冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)特征及其與中國(guó)氣溫的關(guān)系

秦育婧 盧楚翰

摘要本文基于拉格朗日觀點(diǎn)，利用NCEP/NCAR再分析資料追蹤了1979-2012年冬季歐亞大陸的反氣旋活動(dòng)，定義了冬季歐亞大陸反氣旋強(qiáng)度指數(shù)，并據(jù)此分析了近30多年來(lái)歐亞大陸反氣旋的活動(dòng)特征及其與中國(guó)冬季氣溫的關(guān)系。結(jié)果表明，近30多年來(lái)冬季歐亞大陸反氣旋強(qiáng)度有明顯的年際、年代際變化，近10a來(lái)其活動(dòng)處于較強(qiáng)的位相；反氣旋強(qiáng)度指數(shù)序列與中國(guó)大部分地區(qū)的冬季氣溫存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)增強(qiáng)（減弱）時(shí)，中國(guó)大部分地區(qū)的冬季氣溫偏低（高）；影響我國(guó)氣溫的反氣旋生命期主要為1～3d；蒙古高原是歐亞大陸反氣旋活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)域，每年有超過(guò)40%的反氣旋經(jīng)過(guò)該區(qū)域。這些反氣旋多具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，其主要源地為斯堪的納維亞半島、地中海一黑海一里海一咸海附近以及中西伯利亞地區(qū)。

關(guān)鍵詞大陸反氣旋；拉格朗日觀點(diǎn)；冬季氣溫；生命期

熱帶外區(qū)域的地面氣旋、反氣旋活動(dòng)對(duì)應(yīng)著熱帶與極區(qū)間大范圍的熱量和水汽交換，他們的移動(dòng)和強(qiáng)度變化通常與高空的長(zhǎng)波槽脊相聯(lián)系，從而對(duì)其鄰近區(qū)域的天氣乃至大尺度天氣、氣候產(chǎn)生顯著影響，因此一直受到氣象學(xué)者的廣泛關(guān)注。早期對(duì)地面氣旋、反氣旋氣候活動(dòng)特征的研究基本通過(guò)人工分析，需要花費(fèi)大量業(yè)務(wù)時(shí)間。自20世紀(jì)90年代起，多種基于拉格朗日框架下的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別算法開(kāi)始引入地面氣旋追蹤（Murray andSimmonds，1991；Serreze，1995；Zhang et al.，2004），使得統(tǒng)計(jì)氣旋活動(dòng)的氣候特征更為高效和客觀。地面反氣旋因自身尺度較大，其移動(dòng)路徑和強(qiáng)度的識(shí)別要難于氣旋活動(dòng)，因此東亞區(qū)域反氣旋活動(dòng)的研究仍多以人工統(tǒng)計(jì)為主（張淮和史久恩，1957；張培忠和陳光明，1999）。Zhang et al.（2012）基于拉格朗日觀點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了歐亞大陸反氣旋自動(dòng)識(shí)別算法，并在此基礎(chǔ)上研究了歐亞大陸反氣旋活動(dòng)整體強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，但該研究尚未涉及長(zhǎng)時(shí)期的歐亞大陸反氣旋活動(dòng)的特征以及冬季反氣旋活動(dòng)對(duì)我國(guó)氣溫的影響。

近十多年來(lái)，由于全球變暖在北極地區(qū)的放大作用（Arctic Amplification），北極出現(xiàn)增溫加速、海冰面積急劇下降的現(xiàn)象（Comiso et al.，2008；Screenand Simmonds，2010）；然而北半球大陸地區(qū)氣溫卻呈下降趨勢(shì)（吳炳義等，2011）。尤其是近幾年出現(xiàn)了大范圍冷冬的異常氣候（賀圣平，2016；施春華等，2016），與之對(duì)應(yīng)的是北半球中高緯主導(dǎo)模態(tài)北極濤動(dòng)（Arctic Oscillation，AO）形態(tài)的明顯改變（Zhang et al.，2008）。在此背景下，Zhang et al.（2012）研究發(fā)現(xiàn)，歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度也出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)趨勢(shì)，并認(rèn)為其與歐亞大陸中緯度近10a來(lái)的冬季溫度偏低且極端低溫事件頻發(fā)有密切關(guān)系。在我國(guó)冬季，引起降溫的冷空氣活動(dòng)，包括能夠引起全國(guó)范圍劇烈降溫的寒潮過(guò)程，多伴隨地面冷高壓的增強(qiáng)南下。因此，歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度的變化很可能對(duì)我國(guó)冬季氣溫異常產(chǎn)生影響。本文將利用基于拉格朗日觀點(diǎn)的反氣旋自動(dòng)識(shí)別算法追蹤1979-2012年歐亞大陸反氣旋，定義歐亞大陸反氣旋活動(dòng)指數(shù)，研究其與我國(guó)冬季氣溫異常的關(guān)系，并深入分析該時(shí)段歐亞大陸反氣旋的活動(dòng)特征。

1資料與方法

1.1資料

1）NCEP/NCAR提供的1日4次的月平均海平面氣壓（Sea-Level Pressure，SLP）（Kalnay et al.，1996），水平分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)段為1978-2012年。

2）中國(guó)氣象局提供的160站月平均溫度資料，時(shí)段同為1978-2012年。

1.2方法

1.2.1反氣旋自動(dòng)識(shí)別算法

本文使用基于拉格朗日觀點(diǎn)的反氣旋自動(dòng)識(shí)別算法（Zhang et al.，2012），該方法是作者在氣旋識(shí)別算法（Zhang et al.，2004）的基礎(chǔ)上擴(kuò)展得到。首先追蹤了1979-2012年冬季歐亞大陸（0°～110°E，40～75°N）的反氣旋。對(duì)每一個(gè)反氣旋，確定其每個(gè)時(shí)刻的中心點(diǎn)位置，再據(jù)此確定其生成位置及移動(dòng)路徑；然后根據(jù)其生成到消亡的時(shí)刻統(tǒng)計(jì)出每一個(gè)反氣旋的生命期。

同時(shí)定義了歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)（AntiCyclone Intensity，ACI）。具體步驟如下：

1）計(jì)算反氣旋中心SLP與同一格點(diǎn)的氣候月平均SLP的差值。

2）對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的全部SLP差值作冬季平均后標(biāo)準(zhǔn)化即得到各年的歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)（ACI），本文中冬季均指12月至次年2月?？梢?jiàn)，ACI代表冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)的整體強(qiáng)度。

1.2.2偏相關(guān)系數(shù)

設(shè)有變量X1、X2、y，若X1與X2有顯著的相關(guān)關(guān)系，在計(jì)算X1（X2）與y的相關(guān)系數(shù)時(shí)，則需要考慮消除X2（X1）的影響。這種消除了X2（X2）的影響后，X1（X2）與y的相關(guān)系數(shù)稱(chēng)為偏相關(guān)系數(shù)。

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歐亞大陸反氣旋活動(dòng)與中國(guó)冬季氣溫

2.1冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)

圖1給出了1979-2012年冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度（ACI）指數(shù)?？梢钥闯?，ACI指數(shù)除了有明顯的年際變化外，還具有較強(qiáng)的年代際變化。1989年之前，ACI指數(shù)經(jīng)歷了一個(gè)5 a周期的負(fù)一正振蕩；在1990年代，ACI指數(shù)基本處于負(fù)位相；2003年之后，ACI指數(shù)轉(zhuǎn)為以正位相為主，且振幅較大。這意味著近10 a來(lái)冬季歐亞大陸的反氣旋活動(dòng)處于較強(qiáng)的位相。對(duì)ACI指數(shù)作線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)，發(fā)現(xiàn)其在整個(gè)時(shí)段（1979-2012年）的增強(qiáng)趨勢(shì)雖不十分顯著，但1997年之后的增強(qiáng)趨勢(shì)比較明顯（圖略）。

2.2 ACI指數(shù)與中國(guó)冬季氣溫異常

我國(guó)冬季的冷空氣活動(dòng)常伴隨著地面冷高壓，那么冬季歐亞大陸上的反氣旋活動(dòng)會(huì)對(duì)我國(guó)氣溫異常產(chǎn)生何種影響呢？圖2a給出了ACI指數(shù)與中國(guó)160站冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)。可見(jiàn)，除四川及云南西部外，全國(guó)大部分區(qū)域的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，且大多數(shù)站點(diǎn)都通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。這說(shuō)明我國(guó)大部分地區(qū)（四川、云南西部除外）的冬季氣溫與歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

將ACI值大（?。┯诘扔?.5的年份定義為歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)（弱）年，小于等于0.5的年份定義為弱年。據(jù)此，得到強(qiáng)年的具體年份為：1984、1985、1996、2003、2005、2006、2008、2010、2012年，共9 a；弱年的具體年份為：1979、1982、1983、1989、1993、1994、1997、1998、2001、2002、2004、2007年，共12 a。圖2b給出了歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)、弱年中國(guó)160站氣溫合成差值?？梢?jiàn)，除四川及云南西部區(qū)域外，全國(guó)大部分地區(qū)氣溫差值皆為負(fù)，且大多都通過(guò)了顯著性水平為0.05的t檢驗(yàn)。表明我國(guó)冬季氣溫在歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)年時(shí)比在弱年時(shí)顯著偏低。

至此，上述相關(guān)及合成分析的結(jié)果都表明，冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)偏強(qiáng)（弱）時(shí)，我國(guó)大部分地區(qū)偏冷（暖）。

圖3給出了中國(guó)冬季氣溫異常EOF分解第一模態(tài)。該模態(tài)的方差貢獻(xiàn)達(dá)51.6%，能夠代表我國(guó)冬季氣溫最主要的異常情況。由圖3a可見(jiàn)，我國(guó)冬季氣溫異常的主模態(tài)是全區(qū)一致型，表明我國(guó)冬季常出現(xiàn)一致偏暖或偏冷的異常。第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)（圖3b）也有明顯的年際、年代際變化，其與ACI指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.64，通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。結(jié)合圖2發(fā)現(xiàn)，我國(guó)冬季氣溫異常主模態(tài)與相關(guān)系數(shù)及合成差值的形態(tài)基本一致，說(shuō)明冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)的強(qiáng)弱主要與我國(guó)冬季全區(qū)一致的氣溫異常模態(tài)有關(guān)。

由圖3還可以看出，2005年以來(lái)，我國(guó)冬季氣溫異常以偏冷為主，這與吳炳義等（2011）和Zhanget a1.（2012）提出的歐亞大陸中緯度近10 a來(lái)冬季溫度偏低是同步的。由前分析可知，這與近10 a來(lái)歐亞大陸反氣旋活動(dòng)處于較強(qiáng)的位相有關(guān)。

3歐亞大陸反氣旋的生命期

表1給出了冬季歐亞大陸不同生命期反氣旋的頻率。可見(jiàn)，生命期為1～3 d（簡(jiǎn)稱(chēng)短生命期）的反氣旋數(shù)量最多，占總量的64.7%；生命期為4～7 d（簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)生命期）的反氣旋占比為26.6%；而生命期在7 d以上（簡(jiǎn)稱(chēng)超長(zhǎng)生命期）的反氣旋僅占8.7%。因此，冬季歐亞大陸反氣旋有半數(shù)以上都是短生命期的，而超長(zhǎng)生命期的反氣旋則不到10%。

為分析不同生命期的反氣旋活動(dòng)與中國(guó)冬季氣溫的關(guān)系，分別計(jì)算了短、長(zhǎng)生命期的反氣旋平均強(qiáng)度與中國(guó)160站氣溫的相關(guān)系數(shù)（圖4）。可見(jiàn)，不同生命期的反氣旋與中國(guó)氣溫的相關(guān)型基本一致，但短生命期的反氣旋與中國(guó)氣溫的相關(guān)系數(shù)更大（東北地區(qū)除外）。這說(shuō)明天氣尺度（生命期為1～3d）的反氣旋與中國(guó)氣溫的關(guān)系更為密切。

進(jìn)一步計(jì)算短、長(zhǎng)生命期反氣旋強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)二者為顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.68）。為排除短、長(zhǎng)生命期反氣旋之間的相互影響，分別計(jì)算了他們與中國(guó)冬季氣溫的偏相關(guān)系數(shù)。圖5a給出了去除長(zhǎng)生命期反氣旋影響后，短生命期反氣旋與中國(guó)冬季氣溫的偏相關(guān)系數(shù)?？梢?jiàn)，與圖4a相比，去除長(zhǎng)生命期反氣旋的影響后，短生命期反氣旋與中國(guó)氣溫在整體相關(guān)型上并無(wú)太大變化，但顯著相關(guān)區(qū)域有所縮小。顯著負(fù)相關(guān)主要集中在新疆河西走廊一帶及云貴高原地區(qū)。圖5b給出了去除短生命期反氣旋影響后，長(zhǎng)生命期反氣旋與中國(guó)冬季氣溫的偏相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其主要的顯著相關(guān)區(qū)域僅集中在遼寧及內(nèi)蒙古中部，這與圖4b有較大的差異。

因此，短生命期的反氣旋不僅發(fā)生的頻率最高，而且對(duì)我國(guó)冬季氣溫的影響更顯著，影響范圍更大。長(zhǎng)生命期反氣旋的影響范圍雖不及短生命期反氣旋，但其對(duì)遼寧及內(nèi)蒙古中部地區(qū)氣溫的影響也是不能忽略的。

4歐亞大陸反氣旋活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)

圖6給出了歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)、弱年冬季平均SLP合成場(chǎng)。可見(jiàn)，反氣旋活動(dòng)偏強(qiáng)年（圖6a）與偏弱年（圖6b）相比，偏強(qiáng)年季平均的蒙古高壓（又稱(chēng)西伯利亞高壓）面積更大，且中心強(qiáng)度更強(qiáng)。這說(shuō)明蒙古高原區(qū)域可能是冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。根據(jù)追蹤到的反氣旋移動(dòng)路徑，可統(tǒng)計(jì)出每年冬季經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域的反氣旋頻率。

圖7給出了1979-2012年冬季經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域的歐亞大陸反氣旋頻率?？梢?jiàn)，每年有40%以上的反氣旋經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域，最多的年份可達(dá)近55%。這說(shuō)明蒙古高原區(qū)域確實(shí)是冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)域。進(jìn)一步計(jì)算表明，經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域的反氣旋氣候平均強(qiáng)度為7.1 hPa，而反氣旋活動(dòng)高指數(shù)年經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域的反氣旋平均強(qiáng)度為9.2 hPa，低指數(shù)年平均強(qiáng)度僅為5.5 hPa。表明在歐亞大陸反氣旋活動(dòng)偏強(qiáng)（弱）的年份，經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域的反氣旋平均強(qiáng)度更大（?。?，季尺度的蒙古高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)（弱）。

以上分析表明，冬季有40%以上的歐亞大陸反氣旋都會(huì)經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域。那么除了生成于蒙古高原區(qū)域的反氣旋之外，其他反氣旋主要生成于何地？根據(jù)經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域的反氣旋的生成位置，統(tǒng)計(jì)出冬季經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域的歐亞大陸反氣旋源地（圖8）?？梢?jiàn)，蒙古高原以西和以北的大陸及洋面上均有移經(jīng)蒙古高原區(qū)域的反氣旋生成，這些反氣旋有的生成于西伯利亞周邊地區(qū)，有的來(lái)自遙遠(yuǎn)的冰島以西洋面，因而多具有較強(qiáng)的移動(dòng)性。經(jīng)過(guò)蒙古高原區(qū)域反氣旋的主要源地有斯堪的納維亞半島、地中海一黑海一里海一咸海附近以及中西伯利亞地區(qū)。

在我國(guó)冬季氣溫預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)中，蒙古高原區(qū)域的高壓系統(tǒng)備受重視。本文的研究結(jié)果表明這些高壓系統(tǒng)中有相當(dāng)一部分具有較強(qiáng)的移動(dòng)性。因此，除了關(guān)注蒙古高原區(qū)域之外，也不能忽略反氣旋的主要源地。

5結(jié)論

本文基于拉格朗日觀點(diǎn)，利用NCEP/NCAR再分析資料追蹤了1979-2012年冬季歐亞大陸的反氣旋活動(dòng)，定義了冬季歐亞大陸反氣旋強(qiáng)度指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分析了近30幾年來(lái)歐亞大陸反氣旋活動(dòng)特征，及其與中國(guó)冬季氣溫的關(guān)系。主要結(jié)論有：

1）歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度除了有明顯的年際變化外，還具有較強(qiáng)的年代際變化，近10 a來(lái)歐亞大陸的反氣旋活動(dòng)處于較強(qiáng)的位相。

2）我國(guó)冬季氣溫異常與歐亞大陸反氣旋活動(dòng)強(qiáng)度有顯著的負(fù)相關(guān)，反氣旋活動(dòng)偏強(qiáng)（弱）時(shí)，我國(guó)大部分地區(qū)偏冷（暖）。近10 a來(lái)我國(guó)冬季氣溫負(fù)異常增多與歐亞大陸反氣旋活動(dòng)處于較強(qiáng)的位相有關(guān)。

3）短生命期反氣旋發(fā)生的頻率最高，對(duì)我國(guó)冬季氣溫的影響更顯著，且范圍更大；長(zhǎng)生命期反氣旋的發(fā)生頻率次高，主要影響遼寧及內(nèi)蒙古中部地區(qū)氣溫；超長(zhǎng)生命期反氣旋的發(fā)生頻率最低，不到10%。

4）蒙古高原地區(qū)是冬季歐亞大陸反氣旋活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)域，每年均有超過(guò)40%的反氣旋經(jīng)過(guò)該區(qū)域。他們多具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，其主要源地為斯堪的納維亞半島、地中海一黑海一里海一咸海附近以及中西伯利亞地區(qū)。