2020/2021年冬季黑龍江省氣溫異常成因分析

劉玉嬌 ，于 璐 ，馮 娟 ，班 晉 ，趙佳瑩

（1.牡丹江市氣象局，黑龍江 牡丹江 157000；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；3.綏芬河市氣象局，黑龍江 牡丹江 157300）

1 引言

在全球氣候變暖的大背景下， 中國(guó)氣溫增溫速率與全球基本保持一致， 但不同區(qū)域?qū)夂蜃兣捻憫?yīng)并不一致，具有明顯的區(qū)域和季節(jié)差異[1-3]。 東北地區(qū)冬季是中國(guó)變暖最明顯的區(qū)域之一， 但劉實(shí)等研究發(fā)現(xiàn)，從90s年代起，東北冬季異常冷、暖事件明顯增多， 冬季氣溫異常變化對(duì)生態(tài)環(huán)境及人們的日常生活造成嚴(yán)重影響[4-6]。

黑龍江省地處中高緯亞洲東岸， 是我國(guó)距離北極最近的省份，氣候具有多變性，各項(xiàng)環(huán)流因子的影響亦具有不確定性。 特別是近十年來(lái)，異常冷暖氣候事件發(fā)生頻率增高， 且區(qū)域特征表現(xiàn)明顯， 例如2009/2010、2013/2014和 2017/2018年冬季， 在全國(guó)大部地區(qū)是暖冬的時(shí)候， 黑龍江省則發(fā)生冷冬[7-9]；2018/2019年全國(guó)大部地區(qū)氣溫明顯偏低，而黑龍江省氣溫卻異常偏暖[10]。

2020/2021年冬季全國(guó)氣溫表現(xiàn)為暖冬，而黑龍江省大部地區(qū)氣溫較常年同期偏低。 本文對(duì)造成2020/2021年冬季黑龍江省氣溫異常的成因進(jìn)行分析， 找出相關(guān)影響因子， 以期為未來(lái)的冬季氣溫預(yù)測(cè)，提供一定的參考。

2 資料和方法

本文選用1961/1962-2020/2021年冬季黑龍江省連續(xù)性較好的71個(gè)氣象觀測(cè)站逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由黑龍江省氣候中心提供。 500 hPa 大氣環(huán)流場(chǎng)來(lái)自國(guó)家氣候中心的 “氣候與氣候變化監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”， 各項(xiàng)環(huán)流特征量來(lái)自國(guó)家氣候中心提供的130項(xiàng)環(huán)流指數(shù)數(shù)據(jù)集，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。 東亞冬季風(fēng)指數(shù)采用朱艷峰（2008）定義。

文中使用的氣候均值為1981-2010年。 文中提到的前冬為當(dāng)年12月，后冬為翌年1-2月。 利用統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)系數(shù)法和顯著性檢驗(yàn)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 2020/2021年冬季氣候特征分析

2020/2021年冬季黑龍江省表現(xiàn)為 “前冬暖、后冬冷”的氣候特征。 全省平均氣溫為-17.5 ℃，較常年同期（-17.1 ℃）低 0.4 ℃。從空間分布看（圖略），呈現(xiàn)“南北低、中間高”的分布特征，其中新林、呼瑪、木蘭偏低2 ℃以上。 季節(jié)內(nèi)大氣環(huán)流調(diào)整明顯，冷空氣活動(dòng)頻繁，出現(xiàn)明顯低溫時(shí)段（圖1），如2020年12月27日-2021年1月9日平均氣溫為-23.3 ℃，比歷史同期低 3.8 ℃；1月16-19日平均氣溫為-23.4 ℃，比歷史同期低 3.2 ℃；1月28-30日平均氣溫為-24.7℃，比歷史同期低 6.3 ℃。

圖1 2020/2021年冬季黑龍江省逐日氣溫距平和日平均氣溫變化圖

3.2 2020/2021年冬季氣溫變化主要成因分析

3.2.1 500 hPa 大氣環(huán)流形勢(shì)

2020/2021年冬季， 北半球極渦為偶極型分布（圖2a）， 兩個(gè)中心分別位于加拿大北部和鄂霍次克海附近，其中鄂霍次克海附近的極渦處于負(fù)距平，強(qiáng)度偏強(qiáng)。 歐亞中高緯大氣環(huán)流形勢(shì)為“兩槽一脊”型，亞洲中高緯地區(qū)和歐洲西部受高空槽控制， 烏拉爾山至歐洲東部為高壓脊控制。 東亞大槽位置偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)。 中高緯環(huán)流經(jīng)向度大， 利于引導(dǎo)冷空氣南下。季節(jié)內(nèi)大氣環(huán)流形勢(shì)調(diào)整較明顯（圖略）。12月初歐亞中高緯為“兩槽兩脊”形勢(shì)，烏拉爾山高壓脊向北延伸發(fā)展，形成阻塞高壓，黑龍江省轉(zhuǎn)為正高度距平， 旬內(nèi)氣溫偏高。 隨后環(huán)流形勢(shì)調(diào)整為 “兩槽一脊”，東亞大槽強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏西，黑龍江省上空轉(zhuǎn)為負(fù)高度距平，亞洲中高緯呈“西高東低”分布特征，中高緯環(huán)流經(jīng)向度較大，冷空氣南下頻繁。 2月極渦和東亞大槽強(qiáng)度減弱，環(huán)流經(jīng)向度減弱，影響黑龍江省地區(qū)的冷空氣亦減弱。

圖2 (a)2020/2021年北半球冬季500 hPa 平均高度場(chǎng)及(b)相似年高度合成場(chǎng)

為了更好地了解黑龍江省表現(xiàn)為區(qū)域性冷冬時(shí)大氣環(huán)流形勢(shì)特征，選取2000年以來(lái)，全國(guó)冬季表現(xiàn)為暖冬，而黑龍江省氣溫卻偏低的年份，共計(jì)5 a，并對(duì)500 hPa 高度場(chǎng)進(jìn)行合成。 由圖2 b 可以看出，在黑龍江省表現(xiàn)為區(qū)域性冷冬時(shí)， 歐亞中高緯地區(qū)表現(xiàn)為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)，亞洲中高緯為負(fù)高度距平， 北極地區(qū)為正高度距平， 東亞大槽位置偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)。 在我國(guó)區(qū)域內(nèi)則表現(xiàn)為“北負(fù)南正”的分布特征。 2020/2021年冬季與合成年環(huán)流形勢(shì)相似，可見(jiàn)，黑龍江省冬季氣溫變化與大尺度環(huán)流背景有關(guān)。

3.2.2 北極濤動(dòng)（AO）

AO 是北半球中高緯度大氣環(huán)流變化的主要模態(tài)。 有研究表明，AO 與東北冬季氣溫年際異常存在較明顯的相關(guān)關(guān)系， 但兩者的關(guān)系又不是一成不變的[11-13]。 當(dāng)AO 為負(fù)位相時(shí)，北極冷空氣易南下，東北地區(qū)溫度偏低[14]。

通過(guò)對(duì)AO 指數(shù)與黑龍江省冬季氣溫進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)AO 指數(shù)與冬季氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù) 0.425，通過(guò) 0.001 置信度檢驗(yàn)。 季節(jié)內(nèi)，AO 對(duì)各月氣溫均有一定的影響，但對(duì)后冬的影響較明顯，相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.433。 2020/2021年冬季 AO 總體偏弱 （圖3），季節(jié)內(nèi)前冬和后冬也均表現(xiàn)為負(fù)位相，但氣溫表現(xiàn)卻不一致，可見(jiàn)AO 對(duì)黑龍江省氣溫的影響總體表現(xiàn)較一致，但季節(jié)內(nèi)氣溫變化還受其它因子影響。

圖3 1961/1962-2020/2021年冬季AO 標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)時(shí)間序列圖

3.2.3 北半球極渦面積

極渦體現(xiàn)了中高緯大氣環(huán)流的形勢(shì)， 在很大程度上反映了冷空氣活動(dòng)情況，當(dāng)極渦面積偏大時(shí)，極地冷空氣活動(dòng)頻繁， 中國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫易偏低[15]。于梅針對(duì)黑龍江省氣溫與北半球極渦做了相關(guān)研究， 表明黑龍江省的溫度變化隨極渦面積擴(kuò)大而降低，隨極渦面積縮小而升高[16]。

分別對(duì)1961/1962-2020/2021年黑龍江省冬季、前冬和后冬氣溫與北半球極渦面積指數(shù)做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)， 極渦面積指數(shù)與冬季及后冬氣溫的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為-0.476、-0.524，均通過(guò) 0.001 的顯著性檢驗(yàn)，而與前冬的相關(guān)性則不明顯，相關(guān)系數(shù)只有-0.163，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

2020/2021年黑龍江省后冬極渦面積較常年偏大（圖4），黑龍江省氣溫偏低，可見(jiàn)北半球極渦面積變化是影響黑龍江省冬季氣溫因子之一。

圖4 1961/1962-2020/2021年冬季1-2月北半球極渦面積標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)與氣溫距平時(shí)間序列圖

3.2.4 東亞冬季風(fēng)（EAWM）活動(dòng)特征

東亞冬季風(fēng)是影響我國(guó)冬季氣候的重要因子，房一禾[17]認(rèn)為年際尺度上EAWM 適合描述東北中、北部冬季氣溫， 西伯利亞高壓適合描述東北南部冬季氣溫變化。

劉實(shí)等人研究表明，EAWM 與東北地區(qū)冬季氣溫在年際和年代際尺度上均有十分顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，年際尺度更為顯著（相關(guān)系數(shù)-0.663）[6]。 對(duì) 1961/1962-2020/2021年黑龍江省冬季氣溫與EAWM 強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析得：兩者呈反相關(guān)變化，相關(guān)系數(shù)為-0.366（α=0.01），即在東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)，黑龍江省氣溫易偏低。 2020/2021年冬季，EAWM 強(qiáng)度雖總體偏弱，但季節(jié)內(nèi)強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換階段性特征較明顯。 12月6 候-1月2 候EAWM 強(qiáng)度異常偏強(qiáng)，黑龍江省平均氣溫較常年低3.5 ℃，為1961年以來(lái)歷史第7 位；2月2 候-4 候EAWM 強(qiáng)度明顯偏弱，黑龍江省平均氣溫較常年高1.9 ℃，為1961年以來(lái)歷史第9 位?？梢?jiàn)季節(jié)內(nèi)EAWM 強(qiáng)度階段性演變，是影響黑龍江省冬季氣溫階段性變化的因子之一(圖5)。

圖5 2020/2021年冬季EAWM 逐候指數(shù)距平時(shí)間序列

3.2.5 赤道中東太平洋海溫

根據(jù)世界氣象組織對(duì)赤道中東太平洋海溫監(jiān)測(cè)表明：2020年8月形成的拉尼娜事件已于2021年3月結(jié)束。

分析1981年以來(lái)秋冬季赤道中東太平洋海溫異常與黑龍江省冬季平均氣溫的關(guān)系（圖6），結(jié)果表明：當(dāng)海溫表現(xiàn)為厄爾尼諾暖事件時(shí)，冬季氣溫增暖0-1.0 ℃，后冬增暖 0-1.4 ℃；當(dāng)海溫表現(xiàn)為拉尼娜冷事件時(shí)，冬季氣溫偏冷 0-1.4 ℃，后冬偏冷 0-1.7 ℃。從空間分布來(lái)看，無(wú)論是厄爾尼諾或拉尼娜年，氣溫均自東北至西南方向逐漸增溫或降溫。

圖6 秋冬季海溫異常年冬季平均氣溫合成（厄爾尼諾事件：(a)冬季 12-2月，(b)后冬 1-2月；拉尼娜事件：(c)冬季 12-2月，(d)后冬 1-2月）

另外，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：季節(jié)內(nèi)海溫異常年前冬暖或者冷的概率相等， 而后冬在厄爾尼諾年氣溫偏高的概率為67%， 拉尼娜年氣溫偏低的概率為60%。 2020/2021年黑龍江省冬季平均氣溫較常年低0.4 ℃，后冬較常年偏低1 ℃。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)歐亞中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”環(huán)流形勢(shì)，北極地區(qū)表現(xiàn)為正高度距平，東亞大槽位置偏西、偏強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流明顯，而我國(guó)區(qū)域內(nèi)500 hPa 高度場(chǎng)為“北低南高”的分布特征，此時(shí)黑龍江省亦出現(xiàn)區(qū)域性冷冬。

（2）AO 指數(shù)、北半球極渦面積及東亞冬季風(fēng)均與黑龍江省冬季氣溫變化有較好的相關(guān)關(guān)系。 當(dāng)AO呈負(fù)位相、極渦面積偏大、東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)有利于冷空氣南下，導(dǎo)致黑龍江省冬季氣溫偏低。

（3）秋冬季赤道中東太平洋海溫變化對(duì)黑龍江省冬季氣溫有一定影響， 特別是對(duì)后冬氣溫影響較明顯。 從空間分布圖上看，海溫異常年氣溫變化具有明顯的區(qū)域特征。