华北地区冷暖年的不同环流形势特征

郝一骄　赵晨曦

摘 要：利用NCEP/NCAR 1960-01—2010-12的500 hPa、850 hPa全球高度场再分析资料和850 hPa风场资料，以及1960—2010年日平均气温资料，统计了华北地区86个台站1960—2010年间的冬季、夏季气温值，运用经验正交函数分解方法研究了华北地区冷暖年的空间分布和时间变化特征，并对比、分析了冷暖年对应的环流形势特征。结果表明，华北地区温度的年际变化有良好的空间一致性。夏季，20世纪60—90年代前，华北地区以偏冷年为主；20世纪90年代中期后，以偏暖年为主。冬季，20世纪80年代中期，华北地区以偏冷年为主；20世纪80年代后期，以偏暖年为主。西伯利亚高压、乌拉尔山以东的高压脊、东亚大槽和西太平洋副热带高压是影响华北冷暖年分布的主要因子。对于风场而言，冬季冷暖年的变化与中高纬的西风强弱有关，暖年时，西风偏强，冷年反之；对于夏季，冷暖年的变化与华北地区西南气流强弱有关，冷年时西南气流明显强盛，暖年反之。

关键词：华北地区；冷暖年；环流形势；全球变暖

中图分类号：P434 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.021

近年来，全球气候变暖引起社会各界的广泛关注。近百年来，我国气温显著上升，有变暖的趋势，华北地区气温持续升高，干旱情况日益严重。IPCC第五次报告指出，最近60年，我国气温上升尤其明显，平均每10年约升高0.23 ℃。我国温度的区域性和季节性变化特征明显，华北地区是我国内陆增温幅度较大的主要表现区域。近年来，增暖也是华北地区气温异常的主要表现之一。华北地区位于北半球中纬度，为温带半湿润半干旱的大陆性季风气候，其气温变化特征与亚洲上空大气环流的变化紧密相关，东亚大气环流有季节性转变的特点。研究该区域冷暖年的空间分布和时间变化特征，分析冷暖年对应的环流形势特征，全面认识华北地区的气候特点，进一步研究华北地区气候变化情况有非常重要的意义。

对华北地区冷暖年变化和对应的环流形势特征已有了比较多的研究。Thompson等提出了北极涛动是北半球中高纬温度显著变化的重要原因。但是，近百年来，我国的增温主要发生在冬季和春季，所以，之前的研究多为冬季。张友姝等在分析华北地区的季节-年际气温变化特征的基础上，着重分析了冬季这一季节的时空特征。何春等研究表明，冬季北极涛动与华北地区气温变化间有明显的关系，这主要表现在年际尺度和年代际尺度上。孔凡超等人认为，亚洲区极涡的面积、蒙古高压、东亚大槽和乌拉尔山东部高压脊等北半球环流形势是华北地区冬季气温存在偏冷年、偏暖年变化的重要影响因子。申红艳等分析了冬季华北地区气温的年代际异常与其对应的环流场变化。研究表明，冬季气温年代际变化明显，并且认为造成冬季气温年代际变化异常的主要原因是北半球冬季环流场和北极涛动的年代际变化。对于夏季，王作东等分析了我国北部气温的变化特点和与同期对应的环流形势特征。研究表明，我国夏季气温也有显著的年代际变化特征，并且亚洲高空环流形势的年代际变化是该特征变化的主要因子。庞华基等分析了华北地区局地的气温变化特征及其对应的环流形势。

1 资料和方法

本文使用的气温资料来自中国气象局整编的《中国1960—2010年逐日站点资料》和NCEP/NCAR再分析数据资料，具体为：1960—2010年逐月的500 hPa、850 hPa等压面位势高度场平均资料和850 hPa的风场资料。研究范围主要是华北地区，具体选为33°～43°N和108°～120°E间的86个代表站点，如图1所示。这些代表站点主要包括的地区是北京、天津、河北、山西、陕西、山东、河南的大部地区，以及内蒙古、安徽、江苏的局部地区。

在气象统计中，要分析、研究各种大多由不规则网格点组成的气象要素场，比如温度场、降水场等。近年来，经验正交函数分解在气象方面的应用十分广泛。经验正交函数分解方法（EOF）是针对气象要素场分解的。其工作原理是，把含有p个空间点的场随时间变化的情况进行分解，即把某个区域的气象要素场Fij（i=1，2，…p；j=1，2，…n，即为n个时次的p个空间点的资料）分解为相互正交的空间函数和相互正交的时间函数的乘积的和，即：

方法将实际的大气场用许多由正交函数代表的不同典型场按线性的方法叠加而成。不同时刻，这些典型场各自对应的权重系数不相同，经常用较少数量的空间分布模态就能涵盖基本的气象要素场。因此，在实际应用中，常常选取前几个方差贡献率大的典型场来代替原场。它可以在不同时间、相同站点上综合分析不同高度的各种元素，采取2个空间不同的站点进行分解，可以在有限的区域进行。EOF方法不像三角函数展开方法等有一个固定的展开形式，它不是事先人为给定的典型场函数。EOF方法具有快速收敛的特点，更能体现出原场的基本结构特点，因此，该方法被广泛应用于气象学中。

2 华北地区冷暖年的分布

2.1 冬季的冷暖年分布

对华北地区86个站点1960—2010年的冬季（12月、次年1月、次年2月）的温度距平场进行经验正交函数分解。冬季华北地区第一特征向量均为负值。这表明，温度的年际变化有良好的空间一致性，其气温空间变化趋势大体一致。20世纪60—80年代中期，华北地区冬季以偏冷年为主；20世纪80年代后期至今，华北地区冬季以偏暖年为主。

由图2可知，第一特征向量的贡献率为81.5%.图2a为第一特征向量的空间分布，华北地区均为负值；图2b为第一特征向量的时间序列。经过综合分析，华北地区冬季气温变化趋势较为一致。1960—1985年，华北地区冬季以偏冷年为主，除了1964年、1965年、1972年、1977年、1978年为稍偏暖年；1986—2010年，华北地区冬季以偏暖年为主，除了1999年、2004年为稍偏冷年。其中，1988年为华北地区气温持续增温的年份。

2.2 夏季的冷暖年分布

对华北地区86个站点1960—2010年夏季（6月、7月、8月）的温度距平场进行EOF分解，前二个特征向量的累积贡献率达75.8%.对于华北大部地区，20世纪60—90年代年间，夏季以偏冷年为主，20世纪90年代中期至今，华北地区以偏暖年为主。

由图3可知，第一特征向量的贡献率为58.1%.图3a为第一特征向量的空间分布图，图3b为第一特征向量的时间序列。经过综合分析，华北地区空间分布图中均为负值，其夏季气温分布具有一定的空间一致性。1960—1993年，华北地区冬季以偏冷年为主，除了1961年、1963年、1966年、1967年、1972年、1975年、1978年、1981年、1991年为稍偏暖年；1994—2010年，华北地区冬季以偏暖年为主，除了1995年、1996年、2003年、2004年为稍偏冷年。

由图4可知，第二特征向量的贡献率为17.7%.图4a为华北地区夏季的空间分布，39°N以北的华北地区为负值，具体包括内蒙古地区、山西北部、河北北部、陕西北部局部地区；39°N以南为正值，具体包括河北南部、山西中南部、陕西大部分地区、山东地区以及河南、安徽、江苏部分地区。图4b为其对应的时间序列。经过综合分析，1960—1980年，内蒙古地区、山西北部、河北北部、陕西北部大多为偏冷年，河北南部、山西南部、陕西南部、山东地区以及河南、安徽、江苏部分地区大多为偏暖年；1981—2010，内蒙古地区、山西北部、河北北部、陕西北部大多为偏暖年，河北南部、山西南部、陕西南部、山东地区以及河南、安徽、江苏部分地区大多为偏冷年。

3 冷暖年环流形势对比分析

3.1 冬季冷暖年的环流形势对比

分析冷暖年对应的环流形势时，选取1960—2010年间的典型年份作为代表。对于冬季的第一特征向量，暖年选取1998 年、2001年、2003年、2006年、和008年作为典型年份分析其环流形势，冷年选取1963年、1966年、1967年、1971年、1976年作为典型年份。图5a为500 hPa暖年时的环流形势，图5b为冷年时的环流形势。冬季北极涛动对华北地区冷暖年的分布也有一定的影响，其指数与温度呈正相关。当北极涛动位于负位相时，高纬度的高气压和中纬度的低气压均加强，中纬度地区西风减弱，盛行经向环流，所以，在对流层低层产生强的北风异常，将冷空气从高纬度输送到较低纬度，导致中纬度地面气温降低。我国大部地区冬季气温变化与西伯利亚高压的强度之间呈明显的负相关。暖年时，华北地区经向环流比较弱，乌拉尔山以东的高压脊发展较弱，东亚大槽发展也减弱。冷年时，华北地区经向环流增强，有利于冷空气从高纬地区南下至华北地区，乌拉尔山高压脊向极地发展，东亚大槽同时加强。图6为冬季500 hPa冷年与暖年的位势高度差，西伯利亚地区为正值，正值中心位于乌拉尔山以西，东亚大部地区为负值，负值中心位于蒙新高地。由此可见，东亚大槽和乌拉尔山以东的高压脊发展强度与温度呈反相关，其发展越强烈，越易出现冷年。

3.2 夏季冷暖年的环流形势对比

对于夏季的冷暖年分布，暖年选取1997年、2000年、2001年、2010年作为典型年份分析其形势，冷年选取1969年、1976年、1979年、1993年作为典型年份。图7a为夏季500 hPa暖年的环流形势，图7b为夏季500 hPa冷年的环流形势。西太平洋副热带高压的脊线所在的位置对夏季华北地区的气温变化也有一定的影响。分析图7可知，对于不同年份的冷暖年，等高线所在位置有较大的差异。受副热带高压的影响，暖年时，5 800线压在华北地区北部，而冷年时该线显著偏南。副热带高压的位置与华北地区的日平均气温有密切的联系，其位置越偏北，华北地区越容易出现暖年；反之，则易出现偏冷年。图8为夏季500 hPa冷年与暖年的位势高度差，乌拉尔山附近为正值区，东亚地区均为负值，并且我国华北地区以北为负值中心。东亚中纬度地区位势高度在暖年时明显高于冷年，华北地区夏季冷暖年的分布与其有一定的关系。

4 冷暖年风场对比分析

4.1 冬季冷暖年的风场对比

图9为冬季850 hPa风场的对比图，a图为暖年，b图为冷年。冬季华北地区主要受西北气流的控制。暖年时，在中高纬度地区，西风加强；冷年时，西风减弱。由此可知，暖年时，在中高纬地区纬向环流比较强；冷年时，纬向环流比较弱。这表明，冷暖年的变化与中高纬的纬向环流变化有关。

图10为冬季850 hPa冷年与暖年的风场差。在华北地区，风场差异比较小，而在45°N以北地区，暖年时，西风明显比较强，纬向环流显著，导致冷空气不易南下至华北地区，造成华北地区暖年。

4.2 夏季冷暖年的风场对比

图11为夏季850 hPa风场的对比图，a图为暖年，b图为冷年。暖年时，华北大部地区风速比较小；冷年时，华北地区风速比暖年偏大，并且以弱西南风为主。

图12为夏季850 hPa冷年与暖年的风场差。由图12可知，华北地区北部风场变化比较小，这主要取决于从孟加拉湾和我国南海地区输送的西南气流。冷年时，西南气流明显强盛，暖年时，无明显的西南气流。西南气流是影响华北地区夏季天气的重要因素之一，强盛的西南气流给华北地区带来了明显的降水，从而影响华北地区的日平均气温。

5 结论

华北地区温度的年际变化有较好的空间一致性。夏季，20世纪90年代前期，华北地区以偏冷年为主；20世纪90年代中期后，以偏暖年为主。冬季，20世纪80年代中期前，华北地区以偏冷年为主；20世纪80年代后期，以偏暖年为主。

冷暖年分布与环流形势特征很大的关系。对于夏季，华北地区冷暖年的分布受西太平洋副热带高压带的影响。当副热带高压偏北时，华北地区容易出现暖年；反之，容易出现冷年。对于冬季，华北地区冷暖年分布明显受西伯利亚高压、东亚大槽和乌拉尔山以东的高压脊的影响。西伯利亚高压、东亚大槽和乌拉尔山以东的高压脊与温度呈反相关，即西伯利亚高压、东亚大槽和乌拉尔山以东的高压脊发展较强时容易出现冷年；反之，则容易出现暖年。对于风场而言，冬季冷暖年的变化与中高纬的西风强弱有关，暖年时，西风偏强，冷年反之；对于夏季，冷暖年的变化与华北地区西南气流强弱有关，冷年时，西南气流明显强盛，暖年反之。

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作者简介：郝一骄（1991—），女，山西原平人，2013年毕业于南京信息工程大学，助理工程师。

〔编辑：白洁〕