婁德君 王冀 周顯偉 李治民
(1.齊齊哈爾市氣象局,黑龍江 齊齊哈爾161006;2.黑龍江省龍?jiān)茪庀罂萍加邢挢?zé)任公司氣象院士工作站,黑龍江 哈爾濱150030;3.北京市氣候中心,北京100089)
黑龍江省位于中國(guó)東北地區(qū),是中國(guó)最大的商品糧基地,石油、煤炭、森林資源豐富。在全球氣候變化背景下,中國(guó)東北地區(qū)冬季頻遭嚴(yán)寒襲擊。極端低溫、大風(fēng)和降雪給人們生活帶來(lái)諸多不便,造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失也非常嚴(yán)重,如2000—2001年冬季中國(guó)東北地區(qū)的低溫嚴(yán)寒天氣及雪災(zāi)所帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬(wàn)元。1961—2015年黑龍江省冬季增暖較為顯著[1],但2009年以后有暖轉(zhuǎn)冷的趨勢(shì)[2],階段性低溫事件頻發(fā)[3],給社會(huì)和人民生活帶來(lái)較大影響。
中國(guó)冬季氣溫變化受多個(gè)環(huán)流因子影響[4-6]。東亞冬季風(fēng)(EAWM)對(duì)中國(guó)冬季氣溫影響顯著[7],與中國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫在年際、年代際尺度上均呈十分顯著的負(fù)相關(guān)[8]。冬季氣溫的年代際變化與北極濤動(dòng)(AO)變化、AO與ENSO的不同配置、太平洋年代際振蕩(PDO)等顯著相關(guān)[9-11]。在年際尺度上冬季氣溫的變化與西伯利亞高壓(SH)、海陸氣壓差、東亞大槽強(qiáng)度以及東亞高空急流位置、EAWM、副熱帶高壓和極渦面積等相關(guān)[8,12-14]。歐亞型遙相關(guān)(EU)、北大西洋濤動(dòng)(NAO)、北太平洋濤動(dòng)(NPO)等與中國(guó)冬季氣溫變化也存在較強(qiáng)相關(guān)[15-16]。前期海溫和海冰等外強(qiáng)迫的變化可能是冬季地表氣溫發(fā)生年代際和年際變化的影響因素[17-19]。
雖然中國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫研究已得到一些結(jié)論,但以往分析多以季平均氣溫整體作為研究對(duì)象,有可能掩蓋了氣溫的季節(jié)內(nèi)變化特征[20]。本文重點(diǎn)分析黑龍江省冬季氣溫的季節(jié)內(nèi)差異及其環(huán)流異常特征,研究結(jié)果有助于全面認(rèn)識(shí)黑龍江省冬季氣溫的季節(jié)內(nèi)變化,也可以為黑龍江省冬季氣溫的氣候預(yù)測(cè)和政府指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。
所用資料為黑龍江省氣候中心整編的黑龍江省62個(gè)地面氣象站月平均氣溫資料;NCEP/NCAR的月平均高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)再分析資料,資料水平分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向17層;NOAA/CPC的AO及遙相關(guān)指數(shù)資料。文中冬季指當(dāng)年12月至翌年2月,即1961年冬季指1961年12月至1962年2月,研究時(shí)段為1961—2019年共59個(gè)冬季,氣候態(tài)取1981—2010年。
采用季節(jié)演變經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(Season-reliant Empirical Orthogonal Function,簡(jiǎn)稱S-EOF)方法來(lái)研究黑龍江省冬季氣溫的季節(jié)內(nèi)演變特征。氣象學(xué)中通常用EOF方法來(lái)識(shí)別空間要素場(chǎng)的主要模態(tài),Wang和An[21]對(duì)傳統(tǒng)EOF方法進(jìn)行了改進(jìn),形成了S-EOF方法,S-EOF可以較好識(shí)別空間模態(tài)的季節(jié)演變。具體方法如下:首先構(gòu)造變量場(chǎng)矩陣,將m個(gè)空間點(diǎn)n個(gè)樣本的要素場(chǎng)(m×n階矩陣)合并成k個(gè)季節(jié)的變量場(chǎng)矩陣,新矩陣為(m×k)×n階。然后對(duì)構(gòu)造的新矩陣進(jìn)行EOF分解,得到能夠反映季節(jié)性演變的具有同一時(shí)間系數(shù)的k個(gè)順序空間模態(tài),這些模態(tài)反映了該要素季節(jié)演變空間分布,時(shí)間系數(shù)反映了季節(jié)演變主要模態(tài)隨時(shí)間的變化[22-23]。采用合成分析、相關(guān)分析、回歸分析等方法研究環(huán)流異常特征及因子貢獻(xiàn)。
2.1.1 冬季氣溫基本特征
1961—2019年黑龍江省冬季氣溫距平變化見(jiàn)圖1。由圖1可知,近60 a來(lái)黑龍江省冬季氣溫呈上升趨勢(shì),12月、1月、2月和冬季的氣候傾向率分別為0.27 ℃/10 a、0.43 ℃/10 a、0.69 ℃/10 a和0.46℃/10 a,1月、2月和冬季的增暖趨勢(shì)通過(guò)了95%信度檢驗(yàn),冬季增暖高于近60 a遼寧省0.3℃/10 a的增暖趨勢(shì)[24]。各月氣溫均存在年代際變化,20世紀(jì)60年代至80年代中期氣溫偏低,80年代末期至21世紀(jì)00年代中期氣溫偏高,21世紀(jì)00年代末期至今氣溫先低后高。在季節(jié)內(nèi)尺度上,冬季氣溫主要表現(xiàn)為一致偏冷、一致偏暖和冷暖轉(zhuǎn)換特征。59 a間共出現(xiàn)一致偏冷20 a、一致偏暖10 a、季節(jié)內(nèi)冷暖轉(zhuǎn)換29 a。可見(jiàn),季節(jié)內(nèi)冷暖轉(zhuǎn)換也是冬季氣溫變化的基本特征。
圖1 1961—2019年黑龍江省冬季氣溫距平變化Fig.1 Variation of air temperature anomalies in w inter in Heilongjiang province from 1961 to 2019
2.1.2 冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變化的典型模態(tài)
對(duì)1961—2019年黑龍江省冬季各月氣溫進(jìn)行S-EOF分解,前三個(gè)模態(tài)(S-EOF1—3,通過(guò)95%信度的North檢驗(yàn))的方差貢獻(xiàn)分別為56.8%、16.8%、13.1%,累積方差貢獻(xiàn)為86.7%,可以反映黑龍江省冬季氣溫變化的主要特征。
第一模態(tài)為冬季氣溫一致變化型(圖2),即季內(nèi)各月黑龍江全省一致高(低)溫。特征向量值從12月至翌年2月逐漸增大,變幅最大區(qū)域在黑龍江省西部。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)有顯著增加趨勢(shì)。第一模態(tài)也有明顯的年代際變化特征,與圖1冬季氣溫的冷暖變化時(shí)段基本一致。冬季氣溫一致變化在1987年前后發(fā)生了由冷轉(zhuǎn)暖的突變(圖略),與中國(guó)東北冬季氣溫突變時(shí)間基本一致[4,25]。
第二模態(tài)為12月和翌年1—2月反位相變化型(圖3),即12月氣溫偏高時(shí),1—2月氣溫偏低,反之亦然。特征向量值變化反映出1月氣溫較12月有劇烈的下降或上升,2月維持1月異常趨勢(shì),異常幅度略減小。變幅較大的區(qū)域主要位于黑龍江省中北部,時(shí)間系數(shù)變化趨勢(shì)不明顯。
圖3 1961—2019年冬季12月(a)、1月(b)、2月(c)黑龍江省氣溫S-EOF2的空間分布及時(shí)間系數(shù)(d)變化Fig.3 Distribution of the S-EOF2 mode for air tem perature in December(a),January(b),and February(c),and its normalized time coefficients(d)in Heilongjiang province from 1961 to 2019
第三模態(tài)為12—1月和2月反位相型(圖4),即12月和1月氣溫偏高時(shí),2月氣溫偏低,反之亦然。特征向量值和高值區(qū)域從12月至1月明顯增大北擴(kuò),高值中心位于黑龍江省西部,2月特征向量值明顯減小,高值中心位于東北部,時(shí)間系數(shù)呈不顯著的減小趨勢(shì)。
圖4 1961—2019年冬季12月(a)、1月(b)、2月(c)黑龍江省氣溫S-EOF3的空間分布及時(shí)間系數(shù)(d)變化Fig.4 Distribution of the S-EOF3 mode for air tem perature in December(a),January(b),and February(c),and its normalized time coefficients(d)in Heilongjiang province from 1961 to 2019
綜上所述,黑龍江省冬季各月氣溫有一致變化型、12月和翌年1—2月反位相變化型和12—1月和 2月反位相變化型三個(gè)主要模態(tài)。模態(tài)差異主要體現(xiàn)在季節(jié)內(nèi)冷暖轉(zhuǎn)換和時(shí)間變化趨勢(shì)上。第一模態(tài)冬季三個(gè)月一致暖或一致冷,季內(nèi)沒(méi)有發(fā)生冷暖轉(zhuǎn)換,變暖有隨時(shí)間增大的趨勢(shì)。第二模態(tài)和第三模態(tài)呈冷暖轉(zhuǎn)換狀態(tài),均為連續(xù)兩個(gè)月一致,一個(gè)月相反。第二模態(tài)是12月暖(冷),1月、2月轉(zhuǎn)冷(暖),時(shí)間上變化不明顯。第三模態(tài)是12月、1月暖(冷),2月轉(zhuǎn)冷(暖),有隨時(shí)間略減小的趨勢(shì)。
PC1—3分別為S-EOF分解前三個(gè)模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù),以|PC|≥0.7σ為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分異常年份(表1),對(duì)1961—2019年黑龍江省冬季氣溫PC1—3正負(fù)異常年環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行合成,分析各模態(tài)環(huán)流異常及其季節(jié)內(nèi)演變特征。
表1 1961—2019年黑龍江省冬季氣溫S-EOF前三個(gè)模態(tài)的異常年份Table 1 Years w ith anomalous air temperature in the threemajor S-EOFmodes in w inter in Heilongjiang province from 1961 to 2019
2.2.1 第一模態(tài)環(huán)流異常季節(jié)內(nèi)演變
PC1正負(fù)異常年合成的12月、1月、2月海平面氣壓場(chǎng)和500 hPa高度場(chǎng)見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),在冬季季內(nèi)各月一致偏暖時(shí),12月海平面氣壓場(chǎng)(SLP)上極區(qū)和西伯利亞地區(qū)為顯著的負(fù)異常,該異常向南延伸至烏拉爾山附近,其東南部為顯著正異常(圖5a)。該西北低東南高的分布具有準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu),并在500 hPa高度場(chǎng)(圖5d)呈現(xiàn)類似EU負(fù)位相分布特征,三個(gè)中心分別位于西歐、喀拉海和東北亞,表明烏拉爾山脊和東亞大槽均偏弱。200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)上,東亞急流略偏北(圖略)。1月、2月中高緯環(huán)流異常與12月基本一致,只是阿留申低壓略減弱(圖5b和圖5c),西歐和東北亞的正異常中心分別向大西洋和太平洋延伸,高度場(chǎng)環(huán)狀特征更加明顯 (圖5e和圖5 f),類似位置略偏北的AO正位相分布[26-27]。綜合分析表明,在此配置下,環(huán)流呈現(xiàn)類似AO正位相分布,極渦偏強(qiáng)且急流位置偏北不利于極地冷空氣南下,烏拉爾山脊和東亞大槽偏弱導(dǎo)致中高緯環(huán)流緯向度大,EAWM 減弱,冷空氣活動(dòng)偏弱,黑龍江省季內(nèi)各月氣溫一致偏高。反之亦然。
圖5 PC1正負(fù)異常年合成的12月(a)、1月(b)、2月(c)海平面氣壓場(chǎng)和12月(d)、1月(e)、2月(f)500 hPa高度場(chǎng)Fig.5 Composites of sea-level pressure field in December(a),January(b),and February(c),and the height field at 500 hPa in December(d),January(e),and February(f)in yearsw ith PC1 positive and negative anomaly
2.2.2 第二模態(tài)環(huán)流異常季節(jié)內(nèi)演變特征
PC2正負(fù)異常年合成的12月、1月、2月海平面氣壓場(chǎng)和500 hPa高度場(chǎng)見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn),當(dāng)季內(nèi)12月偏暖、1—2月偏冷時(shí),12月最顯著的信號(hào)是西伯利亞地區(qū)SLP顯著負(fù)異常和阿留申及以東地區(qū)SLP顯著正異常(圖6a),表明SH和阿留申低壓均偏弱,EAWM 環(huán)流減弱。對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場(chǎng)上也表現(xiàn)出類似的西低東高分布,烏山脊和東亞大槽均偏弱,環(huán)流緯向度大(圖6d)。200 hPa高空急流位置偏北(圖略)。1月環(huán)流場(chǎng)發(fā)生了明顯調(diào)整,SH和阿留申低壓均明顯加強(qiáng),EAWM 環(huán)流增強(qiáng)(圖6b)。500 hPa高度場(chǎng)(圖6e)極區(qū)為顯著正異常,蒙古至中國(guó)東北地區(qū)為顯著負(fù)異常。兩個(gè)異常中心的分布類似極地歐亞型遙相關(guān)(Polar/Eurasia,PEA)負(fù)位相[28]。北高南低的配置使中高緯經(jīng)向度加大,有利于冷空氣南下影響中國(guó)東北地區(qū)。200 hPa急流位置略偏南。2月SH向南推進(jìn)(圖6 c),極渦偏向西半球,并向?yàn)趵瓲柹椒较蜓由?,東亞中高緯以負(fù)距平為主,仍維持經(jīng)向型環(huán)流(圖6f)。綜合分析表明,在此配置下,1月環(huán)流場(chǎng)較12月明顯調(diào)整,呈現(xiàn)PEA遙相關(guān)負(fù)位相特征,SH和EAWM 強(qiáng)度明顯增強(qiáng),高空急流位置偏南,中高緯環(huán)流經(jīng)向度加大,有利于極地冷空氣南下影響黑龍江省。
圖6 PC2正負(fù)異常年合成的12月(a)、1月(b)、2月(c)海平面氣壓場(chǎng)和12月(d)、1月(e)、2月(f)500 hPa高度場(chǎng)Fig.6 Composites of sea-level pressure field in December(a),January(b),and February(c),and the height field at 500 hPa in December(d),January(e),and February(f)in yearsw ith PC2 positive and negative anomaly
2.2.3 第三模態(tài)環(huán)流異常季節(jié)內(nèi)演變特征
PC3正負(fù)異常年合成的12月、1月、2月海平面氣壓場(chǎng)和500 hPa高度場(chǎng)見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn),當(dāng)季內(nèi)12月至1月偏暖、2月偏冷時(shí),12月至1月SH略偏弱(圖7a和圖7b),200 hPa急流位置略偏北(圖略)。歐亞中高緯環(huán)流呈兩脊一槽型分布,北歐和中國(guó)東北為高壓脊,二者之間為寬槽,中高緯環(huán)流緯向度略大(圖7d和圖7e)。2月SH顯著偏強(qiáng),大西洋格陵蘭島南側(cè)有正異常,低緯有大范圍顯著負(fù)異常(圖7c)。正、負(fù)異常分別具有準(zhǔn)正壓、斜壓結(jié)構(gòu),在500 hPa高度場(chǎng)(圖7f)上呈現(xiàn)出類似東大西洋型遙相關(guān)(EA)[29]負(fù)位相的分布特征。北側(cè)異常中心向東北方向延伸至極區(qū),極渦偏向東亞,烏拉爾山和泰梅爾半島附近顯著正異常,同時(shí)在貝加爾湖以南為顯著負(fù)異常,有利于冷空氣由極區(qū)不斷南下。綜合分析表明,在此配置下,12月至翌年1月中高緯環(huán)流呈緯向型分布,黑龍江省偏暖。2月環(huán)流場(chǎng)發(fā)生明顯調(diào)整,呈現(xiàn)EA遙相關(guān)型負(fù)位相的分布特征,SH強(qiáng)度增強(qiáng),中高緯環(huán)流經(jīng)向度加大,有利于極地冷空氣入侵黑龍江省。
圖7 PC3正負(fù)異常年合成的12月(a)、1月(b)、2月(c)海平面氣壓場(chǎng)和12月(d)、1月(e)、2月(f)500 hPa高度場(chǎng)Fig.7 Composites of sea-level pressure field in December(a),January(b),and February(c),and the height field at 500 hPa in December(d),January(e),and February(f)in yearsw ith PC3 positive and negative anomaly
綜上所述,極渦、SH和EAWM 強(qiáng)度、中高緯環(huán)流經(jīng)向度、高空急流位置等是黑龍江省冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變化的主要環(huán)流影響因子。AO、PEA和EA遙相關(guān)型分別對(duì)三個(gè)模態(tài)分布型起重要作用。
由前文分析可知,與三個(gè)模態(tài)相聯(lián)系的主要環(huán)流因子有AO、SH、EAWM[30]和PEA、EU、EA遙相關(guān)型,但各因子在季節(jié)內(nèi)演變?nèi)齻€(gè)模態(tài)中發(fā)揮的作用可能并不相同。因此進(jìn)一步分析6個(gè)因子在冬季氣溫季節(jié)內(nèi)演變中的貢獻(xiàn)[31]。
表2為PC1—3與逐月環(huán)流指數(shù)的相關(guān)系數(shù),由于指數(shù)間也存在相關(guān)(表略),當(dāng)兩指數(shù)顯著相關(guān)時(shí)可計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)(表略)。由表2和偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知,PC1與12月IAO、IEU、1月IAO、IEAWM、2月IAO、ISH、IEAWM、IEU顯著相關(guān),其中PC1與IAO和2月IEAWM的相關(guān)通過(guò)了99%信度檢驗(yàn)。12月IAO與IEU相關(guān)顯著,在排除了AO影響后,PC1與EU相關(guān)明顯變?nèi)?,相關(guān)系數(shù)為-0.17,未通過(guò)95%信度的顯著性檢驗(yàn),而排除EU影響后,PC1與AO相關(guān)仍顯著,偏相關(guān)系數(shù)為0.34,這表明AO是主要的影響因子。計(jì)算得到AO、EU的相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為68.3%和31.7%。同理可得1—2月AO、EAWM 是主要影響因子,相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為1月71.1%、28.9%,2月54.8%、41.9%。因此得到對(duì)第一模態(tài)影響最大的因子為AO,其次為EAWM。第一模態(tài)具有明顯的年代際變化特征,且主要影響因子是AO,這與以往的研究結(jié)論[9]一致。AO可以解釋中國(guó)東北區(qū)域平均地表氣溫異常約14%的方差[32]。當(dāng)黑龍江省冬季氣溫處于第一模態(tài)正位相時(shí),AO處于正位相,對(duì)流層高層的東亞急流和中層的東亞大槽偏弱,亞洲北部緯向環(huán)流偏強(qiáng),東亞大槽后下方對(duì)流層低層?xùn)|南風(fēng)異常,EAWM 偏弱,不利于極地冷空氣南下,中國(guó)東北地區(qū)溫度偏高[26,32]。
表2 PC1至PC3與逐月環(huán)流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between PC1 to PC3 and monthly circulation indices
對(duì)PC2分析表明,EAWM 和SH為12月主要影響因子,相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為41.9%和22.7%,AO和EU貢獻(xiàn)略小。1月SH和PEA為主要因子,貢獻(xiàn)分別為48.4%和51.6%。2月SH為主要影響因子。因此第二模態(tài)因子重要性依次為SH、PEA 和EAWM。北半球極渦是冷空氣的源地,對(duì)中國(guó)冬季氣溫有重要影響[33]。PEA遙相關(guān)主要反映亞洲區(qū)極渦與蒙古至中國(guó)東北地區(qū)高度場(chǎng)異常的反相變化,能夠反映極渦位于亞洲區(qū)的偏態(tài)特征。當(dāng)PEA處于負(fù)位相時(shí),亞洲區(qū)極渦偏弱,SH和EAWM 偏強(qiáng),有利于極地冷空氣南下,黑龍江省氣溫偏低。
PC3與2月指數(shù)相關(guān)較顯著,SH、EA、AO相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為63.9%、21.1和13.6%,綜合分析表明SH和EA是主要影響因子。中國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫異常與同期北大西洋海溫異常有密切關(guān)系,北大西洋海溫呈“+-+”三極型模態(tài)時(shí),中國(guó)東北地區(qū)氣溫偏高[34]。用標(biāo)準(zhǔn)化的2月EA指數(shù)回歸同期大西洋海溫場(chǎng)發(fā)現(xiàn),EA指數(shù)正異常與北大西洋中高緯海表溫度冷異常和低緯海表溫度暖異常相聯(lián)系(圖略),因此氣溫異常分布對(duì)大西洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常的響應(yīng)可能是通過(guò)EA來(lái)實(shí)現(xiàn)的。引入T-N通量來(lái)分析(圖略),PC3正異常時(shí),2月EA處于負(fù)位相,在格陵蘭島南部和冰島附近有正位勢(shì)中心存在并不斷向東南傳播能量,在西歐形成輻合,Rossby波在負(fù)位勢(shì)東部重新激發(fā)并在烏拉爾山至極區(qū)形成正位勢(shì)中心,并不斷向東南傳播,最終傳播至蒙古和中國(guó)東北地區(qū),在該區(qū)域形成大范圍輻合,SH偏強(qiáng),黑龍江省氣溫偏低。
(1)1961—2019年黑龍江省約50%的冬季存在季節(jié)內(nèi)冷暖轉(zhuǎn)換特征。冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變化存在三個(gè)主要模態(tài):冬季一致變化型、12月和翌年1—2月反位相變化型、12—1月和2月反位相變化型。在季節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí),均有連續(xù)兩個(gè)月氣溫呈一致的距平變化。
(2)當(dāng)冬季氣溫處于第一模態(tài)分布一致偏暖(冷)時(shí),環(huán)流呈現(xiàn)類似AO正(負(fù))位相分布特征,EAWM 環(huán)流減弱(加強(qiáng)),冷空氣活動(dòng)偏弱(偏強(qiáng))。當(dāng)冬季氣溫發(fā)生季節(jié)內(nèi)冷暖轉(zhuǎn)換時(shí),極渦、高空急流、SH和EAWM 強(qiáng)度、中高緯環(huán)流經(jīng)向度等均有明顯調(diào)整。第二模態(tài)環(huán)流異常特征是由12月的西低東高型(西高東低型)調(diào)整為1月PEA負(fù)(正)位相,第三模態(tài)環(huán)流異常特征是由12月至翌年1月中高緯環(huán)流的緯(經(jīng))向型調(diào)整為2月EA負(fù)(正)位相。
(3)對(duì)冬季氣溫季節(jié)內(nèi)演變第一模態(tài)影響較大的因子為AO,其次為EAWM;對(duì)第二模態(tài)影響較大的因子為SH,其次為PEA和EAWM;對(duì)第三模態(tài)影響較大的因子為SH和EA。