2009年冬季黑龙江省气温异常诊断分析

李永生，于 梅，张 健

（黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨150030）

2009年冬季黑龙江省气温异常诊断分析

李永生，于 梅，张 健

（黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨150030）

利用常规观测的温度资料、国家气候中心提供的环流特征量、NCEP/NCAR再分析资料和美国气候预测中心（CPC）提供的AO指数等，分析了2009年11月到2010年2月的北半球大尺度环流及物理量特征。探讨了2009年冬季黑龙江区域温度异常偏低的可能成因。分析表明，北半球极涡向南扩展，欧亚大陆上空经向环流占优势，北方冷空气活动偏强，西伯利亚高压异常强大，AO负异常偏强是造成黑龙江地区2009年冬季温度偏低的主要原因。

AO；西伯利亚高压；中高纬度环流异常；冷冬；短期气候预测

1 引言

黑龙江省冬季漫长，长达半年，气候寒冷干燥，冬季气温的冷暖变化对人们的生产、生活有着不同程度的影响。经研究表明，中国现代增暖最明显的地区包括东北、华北、西北和青藏高原北部，而最显著的季节是在冬季和春季，特别是在20世纪八十年代以后，气温呈不断上升趋势，气候变暖会使天气和气候极端事件的出现频率发生变化[1]。王邵武研究[2]20世纪八十年代以来，北半球中高纬度的大陆地区冬季和春季有强烈的增暖趋势。陈隆勋等[3]气温变化和全球气温变化做过比较分析，发现我国北方地区，主要是东北、西北和华北地区气温变化与全球气温变化较为一致，趋于升高，气候变暖。任国玉的最近研究[4]我国的极端温度事件也出现显著变化，自20世纪50年代开始，我国大范围的寒潮活动逐渐减弱，特别是在80年代和90年代初，寒潮影响尤其减弱，大部分地区的低温日数也趋于减少。黑龙江省在20世纪以后的连续暖冬给大家留下的深刻的印象，而2009年冬季，中国暖冬指数为63.7%，为弱暖冬，黑龙江地区则发生冷冬，区域冷冬指数为93.5%，区域异常气候变化的规律，根源何在？本文试图用前期的气候资料和环流背景对造成2009年黑龙江地区气候异常的物理因子加以分析，更好地认识黑龙江省冬季气温异常的规律和机制，以期对黑龙江冬季气温趋势预测提供有益的物理基础。

2 资料和方法

资料采用的是黑龙江省气候中心整理的月平均气温数据，选取15个序列长度在50年以上的站点作为代表站。以当年11月到次年2月为冬季，计算各站1954-2009年冬季气温及其距平。气候平均值统一取1971-2000年30年平均。国家气候中心提供的74项特征环流指数。美国NCEP/NCAR的再分析资料中的1954年11月-2010年2月的月平均高度场、风场资料以及海平面气压场资料，美国气候预测中心（CPC）提供的AO指数。

依据中华人民共和国国家标准《暖冬等级》给出的单站、区域和全国暖冬的定义及其等级划分的方法，做出了黑龙江省冷冬的划分。

一般认为冬季平均气温服从正态分布，世界气象组织把距平达到两倍标准差(2σ)的事件称为异常。本文取大约10 a一遇为标准，发生概率为10%，其阈值界定为-1.29 σ。将其概率密度平均划分为3等份(即三分位)，发生概率均为33.3%，相应得到偏冷、偏暖的气候边界阈值分别为-0.43 σ和0.43 σ，将偏冷阈值(-0.43 σ)定义为单站冷冬阈值。当某站冬季平均气温距平(△T)小于等于其标准差的-0.43倍，即为冷冬；强冷冬属于冷冬事件中的极端(异常)气候事件，据此，单站偏冷冬界定标准为-1.29 σ≤△T<-0.43 σ，强冷冬标准为△T≤-1.29 σ，定义冬季平均气温距平与冷冬阈值之差为单站冷冬指数(Icwi，单位：℃)，它以温度值来反映站点的冷冬强度。定义区域内冷冬站数占站点总数的百分比为区域冷冬指数。

3 2009年黑龙江省冬季基本气候概况

2009年冬季黑龙江省全省平均气温明显偏低，出现了五次全省范围的寒潮天气过程，冷空气活动更是多达20次，低温成了2009年冬季的主旋律。

图1 2009年冬季黑龙江省气温距平分布图（℃）

根据此标准，黑龙江省2009年冬季有72个气象站达到冷冬标准，23个气象站达到强冷冬标准，区域冷冬指数为93.5%。

需要提出的是，“冷冬”只是气候学上的一个气候概念，虽然季内各月均伴有低温、雨雪等强冷空气活动，但季内冷暖变幅较大，特别是1月下旬出现一段异常高温时段，给人们一种“冰火两重天”的感觉 ，对人们的日常生产、生活带来很大的影响。

4 2009年冬季500 hPa环流实况

天气气候异常的直接影响因素是大气环流异常。分析2009-2010年冬季的北半球500 hPa环流分布，冬季4个月平均高度距平显示60N以北为正距平，30N-60N之间为负距平。这种分布表明中高纬度环流平均高压系统为异常偏弱，平均低压系统为异常偏强，其处在异常偏强的低压系统中，气温为异常偏低。黑龙江省处在负距平区内低压系统中，冬季气温实况为偏低。

逐月高度场分析：

11月，500 hPa月平均位势高度场上，中高纬度环流呈3波环流型。极涡中心位于西半球，东半球为一槽一脊，脊位于乌拉尔山附近，槽位于120E中西伯利亚附近。西半球的两个低槽在距平场是为两个强的负距平中心，东半球的低槽在距平场是也是负距平，相对于西半球负距平中心弱；乌拉尔山地区的脊在距平场为北半球最强的正距平中心。黑龙江省处在东半球槽区负距平里，在低压系统偏强的环流场控制下，月内多冷空气侵入，气温偏低。

12月，500 hPa月平均位势高度场中高纬度呈4波环流型，极涡中心主体在东半球西伯利亚区域。距平场呈现典型的北极涛动负位相特征，中纬度为负距平区，高纬和极区为正高度距平覆盖。异常强的负距平中心位于北大西洋北部至西欧和北太平洋北部，中心低于-120位势米；格陵兰上空的异常正距平中心超过200位势米。黑龙江省处在东亚大槽槽区负距平区，月内冷空气活动频繁，气温偏低。

1月，500 hPa月平均位势高度场上，中高纬度环流呈4波环流型。极涡中心在极区，135E和60W分别为两个相对偏强的大槽。距平场正距平中心在北美东北部和格陵兰岛、新地岛上空；负距平中心在北太平洋东北部。黑龙江省处在东亚大槽后部偏弱的正距平区域里，冷空气入侵少，气温偏高。

2月，500 hPa月平均位势高度场上，中高纬度环流呈4波型分布，两个主要的低值中心分别位于库页岛和纽芬兰岛附近。高度距平场上，60 N以北的高纬度地区为正距平，正距平中心位于巴芬岛附近，中心值为280位势米。40 N-60 N的中高纬地区除乌拉尔山一带为正距平外，其余地区均为负距平，三个显著的负距平中心分别位于北大西洋中东部、北太平洋中东部、新西伯利亚附近。黑龙江省处在东亚大槽后部的西北气流中，为高度场负距平区域，气温偏低。

5 影响黑龙江省冬季气温变化的主要因子

研究表明，亚洲大陆是冬季气温变化最为显著的地区之一，对其变化的原因和机制也有许多分析，天气气候异常与大气环流异常密切相关，AO和西伯利亚高压对我国冬季气候的影响是非常明显的[5-10]。

6 2009年冬季环流异常分析

6.1 AO

Tomposon等[11]在1998年首次引入北极涛动（AO）的概念，AO是一种行星尺度的大气环流异常型，其特征表现为冬季海平面气压场上北极地区与其周围环状地区之间气压的跷跷板式分布。AO是半球尺度的气候系统，冬季活动范围大，对寒潮活动的影响显著，受到国内外气象学家越来越多的关注。Tomposon等[11]以月平均海平面气压的EOF第一模态的主成分作为AO指数。朱艳峰等[12]在分析中国冬季气温变化的空间模态及其与大尺度环流异常的联系时指出，AO指数与中国冬季气温相关最显著的区域主要在东北和西北地区，当AO为正位相时，这些区域气温偏高。胡秀玲等[13]初步分析了冬季AO对我国东北冬季气温的影响机制，认为在年代际尺度上冬季AO是通过影响西伯利亚高压和东亚大槽来影响东北冬季气温的。

图2给出了冬季AO指数和黑龙江省冬季温度距平时间序列图，直观反映了冬季AO指数和温度距平的长期变化趋势。20世纪70年代前AO指数迅速下降，70年代至80年代中后期略有回升，其间有两次较大的回升波动；80年代中后期至今呈明显的上升趋势。

图2 AO指数和温度距平的时间序列

利用Morlet小波分析方法分析1954年以来冬季AO指数的周期变化（图3左），冬季AO指数主要存在准9a和准18a周期，70年代到80年代周期信号比较明显，（图3右）给出了黑龙江冬季平均温度累积曲线图，可以看出，上世纪70年代之前黑龙江冬季气温呈下降趋势，70年代初到80年代中后期开始增长，80年代中后期到21世纪增温比较明显。计算AO指数与黑龙江全省冬季平均温度的相关系数，正相关关系，相关系数达到0.59，通过了0.01（r0.01=0.35）的显著性检验。

利用冬季AO指数与北半球极涡面积指数、强度指数做相关，冬季AO指数与极涡面积指数反相关（-0.691），强度指数正相关（0.583），通过了0.01的显著性检验。冬季AO从近地面到平流层低层都存在，且接近正压结构。当冬季AO指数偏负的时候，北半球极涡面积偏大，强度偏小，因而极地冷空气向南活动，容易爆发寒潮活动，与邓伟涛的研究结果[14]基本相似。

图3 AO指数小波分析（左）冬季气温指数累积距平曲线（右）

AO正位相时，极涡加强，中纬度西风带加强并且位置偏北，冷空气被限制在极地，因而中、高纬度欧亚大陆和东亚地区温度偏高，容易出现暖冬。AO负位相时，对应极涡减弱，中纬度西风带随之减弱南移，这也就是气候带漂移，随之北极冷空气易向南爆发影响北美、欧洲和亚洲。AO的强弱直接导致北半球中纬度地区与北极地区之间气压和大气质量反向性质的波动，AO为正异常时，中纬度气压上升而极地下降，AO为负异常时，环流形式则与此相反。在AO指数连续偏弱的时候，极地500 hPa高度场升高，冷气团向中纬度地区活动。500 hPa高度场上亚洲大槽、北美大槽均加强，在北太平洋地区以及欧洲南部地区高度场降低，在非洲北部以及阿拉伯半岛北部地区高度场升高，环流形式有点像风车的扇叶。

6.2 西伯利亚高压

西伯利亚高压是冬季影响亚洲大陆气候的一个重要的环流系统，西伯利亚高压是一个浅薄的系统，主要表现在近地面1～2 km高度最明显。西伯利亚高压中心的气压的强弱主要反映了亚洲大陆及相邻的北极地区的气压变化。在1980年代初的时候，陆巍等[15]就研究得到我国北方的冷年,往往对应西伯利亚高压强的时候；我国北方的暖年,又往往对应着西伯利亚高压较弱的时候。龚道溢等[16]计算了美国国家大气研究中心(NCAR)的北半球海平面气压格点资料和英国East Anglia大学气候研究组(CRU)整理和提供的历史气压资料两种资料，并进行了对比，都表明，西伯利亚高压中心气压除了有强烈的年际波动之外，最近20多年来还有强烈的减弱趋势，从1980年代以来的持续下降在两套气压资料中都非常突出。还指出了欧亚大陆绝大部分地区的温度都与西伯利亚高压的强度有显著的负相关，可见整个亚洲大陆中高纬地区，温度与西伯利亚高压的关系都比较一致。侯亚红等[17]为了动态地追踪西伯利亚高压面积、中心强度和位置的演变，定义了表征西伯利亚高压活动的特征指数，揭示西伯利亚高压的总体变化特征。20世纪60年代后期以前和2000年以后，西伯利亚高压中心强度多数在平均值以上，其余时段则正好相反，多数在平均值之下，说明西伯利亚高压主中心强度有明显的年代际变化特征，并且有随着时间变化先减弱后震荡地逐渐增强的趋势。朱艳峰等[11]对中国冬季气温变化进行了EOF分析，表明西伯利亚高压变化与中国冬季气温变化的第一模态关系密切，相关系数达到0.6，当西伯利亚高压偏强时，对应冬季气温偏低。西伯利亚高压强度的变化有显著的阶段性，20世纪60～70年代偏强，80年代以来持续偏弱，这与黑龙江省冬季80年代以后气温显著增暖是一致的。国家气候中心选取西伯利亚高压气候平均位置 （40°-60°N,80°-120°E）， 计算该区域冬季平均海平面气压值，并进行标准化，即得到西伯利亚高压强度指数。自2009年10月6候东亚冬季风形势建立以来，逐日西伯利亚高压指数的监测显示西伯利亚高压强度有八次明显加强过程，2010年1月上中旬到2月中旬西伯利亚高压较常年同期明显偏强，表征东亚冬季风强度偏强，2月中旬到3月初,西伯利亚高压强度一度减弱。

图4 逐日西伯利亚高压指数演变

Wu and Wang[18]研究了冬季AO影响西伯利亚高压的可能途径。AO与西伯利亚高压之间的联系可能与它们之间的动力联系有关，当AO正异常时西风环流强而平直，东亚大槽减弱，槽后的辐合下沉减弱，对流层中低层有弱的的下沉运动，因此地面的西伯利亚高压也相应减弱。2009年冬季，AO指数负异常，西伯利亚高压强大，因此很好的解释了东北地区低温的原因。

7 海温异常

按照赵振国[19-21]的厄尔尼诺和拉尼娜事件类型划分标准，同时符合下述3个条件的称为发展型厄尔尼诺、拉尼娜事件：①消亡时间晚，次年6月以后结束。②生命周期长,持续时间13个月以上。③强度大，强度等级中等以上。同时符合下述3个条件的称为衰减型厄尔尼诺、拉尼娜事件：①消亡时间早，次年6月以前结束。 ②生命周期短，持续时间13个月以下。③强度小，强度等级中等以下。此次厄尔尼诺事件起始于2009年6月，根据国家气候中心最新监测，还未确定属于发展型还是衰减型。统计1954年以来的12次厄尔尼诺事件，衰减型的7次，有5次黑龙江冬季是冷冬年，发展型的占5次，有2次黑龙江冬季是冷冬年，因此海温对黑龙江冬季气温的影响并不是主要直接影响因子。

8 结论

综合以上分析，得到以下主要结论：

2009年冬季气温异常偏低与北半球大气环流异常有关系。2009年冬季北半球欧亚中高纬度表现为乌拉尔山地区有阻高，盛行经向环流，极涡面积偏大，强度偏弱，AO指数异常偏强，显著负位相，冷空气活动较常年次数偏多，路径偏东，偏北。虽然对海温异常的作用进行了简单讨论，但具体的过程和因果关系还需要进一步研究才能确定。同时，除海温外，欧亚积雪[22]和一些其他外源强迫因子[23-24]对中国冬季气温也有显著的影响。

影响黑龙江省冬季气温变化的因子很多，不同的因子之间又相互影响，本文只讨论了黑龙江省2009年冬季气温异常与环流异常的关系，至于对其产生影响的机理，都需要利用更详细的观测和气候数值模拟资料进行深入的分析来进行验证。

[1]丁一汇.2002.天气和气候极端事件的变化及其与全球变暖的联系〔J〕.气象，28（3）：3-7.

[2]王绍武.2001现代气候学研究进展[M].北京：气象出版社.

[3]陈隆勋，周秀骥，李维亮，等.中国近80年来气候变化特征及形成机制[J].气象学报，2004：634～646.

[4]任国玉，初子莹，周雅清，等.中国气温变化研究最新进展［J］.气候与环境研究，2005：701～716.

[5]龚道溢，王绍武.近百年北极涛动对中国冬季气候的影响[J].地理学报，2003，58(4)：45～51.

[6]琚建华，任菊章，吕俊梅.北极涛动年代际变化对东亚北部冬季气温增暖的影响［J］.高原气象，2004，23(4)：429～43.

[7]龚道溢，王绍武.西伯利亚高压的长期变化及全球变暖可能影响的研究[J].地理学报，1999，54(21；125～133.

[8]龚道溢，朱锦红，王绍武.西伯利亚高压对亚洲大陆的气候影响分析［J］.高原气象，2002，21(1)：8～14.

[9]朱乾根，施能，徐建军，等.近百年北半球冬季大气话动中心的长期变化及其与中国气候变化的关系[J].气象学报.1997，55：750～758.

[10]龚道溢，王绍武.大气环流因子对北半球气温影响的研究［J］.地理研究，1999，18(2).

[11]Thompson D W J.Wallace J M.The Arctic Oscillation signature in the wintertime geopotential height and tempemturefields Geophy.Res.Lett.1998，25：1297～1300.

[12]朱艳峰，谭桂容，王永光.中国冬季气温变化的空间模态及其与大尺度环流异常的联系［J］.气候变化研究进展，2007,3(5):266～270.

[13]胡秀玲，刘宣飞.东北地区冬季气温与北极涛动年代际关系研究[J].南京气象学院学报，2005，28(5)：640～648.

[14]邓伟涛，孙照渤.冬季北极涛动与极涡的变化分析[J].南京气象学院学报，2006，29(5)：613～619.

[15]陆巍，彭公炳.北半球气压场背景的长期预报 [J].气象，1981（01）.

[16]龚道溢，王绍武.西伯利亚高压的长期变化及全球变暖可能影响的研究［J］.地理学报，1999，54(2)：125～133.

[17]侯亚红，杨修群，李刚等.西伯利亚高压特征指数及其变率分析[J].南京气象学院学报。 2008，31(3)：326～330.

[18]Wu BY and Wang：Impacts of winter Arctic Oscillation on Siberian High，the East Asian winter monsoon，Advances in Atmospheric Sciences.2002:19(2)，297～320.

[19]赵振国.厄尔尼诺与我国温度［J］.气象，1989，15(7)：26～30.

[20]赵振国，蒋伯仁，陈国珍，等.ENS0事件与青藏高原积雪和东亚大气环流的可能联系［J］.山东气象，1999，19(4)：1～8.

[21]赵振国，蒋伯仁，陈国珍，等.ENS0事件对中国气候的可能影响［J］.山东气象，2000，20(5)：4～l2.

[22]陈海山，孙照渤.欧亚大陆冬季积雪异常与东亚冬季风及中国冬季气温的关系［J］.南京气象学院学报，1999，22(4)：609～615.

[23]涂长望.东亚活动中心与我国水早灾之关系［J］.气象杂志，1936，12：600-619.

[24]王永光，赵振国，赵汉光.中国温度、降水的长期气候趋势及其相关因子分析［M］.短期气候监测、预测、服务综合业务系统的研制，北京：气象出版社，2000.

Diagnostic Analysis of temperature anomaly in Heilongjiang Province in winter 2009

LI Yong-sheng，Yu Mei，Zhang Jian
(Meteorological Climate Center of Heilongjiang Province，Heilongjiang Harbin 150030)

Based on the conventional observational temperature data,the circulation characteristics from National Climate Center of China(NCC),the NCEP/NCAR reanalysis data and the Arctic Oscillation(AO)index from U.S.Climate Prediction Center(CPC)et al,the physical characteristics of large-scale circulation in Heilongjiang region during November 2009 to February 2010 are analyzed and the possible causes of winter temperature anomaly of 2009 over Northern Hemisphere are investigated.Results indicate that：Northern Hemisphere polar vortex expanded southward，the meriditional circulation is advantaged over the Eurasia，cold air of northern is stronger than norma1，Siberian High unusually stronger than norma1 and AO negative anomaly is the main reason for the low winter temperature Heilongjiang region in 2009.

Arctic Oscillation(AO)；Siberian High；circulation anomaly at Mid-latitudes and High-latitudes；cold winter；short-range climate prediction

P457.3

A

1002-252X(2010)03-0004-04

2010-6-6

李永生（1984-），男，黑龙江省齐齐哈尔市人，南京信息工程大学，本科生，助理工程师.