冬季北極濤動異常與新疆氣溫變化的關(guān)系

黃　玲，毛煒嶧，劉紅霞

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆　烏魯木齊830002；2.呼圖壁縣氣象局，新疆　呼圖壁831200；3.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆　烏魯木齊830002；4.新疆氣象局，新疆　烏魯木齊830002）

冬季北極濤動異常與新疆氣溫變化的關(guān)系

黃玲1，2，毛煒嶧1，3*，劉紅霞3，4

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；2.呼圖壁縣氣象局，新疆呼圖壁831200；3.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆烏魯木齊830002；4.新疆氣象局，新疆烏魯木齊830002）

基于新疆96個氣象站1961—2014年月平均氣溫、北極濤動指數(shù)和NCEP/NCAR再分析環(huán)流資料，分析了冬季北極濤動異常與新疆同期氣溫變化的關(guān)系及其影響。結(jié)果表明：冬季北極濤動指數(shù)與新疆冬季平均氣溫相關(guān)較好，42.7%的測站冬季氣溫與北極濤動指數(shù)的相關(guān)系數(shù)通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，主要集中在新疆北部地區(qū)。在冬季北極濤動指數(shù)偏強(qiáng)的7 a，新疆冬季氣溫偏高、偏低的概率分別為93.0%與6.3%；在冬季北極濤動指數(shù)異常偏低的14 a，冬季氣溫偏高、偏低的概率分別為41.5%和56.1%，偏低概率高于偏高概率。當(dāng)冬季北極濤動指數(shù)偏強(qiáng)時，850 hPa新疆及其北部廣大區(qū)域盛行異常偏南風(fēng)，不利于冷空氣南下，新疆冬季氣溫高；反之，盛行異常偏北風(fēng)，新疆冬季氣溫偏低。

北極濤動；氣溫異常；冬季；新疆

黃玲，毛煒嶧，劉紅霞.冬季北極濤動異常與新疆氣溫變化的關(guān)系[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（4）：47-52. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.007

北極濤動（Arctic Oscillation,AO）是北半球中高緯度地區(qū)重要的環(huán)流分布型[1]，指氣壓場或其它氣象要素場在極地地區(qū)和中緯度之間反位相變化的空間分布狀況，一年四季都存在，冬季半年北極濤動變化更為顯著，1月表現(xiàn)最強(qiáng)[2]。研究指出，北極濤動對整個北半球中高緯地區(qū)的氣候有著較強(qiáng)的影響[3-4]，冬季北極濤動可能影響西伯利亞高壓,進(jìn)而影響東亞冬季風(fēng)[5]，近百年來當(dāng)AO指數(shù)偏高時，中國大部地區(qū)冬季氣溫偏高，同時降水也偏多[6]。東亞北部、尤其是我國東北以及華北地區(qū)冬季氣溫和AO指數(shù)呈顯著正相關(guān)，特別是在年代際尺度上關(guān)系更密切[7-11]。冬季北極濤動異常是影響我國東部大部分地區(qū)冬季氣溫變化的重要因子之一。

新疆位于歐亞大陸腹地,以中緯度西風(fēng)帶環(huán)流控制為主。近50 a來新疆氣溫呈增暖趨勢，但2000年以后，新疆在暖冬背景下也出現(xiàn)過極端低溫事件，冬季階段性氣溫偏低對林果越冬造成危害[12-14]。目前有關(guān)北極濤動異常與新疆冬季氣溫變化關(guān)系的研究成果尚不多見，北極濤動影響新疆冬季氣溫的程度、范圍有多大？均需開展深入細(xì)致的分析。

1　資料與方法

本文應(yīng)用了新疆測站月溫度、NCEP再分析資料和AO指數(shù)。用新疆105站1961—2014年逐月平均氣溫[15]，將遷站前后海拔高度變化大于100 m的站點(diǎn)剔除，共選取96站資料。AO月指數(shù)資料來自美國NOAA下屬的氣候預(yù)測中心（CPC）網(wǎng)站。

以12月至翌年2月作為冬季，得到1961—2013年冬季新疆96站氣溫以及AO指數(shù)序列。本文運(yùn)用相關(guān)分析和均值差異顯著性T檢驗(yàn)，探討冬季北極濤動指數(shù)與新疆氣溫的關(guān)系。

用NCEP再分析資料來分析AO指數(shù)異常偏高（低）年合成的北半球500 hPa位勢高度距平場、東北半球地表氣溫距平場和850 hPa距平風(fēng)場特征。

2　冬季北極濤動異常與北半球中高緯地區(qū)氣溫關(guān)系

2.1冬季北極濤動異常年

AO指數(shù)指北半球熱帶以外地區(qū)海平面氣壓距平的EOF分析第一模態(tài)的時間序列，AO指數(shù)為正時，也稱為北極濤動正位相，北半球中緯度地區(qū)氣壓上升而極地氣壓下降；AO指數(shù)為負(fù)時，也稱為北極濤動負(fù)位相，此時的環(huán)流形勢距平場分布正好相反。由定義可知，AO指數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)化后的無量綱數(shù)，以AO指數(shù)≥1.0定義為指數(shù)異常偏高年，或者稱為北極濤動典型正位相年，當(dāng)AO指數(shù)≤-1.0時定義為指數(shù)異常偏低年，或者為北極濤動典型負(fù)位相年。

由圖1可見，1961—2013年冬季AO指數(shù)異常偏高年共 7 a，分別為：1972、1988、1989、1991、1992、1999和2006年冬季；冬季AO指數(shù)異常偏低年共 14 a，分別為：1962、1964、1965、1968、1969、1976、1977、1978、1984、1985、1995、2000、2009和2012年冬季。

圖1　1961—2013年冬季AO指數(shù)變化

由圖2a可見，在冬季AO指數(shù)異常偏高7 a合成的500 hPa位勢高度距平場上，北半球極地附近是負(fù)距平區(qū)，圍繞北極的中高緯地區(qū)有4個正距平中心，極渦強(qiáng)度偏強(qiáng)，收縮在極區(qū)，中高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主，不利于極地冷空氣自極地向南爆發(fā)。由圖2b可見，在冬季AO指數(shù)異常偏低14 a合成的500 hPa位勢高度距平場上，北半球極地附近是正距平區(qū)，圍繞北極的中高緯地區(qū)有3個負(fù)距平中心，極渦強(qiáng)度偏弱，而繞極區(qū)位勢高度偏低，北半球中高緯地區(qū)經(jīng)向環(huán)流發(fā)展，有利于極地附近的冷空氣自北向南爆發(fā)。

2.2冬季北極濤動異常年歐亞大陸中高緯地區(qū)氣溫距平分布

圖3分別給出了冬季AO指數(shù)異常偏高7 a和偏低14 a合成的歐亞地區(qū)冬季地表氣溫距平圖?？梢?，在冬季AO指數(shù)異常偏高（低）年，歐亞大陸60° N附近廣闊的帶狀區(qū)域是冬季平均氣溫偏高（低）區(qū)，新疆正是處在該區(qū)域南部。比較而言，在冬季AO指數(shù)異常偏低年歐亞大陸氣溫偏低區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AO指數(shù)異常偏高年時對應(yīng)的氣溫偏高區(qū)?？梢姡颈睒O濤動指數(shù)異常偏低時的影響范圍更加廣泛。還能看出，無論是在AO指數(shù)異常偏高還是偏低年，歐亞范圍內(nèi)氣溫異常區(qū)域的南部邊界均呈具有類似的緯向分布不均勻特征，即在東亞更偏南，而在西亞、中亞范圍略偏北。

3　冬季AO指數(shù)異常與新疆氣溫關(guān)系

3.1冬季AO指數(shù)與新疆氣溫相關(guān)分析

上節(jié)中分析了歐亞范圍內(nèi)冬季氣溫在AO指數(shù)異常偏高（低）年的不同響應(yīng)特征。從中可發(fā)現(xiàn)，新疆都在響應(yīng)區(qū)域的南部臨界區(qū)。那么，冬季北極濤動年際變化與新疆同期氣溫之間有什么更加細(xì)致的關(guān)聯(lián)關(guān)系？計算了1961—2013年冬季AO指數(shù)與新疆96站同期平均氣溫的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1和圖4。

由表1可見，冬季AO指數(shù)與新疆96站同期平均氣溫的相關(guān)系數(shù)通過0.10、0.05和0.01顯著性水平檢驗(yàn)的測站數(shù)分別為51站、41站和22站，占96站總數(shù)的53.1%、42.7%和22.9%。結(jié)合圖4可發(fā)現(xiàn)，通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)的測站主要分布在北疆和南疆吐鄯托盆地，高相關(guān)區(qū)域基本連片分布。在新疆96站中，相關(guān)系數(shù)最大的3個測站依次為北疆北部阿勒泰地區(qū)的哈巴河（0.542）、布爾津（0.515）和阿勒泰市（0.474）。在冬季AO指數(shù)異常偏高年，新疆偏北大部分地區(qū)同期氣溫偏高，反之亦然。

圖2　冬季AO指數(shù)異常偏高年（a）與異常偏低年（b）的同期500 hPa位勢高度距平合成圖

圖3　冬季AO指數(shù)異常偏高年（a）與異常偏低年（b）歐亞地表氣溫距平合成圖

表1　1961—2013年冬季AO指數(shù)與新疆同期氣溫高相關(guān)站數(shù)百分率

圖4　冬季AO指數(shù)與新疆同期平均氣溫相關(guān)系數(shù)分布圖

3.2冬季AO指數(shù)異常與新疆同期氣溫異常級概率分布

將冬季AO指數(shù)與新疆同期平均氣溫之間的相關(guān)系數(shù)通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)的41站定義為新疆冬季氣溫與AO指數(shù)的高相關(guān)區(qū)域。選取高相關(guān)區(qū)域41站進(jìn)一步分析在AO指數(shù)異常偏高（低）年區(qū)域內(nèi)各站氣溫出現(xiàn)異常等級的概率，結(jié)果見表2。53 a中41站總樣本數(shù)為2173，冬季氣溫偏高、偏低的概率分別為52.8%和45.2%，距平等于0的概率占2.0%，冬季氣溫異常偏高、異常偏低的概率分別為33.3%和28.1%，基本上呈正態(tài)分布。

表2　冬季AO指數(shù)異常偏高（低）年新疆高相關(guān)區(qū)域41站同期氣溫異常等級百分率

在冬季AO指數(shù)異常偏高的7 a，41站樣本數(shù)為287。氣溫偏高、偏低的概率分別為93.0%與6.3%，氣溫偏高的概率極高。與53 a樣本結(jié)果比較，氣溫偏高的概率增大了40.2%，而偏低的概率減小了38.9%；異常偏高的概率則增大了44.6%，異常偏低的概率減小了25.7%。在冬季AO指數(shù)異常偏高的7 a中，其中5 a達(dá)到100%。在冬季AO指數(shù)異常偏低的14 a，41站樣本數(shù)為574。氣溫偏高、偏低的概率分別為41.5%和56.1%，氣溫偏低的概率明顯偏高。與53 a樣本結(jié)果比較，氣溫偏高的概率減少了11.3%，而偏低的概率增大了10.9%；異常偏高的概率減少了10.0%，異常偏低概率增加了12.7%。

高相關(guān)區(qū)域41站中，冬季AO指數(shù)異常偏高與新疆北部地區(qū)氣溫偏高的關(guān)聯(lián)更為密切。這種情況與我國東部地區(qū)有所不同。有研究發(fā)現(xiàn)[16]，我國冬季極端氣溫對北極濤動變化有明顯的響應(yīng)，在AO指數(shù)異常偏低年份，最高氣溫與最低氣溫的響應(yīng)都更強(qiáng)烈。

3.3冬季AO指數(shù)異常年新疆氣溫變化的空間分布差異

計算冬季AO指數(shù)異常偏高與偏低年新疆96站平均氣溫差異的顯著性T檢驗(yàn)，結(jié)果見表3和圖5?？梢?，在冬季AO指數(shù)異常偏高7 a與異常偏低14 a之間，全疆96站中冬季平均氣溫的差異通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)的臺站占84.4%（表3），涵蓋了新疆大部分區(qū)域，而北疆區(qū)域、吐鄯托及塔里木盆地北部的差異特征更為突出（圖5a）。

表3 冬季AO指數(shù)異常偏高、偏低年同期平均氣溫差值顯著性檢驗(yàn)

冬季AO指數(shù)異常偏高7 a與53 a樣本之間的冬季平均氣溫的差異通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)的臺站占86.5%（圖5b）。冬季AO指數(shù)異常偏低14 a 與53 a樣本之間的冬季平均氣溫的差異通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)的臺站占13.5%，僅分布于伊犁河谷西部、塔城北部及阿勒泰地區(qū)（圖5c）。

比較冬季平均氣溫差異通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)的測站比率及分布，冬季AO指數(shù)異常偏高7 a 與53 a的結(jié)果比AO異常偏低14 a與53 a的測站比率高出73%?？梢姡诙続O指數(shù)異常偏高與異常偏低年，新疆冬季氣溫的響應(yīng)程度是不對稱的，冬季氣溫對北極濤動指數(shù)異常偏高時的響應(yīng)更加強(qiáng)烈。

4　冬季AO指數(shù)異常偏高（低）影響新疆氣溫的可能成因

新疆位于歐亞大陸腹地，緯度較高，冬季北方冷空氣活動頻數(shù)以及強(qiáng)度是影響新疆氣溫異常的主要因素。已有研究成果指出冬半年影響新疆的寒潮活動路徑主要有4條，分別是西方路徑、西北路徑、北方路徑和超極地路徑（東北方），以西北路徑最頻繁[17-18]。在冬季AO指數(shù)異常偏高7 a和偏低14 a，對應(yīng)的850 hPa合成距平風(fēng)場上能否尋找到影響新疆冷空氣活動路徑的相關(guān)信息？

由圖6a可見，在冬季AO指數(shù)異常偏高7 a合成的850 hPa距平風(fēng)場上，在60°N的西伯利亞東部有一個距平反氣旋中心，從中西伯利亞到西西伯利亞廣闊區(qū)域都是南風(fēng)距平區(qū)，新疆的西北、正北以及東北方位的冷空氣入侵通道區(qū)域都是南風(fēng)距平區(qū)。在這種季節(jié)尺度環(huán)流背景下，冬季南下影響新疆的冷空氣或者次數(shù)偏少，或者強(qiáng)度偏弱，新疆冬季氣溫偏高的范圍增大，包括南疆大部分地區(qū)在內(nèi)，但是北疆地區(qū)這種氣溫變化的響應(yīng)程度更加顯著。

由圖6b可見，冬季AO指數(shù)異常偏低14 a合成的850 hPa距平風(fēng)場上，在60°N的西西伯利亞地區(qū)有一個距平氣旋中心，西西伯利亞廣大區(qū)域都在北風(fēng)距平控制下，新疆的西北方與北方的冷空氣入侵通道區(qū)域都是北風(fēng)距平區(qū)。在這種季節(jié)尺度環(huán)流背景下，冬季會出現(xiàn)更多次數(shù)的冷空氣南下入侵新疆，或者入侵新疆的冷空氣強(qiáng)度更強(qiáng)，導(dǎo)致新疆冬季氣溫偏低的概率增大。

圖5　冬季AO不同異常年份之間新疆冬季平均氣溫差異T檢驗(yàn)圖

圖6　冬季AO指數(shù)異常偏高年（a）與偏低年（b）850 hPa風(fēng)場距平合成圖

在冬季AO指數(shù)異常偏高與異常偏低年，新疆冬季氣溫的響應(yīng)程度是不對稱的，這與新疆特殊地形有關(guān)系。在AO指數(shù)異常偏高時，環(huán)流形勢上不利于北方冷空氣活動入侵新疆，因此新疆冬季氣溫偏高的范圍更大。而在冬季AO指數(shù)異常偏低時，雖然環(huán)流形勢上有利于北方冷空氣活動入侵新疆，但是受天山山脈阻擋，冷空氣在入侵北疆后很難長驅(qū)直入影響南疆，只是在后期會沿塔里木盆地向東的開口地形以“東灌”方式進(jìn)入南疆，影響天山以南的哈密盆地、吐鄯托盆地等塔里木盆地東北部地區(qū)。因此，在冬季AO指數(shù)異常偏低年，冬季氣溫偏低的區(qū)域主要在北疆和天山南麓偏東區(qū)域，全疆整體而言，冬季溫度的變化響應(yīng)相對較弱。

另外，南疆地區(qū)冬季氣溫異常偏低還可能受青藏高原以及中緯度西風(fēng)帶上環(huán)流系統(tǒng)的共同作用影響，不完全受北極濤動變化調(diào)控，但是其關(guān)系有待于進(jìn)一步深入研究探討。

4　結(jié)論

（1）1961—2013年，冬季北極濤動指數(shù)出現(xiàn)了7 （14）a異常偏高（低）年。在冬季北極濤動指數(shù)異常偏高（低）年，歐亞大陸60°N附近區(qū)域是冬季氣溫偏高（低）區(qū)，該氣溫異常區(qū)域南界的緯向分布不均勻，在東亞更偏南，在中亞、西亞略偏北。新疆位于該區(qū)域南部邊緣。

（2）冬季北極濤動指數(shù)與新疆大部分地區(qū)冬季氣溫呈顯著正相關(guān)。全疆有41站冬季氣溫與AO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，占96站總數(shù)的42.7%，主要分布在北疆和南疆吐鄯托盆地，高相關(guān)區(qū)域基本連片分布。在新疆96站中，相關(guān)系數(shù)最大的3個測站依次為北疆北部阿勒泰地區(qū)的哈巴河（0.542）、布爾津（0.515）和阿勒泰市（0.474）。

（3）新疆有41站冬季氣溫與AO指數(shù)呈顯著正相關(guān)，53 a的41站冬季氣溫偏高、偏低概率分別為52.8%和45.2%，偏高概率略大，基本上呈正態(tài)分布。在冬季AO指數(shù)異常偏高的7 a，41站冬季氣溫偏高、偏低概率分別為93.0%與6.3%，偏高概率極大。在冬季AO指數(shù)異常偏低的14 a，41站冬季氣溫偏高、偏低概率分別為41.5%和56.1%，偏低概率明顯增大。冬季AO指數(shù)異常偏高時新疆北部地區(qū)氣溫偏高的響應(yīng)更顯著，與我國東部地區(qū)有所不同。

（4）在冬季AO指數(shù)異常偏高年，同期850 hPa距平風(fēng)場上，新疆的西北、正北以及東北方位的冷空氣入侵通道區(qū)域都是南風(fēng)距平區(qū)，不利于冷空氣頻繁南下影響新疆，冬季影響新疆的冷空氣或者次數(shù)偏少，或者強(qiáng)度偏弱，新疆冬季氣溫偏高的范圍增大。在冬季AO指數(shù)異常偏低年，同期850 hPa距平風(fēng)場上，新疆的西北方與北方的冷空氣入侵通道區(qū)域都是北風(fēng)距平區(qū)，有利于冬季冷空氣更為頻繁地南下入侵新疆，或者入侵新疆的冷空氣強(qiáng)度更強(qiáng)，導(dǎo)致新疆冬季氣溫偏低的概率增大。

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Relationship Between the Winter Arctic Oscillation Anomaly and Air Temperature Change in Xinjiang

HUANG Ling1，2，MAO Weiyi1，3，LIU Hongxia3，4
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Hutubi Meteorological Bureau，Hutubi 831200，China；3.Center for Central Asian Atmosphere Science
Research，Urumqi 830002，China；4.Xinjiang Meteorological Bureau，Urumqi 830002,China）

Based on the Arctic Oscillation（AO）index，monthly mean air temperature data at 96 meteorological stations and the National Centers for Environment Prediction（NCEP）-National Center for Atmospheric Research（NCAR）reanalysis circulation dataset during 1961-2014 in Xinjiang,the relationship between the AO index and the air temperature and its influence in Xinjiang was analyzed.The results show that the winter AO index was well related to the air temperature in Xinjiang,and 42.7%of total stations could pass the 95%significant confidence test, especially concentrated in northern Xinjiang.In the seven years of high AO index,the probability of positive（negative）temperature anomaly was 93%（6.3%）.In the fourteen years of low AO index, the probability of positive（negative）temperature anomaly was 41.5%（56.1%）,and the later was more than the former.When the AO index high,the anomalous south wind was prevailing over Xinjiang at 850 hPa,which was unfavorable for cold air moving from high latitude into Xinjiang,so it become warmer in winter in Xinjiang.On the contrary,the low AO index corresponding to anomalous north wind over Xinjiang,so it become colder in winter in Xinjiang.

AO；temperature anomaly；winter；Xinjiang

P461

A

1002-0799（2016）04-0047-06

2015-04-07；

2016-05-14

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目（IDM201502）“新疆區(qū)域降溫過程及極端低溫事件的年、季定量評估研究及應(yīng)用”、新疆氣象局科研課題（MS201415）共同資助。

黃玲（1977-），女，工程師，主要從事氣象觀測與預(yù)報工作。E-mail：964962975@qq.com

毛煒嶧，E-mail：mao6991@vip.sina.com