西南地區(qū)冬季氣溫年代際變化及可能成因分析

鄭然，劉嘉慧敏，馬振峰

(1.四川省氣候中心，四川成都，610072；2.中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川成都610072；3.陜西省氣象臺，陜西西安721001)

1 引 言

近百年來，以變暖為主要特征的全球氣候變化已顯著展現(xiàn)，IPCC第五次報告指出，自1880—2012年，全球增暖0.85℃，過去30年是近1 400年來最暖的30年，此外，有學(xué)者指出[1]，自1998年以來，全球平均氣溫并沒有呈現(xiàn)出顯著上升，進(jìn)而提出全球變暖趨緩或進(jìn)入停頓期。然而，未來氣候變暖速度雖可能趨緩，但變暖的整體趨勢不會改變[2]，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，2016年冬季是我國1961年以來最暖的冬季，說明變暖仍在持續(xù)。我國氣溫變化與全球氣溫變化表現(xiàn)為趨勢上一致增暖，但有較強(qiáng)的區(qū)域性及季節(jié)性特征，在季節(jié)性特征中以冬季增暖最為顯著[3-4]。而作為連接長期氣候趨勢和年際變化的橋梁，年代際變化是月、季、年際氣候變化及其預(yù)測的背景[5]，因此正確認(rèn)識冬季氣溫的年代際特征及可能機(jī)理對于理解氣候增暖的本質(zhì)及有效預(yù)測冬季氣溫異常具有十分重要的意義。

我國西南地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地貌類型多樣，兼容高原、盆地、丘陵，特殊的地理位置造就了該區(qū)氣候變化具有顯著的區(qū)域性特征。西南地區(qū)年平均氣溫在1960年代—1980年代中期經(jīng)歷了一個由暖變冷的過程后，于1980年代后期開始呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢[6]，冬季氣溫亦是如此，在1980年代中期以前相對偏冷，而在以后，特別是1990年代中期后，顯著偏高[7]。近年來雖南方冰凍雨雪災(zāi)害多發(fā)，但從整體趨勢來看，冬季增暖仍在持續(xù)，這也說明西南地區(qū)冬季氣溫在年際變化基礎(chǔ)上存在明顯的年代際波動。

1990年代以來，在全球變暖背景下，從熱帶到中高緯，許多外強(qiáng)迫因子和環(huán)流因子發(fā)生了較明顯的年代際變化，如北極海冰急劇減少[8-9]，進(jìn)而引起阿留申低壓、西太副高等大氣環(huán)流變化[10]；熱帶海洋海溫持續(xù)正異常，信風(fēng)明顯減弱[11]，El Ni?o事件發(fā)生頻次增多，且其中以中部型El Ni?o事件多發(fā)[12]；此外北極濤動（AO）和北大西洋濤動（NAO）也存在顯著減弱趨勢[13]等，外強(qiáng)迫和環(huán)流系統(tǒng)的變化作用也使得區(qū)域氣候特征發(fā)生一定的變化，如1993年之后，南海地區(qū)冬春季降水增多，秋季降水減少[14]，華南季節(jié)降水分布型在1990年代初期發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)變[15]，青藏高原在1990年代中期存在更顯著的暖突變[16-17]等，而造成我國冬季氣溫年代際變化的直接原因是大氣環(huán)流和海洋海溫的演變[18-19]。本文利用西南地區(qū)氣象臺站資料，分析其冬季氣溫的年代際變化特征，并進(jìn)一步探討造成氣溫年代際變化的大氣環(huán)流和海洋的變化。

2 資料和方法

本文所用的數(shù)據(jù)包括：（1）全國氣象臺站逐月氣溫資料；（2）美國國家環(huán)境預(yù)報中心和美國國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）逐月位勢高度場、風(fēng)場等再分析數(shù)據(jù)[20]，水平分辨率為2.5°×2.5°；（3）英國Hadley中心的逐月海表面溫度（SST）數(shù)據(jù)[21]，水平分辨率為1°×1°。定義冬季為當(dāng)年12月—次年2月，研究時段為1970—2015年。本文對西南地區(qū)的分析主要為三省一市（四川省、云南省、貴州省、重慶市），共55個臺站。

本文主要采用的方法包括：經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）、滑動平均、回歸分析、合成分析及Mann-Kendall（M-K）檢驗等方法[22]。

3 西南地區(qū)冬季氣溫變化的時空變化特征

為分析我國西南地區(qū)冬季氣溫的時空分布特征，對西南地區(qū)1970—2015年共46個冬季（當(dāng)年12月—次年2月）的氣溫進(jìn)行EOF分析，得到主要空間模態(tài)和時間變化特征。EOF第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為55%，說明第一模態(tài)的信號較強(qiáng)，可以代表西南地區(qū)冬季平均氣溫的整體變化情況。從第一模態(tài)的空間分布可以看出（圖1a），西南地區(qū)冬季平均氣溫主要表現(xiàn)為全區(qū)一致正位相的特征，且大值區(qū)位于四川盆地及川滇黔交界處，即該區(qū)變溫幅度較大。從標(biāo)準(zhǔn)化的第一模態(tài)時間系數(shù)（PC1）（圖1b）結(jié)合模態(tài)分布可知，西南地區(qū)冬季氣溫表現(xiàn)為明顯的增暖態(tài)勢，同時疊加有明顯的年代際變化特征，在后文的分析中用PC1來代表西南地區(qū)冬季氣溫的變化情況。對PC1進(jìn)行M-K檢驗（圖1c），由UF曲線可見，自1980年代以來，西南地區(qū)冬季平均氣溫有明顯增暖趨勢，進(jìn)入21世紀(jì)后，這種增暖趨勢超過0.05顯著性水平的臨界線，表明西南地區(qū)氣溫的上升趨勢是十分顯著的。根據(jù)UF和UB曲線的交點位置，可以得到在1993年左右西南地區(qū)冬季氣溫發(fā)生了暖突變，滑動t檢驗（圖略）也得到一致的結(jié)果。此外，采用再分析資料中的地表氣溫（SAT）提取西南區(qū)域冬季氣溫，進(jìn)行EOF和突變年檢驗（圖略），也可以得到相同的結(jié)果。因此，西南地區(qū)冬季氣溫在持續(xù)升高過程中于1990年代前期發(fā)生暖突變，即在1970—1992年冬季氣溫偏低，而后期1993—2015年冬季偏暖。

對比冷暖期氣溫的差異（暖期減去冷期）（圖2a）可以看出，除貴州中部部分地區(qū)存在年代際變冷外，西南地區(qū)大部均表現(xiàn)為顯著的年代際增暖，其中川西高原和云南地區(qū)增溫幅度較大，這一結(jié)果與丁一匯等[16]、鄭然等[17]結(jié)果一致，海拔較高的地區(qū)增暖更加顯著?？梢姡髂系貐^(qū)冬季氣溫在1990年代前期的確發(fā)生了顯著的年代際變化。

4 與西南地區(qū)冬季氣溫年代際變化相關(guān)的大氣環(huán)流異常特征

東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)是影響我國冬季氣溫的主要環(huán)流系統(tǒng)，其中，海平面氣壓（SLP）場上的西伯利亞高壓，500 hPa位勢高度場的東亞大槽，以及高層200 hPa上的東亞副熱帶西風(fēng)急流，冬季風(fēng)[23]等，這些系統(tǒng)相互作用，相互影響，共同影響我國冬季氣溫。為探討造成西南地區(qū)冬季氣溫年代際變化的同期大氣環(huán)流異常特征，對海平面氣壓場、500 hPa位勢高度場和200 hPa緯向風(fēng)場進(jìn)行合成差值，結(jié)果均為1993—2015年與1970—1992年的差值（前者減后者）。從SLP場（圖3a）可以看出，西伯利亞地區(qū)存在顯著的正異常中心，這與1990年代以來西伯利亞高壓呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢一致[24]，使得冷空氣加強(qiáng)積聚，在利于其南下的形勢場作用下會造成我國部分地區(qū)氣溫偏低及寒潮等天氣[25]，但從500 hPa位勢高度場差值圖來看（圖3b），相比偏冷期，偏暖期為大范圍正距平控制，在低緯及極地地區(qū)均存在顯著正異常，大氣以緯向環(huán)流為主，經(jīng)向擾動弱，東亞大槽偏弱，不利于冷空氣南下，另外從冷暖年的5 860線可以看出（實線為偏冷年，虛線為偏暖年），相比冷期，暖期的西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)（暖期存在5 880線，冷期不存在），西伸脊點明顯偏西。副高的偏強(qiáng)偏西使西南地區(qū)受下沉氣流控制，這一點可從垂直剖面圖（圖3d）中可以看出，氣流下沉增溫，造成晴朗少雨，冬季偏暖。另外，從200 hPa緯向風(fēng)場差值來看（圖3c），偏暖期東亞副熱帶急流偏強(qiáng)偏北，這使得經(jīng)向擾動減弱，極地冷空氣被迫盤踞在高緯[26]，不能南下入侵西南地區(qū)，造成西南地區(qū)冬季偏暖。綜合以上分析可以看出，西伯利亞高壓的加強(qiáng)造成冷空氣的聚集、加強(qiáng)，但由于副熱帶西風(fēng)急流的顯著加強(qiáng)，東亞大槽偏弱，緯向環(huán)流不利于冷空氣持續(xù)南下，同時西太副高加強(qiáng)偏西，西南地區(qū)上空下沉氣流加強(qiáng)，從而造成西南地區(qū)氣溫偏高。

圖1 西南地區(qū)1970—2015年冬季平均氣溫EOF第一模態(tài)空間分布（a）及其標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)（b）及標(biāo)準(zhǔn)化PC1的M-K突變點檢驗（c，實直線為α=0.05顯著性水平臨界值）

圖2 西南地區(qū)冬季暖期減去冷期的平均氣溫差值分布 單位：℃。

5 西南地區(qū)冬季氣溫年代際變化的可能原因

如前文所述，西南地區(qū)冬季氣溫在1990年代前期的年代際變化與歐亞大陸中高緯環(huán)流異常密切相關(guān)，而冬季風(fēng)主要是海陸熱力差異的產(chǎn)物，因此海洋外強(qiáng)迫在氣溫的年代際變化中起著重要作用。由于海洋的巨大熱容量，使其成為具有較長時間尺度記憶能力的緩變因子[27]，可引起局地大氣環(huán)流的年代際變化[28]，因此其對氣溫的強(qiáng)迫尤為顯著，后文我們將從海溫對大氣環(huán)流的調(diào)整方面進(jìn)一步分析。

圖3 暖期與冷期海平面氣壓場（a，單位：gpm）、500 hPa高度場（b，黑色實線為冷期5 860線，黑色虛線為暖期5 860線，單位：gpm）、200 hPa緯向風(fēng)場（c，黑色實線為氣候平均態(tài)的40 m/s風(fēng)速線，單位：m/s）、沿104°E垂直剖面（d，陰影為高原地形，單位：Pa/s）合成差值圖（a、b、c陰影代表正負(fù)異常，暖色為正異常，冷色為負(fù)異常，星號為 30～180 °E，0～60 °N范圍內(nèi)通過 0.05的顯著性檢驗）

海溫是最主要的大氣下墊面熱力強(qiáng)迫，它通過感熱和潛熱異常，影響上空大氣熱源異常，進(jìn)一步使得大氣環(huán)流發(fā)生變化[29]，因此前期海溫對冬季氣溫變化有重要影響。我們對1970—1992年和1993—2015年前期夏、秋季全球SST進(jìn)行合成差值并檢驗，由圖4可見，印度洋、西北太平洋、北大西洋海溫均表現(xiàn)為顯著的年代際增暖，說明這些海域的SST在1990年代前期后增暖顯著，為尋找海溫對西南地區(qū)冬季氣溫年代際變化特征的可能影響，進(jìn)一步對不同季節(jié)不同區(qū)域選取海溫關(guān)鍵區(qū)，進(jìn)行EOF分析和突變年檢驗，分析其年代際變化特征。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夏季熱帶西太平洋海溫關(guān)鍵區(qū)（120 ～160 °E，10 °S～20 °N）第一模態(tài)表現(xiàn)為該區(qū)SST具有全區(qū)一致變化特征，表明該區(qū)海溫存在一致降溫或升溫（圖5a）。特別地，對其相應(yīng)時間序列進(jìn)行M-K檢驗（圖5b），發(fā)現(xiàn)該區(qū)海溫在1980年代開始增暖，并于1990年代末超過顯著性水平，在1993年左右存在突變點，結(jié)合海溫模態(tài)可知，夏季熱帶西太平洋海溫關(guān)鍵區(qū)在1990年代初期發(fā)生了暖突變，這與冬季西南地區(qū)氣溫主模態(tài)突變時間一致，計算二者主模態(tài)的時間序列的相關(guān)系數(shù)為0.4，通過了0.01顯著性檢驗。且秋季關(guān)鍵區(qū)海溫依舊處于年代際增暖，可見，夏季熱帶西太平洋海溫與冬季西南地區(qū)氣溫有顯著聯(lián)系，但二者究竟有何內(nèi)在聯(lián)系？前期夏季熱帶西太平洋海溫關(guān)鍵區(qū)暖突變是如何影響冬季西南地區(qū)氣溫年代際轉(zhuǎn)折呢？這將在下文作進(jìn)一步討論。

圖4 暖期與冷期前期夏季（a）、秋季（b）海溫場差值圖（陰影為通過0.05以上的顯著性檢驗，單位:℃）

圖5 1970—2015年西太平洋關(guān)鍵區(qū)夏季SST EOF第一模態(tài)空間分布型（a）、第一模態(tài)時間系數(shù)的M-K突變點檢驗（b，實直線為α=0.05顯著性水平臨界值）

為進(jìn)一步驗證夏季熱帶西太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫對冬季西南地區(qū)氣溫年代際轉(zhuǎn)折的影響，并探究其對氣溫突變的可能影響機(jī)制，對夏季熱帶西太平洋海溫PC1進(jìn)行9年滑動平均，濾去年際變化，回歸冬季200 hPa緯向風(fēng)場、冬季500 hPa高度場及秋冬季700 hPa風(fēng)場，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖6），與冷暖期環(huán)流差值場一致，在200 hPa緯向風(fēng)場回歸圖上可以看出，冬季急流平均態(tài)位于27.5°N附近，而在此位置附近為西風(fēng)異常，使得西風(fēng)急流加強(qiáng)，這會進(jìn)一步減弱大氣環(huán)流中的經(jīng)向擾動，不利于高層冷空氣南下。在500 hPa高度場上，東亞沿岸正異常有利于東亞大槽偏弱，中低緯高度場正異常，有利于西太副高偏強(qiáng)，這與前文中西南地區(qū)偏暖期與偏冷期的500 hPa合成差值場基本一致。此外對國家氣候中心提供的140項環(huán)流指數(shù)中的西太副高西伸脊點指數(shù)進(jìn)行分析，對其中沒有5 880線造成指數(shù)為零的年份，參考劉蕓蕓等[30]的指數(shù)重建，替代為采用該月1970—2016年歷史最大值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)副高西伸脊點確實在1990年代中前期出現(xiàn)年代際偏西突變，這證實了上述的推斷。在700 hPa風(fēng)場上可以看到，秋季開始，在貝加爾湖西側(cè)附近存在異常的氣旋式環(huán)流，其西側(cè)偏北氣流攜帶冷空氣南下過程中，受到青藏高原大地形阻擋轉(zhuǎn)為偏南氣流，使得冷空氣不能到達(dá)西南地區(qū)，這種形勢維持到冬季。特別注意到，由于前期夏季關(guān)鍵區(qū)海溫的暖強(qiáng)迫，釋放凝結(jié)潛熱，相對于大氣是一個熱源，秋季，在其西北側(cè)和西南側(cè)產(chǎn)生了異常的氣旋式環(huán)流，冬季進(jìn)一步加強(qiáng)，這是非絕熱加熱引起的赤道Rossby波響應(yīng)，符合GILL[31]提出的響應(yīng)模型，而西南地區(qū)恰好在西北側(cè)氣旋式環(huán)流的偏東偏南的暖濕氣流中。此外，對冬季整層溫度平流進(jìn)行回歸(圖6e)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冬季西南地區(qū)大部均受暖平流影響，而冬季在貴州部分地區(qū)存在冷平流。綜上分析可見，當(dāng)前期夏季熱帶西太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫發(fā)生暖突變后，由于大氣對其的響應(yīng)，在其西北側(cè)激發(fā)了異常的氣旋式環(huán)流，準(zhǔn)GILL態(tài)模型使得西南地區(qū)恰好處于偏東偏南的暖濕氣流中，有利于冬季西南氣溫的暖突變。此外，由于中高緯較強(qiáng)的緯向環(huán)流以及異常西伸加強(qiáng)的西太副高，不利于北方冷空氣南下，而使西南地區(qū)處于暖平流影響下，因而造成了冬季西南地區(qū)氣溫的年代際變暖。

圖6 冬季200 hPa異常緯向風(fēng)場（a，黑色線為緯向風(fēng)場距平回歸系數(shù)，綠線為氣候平均態(tài)的40 m/s的風(fēng)速線，單位：m/s）、冬季 500 hPa異常高度場（b，單位：gpm）、秋（c）、冬（d）季 700 hPa異常風(fēng)場（單位：m/s）、冬季整層溫度平流（e，單位：℃/s）回歸到9年平滑的夏季西太平洋海溫第一模態(tài)時間系數(shù)（陰影為通過0.05的顯著性檢驗）

6 結(jié)論與討論

本文以西南地區(qū)1970—2015年共46年冬季氣溫變化為研究對象，分析了西南地區(qū)冬季氣溫的年代際變化特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了引起氣溫年代際變化的大氣環(huán)流及海洋海溫的變化，得到以下結(jié)論。

（1）西南地區(qū)冬季氣溫存在顯著的年代際變化，于1990年前期發(fā)生暖突變，在研究時段內(nèi)，1970—1992年為冷期，1993—2015年為暖期，且高海拔地區(qū)的增暖幅度更大。

（2）對比冷暖期的環(huán)流場可以發(fā)現(xiàn)，相較于冷期，暖期的環(huán)流以緯向環(huán)流為主，西風(fēng)急流偏強(qiáng)偏北，東亞大槽淺薄，不利于冷空氣南下，且副高偏強(qiáng)偏西使得西南地區(qū)受下沉氣流控制增溫，進(jìn)而使得冬季氣溫偏高。

（3）前期夏季熱帶西太平洋海溫與西南冬季氣溫存在一致年代際變化，當(dāng)前期夏季熱帶西太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫發(fā)生暖突變后，大氣產(chǎn)生響應(yīng)，在其西北側(cè)激發(fā)了異常的氣旋式環(huán)流，這種準(zhǔn)GILL態(tài)使得西南地區(qū)恰好處于偏東偏南的暖濕氣流中，有利于冬季西南氣溫的暖突變。此外，由于中高緯較強(qiáng)的緯向環(huán)流以及異常西伸的西太副高，不利于北方冷空氣南下，而使西南地區(qū)處于暖平流影響下，因而造成了冬季西南地區(qū)氣溫的年代際變暖。

值得注意的是，影響冬季氣溫年代際變化的因素還有很多，本文僅從海溫角度出發(fā)探討其通過與大氣的耦合過程影響西南冬季氣溫的變化。此外還應(yīng)考慮海冰、積雪等外強(qiáng)迫所帶來的影響，這有待后期進(jìn)一步研究。