東亞冬季風(fēng)與青藏高原北支脊的關(guān)系研究

張 蔚，侯姝伊

（樂亭縣氣象局，河北樂亭 063600）

0 引言

東亞地區(qū)位處亞洲區(qū)域東部，是世界上季風(fēng)氣候最典型的地區(qū)。東亞地區(qū)地形非常復(fù)雜，有較大的地形起伏，青藏高原正是位于這一地區(qū)。

西風(fēng)急流是對(duì)流層上層的系統(tǒng)，是溝通極地、北大西洋地區(qū)和東亞季風(fēng)區(qū)之間的橋梁，是影響東亞天氣氣候的重要環(huán)流系統(tǒng)，也是北半球大氣環(huán)流系統(tǒng)的重要組成部分[1]。青藏高原地處亞洲大陸的中南部，高原龐大地形的動(dòng)力、熱力作用，對(duì)位處高原周邊地區(qū)甚至對(duì)全球的大氣環(huán)流和氣候演變都有著極其重要的影響。早在20世紀(jì)40到50年代，就已經(jīng)有大量氣象研究人員展開了對(duì)青藏高原作用的研究，而早期的研究大部分為對(duì)高原的機(jī)械作用的研究。青藏高原是世界海拔最高的高原，由于青藏高原強(qiáng)大的動(dòng)力強(qiáng)迫作用，使西風(fēng)急流發(fā)生分支并且形成繞流現(xiàn)象，在高原南北兩側(cè)形成兩個(gè)完全不同的環(huán)流，具體表現(xiàn)為“北脊南槽”的形勢(shì)。東亞季風(fēng)屬于亞洲季風(fēng)的范疇，季風(fēng)的位置及隨時(shí)間的變化對(duì)鄰近地區(qū)甚至更大范圍的天氣和氣候都有著重要影響，是全球范圍內(nèi)非常關(guān)鍵的大尺度環(huán)流系統(tǒng)[2]。東亞冬季風(fēng)的活動(dòng)對(duì)世界范圍內(nèi)的大氣環(huán)流的發(fā)展演變都有重要的影響[3]。我國已有很多氣象科研人員對(duì)于東亞冬季風(fēng)進(jìn)行了各種研究。早在20世紀(jì)50年代，陶詩言[4-5]將東亞冬季風(fēng)與寒潮相結(jié)合并展開研究。而到20世紀(jì)90年代，科研人員們對(duì)東亞冬季風(fēng)已經(jīng)有了更為全面的認(rèn)識(shí)。青藏高原北支脊對(duì)東亞冬季風(fēng)與東亞地區(qū)環(huán)流演變的研究有著重要的影響，因此研究東亞冬季風(fēng)與青藏高原北支脊的關(guān)系對(duì)更系統(tǒng)全面地認(rèn)知東亞冬季風(fēng)形成、演變機(jī)理以及提高中國天氣氣候的預(yù)測水平有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料來源

本文采用的資料包括：歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium Range Weather Forecasts，ECMWF）的ERA-Interim再分析資料，水平分辨率為1°（緯度）×1°（經(jīng)度），時(shí)間范圍為1979年1月至2018年2月的月平均高度場、海平面氣壓場的資料；中國國家氣候中心提供的中國160個(gè)測站逐月總降水量和平均氣溫資料，時(shí)間范圍為1979年1月至2018年2月。

2 冬季青藏高原北支脊和東亞冬季風(fēng)的變化特征及二者的關(guān)系

2.1 冬季青藏高原北支脊的變化特征

圖1顯示了1979—2017年時(shí)間序列。由圖1可見，近39年來，WNBR強(qiáng)度存在明顯的年際變化特征，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)到2013年為止WNBR強(qiáng)度總體呈現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)，而2014年WNBR強(qiáng)度出現(xiàn)激增，達(dá)到近39年來最大值，并進(jìn)入偏強(qiáng)期。若保留后4年，綜合統(tǒng)計(jì)39年，總體呈現(xiàn)較不明顯的增強(qiáng)趨勢(shì)。本文以±0.95為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)WNBR強(qiáng)度強(qiáng)、弱年進(jìn)行劃分，即若標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)大于0.95為WNBR強(qiáng)年，若標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)小于-0.95為WNBR弱年。依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，則在1979年至2017年總數(shù)為39年之間，WNBR強(qiáng)年有1980、1982、1994、1998、2001、2003、2015和2017年共8年，其中以2015年最為顯著，1998年和2017年次之；弱WNBR年有1984、1988、1989、1993、1996、2000、2004、2007、2009和2013年共10年，其中以2013年最為顯著，2009年次之。

2.2 東亞冬季風(fēng)的變化特征

圖2顯示了EAWMI隨時(shí)間的變化，圖中可以看出EAWM年際變化顯著。利用回歸分析可見，近39年來，EAWM呈現(xiàn)較弱的上升趨勢(shì)。本文以±0.95為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)EAWM強(qiáng)、弱年進(jìn)行劃分，即若標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)大于0.95為強(qiáng)EAWM年，若標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)小于-0.95為弱EAWM年。依據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，則在1979年至2017年總數(shù)為39年之間，強(qiáng)EAWM年有1987、1994、1995、1999、2005、2007、2011、2015和2017年共9年，其中以2015年最為顯著，1995年和2007年次之；弱EAWM年有1984、1989、1991、1996和2000年共5年，其中以1984年最為顯著，2000年次之。

圖2 1979—2017年EAWMI時(shí)間序列

2.3 冬季青藏高原北支脊與東亞冬季風(fēng)的關(guān)系

本文使用和EAWMI，首先運(yùn)用皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算了1979—2017年的相關(guān)性：和EAWMI的相關(guān)系數(shù)為0.526，通過了0.005的顯著性檢驗(yàn)，這表明WNBR和EAWM這兩個(gè)系統(tǒng)有著密不可分的關(guān)系。

為了更加深入地了解WNBR和EAWM在時(shí)間上的變化規(guī)律，本文使用了Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)上述二者分別作了突變檢驗(yàn)分析。經(jīng)過檢驗(yàn)后得到圖3，圖3a為的M-K檢驗(yàn)結(jié)果圖，圖3b為EAWMI的M-K檢驗(yàn)結(jié)果圖。藍(lán)色實(shí)線表征統(tǒng)計(jì)量，紅色實(shí)線表征統(tǒng)計(jì)量，對(duì)于顯著性水平=0.05，則其對(duì)應(yīng)的臨界值。

由圖3（a）表明WNBR強(qiáng)度在1993年下降最為明顯，且統(tǒng)計(jì)量和統(tǒng)計(jì)量曲線存在兩個(gè)交點(diǎn)，第一個(gè)交點(diǎn)，即WNBR強(qiáng)度第一次突變發(fā)生在1982年附近，第二個(gè)交點(diǎn)則在2015年附近。

由圖3（b）在2008年前后，達(dá)到最大值并突破臨界線1.96，可見2008年EAWM強(qiáng)度上升趨勢(shì)明顯，和曲線在本文研究時(shí)間范圍內(nèi)存在四個(gè)交點(diǎn)，第一個(gè)交點(diǎn)，即EAWM第一次突變發(fā)生在2005年附近，其余三個(gè)交點(diǎn)處在2010—2014年之間，但由于和兩條曲線產(chǎn)生交點(diǎn)后沒有繼續(xù)發(fā)展上升或下降而是回到了此前的波動(dòng)位置，故判斷2010年之后的交點(diǎn)可能不是真的突變，此后EAWM的發(fā)展趨勢(shì)暫時(shí)無法確定。

圖3 對(duì)1979—2017年（a）和EAWMI（b）的Mann-Kendall檢驗(yàn)

表1顯示了1979—2017年期間WNBR強(qiáng)（弱）年份與EAWM強(qiáng)（弱）年份的對(duì)照分析。由表1可見，1994、2015和2017年共三年WNBR和EAWM同強(qiáng)，而1984、1989、1996、2000和2009年共五年二者同弱。2007年為WNBR弱年、EAWM強(qiáng)年的異常情況，根據(jù)上文Mann-Kendall檢驗(yàn)中得到2005年附近可能為突變時(shí)期，因此可見此異常年份應(yīng)處于突變時(shí)期。結(jié)合相關(guān)系數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，WNBR強(qiáng)度和EAWM呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，因此對(duì)中國冬季氣溫與降水和大氣環(huán)流形勢(shì)分析主要是對(duì)典型的1994、2015和2017年三個(gè)同強(qiáng)年，1984、1989、1996、2000和2009年五個(gè)同弱年進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 1979—2017年期間WNBR強(qiáng)（弱）年與EAWM強(qiáng)（弱）年對(duì)照

3 冬季青藏高原北支脊與東亞冬季風(fēng)異常和中國氣候的關(guān)系

圖4（a）是同強(qiáng)年與同弱年中國冬季降水的t檢驗(yàn)，可見在內(nèi)蒙古與黑龍江北部、河北及遼寧等地負(fù)異常顯著，而甘肅西北部、西藏北部、新疆東南部、四川西部及云南大部分地區(qū)正異常顯著，即上述地區(qū)冬季降水在同強(qiáng)年與同弱年有顯著差別，其中在云南南部同強(qiáng)年與同弱年中國冬季降水差異在全國范圍內(nèi)最為顯著。但華中地區(qū)、海南、內(nèi)蒙古中部、青海大部分地區(qū)以及新疆西北部二者差異并不顯著。

圖4（b）表征同強(qiáng)年與同弱年中國冬季氣溫的t檢驗(yàn)，可見在中國大部分地區(qū)，同強(qiáng)年與同弱年中國冬季氣溫差異并不顯著，僅青海東部的負(fù)異常區(qū)，松嫩平原以西、河南北部、山東北部等地的正異常更加顯著。

圖4 同強(qiáng)年與同弱年中國冬季降水（a）和氣溫（b）的t檢驗(yàn)

4 結(jié)論

本文基于1979—2018年ECMWF的ERA-Interim再分析資料和中國國家氣候中心提供的中國160個(gè)測站逐月總降水量和平均氣溫資料，運(yùn)用相關(guān)分析、回歸分析等方法，研究了EAWM和WNBR的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1）由WNBR強(qiáng)度的年際變化可見，近39年來，WNBR強(qiáng)度存在明顯的年際變化特征，到2013年為止總體呈現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)，而2014年WNBR強(qiáng)度出現(xiàn)激增，達(dá)到近39年來最大值，并進(jìn)入偏強(qiáng)期。由EAWMI的時(shí)間序列，可以看出EAWM年際變化顯著，由回歸分析發(fā)現(xiàn)其39年來總體呈現(xiàn)弱的上升趨勢(shì)。

2）由WNBR和EAWM的相關(guān)分析結(jié)果表明，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.526，相關(guān)性顯著，表明WNBR和EAWM有著密不可分的關(guān)系。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)1994、2015、2017年共3年同時(shí)為WNBR強(qiáng)年和EAWM強(qiáng)年；1984、1989、1996、2000和2009年共5年同時(shí)為WNBR弱年和EAWM弱年；而2007年則同時(shí)為WNBR弱年和EAWM強(qiáng)年，為異常年，結(jié)合M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此異常年份應(yīng)處于突變時(shí)期。

3）在中國大部分地區(qū)，同強(qiáng)年與同弱年中國冬季降水的差異較為顯著，而華中地區(qū)、海南、內(nèi)蒙古中部、青海大部分地區(qū)以及新疆西北部二者差異并不顯著；同強(qiáng)年與同弱年中國冬季氣溫在青海東部、松嫩平原以西、河南北部、山東北部等地差異顯著。