煙臺異常冷暖冬季環(huán)流特征及其與大氣阻塞的聯(lián)系

黃顯婷，隋揚

1.煙臺市福山區(qū)氣象局；2.煙臺市萊州市人民政府

一、引言

近幾十年來全球氣候變暖，特別是在冬季，發(fā)生極端天氣事件的頻率和強度明顯增加。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在中高緯度地區(qū)的持續(xù)性大尺度環(huán)流異常系統(tǒng)阻塞高壓，它的建立與崩潰常常會伴隨著大范圍的天氣與氣候異常，它的活動與我國許多災(zāi)害性天氣密切相關(guān)[1-3]。因此，研究北半球中高緯度環(huán)流異常特征對了解煙臺地區(qū)冬季天氣和氣候有重要意義。

煙臺市處于山東半島東北部，屬溫帶季風(fēng)性氣候，在全球氣候變暖的背景下，區(qū)域響應(yīng)特征明顯[4]?，F(xiàn)在煙臺市短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)，是在省局以及國家氣候中心指導(dǎo)預(yù)報的基礎(chǔ)上，根據(jù)本區(qū)域的氣候特征做出的訂正預(yù)報；因而分析了解本區(qū)域氣候異常特征及其成因能為煙臺市預(yù)報和預(yù)測工作提供了相關(guān)的依據(jù)。本文主要針對煙臺市冬季氣溫演變特征、異常冷暖年與中高緯度環(huán)流背景進行分析，為冬季氣溫異常預(yù)測提供預(yù)測依據(jù)[5]。

二、資料與計算方法

本文研究資料時間段選取為1980—2017年冬季（冬季：12月至翌年2月；如1980年冬季指1980年12月/1981年1-2月）共38年，數(shù)據(jù)來自（1）歐洲中期天氣預(yù)報中心提供的再分析數(shù)據(jù)集：北半球500hPa逐日高度場、地面2m溫度；（2）煙臺市11個氣象觀測站提供的平均氣溫觀測資料。對于各物理量的逐日距平場定義為該日的數(shù)值均減去該日的多年平均值。通過計算得到共38年的冬季數(shù)據(jù)；本文定義異常冷暖年為冬季平均氣溫距平絕對值≥1.0℃，0.5℃≤冬季平均氣溫距平絕對值<1.0℃為典型冷暖年。

阻塞高壓挑選方法來自Tibaldi等（1990）的經(jīng)典的一維阻塞指數(shù)（以下簡稱為TM指數(shù)），其定義如下：

式子中：φn=80°N+?;φ0=60°N+?;φs=40°N+?;

GHGS和GHGN分別代表500hPa南北向的位勢高度梯度，?=-4°、0°和4°當(dāng)任意經(jīng)度上至少有一個值滿足GHGS>0,GHGN

三、煙臺冬季平均氣溫變化特征以及中高緯度阻塞特征分析

（一）全球變暖趨勢下煙臺冬季氣溫變化特征

通過計算得到煙臺1980—2017年共38年的冬季平均氣溫，通過三年滑動平均，圖1黑色虛線表示：圖中可知煙臺冬季氣溫整體呈增暖的趨勢，且具有一定的階段性特征。80年代中期前氣溫偏低，80年代中期到2015年前后呈相對偏暖，稱為相對暖期，其中2008年至2011年明顯偏冷。通過滑動t檢驗，顯示1986年前后的冬季平均氣溫有顯著差異，突變后比突變前平均上升了1.5℃以上，進一步反映出煙臺冬季氣溫80年代中期后增暖十分顯著。上述結(jié)果與中國冬季氣溫在1984年前后發(fā)生突變的研究結(jié)論大致相同。

圖1 煙臺冬季氣溫距平逐年變化

其中相對暖期中有12年為負(fù)距平值，占39%，正距平為20年，占61%。煙臺異常冷冬頻數(shù)為2年，異常暖冬出現(xiàn)在次數(shù)為6年。以上數(shù)據(jù)說明在全球變暖的背景下，煙臺冬季氣溫在80年代中期后明顯變暖，且出現(xiàn)異常暖冬頻率較高。

（二）去除全球變暖趨勢下煙臺冬季氣溫變化特征

為更好地了解煙臺冬季氣溫變化特征，圖2為去除趨勢后煙臺冬季氣溫變化。根據(jù)冷暖冬季定義劃分可知：異常暖年出現(xiàn)了4年，1998年（1.9℃），2001年（1.9℃），2003年（1.1℃），2006年（1.7℃）；典型暖年出現(xiàn)了8年，1988年（0.9℃），1991年（0.9℃），1992年（0.8℃），1994年（0.9℃），1997年（0.7℃），2008年（0.6℃），2013年（0.6℃）2016年（0.9℃）；異常冷年出現(xiàn)了8年，1980年（-1.6℃），1983年（-1.2℃），1984年（-1.0℃），1985年（-1.5℃），2010年（-1.4℃），2011年（-1.3℃），2012年（-1.9℃），2017年（-1.1℃）；典型冷年出現(xiàn)了4年，1999年（-0.6℃），2004年（-0.6℃），2005年（-0.7℃），2009年（-0.9℃）。

圖2 去除趨勢后煙臺冬季氣溫距平變化

由統(tǒng)計可知，出現(xiàn)異常冷冬的年數(shù)總體多于異常暖冬的年數(shù)，但在相對年期間，它們出現(xiàn)的年數(shù)一樣，均為4年。而異常暖冬和典型暖冬均出現(xiàn)在相對暖期。

四、煙臺冬季冷暖年大氣環(huán)流與阻塞特征

（一）煙臺冬季冷暖年聯(lián)系的環(huán)流結(jié)構(gòu)

異常暖冬在500hPa平均環(huán)流場上（未展示圖）主要表現(xiàn)為：在極地呈單極渦，烏拉爾山區(qū)域的脊偏弱位置偏西，歐亞大陸中高低緯呈緯向型發(fā)展。高度距平場呈南正北負(fù)分布，歐洲北部為負(fù)低壓，而整個亞洲地區(qū)被暖高壓控制，其正距平中心位于西伯利亞附近，煙臺處在高壓控制范圍內(nèi)，極地的冷空氣受高壓阻擋難以南下，而低緯地區(qū)暖空氣相對活躍，這種環(huán)流結(jié)構(gòu)下有利于冬季氣溫持續(xù)偏高。

異常冷冬年北半球500hPa平均高度場上，整個極地中高緯主要表現(xiàn)為單極渦，其中心位置位于巴倫支海極區(qū)上空呈經(jīng)向分布，位于烏拉爾山區(qū)域有明顯高脊區(qū)，且強度比常年偏強，歐亞大陸為深厚的經(jīng)向環(huán)流控制，在亞洲東岸形成較深的東亞大槽；高度距平場呈西北正東南負(fù)的分布，正中心位于烏拉爾山附近；亞洲東部受負(fù)低壓控制，煙臺處于負(fù)距平區(qū)域內(nèi)。這種環(huán)流結(jié)構(gòu)，中高緯度高壓較常年偏強，冬季風(fēng)強，中高緯度大氣高壓將極地冷空氣分裂南下，煙臺冬季長時間處在東亞大槽前的西北氣流中，使整個冬季氣溫異常偏低。

（二）異常冷暖冬季下中高緯度阻塞特征

為了進一步說明中高緯度大氣阻塞與煙臺異常冷暖冬季的聯(lián)系，這里對比討論異常冷暖冬季中阻塞的特征。由表1統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)煙臺冬季冷年中中高緯度發(fā)生大氣阻塞的事件頻率遠高于暖年中的阻塞事件數(shù)，冷冬中發(fā)生的阻塞是暖冬中發(fā)生阻塞事件數(shù)約1.7倍。其中，冷冬中烏拉爾山阻塞共發(fā)生了13次，貝加爾湖阻塞發(fā)生了12次；暖冬中烏拉爾山阻塞發(fā)了9次，貝加爾湖阻塞發(fā)生了6次。（見表1）

表1 異常冷暖冬季下烏拉爾山阻塞和貝加爾湖阻塞統(tǒng)計情況

五、結(jié)論

1980—2017年煙臺冬季氣溫存在著明顯的階段性和年際變化特征，煙臺冬季氣溫整體呈上升趨勢，從20世紀(jì)80年代中期（1986年）發(fā)生突變，之前氣溫以負(fù)距平為主，80年代中期后增暖趨勢明顯，除了2008年至2011年氣溫相對較低外。去除趨勢后，煙臺冬季出現(xiàn)異常與典型冷暖冬季之和的頻次一樣，而80年代中期后出現(xiàn)暖冬的頻次遠高于出現(xiàn)冷冬的頻次。

煙臺冬季異常暖年，北半球500hPa高度場，在烏拉爾山為負(fù)低壓中心，亞洲大陸為暖高壓控制，正距平中心位于西伯利亞附近，煙臺處在暖高壓控制下，這種環(huán)流結(jié)構(gòu)不利于極地冷空氣分裂南下影響煙臺；而異常冷冬高度距平場呈西北正東南負(fù)的分布，烏拉爾山處為強于常年的高壓中心，亞洲大陸上空為負(fù)低壓，煙臺地區(qū)處在負(fù)低壓控制下，這種環(huán)流結(jié)構(gòu)下有利于阻塞環(huán)流將極地冷空氣分裂南下，在低壓中心配置條件下將冷空氣輸送到煙臺。

煙臺冬季異常冷年中發(fā)生大氣阻塞的頻率高于異常暖年中的中高緯度發(fā)生大氣阻塞的頻率；暖冬中發(fā)生烏拉爾山阻塞的次數(shù)高于發(fā)生貝加爾湖阻塞的次數(shù)，冷冬年中發(fā)生烏拉爾山阻塞的頻次與貝加爾湖阻塞出現(xiàn)的頻次相當(dāng)。