中國華北地區冬季異常冷暖的變化特征及影響因子分析

李培 ，任廣成，蔡開華

(1.中國人民解放軍海軍海洋水文氣象中心，北京100161 2.中國人民解放軍96631部隊，北京 102208)

1 引言

近代氣候變化最突出的特征是氣候變暖。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告[1]明確指出：近100年(1906－2005年)地球表面平均溫度上升了0.74℃,近50年的線性增溫為0.13℃/10年，1850年以來最暖的12個年份中有11個出現在近期的1995－2006年，全球變暖毋庸置疑。由于全球氣候變化對全球許多地區的自然生態系統和社會經濟部門已經產生并將繼續產生重大影響，涉及水資源、農業、陸地生態系統、海岸帶和近海生態系統，以及人類社會的生產、消費和生活方式等經濟社會的諸多領域，甚至對國家和國防安全也構成極大威脅[2-3]。因此，氣候變化問題，已成為當今國際社會普遍關注的重大全球性問題，也已不再僅僅是一個科學問題，而是演化成為一個長期性的重大國際政治、經濟、社會、外交和軍事問題。眾多的研究表明[4-8]，我國的溫度變化與全球溫度變化有較好的一致性，趨于變暖。20世紀90年代以來，在全球氣候變暖的背景下，我國的氣象災害明顯增多，對經濟社會發展的影響日益加劇。減輕氣象災害的危害，應對氣候變化的威脅，實現人與自然和諧，促進經濟、社會、人口、資源和環境的協調發展，是國家經濟社會發展面臨的重要課題。對于氣候變暖，不同地區不同季節其氣候變暖的幅度有所不同。陳隆勛等[9]曾經把我國溫度變化與全球溫度變化做過比較分析，發現我國北方地區，主要是東北、西北和華北地區溫度變化與全球溫度變化一致性較好。華北地區系北亞熱帶和中溫帶的過渡帶[10]，又是氣候變暖最顯著的地區之一，且華北地區人口眾多，大都市集中，經濟發達，研究其冬季異常冷暖變化規律并實施有效預測，對于充分開發利用氣候資源及其它自然資源，減少和預防氣候災害，增強人們應對氣候變化意識，提高全球環境意識和減緩氣候變化行動參與意識都具有較大的實際意義。關于華北地區的氣候變化也有一些相關研究[11-13]，但多是從某一個側面進行分析，且未過多涉及具體影響因子問題。許多研究表明[14-18]，東亞冬季風、西伯利亞高壓、北半球極渦、烏拉爾山阻塞高壓、蒙古高壓和西太平洋副熱帶高壓等大氣環流系統，均對我國,尤其是華北地區冬季氣溫具有較大影響。任廣成等[19]還就影響我國冬季氣溫的主要環流系統進行對比分析，發現西伯利亞高壓強度變化及西太平洋副熱帶高壓東西位置和強度變化，對華北地區冬季氣溫影響最為顯著。沈愛華等[20]還曾經對北京冷暖冬年與前期北太平洋海溫的關系進行分析，發現北京暖冬年其前期春季北太平洋海溫距平場呈現厄爾尼諾分布型，冷冬年則呈現拉尼娜分布型。申紅艷等[21]就低空風場及北極濤動對華北冬季氣溫的影響進行分析，發現華北冬季偏冷期中、高緯緯向環流偏弱，經向環流明顯增強，主要盛行偏北風。華北冬季氣溫異常變化與北極濤動的年代際變化有著密切的關系。本文試圖利用北半球海平面氣壓場、500 hPa 高度場和北太平洋海溫場資料及相關環流特征指數資料，就華北地區冬季異常冷暖的變化特征及影響因子進行分析，為氣候預測提供物理依據。

2 資料和方法

采用1951—2009年華北地區北京、天津、石家莊、邢臺、承德、張家口、太原、長治和臨汾9個代表站溫度資料，歷年逐月北半球海平面氣壓場(網格：5°×10°)、北半球500 hPa高度場（網格：5°×10°）和北太平洋海溫場（網格：5°×5°）資料及相關環流特征指數資料。資料均由中國氣象局國家氣候中心提供。

計算華北地區9個代表站冬季（12—2月）平均溫度距平和并進行逐年代累積，分析其氣候變化。依據9個代表站冬季平均溫度距平和之大小，確定華北地區冬季異常冷暖年份，對異常年份進行北半球海平面氣壓場和北半球500 hPa高度場及北太平洋海溫場合成與對比分析，并結合相關分析方法，找出華北地區冬季異常冷暖年份北半球海平面氣壓場、北半球500 hPa 高度場及北太平洋海溫場的主要特征和對華北地區冬季溫度變化趨勢具有顯著影響的海氣因子。

3 華北冬季異常冷暖的氣候變化

采取過去的做法[21]，依據華北地區9個代表站冬季（12—2月）平均溫度距平和之大小，確定冬季異常冷暖年份。考慮到異常年份的氣候概率不易過大，也不易太小。故規定凡9個代表站冬季平均溫度距平和≤-3.5℃，定為異常冷冬年；凡冬季平均溫度距平和≥3.5℃，定為異常暖冬年。按此標準，自1951—2009年的59年中，華北地區異常冷冬年共出現10年。分別是1952、1954、1956、1957、1963、1966、1967、1968、1971和1976年。異常暖冬年也出現10年。分別是1988、1990、1994、1996、1997、1998、2001、2003、2006和2008年。圖1給出華北地區9個代表站冬季（12—2月）平均溫度距平和的逐年變化，可看出其異常年份分布及其年代際變化情況。上世紀50年代共出現4個異常冷冬年，沒有出現異常暖冬年，溫度距平累積值為-25.3℃，顯然是華北地區冬季低溫時期。60年代也出現4個異常冷冬年，沒有出現異常暖冬年，溫度距平累積值低達-29.1℃，是華北地區冬季溫度的最低時期。70年代共出現2個異常冷冬年，仍沒有出現異常暖冬年，溫度距平累積值為-8.6℃，較60年代溫度有所回升。進入80年代，又有明顯回升，并出現了2個異常暖冬年而無異常冷冬年，溫度距平累積值已由負值上升為6.8℃。90年代溫度再度升高，竟出現4個異常暖冬年而無異常冷冬年，溫度距平累積值高達29.6℃，是華北地區冬季顯著高溫時期。進入本世紀后的9年中，又曾出現4個異常暖冬年，無異常冷冬年，9年溫度距平累積值為26.5℃，顯然目前華北地區冬季仍處在高溫時期。特別需要提及的是，10個異常冷冬年均出現在上世紀70年代之前，10個異常暖冬年則均出現在上世紀80年代之后，尤其是集中出現在80年代后期之后，每隔1—2年，最多隔3年就出現1個異常暖冬年，甚至會連續發生。華北地區冬季溫度的這種異常變化，除人為原因外，還可能與近些年海溫異常導致全球大氣環流異常頻繁發生有關[22-25]。

圖1 華北地區9個代表站冬季（12—2月）平均溫度距平和演變曲線（溫度距平值擴大10倍）

4 華北冬季異常冷暖的環流場分析

4.1 北半球海平面氣壓場分析

制作華北地區10個異常冷冬年和10個異常暖冬年北半球海平面氣壓累積距平合成圖(見圖2)。對比分析發現，北半球多個大氣活動中心在強度上表現出明顯的差異。異常冷冬年，自我國北部往北至蒙古到西伯利亞高緯度地區為正距平控制，正距平中心位于西伯利亞，強度為32 hPa。阿留申地區和冰島地區也為正距平區，正距平中心強度分別為26 hPa和29 hPa。在北太平洋的夏威夷地區和北大西洋的亞速爾地區均為負距平控制，其中亞速爾地區負距平中心強度較強為-18 hPa，夏威夷地區負距平中心強度較弱僅為-4 hPa。異常暖冬年情況恰恰相反，我國北部至蒙古到西伯利亞為大范圍的負距平區，負距平中心強度達-43 hPa,位于西伯利亞。阿留申地區和冰島地區也均為負距平區，負距平中心強度分別為-17 hPa和-42 hPa。而在北太平洋的夏威夷地區和北大西洋的亞速爾地區則均為正距平控制，正距平中心強度分別為19 hPa和27 hPa。這種距平場的分布表明，華北地區異常冷冬年，蒙古高壓和西伯利亞高壓，尤其是西伯利亞高壓強度偏強；阿留申低壓和冰島低壓強度偏弱；夏威夷高壓和亞速爾高壓強度也均偏弱。華北地區異常暖冬年，這些大氣活動中心其強度變化與異常冷冬年相反。在華北地區9站冬季平均溫度距平和與北半球海平面氣壓的相關分布（圖略）上，這些大氣活動中心均有很好的反映，蒙古至西伯利亞為大范圍的高負相關區，負相關中心相關系數竟達-0.79，遠超過0.001顯著性水平檢驗。在阿留申地區和冰島地區也均為負相關區，中心相關系數分別為-0.36和-0.31,前者通過0.01顯著性水平檢驗,后者接近0.01 顯著性水平檢驗。而在夏威夷和亞速爾地區則均為正相關區，正相關中心相關系數分別為0.46和0.51，均通過0.001顯著性水平檢驗。為較客觀的說明問題，分別定義這些大氣活動中心的強度指數。具體做法是，在西伯利亞高壓活動區域，選擇(55o—65oN、80o—110oE)范圍共10格點,用其海平面氣壓距平和作為西伯利亞高壓強度指數。用(40o—50oN、100o—120oE)范圍共8 格點海平面氣壓距平和，作為蒙古高壓強度指數。用(25o—30oN、175oE—165oW)范圍共5格點海平面氣壓距平和，作為夏威夷高壓強度指數。用(55o—60oN、155o—175oE)范圍共5 格點海平面氣壓距平和，作為阿留申低壓強度指數。用（20o—30oN、0o—30oW）范圍共11格點海平面氣壓距平和，作為亞速爾高壓強度指數。用(65o—70oN、0o—30oW)范圍共7 格點海平面氣壓距平和，作為冰島低壓強度指數。表1 給出華北地區9站冬季溫度距平和與這些大氣活動中心的強度指數之間的相關系數。可以看出，除與冰島低壓和阿留申低壓相關略差外，其余關系均很好，尤其是與西伯利亞高壓和蒙古高壓關系更好，相關系數分別為-0.71和-0.61,均遠超過0.001顯著性水平檢驗。就是說華北地區冬季溫度變化與北半球多個大氣活動中心相聯系，但對華北地區冬季溫度變化影響最直接最顯著的還是西伯利亞高壓和蒙古高壓兩大環流系統，這與龔道溢等[15]的研究是一致的。眾所周知，北太平洋濤動是指夏威夷高壓與阿留申低壓兩個大氣活動中心海平面氣壓反位相振動現象，用夏威夷高壓與阿留申低壓強度指數之差，作為北太平洋濤動強度指數。北大西洋濤動是指亞速爾高壓與冰島低壓兩個大氣活動中心海平面氣壓反位相振動現象，用亞速爾高壓與冰島低壓強度指數之差，作為北大西洋濤動強度指數。兩大濤動強度指數與華北地區9站冬季平均溫度距平和之間的相關系數分別為0.45和0.41,均達到0.001顯著性水平檢驗。

圖2 北半球華北地區海平面氣壓累積距平合成圖

表1 華北地區9站冬季溫度距平和與北半球大氣活動中心相關統計

4.2 北半球500 hPa高度場分析

制作并分析華北地區10個異常冷冬年和10個異常暖冬年北半球500 hPa 高度累積距平合成圖（見圖3）。發現距平分布差異最顯著的有3個地區。一是本區即華北地區，異常冷冬年為較強的負距平控制，負距平中心強度為-24 dagpm。異常暖冬年則為較強的正距平控制，正距平中心強度為32 dagpm；二是太平洋較低緯度地區，異常冷冬年也為負距平控制，但強度較弱，僅為-7 dagpm。異常暖冬年為正距平控制，且強度較強，中心強度達30 dagpm；三是烏拉爾山地區，異常冷冬年為正距平控制，中心強度為24 dagpm。異常暖冬年為負距平控制，中心強度為-24 dagpm。表明華北地區異常冷冬年，本區高度場偏低，西太平洋副高偏弱，烏拉爾山阻高偏強。異常暖冬年情況相反，本區高度場偏高，西太平洋副高偏強，烏拉爾山阻高偏弱。在華北地區9 站冬季平均溫度距平和與北半球500 hPa 高度的相關分布（圖略）上，本區和西太平洋地區為兩個高正相關中心區，最大相關系數竟分別高達0.81和0.60，均遠超過0.001 顯著性水平檢驗。烏拉爾山則為高負相關中心區，最高負相關系數為-0.47,通過0.001 顯著性水平檢驗。選擇（35o—40oN、110o—120oE）范圍共3 格點500 hPa 高度距平和，來反映本區高度場變化。用（60o—70oN、155o—175oE）范圍共8格點500 hPa高度距平和，作為烏拉爾山阻高強度指數。表2給出華北地區9站冬季平均溫度距平和與本區高度場、西太平洋副高強度和西伸脊點及烏拉爾山阻高強度指數之間的相關系數。可以看出，其間均存在著很好的相關關系。需要說明的是，華北地區冬季溫度不僅與西太平洋副高強度關系密切，而且與西太平洋副高西伸脊點關系也十分密切，相關系數竟達-0.60,遠超過0.001 顯著性水平檢驗。就是說，本區500 hPa 高度場越低，西太平洋副高強度越弱，位置越偏東，烏拉爾山阻高強度越強，華北地區冬季溫度越低。反之，本區500 hPa高度場越高，西太平洋副高強度越強，位置越偏西，烏拉爾山阻高強度越弱，華北地區冬季溫度越高。這與過去的研究[16-17]是一致的。

圖3 北半球華北地區500 hPa高度累積距平合成圖

表2 華北地區9站冬季平均溫度距平和與本區高度場、西太平洋副高強度、西伸脊點及烏拉爾山阻高強度指數之間的相關統計

5 華北冬季異常冷暖與前期環流場的遙相關分析

5.1 前期北半球海平面氣壓場的遙相關分析

圖4 華北地區10個異常冷冬年前期春(a1)夏(b1)秋(c1)季和10個異常暖冬年前期春(a2)夏(b2)秋(c2)季北半球海平面氣壓累積距平合成圖

從短期氣候預測的角度講，我們最為關心的是華北地區冬季異常冷暖其前期大氣環流有何異常特征,以找出具有指示性好的因子用于實際預測。制作華北地區10個異常冷冬年和10個異常暖冬年前期各季北半球海平面氣壓累積距平合成圖（見圖4）。對比分析發現，前期春季在蒙古地區海平面氣壓差異最大。異常冷冬年，蒙古地區為較強的正距平控制，中心強度為17 hPa。而異常暖冬年，蒙古地區則為較強的負距平控制，中心強度為-20 hPa。對于前期夏季，海平面氣壓差異最大的地區，位于北太平洋中部地區，異常冷冬年，北太平洋中部地區為負距平控制，中心強度為-16 hPa。異常暖冬年為正距平控制，中心強度達24 hPa。前期秋季，海平面氣壓差異較大的地區有兩個，一個位于蒙古地區，另一個位于北太平洋中部地區。異常冷冬年，蒙古地區為正距平控制，中心強度為20 hPa；北太平洋中部地區為負距平控制，中心強度為-19 hPa。異常暖冬年情況相反，蒙古地區為負距平控制，中心強度為-18 hPa；北太平洋中部地區則為正距平控制，中心強度為29 hPa。在相應的華北地區9 站冬季平均溫度距平和與前期春、夏、秋季北半球海平面氣壓的相關分布上，可以發現，前期春季和秋季具有較好的相似性，表現出在亞洲大陸均為較好的負相關分布，高負相關區均集中在蒙古地區，只是在北太平洋中部地區秋季為較好的正相關區，而春節則不存在。眾所周知，春季和秋季均為大氣環流的轉折季節。春季是亞洲大陸熱低壓逐漸建立，而蒙古高壓逐漸消退的過程；秋季則是亞洲大陸熱低壓逐漸消退，而蒙古高壓逐漸建立的過程。就是說蒙古高壓強弱變化不僅對華北地區同期冬季溫度變化具有顯著影響，而且在其前期春、秋季的消退和建立過程中，其強弱變化對華北地區冬季溫度變化還具有很好的預測指示意義。計算表明，前期春、秋季蒙古高壓強度指數與華北地區9 站冬季平均溫度距平和之間的相關系數分別為-0.47和-0.50,均通過0.001 顯著性水平檢驗。在夏季相關分布上，北太平洋中部地區為較好的正相關區。為較客觀的說明問題，用（25o—35oN、165oE—175oW）范圍共8格點海平面氣壓距平和作為夏、秋季北太平洋中部高壓強度指數。該指數與華北地區9站冬季平均溫度距平和之間的相關系數分別為0.51、0.49,均通過0.001顯著性水平檢驗。

5.2 前期北半球500 hPa高度場的遙相關分析

圖5 華北地區10個異常冷冬年前期春(a1)夏(b1)秋(c1)季和10個異常暖冬年前期春(a2)夏(b2)秋(c2)季北半球500 hPa高度累積距平合成圖

制作并分析華北地區10個異常冷冬年和10個異常暖冬年前期各季北半球500 hPa高度累積距平合成圖（見圖5）。可以發現，前期春季500 hPa高度距平差異較大的地區有兩個，一個位于貝加爾湖地區，另一個位于北太平洋夏威夷地區。異常冷冬年均為負距平控制，中心強度分別為-19、-17dagpm。異常暖冬年均為正距平控制，中心強度分別為21、16 dagpm。前期夏季500 hPa 高度距平差異較大的地區主要位于阿留申地區，異常冷冬年負距平中心強度為-24 dagpm，異常暖冬年正距平中心強度達41 dagpm。前期秋季500 hPa 高度距平差異較大的地區也有兩個，一個位于阿留申地區，另一個位于南海地區。異常冷冬年阿留申地區負距平中心強度為-25 dagpm，南海地區負距平中心強度為-10 dagpm。異常暖冬年阿留申地區正距平中心強度為36 dagpm，南海地區正距平中心強度為10 dagpm。一般而言，500 hPa高度距平差異大的地區，多對應的是500 hPa 高度場與華北地區冬季溫度相關較好的地區，也是對華北地區冬季溫度變化指示性好的地區。為較客觀的說明問題，用(50o—60oN、95o—115oE)范圍共7格點500 hPa高度距平和與（20o—30oN、140o—170oW）范 圍 共11 格 點500 hPa 高度距平和分別反映春季貝加爾湖地區和夏威夷地區500 hPa 高度場變化，并分別與華北地區9 站冬季平均溫度距平和進行相關計算，相關系數分別為0.55、0.52，均通過0.001 顯著性水平檢驗。同理，用（45o—55oN、170oE—170oW）范圍共7格點500 hPa高度距平和來反映夏季阿留申地區500 hPa高度場變化，并計算與華北地區9 站冬季平均溫度距平和之間的相關關系，相關系數為0.58，通過0.001顯著性水平檢驗。對于前期秋季，分別用阿留申地區7 格點500 hPa高度距平和及南海副高強度指數，計算其與華北地區9 站冬季平均溫度距平和之間的相關系數，分別為0.49和0.47,也均通過0.001顯著性水平檢驗。

6 華北冬季異常冷暖與北太平洋海溫的遙相關聯系

對華北地區9站冬季平均溫度距平和與北太平洋海溫進行逐季遙相關分析，發現前期春季相關最好，夏季次之，秋季最差，故這里重點討論春季的情況。圖6為華北地區9站冬季平均溫度距平和與前期春季北太平洋海溫的相關分布。從圖6 可看出，西風漂流區為很好的負相關區，赤道東太平洋以正相關分布為主。就相關程度而言，西風漂流區的負相關好于赤道東太平洋的正相關。統計發現西風漂流區（30o—35oN、175oE—165oW）范圍共16個格點,通過0.001顯著性水平檢驗的格點相關系數有13個，占總格點數的81%。赤道東太平洋（10oS—5oN、180—80oW）范圍共82個格點,通過0.001 顯著性水平檢驗的格點相關系數僅有10個，占總格點數的12%。計算表明,前期春季西風漂流區海溫距平和與華北地區9站冬季平均溫度距平和之間的相關系數為-0.59,超過0.001顯著性水平檢驗，而赤道東太平洋海溫距平和與華北地區9站冬季平均溫度距平和之間的相關系數為0.33,僅達到0.01 顯著性水平檢驗。說明前期春季西風漂流區海溫變化對華北地區冬季溫度變化更具有指示性。這種相關分布還說明，華北地區異常暖冬年其前期春季北太平洋海溫距平場分布為厄爾尼諾分布型。即赤道東太平洋為正距平分布，西風漂流區為負距平分布。而華北地區異常冷冬年其前期春季北太平洋海溫距平場分布則為拉尼娜分布型。也即赤道東太平洋為負距平分布，西風漂流區為正距平分布，這與沈愛華等人[20]的分析是一致的。顯然，前期春季北太平洋海溫距平分布型，可以作為華北地區冬季溫度趨勢預測的前兆信號。

圖6 華北地區9站冬季平均溫度距平和與前期春季北太平洋海溫的相關分布（相關系數擴大100倍）

7 結論

（1）上世紀50和60年代為華北地區冬季溫度明顯低溫時期，70和80年代為溫度回升時期，90年代進入明顯高溫時期，目前仍處在明顯高溫時期；

（2）華北地區異常冷冬年，蒙古高壓和西伯利亞高壓，尤其是西伯利亞高壓強度偏強；阿留申低壓和冰島低壓強度偏弱；夏威夷高壓和亞速爾高壓強度也均偏弱。異常暖冬年，與之相反；

（3）華北地區異常冷冬年，本區500 hPa高度場偏低，西太平洋副高偏弱，烏拉爾山阻高偏強。異常暖冬年，與之相反；

（4）前期春、秋季蒙古高壓強度與華北地區冬季溫度存在很好的負相關關系，夏、秋季北太平洋中部高壓強度則與華北地區冬季溫度存在很好的正相關關系。表明在前期春、秋季蒙古高壓的消退和建立過程中，其強度越強，夏、秋季北太平洋中部高壓強度越弱，華北地區冬季溫度易偏低。反之，華北地區冬季溫度易偏高；

（5）前期春季貝加爾湖地區和夏威夷地區500 hPa 高度場，夏季阿留申地區500 hPa 高度場，秋季阿留申地區500 hPa 高度場和南海副高強度，均與華北地區冬季溫度存在很好的正相關關系。說明前期春季貝加爾湖地區和夏威夷地區500 hPa高度場、夏季阿留申地區500 hPa高度場、秋季阿留申地區500 hPa 高度場越高且南海副高越強，華北地區冬季溫度易偏高。反之，華北地區冬季溫度易偏低；

（6）前期春季西風漂流區海溫越低，赤道東太平洋海溫越高，北太平洋海溫距平場呈現厄爾尼諾分布型，華北地區冬季溫度易偏高。反之，西風漂流區海溫越高，赤道東太平洋海溫越低，北太平洋海溫距平場出現拉尼娜分布型，華北地區冬季溫度易偏低。

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