杨旭
, 刘刚
YANG Xu, LIU Gang
中图分类号: P466
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690（2015）02-0223-07
收稿日期: 2014-01-18
修回日期: 2014-05-8
网络出版日期: 2015-02-15
版权声明: 2015 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：杨旭（1987-）,女（蒙古族）,吉林白城人,助理工程师,主要研究方向为全球变化区域相应、气候与环境。E-mail：yxu_2011@163.com
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摘要
利用1951-2009年NCEP/NCAR高度场月平均资料、全球海表温度月平均资料、国家气候中心提供的东北地区24站逐月温度资料、鄂霍次克海阻塞高压（东阻）活动天数等数据,采用相关和奇异值分解分析（SVD）方法,分析夏季（6-8月）东阻活动天数的年际变化及其前期征兆,结果表明：夏季东阻活动天数年际变化阶段性明显,21世纪以来不仅处于强盛后期明显下降趋势阶段,而且年际变率显著增大;夏季东阻活动天数与中国东北地区中部及东部的温度呈显著负相关;春季至夏季赤道东太平洋（NINO3区）SSTA（特别是1977-2009年）呈El Niño位相是夏季东阻活动的最重要强迫源,当赤道东太平洋为El Niño状态,以及阿拉伯海与北太平洋西风漂流区为暖海温时,夏季东阻活动天数偏多;与夏季同期大西洋海温的SVD1模态表明,当大西洋海温SSTA整体上处于冷（暖）位相分布时,东阻活动天数偏少（多）;夏季东阻活动天数与春季NPO和极涡面积指数相关存在着的年代际变化特征,1951-1976年,夏季东阻活动天数仅与春季北半球极涡面积指数、亚洲极涡面积指数呈显著正相关, 1977-2009年,不仅与春季极涡面积指数呈正相关信号消失,而且,1951-2009年与春季NPO指数呈显著的正相关信号,在此期间也迅速减弱消失。
关键词：
Abstract
The averaged monthly reanalysis data, including height data(HGT) and global sea surface temperature (SST) from 1951 to 2009 from the National Centers for Environmental Prediction-National Center for Atmospheric Research (NECP-NCAR), the averaged monthly temperature data of 24 stations in Northeast China provided by the National Climate Center, and the data of activity days of Okhotsk blocking highs are used to investigate the decadal variation and the early sign of the Okhotsk blocking highs' activity days, by using the method of correlation analysis and the Singular Value Decomposition (SVD) methods. The results show that the summer′s Okhotsk blocking highs′ activity days have a interannual variability of distinct stage. Since twenty-first century Okhotsk blocking highs′ activity days were significantly decreased during the late strong stage with an increasing interannual variability. There is a significant negative correlation between the Okhotsk blocking highs′ activity days and the temperature in middle and east of Northeast China in summer. From spring to summer,the SSTA (especially in 1977-2009) in El Niño phase is the most important source of Summer Okhotsk blocking high′ activity forced in the eastern equatorial Pacific (NINO3). When the eastern equatorial Pacific is in the El Niño state, and the SSTA is warmer in the area of Arabia sea and the west wind drift in North Pacific, there will be more Summer Okhotsk blocking highs′ activities. The first mode of SVD indicates that, when the Atlantic SSTA on the whole is in the cold (warm) phase ,the Okhotsk blocking highs′ activity days are shorter (longer). The correlation between the Okhotsk High activity days and spring NPO and polar vortex area index has an interdecadal variation feature. During 1951-1976, the Summer Okhotsk High activity days only reveals a significant positive correlation with the spring the northern hemisphere polar vortex and the Asia polar vortex area index. The signal of positive correlation with spring polar vortex area index disappears from 1977 to 2009, moreover, the signal of the positive correlation with the spring NPO index declines rapidly in 1951-2009.
Keywords：
阻塞高压是大气系统中能稳定维持时间较长的、并能造成附近地区持续出现异常天气气候的大尺度系统之一,因此对其活动的预报就显得尤为重要,20世纪50-60年代开始国内外学者对此做了大量的研究[1-19],早期的气象学者指出乌拉尔山附近阻塞高压的崩溃经常在东亚造成大范围的寒潮过程,而夏季鄂霍茨克海地区的阻塞高压（以下简称东阻）形势的维持是中国梅雨发生的大气环流背景,因此研究亚洲地区的阻塞高压有着非常重要的意义[1,2];后来的研究发现,东阻（范围131°E-155°E）活动对中国天气的影响以东北夏季气温变化最为显著[3,4],尤其是6 月东阻活动异常年,有利于来自鄂霍次克海偏东北路径的冷空气入侵东北亚及中国东北地区,为东北初夏低温重要影响系统[5-7] 。除此之外东阻同亚洲中高纬地区的高度场分布稳定的东高西低形势维持对华北平原的严重干旱和雨涝的起着重要的作用,同时其活动异常对西太平洋副热带高压的稳定维持以及EAP(东亚/太平洋)遥相关型均有重要影响,东阻的强弱及变化还与印度季风的强弱、近海台风异常路径(转向、打转等现象)的发生也有显著影响[8-12],可见,东阻活动的建立、维持和消亡对中国的天气、气候具有十分重要影响。
本文主要讨论了夏季东阻活动的年际变化特征以及对东北地区夏季气温影响的主要区域,并对能表征东阻活动的前期信号及征兆进行了提取、研究及判断,为其活动异常的预测方法提供科学依据,同时进一步为揭示东阻影响东北夏季低温以及对当地农作物的生长、东北地区夏季的降水日数及降水总量等物理机制奠定了一定的基础。
利用1951-2009年美国NECP/NCAR提供的2.5°×2.5°分辨率的月平均500 hPa高度场,NOAA提供的2°×2°分辨率延长重构的海表温度资料;国家气候中心提供的1951-2009年东北三省24站月平均温度资料;东阻天数数据[5]。采用相关分析和奇异值分解（SVD-Singular Value Decomposition）方法[13],分析了夏季东阻活动天数的年际变化特征、与东北夏季气温的关系,探讨了前期海表温度及北半球各大环流指数等信号场对东阻活动的指示意义。
1951-2009年东阻夏季平均活动天数为32.797 d/a,1998年东阻活动天数为81 d,2004年仅为3 d（图1）,表明20世纪末至21世纪初几年,夏季东阻活动天数的年际变率明显较之前明显;由其年代平均曲线图可见,20世纪60、90年代为夏季东阻活动的多发期,20世纪50、70、80年代、21世纪10年代为夏季东阻活动少发期;由9 a滑动平均值曲线可见,20世纪70年代中期至80年代中期、20世纪末至21世纪初期,东阻活动天数下降趋势明显,结合逐年东阻活动发生的实际天数,可知前一个时期东阻活动天数的年际变化较后期小,故进入21世纪以来尤其是至2005年,夏季东阻活动天数处于强盛后期,呈下降趋势明显且年际变率显著增大阶段,与刘刚等有关鄂霍次克海阻塞高压活动年代际尺度变化结论类同[5]。
图1 1951-2009年夏季东阻活动天数
Fig.1 The Okhotsk Blocking high’s activity days in summer in 1951-2009
因之前有的学者提出东阻对中国天气的影响以东北夏季气温变化最为显著[3,4],故将1951-2009年夏季东阻活动天数与同期中国东北地区夏季温度做线性相关分析,结果如图2所示,夏季东阻活动天数主要与东北地区的中部及东部这2个区域夏季气温呈现出显著的负相关（显著性水平α≥0.1）,表明东阻活动天数偏多（少）时,该区域气温偏低（高）,可见,东阻活动天数对东北地区的中部和东部温度影响大于东北其其它地区,这也间接说明东阻是影响东北夏季低温重要的亚洲阻塞环流型之一[5],因此有必要对夏季东阻活动的前期征兆进行判断和提取,为短期气候预测所必须考虑重要大气环流系统之一的东阻活动异常提供科学依据。
图2 夏季东阻活动天数与东北夏季气温的相关性
Fig. 2 The relationship between the activity days of Okhotsk Blocking high and summer temperature in Northeast China(0.214: the significance level α=0.1; 0.254: the significance level α=0.05; 0.330: the significance level α=0.01)
为选择、提取能有效表征夏季东阻活动天数变化的前期信号场,本文主要选取全球海温、NINO3区海温、北极涛动指数（AO- Arctic Oscillation）、北大西洋涛动指数（NAO- North Atlantic Oscillation）、北太平洋涛动指数（NPO- North Pacific Oscillation）、太平洋极涡面积指数,亚洲极涡面积指数、大西洋欧洲区极涡面积指数、北美区极涡面积指数,北半球极涡面积指数共10种海-气系统主要模态指数,通过比较同期及前期的相关情况,进行判断和筛选。
将夏季东阻活动天数分别与前冬、春季与夏季全球海表温度场做线性相关分析,前冬海温场信号不明显（图略）,东阻活动天数与春、夏季海表温度场相关分布较为相似（图3a、b）,夏季东阻活动天数与春季赤道东部太平洋地区海温、来自白令海峡的西北太平洋亲潮冷洋流呈现出著的正相关（显著性水平α=0.05）,春季的正相关范围较大,涉及NINO 3.4区中的NINO4区（160°E -150°W,5°N-5°S）东部边缘区域150°W附近海域和整个NINO3区（150°W-90°W,5°N -5°S）,还与南侧的黑潮暖洋流显著性正相关范围很小（见图3a）;夏季东阻活动天数则与同期西北印度洋的阿拉伯海表温度呈显著的正相关（显著性水平α=0.05）,与赤道东太平洋地区的显著相关区向东收缩至NINO3区（见图3b）,还与太平洋西部的西风漂流区中的130°E -140°E,30°N 35°N,145°E-155°E,20°N-28°N这两个区域海温,呈由西北至东南方向的“-、+”显著相关波列（显著性水平α≥0.05（α0.05=0.254））,必须指出的是,夏季东阻活动天数与西北印度洋的阿拉伯海表温度呈显著的正相关区域面积也比较大。
图3 夏季东阻活动天数与春季（a）、夏季（b）全球海温的相关性
Fig. 3 The relationship between the summer activity days of Okhotsk Blocking high and global sea surface temperature in spring(a) and summer(b)
为了进一步揭示海温和东阻之间的关系,本文选取了夏季东阻活动典型偏多年份1957年、1969年、1983年、1998年、2003年、2009年共6 个年份,夏季东阻活动典型偏少年份1958年、1978年、1984年、2000年、2004年共5个年份,分别将春（图略）、夏季同期500 hPa高度距平场、全球海温距平场进行合成分析,结果如图4、图5所示。由图4可见,当赤道东太平洋为El Niño状态、阿拉伯海为显著的暖海温、西风漂流区为暖海温时,当年夏季鄂霍次克海地区为高度场正距平区,进而有利于东阻发生,夏季东阻活动天数偏多,相应副热带高压必然偏南,这时大西洋海温整体上偏暖,这与梁建茵等[14]提出的南海西南季风强弱与东太平洋海温、南海至阿拉伯海海温存在显著负相关,当SSTA呈为El Niño状态、阿拉伯海为显著的暖海温时,会导致南海西南季风偏弱,副高偏南,夏季东阻活动偏多,与肖子牛[15]等研究El Niño期间印度洋海温异常对亚洲气候的影响中东冷西暖的印度洋海温夏季副高位置偏南等结果类同。
图4 夏季东阻活动天数典型偏多年500hPa高度场（a）、同期全球海温场（b）合成
Fig. 4 Synthesis of the summer activity days of Okhotsk blocking high’s partial years of height field (a) and global sea surface temperature(b)
图5 夏季东阻活动典型天数偏少年500hPa高度场（a）、同期全球海温场（b）合成
Fig.5 Synthesis of the summer activity days of Okhotsk blocking high’s juvenile years of height field (a) and global sea surface temperature(b)
图5表明,当赤道东太平洋SSTA呈为La Niña状态、阿拉伯海为不显著的暖海温或冷海温（此时阿拉伯海温作用不显著）、西风漂流区为冷海温时,当年夏季鄂霍次克海地区为高度场负距平区,不利于东阻发生,夏季东阻活动天数偏少,此时大西洋海温SSTA整体偏冷。在1958-2009年历史记录中属于厄尔尼诺的年份,夏季东阻活动天数均较多,拉尼娜年份规律不是很明显,从而进一步可以表明,春季到夏季赤道东太平洋（NINO3区）SSTA呈El Niño位相是夏季东阻活动的最重要强迫源,因此,本文进一步给出中高纬度环流系统-鄂海阻高活动与热带太平洋和印度洋之间的重要联系,另外,这就为研究亚洲东阻夏季活动提供了重要的前期海洋信号分布场。
由图6（a、b）可知除赤道东太平洋及阿拉伯海外,东阻活动天数还夏季与大西洋（靠近墨西哥湾地区）海温呈现显著的正相关,虽然春季海温未为通过显著性水平α=0.05检验,但已呈现出相同相关分布特趋势,Mullen[ 16]也指出大西洋和太平洋对阻高的能源维持机制不同之处,Wang[ 17]也发现东亚地区阻高发生频率与季节有关,为进一步揭示大西洋海表温度场的强迫作用可能对夏季东阻活动的影响,取大西洋地区（80°W-20°E,20°S-60°N）春季（图略）、夏季的海表温度为左场,取北半球(50°E-180°E,20°N-70°N)夏季6-8月500 hPa高度场为右场,做同期奇异值分解（SVD）,结果表明,奇异值分解收敛速度很快,夏季SVD前4对耦合模态的累计方差贡献率达到了近95%,第一对耦合模态占有较大的协方差,占协方差平方和83.72%,相关系数0.74(场与场之间的相关显著性水平α>0.01(α0.01=0.33)),表明二者有较为密切的时空相关性,当大西洋海温SSTA整体上处于冷（暖）位相分布时,对应夏季500 hPa高度场上空为广阔的高度场负（正）距平区,中国的西部为高度场的负距平大值区,不（有）利于东阻发生,对应东阻活动天数偏少（多）（见图6a、b）,这与前3.1节东阻活动典型年合成图结果相似。
图6 夏季同期大西洋海温与北半球500 hPa高度场SVD1模态的异性相关系数及对应的时间系数
Fig. 6 Distributions of heterogeneous coefficients of the first and coupling model (SVD1) of the spring temperature of Atlantic Ocean (a) and the summer 500 hpa height (b), and with their time coefficients（c）
从SVD1时间系数图上可看出（图6c）,两场的时间系数趋势基本一致;在20世纪70年代末期出现了明显的转折,表明这期间气候振荡变动较大,这也与实际1977年附近北太平洋出现气候突变相吻合。
分别将前文中提及的AO、NAO、NPO 共3种北半球环流指数指数、五大极涡面积指数与夏季东阻活动天数做线性相关分析,比较同期及超前的相关情况,结果如表1、表2所示。
表1 1951-2009年春、夏季北半球环流指数同夏季东阻天数的相关系数（显著性水平α=0.05）
Table 1 The correlation coefficients between the summer activity days of Okhotsk blocking high and Northern Hemisphere circulation indices in the spring and summer of the same year (the significance level α=0.05)
| 指数 | 相关系数 | |
|---|---|---|
| 春季 | NPO | 0.320 |
| 夏季 | NPO | -0.266 |
| NAO | -0.277 |
表2 分时段春、夏季北半球环流指数同夏季东阻天数的相关系数（显著性水平α=0.05）
Table 2 The correlation coefficients between the summer activity days of Okhotsk blocking high and All indexes in the same year but in different Period (the significance level α=0.05)
| 1951-1976年 | 1977-2009年 | |||
|---|---|---|---|---|
| 春季 | 亚洲极涡面积指数 | 0.596 | ||
| 北半球极涡面积指数 | 0.644 | |||
| 夏季 | 北半球极涡面积指数 | 0.395 | NPO | -0.349 |
| 大西洋极涡面积指数 | 0.530 | |||
由表1可知,在1951-2009年期间,夏季东阻活动天数与春、夏两季NPO呈现出显著的相关关系（显著性水平α=0.05）,需要指出的是,夏季东阻活动天数与NPO指数由春季的显著正相关,转为夏季的显著负相关,由此表明,在春季NPO指数具有很好的指示意义,其对东阻产生的影响应尤为重视,另外,夏季东阻活动天数还与夏季NAO指数呈现出显著的正相关关系,极涡面积指数指示意义不理想。
鉴于太平洋年代际振荡( PDO) 作为一种年代到年代际时间尺度上的气候变率强信号,是叠加在长期气候趋势变化上的扰动,可直接造成太平洋及周边地区的年代际变化;1976年 /1977 年北太平洋出现了一次显著的年代际突变现象,PDO 的冷暖位相则又是年际变率的重要背景,对气候系统的年际变化具有重要的调节作用[20]。为了更好的分年代阶段表示各环流指数的相关变化情况,本文以1976年为界将59 a分为前后2个时间段,对比发现,夏季东阻的活动天数与各环流指数的显著相关性具有明显的年代际变化特征,结果如表2所示,在1951-1976年,夏季东阻活动天数与北半球极涡面积、亚洲极涡面积、大西洋极涡面积关系密切,呈现出显著的正相关关系（显著性水平α=0.05）,说明在1951-1976年极涡面积指数增加（减少）对夏季东阻活动天数影响较大;1977-2009年,夏季东阻活动天数与环流指数的相关情况却截然不同,极涡面积指数反而作用不显著,仅夏季同期与NPO呈现出显著负相关,需要指出的是,前期1951-2009年春季较为理想的NPO指数,指示意义也迅速减弱甚至消失。
夏季东阻活动天数与北半球环流指数在气候突变前后2个阶段呈现出截然不同的特点,除了气候突变的因素外,还可能受多种重要因素的共同影响,阻塞高压的形成实际上是一种典型的混沌现象[18]。这种极为复杂的非线性过程给实际预报带来很多困难,因此,在对夏季东阻活动天数的预报,筛选出能表征其活动的前期征兆时,除了考虑海温、极涡、NPO等环流指数的影响以外,还应考虑波流相互作用、大气内动力等综合因素。
1） 夏季东阻活动天数的多发期与少发期年代际变化明显,除20世纪60、90年代外,其余年代东阻平均活动天数均处于少发期;21世纪以来至2005年,夏季东阻活动天数不仅处于强盛后期且下降趋势明显,且东阻活动天数年际变率显著增大。
2） 夏季东阻活动天数主要与东北地区的中部及东部这两个区域夏季气温影响明显,呈现出显著的负相关关系（显著性水平α=0.05）。
3） 春、夏两季赤道东部太平洋附近地区海温对夏季东阻活动天数有很好的指示意义,二者显著的正相关（显著性水平α=0.05）,春季的正相关范围较大,涉及NINO4区和整个NINO3区,夏季正相关范围收缩至NINO3区,同时靠近墨西哥湾附近的大西洋海域也呈现出显著正相关关系,由此可知,春季至夏季NINO3区（尤其是1977-2009年）厄尔尼诺位相是夏季东阻活动的最重要强迫源,即当赤道东太平洋为厄尔尼诺状态、阿拉伯海为显著的暖海温、西风漂流区为暖海温时,夏季东阻天数活动偏多。
4） 与大西洋海温的SVD分析可知,夏季东阻活动天数与大西洋海表温度相关分布特征春、夏季相似,SVD1表明当大西洋海温SSTA整体上处于冷（暖）位相分布时,不（有）利于东阻发生,对应东阻活动天数偏少（多）,这与阻高典型年合成图结果一致。
5） 夏季东阻活动天数与NPO以及北半球极涡面积指数的显著相关性存在着明显的年代际变化特征,1951-1976年,夏季东阻活动天数仅与春季北半球极涡面积指数、大西洋极涡面积指数呈显著正相关, 1976-2009年,不仅与春季极涡面积指数呈正相关信号消失,而且,1951-2009年与春季NPO指数呈显著的正相关信号,在此期间也迅速减弱消失。
本文不仅对东阻活动天数年际变化进行统计分析,着重揭示赤道东太平洋、大西洋、阿拉伯海等海表温度场与夏季东阻活动天数的显著相关区事实,还分析了大西洋海温场与500 hPa亚洲区域高度场SVD相关模态,提取了夏季东阻活动的海表温度场及北半球环流指数的某些信号,但有关的影响机制尚需作进一步深入细致研究。
The authors have declared that no competing interests exist.
| [1] |
东亚的梅雨期与亚洲上空大气环流季节变化的关系 [J] . |
| [2] |
|
| [3] |
夏季鄂海高压的长期预报研究 [J]. |
| [4] |
北半球阻高的统计分析 [J] . |
| [5] |
亚洲阻塞高压分类及其与东北冷涡活动和东北夏季低温的联系 [J]. |
| [6] |
东北初夏极端空间分布特征及其成因机理分析分析 [J].
|
| [7] |
中国东北夏季温度年代际变化特征 [J]. |
| [8] |
华北平原夏季严重旱涝特征诊断分析 [J] . |
| [9] |
夏季欧亚中高纬环流持续异常事件的 Rossby 波传播特征 [J] .
|
| [10] |
印度夏季风的年际变异与北半球大气环流的特征 [J].
|
| [11] |
阻塞结构对近海台风异常路径影响的数值模拟 [J].
|
| [12] |
|
| [13] |
|
| [14] |
南海西南季风多时间尺度变化及其与海温的相互作用 [J] . |
| [15] |
El Nino期间印度洋海温异常对亚洲气候的影响 [J] . |
| [16] |
Transient eddy forcing of blocking flows [J] . |
| [17] |
Effects of blocking anticyclones in Eurasia in the rainy season ( Meiyu/Baiu season) [J] . |
| [18] |
The mechanics of vacillation [J]. |
| [19] |
鄂霍茨克海阻高发展过程的正斜压涡度和涡度拟能的演变特征 [J]. |
| [20] |
The 1976-1977 climate shift of the Pacific Ocean [J]. |
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| 〈 |
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