2011/2012年我國(guó)冷冬與中部型La Nia事件的聯(lián)系*1

高 川，陳錦年，王宏娜，汪 洋

(1.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所，山東 青島 266071；2.中國(guó)科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

2011/2012年我國(guó)冷冬與中部型LaNia事件的聯(lián)系*1

高 川1,2,3，陳錦年1,2，王宏娜1,2，汪 洋1,2,3

(1.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所，山東 青島 266071；2.中國(guó)科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

應(yīng)用中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供的160個(gè)站逐月氣溫觀測(cè)資料以及74項(xiàng)環(huán)流特征量中西太平洋副熱帶高壓資料、TAO實(shí)測(cè)資料以及美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局提供的OI-SST海表溫度資料和NCEP-NCAR再分析資料，采用合成分析、相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)診斷方法，對(duì)2011/2012年我國(guó)冬季的天氣狀況，以及大氣環(huán)流異常及其對(duì)我國(guó)氣候產(chǎn)生影響的可能機(jī)理進(jìn)行了分析，為我國(guó)氣候變化預(yù)測(cè)提供參考。結(jié)果表明，2011/2012年我國(guó)冬季(DJF)出現(xiàn)異常寒冷的天氣狀況可能與2011/2012年赤道太平洋海表溫度冷異常最大值出現(xiàn)在中部太平洋的La Nia事件(簡(jiǎn)稱中部型La Nia事件)的爆發(fā)存在一定聯(lián)系。赤道太平洋海表溫度的異常分布對(duì)北半球大氣環(huán)流形勢(shì)產(chǎn)生重要影響，它直接影響著赤道地區(qū)Walker環(huán)流和Hadley環(huán)流的異常，導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓的異常偏弱、偏東。由于西太平洋副熱帶高壓偏弱、偏東，對(duì)冬季的經(jīng)向環(huán)流產(chǎn)生重要影響，最終導(dǎo)致我國(guó)2011/2012年冬季出現(xiàn)冷冬現(xiàn)象。

冷冬；中部型La Nia事件；大氣環(huán)流異常；西太平洋副熱帶高壓

在全球變暖的大背景下，我國(guó)乃至全世界卻連續(xù)遭遇嚴(yán)冬的襲擊，造成了諸多災(zāi)害性的氣候事件[1-3]。一方面，全球變暖成為不爭(zhēng)的科學(xué)事實(shí)[4],并且仍在繼續(xù)并有加劇的趨勢(shì)[5]，同樣，我國(guó)近100 a來(lái)的氣溫也呈現(xiàn)明顯的變暖趨勢(shì)[6]；另一方面，與全球變暖相矛盾的現(xiàn)象卻層出不窮，例如：1999—2008年全球變暖的停滯[5,7],2008年我國(guó)南方出現(xiàn)的罕見的低溫凍雨災(zāi)害天氣[1]等等。極端天氣日益增多甚至頻繁出現(xiàn)，有悖于全球變暖命題的冷冬現(xiàn)象，引起了人們對(duì)全球變暖現(xiàn)象更多的質(zhì)疑及反思。這固然提高了人們對(duì)公共氣候問(wèn)題的關(guān)注程度，同時(shí)也說(shuō)明，在全球變暖這樣的背景下，更加需要關(guān)注和警惕氣候異常事件，并迫切需要發(fā)展現(xiàn)有理論框架，為這一現(xiàn)象尋求合理的解釋。

我國(guó)地處亞歐大陸和太平洋交界的區(qū)域，氣候主要受中高緯和低緯大氣環(huán)流相互作用的影響[16]。孫丞虎等[17]的研究已表明，我國(guó)2011/2012年冬季氣溫異常偏低，并認(rèn)為東亞冬季風(fēng)異常偏強(qiáng)是造成我國(guó)氣溫大范圍異常偏低的一個(gè)主要原因。此外，他們還提出，赤道中東太平洋地區(qū)出現(xiàn)的La Nia事件可能是造成上述環(huán)流異常的原因之一，但并沒(méi)有針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究。本文的目的就是以2011/2012年爆發(fā)的中部型La Nia事件為背景，探討其與我國(guó)出現(xiàn)冷冬天氣的關(guān)系，并初步揭示它們之間的影響過(guò)程以及可能機(jī)理，為深入研究?jī)深怑l Nio(La Nia)事件對(duì)我國(guó)氣候異常的影響提供參考。

1 資料與方法

本文應(yīng)用的資料有中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供的160個(gè)站逐月氣溫觀測(cè)資料，時(shí)間是1951-01—2012-12；中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流特征量中西太平洋副熱帶高壓面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和西伸脊點(diǎn)資料，時(shí)間是1951-01—2012-12；TAO實(shí)測(cè)海溫資料，時(shí)間是1981-01—2012-12；美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局提供的OI-SST海溫資料，網(wǎng)格距為1°×1°，時(shí)間是1981-01—2012-12；NCEP-NCAR再分析資料，網(wǎng)格距為2.5°×2.5°，時(shí)間是1948-01—2012-12。其中異常值為相應(yīng)資料減去該資料所選時(shí)段的平均值。

所采用的資料分析方法有合成分析、相關(guān)分析等，均為海洋氣象領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)診斷方法。

2 2011/2012年我國(guó)冬季異常寒冷天氣特征

圖1為1951—2011年冬季我國(guó)160個(gè)站平均的地表氣溫異常時(shí)間序列，從圖中可以明顯看出，20世紀(jì)80年代中后期，發(fā)生了氣候突變，我國(guó)冬季溫度異常的平均值前后有明顯變化，由冷異常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕惓B(tài)。氣候突變發(fā)生前，我國(guó)冬季地表氣溫異常的平均值為-0.513 ℃，而氣候突變后我國(guó)冬季地表氣溫異常的平均值為0.726 ℃，相較于氣候突變發(fā)生前溫度平均升高達(dá)1.2 ℃。此外，2011/2012年冬季我國(guó)平均地表氣溫異常為-0.66 ℃，從圖1中也清晰可見，2011/2012年冬季為我國(guó)近30 a來(lái)最寒冷的一個(gè)冬季。正如中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供的2011/2012年冬季我國(guó)160個(gè)站平均的地表氣溫異常分布圖(圖2，中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心—?dú)夂蛳到y(tǒng)診斷預(yù)測(cè)資料)所示，除西藏部分地區(qū)及云南地區(qū)外，我國(guó)2011/2012年冬季大部分地區(qū)都出現(xiàn)了異常寒冷的天氣狀況，新疆的西部地區(qū)、內(nèi)蒙古東北部地區(qū)尤為顯著，溫度偏低甚至高達(dá)4 ℃。

圖1 1951-2011年冬季我國(guó)160個(gè)站平均的地表氣溫異常(℃)時(shí)間序列Fig.1 The time series of the averaged surface temperature anomaly(℃) of China 160 stations in winter for the period of 1951-2011

圖2 2011/2012年冬季我國(guó)地表氣溫(℃)異常分布Fig.2 The Distribution of surface temperature anomaly(℃) in 2011/2012 winter in China

3 2011/2012年中部型La Nia事件爆發(fā)及其影響

影響我國(guó)冬季氣溫的因素非常復(fù)雜，除了受來(lái)自高緯的經(jīng)向環(huán)流影響外，低緯大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)亦起著非常重要的作用。低緯熱帶海洋特別是熱帶太平洋地區(qū)是海氣相互作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域，熱帶太平洋的海表溫度異常將直接影響其上空對(duì)流活動(dòng)的異常，進(jìn)一步導(dǎo)致Walker環(huán)流和Hadley環(huán)流的異常，從而影響到副熱帶高壓的強(qiáng)弱與位置變化，最終會(huì)影響冬季的經(jīng)向環(huán)流并對(duì)我國(guó)冬季氣候產(chǎn)生影響。近年來(lái)中部型El Nio和La Nia事件[18-19]的爆發(fā)增多，特別是強(qiáng)而持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的中部型La Nia事件很可能加劇了我國(guó)冬季氣候的寒冷狀態(tài)。

3.1 2011/2012年中部型La Nia事件爆發(fā)

3.2 北半球大氣環(huán)流異常

為了進(jìn)一步分析赤道太平洋海表溫度異常對(duì)北半球大氣環(huán)流造成的可能影響，我們根據(jù) NCEP-NCAR再分析資料，給出了2011/2012年北半球冬季500 hPa位勢(shì)高度異常圖(圖4)。從圖中可以看出我國(guó)及西北太平洋地區(qū)由負(fù)的位勢(shì)高度異?？刂?，55°N以北由正的位勢(shì)高度異常控制，這將造成55°N附近歐亞大陸脊的加強(qiáng)和東亞大槽的加深，這種環(huán)流形勢(shì)有利于西伯利亞冷空氣活動(dòng)加強(qiáng)并頻繁南下，從而使得我國(guó)冬季氣溫偏低。研究表明冬季西伯利亞高壓在近幾年呈增強(qiáng)的趨勢(shì)，并伴隨著亞洲中高緯度地表溫度的降溫趨勢(shì)[21]，這是有利于冷冬出現(xiàn)的。而事實(shí)上，正如圖1所示，我國(guó)近幾年頻繁遭遇冷冬的氣候現(xiàn)象，與此不無(wú)關(guān)系。

圖3 2011/2012年冬季赤道太平洋海表溫度異常(℃)合成圖Fig.3 The composite tropical Pacific sea surface temperature anomaly (℃)in the winter of 2011/2012

圖4 2011/2012年冬季北半球500hPa位勢(shì)高度異常場(chǎng)(位勢(shì)米)Fig.4 The composite northern hemisphere 500hPa geopotential height anomaly (gpm) in 2011/2012 winter

3.3 緯向環(huán)流變化

圖5 赤道太平洋地區(qū)(5°S～5°N平均)緯向環(huán)流場(chǎng)(m·s-1，垂直速度擴(kuò)大100倍)Fig.5 Zonal circulation field(m·s-1)in the equatorial Pacific region (5°S～5°N averaged，the vertical velocity has been multiplied by 100 times)

3.4 經(jīng)向環(huán)流異常

根據(jù)上述對(duì)緯向環(huán)流異常分布的討論，采用其劃分的110°～140°E(稱為西環(huán)流)、160°E～160°W(稱為中環(huán)流)及150°～120°W(稱之為東環(huán)流)的平均經(jīng)圈環(huán)流(圖6)，來(lái)說(shuō)明中部型La Nia事件爆發(fā)對(duì)經(jīng)向環(huán)流異常的影響。為了對(duì)比，分別以氣候態(tài)場(chǎng)(圖6a,6b,6c)和2012-01的異常場(chǎng)(圖6d,6e,6f)給出。由經(jīng)向環(huán)流的氣候態(tài)場(chǎng)可以看出，東環(huán)流(圖6c)由于赤道東太平洋冷舌的存在，赤道地區(qū)則出現(xiàn)相對(duì)較弱的下沉流，相對(duì)較弱的上升氣流位于10°N附近，20°N及30°N附近則為相對(duì)較強(qiáng)的下沉流。與之不同的是，西環(huán)流(圖6a)赤道地區(qū)常年盛行上升氣流，30°N以北的中緯度地區(qū)盛行北風(fēng)并在30°N到50°N之間下沉。中環(huán)流(圖6b)與西環(huán)流大致類似，赤道地區(qū)也是常年盛行上升氣流，20°～30°N以下沉氣流為主；冬季30°N以北為顯著的上升輻散流，這是和西環(huán)流在30°N以北通常為下沉氣流并在冬季達(dá)到極盛所不同的。因此由上面的分析可知，西、中環(huán)流在中低緯都存在著明顯的Hadley環(huán)流。

再由圖6d,6e,6f中2012-01經(jīng)向環(huán)流的異常場(chǎng)可以看出，2011/2012年冬季經(jīng)向環(huán)流同氣候態(tài)存在著顯著差異，這是由其熱帶太平洋海表溫度全年都幾乎受冷異?？刂扑斐傻?。東環(huán)流(圖6f)在赤道附件異常下沉氣流區(qū)域擴(kuò)大，中低緯地區(qū)無(wú)明顯的異常上升氣流。而西環(huán)流(圖6d)赤道附近為異常上升氣流， 15°～20°N附近出現(xiàn)較弱的異常下沉，30°N附近則為異常上升氣流，這使得2012-01實(shí)際赤道地區(qū)氣流上升加強(qiáng)，而中緯下沉氣流減弱。然而中環(huán)流(圖6c)卻呈現(xiàn)相反的環(huán)流圈，在30°N附近有明顯異常上升氣流，而赤道附近為異常下沉氣流，且異常強(qiáng)度較大，使得2012-01實(shí)際出現(xiàn)赤道地區(qū)為下沉氣流，而30°N附近出現(xiàn)上升氣流的相反的環(huán)流圈結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象與中部型La Nia事件引起的環(huán)流形勢(shì)存在密切聯(lián)系。由于2011/2012年冬季中部型La Nia事件爆發(fā)，赤道中太平洋呈現(xiàn)冷水異常，并且最大異常中心集中在日界線附近，這使得Walker環(huán)流下沉支移到赤道中太平洋地區(qū)，構(gòu)成了中環(huán)流的下沉支，從而形成相反的Hadley異常環(huán)流圈。這樣的經(jīng)向異常環(huán)流場(chǎng)的分布，體現(xiàn)了中部型La Nia事件所造成的Hadley環(huán)流場(chǎng)的異常分布。

圖6 經(jīng)向環(huán)流場(chǎng)(m·s-1，垂直速度擴(kuò)大100倍)Fig.6 Meridional circulation field(m·s-1，the vertical velocity has been multiplied by 100 times)

綜合上述對(duì)經(jīng)圈環(huán)流和緯圈環(huán)流的分析可以看出，由于2011/2012年冬季緯向海表溫度異常的梯度差異，使得Walker環(huán)流出現(xiàn)異常，同時(shí)使太平洋上空Hadley環(huán)流表現(xiàn)出顯著的異常，下沉中心較氣候態(tài)明顯的偏東、偏弱。這樣的局部環(huán)流異常勢(shì)必會(huì)對(duì)副熱帶高壓的位置及強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

3.5 西太平洋副熱帶高壓異常

圖7 2010-01-2012-03西太平洋副熱帶高壓的變化Fig.7 Variation of the Western Pacific Subtropical High (WPSH) from January 2010 to March 2012

無(wú)獨(dú)有偶，在熱帶太平洋經(jīng)歷了1997/1998年上世紀(jì)最強(qiáng)的一次El Nio事件之后出現(xiàn)的1998/1999、1999/2000年的2次具有顯著中部型特征的冷事件期間，西太平洋副熱帶高壓變化與本次過(guò)程有著一致的變化形勢(shì)。西太平洋副熱帶高壓的偏東偏弱將會(huì)造成冷空氣失去與沿副高西北側(cè)北上的氣流的阻擋，而影響到全國(guó)的大部分地區(qū)，尤其是東部沿海地區(qū)，并且在華南形成低溫凍雨天氣。而且西太平洋副熱帶高壓的這一變化，使得南下的寒冷空氣與北上的暖濕空氣在韓國(guó)和日本匯合，造成韓國(guó)和日本的大雪天氣。

圖8 不同類型La Nia事件冬季西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度指數(shù)異常的概率分布對(duì)比Fig.8 Comparison of the probability distribution of winter Intensity Index Anomalies for the Western Pacific Subtropical High (WPSH) from two types of La Nia event

圖9 不同類型La Nia事件對(duì)應(yīng)同年冬季我國(guó)地表氣溫異常的概率分布對(duì)比Fig.9 Comparison of the probability distribution of surface temperature anomalies of China in winter from two types of La Nia event

此外，對(duì)所選取的樣本數(shù)據(jù)年份同期冬季我國(guó)地表溫度異常的概率分布(圖9)進(jìn)行分析，當(dāng)La Nia事件爆發(fā)時(shí)，同期冬季我國(guó)約70%的年份基本處于一個(gè)溫度異常偏低的狀況，但也不排除個(gè)別特殊年份的存在。在14個(gè)中部型La Nia事件中，同期冬季我國(guó)地表溫度異常≤-1.2 ℃有2次，-1.2～-0.8 ℃為1次，-0.8～-0.4 ℃為3次，同期冬季我國(guó)地表溫度異常≤-0.4 ℃的年份占42.9%；在東部型La Nia事件中，同期冬季我國(guó)地表溫度異常≤-1.2 ℃有1次，-1.2～-0.8 ℃為1次，-0.8～-0.4 ℃為2次，同期冬季我國(guó)地表溫度異常≤-0.4 ℃的年份占33.3%。這種現(xiàn)象充分說(shuō)明，相較而言，強(qiáng)的中部型La Nia事件可能會(huì)造成我國(guó)冬季寒冷狀況的加劇。

4 結(jié) 論

1)20世紀(jì)80年代中期以前，我國(guó)冬季平均溫度異常較20世紀(jì)80年代中期以后有顯著差異，由冬季的冷異常態(tài)突變?yōu)榕惓B(tài)。然而2011/2012年我國(guó)大部分地區(qū)卻出現(xiàn)冬季異常寒冷的天氣狀況，部分地區(qū)甚至較平均溫度偏低達(dá)4 ℃。

2)2011/2012年我國(guó)冷冬的出現(xiàn)與中部型La Nia事件存在密切的聯(lián)系，其機(jī)理是中部型La Nia事件爆發(fā)導(dǎo)致赤道太平洋海溫異常分布，從而對(duì)北半球大氣環(huán)流形勢(shì)產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)緯向和經(jīng)向環(huán)流的影響，進(jìn)而導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓更加偏東、偏弱，這是造成我國(guó)2011/2012年冷冬出現(xiàn)的重要原因之一。

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TheRelationshipBetweentheColdWinterof2011/2012inChinaandtheLaNiaEventinCentralPacific

GAO Chuan1,2,3, CHEN Jin-nian1,2, WANG Hong-na1,2, WANG Yang1,2,3

(1.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences, Qingdao 266071, China;2.KeyLaboratoryofOceanCirculationandWaves,ChineseAcademyofSciences, Qingdao 266071, China;3.UniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing 100049, China)

Based on the monthly observed air temperature from 160 stations and western Pacific subtropical high datasets among the 74 circulation characteristics provided by National Climate Center, China Meteorological Administration, datasets from the Tropical Atmosphere Ocean (TAO) project, and the OI-SST data and NCEP-NCAR Reanalysis provided by National Oceanic and Atmospheric Administration, the composite analysis and correlation analysis are used to study the Chinese weather in the winter(DJF) of 2011/2012 and atmospheric circulation anomaly as well as its possible mechanism influencing the climate in China, providing a theoretical basis for the prediction of China's climate variation. The results show that the cold winter of 2011/2012 in China is related to the occurrence of the central Pacific La Nia event in 2011/2012, whose maximum cold sea surface temperature (SST) anomaly occurs in the central Pacific. The anomalous SST in equatorial Pacific has great impact on northern hemisphere atmospheric circulation, which leads to anomalous Walker circulation in equatorial region and anomalous Hadley circulation, resulting in a weaker and more eastward western Pacific subtropical high. This weaker and more eastward western Pacific subtropical high can have significant influence on meridional atmospheric circulation in winter, resulting in a cold winter in 2011/2012.

cold winter; central Pacific La Nia event; atmospheric circulation anomalies; western Pacific subtropical high

July 08, 2013

2013-07-08

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)A類——熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響(XDA11010102)；國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目——暖池El Nio/La Nia變化特征及其對(duì)中國(guó)氣溫的影響(41206017)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃——熱帶太平洋海洋環(huán)流與暖池的結(jié)構(gòu)特征、變異機(jī)理和氣候效應(yīng)(2012CB417402)；國(guó)家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題——暖池El Nio/La Nia事件對(duì)我國(guó)氣溫變化的影響(GCMAC1203)

高 川(1988-)，女，河北唐山人，碩士研究生，主要從事大尺度海氣相互作用方面研究.E-mail：gaochuan1@163.com

(李 燕 編輯)

P732

A

1671-6647(2014)03-0306-10