發布時間：2021-03-06所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為探討前期(春夏秋)太平洋海溫對中國冬季氣溫在年際和年代際時間尺度上的可能影響。利用EOF分析等方法，對1951-2017年太平洋月平均海溫和中國160個測站的冬季月平均氣溫進行分析。結果發現:EOF分析的第一模態表現出明顯的年代際變化，1985年后除云南、
摘要:為探討前期(春夏秋)太平洋海溫對中國冬季氣溫在年際和年代際時間尺度上的可能影響。利用EOF分析等方法，對1951-2017年太平洋月平均海溫和中國160個測站的冬季月平均氣溫進行分析。結果發現:EOF分析的第一模態表現出明顯的年代際變化，1985年后除云南、青藏高原和華南沿海外，全國冬季氣溫偏高;第二模態呈現的是從西南到東北“-+-”的以準5a為周期的年際變化;第三模態反映的是從西南向東北呈現“-+-”分布的年代際變化。前期春、夏、秋季西太平洋(0°N～20°N，125°E～150°E)和東太平洋(7°N～14°N，126°W～150°W)海溫能較好預測中國冬季氣溫，西太平洋春、夏、秋季海溫與中國冬季氣溫的相關系數(0.77、0.80和0.73)比東太平洋(0.35、0.48、0.53)大，說明西太平洋海溫對中國冬季氣溫的影響更為重要。
關鍵詞:氣象學;氣候變化;冬季氣溫;時空分布特征;太平洋海溫;相關
0引言
氣候變暖是當今氣候變化的一個熱點問題，是人類社會目前面臨的最緊迫和主要的挑戰，中國氣溫變化和全球氣候變化的大背景保持一致，呈現出明顯增暖的趨勢[1]。但是在整體氣溫增暖的大背景下，中國也出現了年際的冷冬異常[2]。2008年，中國經歷了一次大范圍的嚴重低溫災害，全國1月的平均氣溫為1986年來的最低值，僅有-6.6℃，江蘇、湖南和江西等地區的積雪深度為近50a來的極大值，冰凍日數持續半月有余[3]。冬季異常低溫，特別是冰凍暴雪天氣的出現，給農業生產和人們生活帶來不利影響，給社會經濟帶來重大損失。
海洋由于其幾何和物理學的特性而對大氣環流、天氣氣候變化的影響越來越為人們所重視，海溫異常與地面氣溫異常有關，赤道東太平洋的海溫信號對全球范圍的氣候異常有明顯影響[4]。李勇等[5]在年際和年代際尺度上分析了影響中國冬季溫度的氣候因子得出，西太平洋遙相關型對溫度有顯著影響。梁蘇潔等[6]指出中國地處亞洲大陸和北太平洋的交界處，太平洋地區的海溫變化與中國冬季氣溫有密切聯系。陳少勇等[7]發現西北太平洋海溫升高，導致中國東部大部分地區冬季氣溫偏高。
以往的研究發現，氣溫異常往往能從前期海溫的變化尋找到響應信號，且發現一些關鍵區域的海溫與中國冬季氣溫異常有很好的相關關系，對預測冬季氣溫也有一定的前兆意義[8-12]。氣溫變化原因很復雜，不同地區溫度變化有著不一樣的影響因素。在此基礎上在更大的時間長度上研究中國冬季氣溫的年際變化特征，并著重分析太平洋海表溫度和中國冬季氣溫的關系，希望對兩者之間的關系能有一個更加深入的認識和了解，對冬季氣溫預測提供思路，也為防災減災工作提供理論依據。
1資料與研究方法
所采用的中國氣溫資料為中國氣象局國家氣候中心提供的160個測站的1951-2018年逐月氣溫，選取當年12月與次年1、2月氣溫的平均值作為當年的冬季平均氣溫，研究所選的時間段為1951-2017年。太平洋海溫資料來自https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.noaa.ersst.v5.html。分別選取當年3、4、5月的平均海溫、當年6、7、8月的平均海溫、當年9、10、11月的平均海溫、當年12月與次年1、2月的平均海溫作為當年春季、夏季、秋季和冬季海溫。用M-K檢驗分析中國冬季氣溫的突變情況，用EOF方法分析冬季氣溫的主要模態類型以及時間變化特征，用相關分析法研究中國冬季氣溫和海溫之間的聯系。
2中國冬季氣溫時空分布特征
2.1中國冬季氣溫趨勢分析
由圖1(a)可見，中國冬季氣溫的年際變化非常明顯，年代際的差異也很大。從整體線性趨勢看，氣溫呈上升趨勢，氣候傾向率為0.30℃·(10a)-1，顯著性為0.474，可通過99%的顯著性檢驗，說明中國冬季增溫的趨勢顯著。1986年前冬季氣溫的平均值整體在-0.5℃左右浮動，而1986年后冬季氣溫整體上升，20世紀90年代氣溫的變化幅度很小，進入21世紀，冬季氣溫變幅迅速增大，有更多的極端暖冬和冷冬出現，此時氣溫均值上升，基本在0.5℃左右浮動，同時9年滑動平均值也呈現出相同變化。1999年、2002年和2007年為3個冬季極端暖年，冬季平均氣溫分別為1.798℃、2.006℃和2.427℃。2006年后冬季氣溫的9年滑動平均值開始下降，2009年和2011年為兩個低溫年，之后冬季氣溫又迅速增加。同時結合中國冬季氣溫的M-K突變檢驗(圖1b)，可知在20世紀80年代后期和90年代前期，中國冬季氣溫發生突變，由冷冬向暖冬轉變。
分別對160個站點冬季氣溫的氣候傾向率進行插值，得到了冬季氣溫變化的空間分布趨勢圖(圖1c)。發現除貴陽外，冬季氣溫均呈上升趨勢，在內蒙古中部和新疆北部增溫趨勢達到最大，分別為0.6℃·(10a)-1和0.7℃·(10a)-1。以濟寧、鄭州、西安和蘭州為界限，在其北方增溫趨勢較大，普遍大于全國平均的增溫水平;而在這條分界線的南方，冬季增溫趨勢不明顯。
2.2中國冬季氣溫的主要模態
為了對1951年以來冬季平均氣溫的模態做直觀分析，對冬季氣溫距平值做EOF分析[4]，得到了冬季氣溫的前3個主要分布形式，前3個模態的方差貢獻率分別為58.6%、12.9%和7.9%(圖2)，累計方差貢獻率達到79.4%，因此認為這3種氣溫型基本反映了冬季氣溫的分布形勢。
第一模態(EOF1)為除云南、青藏高原和華南沿海外全國大部分地區一致型(圖2a)，這是冬季氣溫的主要分布形勢，方差貢獻率為58.6%，說明該信號相當突出。該型主要表現為大部分地區一致偏暖的特征，除云南、青藏高原和華南沿海外，全國冬季氣溫均偏高，偏暖中心主要位于新疆北部以及山西地區。當冬季氣溫發生變化時，全國氣溫要么一致偏高，要么一致偏低。由該特征向量的時間序列(PC1)變化曲線可以看出，該型表現出明顯的增長趨勢，同時又有階段性的特點(圖2b)。1951-1985年時間系數基本上為負位相，僅1978年和1982年為較明顯的正位相，因此，在這段時間內除云南、青藏高原和華南沿海外其他大部分地區的冬季氣溫整體呈現偏低的特征，其中以1969年為最。這一趨勢也與鐘珊珊等[13]已有研究指出的20世紀60年代初至90年代前期，冬季暖日頻次偏少較為一致。1985年后時間系數由負向正值轉變，冬季氣溫出現明顯的增暖趨勢。在1985-2000年大部分地區冬季氣溫均偏高，進入21世紀，冬季氣溫出現3～5a的周期變化，暖冬出現次數減少，但是暖冬程度加深，不同年份之間冷暖差異加大。綜上冬季氣溫在年代際上云南、青藏高原和華南沿海降低，在其他地區普遍增溫，且在新疆北部、華中地區增溫最為顯著。由下文分析可知，中國冬季氣溫的普遍增暖現象和太平洋海溫的升高相一致。
相關知識推薦：氣象工程師需要發表什么文章
第二模態(EOF2)中，中國冬季氣溫呈現從西南到東北的“-+-”分布型，在西藏中南部、青海為負值區域，以及以內蒙古中部經山西河南到山東為分界線，在分界線的東北方為負值中心，另外新疆北部出現了部分負值區域;在其他地方則為明顯的正值區域(圖2c)。該空間型占總方差的12.9%，從對應的時間序列(PC2)可以看出，該型主要以年際變化為主，中國冬季氣溫呈現準5a的周期變化，“-+-”和“+-+”空間型交替出現(圖2d)。1998年后，只有2008年和2015年為較強的負位相，其他年份均為正位相占優勢地位，說明21世紀以來，中國從西北到東南大部分冬季氣溫普遍偏高，而東北地區、西藏中南部、青海則較常年偏冷。
第三模態(EOF3)的空間分布形態為從西南到東北的“+-+”分布型(圖2e)，該空間形態和EOF2相似，差別主要體現在時間序列上，主要反映年代際的變化特征(圖2f)。在西藏東部、青海南部和云南地區為氣溫距平最大正值中心，以內蒙古中部經山西、河南到山東一帶為界限的東北地區為次大正值中心，其他地區為負值區域。EOF3對應的時間序列(PC3)(圖2f)與EOF1對應的時間序列(PC1)(圖2b)有相似之處，除了1954年、1959年、1972年、1974年、1983年這幾個特殊年份外，20世紀90年代前幾乎全為負位相，在90年代后期是該空間型發生轉變的具體時期，1992年前，中國冬季氣溫整體從西南向東北呈現“-+-”分布，之后為“+-+”分布型。
3中國冬季氣溫和太平洋海溫的關系
3.1中國冬季氣溫和北太平洋海溫的時滯及同期相關關系
大氣對海溫變化的反映有一定的滯后性，考慮到不同區域、不同季節的海溫對中國冬季氣溫影響的可能性不同，為了研究中國冬季氣溫與北太平洋海溫的時滯和同期的相關關系，將綜合分析前期春季、前期夏季、前期秋季和同期冬季北太平洋海溫與中國冬季氣溫的相關。
從中國冬季氣溫與前期春季太平洋海溫的相關分析可以看出(圖3a)，赤道西太平洋、赤道東太平洋、北美大陸西側以及東亞東南側的太平洋春季海溫和中國冬季氣溫的正相關性均通過99%的顯著性檢驗，即當這些區域海溫偏高時，中國冬季氣溫也將偏高。而在北太平洋的中心地區為較大區域的負相關，相關性可通過95%的顯著性檢驗。在中國冬季氣溫與前期夏季太平洋海溫的相關中可以發現(圖3b)，西太平洋的顯著相關區域與春季的相關相比有較為明顯的南退東伸，原本位于170°W～150°W通過95%顯著性檢驗的海區相關性加強，但是東太平洋以及北太平洋的正相關區域顯著減小，中太平洋通過顯著性檢驗的負相關區域完全消失。中國冬季氣溫與前期秋季太平洋海溫的相關中(圖3b)，西太平洋的相關區域北伸到40°N，而赤道中太平洋的相關性減弱，相關區域減小，中太平洋的負相關區域幾乎全部消失，秋季太平洋海溫和中國冬季氣溫呈現一致的正相關。在中國冬季氣溫與同期冬季太平洋海溫的相關分析中(圖3d)，北太平洋出現大范圍顯著相關區域，赤道西太平洋以及赤道東太平洋原本顯著正相關區域范圍變小，中太平洋的負相關區域則重新出現。由此可見，前期海溫的變化對中國冬季氣溫存在明顯的影響作用，并且由于同期冬季海溫不能作為中國冬季氣溫的預報因子，因此將前期春季、前期夏季和前期秋季太平洋海溫與中國冬季氣溫的相關關系作為重點研究的對象。
根據前文分析，中國冬季氣溫與北太平洋海溫的相關關系主要以正相關為主。從前期春季到前期夏季，赤道太平洋通過99%顯著性檢驗的正相關區域擴大;從前期夏季到前期秋季，赤道太平洋通過99%顯著性檢驗的正相關區域迅速減小。這與陳佩燕等[4]指出的不同的海區與中國溫度存在不同的相關性，中國冬季氣溫與赤道中東太平洋海溫有正的相關關系相一致。
綜上所述，分別選擇前期春季、前期夏季、前期秋季作為研究的關鍵季節。為了綜合考慮以上3個關鍵季節的海溫對中國冬季氣溫的影響，選取3個季節均通過顯著性檢驗的海區作為關鍵區域，將(0°N～20°N，125°E～150°E)作為西太平洋海溫關鍵區，將(7°N～14°N，126°W～150°W)作為東太平洋海溫關鍵區。3.2關鍵區海溫與中國冬季氣溫的相關關系為更好地了解關鍵海區不同季節的海溫對中國冬季氣溫空間分布上的可能影響，分別對兩個關鍵海區的海溫進行區域平均，然后將其作為各自的海溫指數。為進一步分析關鍵海區海溫指數與中國冬季氣溫的時滯相關關系，利用關鍵海區各自的前期春季、前期夏季及前期秋季的海溫指數與中國冬季氣溫計算相關系數，研究關鍵海區海溫指數與中國冬季氣溫的時滯相關性。——論文作者：李歡歡，鞏遠發
SCISSCIAHCI
