1956～2005年?yáng)|北地區(qū)氣溫變化特征及其與同緯度海陸氣壓指數(shù)的關(guān)系

項(xiàng)連東　李旭軍　繆啟龍　馬德栗　劉志濤

摘要 利用我國(guó)東北地區(qū)1956～2005年逐日氣溫資料，詳細(xì)分析東北地區(qū)氣溫時(shí)空變化特征，并利用全球月平均海平面氣壓場(chǎng)（SLP）再分析資料，用奇異值分解（SVD）討論了東北地區(qū)氣溫與同期海陸氣壓指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，近50年來我國(guó)東北地區(qū)年、四季氣溫波動(dòng)式上升，平均日最低氣溫的增溫幅度大于平均氣溫和平均日最高氣溫的增幅；冬季氣溫的增幅大于春、夏、秋季，而夏季的增溫幅度最小。

當(dāng)海陸氣壓指數(shù)大的時(shí)候，東北地區(qū)氣溫偏低；當(dāng)海陸氣壓指數(shù)小的時(shí)候，東北地區(qū)氣溫偏高。

關(guān)鍵詞 東北地區(qū)；氣溫變化；海陸氣壓指數(shù)；相關(guān)關(guān)系

中圖分類號(hào) S16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-190-05

近年來，全球氣候持續(xù)變暖是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第四次評(píng)估報(bào)告（2007年）指出，最近的100年（1906～2005年）全球平均地表氣溫升高（0.74±0.18）℃，過去50年的升溫率幾乎是過去100年的2倍[1]。專家學(xué)者對(duì)我國(guó)氣溫變化研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)大部分地區(qū)有變暖趨勢(shì)，氣溫長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與全球變化基本一致，變化幅度和時(shí)空特征有明顯區(qū)別；20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)東北、華北、西北等區(qū)域氣溫增幅高于全國(guó)平均增幅，增溫最顯著的季節(jié)在冬季和春季，日最低氣溫的增溫比平均氣溫和日最高氣溫更加顯著[2-9]。20世紀(jì)70年代末，全球氣溫開始近百年來的第3次突變，我國(guó)華北和東北地區(qū)與全球平均氣溫的突變同步[10]；我國(guó)增溫主要是從20世紀(jì)80年代開始[11]，經(jīng)歷一次顯著的年代際變化[12]。

我國(guó)東北地區(qū)處于東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)，其冷暖主要取決于冬、夏季風(fēng)消長(zhǎng)。Wu等研究認(rèn)為冬季北極濤動(dòng)（AO）可能通過影響冬季西伯利亞高壓來影響東亞季風(fēng)，進(jìn)而影響西伯利亞南部及東亞從地表到對(duì)流層中層的氣溫[13-14]。廖荃蓀等研究指出極渦活動(dòng)區(qū)域和東北夏季氣溫變化存在一定相關(guān)性[15]。氣候持續(xù)變暖和頻發(fā)的氣候?yàn)?zāi)害對(duì)東北地區(qū)居民的生產(chǎn)生活和現(xiàn)代化建設(shè)造成嚴(yán)重的影響，筆者利用東北地區(qū)氣象臺(tái)站1956～2005年氣溫資料，分析近50年?yáng)|北地區(qū)氣溫時(shí)空變化特征，并利用奇異值分解（SVD）分析海、陸氣壓差時(shí)間變化特征及其與東北地區(qū)氣溫的關(guān)系，研究東北地區(qū)氣候變化及氣候?yàn)?zāi)害的形成與變化。

1 資料與方法

所用氣溫資料來源于國(guó)家氣象中心，選取東北地區(qū)（黑龍江、吉林、遼寧三省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部）100個(gè)氣象臺(tái)站1956～2005年逐日平均氣溫資料，環(huán)流資料來源于NCEP/NCAR全球月平均海平面氣壓場(chǎng)（SLP）再分析資料，選取時(shí)間為1956～2005年，資料水平分辨率為2.5°×2.5°，資料可靠。

奇異值分解（SVD）是一種通用的廣義診斷工具，是分析2個(gè)氣象要素場(chǎng)序列之間相關(guān)關(guān)系的有效方法[16-17]，因此利用SVD分析方法可以揭示海陸氣壓差與東北地區(qū)氣溫的關(guān)系。在此利用SVD分析陸地區(qū)域（40°～60°N、80°～120°E）和海洋區(qū)域（40°～60°N、180°E～130°W）氣壓差與東北地區(qū)氣溫的耦合關(guān)系。

2 東北地區(qū)氣溫變化特征

2.1 年平均氣溫變化特征 從東北地區(qū)多年平均氣溫的空間分布（圖1a）可以看出，東北地區(qū)平均氣溫由東南至西北依次降低；大興安嶺山區(qū)溫度較低，北部地區(qū)年平均氣溫在-0.4 ℃以下，最低達(dá)-4 ℃；東北平原南部年平均氣溫在5 ℃以上，遼東半島渤海灣年平均氣溫最高，達(dá)7 ℃以上；平原地區(qū)氣溫高于兩側(cè)的山區(qū)，尤其東北平原與大興安嶺之間，明顯的溫度隨山坡高度上升而降低。

年平均氣溫變化趨勢(shì)率的空間分布（圖1b）顯示，近50年來東北地區(qū)年平均氣溫呈全面上升趨勢(shì)，而選取的100個(gè)臺(tái)站中，98個(gè)臺(tái)站通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；林西—巴林左旗—寶國(guó)圖—開原—寬甸—集安—通化—松江—延吉一線以東包括整個(gè)遼東半島的增溫幅度在0.340 ℃/10a以下，此線以西的廣大區(qū)域年平均氣溫的增溫幅度較大，達(dá)0.400 ℃/10a以上，其中黑河增幅達(dá)0.674 ℃/10a，是東北地區(qū)年平均氣溫增溫最大的地區(qū)。內(nèi)蒙古高原和大興安嶺山區(qū)的增溫趨勢(shì)也較大，中部東北平原和三江平原的增溫效應(yīng)相對(duì)較弱。50年來東北地區(qū)年平均氣溫的增溫趨勢(shì)有明顯的地域差異，即從東南至西北增溫率遞增，西北高原地區(qū)的增溫率大于東南渤海灣一帶，這可能是受渤海海洋的調(diào)節(jié)作用影響。

從1956～2005年?yáng)|北地區(qū)年平均氣溫距平變化（圖2）可以看出，50年來東北地區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，上升幅度為0.327 ℃/10a，通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；東北地區(qū)20世紀(jì)50 ～80年代年平均氣溫處于相對(duì)較低水平，尤其是在60、70年代，負(fù)距平居多；而80年代以后氣溫急劇上升且幅度較大，以正距平為主。近50年來東北地區(qū)年平均日最高、日最低氣溫增溫率分別為0.246、0.448 ℃/10a，其中年平均日最低氣溫的增溫率大于年平均氣溫的增溫率，而年平均日最高氣溫的增溫率小于年平均氣溫的增溫率，即近50年來年平均日最低氣溫的增溫對(duì)東北地區(qū)年平均氣溫的升高貢獻(xiàn)較大，與孫鳳華等的研究結(jié)果[18]一致。

2.2 季平均氣溫變化特征 從1956～2005年?yáng)|北地區(qū)春、夏、秋、冬季平均氣溫距平變化可以看出，東北地區(qū)春、夏、秋、冬季平均氣溫、平均日最高、最低氣溫均呈上升趨勢(shì)，四季平均氣溫變化趨勢(shì)率分別為0.311、0.196、0.226和0.547 ℃/10a，平均日最高氣溫變化趨勢(shì)率分別為0.302、0.152、0.128和0.400 ℃/10a，平均日最低氣溫變化趨勢(shì)率分別為0.536、0.321、0.345和0.707 ℃/10a（表1），且均通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。近50年來東北地區(qū)年、春、夏、秋、冬季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的增溫幅度有明顯差異，年、四季的最低氣溫增溫幅度大于平均氣溫和最高氣溫的增溫幅度；冬季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的增幅大于春、夏、秋季的增溫幅度，而夏季的增溫幅度最??；春、夏、秋、冬季最低氣溫的升高對(duì)東北地區(qū)平均氣溫的上升貢獻(xiàn)均較大。

3 海陸氣壓指數(shù)的年變化特征

東北氣溫的變化與大氣環(huán)流形勢(shì)緊密相聯(lián)，尤其與中、高緯度的天氣系統(tǒng)有密切關(guān)系。西伯利亞高壓又稱蒙古高壓、亞洲高壓，是季節(jié)性活動(dòng)中心，冬季強(qiáng)大的西伯利亞高壓和北太平洋的阿留申低壓決定了強(qiáng)勁的東亞冬季風(fēng)[19]。侯亞紅等分析了西伯利亞高壓指數(shù)的變化[20-21]；龔道溢等分析了近一百年來西伯利亞高壓的變化情況，認(rèn)為西伯利亞高壓是影響我國(guó)冬季氣溫的一個(gè)主要環(huán)流因子，從20世紀(jì)60年代以來，西伯利亞高壓的變化與全球冬季氣溫的變化有很好的相關(guān)性[22-23]。阿留申低壓位于阿留申群島附近，冬季是一個(gè)強(qiáng)大的低壓，而夏季則減弱成為亞洲低壓的一個(gè)低槽，是永久性大氣活動(dòng)中心，影響著我國(guó)季風(fēng)的強(qiáng)弱。施能等對(duì)阿留申低壓指數(shù)年際、年代際變化等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)如果西伯利亞高壓與阿留申低壓均加強(qiáng)時(shí)，東北地區(qū)更容易受到冷空氣的侵襲，反之亦然[24-26]。

為了進(jìn)一步分析這2個(gè)氣壓系統(tǒng)對(duì)東北氣溫變化的影響，選取阿留申區(qū)域（40°～60°N、180°E～130°W）和西伯利亞區(qū)域（40°～60°N、80°～120°E），由這2個(gè)區(qū)域的海平面氣壓值差，即阿留申區(qū)域海平面氣壓減去西伯利亞區(qū)域海平面氣壓得到的值，定義為海陸氣壓指數(shù)。并利用奇異值分解分析海、陸氣壓指數(shù)對(duì)東北地區(qū)氣溫的影響。由于夏季阿留申低壓很弱，因此該研究主要討論冬、春、秋三季的氣溫與海陸氣壓指數(shù)的關(guān)系。

3.1 海陸氣壓指數(shù)的變化特征 研究表明東北地區(qū)氣溫變化在1980年前后發(fā)生突變[10-12]，因此將東北地區(qū)氣溫序列分別以1980年前和后來討論。從春、秋、冬季海陸氣壓指數(shù)、平均氣溫變化趨勢(shì)率及其相關(guān)系數(shù)在1980年前后變化趨勢(shì)率（表2）可以看出，東北地區(qū)氣溫變化與海陸氣壓指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，海陸氣壓指數(shù)增大，東北地區(qū)氣溫下降，反之亦然；1980年前，春季、秋季的海陸氣壓指數(shù)變化趨勢(shì)率增大，且通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明在1980年前，春季、秋季陸地區(qū)域和海洋區(qū)域的氣壓差有所增大，相應(yīng)的東北地區(qū)氣溫降低，而冬季海陸氣壓指數(shù)有所下降，即海陸氣壓差變小，但下降的幅度不大，且沒有通過置信度檢驗(yàn)；1980年后，春季、秋季和冬季海陸氣壓指數(shù)下降，且通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明1980年后，春季、秋季和冬季的氣溫上升；1980年以前，春季、秋季氣溫趨勢(shì)率為負(fù)，但沒有通過顯著性檢驗(yàn)，這一時(shí)期春季和秋季平均氣溫有所下降，但幅度不大，與此相反，冬季氣溫則有小幅度上升。

3.2 海陸氣壓指數(shù)對(duì)東北氣溫影響的空間分布

3.2.1 春季。

從東北地區(qū)春季平均氣溫與所選陸地區(qū)域春季平均氣壓SVD分解第一對(duì)SVD模態(tài)（圖3a）可看出，解釋2個(gè)場(chǎng)協(xié)方差平方和的百分比為95%；其左異類相關(guān)圖表明，所選陸地區(qū)域全區(qū)基本上呈正相關(guān)性，貝加爾湖以北的區(qū)域相關(guān)系數(shù)較大，并通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，中心區(qū)域出現(xiàn)在55°N以北、100°E左右；而右異類相關(guān)圖分布表明，東北地區(qū)春季平均氣溫全區(qū)為負(fù)相關(guān)，中部地區(qū)的負(fù)相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)全部通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，大興安嶺北部的相關(guān)性較小?？梢婈懙厮x區(qū)域春季西伯利亞氣壓與東北地區(qū)春季平均氣溫存在較為顯著的負(fù)協(xié)同變化關(guān)系，陸地春季氣壓升高，則東北地區(qū)春季氣溫將有所降低，特別在東北中部地區(qū)尤為明顯；反之亦然。

東北地區(qū)春季平均氣溫與所選海洋區(qū)域春季氣壓SVD分解第一對(duì)SVD模態(tài)（圖3b）顯示，解釋2個(gè)場(chǎng)協(xié)方差平方和的百分比為95%；其左異類相關(guān)圖表明，所選海洋區(qū)域大部分為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)；而右異類相關(guān)圖分布表明，東北地區(qū)春季氣溫全區(qū)呈正相關(guān)，中部和北部相關(guān)系數(shù)較高，且相關(guān)系數(shù)通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)，南部遼東半島則較小。海洋上阿留申區(qū)域春季氣壓與東北春季平均氣溫存在著一定的正協(xié)同變化關(guān)系，阿留申區(qū)域

春季氣壓升高，則東北地區(qū)春季平均氣溫將有所升高，特別在中部的東北平原和內(nèi)蒙古高原地區(qū)較為明顯；反之亦然。

3.2.2 秋季。從東北地區(qū)秋季平均氣溫與所選陸地區(qū)域秋季氣壓SVD分解第一對(duì)SVD模態(tài)（圖4a）可看出，解釋2個(gè)場(chǎng)協(xié)方差平方和的百分比為91%；其左異類相關(guān)圖表明，所選陸地區(qū)域全區(qū)呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)由北向南依次升高，其中心出現(xiàn)在貝加爾湖和巴彥喀什湖之間及貝加爾湖以南區(qū)域，且通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；而右異類相關(guān)圖分布表明，東北大部分地區(qū)秋季平均氣溫全部為正相關(guān)，相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)由北向南依次升高，且通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。內(nèi)蒙古高原中部、東北平原南部和遼東半島附近相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.55以上?？梢婈懙厣纤x區(qū)域秋季氣壓與東北秋季平均氣溫在全區(qū)均存在顯著的負(fù)協(xié)同變化關(guān)系，最顯著的區(qū)域主要集中在東北地區(qū)南部?jī)?nèi)蒙古、遼寧一帶。西伯利亞地區(qū)秋季平均氣壓升高，則東北地區(qū)全區(qū)秋季平均氣溫將有所降低，南部比北部相對(duì)明顯；反之亦然。

東北地區(qū)秋季平均氣溫與所選海洋區(qū)域秋季氣壓SVD分解第一對(duì)SVD模態(tài)（圖4b）顯示，解釋2個(gè)場(chǎng)協(xié)方差平方和的百分比為80%；其左異類相關(guān)圖表明，所選海洋區(qū)域大部分為負(fù)相關(guān)，中心在阿留申群島西南區(qū)域，相關(guān)系數(shù)以此為中心向外圍遞增；而右異類相關(guān)圖分布表明，東北地區(qū)秋季平均氣溫全區(qū)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)通過了顯著性檢驗(yàn)，東北平原和三江平原的負(fù)相關(guān)性大于內(nèi)蒙古高原和大興安嶺地區(qū)?？梢姾Ｑ笊纤x區(qū)域秋季氣壓與東北秋季平均氣溫存在著一定的正協(xié)同變化關(guān)系。海洋氣壓升高，海陸壓差減弱，則東北地區(qū)秋季平均氣溫將有所上升，特別在中部的東北平原、三江平原較為明顯，蒙古高原地區(qū)氣溫變化則較弱；反之亦然。

3.2.3 冬季。

由東北地區(qū)冬季平均氣溫與所選陸地區(qū)域冬季氣壓SVD分解第一對(duì)SVD模態(tài)（圖5a）可見，解釋2個(gè)場(chǎng)協(xié)方差平方和的百分比為95%；其左異類相關(guān)圖表明，所選陸地區(qū)域全區(qū)呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)由北向南依次升高，其最大負(fù)相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)在貝加爾湖以北區(qū)域，且通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；而右異類相關(guān)圖分布表明，東北大部分地區(qū)冬季平均氣溫為正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。整個(gè)東北地區(qū)相關(guān)性較好，尤其是東北平原、三江平原、內(nèi)蒙古高原、遼東半島一帶相關(guān)性相對(duì)較大?？梢婈懙厣隙久晒鸥邏号c東北冬季平均氣溫存在較為顯著的負(fù)協(xié)同變化關(guān)系，冬季蒙古高壓降低，使得冬季東北季風(fēng)減弱，冷空氣不易南進(jìn)，則整個(gè)東北地區(qū)冬季氣溫將有比較明顯的升高；反之亦然。

東北地區(qū)冬季平均氣溫與所選海洋區(qū)域冬季氣壓SVD分解第一對(duì)SVD模態(tài)（圖5b）顯示，解釋2個(gè)場(chǎng)協(xié)方差平方和的百分比為80%；其左異類相關(guān)圖表明，所選海洋區(qū)域?yàn)檎嚓P(guān)，中心在阿留申群島以西附近，而此區(qū)域正是冬季阿留申低壓所在的位置，相關(guān)系數(shù)以此為中心向外圍減小，且通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；而右異類相關(guān)圖分布表明，東北地區(qū)冬季平均氣溫全區(qū)呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)中部較小，東部和西部較大，顯著性最高的是大興安嶺山區(qū)和東北地區(qū)東南部?？梢姾Ｑ笊纤x區(qū)域冬季氣壓與東北冬季平均氣溫存在一定的正協(xié)同變化關(guān)系。海洋上阿留申低氣壓升高，則冬季東北季風(fēng)將會(huì)減弱，東北地區(qū)冬季氣溫將有所升高，中部地區(qū)氣溫變化較弱，而西北和東南地區(qū)變化相對(duì)較強(qiáng)；反之亦然。

4 結(jié)論

（1）在全球氣候變暖的背景下，近50年來我國(guó)東北地區(qū)年、季平均氣溫波動(dòng)式上升，20世紀(jì)90年代后呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫呈全面上升趨勢(shì)，其中年平均最低氣溫的增溫幅度最大，增幅為0.448 ℃/10a，年平均最高氣溫的增溫幅度最小，增幅為0.246 ℃/10a，而年平均氣溫的增溫幅度居中，增幅為0.327 ℃/10a，年平均最低氣溫的增溫幅度是年平均最高氣溫增溫幅度的1.8倍。四季最低氣溫的增溫幅度大于平均氣溫和最高氣溫的增溫幅度；冬季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的增幅大于春、夏、秋季的增溫幅度。

（2）東北地區(qū)增溫幅度有區(qū)域性差異，海拔較高的內(nèi)蒙

古高原和大興安嶺山區(qū)的年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫50年來增溫幅度大于遼東半島、渤海灣地區(qū)，東北平原的增溫幅度居中。

（3）20世紀(jì)50～80年代，春季和秋季海陸氣壓指數(shù)有所增大，而冬季則有所減?。?0年代以后，春、秋、冬季海陸氣壓指數(shù)逐漸下降。與此相對(duì)應(yīng)，50～80年代春季、秋季氣溫有所下降，而冬季氣溫則有小幅度上升；80年代后春、秋、冬季平均氣溫均有升高，且增溫幅度較大。

（4）東北地區(qū)春、秋、冬季年平均氣溫與陸地區(qū)域氣壓呈顯著的負(fù)協(xié)同變化關(guān)系，而與海上區(qū)域氣壓呈一定的正協(xié)同變化關(guān)系，表明近50年來當(dāng)海陸氣壓指數(shù)大的時(shí)候，東北地區(qū)大部分區(qū)域氣溫偏低；當(dāng)海陸氣壓指數(shù)小的時(shí)候，東北地區(qū)大部分區(qū)域氣溫偏高。

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