2020/2021年冬季黑龍江省氣溫異常成因分析

劉玉嬌 ，于 璐 ，馮 娟 ，班 晉 ，趙佳瑩

（1.牡丹江市氣象局，黑龍江 牡丹江 157000；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；3.綏芬河市氣象局，黑龍江 牡丹江 157300）

1 引言

在全球氣候變暖的大背景下， 中國(guó)氣溫增溫速率與全球基本保持一致， 但不同區(qū)域?qū)夂蜃兣捻憫?yīng)并不一致，具有明顯的區(qū)域和季節(jié)差異[1-3]。 東北地區(qū)冬季是中國(guó)變暖最明顯的區(qū)域之一， 但劉實(shí)等研究發(fā)現(xiàn)，從90s年代起，東北冬季異常冷、暖事件明顯增多， 冬季氣溫異常變化對(duì)生態(tài)環(huán)境及人們的日常生活造成嚴(yán)重影響[4-6]。

黑龍江省地處中高緯亞洲東岸， 是我國(guó)距離北極最近的省份，氣候具有多變性，各項(xiàng)環(huán)流因子的影響亦具有不確定性。 特別是近十年來，異常冷暖氣候事件發(fā)生頻率增高， 且區(qū)域特征表現(xiàn)明顯， 例如2009/2010、2013/2014和 2017/2018年冬季， 在全國(guó)大部地區(qū)是暖冬的時(shí)候， 黑龍江省則發(fā)生冷冬[7-9]；2018/2019年全國(guó)大部地區(qū)氣溫明顯偏低，而黑龍江省氣溫卻異常偏暖[10]。

2020/2021年冬季全國(guó)氣溫表現(xiàn)為暖冬，而黑龍江省大部地區(qū)氣溫較常年同期偏低。 本文對(duì)造成2020/2021年冬季黑龍江省氣溫異常的成因進(jìn)行分析， 找出相關(guān)影響因子， 以期為未來的冬季氣溫預(yù)測(cè)，提供一定的參考。

2 資料和方法

本文選用1961/1962-2020/2021年冬季黑龍江省連續(xù)性較好的71個(gè)氣象觀測(cè)站逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由黑龍江省氣候中心提供。 500 hPa 大氣環(huán)流場(chǎng)來自國(guó)家氣候中心的 “氣候與氣候變化監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”， 各項(xiàng)環(huán)流特征量來自國(guó)家氣候中心提供的130項(xiàng)環(huán)流指數(shù)數(shù)據(jù)集，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。 東亞冬季風(fēng)指數(shù)采用朱艷峰（2008）定義。

文中使用的氣候均值為1981-2010年。 文中提到的前冬為當(dāng)年12月，后冬為翌年1-2月。 利用統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)系數(shù)法和顯著性檢驗(yàn)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 2020/2021年冬季氣候特征分析

2020/2021年冬季黑龍江省表現(xiàn)為 “前冬暖、后冬冷”的氣候特征。 全省平均氣溫為-17.5 ℃，較常年同期（-17.1 ℃）低 0.4 ℃。從空間分布看（圖略），呈現(xiàn)“南北低、中間高”的分布特征，其中新林、呼瑪、木蘭偏低2 ℃以上。 季節(jié)內(nèi)大氣環(huán)流調(diào)整明顯，冷空氣活動(dòng)頻繁，出現(xiàn)明顯低溫時(shí)段（圖1），如2020年12月27日-2021年1月9日平均氣溫為-23.3 ℃，比歷史同期低 3.8 ℃；1月16-19日平均氣溫為-23.4 ℃，比歷史同期低 3.2 ℃；1月28-30日平均氣溫為-24.7℃，比歷史同期低 6.3 ℃。

圖1 2020/2021年冬季黑龍江省逐日氣溫距平和日平均氣溫變化圖

3.2 2020/2021年冬季氣溫變化主要成因分析

3.2.1 500 hPa 大氣環(huán)流形勢(shì)

2020/2021年冬季， 北半球極渦為偶極型分布（圖2a）， 兩個(gè)中心分別位于加拿大北部和鄂霍次克海附近，其中鄂霍次克海附近的極渦處于負(fù)距平，強(qiáng)度偏強(qiáng)。 歐亞中高緯大氣環(huán)流形勢(shì)為“兩槽一脊”型，亞洲中高緯地區(qū)和歐洲西部受高空槽控制， 烏拉爾山至歐洲東部為高壓脊控制。 東亞大槽位置偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)。 中高緯環(huán)流經(jīng)向度大， 利于引導(dǎo)冷空氣南下。季節(jié)內(nèi)大氣環(huán)流形勢(shì)調(diào)整較明顯（圖略）。12月初歐亞中高緯為“兩槽兩脊”形勢(shì)，烏拉爾山高壓脊向北延伸發(fā)展，形成阻塞高壓，黑龍江省轉(zhuǎn)為正高度距平， 旬內(nèi)氣溫偏高。 隨后環(huán)流形勢(shì)調(diào)整為 “兩槽一脊”，東亞大槽強(qiáng)度偏強(qiáng)、位置偏西，黑龍江省上空轉(zhuǎn)為負(fù)高度距平，亞洲中高緯呈“西高東低”分布特征，中高緯環(huán)流經(jīng)向度較大，冷空氣南下頻繁。 2月極渦和東亞大槽強(qiáng)度減弱，環(huán)流經(jīng)向度減弱，影響黑龍江省地區(qū)的冷空氣亦減弱。

圖2 (a)2020/2021年北半球冬季500 hPa 平均高度場(chǎng)及(b)相似年高度合成場(chǎng)

為了更好地了解黑龍江省表現(xiàn)為區(qū)域性冷冬時(shí)大氣環(huán)流形勢(shì)特征，選取2000年以來，全國(guó)冬季表現(xiàn)為暖冬，而黑龍江省氣溫卻偏低的年份，共計(jì)5 a，并對(duì)500 hPa 高度場(chǎng)進(jìn)行合成。 由圖2 b 可以看出，在黑龍江省表現(xiàn)為區(qū)域性冷冬時(shí)， 歐亞中高緯地區(qū)表現(xiàn)為“兩槽一脊”的環(huán)流形勢(shì)，亞洲中高緯為負(fù)高度距平， 北極地區(qū)為正高度距平， 東亞大槽位置偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)。 在我國(guó)區(qū)域內(nèi)則表現(xiàn)為“北負(fù)南正”的分布特征。 2020/2021年冬季與合成年環(huán)流形勢(shì)相似，可見，黑龍江省冬季氣溫變化與大尺度環(huán)流背景有關(guān)。

3.2.2 北極濤動(dòng)（AO）

AO 是北半球中高緯度大氣環(huán)流變化的主要模態(tài)。 有研究表明，AO 與東北冬季氣溫年際異常存在較明顯的相關(guān)關(guān)系， 但兩者的關(guān)系又不是一成不變的[11-13]。 當(dāng)AO 為負(fù)位相時(shí)，北極冷空氣易南下，東北地區(qū)溫度偏低[14]。

通過對(duì)AO 指數(shù)與黑龍江省冬季氣溫進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)AO 指數(shù)與冬季氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù) 0.425，通過 0.001 置信度檢驗(yàn)。 季節(jié)內(nèi)，AO 對(duì)各月氣溫均有一定的影響，但對(duì)后冬的影響較明顯，相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.433。 2020/2021年冬季 AO 總體偏弱 （圖3），季節(jié)內(nèi)前冬和后冬也均表現(xiàn)為負(fù)位相，但氣溫表現(xiàn)卻不一致，可見AO 對(duì)黑龍江省氣溫的影響總體表現(xiàn)較一致，但季節(jié)內(nèi)氣溫變化還受其它因子影響。

圖3 1961/1962-2020/2021年冬季AO 標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)時(shí)間序列圖

3.2.3 北半球極渦面積

極渦體現(xiàn)了中高緯大氣環(huán)流的形勢(shì)， 在很大程度上反映了冷空氣活動(dòng)情況，當(dāng)極渦面積偏大時(shí)，極地冷空氣活動(dòng)頻繁， 中國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫易偏低[15]。于梅針對(duì)黑龍江省氣溫與北半球極渦做了相關(guān)研究， 表明黑龍江省的溫度變化隨極渦面積擴(kuò)大而降低，隨極渦面積縮小而升高[16]。

分別對(duì)1961/1962-2020/2021年黑龍江省冬季、前冬和后冬氣溫與北半球極渦面積指數(shù)做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)， 極渦面積指數(shù)與冬季及后冬氣溫的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為-0.476、-0.524，均通過 0.001 的顯著性檢驗(yàn)，而與前冬的相關(guān)性則不明顯，相關(guān)系數(shù)只有-0.163，未通過顯著性檢驗(yàn)。

2020/2021年黑龍江省后冬極渦面積較常年偏大（圖4），黑龍江省氣溫偏低，可見北半球極渦面積變化是影響黑龍江省冬季氣溫因子之一。

圖4 1961/1962-2020/2021年冬季1-2月北半球極渦面積標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)與氣溫距平時(shí)間序列圖

3.2.4 東亞冬季風(fēng)（EAWM）活動(dòng)特征

東亞冬季風(fēng)是影響我國(guó)冬季氣候的重要因子，房一禾[17]認(rèn)為年際尺度上EAWM 適合描述東北中、北部冬季氣溫， 西伯利亞高壓適合描述東北南部冬季氣溫變化。

劉實(shí)等人研究表明，EAWM 與東北地區(qū)冬季氣溫在年際和年代際尺度上均有十分顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，年際尺度更為顯著（相關(guān)系數(shù)-0.663）[6]。 對(duì) 1961/1962-2020/2021年黑龍江省冬季氣溫與EAWM 強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析得：兩者呈反相關(guān)變化，相關(guān)系數(shù)為-0.366（α=0.01），即在東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)，黑龍江省氣溫易偏低。 2020/2021年冬季，EAWM 強(qiáng)度雖總體偏弱，但季節(jié)內(nèi)強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換階段性特征較明顯。 12月6 候-1月2 候EAWM 強(qiáng)度異常偏強(qiáng)，黑龍江省平均氣溫較常年低3.5 ℃，為1961年以來歷史第7 位；2月2 候-4 候EAWM 強(qiáng)度明顯偏弱，黑龍江省平均氣溫較常年高1.9 ℃，為1961年以來歷史第9 位。可見季節(jié)內(nèi)EAWM 強(qiáng)度階段性演變，是影響黑龍江省冬季氣溫階段性變化的因子之一(圖5)。

圖5 2020/2021年冬季EAWM 逐候指數(shù)距平時(shí)間序列

3.2.5 赤道中東太平洋海溫

根據(jù)世界氣象組織對(duì)赤道中東太平洋海溫監(jiān)測(cè)表明：2020年8月形成的拉尼娜事件已于2021年3月結(jié)束。

分析1981年以來秋冬季赤道中東太平洋海溫異常與黑龍江省冬季平均氣溫的關(guān)系（圖6），結(jié)果表明：當(dāng)海溫表現(xiàn)為厄爾尼諾暖事件時(shí)，冬季氣溫增暖0-1.0 ℃，后冬增暖 0-1.4 ℃；當(dāng)海溫表現(xiàn)為拉尼娜冷事件時(shí)，冬季氣溫偏冷 0-1.4 ℃，后冬偏冷 0-1.7 ℃。從空間分布來看，無論是厄爾尼諾或拉尼娜年，氣溫均自東北至西南方向逐漸增溫或降溫。

圖6 秋冬季海溫異常年冬季平均氣溫合成（厄爾尼諾事件：(a)冬季 12-2月，(b)后冬 1-2月；拉尼娜事件：(c)冬季 12-2月，(d)后冬 1-2月）

另外，通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：季節(jié)內(nèi)海溫異常年前冬暖或者冷的概率相等， 而后冬在厄爾尼諾年氣溫偏高的概率為67%， 拉尼娜年氣溫偏低的概率為60%。 2020/2021年黑龍江省冬季平均氣溫較常年低0.4 ℃，后冬較常年偏低1 ℃。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)歐亞中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”環(huán)流形勢(shì)，北極地區(qū)表現(xiàn)為正高度距平，東亞大槽位置偏西、偏強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流明顯，而我國(guó)區(qū)域內(nèi)500 hPa 高度場(chǎng)為“北低南高”的分布特征，此時(shí)黑龍江省亦出現(xiàn)區(qū)域性冷冬。

（2）AO 指數(shù)、北半球極渦面積及東亞冬季風(fēng)均與黑龍江省冬季氣溫變化有較好的相關(guān)關(guān)系。 當(dāng)AO呈負(fù)位相、極渦面積偏大、東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)有利于冷空氣南下，導(dǎo)致黑龍江省冬季氣溫偏低。

（3）秋冬季赤道中東太平洋海溫變化對(duì)黑龍江省冬季氣溫有一定影響， 特別是對(duì)后冬氣溫影響較明顯。 從空間分布圖上看，海溫異常年氣溫變化具有明顯的區(qū)域特征。