蒙古高压异常对我国冬季气候的影响分析

任智勇 王斌飞 翟晴飞 辛明月 贾岸斌 赵一俊 赵楠 王楠 牛哲

摘要 基于单位半径球面上，计算了表征蒙古高压特征的4个高压指数（面积指数S、强度指数P、中心经度λc、中心纬度φc），并研究了蒙古高压指数与我国160站气温、降水的同期相关关系。结果表明，蒙古高压特征参数具有明显的阶段性，1951～1965年高压偏强、偏北，1980年后高压偏弱、偏南；蒙古高压面积与强度指数具有25年左右、8 ～16和3～6年的振荡周期；除西南地区外，蒙古高压面积、强度和中心纬度异常与我国大部分地区冬季气温呈强烈负相关，而经度异常变化对我国冬季气温影响不大；特征指数与降水的同期相关性明显不及其与气温的相关性。

关键词 蒙古高压；环流指数；小波分析；气候异常；冬季

中图分类号 S161；P467 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）26-09029-04

Analysis of Effects of Mongolian High Anomalies on Winter Climate in China

REN Zhi-yong， WANG Bin-fei et al （Panjin Meteorological Service， Panjin， Liaoning 124011）

Abstract Based on the unit radius sphere， 4 high indexes to characterize the characteristics of Mongolian high （area index S， strength index P， center longitude ， center latitude ） were calculated， and Mongolian high index of 160 stations with temperature and precipitation correlation over the same period were studied. The results showed that： Mongolian high characteristic parameters have obvious stage. From 1951 to 1965 the high pressure on the strong side， northerly， after 1980 the high pressure weak， southerly. The area index and the strength index of Mongolia high have about 25a， 8-16a and 3-6 a oscillation cycle. In addition to southwest， the area index， the strength index and the central latitude anomalies of Mongolia high are strongly negatively correlated with winter temperatures in most areas of China. But longitude abnormal changes have little effect on our winter temperatures. The collection of characteristic index and precipitation over the same period has no apparent correlation compared with the temperature correlation.

Key words Mongolian high； Circulation index； Wavelet analysis； Climate anomalies； Winter

近一段时间，许多研究工作均涉及到了冬季温度的问题， 一方面是由于冬季是全球增暖最明显的时期， 研究冬季温度变化有助于理解气候增暖本质， 另一方面， 冬季严重的灾害性气候主要与温度有关， 温度的变化与人们的生活息息相关^[1]。

蒙古高压（又叫西伯利亚高压、亚洲高压）是北半球环流的大尺度系统，它制约着多个其他系统，如欧亚环流、东亚季风、长江流域的梅雨等，同时也是冬季影响和控制亚洲大陆低层的最大和最强的环流系统，是影响我国冬季气候的一个重要因子。蒙古高压与东亚的冬季风或寒潮爆发有密切的关系^[2]。当它发展并向东南方向移动时，总是伴随着冷空气的爆发，造成我国许多地方的低温天气。当这种冷空气迅速扩展到近赤道地区时， 通常会引起对流和降水的加强。在气候变暖的大背景下，西伯利亚高压和冬季风强度的减弱使得冬季中国地表温度持续升高，而温度的这种变化与我国寒潮频次及其相伴随大风频次的减少均有密切的联系^[3]。李勇等研究指出与影响我国冬季温度的其他主要气候因子（如北极涛动、ENSO和西太平洋遥相关型（WP）等）相比，蒙古高压的影响显著得多、影响范围大得多，几乎涵盖了除黄河长江上游部分地区外的整个中国^[1]。朱乾根等分析了近110年北半球冬季6个大气活动中心与我国气候的关系，指出蒙古高压强度与我国冬季温度存在明显负相关^[4]。用蒙古高压异常能较好地解释近几十年来我国冬季气温的变化特征。龚道溢等分析指出蒙古高压对中高纬亚洲大陆平均（30°～140°E 、 30°～70°N） 温度和降水均有显著影响， 与2个要素的相关系数分别达-0.58 和-0.44^[5]。研究蒙古高压的位置和强度的变化规律也一直是长期天气预报研究的重要内容之一^[6]。而与其他因子相比，针对蒙古高压影响气候的研究并没有得到相应的重视^[7]。近十几年来，虽然有一些这方面的研究文章^[8-10]，但在蒙古高压的表征（蒙古高压指数的定义）方面大多是基于平面坐标系，忽略了地球曲率的影响，且多数把西伯利亚高压强度指数单一地定义在一个固定的区域来分析西伯利亚高压的年际和年代际变化^[11]，不够精细。因此，有必要用一套数学物理意义更为明确的蒙古高压指数并结合最新数据来全面地研究蒙古高压对我国冬季气候的影响。笔者基于单位半径球面上，计算了表征蒙古高压特征的4个高压指数（面积指数S、强度指数P、中心经度λc、中心纬度φc），并研究了蒙古高压指数与我国160站气温、降水的同期相關关系。

1 资料与方法

1.1 资料选取 使用的资料主要包括1948年12月～2008年2月共60个冬季（12月～次年2月）的NCEP/NCAR^[12]1 000 hPa月、季平均位势高度场H的格点资料，网格距为2.5°×2.5°；1951年以来的我国160站冬季逐月平均气温、降水资料。

1.2 蒙古高压特征线、搜索区的确定 根据1948～2007年北半球冬季1 000 hPa平均位势高度场分布情况，在此选择f₀（200 gpm）线作为特征线来表示蒙古高压的范围，Ω区域（60°～130°E、20°～70°N）为搜索区（图1）。各月平均位势高度场及冬季平均高度场（图1）显示，搜索区既尽量囊括了蒙古高压的活动范围又尽力避免了进入其他系统，而特征线则满足了在尽可能不超出搜索区的条件下使所围区域最广。

这样选出来的区域能很好地代表蒙古高压的发展演变情况。

2 蒙古高压环流指数的异常态分析

2.1 面积指数的异常态分析

无论从冬季平均还是12、1或2月平均演变情况来看，蒙古高压面积指数不仅存在明显的年际变化，也存在显著的年代际变化特征，阶段性也较明显但各月情况并不统一。冬季平均和1、2月情况较为一致，主要表现为1951～1965与1980～1990年的大面积期，1965～1980与1990～2005年的小面积期，两阶段的大、小面积期均以前段波动为大（2月例外，两阶段的大、小面积期以后段波动为大）；12月情况最为特殊，20世纪80年代前与冬季平均情况较为一致（但大面积期波动更为剧烈），1980～1990与1990～2005年两段转变为反相位，即分别处于小面积期、大面积期。从年代际尺度的发展趋势看，未来10年蒙古高压将处于大面积期，冬季平均、2月现处于小面积尾声阶段，1月刚步入大面积期，12月也进入大面积不久。

2.2 强度指数的异常态分析 蒙古高压强度指数不仅存在明显的年际变化，也存在显著的年代际变化（冬季平均与1月更突出地表现为年代际变化，年际变化相对较弱），阶段性也较明显且各月情况也较为统一。主要表现为1951～1965年的强指数期，1965～1980、1980～2005年的弱指数期（12月稍微例外，从1996年提前进入强位相阶段）。波动（振幅）大小情况与面积指数類似，也以20世纪80年代前期为大。从年代际尺度的发展趋势看，未来10年蒙古高压将处于强指数期。

为了进一步研究蒙古高压的细节特征，了解其存在的主要变化周期。对蒙古高压面积指数与强度指数做子波变换。这里选用复Morlet子波。

由图2可见， 蒙古高压面积指数在整个时间序列上存在明显的25年左右的振荡周期，在1970年以前有明显的14年左右的振荡周期，1970年以后表现为6年左右的振荡周期，但周期性呈减弱趋势；1970～1985年有3年左右的振荡周期，1990年后有5年左右的振荡周期。说明蒙古高压面积指数不仅存在明显的年代际变化，也存在年际变化。

蒙古高压强度指数与面积指数的小波分析结论相似， 也存在25年左右、8 ～16和3～6年的振荡周期，只是有些周期所在时间范围略有不同；在整个时间序列上，存在26年左右、8～16年的振荡周期，25年左右的振荡周期在1970年以后尤为显著，而8～16年的振荡周期主要表现在1970年以前；另外在1955～1965、1975～1990及1990～2000年存在较弱的3～6年的振荡周期。

2.3 中心位置（λc、φc）的异常态分析

蒙古高压中心位置指数不仅存在明显的年际变化，也存在显著的年代际变化，年代际变化更加突出，阶段性也较明显且各月情况也较为统一。经度指数可以分为4个阶段，即1951～1962与1985～1995年的偏东（正位相）期，1962～1985与1995～2005年的偏西（负位相）期（2月例外，1985～2005年一直在零线与正位相（偏东）间波动）；波动（振幅）大小情况与面积指数相仿，也是以20世纪80年代前期为大（以冬季平均演变曲线尤为突出）。纬度指数可以分为2个阶段，且各月情况相当同步。主要表现为1951～1980年的偏北（正位相）期，1980～2005年的偏南（负位相）期（仅1980～1989年在2月呈在一接近零线的负位相期）；波动（振幅）幅度情况与前面不同，20世纪80年代前后无显著差异。

从年代际尺度的发展趋势看，未来10年蒙古高压中心位置将处于偏东、偏北期。

从图3能清楚地看到，蒙古高压中心位置冬季和1月气候值位于蒙古国西部，12和2月气候值分别位于蒙古西南角与西北角。另外框图呈东西方向较长的矩形（其中以冬季平均最为突出，经纬比达2∶1），说明蒙古高压中心位置变率各向异性。其东西活动范围大于南北移动范围；多年中心位置密集程度以冬季平均为最，12月、1月月均次之，2月最分散。

3 冬季蒙古高压异常与我国气温异常的关系

3.1 面积指数与我国气温同期相关

除西南地区外，几乎全国冬季气温均与蒙古高压面积指数有负相关关系并通过不同程度的信度检验；唯一的正相关区，并没有通过检验或仅个别站个别月份通过检验。负相关区除1月、冬季平均段东北北部未通过检验或通过信度较低的检验，河套部分、河北南部、新疆部分、广浙沿海地区通过信度较低；12月东北北部、广浙沿海地区通过信度较低外，其余地区均通过α=0.01信度检验。说明蒙古高压面积指数与我国冬季气温同期影响总体效果很好，但在应用时个别地区应该有所考虑。

3.2 强度指数与我国气温同期相关

强度指数与气温同期相关和面积指数与气温同期相关的全国形势基本类似。除西南地区相关系数为正外，全国其他地区大多有负相关关系并通过不同程度的信度检验；唯一的正相关区，并没有通过检验或仅个别站个别月份通过检验；广浙沿海地区冬季（除2月外）通过的信度检验较低。但冬季平均及1月相关系数图上（图略），强度指数在东北、内蒙东北部相关性不及面积指数，在河套部分、河北南部地区的相关则有所增强；东北、内蒙东北部通过信度较低或未通过检验（1月尤为明显），河套、河北南部地区在冬季平均图上通过了α=0.01信度检验。说明蒙古高压强度指数与我国冬季气温同期影响也很强烈，但与面积指数影响范围有所区别。

3.3 中心经度指数与我国气温同期相关

除北疆、东北北部地区（12、1月的四川，12、2月南疆，1月广东沿海，冬季平均的云南西部）外，几乎全国冬季气温均与蒙古高压中心经度指数有负相关关系，但仅内蒙中部一小区域通过检验，东北北部、北疆和青海南部极少数站个别月份通过检验；正相关区均未能通过检验。说明蒙古高压中心经度指数与我国冬季气温同期影响甚小。这与侯亚红等的研究结果^[3]一致。

3.4 中心纬度指数与我国气温同期相关

除云南东北地区外，几乎全国冬季气温均与蒙古高压纬度指数有负相关关系；唯一的正相关区，并没有通过检验。负相关区在冬季平均除川西、云南部分地区未通过检验，川东通过检验较低外，全国均通过α=0.01信度检验；在12、1、2月，未通过检验的区域增加了南方沿海省份及西北地区。说明蒙古高压纬度指数与我国冬季气温同期影响总体效果也很好，但对北方的影响相对比南方强，对东部的影响相对比西部强。

4 冬季蒙古高压异常与我国降水异常的关系

蒙古高压面积指数与降水的同期相关性明显不及其与气温的相关性。通过检验的地区有12月、2月东北北部地区，1月、冬季平均京津及其邻近地区，2月川、陕、鄂交界处及山西北部、山东东南部地区，这些地区均呈负相关，以及12月南北疆分别呈正、负相关。

另外，从1951～2007年冬季蒙古高压强度、中心经度及中心纬度指数与我国160站降水的同期线性相关系数图（图略）可以看到，蒙古高压强度、中心经度及中心纬度指数与降水的同期相关性也明显不及其与气温的相关性。通过检验的地区，强度图上仅有12月的东北北部地区，2月的川、陕、鄂交界处，这些地区均呈负相关；经度图上仅有2月的两广地区呈正相关；纬度图上几乎均未能通过检验。但王遵娅等指出春、夏季西伯利亚高压指数与华北地区降水显著相关，可以作为华北地区旱涝预测的指标^[7]。

5 小结

（1）蒙古高压特征指数具有明显的年际和年代际变化特征。主要表现为1951～1965与1980～1990年的大面积期。1965～1980与1990～2005年的小面积期；12月在1980～1990与1990～2005年两段转变为反相位，即分别处于小面积期、大面积期。1951～1965年的强指数期，1965～1980与1980～2005年的弱指数期。1951～1962与1985～1995年的偏东（正位相）期；1962～1985与1995～2005年的偏西（负位相）期，1951～1980年的偏北（正位相）期，1980～2005年的偏南（负位相）期。

（2）在周期性方面，蒙古高压面积与强度指数具有25年左右、8 ～16年和3～6年的振荡周期。25年左右的尺度的变化在整个时间序列均有较强的信号。

（3）从年代际尺度的发展趋势看，未来10年蒙古高压将处于大面积、强指数及偏东、偏北期。

（4） 蒙古高压面积、强度和中心纬度异常与我国冬季气温关系密切，而其经度异常变化对我国冬季气温异常变化影响不大。蒙古高压特征指数与降水的同期相关性明显不及其与气温的相关性。

参考文献

[1]李勇，陆日宇，何金海.影响我国冬季温度的若干气候因子[J].大气科学，2007，31（3）：505-514.

[2] 丁一汇，温市耕，李运锦. 冬季西伯利亚高压动力结构的研究[J]. 气象学报，1991， 49（4）：430-439.

[3] 侯亚红，杨修群，李刚. 冬季西伯利亚高压变化特征及其与中国气温的关系[J].气象科技，2007，35（5）：646-650.

[4] 朱乾根，施能，吴朝珲，等.近百年北半球冬季大气活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（6）：750-758.

[5] 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.

[6] 王盘兴，卢楚翰，管兆勇，等.闭合气压系统环流指数的定义及计算[J].南京气象学院学报，2007，30（6）：730-735.

[7] 王遵娅，丁一汇. 近53年中国寒潮的变化特征及其可能原因[J]. 大气科学， 2006， 30（6）：1068-1076.

[8] 林振山，鄧自旺.子波气候诊断技术的研究[M].北京：气象出版社，1999：98-99.

[9] 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 .

[10] 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.

[11] 施能，朱乾根. 南半球澳大利亚高压、马斯克林高压气候特征及其对我国东部夏季降水的影响[ J].气象科学， 1995， 15（3）：20-27.

[12] KALNAY E，KANAMITSU M，KISTLER R，et al. The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project[J]. Bull Amer Meteorol Soc， 1996， 77（3）：437-471.