2020/2021年冬季黑龍江省氣溫異常成因分析

劉玉嬌 ，于 璐 ，馮 娟 ，班 晉 ，趙佳瑩

（1.牡丹江市氣象局，黑龍江 牡丹江 157000；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；3.綏芬河市氣象局，黑龍江 牡丹江 157300）

1 引言

在全球氣候變暖的大背景下， 中國氣溫增溫速率與全球基本保持一致， 但不同區域對氣候變暖的響應并不一致，具有明顯的區域和季節差異[1-3]。 東北地區冬季是中國變暖最明顯的區域之一， 但劉實等研究發現，從90s年代起，東北冬季異常冷、暖事件明顯增多， 冬季氣溫異常變化對生態環境及人們的日常生活造成嚴重影響[4-6]。

黑龍江省地處中高緯亞洲東岸， 是我國距離北極最近的省份，氣候具有多變性，各項環流因子的影響亦具有不確定性。 特別是近十年來，異常冷暖氣候事件發生頻率增高， 且區域特征表現明顯， 例如2009/2010、2013/2014和 2017/2018年冬季， 在全國大部地區是暖冬的時候， 黑龍江省則發生冷冬[7-9]；2018/2019年全國大部地區氣溫明顯偏低，而黑龍江省氣溫卻異常偏暖[10]。

2020/2021年冬季全國氣溫表現為暖冬，而黑龍江省大部地區氣溫較常年同期偏低。 本文對造成2020/2021年冬季黑龍江省氣溫異常的成因進行分析， 找出相關影響因子， 以期為未來的冬季氣溫預測，提供一定的參考。

2 資料和方法

本文選用1961/1962-2020/2021年冬季黑龍江省連續性較好的71個氣象觀測站逐日氣溫數據，該數據由黑龍江省氣候中心提供。 500 hPa 大氣環流場來自國家氣候中心的 “氣候與氣候變化監測預測系統”， 各項環流特征量來自國家氣候中心提供的130項環流指數數據集，并對結果進行標準化處理。 東亞冬季風指數采用朱艷峰（2008）定義。

文中使用的氣候均值為1981-2010年。 文中提到的前冬為當年12月，后冬為翌年1-2月。 利用統計學相關系數法和顯著性檢驗進行分析。

3 結果與分析

3.1 2020/2021年冬季氣候特征分析

2020/2021年冬季黑龍江省表現為 “前冬暖、后冬冷”的氣候特征。 全省平均氣溫為-17.5 ℃，較常年同期（-17.1 ℃）低 0.4 ℃。從空間分布看（圖略），呈現“南北低、中間高”的分布特征，其中新林、呼瑪、木蘭偏低2 ℃以上。 季節內大氣環流調整明顯，冷空氣活動頻繁，出現明顯低溫時段（圖1），如2020年12月27日-2021年1月9日平均氣溫為-23.3 ℃，比歷史同期低 3.8 ℃；1月16-19日平均氣溫為-23.4 ℃，比歷史同期低 3.2 ℃；1月28-30日平均氣溫為-24.7℃，比歷史同期低 6.3 ℃。

圖1 2020/2021年冬季黑龍江省逐日氣溫距平和日平均氣溫變化圖

3.2 2020/2021年冬季氣溫變化主要成因分析

3.2.1 500 hPa 大氣環流形勢

2020/2021年冬季， 北半球極渦為偶極型分布（圖2a）， 兩個中心分別位于加拿大北部和鄂霍次克海附近，其中鄂霍次克海附近的極渦處于負距平，強度偏強。 歐亞中高緯大氣環流形勢為“兩槽一脊”型，亞洲中高緯地區和歐洲西部受高空槽控制， 烏拉爾山至歐洲東部為高壓脊控制。 東亞大槽位置偏西，強度偏強。 中高緯環流經向度大， 利于引導冷空氣南下。季節內大氣環流形勢調整較明顯（圖略）。12月初歐亞中高緯為“兩槽兩脊”形勢，烏拉爾山高壓脊向北延伸發展，形成阻塞高壓，黑龍江省轉為正高度距平， 旬內氣溫偏高。 隨后環流形勢調整為 “兩槽一脊”，東亞大槽強度偏強、位置偏西，黑龍江省上空轉為負高度距平，亞洲中高緯呈“西高東低”分布特征，中高緯環流經向度較大，冷空氣南下頻繁。 2月極渦和東亞大槽強度減弱，環流經向度減弱，影響黑龍江省地區的冷空氣亦減弱。

圖2 (a)2020/2021年北半球冬季500 hPa 平均高度場及(b)相似年高度合成場

為了更好地了解黑龍江省表現為區域性冷冬時大氣環流形勢特征，選取2000年以來，全國冬季表現為暖冬，而黑龍江省氣溫卻偏低的年份，共計5 a，并對500 hPa 高度場進行合成。 由圖2 b 可以看出，在黑龍江省表現為區域性冷冬時， 歐亞中高緯地區表現為“兩槽一脊”的環流形勢，亞洲中高緯為負高度距平， 北極地區為正高度距平， 東亞大槽位置偏西，強度偏強。 在我國區域內則表現為“北負南正”的分布特征。 2020/2021年冬季與合成年環流形勢相似，可見，黑龍江省冬季氣溫變化與大尺度環流背景有關。

3.2.2 北極濤動（AO）

AO 是北半球中高緯度大氣環流變化的主要模態。 有研究表明，AO 與東北冬季氣溫年際異常存在較明顯的相關關系， 但兩者的關系又不是一成不變的[11-13]。 當AO 為負位相時，北極冷空氣易南下，東北地區溫度偏低[14]。

通過對AO 指數與黑龍江省冬季氣溫進行相關分析，發現AO 指數與冬季氣溫呈正相關關系，相關系數 0.425，通過 0.001 置信度檢驗。 季節內，AO 對各月氣溫均有一定的影響，但對后冬的影響較明顯，相關系數達 0.433。 2020/2021年冬季 AO 總體偏弱 （圖3），季節內前冬和后冬也均表現為負位相，但氣溫表現卻不一致，可見AO 對黑龍江省氣溫的影響總體表現較一致，但季節內氣溫變化還受其它因子影響。

圖3 1961/1962-2020/2021年冬季AO 標準化指數時間序列圖

3.2.3 北半球極渦面積

極渦體現了中高緯大氣環流的形勢， 在很大程度上反映了冷空氣活動情況，當極渦面積偏大時，極地冷空氣活動頻繁， 中國東北地區冬季氣溫易偏低[15]。于梅針對黑龍江省氣溫與北半球極渦做了相關研究， 表明黑龍江省的溫度變化隨極渦面積擴大而降低，隨極渦面積縮小而升高[16]。

分別對1961/1962-2020/2021年黑龍江省冬季、前冬和后冬氣溫與北半球極渦面積指數做相關分析發現， 極渦面積指數與冬季及后冬氣溫的相關性較好，相關系數分別為-0.476、-0.524，均通過 0.001 的顯著性檢驗，而與前冬的相關性則不明顯，相關系數只有-0.163，未通過顯著性檢驗。

2020/2021年黑龍江省后冬極渦面積較常年偏大（圖4），黑龍江省氣溫偏低，可見北半球極渦面積變化是影響黑龍江省冬季氣溫因子之一。

圖4 1961/1962-2020/2021年冬季1-2月北半球極渦面積標準化指數與氣溫距平時間序列圖

3.2.4 東亞冬季風（EAWM）活動特征

東亞冬季風是影響我國冬季氣候的重要因子，房一禾[17]認為年際尺度上EAWM 適合描述東北中、北部冬季氣溫， 西伯利亞高壓適合描述東北南部冬季氣溫變化。

劉實等人研究表明，EAWM 與東北地區冬季氣溫在年際和年代際尺度上均有十分顯著的負相關關系，年際尺度更為顯著（相關系數-0.663）[6]。 對 1961/1962-2020/2021年黑龍江省冬季氣溫與EAWM 強度指數進行相關分析得：兩者呈反相關變化，相關系數為-0.366（α=0.01），即在東亞冬季風偏強時，黑龍江省氣溫易偏低。 2020/2021年冬季，EAWM 強度雖總體偏弱，但季節內強弱轉換階段性特征較明顯。 12月6 候-1月2 候EAWM 強度異常偏強，黑龍江省平均氣溫較常年低3.5 ℃，為1961年以來歷史第7 位；2月2 候-4 候EAWM 強度明顯偏弱，黑龍江省平均氣溫較常年高1.9 ℃，為1961年以來歷史第9 位。可見季節內EAWM 強度階段性演變，是影響黑龍江省冬季氣溫階段性變化的因子之一(圖5)。

圖5 2020/2021年冬季EAWM 逐候指數距平時間序列

3.2.5 赤道中東太平洋海溫

根據世界氣象組織對赤道中東太平洋海溫監測表明：2020年8月形成的拉尼娜事件已于2021年3月結束。

分析1981年以來秋冬季赤道中東太平洋海溫異常與黑龍江省冬季平均氣溫的關系（圖6），結果表明：當海溫表現為厄爾尼諾暖事件時，冬季氣溫增暖0-1.0 ℃，后冬增暖 0-1.4 ℃；當海溫表現為拉尼娜冷事件時，冬季氣溫偏冷 0-1.4 ℃，后冬偏冷 0-1.7 ℃。從空間分布來看，無論是厄爾尼諾或拉尼娜年，氣溫均自東北至西南方向逐漸增溫或降溫。

圖6 秋冬季海溫異常年冬季平均氣溫合成（厄爾尼諾事件：(a)冬季 12-2月，(b)后冬 1-2月；拉尼娜事件：(c)冬季 12-2月，(d)后冬 1-2月）

另外，通過統計分析發現：季節內海溫異常年前冬暖或者冷的概率相等， 而后冬在厄爾尼諾年氣溫偏高的概率為67%， 拉尼娜年氣溫偏低的概率為60%。 2020/2021年黑龍江省冬季平均氣溫較常年低0.4 ℃，后冬較常年偏低1 ℃。

4 結論

（1）當歐亞中高緯地區為“兩槽一脊”環流形勢，北極地區表現為正高度距平，東亞大槽位置偏西、偏強，經向環流明顯，而我國區域內500 hPa 高度場為“北低南高”的分布特征，此時黑龍江省亦出現區域性冷冬。

（2）AO 指數、北半球極渦面積及東亞冬季風均與黑龍江省冬季氣溫變化有較好的相關關系。 當AO呈負位相、極渦面積偏大、東亞冬季風偏強時有利于冷空氣南下，導致黑龍江省冬季氣溫偏低。

（3）秋冬季赤道中東太平洋海溫變化對黑龍江省冬季氣溫有一定影響， 特別是對后冬氣溫影響較明顯。 從空間分布圖上看，海溫異常年氣溫變化具有明顯的區域特征。