秦育婧 盧楚翰

摘要本文基于拉格朗日觀點，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，定義了冬季歐亞大陸反氣旋強度指數(shù)，并據(jù)此分析了近30多年來歐亞大陸反氣旋的活動特征及其與中國冬季氣溫的關(guān)系。結(jié)果表明，近30多年來冬季歐亞大陸反氣旋強度有明顯的年際、年代際變化，近10a來其活動處于較強的位相；反氣旋強度指數(shù)序列與中國大部分地區(qū)的冬季氣溫存在顯著的負相關(guān)關(guān)系，當(dāng)冬季歐亞大陸反氣旋活動增強（減弱）時，中國大部分地區(qū)的冬季氣溫偏低（高）；影響我國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的關(guān)鍵區(qū)域，每年有超過40%的反氣旋經(jīng)過該區(qū)域。這些反氣旋多具有較強的移動性，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；冬季氣溫；生命期

熱帶外區(qū)域的地面氣旋、反氣旋活動對應(yīng)著熱帶與極區(qū)間大范圍的熱量和水汽交換，他們的移動和強度變化通常與高空的長波槽脊相聯(lián)系，從而對其鄰近區(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。早期對地面氣旋、反氣旋氣候活動特征的研究基本通過人工分析，需要花費大量業(yè)務(wù)時間。自20世紀(jì)90年代起，多種基于拉格朗日框架下的計算機自動識別算法開始引入地面氣旋追蹤（Murray andSimmonds，1991；Serreze，1995；Zhang et al.，2004），使得統(tǒng)計氣旋活動的氣候特征更為高效和客觀。地面反氣旋因自身尺度較大，其移動路徑和強度的識別要難于氣旋活動，因此東亞區(qū)域反氣旋活動的研究仍多以人工統(tǒng)計為主（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，開發(fā)了歐亞大陸反氣旋自動識別算法，并在此基礎(chǔ)上研究了歐亞大陸反氣旋活動整體強度的變化趨勢，但該研究尚未涉及長時期的歐亞大陸反氣旋活動的特征以及冬季反氣旋活動對我國氣溫的影響。

近十多年來，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（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），與之對應(yīng)的是北半球中高緯主導(dǎo)模態(tài)北極濤動（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強度也出現(xiàn)了明顯的增強趨勢，并認為其與歐亞大陸中緯度近10a來的冬季溫度偏低且極端低溫事件頻發(fā)有密切關(guān)系。在我國冬季，引起降溫的冷空氣活動，包括能夠引起全國范圍劇烈降溫的寒潮過程，多伴隨地面冷高壓的增強南下。因此，歐亞大陸反氣旋活動強度的變化很可能對我國冬季氣溫異常產(chǎn)生影響。本文將利用基于拉格朗日觀點的反氣旋自動識別算法追蹤1979-2012年歐亞大陸反氣旋，定義歐亞大陸反氣旋活動指數(shù)，研究其與我國冬季氣溫異常的關(guān)系，并深入分析該時段歐亞大陸反氣旋的活動特征。

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°，時段為1978-2012年。

2）中國氣象局提供的160站月平均溫度資料，時段同為1978-2012年。

1.2方法

1.2.1反氣旋自動識別算法

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

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

1）計算反氣旋中心SLP與同一格點的氣候月平均SLP的差值。

2）對研究區(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強度指數(shù)（ACI），本文中冬季均指12月至次年2月?？梢?，ACI代表冬季歐亞大陸反氣旋活動的整體強度。

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，在計算X1（X2）與y的相關(guān)系數(shù)時，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)稱為偏相關(guān)系數(shù)。

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歐亞大陸反氣旋活動與中國冬季氣溫

2.1冬季歐亞大陸反氣旋活動強度指數(shù)

圖1給出了1979-2012年冬季歐亞大陸反氣旋活動強度（ACI）指數(shù)?？梢钥闯觯珹CI指數(shù)除了有明顯的年際變化外，還具有較強的年代際變化。1989年之前，ACI指數(shù)經(jīng)歷了一個5 a周期的負一正振蕩；在1990年代，ACI指數(shù)基本處于負位相；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來冬季歐亞大陸的反氣旋活動處于較強的位相。對ACI指數(shù)作線性傾向估計，發(fā)現(xiàn)其在整個時段（1979-2012年）的增強趨勢雖不十分顯著，但1997年之后的增強趨勢比較明顯（圖略）。

2.2 ACI指數(shù)與中國冬季氣溫異常

我國冬季的冷空氣活動常伴隨著地面冷高壓，那么冬季歐亞大陸上的反氣旋活動會對我國氣溫異常產(chǎn)生何種影響呢？圖2a給出了ACI指數(shù)與中國160站冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)?？梢姡拇霸颇衔鞑客?，全國大部分區(qū)域的相關(guān)系數(shù)均為負值，且大多數(shù)站點都通過了顯著性檢驗。這說明我國大部分地區(qū)（四川、云南西部除外）的冬季氣溫與歐亞大陸反氣旋活動強度有顯著的負相關(guān)關(guān)系。

將ACI值大（小）于等于0.5的年份定義為歐亞大陸反氣旋活動強（弱）年，小于等于0.5的年份定義為弱年。據(jù)此，得到強年的具體年份為：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強、弱年中國160站氣溫合成差值?？梢?，除四川及云南西部區(qū)域外，全國大部分地區(qū)氣溫差值皆為負，且大多都通過了顯著性水平為0.05的t檢驗。表明我國冬季氣溫在歐亞大陸反氣旋活動強年時比在弱年時顯著偏低。

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偏強（弱）時，我國大部分地區(qū)偏冷（暖）。

圖3給出了中國冬季氣溫異常EOF分解第一模態(tài)。該模態(tài)的方差貢獻達51.6%，能夠代表我國冬季氣溫最主要的異常情況。由圖3a可見，我國冬季氣溫異常的主模態(tài)是全區(qū)一致型，表明我國冬季常出現(xiàn)一致偏暖或偏冷的異常。第一模態(tài)時間系數(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0.64，通過了0.01的顯著性檢驗。結(jié)合圖2發(fā)現(xiàn)，我國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，說明冬季歐亞大陸反氣旋活動的強弱主要與我國冬季全區(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，我國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來冬季溫度偏低是同步的。由前分析可知，這與近10 a來歐亞大陸反氣旋活動處于較強的位相有關(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?？梢姡跒?～3 d（簡稱短生命期）的反氣旋數(shù)量最多，占總量的64.7%；生命期為4～7 d（簡稱長生命期）的反氣旋占比為26.6%；而生命期在7 d以上（簡稱超長生命期）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與中國冬季氣溫的關(guān)系，分別計算了短、長生命期的反氣旋平均強度與中國160站氣溫的相關(guān)系數(shù)（圖4）?？梢?，不同生命期的反氣旋與中國氣溫的相關(guān)型基本一致，但短生命期的反氣旋與中國氣溫的相關(guān)系數(shù)更大（東北地區(qū)除外）。這說明天氣尺度（生命期為1～3d）的反氣旋與中國氣溫的關(guān)系更為密切。

進一步計算短、長生命期反氣旋強度的相關(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、長生命期反氣旋之間的相互影響，分別計算了他們與中國冬季氣溫的偏相關(guān)系數(shù)。圖5a給出了去除長生命期反氣旋影響后，短生命期反氣旋與中國冬季氣溫的偏相關(guān)系數(shù)?？梢?，與圖4a相比，去除長生命期反氣旋的影響后，短生命期反氣旋與中國氣溫在整體相關(guān)型上并無太大變化，但顯著相關(guān)區(qū)域有所縮小。顯著負相關(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，長生命期反氣旋與中國冬季氣溫的偏相關(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，而且對我國冬季氣溫的影響更顯著，影響范圍更大。長生命期反氣旋的影響范圍雖不及短生命期反氣旋，但其對遼寧及內(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關(guān)鍵區(qū)

圖6給出了歐亞大陸反氣旋活動強、弱年冬季平均SLP合成場?？梢?，反氣旋活動偏強年（圖6a）與偏弱年（圖6b）相比，偏強年季平均的蒙古高壓（又稱西伯利亞高壓）面積更大，且中心強度更強。這說明蒙古高原區(qū)域可能是冬季歐亞大陸反氣旋活動的一個關(guān)鍵區(qū)域。根據(jù)追蹤到的反氣旋移動路徑，可統(tǒng)計出每年冬季經(jīng)過蒙古高原區(qū)域的反氣旋頻率。

圖7給出了1979-2012年冬季經(jīng)過蒙古高原區(qū)域的歐亞大陸反氣旋頻率?？梢?，每年有40%以上的反氣旋經(jīng)過蒙古高原區(qū)域，最多的年份可達近55%。這說明蒙古高原區(qū)域確實是冬季歐亞大陸反氣旋活動的關(guān)鍵區(qū)域。進一步計算表明，經(jīng)過蒙古高原區(qū)域的反氣旋氣候平均強度為7.1 hPa，而反氣旋活動高指數(shù)年經(jīng)過蒙古高原區(qū)域的反氣旋平均強度為9.2 hPa，低指數(shù)年平均強度僅為5.5 hPa。表明在歐亞大陸反氣旋活動偏強（弱）的年份，經(jīng)過蒙古高原區(qū)域的反氣旋平均強度更大（小），季尺度的蒙古高壓強度偏強（弱）。

以上分析表明，冬季有40%以上的歐亞大陸反氣旋都會經(jīng)過蒙古高原區(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)過蒙古高原區(qū)域的反氣旋的生成位置，統(tǒng)計出冬季經(jīng)過蒙古高原區(qū)域的歐亞大陸反氣旋源地（圖8）?？梢姡晒鸥咴晕骱鸵员钡拇箨懠把竺嫔暇幸平?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)，有的來自遙遠的冰島以西洋面，因而多具有較強的移動性。經(jīng)過蒙古高原區(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)。

在我國冬季氣溫預(yù)報、預(yù)測中，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)一部分具有較強的移動性。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，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，定義了冬季歐亞大陸反氣旋強度指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分析了近30幾年來歐亞大陸反氣旋活動特征，及其與中國冬季氣溫的關(guān)系。主要結(jié)論有：

1）歐亞大陸反氣旋活動強度除了有明顯的年際變化外，還具有較強的年代際變化，近10 a來歐亞大陸的反氣旋活動處于較強的位相。

2）我國冬季氣溫異常與歐亞大陸反氣旋活動強度有顯著的負相關(guān)，反氣旋活動偏強（弱）時，我國大部分地區(qū)偏冷（暖）。近10 a來我國冬季氣溫負異常增多與歐亞大陸反氣旋活動處于較強的位相有關(guān)。

3）短生命期反氣旋發(fā)生的頻率最高，對我國冬季氣溫的影響更顯著，且范圍更大；長生命期反氣旋的發(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的關(guān)鍵區(qū)域，每年均有超過40%的反氣旋經(jīng)過該區(qū)域。他們多具有較強的移動性，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)。