欧亚持续性阻塞对6月大兴安岭地区气温和降水的影响及气温的前兆信号研究

张博 于超 黄威 陈传雷

(1.国家气象中心，北京 100081； 2.辽宁省气象灾害监测预警中心，辽宁 沈阳 110166)

引言

森林是地球上重要生态系统之一，能够调节气候、保持水土、防止和减轻旱涝、风沙、冰雹等自然灾害。位于内蒙古东北部及黑龙江西北部的大兴安岭是中国最重要的林区，也是森林火灾的重灾区。森林火灾不仅会破坏林中植被覆盖度和碳元素的储备量，改变大气成分，严重时还将导致林中植被结构和生物物种的改变，给人类生命财产安全带来威胁[1-2]。

已有研究指出，在一定的地理条件下，气温持续偏高、降水偏少、空气干燥等均为发生森林火灾的有利气象条件。在全球气候变暖背景下，杨素英和王谦谦[3]研究表明中国东北地区是中国夏季升温最显著的地区之一；东北地区北部冬季增暖显著南部地区冬夏均较为明显[4]。李辑和龚强[5]分析发现，1951—2003年中国东北地区夏季升温趋势达到0.15 ℃/10 a，远超过全球、北半球、东北亚夏季的增暖程度。东北地区夏季增暖的同时，湿度条件也伴随着显著变化；王海梅等[6]通过湿润度指数监测发现，自1998以来呼伦贝尔市湿润度呈显著下降趋势，其中大兴安岭岭西草原区湿润度下降更为显著。中国大兴安岭地区处于北半球中高纬度西风带系统控制区，西风带行星尺度环流系统对该地区夏季气温和降水的影响是气象工作者的研究热点之一[7-10]。针对中国东北地区夏季温度变化的机制问题，焦敏等[11]发现辽宁上空异常反气旋是该地区2018年夏季异常高温干旱的局地环流成因，准定常Rossby波能量频散导致的EAP/PJ型和EU型遥相关的形成和维持是西太平洋副热带高压异常发展的直接原因。苏丽欣等[12]通过研究亚洲阻塞流型与东北区夏季低温事件关系发现，巴尔喀什湖和贝加尔湖为高度场正异常时，中国东北区的中西部和长白山东部易出现冷夏。

目前对中国大兴安岭地区气温和降水的研究主要着眼于其气候态的分布特征，而中纬度阻塞形势尤其是阻塞事件发生频率对该地区气温和降水的影响研究较少，本文将利用Liu等[13]开发的追踪500 hPa持续性高值事件(即包含闭合阻塞高压又包括开放式高压脊)方法，探讨远东地区夏季500 hPa持续性高值事件的气候特征以及其对中国大兴安岭地区气温和降水影响，并寻找6月大兴安岭地区气温的前期预报指标。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用资料均为NCEP/NCAR再分析资料，包括逐日500 hPa高度场，水平分辨率为2.5°×2.5°；月平均500 hPa垂直速度、850 hPa风场和温度场，水平分辨率为2.5°×2.5°；逐日气温场，该要素为高斯格点分布。文章所用数据均为1979—2019年，夏季是指6—8月。文中大兴安岭地区是指范围为45°—55°N，115°—130°E的区域。气温是指地表气温。

1.2 PMZ和FOPE定义

对于500 hPa持续高值事件(简称为PMZ事件)追踪的方法采用的是Liu等[13]所开发的500 hPa持续性高压脊及阻塞高压系统追踪方法。利用该方法Zhang等[14]开展了欧亚地区持续性阻塞事件对中国东部8月降水的影响及其前兆信号的追踪工作。追踪PMZ事件的步骤和标准如下：首先，识别涡度距平局地最大值的中心位置，且要求与之相邻格点的位势高度均大于100 GPMs，与最大值之差小于20 GPMs；对同一个持续性高值事件而言，相邻两个时次涡度距平中心区至少存在一个交叉的网格点，且相邻两日的中心位置移动距离小于10个经度；持续性高值事件可维持4 d或者更长时间，直至无连续中心，持续天数达到2 d也可满足标准。

文中FOPE的定义方式如下：如果一日内某个网格点上出现PMZ事件，则该网格点记录1次/d。如果持续性PMZ事件占用网格点n天，则此网格点记录n次/d，如果某个PMZ事件消失或离开此网格点，而另一个PMZ事件发生或开始控制此网格点，则需要累加后一个PMZ事件的n次/d，持续性PMZ事件必须累加所选区域内整个生命史中出现的次数。计算某个区域内网格点上出现的次数平均值即可计算出FOPE，因此，区域平均FOPE反映了PMZ事件控制该区域的持续时间。

2 结果分析

2.1 夏季FOPE与大兴安岭地区同期气温

2.1.1 FOPE的气候态分布

通过计算1979—2019年欧亚地区春、夏、秋和冬季PMZ事件发生格点的频率分布可知(图1)，远东地区PMZ事件在夏季发生的频率与春、秋和冬季(图略)相比有明显升高，超过6%的区域自欧洲向东延伸至140°E附近。春季和秋季远东地区PMZ事件罕有发生，冬季在亚洲大陆北部PMZ事件发生频率超过3%。由此可见，远东地区夏季PMZ事件发生频率较春、秋和冬季明显升高，基于此，本文围绕该地区夏季PMZ事件对大兴安岭地区同期气温的影响展开讨论。

图1 1979—2019年夏季500 hPa持续性高值事件发生频率分布Fig.1 Frequency distribution of persistent high-value events of persistent blocking and ridge events at 500 hPa in summer from 1979 to 2019

2.1.2 FOPE和大兴安岭地区夏季气温的相关关系

1979—2019年大兴安岭地区夏季和6月气温与30°—50°E至130°—150°E FOPE间隔5个经度的滑动相关系数见图2。夏季和6月105°—125°E地区的FOPE与大兴安岭地区同期气温的相关系数最高，通过了0.001的显著性水平。也就是说，105°—125°E地区是夏季和6月大兴安岭地区气温与同期FOPE关系最为密切的地区。

图2 1979—2019年夏季(a)和6月(b)大兴安岭气温指数与30°—50°E至130°—150°E FOPE相关系数变化Fig.2 Variations of the 5-longitude sliding correlation coefficient between the Great Khingan Strip temperature and the FOPE from the 30°-50°E to 130°-150°E regions during summer (a) and June (b) for the period 1979-2019

伴随东亚季风向北推进的进程，“七下八上”东北地区进入主汛期[15]。为了更好的了解FOPE异常对大兴安岭地区气温的影响，105°—125°E地区FOPE与6月、7月和8月气温的关系见图3b至图3d。大兴安岭地区6月出现显著正相关(图3b)，与夏季基本一致(图3a)。6月5°滑动相关分析还表明，大兴安岭地区气温与105°—125°E地区的FOPE相关系数最高(图2b)，与夏季的相关结果一致(图2a)。105°—125°E地区FOPE与大兴安岭地区气温的相关性主要集中在6月，而不是7月和8月。也就是说，105°—125°E的FOPE与夏季大兴安岭地区气温关系密切，主要是由于6月存在高相关(图3b)。因此，6月105°—125°E地区FOPE和大兴安岭地区同期气温的关系是本文讨论的重点。

1979—2019年6月105°—125°E地区FOPE和同期大兴安岭地区气温指数时间序列分布见图4，由图4可知二者存在相似的变化趋势，相关系数为0.57，超过了0.001的显著性水平。

阴影区超过0.05的显著性水平区域图3 1979—2019年夏季(a)、6月(b)、7月(c)、8月(d) 105°—125°E FOPE和中国东部同期气温相关分布Fig.3 Distributions of correlation coefficients between FOPE from 105°-125°E and the corresponding air temperature in eastern China in summer (a),June (b),July (c),and August (d) during 1979-2019

图4 1979—2019年6月105°—125°E FOPE与同期大兴安岭气温指数时间序列Fig.4 Variations of time series of FOPE from 105°- 125°E and the corresponding air temperature in the Greater Khingan Mountains during 1979-2019

为了进一步说明105°—125°E高、低FOPE年对应大兴安岭地区的异常气温，进行合成分析。选取105°—125°E地区FOPE持续时间超过9 d的为高指数年(1985年、1986年、1987年、2001年、2010年、2011年、2017年、2018年和2019年)，持续时间少于2 d的为低指数年(1984年、1989年、1991年、1996年、1998年和2006年)。通过计算高、低指数年合成的6月气温差值(图略)，采用0.05的显著性水平的t检验考察差值特征，得出中国华北和东北地区西部为大范围的正差值区，并超过了0.05的显著性水平，表示该地区气温偏高，其中最大气温差值超过3 ℃。以上分析表明，根据高、低指数年合成的气温差值可以反映6月105°—125°E地区FOPE与同期大兴安岭地区气温的变化。

上述结果表明，在欧亚大陆的所有PMZ事件中，105°—125°E区域的PMZ事件似乎在夏季(特别是6月)与大兴安岭地区气温的关系较为显著。

2.1.3 异常大气环流特征

1979—2019年6月105°—125°E FOPE与500 hPa高度场在蒙古国至中国华北和东北一带存在显著的正相关中心(图5a)，表明该地区位势高度偏高时105°—125°E区域内易出现PMZ事件。伴随500 hPa异常高压系统控制，贝加尔湖及其以东地区对流层低层存在以内蒙古东北部为中心的异常反气旋性环流(图5d)，中国东北地区和内蒙古东北部存在显著的下沉气流(图5b)，受下沉增温的影响，上述地区气温易偏高。从850 hPa温度平流的相关分布可见(图5c)，受东北亚反气旋环流东侧偏北风及东北风的影响，在中国吉林东部、辽宁北部和内蒙古中东部出现冷平流区，对上述地区气温升高起到抑制作用。综上分析，由于受贝加尔湖至中国东北地区异常高压系统影响，对流层中低层存在异常反气旋，下沉增温及晴空辐射造成中国内蒙古至东北地区气温偏高，但由于东北地区中南部受高压系统东南侧冷平流的影响，升温效应受到抑制。

阴影区表示超过了0.05的显著性水平图5 1979—2019年6月105°—125°E FOE与同期500 hPa高度场(a)、500 hPa垂直速度(b)、 850 hPa温度平流(c)和850 hPa风场(d)的相关分布Fig.5 Distributions of the correlation coefficient of FOPE from 105°-125°E with geopotential heights (a),vertical velocity (b) at 500 hPa，temperature advection (c),and wind (d) at 850 hPa during June for the period 1979-2019

由以上分析可知，北半球105°—125°E地区PMZ事件可以造成内蒙古东北部以及黑龙江西北部气温偏高，该事件对上述地区降水的影响本文也进行分析。图6为1979—2019年6月105°—125°E FOPE与同期850 hPa相对湿度场(图6a)以及降水量(图6b)的相关分布。由图6可见，内蒙古东北部至黑龙江西北部存在相对湿度的负相关区，表明105°—125°E地区PMZ事件频发时大兴安岭地区对流层低层相对湿度条件较差，配合对流层中低层反气旋性环流系统以及下沉运动，不利于内蒙古东北部至黑龙江西北部出现明显的降水。由图6b可以印证这一结论，降水的负相关区出现在内蒙古东北部至黑龙江西北部，即105°—125°E地区PMZ事件频发时该地区降水较常年同期偏少。

阴影区表示超过了0.05的显著性水平图6 1979—2019年6月105°—125°E FOPE与同期850 hPa相对湿度(a)、降雨量(b)的相关分布Fig.6 Distributions of the correlation coefficient of FOPE from 105°-125°E with relative humidity (a) and precipitation (b) at 850 hPa during June for the period 1979-2019

105°—125°E地区FOPE持续时间超过9 d的年份定义为高指数年(共9 a)、持续时间少于2 d定义为低指数年(共6 a)。由图7可见，高指数年中国气温距平呈现北正南负分布型，中国华北到东北一带均为气温正距平区，内蒙古东北部至黑龙江北部气温正距平超过1 ℃，中国黄淮及其以南地区为负距平区(图7a)。结合同期降水距平百分率(图7c)可知，中国长江以南地区降水偏多，而以北地区降水偏少。低指数年，气温距平为北负南正(图7b)，中国东北及华北地区降水显著偏多，大兴安岭地区降水距平百分率超过40%(图7d)。由图8可知，高指数年(图8a)，贝加尔湖至中国东北地区为850 hPa距平反气旋式环流，西北太平洋副热带高压较常年同期偏弱，不利于来自南海及西北太平洋的水汽向北方输送，动力及水汽条件均不利于大兴安岭地区出现明显降水。低指数年(图8b)，西北太平洋副热带高压异常偏强，贝加尔湖至中国东北地区为850 hPa距平气旋式环流，来自于低纬度的水汽沿西北太平洋副热带高压外围向北输送，低层辐合动力抬升的增强配合来自低纬的水汽输送，大兴安岭地区降水较常年同期偏多。

气温距平单位为℃;降水距平百分率单位%图7 1979—2019年6月105°—125°E FOPE高指数年(a)、低指数年(b)合成的气温距平和高指数年(c)、低指数年(d)合成的降水距平百分率Fig.7 Composite analyses of the temperature anomalies of high (a) and low (b) index years and precipitation anomaly percentage in high (c) and low (d) index years of FOPE from 105° -125°E during June for the period 1979-2019

图中阴影单位为10 gpm；风矢量单位为m·s-1图8 1979—2019年6月105°—125°E FOPE 高指数年(a)、低指数年(b)合成的500hPa高度距平和850hPa风场距平Fig.8 Composite analysis of the geopotential height anomalies at 500 hPa and wind anomalies at 850 hPa in high (a) and low (b) index years of FOPE along 105°-125°E during June for the period 1979-2019

2.2 6月大兴安岭地区气温的预报指标

1979—2019年6月大兴安岭地区气温与5月500 hPa高度场的相关分析表明，里海至巴尔喀什湖存在显著正相关区(图9)。该前期信号表明，5月上游环流场的异常变化可引起6月大兴安岭地区气温的异常变化。根据图9选取5月中亚两河流域(35°—50°N，60°—80°E)区域平均位势高度定义为6月大兴安岭气温的前期预报指标IMA。5月预报指标IMA与6月大兴安岭气温的相关系数为0.33，超过了0.05的显著性水平(图10)，表明5月预报指标IMA与6月大兴安岭地区气温的年际变化具有较好的一致性。

阴影区表示超过了0.05的显著性水平图9 1979—2019年6月大兴安岭地区气温与前期5月500 hPa高度场相关分布Fig.9 Distribution of the correlation coefficient of geopotential heights at 500 hPa in May with temperature in the Great Khingan Strip during June for the period 1979-2019

图10 1979—2019年5月预报指标IMA与6月大兴安岭气温指数时间序列Fig.10 Variation of time series of height index IMA in May and temperature indices in June during 1979-2019

图11为5月1—20日IMA在次季节尺度上与不同时间段500 hPa高度场的相关分布，中亚两河流域高度异常可从5月1—20日持续到6月12—30日。从5月1—20日至6月12—30日，中亚两河流域位势高度异常存在先向东北方向再向东南方向传播的特点。即当中亚两河流域5月位势高度场偏高(低)时，6月贝加尔湖以东地区位势高度偏高(低)，对应大兴安岭地区同期气温偏高(低)。

阴影区表示超过了0.05的显著性水平图11 5月1—20日IMA与5月1—20日(a)、5月12—31日(b)、5月22日至6月10日(c)、6月1—20日(d)、6月12—30日(e) 500 hPa高度场的相关分布Fig.11 Correlation distributions of IMA with geopotential heights at 500 hPa on May 1-20 (a),12-31 (b), May 22 to June 10 (c),June 1-20 (d),12-30 (e)

3 结论与讨论

(1)欧亚地区105°—125°E区域内PMZ事件与中国夏季尤其是6月大兴安岭地区气温关系最为紧密。

(2)由于受贝加尔湖至中国东北地区异常高压系统影响，对流层中低层存在异常反气旋，下沉增温及晴空辐射造成中国内蒙古至东北地区气温偏高，但由于东北地区中南部受高压系统东南侧冷平流的影响，升温效应受到抑制。

(3)105°—125°E地区 PMZ事件频发时大兴安岭地区对流层低层相对湿度条件较差，配合对流层中低层反气旋性环流系统以及下沉运动，不利于内蒙古东北部至黑龙江西北部出现明显的降水，即105°—125°E地区PMZ事件频发时大兴安岭地区降水较常年同期偏少。

(4)通过典型年合成分析发现，高指数年，贝加尔湖至中国东北地区为850 hPa距平反气旋式环流，西北太平洋副热带高压较常年同期偏弱，不利于来自南海及西北太平洋的水汽向北方输送，动力及水汽条件均不利于大兴安岭地区出现明显降水。低指数年，西北太平洋副热带高压异常偏强，贝加尔湖至中国东北地区为850 hPa距平气旋式环流，低层辐合动力抬升的增强配合来自低纬的水汽输送，大兴安岭地区降水较常年同期偏多。

(5)陈海山等[8]研究表明，西亚地区春季陆面异常增暖能引起初夏贝加尔湖附近地区反气旋性异常环流，导致东北初夏降水减弱。本文研究发现，5月中亚两河流域位势高度可作为6月大兴安岭地区气温的前期预报指标，当中亚两河流域5月位势高度场偏高(低)时，6月贝加尔湖以东地区位势高度偏高(低)，对应大兴安岭地区同期气温偏高(低)。本文得到的预报指标与陈海山等[8]的研究成果相似，将在中长期预报业务中应用和检验。