2011与2008年我国1月地面气温异常对比分析

许嘉禾，田心如

(1.南京师范大学附属中学，江苏南京 210000；2.江苏省气象台，江苏南京 210008；3.气象灾害教育部重点实验室，南京信息工程大学，江苏南京 210044)



2011与2008年我国1月地面气温异常对比分析

许嘉禾1，田心如2，3*

(1.南京师范大学附属中学，江苏南京 210000；2.江苏省气象台，江苏南京 210008；3.气象灾害教育部重点实验室，南京信息工程大学，江苏南京 210044)

摘要运用我国160站月平均气温、NCEP/NCAR 再分析和NOAA海温资料，结合1979～2011年我国1月地面气温年际异常变化可能机理，对比分析了2008与2011年1月气温异常变化的原因。结果表明，不同于2008年1月属典型低温年，2011年表现出相反的北大西洋涛动(或北极涛动)位相异常。但在亚洲中高纬度地区这2年的环流异常均与典型年一致，即高空乌拉尔山高压脊偏强，地面贝加尔湖南侧气压偏高，冷空气活动偏强。进一步分析发现，中高纬度乌拉尔山和贝加尔湖区域环流异常是影响我国大部地区气温异常的主要环流系统，NAO则是影响我国东北地区气温的重要因子；正是由于NAO的反位相异常使得2011年1月我国东北地区气温偏低。2008年1月欧亚中高纬环流异常受平流层扰动的影响，在前期9月就有明显的异常反映，但2011年前期平流层的环流与2008年及典型冷年前期情况相反，表明2011年我国1月气温偏低的主要原因不是来源平流层。前期7月热带西印度洋、西太平洋和中东太平洋海温异常与后期乌拉尔山和贝加尔湖环流有较好的关系，上述区域海温异常对应后期1月从北大西洋到亚洲中高纬出现与我国气温密切相关的NAO型遥相关环流异常。

关键词环流异常；地面气温；前期信号

2008年1月全国平均气温为-6.6 ℃，为1986年以来的最低值[1]。2011年1月全国平均气温为-8.3 ℃，为1986年以来的新低值，贵州、湖南、广西、重庆等地又出现了低温冰冻天气，对当地交通运输等产生了严重影响[2]。这2年1月我国地面气温均显著偏低，给我国经济和人民生活造成了严重影响和损失[3]。从同期影响我国冬季气温异常的因子看，直接影响地面气温异常的环流系统是地面西西伯利亚高压。当西西伯利亚高压偏强(弱)时，对应东亚冬季风偏强(弱)，我国东部低层盛行异常的偏北(南)风，中层乌拉尔山高压脊异常偏强(弱)，其下游贝加尔湖南侧低槽异常发展(减弱)或对应东亚大槽异常偏强偏西(偏东偏弱)，低纬度西太平洋副热带高压则偏东偏弱(偏强偏西)，这时我国气温异常偏低(高)[4-9]。另外还有些大尺度环流系统如北大西洋涛动或北极涛动(NAO/AO)与我国冬季气温有较好的关系[10-14]。从前期异常信号看，目前主要考虑到下垫面海洋异常及平流层环流异常[15-17]。但不同环流因子对我国气温影响的范围均不同，并在年际和年代际尺度上存在差异[18]。虽然不少研究已经表明La Nina对东亚冬季风的活动有显著的影响，使冬季风偏强[3，18-19]，但针对2008年1月雨雪冰冻天气的研究显示La Nina事件不是造成此次持续雨雪冰冻天气的“罪魁祸首”[18]，而北大西洋海温异常可能是造成2008年低温异常的原因[20]。尽管还有研究表明平流层极涡和AO等行星尺度环流异常与2008年1月低温事件有重要的关系[16，21]，但也有研究发现乌拉尔山阻塞高压与平流层极涡和NAO的关系在2008年表现出与多年相反的变化[18]。说明气温异常的原因很复杂。笔者利用我国160站月平均气温、NCEP/NCAR再分析和NOAA海温资料，结合1979～2011年我国1月地面气温年际异常变化可能机理，对比分析了2008与2011年1月气温异常变化的原因。

1资料和方法

月气温资料为国家气候中心整编的我国160站1月月平均气温；月平均850、500、250、50 hPa多层资料为NCEP/NCAR再分析风场、温度、位势高度和海平面气压(SLP)资料，网格点密度为2.5°×2.5°，范围为90°S～90°N、0～360°E区域。还使用NOAA整理的全球2°×2°网格点密度的海温重建资料和逐月北大西洋涛动指数[22]、逐月印度洋偶极子指数[23]。以上所用资料为1978年7月～2011年1月。采用方法主要是合成、相关及回归，并进行统计显著性检验。

22008与2011年我国1月地面气温异常特征分析

由2008与2011年我国1月地面气温距平(图1)可见，除我国东北地区外，这两年的气温分布表现出类似的异常偏冷状态，即全国大部分地区为负距平，而在青藏高原东部地区存在相对正距平区。从异常偏低的程度看，2011年偏低更明显，主要差别在东北地区，2008年该地区气温大部在正常范围变化，而2011年气温则明显偏低。

注：阴影部分代表数字绝对值达1 ℃。Note：Shading represented that the absolute values were over 1 ℃.图1　2008年(a)和2011年(b)我国1月地面气温距平分布Fig.1　Distribution of surface temperature departure in January 2008(a)and 2011(b)

3可能原因分析

3.1环流特征谭桂容等[21]分析表明NAO及相联系的欧亚中高纬度环流异常是造成我国1月低温的主要原因；当北大西洋涛动异常偏强，500 hPa乌拉尔山高压偏强，对应850 hPa我国东部为北风距平，地面西伯利亚高压偏强时，我国地面气温偏低；反之，我国地面气温则偏高。对照典型年的合成结果(图2)可见，除北大西洋外，2008和2011年的环流异常变化均与多年合成的结果一致；且相对于2008年，2011年乌拉尔山高压脊和对应的地面西伯利亚高压异常更强，分别达16 gpm和12 hPa，而2008年分别为12 gpm和9 hPa。虽然在冷暖年合成结果中，850 hPa我国东部的北风异常不明显，但2011年在我国东部存在显著的北风异常，这也反映了2011年影响我国季风区的冷空气层较2008年偏厚。

2008和2011年我国1月尽管在北大西洋地区的环流异常反位相，但在乌拉尔山地区的环流异常趋于一致。为更加细致地分析乌拉尔山环流与NAO环流异常对我国1月气温影响的差异，在此对乌拉尔山和NAO异常的典型年环流进行合成，典型年的选取根据谭桂容等[21]计算的环流指数确定，具体以乌拉尔山及其南侧贝加尔湖区域指数(WSBH)之差的标准化正、负距平绝对值达到1.0的年份为典型年，分析发现，正异常年有1980、1981、1995、1996、2004、2005、2008、2011年，负异常年有1979、1982、1987、1990、1992、1997、2002、2003、2009年。根据1月NAO指数标准化距平值同理可得，北大西洋涛动正异常年为1983、1984、1986、1989、1993、2005、2006年，负异常年为1979、1985、1987、2010、2011年。

由图3可见，500 hPa当乌拉尔山地区环流正异常时，对应在贝加尔湖及以南的大陆区域为显著的负异常，反映乌拉尔山阻塞高压偏强，有利于冷空气向南输送，阻高南侧的中低纬度地区低槽活动偏多，同时东亚大槽偏强或偏西，有利于我国气温异常偏低；地面西伯利亚高压异常偏强，表现在我国东部地区为正距平；当北大西洋涛动异常偏强时，500 hPa乌拉尔山地区虽然不是正异常中心，但仍为正距平区；亚洲地区中东西伯利亚高度场异常偏高，中国大部及巴湖以西的西亚地区为负距平。对应地面海平面气压异常分布与高空类似。WSBH正负异常典型年(图4a)，我国除东北和青藏高原东部少部分地区外，气温为显著负距平，说明当乌拉尔山至贝加尔湖地区环流发生异常时，我国大部地区气温会出现异常；NAO正负异常典型年(图4b)，我国河套经汉中平原到江南大部地区气温显著偏低，这与WSBH正负异常典型年类似。但NAO正负异常典型年在青藏高原气温异常不明显，而在东北地区气温则异常偏暖，表明当北大西洋涛动异常偏强时，我国东北地区气温易偏暖。对照图1可见，2008年1月我国东北地区气温存在正异常区。这证实了我国东北地区气温与北大西洋涛动呈正相关关系。

3.2前兆信号由谭桂容等[21]分析可知，2008年1月对流层的北大西洋高度场为负距平，异常变化的中心在对流层中上层，与北大西洋急流异常扩展区对应。在北大西洋上空对流层和东亚上空平流层分别有∂T/∂Y负异常(∂T/∂Y负异常表示温度随纬度的增加而降低的幅度比常年大)变化中心与高度负异常中心对应，平流层区域(40°～80°N、80°～160°E)的∂T/∂Y负异常从前期9月份就开始，到1月达到最强，之后开始减弱。可见，2008年1月平流层温度梯度的异常变化先于对流层，说明2008年1月低温受平流层环流异常的影响。2011年1月对流层200 hPa和平流层50 hPa，∂T/∂Y异常分布与冷年合成结果和2008年情况基本相反，且平流层与对流层环流在垂直方向上为反位相异常变化，说明导致2011年气温异常环流的原因可能不是来自平流层。

注：a1、b1为 500 hPa高度距平(gpm)；a2、b2为850 hPa风场距平(m/s)；a3、b3为海平面气压距平(hPa)；阴影部分为多年典型冷暖合成的结果统计检验信度达95%。Note：a1 and b1 were 500 hPa geopotential height anomaly(gpm)，a2 and b2 were 850 hPa wind field anomaly(m/s)；a3 and b3 were sea level pressure anomaly(mb)；shaded area was the composite of typical cool/warm years with test reliability exceeding 95%.图2　2008年(a)和2011年(b)1月环流场距平与相应冷暖年合成差值显著异常区Fig.2　Significant abnormal areas of monthly circulation field anomaly and composite difference of corresponding cool/warm years

注：a1、b1为WSBH正负异常年；a2、b2为NAO正负异常年。Note：a1 and b1 were WSBH positive and negative anomalies(gpm)，a2 and b2 were NAO positive and negative anomalies.图3　正负异常年500 hPa高度场(a,dagpm)和海平面气压场(b,hPa)合成差值及t检验结果Fig.3　Composite differences and t-test results of 500 hPa height field(a，dagpm)and sea level pressure(b，hPa)in positive and negative anomalies

图4　WSBH(a)和NAO(b)正负异常典型年我国1月地面气温距平合成差值及t检验结果Fig.4　Composite difference and t-test result of surface temperature anomalies in WSBH(a)and NAO(b) in positive and negative anomalies

注：等值线代表海温距平；阴影区代表WSBH指数与海温相关分析统计检验信度达95%的显著区。Note：Isoline was sea surface temperature anomalies；shaded area was confidence level greater than 95% in corresponding test between WSBH and SSTA.图5　2008年(a)和2011年(b)前期7月海温距平及当年1月WSBH指数与前期7月海温的相关显著区Fig.5　Leading July sea surface temperature anomalies in 2008(a)and 2011(b)and correlation significant areas between WSBH in January and the SSTA in leading July

根据前面的分析，当我国大部地区气温异常偏低时，乌拉尔山到贝加尔湖地区的环流均异常显著。为进一步分析我国气温异常的原因，从年度预测的角度，分析了前期海温异常特征。由乌拉尔山到贝加尔湖地区环流指数与前期7月海温的相关分布(图5)可见，当乌拉尔山到贝加尔湖地区环流存在北正南负的异常分布时，海温在北大西洋低纬度、热带西印度洋和中东太平洋均为显著的正相关，而在热带西太平洋为显著的负相关。对比2008和2011年，2008年前期7月在西太平洋、热带西印度洋、中东太平洋地区的海温异常与显著的正负相关区对应一致；2011年前期7月在西印度洋与显著相关区吻合，而在热带东、西太平洋的海温异常与显著相关区符号相反。两年一致的海温变化在西印度洋均为正的海温异常，表明前期西印度洋海温异常与后期1月乌拉尔山环流及我国1月地面气温异常的关系很密切。由图6可见，西印度洋海温异常与印度洋偶极子变化有关。在我国1月气温异常偏低年，印度洋偶极子从前期夏季到后期冬季呈现由正逐渐减弱到负异常的演变，反之在暖年为相反的演变。2008和2011年对应的印度洋偶极子变化也均呈现出冷年对应的特征。印度洋偶极子一般从夏季开始活跃，秋季成熟，所以夏季印度洋偶极子对大气环流的影响很重要。

注：等值线代表500 hPa高度场(dagpm)。阴影表示相关统计检验信度达95%。Note：Isoline was 500 hPa height field(dagpm).Shaded area was confidence level greater than 95% in corresponding test.图7　前期7月西印度洋区(a)、东太平洋区(b)、西太平洋区(c)海温距平与后期1月500 hPa高度场的回归结果Fig.7　Regression results of sea surface temperature anomalies over key areas in leading July and 500 hPa height field in January

为进一步分析印度洋海温异常与乌拉尔山大气环流之间的关系，在此对前期7月关键区海温距平回归的后期1月500 hPa高度场进行分析。西印度洋、东太平洋和西太平洋分别依照后期1月WSBH与前期7月海温的显著相关区(图5)计算相应区域通过显著性检验的格点的海温距平平均值作为各区的海温序列。由图7a可见，从北大西洋经乌拉尔山到贝加尔湖地区的环流型呈现与冷年一致的NAO关联的遥相关型，表明热带西印度洋海温正异常对后期乌拉尔山高度变化具有正的贡献。东太平洋海温回归的高度场表现出类似的变化趋势(图7b)。而西太平洋区域海温回归的高度场表现出相反的变化趋势(图7c)，这与1月WSBH同前期西太平洋区域海温之间存在的负相关关系对应(图5)。对照2008与2011年情况可见，这两年在西印度洋的正海温距平与后期1月乌拉尔山到贝加尔湖的环流异常一致。

4结论与讨论

该研究结合1979年以来典型年1月气温变化的环流特征，对比分析了2008与2011年我国1月气温异常的主要原因和前兆信号，主要有以下结论：

(1)从直接影响的环流因子看，在亚洲中高纬度地区，2011与2008年的环流异常均与典型年一致：即高空乌拉尔山高压脊偏强，地面贝加尔湖南侧气压偏高，侵入我国的冷空气活动偏强。但不同于2008年典型低温年，2011年1月北大西洋涛动(NAO)位相相反。进一步分析发现，中高纬度乌拉尔山和贝加尔湖区域环流异常是影响我国大部地区气温变化的直接因素，NAO则与我国东北地区气温变化密切相关。

(2)从前期信号看，2008年1月中高纬环流异常受平流层扰动的影响，在前期9月有明显的异常反映，但2011年前期平流层的环流与典型年相反，表明2011年我国1月气温偏低的原因可能不是来源平流层。

(3)前期7月热带西印度洋、西太平洋和中东太平洋海温异常与后期乌拉尔山和贝加尔湖环流有较好的关系。当前期7月上述区域海温发生异常时，后期1月从北大西洋到亚洲地区易出现直接导致我国大部分地区气温异常的NAO遥相关环流型。这两年的气温偏低与前期西印度洋海温偏高密切相关，而2011年前期在热带东、西太平洋海温的不同异常则可能是导致北大西洋上空NAO环流反位相变化的原因。

(4)NAO尽管与我国1月地面气温异常有较好的关系，但其主要与我国东北地区的气温变化密切相关，而造成我国1月地面大范围气温异常的直接因子是亚洲中高纬度乌拉尔山和贝加尔湖地区的环流异常。

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Comparative Analysis of Surface Air Temperature Anomaly in January 2008 and 2011

XU Jia-he1, TIAN Xin-ru2,3*

(1. High School Affiliated to Nanjing Normal University, Nanjing, Jiangsu 210000; 2. Jiangsu Meteorological Observatory, Nanjing, Jiangsu 210008; 3. Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science and Technology (NUIST), Nanjing, Jiangsu 210044 )

AbstractIn terms of the monthly NCEP/NCAR data and the temperature data in 160 sites from the National Climate Center (NCC), causes of January surface air temperature anomaly of 2011 and 2008 were comparatively analyzed based on the possible mechanism of typical anomaly from 1979 to 2011 in China. Results showed that the anomalous January circulations of 2011 were different from those of 2008 with reversed phase anomalies of Northern Atlantic Oscillation (NAO). However, circulation anomalies over mid-high Asia in recent two years were the same as those in typical years: high-pressure ridge was relatively strong over Ural area; south Baikal Lake had relatively high pressure; and the cold air was stronger than normal. Further analysis showed that the circulation anomalies over Ural and Baikal were responsible for the anomalous surface air temperature in most part of China, while the NAO anomaly circulation mainly led to the anomalies in North East China, which was why the anomalous lower temperature occurred in North East China in 2011. The circulation anomalies in the stratosphere occurred earlier in September 2007 than those in the troposphere, but those occurred in 2011 were reversed. It was suggested that the cause for the low temperature in 2011 January might be not from the stratosphere. And the anomalous sea surface temperature(SSTA) in leading July in Western Indian Ocean(WI), Western (WP)and Eastern Pacific(EP) of the tropic had close relationship with later January circulation over Ural and Baikal. Positive SSTA occurred in leading July of both 2008 and 2011, resulting in the similar January circulation over Ural and Baikal and associated cold events, while opposite SSTA occurred in tropical Pacific might be responsible for the reversed phase of NAO in the troposphere.

Key wordsCriculation abnormity; Surface air temperature; Early signal

基金项目公益性气象行业专项(20120616，20130628)。

作者简介许嘉禾(1999-)，男，江苏南京人，高中生。 *通讯作者，高级工程师，硕士，从事气象灾害与应用服务研究。

收稿日期2016-02-24

中图分类号S 161.2

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)08-223-05