陜西冬季氣溫變化特征及其成因

王　娜，王　冀，王　琦，肖科麗，姚　靜，方建剛

(1.陜西省氣候中心，陜西　西安　710014；2.北京市氣候中心，北京　100089；3.陜西省氣象學會，陜西　西安　710016；4.陜西省氣象臺，陜西　西安　710014)

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陜西冬季氣溫變化特征及其成因

王娜1，王冀2，王琦1，肖科麗3，姚靜4，方建剛1

(1.陜西省氣候中心，陜西西安710014；2.北京市氣候中心，北京100089；3.陜西省氣象學會，陜西西安710016；4.陜西省氣象臺，陜西西安710014)

利用1961—2012年NCEP/NCAR再分析資料以及陜西月平均氣溫資料，分析陜西冬季氣溫年際變化特征及其形成機制。結(jié)果表明：陜西冬季氣溫主要呈全區(qū)一致的空間分布型，低溫年，500 hPa高度場我國西部存在穩(wěn)定的負距平，垂直方向呈準正壓結(jié)構(gòu)，西太平洋遙相關型(WP)與第一模態(tài)時間系數(shù)的相關性最顯著。中高緯地區(qū)海溫可能是影響陜西冬季氣溫的主要強迫因子，西北太平洋海溫負異常，黑潮區(qū)、熱帶印度洋、北大西洋海溫顯著偏低，有利于陜西冬季氣溫偏低，且這些關鍵區(qū)海溫的異常信號，在前期夏、秋季已經(jīng)表現(xiàn)明顯，對冬季氣溫預測有指示意義。

冬季氣溫；海表溫度異常；遙相關；陜西

引　言

氣候變暖是當今人類社會面臨的最主要的氣候變化問題，中國的氣溫變化與全球氣溫變化具有一致性，冬季是增暖最明顯的時期，1951—2004年我國冬季氣溫增溫率達0.39 ℃·(10 a)-1，具有明顯的區(qū)域特征[1-2]。1956—2005年我國暖冬事件共計發(fā)生13次，其中85%的暖冬發(fā)生在1986年以后[3]。西北地區(qū)氣溫也呈上升趨勢，尤其是1990年代后，上升速率明顯增大，其中冬季升溫幅度高于其他季節(jié)，近半個世紀以來氣溫升高了2.1 ℃[4]。

引起中國冬季氣溫異常的環(huán)流因子很多，李勇[5]、陳少勇[6]等分析了影響我國冬季溫度的氣候因子發(fā)現(xiàn)，在年際尺度上，西太平洋遙相關型(WP)和西伯利亞高壓對中國冬季氣溫有顯著影響，WP的影響主要存在于中國東部從東北南部至廣東沿海一帶大陸邊緣區(qū)，而西伯利亞高壓的影響范圍則大得多，幾乎涵蓋了除黃河長江上游部分地區(qū)外的整個中國；在年代際尺度上，北極濤動和ENSO都與東亞冬季風有關聯(lián)。朱艷峰等[7]研究發(fā)現(xiàn)，西伯利亞高壓與我國冬季氣溫的第一模態(tài)關系密切，當它偏強時，我國大部分地區(qū)冬季氣溫偏低，反之亦然。西伯利亞高壓對北京、上海和我國冬季氣溫方差的解釋率分別達41.0%、41.0%和43.6%，能較好地解釋我國近幾十年冬季氣溫變化的低頻特征[8]。陳佩燕等[9]分析了我國東部地區(qū)冬季溫度異常的時空特征和變化規(guī)律，探討了全球海溫異常與我國東部地區(qū)冬季溫度異常的關系，發(fā)現(xiàn)赤道印度洋、赤道東太平洋、黑潮區(qū)是影響我國東部地區(qū)冬季溫度異常的關鍵海區(qū)；前期夏、秋季赤道印度洋、赤道東太平洋海溫異常與我國東部地區(qū)冬季溫度異常有較好的相關關系。

中國西北地區(qū)是氣候變化影響的敏感和脆弱地區(qū)，桑建人等[10]分析了寧夏氣溫變化趨勢及環(huán)流差異特征；賀皓等[11]分析了陜西冷和暖冬季劃分及其環(huán)流特征，發(fā)現(xiàn)冷冬年500 hPa東亞大槽偏強，地面蒙古高壓強盛，陜西處于蒙古高壓底部，冷空氣不斷侵襲，形成持續(xù)低溫。前人的工作對于陜西冬季氣溫年際和年代際特點的分析不夠細致，且對冬季氣溫異常缺乏機制分析。為此，利用陜西1961—2012年冬季氣溫資料，分析其時空變化特征，探討陜西冬季氣溫異常形成機理，為該地區(qū)的低溫事件預測提供支持。

1　資料與方法

利用1961—2012年美國國家環(huán)境預報中心(NCEP/NCAR)2.5°×2.5°的高度場、風場、海平面氣壓和2.0°×2.0°的海表溫度等月平均再分析資料，以及同時段陜西冬季氣溫資料(12月—次年2月)。采用EOF分析、合成分析、高斯濾波、回歸分析等統(tǒng)計方法，分析陜西冬季氣溫的時空分布特征及形成機理。

2　陜西冬季氣溫的時空特征

對1961—2012年陜西冬季氣溫進行EOF分解，得到第一模態(tài)的方差貢獻為87.1%，能反映陜西冬季氣溫的時空分布，為全區(qū)一致正值。陜北、關中的第一載荷向量值相對陜南較大，高值區(qū)位于陜北西部及關中北部區(qū)域，載荷值在0.93以上，尤其是關中北部區(qū)域在0.95以上，表明陜南冬季氣溫的變率較陜北、關中小，且陜北西部及關中北部區(qū)域冬季氣溫變率最大(圖1a)。第一模態(tài)的標準化時間系數(shù)在1961—2012年波動上升，11 a滑動平均曲線在1980年代后期由負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，總體呈上升趨勢(圖1b)，通過α=0.05的信度檢驗，這與全球氣候變暖的背景相符合。

3　陜西冬季異常高(低)溫年環(huán)流特征

選擇異常高(低)溫年分析陜西冬季氣溫異常的大氣環(huán)流變化特征，參考前人做法[12-13]：冬季氣溫EOF分解的第一特征向量對應的時間系數(shù)減去高斯濾波后的結(jié)果進行標準化處理，得到年際尺度的時間序列。其值>1為高溫年，<-1為低溫年，從而得到陜西冬季氣溫異常偏高年為1978、1965、1998、2006、1986、1964、1972、2008年共8 a，異常偏低年為1967、2007、1976、1963、1999、1995、2004年共7 a。

圖1　1961—2012年陜西冬季氣溫的EOF分析第一空間模態(tài)(a)及其時間系數(shù)(b)

3.1大氣環(huán)流異常

冬季氣溫偏低年，850 hPa高度場烏拉爾山到新西伯利亞島存在明顯的正距平中心，中心值為40 gpm，中緯度歐亞大陸至中太平洋為大范圍的負距平，中心值為-40 gpm，我國西部存在一穩(wěn)定的負距平，中心值為-20 gpm(圖2a)；氣溫偏高年正好相反。中高層(500 hPa、200 hPa)也存在這種分布特點(圖2b、圖2c)，并隨著高度升高而增強，說明環(huán)流影響系統(tǒng)穩(wěn)定深厚，這與王冀等[14]研究一致。

對陜西冬季氣溫EOF第一特征向量(以下簡寫為EOF1)對應的時間序列與海平面氣壓場、500 hPa位勢高度場以及500 hPa風場的關系進行回歸分析(圖3)。當陜西冬季氣溫一致偏低時，歐亞大陸中緯度氣壓下降而高緯度上升，冷氣團向中緯度地區(qū)活動(圖3a)。500 hPa高度場上北太平洋以及歐洲南部地區(qū)高度場降低，亞洲大槽、北美大槽均加強，亞洲呈“北+南-”的分布特征，西伯利亞高壓偏強，東亞大槽明顯加強，鄂霍次克海為正距平，日本島及以南區(qū)域為負距平，為典型的太平洋西部型(WP)負位相，陜西冬季氣溫EOF1時間系數(shù)與WP之間相關系數(shù)達0.53，通過99%的信度檢驗(圖3b)；500 hPa風場上烏拉爾山以東被反氣旋式環(huán)流控制，陜西及北方大部被氣旋性環(huán)流控制(圖3c)。

圖2　1961—2012年陜西冬季氣溫典型偏低與偏高年的850 hPa(a)、500 hPa(b)和200 hPa(c)位勢高度差值場(單位：dagpm)(陰影區(qū)通過95%的信度檢驗，以下相同)

圖3　1961—2012年陜西冬季氣溫EOF1對應的時間序列與海平面氣壓場(a)、500 hPa位勢高度場(b)及500 hPa風場(c)的回歸分析

3.2影響陜西冬季氣溫的遙相關型

從前文的分析可知，陜西冬季氣溫EOF1模態(tài)對應的環(huán)流異常維持機制可能與遙相關有關，故而選取北極濤動(AO)、太平洋北美型(PNA)、北大西洋濤動(NAO)、太平洋西部型(WP)、歐亞遙相關(EU)與陜西冬季氣溫EOF1的時間系數(shù)求相關。表1為陜西冬季氣溫EOF1時間系數(shù)與冬季和前秋遙相關指數(shù)的相關系數(shù)。發(fā)現(xiàn)同期冬季相關系數(shù)均明顯高于秋季，但只有WP與陜西冬季氣溫EOF1的相關系數(shù)(0.53)通過99%的信度檢驗。當WP型呈“南+北-”(正異常)，在50°N附近、120°E—150°W之間為強西風差值區(qū)，此時不利于中高緯冷空氣南下，東亞冬季風偏弱[15]，有利于陜西氣溫偏高?？梢?，陜西冬季氣溫與同期WP遙相關指數(shù)有顯著的正相關關系，WP對于陜西冬季氣溫有預測意義。

表1　各遙相關指數(shù)與陜西冬季氣溫EOF1時間序列的相關系數(shù)

注：*表示通過99%的信度檢驗

3.3EOF1模態(tài)對應的海溫特征

將陜西冬季氣溫EOF1時間序列與前夏、前秋、冬季的海溫做相關分析來研究海溫分布的時間發(fā)展(圖4)。同期冬季，赤道中東太平洋的海溫偏高，在中國東部沿海至南部沿海也出現(xiàn)顯著的正相關，中心值>0.5；印度洋全區(qū)呈一致的正相關，尤其是印度洋北部至印度尼西亞群島呈顯著正相關，局部>0.5，40°E—60°E南印度洋也呈顯著正相關(>0.4)；北大西洋呈正相關，中心值>0.5的區(qū)域位于其南部。且西北太平洋、赤道中東太平洋、印度洋北部和南部、北大西洋的SST信號在前夏、前秋均已出現(xiàn)。

進一步分析對陜西冬季氣溫影響顯著的海溫指數(shù)(表2)，結(jié)果表明，Nio1+2、Nio3、Nio4、Nio A、AMON.US、黑潮區(qū)海溫、IOBW等指數(shù)與EOF1時間系數(shù)均呈正相關關系，其中，與當季的Nio A、AMON.US、黑潮區(qū)海溫、IOBW指數(shù)相關性顯著，而與前秋和前夏的AMON.US、黑潮區(qū)海溫、IOBW指數(shù)相關性顯著，且前秋的相關性較前夏更強。表明西北太平洋、黑潮區(qū)、赤道印度洋、北大西洋海溫是影響陜西冬季氣溫異常的關鍵海區(qū)，且這種影響在前夏、前秋就已有表現(xiàn)，且隨著時間的逼近，前秋關鍵海區(qū)海溫異常對冬季氣溫異常的影響較前夏強。陜西冬季氣溫偏低時，西北太平洋海溫負異常，黑潮區(qū)、熱帶印度洋、北大西洋海溫顯著偏低，進而引起東亞冬季風明顯偏強。而與ENSO指數(shù)相關不明顯，說明ENSO對陜西冬季氣溫影響不顯著，這與李勇等[5]研究結(jié)論一致。

圖4　1961—2012年陜西冬季氣溫EOF1時間系數(shù)與同期冬季(上)、前秋(中)、前夏(下)海溫場的相關系數(shù)分布

陜西位于中高緯度并遠離熱帶海洋，受中高緯地區(qū)的海溫影響較大，Nio A、AMON.US、黑潮區(qū)海溫都為中高緯度海溫指數(shù)，海溫分布對中高緯大氣環(huán)流的作用不可忽視。陳少勇[6,17]、王冀[14]、秦正坤[16]等研究發(fā)現(xiàn)，海溫影響氣溫的可能機理是西北太平洋海溫異常升高，使烏拉爾山高壓脊和阿拉斯加脊減弱，東亞大槽減弱向東移動，緯向環(huán)流加強，高緯度冷空氣不易南下，導致我國東部大部分地區(qū)冬季氣溫偏暖，反之亦然。冬季黑潮區(qū)海溫對東亞冬季風有負反饋作用，即冷水位相有利于東亞冬季風的偏強。曲金華等[18]認為北大西洋海溫異常通過激發(fā)歐亞波列影響歐亞上空的大氣環(huán)流，進而影響中國冬季溫度。李崇銀[19]、譚言科[20]等認為印度洋海溫與ENSO變化有著一定的關系，但陜西冬季氣溫與ENSO關系不明顯，這可能由于中國處于ENSO的上游地區(qū)，其赤道中東太平洋海溫不能直接影響東亞冬季風環(huán)流，而是通過影響、改變Walker、Hadley環(huán)流來影響冬季風。分析發(fā)現(xiàn)赤道印度洋海溫與陜西冬季氣溫有顯著的相關性，但印度洋海溫影響陜西冬季氣溫機理比較復雜，需要進一步研究。

表2　陜西冬季氣溫EOF1時間系數(shù)與海溫指數(shù)相關系數(shù)

注：*表示通過95%信度檢驗

4　結(jié)　論

(1)1961—2012年陜西冬季氣溫主要呈全區(qū)一致的空間分布型，陜南冬季氣溫的變率較陜北、關中小，且陜北西部區(qū)域及關中北部區(qū)域冬季氣溫的變率最大。

(2)陜西冬季氣溫偏低時，海平面氣壓場出現(xiàn)中緯度低壓和高緯度高壓的形勢，且冷空氣從西向東傳播，導致西伯利亞高壓的發(fā)展，東亞大槽偏強，我國西部500 hPa高度場上存在穩(wěn)定的負距平，陜西易受冷空氣影響。冬季氣溫EOF1時間序列與同期遙相關指數(shù)的相關性高于前期秋季，其中EOF1與同期冬季W(wǎng)P指數(shù)顯著相關，當WP指數(shù)處于負位相時，且東亞地區(qū)盛行經(jīng)向風，有利于中高緯冷空氣南下，東亞冬季風偏強，陜西易出現(xiàn)一致低溫。

(3)陜西受中高緯地區(qū)的海溫影響較大。西北太平洋海溫負異常，黑潮區(qū)、熱帶印度洋、北大西洋海溫顯著偏低，有利于陜西冬季氣溫偏低，并且這些關鍵區(qū)海溫的異常信號，在前期夏、秋季已經(jīng)出現(xiàn)，對冬季氣溫預測有指示意義。

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Variation Characteristics of Winter Temperature and Mechanism Analysis in Shaanxi Province During 1961-2012

WANG Na1, WANG Ji2, WANG Qi1, XIAO Keli3, YAO Jing4, FANG Jiangang1

(1.ShaanxiClimateCenter,Xi’an710014,China; 2.BeijingMunicipalClimateCentre,Beijing100089,China; 3.ShaanxiMeteorologicalSociety,Xi’an710016,China; 4.ShaanxiMeteorologicalObservatory,Xi’an710014,China)

Based on the monthly mean temperature in winter (from December to next February) in Shaanxi Province and NCEP reanalysis data from 1961 to 2012, the annual variation of temperature in winter in Shaanxi and its mechanisms were analyzed by using EOF analysis, synthetic analysis, gaussian filtering, regression analysis, etc. The results showed the dominant spatial mode of winter temperature anomaly in Shaanxi during 1961-2012 was consistent in the whole area. During the cold winter in Shaanxi, there was a stable negative anomaly in western China on 500 hPa height field and a quasi-barotropic structure in vertical direction. The correlation between the West Pacific Pattern index (WP) and time coefficient of the EOF1 of winter temperature was the most significant. The sea surface temperature (SST) in middle and high latitudes might be a major forcing factor of affecting winter temperature in Shaanxi. When the sea surface temperature anomaly (SSTA) in the Northwestern Pacific was negative, and SST was significantly low in Kuroshio, tropical Indian Ocean and the North Atlantic, it was advantageous to low winter temperature in Shaanxi Province. The abnormal signals of SST in these key areas had obviously emerged in the previous summer and autumn, it had indicative significance for winter temperature prediction in Shaanxi.

winter temperature; sea surface temperature anomalies; teleconnection; Shannxi Province

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0604

2015-10-22；改回日期：2015-11-23

公益性行業(yè)(氣象)科研專項“近百年全球陸地氣候變化監(jiān)測技術與應用”(201206024)資助

王娜(1984-)，女，甘肅隴南人，碩士，高級工程師，主要從事氣候預測及氣候變化方面的研究. E-mail:wangna_na@163.com

1006-7639(2016)-04-0604-06DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0604

P332

A

王娜，王冀，王琦，等.陜西冬季氣溫變化特征及其成因[J].干旱氣象，2016，34(4)：604-609, [WANG Na, WANG Ji, WANG Qi, et al. Variation Characteristics of Winter Temperature and Mechanism Analysis in Shaanxi Province During 1961-2012[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):604-609],