山東冷暖冬劃分及其與ENSO的關(guān)系

高 理，鄒 瑾

（1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點試驗室，山東 濟南 250031；2.山東省氣候中心，山東 濟南 250031）

20世紀(jì)80年代以來，全球氣候變暖問題引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，氣溫變化及其預(yù)測成為當(dāng)前科學(xué)界乃至整個社會都十分關(guān)注的熱點問題[1-4]。在全球氣溫變化的大背景下，中國乃至各個區(qū)域的冬季氣溫變化也出現(xiàn)了不同程度的異常[5-12]。陳佩燕等[2]認(rèn)為，前期夏、秋季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(guān)關(guān)系，對預(yù)測我國東部地區(qū)冬季溫度異常有一定的意義。穆明權(quán)等[13-14]研究發(fā)現(xiàn)，東亞冬季風(fēng)活動與ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的發(fā)生有明顯的關(guān)系，El Ni?o（La Ni?a）的爆發(fā)將通過大氣遙相關(guān)，使得東亞冬季風(fēng)偏弱（強）。李勇等[15]認(rèn)為，低緯度地區(qū)的海表溫度異常經(jīng)常引起大氣環(huán)流的異常，ENSO與冬季溫度的關(guān)聯(lián)區(qū)位于35°N以北的整個北方及長江中下游地區(qū)。趙俊虎等[16]在對2019/2020年我國冬季氣候特征分析中發(fā)現(xiàn)，2019年秋冬季赤道中太平洋暖海溫發(fā)展，此類中部型El Ni?o海溫異常有利于激發(fā)偏強、偏北的西北太平洋反氣旋，加之AO偏強的正位相，共同導(dǎo)致了歐亞中高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主，東亞冬季風(fēng)偏弱。

針對山東冬季氣溫，有學(xué)者做過分析[17-19]，近幾十年來，氣溫升高趨勢明顯，但21世紀(jì)以來，冬季波動式增暖，尤其是2009—2012年，在冬季變暖的背景下連續(xù)4 a冬季氣溫偏低，引起關(guān)注。針對冬季氣溫的預(yù)測，前期定性研究較多，而關(guān)于山東冬季氣溫異常程度研究的較少，本文通過分析山東省強弱冷暖冬年，找出強弱冷暖冬前期及同期海溫場演變規(guī)律，及對應(yīng)的環(huán)流場特征，為山東省冬季氣溫異常等級預(yù)測提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

選用1961/1962—2019/2020年山東省122站的冬季（12月—次年2月）逐月平均氣溫資料、NOAA的NCEP全球海溫資料（2.0°×2.0°，88°N～88°S，0°～358°E）和NCEP/NCAR再分析500 hPa高度場資料、850 hPa風(fēng)場資料（2.5°×2.5°，90°N～90°S，0°～357.5°E）。

1.2 方法

采用GB/T 21983—2008暖冬等級、GBT 33675—2017冷冬等級劃分方法，篩選山東省冷暖冬年。以暖冬等級劃分為例，單站冬季平均氣溫距平（ΔT）大于或等于暖冬閾值，定義為單站暖冬。單站暖冬劃分為強和弱兩個等級（表1）。

表1 單站暖冬等級劃分

計算公式如下：

式中，T為冬季平均氣溫的氣候平均值（1981—2010年），tj為逐年冬季平均氣溫，j為年份序號，k為序列長度30 a，n為序列長度59 a，δ為59 a冬季平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差。

區(qū)域范圍內(nèi)暖冬站點數(shù)超過站點總數(shù)的50%，定義為區(qū)域暖冬，在區(qū)域暖冬年，區(qū)域范圍內(nèi)強暖冬站點數(shù)超過暖冬站點數(shù)的50%，定義為區(qū)域強暖冬，否則為區(qū)域弱暖冬。同理，依據(jù)GBT 33675—2017冷冬等級劃分方法計算得到區(qū)域強冷冬年和區(qū)域弱冷冬年。

2 冬季氣溫基本特征

近59 a來，山東省冬季升溫明顯，傾向率為0.45℃/10 a，線性傾向估計分析超過α=0.001的顯著性水平。由圖1可知，山東冬季氣溫呈階段性變化，20世紀(jì)60—80年代中期處于偏冷階段，20世紀(jì)80年代中期至今處于偏暖階段，2019年最高，偏高2.3℃，進入21世紀(jì)，氣溫增暖減緩，波動較大，尤其2009—2012年冬季氣溫逐年下降且均低于常年值。氣候變暖背景下，氣溫年代際差異明顯，通過M-K檢驗計算得到，山東冬季在1987年出現(xiàn)暖突變，因此本文在計算冷暖冬年時，將此變暖趨勢背景去除。

圖1 1961—2019年山東省冬季平均氣溫距平

利用1981/1982—2010/2011年冬季平均氣溫（去趨勢項）計算氣候平均值，得到冷暖冬年（表2）。對山東冬季氣溫做EOF分析發(fā)現(xiàn)[19]，全區(qū)一致性暖（冷）型特征向量的累積方差貢獻率達(dá)93.7%，說明山東冬季氣溫距平場主要空間結(jié)構(gòu)分布比較均勻，因此，所選出的冷暖冬年能夠代表全省一致的情況。

3 冷暖冬前期海溫場對比分析

3.1 冬季氣溫與海溫場相關(guān)分析

由1961—2019年山東冬季氣溫與前期秋季、同期冬季赤道中、東太平洋（10°S～10°N，160°E～80°W）海溫的相關(guān)系數(shù)（圖2）可知，前期、同期相關(guān)系數(shù)通過0.05的顯著性檢驗的海域不同。前期秋季，與山東冬季氣溫相關(guān)性較高的海域位于中太平洋，主要集中在Nino4區(qū)（5°S～5°N，160°E～150°W）（圖2a），同期冬季與山東冬季氣溫相關(guān)性較高的海域位于赤道東太平洋，主要集中在Nino1+2（10°S～0°N，90°～80°W）（圖2b）。說明ENSO與山東省冬季氣溫密切相關(guān)，對冬季氣溫影響的關(guān)鍵海區(qū)隨季節(jié)有所改變。

圖2 山東省冬季氣溫與前期秋季（a）、同期冬季（b）海溫場相關(guān)系數(shù)（1961—2019年）

穆明權(quán)、陶詩言等研究發(fā)現(xiàn)，東亞冬季風(fēng)活動與ENSO的發(fā)生有明顯的關(guān)系，陶詩言等[20]指出亞洲冬季風(fēng)的年際變化受到ENSO暖期和冷期過程的影響，在ENSO的暖期和冷期冬季亞洲上空500 hPa高度距平、溫度距平是相反的，使得La Ni?a年東亞冬季寒潮偏強，El Ni?o年東亞冬季寒潮偏弱。根據(jù)GB/T 33666-2017厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法中的事件特征量綜合表，對歷史上ENSO年去趨勢項的冬季氣溫距平做統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)山東冬季氣溫與赤道中東太平洋海溫有規(guī)律性的關(guān)系（表3），1961年以來，暖事件下20 a中有12 a冬季氣溫為正距平，冷事件下15 a中有11 a冬季氣溫為負(fù)距平。其中，1964年1月暖事件結(jié)束，5月開始冷事件；1998年4月暖事件結(jié)束，7月開始冷事件；2019年6月暖事件結(jié)束，也為El Ni?o衰減年。這3 a冬季均為強暖冬年。

表3 ENSO事件時山東省冬季氣溫距平（去趨勢項/原值）

3.2 暖冬年海溫場特征

孫林海等[4]認(rèn)為，赤道東太平洋海溫的異常變化，常常會引起我國冬季氣候的異常。赤道東太平洋海溫偏高有利于中國冬季偏暖，赤道東太平洋海溫偏低則有利于中國冬季偏冷[21-22]。本文選取赤道中東太平洋區(qū)域，對當(dāng)年1月—次年2月進行逐月合成，進一步分析對比強（弱）冷暖冬的海溫演變異同。

強暖冬年，前期赤道中東太平洋El Ni?o狀態(tài)在春季時海溫正距平迅速減弱轉(zhuǎn)為負(fù)距平，夏季在赤道中東太平洋出現(xiàn)2個海溫負(fù)距平中心，分別在Nino4區(qū)（5°S～5°N，160°E～150°W）和Nino3區(qū)（5°S～5°N，150°～90°W），中心值相近，為-0.8℃左右，秋季加深，至當(dāng)年冬季僅剩一個中心，東移至120°W附近，中心值為-1.1℃左右；Nino1+2區(qū)（10°S～0°N，90°～80°W）總體同樣處于春季海溫距平由正轉(zhuǎn)負(fù)，夏秋季負(fù)距平逐漸加深狀態(tài)。

與強暖冬年相反，弱暖冬年在赤道中太平洋持續(xù)存在一個海溫正距平中心，東太平洋為負(fù)距平，前期春季位置處在Nino3.4區(qū)（5°S～5°N，170°E～120°W），隨季節(jié)演變稍微東移，正距平范圍面積擴大，中心值由0.3℃逐步增加至0.7℃；Nino1+2區(qū)同樣處于正海溫距平狀態(tài)，隨季節(jié)海溫距平逐漸上升，中心值從春季的0.1℃升至冬季的0.6℃。

3.3 冷冬年海溫場特征

強冷冬年，赤道中東太平洋海溫為持續(xù)的負(fù)距平狀態(tài)。秋季以前，Nino4和Nino3區(qū)均為大范圍的負(fù)距平，中心值約為-0.6℃；秋季至冬季，中心迅速加深至-1.4℃左右，位置東移至120°W附近；Nino1+2區(qū)同樣為負(fù)海溫距平，中心值逐漸加深至-0.8℃左右。

弱冷冬年，在熱帶中東太平洋也存在2個負(fù)海溫距平中心，分別位于赤道180°W和100°W附近，夏季東側(cè)100°W附近的海溫由負(fù)轉(zhuǎn)正，秋季又轉(zhuǎn)為負(fù)距平，兩側(cè)負(fù)值中心距平隨季節(jié)變化較不明顯，西側(cè)中心值為0.0～-0.2℃，東側(cè)中心值為0.0～-0.5℃；Nino1+2區(qū)一直處于負(fù)海溫距平狀態(tài)，中心值維持在-0.5℃左右。

4 關(guān)鍵海區(qū)變化特征

4.1 關(guān)鍵海區(qū)海溫距平的時間演變

赤道中東太平洋的海溫在冬季氣溫異常年發(fā)展規(guī)律存在明顯差異，因此本文選取赤道上影響較為關(guān)鍵的160°E～80°W海域，做前期、同期的經(jīng)向時間演變分析（圖3）。暖冬年對應(yīng)的不都是暖海溫距平狀態(tài)，強暖冬年反而對應(yīng)負(fù)海溫距平狀態(tài)，而冷冬年該區(qū)域大范圍為負(fù)海溫距平，但對應(yīng)冷海溫距平發(fā)展的不同階段和強度。朱益民等[23]指出，處于不同階段的ENSO事件對中國年際氣候異常有不同的影響。王會軍等[24]發(fā)現(xiàn)，2001/2002年亞洲北部發(fā)生超強暖冬事件，而前期同期并未出現(xiàn)ENSO事件。

圖3顯示，強暖冬年，上年冬季赤道中東太平洋海溫為明顯正距平狀態(tài)，春季至夏季由正距平轉(zhuǎn)為負(fù)距平，夏末至冬初發(fā)展為大范圍的負(fù)距平，且中心值最低在-1.0℃以下，冬末海溫逐漸回暖；Nino1+2區(qū)夏秋季負(fù)海溫距平較弱，最低值在-0.5℃左右，冬季迅速回暖，與前文4個強暖冬年中3 a為El Ni?o衰減年的分析一致。弱暖冬年，赤道中東太平洋表現(xiàn)為大范圍暖海溫距平發(fā)展，秋末冬初發(fā)展到峰期，中心值達(dá)0.8℃，位于Nino3區(qū)；Nino1+2區(qū)正海溫距平值較低，且波動發(fā)展。

圖3 強（a）/弱（b）暖冬年、強（c）/弱（d）冷冬年赤道太平洋海溫距平的逐月演變（單位：℃）

強冷冬年存在2個明顯負(fù)值中心，分別在Nino4區(qū)180°W、Nino3區(qū)120°W附近。西側(cè)中心在初秋達(dá)到峰值，為-0.8℃左右，之后與東側(cè)中心合并東移，秋冬季在Nino3區(qū)發(fā)展為大面積的負(fù)海溫距平，中心值達(dá)-1.2℃；Nino1+2區(qū)在春季至初夏為正海溫距平，之后向負(fù)海溫距平發(fā)展，秋冬季達(dá)峰值，但較Nino3區(qū)弱。弱冷冬年西側(cè)180°W的負(fù)海溫距平中心值較小，且范圍小，周邊不斷出現(xiàn)弱的正海溫距平分布，東側(cè)120°W附近至Nino1+2區(qū)在春季為明顯的負(fù)海溫距平，中心值為-0.8℃左右，夏季海溫距平波動式回升，秋季再次降低，至冬季負(fù)海溫距平中心值發(fā)展為-0.5℃左右。

4.2 強弱暖（冷）冬年海溫差異

根據(jù)海溫演變規(guī)律，選取關(guān)鍵區(qū)Nino4、Nino3、Nino1+2進一步分析強弱暖（冷）冬時赤道太平洋海溫的變化。分別計算強弱暖（冷）冬年3個區(qū)域的區(qū)域平均海溫距平值作為該關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)。

圖4為暖冬年多年平均的海溫指數(shù)逐月演變過程，強弱暖冬年具有明顯差異，強暖冬年Nino4、Nino3和Nino1+2區(qū)指數(shù)在春季由正轉(zhuǎn)負(fù)，秋末冬初達(dá)到最低值，之后快速回升；弱暖冬年三區(qū)指數(shù)均為正值，波動式發(fā)展，秋末冬初達(dá)峰值，1月開始回落。

圖4 強/弱暖冬年Nino4、Nino3和Nino1+2區(qū)平均海溫距平逐月演變

圖5為冷冬年多年平均的海溫指數(shù)逐月演變過程，強弱冷冬年3個關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)均為負(fù)值，但強冷冬年指數(shù)在夏季時下降明顯，Nino3和Nino1+2區(qū)指數(shù)較Nino4區(qū)指數(shù)下降趨勢更為劇烈，秋季至冬初二者均降至-0.5℃以下，冬末雖然略回升，但仍維持在-0.5℃，較強暖冬的指數(shù)要低，且降幅較大；弱冷冬年3個關(guān)鍵區(qū)指數(shù)由春到冬維持較為平緩的負(fù)值，東側(cè)Nino1+2區(qū)指數(shù)較西側(cè)Nino3、Nino4區(qū)指數(shù)低。

圖5 強/弱冷冬年Nino4、Nino3和Nino1+2區(qū)平均海溫距平逐月演變

趙振國等[21]認(rèn)為，我國東部地區(qū)冬季氣溫與ENSO發(fā)生、發(fā)展過程中北太平洋海溫場東西分布型、黑潮區(qū)海溫的季節(jié)變化密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，除了ENSO的影響，AO與其配置對東亞冬季氣溫的影響呈現(xiàn)出非線性的相互疊加[25]。因此，造成山東冷暖冬的原因是多方面的，在考慮赤道中東太平洋海溫的影響的同時，要綜合分析其他各種因素。

5 大氣環(huán)流對海溫的響應(yīng)

氣候變化是一個復(fù)雜的科學(xué)問題，涉及到氣候系統(tǒng)或地球系統(tǒng)的變化[26]，海洋可以通過海氣相互作用影響大氣的變率[27]，熱帶外年際尺度的海氣相互作用主要表現(xiàn)為大氣對海洋的強迫[28]。大氣環(huán)流對中國氣候異常變化有至關(guān)重要的作用，同時El Ni?o和La Ni?a事件也對中國氣候產(chǎn)生了一定的影響[29]。穆明權(quán)等[13]發(fā)現(xiàn)，東亞冬季風(fēng)與ENSO是相互影響的，暖事件爆發(fā)后，500 hPa高空槽減弱，熱帶西太平洋地面反氣旋環(huán)流維持，不利于中高緯冷空氣南下，東亞冬季風(fēng)減弱；而冷事件爆發(fā)后，大氣環(huán)流與前者相反，地面冷空氣偏強，東亞冬季風(fēng)加強。

對山東冷暖冬年的環(huán)流有研究分析，但對不同等級冷暖冬下的環(huán)流研究較少。為進一步分析環(huán)流特征對熱帶海溫的響應(yīng)，本文依據(jù)冷暖冬等級對應(yīng)的海溫演變特征，選取相應(yīng)年份，給出了暖事件結(jié)束（上一年冬季前后暖事件達(dá)頂峰，當(dāng)年春季前后衰減）、暖事件發(fā)展（當(dāng)年春夏季開始暖事件形成并發(fā)展）、強冷事件、弱冷事件當(dāng)年冬季（當(dāng)年12月—次年2月）500 hPa位勢高度距平合成場形勢圖（圖6）?？梢钥闯觯?種情形下歐亞中高緯大氣環(huán)流有明顯差異?？傮w來看，在暖事件年，歐亞中高緯以緯向環(huán)流為主：結(jié)束年（圖6a）歐亞中高緯高度距平場呈“+-+”分布，歐洲大部、東亞沿岸至北太平洋為正距平，貝加爾湖以北為負(fù)距平，表明東亞大槽、中西伯利亞處的高壓脊均較常年偏弱，影響山東的冷空氣勢力弱，導(dǎo)致氣溫偏高；發(fā)展年（圖6b）東亞沿岸至北太平洋為負(fù)距平，負(fù)距平中心位于180°E以東，朝鮮半島、日本由正距平控制，表明東亞大槽雖然略強但位置明顯偏東偏北，歐亞大陸上空距平不明顯，仍以緯向環(huán)流為主，所以氣溫易偏高，但強度較弱。而冷事件年，歐亞中高緯以經(jīng)向環(huán)流為主。強冷事件年（圖6c）烏拉爾山以北為強正距平區(qū)，貝加爾湖周圍為強負(fù)距平區(qū)，表明烏拉爾山高壓脊加強且向東北發(fā)展，東亞大槽加深且向西南伸展，山東受槽后強勁西北氣流影響，氣溫偏低；弱冷事件年（圖6d）東亞沿岸50°N以北為正距平，以南為負(fù)距平，表明東亞大槽較弱但向南伸展，冷空氣南下影響山東，但強度較弱。

圖6 暖事件結(jié)束年（a）、暖事件發(fā)展年（b）、強冷事件年（c）、弱冷事件年（d）冬季500 hPa位勢高度距平合成場

圖7為暖冬（a）、冷冬（b）年850 hPa風(fēng)場距平合成場分布。暖冬年烏拉爾山地區(qū)為氣旋式環(huán)流異常，貝加爾湖及以北為較強的自西向東的緯向風(fēng)，山東上空以偏南氣流異常為主，對應(yīng)的赤道太平洋上空為西風(fēng)異常，中緯度太平洋為東風(fēng)異常；冷冬年，烏拉爾山地區(qū)為強勁的反氣旋環(huán)流，貝加爾湖及以西為偏北氣流異常，山東上空在北風(fēng)異?？刂品秶鷥?nèi)，熱帶太平洋和中緯度太平洋風(fēng)場與暖冬年相反。結(jié)合山東冬季氣溫與風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)分布（圖8）可知，山東冬季氣溫與歐亞中高緯、中緯度太平洋、熱帶太平洋的風(fēng)場關(guān)系密切。

圖7 暖冬年（a）、冷冬年（b）850 hPa風(fēng)場距平合成場

圖8 山東冬季氣溫與緯向風(fēng)場（a）、經(jīng)向風(fēng)場（b）相關(guān)系數(shù)分布

在不同的赤道中東太平洋海溫特征下，對應(yīng)的大氣環(huán)流在中高緯的配置也不同，歐亞大陸至西北太平洋高空的槽脊強度、南北位勢高度場梯度導(dǎo)致的冷空氣強度和范圍均有區(qū)別，進而影響到山東冬季氣溫的高低，對山東冬季氣溫預(yù)測有參考意義。

6 結(jié)論與討論

（1）近59 a，山東冬季氣溫呈階段性變化，在20世紀(jì)80年代中期由偏冷階段轉(zhuǎn)為偏暖階段，進入21世紀(jì)增暖減緩且波動明顯。去趨勢項后，共出現(xiàn)4個強暖冬年、15個弱暖冬年、7個強冷冬年、14個弱冷冬年，暖冬年主要集中在20世紀(jì)90年代及以后，冷冬年主要出現(xiàn)在20世紀(jì)60—80年代和21世紀(jì)00年代中期以后。

（2）強暖冬年多出現(xiàn)在厄爾尼諾結(jié)束年，弱暖冬年多出現(xiàn)在厄爾尼諾發(fā)展年，強冷冬年多出現(xiàn)在強拉尼娜年，弱冷冬年多出現(xiàn)在弱拉尼娜年。強弱冷暖冬年Nino1+2區(qū)平均海溫距平演變較中部變化更明顯。

（3）暖海溫事件結(jié)束年、發(fā)展年和強弱冷海溫事件年對應(yīng)的冬季歐亞中高緯位勢高度距平場，在緯向環(huán)流、經(jīng)向環(huán)流上呈不同的分布形勢，強度也有差異。暖事件結(jié)束年，東亞大槽偏弱，歐亞中高緯呈緯向環(huán)流，冷空氣弱，發(fā)展年歐亞仍為緯向環(huán)流，但東亞大槽偏東偏北，兩種情況均對應(yīng)山東暖冬。強弱冷事件當(dāng)年冬季，歐亞中高緯地區(qū)呈經(jīng)向環(huán)流，但弱冷事件年時東亞大槽向南發(fā)展，強度較弱，兩者均對應(yīng)山東冷冬。

（4）山東冬季氣溫與同期歐亞中高緯、中緯度太平洋、熱帶太平洋的風(fēng)場關(guān)系密切。歐亞中高緯偏西風(fēng)異常、赤道太平洋西風(fēng)異常、中緯度太平洋東風(fēng)異常對應(yīng)山東暖冬；反之，山東冷冬。

山東冬季氣溫受東亞季風(fēng)、暖池、ENSO和熱帶印度洋的綜合影響，它們是一個有機的整體，存在著內(nèi)在的相互聯(lián)系，因此，只有對它們進行綜合的研究，才能真正認(rèn)識清楚冷暖冬對ENSO響應(yīng)的機理[30]。本文針對山東強弱冷暖冬對應(yīng)的赤道中東太平洋海溫及不同海溫分型對應(yīng)的冬季環(huán)流特征作了對比分析，而其他關(guān)鍵區(qū)海溫對其的影響并未做出研究，由于海溫與氣溫的關(guān)系復(fù)雜，海溫演變對山東冬季氣溫異常的影響機理還需深入探討。