氣候變暖背景下氣候平均值更替對中國氣候業(yè)務(wù)的影響*

晏紅明 袁 媛 王永光

1 云南省氣候中心，昆明 650034 2 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

提 要： 氣候平均值的改變意味著氣候平均態(tài)(以下簡稱氣候態(tài))的改變，由于不同氣候態(tài)之間的差異，當(dāng)氣候態(tài)更替時(shí)，相應(yīng)會改變各種氣象要素、環(huán)流系統(tǒng)等變化特征的判識結(jié)果。不同氣候態(tài)之間的差異越大，對判識結(jié)果的影響就會更加明顯，這種影響即是氣候態(tài)更替的影響。對于2022年1月1日執(zhí)行的氣候平均值由1981—2010年改為1991—2020年的新規(guī)定，將會對中國氣候監(jiān)測、預(yù)測和評價(jià)等業(yè)務(wù)產(chǎn)生怎樣的影響？針對氣候平均值的改變，分別從中國160個(gè)站氣溫和降水，以及大氣環(huán)流和海洋關(guān)鍵因子的變化等多方面，首先對比分析了不同時(shí)段氣候態(tài)變化的差異及影響，然后重點(diǎn)討論了1991—2020年新氣候態(tài)更替的影響。結(jié)果表明不同時(shí)段氣候態(tài)更替的影響不同，其中氣溫氣候態(tài)更替的影響比降水氣候態(tài)更替的影響顯著，這種影響存在一定的季節(jié)差異，冬半年的影響大于夏半年，而降水氣候態(tài)更替的影響主要集中在4—6月和9—11月兩個(gè)轉(zhuǎn)換季節(jié)。分析氣候態(tài)更替的影響，發(fā)現(xiàn)基于新氣候態(tài)，中國大部分地區(qū)的氣溫距平減小，其中減小最明顯的區(qū)域位于河套附近，幅度在0.3～0.7℃，對降水的影響主要在夏季和秋季，夏季中國南方和秋季華北多雨的特征減弱；對500 hPa大氣環(huán)流的影響表現(xiàn)為冬季烏拉爾山脊加強(qiáng)、東亞槽偏東和蒙古高壓減弱，而夏季則剛好相反；對東亞冬夏季風(fēng)活動(dòng)也有一定影響，表現(xiàn)為冬季風(fēng)減弱，而夏季風(fēng)加強(qiáng)；對海洋關(guān)鍵海區(qū)海溫變化的影響表現(xiàn)為IOD正位相減弱和區(qū)海溫距平指數(shù)偏高的特征。

引 言

在氣候業(yè)務(wù)中，氣候平均值是指某一歷史時(shí)段內(nèi)某一氣象要素的多年平均值，它表征了某時(shí)段內(nèi)的氣候平均態(tài)(以下簡稱氣候態(tài))，因此氣候平均值的改變意味著氣候態(tài)的改變。世界氣象組織(WMO)規(guī)定，氣象要素的氣候平均值是其最近三個(gè)整年代的平均值或統(tǒng)計(jì)值，需每隔10年進(jìn)行一次更新(WMO，2007；2017)，目前為止，氣候平均值先后經(jīng)歷過多個(gè)時(shí)段滾動(dòng)的30年平均。為了保持與國際氣候業(yè)務(wù)和服務(wù)工作一致，中國氣象局于2021年3月發(fā)文，規(guī)定從2022年1月1日起我國各級氣候業(yè)務(wù)將正式啟用1991—2020年的氣候平均值(氣預(yù)函[2021]21號，2021)。

全球變暖是近幾十年來氣候變化最主要的特征，已有的很多研究利用不同方法檢測到20世紀(jì)北半球平均氣溫序列中的突變或躍變信號。尤衛(wèi)紅(1998)在分析全球和不同區(qū)域氣溫多尺度變化特征時(shí)指出1979年全球大部分地區(qū)的氣溫出現(xiàn)了突變，氣溫明顯升高；Zhao et al(2005)研究發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)北半球平均氣溫突然變暖出現(xiàn)在1980年前后；亞洲政府間氣候變化專業(yè)委員會(IPCC)第五次評估報(bào)告指出，工業(yè)革命以來全球氣候顯著變暖(Hartmann et al，2013)。我國氣溫變化與全球氣溫變化在趨勢上非常一致(丁一匯等，2007)，20世紀(jì)60年代以來中國大陸冬季氣溫出現(xiàn)明顯的線性上升趨勢(唐國利等，2009)。但氣溫變化的過程也是非常復(fù)雜的，最近半個(gè)多世紀(jì)以來，全球氣候經(jīng)歷了多個(gè)年代際尺度的變化，自20世紀(jì)70年代以來，全球表面溫度保持迅速上升趨勢，而自2000年左右，全球表面溫度的上升趨勢開始減弱，甚至停滯，顯著上升趨勢明顯減弱，增溫停滯現(xiàn)象于2013—2014年左右結(jié)束(Trenberth and Fasullo,2013；Medhaug et al,2017；Hu and Fedorov,2017；高英健等，2020；吳立新，2020)。另外，由于地形差異和緯度差異等變化的影響，各地變暖速率并不相同，一般情況下，大陸變暖盛于海洋，中高緯度陸地區(qū)域變暖比低緯度地區(qū)大，西伯利亞到內(nèi)蒙古一帶的北亞大陸是近百年變暖最激烈的地區(qū)之一(Zhao et al，2014；Wang et al，2018；Yan et al，2019)。晏紅明等(2000)指出全球海洋表面溫度在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)顯著增暖；Cheng et al(2019)分析了1858—2018年全球海洋上層2 000 m熱含量，發(fā)現(xiàn)全球變暖更穩(wěn)定的變化主要體現(xiàn)在海洋上；Hu et al(2020)發(fā)現(xiàn)全球平均海洋環(huán)流存在顯著的加速趨勢, 自20世紀(jì)90年代以來全球海洋動(dòng)能存在顯著的增長趨勢, 其增長速率達(dá)到每10年增長3%～27%。地球系統(tǒng)復(fù)雜顯著的變化導(dǎo)致各氣象要素在不同年代具有明顯不同的氣候態(tài)特征。同時(shí)，近年來許多氣象觀測站搬遷以及城市化也會對氣候態(tài)產(chǎn)生影響。因此，在自然氣候波動(dòng)變化和客觀人為因素的共同作用下，不同時(shí)段的氣候平均值是有一定差異的。根據(jù)WMO的規(guī)定，基于30年氣候平均值，使用滾動(dòng)氣候平均值的方法，即某一變量在具體某一年所對應(yīng)的氣候平均值是固定的，例如，某變量處于2001—2010年期間，計(jì)算其距平值用緊鄰的前30年(1971—2000年)的氣候平均值，以此類推(WMO，2019)。但氣候業(yè)務(wù)具有一定的特殊性，目前在我國的國家級、省級和州市級的氣候監(jiān)測、預(yù)測、評估等實(shí)際氣候業(yè)務(wù)中，每30年氣候平均值的更替與WMO的規(guī)定一致，但并沒有按照WMO規(guī)定的滾動(dòng)氣候平均值來開展實(shí)際氣候業(yè)務(wù)，而是使用統(tǒng)一的一個(gè)氣候平均值。這一方面是因?yàn)樵趯?shí)況監(jiān)測評價(jià)業(yè)務(wù)中，涉及到極端天氣氣候事件監(jiān)測和歷史排名，需要用統(tǒng)一的氣候平均值表征其異常特征；另一方面是在實(shí)際氣候預(yù)測業(yè)務(wù)中需要基于長時(shí)間系列的歷史資料建立多種預(yù)測模型，而模型的建立以及預(yù)報(bào)效果的檢驗(yàn)評估也要利用統(tǒng)一的氣候平均值。在這種情況下，氣候平均值的更替就會對氣候業(yè)務(wù)產(chǎn)生一定影響。已有的很多工作針對氣候平均值更替對氣候業(yè)務(wù)的影響開展研究，結(jié)果表明氣候平均值的更替會對我國大部地區(qū)的氣候監(jiān)測、預(yù)測和評估等氣候業(yè)務(wù)產(chǎn)生不同程度的影響(王永光，2002；王秀文和李月安，2003；房一禾等，2016)。因此，了解不同氣候態(tài)背景下氣象要素變化的差異，對中國氣候業(yè)務(wù)工作將有重要的指導(dǎo)意義。

氣候監(jiān)測、預(yù)測和評估是中國氣候的主要業(yè)務(wù)，其中降水和氣溫是最受關(guān)注的氣象要素，其變化與一些關(guān)鍵大氣環(huán)流系統(tǒng)和海溫等外強(qiáng)迫因子的變化密切聯(lián)系(丁婷和高輝，2019；劉蕓蕓等，2021)。因此，本文主要針對中國逐月降水和氣溫來討論氣候態(tài)更替的影響，并進(jìn)一步討論新氣候態(tài)背景下 500 hPa 高度場、海表溫度及各關(guān)鍵海區(qū)海溫指數(shù)、冬夏季風(fēng)活動(dòng)等關(guān)鍵環(huán)流因子和海洋因子的變化特征。

1 資料和方法

分析資料包括：①國家氣候中心提供的中國160個(gè)站1951—2020年月平均降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)；②美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的1951—2020年再分析月平均500 hPa高度場、高低層風(fēng)場等資料，分辨率為2.5°×2.5°(Kistler et al,2001)；③英國哈德萊中心提供的1951—2020年月平均海表溫度資料，資料分辨率為1°×1°(HadISST，Rayner et al, 2003)。

在以下分析中為簡單起見，將1951—1980、1961—1990、1971—2000、1981—2010和1991—2020年5個(gè)不同時(shí)段的30年氣候平均分別稱為：P1、P2、P3、P4和P5。以1981—2010年和1991—2020年兩個(gè)時(shí)段為例，假定某一個(gè)變量X，該變量在兩個(gè)時(shí)段的30年氣候態(tài)分別表示為：

以上兩式中i表示年份，兩個(gè)氣候態(tài)的差值(D)表示為：

D=P5-P4

在以下分析中，我們重點(diǎn)討論P(yáng)5-P4差值變化的影響，同時(shí)也簡單比較了1951—2020年期間不同時(shí)段氣候態(tài)(即P1、P2、P3、P4和P5)變化的差異。對于氣溫而言，主要討論新舊氣候態(tài)差值(D)的變化，降水則主要用兩個(gè)氣候態(tài)的差值(D)和降水差值百分率(B)進(jìn)行討論，即

本文主要通過比較不同氣候態(tài)之間的差異，進(jìn)一步探討氣候態(tài)更替對氣溫和降水、關(guān)鍵大氣環(huán)流系統(tǒng)和海洋因子等變化特征判識結(jié)果的影響，進(jìn)而了解氣候態(tài)更替對氣候業(yè)務(wù)的影響。由于不同氣候態(tài)之間的差異，基于不同氣候態(tài)時(shí)各氣象要素、環(huán)流系統(tǒng)和海洋因子等變化特征的判識結(jié)果是有差異的。例如對于某一個(gè)氣象觀測站點(diǎn)2021年6月的氣溫而言，相對于氣候態(tài)P3和P4的距平分別為dT3和dT4。以dT3和dT4的正距平為例，由于氣候平均態(tài)的差異，如果兩個(gè)氣候態(tài)之間的差值(P4-P3)>0，則dT4dT3，表明與P3相比，基于P4氣溫偏高的幅度就會增大。其中(P4-P3)的絕對值越大，氣候態(tài)更替對判識結(jié)果的影響相應(yīng)就會更加顯著，也即是氣候態(tài)更替對氣候業(yè)務(wù)的影響也更加顯著，相反，其影響不明顯。本文主要分析的是氣候態(tài)更替對各類氣象要素帶來的可能影響，不涉及對未來氣候變化的預(yù)估或者預(yù)判方面的內(nèi)容。本文冬季為12月至次年2月，以12個(gè)月所在的年為當(dāng)年，涉及的中國地圖邊界的審圖號為GS(2019)1798號，底圖無修改。

2 氣溫氣候態(tài)的變化及其影響

與全球氣候變暖趨勢一致，1951—2020年期間從P1到P5不同時(shí)段的30年氣溫氣候平均值基本呈上升趨勢，特別是從P3到P5的上升趨勢顯著。分析逐月各時(shí)段氣溫氣候態(tài)的變化(圖1)，發(fā)現(xiàn)除1、4、10、11和12月從P1到P5的變化呈顯著持續(xù)的線性上升趨勢外，其他月份均存在一個(gè)停止期，停止期一般出現(xiàn)在從P1到P2或P2到P3兩個(gè)時(shí)段，6、7和9月從P1到P2的氣候平均值甚至出現(xiàn)了下降趨勢。

分析氣溫P5氣候態(tài)與其他時(shí)段氣候態(tài)(P4、P3、P2、P1)差值的逐月變化，可以更進(jìn)一步看到氣候變暖對不同氣候態(tài)的影響(圖2a)。整體而言，P5-P1的差值最大，P5-P2的差值次之，P5-P3的差值為第三，P5-P4的差值最小。另外，差值變化有較大的季節(jié)差異，冬半年(11月至次年4月)的差值較大，而夏半年(5—10月)差值較小，其中，2月和8月分別是差值最大和最小的兩個(gè)月份。

圖1 中國160個(gè)站逐月平均氣溫在不同年代氣候平均值的變化Fig.1 Variation of monthly average temperature of 160 stations in China in different climatic states

圖2 中國160個(gè)站(a)平均氣溫氣候態(tài)P5分別與其他不同時(shí)段氣候態(tài)差值的逐月變化， (b)兩個(gè)相鄰氣候態(tài)的差值的逐月變化Fig.2 The monthly variations of differences between the climatic state P5 and the climatic state of other different periods of average temperature (a), and the monthly variations of differences between two adjacent climitic states (b) of 160 stations in China

由于氣候態(tài)是指三個(gè)整年代的平均值或統(tǒng)計(jì)值，每隔10年滑動(dòng)更新一次，因此每兩個(gè)相鄰氣候態(tài)的差值可以反映新舊氣候態(tài)更替時(shí)的影響程度。圖2b為每兩個(gè)相鄰時(shí)段氣候態(tài)的差值(后一個(gè)30年氣候態(tài)減去相鄰的前一個(gè)30年氣候態(tài))的逐月變化，比較1—12月累計(jì)差值的變化，表明P4-P3的差值最大(4.07℃),其次是P5-P4的差值(3.67℃),P3-P2的差值為第三(2.68℃)，P2-P1的差值最小(1.37℃)。相鄰兩個(gè)時(shí)段氣候態(tài)的變化同樣存在顯著的季節(jié)差異，一般而言，冬春季1—4月較大，而夏半年較小，其中2月或3月的差值最大。重點(diǎn)分析P5-P4的差值變化，清楚看到差值在3、4、7、8和11月近半年的時(shí)間里均為最大，其中3月的差值最大，高達(dá)0.64℃；而12月最小，僅為0.11℃，夏季的差值一般僅為0.2～0.3℃。

綜合以上分析看到，由于氣候變暖停止、快速或緩慢變化的影響，每一次氣候態(tài)更替的影響是不同的，其中，氣候態(tài)從時(shí)段P1到P2更替的影響較小，而從P2到P3、P3到P4、P4到P5更替的影響均比較大，尤其P3到P4更替的影響最大。與舊氣候態(tài)相比，每次新的氣候態(tài)均會使得氣溫距平減小，表現(xiàn)為氣候變暖趨勢減緩的特征。另外，氣候態(tài)變化的影響還存在一定的季節(jié)差異，總體而言，氣溫氣候態(tài)更替對冬半年的影響較大，而對夏半年的影響較小。

中國160個(gè)站各站點(diǎn)年平均氣溫氣候態(tài)P5-P4的差值在全國均為正值，最大差值中心位于河套、華東沿海、西北西部的部分地區(qū)，差值約為0.4～0.5℃(圖3a)。與年平均氣溫差值的分布基本一致，各站點(diǎn)四個(gè)季節(jié)平均氣溫P5-P4的最大差值中心均位于河套附近，但中心強(qiáng)度春季最大，夏季次之，冬季為第三，秋季最小；西北地區(qū)的差值在不同季節(jié)的變化差異較大，冬季和秋季出現(xiàn)負(fù)差值區(qū)域，春季差值較大，中心為0.7℃；在西南地區(qū)東部、華中西部和華南西部的氣溫差值較小，該區(qū)域的差值在冬季、夏季和秋季均低于0.1℃(圖4)。P5-P4差值的空間分布表明，基于氣候態(tài)P5，我國大部分地區(qū)的氣溫距平減小，其中減小最明顯的區(qū)域位于河套附近，幅度在0.3～0.7℃，而西北地區(qū)西部部分地區(qū)的氣溫距平在冬季和春季增大。

冬季冷暖在氣候業(yè)務(wù)中最受關(guān)注，圖3b為1951—2020年冬季全國160個(gè)站平均氣溫的年際變化，可看到20世紀(jì)80年代的氣候平均為-0.5℃，而21世紀(jì)10年代的氣候平均為6.2℃，兩個(gè)時(shí)段氣候平均相差近6.7℃。因此，基于氣候態(tài)P5，中國冬季氣候偏冷的年份表現(xiàn)為增加，例如：近年來的2009年和2015年冬季氣溫相對于氣候態(tài)P4偏高，而相對于P5卻表現(xiàn)為偏低變化。

3 降水氣候態(tài)的變化及其影響

與氣溫氣候態(tài)的變化不同，1951—2020年期間不同時(shí)段降水氣候態(tài)變化主要表現(xiàn)出明顯的年代際波動(dòng)，增加或減少的線性趨勢并不明顯(圖5)。不同時(shí)段降水氣候態(tài)變化的差異也比較大，除1月降水氣候平均值基本呈穩(wěn)定增加趨勢外，其余月份降水氣候平均值均呈高低波動(dòng)變化，4月和9月降水從P2到P5出現(xiàn)穩(wěn)定減少趨勢，而6、7、8和12月從時(shí)段P2到P5則呈逐漸增加的趨勢，11月逐漸增加的趨勢從P3開始。綜合來看，相對于降水氣候態(tài)P4，氣候態(tài)P5在1、6、7、8、11和12月均表現(xiàn)為增加，而其他月份卻表現(xiàn)為減少。

圖3 中國160個(gè)站(a)年氣溫氣候態(tài)P5-P4的差值分布和(b)1951—2020年冬季平均氣溫的 年際變化(紅色線為1991—2020年的氣候平均，綠色線為1981—2010年的氣候平均， 圓圈標(biāo)注的藍(lán)色線分別為20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)10年代的氣候平均)Fig.3 Difference distribution of climatic state P5-P4 of annual average temperature of 160 stations in China (a) and the interannual variation in winter temperature in 1951-2020 of 160 stations in China (b) (InFig.3b, red line is the climate mean in 1991-2020, green line is the climate mean in 1981-2010, and blue lines marked by the circle are the climate mean in 1980s and 2010s, respectively)

圖4 中國160個(gè)站(a)冬季、(b)春季、(c)夏季和(d)秋季季節(jié)平均氣溫 氣候態(tài)P5-P4的差值場分布(單位：℃)Fig.4 Difference distributions of climatic state P5-P4 of seasonal mean temperature (unit：℃) of 160 stations (a) winter，(b) spring，(c) summer， (d) autumn

對比降水氣候態(tài)P5分別與其他氣候態(tài)(P1、P2、P3、P4)差值的逐月變化(圖6a)，發(fā)現(xiàn)由于降水的變化趨勢不明顯，相應(yīng)降水氣候態(tài)P5與其他時(shí)段氣候態(tài)的差值并無明顯差異；差值的月際變化特征也十分類似，正差值最顯著的月份出現(xiàn)在6月，該月P5-P2的差值最大(13.1 mm)，而負(fù)差值最顯著的月份是4月和9月，P5-P2的最大差值也僅僅接近7 mm。進(jìn)一步分析每相鄰兩個(gè)降水氣候態(tài)差值的月際變化(圖6b)，可以清楚看到差值變化的幅度也并不是很顯著，相比較而言，在轉(zhuǎn)換季節(jié)4—6月和9—10月差值的波動(dòng)較大，但P5-P4的差值在6月的變化幅度最大也僅為6.5 mm，差值在大部月份的波動(dòng)均在±4 mm。因此，對于全國平均降水的變化而言，降水新氣候態(tài)P5的更替對其降水變化評估的影響并不明顯。

圖7a和7b分別為年平均降水氣候態(tài)P5-P4的差值和降水差值百分率分布，可以看到除西南地區(qū)和西北地區(qū)西部的部分地區(qū)為降水負(fù)差值外，全國大部分地區(qū)均為正差值，長江以南地區(qū)的降水正差值較大，超過50 mm的差值中心位于江南東部；降水差值百分率除西北地區(qū)西北部超過±5%外，其余地區(qū)均很小，介于±5%。從不同季節(jié)降水差值百分率的變化(圖略)可以看到，由于西北地區(qū)降水量較少導(dǎo)致降水差值百分率波動(dòng)變化較大之外，我國東部地區(qū)的降水差值百分率的變化都不是很明顯，尤其在冬季和春季。夏季在長江下游、華南和華東的降水偏多5%(圖7c)，而秋季降水偏多5%的區(qū)域主要在華北和東北地區(qū)(圖7d)。

圖5 同圖1，但為降水Fig.5 Same as Fig.1, but for precipitation

圖6 同圖2，但為降水Fig.6 Same as Fig.2, but for precipitation

圖7 降水氣候態(tài)P5-P4的差值(單位：mm)和差值百分率(單位：%)變化 (a)年降水差值，(b)年降水差值百分率，(c)夏季降水差值百分率， (d)秋季降水差值百分率Fig.7 The difference (unit: mm) and percentage (unit: %) changes of precipitation climatic state P5-P4 (a) distribution of annual precipitation difference, (b) annual precipitation difference percentage, (c) summer precipitation difference percentage and (d) autumn precipitation difference percentage

主汛期(6—8月)的降水變化是氣候業(yè)務(wù)最關(guān)注的部分。我們進(jìn)一步分析了主汛期逐10年平均降水分別與降水氣候態(tài)P5和P4的差值百分率分布(圖8)。可以看到中國東部雨帶位置呈現(xiàn)明顯的年代際變化，20世紀(jì)50年代雨帶位于河套、華北及東北南部，類似于第一類雨型，之后多雨區(qū)范圍逐漸減??；到20世紀(jì)80年代，多雨區(qū)分別位于東北地區(qū)和河套以南的秦嶺附近，僅長江以南少雨明顯；20世紀(jì)90年代兩條多雨區(qū)分別位于華北和長江以南，江淮地區(qū)少雨；21世紀(jì)00年代，江淮多雨，而華北和江南少雨；21世紀(jì)10年代，多雨區(qū)位于東北北部和江南東部。對比逐10年平均降水分別與氣候態(tài)P5和P4的差值百分率分布中雨帶位置的變化，發(fā)現(xiàn)P5對中國東部長江以南的降水影響較大。與P4相比，基于P5時(shí)，20世紀(jì)80年代及之前的年代長江以南降水偏少特征更加顯著；20世紀(jì)90年代長江國大部分地區(qū)均為正差值，長江以南地區(qū)的降水正差值較大，超過50 mm的差值中心位于江南東部；降水差值百分率除西北地區(qū)西北部超過±5%外，其余地區(qū)均很小，介于±5%。從不同季節(jié)降水差值百分率的變化(圖略)可以看到，由于西北地區(qū)降水量較少導(dǎo)致降水差值百分率波動(dòng)變化較大之外，我國東部地區(qū)的降水差值百分率的變化都不是很明顯，尤其在冬季和春季。夏季在長江下游、華南和華東的降水偏多5%(圖7c)，而秋季降水偏多5%的區(qū)域主要在華北和東北地區(qū)(圖7d)。

圖8 20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)10年代主汛期(6—8月)逐10年平均降水分別與 降水氣候態(tài)P5(a—g)和P4(h—n)的差值百分率分布(單位：%)Fig.8 Percentage distributions (unit: %) of the differences between the decadal average precipitation and the precipitation climatic state P5 (a-g) and P4 (h-n) in summer (June-July-August), respectively from 1950s to 2010s

續(xù)圖8 continued

4 氣候態(tài)變化對大氣環(huán)流和海洋因子的影響

4.1 對大氣環(huán)流的影響

500 hPa高度場異常是短期氣候預(yù)測中最為關(guān)注的大氣環(huán)流要素，與降水和氣溫等氣象要素的變化密切聯(lián)系。圖9是500 hPa高度場氣候態(tài)P5-P4的差值，這里我們重點(diǎn)關(guān)注歐亞大陸高度場差異，可以清楚看到夏季和冬季歐亞大陸的差值波列基本呈相反態(tài)勢。夏季為“兩負(fù)一正”，負(fù)差值區(qū)分別位于烏拉爾山和東亞沿海，正差值區(qū)位于蒙古地區(qū)，表明在P5氣候態(tài)背景下，烏拉爾山脊減弱、東亞槽偏東和蒙古高壓(或貝加爾湖高壓)加強(qiáng)。而冬季歐亞高度場差值的分布剛好相反，為“兩正一負(fù)”，正差值區(qū)分別位于喀拉?！獮趵瓲柹胶蜄|亞沿海，負(fù)差值位于蒙古地區(qū)，表明新的氣候平均態(tài)下冬季烏拉爾山脊呈現(xiàn)加強(qiáng)、東亞槽和蒙古高壓呈現(xiàn)減弱的特征。

東亞冬夏季風(fēng)的變化是制約東亞地區(qū)冬夏季氣候異常的主要環(huán)流系統(tǒng)。朱艷峰(2008)選取25°～35°N、80°～120°E和50°～60°N、80°～120°E兩個(gè)區(qū)域500 hPa緯向風(fēng)區(qū)域平均的差值來衡量東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱；晏紅明等(2017)選取40°～52.5°N、112.5°～135°E和25°～35°N、115°～135°E兩個(gè)區(qū)域200 hPa 緯向風(fēng)區(qū)域平均的差值來衡量東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度。根據(jù)以上關(guān)于冬、夏季風(fēng)的指數(shù)定義，我們分析了1958—2020年東亞冬、夏季風(fēng)指數(shù)的年際變化(圖10)。對于冬季風(fēng)而言，變化趨勢不明顯，但年代差異較大，1981—1990年冬季風(fēng)指數(shù)平均為7.02，2011—2020年冬季風(fēng)指數(shù)平均為8.28，相差1.26 (圖10a)。對于夏季風(fēng)而言，有明顯的減弱趨勢，但年代差異較小， 夏季風(fēng)指數(shù)在1981—1990年平均為9.98， 2011—2020年平均為9.17，相差0.81(圖10b)。冬、夏季風(fēng)年代的差異表明基于氣候態(tài)P5，冬季風(fēng)變化呈現(xiàn)減弱，而夏季風(fēng)呈現(xiàn)加強(qiáng)的特征。

4.2 對海溫的影響

海表溫度的變化與大氣環(huán)流的變化密切相關(guān)，分析海洋的年代際變化特征對于進(jìn)一步了解氣候變化具有重要意義。圖11為不同季節(jié)平均海溫氣候態(tài)P5-P4的差值分布，可以看到除赤道東南太平洋和南極地區(qū)的海溫出現(xiàn)負(fù)差值外，其余大部分地區(qū)的海溫均為正差值，其中，北太平洋中緯度和北大西洋中緯度海域海溫正偏差較大，其他海域正偏差基本在0.1℃左右。差值分布還表明在赤道印度洋和赤道太平洋附近均為西部的增暖比東部明顯的特征(圖11a)。一般而言，赤道印度洋偶極子的季節(jié)鎖相出現(xiàn)在秋季9—11月，赤道中東太平洋冷暖海溫變化季節(jié)鎖相出現(xiàn)在11—12月，從秋冬季節(jié)P5-P4的差值分布來看，赤道東南太平洋地區(qū)小于-0.1℃ 的差值區(qū)范圍更大，西北太平洋地區(qū)的正差值強(qiáng)度也更加顯著，表明基于新氣候態(tài)P5，印度洋和太平洋東西部地區(qū)的熱力差異特征更加明顯(圖11b)。

圖9 (a)夏季和(b)冬季500 hPa高度氣候態(tài)P5-P4的 差值分布(單位：dagpm)Fig.9 Difference distribution of climatic state P5-P4 at 500 hPa in summer (a) and winter (b) (unit: dagpm)

圖10 1958—2020年(a)冬季風(fēng)和(b)夏季風(fēng)指數(shù)年際變化 (虛線表示線性趨勢，綠線表示20世紀(jì)80年代的平均，紅線表示21世紀(jì)10年代的平均)Fig.10 Interannual variation of (a) winter and (b) summer monsoon indexes (dotted line: linear trend, green line: mean in 1980s, red line: mean in 2010s)

圖11 海溫氣候態(tài)P5-P4的差值分布 (a)年(1—12月)平均海溫,(b)秋冬季(9—12月)平均海溫Fig.11 Difference distribution of climatic state P5-P4 of annual mean sea surface temperature (SST) (from January to December) (a) and mean SST in autumn and winter (from September to December) (b)

圖12 1958—2020年不同區(qū)域平均海溫指數(shù)年際變化 (a)9—11月IOD，(b)11—12月月 (水平三角線和黑色點(diǎn)線分別為20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)10年代的平均)Fig.12 Interannal variation of SST index in different regions during 1958-2020 (a) IOD from September to November, (b) from November to December, (c) from November to December (Horizontal triangle and black solid dotted lines are the average values for 1980s and 2010s, respectively)

5 結(jié)論與討論

本文針對氣溫和降水兩個(gè)主要?dú)庀笠?，以及大氣環(huán)流和海洋表面溫度等關(guān)鍵因子的不同氣候平均態(tài)更替所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了討論，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)由于氣候變暖的影響，不同時(shí)段氣溫氣候態(tài)變化對氣候業(yè)務(wù)的影響是不同的，其中，從P1到P2氣候態(tài)更替的影響不明顯，而之后的氣候態(tài)更替的影響較大，尤其從P3更替為P4氣候態(tài)的影響最大，P4更替為P5氣候態(tài)的影響次之。在新氣候態(tài)P5背景下，冬季氣候偏冷的年份表現(xiàn)為增加的特征。另外，氣溫氣候態(tài)更替的影響還存在顯著的季節(jié)差異，總體而言，冬半年的影響較大，夏半年的影響較小。

(2)不同時(shí)段降水氣候態(tài)的變化與氣溫氣候態(tài)的變化明顯不同，降水氣候態(tài)變化的線性趨勢不明顯，主要呈現(xiàn)出波動(dòng)變化。對于全國平均降水變化而言，新氣候態(tài)更替對氣候業(yè)務(wù)的影響不顯著。

(3)在空間分布上，基于新氣候態(tài)P5，我國大部分地區(qū)的氣溫距平減小，其中減小最明顯的區(qū)域位于河套附近，幅度在0.3～0.7℃，而西北西部部分地區(qū)的氣溫距平在冬季和春季表現(xiàn)為增大的特征；對降水變化特征判識結(jié)果的影響主要出現(xiàn)在夏季和秋季，基于新氣候態(tài)P5，夏季中國南方和秋季華北多雨的變化特征減弱，這是我們在汛期降水預(yù)測中需要關(guān)注的問題。

(4)基于新500 hPa高度氣候態(tài)P5，夏季烏拉爾山脊呈現(xiàn)減弱、東亞槽偏東和蒙古高壓呈現(xiàn)加強(qiáng)的特征，而冬季變化剛好相反，表現(xiàn)為烏拉爾山脊加強(qiáng)、東亞槽減弱和內(nèi)蒙古高壓減弱的特征。對冬夏季風(fēng)活動(dòng)也有一定影響，表現(xiàn)為冬季風(fēng)減弱，而夏季風(fēng)加強(qiáng)的特征。

全球氣候變暖的影響是多方面的，每30年氣候平均值的改變在一定程度上都會對氣候業(yè)務(wù)中的監(jiān)測、預(yù)測及其評估等業(yè)務(wù)工作造成一定的影響，尤其是氣溫變化的評估。而由于降水變化的線性趨勢不明顯，降水氣候平均值的改變總體而言對降水評估的影響不如對氣溫評估的影響明顯，但我們?nèi)孕桕P(guān)注不同區(qū)域降水氣候平均值更替帶來的不同影響。本文僅分析氣溫、降水、500 hPa大氣環(huán)流、海溫等因子對氣候平均更替的影響，而對于最高氣溫、最低氣溫、日照等氣象要素的影響還未進(jìn)行分析。對于其他氣象要素氣候平均值更替的影響還有待于做進(jìn)一步分析。

另外，從本文分析我們看到500 hPa中高緯度大氣環(huán)流以及中高緯度海洋的海溫變化均比較顯著，尤其是北太平洋和北大西洋增暖明顯。高低緯度的海氣相互作用有一定差異，對于中高緯度地區(qū)的海氣相互作用而言，主要是大氣的變化影響海洋，那么歐亞中高緯度環(huán)流的異常變化與中高緯度海洋溫度變化之間的相互聯(lián)系還不清楚，值得進(jìn)一步分析。另外，西印度洋增暖明顯導(dǎo)致的IOD減弱對西南季風(fēng)和氣候異常的影響也是值得進(jìn)一步關(guān)注的問題。