2013, Vol. 39 
大气环流异常是气候异常的直接原因，而其又在很大程度上受到海洋、雪盖和极冰等外强迫的影响。对造成气候异常的大气环流特征及其更深入的内部和外强迫因子等进行分析不仅有利于寻找造成气候异常的可能原因，而且为未来的预测提供了可能的思路和因子(高辉等，2008；张培群等，2009；艾婉秀等，2010；贾小龙等，2011；王朋岭等，2012；王遵娅等，2013)。
2013年春季，我国大部地区气温偏高但东北出现了持续低温；内蒙古至华北一带持续温高雨少，出现了区域性气象干旱。东北低温和华北干旱非常常见，多位学者对其产生的原因进行了多方面的分析(陆日宇，2001；周连童，2009；朱占云等，2010；胡开喜等，2011；刘刚等，2012；李尚锋等，2012)。本文结合2013年春季出现的大气和积雪等异常特征，分析了影响上述气候异常的可能原因，以期增加对春季气候异常成因的理解，并对气候预测等提供一定的理论依据。
1 资料和方法本文主要使用了国家气候中心的“气候系统监测-诊断-预测-评估系统”提供的资料和产品，及美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的NCEP/NCAR再分析数据集。本文使用的气候平均值为1981—2010年。
2 我国主要气候特征2013年春季，我国平均气温为11.4℃，较常年同期(10.4℃)偏高1.0℃(图 1)。从空间分布(图 2)上看，全国大部气温偏高而东北气温偏低。其中，西北大部、西南东部、内蒙古中部和西部、华北西部、黄淮西部、江南和华南西部等地偏高1~2℃；新疆北部、内蒙古西部和甘肃大部等地偏高2℃以上。而内蒙古北部、东北大部等地气温偏低1~2℃，局部偏低2℃以上。
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图 1 1961—2013年春季中国平均气温(单位：℃)历年变化 Fig. 1 Time series of spring mean temperature (unit:℃) over China during 1961-2013 |
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图 2 2013年春季(3月1日至5月31日)全国气温距平分布(单位：℃) Fig. 2 Distribution of temperature anomalies of China in spring 2013 (unit:℃) |
2013年春季，全国平均降水量为155.6 mm，较常年同期(143.7 mm)偏多8.3%(图 3)。在空间分布上基本呈“南多北少”态势。华北大部、内蒙古西部和中部、甘肃西北部等地降水较常年同期偏少2~8成，局部偏少8成以上。而全国其余大部地区降水量接近常年同期或偏多，其中新疆西南部和中部、青海南部、内蒙古东北部等地偏多5成至1倍，局部1倍以上(图 4)。
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图 3 1951—2013年春季全国平均降水量(mm)历年变化 Fig. 3 Time series of spring mean rainfall (unit: mm) over China during 1951-2013 |
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图 4 2013年春季全国降水量距平百分率(单位：%)分布 Fig. 4 Distribution of rainfall anomaly percentage of China in spring 2013 (unit: ℃) |
如前所述，2013年春季我国气温最显著的异常特征之一就是东北出现持续低温，且低温时段从3月一直延续至5月中旬。该时段内东北平均气温仅3.3℃，较常年平均值5.1℃偏低1.8℃，为1988年以来的次低值，仅高于2010年(图 5)。
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图 5 1961—2013年3月1日至5月20日东北平均气温序列 Fig. 5 Time series of mean temperature over Northeast China during 1 March to 20 May from 1961 to 2013 |
自Thompson等(1998)最早提出北极涛动(Arctic Oscillation, AO)概念作为北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态，其气候影响受到了广泛关注。很多研究表明AO指数与中国冬季气温关系密切，尤其与中国东北冬季气温呈显著的正相关，即：冬季AO负异常有利于我国东北地区气温偏低(龚道溢等，2003；王晓娟等，2004；李春等，2005；沈柏竹等，2012)。如图 6所示，自2012年秋季开始AO持续负位相，尤其在2013年3月负位相显著加强。这在中高层异常环流场上表现为欧亚中高纬地区维持一宽阔的异常低压带而极地区域则为高气压所盘踞，我国东北地区正好处于异常低槽的控制下，冷空气频繁影响从而引发持续低温(图 7)。我们进一步计算了春季AO指数与中国春季气温的相关系数，发现东北地区为正的高相关区，相关系数普遍在0.36以上，通过了α=0.1的显著性水平检验，并且将线性趋势去除后这种关系也仍然存在(图 8)。这很好地证实了春季AO与我国东北气温之间的密切关系。AO持续负位相是造成2013年春季我国东北低温的一个重要原因。
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图 6 AO指数逐日演变 Fig. 6 Time series of daily AO index |
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图 7 2013年春季欧亚地区500 hPa位势高度(等值线)及其距平(阴影区)分布(单位：gpm) Fig. 7 500-hPa geopotential height (contours) and its anomalies (shaded areas) for spring 2013 (unit: gpm) |
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图 8 春季AO指数与中国春季平均气温的相关系数分布 (阴影区表示通过α=0.1显著性水平检验) Fig. 8 Distribution of correlation coefficients between AO index and mean temperature over China in spring (shaded areas denoting exceeding the 0.1 significomce test level) |
东北冷涡是我国东北地区特有的天气系统，对东北地区的天气气候有很大影响，是造成东北低温的重要因子(孙力等，2000；朱占云等，2010；胡开喜等，2011；李尚锋等，2012)。统计发现，2013年春季东北冷涡活跃且总体偏强，其中3月出现24次，4月出现29次，均较常年同期明显偏多，并且该两月冷涡的强度均较常年同期偏强，有利于我国东北地区气温偏低。
另外，可以注意到，我国东北地区自2012年秋季以来积雪面积就持续偏大。如图 9所示，2012年10月至2013年4月东北地区的积雪面积达1973年以来最大值。在反照率温度正反馈机制和长波辐射增加的共同影响下，东北连续数月温度偏低。并且，4月东北气温回升至0℃以上，东北积雪季节性融雪消耗热量导致东北气温偏低加剧，延缓了冬春季温度回升和环流转换。因而，东北积雪面积偏大是东北发生持续性低温的有利条件。
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图 9 1973—2012年当年10月至次年4月东北积雪面积距平的逐年演变 Fig. 9 Time series of snow cover anomalies in October to the next April during 1973-2012 |
从上面的分析可以看到，AO持续负位相、东北低涡的活跃和偏强以及东北地区积雪面积的持续偏大均有利于东北气温偏低，而几种因子的共同作用更是使得2013年春季东北地区的低温不仅持久而且强度大。
4 华北干旱的可能成因如第2节的观测事实所示，2013年春季，内蒙古、甘肃和华北西部一带气温普遍偏高1~2℃，且内蒙古西部和甘肃西北部偏高2~4℃。同时，这一地区的降水量较常年同期普遍偏少2~8成，部分地区8成以上。持续的温高雨少导致气象干旱在内蒙古西部和甘肃西北部一带发展并东扩至华北一带。从5月20日的气象干旱监测图看，华北普遍出现中等以上气象干旱，局部地区甚至出现特旱(图 10)。
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图 10 2013年5月20日气象干旱综合监测图 Fig. 10 Distribution of meteorological drought indices on 20 May 2013 |
深入分析华北一带温高雨少的原因，我们可以发现：自2013年3月以来，西伯利亚高压持续偏弱，不利于冷空气活跃南下影响除东北以外的我国大部地区，因而造成我国大部气温偏高(图 11)。从图 7还可以看到，春季我国大部，尤其是西北至华北一带受异常高压脊的控制，盛行下沉气流，不利于降水的产生但有利于气温偏高。图 12还显示，我国黄河以南地区存在一较弱的气旋性异常水汽输送带，黄海和渤海的西南暖湿气流向淮河流域一带的异常输送较明显。受其影响，我国东部在黄河以南的大部地区出现了弱的异常水汽辐合带，这也是该地2013年春季降水量较常年略多的重要原因。而在我国西北至华北一带，水汽输送通量及其散度均无明显异常，表明水汽条件是不利于这一地区出现降水的，加之气温持续偏高，使得气象干旱露头并发展。由此也可以看到，水汽输送整体偏弱，而仅在我国南方地区略有偏强，是造成我国2013年春季降水整体“北少南多”的一个主要原因。
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图 11 2012年8月以来西伯利亚高压强度逐日演变 Fig. 11 Time series of daily intensity of Siberian high since August 2012 |
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图 12 2013年3—5月中旬整层积分的水汽输送通量(箭矢, 单位：kg·s-1·m-1)及其散度(阴影区，单位：10-6 kg·s-1·m-2)距平 Fig. 12 Anomalies of water vapor transport (vector, unit: kg·s-1·m-1) and its divergence (shaded areas, unit: 10-6 kg·s-1·m-2) vertically integrated from surface to 300 hPa during March to the first 20 days of May in 2013 |
在异常高脊、弱西伯利亚高压和弱水汽输送的共同影响下，我国西北东部至华北一带持续温度偏高而降水偏少，导致气象干旱发展。而5月下旬受一次西南涡东移的影响，黄淮至华北南部出现明显降水，华北南部的干旱得到缓解。
5 主要结论2013年春季，我国平均气温为11.4℃，较常年同期(10.4℃)偏高1.0℃。全国大部地区气温偏高，但东北的气温持续偏低，其3—5月中旬的平均气温为1988年以来的次低值，仅高于2010年。季内，全国平均降水量为155.6 mm，较常年同期(143.7 mm)偏多8.3%，在空间分布上基本呈“南多北少”态势，内蒙古至华北一带温高雨少出现区域性气象干旱。
分析表明：春季AO指数与中国东北地区的春季气温呈显著的正相关关系。从2013年秋季开始AO持续负位相，尤其在2013年3月负位相显著加强，这使得欧亚中高纬地区维持一宽阔的异常低压带，我国东北地区正好处于异常低槽的控制下，冷空气活跃有利于出现持续低温。同时，2013年3和4月的东北冷涡不仅频次偏多且强度偏强，有利于我国东北气温偏低。并且，我国东北地区自2012年秋季以来积雪面积持续偏大，反照率温度正反馈机制和长波辐射增加的共同影响有利于东北出现持续低温。在上述几个因子的共同作用下，2013年春季东北地区出现持久且强的低温。
自2013年3月以来，西伯利亚高压持续偏弱，不利于冷空气活跃南下影响我国北方地区；并且，3—5月中旬，我国北方地区受异常高压脊的控制，盛行下沉气流；同时，南方暖湿水汽的北输偏弱，这些因子共同影响我国内蒙古至华北一带出现了气象干旱。
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