烏魯木齊市后冬氣候與亞洲極渦面積的相關分析

刁 平，刁曉蕓，姚麗花

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.第七師氣象局）

烏魯木齊市后冬氣候與亞洲極渦面積的相關分析

刁 平1，刁曉蕓1，姚麗花2

（1.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2.第七師氣象局）

本文利用1976—2013年的亞洲極渦面積指數資料，對烏魯木齊市天山區氣象局、米東區氣象局、達坂城區氣象局、小渠子氣象站、大西溝氣象站的2月平均氣溫、降水量作自然正交分解（EOF）進行相關分析。分析結果表明，5個氣象局（站）的平均氣溫、降水量第1特征向量占總方差的百分比為91.7%和87.6%，第一空間場的分布表明，氣溫、降水量全區趨勢相同，后冬氣溫變化趨勢正處于小幅下降期。突變檢測發現，1992年以后，大部分時期后冬暖，沒有突變。5個氣象局（站）平均氣溫第1特征相量時間系數與亞洲區極渦面積指數距平相關系數為-0.624，表明氣溫偏高時，極渦面積減小，反之，氣溫偏低時，極渦面積增大。

后冬氣候；極渦面積；相關分析

烏魯木齊位于天山中部，東西最寬處約176 km，南北最長處約231 km，面積約13 787.6 km2，境內地勢南高北低，東北臨東天山主峰 -博格達峰，南依天山支脈天格爾山，西北毗鄰準噶爾盆地。境內最高山峰為南部天格爾峰，海拔4 558.7 m，東北部的博格達峰高5 445.0 m。由于5個氣象局（站）地勢差異很大，導致本地后冬氣候分布變化較大。我們對5個氣象局（站）2月平均氣溫、降水量距平作自然正交分解（EOF），用方差貢獻分析氣溫、降水量空間趨勢，再用時間系數分析歷史趨勢，并通過突變檢測分析突變時期以及目前狀態，最后用時間系數與亞洲區極渦面積指數進行相關分析。

1 資料分析方法

利用烏魯木齊市氣象局1976—2013年的2月完整的5個國家級基準站、基本氣象站平均氣溫、降水量資料，氣候值取世界氣象組織（WNO）設定的標準氣候值段（1981—2010年）的平均值，結合烏魯木齊市氣候特點確定2月為后冬，其中，1976—2013年的2月亞洲區極渦面積指數來源于國家氣候中心氣候系統診斷預測室。用Surfer軟件分析平均氣溫、降水量分布，用自然正交分解（EOF）方法分析5個氣象局（站）區域平均氣溫、降水量一致與差異性，用線性、三次多項式定性分析平均氣溫距平時間系數趨勢，突變檢測分析歷史突變時期及目前狀態，用時間系數分析來反映平均氣溫的趨勢變化。

2 后冬氣候變化特征

2.1 2月平均氣溫和降水量分布

烏魯木齊市5個氣象局（站）1976—2013年的2月平均氣溫在-6.5～-14.1℃之間，最高的達坂城為-6.5℃，最低大西溝為-14.1℃；2月降水量在0.9～12.2 mm之間，最大城區為12.2 mm，最小的達坂城為0.9 mm（圖1）。相對來說，達坂城谷地最暖，大西溝最冷，米東區較城區偏低，城區較小渠子偏低；達坂城谷地降雪最少，大西溝降雪次少，城區降雪最多，米東區較小渠子降雪偏多［1］。

圖1 2月平均氣溫、降水量分布

2.2 距平自然正交分解

對5個氣象局 （站）1976—2013年的2月平均氣溫、降水量距平作自然正交分解（EOF）發現第1空間向量無論溫度還是降水都占據了方差絕對大的比例，而第2至第5空間向量所占方差比例很小（見表1）。

表1 2月平均氣溫、降水量距平EOF的5個特征向量方差貢獻 %

2.3 氣溫變化趨勢特征

由于5個氣象局（站）1976—2013年的2月平均氣溫距平第1空間場相對一致，且時間系數線性趨勢表現為緩慢上升，采用三次多項式分析發現，20世紀80年代后冬呈現偏低，明顯偏低年份有1984年和1988年，5個氣象局（站）平均偏低5℃。而1992—2009年后冬確呈現偏高趨勢，明顯偏高年份有1999年和2007年，5個氣象局（站）平均偏高3.6～3.9℃。2010—2012年后冬呈現下降趨勢（圖2）。2013年后冬冷空氣活動頻繁，出現寒潮、暴雪等惡劣天氣，5個氣象局（站）平均偏低3.6℃，城區最低氣溫-22.1℃，最冷出現在甘泉堡，最低氣溫-27.9℃。

2.4 氣溫時間系數突變檢測

對5個氣象局（站）1976—2013年第一空間場2月氣溫時間系數進行突變檢測分析（見圖3），在圖3中C1、C2曲線在1992年前頻繁出現交點或接近，1976—1991年這段時期氣溫偏低，氣溫變幅較大，不穩定，其中，C1、C2曲線有交點的年份有1976年、1978年、1980年、1990年、1991年和1992年，1992年以后C1和C2曲線沒有相交，而且差值越來越大，沒有突變。 1992—2009年這段時期氣溫呈現偏高趨勢，2010—2013年氣溫雖呈現下降趨勢，但年份較少，變幅也較小。

圖3 2月氣溫時間系數突變檢測

2.5 距平時間系數與亞洲區極渦面積指數

對烏魯木齊市5個氣象局（站）1976—2013年2月份影響溫度和降水的74個物理量進行相關分析，分析發現大部分量值相關性差。但是，分析1976—2013年的2月平均氣溫、降水量距平時間系數與亞洲區極渦面積指數的相關系數，得：R氣溫=-0.624，超過了0.001的置信線；R降水量=-0.315，超過了0.050的置信線，相關性較好，是一個不可多得、重要的氣候預測因子。

2.6 亞洲極渦面積指數

亞洲區在500 hPa月平均等壓面上，取接近于最大西風軸線的等高線為極渦南界，以這一特征等高線以北所包圍的面積。極渦的擴張與收縮反映了極地冷空氣的活動，而繞極環流的變化或異常，會影響大氣環流及天氣氣候的變化，一般來講，當極渦面積為較大的正指數時，烏魯木齊氣溫偏低、降水量偏少（見圖4、圖5）。

由圖4可以看出，1992年偏低趨勢，明顯偏低年份有1984年，極渦指數為極高值；1992—2009年氣溫為偏高趨勢，其中，1998年、1999年、2002年、2006年和2007年氣溫為高極值，指數為低極值；2010—2013年氣溫小幅波動下降，指數對應較好。

由圖5可以看出，降水量的相關性沒有氣溫好，60.5%的年份極渦面積增大時，降水量偏少，出現極渦面積增大時降水量偏多，1976—2013年38年間有15年同號，占39.5%［2］。

圖5 2月5個局（站）降水量距平時間系數與亞洲區極渦面積指數

3 結論

（1）烏魯木齊市5個氣象局（站）代表了平原、丘陵、谷地、中山帶和高山帶等不同氣候。后冬氣溫、降水量分布表明，高山帶和米東區為2個冷區，而最大降雪中心在城區。（2）對后冬氣溫、降水量距平進行自然正交分解（EOF），第1特征向量方差貢獻占絕對大的比例，表明氣溫、降水量距平全地區趨勢相同，概率較大。（3）后冬氣溫變化趨勢特征、突變檢測分析表明，1976—1992年屬后冬冷趨勢；1992—2009年屬后冬暖趨勢；2010—2013年屬后冬小幅下降趨勢；1992年以后沒有突變，但2010年后頻繁出現后冬冷趨勢。（4）通過對氣溫、降水量距平時間系數與亞洲區極渦面積指數的相關系數分析，結果表明，當極渦面積增大時，氣溫偏低，降水量偏少，反之，當極渦面積減小時，氣溫偏高，降水量偏多［3］。

[1]張家寶，史玉光.新疆氣候變化及短期氣候預測[M].北京：北京氣象出版社，2002：12-13,25-58.

[2]趙振國.中國夏季旱澇用環境場[M].北京：北京氣象出版社，1999：68-72.

[3]衛瑋，黃卓禹.夏季東亞高空西風急流氣候特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2012，6（4）：21-26.

2015—02—25