譚桂容，王騰飛

(1．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044;2．南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044;3．南京信息工程大學(xué) 氣象臺(tái)，江蘇 南京210044)

2011/2012年冬季中國(guó)氣溫異常的成因及前兆信號(hào)

譚桂容1，2，3，王騰飛1，2

(1．南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044;2．南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044;3．南京信息工程大學(xué) 氣象臺(tái)，江蘇 南京210044)

0 引言

氣候變暖是當(dāng)前整個(gè)社會(huì)都十分關(guān)注的問(wèn)題。冬季氣溫異常，尤其是低溫雨雪冰凍天氣的發(fā)生，將給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活等帶來(lái)不利，甚至可能造成嚴(yán)重的災(zāi)害。2011/2012年冬季，極地寒流橫掃歐亞大陸，北半球遭遇了嚴(yán)寒天氣的考驗(yàn)，許多國(guó)家遭受了罕見(jiàn)的低溫和暴雪襲擊，一些地區(qū)甚至出現(xiàn)了百年來(lái)最低氣溫(http://scitech.people.com.cn)。包括我國(guó)在內(nèi)的東亞各國(guó)也經(jīng)歷了極端天氣的侵襲，這個(gè)冬季，全國(guó)平均氣溫約為-4.8℃，較常年同期(-3.8℃)偏低1.0℃左右，為1986年以來(lái)最低值。與常年同期相比，青藏高原大部和云南氣溫偏高，其中西藏中北部、青海南部、云南中北部和四川西部局部偏高1～2℃，除此之外，全國(guó)其他地區(qū)氣溫普遍偏低，東北地區(qū)、華北北部、西北大部、西南地區(qū)東部、華中、華南和華東地區(qū)西部偏低1℃以上，內(nèi)蒙古局部地區(qū)偏低超過(guò)4℃(http://ncc.cma.gov.cn/)。極端低溫雨雪天氣使我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)遭受了嚴(yán)重的損失，因此，對(duì)此次氣溫異常的成因進(jìn)行分析，對(duì)氣候預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)都有一定的實(shí)際意義。

中高緯度環(huán)流異常使得入侵我國(guó)的冷空氣活動(dòng)異常，是導(dǎo)致中國(guó)冬季氣溫異常的直接原因。地面西伯利亞高壓是直接影響中國(guó)地面氣溫的環(huán)流系統(tǒng)。當(dāng)對(duì)流層中層烏拉爾山高壓脊異常偏強(qiáng)(弱)，其下游貝加爾湖南側(cè)低槽異常發(fā)展(減弱)或東亞大槽異常偏西偏強(qiáng)(偏東偏弱)，低緯度西太平洋副高偏東偏弱(偏西偏強(qiáng))時(shí)，西伯利亞高壓偏強(qiáng)(弱)，對(duì)應(yīng)東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)，中國(guó)東部低層盛行異常的偏北(南)風(fēng)，這時(shí)中國(guó)氣溫異常偏低(高)(任廣成，1993;郭其蘊(yùn)，1994;龔道溢和王紹武，1999a;武炳義和黃榮輝，1999;侯亞紅等，2007;錢(qián)維宏和張瑋瑋，2007;Huang et al.，2007;朱艷鋒，2008;Ding et al.，2008;Wang et al.，2008;譚桂容等，2010)。

另有一些大尺度環(huán)流系統(tǒng)如北大西洋濤動(dòng)或北極濤動(dòng)與中國(guó)冬季氣溫也有較好的關(guān)系(龔道溢和王紹武，1999b，2003;武炳義和黃榮輝，1999;范麗軍等，2003;陳文和康麗華，2006;朱艷峰等，2007;Lu et al.，2007;宋潔和李崇銀，2009)。還有下墊面海洋異常及平流層環(huán)流異常也與地面氣溫異常有關(guān)(Dunkerton，2000;陳佩燕等，2001;Black，2001;Perlwitz and Graf，2001;陳文和黃榮輝，2005;陳文等，2008;陳少勇等，2009，2010;康麗華等，2009;譚桂容等，2010;黃菲和高聰暉，2012)。

中國(guó)地面氣溫在20世紀(jì)80年代中期前后有一個(gè)較為明顯的暖異常突變，即80年代之后的冬季氣溫較之前偏暖(王紹武和龔道溢，2001;譚桂容和王妍，2007;朱艷峰等，2007)。暖背景下各環(huán)流系統(tǒng)及其與外強(qiáng)迫之間的關(guān)系可能發(fā)生改變，譬如:雖然不少研究已經(jīng)表明La Nina對(duì)東亞冬季風(fēng)的活動(dòng)有顯著的影響，使冬季風(fēng)偏強(qiáng)(Li，1990;陶詩(shī)言和張慶云，1998;張慶云和王媛，2006;李燦等，2010)，但針對(duì)2008年1月雨雪冰凍天氣的分析顯示，北大西洋海溫異?？赡苁窃斐?008年低溫異常的原因(付建建等，2008)，而La Nina事件并不是造成此次持續(xù)雨雪冰凍天氣的“罪魁禍?zhǔn)住?李崇銀等，2008;李燦等，2010)。另外，2008年1月是當(dāng)時(shí)自1986年以來(lái)氣溫最低的年份，該冬季在中國(guó)南方發(fā)生的低溫雨雪天氣給交通運(yùn)輸和人們生活造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失(高輝等，2008;陶詩(shī)言和衛(wèi)捷，2008;王東海等，2008;王凌等，2008)，2011/2012年冬季雖為1986年以來(lái)最低值，但在我國(guó)南方并沒(méi)有造成如2007/2008年冬季那樣的冰凍雨雪天氣。

考慮到在暖背景下，環(huán)流系統(tǒng)的耦合與關(guān)聯(lián)的外強(qiáng)迫因子在年際和年代際尺度上存在差異(李崇銀和顧薇，2010)，不同環(huán)流因子對(duì)中國(guó)氣溫影響的范圍可能不同。因此，本文將在對(duì)1986年以來(lái)暖冬背景下中國(guó)地面氣溫異常特征及成因進(jìn)行探討的基礎(chǔ)上，針對(duì)2011/2012年中國(guó)冬季氣溫異常，從年際短期氣候預(yù)測(cè)的角度，分析其異常成因與前兆信號(hào)，為更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)中國(guó)冬季氣溫異常提供有益的物理依據(jù)。

1 資料和方法

主要資料有:國(guó)家氣候中心整編的全國(guó)160站月平均氣溫?cái)?shù)據(jù);逐月西太平洋副高強(qiáng)度、面積等指數(shù)以及印緬槽指數(shù)等;NCEP/NCAR再分析月平均海平面氣壓場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)和U、V風(fēng)場(chǎng)資料，網(wǎng)格密度均為2.5°×2.5°;美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局提供的全球海溫重建資料，網(wǎng)格密度為2°×2°;NOAA氣候預(yù)測(cè)中心提供的的北極濤動(dòng)指數(shù)、南方濤動(dòng)指數(shù)(SOI，Southern Oscillation Index)及 Nino各區(qū)海溫指數(shù)等(htt://www.cpc.noaa.gov/data/indices)。所用資料時(shí)間長(zhǎng)度為1986—2011年，文中冬季均處理為12月及次年1、2月。

本文使用的方法主要有經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF，empirical orthogonal function)展開(kāi)、相關(guān)及回歸分析方法，同時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)。

2 冬季氣溫的主要特征

2.1 冬季氣溫異常的分布特征

EOF方法是氣象診斷分析中常用的方法之一，它可以用主要的幾個(gè)時(shí)空變化型最大可能地解釋原始數(shù)據(jù)的方差變化。將1986/1987—2010/2011年的冬季氣溫距平場(chǎng)進(jìn)行EOF分解，并以時(shí)間系數(shù)與氣溫距平場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)分析，以此可以反映冬季氣溫的主要模態(tài)和變化特征(圖1)。其中第一模態(tài)(圖1a)反映了我國(guó)冬季氣溫大范圍一致偏冷或偏暖變化的特征，其方差貢獻(xiàn)為49.3%，最大的負(fù)信號(hào)區(qū)位于我國(guó)中東部地區(qū);第二模態(tài)(圖1b)的方差貢獻(xiàn)為19.2%，反映了東北和西南兩個(gè)區(qū)域反向變化的分布特征，正負(fù)信號(hào)中心分別位于云南和東北北部地區(qū)。前兩個(gè)模態(tài)解釋了總方差的68.6%，反映了中國(guó)冬季氣溫變化的主要特征。與已有的研究相比，第一模態(tài)的分布特征與以往的結(jié)果類似，但第二模態(tài)略有不同，表現(xiàn)為南北反向變化的特征不明顯，而是以東北與西南反向變化的特征為主(陳海山等，2004;朱艷峰等，2007)。

2.2 2011/2012年冬季氣溫特征

2011/2012年冬季氣溫距平如圖2a所示，可見(jiàn)，除西南高原部分地區(qū)外，全國(guó)大部分地區(qū)氣溫較常年偏低，東北東北部部分地區(qū)負(fù)異常甚至達(dá)4℃以上。從氣溫距平的分布形勢(shì)看，2011/2012年冬季氣溫具有兩種模態(tài)氣溫分布型的特征。將該年冬季氣溫距平分別投影到兩個(gè)模態(tài)上，得到相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)分別為17.60(標(biāo)準(zhǔn)化距平為1.98)和7.37(標(biāo)準(zhǔn)化距平為1.33)(圖2b)?？梢?jiàn)在兩個(gè)模態(tài)上的投影都超過(guò)了1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的異常，分別對(duì)應(yīng)氣溫總體偏低和東北冷、河套及以南相對(duì)暖的分布形勢(shì)。但氣溫全國(guó)大范圍偏冷的特征更加明顯，所以下文將主要結(jié)合冬季氣溫第一模態(tài)分布型進(jìn)行分析。

3 與氣溫變化相聯(lián)系的環(huán)流特征

圖2 2011/2012年冬季氣溫距平(a;單位:℃)及1986/1987—2010/2011年冬季氣溫EOF前兩個(gè)模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)(b;圖中＜＞內(nèi)為2011/2012冬季相應(yīng)值)Fig.2 (a)Temperature anomalies in winter of 2011/2012;(b)normalized time coefficients of the two principal EOF modes of winter temperature in 1986/1987—2010/2011(the corresponding values of winter temperature in 2011/2012 are marked in symbol＜＞)

圖3 冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)對(duì)海平面氣壓(a;單位:hPa)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)(c;單位:m/s)、500 hPa位勢(shì)高度(e;單位:gpm)的回歸(陰影表示冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)與海平面氣壓、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、500 hPa位勢(shì)高度的相關(guān)系數(shù)通過(guò)95%置信水平的顯著性檢驗(yàn))及2011/2012年冬季海平面氣壓(b;單位:hPa)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)(d;單位:m/s)、500 hPa位勢(shì)高度(f;單位:gpm)距平場(chǎng)Fig.3 Regression coefficients of(a)SLP(hPa)，(c)850 hPa wind(m/s)and(e)500 hPa height(gpm)in winter against EOF1 time series(shaded areas indicate the significance of corresponding correlation coefficients exceeding 95%confidence level)，along with anomalies of(b)SLP(hPa)，(d)850 hPa wind(m/s)and(f)500 hPa height(gpm)in 2011/2012 winter

東亞環(huán)流異常是造成冬季氣溫異常的直接原因，這里選取冬季海平面氣壓場(chǎng)(SLP，sea level pressure)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)及500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)來(lái)研究冬季環(huán)流系統(tǒng)特征。圖3給出與冬季氣溫全國(guó)一致變化型相聯(lián)系的環(huán)流及2011/2012年冬季相應(yīng)變量的距平場(chǎng)。由圖3可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)全國(guó)一致偏冷的氣溫分布型，在海平面氣壓場(chǎng)上表現(xiàn)為從西伯利亞到我國(guó)東部大范圍的顯著正距平(圖3a);850 hPa風(fēng)場(chǎng)上(圖3c)，烏拉爾山地區(qū)為一異常反氣旋，貝加爾湖以東的我國(guó)東部自東北至江南地區(qū)為顯著的偏北風(fēng)距平;500 hPa高度場(chǎng)上(圖3e)，在50°N南北呈北正南負(fù)的分布，其中正中心在烏拉爾山附近，顯著的負(fù)中心在巴爾喀什湖附近。這種高低空環(huán)流的配置表明，當(dāng)中國(guó)冬季大范圍偏冷時(shí)，500 hPa烏拉爾山阻塞高壓異常偏強(qiáng)或頻發(fā)，貝加爾湖南側(cè)多低槽活動(dòng);地面西伯利亞冷高壓顯著偏強(qiáng)，對(duì)應(yīng)東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)。對(duì)比2011/2012年冬季的氣溫距平和環(huán)流特征(圖3b、3d、3f)可見(jiàn)，環(huán)流的高低空配置與異常偏冷年類似，說(shuō)明暖背景下，西伯利亞高壓、東亞冬季風(fēng)、烏拉爾山阻塞和貝加爾湖南側(cè)低槽活動(dòng)異常仍是引起中國(guó)冬季氣溫異常的重要環(huán)流因子。

圖4是EOF1時(shí)間系數(shù)、西伯利亞高壓指數(shù)以及東亞冬季風(fēng)指數(shù)的年際變化序列，其中西伯利亞高壓指數(shù)ISIB(index of Siberian High)采用朱艷峰等(2007)使用的西伯利亞高壓強(qiáng)度指標(biāo)，定義為(80～120°E，40 ～60°N)范圍內(nèi)冬季海平面氣壓的平均值;東亞冬季風(fēng)指數(shù)IEAW(index of East Asia winter monsoon)使用施能(1996)定義的指數(shù)，以20～50°N 范圍內(nèi)每5 個(gè)緯度的110°E、160°E 兩個(gè)經(jīng)度上海平面氣壓差之和作為東亞冬季風(fēng)的指標(biāo)。從圖4可見(jiàn)，一般當(dāng)西伯利亞冷高壓和東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)，中國(guó)冬季將大范圍偏冷。EOF1時(shí)間系數(shù)和西伯利亞高壓指數(shù)、冬季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.62 和0.48，分別通過(guò)了99%(rα=0.01=0.486 9)和95%(rα=0.05=0.380 9)置信水平的顯著性檢驗(yàn)。2011/2012年冬季西伯利亞高壓和冬季風(fēng)是偏強(qiáng)的，其中西伯利亞高壓指數(shù)較之多年水平異常偏高(標(biāo)準(zhǔn)化距平值達(dá)2.83)，這與2011/2012年冬季中國(guó)氣溫為自1986年以來(lái)的最低值相對(duì)應(yīng)。

4 與氣溫變化相聯(lián)系的海溫特征

4.1 前期海溫特征

海洋的異常變化會(huì)通過(guò)海氣相互作用導(dǎo)致后期環(huán)流異常，進(jìn)而使得一些地區(qū)的天氣氣候發(fā)生異常變化，尤其是熱帶海洋，作為重要的熱源，在整個(gè)環(huán)流系統(tǒng)中起到極為重要的作用。為了尋找造成冬季環(huán)流異常的可能前期海洋外強(qiáng)迫因子，在此以氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)對(duì)前期夏季6月至同期2月逐月的海溫作相關(guān)和回歸分析。如圖5所示，夏季熱帶西印度洋和東太平洋地區(qū)均有較為顯著的關(guān)聯(lián)區(qū)域。其中，印度洋海溫關(guān)聯(lián)區(qū)域位于赤道以南的西印度洋地區(qū)，在7月和8月均有較為顯著的響應(yīng)(圖5b、c)。而熱帶東太平洋則在8—10月有較為顯著的負(fù)信號(hào)區(qū)，顯著中心位于赤道以南的區(qū)域(圖5c—e)。此外，8、9月北太平洋及12月之后的北大西洋地區(qū)也存在較為明顯的響應(yīng)信號(hào)，介于篇幅及預(yù)測(cè)意義未予分析，下文主要分析7、8月的西印度洋及8—10月東太平洋這兩個(gè)地區(qū)海溫，研究其對(duì)后期冬季環(huán)流的影響。

圖4 1986/1987—2010/2011年標(biāo)準(zhǔn)化的冬季氣溫的EOF1時(shí)間系數(shù)、冬季風(fēng)指數(shù)和西伯利亞高壓指數(shù)(圖中＜＞內(nèi)為2011/2012年冬季相應(yīng)值)Fig.4 Interannual variation of time coefficients of EOF1 of winter temperature and Siberia High index and winter monsoon index in winter in 1986/1987—2010/2011(the corresponding values of winter in 2011/2012 are marked in symbol＜＞)

考慮到前期熱帶印度洋和東太平洋兩個(gè)區(qū)域的海溫異常都與中國(guó)冬季氣溫有較好的相關(guān)關(guān)系，且兩者顯著相關(guān)出現(xiàn)的時(shí)間不是同期的，那么這兩者之間是否有聯(lián)系?根據(jù)上文相關(guān)回歸分析的結(jié)果，分別選擇7、8 月西印度洋(40 ～60°E，20°S ～0°)和8—10月東太平洋(120 ～80°W，30°S ～0°)范圍內(nèi)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的海溫格點(diǎn)，區(qū)域平均后作標(biāo)準(zhǔn)化處理，由此得到兩個(gè)區(qū)域海溫的指數(shù)序列。分別以7月印度洋和9月東太平洋海溫指數(shù)與Nino區(qū)海溫序列及南方濤動(dòng)指數(shù)SOI做超前滯后相關(guān)。由圖6a可見(jiàn)，7月熱帶印度洋關(guān)鍵區(qū)海溫與前期冬季Nino3和Nino3.4區(qū)的海溫有顯著的正相關(guān)，與SOI有顯著的負(fù)相關(guān)。這表明前期冬季中東太平洋Nino3和Nino3.4區(qū)的海溫異常可導(dǎo)致后期夏季印度洋的海溫變化，這與以往對(duì)ENSO和印度洋之間相關(guān)關(guān)系的研究相吻合(吳國(guó)雄和孟文，1998;孟文和吳國(guó)雄，2000;譚言科等，2004;劉琳等，2006;張福穎等，2008;鄧北勝等，2010)。印度洋海溫與后期秋冬季Nino各區(qū)域的海溫及SOI的相關(guān)并不顯著，特別是與表征中東太平洋關(guān)鍵區(qū)Nino1+2區(qū)的海溫異常的關(guān)系最差;9月東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫與超前滯后6個(gè)月內(nèi)的Nino各區(qū)域海溫都有較顯著的關(guān)系，其中與Nino1+2區(qū)海溫關(guān)系最好，并與同期相關(guān)最高(圖6b)。其結(jié)果與圖5一致，即秋季中東太平洋海溫異常，尤其是Nino1+2區(qū)的海溫變化與中國(guó)冬季氣溫有很好的關(guān)系。由以上分析，可以認(rèn)為前期兩關(guān)鍵區(qū)域的海溫異常與中國(guó)冬季氣溫異常的關(guān)系存在一定的獨(dú)立性。

圖5 冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)對(duì)前期6月至次年2月(a—i)逐月海溫回歸(陰影表示冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)與前期6月至次年2月海溫的相關(guān)系數(shù)通過(guò)95%置信水平的顯著性檢驗(yàn))Fig.5 Monthly regression coefficients(℃)of SST(a—i)from preceding June to following February against EOF1 time series of winter temperature(shaded areas indicate the significance of corresponding correlation coefficients exceeding 95%confidence level)

圖6 7月印度洋海溫指數(shù)(a)及9月東太平洋海溫指數(shù)(b)與逐月Nino區(qū)海溫指數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Monthly correlation coefficients of(a)Indian Ocean SST indices in July and(b)Eastern Pacific Ocean SST indices in September with Nino SST indices

4.2 關(guān)鍵區(qū)海溫與冬季環(huán)流的聯(lián)系

以下分別以上文兩個(gè)區(qū)域海溫指數(shù)對(duì)后期冬季環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)和回歸分析，以研究它們與后期冬季主要環(huán)流系統(tǒng)的關(guān)系。由圖7a、7c、7e可見(jiàn)，7月西印度洋關(guān)鍵區(qū)域海溫與冬季風(fēng)環(huán)流有較好的相關(guān)關(guān)系?；貧w的正負(fù)中心及顯著相關(guān)中心的分布類似于圖3，表現(xiàn)為在海平面氣壓場(chǎng)上西伯利亞高壓顯著增強(qiáng)，低層貝加爾湖附近顯著的北風(fēng)異常，以及500 hPa高度場(chǎng)上烏拉爾山阻塞高壓及貝加爾湖以南低槽活動(dòng)均顯著增強(qiáng)。這表明，當(dāng)7月熱帶印度洋海溫異常偏高時(shí)，后期在東亞可能出現(xiàn)相關(guān)環(huán)流系統(tǒng)異常，對(duì)應(yīng)中國(guó)冬季地面氣溫偏低，反之亦然。9月東太平洋海溫與后期冬季環(huán)流的關(guān)系則不同于圖3(圖7b、7d、7f、)。海平面氣壓場(chǎng)上主要表現(xiàn)為在熱帶地區(qū)有顯著的相關(guān)，而在西伯利亞高壓控制的歐亞大陸及中國(guó)東部地區(qū)的相關(guān)不顯著;850 hPa場(chǎng)上在中國(guó)南海地區(qū)有弱的偏南風(fēng)異常;500 hPa高度場(chǎng)上則反映在熱帶地區(qū)及青藏高原上有明顯的正相關(guān)，鄂霍次克海附近有負(fù)的顯著相關(guān)區(qū)域。上述結(jié)果表明，當(dāng)9月中東太平洋海溫異常偏高(低)時(shí)，后期西太平洋副高和印緬槽可能發(fā)生異常。西太平洋副高的異常與中國(guó)冬季氣溫有密切的關(guān)系(朱艷峰等，2007)，印緬槽的異常則與來(lái)自印度洋的暖濕氣流活動(dòng)及相關(guān)的水汽輸送有密切的關(guān)系，可能是造成中國(guó)冬季南方低溫雨雪天氣的重要原因(陶詩(shī)言和衛(wèi)捷，2008)。

圖7 7月印度洋(a，c，e)及9月東太平洋(b，d，f)海溫指數(shù)與后期冬季海平面氣壓(a，b;單位:hPa)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)(c，d;單位:m/s)及500 hPa位勢(shì)高度(e，f;單位:gpm)的回歸(陰影區(qū)表示海溫指數(shù)與后期冬季海平面氣壓、850 hPa風(fēng)場(chǎng)及500 hPa位勢(shì)高度的相關(guān)系數(shù)通過(guò)95%置信水平的顯著性檢驗(yàn))Fig.7 Regression coefficients of(a，b)SLP(hPa)，(c，d)850 hPa wind(m/s)，(e，f)500 hPa height(gpm)in winter against(a，c，e)Indian ocean SST index in preceding July and(b，d，f)east pacific ocean SST index in preceding September(shaded areas indicate the significance of corresponding correlation coefficients exceeding 95%confidence level)

由上述分析可見(jiàn)，前期熱帶東太平洋和西印度洋對(duì)后期大氣環(huán)流的影響是不同的。西印度洋海溫異?？赡軙?huì)導(dǎo)致中高緯冬季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的異常，而東太平洋海溫異常則主要與后期低緯度的環(huán)流系統(tǒng)異常有關(guān)。中國(guó)冬季地面氣溫異常是兩類環(huán)流共同作用的結(jié)果，這也能反映兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)的海溫異常對(duì)中國(guó)氣溫的影響存在相對(duì)的獨(dú)立性。為進(jìn)一步分析熱帶西印度洋和東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫與冬季環(huán)流系統(tǒng)的關(guān)系，將兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)分別與冬季西伯利亞指數(shù)、東亞冬季風(fēng)指數(shù)、西太平洋副熱帶高壓各指數(shù)以及印緬槽指數(shù)計(jì)算相關(guān)系數(shù)(表1)。

由表1可見(jiàn)，7月、8月熱帶印度洋海溫指數(shù)和冬季西伯利亞高壓指數(shù)之間的相關(guān)都很顯著，分別為0.58和0.63，達(dá)到了0.01的信度水平。此外，如前文分析，8—10月的中東太平洋海溫與印緬槽有顯著的相關(guān)，以9月中東太平洋海溫與冬季印緬槽指數(shù)的相關(guān)最高，達(dá)到0.62。8—10月中東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫與西太平洋副高各指數(shù)有較高的相關(guān)，除副高脊線外，都通過(guò)了99% 置信水平的顯著性檢驗(yàn)。其中以10月中東太平洋海溫與副高的相關(guān)最好，其與西太平洋強(qiáng)度、面積、西伸脊點(diǎn)和北界指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.75、0.71、-0.72和0.45。冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)與前期西印度洋和中東太平洋海溫的相關(guān)都較顯著，其中與7月印度洋的相關(guān)最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.52。

表1 熱帶印度洋和東太平洋海溫指數(shù)與冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)及冬季各環(huán)流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation of time coefficients of EOF1 of winter temperature and circulation indices in winter with SST indices of tropicalIndian Ocean and Eastern Pacific Ocean

以上分析表明當(dāng)西印度洋海溫偏高時(shí)，冬季西伯利亞高壓將偏強(qiáng)，有利于冬季風(fēng)偏強(qiáng)和中國(guó)冬季氣溫偏低;當(dāng)8—10月中東太平洋海溫偏高時(shí)，西太平洋副高將偏強(qiáng)偏大偏西、北界位置偏北，印緬槽偏弱，中國(guó)氣溫容易偏高，反之亦然(圖8)。這進(jìn)一步證實(shí)前期7—8月印度洋海溫與后期冬季中高緯環(huán)流系統(tǒng)的異常密切相關(guān)，而8—10月中東太平洋的海溫異常變化則主要與西太副高和印緬槽等系統(tǒng)的異常相聯(lián)系。兩者共同作用將導(dǎo)致中國(guó)冬季地面氣溫的異常。

4.3 關(guān)鍵區(qū)海溫異常對(duì)2011/2012年冬季氣溫異常的貢獻(xiàn)

圖8 前期印度洋和東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫與冬季環(huán)流及中國(guó)氣溫的關(guān)系Fig.8 Relations between SSTA in the key regions of Indian Ocean and Eastern Pacific Ocean in the previous phase and circulation systems and temperature anomalies in China in winter

2011/2012年冬季前期逐月海溫距平演變(圖略)與偏冷年情況(圖5)較為吻合，說(shuō)明印度洋和東太平洋兩個(gè)區(qū)域的海溫異?？赡芘c該年中國(guó)冬季氣溫異常有聯(lián)系。利用1986—2010年7月熱帶印度洋、9月熱帶東太平洋海溫指數(shù)序列回歸1986/1987—2010/2011年冬季各指數(shù)(冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)、ISIB、IEAW、印緬槽指數(shù)、西太平洋副高各指數(shù))得到的回歸系數(shù)，以及2011年7月熱帶印度洋、9月熱帶東太平洋海溫距平，可計(jì)算出2011/2012年冬季各指數(shù)的距平值(表2)。對(duì)照2011/2012年冬季指數(shù)的實(shí)際距平值:17.60℃(冬季氣溫EOF1 時(shí)間系數(shù))、5.26 hPa(ISIB)、12.89 hPa(IEAW)、-6.87 gpm(印緬槽指數(shù))、-14.47 gpm(西太平洋副高強(qiáng)度)、29.59°E(副高西伸脊點(diǎn))、-7.75個(gè)(副高面積)、-1.84°N(副高北界)、-1.21°N(副高脊線)，可見(jiàn)該年冬季西伯利亞高壓、東亞冬季風(fēng)、印緬槽偏強(qiáng)，西太平洋副高偏弱偏東，位置偏南、面積偏小。冬季西伯利亞高壓和冬季風(fēng)偏強(qiáng)主要與印度洋海溫異常偏高相對(duì)應(yīng)，其中7月印度洋的海溫異常值大，且其與西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)的相關(guān)高，因此2011年7月印度洋海溫變化對(duì)2011/2012年冬季的西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)的貢獻(xiàn)最大。

2011/2012年冬季印緬槽偏強(qiáng)，西太平洋副高偏弱偏東，位置偏南、面積偏小，主要與2011年8—10月熱帶中東太平洋海溫偏低相對(duì)應(yīng)。其中10月中東太平洋海溫異常值最大，且其與上述各環(huán)流指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)最大，因此其對(duì)印緬槽及西太平洋副高異常的貢獻(xiàn)最大。此外，雖然8月中東太平洋海溫異常與后期冬季各環(huán)流指數(shù)的相關(guān)略小于10月，但已通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，所以從預(yù)測(cè)的角度仍可以考慮8月中東太平洋的海溫為冬季氣溫預(yù)測(cè)的強(qiáng)信號(hào)。

表2 熱帶印度洋和東太平洋海溫指數(shù)對(duì)冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)及冬季各環(huán)流指數(shù)的回歸值Table 2 Regression values of time coefficients of EOF1 of winter temperature and circulation indices in winter with SST indices of tropical Indian Ocean and Eastern Pacific Ocean

5 結(jié)論與討論

本文在探討暖冬背景下中國(guó)冬季氣溫異常成因及前期強(qiáng)信號(hào)因子分析的基礎(chǔ)上，對(duì)2011/2012年中國(guó)冬季氣溫異常特征及其前期信號(hào)進(jìn)行了分析檢驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論:

1)我國(guó)冬季氣溫變化有兩個(gè)主要模態(tài)，第一模態(tài)反映了我國(guó)冬季氣溫大范圍一致偏冷或偏暖變化的特征;第二模態(tài)表現(xiàn)為東北和西南兩個(gè)區(qū)域反向變化的分布特征。與以往的研究結(jié)果相比，冬季變暖以來(lái)第二模態(tài)表現(xiàn)的南北反向變化的特征不明顯。2011/2012年冬季中國(guó)氣溫大范圍偏冷，投影到兩模態(tài)上的時(shí)間系數(shù)均超過(guò)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上的異常。

2)暖背景下，西伯利亞高壓、東亞冬季風(fēng) 、烏拉爾山阻高和貝加爾湖南側(cè)低槽活動(dòng)異常仍是引起中國(guó)冬季氣溫異常的重要環(huán)流因子。當(dāng)冬季全國(guó)一致偏冷(暖)時(shí)，對(duì)應(yīng)500 hPa烏拉爾山阻塞和貝加爾湖南側(cè)低槽活動(dòng)異常偏多或偏強(qiáng)(偏少或偏弱)，西伯利亞高壓及東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)。2011/2012年冬季高低空環(huán)流的配置與異常類似于偏冷年。

3)前期熱帶西印度洋和中東太平洋的海溫異常與后期冬季中國(guó)氣溫有顯著的關(guān)系。冬季氣溫EOF1時(shí)間系數(shù)與前期夏季6月至次年冬季2月逐月的海溫相關(guān)回歸結(jié)果顯示在前期7—8月的印度洋和8—10月中東太平洋上存在顯著的相關(guān)區(qū)域。前期兩關(guān)鍵區(qū)域的海溫異常之間的相關(guān)弱，反映其與中國(guó)冬季氣溫異常的關(guān)系存在一定的獨(dú)立性。

4)前期7—8月印度洋海溫與后期冬季中高緯環(huán)流系統(tǒng)的異常密切相關(guān)，而8—10月中東太平洋的海溫異常變化則主要與西太副高和印緬槽等低緯度系統(tǒng)的異常相聯(lián)系，中國(guó)冬季氣溫異常是兩者共同作用的結(jié)果。進(jìn)一步的分析表明當(dāng)前期夏季西印度洋海溫偏高時(shí)，冬季西伯利亞高壓將偏強(qiáng)，有利于冬季風(fēng)偏強(qiáng)和中國(guó)冬季氣溫偏低;當(dāng)8—10月中東太平洋海溫偏高時(shí)，西太平洋副高將偏強(qiáng)偏大偏西、北界位置偏北，印緬槽偏強(qiáng)，中國(guó)氣溫容易偏高，反之亦然。

5)2011/2012年前期印度洋海溫異常偏高，其中7月印度洋的海溫異常值大，且其與西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)的相關(guān)高，因而2011年7月印度洋海溫變化對(duì)2011/2012年冬季的西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)的貢獻(xiàn)最大。2011/2012年前期熱帶中東太平洋海溫偏低，其中10月中東太平洋海溫異常值最大，且其與上述各環(huán)流指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)最大，因此其對(duì)印緬槽、西太平洋副高異常的貢獻(xiàn)最大。

本文統(tǒng)計(jì)分析了暖背景下影響中國(guó)冬季地面氣溫異常的環(huán)流和前期外強(qiáng)迫因子，得到了直接影響中國(guó)冬季地面氣溫異常的各環(huán)流因子特征及相關(guān)聯(lián)的前期信號(hào)，在對(duì)比2011/2012年冬季氣溫成因分析中發(fā)現(xiàn)各環(huán)流因子與前期信號(hào)之間的關(guān)系和特征吻合較好。由于中國(guó)氣溫異常的年際異常及其與各因子之間的年際關(guān)系受到年代際等關(guān)系的影響，雖然前期印度洋和中東太平洋海溫異常與后期冬季各環(huán)流指數(shù)的相關(guān)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，但在預(yù)測(cè)中仍要關(guān)注這種關(guān)系的穩(wěn)定性。

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(責(zé)任編輯:劉菲)

Causes and precursors of the winter temperature anomaly in China in 2011/2012

TAN Gui-rong1，2，3，WANG Teng-fei1，2
(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，NUIST，Nanjing 210044，China;2.School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China;3.Meteorological Observatory，NUIST，Nanjing 210044，China)

Using the monthly mean temperature data of 160 stations from NCC，the NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA global sea surface temperature(SST)data，the causes of winter temperature anomaly and its precursors in 2011/2012 are analyzed on the basis of associated mechanisms since 1986.The results show that the Siberian High，East Asian winter monsoon and the abnormal circulation systems around the Ural Mountains and the region South to the Lake Baikal at 500 hPa are the main circulation systems at high latitudes which exert important impact on the wintertime surface air temperature in China;the circulation systems at low latitudes mainly include the Western Pacific Subtropical High and the India-Burma Trough;the sea surface temperature anomalies(SSTA)of key regions in tropical Indian Ocean and the middle-east equatorial Pacific are closely related to the circulation system variation associated with the winter temperatures in late winter.The July and August SSTA of higher temperature in the western Indian Ocean mainly corresponds to the enforcement of winter circulation anomalies of Siberian High，which makes the winter monsoon stronger and the wintertime air temperature lower in China.August，September and October SSTA of higher temperature over the middle and east equatorial Pacific mainly causes the en-

采用國(guó)家氣候中心整理的全國(guó)160站月平均氣溫資料、NCEP/NCAR再分析資料及NOAA全球海溫資料，在探討1986年以來(lái)中國(guó)冬季氣溫異常機(jī)理基礎(chǔ)上，對(duì)2011/2012年冬季氣溫異常特征及其前兆信號(hào)進(jìn)行分析。結(jié)果表明:地面西伯利亞高壓、東亞冬季風(fēng)及500 hPa烏拉爾山與貝加爾湖南側(cè)的異常環(huán)流等系統(tǒng)是影響中國(guó)冬季氣溫的主要中高緯環(huán)流系統(tǒng)，而中低緯環(huán)流系統(tǒng)主要包括西太平洋副高環(huán)流和印緬槽。前期熱帶印度洋和中東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常與后期冬季氣溫關(guān)聯(lián)的環(huán)流系統(tǒng)有密切的關(guān)系:前期夏季7、8月西印度洋海溫偏高時(shí)，冬季西伯利亞高壓將偏強(qiáng)，有利于冬季風(fēng)偏強(qiáng)和中國(guó)冬季氣溫偏低;而當(dāng)8—10月中東太平洋海溫偏高時(shí)，西太平洋副高將偏強(qiáng)偏大偏西，北界位置偏北，印緬槽偏強(qiáng)，中國(guó)氣溫容易偏高，反之亦然。兩者對(duì)后期環(huán)流的影響存在一定的獨(dú)立性，中國(guó)冬季地面氣溫異常是它們共同作用的結(jié)果。

冬季氣溫;短期氣候預(yù)測(cè);環(huán)流異常;印度洋海溫;中東太平洋海溫

譚桂容，王騰飛.2014.2011/2012年冬季中國(guó)氣溫異常的成因及前兆信號(hào)［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，37(1):65-74.

Tan Gui-rong，Wang Teng-fei.2014.Causes and precursors of the winter temperature anomaly in China in 2011/2012［J］.Trans Atmos Sci，37(1):65-74.(in Chinese)forcement of Western Pacific Subtropical High and India-Burma Trough.The location of Western Pacific Subtropical High is to the west and north，and the India-Burma Trough becomes stronger at the same time，which causes the temperature in China to be warmer，and vice versa.The influences of the SSTA in these two key regions on the subsequent circulation are somehow independent，and the winter surface air temperature anomalies are jointly affected by the two factors.

winter temperature;short-term climate prediction;circulation anomaly;Indian Ocean SST;the middle-east equatorial Pacific SST

2012-12-12;改回日期:2013-03-26

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY20080616;GYHY20120617;GYHY201306028);江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(S5411010001);江蘇省青藍(lán)工程

譚桂容，博士，研究員，研究方向?yàn)槎唐跉夂虍惓＜捌漕A(yù)測(cè)，tanguirong@nuist.edu.cn.

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1674-7097(2014)01-0065-10