中国冬季地面气温10～30 d低频变化及其与乌拉尔山环流的关系

谭桂容 张文正

摘要基于国家气象信息中心冬季（12月—次年2月）逐日气温和NCEP/NCAR再分析资料，采用非滤波方法提取10～30 d低频成分，分析了1979—2011年中国低频气温及与之关联的大气环流特征，着重讨论了乌拉尔山环流对中国冬季地面低频气温的影响。结果表明：1）全国气温第一模态呈现全国大部偏冷（暖）的空间分布型；典型年气温10～30 d低频方差贡献率占30%以上。2）北大西洋到极地、乌拉尔山及贝加尔湖地区环流异常与中国冬季气温异常显著相关。当极涡偏弱或北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）正異常，乌拉尔山地区高压脊偏强时，有利于地面贝加尔湖附近的冷高压加强，使中国冬季气温偏冷；反之亦然。3）中国冬季低频气温与乌拉尔山环流密切相关，且当乌拉尔山环流异常超前约15 d时，两者相关关系最好。即乌拉尔山高度场的加强有利于乌拉尔山高压脊及西伯利亚高压加强，对应东亚冬季风加强，导致中国冬季气温偏低。

关键词中国气温；低频变化；大气环流；非滤波方法

中国是遭受气象灾害较为频繁且严重的国家之一，尤其是近几年来，中国不断遭受持续性异常低温事件的影响。现阶段介于常规天气预报和短期气候预测之间的10～30 d的预报，即延伸期预报，是目前业务预报中正待研发的重点和“盲点”。已经有许多学者在这方面进行了探索，并取得了许多进展。由于10～30 d低频振荡为延伸期预报的背景，因此研究10～30 d低频振荡有重要的意义。

自从20世纪70年代初发现热带地区大气低频振荡（LowFrequency Oscillation，LFO）以来，LFO被视为重要的大气环流系统之一。LFO的时间尺度介于天气和短期气候变化之间，因此LFO能在很大程度上影响各地的天气和气候变化。最初LFO的相关研究主要集中于热带地区（Murakami，1984；Lau et al.，1985；Knuston et al.，1987；Li，1988）。后来许多学者的研究表明，全球的大气都存在低频振荡的周期变化现象（Madden and Julian，1971；Anderson and Rosen，1983；李崇银等，1990）。只是以热带地区和中高纬度地区的低频振荡最为显著和重要（李崇银等，1990，1991；邱明宇和陆维松，2006）。ENSO和LFO共同作用，能够导致冬季极端冷异常的发生（Hong and Li，2009），是影响冬季气候的重要系统。东亚冬季风的建立及其活动都同LFO有密切关系，如杨松和朱乾根（1990）发现强冷空气的活动主要受准40 d周期振荡控制。朱乾根（1990）通过对1980—1981年冬季的850 hPa气候资料的研究也指出，在冬季风活动期强冷空气的活动具有准40 d周期的振荡，并向南传播至南海地区。齐冬梅等（2016）指出东亚冬季风的低频振荡特征可以很好地指示同期西南地区较强的低温过程。金祖辉和孙淑清（1996）的研究表明，东亚大陆冬季风期间的地面气温、气压的低频振荡在冬季风活动中具有重要作用，并伴有显著的年际差异，且两种低频振荡强弱有明显的地区性。近来人们对中高纬度地区LFO及其与热带系统相互作用的研究逐渐增加，如李崇银等（1990）和邱明宇等（2006）的研究表明中高纬度（尤其是高纬度）地区的LFO比热带地区活动强，且在冬半年更强。中高纬度与北半球中纬度之间的LFO相互作用在冬季耦合最强（Kim et al.，2006），表明冬季中高纬度低频振荡有很重要的研究意义。马晓青等（2008）、朱毓颖和江静（2013）在对中、低纬度的低频波动研究中指出，它们可以独立活动或传播，也可以相耦合导致中国冬季持续低温。冬季寒潮、东北冷涡等天气过程和系统除本身具有低频周期外，也与大气环流的振荡周期密切相关，如刘慧斌等（2012）等研究发现，东北冷涡活动具有显著的10～30 d振荡周期。强寒潮过程及中高纬环流系统则表现出强的10～20 d左右的季节内振荡（丁一汇等，1991；索渺清等，2008）。寒潮低频振荡可以为寒潮爆发提供有利的大尺度背景（马晓青等，2008），并使寒潮加强（Joeng et al.，2005）；东北、华北地区极端低温时间也都与LFO密切相关（刘樱等，2016；苗青等，2016）。Gong and Ho（2004）认为，西伯利亚高压和北极涛动两者共同作用将导致东亚地区冬季温度的季节内变化。Lin and Brunet（2009）指出LFO可通过热带绝热加热引起的Rossby波列环流异常而引起气温异常。且热带的季节内振荡与中纬度的低频流动之间有明显相互作用（Pan and Li，2008）。

中国冬季持续低温事件受中高纬大气低频环流和热带大气低频对流活动共同影响（朱毓颖和江静，2013）。就极端冬季气温个例，布和朝鲁等（2008）研究发现2008年的持续异常低温雨雪事件与LFO活动密切相关。王允等（2008）的研究也表明中国南方地区风场表现出明显的20～50 d的低频振荡现象，且东亚冬季环流季节内低频振荡的位相变化能较好地揭示南方降雪过程的异常环流特征。

综上，关于中国冬季寒潮或持续低温的低频变化及其原因已有不少研究，但多关注30～50 d的低频变化，本文拟着重分析中国冬季地面气温10～30 d的低频变化，以期为进一步的延伸期预报提供有益的物理依据。

1资料和方法

11资料

1）从中国气象科学数据共享服务网站（http：//cdc.nmic.cn）中获取的全国2 400多台站（包括国家气候观象台、国家气象观测一级站、二级站）冬季逐日气温资料。

2）由NCEP/NCAR提供的水平分辨率为25°×25°的全球逐日再分析资料，包括200、500和850 hPa位势高度场、风场、速度势函数、海平面气压场等资料。

12方法

本文对低频气温、低频环流场的提取采取了非滤波方法（谭桂容和王一舒，2016）。10～30 d低频分量10～30的提取即用30 d以下成分分量30减去10 d以下成分分量10。其中，10=xt-∑ti=t-9xi/10（t=10，11，12，…）为10 d成分分量；30=xt-∑ti=t-29xi/30（t=30，31，32，…）为30 d以下成分分量。

作为当前气象诊断分析中比较常用的方法之一经验正交函数展开（EOF）方法，常用来分析气象要素场的时空变化特征。通过显著性检验的前几个特征向量能够最大限度地表征出某一区域气候变量场的变率时空分布可代表该变量典型的分布结构。特征向量所对应的时间系数代表了特征向量所表征的分布型随时间的变化。时间系数的绝对值越大，表明这一分布型越典型（Craddock and Flood，1969）。

本文中对相关、合成分析、回归分析的气温、位势高度、风场等采用t检验。

2地面气温的低频特征

21中国12—2月气温空间分布特征

为了考察全国12—2月气温的空间分布特征，分别对逐日气温原始场及其10～30 d的滤波场进行了EOF分析。第一模态的方差贡献分别达462%和57%，其空间分布类似（图1），表现为全国大部分地区呈现全区一致偏冷（暖）的空间分布型。因此本文着重对第一模态进行分析。

2210～30 d低频气温特征

图2为1979—2011年12—2月气温的功率谱。由图2a可见，冬季气温在10～20 d及20～40 d各有一个较强的低频信号，且低频信号通过了95%的显著性检验。表明对于中国冬季气温来说，低频气温是重要的组成部分。计算每1 a功率谱10～30 d谱值，选取10～30 d谱值最大的5 a作为低频气温强振荡年进行进一步的分析。5个典型年为：1980、1988、1994、1998和2005年。由典型年合成的功率谱图（图2b）可见，10～30 d低频振荡显著，强振荡年合成功率谱的低频信号强度显然强于多年平均值。以上分析表明，低频信号在冬季气温变化中十分重要，且冬季气温强低频振荡年的变化以10～30 d的低频变化占主要因素。

由1979—2011年10～30 d低频气温功率谱值随时间的变化（图3）可见，10～30 d低频信号贯穿大多数年份，只有少数年份冬季气温的10～30 d的低频信号不明显，与上文多年平均情况较吻合。同时可见，图中大值中心与之前选取的强年相对应，这说明前文选取的低频强年是合理的。综上可见，10～30 d低频变化在中国冬季气温变化中占有重要的地位。

图4为10～30 d低频气温占冬季气温方差贡献率的空间分布。无论是典型年还是多年平均，全国的低频气温方差贡献率占有相当大的比例，都在20%以上。典型年的低频气温方差贡献率在25%以上，其中在西南、华南等地区甚至达到了35%以上。显然，冬季10～30 d气温变化对全国冬季气温有很大的影响，典型年尤甚。

3影响低频气温的大气环流

31中高纬大气环流

为了探究中高纬低频大气环流对低频气温的影响，将冬季气温第一模态时间系数PC1进行滤波得到其10～30 d低频部分。根据10～30 d低频PC1选取其值为正且值大于1个标准差的并且相互独立的个例日为典型个例日，并对典型个例日进行合成分析（图5），样本量为97，自由度为95。由图5可知，中国低频气温在30 d的振荡期内都以偏冷为主要特征，且先增强后减弱，在超前15 d左右达到最冷。

以典型年低频PC1时间系数与低频位势高度场进行时滞相关分析（图6）。可见，500 hPa高度场与中国冬季低频气温显著相关，其中相关最显著区域位于乌拉尔山地区，相关系数达到了03以上。结合10～30 d中国低频气温的合成（图5）可知，当500 hPa高度场超前低频气温30～20 d时，北大西洋到极地区域表现为显著正相关，中国冬季温度转为偏冷占主的状态；之后乌拉尔山地区正相关逐渐增强，在超前20 d左右时乌拉尔山地区达最强正相关，对应中国冬季气温负异常经历逐渐增强到最强的过程。最后到同期，北大西洋到极地地区转为负相关，乌拉尔山区域也逐渐被负相关取代，显著正相关区减弱东移到贝加尔湖南侧，对应中国冬季气温负异常逐渐减弱。以上分析可见，欧亚中高纬与中国冬季气温异常变化显著相关的环流异常地区在北大西洋到极地、乌拉尔山及贝加尔湖地区，这与以往研究指出的影响中国冬季气温异常的环流系统是NAO（North Atlantic Oscillation）、极涡、乌拉尔山高压脊、贝加尔湖低压槽等是一致的（谭桂容等，2010）。即当极涡偏弱或NAO正异常，乌拉尔山地区高压脊偏强时，有利于地面贝加尔湖附近的冷高压加强，使中国冬季气温偏冷；反之亦然。综上，在欧亚中高纬地区，乌拉尔山地区环流异常与中国冬季低频气温的相关最强，是影响中国冬季低频气温的重要环流因素。

由典型年10～30 d分量的气温PC1与低频风场的时滞回归（图略）可见，850 hPa风场上，在北大西洋到欧亚中高纬度存在显著相关区。风场超前气温30～25 d时，乌拉尔山附近地区有反气旋存在，贝加尔湖附近及其南侧为异常的东风异常，表明有异常的经向环流发展；超前20 d时，乌拉尔山地区可见明显的反气旋异常，中国东部则出现异常的北风，表明东亚冬季风偏强。对照前文可知，500 hPa乌拉尔山高压脊的加强有利于低层850 hPa反气旋的发展和东亚冬季风的增强，从而有利于中国冬季气温的偏低。

可见，乌拉尔山地区的环流异常确实与中国冬季地面气温有很密切的关系，下面将进一步分析乌拉尔山环流异常与中国冬季低频气温的关系。

32乌拉尔山环流与中国低频气温的关系

为进一步分析乌拉尔山环流与中国低频气温的关系，根据低频气温PC1与低频500 hPa高度场相关系数分布（图6）的超前20 d的显著区域（55～85°E，50～70°N），计算区域内在该时刻达到显著的格点的逐日高度距平值作为指数，简称为IHIDX。

圖7a为1979—2011年IHIDX的功率谱，可见其存在一个较强的低频振荡，并且通过了005信度的显著性检验。对上文选取的气温强振荡典型年IHIDX功率谱进行合成（图7b），10～20 d的低频振荡十分显著，较多年平均的低频振荡强度强得多。以上结果表明，低频气温较强的年份中，IHIDX低频变化也非常强，即低频气温和乌拉尔山地区环流异常存在密切联系。

對典型年10～30 d分量的低频IHIDX与低频气温PC1时间系数进行时滞相关分析（图8）。相关在15 d左右时达到最大，为021（通过95%置信度检验）。这与前面分析的乌拉尔山环流与中国低频气温相关在环流超前15 d左右时达最强是一致的。将典型年10～30 d低频IHIDX与冬季中国低频气温进行空间时滞相关分析（图9），可见低频IHIDX与低频气温总体呈现出负相关，即当低频IHIDX较强时，中国大部分地区气温呈现偏低状况，亦即当乌拉尔山高度场正异常时，中国冬季气温偏冷。低频IHIDX超前30～15 d时，负相关逐渐增强；且在超前20～15 d左右时，全国大部分地区气温与IHIDX呈最强负相关；之后逐渐减弱。可见，IHIDX可以反映出乌拉尔山环流与中国低频气温的密切关系，与前文分析一致。

将典型年低频IHIDX与500 hPa低频环流场和850 hPa的低频经向风场进行时滞相关分析（图10）。结果显示，低频IHIDX与低频500 hPa高度场显著相关（图10a）。在欧亚中高纬，500 hPa高度场相关显著区位于乌拉尔山地区；东亚850 hPa经向风场相关显著区位于西伯利亚地区及我国东部地区（图10b）。低频IHIDX超前30～15 d时，500 hPa高度场上乌拉尔山地区为正相关加强，之后正相关逐渐减弱。同时在850 hPa上，IHIDX与经向风的相关在西伯利亚地区及我国东部地区较显著，并在超前20～15 d时我国东部的显著负相关最强。对应图10可知，中国冬季低频气温此时也最冷，这进一步证实乌拉尔山高度异常加强有利于东亚冬季风加强，从而有利于中国冬季气温偏冷。典型年低频IHIDX与海平面低频气压场同样存在显著的相关（图略），即当低频乌拉尔山高度正异常时，对应西伯利亚高压的加强。上述分析表明，乌拉尔山地区的环流是影响低频气温的关键因子。

4结论与讨论

本文采用非滤波方法，分析了全国12月—次年2月低频气温的特征，并讨论了中高纬环流，特别是乌拉尔山地区环流对中国冬季10～30 d低频气温的影响，主要结论如下：

1）全国12月—次年2月气温第一模态呈现全国大部分地区一致偏冷（暖）的空间分布型；计算每1 a功率谱10～30 d谱值，选取10～30 d谱值最大的5 a作为低频气温强振荡年，典型年为：1980、1988、1994、1998和2005年。计算低频气温方差贡献率，典型年低频气温方差贡献率较大的区域位于西南、华南地区，典型年低频气温方差贡献率在这些地区可达30%以上。

2）欧亚中高纬与中国冬季气温异常变化显著相关的环流异常在北大西洋到极地、乌拉尔山及贝加尔湖地区。当极涡偏弱或北大西洋NAO正异常，乌拉尔山地区高压脊偏强时，有利于地面贝加尔湖附近的冷高压加强，使中国冬季气温偏冷；反之亦然。乌拉尔山地区环流是影响中国冬季低频气温的重要环流因素。

3）进一步分析发现，乌拉尔山地区环流与中国冬季气温一样存在10～30 d的低频振荡。当乌拉尔山环流异常超前15 d左右时，其与中国冬季低频气温的关系最好。即低频乌拉尔山高度场正异常可导致乌拉尔山高压脊、西伯利亚高压和东亚冬季风加强，从而导致中国冬季气温偏低。乌拉尔山环流是影响中国低频气温的关键因素之一。

以往的研究表明，中国冬季气温既受到中高纬大气环流的影响，也与赤道低纬度系统的作用有关，还可能受到平流层异常的影响。本文在分析中国冬季气温异常的基础上，只着重分析了中高纬大气环流，尤其是乌拉尔山环流对中国冬季低频气温的影响。关于热带及平流层的影响，将在以后的研究中进行探讨。

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