李永生　朱玉祥　王瑩（ 黑龍江省氣候中心，哈爾濱 5000； 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 0008； 黑龍江省哈爾濱市氣象局，哈爾濱 5008）

影響黑龍江夏季氣溫的大尺度環(huán)流因子分析

李永生1朱玉祥2王瑩3
（1 黑龍江省氣候中心，哈爾濱 150030；2 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；3 黑龍江省哈爾濱市氣象局，哈爾濱 150028）

利用1954—2012年NCEP/NCAR月再分析資料及黑龍江省15個(gè)臺(tái)站的月氣溫資料，采用相關(guān)分析、趨勢(shì)分析、合成分析等診斷分析方法，從黑龍江省夏季氣溫與同期500hPa高度場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)和200hPa緯向風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)圖上找出影響黑龍江省夏季氣溫的關(guān)鍵區(qū)域，在此基礎(chǔ)上客觀定義出關(guān)鍵影響因子和指數(shù)。結(jié)果表明，烏拉爾山高壓、貝加爾湖高壓和鄂霍次克海高壓，是通過遙相關(guān)來影響黑龍江省夏季氣溫的，而東北冷渦是直接影響因子，東北冷渦指數(shù)與夏季氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.87，距平符號(hào)一致率為95%，因此可以認(rèn)為東北冷渦是影響黑龍江省夏季氣溫的直接關(guān)鍵因子。另外，北太平洋海平面氣壓指數(shù)和西風(fēng)切變指數(shù)對(duì)黑龍江地區(qū)夏季氣溫也有重要影響。結(jié)合數(shù)值模式預(yù)測(cè)結(jié)果，本研究得到的關(guān)鍵影響因子和指數(shù)，可以用于黑龍江省夏季氣溫的預(yù)測(cè)。

黑龍江省夏季氣溫,氣候預(yù)測(cè)，東北冷渦，阻塞高壓

0　引言

黑龍江省位于中國的東北部，既受來自較低緯地區(qū)的副熱帶系統(tǒng)影響，又受來自中高緯度的系統(tǒng)影響[1]，加之獨(dú)特的地形，形成了年際變率較大的氣候特點(diǎn)。同時(shí)，黑龍江省是全國重要的商品糧基地之一，夏季是農(nóng)作物的主要生長(zhǎng)季節(jié)，農(nóng)作物的生長(zhǎng)對(duì)夏季氣溫有明顯的依賴性，氣溫的高低直接影響了糧食的品質(zhì)和產(chǎn)量，因此，對(duì)夏季氣溫的研究和預(yù)測(cè)工作尤為重要，以便為糧食生產(chǎn)做好夏季預(yù)測(cè)服務(wù)。20世紀(jì)80年代初，東北低溫協(xié)作研究組就對(duì)東北夏季低溫的氣候特征以及中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[2-3]。至今，關(guān)于東北夏季氣溫的研究成果已有很多，如：東北低溫與厄爾尼諾的關(guān)系[4]，熱帶和中緯太平洋海溫異常對(duì)東北夏季低溫冷害影響的診斷分析研究[5]，東北夏季氣溫與前期、同期太平洋海溫的關(guān)系與PDO冷暖位相有關(guān)[5]，持續(xù)性東北冷夏的變化規(guī)律及相關(guān)特征[6]，東北地區(qū)夏季氣溫變化特征分析[7]，東北低溫發(fā)生的氣候規(guī)律和大范圍氣候特征[8]，等等[9-12]。

但是，黑龍江省作為東北地區(qū)的最北端，雖然有著與東北地區(qū)一致性的特征，但也有其獨(dú)特的一面[10]。以往研究大多是針對(duì)整個(gè)東北夏季氣溫的氣候特征及其相關(guān)進(jìn)行的研究，而從影響黑龍江省夏季氣溫的異常大尺度環(huán)流的角度，專門針對(duì)黑龍江夏季氣溫影響因子的研究相對(duì)較少。本文利用最新的臺(tái)站資料和NCEP/NCAR再分析資料，從東亞大氣環(huán)流的角度診斷分析影響黑龍江地區(qū)夏季氣溫的關(guān)鍵因子，在此基礎(chǔ)上，客觀定義出能夠表征關(guān)鍵因子的氣候指數(shù)，并且診斷分析這些因子影響黑龍江夏季氣溫的過程。本研究將有助于提高黑龍江地區(qū)夏季氣溫的短期氣候預(yù)測(cè)水平，對(duì)該地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

1　資料與方法

本研究所用資料包括：黑龍江省15站1954—2012年月平均氣溫資料；NCEP/NCAR月再分析資料（包括高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)），水平分辨率為2.5°×2.5°；國家氣候中心的74項(xiàng)環(huán)流特征量。

經(jīng)過前期的EOF計(jì)算，本研究發(fā)現(xiàn)黑龍江省夏季氣溫具有全省一致性的特點(diǎn)，第一空間模態(tài)全省都為一致正值（圖略），其解釋總方差的比例超過90%。因此，本文選取資料序列較長(zhǎng)的15個(gè)臺(tái)站的平均值表征黑龍江省夏季氣溫。分析方法主要采用相關(guān)分析、趨勢(shì)分析、合成分析、EOF分析等診斷分析方法[13]。

2　結(jié)果分析

數(shù)值預(yù)報(bào)環(huán)流形式的預(yù)報(bào)總體上超過了預(yù)報(bào)員的預(yù)報(bào)水平，但其要素（氣溫、降水等）預(yù)報(bào)的水平還比較低[14]。而氣溫、降水等恰恰是預(yù)報(bào)員最關(guān)心的預(yù)報(bào)量。統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)和動(dòng)力模式預(yù)報(bào)結(jié)合，是未來短期氣候預(yù)測(cè)的趨勢(shì)[15]。對(duì)數(shù)值模式來說，500hPa高度場(chǎng)、海平面氣壓和200hPa風(fēng)場(chǎng)是其模擬效果較好的氣象物理量場(chǎng)[16]。因此，從短期氣候預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)診斷分析的實(shí)用性角度考慮，本文主要從上述三個(gè)角度尋找影響黑龍江夏季氣溫的關(guān)鍵因子。

2.1500hPa高度場(chǎng)

圖1出示了黑龍江省6—8月氣溫與同期500hPa高度場(chǎng)的相關(guān)分析結(jié)果，可以看出，6—8月，從30°—90°N、40°E—140°W都存在波列結(jié)構(gòu)，高相關(guān)中心相同的位置都位于烏拉爾山地區(qū)、東北北部、鄂霍次克海地區(qū)和阿留申地區(qū)以及西太平洋地區(qū)，不同的是7月份氣溫與同期500hPa高度場(chǎng)相關(guān)圖上，西太平洋地區(qū)的相關(guān)系數(shù)比其他兩個(gè)月的相關(guān)系數(shù)都要顯著?？梢姡瑥?00hPa大氣環(huán)流這個(gè)角度來看，這幾個(gè)地區(qū)是預(yù)測(cè)黑龍江省夏季氣溫短期氣候預(yù)測(cè)的關(guān)鍵信號(hào)地區(qū)。夏季，當(dāng)東北北部上空、貝加爾湖地區(qū)500hPa環(huán)流為正距平時(shí)，黑龍江省夏季易出現(xiàn)高溫（圖略）。趙振國[17]指出了鄂霍次克海、貝加爾湖和烏拉爾山這三個(gè)關(guān)鍵區(qū)，這三個(gè)關(guān)鍵區(qū)的高度場(chǎng)距平的正負(fù)對(duì)中高緯地區(qū)氣候影響非常大。由于黑龍江省地理位置的獨(dú)特性，可以看出，500hPa層面上影響黑龍江省夏季氣溫的有上游地區(qū)的貝加爾湖地區(qū)、下游的鄂霍次克海地區(qū)、本地的上空以及南面低緯度地區(qū)。作者根據(jù)業(yè)務(wù)工作積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)進(jìn)行定量化描述，定義了氣候指數(shù)，55°—65°N、120°—150°E區(qū)域代表鄂霍次克海地區(qū)，50°—60°N、90°—110°E區(qū)域代表貝加爾湖地區(qū)，60°—80°N、50°—80°E代表烏拉爾山地區(qū)，利用統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)值模式來預(yù)測(cè)這幾個(gè)氣候指數(shù)的變化，進(jìn)而可以預(yù)測(cè)黑龍江省夏季氣溫。由于烏拉爾山高壓對(duì)黑龍江省夏季氣溫的影響存在季節(jié)內(nèi)變化，因此這里沒有給出烏拉爾山高壓指數(shù)。

利用合成分析方法，將黑龍江省夏季氣溫異常高（低）年500hPa高度場(chǎng)進(jìn)行合成，黑龍江省夏季高溫年為2000年、2007年、2008年和2010年；夏季低溫年為1957年、1964年、1972年、1976年、1983年和2009年，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，貝加爾湖地區(qū)、東北北部和鄂霍次克海地區(qū)是影響黑龍江省夏季氣溫的關(guān)鍵地區(qū)（圖2）。這進(jìn)一步證明了前面用相關(guān)系數(shù)尋找得到的關(guān)鍵區(qū)域是合理的。

2.1.1東北冷渦指數(shù)

東北冷渦是影響東北天氣的重要天氣系統(tǒng)之一，可以造成東北地區(qū)低溫冷害、持續(xù)陰雨洪澇、突發(fā)性強(qiáng)對(duì)流天氣等災(zāi)害性天氣，尤其以夏季的活動(dòng)最為頻繁。盡管東北冷渦是天氣學(xué)尺度上的定義，但由于東北冷渦的反復(fù)出現(xiàn)和維持會(huì)造成一定的“氣候效應(yīng)”，從而會(huì)影響東北地區(qū)月尺度的氣溫和降水，甚至?xí)绊懻麄€(gè)夏季的氣溫和降水。不同的冷渦路徑能夠?qū)值睾头蔷值氐慕邓铜h(huán)流產(chǎn)生明顯影響。孫力等[18]按照冷渦活動(dòng)位置的不同分布將35°—40°N，40°—50°N，50°—60°N 的東北冷渦為北渦、中渦、南渦，從天氣學(xué)的角度對(duì)東北冷渦的天氣學(xué)特征進(jìn)行了深入廣泛的統(tǒng)計(jì)研究，指出東北冷渦對(duì)東北地區(qū)夏季天氣氣候的影響顯著，冷渦在夏季具有較明顯的持續(xù)性活動(dòng)特征，冷渦的持續(xù)性活動(dòng)是導(dǎo)致東北地區(qū)夏季低溫的一個(gè)十分關(guān)鍵的因子。

利用500hPa高度場(chǎng)數(shù)據(jù)定義一個(gè)影響黑龍江省夏季氣候的東北冷渦指數(shù)，定義42.5°—55°N、120°—130°E這個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有格點(diǎn)平均后的值作為東北冷渦氣候指數(shù)，該指數(shù)與同期黑龍江省夏季氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.87，通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，距平符號(hào)一致率達(dá)到95%（圖3），表明該指數(shù)對(duì)預(yù)報(bào)黑龍江省夏季氣溫具有很好的指示意義，可以作為預(yù)測(cè)黑龍江省夏季氣溫高低的一個(gè)關(guān)鍵因子。

從圖3中還可以看出，若以平均氣溫距平絕對(duì)值大于1℃為標(biāo)準(zhǔn)，劃分黑龍江省夏季氣溫異常高（低）年，可知黑龍江省夏季氣溫偏低年一般發(fā)生在20世紀(jì)80年代中期以前，從20世紀(jì)80年代中后期開始，夏季氣溫偏低年則鮮有發(fā)生，這與文獻(xiàn)[19-20]的研究結(jié)果是一致的，中國東北地區(qū)夏季的整體升溫現(xiàn)象是顯著的，中國東北地區(qū)夏季增溫趨勢(shì)遠(yuǎn)大于北半球其他地區(qū)。

2.1.2鄂霍次克海高壓指數(shù)

任廣成[21]研究發(fā)現(xiàn)，鄂海高壓對(duì)中國天氣的影響，以東北夏季氣溫最為顯著，鄂海高壓偏強(qiáng)時(shí)，東北地區(qū)氣溫偏低，鄂海高壓偏弱時(shí)，東北氣溫偏高。文獻(xiàn)[22-23]將55°—65°N、120°—150°E區(qū)域內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)上的高度值相加后再除以格點(diǎn)數(shù)可代表鄂霍次克海地區(qū)的高壓指數(shù)（圖4）。夏季，鄂霍次克海高壓指數(shù)與黑龍江省夏季氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.30，通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。更為重要的是，鄂霍次克海高壓指數(shù)與東北冷渦指數(shù)之間存在高相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.53，通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。當(dāng)鄂霍次克海地區(qū)上空出現(xiàn)高壓時(shí)，黑龍江地區(qū)的上空為低渦活動(dòng)，說明鄂霍次克海高壓并不直接影響黑龍江省夏季氣溫，而是通過影響東北冷渦，進(jìn)而影響黑龍江省夏季氣溫。梁紅等[24]研究發(fā)現(xiàn)，東北冷渦與鄂海阻高是互為生消的，當(dāng)鄂霍次克海地區(qū)有阻高時(shí)，東北冷渦易偏多，這里定義的鄂霍次克海高壓指數(shù)與梁紅等定義的地區(qū)不一致，所以影響結(jié)果也不同。

2.1.3貝加爾湖高壓指數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[25]的定義，將50°—60°N、90°—110°E區(qū)域內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)上的高度值相加后再除以格點(diǎn)數(shù)，代表貝加爾湖地區(qū)的高壓指數(shù)（圖5）。夏季，貝加爾湖高壓指數(shù)與黑龍江省夏季氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.49，通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，該指數(shù)可以認(rèn)為是影響黑龍江省夏季氣溫的另一個(gè)關(guān)鍵因子。如果貝加爾湖地區(qū)建立阻塞高壓或者是正距平控制，有利于黑龍江地區(qū)處在高壓控制下，不利形成低渦，這樣就有利于黑龍江省夏季氣溫偏高。

2.1.4西太平洋副熱帶高壓

6月和8月的西太平洋副熱帶高壓面積、強(qiáng)度、脊線、北界和西伸脊點(diǎn)與黑龍江省6月和8月的氣溫相關(guān)系數(shù)較小，而7月的西太平洋副熱帶高壓面積、強(qiáng)度、脊線、北界和西伸脊點(diǎn)與黑龍江省7月的氣溫相關(guān)系數(shù)較大，這說明7月副高可以直接影響到黑龍江省。梁紅等[24]研究指出，西太平洋副熱帶高壓與鄂海阻高之間有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，鄂海阻高增強(qiáng)，副熱帶高壓減弱南撤，是互相制約的。張慶云等[25]指出當(dāng)夏季西太平洋副熱帶高壓脊線位置偏北時(shí)，高緯500hPa鄂霍次克海地區(qū)受負(fù)距平控制，不利于在鄂霍次克海地區(qū)建立阻高。

2.2海平面氣壓場(chǎng)

利用黑龍江省夏季平均氣溫與NCEP的海平面氣壓場(chǎng)相關(guān)（圖略），可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)夏季，在北太平洋阿留申群島附近有一個(gè)正的相關(guān)區(qū)，說明該地區(qū)是影響黑龍江省夏季氣溫的關(guān)鍵地區(qū)。根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]，將海平面35°—45°N、180°—160°W區(qū)域內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)上的高度值相加后再除以格點(diǎn)數(shù)可代表北太平洋海平面氣壓指數(shù)（圖6）。經(jīng)計(jì)算，該指數(shù)與夏季黑龍江省平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.41，通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，證明夏季35°—45°N、180°—160°W北太平洋海平面氣壓的異?？梢杂绊懞邶埥∠募練鉁氐母叩汀?/p>

2.3西風(fēng)切變指數(shù)

東亞夏季高空西風(fēng)急流是東亞季風(fēng)系統(tǒng)的重要成員之一，影響東亞地區(qū)的天氣和氣候[28]。根據(jù)以往研究[29]，東亞高空西風(fēng)急流異常可能主要與沿著三支西風(fēng)急流傳播的波列活動(dòng)有關(guān)，包括亞洲副熱帶西風(fēng)急流、歐亞大陸北部高緯度地區(qū)的極鋒急流和位于對(duì)流層低層的東亞低空西風(fēng)急流。

由于高層環(huán)流變化具有較好的整體性和預(yù)示性，參照黑龍江省夏季各月氣溫與夏季各月200hPa緯向風(fēng)的相關(guān)場(chǎng)（圖7），利用200hPa（57.5°—60°N、1 2 0°—1 3 0°E）區(qū)域的平均緯向風(fēng)減去（37.5°—40°N、120°—130°E）區(qū)域的平均緯向風(fēng)，兩個(gè)區(qū)域的差值作為一個(gè)西風(fēng)切變指數(shù)，該指數(shù)與黑龍江省夏季各月同期氣溫都有明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.6左右，通過了0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。

3　結(jié)論與討論

通過以上研究，本文得到如下結(jié)論：

1）利用NCEP再分析資料，結(jié)合黑龍江省夏季氣溫與同期500hPa高度場(chǎng)相關(guān)圖，找出了影響黑龍江省夏季氣溫的關(guān)鍵地區(qū)，并在關(guān)鍵地區(qū)定義了東北冷渦指數(shù)、鄂霍次克海高壓指數(shù)、貝加爾湖高壓指數(shù)，這幾個(gè)氣候指數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)黑龍江省夏季氣溫具有較好的指示意義。其中，東北冷渦更是直接影響黑龍江省夏季氣溫的非常顯著的關(guān)鍵因子；

2）結(jié)合黑龍江省夏季氣溫與同期海平面氣壓場(chǎng)相關(guān)圖，在海平面找出了影響黑龍江省夏季氣溫的關(guān)鍵地區(qū)，定義了北太平洋海平面氣壓指數(shù)，該指數(shù)與黑龍江省夏季氣溫也有很好的相關(guān)性；

3）從黑龍江省夏季氣溫與同期200hPa緯向風(fēng)場(chǎng)相關(guān)來看，在西風(fēng)急流的兩側(cè)分別有一個(gè)影響黑龍江省夏季氣溫的高相關(guān)區(qū)，因此定義了西風(fēng)切變指數(shù)，該指數(shù)對(duì)黑龍江省夏季氣溫的影響也非常重要。

本文利用統(tǒng)計(jì)方法尋找出影響黑龍江省夏季氣溫的關(guān)鍵地區(qū)，并定義了相應(yīng)的關(guān)鍵影響因子，結(jié)合國內(nèi)外的動(dòng)力模式預(yù)測(cè)結(jié)果，該研究可以用于黑龍江省夏季氣溫的預(yù)測(cè)。需要指出的是，本文從同期的再分析資料尋找關(guān)鍵因子，這些因子可以用于數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)釋用的PP（Perfect Prog）方法，將來也可以從某一個(gè)或幾個(gè)數(shù)值模式的預(yù)測(cè)產(chǎn)品中尋找可以用于MOS（Model Output Statistics）方法關(guān)鍵因子。本研究只是對(duì)基于統(tǒng)計(jì)方法尋找的影響黑龍江夏季氣溫的關(guān)鍵因子做了初步診斷分析，其影響過程和機(jī)理的深入研究，需要進(jìn)行動(dòng)力診斷和數(shù)值模擬，這將是我們今后的研究方向。基于這些關(guān)鍵因子，建立黑龍江省夏季氣溫統(tǒng)計(jì)與動(dòng)力相結(jié)合的短期氣候預(yù)測(cè)模型，也是將來的目標(biāo)。

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lnfluencing Large-scale Circulation Factor Analysis of Summer Temperature in Heilongjiang Province

Li Yongsheng1, Zhu Yuxiang2, Wang Ying3
(1 Climate Center of Heilongjiang Province, Harbin 1500302 CMA Training Center, China Meteorological Administration, Beijing 100813 Harbin Meteorological Bureau of Heilongjiang Province, Harbin 150028)

Using the NCEP/NCAR reanalyzed monthly data and monthly temperature from 15 meteorological stations of Heilongjiang Province from 1954 to 2012 and adopting the methods, such as correlation, trend, composite analysis, the key zones influencing summer temperature of Heilongjiang Province are found from correlogram of summer temperature with 500 hPa height field and sea level pressure field with 200 hPa zonal wind field. Based on these key zones, the key factors and indices are objectively defined. The preliminary results of the analysis show that, Ural Mountain high, Baikal Lake high and Okhotsk high influence the temperature through teleconnection, but the impact from northeast cold vortex is direct. Correlation coefficient between northeast cold vortex and summer temperature is 0.87 and the consistent rate is 95%, so we can conclude that northeast cold vortex has influenced the summer temperature directly; in addition, North Pacific sea-level pressure index in summer and westerlies shear index are very important systems influencing the summer temperature. Combination of numerical models output, key factors and indexes of this study can be used to predict the summer temperatures of Heilongjiang Province.

summer temperature of Heilongjiang Province, climate prediction, northeast cold vortex, blocking high

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.01.006

2013年10月12日；

2014年1月2日

李永生（1984—），Email：liyongsheng330@163.com

朱玉祥（1976—），Email：zhuyx@cma.gov.cn

資助信息：國家重大科學(xué)研究計(jì)劃（2012CB957803）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41305131）；黑龍江省氣象局青年英才計(jì)劃（2012）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201406020）