遲竹萍，孟祥新，高理

（山東省氣候中心，山東濟(jì)南250031）

1 引言

近百年來全球氣候變暖已經(jīng)是一個不可爭辯的事實(shí)，以氣候變暖為代表的全球性環(huán)境問題越來越受到科學(xué)界、社會公眾和各國政府的關(guān)注。山東屬大陸季風(fēng)性氣候, 四季明顯，在全球氣候變暖的大背景下, 區(qū)域響應(yīng)特征明顯。山東從1986年開始，冬季氣溫開始明顯變暖，在之后的28年中，冬季平均氣溫15年為正距平，占54%，且偏高1.0 ℃以上的典型暖年以及異常暖年均出現(xiàn)在1986年以后，只有2012年冬季氣溫偏低1.0 ℃以上；而在1986年之前的35年中，有27年氣溫為負(fù)距平,占77%,出現(xiàn)7年異常冷年和10年典型冷年，且偏暖年距平均小于0.5 ℃。

近年來眾多學(xué)者針對我國暖冬氣候、華北冬季低溫、我國南方冬季異常低溫等從氣候背景和環(huán)流特征等方面做了大量的分析研究，得出了很有意義的結(jié)論[1-4]，為今后的預(yù)報(bào)和預(yù)測工作提供了相關(guān)的依據(jù)?，F(xiàn)在我國的短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)，是在國家氣候中心指導(dǎo)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，各省根據(jù)本區(qū)域的氣候特征做出的訂正預(yù)報(bào)；因而分析了解本區(qū)域氣候異常特征及其成因是非常必要的,本文主要針對山東冬季氣溫演變特征及異常冷暖年發(fā)生的大尺度環(huán)流背景進(jìn)行分析，為冬季氣溫異常預(yù)測提供預(yù)測依據(jù)。

2 資料與計(jì)算方法

本文采用的資料是山東122個氣象觀測站氣溫和降水量觀測資料，時間尺度為1951—2013年的年、冬季(12月至翌年2月)平均氣溫、平均降水量，如2012年冬季是指2012/2013年冬季；平均值以1981—2010年共30年均值為基準(zhǔn)；通過計(jì)算獲得1951—2013年共計(jì)63年的冬季數(shù)據(jù)；定義冬季平均氣溫距平絕對值≥2.0 ℃為異常冷暖年，1.0 ℃≤冬季平均氣溫距平絕對值<2.0 ℃為典型冷暖年。1952年（ˉ2.4 ℃）、1956年（ˉ3.7 ℃）、1963年（ˉ2.3 ℃）、1966年（ˉ2.1 ℃）、1967年（ˉ3.8 ℃）、1968年（ˉ2.1 ℃）、1971年（ˉ2.5 ℃）7年為異常冷年；1954年（ˉ1.7 ℃）、1962年（ˉ1.4 ℃）、1969年（ˉ1.5 ℃）、1970年（ˉ1.4 ℃）、1973年（ˉ1.4 ℃）、1976年（ˉ1.9 ℃）、1980年（ˉ1.9 ℃）、1983年（ˉ1.9 ℃）、1984年（ˉ1.6 ℃）、1985年（ˉ1.8 ℃）、2012年（ˉ1.1 ℃）11年作為典型冷年。2001年（2.0 ℃）為異常暖年；1998年（1.8 ℃）、2003年（1.3 ℃）、2006年（1.8 ℃）、2008年（1.0 ℃）、2013年（1.0 ℃）5年作為典型暖年。500 hPa 高度場資料為1951—2013年10°—85°N、0°—180°—0°的月平均值。對冬季氣溫年際變化采用氣候趨勢系數(shù)及其統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，并采用移動t 檢驗(yàn)檢測序列的變化是否有突變；采用相關(guān)檢驗(yàn)、合成分析等分析氣溫異常發(fā)生的氣候背景及影響因素。

3 山東冬季平均氣溫的演變特征

3.1 全球變暖趨勢下山東冬季氣溫變化特征

圖1 為山東冬季平均氣溫歷年變化曲線，為了消除噪聲和突出氣候階段性特征，進(jìn)行了3年平滑處理。由圖1 可見，近63年來，山東冬季平均氣溫整體呈上升趨勢，而且具有明顯的階段性。20世紀(jì)50年代到60年代，氣溫在波動中呈下降趨勢，分別在1956年和1967年氣溫陡降，出現(xiàn)63年來的次低值和最低值，之后氣溫在波動中逐漸上升，雖在80年代中前期氣溫有所回落，20世紀(jì)末到現(xiàn)在氣溫變暖趨緩，但整體上升趨勢明顯；采用滑動t 檢驗(yàn)，顯示1986年之前冬季氣溫的平均值與之后的平均氣溫有顯著的差異，突變后比突變前平均上升了1 ℃以上，反映出山東冬季氣溫在80年代中期以后增暖現(xiàn)象十分顯著。上述結(jié)果與60年代中國、北半球和全球氣溫有所下降、中國冬季氣溫在60年代達(dá)近60年最低值及中國冬季氣溫在1984年前后發(fā)生突變的研究結(jié)論相一致[5ˉ9]。

圖1 山東冬季氣溫距平逐年演變曲線

20世紀(jì)80年代中期以前的相對冷期，山東冬季氣溫35年中僅有8年為正距平,氣溫負(fù)距平年占77%，此時段出現(xiàn)了7次異常冷年和10次典型冷年；20世紀(jì)80年代中期以后的相對暖期，山東發(fā)生冷冬的次數(shù)明顯減少，只在2012年發(fā)生1 次；冬季暖冬年頻發(fā)，28年中冬季平均氣溫有15年為正距平，占54%，且1 次異常暖年和5 次典型暖年均出現(xiàn)在1986年以后。

年代際變化與年際變化趨勢一致（見圖2）,20世紀(jì)50年代、60年代、70年代到80年代,氣溫均為負(fù)距平,且60年代負(fù)距平最大；90年代及21世紀(jì)00年代,氣溫明顯上升，為正距平，00年代正距平進(jìn)一步增大,但2010年以后至今氣溫回落又轉(zhuǎn)為負(fù)距平。

3.2 去除全球變暖趨勢下山東冬季氣溫變化特征

圖2 山東冬季氣溫年代際距平變化

圖3 去掉變暖趨勢后山東冬季氣溫距平逐年演變曲線

為更好的了解山東冬季氣溫的年際變化特征，圖3給出去掉全球變暖趨勢以后的山東冬季平均氣溫變化曲線。按冷暖年劃分標(biāo)準(zhǔn)，1956年（-2.2 ℃）、1967年（-2.8 ℃）2年為異常冷年；1963年（ˉ1.2 ℃）、1966年（ˉ1.1 ℃）、1968年（ˉ1.2 ℃）、1971年（ˉ1.6 ℃）、1976年（ˉ1.2 ℃）、1980年（ˉ1.3 ℃）、1983年（ˉ1.4 ℃）、1984年（ˉ1.2 ℃）、1985年（ˉ1.4 ℃）、2010年（ˉ1.0 ℃）、2011年（ˉ1.1 ℃）、2012年（ˉ1.5 ℃）12年為典型冷年；1951年（1.7 ℃）、1953年（1.5 ℃）、1958年（1.5 ℃）、1959年（1.2 ℃）、1964年（1.3 ℃）、1972年（1.0 ℃）、1978年（1.1 ℃）、1998年（1.8 ℃）、2001年（1.9 ℃）、2003年（1.2 ℃）、2006年（1.6 ℃）11年為典型暖年。

1986年以前，山東冬季氣溫35年中有20年為負(fù)距平，占57%，此時段出現(xiàn)2次異常冷年、9次典型冷年以及7 次典型暖年；1986年以后，28年冬季氣溫有16年為負(fù)距平，占57%，出現(xiàn)3 次典型冷年以及4 次典型暖年。分析年代際特征（圖略），20 世紀(jì)50年代、90年代以及21世紀(jì)00年代氣溫為正距平，60年代、70年代、80年代以及2010年至今氣溫均為負(fù)距平，2010年至今負(fù)距平最大。

綜上分析，山東冬季氣溫年際和年代際變化特征在是否考慮變暖趨勢下，是有較大差異的。去除變暖趨勢后，1986年前、后時段，冬季氣溫負(fù)距平年份所占比率是相同的，無明顯的冷暖時期特征。

4 冬季冷、暖年氣候特征

4.1 降水特征

由表1 可見，山東冷暖年冬季降水易出現(xiàn)異常。24年冷暖年中，有22年冬季降水距平百分率絕對值在20%以上；異常冷年冬季降水偏多的概率大，7年中有5年冬季降水異常偏多，概率為71.4%；典型冷年和暖年，冬季降水明顯偏少的概率大，偏少概率分別為81.8%和83.3%。

4.2 氣溫特征

統(tǒng)計(jì)山東冬季冷暖年平均最低氣溫距平及極端最低氣溫可見（見表2），平均最低氣溫距平及極端最低氣溫異常冷年小于典型冷年，二者典型冷年又小于暖年。7 次異常冷年平均最低氣溫距平≤ˉ1.0 ℃，7年平均為ˉ2.0 ℃；極端最低氣溫均低于ˉ15.4 ℃。11 次典型冷年平均最低氣溫距平≤0.5 ℃，11年中9年在零度以下，平均為ˉ1.0 ℃；極端最低氣溫均低于ˉ14.4 ℃。6 次暖年（1 次異常暖年、5次典型暖年）平均最低氣溫距平≤1.4 ℃，平均為0.9 ℃，只有1年在零度以下；極端最低氣溫均低于ˉ13.8 ℃。

表1 山東冬季冷、暖年降水距平百分率特征（單位：%）

表2 山東冬季冷、暖年氣溫特征（單位：℃）

5 冬季冷暖年大氣環(huán)流特征

5.1 異常冷暖年500 hPa高空環(huán)流特征

異常冷冬年北半球500 hPa 平均高度場上（圖略），主要表現(xiàn)為單極渦，中心位于巴倫支海北邊的極區(qū)上空且呈經(jīng)向分布，烏拉爾山脈有明顯高脊區(qū)，且強(qiáng)度比常年偏強(qiáng)、位置偏北，歐亞大陸為深厚的經(jīng)向環(huán)流控制，在亞洲東岸形成較深的東亞大槽；高度距平場的分布呈西北正東南負(fù)（見圖4a），正中心位于烏拉爾山脈附近，最大值為30 位勢什米；歐亞中高低緯受負(fù)距平控制，極強(qiáng)負(fù)距平中心位于貝加爾湖附近，相應(yīng)的有ˉ40 位勢什米的負(fù)距平區(qū)，山東處于負(fù)距平區(qū)的底部。這種情況表明[10]，西伯利亞高壓較常年偏強(qiáng)，冬季風(fēng)強(qiáng)，對應(yīng)從西伯利亞冷高壓分裂南下的冷空氣活動強(qiáng)，山東冬季長時間處在東亞大槽前的西北氣流中，從而使整個冬季氣溫異常偏低。

異常暖冬年北半球500 hPa 平均高度場上（圖略），也表現(xiàn)為單極渦，烏拉爾山冷低壓強(qiáng)度偏弱,亞洲北部的冷空氣主體偏北，歐亞中高緯環(huán)流呈緯向型發(fā)展；高度距平場分布呈北負(fù)南正（見圖4b），烏拉爾山附近變一負(fù)距平區(qū)，相應(yīng)的有ˉ30 位勢什米的負(fù)距平中心，歐亞中高低緯為正距平控制，30位勢什米的正距平中心位于巴爾喀什湖附近，山東處于正距平區(qū)中。來源于極地的冷空氣不易南下，而低緯地區(qū)暖空氣相對活躍，有利于冬季氣溫持續(xù)偏高。

5.2 東亞槽位置

為了更好的說明冬季冷暖年與大氣環(huán)流變化的關(guān)系，進(jìn)一步分析與氣溫有密切聯(lián)系的東亞槽位置的變化。以國家氣候中心下發(fā)的74 項(xiàng)特征量中東亞槽位置，分析其年際變化特征（見圖5），直線為線性趨勢線。

由圖5 可見，冬季東亞槽位置也經(jīng)歷了一個由西至東的年代際變化。大體上是1987年以前為位置偏西年，1987年為位置偏東年，其年代變化與冬季氣溫的年代變化比較一致，前者對應(yīng)冬季氣溫相對冷期，后者則對應(yīng)相對暖期。計(jì)算1951—2013年山東冬季氣溫、降水與同期東亞槽位置、強(qiáng)度的關(guān)系，也發(fā)現(xiàn)氣溫、降水與東亞槽位置關(guān)系最為密切，相關(guān)系數(shù)分別為0.38 和0.36，檢驗(yàn)信度均超過0.01；即東亞槽位置在145°E以西，山東處于東亞大槽前部的西北氣流中，冷空氣活動頻繁，冬季氣溫易偏低、降水易偏少，反之氣溫易偏高、降水易偏多。冬季氣溫、降水與東亞槽強(qiáng)度關(guān)系不密切。

圖4 500 hPa高度場距平（單位：十位勢米）

5.3 西太平洋副熱帶高壓（簡稱副高，下同）

圖5 冬季東亞槽位置的年際變化

圖6 冬季110°—180°E范圍副高強(qiáng)度指數(shù)和面積指數(shù)的年際變化

以國家氣候中心下發(fā)的北半球110°—180°E范圍，分析副高強(qiáng)度指數(shù)和面積指數(shù)其年際變化（見圖6），直線為線性趨勢線。由圖6可見，冬季副高強(qiáng)度和面積指數(shù)也經(jīng)歷了一個由弱變強(qiáng)、由小變大的年代際變化。大體上是20 世紀(jì)80年代以前為偏弱、偏小年，80年代以后為偏強(qiáng)、偏大年，其年代變化特征與冬季氣溫年代變化特征較相似，前者對應(yīng)冬季氣溫相對冷期，后者則對應(yīng)相對暖期。計(jì)算1951—2013年山東冬季氣溫、降水與同期副高強(qiáng)度和面積指數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣溫、降水與副高強(qiáng)度指數(shù)、面積指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.50 和ˉ0.02、0.57和0.00，全省平均氣溫及各地氣溫（圖略）與副高強(qiáng)度指數(shù)、面積指數(shù)正相關(guān)檢驗(yàn)信度均超過0. 001。當(dāng)冬季副高強(qiáng)度減弱，面積縮小，表明南支鋒區(qū)南落，相應(yīng)北支鋒區(qū)加強(qiáng)并南壓，山東處于北支鋒區(qū)南側(cè)，多受冷空氣影響，冬季氣溫容易偏低。

5.4 厄爾尼諾（拉尼娜）事件

圖7 冬季氣溫和降水與前期7月Nino3區(qū)海溫相關(guān)分布（信度：深灰0.05，淺灰0.1）

厄爾尼諾（拉尼娜）事件是指赤道中、東太平洋海溫持續(xù)異常偏暖（冷）的現(xiàn)象，一般將NINO 3 區(qū)海表溫度距平指數(shù)至少連續(xù)6 個月≥0.5 ℃（≤ˉ0.5 ℃）定義為一次厄爾尼諾（拉尼娜）事件，它的發(fā)生被認(rèn)為氣候變化的最強(qiáng)信號，往往給全球氣候造成較大影響。表1中標(biāo)注的厄爾尼諾（拉尼娜）事件由國家氣候中心根據(jù)（新指數(shù)）確定的，且冬季處于事件發(fā)生中；由表1可見，山東7年冬季異常冷年，有2年處于暖事件、3年處于冷事件中；而11年典型冷年，有7年處于冷事件中。當(dāng)厄爾尼諾（拉尼娜）事件發(fā)生時，使得連接熱帶和中緯度大氣的垂直環(huán)流發(fā)生變化，從而改變海陸的氣壓分布，使季風(fēng)的強(qiáng)度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致大陸氣候的變化；冬季拉尼娜事件發(fā)生，和山東冬季氣溫偏冷有較好的關(guān)聯(lián)性。

5.5 前期中東太平洋海溫

為了研究山東冬季氣溫、降水與太平洋海溫的相關(guān)關(guān)系,將1951—2013年山東冬季氣溫、降水與東太平洋NINO 3 區(qū)前期逐月海溫作相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)冬季氣溫、降水與前期7月NINO3區(qū)海溫相關(guān)最好（見圖7），山東各地冬季氣溫與前期7月NINO3區(qū)海溫均呈正相關(guān)，除半島及東南沿海外，大部地區(qū)超過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，即當(dāng)7月NINO3區(qū)海溫為正距平時，山東各地冬季海溫易偏高，反之亦然；山東各地冬季降水與前期7月NINO3 區(qū)海溫均呈反相關(guān)，西部地區(qū)超過0.05的顯著性檢驗(yàn)，即當(dāng)7月NINO3區(qū)海溫為正距平時，山東各地冬季降水易偏少，反之亦然。

6 結(jié)論與討論

（1）山東冬季氣溫存在著明顯的年代際變化特征，氣溫的變化可分為兩個時期，20 世紀(jì)80年代中期以前為相對冷期，氣溫以負(fù)距平為主；20 世紀(jì)80年代中期以后為相對暖期，山東發(fā)生冷冬的次數(shù)明顯減少，而暖冬年頻發(fā)，增暖趨勢明顯；

（2）山東冬季冷暖年降水易出現(xiàn)異常。異常冷年冬季降水異常偏多概率大，異常偏多概率為71.4%；典型冷年和暖年，冬季降水明顯偏少的概率大，明顯偏少概率分別為81.8%和83.3%；

（3）山東冬季異常冷（暖）年500 hPa 平均高度場有明顯不同。在高度距平場上歐亞大陸呈反位相分布，異常冷年烏拉爾山高壓脊偏強(qiáng)、偏北，山東處于負(fù)距平區(qū)的底部；而異常暖年烏拉爾山高壓偏弱，山東處于正距平中；

（4）山東冬季氣溫年代際變化特征與冬季東亞槽位置、副高強(qiáng)度（面積）指數(shù)年代際變化特征比較一致，并與三者存在很好的相關(guān)性。冬季東亞槽位置在145°E 以西，山東處于東亞大槽前部的西北氣流中，冬季氣溫易偏低；冬季副高強(qiáng)度減弱，面積縮小，南支鋒區(qū)南落，相應(yīng)北支鋒區(qū)加強(qiáng)并南壓，山東處于北支鋒區(qū)南側(cè)，多受冷空氣影響，冬季氣溫容易偏低；

（5）ENSO 事件發(fā)生，影響熱帶海氣相互作用，從而改變海陸的氣壓分布，使季風(fēng)的強(qiáng)度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致山東氣溫的變化。冬季拉尼娜事件發(fā)生，和山東冬季氣溫偏冷有較好的關(guān)聯(lián)性；并發(fā)現(xiàn)山東冬季氣溫與前期7月Nino3 區(qū)海溫正相關(guān)最好。

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