影響黑龍江夏季氣溫的大尺度環(huán)流因子分析

李永生　朱玉祥　王瑩（ 黑龍江省氣候中心，哈爾濱 5000； 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 0008； 黑龍江省哈爾濱市氣象局，哈爾濱 5008）

影響黑龍江夏季氣溫的大尺度環(huán)流因子分析

李永生1朱玉祥2王瑩3
（1 黑龍江省氣候中心，哈爾濱 150030；2 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；3 黑龍江省哈爾濱市氣象局，哈爾濱 150028）

利用1954—2012年NCEP/NCAR月再分析資料及黑龍江省15個臺站的月氣溫資料，采用相關分析、趨勢分析、合成分析等診斷分析方法，從黑龍江省夏季氣溫與同期500hPa高度場、海平面氣壓場和200hPa緯向風場的相關圖上找出影響黑龍江省夏季氣溫的關鍵區(qū)域，在此基礎上客觀定義出關鍵影響因子和指數。結果表明，烏拉爾山高壓、貝加爾湖高壓和鄂霍次克海高壓，是通過遙相關來影響黑龍江省夏季氣溫的，而東北冷渦是直接影響因子，東北冷渦指數與夏季氣溫的相關系數為0.87，距平符號一致率為95%，因此可以認為東北冷渦是影響黑龍江省夏季氣溫的直接關鍵因子。另外，北太平洋海平面氣壓指數和西風切變指數對黑龍江地區(qū)夏季氣溫也有重要影響。結合數值模式預測結果，本研究得到的關鍵影響因子和指數，可以用于黑龍江省夏季氣溫的預測。

黑龍江省夏季氣溫,氣候預測，東北冷渦，阻塞高壓

0　引言

黑龍江省位于中國的東北部，既受來自較低緯地區(qū)的副熱帶系統影響，又受來自中高緯度的系統影響[1]，加之獨特的地形，形成了年際變率較大的氣候特點。同時，黑龍江省是全國重要的商品糧基地之一，夏季是農作物的主要生長季節(jié)，農作物的生長對夏季氣溫有明顯的依賴性，氣溫的高低直接影響了糧食的品質和產量，因此，對夏季氣溫的研究和預測工作尤為重要，以便為糧食生產做好夏季預測服務。20世紀80年代初，東北低溫協作研究組就對東北夏季低溫的氣候特征以及中長期預報，進行了系統的研究[2-3]。至今，關于東北夏季氣溫的研究成果已有很多，如：東北低溫與厄爾尼諾的關系[4]，熱帶和中緯太平洋海溫異常對東北夏季低溫冷害影響的診斷分析研究[5]，東北夏季氣溫與前期、同期太平洋海溫的關系與PDO冷暖位相有關[5]，持續(xù)性東北冷夏的變化規(guī)律及相關特征[6]，東北地區(qū)夏季氣溫變化特征分析[7]，東北低溫發(fā)生的氣候規(guī)律和大范圍氣候特征[8]，等等[9-12]。

但是，黑龍江省作為東北地區(qū)的最北端，雖然有著與東北地區(qū)一致性的特征，但也有其獨特的一面[10]。以往研究大多是針對整個東北夏季氣溫的氣候特征及其相關進行的研究，而從影響黑龍江省夏季氣溫的異常大尺度環(huán)流的角度，專門針對黑龍江夏季氣溫影響因子的研究相對較少。本文利用最新的臺站資料和NCEP/NCAR再分析資料，從東亞大氣環(huán)流的角度診斷分析影響黑龍江地區(qū)夏季氣溫的關鍵因子，在此基礎上，客觀定義出能夠表征關鍵因子的氣候指數，并且診斷分析這些因子影響黑龍江夏季氣溫的過程。本研究將有助于提高黑龍江地區(qū)夏季氣溫的短期氣候預測水平，對該地區(qū)防災減災有重要意義。

1　資料與方法

本研究所用資料包括：黑龍江省15站1954—2012年月平均氣溫資料；NCEP/NCAR月再分析資料（包括高度場、風場），水平分辨率為2.5°×2.5°；國家氣候中心的74項環(huán)流特征量。

經過前期的EOF計算，本研究發(fā)現黑龍江省夏季氣溫具有全省一致性的特點，第一空間模態(tài)全省都為一致正值（圖略），其解釋總方差的比例超過90%。因此，本文選取資料序列較長的15個臺站的平均值表征黑龍江省夏季氣溫。分析方法主要采用相關分析、趨勢分析、合成分析、EOF分析等診斷分析方法[13]。

2　結果分析

數值預報環(huán)流形式的預報總體上超過了預報員的預報水平，但其要素（氣溫、降水等）預報的水平還比較低[14]。而氣溫、降水等恰恰是預報員最關心的預報量。統計預報和動力模式預報結合，是未來短期氣候預測的趨勢[15]。對數值模式來說，500hPa高度場、海平面氣壓和200hPa風場是其模擬效果較好的氣象物理量場[16]。因此，從短期氣候預測和監(jiān)測診斷分析的實用性角度考慮，本文主要從上述三個角度尋找影響黑龍江夏季氣溫的關鍵因子。

2.1500hPa高度場

圖1出示了黑龍江省6—8月氣溫與同期500hPa高度場的相關分析結果，可以看出，6—8月，從30°—90°N、40°E—140°W都存在波列結構，高相關中心相同的位置都位于烏拉爾山地區(qū)、東北北部、鄂霍次克海地區(qū)和阿留申地區(qū)以及西太平洋地區(qū)，不同的是7月份氣溫與同期500hPa高度場相關圖上，西太平洋地區(qū)的相關系數比其他兩個月的相關系數都要顯著?？梢?，從500hPa大氣環(huán)流這個角度來看，這幾個地區(qū)是預測黑龍江省夏季氣溫短期氣候預測的關鍵信號地區(qū)。夏季，當東北北部上空、貝加爾湖地區(qū)500hPa環(huán)流為正距平時，黑龍江省夏季易出現高溫（圖略）。趙振國[17]指出了鄂霍次克海、貝加爾湖和烏拉爾山這三個關鍵區(qū)，這三個關鍵區(qū)的高度場距平的正負對中高緯地區(qū)氣候影響非常大。由于黑龍江省地理位置的獨特性，可以看出，500hPa層面上影響黑龍江省夏季氣溫的有上游地區(qū)的貝加爾湖地區(qū)、下游的鄂霍次克海地區(qū)、本地的上空以及南面低緯度地區(qū)。作者根據業(yè)務工作積累的經驗，對這幾個關鍵區(qū)進行定量化描述，定義了氣候指數，55°—65°N、120°—150°E區(qū)域代表鄂霍次克海地區(qū)，50°—60°N、90°—110°E區(qū)域代表貝加爾湖地區(qū)，60°—80°N、50°—80°E代表烏拉爾山地區(qū)，利用統計方法和數值模式來預測這幾個氣候指數的變化，進而可以預測黑龍江省夏季氣溫。由于烏拉爾山高壓對黑龍江省夏季氣溫的影響存在季節(jié)內變化，因此這里沒有給出烏拉爾山高壓指數。

利用合成分析方法，將黑龍江省夏季氣溫異常高（低）年500hPa高度場進行合成，黑龍江省夏季高溫年為2000年、2007年、2008年和2010年；夏季低溫年為1957年、1964年、1972年、1976年、1983年和2009年，結果也發(fā)現，貝加爾湖地區(qū)、東北北部和鄂霍次克海地區(qū)是影響黑龍江省夏季氣溫的關鍵地區(qū)（圖2）。這進一步證明了前面用相關系數尋找得到的關鍵區(qū)域是合理的。

2.1.1東北冷渦指數

東北冷渦是影響東北天氣的重要天氣系統之一，可以造成東北地區(qū)低溫冷害、持續(xù)陰雨洪澇、突發(fā)性強對流天氣等災害性天氣，尤其以夏季的活動最為頻繁。盡管東北冷渦是天氣學尺度上的定義，但由于東北冷渦的反復出現和維持會造成一定的“氣候效應”，從而會影響東北地區(qū)月尺度的氣溫和降水，甚至會影響整個夏季的氣溫和降水。不同的冷渦路徑能夠對局地和非局地的降水和環(huán)流產生明顯影響。孫力等[18]按照冷渦活動位置的不同分布將35°—40°N，40°—50°N，50°—60°N 的東北冷渦為北渦、中渦、南渦，從天氣學的角度對東北冷渦的天氣學特征進行了深入廣泛的統計研究，指出東北冷渦對東北地區(qū)夏季天氣氣候的影響顯著，冷渦在夏季具有較明顯的持續(xù)性活動特征，冷渦的持續(xù)性活動是導致東北地區(qū)夏季低溫的一個十分關鍵的因子。

利用500hPa高度場數據定義一個影響黑龍江省夏季氣候的東北冷渦指數，定義42.5°—55°N、120°—130°E這個區(qū)域內的所有格點平均后的值作為東北冷渦氣候指數，該指數與同期黑龍江省夏季氣溫的相關系數達0.87，通過了0.01的顯著性水平檢驗，距平符號一致率達到95%（圖3），表明該指數對預報黑龍江省夏季氣溫具有很好的指示意義，可以作為預測黑龍江省夏季氣溫高低的一個關鍵因子。

從圖3中還可以看出，若以平均氣溫距平絕對值大于1℃為標準，劃分黑龍江省夏季氣溫異常高（低）年，可知黑龍江省夏季氣溫偏低年一般發(fā)生在20世紀80年代中期以前，從20世紀80年代中后期開始，夏季氣溫偏低年則鮮有發(fā)生，這與文獻[19-20]的研究結果是一致的，中國東北地區(qū)夏季的整體升溫現象是顯著的，中國東北地區(qū)夏季增溫趨勢遠大于北半球其他地區(qū)。

2.1.2鄂霍次克海高壓指數

任廣成[21]研究發(fā)現，鄂海高壓對中國天氣的影響，以東北夏季氣溫最為顯著，鄂海高壓偏強時，東北地區(qū)氣溫偏低，鄂海高壓偏弱時，東北氣溫偏高。文獻[22-23]將55°—65°N、120°—150°E區(qū)域內每個格點上的高度值相加后再除以格點數可代表鄂霍次克海地區(qū)的高壓指數（圖4）。夏季，鄂霍次克海高壓指數與黑龍江省夏季氣溫的相關系數為0.30，通過了0.05的顯著性水平檢驗。更為重要的是，鄂霍次克海高壓指數與東北冷渦指數之間存在高相關，相關系數為0.53，通過了0.01的顯著性水平檢驗。當鄂霍次克海地區(qū)上空出現高壓時，黑龍江地區(qū)的上空為低渦活動，說明鄂霍次克海高壓并不直接影響黑龍江省夏季氣溫，而是通過影響東北冷渦，進而影響黑龍江省夏季氣溫。梁紅等[24]研究發(fā)現，東北冷渦與鄂海阻高是互為生消的，當鄂霍次克海地區(qū)有阻高時，東北冷渦易偏多，這里定義的鄂霍次克海高壓指數與梁紅等定義的地區(qū)不一致，所以影響結果也不同。

2.1.3貝加爾湖高壓指數

根據文獻[25]的定義，將50°—60°N、90°—110°E區(qū)域內每個格點上的高度值相加后再除以格點數，代表貝加爾湖地區(qū)的高壓指數（圖5）。夏季，貝加爾湖高壓指數與黑龍江省夏季氣溫的相關系數為0.49，通過了0.05的顯著性檢驗，該指數可以認為是影響黑龍江省夏季氣溫的另一個關鍵因子。如果貝加爾湖地區(qū)建立阻塞高壓或者是正距平控制，有利于黑龍江地區(qū)處在高壓控制下，不利形成低渦，這樣就有利于黑龍江省夏季氣溫偏高。

2.1.4西太平洋副熱帶高壓

6月和8月的西太平洋副熱帶高壓面積、強度、脊線、北界和西伸脊點與黑龍江省6月和8月的氣溫相關系數較小，而7月的西太平洋副熱帶高壓面積、強度、脊線、北界和西伸脊點與黑龍江省7月的氣溫相關系數較大，這說明7月副高可以直接影響到黑龍江省。梁紅等[24]研究指出，西太平洋副熱帶高壓與鄂海阻高之間有較好的負相關關系，鄂海阻高增強，副熱帶高壓減弱南撤，是互相制約的。張慶云等[25]指出當夏季西太平洋副熱帶高壓脊線位置偏北時，高緯500hPa鄂霍次克海地區(qū)受負距平控制，不利于在鄂霍次克海地區(qū)建立阻高。

2.2海平面氣壓場

利用黑龍江省夏季平均氣溫與NCEP的海平面氣壓場相關（圖略），可以發(fā)現，整個夏季，在北太平洋阿留申群島附近有一個正的相關區(qū)，說明該地區(qū)是影響黑龍江省夏季氣溫的關鍵地區(qū)。根據文獻[26-27]，將海平面35°—45°N、180°—160°W區(qū)域內每個格點上的高度值相加后再除以格點數可代表北太平洋海平面氣壓指數（圖6）。經計算，該指數與夏季黑龍江省平均氣溫的相關系數為0.41，通過了0.05的顯著性水平檢驗，證明夏季35°—45°N、180°—160°W北太平洋海平面氣壓的異常可以影響黑龍江省夏季氣溫的高低。

2.3西風切變指數

東亞夏季高空西風急流是東亞季風系統的重要成員之一，影響東亞地區(qū)的天氣和氣候[28]。根據以往研究[29]，東亞高空西風急流異?？赡苤饕c沿著三支西風急流傳播的波列活動有關，包括亞洲副熱帶西風急流、歐亞大陸北部高緯度地區(qū)的極鋒急流和位于對流層低層的東亞低空西風急流。

由于高層環(huán)流變化具有較好的整體性和預示性，參照黑龍江省夏季各月氣溫與夏季各月200hPa緯向風的相關場（圖7），利用200hPa（57.5°—60°N、1 2 0°—1 3 0°E）區(qū)域的平均緯向風減去（37.5°—40°N、120°—130°E）區(qū)域的平均緯向風，兩個區(qū)域的差值作為一個西風切變指數，該指數與黑龍江省夏季各月同期氣溫都有明顯的正相關關系，相關系數為0.6左右，通過了0.001的顯著性水平檢驗。

3　結論與討論

通過以上研究，本文得到如下結論：

1）利用NCEP再分析資料，結合黑龍江省夏季氣溫與同期500hPa高度場相關圖，找出了影響黑龍江省夏季氣溫的關鍵地區(qū)，并在關鍵地區(qū)定義了東北冷渦指數、鄂霍次克海高壓指數、貝加爾湖高壓指數，這幾個氣候指數對預測黑龍江省夏季氣溫具有較好的指示意義。其中，東北冷渦更是直接影響黑龍江省夏季氣溫的非常顯著的關鍵因子；

2）結合黑龍江省夏季氣溫與同期海平面氣壓場相關圖，在海平面找出了影響黑龍江省夏季氣溫的關鍵地區(qū)，定義了北太平洋海平面氣壓指數，該指數與黑龍江省夏季氣溫也有很好的相關性；

3）從黑龍江省夏季氣溫與同期200hPa緯向風場相關來看，在西風急流的兩側分別有一個影響黑龍江省夏季氣溫的高相關區(qū)，因此定義了西風切變指數，該指數對黑龍江省夏季氣溫的影響也非常重要。

本文利用統計方法尋找出影響黑龍江省夏季氣溫的關鍵地區(qū)，并定義了相應的關鍵影響因子，結合國內外的動力模式預測結果，該研究可以用于黑龍江省夏季氣溫的預測。需要指出的是，本文從同期的再分析資料尋找關鍵因子，這些因子可以用于數值預報產品統計釋用的PP（Perfect Prog）方法，將來也可以從某一個或幾個數值模式的預測產品中尋找可以用于MOS（Model Output Statistics）方法關鍵因子。本研究只是對基于統計方法尋找的影響黑龍江夏季氣溫的關鍵因子做了初步診斷分析，其影響過程和機理的深入研究，需要進行動力診斷和數值模擬，這將是我們今后的研究方向?；谶@些關鍵因子，建立黑龍江省夏季氣溫統計與動力相結合的短期氣候預測模型，也是將來的目標。

[1]Li J P, Wang J. A modified zonal index and its physical sense. Geophys Res Lett, 2003, 30 (12): 1632.

[2]東北低溫研協組. 東北地區(qū)冷夏、熱夏長期預報的初步研究. 氣象學報, 1979, 37(3): 44-58.

[3]章名立, 符淙斌, 曾昭美, 等. 我國夏季東北地區(qū)低溫與全球氣溫的特征. 科學通報, 1980, 19: 893-895.

[4]曾昭美, 章名立. 熱帶東太平洋關鍵區(qū)海溫與中國東北地區(qū)氣溫的關系. 大氣科學, 1987, 11(4): 382-389.

[5]李菲, 李輯, 管兆勇. 我國東北夏季氣溫年代際變化特征及與太平洋海溫異常關系的研究. 氣象與環(huán)境學報, 2010, 26(3): 19-26.

[6]王敬方, 吳國雄. 持續(xù)性東北冷夏的變化規(guī)律及相關特征. 大氣科學, 1997, 21(5): 523-532.

[7]楊素英, 王謙謙. 近50a東北地區(qū)夏季氣溫異常的時空變化特征.南京氣象學院學報, 2003, 26(5): 653-660.

[8]汪秀清, 馬樹慶, 襲祝香, 等. 東北區(qū)夏季低溫冷害的長期預報. 自然災害學報, 2006, 15(3): 42-45.

[9]王晨軼, 紀仰慧, 金磊, 等. 2009年黑龍江省干旱分析及評估. 干旱氣象, 2012, 30(1): 124-128.

[10]楊青. 東北夏季氣溫變化特征及其影響因子. 南京: 南京信息工程大學碩士論文, 2005．

[11]孫瑩, 江靜, 楊青, 等. 東北夏季氣溫分區(qū)變化特征. 氣象科學, 2008, 28(1): 50-55.

[12]沈柏竹, 廉毅, 楊涵洧, 等. 中國東北夏季溫度年代際變化特征.地理科學, 2012, 32(6): 739-745.

[13]Wilks D S. Statistical methods in the atmospheric sciences (Third edition). New York: Academic Press, 2011.

[14]矯梅燕. 現代數值預報業(yè)務. 北京: 氣象出版社, 2010.

[15]李維京. 現代氣候業(yè)務. 北京: 氣象出版社, 2012.

[16]Kalnay E. Atmospheric modeling, data assimilation and predictability. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.

[17]趙振國. 中國夏季旱澇及環(huán)境場. 北京: 氣象出版社, 1999.

[18]孫力, 安剛, 高縱亭, 等. 1998年夏季嫩江和松花江流域東北冷渦暴雨的成因分析. 應用氣象學報, 2002, 13(2): 156-162.

[19]陳莉, 朱錦紅. 東北亞冷夏的年代際變化. 大氣科學, 2004, 28(2): 241-253．

[20]李輯, 龔強. 東北地區(qū)夏季氣溫變化特征分析. 氣象與環(huán)境學報, 2006, 22(1): 6-10.

[21]任廣成. 夏季鄂海高壓的長期預報研究. 中國氣象科學研究院院刊, 1989, 4(2): 193-198.

[22]趙漢光, 陳雪珍. 北半球阻塞高壓的統計分析. 氣象, 1990, 16(3): 3-8.

[23]課題執(zhí)行專家組. 短期氣候預測系統的總裝與業(yè)務化試驗研究.北京: 氣象出版社, 2004.

[24]梁紅, 王元, 郭正強. 夏季東北冷渦與副高、鄂海阻高的遙相關關系. 氣象科學, 2009, 29(6): 793-796.

[25]張慶云, 陶詩言. 夏季西太平洋副熱帶高壓異常時的東亞大氣環(huán)流特征. 大氣科學, 2003, 27(3): 369-380.

[26]郭冬, 孫照渤. 冬季北太平洋濤動異常與東亞冬季風和我國天氣氣候的關系. 南京氣象學院學報, 2004, 27(4): 461-470.

[27]孫曉娟, 王盤興, 智海, 等. 阿留申低壓四種環(huán)流指數的分析和比較. 大氣科學學報, 2011, 34(1): 74-84.

[28]林中達. 盛夏兩類東亞高空西風急流北跳的動力過程. 大氣科學, 2011, 35(4): 631-645.

[29]陶詩言, 陳隆勛. 夏季亞洲大陸上空大氣環(huán)流的結構. 氣象學報, 1957, 28: 234-247.

lnfluencing Large-scale Circulation Factor Analysis of Summer Temperature in Heilongjiang Province

Li Yongsheng1, Zhu Yuxiang2, Wang Ying3
(1 Climate Center of Heilongjiang Province, Harbin 1500302 CMA Training Center, China Meteorological Administration, Beijing 100813 Harbin Meteorological Bureau of Heilongjiang Province, Harbin 150028)

Using the NCEP/NCAR reanalyzed monthly data and monthly temperature from 15 meteorological stations of Heilongjiang Province from 1954 to 2012 and adopting the methods, such as correlation, trend, composite analysis, the key zones influencing summer temperature of Heilongjiang Province are found from correlogram of summer temperature with 500 hPa height field and sea level pressure field with 200 hPa zonal wind field. Based on these key zones, the key factors and indices are objectively defined. The preliminary results of the analysis show that, Ural Mountain high, Baikal Lake high and Okhotsk high influence the temperature through teleconnection, but the impact from northeast cold vortex is direct. Correlation coefficient between northeast cold vortex and summer temperature is 0.87 and the consistent rate is 95%, so we can conclude that northeast cold vortex has influenced the summer temperature directly; in addition, North Pacific sea-level pressure index in summer and westerlies shear index are very important systems influencing the summer temperature. Combination of numerical models output, key factors and indexes of this study can be used to predict the summer temperatures of Heilongjiang Province.

summer temperature of Heilongjiang Province, climate prediction, northeast cold vortex, blocking high

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.01.006

2013年10月12日；

2014年1月2日

李永生（1984—），Email：liyongsheng330@163.com

朱玉祥（1976—），Email：zhuyx@cma.gov.cn

資助信息：國家重大科學研究計劃（2012CB957803）；國家自然科學基金項目（41305131）；黑龍江省氣象局青年英才計劃（2012）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201406020）