許嘉禾，田心如

(1.南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇南京 210000；2.江蘇省氣象臺，江蘇南京 210008；3.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210044)

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2011與2008年我國1月地面氣溫異常對比分析

許嘉禾1，田心如2，3*

(1.南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇南京 210000；2.江蘇省氣象臺，江蘇南京 210008；3.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210044)

摘要運用我國160站月平均氣溫、NCEP/NCAR 再分析和NOAA海溫資料，結(jié)合1979～2011年我國1月地面氣溫年際異常變化可能機理，對比分析了2008與2011年1月氣溫異常變化的原因。結(jié)果表明，不同于2008年1月屬典型低溫年，2011年表現(xiàn)出相反的北大西洋濤動(或北極濤動)位相異常。但在亞洲中高緯度地區(qū)這2年的環(huán)流異常均與典型年一致，即高空烏拉爾山高壓脊偏強，地面貝加爾湖南側(cè)氣壓偏高，冷空氣活動偏強。進一步分析發(fā)現(xiàn)，中高緯度烏拉爾山和貝加爾湖區(qū)域環(huán)流異常是影響我國大部地區(qū)氣溫異常的主要環(huán)流系統(tǒng)，NAO則是影響我國東北地區(qū)氣溫的重要因子；正是由于NAO的反位相異常使得2011年1月我國東北地區(qū)氣溫偏低。2008年1月歐亞中高緯環(huán)流異常受平流層擾動的影響，在前期9月就有明顯的異常反映，但2011年前期平流層的環(huán)流與2008年及典型冷年前期情況相反，表明2011年我國1月氣溫偏低的主要原因不是來源平流層。前期7月熱帶西印度洋、西太平洋和中東太平洋海溫異常與后期烏拉爾山和貝加爾湖環(huán)流有較好的關(guān)系，上述區(qū)域海溫異常對應(yīng)后期1月從北大西洋到亞洲中高緯出現(xiàn)與我國氣溫密切相關(guān)的NAO型遙相關(guān)環(huán)流異常。

關(guān)鍵詞環(huán)流異常；地面氣溫；前期信號

2008年1月全國平均氣溫為-6.6 ℃，為1986年以來的最低值[1]。2011年1月全國平均氣溫為-8.3 ℃，為1986年以來的新低值，貴州、湖南、廣西、重慶等地又出現(xiàn)了低溫冰凍天氣，對當?shù)亟煌ㄟ\輸?shù)犬a(chǎn)生了嚴重影響[2]。這2年1月我國地面氣溫均顯著偏低，給我國經(jīng)濟和人民生活造成了嚴重影響和損失[3]。從同期影響我國冬季氣溫異常的因子看，直接影響地面氣溫異常的環(huán)流系統(tǒng)是地面西西伯利亞高壓。當西西伯利亞高壓偏強(弱)時，對應(yīng)東亞冬季風(fēng)偏強(弱)，我國東部低層盛行異常的偏北(南)風(fēng)，中層烏拉爾山高壓脊異常偏強(弱)，其下游貝加爾湖南側(cè)低槽異常發(fā)展(減弱)或?qū)?yīng)東亞大槽異常偏強偏西(偏東偏弱)，低緯度西太平洋副熱帶高壓則偏東偏弱(偏強偏西)，這時我國氣溫異常偏低(高)[4-9]。另外還有些大尺度環(huán)流系統(tǒng)如北大西洋濤動或北極濤動(NAO/AO)與我國冬季氣溫有較好的關(guān)系[10-14]。從前期異常信號看，目前主要考慮到下墊面海洋異常及平流層環(huán)流異常[15-17]。但不同環(huán)流因子對我國氣溫影響的范圍均不同，并在年際和年代際尺度上存在差異[18]。雖然不少研究已經(jīng)表明La Nina對東亞冬季風(fēng)的活動有顯著的影響，使冬季風(fēng)偏強[3，18-19]，但針對2008年1月雨雪冰凍天氣的研究顯示La Nina事件不是造成此次持續(xù)雨雪冰凍天氣的“罪魁禍首”[18]，而北大西洋海溫異常可能是造成2008年低溫異常的原因[20]。盡管還有研究表明平流層極渦和AO等行星尺度環(huán)流異常與2008年1月低溫事件有重要的關(guān)系[16，21]，但也有研究發(fā)現(xiàn)烏拉爾山阻塞高壓與平流層極渦和NAO的關(guān)系在2008年表現(xiàn)出與多年相反的變化[18]。說明氣溫異常的原因很復(fù)雜。筆者利用我國160站月平均氣溫、NCEP/NCAR再分析和NOAA海溫資料，結(jié)合1979～2011年我國1月地面氣溫年際異常變化可能機理，對比分析了2008與2011年1月氣溫異常變化的原因。

1資料和方法

月氣溫資料為國家氣候中心整編的我國160站1月月平均氣溫；月平均850、500、250、50 hPa多層資料為NCEP/NCAR再分析風(fēng)場、溫度、位勢高度和海平面氣壓(SLP)資料，網(wǎng)格點密度為2.5°×2.5°，范圍為90°S～90°N、0～360°E區(qū)域。還使用NOAA整理的全球2°×2°網(wǎng)格點密度的海溫重建資料和逐月北大西洋濤動指數(shù)[22]、逐月印度洋偶極子指數(shù)[23]。以上所用資料為1978年7月～2011年1月。采用方法主要是合成、相關(guān)及回歸，并進行統(tǒng)計顯著性檢驗。

22008與2011年我國1月地面氣溫異常特征分析

由2008與2011年我國1月地面氣溫距平(圖1)可見，除我國東北地區(qū)外，這兩年的氣溫分布表現(xiàn)出類似的異常偏冷狀態(tài)，即全國大部分地區(qū)為負距平，而在青藏高原東部地區(qū)存在相對正距平區(qū)。從異常偏低的程度看，2011年偏低更明顯，主要差別在東北地區(qū)，2008年該地區(qū)氣溫大部在正常范圍變化，而2011年氣溫則明顯偏低。

注：陰影部分代表數(shù)字絕對值達1 ℃。Note：Shading represented that the absolute values were over 1 ℃.圖1　2008年(a)和2011年(b)我國1月地面氣溫距平分布Fig.1　Distribution of surface temperature departure in January 2008(a)and 2011(b)

3可能原因分析

3.1環(huán)流特征譚桂容等[21]分析表明NAO及相聯(lián)系的歐亞中高緯度環(huán)流異常是造成我國1月低溫的主要原因；當北大西洋濤動異常偏強，500 hPa烏拉爾山高壓偏強，對應(yīng)850 hPa我國東部為北風(fēng)距平，地面西伯利亞高壓偏強時，我國地面氣溫偏低；反之，我國地面氣溫則偏高。對照典型年的合成結(jié)果(圖2)可見，除北大西洋外，2008和2011年的環(huán)流異常變化均與多年合成的結(jié)果一致；且相對于2008年，2011年烏拉爾山高壓脊和對應(yīng)的地面西伯利亞高壓異常更強，分別達16 gpm和12 hPa，而2008年分別為12 gpm和9 hPa。雖然在冷暖年合成結(jié)果中，850 hPa我國東部的北風(fēng)異常不明顯，但2011年在我國東部存在顯著的北風(fēng)異常，這也反映了2011年影響我國季風(fēng)區(qū)的冷空氣層較2008年偏厚。

2008和2011年我國1月盡管在北大西洋地區(qū)的環(huán)流異常反位相，但在烏拉爾山地區(qū)的環(huán)流異常趨于一致。為更加細致地分析烏拉爾山環(huán)流與NAO環(huán)流異常對我國1月氣溫影響的差異，在此對烏拉爾山和NAO異常的典型年環(huán)流進行合成，典型年的選取根據(jù)譚桂容等[21]計算的環(huán)流指數(shù)確定，具體以烏拉爾山及其南側(cè)貝加爾湖區(qū)域指數(shù)(WSBH)之差的標準化正、負距平絕對值達到1.0的年份為典型年，分析發(fā)現(xiàn)，正異常年有1980、1981、1995、1996、2004、2005、2008、2011年，負異常年有1979、1982、1987、1990、1992、1997、2002、2003、2009年。根據(jù)1月NAO指數(shù)標準化距平值同理可得，北大西洋濤動正異常年為1983、1984、1986、1989、1993、2005、2006年，負異常年為1979、1985、1987、2010、2011年。

由圖3可見，500 hPa當烏拉爾山地區(qū)環(huán)流正異常時，對應(yīng)在貝加爾湖及以南的大陸區(qū)域為顯著的負異常，反映烏拉爾山阻塞高壓偏強，有利于冷空氣向南輸送，阻高南側(cè)的中低緯度地區(qū)低槽活動偏多，同時東亞大槽偏強或偏西，有利于我國氣溫異常偏低；地面西伯利亞高壓異常偏強，表現(xiàn)在我國東部地區(qū)為正距平；當北大西洋濤動異常偏強時，500 hPa烏拉爾山地區(qū)雖然不是正異常中心，但仍為正距平區(qū)；亞洲地區(qū)中東西伯利亞高度場異常偏高，中國大部及巴湖以西的西亞地區(qū)為負距平。對應(yīng)地面海平面氣壓異常分布與高空類似。WSBH正負異常典型年(圖4a)，我國除東北和青藏高原東部少部分地區(qū)外，氣溫為顯著負距平，說明當烏拉爾山至貝加爾湖地區(qū)環(huán)流發(fā)生異常時，我國大部地區(qū)氣溫會出現(xiàn)異常；NAO正負異常典型年(圖4b)，我國河套經(jīng)漢中平原到江南大部地區(qū)氣溫顯著偏低，這與WSBH正負異常典型年類似。但NAO正負異常典型年在青藏高原氣溫異常不明顯，而在東北地區(qū)氣溫則異常偏暖，表明當北大西洋濤動異常偏強時，我國東北地區(qū)氣溫易偏暖。對照圖1可見，2008年1月我國東北地區(qū)氣溫存在正異常區(qū)。這證實了我國東北地區(qū)氣溫與北大西洋濤動呈正相關(guān)關(guān)系。

3.2前兆信號由譚桂容等[21]分析可知，2008年1月對流層的北大西洋高度場為負距平，異常變化的中心在對流層中上層，與北大西洋急流異常擴展區(qū)對應(yīng)。在北大西洋上空對流層和東亞上空平流層分別有?T/?Y負異常(?T/?Y負異常表示溫度隨緯度的增加而降低的幅度比常年大)變化中心與高度負異常中心對應(yīng)，平流層區(qū)域(40°～80°N、80°～160°E)的?T/?Y負異常從前期9月份就開始，到1月達到最強，之后開始減弱。可見，2008年1月平流層溫度梯度的異常變化先于對流層，說明2008年1月低溫受平流層環(huán)流異常的影響。2011年1月對流層200 hPa和平流層50 hPa，?T/?Y異常分布與冷年合成結(jié)果和2008年情況基本相反，且平流層與對流層環(huán)流在垂直方向上為反位相異常變化，說明導(dǎo)致2011年氣溫異常環(huán)流的原因可能不是來自平流層。

注：a1、b1為 500 hPa高度距平(gpm)；a2、b2為850 hPa風(fēng)場距平(m/s)；a3、b3為海平面氣壓距平(hPa)；陰影部分為多年典型冷暖合成的結(jié)果統(tǒng)計檢驗信度達95%。Note：a1 and b1 were 500 hPa geopotential height anomaly(gpm)，a2 and b2 were 850 hPa wind field anomaly(m/s)；a3 and b3 were sea level pressure anomaly(mb)；shaded area was the composite of typical cool/warm years with test reliability exceeding 95%.圖2　2008年(a)和2011年(b)1月環(huán)流場距平與相應(yīng)冷暖年合成差值顯著異常區(qū)Fig.2　Significant abnormal areas of monthly circulation field anomaly and composite difference of corresponding cool/warm years

注：a1、b1為WSBH正負異常年；a2、b2為NAO正負異常年。Note：a1 and b1 were WSBH positive and negative anomalies(gpm)，a2 and b2 were NAO positive and negative anomalies.圖3　正負異常年500 hPa高度場(a,dagpm)和海平面氣壓場(b,hPa)合成差值及t檢驗結(jié)果Fig.3　Composite differences and t-test results of 500 hPa height field(a，dagpm)and sea level pressure(b，hPa)in positive and negative anomalies

圖4　WSBH(a)和NAO(b)正負異常典型年我國1月地面氣溫距平合成差值及t檢驗結(jié)果Fig.4　Composite difference and t-test result of surface temperature anomalies in WSBH(a)and NAO(b) in positive and negative anomalies

注：等值線代表海溫距平；陰影區(qū)代表WSBH指數(shù)與海溫相關(guān)分析統(tǒng)計檢驗信度達95%的顯著區(qū)。Note：Isoline was sea surface temperature anomalies；shaded area was confidence level greater than 95% in corresponding test between WSBH and SSTA.圖5　2008年(a)和2011年(b)前期7月海溫距平及當年1月WSBH指數(shù)與前期7月海溫的相關(guān)顯著區(qū)Fig.5　Leading July sea surface temperature anomalies in 2008(a)and 2011(b)and correlation significant areas between WSBH in January and the SSTA in leading July

根據(jù)前面的分析，當我國大部地區(qū)氣溫異常偏低時，烏拉爾山到貝加爾湖地區(qū)的環(huán)流均異常顯著。為進一步分析我國氣溫異常的原因，從年度預(yù)測的角度，分析了前期海溫異常特征。由烏拉爾山到貝加爾湖地區(qū)環(huán)流指數(shù)與前期7月海溫的相關(guān)分布(圖5)可見，當烏拉爾山到貝加爾湖地區(qū)環(huán)流存在北正南負的異常分布時，海溫在北大西洋低緯度、熱帶西印度洋和中東太平洋均為顯著的正相關(guān)，而在熱帶西太平洋為顯著的負相關(guān)。對比2008和2011年，2008年前期7月在西太平洋、熱帶西印度洋、中東太平洋地區(qū)的海溫異常與顯著的正負相關(guān)區(qū)對應(yīng)一致；2011年前期7月在西印度洋與顯著相關(guān)區(qū)吻合，而在熱帶東、西太平洋的海溫異常與顯著相關(guān)區(qū)符號相反。兩年一致的海溫變化在西印度洋均為正的海溫異常，表明前期西印度洋海溫異常與后期1月烏拉爾山環(huán)流及我國1月地面氣溫異常的關(guān)系很密切。由圖6可見，西印度洋海溫異常與印度洋偶極子變化有關(guān)。在我國1月氣溫異常偏低年，印度洋偶極子從前期夏季到后期冬季呈現(xiàn)由正逐漸減弱到負異常的演變，反之在暖年為相反的演變。2008和2011年對應(yīng)的印度洋偶極子變化也均呈現(xiàn)出冷年對應(yīng)的特征。印度洋偶極子一般從夏季開始活躍，秋季成熟，所以夏季印度洋偶極子對大氣環(huán)流的影響很重要。

注：等值線代表500 hPa高度場(dagpm)。陰影表示相關(guān)統(tǒng)計檢驗信度達95%。Note：Isoline was 500 hPa height field(dagpm).Shaded area was confidence level greater than 95% in corresponding test.圖7　前期7月西印度洋區(qū)(a)、東太平洋區(qū)(b)、西太平洋區(qū)(c)海溫距平與后期1月500 hPa高度場的回歸結(jié)果Fig.7　Regression results of sea surface temperature anomalies over key areas in leading July and 500 hPa height field in January

為進一步分析印度洋海溫異常與烏拉爾山大氣環(huán)流之間的關(guān)系，在此對前期7月關(guān)鍵區(qū)海溫距平回歸的后期1月500 hPa高度場進行分析。西印度洋、東太平洋和西太平洋分別依照后期1月WSBH與前期7月海溫的顯著相關(guān)區(qū)(圖5)計算相應(yīng)區(qū)域通過顯著性檢驗的格點的海溫距平平均值作為各區(qū)的海溫序列。由圖7a可見，從北大西洋經(jīng)烏拉爾山到貝加爾湖地區(qū)的環(huán)流型呈現(xiàn)與冷年一致的NAO關(guān)聯(lián)的遙相關(guān)型，表明熱帶西印度洋海溫正異常對后期烏拉爾山高度變化具有正的貢獻。東太平洋海溫回歸的高度場表現(xiàn)出類似的變化趨勢(圖7b)。而西太平洋區(qū)域海溫回歸的高度場表現(xiàn)出相反的變化趨勢(圖7c)，這與1月WSBH同前期西太平洋區(qū)域海溫之間存在的負相關(guān)關(guān)系對應(yīng)(圖5)。對照2008與2011年情況可見，這兩年在西印度洋的正海溫距平與后期1月烏拉爾山到貝加爾湖的環(huán)流異常一致。

4結(jié)論與討論

該研究結(jié)合1979年以來典型年1月氣溫變化的環(huán)流特征，對比分析了2008與2011年我國1月氣溫異常的主要原因和前兆信號，主要有以下結(jié)論：

(1)從直接影響的環(huán)流因子看，在亞洲中高緯度地區(qū)，2011與2008年的環(huán)流異常均與典型年一致：即高空烏拉爾山高壓脊偏強，地面貝加爾湖南側(cè)氣壓偏高，侵入我國的冷空氣活動偏強。但不同于2008年典型低溫年，2011年1月北大西洋濤動(NAO)位相相反。進一步分析發(fā)現(xiàn)，中高緯度烏拉爾山和貝加爾湖區(qū)域環(huán)流異常是影響我國大部地區(qū)氣溫變化的直接因素，NAO則與我國東北地區(qū)氣溫變化密切相關(guān)。

(2)從前期信號看，2008年1月中高緯環(huán)流異常受平流層擾動的影響，在前期9月有明顯的異常反映，但2011年前期平流層的環(huán)流與典型年相反，表明2011年我國1月氣溫偏低的原因可能不是來源平流層。

(3)前期7月熱帶西印度洋、西太平洋和中東太平洋海溫異常與后期烏拉爾山和貝加爾湖環(huán)流有較好的關(guān)系。當前期7月上述區(qū)域海溫發(fā)生異常時，后期1月從北大西洋到亞洲地區(qū)易出現(xiàn)直接導(dǎo)致我國大部分地區(qū)氣溫異常的NAO遙相關(guān)環(huán)流型。這兩年的氣溫偏低與前期西印度洋海溫偏高密切相關(guān)，而2011年前期在熱帶東、西太平洋海溫的不同異常則可能是導(dǎo)致北大西洋上空NAO環(huán)流反位相變化的原因。

(4)NAO盡管與我國1月地面氣溫異常有較好的關(guān)系，但其主要與我國東北地區(qū)的氣溫變化密切相關(guān)，而造成我國1月地面大范圍氣溫異常的直接因子是亞洲中高緯度烏拉爾山和貝加爾湖地區(qū)的環(huán)流異常。

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Comparative Analysis of Surface Air Temperature Anomaly in January 2008 and 2011

XU Jia-he1, TIAN Xin-ru2,3*

(1. High School Affiliated to Nanjing Normal University, Nanjing, Jiangsu 210000; 2. Jiangsu Meteorological Observatory, Nanjing, Jiangsu 210008; 3. Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science and Technology (NUIST), Nanjing, Jiangsu 210044 )

AbstractIn terms of the monthly NCEP/NCAR data and the temperature data in 160 sites from the National Climate Center (NCC), causes of January surface air temperature anomaly of 2011 and 2008 were comparatively analyzed based on the possible mechanism of typical anomaly from 1979 to 2011 in China. Results showed that the anomalous January circulations of 2011 were different from those of 2008 with reversed phase anomalies of Northern Atlantic Oscillation (NAO). However, circulation anomalies over mid-high Asia in recent two years were the same as those in typical years: high-pressure ridge was relatively strong over Ural area; south Baikal Lake had relatively high pressure; and the cold air was stronger than normal. Further analysis showed that the circulation anomalies over Ural and Baikal were responsible for the anomalous surface air temperature in most part of China, while the NAO anomaly circulation mainly led to the anomalies in North East China, which was why the anomalous lower temperature occurred in North East China in 2011. The circulation anomalies in the stratosphere occurred earlier in September 2007 than those in the troposphere, but those occurred in 2011 were reversed. It was suggested that the cause for the low temperature in 2011 January might be not from the stratosphere. And the anomalous sea surface temperature(SSTA) in leading July in Western Indian Ocean(WI), Western (WP)and Eastern Pacific(EP) of the tropic had close relationship with later January circulation over Ural and Baikal. Positive SSTA occurred in leading July of both 2008 and 2011, resulting in the similar January circulation over Ural and Baikal and associated cold events, while opposite SSTA occurred in tropical Pacific might be responsible for the reversed phase of NAO in the troposphere.

Key wordsCriculation abnormity; Surface air temperature; Early signal

基金項目公益性氣象行業(yè)專項(20120616，20130628)。

作者簡介許嘉禾(1999-)，男，江蘇南京人，高中生。 *通訊作者，高級工程師，碩士，從事氣象災(zāi)害與應(yīng)用服務(wù)研究。

收稿日期2016-02-24

中圖分類號S 161.2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-223-05