汪明圣，胡婭敏，胡婷，董少柔，趙亮

(1. 廣東省氣候中心，廣東 廣州 510641；2. 廣州市氣象臺，廣東 廣州 511430；3. 中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室(LASG)，北京 100029)

1 引言

春運，是在中國春節(jié)前后發(fā)生的一種大規(guī)模的全國性交通運輸高峰。改革開放以來，隨著對人員流動限制的放寬，越來越多的人選擇離鄉(xiāng)外出務工、求學，諸多人群集中在春節(jié)期間返鄉(xiāng)，形成了堪稱“人類歷史上規(guī)模最大的人口遷徙活動”——春運。近30 多年來，春運大軍從1 億人次增長到2015 年的37 億人次，相當于讓非洲、歐洲、美洲、大洋洲的總人口搬一次家。在氣候變暖背景下，極端氣候事件造成的各種損失不斷增加。春運期間各種極端氣候事件頻繁出現(xiàn)，嚴重影響了人民生命財產(chǎn)安全及社會正常秩序，同時造成大量人力、物力和財力等社會資源的非正常耗損。2008 年春運期間，因大范圍雨雪冰凍災害天氣影響，全國多地高速公路出現(xiàn)嚴重堵塞，京廣鐵路南段(湖南段)因電氣化鐵路接觸網(wǎng)斷電中斷20 小時，造成廣州火車站大量旅客滯留，最多達17 萬。2016 年1 月下旬，廣東遭受了一次罕見的寒潮雨雪冰凍天氣過程，除了劇烈的降溫和大風，大部分市縣出現(xiàn)了雪、雨夾雪或霰等固態(tài)降水，珠江三角洲和部分南部沿海市縣還是建國以來首次出現(xiàn)，引發(fā)了社會的強烈關注。2022 年春運期間，我國南方地區(qū)出現(xiàn)多次大范圍雨雪天氣過程，給交通、電力、農(nóng)業(yè)和人體健康等造成了巨大影響。因此，提前準確地預報出春運期間的天氣氣候特征，對于保障春運氣象服務，開展防災減災工作具有重要的現(xiàn)實意義。

以往的研究成果主要分析春運期間特定的災害特征[1-2]和天氣過程[3-6]。尤其是很多研究關注了2008 年的低溫雨雪冰凍事件，Wen 等[7]從大尺度氣候異常角度討論了多個大尺度因子對2008年1月出現(xiàn)在中國南方的低溫雨雪冰凍事件的影響，指出中東急流和北極濤動的配合比La Ni?a 事件的影響更重要。李崇銀等[8]從2008 年中國南方持續(xù)性低溫雨雪冰凍事件著手，給出了低溫雨雪冰凍事件對應的大氣環(huán)流系統(tǒng)的組合性異常特征。已有研究表明，中國南方持續(xù)性低溫雨雪冰凍事件主要受烏拉爾山阻塞高壓、歐亞遙相關型、歐亞大陸大型斜槽斜脊、北極濤動、南支槽及熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩等系統(tǒng)的影響[9-17]。針對冬季的氣候狀況也有研究，智協(xié)飛等[18]指出氣候變暖后我國南方冬季的極端降水強度普遍有所增加。王瑞麗等[19]研究發(fā)現(xiàn)太陽活動變化對東亞冬季氣候的影響具有非對稱性特征。梁建茵等[20]對廣東冬季的氣溫變化進行了診斷分析，認為廣東冬季氣溫具有增溫趨勢，特別是最低氣溫。胡蓓蓓等[21]從年代際尺度分析了廣東2 月“冷干”和“暖干”的環(huán)流海溫異常。然而，以上研究有的僅給出春運期間某一個例天氣過程分析，不具有普遍性；有的則對冬季氣溫或者降水單一要素進行分析，沒有考慮氣溫和降水的協(xié)同變化；有的則是對年代際尺度的分析，忽略了年際信號。此外，也未對不同異常氣候類型對應的環(huán)流差異做詳細的對比分析。

本研究將針對春運這一特殊時段，分析廣東的氣候變化特征，根據(jù)氣溫和降水的時空分布特點，從降水和氣溫的協(xié)同變化入手，利用氣溫和降水的雙重標準，對廣東春運期間氣候異常類型進行分類。在此基礎上，對各類氣候異常類型對應的海溫和大氣環(huán)流異常特征進行對比分析，討論其中的差別，以期為廣東春運的氣候預測提供有益線索，為科學制定防災減災對策提供依據(jù)，更好地為人民的生產(chǎn)和生活服務。

2 資料與方法

基于站點數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性考慮，本文分析資料選取的廣東省86個氣象站1971—2020年的逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，來自于國家信息中心整編的《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)》，已對國家級地面臺站觀測數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量檢測與控制、數(shù)據(jù)核查與更正。大氣環(huán)流采用了NCEP/NCAR 提供的逐日等壓面上全球位勢高度場(hgt)、相對濕度場(shum)、經(jīng)向風場(uwnd)、緯向風場(vwnd)、海平面氣壓場(slp)的再分析資料，水平分辨率為2.5 °×2.5 °。海溫資料為NOAA 提供的逐月全球海表溫度數(shù)據(jù)集(ERSSTv5)，水平分辨率為2 °×2 °。文中所使用到的氣候平均態(tài)為1991—2020年30年均值。為了更真實地反映氣象要素本身的變化，剔除人為因素造成的全球變暖影響，在EOF分析與合成分析前對氣溫、降水、環(huán)流和海溫數(shù)據(jù)進行去除線性趨勢的處理。

春運時間的劃分是以春節(jié)為界，節(jié)前15天，節(jié)后25 天，共計40 天。定義廣東省春運期間極端最低氣溫為：同一年春運時段內(nèi)86 個臺站極端最低氣溫的最小值；低溫日：某站日最低氣溫低于5 ℃記為該站的一個低溫日；降水日：日降水量＞0 mm記為一個降水日。

采用方法有：線性趨勢分析、趨勢系數(shù)計算、經(jīng)驗正交分解(EOF)、合成分析、T檢驗等。選取春運同期的500 hPa 高度場、海平面氣壓場、850 hPa風場和水汽輸送場進行大氣環(huán)流合成分析，考慮海溫影響的滯后性，選取春運前期12 月的海溫距平場進行合成分析，并進行顯著性檢驗[22]。

設一般年份有m年，特殊年份有n年，某氣象要素在這兩個年份中的平均值分別為在假設它們總體平均值無顯著差異的條件下，統(tǒng)計量：

遵從自由度為n+m- 2 的t分布，式中s2為它們差值方差的無偏估計量，即，

3 廣東省春運期間降水和氣溫的氣候特點

3.1 時空變化特征

近50 年春運期間廣東省平均氣溫為14.2 ℃，最冷年為2008 年，平均氣溫僅為10.3 ℃；最暖年為2007 年，平均氣溫可達到17.4 ℃。廣東全省極端最低氣溫最低值為-4.1 ℃(連山站)，出現(xiàn)在2009 年1 月11 日。從時間序列上看，廣東春運期間平均氣溫以0.3 ℃/(10 a)的速率增加(通過0.05顯著性水平檢驗)，極端最低氣溫則呈現(xiàn)出下降趨勢(未通過0.05 顯著性水平檢驗)(圖1)。從空間分布上看(圖2a)，平均氣溫呈現(xiàn)北低南高的分布特征，最暖的是雷州半島，在16 ℃以上，其余地區(qū)介于10～16 ℃之間。廣東省各地平均氣溫都呈現(xiàn)增加趨勢，特別是珠三角和粵東地區(qū)均超過0.4 ℃/(10 a)(通過0.05 顯著性水平檢驗)，這與廣東冬季的增溫趨勢是一致的[23]。與平均氣溫一樣，極端最低氣溫也表現(xiàn)出北低南高的特征，各地介于-4.1～3.7 ℃之間(圖2b)，廣東省大部分地區(qū)都呈現(xiàn)上升趨勢，珠三角和粵東地區(qū)增速超過0.3 ℃/(10 a)(通過0.05 顯著性水平檢驗)，但是部分站點也存在下降的趨勢。在全球變暖背景下，北極以2～3 倍的速率升溫，導致海冰快速融化，快速增溫的北極，縮小了原本從赤道到北極的經(jīng)向溫度梯度，導致西風急流開始不穩(wěn)定，中緯度西風帶波動性加大而引導冷空氣南下[24]。因此，冬季的極寒事件在氣候變暖影響下發(fā)生，導致了部分地區(qū)極端最低氣溫下降。

圖1 1971—2021年廣東省春運期間平均氣溫和極端最低氣溫年際變化

圖2 1971—2020年廣東省春運期間平均氣溫(℃)及其變化趨勢(℃/a) (a)、極端最低氣溫(℃)及其變化趨勢(℃/a)空間分布(b)

春運期間全省平均低溫日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(圖3a)，變化速率為-0.3 d/(10 a) (未通過0.05顯著性水平檢驗)?？臻g上(圖3b)，低溫日數(shù)自北向南逐漸減少，粵北北部地區(qū)低溫日數(shù)在10 d以上，除雷州半島南部有增加趨勢外，其余大部地區(qū)都呈現(xiàn)減少趨勢，珠三角和粵東地區(qū)顯著減少。

廣東省春運期間平均降水量為84.8 mm，平均降水日數(shù)為14.7 天，最大降水量為410.1 mm，出現(xiàn)在1983 年，最小降水量僅為5.5 mm(1977年)。與氣溫的趨勢不同，近50 年來廣東省春運期間降水量和降水日數(shù)都呈現(xiàn)下降趨勢，變化速率分別為-2.4 mm /(10 a)(未通過0.05 顯著性水平檢驗)和-0.8 d/(10 a)(通過0.05 顯著性水平檢驗)(圖4)，這也與廣東冬季降水增加的趨勢不同[25]?？臻g上降水量(圖5a)呈北多南少分布，雷州半島小于50 mm，粵北地區(qū)超過100 mm，僅珠三角和粵西部分地區(qū)呈現(xiàn)降水增多趨勢，其余大部地區(qū)降水為減少趨勢(未通過0.05 顯著性水平檢驗)。降水日數(shù)(圖5b)北部地區(qū)偏多，可達16 d 以上，超過春運時段的40%；全省都呈現(xiàn)減少趨勢，其中粵西北、粵東、粵西沿海減少顯著。

圖5 1971—2021年廣東省春運期間降水量(mm)及其變化趨勢(mm/a)(a)、降水日數(shù)(d)其變化趨勢(d/a)空間分布(b)

3.2 空間模態(tài)特征

為了解近50年廣東春運期間氣溫與降水的空間分布特征，分別對氣溫和降水進行EOF分析，在EOF 分析之前對輸入的氣溫和降水數(shù)據(jù)進行了標準化處理。EOF 分解得到氣溫的前3 個模態(tài)(圖6)，第一模態(tài)方差貢獻率為93.89%，反映了廣東春運期間全省一致冷或暖的分布特征，從時間序列來看，2000年以前主要為年代際變化，2000年以后則以年際變化為主，近幾年處于一致偏暖的氣候背景下。第二模態(tài)占總方差的3.16%，為南冷(暖)北暖(冷)的反位相變化，時間序列上表現(xiàn)出年際變化特征。第三模態(tài)僅占總方差的0.98%，為西冷(暖)東暖(冷)的反位相變化，2005 年以來呈現(xiàn)出準8 a的周期變化。

圖6 1971—2021年廣東省春運期間氣溫EOF分解的3個空間模態(tài)(a、c、e)和對應的時間序列(b、d、f)

廣東春運降水EOF 分解的前3 個模態(tài)方差貢獻率分別為85.42%、4.82%、2.92%。由圖7 可見，與氣溫一樣，降水第一模態(tài)同樣表現(xiàn)出廣東全省一致型變化特征，從時間序列來看，2000年以后降水處于偏少的氣候背景下。第二模態(tài)反映了廣東春運降水西多(少)東少(多)的差異分布，20世紀90年代至21世紀初這段時期以這一特征為主。第三模態(tài)則反映了南多(少)北少(多)的差異分布，近幾年這種分布型出現(xiàn)較多。

圖7 1971—2021年廣東省春運期間降水EOF分解的3個空間模態(tài)(a、c、e)和對應的時間序列(b、d、f)

4 不同降水和氣溫配置型對應的環(huán)流和海溫特征

根據(jù)EOF 分析，廣東春運期間的氣溫和降水變化都以全省一致為最重要的特征，所以在春運氣溫與降水異常分析中可以把廣東作為一個整體進行考慮。另外，氣溫和降水第一特征向量對應的時間系數(shù)與廣東86個氣象站的春運期間平均氣溫和降水量變化的相關系數(shù)都超過了0.99。故以氣溫與降水第一模態(tài)時間序列0.5 倍標準差(0.5σ)的標準劃分出氣溫偏高(偏低)和降水偏多(偏少)的年份，并從中挑選出冷濕、冷干、暖干、暖濕的年份。選取的冷濕年份為：1992、1998、2008、2016年；冷干年份為：1971、1974、1984、1993、2011、2014 年；暖干年份為：1976、1981、1987、1991、1999、2002、2003、2006、2009、2013、2018 年；暖濕年份為：1975 年。共挑選出冷濕(4 年)、冷干(6 年)和暖干(11 年)年份共計21 年，占到全部年份的42%。由于本文從降水和氣溫的協(xié)同變化入手，對“降水異常-氣溫正常”(1972、1977、1978、1980、1982、1983、1985、1989、1990、1997、2017、2020 年)和“氣溫異常-降水正?！?1973、1986、1988、1995、1996、2000、2004、2005、2007、2010、2012、2015、2019 年)的單要素異常年份不做分析。同時，由于暖濕年份只有一年，不具有代表性，故在下文分析中不做討論。

近50 年來，廣東省春運期間出現(xiàn)冷濕的年份共有4 年，約占8%。如圖8 所示，在冷濕年份，海溫場上，前一年12月赤道中東太平洋海溫偏暖，表現(xiàn)出El Ni?o 狀態(tài)，西太平洋暖池海溫偏冷，印度洋海溫偏暖。簡云韜等[26]研究指出在El Ni?o 事件的影響下，后冬冬季風偏強，海洋性大陸及附近地區(qū)的降水量減少，華南的降水量增多。何金海等[27]研究指出冬季暖池偏冷時，在菲律賓海區(qū)域激發(fā)出一個顯著的反氣旋性環(huán)流，有利于南海地區(qū)水汽向我國華南地區(qū)輸送，華南地區(qū)冬季降水顯著偏多。彭京備[28]研究發(fā)現(xiàn)當東印度洋海溫偏高時，局地對流加強，引起南支槽地區(qū)的上升運動加強，南支槽活躍，引起華南和江南的降水偏多。這些研究與本文的結果一致。

圖8 冷濕年前期海溫和同期大氣環(huán)流異常分布

在同期500 hPa 高度場上(圖8b)，歐亞中高緯為經(jīng)向環(huán)流特征，自西向東呈現(xiàn)“+-+-”的遙相關波列，類似于Wallace 等[29]定義的歐亞遙相關型(EU)，劉毓赟等[30]研究指出冬季EU 處于正位相時，華南地區(qū)氣溫偏低，與本文結論一致。東亞中高緯為“北高南低”的異常分布，以蒙古高原為界，以北的高緯度地區(qū)為正異常，以南為負異常，這種環(huán)流形勢有利于冷空氣向南爆發(fā)[31-32]。此外，在東亞中低緯地區(qū)，中國大部為負異常區(qū)，日本以南為正異常區(qū)，呈東西偶極分布。這種“東高西低”的形勢表明西風帶低槽活躍、西太平洋副熱帶高壓偏強偏北，有利于水汽輸送[33]。海平面氣壓場上(圖8c)，西伯利亞高壓異常偏強，冷高壓異常從貝加爾湖地區(qū)向南一直延伸至華南地區(qū)，冷空氣由中、西路頻繁南下入侵，造成廣東氣溫偏低。水汽輸送場上(圖8d)，菲律賓附近呈現(xiàn)出異常反氣旋式環(huán)流，這種異常形勢加強了西南水汽輸送，并從以下兩個方面影響廣東春運降水：一方面有利于更多的水汽從中印半島附近輸送至廣東地區(qū)，從而有利于降水的增加；另一方面由于中印半島大氣溫度高于廣東地區(qū)，這樣的形勢有利于暖平流輸送至廣東，與北方冷空氣交綏，有利于異常上升運動和降水的增多。

廣東省春運期間出現(xiàn)冷干的年份共有6年，占比12%。由圖9 可看出，與冷濕年份相反，前一年12 月全球呈現(xiàn)冷海溫背景，赤道中東太平洋海溫偏冷，表現(xiàn)出La Ni?a狀態(tài)，印度洋海溫偏低，黑潮區(qū)海溫偏低，西太平洋暖池海溫偏暖。伍紅雨等[34]研究指出，華南冬季氣溫對La Ni?a 事件的響應比對El Ni?o 事件顯著，La Ni?a 事件當年華南冬季氣溫偏低。黑潮區(qū)海溫偏低有利于東亞冬季風偏強[35]，我國大部分地區(qū)氣溫偏低[36]，西太暖池海溫偏暖以及東印度洋海溫的偏低則有利于華南地區(qū)降水偏少。

圖9 同圖8，但為冷干年合成分布

在同期的500 hPa 高度場上(圖9b)，歐亞中高緯同樣為經(jīng)向環(huán)流，呈現(xiàn)“兩脊一槽”分布，西歐和鄂霍次克海偏高，東歐-貝加爾湖偏低，這表明西歐脊和東歐槽均加強，有利于歐洲中高緯冷空氣向中國南方傳輸[37]，而東亞東部地區(qū)也表現(xiàn)出“北高南低”特征。海平面氣壓場上(圖9c)，西伯利亞高壓偏強，冷高壓異常由東北向南延伸至華南地區(qū)。這種高低空的環(huán)流配置同樣有利于高緯度冷空氣活躍并向南爆發(fā)，但是冷空氣路徑偏東，強勢冷空氣沿東部沿?？焖傧蚰锨忠u，造成廣東地區(qū)氣溫偏低。受La Ni?a影響，西太平洋副熱帶高壓偏小偏弱，東亞低緯度地區(qū)負異常顯著，這與冷干年“東高西低”的特征明顯不同，可能會影響下層的水汽輸送。在水汽輸送場上(圖9d)，菲律賓附近存在一個異常的氣旋式環(huán)流，這種異常形勢加強了廣東地區(qū)的偏東、偏北氣流，而且不利于南部海面上的暖濕水汽輸送至廣東地區(qū)，使廣東位于水汽輻散區(qū)，水汽條件較差，降水偏少。

廣東省春運期間出現(xiàn)暖干的年份共有11 年，約占22%。由圖10可見，在暖干年份，前期全球海溫整體趨于正常，赤道中東太平洋表現(xiàn)出弱的冷水狀態(tài)，鄂霍次克海海溫偏低，熱帶印度洋偶極子負位相。同期500 hPa高度場上，中高緯以緯向環(huán)流為主，東亞上空呈現(xiàn)出北低南高的特征，東亞大槽偏弱，不利于冷空氣南下入侵我國[38]，廣東上空受到正高度距平控制，西太平洋副熱帶高壓接近常年略偏強。海平面氣壓場上，西伯利亞高壓偏弱，冷空氣不活躍，廣東地區(qū)地面氣壓偏低，冷空氣偏弱。而在水汽場上，廣東上空受反氣旋式環(huán)流控制，輻散下沉，溫高雨少。

圖10 同圖8，但為暖干年合成分布

綜上所述，將廣東春運期間冷干、冷濕、暖干3種不同類型對應的前期海溫和同期環(huán)流特征進行匯總，得到表1。通過對21 個異常年的海溫和大氣環(huán)流進行回看檢查：大多數(shù)海溫和環(huán)流信號都有70%以上的一致率；冷濕年海溫和環(huán)流信號最顯著；中高緯環(huán)流信號比低緯度更顯著，這可能是由于春運期間冷空氣主要受中高緯系統(tǒng)影響導致的。

表1 廣東春運期間不同氣溫降水配置對應的海溫和環(huán)流特征

5 結論和討論

通過對近50年廣東省春運期間氣溫和降水的變化特征進行分析，從氣溫降水協(xié)同變化的角度切入劃分出冷干、冷濕、暖干3種氣候異常類型，分析了ENSO、印度洋海溫、西太暖池海溫、西太平洋副熱帶高壓、西伯利亞高壓、菲律賓反氣旋等海溫和環(huán)流因子對3種氣候異常類型影響，得出以下結論。

(1) 近50 年來，廣東省春運期間平均氣溫為14.2 ℃，呈現(xiàn)顯著上升趨勢，上升速率為0.3 ℃/(10 a)。珠三角和粵東地區(qū)平均氣溫和極端最低氣溫顯著上升，低溫日數(shù)顯著減少。

(2) 春運期間廣東省多年平均降水量為84.8 mm。全省平均降水日數(shù)為14.7 天，呈現(xiàn)顯著下降趨勢，變率可達-0.8 d /(10 a)。各地降水日數(shù)都呈現(xiàn)減少趨勢，粵西北、粵東、粵西沿海減少顯著。

(3) 對1971—2020 年廣東省春運期間平均氣溫和降水量進行EOF 分解，第一模態(tài)方差貢獻率分別為93.89%和85.42%，說明全省一致型為廣東春運期間氣溫和降水最重要的特征，可把廣東作為一個整體進行研究。根據(jù)氣溫與降水第一模態(tài)時間序列0.5 倍標準差，挑選出氣溫和降水協(xié)同變化的異常年份(冷干(6 年)、冷濕(4 年)和暖干(11年))共21年，占到全部年份的42%。

(4) 冷濕年份和冷干年份，歐亞中高緯都表現(xiàn)出經(jīng)向環(huán)流特征，東亞地區(qū)高度場“北高南低”，西伯利亞高壓偏強，有利于冷空氣活躍南下。不同的是，冷濕年東亞西部地區(qū)“北高南低”，低緯度地區(qū)“東高西低”，對應的冷空氣路徑為中、西路，有利于水汽輸送；而冷干年東亞東部地區(qū)“北高南低”，低緯度地區(qū)一致偏低，對應的冷空氣路徑偏東，不利于水汽輸送。另外，冷濕年前一年12月赤道中東太平洋偏暖，呈現(xiàn)El Ni?o 狀態(tài)，受其影響西太平洋副熱帶高壓偏大偏強，西太暖池偏冷，在菲律賓海區(qū)域激發(fā)出一個顯著的反氣旋性環(huán)流，有利于西南水汽輸送到廣東地區(qū)，降水偏多；而冷干年則相反。

(5) 暖干年份，東亞中高緯表現(xiàn)出北低南高的緯向環(huán)流分布，東亞大槽和西伯利亞高壓偏弱，不利于冷空氣的生成和南下，廣東上空為正高度距平控制，氣溫偏高。同時，暖干年赤道中東太平洋海溫呈現(xiàn)中性偏冷狀態(tài)，廣東上空受反氣旋式環(huán)流控制，輻散下沉，溫高雨少。

本文從氣溫和降水的協(xié)同變化入手，系統(tǒng)地分析了廣東春運期間不同降水氣溫配置對應的海溫和環(huán)流特征，但是由于篇幅有限，對于一些可能影響冬季氣候異常的外強迫因子(如海冰、積雪、太陽活動、火山活動等)未做具體分析，下一步將另文分析。