北疆冬季气温季节内变化及其环流特征

刘 艳，郑育琳，陈 颖*

（1.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

全球气候变暖已是不争的事实，近百年来气候变暖以冬季增暖最为显著[1-2]，极端低温事件也在不断增多[3-5]。当前，关于我国冬季气温及其影响因子的研究，前人已经做了大量的工作[6-12]，但以往的研究多注重于整个冬季平均气温的异常，然而对整个冬季进行平均的方法在预测业务中还具有一定的局限性。

目前，我国冬季气温季节内异常已经有了一定的研究基础。孙健[13]研究了我国冬季气温季节内变化的时空演变特征及其大气环流异常。研究表明我国冬季气温季节内变化存在3 个典型模态：全冬一致型，前后相反型和冷暖交替型。东亚冬季风与我国冬季各月气温变化呈显著的相关关系，其中西伯利亚高压强度变化和500 hPa 纬向风与我国冬季气温变化更为密切。韦玮等[14]认为年际变化时间尺度上我国冬季气温前冬到后冬主要有相同演变和相反演变两个模态。中纬度大气过程特别是大气遥相关型的变化是同向和反向两种演变模态产生的主要原因。东北区域也对冬季气温季节内演变展开了研究，孟鑫等[15]指出，近53 a 东北地区前冬和后冬气温在空间上均表现为全区变化一致型和东北—西南反相变化的跷跷板型。前冬气温跷跷板型分布与同期位置偏北、强度较弱的类AO 分布型呈正相关关系，11月AO 可作为东北冬季气温的一个预测因子。

新疆地形复杂，地处欧亚大陆腹地，四面高山环抱，中部横亘全境的天山山脉将新疆分为南、北两部分，“三山夹两盆”的独特地理环境使得新疆南北的气候变化存在明显的区域差异。北疆地区包括寒温带和温带两个气候带，属于干旱半干旱地区，生态环境较为脆弱[3]。北疆各地冬季较长，北部和西部冬季长达5 个月[16]，冬季异常低温影响当地林果、畜牧安全越冬，对当地农牧业经济影响很大。目前针对北疆冬季气温季节内变化的研究还相对较少，在新疆实际气候预测业务中，找出北疆地区冬季气温季节内变化关键影响因子及其影响机制，对提高短期气候预测准确率有至关重要作用。

本文对北疆地区冬季气温进行季节内分区，得到北疆地区冬季气温季节内变化典型模态；并进一步分析不同模态大气环流特征，以期得到监测冬季气温变化环流因子，为新疆北部冬季季节内短期气候预测提供客观的预测依据。

1 数据和方法

本文分析了新疆气象信息中心提供的北疆地区37 个台站 1961 年 11 月—2019 年 3 月月平均温度资料。使用的大气环流数据为美国国家环境预报中心和国家大气研究中心（NCEP/NCAR）发布的水平分辨率为2.5°×2.5°的全球月平均再分析资料，该资料垂直方向上从1000 hPa 至10 hPa 共有17 个气压层，时段为1948 年1 月—2019 年3 月，冬季是指当年的11 月—翌年3 月，约定1961 年冬季是指1961/1962 年冬季，1961/1962—2018/2019 年共 58个冬季。

将37 站平均气温作为北疆地区平均气温。利用经验正交函数分解（EOF）[15，17]和 North 检验[18]分析北疆地区冬季气温变化的空间模态和年际变化特征。采用相关分析研究EOF 分解主要模态与同期500 hPa 位势高度之间的联系，并采用t 检验来检验结果的可信度。运用合成分析方法分析冬季气温不同变化特征对应的大气环流异常。

2 北疆冬季气温季节内变化特征

2.1 前后冬的确定

在分析北疆冬季气温季节内变化特征之前，需要先对北疆前冬和后冬进行划分。从11 月2 候到11 月 5 候为入冬期，11 月 5 候到 12 月 5~6 候为前冬，1 月 1 候到 2 月底是隆冬期，2 月底到 3 月中下旬为后冬[16]。所以，以11 月—次年3 月为基础来划分北疆地区前冬和后冬。参考韦玮[14]等的研究思路，计算近58 a 北疆地区延长期冬季（11 月—次年3月）不同月份间平均气温的相关系数（表1），并对相关系数进行了显著性检验。11 月和12 月平均气温间的联系很紧密，相关系数为0.351；1 月与2 月气温间联系非常紧密，相关系数为0.417，均通过了99%的置信水平检验。1 月、2 月与3 月气温间联系也很紧密，相关系数分别为0.220、0.247，均通过90%的置信水平检验。根据各月间关系的紧密程度初步将11 月和12 月看作前冬，1—3 月看作后冬。为了再次确认以上划分结果，计算了各月平均气温与2 个月平均气温间的相关系数。为了在区分前、后冬时保持冬季月份的连续性，因此通过对比1 月气温与11—12 月气温和2—3 月气温的相关系数来划分前冬和后冬，可以看出，1 月与11—12 月气温间的相关系数很低，仅为0.059；与2—3 月气温联系相当紧密，相关系数为0.410，并且通过99%的置信水平检验。因此，将11 月与12 月划分为前冬，将1—3月划分为后冬。

表1 1961—2018 年北疆冬季各月平均气温之间的相关系数以及与连续两月平均气温之间的相关系数

2.2 北疆地区冬季气温变化的基本特征

图1 给出1961—2018 年北疆地区冬季前冬和后冬气温距平时间序列。在年代际尺度上，北疆地区冬季气温从20 世纪80 年代后期开始由冷位相进入暖位相，与我国冬季气温的变化趋势一致[13]。20 世纪80 年代后期以前，北疆冬季气温主要为负异常，1961—1985 年北疆冬季平均气温距平为 -1.31 ℃。20 世纪80 年代后期以后，北疆冬季气温主要为正异常，1986—2018 年北疆冬季平均气温距平为0.29 ℃。在年际尺度上，1961—2018 年北疆地区冬季气温呈现明显增暖趋势，线性趋势为0.434 ℃/10 a。在季节内尺度上，北疆地区冬季气温有的表现为前冬和后冬一致偏冷或偏暖，例如20 世纪60 年代后期和21 世纪前十年中期；有的则表现为前冬和后冬相反，前冷后暖或前暖后冷，例如20 世纪60 年代初期和21 世纪10 年代初期。

图1 1961—2018 年北疆地区冬季前冬和后冬气温距平时间序列

为了了解北疆地区冬季气温的变化特征，对北疆地区前冬和后冬气温不同变化特征进行统计（表2）。北疆冬季气温季节内主要有前后距平一致、前后距平相反两种特征。近58 a 北疆冬季气温距平一致变化共有27 a，所占比例为46.6%，其中一致偏冷年共16 a，一致偏暖年共11 a。一致偏暖年均出现在1980 年以后，均位于相对暖期。这与北疆冷暖期变化的年代际背景相一致。前后距平相反特征的年份共31 a，占比为53.4%，其中前冷后暖年共15 a，前暖后冷年共16 a。北疆冬季气温距平呈前后相反特征的年份大部分位于1980 年以后，这与我国冬季气温的变化特征大体一致[13]。在全球变暖的背景下，北疆冬季气温变化呈现出了新的变化特征，即季节内差异。

表2 北疆地区前冬和后冬气温变化特征

2.3 前冬和后冬气温EOF 分解的主要模态特征

为揭示北疆地区前冬、后冬气温年际变化时空特征，分别对1961—2018 年前冬和后冬气温（标准化后的气温）进行EOF 分解，经North 检验，前冬和后冬气温的前两个特征向量均为独立模态，有实际意义，且累积方差贡献分别为92.03%和90.09%，均超过90%，因此北疆地区前冬和后冬气温都可以用前两个特征向量解释。

前冬和后冬EOF 展开的第一模态（EOF1）解释方差分别为87.24%和84.97%，其空间分布都表现为全区气温变化一致分布型（图2a，2e），表明北疆地区前冬和后冬气温在第一模态尺度上主要受大尺度天气系统影响。前冬和后冬第一模态北疆所有地区均为正值所覆盖，所有地区都通过了99%的置信水平检验。前冬第一模态气温变化敏感区域（荷载向量最大值区）位于塔城地区和博州东部。后冬第一模态气温变化敏感区域位于北疆沿天山一带，大值中心位于乌鲁木齐。前冬和后冬气温第一模态对应时间序列（PC1）既表现出年际振荡也表现出年代际变化（图 2b，2f）：20 世纪 60—90 年代初以负位相为主，20 世纪90 年代初到21 世纪初以正位相为主，说明在20 世纪60—90 年代初，北疆地区冬季处于相对冷期；20 世纪90 年代初到21 世纪初处于相对暖期。后冬虽未转为负位相，但从其变化趋势看，有增暖减缓趋势，与东北地区[15]一致，这与丁一汇等[19]的研究结果“我国冬季气温经历了相对冷期—相对暖期—变暖停顿期”基本吻合。可以看出北疆地区气候变化是全球气候变化的区域响应结果。

前冬和后冬EOF 展开的第二模态（EOF2）解释方差分别为4.79%和5.12%，空间分布都表现为偏西偏北地区与中东部反相变化型（图2c，2g）。北疆沿天山一带为大范围正值区，阿勒泰地区北部、塔城地区北部和伊犁河谷地区为负值区。前冬第二模态仅有昌吉州西部和北疆西部的伊犁州通过了90%的置信水平检验，正值中心位于昌吉州西部，负值中心位于北疆西部的伊犁州。后冬第二模态仅塔城地区北部、克拉玛依市、石河子市、博州东部和伊犁州通过了90%的置信水平检验，负值中心位于伊犁州和塔城地区北部，正值中心位于克拉玛依市和石河子市一带。与PC1 相比，PC2 年代际变化更加显著。前冬PC2 在20 世纪70 年代以前以正位相为主，20世纪70 年代—21 世纪前十年以负位相为主，21 世纪前十年以后以正位相为主（图2d）；后冬PC2 在20 世纪90 年代以前以正位相为主，90 年代以后以负位相为主（图2h），说明在90 年代以后北疆地区后冬第二模态负位相的分布越来越多。

图2 1961—2018 年北疆地区前冬和后冬气温标准化EOF 分解的第一模态和第二模态的空间分布及其对应的时间序列

进一步计算了前冬和后冬2 个EOF1 间和2 个EOF2 间时间序列的线性相关关系，对于1961—2018 年而言，其相关系数分别为0.12 和0.26，EOF2间的相关系数通过95%的置信水平检验。一方面这一结果表明前冬和后冬气温2 个模态间存在统计上的一致性变化，即：若前冬出现北疆地区整体偏暖（冷）或西冷（暖）东暖（冷）的气温异常，后冬就可能出现类似的气温异常，但这2 个相关系数的数值较低，因此若前冬出现北疆地区整体偏暖（冷）的气温异常，后冬仍有很大可能出现与前冬不一致的气温异常。

2.4 北疆前冬和后冬气温EOF 分解主要模态与同期500 hPa 位势高度的联系

1961—2018 年北疆地区前冬和后冬气温第一模态对应时间序列与同期500 hPa 位势高度相关分析表明，前冬、后冬第一模态相关系数空间分布较为一致，亚欧地区呈现“北负南正”的分布特征（图3a、3b），负值中心位于巴伦支海、斯堪的纳维亚半岛一带，负值区从乌拉尔山地区向南延伸至里海、黑海北侧，40°N 以南为广阔的正值区，2 个正值中心分别位于地中海附近和新疆北部地区，并通过95%的置信水平检验。新疆北部地区前冬和后冬气温第一模态与巴伦支海附近500 hPa 位势高度呈负相关关系，与欧洲西南部、地中海地区和东亚、中亚500 hPa 位势高度呈正相关关系。

前冬第二模态的时间序列与500 hPa 位势高度场的显著负相关区位于北大西洋和中亚地区，波罗的海附近为显著正相关区，均通过95%的置信水平检验。北大西洋—波罗的海—巴尔喀什湖地区呈现“负—正—负”的波列特征（图3c）。后冬第二模态与前冬大体一致，欧亚中高纬呈现“西正东负”的分布特征（图3d），不同之处在于通过95%的置信水平检验的负相关区域范围更大，乌拉尔山东侧至贝加尔湖西侧为显著负相关区。

图3 1961—2018 年北疆地区前冬和后冬气温EOF1 和EOF2 对应的时间序列与500 hPa位势高度的相关分析

综上所述，当500 hPa 乌拉尔山附近区域位势高度偏低（高），巴尔喀什湖至我国东部位势高度偏高（低），有利于北疆冬季气温全区一致偏高（低）；当500 hPa 波罗的海附近位势高度偏低（高），中亚位势高度偏高（低），有利于北疆后冬气温西高（低）东低（高）。

3 影响北疆地区冬季气温季节内变化的可能原因

3.1 北疆前冬和后冬气温变化特征对应的大气环流特征

根据前文对北疆地区前冬和后冬气温变化特征的统计（表2），挑选典型年份，为确保所选年份的代表性，在前冬和后冬气温距平|△d|≥0.5 ℃的基础上，以前冬或后冬气温距平|△d|≥1.5 ℃为标准筛选前冬和后冬不同分布特征的典型年。将不同变化特征的典型年500 hPa 位势高度距平场进行合成，分析不同模态的大气环流特征。在相同演变的冬季，当北疆冬季气温呈现前后一致冷的特征时（图4a），500 hPa 欧亚中高纬地区呈现“负—正—负”的距平分布，东亚大槽强，极涡偏向西半球，北极上空为正距平区，且该正距平区在乌拉尔山西侧向南延伸至40°N，有利于阻塞高压或者长波脊发展。巴尔喀什湖至西北太平洋区域为广阔负高度距平区，表明乌拉尔山高压脊偏强，东亚大槽偏深，使我国中高纬度地区环流经向度加大。在高度距平场上，新疆全区为负值区域，冷空气影响频繁，使北疆出现气温偏低的概率增大，有利于北疆冬季气温一致偏低。

当北疆冬季气温呈现前后一致暖的特征时（图4b），500 hPa 欧亚大陆为“两槽一脊”，冰岛附近为负高度距平，北半球50°N 以南为大范围正高度距平区，欧洲槽偏弱，乌拉尔山地区高度场抬升，欧亚中高纬地区正值中心位于喀拉海附近，新疆受弱脊控制，有利于北疆气温偏高。

在相反演变的冬季，当北疆冬季气温前冷后暖时（图4c），500 hPa 新地岛附近为负值中心，欧亚地区40°N 以南为负高度距平，北太平洋、北大西洋上空为正值区，位于北太平洋上空的正高度距平区向西经贝加尔湖延伸至中亚。新疆处于正负高度距平的交界地带，北疆北部处于正高度距平的控制之下，有利于新疆北部气温偏高。当冬季气温前暖后冷时（图4d），500 hPa 高度距平场略有不同，北极上空为负高度距平，欧亚地区中高纬为大致环绕极地的正值带，负值区在乌拉尔山附近将正值区截断，与中低纬地区广阔的负距平区相连，整个中亚地区均处于这个负值区，新疆气温偏低的概率大。

3.2 北疆冬季气温相反演变时前冬和后冬环流特征

图4 1961—2018 年北疆前冬和后冬不同变化特征对应的500 hPa位势高度距平场

然而通过前冬和后冬的平均高度场来看，可能会掩盖前冬和后冬环流演变的敏感区域。因此本文将相反演变的前冬和后冬环流分开来看，结果表明：当北疆冬季气温呈现前冷后暖的特征时，前冬500 hPa 从大西洋—西欧—乌拉尔山到东亚北部为“正—负—正—负”的明显的欧亚型（EU）遥相关波列分布[13]，乌拉尔山附近为正高度距平中心，且向南延伸至35°N 附近，有利于乌拉尔山高压脊发展，东亚大槽偏强，咸海东侧50°N 以南地区为负值区，且新疆负高度距平值较大，这样西高东低的高度场分布，有利于北疆地区气温偏低（图5a）。后冬欧亚地区500 hPa 高度及距平场与前冬大致相反（图5b），乌拉尔山地区为明显槽区，且为负高度距平，有利于低槽加深；巴尔喀什湖附近为正值区，新疆受正高度距平控制，新疆北部后冬平均气温偏高可能性较大。因此，北疆冬季气温前冷后暖时，500 hPa 乌拉尔山高压脊减弱消失，欧洲槽东移加深，东亚大槽强度减弱。

当北疆冬季气温呈现前暖后冷的特征时（图5c，5d），前冬北半球位势高度场呈明显的“三波型”。新地岛到黑海为一槽区且为负高度距平，斯堪的纳维亚半岛至新地岛为负值中心，贝加尔湖附近为正值中心，正值区向南延伸到35°N，向西延伸至地中海附近。新疆受弱脊控制，新疆北部为正距平，北疆前冬气温偏高的可能性较大。后冬斯堪的纳维亚半岛附近转为正高度距平，新地岛至黑海附近低槽减弱，位置偏西。欧亚地区为“西高东低”的距平分布，低纬地区为广阔的负值区，东亚大槽加深。新疆全区为负高度距平，有利于北疆后冬气温偏低。因此，前暖后冷时，500 hPa 欧洲槽减弱西退，乌拉尔山地区高度场抬升，东亚大槽加深。

3.3 北疆前冬气温偏低（高）时后冬的位势高度

参考陈颖[20]等研究思路，将北疆地区冬季气温一致偏冷、一致偏暖、前冷后暖和前暖后冷年500 hPa 位势高度距平场分别合成，用前冷（暖）后暖（冷）年合成环流减去一致偏冷（暖）年合成环流，得到前冬气温偏低（高）时后冬的环流差异（图6）。对比前暖后冷年和一致偏冷年（图6a），贝加尔湖附近为正变高中心，40°~50°N 为环绕极地的正值带，乌拉尔山附近为负变高中心，欧洲槽加深，极区为负变高，说明极涡增强。当前冬偏冷时，后冬偏暖的主要原因来自于500 hPa 极涡增强，欧洲槽加深。

图5 1961—2018 年北疆相反演变的冬季前冬和后冬500 hPa 位势高度距平场

图6 1961—2018 年北疆前冬气温偏低（a）或偏（b）高时后冬的500 hPa位势高度差异

对比前暖后冷年和一致偏暖年（图6b），冰岛附近为正变高中心，新地岛附近为负变高中心，乌拉尔山到中亚为较强的负变高，55°N 以南为广阔的负变高区，欧亚大陆高度场下降。说明当前冬偏暖时，后冬偏冷的主要原因可以大致认为是受500 hPa 欧亚大陆大片的负变高区影响。

4 结论

（1）以北疆37 站平均气温为对象，在分析冬季各月平均气温之间联系的基础上将11 月和12 月划分为前冬，次年的1—3 月划分为后冬，并以此为基础对前冬和后冬气温进行EOF 分解，前冬和后冬气温EOF 分解的前两个模态在空间上均表现为新疆全区一致变化型和偏西偏北地区与中东部反相变化型。前两个模态对应的时间序列与同期500 hPa 位势高度的相关分析表明，当乌拉尔山附近位势高度偏低（高），巴尔喀什湖至我国东部位势高度偏高（低），有利于北疆冬季气温全区一致偏高（低）；当波罗的海附近位势高度偏低（高），中亚位势高度偏高（低），有利于北疆后冬气温西高（低）东低（高）。

（2）北疆冬季气温变化存在两个主要模态：冬季一致偏冷或偏暖，前冬后冬距平反相变化。相同演变的冬季，“一致偏冷”时，500 hPa 乌拉尔山高压脊偏强，东亚大槽偏深，使我国中高纬地区环流经向度加大，有利于北疆冬季气温一致偏低。“一致偏暖”时，500 hPa 欧亚为大范围正高度距平，欧洲槽偏弱，乌拉尔山地区高度场抬升，北疆气温一致偏高概率较大。

（3）相反演变的冬季，“前冷后暖”时，500 hPa乌拉尔山高压脊减弱消失，欧洲槽东移加深，东亚大槽强度减弱。前冬北疆气温受欧亚型（EU）遥相关波列影响，乌拉尔山高压脊发展，东亚地区大范围负高度距平，东亚大槽偏深；后冬乌拉尔山地区为负距平，低槽加深，巴尔喀什湖附近为正值区，新疆受正高度距平控制。“前暖后冷”时，500 hPa 欧洲槽减弱西退，乌拉尔山地区高度场抬升，东亚大槽加深。前冬北半球位势高度场呈明显的“三波型”，斯堪的纳维亚半岛至新地岛为负值区，欧洲槽偏强，正值中心位于贝加尔湖附近，新疆受弱脊控制，北疆为正距平；后冬斯堪的纳维亚半岛附近为正距平，欧洲槽减弱西退，整个亚洲为广阔的负值区。

（4）从前冬偏冷（暖）时后冬的环流差异来看，前冬偏冷时，后冬偏暖的主要原因来自于500 hPa 极涡增强，欧洲槽加深；前冬偏暖时，后冬偏冷的大部分原因是受500 hPa 欧亚大陆大片的负变高区影响。