烏魯木齊市后冬氣候與亞洲極渦面積的相關(guān)分析

刁 平，刁曉蕓，姚麗花

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.第七師氣象局）

烏魯木齊市后冬氣候與亞洲極渦面積的相關(guān)分析

刁 平1，刁曉蕓1，姚麗花2

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.第七師氣象局）

本文利用1976—2013年的亞洲極渦面積指數(shù)資料，對(duì)烏魯木齊市天山區(qū)氣象局、米東區(qū)氣象局、達(dá)坂城區(qū)氣象局、小渠子氣象站、大西溝氣象站的2月平均氣溫、降水量作自然正交分解（EOF）進(jìn)行相關(guān)分析。分析結(jié)果表明，5個(gè)氣象局（站）的平均氣溫、降水量第1特征向量占總方差的百分比為91.7%和87.6%，第一空間場(chǎng)的分布表明，氣溫、降水量全區(qū)趨勢(shì)相同，后冬氣溫變化趨勢(shì)正處于小幅下降期。突變檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，1992年以后，大部分時(shí)期后冬暖，沒(méi)有突變。5個(gè)氣象局（站）平均氣溫第1特征相量時(shí)間系數(shù)與亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)距平相關(guān)系數(shù)為-0.624，表明氣溫偏高時(shí)，極渦面積減小，反之，氣溫偏低時(shí)，極渦面積增大。

后冬氣候；極渦面積；相關(guān)分析

烏魯木齊位于天山中部，東西最寬處約176 km，南北最長(zhǎng)處約231 km，面積約13 787.6 km2，境內(nèi)地勢(shì)南高北低，東北臨東天山主峰 -博格達(dá)峰，南依天山支脈天格爾山，西北毗鄰準(zhǔn)噶爾盆地。境內(nèi)最高山峰為南部天格爾峰，海拔4 558.7 m，東北部的博格達(dá)峰高5 445.0 m。由于5個(gè)氣象局（站）地勢(shì)差異很大，導(dǎo)致本地后冬氣候分布變化較大。我們對(duì)5個(gè)氣象局（站）2月平均氣溫、降水量距平作自然正交分解（EOF），用方差貢獻(xiàn)分析氣溫、降水量空間趨勢(shì)，再用時(shí)間系數(shù)分析歷史趨勢(shì)，并通過(guò)突變檢測(cè)分析突變時(shí)期以及目前狀態(tài)，最后用時(shí)間系數(shù)與亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。

1 資料分析方法

利用烏魯木齊市氣象局1976—2013年的2月完整的5個(gè)國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)站、基本氣象站平均氣溫、降水量資料，氣候值取世界氣象組織（WNO）設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)氣候值段（1981—2010年）的平均值，結(jié)合烏魯木齊市氣候特點(diǎn)確定2月為后冬，其中，1976—2013年的2月亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)來(lái)源于國(guó)家氣候中心氣候系統(tǒng)診斷預(yù)測(cè)室。用Surfer軟件分析平均氣溫、降水量分布，用自然正交分解（EOF）方法分析5個(gè)氣象局（站）區(qū)域平均氣溫、降水量一致與差異性，用線性、三次多項(xiàng)式定性分析平均氣溫距平時(shí)間系數(shù)趨勢(shì)，突變檢測(cè)分析歷史突變時(shí)期及目前狀態(tài)，用時(shí)間系數(shù)分析來(lái)反映平均氣溫的趨勢(shì)變化。

2 后冬氣候變化特征

2.1 2月平均氣溫和降水量分布

烏魯木齊市5個(gè)氣象局（站）1976—2013年的2月平均氣溫在-6.5～-14.1℃之間，最高的達(dá)坂城為-6.5℃，最低大西溝為-14.1℃；2月降水量在0.9～12.2 mm之間，最大城區(qū)為12.2 mm，最小的達(dá)坂城為0.9 mm（圖1）。相對(duì)來(lái)說(shuō)，達(dá)坂城谷地最暖，大西溝最冷，米東區(qū)較城區(qū)偏低，城區(qū)較小渠子偏低；達(dá)坂城谷地降雪最少，大西溝降雪次少，城區(qū)降雪最多，米東區(qū)較小渠子降雪偏多［1］。

圖1 2月平均氣溫、降水量分布

2.2 距平自然正交分解

對(duì)5個(gè)氣象局 （站）1976—2013年的2月平均氣溫、降水量距平作自然正交分解（EOF）發(fā)現(xiàn)第1空間向量無(wú)論溫度還是降水都占據(jù)了方差絕對(duì)大的比例，而第2至第5空間向量所占方差比例很?。ㄒ?jiàn)表1）。

表1 2月平均氣溫、降水量距平EOF的5個(gè)特征向量方差貢獻(xiàn) %

2.3 氣溫變化趨勢(shì)特征

由于5個(gè)氣象局（站）1976—2013年的2月平均氣溫距平第1空間場(chǎng)相對(duì)一致，且時(shí)間系數(shù)線性趨勢(shì)表現(xiàn)為緩慢上升，采用三次多項(xiàng)式分析發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)80年代后冬呈現(xiàn)偏低，明顯偏低年份有1984年和1988年，5個(gè)氣象局（站）平均偏低5℃。而1992—2009年后冬確呈現(xiàn)偏高趨勢(shì)，明顯偏高年份有1999年和2007年，5個(gè)氣象局（站）平均偏高3.6～3.9℃。2010—2012年后冬呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖2）。2013年后冬冷空氣活動(dòng)頻繁，出現(xiàn)寒潮、暴雪等惡劣天氣，5個(gè)氣象局（站）平均偏低3.6℃，城區(qū)最低氣溫-22.1℃，最冷出現(xiàn)在甘泉堡，最低氣溫-27.9℃。

2.4 氣溫時(shí)間系數(shù)突變檢測(cè)

對(duì)5個(gè)氣象局（站）1976—2013年第一空間場(chǎng)2月氣溫時(shí)間系數(shù)進(jìn)行突變檢測(cè)分析（見(jiàn)圖3），在圖3中C1、C2曲線在1992年前頻繁出現(xiàn)交點(diǎn)或接近，1976—1991年這段時(shí)期氣溫偏低，氣溫變幅較大，不穩(wěn)定，其中，C1、C2曲線有交點(diǎn)的年份有1976年、1978年、1980年、1990年、1991年和1992年，1992年以后C1和C2曲線沒(méi)有相交，而且差值越來(lái)越大，沒(méi)有突變。 1992—2009年這段時(shí)期氣溫呈現(xiàn)偏高趨勢(shì)，2010—2013年氣溫雖呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但年份較少，變幅也較小。

圖3 2月氣溫時(shí)間系數(shù)突變檢測(cè)

2.5 距平時(shí)間系數(shù)與亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)

對(duì)烏魯木齊市5個(gè)氣象局（站）1976—2013年2月份影響溫度和降水的74個(gè)物理量進(jìn)行相關(guān)分析，分析發(fā)現(xiàn)大部分量值相關(guān)性差。但是，分析1976—2013年的2月平均氣溫、降水量距平時(shí)間系數(shù)與亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，得：R氣溫=-0.624，超過(guò)了0.001的置信線；R降水量=-0.315，超過(guò)了0.050的置信線，相關(guān)性較好，是一個(gè)不可多得、重要的氣候預(yù)測(cè)因子。

2.6 亞洲極渦面積指數(shù)

亞洲區(qū)在500 hPa月平均等壓面上，取接近于最大西風(fēng)軸線的等高線為極渦南界，以這一特征等高線以北所包圍的面積。極渦的擴(kuò)張與收縮反映了極地冷空氣的活動(dòng)，而繞極環(huán)流的變化或異常，會(huì)影響大氣環(huán)流及天氣氣候的變化，一般來(lái)講，當(dāng)極渦面積為較大的正指數(shù)時(shí)，烏魯木齊氣溫偏低、降水量偏少（見(jiàn)圖4、圖5）。

由圖4可以看出，1992年偏低趨勢(shì)，明顯偏低年份有1984年，極渦指數(shù)為極高值；1992—2009年氣溫為偏高趨勢(shì)，其中，1998年、1999年、2002年、2006年和2007年氣溫為高極值，指數(shù)為低極值；2010—2013年氣溫小幅波動(dòng)下降，指數(shù)對(duì)應(yīng)較好。

由圖5可以看出，降水量的相關(guān)性沒(méi)有氣溫好，60.5%的年份極渦面積增大時(shí)，降水量偏少，出現(xiàn)極渦面積增大時(shí)降水量偏多，1976—2013年38年間有15年同號(hào)，占39.5%［2］。

圖5 2月5個(gè)局（站）降水量距平時(shí)間系數(shù)與亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)

3 結(jié)論

（1）烏魯木齊市5個(gè)氣象局（站）代表了平原、丘陵、谷地、中山帶和高山帶等不同氣候。后冬氣溫、降水量分布表明，高山帶和米東區(qū)為2個(gè)冷區(qū)，而最大降雪中心在城區(qū)。（2）對(duì)后冬氣溫、降水量距平進(jìn)行自然正交分解（EOF），第1特征向量方差貢獻(xiàn)占絕對(duì)大的比例，表明氣溫、降水量距平全地區(qū)趨勢(shì)相同，概率較大。（3）后冬氣溫變化趨勢(shì)特征、突變檢測(cè)分析表明，1976—1992年屬后冬冷趨勢(shì)；1992—2009年屬后冬暖趨勢(shì)；2010—2013年屬后冬小幅下降趨勢(shì)；1992年以后沒(méi)有突變，但2010年后頻繁出現(xiàn)后冬冷趨勢(shì)。（4）通過(guò)對(duì)氣溫、降水量距平時(shí)間系數(shù)與亞洲區(qū)極渦面積指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果表明，當(dāng)極渦面積增大時(shí)，氣溫偏低，降水量偏少，反之，當(dāng)極渦面積減小時(shí)，氣溫偏高，降水量偏多［3］。

[1]張家寶，史玉光.新疆氣候變化及短期氣候預(yù)測(cè)[M].北京：北京氣象出版社，2002：12-13,25-58.

[2]趙振國(guó).中國(guó)夏季旱澇用環(huán)境場(chǎng)[M].北京：北京氣象出版社，1999：68-72.

[3]衛(wèi)瑋，黃卓禹.夏季東亞高空西風(fēng)急流氣候特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2012，6（4）：21-26.

2015—02—25