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摘 要： 摘要:為探討前期(春夏秋)太平洋海溫對(duì)中國(guó)冬季氣溫在年際和年代際時(shí)間尺度上的可能影響。利用EOF分析等方法，對(duì)1951-2017年太平洋月平均海溫和中國(guó)160個(gè)測(cè)站的冬季月平均氣溫進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):EOF分析的第一模態(tài)表現(xiàn)出明顯的年代際變化，1985年后除云南、
摘要:為探討前期(春夏秋)太平洋海溫對(duì)中國(guó)冬季氣溫在年際和年代際時(shí)間尺度上的可能影響。利用EOF分析等方法，對(duì)1951-2017年太平洋月平均海溫和中國(guó)160個(gè)測(cè)站的冬季月平均氣溫進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):EOF分析的第一模態(tài)表現(xiàn)出明顯的年代際變化，1985年后除云南、青藏高原和華南沿海外，全國(guó)冬季氣溫偏高;第二模態(tài)呈現(xiàn)的是從西南到東北“-+-”的以準(zhǔn)5a為周期的年際變化;第三模態(tài)反映的是從西南向東北呈現(xiàn)“-+-”分布的年代際變化。前期春、夏、秋季西太平洋(0°N～20°N，125°E～150°E)和東太平洋(7°N～14°N，126°W～150°W)海溫能較好預(yù)測(cè)中國(guó)冬季氣溫，西太平洋春、夏、秋季海溫與中國(guó)冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)(0.77、0.80和0.73)比東太平洋(0.35、0.48、0.53)大，說(shuō)明西太平洋海溫對(duì)中國(guó)冬季氣溫的影響更為重要。
關(guān)鍵詞:氣象學(xué);氣候變化;冬季氣溫;時(shí)空分布特征;太平洋海溫;相關(guān)
0引言
氣候變暖是當(dāng)今氣候變化的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，是人類社會(huì)目前面臨的最緊迫和主要的挑戰(zhàn)，中國(guó)氣溫變化和全球氣候變化的大背景保持一致，呈現(xiàn)出明顯增暖的趨勢(shì)[1]。但是在整體氣溫增暖的大背景下，中國(guó)也出現(xiàn)了年際的冷冬異常[2]。2008年，中國(guó)經(jīng)歷了一次大范圍的嚴(yán)重低溫災(zāi)害，全國(guó)1月的平均氣溫為1986年來(lái)的最低值，僅有-6.6℃，江蘇、湖南和江西等地區(qū)的積雪深度為近50a來(lái)的極大值，冰凍日數(shù)持續(xù)半月有余[3]。冬季異常低溫，特別是冰凍暴雪天氣的出現(xiàn)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活帶來(lái)不利影響，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)重大損失。
海洋由于其幾何和物理學(xué)的特性而對(duì)大氣環(huán)流、天氣氣候變化的影響越來(lái)越為人們所重視，海溫異常與地面氣溫異常有關(guān)，赤道東太平洋的海溫信號(hào)對(duì)全球范圍的氣候異常有明顯影響[4]。李勇等[5]在年際和年代際尺度上分析了影響中國(guó)冬季溫度的氣候因子得出，西太平洋遙相關(guān)型對(duì)溫度有顯著影響。梁蘇潔等[6]指出中國(guó)地處亞洲大陸和北太平洋的交界處，太平洋地區(qū)的海溫變化與中國(guó)冬季氣溫有密切聯(lián)系。陳少勇等[7]發(fā)現(xiàn)西北太平洋海溫升高，導(dǎo)致中國(guó)東部大部分地區(qū)冬季氣溫偏高。
以往的研究發(fā)現(xiàn)，氣溫異常往往能從前期海溫的變化尋找到響應(yīng)信號(hào)，且發(fā)現(xiàn)一些關(guān)鍵區(qū)域的海溫與中國(guó)冬季氣溫異常有很好的相關(guān)關(guān)系，對(duì)預(yù)測(cè)冬季氣溫也有一定的前兆意義[8-12]。氣溫變化原因很復(fù)雜，不同地區(qū)溫度變化有著不一樣的影響因素。在此基礎(chǔ)上在更大的時(shí)間長(zhǎng)度上研究中國(guó)冬季氣溫的年際變化特征，并著重分析太平洋海表溫度和中國(guó)冬季氣溫的關(guān)系，希望對(duì)兩者之間的關(guān)系能有一個(gè)更加深入的認(rèn)識(shí)和了解，對(duì)冬季氣溫預(yù)測(cè)提供思路，也為防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論依據(jù)。
1資料與研究方法
所采用的中國(guó)氣溫資料為中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供的160個(gè)測(cè)站的1951-2018年逐月氣溫，選取當(dāng)年12月與次年1、2月氣溫的平均值作為當(dāng)年的冬季平均氣溫，研究所選的時(shí)間段為1951-2017年。太平洋海溫資料來(lái)自https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.noaa.ersst.v5.html。分別選取當(dāng)年3、4、5月的平均海溫、當(dāng)年6、7、8月的平均海溫、當(dāng)年9、10、11月的平均海溫、當(dāng)年12月與次年1、2月的平均海溫作為當(dāng)年春季、夏季、秋季和冬季海溫。用M-K檢驗(yàn)分析中國(guó)冬季氣溫的突變情況，用EOF方法分析冬季氣溫的主要模態(tài)類型以及時(shí)間變化特征，用相關(guān)分析法研究中國(guó)冬季氣溫和海溫之間的聯(lián)系。
2中國(guó)冬季氣溫時(shí)空分布特征
2.1中國(guó)冬季氣溫趨勢(shì)分析
由圖1(a)可見(jiàn)，中國(guó)冬季氣溫的年際變化非常明顯，年代際的差異也很大。從整體線性趨勢(shì)看，氣溫呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.30℃·(10a)-1，顯著性為0.474，可通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明中國(guó)冬季增溫的趨勢(shì)顯著。1986年前冬季氣溫的平均值整體在-0.5℃左右浮動(dòng)，而1986年后冬季氣溫整體上升，20世紀(jì)90年代氣溫的變化幅度很小，進(jìn)入21世紀(jì)，冬季氣溫變幅迅速增大，有更多的極端暖冬和冷冬出現(xiàn)，此時(shí)氣溫均值上升，基本在0.5℃左右浮動(dòng)，同時(shí)9年滑動(dòng)平均值也呈現(xiàn)出相同變化。1999年、2002年和2007年為3個(gè)冬季極端暖年，冬季平均氣溫分別為1.798℃、2.006℃和2.427℃。2006年后冬季氣溫的9年滑動(dòng)平均值開(kāi)始下降，2009年和2011年為兩個(gè)低溫年，之后冬季氣溫又迅速增加。同時(shí)結(jié)合中國(guó)冬季氣溫的M-K突變檢驗(yàn)(圖1b)，可知在20世紀(jì)80年代后期和90年代前期，中國(guó)冬季氣溫發(fā)生突變，由冷冬向暖冬轉(zhuǎn)變。
分別對(duì)160個(gè)站點(diǎn)冬季氣溫的氣候傾向率進(jìn)行插值，得到了冬季氣溫變化的空間分布趨勢(shì)圖(圖1c)。發(fā)現(xiàn)除貴陽(yáng)外，冬季氣溫均呈上升趨勢(shì)，在內(nèi)蒙古中部和新疆北部增溫趨勢(shì)達(dá)到最大，分別為0.6℃·(10a)-1和0.7℃·(10a)-1。以濟(jì)寧、鄭州、西安和蘭州為界限，在其北方增溫趨勢(shì)較大，普遍大于全國(guó)平均的增溫水平;而在這條分界線的南方，冬季增溫趨勢(shì)不明顯。
2.2中國(guó)冬季氣溫的主要模態(tài)
為了對(duì)1951年以來(lái)冬季平均氣溫的模態(tài)做直觀分析，對(duì)冬季氣溫距平值做EOF分析[4]，得到了冬季氣溫的前3個(gè)主要分布形式，前3個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為58.6%、12.9%和7.9%(圖2)，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到79.4%，因此認(rèn)為這3種氣溫型基本反映了冬季氣溫的分布形勢(shì)。
第一模態(tài)(EOF1)為除云南、青藏高原和華南沿海外全國(guó)大部分地區(qū)一致型(圖2a)，這是冬季氣溫的主要分布形勢(shì)，方差貢獻(xiàn)率為58.6%，說(shuō)明該信號(hào)相當(dāng)突出。該型主要表現(xiàn)為大部分地區(qū)一致偏暖的特征，除云南、青藏高原和華南沿海外，全國(guó)冬季氣溫均偏高，偏暖中心主要位于新疆北部以及山西地區(qū)。當(dāng)冬季氣溫發(fā)生變化時(shí)，全國(guó)氣溫要么一致偏高，要么一致偏低。由該特征向量的時(shí)間序列(PC1)變化曲線可以看出，該型表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)又有階段性的特點(diǎn)(圖2b)。1951-1985年時(shí)間系數(shù)基本上為負(fù)位相，僅1978年和1982年為較明顯的正位相，因此，在這段時(shí)間內(nèi)除云南、青藏高原和華南沿海外其他大部分地區(qū)的冬季氣溫整體呈現(xiàn)偏低的特征，其中以1969年為最。這一趨勢(shì)也與鐘珊珊等[13]已有研究指出的20世紀(jì)60年代初至90年代前期，冬季暖日頻次偏少較為一致。1985年后時(shí)間系數(shù)由負(fù)向正值轉(zhuǎn)變，冬季氣溫出現(xiàn)明顯的增暖趨勢(shì)。在1985-2000年大部分地區(qū)冬季氣溫均偏高，進(jìn)入21世紀(jì)，冬季氣溫出現(xiàn)3～5a的周期變化，暖冬出現(xiàn)次數(shù)減少，但是暖冬程度加深，不同年份之間冷暖差異加大。綜上冬季氣溫在年代際上云南、青藏高原和華南沿海降低，在其他地區(qū)普遍增溫，且在新疆北部、華中地區(qū)增溫最為顯著。由下文分析可知，中國(guó)冬季氣溫的普遍增暖現(xiàn)象和太平洋海溫的升高相一致。
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第二模態(tài)(EOF2)中，中國(guó)冬季氣溫呈現(xiàn)從西南到東北的“-+-”分布型，在西藏中南部、青海為負(fù)值區(qū)域，以及以內(nèi)蒙古中部經(jīng)山西河南到山東為分界線，在分界線的東北方為負(fù)值中心，另外新疆北部出現(xiàn)了部分負(fù)值區(qū)域;在其他地方則為明顯的正值區(qū)域(圖2c)。該空間型占總方差的12.9%，從對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列(PC2)可以看出，該型主要以年際變化為主，中國(guó)冬季氣溫呈現(xiàn)準(zhǔn)5a的周期變化，“-+-”和“+-+”空間型交替出現(xiàn)(圖2d)。1998年后，只有2008年和2015年為較強(qiáng)的負(fù)位相，其他年份均為正位相占優(yōu)勢(shì)地位，說(shuō)明21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)從西北到東南大部分冬季氣溫普遍偏高，而東北地區(qū)、西藏中南部、青海則較常年偏冷。
第三模態(tài)(EOF3)的空間分布形態(tài)為從西南到東北的“+-+”分布型(圖2e)，該空間形態(tài)和EOF2相似，差別主要體現(xiàn)在時(shí)間序列上，主要反映年代際的變化特征(圖2f)。在西藏東部、青海南部和云南地區(qū)為氣溫距平最大正值中心，以內(nèi)蒙古中部經(jīng)山西、河南到山東一帶為界限的東北地區(qū)為次大正值中心，其他地區(qū)為負(fù)值區(qū)域。EOF3對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列(PC3)(圖2f)與EOF1對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列(PC1)(圖2b)有相似之處，除了1954年、1959年、1972年、1974年、1983年這幾個(gè)特殊年份外，20世紀(jì)90年代前幾乎全為負(fù)位相，在90年代后期是該空間型發(fā)生轉(zhuǎn)變的具體時(shí)期，1992年前，中國(guó)冬季氣溫整體從西南向東北呈現(xiàn)“-+-”分布，之后為“+-+”分布型。
3中國(guó)冬季氣溫和太平洋海溫的關(guān)系
3.1中國(guó)冬季氣溫和北太平洋海溫的時(shí)滯及同期相關(guān)關(guān)系
大氣對(duì)海溫變化的反映有一定的滯后性，考慮到不同區(qū)域、不同季節(jié)的海溫對(duì)中國(guó)冬季氣溫影響的可能性不同，為了研究中國(guó)冬季氣溫與北太平洋海溫的時(shí)滯和同期的相關(guān)關(guān)系，將綜合分析前期春季、前期夏季、前期秋季和同期冬季北太平洋海溫與中國(guó)冬季氣溫的相關(guān)。
從中國(guó)冬季氣溫與前期春季太平洋海溫的相關(guān)分析可以看出(圖3a)，赤道西太平洋、赤道東太平洋、北美大陸西側(cè)以及東亞?wèn)|南側(cè)的太平洋春季海溫和中國(guó)冬季氣溫的正相關(guān)性均通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)，即當(dāng)這些區(qū)域海溫偏高時(shí)，中國(guó)冬季氣溫也將偏高。而在北太平洋的中心地區(qū)為較大區(qū)域的負(fù)相關(guān)，相關(guān)性可通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。在中國(guó)冬季氣溫與前期夏季太平洋海溫的相關(guān)中可以發(fā)現(xiàn)(圖3b)，西太平洋的顯著相關(guān)區(qū)域與春季的相關(guān)相比有較為明顯的南退東伸，原本位于170°W～150°W通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的海區(qū)相關(guān)性加強(qiáng)，但是東太平洋以及北太平洋的正相關(guān)區(qū)域顯著減小，中太平洋通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的負(fù)相關(guān)區(qū)域完全消失。中國(guó)冬季氣溫與前期秋季太平洋海溫的相關(guān)中(圖3b)，西太平洋的相關(guān)區(qū)域北伸到40°N，而赤道中太平洋的相關(guān)性減弱，相關(guān)區(qū)域減小，中太平洋的負(fù)相關(guān)區(qū)域幾乎全部消失，秋季太平洋海溫和中國(guó)冬季氣溫呈現(xiàn)一致的正相關(guān)。在中國(guó)冬季氣溫與同期冬季太平洋海溫的相關(guān)分析中(圖3d)，北太平洋出現(xiàn)大范圍顯著相關(guān)區(qū)域，赤道西太平洋以及赤道東太平洋原本顯著正相關(guān)區(qū)域范圍變小，中太平洋的負(fù)相關(guān)區(qū)域則重新出現(xiàn)。由此可見(jiàn)，前期海溫的變化對(duì)中國(guó)冬季氣溫存在明顯的影響作用，并且由于同期冬季海溫不能作為中國(guó)冬季氣溫的預(yù)報(bào)因子，因此將前期春季、前期夏季和前期秋季太平洋海溫與中國(guó)冬季氣溫的相關(guān)關(guān)系作為重點(diǎn)研究的對(duì)象。
根據(jù)前文分析，中國(guó)冬季氣溫與北太平洋海溫的相關(guān)關(guān)系主要以正相關(guān)為主。從前期春季到前期夏季，赤道太平洋通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)的正相關(guān)區(qū)域擴(kuò)大;從前期夏季到前期秋季，赤道太平洋通過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)的正相關(guān)區(qū)域迅速減小。這與陳佩燕等[4]指出的不同的海區(qū)與中國(guó)溫度存在不同的相關(guān)性，中國(guó)冬季氣溫與赤道中東太平洋海溫有正的相關(guān)關(guān)系相一致。
綜上所述，分別選擇前期春季、前期夏季、前期秋季作為研究的關(guān)鍵季節(jié)。為了綜合考慮以上3個(gè)關(guān)鍵季節(jié)的海溫對(duì)中國(guó)冬季氣溫的影響，選取3個(gè)季節(jié)均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的海區(qū)作為關(guān)鍵區(qū)域，將(0°N～20°N，125°E～150°E)作為西太平洋海溫關(guān)鍵區(qū)，將(7°N～14°N，126°W～150°W)作為東太平洋海溫關(guān)鍵區(qū)。3.2關(guān)鍵區(qū)海溫與中國(guó)冬季氣溫的相關(guān)關(guān)系為更好地了解關(guān)鍵海區(qū)不同季節(jié)的海溫對(duì)中國(guó)冬季氣溫空間分布上的可能影響，分別對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵海區(qū)的海溫進(jìn)行區(qū)域平均，然后將其作為各自的海溫指數(shù)。為進(jìn)一步分析關(guān)鍵海區(qū)海溫指數(shù)與中國(guó)冬季氣溫的時(shí)滯相關(guān)關(guān)系，利用關(guān)鍵海區(qū)各自的前期春季、前期夏季及前期秋季的海溫指數(shù)與中國(guó)冬季氣溫計(jì)算相關(guān)系數(shù)，研究關(guān)鍵海區(qū)海溫指數(shù)與中國(guó)冬季氣溫的時(shí)滯相關(guān)性。——論文作者：李歡歡，鞏遠(yuǎn)發(fā)