內(nèi)蒙古冬季異常低溫的分布類(lèi)型及環(huán)流特征

收稿日期：2024-01-12

作者簡(jiǎn)介：劉玉玲（1980—），女，內(nèi)蒙古寧城人，工程師，主要從事綜合觀測(cè)、氣象服務(wù)工作。

摘 要：應(yīng)用內(nèi)蒙古104個(gè)國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站1961—2018年冬季12、1、2月平均溫度資料和美國(guó)NECP/NCAR再分析月平均高度場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)資料，統(tǒng)計(jì)分析了內(nèi)蒙古冬季逐月異常低溫的時(shí)空分布特征和環(huán)流特征。（1）定義了異常低溫和分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，共有6種異常低溫分布類(lèi)型；（2）全區(qū)性異常低溫為主，占51.5%；最少是中部型，只占1.5%；（3）隨著氣候變暖，冬季極端低溫氣候事件呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但進(jìn)入21世紀(jì)又呈增加趨勢(shì)；（4）500 hPa高度場(chǎng)以一脊一槽型為主，槽脊的位置、強(qiáng)度和冷空氣路徑?jīng)Q定了異常低溫的空間分布；（5）在環(huán)流特征量上也有一定的反應(yīng)，可以作為預(yù)測(cè)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：冬季；異常低溫型；環(huán)流型；環(huán)流特征值

中圖分類(lèi)號(hào)：P434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）04–0-03

近年來(lái)，受全球氣候變化的影響，內(nèi)蒙古近60年來(lái)的氣候變暖趨勢(shì)顯著[1]。在氣候變暖后，雖然20世紀(jì) 80年代后期低溫氣候事件減少，但進(jìn)入21世紀(jì)又呈現(xiàn)頻繁發(fā)生的態(tài)勢(shì)，且強(qiáng)度較大。低溫災(zāi)害是內(nèi)蒙古冬季的主要?dú)庀鬄?zāi)害，尤其是異常低溫對(duì)牧業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響最大。專(zhuān)家們對(duì)中國(guó)區(qū)域性異常低溫氣候事件和冬季溫度研究很多，指出在全球變暖的氣候背景下，區(qū)域性極端低溫頻繁發(fā)生；沈柏竹等[2-4]研究表明北極濤動(dòng)適合描述東北冬季低溫，1月北極濤動(dòng)極端異常偏低，異常低溫向南擴(kuò)展；亞洲極渦能夠表征大陸冬季風(fēng)向中低緯度暴發(fā)。冬季冷空氣向南傳播的主要路徑和強(qiáng)度與中緯度地區(qū)500 hPa 高度場(chǎng)異常具有很強(qiáng)的關(guān)系。本研究按照專(zhuān)家的研究思路，分析總結(jié)內(nèi)蒙古冬季異常低溫氣候事件的時(shí)空分布特征和同期場(chǎng)環(huán)流特征，設(shè)定預(yù)測(cè)著眼點(diǎn)和指標(biāo)，為異常低溫的預(yù)測(cè)提供參考。

1 資料與方法

應(yīng)用內(nèi)蒙古104個(gè)國(guó)家級(jí)地面觀測(cè)站1961—2018年冬季12、1、2月平均溫度資料，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)正交分解（EOF）進(jìn)行異常低溫的分區(qū)，分析各月異常低溫的時(shí)空分布特征。基于美國(guó)NECP/NCAR再分析月平均高度場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)資料，分析異常低溫發(fā)生發(fā)展的環(huán)流形勢(shì)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 異常低溫定義

一是考慮短期氣候預(yù)測(cè)劃分標(biāo)準(zhǔn)中溫度距平≤

2 ℃為特低，也是預(yù)測(cè)中難點(diǎn)；二是各站月平均溫度距平≤-2 ℃出現(xiàn)頻率較少，平均為24%。因此，將異常低溫的標(biāo)準(zhǔn)定義為月平均溫度距平≤2 ℃。

2.2 異常低溫分型

內(nèi)蒙古104站1961—2018年的12、1和2月的平均氣溫距平的EOF開(kāi)展結(jié)果表明，前3個(gè)模態(tài)方差貢獻(xiàn)率均超過(guò)85%，因此分型標(biāo)準(zhǔn)只考慮前3個(gè)模態(tài)，具體如表1所示。

12、1和2月的平均氣溫距平前3個(gè)模態(tài)對(duì)氣溫場(chǎng)的貢獻(xiàn)以第一模態(tài)為主，即內(nèi)蒙古冬季逐月平均氣溫的變化具有一致性的空間分布特征。因此，該類(lèi)型異常低溫定義為全區(qū)型，當(dāng)異常低溫的站數(shù)≥62個(gè)站（62/104=60.0%）定義為全區(qū)型異常低溫。

同理，第二模態(tài)空間上表現(xiàn)為東西位相相反的正、負(fù)距平分布特征；以0值線劃分，0值線以東范圍（赤峰市和錫林郭勒盟東北地區(qū)、通遼、興安盟、呼倫貝爾市）定義為東部1型，共59個(gè)站；≥35個(gè)站達(dá)到異常低溫時(shí)，定義為東部1型異常低溫。東部1型以西地區(qū)定義為西部1型異常低≥35個(gè)站達(dá)到異常低溫時(shí)，定義為東部1型異常低溫。東部1型以西地區(qū)定義為西部1型異常低溫，共45個(gè)站；≥27個(gè)站異常低溫時(shí)，定義為西部1型異常低溫。

第三模態(tài)空間上表現(xiàn)為正、負(fù)、正的三極型分布；呼倫貝爾市和興安盟共22個(gè)站為東部2型異常低溫，其中≥13個(gè)站異常低溫時(shí)，定義為東部2型異常低溫。烏蘭察布市以西共48個(gè)站為西部2型，≥29個(gè)站異常低溫時(shí)，定義為西部2型異常低溫。排除東部2型和西部2型，即烏蘭察布市至通遼市34個(gè)站劃分為中部型，≥21個(gè)站異常低溫時(shí)，定義為中部型異常

低溫。

2.3 異常低溫的分布特征

2.3.1 異常低溫的空間分布特征

異常低溫年一共出現(xiàn)59次（表2），以全區(qū)型最多22次，占37.3%；其次是東部1型13次，占22.0%；西部1 型11次，占18.6%；東部2型10次，占16.9%；西部2型只有3次，中部型0次。

內(nèi)蒙古冬季逐月異常低溫以全區(qū)型和東部1型、西部1型為主，占77.9%，這三種分布類(lèi)型被定為預(yù)測(cè)重點(diǎn)。

2.3.2 異常低溫的年代際變化特征

1961—1970年發(fā)生19次，1971—1980年發(fā)生16次，1981—1990年發(fā)生12次，1991—2000年發(fā)生7次， 2001—2010年發(fā)生9次，2011—2018年發(fā)生5次。20世紀(jì)60年代異常低溫發(fā)生頻數(shù)最多，20世紀(jì)90年代最少，隨著氣候變暖，冬季極端低溫氣候事件呈減少趨勢(shì)，但進(jìn)入21世紀(jì)又呈增加趨勢(shì)。

2.4 異常低溫500 hPa高度的環(huán)流特征

基于美國(guó)NECP/NCAR再分析月平均高度場(chǎng)資料，

對(duì)500 hPa 高度場(chǎng)環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行聚類(lèi)分析，分析范圍為0°～180°E、20°～90°N。統(tǒng)計(jì)與冬季冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)的烏山脊強(qiáng)度、海平面西伯利亞高壓強(qiáng)度、歐亞區(qū)徑向環(huán)流指數(shù)、亞洲區(qū)極渦面積和強(qiáng)度、鄂海高壓強(qiáng)度和北極濤動(dòng)指數(shù)環(huán)流特征。由于12、1和2月異常低溫的環(huán)流形勢(shì)相似，因此，以12月為例進(jìn)行分析和總結(jié)。

2.4.1 12月全區(qū)異常低溫500 hPa的環(huán)流特征

造成12月全區(qū)異常低溫的500 hPa高度場(chǎng)環(huán)流特征為一脊一槽型，共10年；東部1型異常低溫2年，都為一脊一槽型，由于槽脊的位置和強(qiáng)度以及冷空氣路徑不同，異常低溫的落區(qū)不同；西部1型異常低溫有一脊一槽型3年和一槽一脊型1年；東部2型異常低溫1年，一槽型。

10年全區(qū)異常低溫500 hPa環(huán)流合成場(chǎng)環(huán)流特征，

是一脊一槽型，脊位于60°E、60°～80°N的烏拉爾

山地區(qū)，稱(chēng)烏拉爾山高壓脊；槽區(qū)位于脊前中緯度120°E以東，全區(qū)處于脊前槽后，受西北氣流控制。正變高中心位于烏拉爾山60～80°N，中心強(qiáng)度為120～

160 gpm；負(fù)變高中心位于40°～50°N、100°E以東；全區(qū)處于-40～-80 gpm變高中心。烏拉爾山高壓脊引導(dǎo)極地冷空氣南下，由160 gpm正變高向-40～-80 gpm的負(fù)變高輸送冷空氣，造成下游全區(qū)異常低溫。

2.4.2 12月東部1型異常低溫500 hPa的環(huán)流特征

1976和2000年為東部1型異常低溫，其中1976年雖然是全區(qū)低溫，但西部沒(méi)有達(dá)到異常低溫標(biāo)準(zhǔn)，僅僅達(dá)到東部1型異常低溫標(biāo)準(zhǔn)；2000年達(dá)到東部異常低溫標(biāo)準(zhǔn)，西部高溫。

1976和2000年?yáng)|部1型性異常低溫500 hPa 高度場(chǎng)也是一脊一槽型。與全區(qū)型異常低溫相比，冷空氣主體偏北，-80～-120 gpm負(fù)變高中心位于貝湖，經(jīng)過(guò)負(fù)變高中心的等值線經(jīng)過(guò)內(nèi)蒙古東部地區(qū)，因此造成東部異常低溫。因此500 hPa 冷空氣的路徑、強(qiáng)度與異常低溫的落區(qū)密切相關(guān)。預(yù)測(cè)的著眼點(diǎn)是冷空氣的路徑，關(guān)注負(fù)變高的中心位置和強(qiáng)度。

2.4.3 12月西部1型異常低溫500 hPa的環(huán)流特征

1971、1981、2001和1975年西部1型異常低溫500 hPa高度場(chǎng)特征以鞍形場(chǎng)為主，來(lái)自-80～-120 gpm負(fù)變高中心的西路冷空氣影響內(nèi)蒙古西部地區(qū)，造成西部異常低溫，這是與全區(qū)型、東部型異常低溫最顯著的差異。

2.5 異常低溫的環(huán)流特征值

與冬季冷空氣活動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)的特征值有烏山脊強(qiáng)度、海平面西伯利亞高壓強(qiáng)度、歐亞區(qū)徑向環(huán)流指數(shù)、鄂海高壓強(qiáng)度和北極濤動(dòng)指數(shù)，依據(jù)異常低溫的合成場(chǎng)特征，定義特征量關(guān)鍵區(qū)。

烏山脊強(qiáng)度：依據(jù)上述分析結(jié)果，將60°～75°N、

70°～90°E區(qū)域定義為烏山脊范圍，用該區(qū)域（9×7個(gè)格點(diǎn)）500 hPa高度距平值大小表示強(qiáng)度（單位：gpm）。

西伯利亞高壓強(qiáng)度：12月西伯利亞高壓（SH），關(guān)鍵區(qū)為52.5°～65°N、105°～125°E，該區(qū)域（8×13個(gè)格點(diǎn)）12月海平面氣壓（slp）距平值為西伯利亞高壓強(qiáng)度，單位為gpm。

歐亞徑向環(huán)流指數(shù)：國(guó)家氣候中心網(wǎng)站130項(xiàng)指數(shù)中的歐亞徑向環(huán)流指數(shù)；第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)與歐亞徑向環(huán)流指數(shù)相關(guān)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.5，通過(guò)了0.01的相關(guān)顯著項(xiàng)檢驗(yàn)，具有明確的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

鄂海高壓指數(shù)：55°～65°N、145°～165°E，該區(qū)域（9×9個(gè)格點(diǎn)）12月500 hPa高度距平值大小表示強(qiáng)度（單位：gpm）。

北極濤動(dòng)指數(shù)：美國(guó)NCEP/NCAR月平均再分析資料、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局（NOAA）月平均北極濤動(dòng) （AO）指數(shù)資料；第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)與AO指數(shù)負(fù)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.5，通過(guò)了0.01的相關(guān)顯著項(xiàng)檢驗(yàn)，具有明確的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)：氣候平均態(tài)取1981—2010年30年的平均值。烏山脊、SH、鄂海高壓強(qiáng)度、AO 和亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù)分級(jí)：序列均方差用σ表示，距平在（0～σ）/（0～-σ）為略強(qiáng)/略弱、距平在（σ～2σ）/（-σ～-2σ）為偏強(qiáng)/偏弱、距平＞2σ/＜-2σ為特強(qiáng)/特弱。

由表3可知，一脊一槽型全區(qū)異常低溫烏山脊強(qiáng)度平均為109.4 gpm，均方差為76.2 gpm，偏強(qiáng)。西伯利亞高壓平均強(qiáng)度為4.3 hPa，均方差為4.0 hPa，偏強(qiáng)。AO平均為-0.8，均方差為1.4，略弱。亞洲徑向環(huán)流指數(shù)平均為9.8，均方差為15.0，略強(qiáng)。鄂海高壓均方差為

63.8 gpm，最大值175.3 gpm，特強(qiáng)，正好與這年異常低溫的大氣環(huán)流一致。因此，這是預(yù)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)內(nèi)蒙古104站1961—2018年12、1和2月平均氣溫經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析結(jié)論將異常低溫分為全區(qū)型異常低溫、東部1型異常低溫、西部型1異常低溫、東部2型異常低溫、西部2型異常低溫和中部型異常低溫6種類(lèi)型，一共出現(xiàn)68次；其中以全區(qū)型異常低溫為主，占51.5%，中部型最少，只有1次。全區(qū)型異常低溫500 hPa環(huán)流以一脊一槽型為主，內(nèi)蒙古地區(qū)位于槽區(qū)和負(fù)變高中心，烏拉爾山高壓脊引導(dǎo)冷空氣南下，在該地堆積；烏山脊強(qiáng)度偏強(qiáng)、西伯利亞高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)、負(fù)AO、亞洲徑向環(huán)流指數(shù)特強(qiáng)、鄂海阻高偏強(qiáng)，以上環(huán)流系統(tǒng)是預(yù)測(cè)全區(qū)型異常低溫的重點(diǎn)。東部1型異常低溫的500 hPa環(huán)流場(chǎng)特征是負(fù)變高中心偏北，冷空氣主體影響內(nèi)蒙古偏北偏東地區(qū)；而西部型異常低溫500 hPa環(huán)流場(chǎng)具有鞍形場(chǎng)特征，西部小槽引導(dǎo)冷空氣影響西部地區(qū)，是西部型異常低溫預(yù)測(cè)重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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