冬季北极涛动异常与新疆气温变化的关系

黄　玲，毛炜峄，刘红霞

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆　乌鲁木齐830002；2.呼图壁县气象局，新疆　呼图壁831200；3.中亚大气科学研究中心，新疆　乌鲁木齐830002；4.新疆气象局，新疆　乌鲁木齐830002）

冬季北极涛动异常与新疆气温变化的关系

黄玲1，2，毛炜峄1，3*，刘红霞3，4

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐830002；2.呼图壁县气象局，新疆呼图壁831200；3.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐830002；4.新疆气象局，新疆乌鲁木齐830002）

基于新疆96个气象站1961—2014年月平均气温、北极涛动指数和NCEP/NCAR再分析环流资料，分析了冬季北极涛动异常与新疆同期气温变化的关系及其影响。结果表明：冬季北极涛动指数与新疆冬季平均气温相关较好，42.7%的测站冬季气温与北极涛动指数的相关系数通过0.05显著性水平检验，主要集中在新疆北部地区。在冬季北极涛动指数偏强的7 a，新疆冬季气温偏高、偏低的概率分别为93.0%与6.3%；在冬季北极涛动指数异常偏低的14 a，冬季气温偏高、偏低的概率分别为41.5%和56.1%，偏低概率高于偏高概率。当冬季北极涛动指数偏强时，850 hPa新疆及其北部广大区域盛行异常偏南风，不利于冷空气南下，新疆冬季气温高；反之，盛行异常偏北风，新疆冬季气温偏低。

北极涛动；气温异常；冬季；新疆

黄玲，毛炜峄，刘红霞.冬季北极涛动异常与新疆气温变化的关系[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（4）：47-52. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.007

北极涛动（Arctic Oscillation,AO）是北半球中高纬度地区重要的环流分布型[1]，指气压场或其它气象要素场在极地地区和中纬度之间反位相变化的空间分布状况，一年四季都存在，冬季半年北极涛动变化更为显著，1月表现最强[2]。研究指出，北极涛动对整个北半球中高纬地区的气候有着较强的影响[3-4]，冬季北极涛动可能影响西伯利亚高压,进而影响东亚冬季风[5]，近百年来当AO指数偏高时，中国大部地区冬季气温偏高，同时降水也偏多[6]。东亚北部、尤其是我国东北以及华北地区冬季气温和AO指数呈显著正相关，特别是在年代际尺度上关系更密切[7-11]。冬季北极涛动异常是影响我国东部大部分地区冬季气温变化的重要因子之一。

新疆位于欧亚大陆腹地,以中纬度西风带环流控制为主。近50 a来新疆气温呈增暖趋势，但2000年以后，新疆在暖冬背景下也出现过极端低温事件，冬季阶段性气温偏低对林果越冬造成危害[12-14]。目前有关北极涛动异常与新疆冬季气温变化关系的研究成果尚不多见，北极涛动影响新疆冬季气温的程度、范围有多大？均需开展深入细致的分析。

1　资料与方法

本文应用了新疆测站月温度、NCEP再分析资料和AO指数。用新疆105站1961—2014年逐月平均气温[15]，将迁站前后海拔高度变化大于100 m的站点剔除，共选取96站资料。AO月指数资料来自美国NOAA下属的气候预测中心（CPC）网站。

以12月至翌年2月作为冬季，得到1961—2013年冬季新疆96站气温以及AO指数序列。本文运用相关分析和均值差异显著性T检验，探讨冬季北极涛动指数与新疆气温的关系。

用NCEP再分析资料来分析AO指数异常偏高（低）年合成的北半球500 hPa位势高度距平场、东北半球地表气温距平场和850 hPa距平风场特征。

2　冬季北极涛动异常与北半球中高纬地区气温关系

2.1冬季北极涛动异常年

AO指数指北半球热带以外地区海平面气压距平的EOF分析第一模态的时间序列，AO指数为正时，也称为北极涛动正位相，北半球中纬度地区气压上升而极地气压下降；AO指数为负时，也称为北极涛动负位相，此时的环流形势距平场分布正好相反。由定义可知，AO指数是标准化后的无量纲数，以AO指数≥1.0定义为指数异常偏高年，或者称为北极涛动典型正位相年，当AO指数≤-1.0时定义为指数异常偏低年，或者为北极涛动典型负位相年。

由图1可见，1961—2013年冬季AO指数异常偏高年共 7 a，分别为：1972、1988、1989、1991、1992、1999和2006年冬季；冬季AO指数异常偏低年共 14 a，分别为：1962、1964、1965、1968、1969、1976、1977、1978、1984、1985、1995、2000、2009和2012年冬季。

图1　1961—2013年冬季AO指数变化

由图2a可见，在冬季AO指数异常偏高7 a合成的500 hPa位势高度距平场上，北半球极地附近是负距平区，围绕北极的中高纬地区有4个正距平中心，极涡强度偏强，收缩在极区，中高纬地区以纬向环流为主，不利于极地冷空气自极地向南爆发。由图2b可见，在冬季AO指数异常偏低14 a合成的500 hPa位势高度距平场上，北半球极地附近是正距平区，围绕北极的中高纬地区有3个负距平中心，极涡强度偏弱，而绕极区位势高度偏低，北半球中高纬地区经向环流发展，有利于极地附近的冷空气自北向南爆发。

2.2冬季北极涛动异常年欧亚大陆中高纬地区气温距平分布

图3分别给出了冬季AO指数异常偏高7 a和偏低14 a合成的欧亚地区冬季地表气温距平图。可见，在冬季AO指数异常偏高（低）年，欧亚大陆60° N附近广阔的带状区域是冬季平均气温偏高（低）区，新疆正是处在该区域南部。比较而言，在冬季AO指数异常偏低年欧亚大陆气温偏低区域远远大于AO指数异常偏高年时对应的气温偏高区。可见，冬季北极涛动指数异常偏低时的影响范围更加广泛。还能看出，无论是在AO指数异常偏高还是偏低年，欧亚范围内气温异常区域的南部边界均呈具有类似的纬向分布不均匀特征，即在东亚更偏南，而在西亚、中亚范围略偏北。

3　冬季AO指数异常与新疆气温关系

3.1冬季AO指数与新疆气温相关分析

上节中分析了欧亚范围内冬季气温在AO指数异常偏高（低）年的不同响应特征。从中可发现，新疆都在响应区域的南部临界区。那么，冬季北极涛动年际变化与新疆同期气温之间有什么更加细致的关联关系？计算了1961—2013年冬季AO指数与新疆96站同期平均气温的相关系数，结果见表1和图4。

由表1可见，冬季AO指数与新疆96站同期平均气温的相关系数通过0.10、0.05和0.01显著性水平检验的测站数分别为51站、41站和22站，占96站总数的53.1%、42.7%和22.9%。结合图4可发现，通过0.01显著性水平检验的测站主要分布在北疆和南疆吐鄯托盆地，高相关区域基本连片分布。在新疆96站中，相关系数最大的3个测站依次为北疆北部阿勒泰地区的哈巴河（0.542）、布尔津（0.515）和阿勒泰市（0.474）。在冬季AO指数异常偏高年，新疆偏北大部分地区同期气温偏高，反之亦然。

图2　冬季AO指数异常偏高年（a）与异常偏低年（b）的同期500 hPa位势高度距平合成图

图3　冬季AO指数异常偏高年（a）与异常偏低年（b）欧亚地表气温距平合成图

表1　1961—2013年冬季AO指数与新疆同期气温高相关站数百分率

图4　冬季AO指数与新疆同期平均气温相关系数分布图

3.2冬季AO指数异常与新疆同期气温异常级概率分布

将冬季AO指数与新疆同期平均气温之间的相关系数通过0.05显著性水平检验的41站定义为新疆冬季气温与AO指数的高相关区域。选取高相关区域41站进一步分析在AO指数异常偏高（低）年区域内各站气温出现异常等级的概率，结果见表2。53 a中41站总样本数为2173，冬季气温偏高、偏低的概率分别为52.8%和45.2%，距平等于0的概率占2.0%，冬季气温异常偏高、异常偏低的概率分别为33.3%和28.1%，基本上呈正态分布。

表2　冬季AO指数异常偏高（低）年新疆高相关区域41站同期气温异常等级百分率

在冬季AO指数异常偏高的7 a，41站样本数为287。气温偏高、偏低的概率分别为93.0%与6.3%，气温偏高的概率极高。与53 a样本结果比较，气温偏高的概率增大了40.2%，而偏低的概率减小了38.9%；异常偏高的概率则增大了44.6%，异常偏低的概率减小了25.7%。在冬季AO指数异常偏高的7 a中，其中5 a达到100%。在冬季AO指数异常偏低的14 a，41站样本数为574。气温偏高、偏低的概率分别为41.5%和56.1%，气温偏低的概率明显偏高。与53 a样本结果比较，气温偏高的概率减少了11.3%，而偏低的概率增大了10.9%；异常偏高的概率减少了10.0%，异常偏低概率增加了12.7%。

高相关区域41站中，冬季AO指数异常偏高与新疆北部地区气温偏高的关联更为密切。这种情况与我国东部地区有所不同。有研究发现[16]，我国冬季极端气温对北极涛动变化有明显的响应，在AO指数异常偏低年份，最高气温与最低气温的响应都更强烈。

3.3冬季AO指数异常年新疆气温变化的空间分布差异

计算冬季AO指数异常偏高与偏低年新疆96站平均气温差异的显著性T检验，结果见表3和图5。可见，在冬季AO指数异常偏高7 a与异常偏低14 a之间，全疆96站中冬季平均气温的差异通过0.05显著性水平检验的台站占84.4%（表3），涵盖了新疆大部分区域，而北疆区域、吐鄯托及塔里木盆地北部的差异特征更为突出（图5a）。

表3 冬季AO指数异常偏高、偏低年同期平均气温差值显著性检验

冬季AO指数异常偏高7 a与53 a样本之间的冬季平均气温的差异通过0.05显著性水平检验的台站占86.5%（图5b）。冬季AO指数异常偏低14 a 与53 a样本之间的冬季平均气温的差异通过0.05显著性水平检验的台站占13.5%，仅分布于伊犁河谷西部、塔城北部及阿勒泰地区（图5c）。

比较冬季平均气温差异通过0.05显著性水平检验的测站比率及分布，冬季AO指数异常偏高7 a 与53 a的结果比AO异常偏低14 a与53 a的测站比率高出73%。可见，在冬季AO指数异常偏高与异常偏低年，新疆冬季气温的响应程度是不对称的，冬季气温对北极涛动指数异常偏高时的响应更加强烈。

4　冬季AO指数异常偏高（低）影响新疆气温的可能成因

新疆位于欧亚大陆腹地，纬度较高，冬季北方冷空气活动频数以及强度是影响新疆气温异常的主要因素。已有研究成果指出冬半年影响新疆的寒潮活动路径主要有4条，分别是西方路径、西北路径、北方路径和超极地路径（东北方），以西北路径最频繁[17-18]。在冬季AO指数异常偏高7 a和偏低14 a，对应的850 hPa合成距平风场上能否寻找到影响新疆冷空气活动路径的相关信息？

由图6a可见，在冬季AO指数异常偏高7 a合成的850 hPa距平风场上，在60°N的西伯利亚东部有一个距平反气旋中心，从中西伯利亚到西西伯利亚广阔区域都是南风距平区，新疆的西北、正北以及东北方位的冷空气入侵通道区域都是南风距平区。在这种季节尺度环流背景下，冬季南下影响新疆的冷空气或者次数偏少，或者强度偏弱，新疆冬季气温偏高的范围增大，包括南疆大部分地区在内，但是北疆地区这种气温变化的响应程度更加显著。

由图6b可见，冬季AO指数异常偏低14 a合成的850 hPa距平风场上，在60°N的西西伯利亚地区有一个距平气旋中心，西西伯利亚广大区域都在北风距平控制下，新疆的西北方与北方的冷空气入侵通道区域都是北风距平区。在这种季节尺度环流背景下，冬季会出现更多次数的冷空气南下入侵新疆，或者入侵新疆的冷空气强度更强，导致新疆冬季气温偏低的概率增大。

图5　冬季AO不同异常年份之间新疆冬季平均气温差异T检验图

图6　冬季AO指数异常偏高年（a）与偏低年（b）850 hPa风场距平合成图

在冬季AO指数异常偏高与异常偏低年，新疆冬季气温的响应程度是不对称的，这与新疆特殊地形有关系。在AO指数异常偏高时，环流形势上不利于北方冷空气活动入侵新疆，因此新疆冬季气温偏高的范围更大。而在冬季AO指数异常偏低时，虽然环流形势上有利于北方冷空气活动入侵新疆，但是受天山山脉阻挡，冷空气在入侵北疆后很难长驱直入影响南疆，只是在后期会沿塔里木盆地向东的开口地形以“东灌”方式进入南疆，影响天山以南的哈密盆地、吐鄯托盆地等塔里木盆地东北部地区。因此，在冬季AO指数异常偏低年，冬季气温偏低的区域主要在北疆和天山南麓偏东区域，全疆整体而言，冬季温度的变化响应相对较弱。

另外，南疆地区冬季气温异常偏低还可能受青藏高原以及中纬度西风带上环流系统的共同作用影响，不完全受北极涛动变化调控，但是其关系有待于进一步深入研究探讨。

4　结论

（1）1961—2013年，冬季北极涛动指数出现了7 （14）a异常偏高（低）年。在冬季北极涛动指数异常偏高（低）年，欧亚大陆60°N附近区域是冬季气温偏高（低）区，该气温异常区域南界的纬向分布不均匀，在东亚更偏南，在中亚、西亚略偏北。新疆位于该区域南部边缘。

（2）冬季北极涛动指数与新疆大部分地区冬季气温呈显著正相关。全疆有41站冬季气温与AO指数的相关系数通过0.05显著性水平检验，占96站总数的42.7%，主要分布在北疆和南疆吐鄯托盆地，高相关区域基本连片分布。在新疆96站中，相关系数最大的3个测站依次为北疆北部阿勒泰地区的哈巴河（0.542）、布尔津（0.515）和阿勒泰市（0.474）。

（3）新疆有41站冬季气温与AO指数呈显著正相关，53 a的41站冬季气温偏高、偏低概率分别为52.8%和45.2%，偏高概率略大，基本上呈正态分布。在冬季AO指数异常偏高的7 a，41站冬季气温偏高、偏低概率分别为93.0%与6.3%，偏高概率极大。在冬季AO指数异常偏低的14 a，41站冬季气温偏高、偏低概率分别为41.5%和56.1%，偏低概率明显增大。冬季AO指数异常偏高时新疆北部地区气温偏高的响应更显著，与我国东部地区有所不同。

（4）在冬季AO指数异常偏高年，同期850 hPa距平风场上，新疆的西北、正北以及东北方位的冷空气入侵通道区域都是南风距平区，不利于冷空气频繁南下影响新疆，冬季影响新疆的冷空气或者次数偏少，或者强度偏弱，新疆冬季气温偏高的范围增大。在冬季AO指数异常偏低年，同期850 hPa距平风场上，新疆的西北方与北方的冷空气入侵通道区域都是北风距平区，有利于冬季冷空气更为频繁地南下入侵新疆，或者入侵新疆的冷空气强度更强，导致新疆冬季气温偏低的概率增大。

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Relationship Between the Winter Arctic Oscillation Anomaly and Air Temperature Change in Xinjiang

HUANG Ling1，2，MAO Weiyi1，3，LIU Hongxia3，4
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Hutubi Meteorological Bureau，Hutubi 831200，China；3.Center for Central Asian Atmosphere Science
Research，Urumqi 830002，China；4.Xinjiang Meteorological Bureau，Urumqi 830002,China）

Based on the Arctic Oscillation（AO）index，monthly mean air temperature data at 96 meteorological stations and the National Centers for Environment Prediction（NCEP）-National Center for Atmospheric Research（NCAR）reanalysis circulation dataset during 1961-2014 in Xinjiang,the relationship between the AO index and the air temperature and its influence in Xinjiang was analyzed.The results show that the winter AO index was well related to the air temperature in Xinjiang,and 42.7%of total stations could pass the 95%significant confidence test, especially concentrated in northern Xinjiang.In the seven years of high AO index,the probability of positive（negative）temperature anomaly was 93%（6.3%）.In the fourteen years of low AO index, the probability of positive（negative）temperature anomaly was 41.5%（56.1%）,and the later was more than the former.When the AO index high,the anomalous south wind was prevailing over Xinjiang at 850 hPa,which was unfavorable for cold air moving from high latitude into Xinjiang,so it become warmer in winter in Xinjiang.On the contrary,the low AO index corresponding to anomalous north wind over Xinjiang,so it become colder in winter in Xinjiang.

AO；temperature anomaly；winter；Xinjiang

P461

A

1002-0799（2016）04-0047-06

2015-04-07；

2016-05-14

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IDM201502）“新疆区域降温过程及极端低温事件的年、季定量评估研究及应用”、新疆气象局科研课题（MS201415）共同资助。

黄玲（1977-），女，工程师，主要从事气象观测与预报工作。E-mail：964962975@qq.com

毛炜峄，E-mail：mao6991@vip.sina.com