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摘要 利用1958—2007年NCEP/NCAR再分析资料，采用统计学方法，从对温度场与风场的考查角度入手，分别以1958—2007年冬季气候态、1983—2007年与1958—1982年的年代际气候态差异、1958—2007年前后25年的北极涛动（AO）与温度场和风场的相关的角度，结合AO冬季的10年滑动均方差和线性趋势研究1958—2007年冬季AO与全球温度场和风场对流层低层、中层、高层年代际气候态变化，年代际的相关系数的变化特征。结果表明，以不同角度来看，各层冬季温度场和风场在50年间年代际的变化趋势与AO的变化趋势的配合能对50年间冬季温度场和风场与AO的年代际的相关产生影响，相关性存在年代际差异，相关性增强，这为进一步研究近几十年来冬季气候变化提供了更加客观的依据。
关键词 温度场;风场;北极涛动（AO）;相关
中图分类号 P467文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2019）19-0227-05
Abstract Using the NCEP/NCAR reanalysis data from 1958 to 2007， using statistical methods， starting from the perspectives of temperature field and wind field，respectively， the climatic states of winter from 1958 to 2007， the interdecadal climatic differences between 1983-2007 and 1958-1982， and the correlation between the Arctic oscillation （AO） and the temperature and wind fields from 1958 to 2007，combined with the 10year sliding mean square error and linear trend of AO in winter， the variation characteristics of interdecadal climatic state of AO and global temperature field and wind field tropospheric lowlevel， middlelevel and highlevel，and interdecadal correlation coefficient were studied.The results showed that from different angles， the interdecadal variation trend of winter temperature field and wind field in each layer and the change trend of AO in 50 years had an impact on the interdecadal correlation between winter temperature field and wind field and AO in 50 years，there were interdecadal differences in correlation and increased correlation， which provides a more objective basis for further research on winter climate change in recent decades.
Key words Temperature field;Wind field;Arctic Oscillation （AO）;Correlation
北極涛动（AO）是北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态[1-3]，伴随北极涛动的强弱变化，北半球中纬度地区与北极地区之间气压和大气质量呈跷跷板式准正压性的反向变化，当北极涛动处于正位相时，中纬度地区气压上升而极地下降，中纬度盛行纬向环流;反之，处于负位相时盛行经向环流。北极涛动的变化影响北半球甚至全球的气候。许多气象学家已经从各种角度研究了北极涛动对气候的影响，如北极涛动影响北半球太平洋大西洋对流活动[4]、降水[5-7]、极端气温[8]、气温增暖[9]、冬季温度[10-11]、中国冬季气候[12]。这些研究大都是对区域气候或气候要素的研究，而且没有结合风场进行研究。
冬季是AO模态最显著、变率最强的季节。从20世纪中期到21世纪初，这段时间的前期与后期的冬季温度场与风场变化是最明显的，其中很多地区的改变与AO的变化，与AO及其相关的变化是紧密联系的。冬季温度场与风场的改变会对全球对东亚气温降水等造成影响，笔者通过研究温度场和风场气候态、年代际差、1958—2007年前后25年相关图以及AO随时间变化趋势图分析气候态年代际变化、AO与温度场风场相关前后年代际的变化，AO趋势之间的联系和影响。
1 资料与方法
1.1 资料选取
采用的资料是NCEP/NCAR提供的全球范围内共17层的高度场的月平均网格点资料，格距为2.5°×2.5°，资料长度为1948年1月迄今。温度场资料，u方向风场资料，v方向风场资料。
1.2 方法
将初始数据资料进行提取，提取的时间范围为1958—2007年的12月和1月、2月以及2008年1月和2月的月平均温度场资料，u方向风场资料以及v方向风场资料，空间范围为180°W～180°E，90°S～90°N。
（1）气候态。对提取的资料的每年12月、1月和2月温度场和风场值逐一求平均值后，再做50年的平均： 式中，x表示时间，y表示要素逐年值，a为常数，b是回归系数。当b为正（负）值时，表示要素在计算的时间段内线性增加（减弱）;b又称为气候倾向率[13-15]。当b<0时表示AO系数随时间的变化有降低趋势;当b>0时表示AO系数随时间的变化有升高的趋势。
2 冬季温度场与风场的演变及相关性演变特征
2.1 冬季温度场低层、中层、高层的温度演变及相关演变特征
2.1.1 低层。850 hPa处于对流层低层，对该层的分析可以较好地反映出对流层下部温度场的年代际变化及其与AO相关的变化。图1a为850 hPa温度场上的气候态图，反映了冬季该层全球温度场上的平均状况。从图中可见，温度随着纬度的升高而递减，大致呈纬向分布;就50年来全球冬季850 hPa温度场的气候态而言，陆地温度极为突出，北半球冷中心，南半球暖中心，且温度随纬度的升高而降低。由1958—2007年冬季850 hPa层后25年平均温度与前25年平均温度的差值（图1b）可见，全球主要地区温度上升，只有部分地区温度下降。其中有几个变化极其明显的地区，东西伯利亚最高上升2 ℃，加拿大西部最高上升3 ℃，南大洋尤其是南美洲西部上升明显，最高达2 ℃，说明这些地区近25年温度较前25年大大增加。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季850 hPa温度场与AO的相关系数（图1c、1d）发现，后25年通过t检验的正相关区域或负相关区域变多变大变强。
2.1.2
中层。500 hPa处于对流层的中间位置，它受地面的影响比低层要小得多，对该层进行分析便于了解冬季对流层中层的温度场变化情况以及相关变化情况。从500 hPa高度场上的气候态图（图2a）可以看出，0°～30°N的低纬地区温度较高，最高值可达-5 ℃;30°～60°N的中纬地区温度相对较低，最低值达-40 ℃。由1958—2007年500 hPa后25年平均温度与前25年平均温度的差值（图2b）可见，北冰洋上空为正值区，最高上升0.5～1.0 ℃，北美大陆一直延伸到西欧的正值区，最高上升1.0 ℃以上，亚洲部分地区最高上升0.5～1.0 ℃，南半球30°～60°S连成一片的区域增温明显，最高增温1.5 ℃;降温地区包括阿留申地区，下降1.0 ℃，格陵兰地区下降1.0 ℃左右，以及靠印度洋的南极洲地区降温明显，最高下降-2.5 ℃。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季500 hPa温度场与AO的相关系数（图2c、2d）发现，后25年通过t检验的地区主要分布在北半球，但是南半球的相关区域变多，而且南半球不仅正值区域变多，相关变强，而且负值区域也变多变大，相关性变强。
2.1.3 高层。由200 hPa高度场上的气候态（图3a）可见，温度随着纬度的升高而递减，大致呈纬向分布。1958—2007年
200 hPa层后25年平均温度与前25年平均温度的差值（图3b）显示，全球温带地区温度上升，高纬度地区温度下降，增温降温区域几乎连成一片。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季200 hPa温度场与AO的相关系数（图3c、3d）发现，200 hPa后25年通过t检验的相关区域也变多变强。
2.2 冬季风场低层、中层、高层的风场演变及相关演变特征
2.2.1 低层。1958—2007年850 hPa冬季风场气候态（图4a）显示，阿留申低压与冰岛低压十分明显。从1958—2007年850 hPa层后25年风场与前25年平均风场的差值（图4b）可以看出，阿留申低压在后25年里其北部增强、南部减弱，低压北移;冰岛低压减弱;西风急流减弱，大西洋对东亚的水汽输送减弱。1958—2007年前25年和后25年全球冬季850 hPa风场与AO的相关系数（图4c、4d）显示，后25年全球的相关性明显增强，阿留申地区是负相关;冰岛低压南部是正相关减弱。
2.2.2 中层。从1958—2007年500 hPa冬季风场气候态（图5a）能更清楚辨认出西风急流，地面系统变得不明显，但仍能辨认出阿留申低压与冰岛低压的位置。从1958—2007年500 hPa层后25年风场与前25年平均风场的差值（图5b）可以看出，阿留申低压在后25年里其北部增强南部减弱，低压北移;冰岛低压南部减弱，北部加强;西风急流减弱，大西洋对东亚的水汽输送减弱。分析1958—2007年前25年和后25年全球冬季500 hPa风场与AO的相关系数（图5c、5d）发现，后25年全球的相关性明显增强，阿留申地区是负相关;冰岛低压南部是正相关减弱。
2.2.3 高层。从1958—2007年200 hPa冬季风场气候态（图6a）能更清楚辨认出西风急流，地面系统变得不明显，但仍能辨认出阿留申低压与冰岛低压的位置。从1958—2007年200 hPa层后25年风场与前25年平均风场的差值（图6b）可以看出，阿留申低压在后25年里其北部增强南部减弱，低压北移;冰岛低压南部减弱，北部加强;西风急流北部减弱，南部加強，急流北移。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季200 hPa风场与AO的相关系数（图6c、6d）发现，前25年与AO相关较强的区域主要分布在北半球，冰岛低压地区与西欧地区相关性很强;后25年全球的相关性明显增强，阿留申地区是负相关;冰岛低压南部是正相关减弱。
2.3 AO冬季平均趋势分析与均方差分析
从1958—2007年冬季平均、10年滑动均方差以及线性趋势（图7）可以看出，1958—2007年AO冬季平均随时间是逐年增长的趋势，并能看出AO冬季平均的波动状况随时间的变化。
3 结论
趋势，结果表明，1958—2007年冬季AO是一个随时间增长的趋势。就温度场来看，850、500和200 hPa 1958—2007年冬季后25年温度场与前25年平均温度场的差值图显示，温带大陆是升温趋势。通过分析3个高度上AO与温度场相关系数年代际变化，北极涛动与温度场正相关区域面积增大、相关性增强，主要集中地区为温带大陆，其他负相关地区面积也增大，相关性增强，所以AO与冬季温度场相关性增强。就风场而言，北极涛动与风场的相关性存在年代际变化，后25年相关性明显强于前25年，说明北极涛动对风场的影响越来越大。 该研究初步从AO与冬季温度场和风场相关性方面进行了研究，然而冬季温度场、风场变化的原因是非常复杂的，尚需进一步研究。
参考文献
[1]朱毓颖.中国冬季持续性低温事件的特征及其与大气低频振荡的联系[D].南京：南京大学，201.
[2] 李彩玲，余广昌，王华.北极涛动对华南地区寒潮的影响[J].广东气象，2016，38（3）：12-16.
[3] 王玉虹，智协飞，朱寿鹏，等.气候变暖前后我国热度日和冷度日的特征分析[J].气象科技，2016，44（6）：956-964.
[4] 胡淼，龚道溢，王璐，等. 1-3月北极涛动对北半球热带太平洋和大西洋对流活动的可能影响[J].气象学报， 2012，70（3）：408-491.
[5] 龚道溢. 北极涛动对东亚夏季降水的预测意义[J].气象， 2003，29（6）：3-6.
[6] 程炳岩，孙卫国，王记芳，等. 北极涛动对河南省降水的可能影响[J].气象与环境科学，2007，30（4）：7-12.
[7] 李春，羅德海，方之芳，等.北极涛动年代际变化与华北夏季降水的联系[J].南京气象学院学报，2005，28（6）：755-762.
[8] 所玲玲，黄嘉佑，谭本馗.北极涛动对我国冬季同期极端气温的影响研究[J].热带气象学报，2008，24（2）：163-168.
[9] 琚建华，任菊章，吕俊梅.北极涛动年代际变化对东亚北部冬季气温增暖的影响[J].高原气象，2004，23（4）：429-434.
[10] 李春，方之芳.北极涛动与东北冬季温度的联系[J].高原气象，2005，24（6）：927-934.
[11] 何春，何金海. 冬季北极涛动和华北冬季气温变化关系研究[J].南京气象学院学报，2003，26（1）：1-7.
[12] 龚道溢，王绍武.近百年北极涛动对中国冬季气候的影响[J].地理学报，2003，58（4）：559-567.
[13] 泽仁玉珍，李白萍，曲扎江措，等.近40年昌都丁青大风气候特征分析[J].西藏科技，2010（9）：55-56.
[14] 丁峰，王则玉，唐亚莉，等.吉尔吉斯斯坦气候变化特征及其空间变异分析[J].新疆农业科学，2017，54（9）：1746-1755.
[15] 黄秋霞，何清，玉努斯，等.哈萨克斯坦共和国不同区域降水的变化特征[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（4）：61-68.
关键词 温度场;风场;北极涛动（AO）;相关
中图分类号 P467文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2019）19-0227-05
Abstract Using the NCEP/NCAR reanalysis data from 1958 to 2007， using statistical methods， starting from the perspectives of temperature field and wind field，respectively， the climatic states of winter from 1958 to 2007， the interdecadal climatic differences between 1983-2007 and 1958-1982， and the correlation between the Arctic oscillation （AO） and the temperature and wind fields from 1958 to 2007，combined with the 10year sliding mean square error and linear trend of AO in winter， the variation characteristics of interdecadal climatic state of AO and global temperature field and wind field tropospheric lowlevel， middlelevel and highlevel，and interdecadal correlation coefficient were studied.The results showed that from different angles， the interdecadal variation trend of winter temperature field and wind field in each layer and the change trend of AO in 50 years had an impact on the interdecadal correlation between winter temperature field and wind field and AO in 50 years，there were interdecadal differences in correlation and increased correlation， which provides a more objective basis for further research on winter climate change in recent decades.
Key words Temperature field;Wind field;Arctic Oscillation （AO）;Correlation
北極涛动（AO）是北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态[1-3]，伴随北极涛动的强弱变化，北半球中纬度地区与北极地区之间气压和大气质量呈跷跷板式准正压性的反向变化，当北极涛动处于正位相时，中纬度地区气压上升而极地下降，中纬度盛行纬向环流;反之，处于负位相时盛行经向环流。北极涛动的变化影响北半球甚至全球的气候。许多气象学家已经从各种角度研究了北极涛动对气候的影响，如北极涛动影响北半球太平洋大西洋对流活动[4]、降水[5-7]、极端气温[8]、气温增暖[9]、冬季温度[10-11]、中国冬季气候[12]。这些研究大都是对区域气候或气候要素的研究，而且没有结合风场进行研究。
冬季是AO模态最显著、变率最强的季节。从20世纪中期到21世纪初，这段时间的前期与后期的冬季温度场与风场变化是最明显的，其中很多地区的改变与AO的变化，与AO及其相关的变化是紧密联系的。冬季温度场与风场的改变会对全球对东亚气温降水等造成影响，笔者通过研究温度场和风场气候态、年代际差、1958—2007年前后25年相关图以及AO随时间变化趋势图分析气候态年代际变化、AO与温度场风场相关前后年代际的变化，AO趋势之间的联系和影响。
1 资料与方法
1.1 资料选取
采用的资料是NCEP/NCAR提供的全球范围内共17层的高度场的月平均网格点资料，格距为2.5°×2.5°，资料长度为1948年1月迄今。温度场资料，u方向风场资料，v方向风场资料。
1.2 方法
将初始数据资料进行提取，提取的时间范围为1958—2007年的12月和1月、2月以及2008年1月和2月的月平均温度场资料，u方向风场资料以及v方向风场资料，空间范围为180°W～180°E，90°S～90°N。
（1）气候态。对提取的资料的每年12月、1月和2月温度场和风场值逐一求平均值后，再做50年的平均： 式中，x表示时间，y表示要素逐年值，a为常数，b是回归系数。当b为正（负）值时，表示要素在计算的时间段内线性增加（减弱）;b又称为气候倾向率[13-15]。当b<0时表示AO系数随时间的变化有降低趋势;当b>0时表示AO系数随时间的变化有升高的趋势。
2 冬季温度场与风场的演变及相关性演变特征
2.1 冬季温度场低层、中层、高层的温度演变及相关演变特征
2.1.1 低层。850 hPa处于对流层低层，对该层的分析可以较好地反映出对流层下部温度场的年代际变化及其与AO相关的变化。图1a为850 hPa温度场上的气候态图，反映了冬季该层全球温度场上的平均状况。从图中可见，温度随着纬度的升高而递减，大致呈纬向分布;就50年来全球冬季850 hPa温度场的气候态而言，陆地温度极为突出，北半球冷中心，南半球暖中心，且温度随纬度的升高而降低。由1958—2007年冬季850 hPa层后25年平均温度与前25年平均温度的差值（图1b）可见，全球主要地区温度上升，只有部分地区温度下降。其中有几个变化极其明显的地区，东西伯利亚最高上升2 ℃，加拿大西部最高上升3 ℃，南大洋尤其是南美洲西部上升明显，最高达2 ℃，说明这些地区近25年温度较前25年大大增加。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季850 hPa温度场与AO的相关系数（图1c、1d）发现，后25年通过t检验的正相关区域或负相关区域变多变大变强。
2.1.2
中层。500 hPa处于对流层的中间位置，它受地面的影响比低层要小得多，对该层进行分析便于了解冬季对流层中层的温度场变化情况以及相关变化情况。从500 hPa高度场上的气候态图（图2a）可以看出，0°～30°N的低纬地区温度较高，最高值可达-5 ℃;30°～60°N的中纬地区温度相对较低，最低值达-40 ℃。由1958—2007年500 hPa后25年平均温度与前25年平均温度的差值（图2b）可见，北冰洋上空为正值区，最高上升0.5～1.0 ℃，北美大陆一直延伸到西欧的正值区，最高上升1.0 ℃以上，亚洲部分地区最高上升0.5～1.0 ℃，南半球30°～60°S连成一片的区域增温明显，最高增温1.5 ℃;降温地区包括阿留申地区，下降1.0 ℃，格陵兰地区下降1.0 ℃左右，以及靠印度洋的南极洲地区降温明显，最高下降-2.5 ℃。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季500 hPa温度场与AO的相关系数（图2c、2d）发现，后25年通过t检验的地区主要分布在北半球，但是南半球的相关区域变多，而且南半球不仅正值区域变多，相关变强，而且负值区域也变多变大，相关性变强。
2.1.3 高层。由200 hPa高度场上的气候态（图3a）可见，温度随着纬度的升高而递减，大致呈纬向分布。1958—2007年
200 hPa层后25年平均温度与前25年平均温度的差值（图3b）显示，全球温带地区温度上升，高纬度地区温度下降，增温降温区域几乎连成一片。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季200 hPa温度场与AO的相关系数（图3c、3d）发现，200 hPa后25年通过t检验的相关区域也变多变强。
2.2 冬季风场低层、中层、高层的风场演变及相关演变特征
2.2.1 低层。1958—2007年850 hPa冬季风场气候态（图4a）显示，阿留申低压与冰岛低压十分明显。从1958—2007年850 hPa层后25年风场与前25年平均风场的差值（图4b）可以看出，阿留申低压在后25年里其北部增强、南部减弱，低压北移;冰岛低压减弱;西风急流减弱，大西洋对东亚的水汽输送减弱。1958—2007年前25年和后25年全球冬季850 hPa风场与AO的相关系数（图4c、4d）显示，后25年全球的相关性明显增强，阿留申地区是负相关;冰岛低压南部是正相关减弱。
2.2.2 中层。从1958—2007年500 hPa冬季风场气候态（图5a）能更清楚辨认出西风急流，地面系统变得不明显，但仍能辨认出阿留申低压与冰岛低压的位置。从1958—2007年500 hPa层后25年风场与前25年平均风场的差值（图5b）可以看出，阿留申低压在后25年里其北部增强南部减弱，低压北移;冰岛低压南部减弱，北部加强;西风急流减弱，大西洋对东亚的水汽输送减弱。分析1958—2007年前25年和后25年全球冬季500 hPa风场与AO的相关系数（图5c、5d）发现，后25年全球的相关性明显增强，阿留申地区是负相关;冰岛低压南部是正相关减弱。
2.2.3 高层。从1958—2007年200 hPa冬季风场气候态（图6a）能更清楚辨认出西风急流，地面系统变得不明显，但仍能辨认出阿留申低压与冰岛低压的位置。从1958—2007年200 hPa层后25年风场与前25年平均风场的差值（图6b）可以看出，阿留申低压在后25年里其北部增强南部减弱，低压北移;冰岛低压南部减弱，北部加强;西风急流北部减弱，南部加強，急流北移。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季200 hPa风场与AO的相关系数（图6c、6d）发现，前25年与AO相关较强的区域主要分布在北半球，冰岛低压地区与西欧地区相关性很强;后25年全球的相关性明显增强，阿留申地区是负相关;冰岛低压南部是正相关减弱。
2.3 AO冬季平均趋势分析与均方差分析
从1958—2007年冬季平均、10年滑动均方差以及线性趋势（图7）可以看出，1958—2007年AO冬季平均随时间是逐年增长的趋势，并能看出AO冬季平均的波动状况随时间的变化。
3 结论
趋势，结果表明，1958—2007年冬季AO是一个随时间增长的趋势。就温度场来看，850、500和200 hPa 1958—2007年冬季后25年温度场与前25年平均温度场的差值图显示，温带大陆是升温趋势。通过分析3个高度上AO与温度场相关系数年代际变化，北极涛动与温度场正相关区域面积增大、相关性增强，主要集中地区为温带大陆，其他负相关地区面积也增大，相关性增强，所以AO与冬季温度场相关性增强。就风场而言，北极涛动与风场的相关性存在年代际变化，后25年相关性明显强于前25年，说明北极涛动对风场的影响越来越大。 该研究初步从AO与冬季温度场和风场相关性方面进行了研究，然而冬季温度场、风场变化的原因是非常复杂的，尚需进一步研究。
参考文献
[1]朱毓颖.中国冬季持续性低温事件的特征及其与大气低频振荡的联系[D].南京：南京大学，201.
[2] 李彩玲，余广昌，王华.北极涛动对华南地区寒潮的影响[J].广东气象，2016，38（3）：12-16.
[3] 王玉虹，智协飞，朱寿鹏，等.气候变暖前后我国热度日和冷度日的特征分析[J].气象科技，2016，44（6）：956-964.
[4] 胡淼，龚道溢，王璐，等. 1-3月北极涛动对北半球热带太平洋和大西洋对流活动的可能影响[J].气象学报， 2012，70（3）：408-491.
[5] 龚道溢. 北极涛动对东亚夏季降水的预测意义[J].气象， 2003，29（6）：3-6.
[6] 程炳岩，孙卫国，王记芳，等. 北极涛动对河南省降水的可能影响[J].气象与环境科学，2007，30（4）：7-12.
[7] 李春，羅德海，方之芳，等.北极涛动年代际变化与华北夏季降水的联系[J].南京气象学院学报，2005，28（6）：755-762.
[8] 所玲玲，黄嘉佑，谭本馗.北极涛动对我国冬季同期极端气温的影响研究[J].热带气象学报，2008，24（2）：163-168.
[9] 琚建华，任菊章，吕俊梅.北极涛动年代际变化对东亚北部冬季气温增暖的影响[J].高原气象，2004，23（4）：429-434.
[10] 李春，方之芳.北极涛动与东北冬季温度的联系[J].高原气象，2005，24（6）：927-934.
[11] 何春，何金海. 冬季北极涛动和华北冬季气温变化关系研究[J].南京气象学院学报，2003，26（1）：1-7.
[12] 龚道溢，王绍武.近百年北极涛动对中国冬季气候的影响[J].地理学报，2003，58（4）：559-567.
[13] 泽仁玉珍，李白萍，曲扎江措，等.近40年昌都丁青大风气候特征分析[J].西藏科技，2010（9）：55-56.
[14] 丁峰，王则玉，唐亚莉，等.吉尔吉斯斯坦气候变化特征及其空间变异分析[J].新疆农业科学，2017，54（9）：1746-1755.
[15] 黄秋霞，何清，玉努斯，等.哈萨克斯坦共和国不同区域降水的变化特征[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（4）：61-68.