中國冬季地面氣溫10～30 d低頻變化及其與烏拉爾山環(huán)流的關(guān)系

譚桂容 張文正

摘要基于國家氣象信息中心冬季（12月—次年2月）逐日氣溫和NCEP/NCAR再分析資料，采用非濾波方法提取10～30 d低頻成分，分析了1979—2011年中國低頻氣溫及與之關(guān)聯(lián)的大氣環(huán)流特征，著重討論了烏拉爾山環(huán)流對中國冬季地面低頻氣溫的影響。結(jié)果表明：1）全國氣溫第一模態(tài)呈現(xiàn)全國大部偏冷（暖）的空間分布型；典型年氣溫10～30 d低頻方差貢獻(xiàn)率占30%以上。2）北大西洋到極地、烏拉爾山及貝加爾湖地區(qū)環(huán)流異常與中國冬季氣溫異常顯著相關(guān)。當(dāng)極渦偏弱或北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）正異常，烏拉爾山地區(qū)高壓脊偏強時，有利于地面貝加爾湖附近的冷高壓加強，使中國冬季氣溫偏冷；反之亦然。3）中國冬季低頻氣溫與烏拉爾山環(huán)流密切相關(guān)，且當(dāng)烏拉爾山環(huán)流異常超前約15 d時，兩者相關(guān)關(guān)系最好。即烏拉爾山高度場的加強有利于烏拉爾山高壓脊及西伯利亞高壓加強，對應(yīng)東亞冬季風(fēng)加強，導(dǎo)致中國冬季氣溫偏低。

關(guān)鍵詞中國氣溫；低頻變化；大氣環(huán)流；非濾波方法

中國是遭受氣象災(zāi)害較為頻繁且嚴(yán)重的國家之一，尤其是近幾年來，中國不斷遭受持續(xù)性異常低溫事件的影響?，F(xiàn)階段介于常規(guī)天氣預(yù)報和短期氣候預(yù)測之間的10～30 d的預(yù)報，即延伸期預(yù)報，是目前業(yè)務(wù)預(yù)報中正待研發(fā)的重點和“盲點”。已經(jīng)有許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了探索，并取得了許多進(jìn)展。由于10～30 d低頻振蕩為延伸期預(yù)報的背景，因此研究10～30 d低頻振蕩有重要的意義。

自從20世紀(jì)70年代初發(fā)現(xiàn)熱帶地區(qū)大氣低頻振蕩（LowFrequency Oscillation，LFO）以來，LFO被視為重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一。LFO的時間尺度介于天氣和短期氣候變化之間，因此LFO能在很大程度上影響各地的天氣和氣候變化。最初LFO的相關(guān)研究主要集中于熱帶地區(qū)（Murakami，1984；Lau et al.，1985；Knuston et al.，1987；Li，1988）。后來許多學(xué)者的研究表明，全球的大氣都存在低頻振蕩的周期變化現(xiàn)象（Madden and Julian，1971；Anderson and Rosen，1983；李崇銀等，1990）。只是以熱帶地區(qū)和中高緯度地區(qū)的低頻振蕩最為顯著和重要（李崇銀等，1990，1991；邱明宇和陸維松，2006）。ENSO和LFO共同作用，能夠?qū)е露緲O端冷異常的發(fā)生（Hong and Li，2009），是影響冬季氣候的重要系統(tǒng)。東亞冬季風(fēng)的建立及其活動都同LFO有密切關(guān)系，如楊松和朱乾根（1990）發(fā)現(xiàn)強冷空氣的活動主要受準(zhǔn)40 d周期振蕩控制。朱乾根（1990）通過對1980—1981年冬季的850 hPa氣候資料的研究也指出，在冬季風(fēng)活動期強冷空氣的活動具有準(zhǔn)40 d周期的振蕩，并向南傳播至南海地區(qū)。齊冬梅等（2016）指出東亞冬季風(fēng)的低頻振蕩特征可以很好地指示同期西南地區(qū)較強的低溫過程。金祖輝和孫淑清（1996）的研究表明，東亞大陸冬季風(fēng)期間的地面氣溫、氣壓的低頻振蕩在冬季風(fēng)活動中具有重要作用，并伴有顯著的年際差異，且兩種低頻振蕩強弱有明顯的地區(qū)性。近來人們對中高緯度地區(qū)LFO及其與熱帶系統(tǒng)相互作用的研究逐漸增加，如李崇銀等（1990）和邱明宇等（2006）的研究表明中高緯度（尤其是高緯度）地區(qū)的LFO比熱帶地區(qū)活動強，且在冬半年更強。中高緯度與北半球中緯度之間的LFO相互作用在冬季耦合最強（Kim et al.，2006），表明冬季中高緯度低頻振蕩有很重要的研究意義。馬曉青等（2008）、朱毓穎和江靜（2013）在對中、低緯度的低頻波動研究中指出，它們可以獨立活動或傳播，也可以相耦合導(dǎo)致中國冬季持續(xù)低溫。冬季寒潮、東北冷渦等天氣過程和系統(tǒng)除本身具有低頻周期外，也與大氣環(huán)流的振蕩周期密切相關(guān)，如劉慧斌等（2012）等研究發(fā)現(xiàn)，東北冷渦活動具有顯著的10～30 d振蕩周期。強寒潮過程及中高緯環(huán)流系統(tǒng)則表現(xiàn)出強的10～20 d左右的季節(jié)內(nèi)振蕩（丁一匯等，1991；索渺清等，2008）。寒潮低頻振蕩可以為寒潮爆發(fā)提供有利的大尺度背景（馬曉青等，2008），并使寒潮加強（Joeng et al.，2005）；東北、華北地區(qū)極端低溫時間也都與LFO密切相關(guān)（劉櫻等，2016；苗青等，2016）。Gong and Ho（2004）認(rèn)為，西伯利亞高壓和北極濤動兩者共同作用將導(dǎo)致東亞地區(qū)冬季溫度的季節(jié)內(nèi)變化。Lin and Brunet（2009）指出LFO可通過熱帶絕熱加熱引起的Rossby波列環(huán)流異常而引起氣溫異常。且熱帶的季節(jié)內(nèi)振蕩與中緯度的低頻流動之間有明顯相互作用（Pan and Li，2008）。

中國冬季持續(xù)低溫事件受中高緯大氣低頻環(huán)流和熱帶大氣低頻對流活動共同影響（朱毓穎和江靜，2013）。就極端冬季氣溫個例，布和朝魯?shù)龋?008）研究發(fā)現(xiàn)2008年的持續(xù)異常低溫雨雪事件與LFO活動密切相關(guān)。王允等（2008）的研究也表明中國南方地區(qū)風(fēng)場表現(xiàn)出明顯的20～50 d的低頻振蕩現(xiàn)象，且東亞冬季環(huán)流季節(jié)內(nèi)低頻振蕩的位相變化能較好地揭示南方降雪過程的異常環(huán)流特征。

綜上，關(guān)于中國冬季寒潮或持續(xù)低溫的低頻變化及其原因已有不少研究，但多關(guān)注30～50 d的低頻變化，本文擬著重分析中國冬季地面氣溫10～30 d的低頻變化，以期為進(jìn)一步的延伸期預(yù)報提供有益的物理依據(jù)。

1資料和方法

11資料

1）從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站（http：//cdc.nmic.cn）中獲取的全國2 400多臺站（包括國家氣候觀象臺、國家氣象觀測一級站、二級站）冬季逐日氣溫資料。

2）由NCEP/NCAR提供的水平分辨率為25°×25°的全球逐日再分析資料，包括200、500和850 hPa位勢高度場、風(fēng)場、速度勢函數(shù)、海平面氣壓場等資料。

12方法

本文對低頻氣溫、低頻環(huán)流場的提取采取了非濾波方法（譚桂容和王一舒，2016）。10～30 d低頻分量10～30的提取即用30 d以下成分分量30減去10 d以下成分分量10。其中，10=xt-∑ti=t-9xi/10（t=10，11，12，…）為10 d成分分量；30=xt-∑ti=t-29xi/30（t=30，31，32，…）為30 d以下成分分量。

作為當(dāng)前氣象診斷分析中比較常用的方法之一經(jīng)驗正交函數(shù)展開（EOF）方法，常用來分析氣象要素場的時空變化特征。通過顯著性檢驗的前幾個特征向量能夠最大限度地表征出某一區(qū)域氣候變量場的變率時空分布可代表該變量典型的分布結(jié)構(gòu)。特征向量所對應(yīng)的時間系數(shù)代表了特征向量所表征的分布型隨時間的變化。時間系數(shù)的絕對值越大，表明這一分布型越典型（Craddock and Flood，1969）。

本文中對相關(guān)、合成分析、回歸分析的氣溫、位勢高度、風(fēng)場等采用t檢驗。

2地面氣溫的低頻特征

21中國12—2月氣溫空間分布特征

為了考察全國12—2月氣溫的空間分布特征，分別對逐日氣溫原始場及其10～30 d的濾波場進(jìn)行了EOF分析。第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別達(dá)462%和57%，其空間分布類似（圖1），表現(xiàn)為全國大部分地區(qū)呈現(xiàn)全區(qū)一致偏冷（暖）的空間分布型。因此本文著重對第一模態(tài)進(jìn)行分析。

2210～30 d低頻氣溫特征

圖2為1979—2011年12—2月氣溫的功率譜。由圖2a可見，冬季氣溫在10～20 d及20～40 d各有一個較強的低頻信號，且低頻信號通過了95%的顯著性檢驗。表明對于中國冬季氣溫來說，低頻氣溫是重要的組成部分。計算每1 a功率譜10～30 d譜值，選取10～30 d譜值最大的5 a作為低頻氣溫強振蕩年進(jìn)行進(jìn)一步的分析。5個典型年為：1980、1988、1994、1998和2005年。由典型年合成的功率譜圖（圖2b）可見，10～30 d低頻振蕩顯著，強振蕩年合成功率譜的低頻信號強度顯然強于多年平均值。以上分析表明，低頻信號在冬季氣溫變化中十分重要，且冬季氣溫強低頻振蕩年的變化以10～30 d的低頻變化占主要因素。

由1979—2011年10～30 d低頻氣溫功率譜值隨時間的變化（圖3）可見，10～30 d低頻信號貫穿大多數(shù)年份，只有少數(shù)年份冬季氣溫的10～30 d的低頻信號不明顯，與上文多年平均情況較吻合。同時可見，圖中大值中心與之前選取的強年相對應(yīng)，這說明前文選取的低頻強年是合理的。綜上可見，10～30 d低頻變化在中國冬季氣溫變化中占有重要的地位。

圖4為10～30 d低頻氣溫占冬季氣溫方差貢獻(xiàn)率的空間分布。無論是典型年還是多年平均，全國的低頻氣溫方差貢獻(xiàn)率占有相當(dāng)大的比例，都在20%以上。典型年的低頻氣溫方差貢獻(xiàn)率在25%以上，其中在西南、華南等地區(qū)甚至達(dá)到了35%以上。顯然，冬季10～30 d氣溫變化對全國冬季氣溫有很大的影響，典型年尤甚。

3影響低頻氣溫的大氣環(huán)流

31中高緯大氣環(huán)流

為了探究中高緯低頻大氣環(huán)流對低頻氣溫的影響，將冬季氣溫第一模態(tài)時間系數(shù)PC1進(jìn)行濾波得到其10～30 d低頻部分。根據(jù)10～30 d低頻PC1選取其值為正且值大于1個標(biāo)準(zhǔn)差的并且相互獨立的個例日為典型個例日，并對典型個例日進(jìn)行合成分析（圖5），樣本量為97，自由度為95。由圖5可知，中國低頻氣溫在30 d的振蕩期內(nèi)都以偏冷為主要特征，且先增強后減弱，在超前15 d左右達(dá)到最冷。

以典型年低頻PC1時間系數(shù)與低頻位勢高度場進(jìn)行時滯相關(guān)分析（圖6）?？梢?，500 hPa高度場與中國冬季低頻氣溫顯著相關(guān)，其中相關(guān)最顯著區(qū)域位于烏拉爾山地區(qū)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了03以上。結(jié)合10～30 d中國低頻氣溫的合成（圖5）可知，當(dāng)500 hPa高度場超前低頻氣溫30～20 d時，北大西洋到極地區(qū)域表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，中國冬季溫度轉(zhuǎn)為偏冷占主的狀態(tài)；之后烏拉爾山地區(qū)正相關(guān)逐漸增強，在超前20 d左右時烏拉爾山地區(qū)達(dá)最強正相關(guān)，對應(yīng)中國冬季氣溫負(fù)異常經(jīng)歷逐漸增強到最強的過程。最后到同期，北大西洋到極地地區(qū)轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)，烏拉爾山區(qū)域也逐漸被負(fù)相關(guān)取代，顯著正相關(guān)區(qū)減弱東移到貝加爾湖南側(cè)，對應(yīng)中國冬季氣溫負(fù)異常逐漸減弱。以上分析可見，歐亞中高緯與中國冬季氣溫異常變化顯著相關(guān)的環(huán)流異常地區(qū)在北大西洋到極地、烏拉爾山及貝加爾湖地區(qū)，這與以往研究指出的影響中國冬季氣溫異常的環(huán)流系統(tǒng)是NAO（North Atlantic Oscillation）、極渦、烏拉爾山高壓脊、貝加爾湖低壓槽等是一致的（譚桂容等，2010）。即當(dāng)極渦偏弱或NAO正異常，烏拉爾山地區(qū)高壓脊偏強時，有利于地面貝加爾湖附近的冷高壓加強，使中國冬季氣溫偏冷；反之亦然。綜上，在歐亞中高緯地區(qū)，烏拉爾山地區(qū)環(huán)流異常與中國冬季低頻氣溫的相關(guān)最強，是影響中國冬季低頻氣溫的重要環(huán)流因素。

由典型年10～30 d分量的氣溫PC1與低頻風(fēng)場的時滯回歸（圖略）可見，850 hPa風(fēng)場上，在北大西洋到歐亞中高緯度存在顯著相關(guān)區(qū)。風(fēng)場超前氣溫30～25 d時，烏拉爾山附近地區(qū)有反氣旋存在，貝加爾湖附近及其南側(cè)為異常的東風(fēng)異常，表明有異常的經(jīng)向環(huán)流發(fā)展；超前20 d時，烏拉爾山地區(qū)可見明顯的反氣旋異常，中國東部則出現(xiàn)異常的北風(fēng)，表明東亞冬季風(fēng)偏強。對照前文可知，500 hPa烏拉爾山高壓脊的加強有利于低層850 hPa反氣旋的發(fā)展和東亞冬季風(fēng)的增強，從而有利于中國冬季氣溫的偏低。

可見，烏拉爾山地區(qū)的環(huán)流異常確實與中國冬季地面氣溫有很密切的關(guān)系，下面將進(jìn)一步分析烏拉爾山環(huán)流異常與中國冬季低頻氣溫的關(guān)系。

32烏拉爾山環(huán)流與中國低頻氣溫的關(guān)系

為進(jìn)一步分析烏拉爾山環(huán)流與中國低頻氣溫的關(guān)系，根據(jù)低頻氣溫PC1與低頻500 hPa高度場相關(guān)系數(shù)分布（圖6）的超前20 d的顯著區(qū)域（55～85°E，50～70°N），計算區(qū)域內(nèi)在該時刻達(dá)到顯著的格點的逐日高度距平值作為指數(shù)，簡稱為IHIDX。

圖7a為1979—2011年IHIDX的功率譜，可見其存在一個較強的低頻振蕩，并且通過了005信度的顯著性檢驗。對上文選取的氣溫強振蕩典型年IHIDX功率譜進(jìn)行合成（圖7b），10～20 d的低頻振蕩十分顯著，較多年平均的低頻振蕩強度強得多。以上結(jié)果表明，低頻氣溫較強的年份中，IHIDX低頻變化也非常強，即低頻氣溫和烏拉爾山地區(qū)環(huán)流異常存在密切聯(lián)系。

對典型年10～30 d分量的低頻IHIDX與低頻氣溫PC1時間系數(shù)進(jìn)行時滯相關(guān)分析（圖8）。相關(guān)在15 d左右時達(dá)到最大，為021（通過95%置信度檢驗）。這與前面分析的烏拉爾山環(huán)流與中國低頻氣溫相關(guān)在環(huán)流超前15 d左右時達(dá)最強是一致的。將典型年10～30 d低頻IHIDX與冬季中國低頻氣溫進(jìn)行空間時滯相關(guān)分析（圖9），可見低頻IHIDX與低頻氣溫總體呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，即當(dāng)?shù)皖lIHIDX較強時，中國大部分地區(qū)氣溫呈現(xiàn)偏低狀況，亦即當(dāng)烏拉爾山高度場正異常時，中國冬季氣溫偏冷。低頻IHIDX超前30～15 d時，負(fù)相關(guān)逐漸增強；且在超前20～15 d左右時，全國大部分地區(qū)氣溫與IHIDX呈最強負(fù)相關(guān)；之后逐漸減弱?？梢姡琁HIDX可以反映出烏拉爾山環(huán)流與中國低頻氣溫的密切關(guān)系，與前文分析一致。

將典型年低頻IHIDX與500 hPa低頻環(huán)流場和850 hPa的低頻經(jīng)向風(fēng)場進(jìn)行時滯相關(guān)分析（圖10）。結(jié)果顯示，低頻IHIDX與低頻500 hPa高度場顯著相關(guān)（圖10a）。在歐亞中高緯，500 hPa高度場相關(guān)顯著區(qū)位于烏拉爾山地區(qū)；東亞850 hPa經(jīng)向風(fēng)場相關(guān)顯著區(qū)位于西伯利亞地區(qū)及我國東部地區(qū)（圖10b）。低頻IHIDX超前30～15 d時，500 hPa高度場上烏拉爾山地區(qū)為正相關(guān)加強，之后正相關(guān)逐漸減弱。同時在850 hPa上，IHIDX與經(jīng)向風(fēng)的相關(guān)在西伯利亞地區(qū)及我國東部地區(qū)較顯著，并在超前20～15 d時我國東部的顯著負(fù)相關(guān)最強。對應(yīng)圖10可知，中國冬季低頻氣溫此時也最冷，這進(jìn)一步證實烏拉爾山高度異常加強有利于東亞冬季風(fēng)加強，從而有利于中國冬季氣溫偏冷。典型年低頻IHIDX與海平面低頻氣壓場同樣存在顯著的相關(guān)（圖略），即當(dāng)?shù)皖l烏拉爾山高度正異常時，對應(yīng)西伯利亞高壓的加強。上述分析表明，烏拉爾山地區(qū)的環(huán)流是影響低頻氣溫的關(guān)鍵因子。

4結(jié)論與討論

本文采用非濾波方法，分析了全國12月—次年2月低頻氣溫的特征，并討論了中高緯環(huán)流，特別是烏拉爾山地區(qū)環(huán)流對中國冬季10～30 d低頻氣溫的影響，主要結(jié)論如下：

1）全國12月—次年2月氣溫第一模態(tài)呈現(xiàn)全國大部分地區(qū)一致偏冷（暖）的空間分布型；計算每1 a功率譜10～30 d譜值，選取10～30 d譜值最大的5 a作為低頻氣溫強振蕩年，典型年為：1980、1988、1994、1998和2005年。計算低頻氣溫方差貢獻(xiàn)率，典型年低頻氣溫方差貢獻(xiàn)率較大的區(qū)域位于西南、華南地區(qū)，典型年低頻氣溫方差貢獻(xiàn)率在這些地區(qū)可達(dá)30%以上。

2）歐亞中高緯與中國冬季氣溫異常變化顯著相關(guān)的環(huán)流異常在北大西洋到極地、烏拉爾山及貝加爾湖地區(qū)。當(dāng)極渦偏弱或北大西洋NAO正異常，烏拉爾山地區(qū)高壓脊偏強時，有利于地面貝加爾湖附近的冷高壓加強，使中國冬季氣溫偏冷；反之亦然。烏拉爾山地區(qū)環(huán)流是影響中國冬季低頻氣溫的重要環(huán)流因素。

3）進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，烏拉爾山地區(qū)環(huán)流與中國冬季氣溫一樣存在10～30 d的低頻振蕩。當(dāng)烏拉爾山環(huán)流異常超前15 d左右時，其與中國冬季低頻氣溫的關(guān)系最好。即低頻烏拉爾山高度場正異?？蓪?dǎo)致烏拉爾山高壓脊、西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)加強，從而導(dǎo)致中國冬季氣溫偏低。烏拉爾山環(huán)流是影響中國低頻氣溫的關(guān)鍵因素之一。

以往的研究表明，中國冬季氣溫既受到中高緯大氣環(huán)流的影響，也與赤道低緯度系統(tǒng)的作用有關(guān)，還可能受到平流層異常的影響。本文在分析中國冬季氣溫異常的基礎(chǔ)上，只著重分析了中高緯大氣環(huán)流，尤其是烏拉爾山環(huán)流對中國冬季低頻氣溫的影響。關(guān)于熱帶及平流層的影響，將在以后的研究中進(jìn)行探討。

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