中國華北地區(qū)冬季降水異常特征及其與大氣環(huán)流和海溫的關系

孫照渤　劉華　倪東鴻

摘要利用1951—2012年中國冬季160站降水資料、NCEP/NCAR再分析資料及NOAA海溫資料，分析了中國華北地區(qū)冬季降水的異常變化特征及其與大氣環(huán)流和海溫的關系。結果表明：華北地區(qū)冬季降水主要呈現(xiàn)為全區(qū)一致變化的特征，且年際變率較大，具有2～4 a的年際變化周期。降水異常偏多（少）年，西伯利亞高壓偏弱（強），阿留申低壓偏弱（強），850 hPa上華北地區(qū)盛行的西北風較弱（強），控制該地區(qū)的東亞冬季風偏弱（強），該地區(qū)有偏南（北）風距平，500 hPa上東亞槽脊系統(tǒng)偏弱（強）。影響華北地區(qū)冬季降水的異常水汽主要來源于南海及其以東的西太平洋。前期夏季日本以東的西風漂流區(qū)、同期冬季近海的黃渤海區(qū)域的海溫均與中國華北地區(qū)冬季降水存在顯著的正相關關系。

關鍵詞華北；冬季降水；大氣環(huán)流；水汽輸送；海面溫度

中國冬季的降水量不如夏季多，對冬季降水的研究就相對較少。一方面，東亞冬季風控制下的地區(qū)氣候干冷，冬季降水在全年降水中所占比重偏?。涣硪环矫?，冬季降水異常往往不會像夏季那樣引起巨大的洪澇災害，其受關注程度就相對較低。事實上，冬季降水異常有極其重要的影響：降水的多寡會直接影響農作物生長及來年農業(yè)產(chǎn)量（Gao and Yang，2009）；冬季降水偏少時，會造成冬旱，嚴重影響人們的生活，冬季降水偏多時，在冬季氣溫普遍偏低的情況下，降水以雪或凍雨的形式出現(xiàn)時，會極大地影響人們的交通出行，甚至威脅到生命安全（陶詩言和衛(wèi)捷，2008）。

近年來關于中國冬季降水變化的研究較多。Xu and Chan（2002）分析了中國冬季降水的空間區(qū)域分布和時間演變特征，指出中國不同區(qū)域的冬季降水存在明顯的年際和年代際變化特征；王林和馮娟（2011）指出，中國冬季降水年際變化的主要模態(tài)呈現(xiàn)出長江以南地區(qū)一致變化的特征；朱志偉和花振飛（2010）利用REOF方法研究了華北不同地理區(qū)域冬季降水的空間分布和時間變化特征。

中國冬季降水的變化受到很多因素的影響。施能（1996）指出，中國冬季降水在強冬季風年偏少、弱冬季風年偏多；Chen et al.（2009）通過分析多個東亞冬季風指數(shù)證實了該結果。曾劍等（2010）指出，中國南方的冬季降水對東亞冬季風有很顯著的區(qū)域性響應，并隨著冬季風加強而變得更加明顯。很多學者在研究冬季降水的環(huán)流特征時指出，有利于冬季降水偏多的環(huán)流特征是東亞槽脊系統(tǒng)偏弱（張自銀等，2008）、東亞高空急流偏弱（毛睿等，2007）、200 hPa上中東急流異常偏強（倪東鴻等，2010）等，且孟加拉灣地區(qū)的南支槽也是冬半年影響東亞的主要天氣系統(tǒng)（索渺清和丁一匯，2009）。水汽條件是冬季降水形成的重要條件，影響中國南部冬季降水的水汽來源主要是孟加拉灣和南海（李秀珍等，2010；張萬誠等，2011；陳穎曼等，2013）。

海溫變化對中國冬季降水也有重要影響。彭京備（2012）認為，冬季東印度洋海溫與同期江南—華南降水呈顯著的正相關關系；王林和馮娟（2011）指出，赤道中東太平洋海面溫度（sea surface temperature，SST）對中國冬季降水的主模態(tài)變化有一定的預示意義；李忠賢和孫照渤（2004）、趙斐苗等（2007）認為，冬季黑潮區(qū)海溫與中國部分地區(qū)的降水存在較好的相關關系。

綜上所述，有關中國冬季降水的研究多集中在冬季降水量較大的南方地區(qū)，而對北方地區(qū)冬季降水的研究并不多見。然而，北方地區(qū)冬季降水的異常變化也非常重要。因此，本文主要研究華北地區(qū)冬季降水的時空演變特征，并分析其與大氣環(huán)流及海溫的關系，為華北冬季降水的氣候預測提供一定依據(jù)。

1資料和方法

采用的資料有：1）中國氣象局發(fā)布的全國160站逐月降水資料，時段為1951年1月到2013年2月。2）NCEP/NCAR全球逐月再分析資料，水平分辨率為25°×25°，垂直方向為17層，時段為1948年1月到2013年2月，包括氣壓場、位勢高度場、風場、比濕場等。3）NOAA海面溫度逐月資料，水平分辨率為2°×2°。文中所用方法均為常見的統(tǒng)計診斷方法，如EOF分析、合成分析、相關分析等，并使用t檢驗方法（魏鳳英，2007）。文中冬季是指當年12月至次年2月。

2華北冬季降水的變化特征及指數(shù)

21華北冬季降水的變化特征

中國冬季降水的整體分布特征是總降水量從東南向西北遞減，降水中心位于長江以南的江南到華南地區(qū)；冬季降水標準差的空間分布與總降水量的分布類似，但大值中心位于東南沿海地區(qū)（圖略）。由冬季降水距平百分率標準差分布（圖1）可見，大值區(qū)位于中國的北方地區(qū)，說明盡管中國北方冬季降水的平均值較小，但降水的年際變率卻較大。因此本文選取中國105°E以東地區(qū)120站的冬季降水距平百分率進行EOF分析，前3個模態(tài)的方差貢獻率依次為269%、109%、91%。EOF第一模態(tài)的空間分布表現(xiàn)為中國東部全區(qū)一致變化的特征，中心位于華北地區(qū)（圖2a）；其時間系數(shù)具有明顯的年際變化特征，周期為2～4 a（圖2b）。鑒于北方降水年際變率較大的特點（圖1），以及中國東部降水具有以華北為中心的全區(qū)一致變化的特征（圖2a），本文選取華北地區(qū)作為研究區(qū)域，并挑選圖2a中19個較大值站點代表中國華北地區(qū)，在此基礎上進一步研究華北地區(qū)冬季降水的年際變化特征。

22華北冬季降水指數(shù)

對所選19站（圖3b）逐年冬季降水距平百分率求算術平均，并對逐年算術平均值作標準化處理，定義該標準化值為華北地區(qū)冬季降水指數(shù)（winter precipitation index，WPI），結果如圖3a所示。WPI表示華北地區(qū)冬季降水的整體情況，WPI與EOF1時間系數(shù)的相關系數(shù)高達09。根據(jù)WPI的大小，定義大于（小于）1個正（負）標準差的年份為降水偏多（少）年，降水偏多年有12 a（1953、1958、1963、1971、1974、1975、1978、1988、1989、1997、2000、2002年），偏少年有10 a（1960、1962、1967、1976、1980、1982、1983、1993、1995、1998年）。

3華北冬季降水偏多年和偏少年的環(huán)流形勢

華北地區(qū)冬季降水的異常變化必然受到大氣環(huán)流異常的影響。對不同高度的環(huán)流要素場進行合成分析，以探討影響華北地區(qū)冬季降水偏多、偏少的環(huán)流形勢。

31海平面氣壓場

降水偏多年（圖4a、c），華北地區(qū)為負距平，日本海及其以東的西太平洋為顯著正距平；位于西伯利亞的大陸冷高壓中心偏北，影響范圍偏北且強度偏弱，對華北影響較??；阿留申低壓中心強度偏弱，且位置偏東偏北。相較于常年，華北地區(qū)受西北方干冷空氣的影響較小，而受到來自南方和近海系統(tǒng)的影響較大。降水偏少年（圖4b、d），華北地區(qū)為正距平，日本海及其以東的西太平洋為顯著負距平；西伯利亞冷高壓中心強度偏強，影響范圍偏南。西伯利亞冷高壓強度偏強，阿留申低壓在日本北部及其以東地區(qū)得到加強，中國華北地區(qū)受到來自西北方向強冷空氣的影響較大，使得該地區(qū)冬季氣候更加干冷。

32500 hPa位勢高度場

比較圖5a和圖5b發(fā)現(xiàn)：華北地區(qū)冬季降水偏多年，東亞大槽強度偏弱，位置偏東偏北，北太平洋上為寬闊槽區(qū)，此時東亞大槽對華北地區(qū)的影響偏弱，同時烏拉爾山脊的強度也偏弱；降水偏少年，東亞大槽強度偏強，位置偏南，烏拉爾山脊的強度偏強。

圖5c表明，降水偏多年，華北地區(qū)為正距平，日本海南部及其以東洋面為顯著正距平，烏拉爾山到巴爾喀什湖以北為顯著負距平，鄂霍次克海及其以北地區(qū)為負距平。距平場的分布形勢表明，槽區(qū)填塞減弱，烏拉爾山脊區(qū)強度偏弱，說明華北地區(qū)受中緯度阻塞環(huán)流系統(tǒng)的影響偏弱，而華北地區(qū)位于槽后脊前，西北氣流偏弱，其上空為平直的偏西風。此時，華北地區(qū)受南方和近海系統(tǒng)的影響較常年大，冬季近海海面的暖濕氣流與西北方向冷空氣容易在華北地區(qū)發(fā)生交匯。

圖5d表明，降水偏少年，華北地區(qū)為負距平，日本海為顯著負距平，整個歐亞大陸高緯為正距平，兩個正距平中心分別位于巴爾喀什湖以北和鄂霍次克海北面。此時，華北地區(qū)位于槽后脊前，偏強的東亞大槽和烏拉爾山脊對華北的影響較強，使得華北地區(qū)上空有偏強的西北氣流，引導西北方向的干冷空氣南侵并影響華北地區(qū)，導致該地區(qū)氣候較常年干冷。

33850 hPa風場

由圖6a、b可見，中國華北地區(qū)主要受東亞冬季風控制，盛行偏西北風，但在降水偏少年，華北地區(qū)的西北風偏強。

圖6c表明，華北地區(qū)有東南風距平，說明在降水偏多年，東亞冬季風偏弱；從日本海到中國東北地區(qū)有明顯的反氣旋式環(huán)流距平，顯著的偏南風距平從中國南方向華北發(fā)展，與東部沿海向西北方向發(fā)展的偏南風距平合并加強，使得華北地區(qū)產(chǎn)生顯著的異常偏南風距平。在降水偏多年，該風場形勢不但有利于將來自中國南海及其以東的西太平洋的水汽向中國華北地區(qū)輸送，而且有利于近海海面的暖濕氣流與西北方向的小股冷空氣在此發(fā)生交匯。

圖6d表明，鄂霍次克海到中國東北以及日本海地區(qū)有顯著的氣旋式環(huán)流距平，其西側的異常偏北風距平影響中國華北地區(qū)，使得中國華北地區(qū)表現(xiàn)為異常的偏北風距平。在降水偏少年，控制華北地區(qū)的東亞冬季風加強，導致冷空氣向南發(fā)展影響華北地區(qū)，且距平風場的形勢不利于水汽向華北地區(qū)輸送，導致華北地區(qū)氣候更加干冷。

綜上所述，華北地區(qū)冬季降水偏多年，西伯利亞高壓和阿留申低壓偏弱，且冷高壓中心影響偏北，較常年而言，華北地區(qū)受西北方向冷空氣影響較小，受到來自南方和近海系統(tǒng)的影響較大；低層850 hPa風場上，華北地區(qū)為異常偏南風距平，且有來自東亞沿海向華北地區(qū)的異常東南風距平；對流層中層，500 hPa位勢高度場上東亞槽脊系統(tǒng)偏弱，華北位于槽后脊前，其上空的西北氣流偏弱，有來自西北方的小股冷空氣與來自海面的暖濕氣流在華北地區(qū)發(fā)生交匯。而在華北地區(qū)冬季降水偏少年，其環(huán)流形勢則相反。

4華北冬季降水偏多年和偏少年的水汽輸送

華北地區(qū)冬季受到北方干冷空氣的影響，空氣濕度相對較低，因而水汽條件在華北地區(qū)冬季降水的形成過程中就顯得尤為重要。

降水偏多年，華北地區(qū)為水汽輻合區(qū)，且向北的水汽通量距平經(jīng)中國南方指向華北地區(qū)，提供了利于華北地區(qū)降水的水汽條件（圖7a）。降水偏少年，其情形與降水偏多年情形幾乎相反，華北地區(qū)為水汽輻散區(qū)，且華北為向南的水汽輸送距平，說明華北地區(qū)水汽輸送較常年小，水汽條件較弱（圖7b）。

上述分析表明，影響華北地區(qū)冬季降水的異常水汽輸送通道主要有兩條：一條自南海向北經(jīng)中國南方地區(qū)向華北輸送；另一條來自南海以東的西太平洋，向北輸送至華北地區(qū)。

5華北冬季降水與海溫的關系

大氣環(huán)流異常是與海溫等大氣外強迫的變化相聯(lián)系的，因此分析與中國華北地區(qū)冬季降水相聯(lián)系的海溫變化，對進一步認識華北地區(qū)冬季降水異常的成因有幫助，且對華北地區(qū)冬季降水和環(huán)流變化的預測有重要意義。本文將分析與華北地區(qū)冬季降水相關的海溫分布情況。

圖8給出了中國華北地區(qū)冬季62 a降水指數(shù)序列與前期和同期海溫的相關系數(shù)分布。由圖8a可見，夏季日本以東的西風漂流區(qū)海溫與中國華北地區(qū)降水為顯著的正相關關系，阿拉伯海及孟加拉灣北部為顯著的負相關區(qū)。由圖8b可見，除北太平洋的東部區(qū)域外，大部分區(qū)域的海溫與華北冬季降水沒有很好的相關性。由圖8c可見，與華北地區(qū)冬季降水具有顯著正相關關系的海溫關鍵區(qū)位于中國近海的渤海、黃海以及日本海南部區(qū)域。

為了進一步分析前期夏季和同期冬季海溫分布與中國華北地區(qū)冬季降水的關系，選取圖8a、c中顯著相關區(qū)（前期夏季海溫的顯著相關區(qū)為148～164°E、32～38°N，同期冬季海溫的顯著相關區(qū)為125～135°E、32～42°N）的海溫，求其區(qū)域平均并作標準化處理，得到前期夏季日本以東的西風漂流區(qū)海溫的62 a變化序列Isum，以及同期冬季中國近海的黃渤海地區(qū)和日本海部分海域海溫的62 a變化序列Iwin，并將它們與華北地區(qū)冬季降水指數(shù)做比較（圖9）。

圖9a給出了華北冬季降水指數(shù)序列和前期夏季日本以東的西風漂流區(qū)海溫變化序列，它們的相關系數(shù)為034，通過了001信度的顯著性檢驗，表明前期夏季日本以東的西風漂流區(qū)海溫偏暖（冷）時，華北地區(qū)冬季降水偏多（少）。圖9b給出了華北冬季降水指數(shù)序列和同期冬季近海的海溫變化序列，它們的相關系數(shù)為037，通過了001信度的顯著性檢驗，表明冬季中國近海的海溫偏暖（冷）時，華北地區(qū)冬季降水偏多（少）；在20世紀60年代中期至80年代初期，兩序列的相關系數(shù)達084，說明二者在該階段的正相關關系尤為顯著。

研究認為赤道中東太平洋的海溫是影響我國東部冬季降水多少的主要因素（王林和馮娟，2011），而華北地區(qū)冬季降水與厄爾尼諾的關系并不顯著（王群英和龔道溢，1999），更多是受北太平洋海溫影響（王宏等，2013）。在此基礎上，本文提出了前期夏季日本以東的西風漂流區(qū)以及同期近海的海溫是影響我國華北冬季降水的重要因素的觀點。而有關前期夏季日本以東的西風漂流區(qū)和同期冬季近海的海溫對中國華北冬季降水的影響機制還有待進一步探討。

6結論

根據(jù)中國東部冬季降水的空間分布，選取降水變率較大的華北地區(qū)進行研究，分析了華北地區(qū)降水偏多、偏少年環(huán)流形勢和水汽輸送特征的差異，以及海溫變化對華北地區(qū)冬季降水的影響，得到以下結論：

1）華北地區(qū)冬季降水主要呈現(xiàn)為全區(qū)一致變化的特征，且年際變率較大，具有2～4 a的年際變化周期。

2）華北地區(qū)冬季降水偏多（少）年，在海平面氣壓場上，西伯利亞高壓偏弱（強），阿留申低壓偏弱（強），來自西北的冷空氣對華北地區(qū)的影響較弱（強）；在850 hPa風場上，華北地區(qū)盛行的西北風較弱（強），控制該地區(qū)的東亞冬季風偏弱（強），華北地區(qū)有偏南（北）風距平；在500 hPa位勢高度場上，東亞大槽偏弱（強），烏拉爾山脊偏弱（強），中緯度阻塞環(huán)流系統(tǒng)偏弱（強），華北位于槽后脊前，高空為平直的偏西氣流（強盛的西北氣流）。上述大氣環(huán)流形勢導致華北地區(qū)受西北冷空氣影響較弱（強），有利于降水偏多（少）。

3）影響華北地區(qū)冬季降水的異常水汽輸送通道主要有兩條：一條自南海向北經(jīng)中國南方地區(qū)向華北輸送；另一條來自南海以東的西太平洋，向北輸送至華北地區(qū)。

4）前期夏季日本以東的西風漂流區(qū)、同期冬季近海的黃渤海海域的海溫與華北地區(qū)冬季降水存在顯著的正相關關系。

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It is of great importance to study winter precipitation because it can directly affect agricultural production and public travel，and even threaten human safety.For lack of researches on winter precipitation，especially in North China，this paper mainly focuses the distribution and evolution of winter precipitation in North China.Based on the winter precipitation data at 160 stations in China，the NCEP/NCAR reanalysis data and the NOAA ERSST data during 1951/1952—2012/2013，the characteristics of winter precipitation anomaly in North China and its relationship to atmospheric circulation and sea surface temperature（SST） are studied.Common statistical methods including EOF reanalysis，synthesis analysis and correlation analysis are effectively used.The overall characteristics of winter precipitation indicates that although the total amount of precipitation is small，the precipitation variability is large in North China.EOF analysis results show that there are characteristics of uniform change of the whole area for winter precipitation in North China，and the interannual variability is large，with 2—4 years period.Based on the winter precipitation index defined by the data of 19 representative stations in North China，the more and less winter precipitation years are obtained.During the more（less） precipitation years，Siberian high is weaker（stronger），Aleutian low is weaker（stronger），and the northwest cold air is also weaker（stronger）.At 850 hPa，the prevalent northwest wind in North China is weaker（stronger），East Asian winter monsoon dominating North China is weaker（stronger） simultaneously，and the southerly（northerly） wind anomaly also exists in North China.At 500 hPa，East Asian trough and Ural ridge are both weaker（stronger），the blocking system in midlatitudes is weaker（stronger），and the flat westerly current（strong northwest wind） anterior the ridge takes control.Furthermore，two dominating water vapor transport channels that affect North China winter precipitation are found：one from South China Sea，and the other from the western Pacific to the east of South China Sea.The relationship between North China winter precipitation anomaly and sea surface temperature is also studied.The significant positive correlation between North China winter precipitation and previous summer（contemporaneous winter） SST locates in the westerly drift region to east of Japan（the Yellow Sea and Bohai Sea region）.

North China；winter precipitation；atmospheric circulation；water vapor transport；sea surface temperature

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20150325002

（責任編輯：劉菲）