ABSTRACT

Based on the observations of cold-air mass activity, air temperature records over nationwide of 160 stations, sea Surface pressure fields of north hemisphere, and the height fields at 500 hPa, as well as the related circulation indexes of the winter periods during 1951 to 2010, using the methods, such as composite analysis, differential analysis and correlation analysis, the possible links between cold-air activities and the other above data series are studied. The results show that the winter air temperatures in our country are closely related to the cold air activities. In addition, some atmospheric circulation indexes are found out, which are good indicators for winter cold air activities, and can be used as tools for forecasting winter cold air activities.

Keywords:Winter, Cold Air, Affecting Factors, Forecasting

我国冬季冷空气活动特征及前期影响因子分析

黄志萍¹，任广成²

¹湖南省气象局气象服务中心，湖南 长沙

²中国人民解放96631部队，北京

Email: hzp6712@sina.com

收稿日期：2015年10月8日；录用日期：2015年10月25日；发布日期：2015年10月28日

摘 要

本文利用1951~2010年冬季(12~2月)冷空气活动资料，全国160站冬季气温资料，北半球海平面气压场和500 hPa高度场及相关环流特征指数资料，分析了冷空气活动特征及其与我国气温的关系，并通过合成对比和差值计算及相关分析等方法，找出了对冬季冷空气活动具有显著指示意义的大气环流因子，为冷空气活动趋势预测提供依据。

关键词 :冬季，冷空气，影响因子，预报

1. 引言

冷空气和暖空气是从气温水平方向上的差别来定义的，位于低温区的空气称为冷空气。北冰洋、西伯利亚是冷空气的发源地。冷空气过境会带来雨、雪等，使温度陡然下降。每次冷空气入侵的强度有强有弱，降温幅度有多有少。由于移动的路径不同，受影响的区域也不同。根据强弱程度，我国将冷空气分为五个等级：弱冷空气、中等强度冷空气、较强冷空气、强冷空气和寒潮。

我国冬季风起源西伯利亚的冷高压，当高压离开源地向南推进时，在其东侧和南侧可产生很强的北风或东北风，这就是冬季常见的冷空气活动。也就是说冷空气活动主要出现在冷高压的东部和南部。

冬季冷空气活动是我国最常见而又最重要的天气过程，也是我国冬季最主要的天气气候灾害。冷空气活动所带来的大风降温甚至降水天气，直接影响广大地区的工农业生产和人们的日常生活及部队行动。过去关于冷空气活动的研究很多[1] -[3] ，但由于受资料条件的限制，多存在资料年代短、分类粗和标准不统一的问题。本文试图利用国家气候中心统一整理的资料，就冬季冷空气活动特征及其与我国气温的关系进行分析，并重点讨论冷空气活动异常年份前期对流层中层和低层大气环流特征，以期找出对冬季冷空气活动具有显著指示意义的大气环流因子。

2. 资料和方法

本文采用历年冬季冷空气活动次数资料，全国160站冬季气温资料，历年逐月北半球海平面气压场(网格：5˚ × 10˚)和北半球500 hPa高度场(网格：5˚ × 10˚)及相关环流特征指数资料。资料均由中国气象局国家气候中心提供。

统计分析影响我国的冬季冷空气活动次数，确定异常年份。计算冬季冷空气活动次数与我国气温的相关分布，并通过对冷空气活动异常年份前期各季北半球500 hPa高度场与海平面气压场进行合成对比和差值计算及相关分析，找出影响我国冬季冷空气活动的大气环流因子，为冷空气活动趋势预测提供依据。分析中所用各类资料的气候平均值，为世界气象组织约定的1971~2000年的平均。

3. 冷空气活动特征

据统计，自1951至2010年近60年来，影响我国的冬季冷空气活动过程共474次，平均每年7.9次。最多的年份达12次，出现在1969年，最少的年份仅3次，出现在2007年，最多年份与最少年份出现次数相差4倍。为便于分析，我们把冷空气活动出现 ≥ 10次的年份，定为冷空气活动偏多年；冷空气活动出现 ≤ 6次的年份，定为冷空气活动偏少年。在近60年中，冷空气活动偏多年共11年，分别是1952、1953、1954、1955、1956、1957、1960、1969、1975、1986和1993年。偏少年为12年，分别是1961、1964、1973、1974、1979、1994、1998、1999、2001、2004、2006和2007年。很显然，这些异常年份分布极不均匀(图1)，如1952~1957年连续6年冷空气活动偏多，而1994~2010年的17年中竟没有出现冷空气活动偏多年。另外，冷空气活动年代际变化特征也很明显，但总的趋势是减少。上世纪50年代是冷空气活动明显偏多时期，共出现95次，有7个偏多年，没有偏少年。60、70和80年代为冷空气活动相对平稳时期，出现次数分别为82、81和85次。其中60年代出现1个偏多年，2个偏少年；70年代出现1个偏多年，3个偏少年；80年代出现1个偏多年，没有出现偏少年。90年代冷空气活动转为明显偏少时期，共出现68次，其中1个偏多年，3个偏少年。进入本世纪第一个年代，冷空气活动再度减少，仅出现63次，其中4个偏少年，而没有出现偏多年。目前仍处于冷空气活动明显偏少时期。

4. 冷空气活动与我国气温的关系

计算分析冬季冷空气活动次数与全国160站冬季气温的相关分布(图略)，发现以负相关分布占绝对优势，高负相关区主要集中在东北和华北地区，此外，新疆北部、西北地区东部、黄淮、江淮、华南地区东部也表现出较好的负相关，相关较差的地区主要为西南、华南西部、新疆南部和西北地区中部。据统计，全国160站中负相关系数通过0.001显著性水平检验的占12%，均出现在东北和华北地区。通过0.01显著性水平检验的占31%，通过0.05显著性水平检验的占57%。相关系数未通过0.05显著性水平检验的，即相关较差的共69站，其中有10站为弱的正相关，均出现在西南和华南西部地区。就是说冬季冷空气活动对我国绝大部分地区冬季气温具有显著影响，冬季冷空气活动次数越多，我国绝大部分地区气温越低，尤其东北和华北地区尤为显著。反之，冷空气活动次数越少，我国绝大部分地区气温越高。

5. 前期500 hPa高度场影响因子分析

通过对冷空气活动异常年份前期各季北半球500 hPa高度场进行合成对比和差值计算及相关分析，确定对我国冬季冷空气活动具有显著指示意义的北半球500 hPa大气环流因子。比较冷空气活动偏多年和偏少年前期各季北半球500 hPa高度累积距平合成与差值及相关分布，发现以前期夏季北半球500 hPa高度差异最为显著且相关最好，前期秋季次之，春季最差。故重点分析前期夏季的情况。图2、图3分别为11个冷空气活动偏多年和12个冷空气活动偏少年北半球500 hPa高度累积距平合成，对比图2和图3，可以看出，冷空气活动偏多年和偏少年500 hPa高度距平分布差异最显著的地区位于内蒙东部和华北向东经东北南部和朝鲜半岛–日本海–北太平洋中部一带，冷空气活动偏多年表现为较强负距平带，并有两个负距平中心，一个位于北太平洋中部，强度达−19 dagpm，另一个位于东北南部，强度为−13 dagpm。冷空气活动偏少年情况完全相反，表现为较强的正距平带，存在两个正距平中心，一个也位于北太平洋中部，强度达33 dagpm，另一个也位于东北南部，强度为16 dagpm。在相应的11个冷空气活动偏多年和12个冷空气活动偏少年北半球500 hPa高度平均距平差值分布(图4)上，该区域表现为明显的负异常，北太平洋中部和东北南部为两个较强的负异常中心。在所对应的冬季冷空气活动次数与前期夏季北半球500 hPa高度相关分布(图略)上，该区域为较好的负相关区，北太平洋中部和东北南部为两个较好的负相关中心，相关系数分别为−0.54和−0.52。上述分析说明，冬季冷空气活动偏多年，前期夏季内蒙东部和华北向东经东北南部和朝鲜半岛–日本海–北太平洋中部一带500 hPa高度场偏低，尤其是北太平洋中部和东北南部地区高度场显著偏低。相反，冬季冷空气活动偏少年，前期夏季内蒙东部和华北向东经东北南部和朝鲜半岛–日本海–北太平洋中部一带500 hPa高度场偏高，北太平洋中部和东北南部地区高度场显著偏高。事实上夏季北太平洋中部地区高度场的变化所反映的是北太平洋高压的强弱变化。为更

图1. 冬季冷空气活动次数及5年滑动平均变化曲线

图2. 冷空气活动偏多年北半球500 hPa高度累积距平合成

图3. 冷空气活动偏少年北半球500 hPa高度累积距平合成

图4. 冷空气活动偏多年和偏少年北半球500 hPa高度平均距平差值分布

客观的说明问题，采用通常的做法[4] 选择35˚~45˚N、175˚E~165˚W范围8个格点500 hPa高度距平和作为北太平洋高压强度指数。用40˚~45˚N、115˚~135˚E范围5格点500 hPa高度距平和来反映东北南部地区高度场的变化。计算表明，冬季冷空气活动次数与前期夏季北太平洋高压强度指数和东北南部地区500 hPa高度距平和之间的相关系数分别为−0.48、−0.47，均超过0.001显著性水平检验。就是说前期夏季北太平洋高压强弱变化和东北南部地区高度场变化均对冬季冷空气活动具有较好的预测指示意义。

分析还发现，前期秋季北太平洋高压强弱变化对冬季冷空气活动仍具有一定的指示意义，其间的相关系数为−0.41，通过0.001显著性水平检验。但前期秋季东北南部地区高度场的变化对冬季冷空气活动不再具有任何指示意义。这可能与秋季是大气环流转换季节有关。对前期各月诸大气环流特征指数与冬季冷空气活动相关分析，发现6月太平洋区极涡强度和8月太平洋副高面积指数与冬季冷空气活动次数关系较好，相关系数分别为0.48、−0.44，均通过0.001显著性水平检验。表明前期6月太平洋区极涡越强、8月太平洋副高面积越小，冬季冷空气活动越多。反之，冬季冷空气活动越少。

6. 前期海平面气压场影响因子分析

采取与500 hPa高度场同样的分析方法，寻找对我国冬季冷空气活动具有显著指示意义的北半球海平面气压场大气环流因子。结果发现，与北半球500 hPa高度场类同，也是以前期夏季北半球海平面气压场差异最为显著且相关最好，前期秋季次之，春季最差。就夏季而言，冷空气活动偏多年和偏少年海平面气压距平分布差异最显著的地区，整个北半球只有北太平洋中部地区。图5给出11个冷空气活动偏多年和12个冷空气活动偏少年前期夏季北半球海平面气压平均距平差值分布，从图5可以看出，在北太平洋中部地区为显著的负异常，负异常中心为−4 hPa。显然是冬季冷空气活动偏多年，夏季北太平洋中部地区海平面气压场偏高，北太平洋高压偏强。冬季冷空气活动偏少年，夏季北太平洋中部地区海平面气压场偏低，北太平洋高压偏弱。选用与500 hPa高度场同样的范围，即35˚N~45˚N、175˚E~165˚W范围8个格点海平面气压距平和作为大气低层北太平洋高压强度指数。计算得到，冬季冷空气活动次数与前期夏季北太平洋高压强度指数之间的相关系数为−0.41，通过0.001显著性水平检验。说明前期夏季大气低层北太平洋高压强弱变化对冬季冷空气活动也具有较好的预测指示意义。同理也对前期秋季北太平洋高压进行定义和计算，发现冬季冷空气活动次数与前期秋季北太平洋高压强度指数之间的关系较差，相关系数仅为−0.32，通过0.01显著性水平检验。

7. 结论

1) 冬季冷空气活动年际和年代际变化特征明显，上世纪50年代是冷空气活动明显偏多时期，60、70和80年代为冷空气活动相对平稳时期，自90年代至今为冷空气活动明显偏少时期。

图5. 冷空气活动偏多年和偏少年前期夏季北半球海平面气压平均距平差值分布

2) 冬季冷空气活动次数与我国冬季气温存在很好的负相关关系，尤其东北和华北地区相关更为显著。冷空气活动次数越多，我国大部地区气温越低，东北和华北地区尤为明显。反之，冷空气活动次数越少，我国大部地区气温越高。

3) 前期夏季北太平洋高压强度越强、东北南部地区高度场越高，冬季冷空气活动次数越少。反之，冷空气活动次数越多。前期6月太平洋区极涡越弱、8月太平洋副高面积越大，冬季冷空气活动易偏少。反之，冬季冷空气活动易偏多。

4) 前期夏季大气低层北太平洋高压越强，冬季冷空气活动次数越少。反之，大气低层北太平洋高压越弱，冬季冷空气活动次数越多。

文章引用

黄志萍,任广成. 我国冬季冷空气活动特征及前期影响因子分析
Study on the Characteristics and Its Previous Affecting Factors of Winter Cold Air Activities in China[J]. 气候变化研究快报, 2015, 04(04): 237-242. http://dx.doi.org/10.12677/CCRL.2015.44027

参考文献 (References)