張博 于超 黃威 陳傳雷
(1.國(guó)家氣象中心,北京 100081; 2.遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中心,遼寧 沈陽(yáng) 110166)
森林是地球上重要生態(tài)系統(tǒng)之一,能夠調(diào)節(jié)氣候、保持水土、防止和減輕旱澇、風(fēng)沙、冰雹等自然災(zāi)害。位于內(nèi)蒙古東北部及黑龍江西北部的大興安嶺是中國(guó)最重要的林區(qū),也是森林火災(zāi)的重災(zāi)區(qū)。森林火災(zāi)不僅會(huì)破壞林中植被覆蓋度和碳元素的儲(chǔ)備量,改變大氣成分,嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致林中植被結(jié)構(gòu)和生物物種的改變,給人類生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)威脅[1-2]。
已有研究指出,在一定的地理?xiàng)l件下,氣溫持續(xù)偏高、降水偏少、空氣干燥等均為發(fā)生森林火災(zāi)的有利氣象條件。在全球氣候變暖背景下,楊素英和王謙謙[3]研究表明中國(guó)東北地區(qū)是中國(guó)夏季升溫最顯著的地區(qū)之一;東北地區(qū)北部冬季增暖顯著南部地區(qū)冬夏均較為明顯[4]。李輯和龔強(qiáng)[5]分析發(fā)現(xiàn),1951—2003年中國(guó)東北地區(qū)夏季升溫趨勢(shì)達(dá)到0.15 ℃/10 a,遠(yuǎn)超過(guò)全球、北半球、東北亞夏季的增暖程度。東北地區(qū)夏季增暖的同時(shí),濕度條件也伴隨著顯著變化;王海梅等[6]通過(guò)濕潤(rùn)度指數(shù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),自1998以來(lái)呼倫貝爾市濕潤(rùn)度呈顯著下降趨勢(shì),其中大興安嶺嶺西草原區(qū)濕潤(rùn)度下降更為顯著。中國(guó)大興安嶺地區(qū)處于北半球中高緯度西風(fēng)帶系統(tǒng)控制區(qū),西風(fēng)帶行星尺度環(huán)流系統(tǒng)對(duì)該地區(qū)夏季氣溫和降水的影響是氣象工作者的研究熱點(diǎn)之一[7-10]。針對(duì)中國(guó)東北地區(qū)夏季溫度變化的機(jī)制問(wèn)題,焦敏等[11]發(fā)現(xiàn)遼寧上空異常反氣旋是該地區(qū)2018年夏季異常高溫干旱的局地環(huán)流成因,準(zhǔn)定常Rossby波能量頻散導(dǎo)致的EAP/PJ型和EU型遙相關(guān)的形成和維持是西太平洋副熱帶高壓異常發(fā)展的直接原因。蘇麗欣等[12]通過(guò)研究亞洲阻塞流型與東北區(qū)夏季低溫事件關(guān)系發(fā)現(xiàn),巴爾喀什湖和貝加爾湖為高度場(chǎng)正異常時(shí),中國(guó)東北區(qū)的中西部和長(zhǎng)白山東部易出現(xiàn)冷夏。
目前對(duì)中國(guó)大興安嶺地區(qū)氣溫和降水的研究主要著眼于其氣候態(tài)的分布特征,而中緯度阻塞形勢(shì)尤其是阻塞事件發(fā)生頻率對(duì)該地區(qū)氣溫和降水的影響研究較少,本文將利用Liu等[13]開(kāi)發(fā)的追蹤500 hPa持續(xù)性高值事件(即包含閉合阻塞高壓又包括開(kāi)放式高壓脊)方法,探討遠(yuǎn)東地區(qū)夏季500 hPa持續(xù)性高值事件的氣候特征以及其對(duì)中國(guó)大興安嶺地區(qū)氣溫和降水影響,并尋找6月大興安嶺地區(qū)氣溫的前期預(yù)報(bào)指標(biāo)。
所用資料均為NCEP/NCAR再分析資料,包括逐日500 hPa高度場(chǎng),水平分辨率為2.5°×2.5°;月平均500 hPa垂直速度、850 hPa風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng),水平分辨率為2.5°×2.5°;逐日氣溫場(chǎng),該要素為高斯格點(diǎn)分布。文章所用數(shù)據(jù)均為1979—2019年,夏季是指6—8月。文中大興安嶺地區(qū)是指范圍為45°—55°N,115°—130°E的區(qū)域。氣溫是指地表氣溫。
對(duì)于500 hPa持續(xù)高值事件(簡(jiǎn)稱為PMZ事件)追蹤的方法采用的是Liu等[13]所開(kāi)發(fā)的500 hPa持續(xù)性高壓脊及阻塞高壓系統(tǒng)追蹤方法。利用該方法Zhang等[14]開(kāi)展了歐亞地區(qū)持續(xù)性阻塞事件對(duì)中國(guó)東部8月降水的影響及其前兆信號(hào)的追蹤工作。追蹤PMZ事件的步驟和標(biāo)準(zhǔn)如下:首先,識(shí)別渦度距平局地最大值的中心位置,且要求與之相鄰格點(diǎn)的位勢(shì)高度均大于100 GPMs,與最大值之差小于20 GPMs;對(duì)同一個(gè)持續(xù)性高值事件而言,相鄰兩個(gè)時(shí)次渦度距平中心區(qū)至少存在一個(gè)交叉的網(wǎng)格點(diǎn),且相鄰兩日的中心位置移動(dòng)距離小于10個(gè)經(jīng)度;持續(xù)性高值事件可維持4 d或者更長(zhǎng)時(shí)間,直至無(wú)連續(xù)中心,持續(xù)天數(shù)達(dá)到2 d也可滿足標(biāo)準(zhǔn)。
文中FOPE的定義方式如下:如果一日內(nèi)某個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上出現(xiàn)PMZ事件,則該網(wǎng)格點(diǎn)記錄1次/d。如果持續(xù)性PMZ事件占用網(wǎng)格點(diǎn)n天,則此網(wǎng)格點(diǎn)記錄n次/d,如果某個(gè)PMZ事件消失或離開(kāi)此網(wǎng)格點(diǎn),而另一個(gè)PMZ事件發(fā)生或開(kāi)始控制此網(wǎng)格點(diǎn),則需要累加后一個(gè)PMZ事件的n次/d,持續(xù)性PMZ事件必須累加所選區(qū)域內(nèi)整個(gè)生命史中出現(xiàn)的次數(shù)。計(jì)算某個(gè)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)上出現(xiàn)的次數(shù)平均值即可計(jì)算出FOPE,因此,區(qū)域平均FOPE反映了PMZ事件控制該區(qū)域的持續(xù)時(shí)間。
2.1.1 FOPE的氣候態(tài)分布
通過(guò)計(jì)算1979—2019年歐亞地區(qū)春、夏、秋和冬季PMZ事件發(fā)生格點(diǎn)的頻率分布可知(圖1),遠(yuǎn)東地區(qū)PMZ事件在夏季發(fā)生的頻率與春、秋和冬季(圖略)相比有明顯升高,超過(guò)6%的區(qū)域自歐洲向東延伸至140°E附近。春季和秋季遠(yuǎn)東地區(qū)PMZ事件罕有發(fā)生,冬季在亞洲大陸北部PMZ事件發(fā)生頻率超過(guò)3%。由此可見(jiàn),遠(yuǎn)東地區(qū)夏季PMZ事件發(fā)生頻率較春、秋和冬季明顯升高,基于此,本文圍繞該地區(qū)夏季PMZ事件對(duì)大興安嶺地區(qū)同期氣溫的影響展開(kāi)討論。
圖1 1979—2019年夏季500 hPa持續(xù)性高值事件發(fā)生頻率分布Fig.1 Frequency distribution of persistent high-value events of persistent blocking and ridge events at 500 hPa in summer from 1979 to 2019
2.1.2 FOPE和大興安嶺地區(qū)夏季氣溫的相關(guān)關(guān)系
1979—2019年大興安嶺地區(qū)夏季和6月氣溫與30°—50°E至130°—150°E FOPE間隔5個(gè)經(jīng)度的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)見(jiàn)圖2。夏季和6月105°—125°E地區(qū)的FOPE與大興安嶺地區(qū)同期氣溫的相關(guān)系數(shù)最高,通過(guò)了0.001的顯著性水平。也就是說(shuō),105°—125°E地區(qū)是夏季和6月大興安嶺地區(qū)氣溫與同期FOPE關(guān)系最為密切的地區(qū)。
圖2 1979—2019年夏季(a)和6月(b)大興安嶺氣溫指數(shù)與30°—50°E至130°—150°E FOPE相關(guān)系數(shù)變化Fig.2 Variations of the 5-longitude sliding correlation coefficient between the Great Khingan Strip temperature and the FOPE from the 30°-50°E to 130°-150°E regions during summer (a) and June (b) for the period 1979-2019
伴隨東亞季風(fēng)向北推進(jìn)的進(jìn)程,“七下八上”東北地區(qū)進(jìn)入主汛期[15]。為了更好的了解FOPE異常對(duì)大興安嶺地區(qū)氣溫的影響,105°—125°E地區(qū)FOPE與6月、7月和8月氣溫的關(guān)系見(jiàn)圖3b至圖3d。大興安嶺地區(qū)6月出現(xiàn)顯著正相關(guān)(圖3b),與夏季基本一致(圖3a)。6月5°滑動(dòng)相關(guān)分析還表明,大興安嶺地區(qū)氣溫與105°—125°E地區(qū)的FOPE相關(guān)系數(shù)最高(圖2b),與夏季的相關(guān)結(jié)果一致(圖2a)。105°—125°E地區(qū)FOPE與大興安嶺地區(qū)氣溫的相關(guān)性主要集中在6月,而不是7月和8月。也就是說(shuō),105°—125°E的FOPE與夏季大興安嶺地區(qū)氣溫關(guān)系密切,主要是由于6月存在高相關(guān)(圖3b)。因此,6月105°—125°E地區(qū)FOPE和大興安嶺地區(qū)同期氣溫的關(guān)系是本文討論的重點(diǎn)。
1979—2019年6月105°—125°E地區(qū)FOPE和同期大興安嶺地區(qū)氣溫指數(shù)時(shí)間序列分布見(jiàn)圖4,由圖4可知二者存在相似的變化趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)為0.57,超過(guò)了0.001的顯著性水平。
陰影區(qū)超過(guò)0.05的顯著性水平區(qū)域圖3 1979—2019年夏季(a)、6月(b)、7月(c)、8月(d) 105°—125°E FOPE和中國(guó)東部同期氣溫相關(guān)分布Fig.3 Distributions of correlation coefficients between FOPE from 105°-125°E and the corresponding air temperature in eastern China in summer (a),June (b),July (c),and August (d) during 1979-2019
圖4 1979—2019年6月105°—125°E FOPE與同期大興安嶺氣溫指數(shù)時(shí)間序列Fig.4 Variations of time series of FOPE from 105°- 125°E and the corresponding air temperature in the Greater Khingan Mountains during 1979-2019
為了進(jìn)一步說(shuō)明105°—125°E高、低FOPE年對(duì)應(yīng)大興安嶺地區(qū)的異常氣溫,進(jìn)行合成分析。選取105°—125°E地區(qū)FOPE持續(xù)時(shí)間超過(guò)9 d的為高指數(shù)年(1985年、1986年、1987年、2001年、2010年、2011年、2017年、2018年和2019年),持續(xù)時(shí)間少于2 d的為低指數(shù)年(1984年、1989年、1991年、1996年、1998年和2006年)。通過(guò)計(jì)算高、低指數(shù)年合成的6月氣溫差值(圖略),采用0.05的顯著性水平的t檢驗(yàn)考察差值特征,得出中國(guó)華北和東北地區(qū)西部為大范圍的正差值區(qū),并超過(guò)了0.05的顯著性水平,表示該地區(qū)氣溫偏高,其中最大氣溫差值超過(guò)3 ℃。以上分析表明,根據(jù)高、低指數(shù)年合成的氣溫差值可以反映6月105°—125°E地區(qū)FOPE與同期大興安嶺地區(qū)氣溫的變化。
上述結(jié)果表明,在歐亞大陸的所有PMZ事件中,105°—125°E區(qū)域的PMZ事件似乎在夏季(特別是6月)與大興安嶺地區(qū)氣溫的關(guān)系較為顯著。
2.1.3 異常大氣環(huán)流特征
1979—2019年6月105°—125°E FOPE與500 hPa高度場(chǎng)在蒙古國(guó)至中國(guó)華北和東北一帶存在顯著的正相關(guān)中心(圖5a),表明該地區(qū)位勢(shì)高度偏高時(shí)105°—125°E區(qū)域內(nèi)易出現(xiàn)PMZ事件。伴隨500 hPa異常高壓系統(tǒng)控制,貝加爾湖及其以東地區(qū)對(duì)流層低層存在以內(nèi)蒙古東北部為中心的異常反氣旋性環(huán)流(圖5d),中國(guó)東北地區(qū)和內(nèi)蒙古東北部存在顯著的下沉氣流(圖5b),受下沉增溫的影響,上述地區(qū)氣溫易偏高。從850 hPa溫度平流的相關(guān)分布可見(jiàn)(圖5c),受東北亞反氣旋環(huán)流東側(cè)偏北風(fēng)及東北風(fēng)的影響,在中國(guó)吉林東部、遼寧北部和內(nèi)蒙古中東部出現(xiàn)冷平流區(qū),對(duì)上述地區(qū)氣溫升高起到抑制作用。綜上分析,由于受貝加爾湖至中國(guó)東北地區(qū)異常高壓系統(tǒng)影響,對(duì)流層中低層存在異常反氣旋,下沉增溫及晴空輻射造成中國(guó)內(nèi)蒙古至東北地區(qū)氣溫偏高,但由于東北地區(qū)中南部受高壓系統(tǒng)東南側(cè)冷平流的影響,升溫效應(yīng)受到抑制。
陰影區(qū)表示超過(guò)了0.05的顯著性水平圖5 1979—2019年6月105°—125°E FOE與同期500 hPa高度場(chǎng)(a)、500 hPa垂直速度(b)、 850 hPa溫度平流(c)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(d)的相關(guān)分布Fig.5 Distributions of the correlation coefficient of FOPE from 105°-125°E with geopotential heights (a),vertical velocity (b) at 500 hPa,temperature advection (c),and wind (d) at 850 hPa during June for the period 1979-2019
由以上分析可知,北半球105°—125°E地區(qū)PMZ事件可以造成內(nèi)蒙古東北部以及黑龍江西北部氣溫偏高,該事件對(duì)上述地區(qū)降水的影響本文也進(jìn)行分析。圖6為1979—2019年6月105°—125°E FOPE與同期850 hPa相對(duì)濕度場(chǎng)(圖6a)以及降水量(圖6b)的相關(guān)分布。由圖6可見(jiàn),內(nèi)蒙古東北部至黑龍江西北部存在相對(duì)濕度的負(fù)相關(guān)區(qū),表明105°—125°E地區(qū)PMZ事件頻發(fā)時(shí)大興安嶺地區(qū)對(duì)流層低層相對(duì)濕度條件較差,配合對(duì)流層中低層反氣旋性環(huán)流系統(tǒng)以及下沉運(yùn)動(dòng),不利于內(nèi)蒙古東北部至黑龍江西北部出現(xiàn)明顯的降水。由圖6b可以印證這一結(jié)論,降水的負(fù)相關(guān)區(qū)出現(xiàn)在內(nèi)蒙古東北部至黑龍江西北部,即105°—125°E地區(qū)PMZ事件頻發(fā)時(shí)該地區(qū)降水較常年同期偏少。
陰影區(qū)表示超過(guò)了0.05的顯著性水平圖6 1979—2019年6月105°—125°E FOPE與同期850 hPa相對(duì)濕度(a)、降雨量(b)的相關(guān)分布Fig.6 Distributions of the correlation coefficient of FOPE from 105°-125°E with relative humidity (a) and precipitation (b) at 850 hPa during June for the period 1979-2019
105°—125°E地區(qū)FOPE持續(xù)時(shí)間超過(guò)9 d的年份定義為高指數(shù)年(共9 a)、持續(xù)時(shí)間少于2 d定義為低指數(shù)年(共6 a)。由圖7可見(jiàn),高指數(shù)年中國(guó)氣溫距平呈現(xiàn)北正南負(fù)分布型,中國(guó)華北到東北一帶均為氣溫正距平區(qū),內(nèi)蒙古東北部至黑龍江北部氣溫正距平超過(guò)1 ℃,中國(guó)黃淮及其以南地區(qū)為負(fù)距平區(qū)(圖7a)。結(jié)合同期降水距平百分率(圖7c)可知,中國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)降水偏多,而以北地區(qū)降水偏少。低指數(shù)年,氣溫距平為北負(fù)南正(圖7b),中國(guó)東北及華北地區(qū)降水顯著偏多,大興安嶺地區(qū)降水距平百分率超過(guò)40%(圖7d)。由圖8可知,高指數(shù)年(圖8a),貝加爾湖至中國(guó)東北地區(qū)為850 hPa距平反氣旋式環(huán)流,西北太平洋副熱帶高壓較常年同期偏弱,不利于來(lái)自南海及西北太平洋的水汽向北方輸送,動(dòng)力及水汽條件均不利于大興安嶺地區(qū)出現(xiàn)明顯降水。低指數(shù)年(圖8b),西北太平洋副熱帶高壓異常偏強(qiáng),貝加爾湖至中國(guó)東北地區(qū)為850 hPa距平氣旋式環(huán)流,來(lái)自于低緯度的水汽沿西北太平洋副熱帶高壓外圍向北輸送,低層輻合動(dòng)力抬升的增強(qiáng)配合來(lái)自低緯的水汽輸送,大興安嶺地區(qū)降水較常年同期偏多。
氣溫距平單位為℃;降水距平百分率單位%圖7 1979—2019年6月105°—125°E FOPE高指數(shù)年(a)、低指數(shù)年(b)合成的氣溫距平和高指數(shù)年(c)、低指數(shù)年(d)合成的降水距平百分率Fig.7 Composite analyses of the temperature anomalies of high (a) and low (b) index years and precipitation anomaly percentage in high (c) and low (d) index years of FOPE from 105° -125°E during June for the period 1979-2019
圖中陰影單位為10 gpm;風(fēng)矢量單位為m·s-1圖8 1979—2019年6月105°—125°E FOPE 高指數(shù)年(a)、低指數(shù)年(b)合成的500hPa高度距平和850hPa風(fēng)場(chǎng)距平Fig.8 Composite analysis of the geopotential height anomalies at 500 hPa and wind anomalies at 850 hPa in high (a) and low (b) index years of FOPE along 105°-125°E during June for the period 1979-2019
1979—2019年6月大興安嶺地區(qū)氣溫與5月500 hPa高度場(chǎng)的相關(guān)分析表明,里海至巴爾喀什湖存在顯著正相關(guān)區(qū)(圖9)。該前期信號(hào)表明,5月上游環(huán)流場(chǎng)的異常變化可引起6月大興安嶺地區(qū)氣溫的異常變化。根據(jù)圖9選取5月中亞兩河流域(35°—50°N,60°—80°E)區(qū)域平均位勢(shì)高度定義為6月大興安嶺氣溫的前期預(yù)報(bào)指標(biāo)IMA。5月預(yù)報(bào)指標(biāo)IMA與6月大興安嶺氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.33,超過(guò)了0.05的顯著性水平(圖10),表明5月預(yù)報(bào)指標(biāo)IMA與6月大興安嶺地區(qū)氣溫的年際變化具有較好的一致性。
陰影區(qū)表示超過(guò)了0.05的顯著性水平圖9 1979—2019年6月大興安嶺地區(qū)氣溫與前期5月500 hPa高度場(chǎng)相關(guān)分布Fig.9 Distribution of the correlation coefficient of geopotential heights at 500 hPa in May with temperature in the Great Khingan Strip during June for the period 1979-2019
圖10 1979—2019年5月預(yù)報(bào)指標(biāo)IMA與6月大興安嶺氣溫指數(shù)時(shí)間序列Fig.10 Variation of time series of height index IMA in May and temperature indices in June during 1979-2019
圖11為5月1—20日IMA在次季節(jié)尺度上與不同時(shí)間段500 hPa高度場(chǎng)的相關(guān)分布,中亞兩河流域高度異??蓮?月1—20日持續(xù)到6月12—30日。從5月1—20日至6月12—30日,中亞兩河流域位勢(shì)高度異常存在先向東北方向再向東南方向傳播的特點(diǎn)。即當(dāng)中亞兩河流域5月位勢(shì)高度場(chǎng)偏高(低)時(shí),6月貝加爾湖以東地區(qū)位勢(shì)高度偏高(低),對(duì)應(yīng)大興安嶺地區(qū)同期氣溫偏高(低)。
陰影區(qū)表示超過(guò)了0.05的顯著性水平圖11 5月1—20日IMA與5月1—20日(a)、5月12—31日(b)、5月22日至6月10日(c)、6月1—20日(d)、6月12—30日(e) 500 hPa高度場(chǎng)的相關(guān)分布Fig.11 Correlation distributions of IMA with geopotential heights at 500 hPa on May 1-20 (a),12-31 (b), May 22 to June 10 (c),June 1-20 (d),12-30 (e)
(1)歐亞地區(qū)105°—125°E區(qū)域內(nèi)PMZ事件與中國(guó)夏季尤其是6月大興安嶺地區(qū)氣溫關(guān)系最為緊密。
(2)由于受貝加爾湖至中國(guó)東北地區(qū)異常高壓系統(tǒng)影響,對(duì)流層中低層存在異常反氣旋,下沉增溫及晴空輻射造成中國(guó)內(nèi)蒙古至東北地區(qū)氣溫偏高,但由于東北地區(qū)中南部受高壓系統(tǒng)東南側(cè)冷平流的影響,升溫效應(yīng)受到抑制。
(3)105°—125°E地區(qū) PMZ事件頻發(fā)時(shí)大興安嶺地區(qū)對(duì)流層低層相對(duì)濕度條件較差,配合對(duì)流層中低層反氣旋性環(huán)流系統(tǒng)以及下沉運(yùn)動(dòng),不利于內(nèi)蒙古東北部至黑龍江西北部出現(xiàn)明顯的降水,即105°—125°E地區(qū)PMZ事件頻發(fā)時(shí)大興安嶺地區(qū)降水較常年同期偏少。
(4)通過(guò)典型年合成分析發(fā)現(xiàn),高指數(shù)年,貝加爾湖至中國(guó)東北地區(qū)為850 hPa距平反氣旋式環(huán)流,西北太平洋副熱帶高壓較常年同期偏弱,不利于來(lái)自南海及西北太平洋的水汽向北方輸送,動(dòng)力及水汽條件均不利于大興安嶺地區(qū)出現(xiàn)明顯降水。低指數(shù)年,西北太平洋副熱帶高壓異常偏強(qiáng),貝加爾湖至中國(guó)東北地區(qū)為850 hPa距平氣旋式環(huán)流,低層輻合動(dòng)力抬升的增強(qiáng)配合來(lái)自低緯的水汽輸送,大興安嶺地區(qū)降水較常年同期偏多。
(5)陳海山等[8]研究表明,西亞地區(qū)春季陸面異常增暖能引起初夏貝加爾湖附近地區(qū)反氣旋性異常環(huán)流,導(dǎo)致東北初夏降水減弱。本文研究發(fā)現(xiàn),5月中亞兩河流域位勢(shì)高度可作為6月大興安嶺地區(qū)氣溫的前期預(yù)報(bào)指標(biāo),當(dāng)中亞兩河流域5月位勢(shì)高度場(chǎng)偏高(低)時(shí),6月貝加爾湖以東地區(qū)位勢(shì)高度偏高(低),對(duì)應(yīng)大興安嶺地區(qū)同期氣溫偏高(低)。本文得到的預(yù)報(bào)指標(biāo)與陳海山等[8]的研究成果相似,將在中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用和檢驗(yàn)。