2020/2021年冬季黑龙江省气温异常成因分析

刘玉娇 ，于 璐 ，冯 娟 ，班 晋 ，赵佳莹

（1.牡丹江市气象局，黑龙江 牡丹江 157000；2.黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030；3.绥芬河市气象局，黑龙江 牡丹江 157300）

1 引言

在全球气候变暖的大背景下， 中国气温增温速率与全球基本保持一致， 但不同区域对气候变暖的响应并不一致，具有明显的区域和季节差异[1-3]。 东北地区冬季是中国变暖最明显的区域之一， 但刘实等研究发现，从90s年代起，东北冬季异常冷、暖事件明显增多， 冬季气温异常变化对生态环境及人们的日常生活造成严重影响[4-6]。

黑龙江省地处中高纬亚洲东岸， 是我国距离北极最近的省份，气候具有多变性，各项环流因子的影响亦具有不确定性。 特别是近十年来，异常冷暖气候事件发生频率增高， 且区域特征表现明显， 例如2009/2010、2013/2014和 2017/2018年冬季， 在全国大部地区是暖冬的时候， 黑龙江省则发生冷冬[7-9]；2018/2019年全国大部地区气温明显偏低，而黑龙江省气温却异常偏暖[10]。

2020/2021年冬季全国气温表现为暖冬，而黑龙江省大部地区气温较常年同期偏低。 本文对造成2020/2021年冬季黑龙江省气温异常的成因进行分析， 找出相关影响因子， 以期为未来的冬季气温预测，提供一定的参考。

2 资料和方法

本文选用1961/1962-2020/2021年冬季黑龙江省连续性较好的71个气象观测站逐日气温数据，该数据由黑龙江省气候中心提供。 500 hPa 大气环流场来自国家气候中心的 “气候与气候变化监测预测系统”， 各项环流特征量来自国家气候中心提供的130项环流指数数据集，并对结果进行标准化处理。 东亚冬季风指数采用朱艳峰（2008）定义。

文中使用的气候均值为1981-2010年。 文中提到的前冬为当年12月，后冬为翌年1-2月。 利用统计学相关系数法和显著性检验进行分析。

3 结果与分析

3.1 2020/2021年冬季气候特征分析

2020/2021年冬季黑龙江省表现为 “前冬暖、后冬冷”的气候特征。 全省平均气温为-17.5 ℃，较常年同期（-17.1 ℃）低 0.4 ℃。从空间分布看（图略），呈现“南北低、中间高”的分布特征，其中新林、呼玛、木兰偏低2 ℃以上。 季节内大气环流调整明显，冷空气活动频繁，出现明显低温时段（图1），如2020年12月27日-2021年1月9日平均气温为-23.3 ℃，比历史同期低 3.8 ℃；1月16-19日平均气温为-23.4 ℃，比历史同期低 3.2 ℃；1月28-30日平均气温为-24.7℃，比历史同期低 6.3 ℃。

图1 2020/2021年冬季黑龙江省逐日气温距平和日平均气温变化图

3.2 2020/2021年冬季气温变化主要成因分析

3.2.1 500 hPa 大气环流形势

2020/2021年冬季， 北半球极涡为偶极型分布（图2a）， 两个中心分别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极涡处于负距平，强度偏强。 欧亚中高纬大气环流形势为“两槽一脊”型，亚洲中高纬地区和欧洲西部受高空槽控制， 乌拉尔山至欧洲东部为高压脊控制。 东亚大槽位置偏西，强度偏强。 中高纬环流经向度大， 利于引导冷空气南下。季节内大气环流形势调整较明显（图略）。12月初欧亚中高纬为“两槽两脊”形势，乌拉尔山高压脊向北延伸发展，形成阻塞高压，黑龙江省转为正高度距平， 旬内气温偏高。 随后环流形势调整为 “两槽一脊”，东亚大槽强度偏强、位置偏西，黑龙江省上空转为负高度距平，亚洲中高纬呈“西高东低”分布特征，中高纬环流经向度较大，冷空气南下频繁。 2月极涡和东亚大槽强度减弱，环流经向度减弱，影响黑龙江省地区的冷空气亦减弱。

图2 (a)2020/2021年北半球冬季500 hPa 平均高度场及(b)相似年高度合成场

为了更好地了解黑龙江省表现为区域性冷冬时大气环流形势特征，选取2000年以来，全国冬季表现为暖冬，而黑龙江省气温却偏低的年份，共计5 a，并对500 hPa 高度场进行合成。 由图2 b 可以看出，在黑龙江省表现为区域性冷冬时， 欧亚中高纬地区表现为“两槽一脊”的环流形势，亚洲中高纬为负高度距平， 北极地区为正高度距平， 东亚大槽位置偏西，强度偏强。 在我国区域内则表现为“北负南正”的分布特征。 2020/2021年冬季与合成年环流形势相似，可见，黑龙江省冬季气温变化与大尺度环流背景有关。

3.2.2 北极涛动（AO）

AO 是北半球中高纬度大气环流变化的主要模态。 有研究表明，AO 与东北冬季气温年际异常存在较明显的相关关系， 但两者的关系又不是一成不变的[11-13]。 当AO 为负位相时，北极冷空气易南下，东北地区温度偏低[14]。

通过对AO 指数与黑龙江省冬季气温进行相关分析，发现AO 指数与冬季气温呈正相关关系，相关系数 0.425，通过 0.001 置信度检验。 季节内，AO 对各月气温均有一定的影响，但对后冬的影响较明显，相关系数达 0.433。 2020/2021年冬季 AO 总体偏弱 （图3），季节内前冬和后冬也均表现为负位相，但气温表现却不一致，可见AO 对黑龙江省气温的影响总体表现较一致，但季节内气温变化还受其它因子影响。

图3 1961/1962-2020/2021年冬季AO 标准化指数时间序列图

3.2.3 北半球极涡面积

极涡体现了中高纬大气环流的形势， 在很大程度上反映了冷空气活动情况，当极涡面积偏大时，极地冷空气活动频繁， 中国东北地区冬季气温易偏低[15]。于梅针对黑龙江省气温与北半球极涡做了相关研究， 表明黑龙江省的温度变化随极涡面积扩大而降低，随极涡面积缩小而升高[16]。

分别对1961/1962-2020/2021年黑龙江省冬季、前冬和后冬气温与北半球极涡面积指数做相关分析发现， 极涡面积指数与冬季及后冬气温的相关性较好，相关系数分别为-0.476、-0.524，均通过 0.001 的显著性检验，而与前冬的相关性则不明显，相关系数只有-0.163，未通过显著性检验。

2020/2021年黑龙江省后冬极涡面积较常年偏大（图4），黑龙江省气温偏低，可见北半球极涡面积变化是影响黑龙江省冬季气温因子之一。

图4 1961/1962-2020/2021年冬季1-2月北半球极涡面积标准化指数与气温距平时间序列图

3.2.4 东亚冬季风（EAWM）活动特征

东亚冬季风是影响我国冬季气候的重要因子，房一禾[17]认为年际尺度上EAWM 适合描述东北中、北部冬季气温， 西伯利亚高压适合描述东北南部冬季气温变化。

刘实等人研究表明，EAWM 与东北地区冬季气温在年际和年代际尺度上均有十分显著的负相关关系，年际尺度更为显著（相关系数-0.663）[6]。 对 1961/1962-2020/2021年黑龙江省冬季气温与EAWM 强度指数进行相关分析得：两者呈反相关变化，相关系数为-0.366（α=0.01），即在东亚冬季风偏强时，黑龙江省气温易偏低。 2020/2021年冬季，EAWM 强度虽总体偏弱，但季节内强弱转换阶段性特征较明显。 12月6 候-1月2 候EAWM 强度异常偏强，黑龙江省平均气温较常年低3.5 ℃，为1961年以来历史第7 位；2月2 候-4 候EAWM 强度明显偏弱，黑龙江省平均气温较常年高1.9 ℃，为1961年以来历史第9 位。可见季节内EAWM 强度阶段性演变，是影响黑龙江省冬季气温阶段性变化的因子之一(图5)。

图5 2020/2021年冬季EAWM 逐候指数距平时间序列

3.2.5 赤道中东太平洋海温

根据世界气象组织对赤道中东太平洋海温监测表明：2020年8月形成的拉尼娜事件已于2021年3月结束。

分析1981年以来秋冬季赤道中东太平洋海温异常与黑龙江省冬季平均气温的关系（图6），结果表明：当海温表现为厄尔尼诺暖事件时，冬季气温增暖0-1.0 ℃，后冬增暖 0-1.4 ℃；当海温表现为拉尼娜冷事件时，冬季气温偏冷 0-1.4 ℃，后冬偏冷 0-1.7 ℃。从空间分布来看，无论是厄尔尼诺或拉尼娜年，气温均自东北至西南方向逐渐增温或降温。

图6 秋冬季海温异常年冬季平均气温合成（厄尔尼诺事件：(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，通过统计分析发现：季节内海温异常年前冬暖或者冷的概率相等， 而后冬在厄尔尼诺年气温偏高的概率为67%， 拉尼娜年气温偏低的概率为60%。 2020/2021年黑龙江省冬季平均气温较常年低0.4 ℃，后冬较常年偏低1 ℃。

4 结论

（1）当欧亚中高纬地区为“两槽一脊”环流形势，北极地区表现为正高度距平，东亚大槽位置偏西、偏强，经向环流明显，而我国区域内500 hPa 高度场为“北低南高”的分布特征，此时黑龙江省亦出现区域性冷冬。

（2）AO 指数、北半球极涡面积及东亚冬季风均与黑龙江省冬季气温变化有较好的相关关系。 当AO呈负位相、极涡面积偏大、东亚冬季风偏强时有利于冷空气南下，导致黑龙江省冬季气温偏低。

（3）秋冬季赤道中东太平洋海温变化对黑龙江省冬季气温有一定影响， 特别是对后冬气温影响较明显。 从空间分布图上看，海温异常年气温变化具有明显的区域特征。