華北冬季氣溫年代際變化特征分析

摘要利用NCAR/NCEP再分析資料和華北地區(qū)19個(gè)站點(diǎn)月平均氣溫資料，運(yùn)用EOF分解、相關(guān)分析、合成分析、t檢驗(yàn)等方法，分析了華北地區(qū)近60年冬季及各月平均氣溫年代際變化特征，并分析了其環(huán)流背景場(chǎng)的變化特征。結(jié)果表明，近60年華北地區(qū)1月、2月、冬季平均氣溫有升溫趨勢(shì)和明顯的年代際變化特征，1月、2月、冬季平均氣溫在20世紀(jì)80年代中后期之前偏冷，在80年代中后期之后偏暖；12月平均氣溫沒(méi)有趨勢(shì)變化，但年代際變化顯著，1961～1971年偏冷，1972～1991年偏暖。1、2月華北冬季氣溫年代際變化與東亞冬季風(fēng)年代際變化有很好的一致性，80年代中后期之前東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，華北地區(qū)冬季1、2月偏冷；80年代中后期之后東亞冬季風(fēng)偏弱，華北地區(qū)冬季1、2月偏暖。但12月氣溫的年代際變化除了與東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度年代際變化有關(guān)外，可能還與其他因子有關(guān)。

關(guān)鍵詞華北；冬季氣溫；環(huán)流背景場(chǎng)；年代際變化

中圖分類號(hào)S161.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）29-237-06

我國(guó)氣溫變化情況十分復(fù)雜，其區(qū)域性和季節(jié)性特征十分明顯，華北地區(qū)氣溫變化也有自身特點(diǎn)，特別是近年來(lái)的暖冬和酷夏非常引人注目。華北冬季氣溫的年代際變化特征明顯。研究指出，華北地區(qū)冬季氣溫具有明顯的年代際變化特征，1952～1984年為冷冬，1988～2003年為暖冬。申紅艷等分析也指出華北地區(qū)冬季氣溫具有年代際變化特點(diǎn)，1960～1985年為冷冬，1986～2004年為暖冬。且研究還指出北半球冬季環(huán)流場(chǎng)的年代際變化是造成華北冬季氣溫年代際異常的根本原因。

我國(guó)冬季氣溫的變化主要受冷空氣活動(dòng)（強(qiáng)度、頻次和持續(xù)時(shí)間）的影響[7-8]。東亞是世界上著名的季風(fēng)活動(dòng)區(qū)之一。東亞冬季風(fēng)也有明顯的年代際變化。晏紅明等通過(guò)相關(guān)分析方法綜合定義了一個(gè)東亞冬季風(fēng)指數(shù)。郭其蘊(yùn)等研究表明東亞冬季風(fēng)具有年代際變化，1950～1986年為強(qiáng)冬季風(fēng)年，1987～2004年為弱冬季風(fēng)年；裴順強(qiáng)等研究也指出東亞冬季風(fēng)具有年代際變化，1958～1968、1973～1987年為強(qiáng)年，1988年之后為弱年；雷永薈等分析指出20世紀(jì)60年代中期～80年代中期為強(qiáng)冬季風(fēng)年，80年代中期以后為弱冬季風(fēng)年。

這些研究表明20世紀(jì)80年代中后期為華北冬季氣溫年代際變化的轉(zhuǎn)折期，也恰好為東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱年份的轉(zhuǎn)折期。但上述研究是把冬季（當(dāng)年12月～翌年2月）作為一個(gè)整體研究的，因此，筆者在此將冬季細(xì)化為12、1、2月，研究華北冬季氣溫年代際變化與東亞冬季風(fēng)年代際變化之間的聯(lián)系及產(chǎn)生這種關(guān)系的原因。

1資料和方法

1.1資料選取所選取的資料為：NCAR/NCEP月平均再分析資料，時(shí)間1951年12月～2011年2月，資料的水平分辨率為2.5°×2.5°，物理量為海平面氣壓場(chǎng)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、500 hPa高度場(chǎng)；國(guó)家氣象局整編的我國(guó)160站華北地區(qū)（110°～122°E、34°～41°N ）19個(gè)代表站（圖1），包括承德、張家口、呼和浩特、北京、天津、石家莊、德州、邢臺(tái)、安陽(yáng)、煙臺(tái)、青島、濰坊、濟(jì)南、臨沂、荷澤、鄭州、長(zhǎng)治、太原和臨汾的1951～2010年冬季（當(dāng)年12月～次年2月）平均氣溫資料。

1.2研究方法采用EOF分解、相關(guān)分析、合成分析、t檢驗(yàn)等方法探討華北冬季氣溫和東亞冬季風(fēng)的年代際變化之間的聯(lián)系及原因。

2結(jié)果與分析

2.1華北地區(qū)冬季氣溫年代際變化

對(duì)1951年12月～2011年2月華北地區(qū)12月、1月、2月、冬季平均氣溫時(shí)間序列經(jīng)過(guò)9點(diǎn)平滑和線性趨勢(shì)（圖2）分析發(fā)現(xiàn)，1月、2月、冬季平均氣溫呈上升趨勢(shì)，其變化的線性趨勢(shì)系數(shù)分別為0.33、0.55、0.29 ℃/10a，但12月份平均氣溫沒(méi)有趨勢(shì)變化。

華北冬季氣溫具有年代際變化的特征。1、2月在20世紀(jì)50、60、70年代處于偏冷期，從80年代中后期開(kāi)始?xì)鉁爻掷m(xù)升高；且12月平均氣溫的冷期、暖期與1月、2月冷暖期的年份存在差異，表現(xiàn)為12月在20世紀(jì)50年代是暖期，60年代是冷期，70年代～80年代末又轉(zhuǎn)變?yōu)榕冢?0年代初～90年代末為振蕩調(diào)整期，21世紀(jì)初溫度略有回升，但2005年之后溫度又開(kāi)始下降。20世紀(jì)50年代和90年代中后期12月份氣溫年代際變化特征不明顯，因此在之后12月份冷暖期的背景環(huán)流場(chǎng)討論中，僅討論1961～1971年的冷期和1972～1991年的暖期。由此可見(jiàn)，華北地區(qū)冬季平均氣溫大致趨勢(shì)是1985年之前是偏冷期，1985年之后是偏暖期；20世紀(jì)80年代中后期是華北地區(qū)冬季氣溫發(fā)生年代際變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（表1）。

對(duì)華北地區(qū)12月、1月、2月、冬季平均氣溫進(jìn)行EOF分析，發(fā)現(xiàn)12月、1月、2月、冬季平均氣溫第1特征向量的貢獻(xiàn)率分別達(dá)55.5%、75.2%、88.1%、83.5%，從其空間場(chǎng)（圖3a）可以看出，華北地區(qū)冬季各月氣溫變化空間上具有很好的一致性。

從華北地區(qū)平均氣溫EOF分解第1特征向量的時(shí)間系數(shù)（圖3b）可以看出，華北地區(qū)1、2月在20世紀(jì)50、60、70年代處于偏冷期，從80年代中后期開(kāi)始為偏暖期；12月平均氣溫的冷期、暖期與1月、2月冷暖期的年份存在差異，即12月在20世紀(jì)50年代是暖期，60年代是冷期，70～90年代又轉(zhuǎn)變?yōu)榕冢?0年代初～90年代末為振蕩調(diào)整期，21世紀(jì)初溫度略有回升，但2005年之后溫度又開(kāi)始下降，這幾個(gè)時(shí)期的平均氣溫在平均值附近震蕩。因此12月在1961～1971年為冷期、1972～1991年為暖期。這與圖2用時(shí)間序列分析的結(jié)果是一致的。

由此可見(jiàn)，華北地區(qū)1月、2月在1985年之前是偏冷期，1985年之后是偏暖期。20世紀(jì)80年代中后期是華北地區(qū)冬季氣溫年代際變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。但12月的平均氣溫年代際變化與1月、2月不同，12月在1971、1991年經(jīng)歷了冷期到暖期、暖期到冷期的震蕩。

43卷29期李一鳴等華北冬季氣溫年代際變化特征分析

2.2大氣環(huán)流年代際變化特征

2.2.1海平面氣壓場(chǎng) 。按照華北地區(qū)12月、1月、2月、冬季平均氣溫的年代際變化（表1），在此給出了華北地區(qū)12月、1月、2月、冬季冷暖期海平面氣壓距平合成場(chǎng)差值（暖期距平場(chǎng)減去冷期距平場(chǎng)）及其t檢驗(yàn)圖（圖4）。

在暖期12月份（圖4a），50°N以北為負(fù)距平，50°N以南為正距平，中高緯度的西風(fēng)帶異常加強(qiáng)，不利于來(lái)自北方的冷空氣南下，因此，華北地區(qū)12月氣溫偏高；1月份（圖4b），貝加爾附近為負(fù)距平，貝湖東側(cè)盛行偏西氣流，日本海地區(qū)為正距平，日本海西側(cè)盛行偏西氣流，西風(fēng)帶異常加強(qiáng)，阻礙了來(lái)自高緯地區(qū)的冷空氣向南輸送，華北地區(qū)1月份氣溫異常升高；2月份（圖4c），東亞地區(qū)為顯著負(fù)距平區(qū)，中高緯地區(qū)盛行異常偏南氣流，不利于高緯冷空氣向南輸送，致使華北地區(qū)2月份氣溫異常升高；冬季（圖4d），貝湖附近為顯著負(fù)距平區(qū)，華北地區(qū)受來(lái)自中高緯的偏南風(fēng)控制，冬季氣溫異常升高，冬季偏暖。

2.2.2500 hPa高度場(chǎng)。

從按照華北地區(qū)12月、1月、2月、冬季平均氣溫的年代際變化（表1）給出的華北地區(qū)12月、1月、2月、冬季冷暖期500 hPa高度距平場(chǎng)合成差值及其t檢驗(yàn)圖（圖5）可看出，

在暖期12月份，東亞大槽位置為正距平區(qū)，東亞大槽位置偏東，強(qiáng)度偏弱，大氣環(huán)流的經(jīng)向度減弱，不利于中高緯地區(qū)冷空氣南下，因此華北地區(qū)12月份偏暖；1月份，東亞大槽地區(qū)南部為正距平區(qū)，東亞大槽強(qiáng)度南部偏弱，1月份偏暖；2月份，從歐亞大陸到東西伯利亞地區(qū)呈現(xiàn)大范圍正距平區(qū)，東亞大槽位置偏東，強(qiáng)度偏弱，不利于來(lái)自北方的冷空氣向南輸送，華北地區(qū)2月份氣溫異常偏高；冬季，東亞大槽南部地區(qū)為正距平區(qū)，東亞大槽強(qiáng)度南部偏弱，不利于來(lái)自高緯地區(qū)的冷空氣南下，華北地區(qū)冬季氣溫偏高。

綜上所述，華北地區(qū)冬季冷期暖期500 hPa高度距平場(chǎng)存在顯著差異。經(jīng)過(guò)t檢驗(yàn)，在對(duì)流層中層，東亞大槽為影響華北地區(qū)冬季氣溫的主要影響系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為東亞大槽南部地區(qū)為正距平區(qū)，東亞大槽強(qiáng)度減弱，不利于高緯地區(qū)向南輸送冷空氣，中低緯地區(qū)暖空氣異常活躍，華北地區(qū)冬季偏暖。

2.3東亞冬季風(fēng)年代際變化

由于表征東亞冬季風(fēng)活動(dòng)的因子比較多，在此主要考慮東亞冬季風(fēng)變化的季節(jié)尺度特征，首先采用了施能等[15-18]定義的東亞冬季風(fēng)指數(shù)來(lái)分析東亞冬季風(fēng)的年代際變化。他將東亞冬季風(fēng)指數(shù)定義為 20°～50 °N （7個(gè)緯帶） 的110 °E 與160°E 的緯向標(biāo)準(zhǔn)化海平面氣壓差之和，所得的序列再進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)化處理。選取1951年12月～2011年2月的NCAR/NCEP海平面氣壓資料，計(jì)算得出12月、1月、2月、冬季東亞冬季風(fēng)指數(shù)（圖6a）。經(jīng)過(guò)線性處理，1月、2月、冬季東亞冬季風(fēng)均有減弱的趨勢(shì)，而12月東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度變化則不明顯，基本不變。經(jīng)過(guò)9點(diǎn)平滑，12月、1月、2月東亞冬季風(fēng)指數(shù)具有明顯的年代際變化；12月東亞冬季風(fēng)經(jīng)歷了3個(gè)振蕩期，1958～1977年?yáng)|亞冬季風(fēng)偏弱，1977年之后東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，在2006年之后又有所減弱；1月、2月、冬季東亞冬季風(fēng)指數(shù)在1956～1967年偏強(qiáng)，1968～1979年偏弱，1979年之后又有各自的震蕩周期，冬季風(fēng)強(qiáng)度趨于減弱，這與華北地區(qū)12月、1月、2月、冬季氣溫年代際變化的轉(zhuǎn)折期不是很一致。根據(jù)前文的分析，華北地區(qū)冬季氣溫的年代際變化與東亞大槽的強(qiáng)度變化有關(guān)，因此，在此又選用了表征東亞大槽強(qiáng)度的東亞冬季風(fēng)指數(shù)來(lái)研究東亞大槽強(qiáng)度的年代際變化。

崔曉鵬等[19-20]定義東亞冬季風(fēng)指數(shù)的方法為：參照東亞大槽的位置，選定35°～40°N、110°～130°E區(qū)域，對(duì)500 hPa高度場(chǎng)資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，求得區(qū)域平均，再經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后記為東亞冬季風(fēng)指數(shù)。經(jīng)過(guò)線性處理，1月、2月、冬季東亞冬季風(fēng)有減弱趨勢(shì)，而12月東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度基本不變；經(jīng)過(guò)9點(diǎn)平滑，顯然1月、2月東亞冬季風(fēng)指數(shù)具有年代際變化，20世紀(jì)50年代、60年代、70年代～80年代初東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，80年代中后期至今東亞冬季風(fēng)偏弱（圖6b）。這與前文所研究的華北地區(qū)冬季1月、2月平均氣溫的年代際變化相一致。但12月東亞冬季風(fēng)指數(shù)20世紀(jì)80年代中期之前偏強(qiáng)、80年代中后期至今偏弱，與前文所研究的華北地區(qū)12月氣溫的年代際變化不太一致。說(shuō)明影響華北地區(qū)冬季12月氣溫異常升高的因素除了東亞大槽之外，還有其他因素，如海溫、北極濤動(dòng)等。

但總體來(lái)說(shuō)，華北地區(qū)1月、2月、冬季氣溫的年代際變化與東亞冬季風(fēng)的年代際變化具有一致性，即1985年之前，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，華北地區(qū)冬季氣溫偏低；1985年之后，東亞冬季風(fēng)偏弱，華北地區(qū)冬季氣溫偏高。東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度是影響華北地區(qū)冬季氣溫變化的原因之一。但華北地區(qū)12月份的平均溫度異常的原因還有待進(jìn)一步研究。

3結(jié)論

（1）近60年來(lái)華北地區(qū)冬季氣溫變化空間上具有很好的一致性。華北地區(qū)冬季1月、2月氣溫呈現(xiàn)偏暖趨勢(shì)，1985年之前偏冷、1985年之后偏暖。1985年是華北地區(qū)冬季1月、2月氣溫年代際變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。但12月份平均氣溫沒(méi)有升溫趨勢(shì)，年代際變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為1971年。

（2）東亞冬季風(fēng)指數(shù)的年代際變化與華北地區(qū)冬季氣溫的年代際變化有一致性。一般說(shuō)來(lái)，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，華北地區(qū)偏冷；東亞冬季風(fēng)偏弱，華北地區(qū)偏暖。但東亞冬季風(fēng)不是影響華北地區(qū)冬季氣溫變化的唯一因素。

（3）近20年來(lái)華北地區(qū)氣溫有升高趨勢(shì)，溫度升高的原因不僅與東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度減弱有關(guān)，可能還與海溫、北極濤動(dòng)等因素有關(guān)。有關(guān)華北地區(qū)冬季氣溫異常的原因還有待進(jìn)一步更詳細(xì)的討論。

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