)的環(huán)流系統(tǒng)，是影響我國冬季氣候的一個重要因子。蒙古高壓與東亞的冬季風(fēng)或寒潮爆發(fā)有密切的關(guān)系^[2]。當(dāng)它發(fā)展并向東南方向移動時，總是伴隨著冷空氣的爆發(fā)，造成我國許多地方的低溫天氣。當(dāng)這種冷空氣迅速擴(kuò)展到近赤道地區(qū)時， 通常會引起對流和降水的加強(qiáng)。在氣候變暖的大背景下，西伯利亞高壓和冬季風(fēng)強(qiáng)度的減弱使得冬季中國地表溫度持續(xù)升高，而溫度的這種變化與我國寒潮頻次及其相伴隨大風(fēng)頻次的減少均有密切的聯(lián)系^[3]。李勇等研究指出與影響我國冬季溫度的其他主要?dú)夂蛞蜃樱ㄈ绫睒O濤動、ENSO和西太平洋遙相關(guān)型（WP）等）相比，蒙古高壓的影響顯著得多、影響范圍大得多，幾乎涵蓋了除黃河長江上游部分地區(qū)外的整個中國^[1]。朱乾根等分析了近110年北半球冬季6個大氣活動中心與我國氣候的關(guān)系，指出蒙古高壓強(qiáng)度與我國冬季溫度存在明顯負(fù)相關(guān)^[4]。用蒙古高壓異常能較好地解釋近幾十年來我國冬季氣溫的變化特征。龔道溢等分析指出蒙古高壓對中高緯亞洲大陸平均（30°～140°E 、 30°～70°N） 溫度和降水均有顯著影響， 與2個要素的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)-0.58 和-0.44^[5]。研究蒙古高壓的位置和強(qiáng)度的變化規(guī)律也一直是長期天氣預(yù)報(bào)研究的重要內(nèi)容之一^[6]。而與其他因子相比，針對蒙古高壓影響氣候的研究并沒有得到相應(yīng)的重視^[7]。近十幾年來，雖然有一些這方面的研究文章^[8-10]，但在蒙古高壓的表征（蒙古高壓指數(shù)的定義）方面大多是基于平面坐標(biāo)系，忽略了地球曲率的影響，且多數(shù)把西伯利亞高壓強(qiáng)度指數(shù)單一地定義在一個固定的區(qū)域來分析西伯利亞高壓的年際和年代際變化^[11]，不夠精細(xì)。因此，有必要用一套數(shù)學(xué)物理意義更為明確的蒙古高壓指數(shù)并結(jié)合最新數(shù)據(jù)來全面地研究蒙古高壓對我國冬季氣候的影響。筆者基于單位半徑球面上，計(jì)算了表征蒙古高壓特征的4個高壓指數(shù)（面積指數(shù)S、強(qiáng)度指數(shù)P、中心經(jīng)度λc、中心緯度φc），并研究了蒙古高壓指數(shù)與我國160站氣溫、降水的同期相關(guān)關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 資料選取 使用的資料主要包括1948年12月～2008年2月共60個冬季（12月～次年2月）的NCEP/NCAR^[12]1 000 hPa月、季平均位勢高度場H的格點(diǎn)資料，網(wǎng)格距為2.5°×2.5°；1951年以來的我國160站冬季逐月平均氣溫、降水資料。

1.2 蒙古高壓特征線、搜索區(qū)的確定 根據(jù)1948～2007年北半球冬季1 000 hPa平均位勢高度場分布情況，在此選擇f₀（200 gpm）線作為特征線來表示蒙古高壓的范圍，Ω區(qū)域（60°～130°E、20°～70°N）為搜索區(qū)（圖1）。各月平均位勢高度場及冬季平均高度場（圖1）顯示，搜索區(qū)既盡量囊括了蒙古高壓的活動范圍又盡力避免了進(jìn)入其他系統(tǒng)，而特征線則滿足了在盡可能不超出搜索區(qū)的條件下使所圍區(qū)域最廣。

這樣選出來的區(qū)域能很好地代表蒙古高壓的發(fā)展演變情況。

2 蒙古高壓環(huán)流指數(shù)的異常態(tài)分析

2.1 面積指數(shù)的異常態(tài)分析

無論從冬季平均還是12、1或2月平均演變情況來看，蒙古高壓面積指數(shù)不僅存在明顯的年際變化，也存在顯著的年代際變化特征，階段性也較明顯但各月情況并不統(tǒng)一。冬季平均和1、2月情況較為一致，主要表現(xiàn)為1951～1965與1980～1990年的大面積期，1965～1980與1990～2005年的小面積期，兩階段的大、小面積期均以前段波動為大（2月例外，兩階段的大、小面積期以后段波動為大）；12月情況最為特殊，20世紀(jì)80年代前與冬季平均情況較為一致（但大面積期波動更為劇烈），1980～1990與1990～2005年兩段轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪辔?，即分別處于小面積期、大面積期。從年代際尺度的發(fā)展趨勢看，未來10年蒙古高壓將處于大面積期，冬季平均、2月現(xiàn)處于小面積尾聲階段，1月剛步入大面積期，12月也進(jìn)入大面積不久。

2.2 強(qiáng)度指數(shù)的異常態(tài)分析 蒙古高壓強(qiáng)度指數(shù)不僅存在明顯的年際變化，也存在顯著的年代際變化（冬季平均與1月更突出地表現(xiàn)為年代際變化，年際變化相對較弱），階段性也較明顯且各月情況也較為統(tǒng)一。主要表現(xiàn)為1951～1965年的強(qiáng)指數(shù)期，1965～1980、1980～2005年的弱指數(shù)期（12月稍微例外，從1996年提前進(jìn)入強(qiáng)位相階段）。波動（振幅）大小情況與面積指數(shù)類似，也以20世紀(jì)80年代前期為大。從年代際尺度的發(fā)展趨勢看，未來10年蒙古高壓將處于強(qiáng)指數(shù)期。

為了進(jìn)一步研究蒙古高壓的細(xì)節(jié)特征，了解其存在的主要變化周期。對蒙古高壓面積指數(shù)與強(qiáng)度指數(shù)做子波變換。這里選用復(fù)Morlet子波。

由圖2可見， 蒙古高壓面積指數(shù)在整個時間序列上存在明顯的25年左右的振蕩周期，在1970年以前有明顯的14年左右的振蕩周期，1970年以后表現(xiàn)為6年左右的振蕩周期，但周期性呈減弱趨勢；1970～1985年有3年左右的振蕩周期，1990年后有5年左右的振蕩周期。說明蒙古高壓面積指數(shù)不僅存在明顯的年代際變化，也存在年際變化。

蒙古高壓強(qiáng)度指數(shù)與面積指數(shù)的小波分析結(jié)論相似， 也存在25年左右、8 ～16和3～6年的振蕩周期，只是有些周期所在時間范圍略有不同；在整個時間序列上，存在26年左右、8～16年的振蕩周期，25年左右的振蕩周期在1970年以后尤為顯著，而8～16年的振蕩周期主要表現(xiàn)在1970年以前；另外在1955～1965、1975～1990及1990～2000年存在較弱的3～6年的振蕩周期。

2.3 中心位置（λc、φc）的異常態(tài)分析

蒙古高壓中心位置指數(shù)不僅存在明顯的年際變化，也存在顯著的年代際變化，年代際變化更加突出，階段性也較明顯且各月情況也較為統(tǒng)一。經(jīng)度指數(shù)可以分為4個階段，即1951～1962與1985～1995年的偏東（正位相）期，1962～1985與1995～2005年的偏西（負(fù)位相）期（2月例外，1985～2005年一直在零線與正位相（偏東）間波動）；波動（振幅）大小情況與面積指數(shù)相仿，也是以20世紀(jì)80年代前期為大（以冬季平均演變曲線尤為突出）。緯度指數(shù)可以分為2個階段，且各月情況相當(dāng)同步。主要表現(xiàn)為1951～1980年的偏北（正位相）期，1980～2005年的偏南（負(fù)位相）期（僅1980～1989年在2月呈在一接近零線的負(fù)位相期）；波動（振幅）幅度情況與前面不同，20世紀(jì)80年代前后無顯著差異。

從年代際尺度的發(fā)展趨勢看，未來10年蒙古高壓中心位置將處于偏東、偏北期。

從圖3能清楚地看到，蒙古高壓中心位置冬季和1月氣候值位于蒙古國西部，12和2月氣候值分別位于蒙古西南角與西北角。另外框圖呈東西方向較長的矩形（其中以冬季平均最為突出，經(jīng)緯比達(dá)2∶1），說明蒙古高壓中心位置變率各向異性。其東西活動范圍大于南北移動范圍；多年中心位置密集程度以冬季平均為最，12月、1月月均次之，2月最分散。

3 冬季蒙古高壓異常與我國氣溫異常的關(guān)系

3.1 面積指數(shù)與我國氣溫同期相關(guān)

除西南地區(qū)外，幾乎全國冬季氣溫均與蒙古高壓面積指數(shù)有負(fù)相關(guān)關(guān)系并通過不同程度的信度檢驗(yàn)；唯一的正相關(guān)區(qū)，并沒有通過檢驗(yàn)或僅個別站個別月份通過檢驗(yàn)。負(fù)相關(guān)區(qū)除1月、冬季平均段東北北部未通過檢驗(yàn)或通過信度較低的檢驗(yàn)，河套部分、河北南部、新疆部分、廣浙沿海地區(qū)通過信度較低；12月東北北部、廣浙沿海地區(qū)通過信度較低外，其余地區(qū)均通過α=0.01信度檢驗(yàn)。說明蒙古高壓面積指數(shù)與我國冬季氣溫同期影響總體效果很好，但在應(yīng)用時個別地區(qū)應(yīng)該有所考慮。

3.2 強(qiáng)度指數(shù)與我國氣溫同期相關(guān)

強(qiáng)度指數(shù)與氣溫同期相關(guān)和面積指數(shù)與氣溫同期相關(guān)的全國形勢基本類似。除西南地區(qū)相關(guān)系數(shù)為正外，全國其他地區(qū)大多有負(fù)相關(guān)關(guān)系并通過不同程度的信度檢驗(yàn)；唯一的正相關(guān)區(qū)，并沒有通過檢驗(yàn)或僅個別站個別月份通過檢驗(yàn)；廣浙沿海地區(qū)冬季（除2月外）通過的信度檢驗(yàn)較低。但冬季平均及1月相關(guān)系數(shù)圖上（圖略），強(qiáng)度指數(shù)在東北、內(nèi)蒙東北部相關(guān)性不及面積指數(shù)，在河套部分、河北南部地區(qū)的相關(guān)則有所增強(qiáng)；東北、內(nèi)蒙東北部通過信度較低或未通過檢驗(yàn)（1月尤為明顯），河套、河北南部地區(qū)在冬季平均圖上通過了α=0.01信度檢驗(yàn)。說明蒙古高壓強(qiáng)度指數(shù)與我國冬季氣溫同期影響也很強(qiáng)烈，但與面積指數(shù)影響范圍有所區(qū)別。

3.3 中心經(jīng)度指數(shù)與我國氣溫同期相關(guān)

除北疆、東北北部地區(qū)（12、1月的四川，12、2月南疆，1月廣東沿海，冬季平均的云南西部）外，幾乎全國冬季氣溫均與蒙古高壓中心經(jīng)度指數(shù)有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但僅內(nèi)蒙中部一小區(qū)域通過檢驗(yàn)，東北北部、北疆和青海南部極少數(shù)站個別月份通過檢驗(yàn)；正相關(guān)區(qū)均未能通過檢驗(yàn)。說明蒙古高壓中心經(jīng)度指數(shù)與我國冬季氣溫同期影響甚小。這與侯亞紅等的研究結(jié)果^[3]一致。

3.4 中心緯度指數(shù)與我國氣溫同期相關(guān)

除云南東北地區(qū)外，幾乎全國冬季氣溫均與蒙古高壓緯度指數(shù)有負(fù)相關(guān)關(guān)系；唯一的正相關(guān)區(qū)，并沒有通過檢驗(yàn)。負(fù)相關(guān)區(qū)在冬季平均除川西、云南部分地區(qū)未通過檢驗(yàn)，川東通過檢驗(yàn)較低外，全國均通過α=0.01信度檢驗(yàn)；在12、1、2月，未通過檢驗(yàn)的區(qū)域增加了南方沿海省份及西北地區(qū)。說明蒙古高壓緯度指數(shù)與我國冬季氣溫同期影響總體效果也很好，但對北方的影響相對比南方強(qiáng)，對東部的影響相對比西部強(qiáng)。

4 冬季蒙古高壓異常與我國降水異常的關(guān)系

蒙古高壓面積指數(shù)與降水的同期相關(guān)性明顯不及其與氣溫的相關(guān)性。通過檢驗(yàn)的地區(qū)有12月、2月東北北部地區(qū)，1月、冬季平均京津及其鄰近地區(qū)，2月川、陜、鄂交界處及山西北部、山東東南部地區(qū)，這些地區(qū)均呈負(fù)相關(guān)，以及12月南北疆分別呈正、負(fù)相關(guān)。

另外，從1951～2007年冬季蒙古高壓強(qiáng)度、中心經(jīng)度及中心緯度指數(shù)與我國160站降水的同期線性相關(guān)系數(shù)圖（圖略）可以看到，蒙古高壓強(qiáng)度、中心經(jīng)度及中心緯度指數(shù)與降水的同期相關(guān)性也明顯不及其與氣溫的相關(guān)性。通過檢驗(yàn)的地區(qū)，強(qiáng)度圖上僅有12月的東北北部地區(qū)，2月的川、陜、鄂交界處，這些地區(qū)均呈負(fù)相關(guān)；經(jīng)度圖上僅有2月的兩廣地區(qū)呈正相關(guān)；緯度圖上幾乎均未能通過檢驗(yàn)。但王遵婭等指出春、夏季西伯利亞高壓指數(shù)與華北地區(qū)降水顯著相關(guān)，可以作為華北地區(qū)旱澇預(yù)測的指標(biāo)^[7]。

5 小結(jié)

（1）蒙古高壓特征指數(shù)具有明顯的年際和年代際變化特征。主要表現(xiàn)為1951～1965與1980～1990年的大面積期。1965～1980與1990～2005年的小面積期；12月在1980～1990與1990～2005年兩段轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪辔?，即分別處于小面積期、大面積期。1951～1965年的強(qiáng)指數(shù)期，1965～1980與1980～2005年的弱指數(shù)期。1951～1962與1985～1995年的偏東（正位相）期；1962～1985與1995～2005年的偏西（負(fù)位相）期，1951～1980年的偏北（正位相）期，1980～2005年的偏南（負(fù)位相）期。

（2）在周期性方面，蒙古高壓面積與強(qiáng)度指數(shù)具有25年左右、8 ～16年和3～6年的振蕩周期。25年左右的尺度的變化在整個時間序列均有較強(qiáng)的信號。

（3）從年代際尺度的發(fā)展趨勢看，未來10年蒙古高壓將處于大面積、強(qiáng)指數(shù)及偏東、偏北期。

（4） 蒙古高壓面積、強(qiáng)度和中心緯度異常與我國冬季氣溫關(guān)系密切，而其經(jīng)度異常變化對我國冬季氣溫異常變化影響不大。蒙古高壓特征指數(shù)與降水的同期相關(guān)性明顯不及其與氣溫的相關(guān)性。

參考文獻(xiàn)

[1]李勇，陸日宇，何金海.影響我國冬季溫度的若干氣候因子[J].大氣科學(xué)，2007，31（3）：505-514.

[2] 丁一匯，溫市耕，李運(yùn)錦. 冬季西伯利亞高壓動力結(jié)構(gòu)的研究[J]. 氣象學(xué)報(bào)，1991， 49（4）：430-439.

[3] 侯亞紅，楊修群，李剛. 冬季西伯利亞高壓變化特征及其與中國氣溫的關(guān)系[J].氣象科技，2007，35（5）：646-650.

[4] 朱乾根，施能，吳朝琿，等.近百年北半球冬季大氣活動中心的長期變化及其與中國氣候變化的關(guān)系[J].氣象學(xué)報(bào)，1997，55（6）：750-758.

[5] 龔道溢，王紹武.西伯利亞高壓的長期變化及全球變暖可能影響的研究[J].地理學(xué)報(bào)，1999，54（2）：125-133.

[6] 王盤興，盧楚翰，管兆勇，等.閉合氣壓系統(tǒng)環(huán)流指數(shù)的定義及計(jì)算[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，30（6）：730-735.

[7] 王遵婭，丁一匯. 近53年中國寒潮的變化特征及其可能原因[J]. 大氣科學(xué)， 2006， 30（6）：1068-1076.

[8] 林振山，鄧自旺.子波氣候診斷技術(shù)的研究[M].北京：氣象出版社，1999：98-99.

[9] 龔道溢，朱錦紅，王紹武. 西伯利亞高壓對亞洲大陸的氣候影響分析[J].高原氣象，2002，21（1）：8-14 .

[10] 龔道溢，王紹武. 近百年北極濤動對中國冬季氣候的影響[J].地理學(xué)報(bào)， 2003，58（4）：45-51.

[11] 施能，朱乾根. 南半球澳大利亞高壓、馬斯克林高壓氣候特征及其對我國東部夏季降水的影響[ J].氣象科學(xué)， 1995， 15（3）：20-27.

[12] KALNAY E，KANAMITSU M，KISTLER R，et al. The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project[J]. Bull Amer Meteorol Soc， 1996， 77（3）：437-471.