增暖背景下北极涛动对新疆冬季平均气温的影响

陈 颖，贾孜拉·拜山，邵伟玲，刘 精

(1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002)

引 言

随着全球气候变暖，新疆区域气温也呈现明显上升趋势，尤其冬季气温上升显著，其速率达0.40 ℃·(10 a)-1[1]。但21世纪以来，新疆区域冬季低温时有发生，大范围持续性低温事件发生频次有所增加，如2007、2010、2011、2012、2017、2018年新疆冬季气温异常偏低，且这些年份冬季气温异常偏低的时空分布特征各不相同，与其相联系的环流特征也有差异[2-5]。这种差异不仅表现在季节尺度，在次季节尺度的反映也很明显，如乌鲁木齐1951—2015年寒潮过程的发生频次随气候增暖而减少，但其强度变化呈现新的特征[6]。因此，在气候变暖背景下新疆冬季气温预测的不确定性和空间分布的差异性明显增大，加大了新疆冬季气温季节及季节内变化的预测难度。

北极涛动(Arctic Oscillation，AO)是冬半年北半球中高纬度地区大气环流尺度最大、最重要的区域气候模态，用于描述北半球气候变率的主要模态[7-8]，对北半球冬季气候有广泛影响。AO不仅直接影响东亚冬季风[9]，还可以通过影响西伯利亚高压和准定常行星波活动引起东亚冬季风异常，进而对东亚冬季气候产生明显影响[10-12]。AO在调制欧亚大陆冬季气温中发挥主导作用[13-15]。研究发现，在AO与极地、中纬度环流的联系中，极涡、中纬度阻塞形势的演变对我国北方区域的冬季气温、季节内极端低温事件以及寒潮过程频数等影响至关重要[16-18]；2015年冬季，北半球大部分区域平均气温总体高于常年平均值，但由于AO在季节内发生了由正位相转为负位相的突然变化，使得北半球中纬度区域气温陡然降为负距平[19-21]。AO对我国冬季气温的影响存在区域性差异[22-28]，华北地区和东北地区冬季气温与AO的联系更为紧密[22-23]，新疆尤其是北疆冬季气温与AO的相关性也较好[29-30]，但长序列尤其是气候变暖以来两者间联系尚不明确。因此，本文基于AO指数与新疆冬季气温年际和年代际的对应关系，研究1961年以来AO指数与新疆冬季气温的联系，尝试分析其影响机制并给出概念模型，以期为新疆冬季气候趋势预测提供科学依据和技术指标。

1 资料与方法

所用资料包括：新疆境内资料完整的89个国家观测站1961—2019年逐日平均气温；美国国家环境预报中心提供的分辨率为2.5°×2.5°的1961—2019年逐月平均500 hPa位势高度场、700 hPa风场再分析资料(https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.pressure.html)；美国国家海洋和大气管理局提供的北极涛动指数(https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml)；国家气候中心提供的亚洲区极涡强度指数(http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_index_130.php)，具体定义为：北半球60°E—150°E区域内，由500 hPa等压面与极涡南界特征等高线所在的等高面之间的空气总质量，为亚洲区极涡强度指数。

冬季平均为当年12月至次年2月的平均值，气候平均态为1981—2010年平均值。采用M-K方法和滑动t检验对冬季气温序列进行突变检测分析，应用T检验对环流合成分析结果做显著性检验[31]。

2 新疆冬季气温与同期AO的联系

1961—2019年新疆冬季平均气温和冬季AO指数都呈线性上升趋势，但冬季AO指数的线性上升趋势不如气温明显(图1)。对比二者的9 a滑动平均曲线，发现二者有大致相同的波动变化：新疆冬季气温(AO指数)在20世纪80年代中期进入正距平(正位相)，且AO指数略早于气温；20世纪90年代后期至21世纪10年代中期冬季AO指数处于负位相，而21世纪00年代中期至21世纪10年代中期新疆冬季气温处于负距平。冬季AO指数与新疆冬季平均气温原序列的相关系数为0.39(通过α=0.01的显著性检验)，而与新疆冬季平均气温9 a滑动平均序列的相关系数为0.73(通过α=0.001的显著性检验)。另外，将新疆冬季平均气温和同期AO指数序列去线性趋势后再分别做相关，发现对应的相关系数(0.30和0.60)均小于去线性趋势前，但仍通过α=0.05的显著性检验。因此推断，冬季AO在年代际尺度上对新疆冬季气温的影响较大，在气候变暖的进程中，新疆冬季气温与冬季AO的联系既有来自气候变暖的影响，也有AO对新疆冬季气温独立的影响。

图1 1961—2019年冬季AO指数和新疆冬季气温年际变化Fig.1 The inter-annual variation of winter AO index and mean temperature in Xinjiang during 1961-2019

从1961—2019年新疆冬季平均气温距平与冬季AO指数的对应关系(图2)可以看出，新疆冬季平均气温的负(正)距平总体对应同期AO指数的负(正)位相，但也有一些年份不遵从这个对应关系，尤其是AO指数绝对值较小的年份。

图2 1961—2019年冬季AO指数与新疆冬季平均气温距平的对应关系Fig.2 The corresponding relationship between winter AO index and mean temperature anomaly in Xinjiang during 1961-2019

定义AO指数大于等于1为正异常，小于等于-1为负异常。1961—2019年，冬季AO指数正、负异常的年份共有23 a，其中9 a正异常，14 a负异常(表1)。冬季AO正异常的年份中，有8 a新疆冬季平均气温偏高，1 a偏低；冬季AO负异常的年份中，有3 a新疆冬季平均气温偏高，9 a偏低，2 a无异常。因此，冬季AO正(负)异常年基本对应新疆冬季平均气温的正(负)距平。

根据M-K方法和滑动t检验计算发现新疆冬季气温在1985年发生明显变化。1961—1985年，冬季AO正异常的年份仅有1 a，为1972年，但该年新疆冬季平均气温偏低；1986—2019年，冬季AO正异常的年份有8 a，对应新疆冬季平均气温全部偏高。因此，在气候变暖的进程中，冬季AO正异常的发生频次明显增加，其与新疆冬季平均气温的正对应关系更加明确。

1961—1985年，冬季AO负异常的年份为10 a，其中新疆冬季气温1 a(1978年)为正距平，7 a为负距平，2 a(1962、1969年)无异常。1986—2019年，冬季AO指数负异常的年份为4 a，其中新疆冬季气温2 a(2000、2009年)为正距平，2 a(1995、2012年)为负距平。因此，伴随着气候变暖，冬季AO负异常的发生频次相对减少，其与新疆冬季平均气温的对应关系也变得不太确定。

3 冬季AO与新疆气温异常的环流特征

3.1 AO异常

图3为冬季AO正异常和负异常对应的500 hPa位势高度场和700 hPa风场距平合成。可以看出，冬季AO正异常时，500 hPa从贝加尔湖到北太平洋广大地区皆为正位势高度距平区，东亚大槽强度偏弱，利于气流的纬向运动，此时北极为负位势高度距平区，且负距平区向乌拉尔山延伸至其南侧的西亚地区，不利于乌拉尔山高压脊的发展，阻塞高压出现频次较低；700 hPa风场距平乌拉尔山至西伯利亚地区为气旋式环流，东亚区域为反气旋式环流，中国北方地区为西低东高的风场分布，新疆受偏南风控制[图3(a)]。

冬季AO负异常时，500 hPa位势高度距平区的分布基本与正异常时相同但符号相反，即从贝加尔湖到北太平洋广大地区皆为负距平区，北极为正距平区，且正距平区向乌拉尔山伸展。同时西风带经向度较大，槽脊发展利于气流的经向运动，乌拉尔山高压脊增强，阻塞高压出现频次较高，东亚大槽和冬季风偏强；700 hPa风场距平乌拉尔山至西伯利亚地区为反气旋式环流，东亚区域为气旋式环流，中国北方地区为西高东低的风场分布，新疆受偏北风控制[图3(b)]。

表1 1961—2019年冬季AO与新疆冬季平均气温的异常年份Tab.1 The anomaly years of winter AO index and mean temperature in Xinjiang in winter during 1961-2019

图3 冬季AO指数正异常(a)和负异常(b)对应的500 hPa位势高度场(彩色填色区，单位：gpm)和700 hPa风场(箭矢，单位：m·s-1)距平合成[黑点区域的位势高度场距平、蓝色箭头的风场距平均通过α=0.05的显著性检验(下同)]Fig.3 The composite anomaly field of 500 hPa geopotential height (color shaded area, Unit: gpm) and 700 hPa wind field (arrows, Unit: m·s-1) in winter of positive (a) and negative (b) anomaly of AO index(The black dot areas for geopotential height anomaly and the blue arrows for wind vector anomaly passed the significance test at 0.05 level (the same as below))

3.2 冬季AO与新疆气温异常

图4为冬季AO与新疆平均气温异常对应的500 hPa位势高度场和700 hPa风场距平合成。可以看出，当冬季AO负异常时，500 hPa极地位势高度正距平区沿乌拉尔山南伸与40°N以南的位势高度正距平区连通，新疆受正位势高度距平控制；700 hPa乌拉尔山为偏北风，偏北风在巴尔喀什湖北侧(60°N附近)转为偏西风，新疆上空为西北气流控制，冬季气温易偏高[图4(a)]。如果500 hPa极地正位势高度距平区沿乌拉尔山区域延伸至40°N附近，北半球中高纬度其余大部分区域均为负位势高度距平，东亚大槽偏深，中高纬度环流经向度加大；700 hPa西西伯利亚区域为偏北气流，偏北气流南伸至40°N附近，500 hPa乌拉尔山正位势高度距平和700 hPa偏北气流南伸都有利于极地冷空气南下影响新疆地区，有利于新疆冬季气温偏低[图4(b)]。因此，同样在AO负异常的情况下，500 hPa位势高度场40°N以南是否出现大范围的正距平区和700 hPa风场距平上乌拉尔山东侧的偏北气流是否南伸至40°N，这2个因素对新疆冬季气温距平的正负有重要影响。

当冬季AO正异常时，新疆冬季气温偏高的概率极大。当500 hPa极区的负位势高度距平沿乌拉尔山区向西南方向延伸时，中高纬度其余大部分区域均为正位势高度距平，700 hPa风场距平上西西伯利亚区域为偏南风，有利于新疆冬季气温偏高[图4(c)]。

图4 冬季AO指数与新疆平均气温异常对应的500 hPa位势高度场(彩色填色区，单位：gpm)和700 hPa风场(箭矢，单位：m·s-1)距平合成(a)AO指数负异常、气温正距平，(b)AO指数负异常、气温负距平，(c)AO指数正异常、气温正距平，(d)AO指数正异常、气温负距平Fig.4 The composite anomaly field of 500 hPa geopotential height (color shaded area, Unit: gpm) and 700 hPa wind field (arrows, Unit: m·s-1) in winters of anomalous AO index and mean temperature in Xinjiang(a) anomalous negative AO index and positive mean temperature anomaly,(b) anomalous negative AO index and negative mean temperature anomaly,(c) anomalous positive AO index and positive mean temperature anomaly,(d) anomalous positive AO index and negative mean temperature anomaly

冬季AO正异常时，新疆冬季气温偏低的情况只出现在1972年，因此图4(d)没有合成分析检验。1972年冬季新疆并非整个区域气温偏低，气温偏低幅度较大的范围主要在北疆和东疆，南疆也有个别区域气温偏低。500 hPa位势高度距平场上，极区和中亚至中国大部分区域均为负距平，且西西伯利亚区域为负值中心，表明1972年冬季北方冷空气的位置虽然稍有偏东，但冷空气活动非常强盛，加之700 hPa西西伯利亚区域出现风矢量辐合区，乌拉尔山以东区域为强盛的偏北风，有利于北方冷空气南下，易造成新疆北部、东部区域冬季平均气温偏低[图4(d)]。

4 气候变暖以来冬季AO对新疆气温影响的概念模型

根据前文分析，随着气候变暖，当冬季AO正异常时，冬季AO与新疆气温的正对应关系非常明确，而冬季AO负异常时，两者的对应关系不明确。因此，分析突变后1986—2019年冬季AO负异常时新疆平均气温负距平与正距平对应的500 hPa位势高度场及700 hPa风场距平合成(图5)。可以看出，它们都反映了极涡强度偏弱、乌拉尔山区域正位势高度距平南伸的典型AO负位相特征，但新疆冬季气温负距平时，西北半球极涡偏弱，东北半球极涡偏强，中纬度70°E以东区域为负位势高度距平，北极冷空气沿着乌拉尔山正位势高度距平区东侧纵贯西伯利亚区域向南输送，造成中国北方区域大面积冬季气温偏低；新疆冬季气温正距平时，北极地区整体位势高度偏高，极涡异常偏弱，虽然极地冷空气仍能通过乌拉尔山东侧向南输送，但中纬度存在大范围的正位势高度距平区，向南输送的冷空气在45°N附近转为向东输送，冷空气的影响极有限。因此，气候变暖以来，当冬季AO负异常时，新疆冬季平均气温取决于东北半球极涡的强弱和中纬度70°E以东区域的位势高度。

综上所述，当冬季AO正异常时，新疆冬季平均气温偏高。当冬季AO负异常时，如果东北半球偏向亚洲区域的极涡强度偏强且70°E以东中纬度位势高度为负距平，则新疆冬季平均气温偏低；如果东北半球偏向亚洲区域的极涡强度偏弱且70°E以东中纬度位势高度为正距平，则新疆冬季平均气温偏高。

因此，用亚洲区极涡强度指数表征东北半球极涡强度，其距平正(负)对应东北半球极涡强度的强(弱)。选用70°E—120°E，35°N—50°N范围内位势高度距平的平均值作为70°E以东中纬度高度距平场因子。综上，基于冬季AO指数、亚洲区极涡强度指数和70°E以东中纬度高度距平场因子建立气候变暖以来冬季AO对新疆平均气温影响的概念模型，其中东北半球极涡强度用于反映极地冷空气的强弱，70°E以东中纬度高度距平场用于反映冷空气输送是否能顺利影响中纬度地区，如图6所示。

图5 1986—2019年冬季AO负异常时新疆平均气温负距平(a)与正距平(b)对应的500 hPa位势高度(彩色填色区，单位：gpm)及700 hPa风场(箭矢，单位：m·s-1)距平合成Fig.5 The composite anomaly field of 500 hPa geopotential height (color shaded area, Unit: gpm) and 700 hPa wind field (arrows, Unit: m·s-1) in winters of the negative (a) and positive (b) anomaly of mean temperature in Xinjiang corresponding the negative anomaly of winter AO index during 1986-2019

图6 气候变暖以来冬季AO对新疆平均气温影响的概念模型Fig.6 The concept model of the influence of winter AO on mean temperature in Xinjiang since the climate warming

5 结 论

(1)在气候变暖进程中，冬季AO与新疆平均气温的联系既有来自气候变暖的影响，也有AO对新疆平均气温独立的影响。

(2)1961年以来，冬季AO负异常时，500 hPa位势高度场40°N以南是否出现大范围的正距平区和700 hPa风场距平乌拉尔山东侧的偏北气流是否南伸至40°N，这2个因素对新疆冬季气温距平符号有重要指示意义。冬季AO正异常时，新疆冬季气温偏高的概率极大；如果极区和中亚至我国大部分区域出现500 hPa位势高度负距平，700 hPa西西伯利亚区域风场距平出现辐合区，则有利于新疆冬季气温偏低。

(3)气候变暖以来，冬季AO正异常与新疆平均气温正距平一一对应。当冬季AO负异常时：若东北半球极涡偏强、中纬度70°E以东区域为负位势高度距平时，新疆冬季气温偏低；若东北半球极涡偏弱、中纬度70°E以东区域为正位势高度距平时，新疆冬季气温偏高。