中國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率特征及環(huán)流分析*

申紅艷 溫婷婷 封國林 李紅梅 喬少博 段麗君

1 蘭州大學(xué)大氣科學(xué)院，蘭州 730000 2 青海省氣候中心，西寧 810001 3 國家氣候中心，中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 4 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室,珠海 519082

提 要： 利用中國冬季逐日平均氣溫均方差作為氣溫季節(jié)內(nèi)變率指標(biāo)，分析其變化特征并探討引起季節(jié)內(nèi)變率異常的環(huán)流背景。結(jié)果表明，中國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率總體呈減弱趨勢，對氣候增暖趨勢響應(yīng)明顯，其年代際變化和東亞冬季風(fēng)年代際轉(zhuǎn)折時間相吻合。當(dāng)氣溫季節(jié)內(nèi)變率異常偏強(qiáng)時，冬季平均環(huán)流場上呈類似準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，平流層極渦偏弱，對流層中高緯呈類似斯堪的納維亞遙相關(guān)型分布，低層西伯利亞高壓偏強(qiáng)，北大西洋濤動(NAO)為負(fù)位相；NAO同我國東部氣溫變率聯(lián)系密切，進(jìn)一步分析揭示出NAO是通過影響西伯利亞高壓的高頻變化來作用于氣溫季節(jié)內(nèi)變率。最后，通過提取天氣—次季節(jié)—季節(jié)不同時間尺度上的大氣環(huán)流內(nèi)部變率，發(fā)現(xiàn)在各個尺度上，氣溫季節(jié)內(nèi)變率均受西伯利亞高壓和東亞冷渦的調(diào)控作用；尤其在天氣尺度上，阿留申低壓頻繁波動及上游歐洲脊的穩(wěn)定少動與氣溫變率有密切聯(lián)系，季節(jié)尺度上歐亞阻塞高壓和鄂霍次克海阻塞高壓異常對氣溫變率有顯著影響。

引 言

政府間氣候變化專門委員會第五次評估報(bào)告(IPCC，2014)指出，自上世紀(jì)中期以來，全球年平均氣溫上升了0.8℃左右，尤以冬季北半球中高緯地區(qū)增暖最明顯。因而暖冬成為普遍關(guān)注的一個熱點(diǎn)問題，但在暖冬里，寒冷的音符并未休止，21世紀(jì)以來伴隨東亞冬季風(fēng)再次轉(zhuǎn)強(qiáng)(梁蘇潔等，2014)，大規(guī)模寒潮、暴雪頻繁侵襲歐亞和北美大陸，極端低溫事件頻發(fā)，全球氣候似乎又進(jìn)入一個新的波動階段。

值得注意的是，近年來一些觀測事實(shí)表明，中國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)差異明顯，前冬和后冬冷暖異常急轉(zhuǎn)的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)：如2001年前冬(2001年12月)全國一致偏冷，后冬(2002年1—2月)轉(zhuǎn)為偏暖；2007/2008年的情況則與2001/2002年相反：前冬整體偏暖，而后冬異常偏冷，并發(fā)生了歷史罕見的低溫雨雪冰凍災(zāi)害(丁一匯等，2008；王東海等，2008；布和朝魯?shù)龋?018)；2014/2015年前、后冬出現(xiàn)冷-暖轉(zhuǎn)折以及2015/2016年前、隆冬出現(xiàn)暖-冷急轉(zhuǎn)現(xiàn)象(司東等，2016；聶羽等，2016)等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，前冬出現(xiàn)全國性偏暖(冷)或北冷(暖)南暖(冷)的氣溫異常時，而后冬出現(xiàn)類似和相反氣溫異常的概率分別在50%左右(韋瑋等，2014)，從預(yù)測角度來講具有較大不確定性，給實(shí)際業(yè)務(wù)會帶來一定困擾和難度。與此同時，北半球前、后冬氣溫變化趨勢也呈現(xiàn)明顯非對稱性(董文杰等，2003；Cohen et al，2014)：前冬呈增溫趨勢，而后冬則為中性或降溫的反轉(zhuǎn)趨勢；黃嘉佑和胡永云(2006)也曾指出，中國內(nèi)陸前冬和后冬的氣溫變化也存在不同的趨向性，且這種趨勢與整個冬季平均的趨勢是不同的。Wei et al(2011)利用月平均冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的隔月差定義季風(fēng)變化的傾向指數(shù)(MTI)，描述冬季風(fēng)演變過程，1月前為正而進(jìn)入1月后為負(fù)，對應(yīng)中國氣溫傾向在前冬一致變冷，后冬一致變暖，這同北半球前后冬趨勢正好相反。同時，前、后冬氣溫的這些非對稱性變化對整個冬季增暖趨勢具有一定調(diào)控作用。

以上情況表明，我國冬季氣溫變化存在季節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)變的可能性，且這種轉(zhuǎn)折極易造成極端氣候事件的發(fā)生。然而，通?？蒲泻蜆I(yè)務(wù)上主要是針對整個冬季的平均氣溫，這存在局限性并會掩蓋一些問題，自然季節(jié)的這種季內(nèi)轉(zhuǎn)折特征在整個冬季平均場上無法體現(xiàn)。隨著社會不斷發(fā)展，針對整個冬季平均氣溫的預(yù)測已逐漸不能滿足各行業(yè)的實(shí)際需求，季節(jié)內(nèi)尺度如次季節(jié)預(yù)測正越來越受到廣泛關(guān)注(Osman and Alvarez，2018；Liang et al，2018；藍(lán)柳茹和李棟梁，2019；李思和武炳義，2019)。中國冬季氣溫變化在不同時間尺度受不同因子影響(康麗華等，2006)，此前已得到廣泛關(guān)注和深入研究，而關(guān)于季節(jié)內(nèi)尺度方面的研究較少，一方面是對氣溫季節(jié)內(nèi)尺度變化的認(rèn)識還存在一定局限，對其相關(guān)機(jī)制及可預(yù)報(bào)性來源的研究尚無定論，另一方面已有研究中發(fā)現(xiàn)的影響因子間復(fù)雜的非線性相互疊加且在季節(jié)內(nèi)尺度上存在較大的不穩(wěn)定性(封國林等，2008；何溪澄等，2008)。

氣溫的變化不僅包括均值的演變，還包括均方差、極值等統(tǒng)計(jì)參數(shù)的變化。以往研究多針對冬季平均氣溫的年際、年代際變率特征展開研究，為冷暖冬預(yù)測提供極其重要的科學(xué)參考價(jià)值，但對于冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率方面研究較少，如季節(jié)內(nèi)氣溫波動和變化穩(wěn)定性等。均方差作為描述變量變化離散程度的重要統(tǒng)計(jì)量，代表均值變化的穩(wěn)定性及強(qiáng)弱程度，均方差越大表明均值穩(wěn)定性越弱，極端性越強(qiáng)，因此均方差可用來衡量要素變化的穩(wěn)定性情況，進(jìn)而反映變率特征。本文利用氣溫均方差這一統(tǒng)計(jì)量來刻畫氣溫變率，分析在氣候變暖背景下中國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率特征，并進(jìn)一步探討其影響因子及可能機(jī)制，突破僅從季節(jié)平均角度認(rèn)識冷暖冬異常的局限性，嘗試從另一角度認(rèn)識冬季氣溫的變率特征及其機(jī)制，以期為我國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)預(yù)測提供新的視角和參考依據(jù)，進(jìn)一步提升冬季氣候預(yù)測的精細(xì)化水平。

1 資料和方法

1.1 資料說明

站點(diǎn)資料來自國家氣象信息中心的臺站觀測數(shù)據(jù)集，選用序列完整、可靠性較高、分布均勻的中國364個站冬季逐日平均氣溫；格點(diǎn)資料選用美國國家環(huán)境預(yù)測中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)提供的風(fēng)場、海平面氣壓場和位勢高度場再分析資料(Kalnay et al, 1996)，水平格距為2.5°×2.5°。資料起止時間均為1961—2018年，冬季指12月至次年2月。

1.2 研究方法

本文利用冬季平均氣溫均方差作為度量冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率的指標(biāo)，均方差值越大，表明冬季平均氣溫穩(wěn)定性越弱，其高頻波動越強(qiáng)；均方差值的年際變率越大，冬季平均氣溫變化趨勢的穩(wěn)定性也越弱，因而氣溫均方差可反映出冬季氣溫冷暖波動及其變化趨勢的平穩(wěn)性。

針對1961—2018年冬季全國364個站逐日平均氣溫序列，利用公式(1)計(jì)算歷年各站平均氣溫均方差序列σjt(j=1，2，…，s；t=1，2，…，n)：

(1)

文中需進(jìn)一步分析氣溫變率和環(huán)流變率的聯(lián)系，冬季環(huán)流場的均方差也參考上述方法計(jì)算，用來表示大氣環(huán)流季節(jié)內(nèi)變率的強(qiáng)弱。不同尺度環(huán)流分量信號采用Butterworth帶通濾波器對逐日環(huán)流場進(jìn)行濾波，分離出冬季不同尺度的環(huán)流分量，本文主要提取了2～10、10～30、30～60和60～90 d四種尺度分量，代表天氣尺度、延伸期尺度、次季節(jié)尺度和季節(jié)尺度信號，再并根據(jù)式(1)計(jì)算出不同尺度環(huán)流場的均方差，代表不同尺度環(huán)流分量的季節(jié)內(nèi)變率。

2 中國冬季平均氣溫季節(jié)內(nèi)變率特征及環(huán)流分析

2.1 冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率特征

根據(jù)式(1)計(jì)算全國364個站1961—2018年冬季氣溫均方差場，首先對該場在空間維平均，即對全國范圍進(jìn)行空間平均后得到時間序列，該序列的變化可反映中國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率的時間演變特征(圖1a)，全國平均氣溫均方差總體呈線性減弱趨勢，表明近幾十年來氣溫季節(jié)內(nèi)變率逐漸趨弱。同時也表現(xiàn)出明顯的年代際特征，20世紀(jì)80年代中期以前，處于變率偏強(qiáng)時期，意味著中國冬季氣溫冷暖波動頻繁，處在穩(wěn)定性偏弱的階段；20世紀(jì)80年代后期至21世紀(jì)初，明顯轉(zhuǎn)弱，表明此階段冬季氣溫季節(jié)內(nèi)穩(wěn)定性增強(qiáng)；2004年以后，再次增強(qiáng)。以上年代際變化同東亞冬季風(fēng)年代際轉(zhuǎn)折時間相匹配，特別是20世紀(jì)80年代后期東亞冬季風(fēng)偏弱至2005年再次轉(zhuǎn)強(qiáng)(梁蘇潔等,2014;Wang and Chen,2014)，這與氣溫季節(jié)內(nèi)變率的轉(zhuǎn)折期相吻合。由此表明，東亞冬季風(fēng)年代際變化也可能會影響中國冬季氣溫的季節(jié)內(nèi)變率，對氣溫波動及強(qiáng)弱程度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響氣候變暖的穩(wěn)定性。此外，氣溫季節(jié)內(nèi)變率的年際振蕩較明顯，尤其在近十年，這與近年冷暖冬交替現(xiàn)象頻繁也具有一定聯(lián)系。與此同時，對氣溫均方差場在時間維平均，得到全國各站的氣溫均方差的多年平均值，分析其空間特征(圖1b)，發(fā)現(xiàn)中國北方大部和長江以南地區(qū)冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率明顯大于其他地區(qū)，尤其在東北和新疆北部地區(qū)(變率大值區(qū))，這是由于我國北方易受冷空氣頻繁侵襲所致。值得注意的是，長江以南存在另一變率高值區(qū)，這可能同東亞冬季風(fēng)“北弱南強(qiáng)”模態(tài)(彭京備和孫淑清，2017)存在一定聯(lián)系。變率低值區(qū)主要位于中國西南地區(qū)，表明該地區(qū)冬季氣溫穩(wěn)定性較高，高頻波動相對較弱。

圖1 1961—2018年中國冬季平均氣溫均方差的(a)時間演變序列和(b)多年平均空間分布Fig.1 (a) Temporal variation curves and (b) spatial distribution of multiple-year mean square error of winter mean temperature in China from 1961 to 2018

圖2a為冬季平均氣溫及氣溫均方差變化趨勢，冬季我國大范圍地區(qū)平均氣溫呈增加趨勢，尤其青藏高原地區(qū)最明顯，增溫速率達(dá)0.4 ℃·(10 a)-1以上，而華南和西南東部則呈變冷趨勢。在此增暖背景下，均方差趨勢系數(shù)分布顯示全國為一致減弱趨勢，尤其東北地區(qū)的減弱趨勢最明顯。根據(jù)各站平均氣溫和均方差的相關(guān)圖來看，全國大范圍地區(qū)為負(fù)相關(guān)區(qū)，顯著區(qū)域位于我國北方地區(qū)，在新疆和東北地區(qū)表現(xiàn)最突出，說明北方冬季平均氣溫異常對氣溫季節(jié)內(nèi)變率具有較好的指示性，氣候增暖(變冷)則意味著季節(jié)內(nèi)變率減弱(增強(qiáng))。

圖2 1961—2018年中國冬季平均氣溫及其均方差的(a)趨勢分布[填色：平均氣溫趨勢，單位：℃·(10 a)-1；等值線：均方差趨勢，單位：℃·(10 a)-1]及(b)兩者相關(guān)分布(填色，打點(diǎn)區(qū)表示通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))Fig.2 (a) Trend of mean temperature and mean variance in winter [colored: mean temperature trend, unit: ℃·(10 a)-1; contour: mean variance trend， unit: ℃·(10 a)-1] and (b) their correlation distribution in China in 2018 (colored, dots have passed the significance test at 0.05 level)

2.2 影響氣溫季節(jié)內(nèi)變率的環(huán)流異常特征

2.2.1 冬季平均環(huán)流場

大范圍或局地地面氣溫異常與大尺度平均環(huán)流異常具有直接聯(lián)系，季節(jié)平均環(huán)流異常是季內(nèi)氣溫變率的背景場。圖3給出了1961—2018年中國冬季氣溫均方差對同期冬季地表氣溫、位勢高度場及海平面氣壓場的相關(guān)分布，當(dāng)氣溫均方差偏強(qiáng)時，我國北方及中東部地區(qū)氣溫顯著偏低，而我國西南、華南等區(qū)域氣溫略微偏高，意味著冬季西伯利亞地區(qū)氣溫異常對我國北方冬季氣溫高頻波動具有明確的指示意義，這是由于冷空氣易在西伯利亞地區(qū)聚集加強(qiáng)后南下沿偏東路徑影響北方地區(qū)(圖3a)。高度場上自高層至低層呈類似準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，平流層表現(xiàn)為極渦明顯偏弱，北大西洋、北美地區(qū)和歐亞中緯度上空為顯著負(fù)相關(guān)(圖3b)，研究表明，當(dāng)平流層異常強(qiáng)的極渦向下傳播時，引起低層北極濤動(Arctic Oscillation，AO)正異常發(fā)展，西伯利亞高壓增強(qiáng)，導(dǎo)致東亞沿岸東西氣壓梯度增加，有異常偏強(qiáng)的季風(fēng)(Chen and Zhou,2012；Li and Yang,2010)，我國南部地區(qū)溫度易偏低，而東北和亞洲中高緯度地區(qū)溫度增加(Wang and Chen,2014)。反之，當(dāng)異常弱極渦向下傳播時，會引起大致相反的過程，這與上述均方差偏強(qiáng)時平流層極渦偏弱特征一致，因而平流層弱極渦信號下傳時，可能會導(dǎo)致我國北方地區(qū)冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率增強(qiáng)，易出現(xiàn)極端氣溫事件；對流層中層(圖3c)，自西歐—東亞呈現(xiàn)“-+-”型波列分布，其中大西洋東北部和貝加爾湖附近為負(fù)異常中心，斯堪的納維亞上空為明顯正異常，這種水平環(huán)流異常同SCA(Barnston and Livezey,1987)正位相特征非常一致，這種分布型可為極地冷空氣向南爆發(fā)影響中緯度地區(qū)提供有利的大尺度背景；海平面氣壓場上，極地同北大西洋、歐洲、北美地區(qū)反向，表明當(dāng)氣溫均方差偏強(qiáng)時，對應(yīng)北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation,NAO)負(fù)位相特征，同時西伯利亞地區(qū)為顯著正相關(guān)，表明西伯利亞高壓偏強(qiáng)(圖3d)。

圖3 1961—2018年中國冬季平均氣溫均方差和同期(a)地表溫度場、(b)50 hPa位勢高度場(c)500 hPa位勢高度場、(d)海平面氣壓場的相關(guān)分布(填色區(qū)為通過0.05及以上顯著性水平檢驗(yàn))Fig.3 Correlation coefficient between mean variance of China’s winter temperature in 1961-2018 and corresponding (a) surface temperature field, (b) 50 hPa geopotential height field, (c) 500 hPa geopotential height field and (d) sea level pressure field (Colored areas have passed the significance test over 0.05 level)

通過大氣遙相關(guān)型和異常行星波活動等途徑，冬季NAO的影響可擴(kuò)展到東亞地區(qū)，NAO負(fù)(正)位相時對應(yīng)烏拉爾山阻塞高壓偏強(qiáng)(偏弱)，以及東亞大槽加深(變淺)(Chen and Zhou, 2012)。值得注意的是，冬季期間NAO與東亞氣候之間的聯(lián)系存在明顯的季節(jié)內(nèi)差異，Watanabe and Kimoto(2010)指出前冬NAO的信號局限在歐洲—大西洋區(qū)域，但后冬NAO的信號可擴(kuò)展到東亞和北太平洋。中國位于NAO相關(guān)環(huán)流系統(tǒng)下游，譚桂容等(2010)研究指出，2008年1月中國氣溫異常與同期北大西洋西風(fēng)急流和NAO遙相關(guān)環(huán)流異常存在緊密聯(lián)系。2009/2010年冬季，中國北方氣溫異常與NAO負(fù)位相密切相關(guān)(孫誠和李建平，2011)，那么NAO是否與中國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率同樣具有密切聯(lián)系？通過分析，冬季NAO與中國冬季氣溫均方差的相關(guān)系數(shù)為-0.496，通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)。其中顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域主要位于我國東部地區(qū)，表明冬季NAO為負(fù)位相時上述地區(qū)氣溫季節(jié)內(nèi)變率增強(qiáng)，氣溫穩(wěn)定性偏弱，易發(fā)生極端氣溫事件，由此說明冬季NAO的位相對我國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率也具有較好的指示性。

圖4 1961—2018年中國冬季氣溫均方差與冬季NAO的空間相關(guān)分布(打點(diǎn)區(qū)表示通過0.01顯著性水平檢驗(yàn))Fig.4 Spatial correlation distribution between winter NAO and the winter temperature mean variance in China in 1961-2018 (Dots have passed the significance test at 0.01 level)

相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，NAO/AO可通過影響東亞大槽、西伯利亞高壓、東亞冬季風(fēng)等系統(tǒng)，使其變得更加活躍，使中國冬季大部分地區(qū)氣溫偏低，進(jìn)而導(dǎo)致極端低溫頻發(fā)(武炳義等，1999)。氣溫高頻波動、穩(wěn)定性減弱的直接因素是環(huán)流系統(tǒng)波動異常產(chǎn)生的天氣過程，因而NAO可能通過相關(guān)環(huán)流的高頻變化來影響氣溫季節(jié)變率。通過計(jì)算冬季逐日海平面氣壓的方差，代表近地面大氣環(huán)流的季節(jié)內(nèi)變率，反映其高頻變化和穩(wěn)定性。根據(jù)中國冬季氣溫均方差同海平面氣壓(SLP)方差的相關(guān)場(圖5a)顯示，亞速爾群島、赤道大西洋地區(qū)、北極—西伯利亞—貝加爾湖及以南大范圍地區(qū)呈明顯正相關(guān)區(qū)，且一直向南延伸至中國北方及東部地區(qū)，其顯著中心區(qū)與西伯利亞高壓活動中心區(qū)一致，冰島附近為顯著負(fù)相關(guān)區(qū)，意味著NAO負(fù)位相偏強(qiáng)時，有利于西伯利亞高壓、冷渦系統(tǒng)活躍，易引起我國氣溫波動異常。提取位于西伯利亞中心關(guān)鍵區(qū)(45°～65°N、65°～120°E)范圍內(nèi)各格點(diǎn)SLP均方差的區(qū)域平均值，代表西伯利亞高壓中心區(qū)的季節(jié)內(nèi)變率，中國冬季氣溫均方差與該中心區(qū)變率相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.578，顯著通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)，表明冬季西伯利亞高壓的高頻變化與我國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率具有緊密聯(lián)系。此外，NAO同SLP變率場的關(guān)系也很好反映出西伯利亞地區(qū)的高頻波動對NAO異常的響應(yīng)(圖5b)，二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即NAO負(fù)位相增強(qiáng)時，西伯利亞至貝加爾湖及以南地區(qū)季節(jié)內(nèi)變率偏強(qiáng)?？梢姡袊練鉁丶竟?jié)內(nèi)變率異常，很大程度上與NAO相關(guān)環(huán)流系統(tǒng)的季節(jié)內(nèi)變率有關(guān)，可能是NAO通過影響西伯利亞高壓天氣尺度上的高頻波動進(jìn)而引起中國冬季氣溫的季節(jié)內(nèi)變率異常。

圖5 1961—2018年中國冬季平均(a)氣溫均方差和(b)NAO指數(shù)分別同海平面氣壓(SLP)均方差場的相關(guān)系數(shù)分布Fig.5 Correlation coefficient distribution of China’s winter temperature mean variance in 1961-2018 (a) and NAO (b) with SLP mean variance respectively

2.2.2 不同時間尺度環(huán)流分量的影響

為了揭示大氣內(nèi)部變率對氣溫季節(jié)內(nèi)變率的影響，利用逐日再分析資料，選取海平面氣壓場和位勢高度場兩個物理量，采用Butterworth帶通濾波方法提取冬季內(nèi)包括2～10、10～30、30～60和60～90 d四種尺度環(huán)流分量，接著計(jì)算各尺度環(huán)流分量的均方差，用來反映冬季不同時間尺度上大氣內(nèi)部環(huán)流分量的季節(jié)內(nèi)變率。首先，1961—2018年中國平均冬季氣溫均方差同海平面氣壓場的不同尺度分量變率關(guān)系顯示，西伯利亞—貝加爾湖—蒙古—我國北方均存在顯著正相關(guān)區(qū)，西伯利亞高壓在不同時間尺度上的波動異常均會對中國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率產(chǎn)生影響，因而近地層西伯利亞附近環(huán)流變率異常尤其重要。在此提取海平面氣壓場關(guān)鍵區(qū)(45°～65°N、65°～120°E)平均變率，分析氣溫均方差與該關(guān)鍵區(qū)四種尺度平均變率的關(guān)系(圖6)，均顯著通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)，同次季節(jié)尺度環(huán)流變率的相關(guān)性最高，延伸期尺度次之，而天氣尺度則最弱，因而冬季內(nèi)次季節(jié)尺度上的西伯利亞高壓變率異常對我國氣溫變率起到?jīng)Q定性作用。

與此同時，在天氣尺度分量場上(圖6a)，鄂霍次克?！琢詈５貐^(qū)、中南半島及南海地區(qū)也出現(xiàn)顯著正異常區(qū)，而顯著負(fù)異常區(qū)位于北美東部至西歐地區(qū)，表明阿留申低壓在天氣尺度上的頻繁波動及上游歐洲脊的穩(wěn)定少動與氣溫變率聯(lián)系緊密；延伸期和次季節(jié)尺度分量場(圖6b，6c)均顯示為顯著正異常特征，異常關(guān)鍵區(qū)主要集中在貝加爾湖及以南延伸至中國南海及赤道地區(qū)，北大西洋地區(qū)也存在顯著異常區(qū)，其中31～60 d尺度分量變率的影響范圍更集中、空間尺度亦更大。季節(jié)尺度分量的顯著異常區(qū)主要集中在新地島和西伯利亞—巴爾喀什湖—貝加爾湖及以南的蒙古高原—中國北方(圖6d)，體現(xiàn)出冷空氣源地和西伯利亞高壓在較長時間尺度上的波動對氣溫變率的重要影響。

圖6 1961—2018年中國冬季氣溫均方差和海平面氣壓場的(a)2～10 d,(b)11～30 d,(c)31～60 d,(d)61～90 d分量變率的相關(guān)分布(打點(diǎn)區(qū)表示通過0.01顯著性水平檢驗(yàn))Fig.6 Correlation patterns between China’s winter temperature mean variance in 1961-2018 and the component variabilities of SLP in (a) 2-10 d, (b) 11-30 d, (c) 31-60 d and (d) 61-90 d (Dotted areas have passed the significance test at 0.01 level)

圖7為冬季500 hPa高度場上各尺度分量變率與中國冬季氣溫變率的相關(guān)場，在2～10 d尺度上，北大西洋—?dú)W洲—亞洲中西部地區(qū)為顯著負(fù)相關(guān)，北大西洋和北太平洋均呈“+-+”三極型分布，表明中國冬季氣溫季節(jié)變率偏大時，對應(yīng)歐亞中高緯阻塞系統(tǒng)變率減弱或穩(wěn)定維持，而鄂霍次克海阻塞系統(tǒng)變率增強(qiáng)或易波動；11～30 d尺度上，格陵蘭島、西伯利亞及以北、西北太平洋地區(qū)和中南半島及以南地區(qū)呈顯著正相關(guān)，反映中高緯地區(qū)波列異常及東亞大槽的高頻波動所帶來的影響；其余兩種尺度的影響較相似，主要體現(xiàn)為歐亞阻塞異常的影響，如烏拉爾山地區(qū)為正相關(guān)，表明烏拉爾山阻塞高壓在月—季節(jié)尺度上的變率對冬季氣溫高頻波動具有重要影響。

圖7 同圖6，但為500 hPa高度場不同尺度分量均方差的相關(guān)分布Fig.7 Same as Fig.6, but for the correlation patterns between China’s winter temperature mean variance in 1961-2018 and the different scale component mean variance at 500 hPa

3 結(jié)論與討論

本文從冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變化的角度，分析了我國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率和穩(wěn)定性特征，在時間上總體呈線性減弱趨勢，表明近幾十年來氣溫季節(jié)內(nèi)變率逐漸趨弱，從而季節(jié)內(nèi)氣溫變化穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時氣溫季節(jié)內(nèi)變率還具有明顯的年代際特征，20世紀(jì)80年代中期以前，變率偏強(qiáng)，冬季冷暖波動頻繁，穩(wěn)定性較弱，80年代后期至21世紀(jì)初，變率明顯轉(zhuǎn)弱，2004年以后，變率再次增強(qiáng)，這同東亞冬季風(fēng)年代際轉(zhuǎn)折時間相吻合，因而東亞冬季風(fēng)年代際變化可能會對中國冬季氣溫的季節(jié)內(nèi)波動的強(qiáng)弱程度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響氣候變暖的穩(wěn)定性。就空間上來看，中國北方大部和長江以南地區(qū)變率偏大，是由于我國北方易受冷空氣頻繁侵襲所致，長江以南高值區(qū)可能同東亞冬季風(fēng)“北弱南強(qiáng)”模態(tài)存在一定聯(lián)系。中國西南地區(qū)變率較小，表明該地區(qū)冬季氣溫穩(wěn)定性較高，高頻波動相對較弱。當(dāng)氣溫季節(jié)內(nèi)變率異常偏強(qiáng)時，冬季平均環(huán)流場上呈類似準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)，平流層極渦偏弱，對流層中高緯呈類似斯堪的納維亞遙相關(guān)型分布，中低緯地區(qū)為大范圍負(fù)異常區(qū)，近地層上西伯利亞高壓偏強(qiáng)，NAO為負(fù)位相；NAO同我國東部氣溫變率聯(lián)系密切，進(jìn)一步分析揭示出NAO是通過影響西伯利亞高壓的高頻變化來作用于氣溫季節(jié)內(nèi)變率。最后，通過提取天氣—季節(jié)四種時間尺度上的大氣環(huán)流內(nèi)部變率，發(fā)現(xiàn)在各個尺度上，氣溫季節(jié)內(nèi)變率均受西伯利亞高壓和東亞冷渦的調(diào)控作用；此外，在天氣尺度上，阿留申低壓頻繁波動及上游歐洲脊的穩(wěn)定少動與氣溫變率有密切聯(lián)系，季節(jié)尺度上包括歐亞阻塞和鄂霍次克海阻塞異常對氣溫變率有顯著影響。

關(guān)于氣溫季節(jié)內(nèi)變率，主要從中高緯分析了可能的影響，那么熱帶地區(qū)是否也會對我國冬季氣溫季節(jié)內(nèi)變率產(chǎn)生一定影響，比如典型ENSO背景下，是否會通過熱帶環(huán)流異常進(jìn)而影響到氣溫季節(jié)內(nèi)變率，中高緯和熱帶的影響作用是否會存在一定的年代際變化，以上問題值得繼續(xù)探討。