李天明 丁柳丹

摘要 基于氣候態(tài)定義了西伯利亞高壓指數(shù)（SH index）、東亞大槽指數(shù)（ET index）和高低壓系統(tǒng)間的東亞經(jīng)向風(fēng)指數(shù)（V index），使用回歸分析探究西伯利亞高壓和東亞大槽在季節(jié)內(nèi)尺度上對東亞地區(qū)冬季溫度的影響機(jī)理，構(gòu)建線性模型對冬季華南地區(qū)季節(jié)內(nèi)尺度溫度進(jìn)行延伸期預(yù)報。結(jié)果表明：西伯利亞高壓和東亞大槽系統(tǒng)變化中最顯著的是季節(jié)內(nèi)尺度信號;季節(jié)內(nèi)尺度SH index和ET index對V index的貢獻(xiàn)分別為82.6％ 和42.2％;3個指數(shù)的回歸模態(tài)在對流層中層對應(yīng)西北-東南向低頻羅斯貝波列緩慢東南傳播，低層水汽、近地面層環(huán)流、降水及2 m溫度場配置良好，當(dāng)西伯利亞高壓深厚或東亞大槽發(fā)展時，經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)北風(fēng)強(qiáng)盛，有利于冬季高緯度地區(qū)干冷空氣向東亞輸送;V index對華南地區(qū)冬季季節(jié)內(nèi)尺度2 m氣溫的有效預(yù)報時效達(dá)25 d。

關(guān)鍵詞西伯利亞高壓;東亞大槽;季節(jié)內(nèi)尺度變率;冬季東亞氣溫;延伸期預(yù)報

東亞位于亞洲大陸東部，受到歐亞大陸和太平洋之間的熱量差異的影響，東亞季風(fēng)是該地區(qū)主導(dǎo)性的氣候現(xiàn)象。東亞冬季風(fēng)通常指12月至次年2月，由西伯利亞高壓、阿留申低壓、東亞大槽、低層北風(fēng)和高層?xùn)|亞急流等（He and Wang，2013;He，2015）多個系統(tǒng)組成的環(huán)流形式，會導(dǎo)致冷空氣從東亞沿岸席卷到亞洲大陸，引發(fā)嚴(yán)寒氣候（Li and Wang，2012，2013）。

東亞冬季風(fēng)最顯著的特征之一是西伯利亞高壓，在低層對流層中占主導(dǎo)地位，具有世界上最高的海平面氣壓（Ding，1994;Chang et al.，2011），在冬季幾乎控制整個亞洲大陸，與北半球中最寒冷密集的氣團(tuán)有關(guān)。西伯利亞高壓是一個淺層的冷核系統(tǒng)，局限在500 hPa高度以下的對流層中，高壓中心位于貝加爾湖西南部，是影響歐亞大陸冬季地表氣溫變化的獨立活動中心（Takaya and Nakamura，2005a;譚桂容和王騰飛，2014）。在東亞冬季風(fēng)活動的早期發(fā)展和維持階段，西伯利亞高壓的強(qiáng)度控制異常的經(jīng)向風(fēng)，并通過引起異常溫度平流影響近地表溫度（Jhun and Lee，2004;Hasanean et al.，2013）。西伯利亞高壓具有顯著的年循環(huán)特征，秋季出現(xiàn)，春季消失，其強(qiáng)度可被用為代表東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的指數(shù)（Gong and Ho，2004），受到非局地大氣環(huán)流變化的影響（Wang et al.，2019;Lu et al.，2020）。西伯利亞高壓的活動與東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的減弱、寒潮頻率和冬季降水有密切關(guān)系（王遵婭和丁一匯，2006）。此外，冬季西伯利亞高壓與地面至中層對流層的溫度變化和動力過程密切相關(guān)（Ding and Krishnamurti，1987;Zhang and Wang，2020;吳國華等，2021;胡宏博等，2023）。

東亞大槽是北半球冬季大尺度的準(zhǔn)靜止行星槽，具有最顯著的氣候態(tài)緯向不對稱環(huán)流特征，其特點是在東亞地區(qū)表現(xiàn)出最強(qiáng)的緯向平均負(fù)偏差（Wang et al.，2009a），主導(dǎo)局地大氣環(huán)流的變率（Leung et al.，2017）。作為準(zhǔn)靜止沿海槽，它受到大規(guī)模地形如喜馬拉雅山（Holton，2004）及暖太平洋和冷歐亞大陸之間大尺度熱力對比的影響（Nakamura et al.，2010）。在東亞大槽后方，下沉運(yùn)動引起強(qiáng)烈的輻射冷卻，有利于西伯利亞高壓的形成。在東亞大槽前方，寒冷的季風(fēng)氣流遇到暖空氣，導(dǎo)致西北太平洋上空出現(xiàn)明顯的經(jīng)向溫度梯度，影響太平洋風(fēng)暴軸活動（Nakamura et al.，2002;Ren et al.，2010）。東亞大槽的變化對東亞及周邊地區(qū)的天氣和氣候都會產(chǎn)生重大影響（Huang et al.，2012），加深的東亞大槽會導(dǎo)致東亞海岸沿線出現(xiàn)異常偏北風(fēng)，有利于來自高緯度的寒冷干燥空氣向南入侵 （Lau and Lau，1984;Webster et al.，1998;Ma et al.，2020），引發(fā)東亞的極寒和干旱事件（Cheung et al.，2015）。

在天氣尺度上，東亞大槽和西伯利亞高壓的發(fā)展和重建會引起寒潮事件的爆發(fā)，這與歐亞大陸上的短波波列密切相關(guān)。在西伯利亞高壓和東亞大槽發(fā)展至特定強(qiáng)度時，從歐亞大陸西部會發(fā)展出對流層上層的短波波列，隨著該波向東傳播，它會顯著加深并取代原來的沿海槽，導(dǎo)致地面反氣旋向南移動并觸發(fā)寒潮的爆發(fā)（Zhang et al.，1997，Yu et al.，2023）。在季節(jié)內(nèi)尺度上，低頻Rossby波和渦旋在東亞大槽的發(fā)展和成熟階段發(fā)揮著重要作用。在該階段，東亞的近地表氣溫低于氣候平均水平，與之相反，北美地區(qū)的氣溫偏高（Song et al.，2016）。在年際尺度上，東亞大槽強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出大約4 a的主導(dǎo)周期（Gao，2007）。深厚的東亞大槽有利于強(qiáng)東亞冬季風(fēng)形成，導(dǎo)致東亞冷異常（Chen et al.，2005;Huang et al.，2012），同時北太平洋風(fēng)暴軸減弱（Lee et al.，2010）而中國南部（海洋性大陸）地區(qū)降水減少（增多）（Wang and Chen，2010）。在年代際尺度上，東亞大槽在20世紀(jì)50年代至80年代中期增強(qiáng)，之后減弱，隨后在2000年代初重新增強(qiáng) （Ding et al.，2014;Sun et al.，2016）。20世紀(jì)80年代中期后，東亞大槽的減弱與東亞冬季風(fēng)的減弱及由此引發(fā)的東亞地區(qū)變暖現(xiàn)象相關(guān)（Wang et al.，2009b;Kim et al.，2013）。東亞大槽和西伯利亞高壓的年代際變化可以歸因于海表溫度異常的年代際變化，例如太平洋年代際振蕩（Li and Xian，2003;朱偉軍等，2019），西北太平洋海溫異常的年代際模態(tài)（Sun et al.，2016），以及大西洋年代際振蕩等（Ding et al.，2014）。

中國的東南部位于東亞副熱帶和熱帶地區(qū)的交界處，秋冬季經(jīng)常受到天氣和氣候災(zāi)害的破壞，近年來華南地區(qū)冰凍雨雪災(zāi)害（Wen et al.，2009;Zhang et al.，2009;Zhou et al.，2011）、持續(xù)性干旱（Li et al.，2021）及大風(fēng)事件（Zhou and Wu，2010）頻發(fā)，導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡（Wu et al.，2011），對社會、經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)都產(chǎn)生了顯著影響（Zhang et al.，2019）。秋冬季節(jié)，巴倫支海及喀拉海的海冰減少導(dǎo)致西伯利亞高壓和東亞冬季寒流增強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)使得中國東南部的大氣環(huán)流形勢發(fā)生變化（Sun et al.，2021）。東亞冬季風(fēng)最顯著的特征是在西伯利亞高壓的東側(cè)和東亞大槽地區(qū)沿東亞海岸形成的強(qiáng)勁西北風(fēng)氣流（Chen et al.，2000）。季風(fēng)爆發(fā)伴隨著寒冷空氣的迅速南下，冷空氣通過105°E以西的西部路徑向南移動抵達(dá)華南地區(qū)（張丕遠(yuǎn)和龔高法，1979），冬季華南地區(qū)氣象站溫度與東亞冬季風(fēng)在大陸東岸向南延展程度呈顯著負(fù)相關(guān)（郭其蘊(yùn)，1994）。與全國其他地區(qū)相比，華南地區(qū)冬季平均溫度較高（鹿世瑾和王巖，2012），降溫區(qū)域集中，溫度變化穩(wěn)定（Fu and Ding，2021），當(dāng)華南地區(qū)經(jīng)歷由強(qiáng)冷空氣活動引起的寒冷期時，中國大部分地區(qū)通常都有顯著的降溫趨勢。

西伯利亞高壓和東亞大槽的多時間尺度變率包括系統(tǒng)強(qiáng)度、位置、范圍和持續(xù)時間的變化，可通過調(diào)控東亞冬季風(fēng)對亞地區(qū)的天氣和氣候產(chǎn)生顯著的影響。本文以東亞地區(qū)為研究區(qū)域，利用1979—2021年大氣再分析數(shù)據(jù)定義關(guān)鍵系統(tǒng)的區(qū)域和強(qiáng)度，使用回歸分析探究西伯利亞高壓和東亞大槽系統(tǒng)的季節(jié)內(nèi)尺度變率對東亞冬季地表溫度的影響機(jī)制，進(jìn)一步針對華南區(qū)域，結(jié)合非傳統(tǒng)濾波和交叉檢驗方法構(gòu)建線性回歸模型，對冬季季節(jié)內(nèi)尺度地表溫度進(jìn)行延伸期預(yù)報。低溫事件易引發(fā)各類災(zāi)害和安全事故，本研究可為政府部門制訂防災(zāi)減災(zāi)政策提供戰(zhàn)略依據(jù)，為維護(hù)社會生產(chǎn)秩序和保障群眾生命財產(chǎn)安全工作提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本研究利用歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF，European Center for Medium-Range Weather Forecasts）的第五代大氣再分析數(shù)據(jù)（ERA5;Hersbach et al.，2023），選取1979—2021年2 m氣溫、降水、位勢高度、水平風(fēng)、溫度、海平面氣壓及比濕數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°。總降水由逐小時數(shù)據(jù)的日累計而得，其余氣象要素場由每日00、06、12、18時數(shù)據(jù)平均計算而得，所有數(shù)據(jù)都經(jīng)線性插值為1°×1°的空間分辨率。冬季定義為當(dāng)年12月至次年2月，預(yù)先將數(shù)據(jù)去除掉氣候態(tài)的年循環(huán)。ERA5數(shù)據(jù)中氣溫和降水等變量在中國適用性已經(jīng)得到廣泛驗證，可以較好地捕捉到極端事件的特征（劉婷婷等，2022;陳玥和王愛慧，2023）。

1.2 方法

實時預(yù)報季節(jié)內(nèi)尺度的溫度變化需要從原始數(shù)據(jù)中提取季節(jié)內(nèi)尺度信號，進(jìn)行帶通濾波會損耗數(shù)據(jù)長度，因此采用了由Hsu et al.（2015）提出的非傳統(tǒng)濾波方法進(jìn)行季節(jié)內(nèi)尺度信號的提取。該濾波方法包括以下三個步驟：首先，從原始數(shù)據(jù)中減去氣候態(tài)90 d低通濾波分量，去除緩慢變化（周期大于90 d）的氣候年循環(huán)，所得的數(shù)據(jù)稱為“數(shù)據(jù)一”;隨后，從數(shù)據(jù)一中通過減去前25 d的滑動平均值（即從第-25天到第0天）以去除周期長于50 d的低頻信號，所得數(shù)據(jù)稱為“數(shù)據(jù)二”;最終，對數(shù)據(jù)二進(jìn)行前5 d的滑動平均（即從第-5天到第0天）以去除高頻的天氣尺度分量（小于等于10 d）。處理后的數(shù)據(jù)即可代表10～50 d的季節(jié)內(nèi)尺度分量，詳細(xì)過程如圖1所示。

基于提取而得的季節(jié)內(nèi)尺度信號可以構(gòu)建一個回歸經(jīng)驗?zāi)Ｐ停↗ones et al.，2004），在這樣的模型中，預(yù)報量是由預(yù)測因子的超前線性回歸值確定的。參考前人使用的交叉驗證方法（Zhu et al.，2015），本研究也在訓(xùn)練時段，通過交叉檢驗選擇穩(wěn)定的年份構(gòu)建最終的模型進(jìn)行獨立預(yù)報，具體步驟如圖2所示：1）對于預(yù)報因子場，從中挑選出1 a的數(shù)據(jù)，并使用其余的29 a的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸建模;2）將挑選年份的預(yù)報因子場應(yīng)用到從其他年份獲得的相應(yīng)模型中，這為挑選年份每個空間格點給出了一個預(yù)報量，將得到的預(yù)報量場和實際預(yù)報量場進(jìn)行相關(guān)分析，求得每個格點的相關(guān)系數(shù);3）對步驟1）和2）重復(fù)30次，區(qū)域平均的相關(guān)系數(shù)超過置信度為95％的顯著性檢驗即為有效預(yù)報年份，保留有效預(yù)報年份構(gòu)建最終的線性回歸經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

對于獨立預(yù)報進(jìn)行效果檢驗時，有效樣本量（Ne）的估計值為Ne=N（1-r21）／（1+r21）（Bretherton et al.，1999），其中r1是滯后為1的自相關(guān)系數(shù)，N是原始樣本量。在本研究中N為1 170，計算有效樣本量后，超過0.18（置信度為95％的顯著性檢驗）的時間相關(guān)系數(shù)可被視為有效技巧。

2 1979—2021年冬季東亞大槽和西伯利亞高壓的特征

1979—2021年冬季（DJF）氣候態(tài)500 hPa（圖3a）及850 hPa（圖3b）位勢高度場、風(fēng)場及溫度場配置如圖所示，500 hPa東亞大槽深厚，從高緯度北極地區(qū)延伸至西太平洋洋面，經(jīng)向跨度較大，從70°N延伸至25°N;溫度場由南往北遞減分布，冷中心位于蒙古高原北部，溫度槽明顯落后于高度槽。850 hPa的氣象要素場中青藏高原以北地區(qū)被深厚的高壓系統(tǒng)控制，低壓系統(tǒng)位于西北太平洋洋面;溫度場的冷中心位于鄂霍次克海西側(cè)，青藏高原在冬季作為熱源發(fā)揮熱力作用。根據(jù)位勢高度場分布，分別定義了西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)（75°～105°E，40°～60°N），將該區(qū)域內(nèi)850 hPa位勢高度場的區(qū)域平均值定義為西伯利亞高壓指數(shù)（SH index），東亞大槽關(guān)鍵區(qū)為125°～140°E、35°～50°N，將該范圍內(nèi)500 hPa位勢高度場的區(qū)域平均值定義為東亞大槽指數(shù)（ET index），由于西側(cè)高壓和東側(cè)大槽兩個大型系統(tǒng)間南北風(fēng)氣流明顯，我們定義兩個關(guān)鍵區(qū)范圍之間的105°～125°E、35°～55°N區(qū)域為經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)，將區(qū)域內(nèi)850 hPa經(jīng)向風(fēng)的平均值為定義為經(jīng)向風(fēng)指數(shù)（V index）。本研究將基于上述3個指數(shù)關(guān)注西伯利亞高壓和東亞大槽對東亞地區(qū)冬季氣溫的影響。

前人對于東亞冬季風(fēng)環(huán)流中關(guān)鍵系統(tǒng)強(qiáng)度指數(shù)有多種定義方法，Sahsamanoglou et al.（1991）構(gòu)建了一個基于每個月最大海平面氣壓值的西伯利亞高壓指數(shù)。龔道溢和王紹武（1999）將60°～130°E、30°～70°N區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加權(quán)計算求得的海平面氣壓值作為指數(shù)。Gong and Ho（2002）、Wu and Wang（2002）、Panagiotopoulos et al.（2005）及Li and Yang（2010）分別將西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)定義為80°～120°E、40°～60°N，70°～120°E、40°～60°N和80°～120°E、40°～65°N區(qū)域，將關(guān)鍵區(qū)內(nèi)平均的海平面氣壓值作為高壓指數(shù)。侯亞紅等（2007）則是直接將西伯利亞高壓系統(tǒng)中心格點的海平面氣壓值作為強(qiáng)度指數(shù)。賀圣平和王會軍（2012）則是對東亞地區(qū)70°～140°E、10°～80°N范圍海平面氣壓場作EOF分解后，得到了第一二空間模態(tài)與原始場分布高度相似的結(jié)果，從而選定區(qū)域80°～120°E、40°～60°N作為為西伯利亞高壓關(guān)鍵區(qū)，將關(guān)鍵區(qū)海平面氣壓的區(qū)域加權(quán)平均值的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果作為強(qiáng)度指數(shù)，與中國國家氣候中心定義的西伯利亞高壓指數(shù)一致。

對于東亞大槽，大部分研究基于東亞關(guān)鍵區(qū)500 hPa位勢高度場的平均值進(jìn)行定義，關(guān)鍵區(qū)域范圍的選取方式略有不同，或是125°～145°E、30°～45°N（孫柏民和李崇銀，1997）;或是110°～130°E、35°～40°N（崔曉鵬和孫照渤，1999）;或是120°～150°E、30°～50°N（穆明權(quán)和李崇銀，2000）;亦或是110°～145°E、25°～45°N（He and Wang，2013），當(dāng)指數(shù)數(shù)值越大時，東亞大槽越弱，反之亦然。也有部分研究對500 hPa高度場進(jìn)行計算處理后再進(jìn)行東亞大槽強(qiáng)度的定義，王冀等（2005）將區(qū)域（110°～130°E，40°～50°N）內(nèi)500 hPa高度場進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后求得區(qū)域平均，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到東亞大槽強(qiáng)度指數(shù)。黃小梅等（2013）將500 hPa高度層45°N緯度上120°～160°E范圍內(nèi)最小位勢高度和70°～100°E范圍內(nèi)最大位勢高度之差作為分子，將最小位勢高度所在經(jīng)度與最大位勢高度所在經(jīng)度之差作為分母，求得比值為緯向位勢高度梯度，將該梯度的負(fù)數(shù)作為東亞大槽強(qiáng)度指數(shù)。針對東亞冬季風(fēng)環(huán)流中的經(jīng)向風(fēng)，學(xué)者們常用不同層次的東亞低層經(jīng)向風(fēng)區(qū)域平均值進(jìn)行定義，氣候平均態(tài)上冬季亞洲東部低層呈現(xiàn)一致的偏北風(fēng)特征，關(guān)鍵層次則是集中在地面2 m（Chen et al.，2000）、1 000 hPa（Lu and Chan，1999）和850 hPa（Yang et al.，2002）高度層，各層次上經(jīng)向風(fēng)指數(shù)高度相關(guān)。

依據(jù)西伯利亞高壓及東亞大槽的特征，不同的研究中會采用不同的定義方法，對比本研究中定義的3個指數(shù)和另幾種具有代表性的強(qiáng)度指數(shù)，求得其相關(guān)關(guān)系如表1所示。本研究使用的3個指數(shù)與其余指數(shù)呈高度相關(guān)關(guān)系，絕大部分相關(guān)系數(shù)通過置信度為99％的顯著性檢驗。西伯利亞高壓指數(shù)與Sahsamanoglou et al.（1991）構(gòu)建的指數(shù)僅通過置信度為95％的顯著性檢驗，其原因是后者定義的指數(shù)基于逐月的最大海平面氣壓值，對比本研究根據(jù)逐日資料構(gòu)建的指數(shù)變化更為緩慢，但兩個指數(shù)在統(tǒng)計意義上依舊顯著相關(guān)。表1中的對比結(jié)果也進(jìn)一步說明本研究中指數(shù)定義方法具有合理性和科學(xué)性。

將本研究中定義的東亞大槽指數(shù)、西伯利亞高壓指數(shù)及經(jīng)向風(fēng)指數(shù)經(jīng)5 d滑動平均處理，即濾除天氣尺度（10 d以下周期）波動后進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果顯示3個指數(shù)在季節(jié)內(nèi)尺度上都有顯著的能量譜峰（圖4），東亞大槽和西伯利亞高壓兩個指數(shù)的能量譜集中在10～50 d的周期內(nèi)，而經(jīng)向風(fēng)指數(shù)的能量則集中在10～40 d的周期，結(jié)果均通過置信度為95％的顯著性檢驗。由此可知，季節(jié)內(nèi)尺度是西伯利亞高壓和東亞大槽系統(tǒng)變率中最突出的周期，可用于表征系統(tǒng)的主要變化特征，針對西伯利亞高壓和東亞大槽的季節(jié)內(nèi)尺度變率開展研究具有指示意義。

通過Lanczos帶通濾波方法（Sperber et al.，1997;Ding and Wang，2007）提取10～50 d周期的季節(jié)內(nèi)尺度信號后，進(jìn)一步計算了3個關(guān)鍵區(qū)域中季節(jié)內(nèi)尺度變量和總場的標(biāo)準(zhǔn)差比值，西伯利亞和東亞大槽關(guān)鍵區(qū)內(nèi)季節(jié)內(nèi)尺度變率占比達(dá)60％以上，經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)內(nèi)季節(jié)內(nèi)尺度變率占比為一半，定量的結(jié)果進(jìn)一步表明3個關(guān)鍵區(qū)中季節(jié)內(nèi)尺度變化能基本代表區(qū)域內(nèi)的總體變化。

由于3個關(guān)鍵區(qū)對應(yīng)的大氣系統(tǒng)是緊密相關(guān)的，水平分布和垂直結(jié)構(gòu)中都有連續(xù)的配置，進(jìn)一步計算了3個指數(shù)及在季節(jié)內(nèi)尺度上的相關(guān)系數(shù)。當(dāng)只去除年循環(huán)保留逐日距平時，計算得到經(jīng)向風(fēng)指數(shù)同東亞大槽和西伯利亞高壓指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.5和-0.62，都通過置信度為99％的顯著性檢驗;而東亞大槽指數(shù)和西伯利亞高壓指數(shù)的相關(guān)系數(shù)僅為-0.1且未通過置信度檢驗（表2）。考慮到各指數(shù)變化中季節(jié)內(nèi)尺度變率占比最高，我們計算濾波后3個指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果與未濾波結(jié)果相似。季節(jié)內(nèi)尺度上，經(jīng)向風(fēng)指數(shù)同東亞大槽和西伯利亞高壓指數(shù)的同時相關(guān)關(guān)系更為顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.69和-0.73（通過置信度為99％的顯著性檢驗），即當(dāng)西伯利亞高壓深厚或東亞大槽發(fā)展時，經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)區(qū)域內(nèi)的北風(fēng)強(qiáng)盛，有利于冬季北方干冷空氣向東亞地區(qū)的輸送。

3個指數(shù)關(guān)聯(lián)密切，西伯利亞高壓（東亞大槽指數(shù)）和經(jīng)向風(fēng)指數(shù)呈高度正（負(fù)）相關(guān)（通過置信度為99％的顯著性檢驗），意味著關(guān)鍵區(qū)內(nèi)經(jīng)向風(fēng)的變化極大程度受到西伯利亞高壓及東亞大槽活動的影響。為了定量得到季節(jié)內(nèi)尺度上西伯利亞高壓／東亞大槽指數(shù)對經(jīng)向風(fēng)指數(shù)的貢獻(xiàn)，我們分別將850 hPa經(jīng)向風(fēng)回歸到西伯利亞高壓和東亞大槽指數(shù)，再分別將線性回歸系數(shù)和850 hPa經(jīng)向風(fēng)距平場相乘重建得到與SH index和ET index有關(guān)的兩個經(jīng)向風(fēng)場，最后通過計算關(guān)鍵區(qū)內(nèi)重建經(jīng)向風(fēng)場標(biāo)準(zhǔn)差和經(jīng)向風(fēng)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的比值，得到SH index與ET index對V index變率的貢獻(xiàn)。圖5中結(jié)果表明SH index的貢獻(xiàn)占比82.6％，意味著V index的變化主要受西伯利亞高壓的控制;ET index貢獻(xiàn)占比為42.2％，約為SH index貢獻(xiàn)的一半。

定量的結(jié)果也進(jìn)一步證明關(guān)鍵區(qū)內(nèi)經(jīng)向風(fēng)的變化受其東西兩側(cè)系統(tǒng)的共同影響且兩個系統(tǒng)在季節(jié)內(nèi)尺度上的影響不是完全獨立的。

3 東亞大槽和西伯利亞高壓季節(jié)內(nèi)尺度變率對冬季東亞氣溫的影響

由于西伯利亞高壓和東亞大槽都是位于歐亞大陸上半永久性的行星尺度系統(tǒng)，對于東亞地區(qū)的天氣有直接而顯著的影響。將不同高度層次的氣象要素場超前滯后回歸到標(biāo)準(zhǔn)化后的西伯利亞高壓、東亞大槽和經(jīng)向風(fēng)指數(shù)上，即可得到關(guān)鍵系統(tǒng)對各類氣象要素場影響的演變。

圖6—8是500 hPa位勢高度場和水平風(fēng)場分別回歸到3個指數(shù)的結(jié)果，超前滯后的間隔為3 d，0 d代表同時回歸。圖6是SH index對應(yīng)的結(jié)果，超前回歸所得500 hPa高度層上有清晰可見的波列，高低壓中心交替沿西北東南向分布，-15 d時SH關(guān)鍵區(qū)存在異常的反氣旋環(huán)流但波列不明顯，從-12 d開始波列結(jié)構(gòu)逐漸形成并不斷發(fā)展向東南移動。0 d時西伯利亞地區(qū)的反氣旋環(huán)流緯向拉伸，強(qiáng)度和尺度都很大，其西北和東南側(cè)為強(qiáng)度尺度都相對小的氣旋環(huán)流，東南側(cè)的低壓氣旋位于東北平原和朝鮮半島地區(qū)，高低壓系統(tǒng)間的東北風(fēng)強(qiáng)盛，向我國中部地區(qū)輸送來自高緯地區(qū)的冷空氣。3 d后反氣旋性環(huán)流緩慢東移伴隨著強(qiáng)度減弱，東側(cè)的氣旋系統(tǒng)尺度變大強(qiáng)度增加，兩個系統(tǒng)間的輸送通道形成，引導(dǎo)西伯利亞的寒冷空氣南下影響我國東部地區(qū)。

圖7是V index的回歸結(jié)果，-12 d時東歐平原上空有明顯的反氣旋系統(tǒng)出現(xiàn)，3 d后歐亞大陸中高緯地區(qū)波列形成但異常環(huán)流中心不夠清晰，-6 d時整個東半球中高緯地區(qū)從30°N至70°N地區(qū)出現(xiàn)西北東南向交替分布的“負(fù)正負(fù)正負(fù)”高低壓中心，表征著波長約為8 000 km（約72個經(jīng)度）的羅斯貝波。波列強(qiáng)度增加伴隨著東南向的移動，-3 d時氣旋反氣旋環(huán)流中心向較低緯度延伸使得異常環(huán)流的空間尺度變大，東北平原由氣旋性環(huán)流控制，0 d時波列持續(xù)緩慢東南向移動，高低壓中心強(qiáng)度和空間尺度進(jìn)一步加強(qiáng)，經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)內(nèi)北風(fēng)顯著，整個東亞地區(qū)受異常氣旋性環(huán)流西側(cè)的北風(fēng)氣流控制，來自高緯地區(qū)的寒冷空氣持續(xù)南下。3 d至9 d，波列持續(xù)向東南移動但強(qiáng)度逐漸減弱，西伯利亞及東亞地區(qū)高低壓中心依舊明顯，東歐平原上信號逐漸趨于消散。

圖8是ET index對應(yīng)的結(jié)果，超前滯后回歸得到的模態(tài)演變和V index回歸結(jié)果類似（圖7），但回歸所得的系統(tǒng)強(qiáng)度明顯小于V index結(jié)果，也符合上述的變率貢獻(xiàn)比例結(jié)果（圖5），東亞大槽的變化僅能解釋經(jīng)向風(fēng)變率的一半。

異常環(huán)流對于氣流的輸送使得空氣中的水汽和熱量也轉(zhuǎn)移到不同地區(qū)，為了得到西伯利亞高壓和東亞大槽系統(tǒng)對于東亞地區(qū)降水溫度和地表氣溫的影響，分別將低比濕、降水、近地面水平風(fēng)和地表氣溫回歸到3個指數(shù)得到各類系統(tǒng)的演變情況。

圖9—11是低層850 hPa比濕和降水場的回歸結(jié)果，比濕和降水的空間和時間尺度變化相比于對流層中層波列的變化都更微弱，3個指數(shù)的超前滯后回歸結(jié)果類似，異常的比濕中心分布狹長，集中在20°～30°N區(qū)域，比濕和降水變化一致，正／負(fù)的比濕中心大值對應(yīng)著正／負(fù)降水區(qū)域。從-9 d至9 d，異常濕度中心交替呈西北東南向分布伴隨著緩慢的東移，-9 d時干的比濕中心位于中高緯的西西伯利亞平原西部，之后負(fù)比濕中心不斷增強(qiáng)向東南漫延，迫使正的比濕中心向東向南壓縮，0 d時干中心占據(jù)整個歐亞大陸25°N以北地區(qū)，而濕中心則位于低緯的華南地區(qū)和西北太平洋洋面上，整個東亞大陸由西伯利亞地區(qū)輸送的干空氣控制，降水呈異常偏少的特征。3 d時負(fù)的比濕中心繼續(xù)發(fā)展南下，緯向尺度逐漸拉長，東亞大陸和東海地區(qū)都由干空氣占據(jù)，陸地和海面的降水呈負(fù)異常特征。6 d至9 d，干中心強(qiáng)度逐漸減弱但緯向結(jié)構(gòu)進(jìn)一步延伸至西北太平洋，降水和比濕配置良好、分布一致。

與上述分析方法類似，圖12—14是將近地面層925 hPa水平風(fēng)和地表氣溫分別超前滯后回歸到三個指數(shù)的結(jié)果。其中回歸到SH index和V index的模態(tài)相似，回歸到ET index結(jié)果中地表冷暖中心強(qiáng)度稍弱，但分布特征和另外兩個指數(shù)的回歸結(jié)果一致。-12 d時，位于里海西北側(cè)有近地面的北風(fēng)氣流伴隨著冷中心的出現(xiàn);-9 d時，冷中心位于西西伯利亞平原北部地區(qū)，而氣旋性環(huán)流位于西西伯利亞平原中部，氣旋西側(cè)的偏北風(fēng)氣流強(qiáng)盛，引導(dǎo)高緯地區(qū)的寒冷氣流南下;-6 d時，冷空氣中心不斷發(fā)展逐漸向西向南緩慢移動，其西南側(cè)的北風(fēng)氣流依舊存在且源源不斷向亞洲大陸輸送冷空氣，東亞地區(qū)則是受一對氣旋反氣旋對環(huán)流間東南風(fēng)氣流的影響，存在一個暖空氣中心;-3 d時，冷空氣中心增強(qiáng)向東南向延伸，空間尺度增大，其西北側(cè)出現(xiàn)中高緯的反氣旋性環(huán)流對應(yīng)著暖中心的出現(xiàn)，冷暖中心的交替分布也呈現(xiàn)西北東南向，整個東亞地區(qū)由北風(fēng)氣流占據(jù);0 d時，中高緯的近地面的反氣旋環(huán)流進(jìn)一步發(fā)展東移，整個東亞地區(qū)受強(qiáng)盛的北風(fēng)氣流控制，寒冷空氣不斷南下，整個東亞地區(qū)是異常的地表冷中心，朝鮮半島和日本海地區(qū)由低層的氣旋性環(huán)流控制;3至9 d，環(huán)流逐漸減弱東移，冷暖溫度中心不斷減小向東南移動，東亞地區(qū)冷暖位相發(fā)生轉(zhuǎn)換。

上述結(jié)果都表明冬季東亞地區(qū)的降水和氣溫的變化主要都受經(jīng)向風(fēng)的直接影響，偏北風(fēng)氣流會將西西伯利亞平原以北高緯度地區(qū)的干冷空氣向東亞地區(qū)源源不斷地輸送，使得東亞地區(qū)變冷變干，其中對于地表溫度的影響持續(xù)且穩(wěn)定。

4 冬季華南地區(qū)季節(jié)內(nèi)尺度地表氣溫的預(yù)報

冬季華南地區(qū)溫度變化穩(wěn)定且對全國溫度變化趨勢有指示意義，冬季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)中的經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)位于高低壓中心的交接處，經(jīng)向風(fēng)的變化則來自西伯利亞高壓和東亞大槽系統(tǒng)的演變。因此將經(jīng)向風(fēng)V index作為預(yù)報因子，以5 d為預(yù)報間隔，提前5～25 d對華南地區(qū)每個空間格點分別構(gòu)建一元線性回歸模型對冬季的季節(jié)內(nèi)尺度地表氣溫進(jìn)行預(yù)報。

預(yù)報模型中華南地區(qū)定義為110°～120°E、20°～30°N區(qū)域，將1979—2008年30 a的冬季（12月、1月、2月）作為預(yù)報模型的訓(xùn)練時段，2009—2021年共13 a的冬季（12月、1月、2月）作為獨立預(yù)報階段來檢驗預(yù)報效果。在訓(xùn)練時段中，對每5 d構(gòu)建的線性模型進(jìn)行交叉檢驗后選取有效穩(wěn)定的年份構(gòu)建最終的預(yù)報模型，使用時間相關(guān)系數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差來評估獨立預(yù)報結(jié)果。

圖15—16是為期13 a的獨立預(yù)報結(jié)果，它展示了每個預(yù)報時效對應(yīng)的觀測溫度異常和預(yù)報溫度異常（10～50 d）之間的時間相關(guān)系數(shù)（圖15）以及區(qū)域平均的標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差（RMSE，圖16）。在其中，均方根誤差已經(jīng)根據(jù)觀測溫度異常的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，因此一個單位的均方根誤差對應(yīng)于觀測溫度異常的一個標(biāo)準(zhǔn)差的誤差。

圖15是提前5～25 d的每個空間格點上預(yù)報與觀測的季節(jié)內(nèi)尺度溫度的時間相關(guān)系數(shù)，打點代表有效預(yù)報，即相關(guān)系數(shù)大于0.18（0.05的顯著性水平）。隨著預(yù)報時效的增加，華南地區(qū)的有效預(yù)報區(qū)域逐漸減小，在提前5 d構(gòu)建的預(yù)報模型中，預(yù)報效果優(yōu)秀的區(qū)域集中于陸地和海洋交界處，而在提前10、15和25 d的預(yù)報結(jié)果中，陸地溫度的預(yù)報效果優(yōu)于海洋，僅在提前20 d的預(yù)報中海洋溫度的預(yù)報效果更佳。圖16中不同預(yù)報時效對應(yīng)預(yù)報結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化RMSE在1.0～1.4，表明模型的預(yù)測誤差幅度相對穩(wěn)定。

獨立預(yù)報階段對2009—2021年13 a冬季的預(yù)報結(jié)果表明，經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的南北風(fēng)對于中國華南地區(qū)冬季季節(jié)內(nèi)溫度異常的延伸期預(yù)報具有較高技巧。主要的可預(yù)測性來源于經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)域東西兩側(cè)東亞大槽和西伯利亞高壓系統(tǒng)的季節(jié)內(nèi)尺度變化，這些信號沿著中高緯度的歐亞大陸向東南傳播，對東亞地區(qū)的氣候產(chǎn)生顯著的影響。

5 結(jié)論與討論

西伯利亞高壓和東亞大槽在東亞冬季氣候系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，本研究基于西伯利亞高壓和東亞大槽的氣候態(tài)特征，定義了西伯利亞高壓指數(shù)（SH index）、東亞大槽指數(shù)（ET index）和高低壓系統(tǒng)間的東亞經(jīng)向風(fēng)指數(shù)（V index），采用功率譜分析和線性回歸等方法探究了指數(shù)間的關(guān)系，關(guān)注西伯利亞高壓和東亞大槽變率的顯著周期及對東亞地區(qū)冬季溫度的影響機(jī)制。同時結(jié)合非傳統(tǒng)濾波和交叉檢驗方法構(gòu)建了簡單的線性回歸模型，對冬季華南地區(qū)季節(jié)內(nèi)尺度溫度進(jìn)行了延伸期預(yù)報。主要結(jié)論如下：西伯利亞高壓和東亞大槽系統(tǒng)變化中最顯著的是季節(jié)內(nèi)尺度信號，季節(jié)內(nèi)尺度標(biāo)準(zhǔn)差占比達(dá)60％。功率譜分析結(jié)果表明，SH index和ET index的能量譜峰集中在10～50 d，而V index對應(yīng)的譜峰更集中于10～40 d的周期。季節(jié)內(nèi)尺度上，SH和ET index同V index的相關(guān)系數(shù)分別為0.69和-0.73（通過置信度為99％的顯著性檢驗），隨后重建與SH／ET index有關(guān)的經(jīng)向風(fēng)場與實際的經(jīng)向風(fēng)場進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差比值計算，定量得到西伯利亞高壓／東亞大槽指數(shù)對經(jīng)向風(fēng)指數(shù)的貢獻(xiàn)為82.6％／42.2％。針對SH index、ET index和V index進(jìn)行超前滯后的回歸分析，3個指數(shù)的回歸模態(tài)類似，在對流層中層500 hPa高度場上對應(yīng)著西北東南向分布的波列緩慢向東南傳播，低層850 hPa水汽、近地面層925 hPa環(huán)流、降水及2 m溫度場配置一致，即當(dāng)西伯利亞高壓深厚或東亞大槽發(fā)展時，經(jīng)向風(fēng)關(guān)鍵區(qū)區(qū)域內(nèi)的北風(fēng)強(qiáng)盛，有利于冬季西伯利亞高緯度地區(qū)的干冷空氣向東亞地區(qū)輸送，導(dǎo)致干燥且寒冷的天氣出現(xiàn)。綜合回歸結(jié)果，選取V index作為預(yù)報因子，將華南地區(qū)的冬季2 m氣溫的季節(jié)內(nèi)尺度分量作為預(yù)報量，構(gòu)建了線性回歸模型進(jìn)行延伸期預(yù)報，綜合時間相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差評估預(yù)報效果，該模型的有效預(yù)報時效可達(dá)25 d。

西伯利亞高壓的強(qiáng)弱和位置變化會導(dǎo)致東亞大陸冷暖氣團(tuán)的移動，東亞大槽的變化會影響西太平洋環(huán)流的模態(tài)，兩個系統(tǒng)的共同作用會改變東亞冬季的氣溫和降水分布，對東亞冬季氣候產(chǎn)生重要影響。西伯利亞高壓和東亞大槽的變化不是完全獨立的，西伯利亞高壓的強(qiáng)度變化和伴隨向北的渦旋熱通量，會引起東亞下邊界低頻羅斯貝波活動上升，高空羅斯貝波列與地表溫度異常之間發(fā)生垂直向的相互作用后，傳入東亞的低頻羅斯貝波能量會得到增長，隨后羅斯貝波會通過改變低層斜壓性來調(diào)節(jié)瞬變渦旋的活動，瞬變渦旋再通過渦度和熱力強(qiáng)迫作用影響東亞大槽的演變發(fā)展（Takaya and Nakamura，2005b）。因此分離西伯利亞高壓和東亞大槽對東亞地區(qū)的影響尚有困難，本研究選取與兩個系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)的經(jīng)向風(fēng)進(jìn)行低頻氣溫的預(yù)報是合理有效的。

此外，除本文關(guān)注的季節(jié)內(nèi)尺度變率外，作為東亞季風(fēng)系統(tǒng)的西伯利亞高壓和東亞大槽，在年際和年代際尺度上與海表溫度異常變化息息相關(guān)，考慮太平洋年代際振蕩、大西洋年代際振蕩和北極濤動（Mao et al.，2011;Li et al.，2014;He et al.，2017;王林等，2021）等信號有助于進(jìn)一步研究西伯利亞高壓和東亞大槽的相互關(guān)系，對于更好地理解東亞冬季氣候系統(tǒng)和提高氣候預(yù)測能力具有重要意義。

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