ENSO-Modoki與東北三省夏季溫度異常事件的關(guān)系

胡心佳，汪　明，李　艷，從　靖

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京　100875；2.北京師范大學(xué)民政部教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京　100875；3.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅　蘭州　730000)

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ENSO-Modoki與東北三省夏季溫度異常事件的關(guān)系

胡心佳1，2，汪明1，2，李艷3，從靖3

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京100875；2.北京師范大學(xué)民政部教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京100875；3.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000)

摘要：利用1960～2013年中國東北三省76個臺站夏季逐日氣溫數(shù)據(jù)、NCEP/NCAR再分析資料以及ENSO-Modoki指數(shù)，分析了東北地區(qū)夏季溫度異常事件的時空變化特征，運用相關(guān)分析與合成分析相結(jié)合的方法探討其與ENSO-Modoki之間的關(guān)系。結(jié)果表明：(1)東北三省夏季極端高溫事件的頻次波動較為明顯，在1980年代初與1990年代中后期有明顯峰值，而極端低溫事件的頻次呈下降趨勢，但在1990年代初有1次明顯上升；(2)從空間分布來看，極端高溫事件的頻次在東北三省東部的大部分地區(qū)以及大興安嶺北部地區(qū)呈上升趨勢，而極端低溫事件的頻次在遼東半島以及漠河附近有上升趨勢，在長白山以北及松江平原以南地區(qū)則有下降趨勢；(3)前一年冬季發(fā)生El Nio-Modoki或春季發(fā)生La Nia-Modoki，對黑龍江省與遼寧省的大部地區(qū)夏季出現(xiàn)溫度異常事件影響較大。其中，前一年冬季發(fā)生El Nio-Modoki，當(dāng)年夏季這些地區(qū)極端高溫事件的頻次可能會減少；春季發(fā)生La Nia-Modoki，上述地區(qū)夏季極端低溫事件的頻次會減少，而極端高溫事件的頻次可能會增多。

關(guān)鍵詞：東北三??；極端溫度事件；夏季；ENSO-Modoki

引言

中國東北三省包括黑龍江省、吉林省和遼寧省，地處中高緯歐亞大陸東岸，土壤肥沃，是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和最大的商品糧基地[1]。溫度是影響農(nóng)作物生長發(fā)育的重要因素，過高或過低的溫度都對農(nóng)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量有害。在東北地區(qū)，氣溫最高的夏季(6～8月)對農(nóng)作物的生長至關(guān)重要[2-3]，夏季易發(fā)生低溫冷害[4-7]，1960～1970年代的夏季低溫曾使得吉林省糧食減產(chǎn)約20%(據(jù)吉林省統(tǒng)計年鑒)。近年來，伴隨著全球氣候變暖，高溫日數(shù)整體增多[8]。東北地區(qū)對全球氣候變暖響應(yīng)極其敏感，自1980年代開始，冷夏頻次明顯減少，并出現(xiàn)了異常高溫的天氣，成為我國受全球氣候變化影響最顯著的區(qū)域之一[9-10]。嚴中偉等[11]指出，氣候變化更強烈地表現(xiàn)在極端氣候中，平均氣候遠不能完全描述氣候變化的真實過程[12]。因此，探究東北三省夏季極端溫度事件的變化趨勢，對于研究東北地區(qū)對全球氣候變化的響應(yīng)具有重要意義。

近年來的研究認為，東北地區(qū)夏季氣溫異常與太平洋海溫、副熱帶高壓、極渦等有一定的聯(lián)系，其中海溫是最重要的影響因子之一[13-14]。朱乾根[15]研究我國東部地區(qū)氣溫與ENSO之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在平均狀態(tài)下，受El Nio影響最大的是東北地區(qū)，其次是華南地區(qū)；張霏燕等[16]發(fā)現(xiàn)，東北夏季極端低溫群發(fā)時期( 1964～1992年)，在El Nio年或翌年基本都對應(yīng)東北夏季極端低溫年；然而，在1993～2007年間發(fā)生的El Nio并沒有對應(yīng)的極端低溫事件發(fā)生。這也就是說，從1990年代初期開始，El Nio發(fā)生年與東北地區(qū)夏季極端低溫事件的對應(yīng)關(guān)系有了變化。研究發(fā)現(xiàn)[17]，1970年代末全球氣候經(jīng)歷一次顯著的躍變后，El Nio事件發(fā)生的頻率減少，而出現(xiàn)了一種類似El Nio的現(xiàn)象，即El Nio-Modoki，其主要特征是赤道中太平洋地區(qū)海溫偏高，而赤道太平洋東部和西部的海溫偏低，研究者將其命名為CP-El Nio或Warm Pool El Nio，且這一現(xiàn)象從1990年代后有愈加頻繁出現(xiàn)的趨勢[18-19]。海洋是一個巨大的熱機和水汽主要源地，其對大氣環(huán)流﹑長期天氣氣候變化有重要影響，ENSO-Modoki這種新的海溫異?，F(xiàn)象，將會給全球氣候帶來不同于El Nio的獨特影響[20]。國內(nèi)關(guān)于El Nio和La Nia對東北地區(qū)夏季溫度的影響已研究得較為透徹，但對于ENSO-Modoki和東北三省夏季溫度異常事件之間關(guān)系的探討仍是空白。由于ENSO-Modoki事件有更頻繁出現(xiàn)的趨勢，因而探究東北三省夏季極端溫度事件的時空分布與ENSO-Modoki之間的關(guān)系，對服務(wù)東北三省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展有重要意義，也為深入開展氣候變化對東北三省影響研究提供一定的參考。

1資料選取和方法

1.1資料

所用資料有黑龍江、吉林、遼寧3省76個氣象臺站1960～2013年6～8月逐日最高氣溫和最低氣溫觀測資料和1959年1月至2013年12月NCEP/NCAR再分析的全球月平均位勢高度場(網(wǎng)格距2.5°×2.5°)、海表溫度場(水平分辨率為2°×2°)資料。

1.2方法

采用百分位法定義極端溫度[21-22]。以極端高溫為例，將東北三省76個臺站1960～2013年夏季逐日最高氣溫分別按升序排列，以第95百分位值作為該站發(fā)生極端高溫的閾值。當(dāng)該站某日最高氣溫高于極端高溫閾值時，則認為該日發(fā)生極端高溫事件，據(jù)此可得到每個臺站夏季發(fā)生極端高溫事件的頻次。極端低溫的定義類似，此處不再贅述。

EMI=[SSTA]A-0.5×[SSTA]B

(1)

式中，[SSTA]為區(qū)域平均的海表溫度異常；A、B、C各區(qū)域的范圍分別是：165°E～140°W、10°S～10°N，110°W～70°W、15°S～5°N，125°E～145°E、10°S～20°N。當(dāng)EMI>1時，即定義為發(fā)生一次El Nio-Modoki，當(dāng)EMI<-1時，即發(fā)生一次La Nia-Modoki。

2東北地區(qū)夏季溫度異常事件的變化趨勢

根據(jù)極端溫度的定義方法，統(tǒng)計了東北地區(qū)各臺站極端溫度的閾值(圖1)。從圖1a中可以看到，夏季極端高溫閾值在遼寧西部和吉林西部相對較高，最大閾值出現(xiàn)在遼寧朝陽，為35 ℃，而在小興安嶺東北部、長白山天池、松江平原、遼寧北部則相對較低。這種分布特征可能與地形、緯度有關(guān)，當(dāng)有來自北方的冷空氣時，地勢平坦的地區(qū)冷空氣容易入侵；山區(qū)溫度比同緯度平原偏低則與海拔高度有關(guān)。

圖1　東北地區(qū)極端高溫(a)、低溫(b)閾值的空間分布(單位：℃)

由圖1b可知，夏季極端低溫閾值在最北端的漠河附近較低，閾值最小的地區(qū)出現(xiàn)在吉林天池，為-1.7 ℃，而在松江平原東北部、遼寧北部以及鴨綠江附近地區(qū)相對較高。結(jié)合圖1a和圖1b可看到，小興安嶺東坡的氣溫閾值高于西坡，平原西側(cè)的氣溫閾值高于東側(cè)，這可能是由于山脈背風(fēng)坡的焚風(fēng)作用造成的。整體來看，東北三省的極端溫度閾值分布呈北部較南部低、東部較西部低的特征。

根據(jù)每個臺站的極端溫度閾值，計算統(tǒng)計1960～2013年間夏季所有站點出現(xiàn)極端高溫、極端低溫事件的累積頻次，得到東北三省夏季溫度異常事件的變化及趨勢(圖2和圖3)。從全區(qū)來看，近54 a東北地區(qū)夏季極端高溫事件的頻次總體呈不顯著的上升趨勢，在1980年代以前波動較小，之后波動較大，出現(xiàn)了幾次明顯的峰值，其中1982，1997，1999，2000年極端高溫事件的頻次較多(圖2a)；極端低溫事件的頻次總體呈顯著下降趨勢(通過0.01的顯著性水平檢驗)，在1970年代中期以前頻次較多，之后至1980年代末快速下降，而后略有回升，至1990年代中期以后再次呈微弱的下降趨勢，其中1969、1972、1976、1992年極端低溫事件的頻次較多(圖2b)。這與王敬方等[3]的研究結(jié)論“1972，1976，1983年是東北地區(qū)比較強的冷夏年份”較接近。IPCC第五次評估報告[23]指出，過去130 a全球溫度上升了0.85 ℃，中國大部分地區(qū)有變暖趨勢，高溫日數(shù)變多是全球氣候變暖的證據(jù)之一。東北三省夏季極端高溫日數(shù)在波動中有所增多，而極端低溫日數(shù)整體呈顯著下降趨勢，說明東北地區(qū)對全球氣候變暖有一定的響應(yīng)?？梢?，東北三省夏季氣溫在總體變暖的背景下，表現(xiàn)出階段性的冷暖特征。

從東北地區(qū)夏季溫度異常事件頻次變化趨勢的空間分布(圖3)上看，極端高溫事件的頻次在黑龍江北部、吉林東南部、遼寧東部部分地區(qū)以及長白山天池附近有增加趨勢，而在長白山山脈以西、松嫩平原、遼河平原地區(qū)，則有所減少(圖3a)；極端低溫事件的頻次在漠河附近、遼寧中東部、遼東半島附近有增加趨勢，而在長白山以北，松江平原以南地區(qū)，有減少趨勢?？梢姡絽^(qū)極端溫度變化情況較平原地區(qū)更為顯著，這可能與下墊面的熱力性質(zhì)有關(guān)。

圖2　1960～2013年東北三省夏季極端高溫(a)、低溫(b)事件頻次的變化

圖3　東北地區(qū)極端高溫(a)、低溫(b)事件發(fā)生頻次變化趨勢的空間分布(單位:次/10 a)

3極端溫度事件與ENSO-Modoki的關(guān)系

3.1相關(guān)性分析

為探究ENSO-Modoki事件對東北三省夏季溫度異常事件的超前與同期影響，用前一年秋、冬季和當(dāng)年春、夏季的ENSO-Modoki指數(shù)(EMI)與各臺站夏季極端高溫事件頻次、極端低溫事件頻次分別做相關(guān)分析(表略)。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，前一年冬季和當(dāng)年春季發(fā)生的ENSO-Modoki事件與東北地區(qū)夏季發(fā)生溫度異常事件的相關(guān)性最大，其中與夏季極端高溫事件的頻次基本呈負相關(guān)，而與夏季極端低溫事件的頻次呈正相關(guān)(圖4)?？梢钥吹?，遼寧大部和黑龍江部分地區(qū)夏季極端高溫事件與前一年冬季發(fā)生的ENSO-modoki事件有較好的負相關(guān)性，負相關(guān)系數(shù)較大且較多站點通過了0.05的顯著性檢驗(圖4a)；相比前一年冬季，東北地區(qū)夏季極端高溫事件頻次與當(dāng)年春季發(fā)生的ENSO-modoki事件的相關(guān)性在黑龍江省和吉林省較弱，僅有少數(shù)站點通過了顯著性檢驗，且多集中在遼寧省(圖4b)。在相關(guān)性較顯著的地區(qū)前期發(fā)生El Nio Modoki事件時，夏季極端高溫事件發(fā)生頻次可能會減少，前期發(fā)生La Nia-Modoki事件時，夏季發(fā)生極端高溫事件的頻次可能會增多。對比圖4a和圖4b可知，前一年冬季發(fā)生的ENSO-Modoki事件與當(dāng)年夏季出現(xiàn)極端高溫事件的相關(guān)性更好，尤其是遼寧省和黑龍江省表現(xiàn)得更好。

由圖4c和圖4d可看出，東北地區(qū)夏季極端低溫事件的頻次與前一年冬季發(fā)生的ENSO-Modoki事件的相關(guān)系數(shù)普遍較高，整體高于其與當(dāng)年春季發(fā)生的ENSO-Modoki事件的相關(guān)系數(shù)，尤其在黑龍江省表現(xiàn)得更明顯，但通過顯著性檢驗的站點后者多于前者，說明東北地區(qū)夏季極端低溫事件的頻次對當(dāng)年春季發(fā)生的ENSO-Modoki事件響應(yīng)更敏感。這與極端高溫事件相關(guān)性分析的結(jié)果相對應(yīng)，即這些站點前期發(fā)生El Nio-Modoki事件時，東北地區(qū)夏季發(fā)生極端低溫事件頻次可能會增多；前期發(fā)生La Nia-Modoki事件時，夏季發(fā)生極端低溫事件的頻次可能會減少。

由于影響東北夏季溫度異常事件的前期因子很多，這些因子的作用可能將海溫異常所帶來的真實影響覆蓋，即有些未表現(xiàn)出相關(guān)性的臺站可能對于海溫異常也有一定的響應(yīng)，但這種響應(yīng)可能是非線性的。為探討海溫異常對于這些臺站氣溫的影響，在前文的基礎(chǔ)上進一步做合成分析。

3.2合成分析

圖5　春季(a，b)和前一年冬季(c，d)發(fā)生El Nio-Modoki(a，c)和La Nia-Modoki(b，d)時

3.3環(huán)流形勢分析

海溫異常是導(dǎo)致大氣環(huán)流異常的主要因子，會使大氣環(huán)流形勢發(fā)生改變，進而對一些地區(qū)的溫度產(chǎn)生影響，因此采用海溫異常年和正常年合成分析和差值t檢驗法來探討海溫異常年的環(huán)流形勢對東北地區(qū)的影響機制。圖6給出1960～2013年間海溫正常年份夏季500 hPa平均高度場?？梢钥吹剑瑏啔W大陸中高緯以弱槽脊為主，盛行平直的西風(fēng)氣流，東北地區(qū)東部有一較弱的高壓脊，華北平原處于一弱槽底部，與東北地區(qū)的弱脊相配合形成較弱的經(jīng)向環(huán)流。

圖7給出春季和冬季發(fā)生ENSO-Modoki和La Nia-Modoki的年份的500hPa高度場距平。春季發(fā)生La Nia-Modoki的年份(圖7b)，在40°N～60°N中緯度帶為正距平區(qū)域，60°N以北為負距平區(qū)域，東北地區(qū)位于25 gpm正距平中心的南部，說明在這些年份，位于東北上空的高壓脊會進一步加強，阻擋來自極地地區(qū)的冷空氣。北半球其他大部分地區(qū)為正距平，說明北半球盛行緯向環(huán)流，暖空氣勢力較強，不利于冷空氣向南擴散。東亞地區(qū)為正距平區(qū)(40°～70°N)，極區(qū)(70°N以北)為負距平，暖空氣易深入到東亞地區(qū)且持續(xù)堆積，引起東北部分地區(qū)高溫，極端低溫事件減少。前期冬季發(fā)生El Nio-Modoki年份的500 hPa高度距平場上(圖7c)，40°N～60°N為正距平區(qū)，60°N以北大部分為顯著負距平區(qū)域，在副熱帶高壓控制區(qū)域有顯著正距平，說明這些年份對應(yīng)的次年夏季，暖空氣并沒有北推至東北地區(qū)，東北地區(qū)盛行低值活動，引起低溫事件。圖6中貝加爾湖北部有一淺槽對應(yīng)圖7c上負距平區(qū)，說明該槽在海溫異常年將進一步加深，與西伯利亞附近的正距平環(huán)流場相結(jié)合成為經(jīng)向度較大的環(huán)流，進而使來自西伯利亞的偏北氣流加強，配合西高東低的形勢，引導(dǎo)冷空氣南下影響我國東北地區(qū)，使得次年夏季溫度偏低，造成極端低溫事件的出現(xiàn)，這與統(tǒng)計結(jié)果較為一致。

圖6　1960～2013年海溫正常年份

圖7　ENSO-Modoki、La Nia-Modoki年份與正常年份500 hPa高度場距平

4結(jié)論

(1)東北三省夏季極端溫度的閾值有一定的空間分布特征，這可能與地形、緯度及海拔高度有關(guān)，但也可能是受海溫等外強迫因子的影響。整體來看，極端溫度閾值西部較高，中部較低，南部較北部高，而三江平原一帶極端低溫閾值也較高。

(2)東北三省夏季極端低溫事件發(fā)生的頻次整體呈顯著下降趨勢，1980年代以前夏季溫度異常事件以極端低溫為主，在1980年代中期以后極端高溫事件明顯增多，但波動較大，在1990年代中期及2009年出現(xiàn)了較強的低溫冷夏。從空間分布上看，夏季極端低溫事件的發(fā)生頻次在漠河附近、吉林中部的大部分地區(qū)以及遼寧省東部的部分地區(qū)有所增多，而在長白山以北、松江平原以南地區(qū)，則有減少趨勢；極端高溫事件的發(fā)生頻次在黑龍江北部與中南部、長白山天池附近、遼寧東部部分地區(qū)呈上升趨勢，而在吉林中部的大部地區(qū)、松嫩平原、遼河平原地區(qū)呈下降趨勢。

綜上所述，東北地區(qū)對全球氣候變暖有較顯著的響應(yīng)，ENSO-Modoki對于東北三省部分地區(qū)夏季溫度異常事件有一定的影響，可作為東北夏季溫度異常事件預(yù)報的參考因子，但其具體影響過程和機理還有待進一步分析和研究。

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Relationship Between ENSO-Modoki and Summer Temperature Anomaly Event in Northeastern China

HU Xinjia1，2, WANG Ming1，2, LI Yan3, CONG Jing3

(1.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;3.CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Abstract:Based on the daily temperature of 76 weather stations in Northeastern China in summer during 1960-2013，NCEP/NCAR reanalysis data and the ENSO-Modoki Index, the variation trends of anomalous temperature in summer in Northeastern China were studied, and the possible relationship between the summer anomalous temperature events in Northeastern China and ENSO-Modoki events was analyzed by using the correlation analysis and composite analysis. The results are as follows: (1) The frequency of extreme high temperature events appeared a rising trend in Northeastern China in general，there were the peak values in the early 1980s and the mid to late 1990s, while that of extreme low temperature events showed a decreasing trend in general, and there was an obvious rising in the early 1990s. (2) Where the spatial distribution is concerned, the spatial differences of change trend of extreme temperature events were obvious in Northeastern China, the frequency of extreme high temperature event increased during 1960-2013 in most regions of the east of Northeastern China, and the frequency of extreme low temperature events near the Liaoning Peninsula increased, while that in northern part of Changbai mountain and southern part of Songjiang plain decreased. (3) The influence of El Nio-Modoki in last winter and La Nia-Modoki in spring was significant on the anomalous temperature event in summer in part of Northeastern China. When the El Nio-Modoki occurred in last winter, the frequency of extreme high temperature events in summer might decrease in some areas of Northeastern China, however, when the La Nia-Modoki occurred in spring, the frequency of extreme low temperature events in summer might decrease in some areas, while that of extreme high temperature events might increase.

Key words:the Northeastern China; extreme temperature events; summer; ENSO-Modoki

中圖分類號：P732

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7639(2016)-02-0282-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0282

作者簡介：胡心佳(1992-)，女，甘肅蘭州人，碩士研究生，主要從事自然災(zāi)害風(fēng)險研究. E-mail:huxinjia10@163.com通訊作者：李艷. E-mail:liyanlz@lzu.edu.cn

基金項目：地表過程模型與模擬創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(41321001)和高校博士點基金項目(20120211120030)共同資助

收稿日期：2015-05-06；改回日期：2015-06-08

胡心佳，汪明，李艷，等.ENSO-Modoki與東北三省夏季溫度異常事件的關(guān)系[J].干旱氣象，2016，34(2)：282-289, [HU Xinjia, WANG Ming, LI Yan, et al. Relationship Between ENSO-Modoki and Summer Temperature Anomaly Event in Northeastern China[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):282-289], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0282