作为对全球气候变暖较为敏感的季节, 冬季气候的显著变暖给自然生态系统和社会经济带来的影响越演越烈。冬季温度偏高使得越冬害虫的存活率上升, 给农业生产等带来的不利影响逐渐加深(张润杰和何新凤, 1997); 冬季温度偏低使工农业生产和人民的出行生活同样受到了显著的影响(郑景云等, 2014)。冬季极端气温事件愈发频繁, 全世界范围内由于受冬季极端事件的死亡人数和经济损失逐渐增加。例如, 发生在中国的2008年1月的极端气温事件, 造成了中国南方低温、雨雪和冰冻等灾害, 突破了半个世纪以来南方最大连续低温日数和最大连续冰冻日数等极值, 造成了上千亿元的经济损失(郝志新等, 2011)。同样在2016年1月我国南方骤降大雪, 使得广东省局部地区的最低气温突破了历史极值。因此, 针对冷暖冬气候特征的诊断、成因分析及其对多方面带来的影响已成为近年来科学界和政府部门关注的焦点之一(丁一汇和任国玉, 2008)。

贵州地处云贵高原东部, 地貌以高原山地居多, 地势呈西高东低分布, 地形复杂。境内属亚热带湿润季风气候, 四季分明, 雨季明显(吴俊铭等, 2003)。受大气环流及地形等诸多因素的影响, 贵州气候呈多样性, 灾害性天气较多, 例如干旱、冰雹、秋风及冻雨等对农业生产有较大的影响。在冬季, 冷暖空气频繁交绥, 云贵静止锋活跃, 常常导致贵州的异常冷暖冬事件频发(陈静, 2000; 罗喜平, 2003; 唐红忠, 2012)。

由于近年来贵州冬季低温雨雪及干旱事件频发, 其成因亦受到国内外气象学者的关注。张昕等(2015)利用数值模拟研究了贵州冻雨的发生机制。李登文等(2009)研究发现, 强逆温层结构是贵州冻雨天气的典型垂直特征。冬季准静止锋位于贵州的日数与西太平洋副热带高压面积和南支槽呈正相关关系(张精华等, 2016)。在年际尺度上当西伯利亚高压加强扩张并东扩南伸时, 强度的影响最大, 中国南方常表现为冷冬(蓝柳茹和李栋梁, 2016)。青藏高原冬季风的强弱与西南地区气温有密切的关系(王颖等, 2015)。乌拉尔山阻塞高压的异常活跃, 有利于冷空气的频繁南下, 是2011年1月贵州冻雨天气持续的重要原因(李丽丽等, 2014); 2008年中国南方地区持续的低温雨雪冰冻灾害同样发生在欧亚中高纬地区环流异常的背景之下(丁一汇等, 2008); 西北太平洋副热带高压的面积指数和强度指数在贵州冬季气温的异常冷暖年份存在显著差异(吉庭艳和林易, 1997)。尽管有研究表明, 赤道中东太平洋海温异常的厄尔尼诺型和赤道大西洋海温异常“正-负-正”的三极型模态有利于中纬度西风带增强, 促使西南地区较常年更暖(吴燕珠, 2011)。但NAM(北半球环状模)和ENSO与西南地区气温之间并不存在直接的联系, 反而其对西南地区降水的影响更为显著(蒋兴文和李跃清, 2010)。

就冬季而言, 其气候变化趋势究竟如何, 尤其是对人民生活影响较大的冬季气温变化趋势如何, 是备受关注的气象问题。因此, 本文将利用1962-2014年共53年的贵州39个站冬季气温资料, 对贵州冬季气温的时空特征进行分析, 确定冬季异常冷、暖年份, 并就贵州冬季气温的变化趋势及其与北半球500 hPa高度场和前期海温的关系加以研究, 进而探讨贵州冬季气温异常的可能成因。

使用的资料有: (1) NCEP/NCAR提供的1962-2014年500 hPa位势高度月平均资料, 分辨率为2.5°×2.5°; (2) NOAA重构的1962-2014年月平均海温资料, 分辨率为2.0°×2.0°; (3) 贵州境内85个国家基准气象站观测资料, 对因气象台站迁移引起的资料变化进行了筛选和均一化处理, 且确保各站资料序列完整性, 最终选定39个站(见图 1)的冬季气温作为研究对象。文中的冬季定义为当年12月至翌年2月, 如1962年冬季表示1962年12月至1963年2月。

图 1(Figure 1)

图 1 贵州省39个气象站点分布 Figure 1 Distribution of 39 meteorological stations in Guizhou

采用的研究方法主要有线性趋势分析(施能, 2004)、M-K(曼-肯德尔)分析(Libiseller and Grim, 2002)、Morlet小波分析(林振山和邓自旺, 1999)、EOF(经验正交函数分解)分析、合成分析和统计t检验等。

利用EOF分析对贵州39个站1962-2014年冬季平均气温的距平场进行展开(图略), 结果表明:第一特征向量场在全省均呈现一致性的正值, 但由东北向西南逐渐递增, 特征向量数值在0.10~0.20, 该模态方差贡献为92.43 %, 收敛速度较快, 表明了贵州冬季平均气温的变化具有同步性, 即全省为一致的偏冷趋势或偏暖趋势。再将对应的第一主成分序列与全省冬季平均气温进行相关统计, 其相关系数为0.9998(通过信度α=0.001的显著性检验), 故本文直接运用冬季平均气温进行分析。

图 2为贵州省近53年冬季平均气温的空间分布, 总体来说, 冬季各站点平均气温为3.0~11.3 ℃, 全省冬季多年平均气温为6.3 ℃。具体而言, 贵州省冬季平均气温分布从西北向东、向南逐渐升高, 冬季气温在8.0 ℃以上的区域主要集中分布在省的南部边缘, 其中望谟达11.3 ℃, 而西北部大部冬季气温低于5.5 ℃, 省内其余地区冬季平均气温介于5.5~8.0 ℃之间。

图 2(Figure 2)

图 2 近53年贵州省冬季多年平均气温分布(单位: ℃) Figure 2 Distribution of winter average temperature for recent 53 years in Guizhou. Unit: ℃

由图 3可见, 贵州近53年冬季平均气温呈上升趋势, 其趋势系数为0.2338 ℃·(10a)^-1, 通过了信度α=0.1的显著性检验, 表明在平均状态下, 近年来贵州省冬季气温异常偏高的出现概率较大。结合中华人民共和国国家标准《暖冬等级》的定义(中国国家标准化管理委员会, 2008), 贵州地区暖(冷)冬站点数超过50 %的年份即为暖(冷)冬年, 由此判别统计得出贵州省暖冬年有15个(1965, 1972, 1977, 1978, 1986, 1992, 1998, 2000, 2001, 2002, 2006, 2008, 2009, 2012和2014年), 冷冬年有19个(1962, 1963, 1966, 1967, 1971, 1973, 1975, 1976, 1982, 1983, 1984, 1985, 1987, 1995, 1999, 2004, 2007, 2010和2011年), 其余19年为正常年份。

图 3(Figure 3)

图 3 1962-2014年贵州省冬季平均气温的变化趋势 Figure 3 The trend of winter average temperature in Guizhou from 1962 to 2014

图 4给出了运用Mann-Kendall(M-K)方法检验的贵州冬季平均气温的突变特征。由图中UF曲线可见, 20世纪60-80年代中期, 冬季气温波动大, 之后呈现出明显的上升趋势, 尤其是本世纪初开始, 这种趋势超过信度α=0.05显著性水平的临界线, 表明冬季增温趋势显著。根据UF和UB曲线交点位置, 表明1988年附近是贵州冬季气温的突变点, 即1988年前后贵州冬季气温存在由低变高的突变转折, 这与前人指出的中国冬季气温在20世纪80年代发生了一次由冷到暖的突变结果相一致(李怡, 2013; 惠素敏, 2015)。结合图 3, 突变前暖冬年占5/27, 冷冬年占13/27;而突变后暖冬年占10/26, 冷冬年占6/26, 表明贵州冬季气温突变前, 冷冬明显; 突变后, 暖冬明显。

图 4(Figure 4)

图 4 贵州冬季气温的曼-肯德尔统计量曲线直线为信度α=0. 05显著性水平临界值 Figure 4 Mann-Kendall statistic curve of winter temperatures in Guizhou. Straight line is the critical value of α=0. 05 significant level

贵州冬季气温序列的Morlet小波分析图谱(图 5a)显示, 贵州冬季气温存在多个尺度的周期变化, 其中在3~5, 6~8, 11~14和26~29年的时间尺度上振荡信号最为明显。上世纪80年代中后期之前, 气温以6~8年为主; 之后则以3~6年和9~14年的振荡周期为主。从更大尺度上来看, 整个时间域上还有准12年和准27年的振荡周期。为判断各序列的主要周期, 对冬季气温起主要作用的振荡周期进行小波方差检验(图 5b), 可见在1962-2014年整个时间域内, 贵州冬季气温变化以准7, 12和27年的振动周期为主。通过小波分析的能量图(图略)可知, 7年是贵州冬季气温振荡的主周期, 12年和27年是次周期, 其中27年周期在有限时间域上为虚假周期, 表明贵州冬季气温年际振荡特征非常明显。

图 5(Figure 5)

图 5 1962-2014年贵州省冬季气温的Morlet小波实部图谱(a)和小波方差分布(b) Figure 5 The real part of Morlet wavelet (a) and the wavelet variance distribution (b) of winter temperature in Guizhou from 1962 to 2014

为分析冬季气温的空间变化趋势, 给出了贵州冬季及其对应月份的气温趋势系数的空间分布(图 6)。由图 6a可见, 全省冬季平均气温呈上升趋势, 其中在省的东北部和西南部局部最为显著, 遵义市大部、铜仁市大部、黔东南州局部和黔西南东南部的冬季气温趋势系数达到0.27 ℃·(10a)^-1, 全省39个站中有11个站点通过信度α=0.05的显著性检验, 其中有3个站通过了信度α=0.01的显著性检验。对冬季各月气温趋势进行分析可知, 近53年贵州西北部和省的局部12月气温变化呈微弱的下降趋势, 其余区域呈微弱的上升趋势, 各站点趋势均不显著(图 6b); 1月气温变化除省的西南部和省的东北大部呈小幅上升趋势外, 其它区域呈小幅下降趋势, 各站均不显著(图 6c); 2月气温整体呈明显上升趋势, 除零星几个站点外均通过信度α=0.05的显著性检验(图 6d)。进一步对近53年历年全省平均冬季气温与对应的12月、1月及2月的平均气温进行相关计算, 其相关系数值分别为0.40, 0.65和0.82。通过对冬季和各月气温的综合分析, 贵州近53年冬季平均气温的变化与2月气温趋势变化最为相似, 表明贵州后冬特征更明显。

图 6(Figure 6)

图 6 近53年贵州省冬季及其对应月份的气温趋势系数分布 (a)冬季, (b) 12月, (c) 1月, (d) 2月 Figure 6 The temperature trend coefficient distribution in winter and its corresponding months in Guizhou for recent 53 years. (a) The winter, (b) December, (c) January, (d) February

众所周知, 大气环流是气温异常最直接的影响因子, 而海温亦能通过海气相互作用影响气温的异常分布。为此, 下文从大气环流(主要关注北半球500 hPa位势高度)和海温两个方面对贵州冬季气温异常的成因进行分析, 进而探寻对贵州冬季气温异常起主要作用的关键系统。

通过对贵州近53年的冬季平均气温与同期北半球500 hPa位势高度进行相关分析(图 7)可知, 贵州冬季平均气温与同期北半球中西伯利亚地区(60°E-120°E)、北美-加拿大西部地区(120°W- 150°W)、格陵兰地区(0°-50°W)的500 hPa位势高度存在负相关关系, 其余地区存在正相关关系, 尤其是在亚洲地区和西半球热带地区(0°-100°W), 正相关关系最为显著。

图 7(Figure 7)

图 7 贵州冬季气温与同期北半球500 hPa位势高度的相关系数分布 Figure 7 The correlation coefficient distribution between winter temperature in Guizhou and 500 hPa potential height in the northern hemisphere during the same period

由贵州异常暖、冷冬年对应的500 hPa位势高度距平合成及差值的统计t检验分布(图 8)可见, 对于贵州的异常暖冬年(图 8a), 格陵兰、北美和中太平洋地区的高度场呈正距平, 其中格陵兰和北美地区正距平比较显著, 对应格陵兰高压和北美冷高压系统; 其余地区均为负距平, 在西欧-北大西洋和中西伯利亚地区负距平较为显著。而欧亚大陆的位势高度距平呈现为经向的“正-负-正”三极子模态分布, 东亚大槽太弱(显著负距平位于中西伯利亚地区, 其南北为正距平位势高度), 西北冷空气不强, 导致贵州冬季的气温偏高, 形成贵州异常暖冬年。贵州异常冷冬年的环流形势分布与贵州异常暖冬年则基本相反(图 8b), 在西-中西伯利亚地区、西欧-北大西洋和北美高度场表现为明显的正距平, 以西-中西伯利亚地区最为显著, 对应乌拉尔山高压脊; 其余地区均为负距平, 中心位于我国河套以北至西北太平洋上空, 其中在东半球, 位势高度距平从西到东、从北到南都表现出“负-正-负”的分布形势, 有利于高压脊发展, 极涡南压, 东亚大槽加深, 西北冷空气沿着异常的乌拉尔山高压脊前大肆侵入中国, 导致贵州冬季的气温偏低, 形成贵州异常冷冬年。

图 8(Figure 8)

图 8 贵州异常暖冬(a)、冷冬(b)年500 hPa位势高度距平合成场(单位: dagpm)及差值t检验分布(c) Figure 8 The 500 hPa geopotential height anomaly composite field in anomalous warm winter (a), anomalous cold winter (b) in Guizhou (unit: dagpm) and their difference t-test distribution(c)

贵州异常暖、冷冬年500 hPa位势高度距平的分布具有较大的差异, 为了描述这一差异的显著区域, 对贵州异常暖冬年与冷冬年的500 hPa位势高度距平进行差值t检验(图 8c)可以看出, 在贵州异常暖、冷冬年, 在北大西洋、西伯利亚地区、我国河套以西和西北太平洋地区的500 hPa位势高度形势存在显著的差异。由此可知, 贵州异常暖、冷冬年与同期的北半球中高纬环流形势异常有着密切的联系, 主要关注同期北半球东亚大槽、乌拉尔山高压脊和极涡的发生发展对贵州气温的影响。

过去的研究表明, 海温通过海气相互作用影响大气环流影响气温的异常分布, 但海温对大气环流的影响有一定的滞后作用(曹艳艳等, 2007; 严历等, 2008; 王咏梅等, 2011)。因此, 下文将对贵州冬季异常冷暖年的前期海温场加以分析, 寻找前期海温影响关键区及影响时段。由贵州冬季平均气温与前期秋季全球海温的相关分布(图 9)可知, 东北太平洋、赤道东太平洋、印度尼西亚和南半球副热带地区的中印度洋等区域的海温与贵州冬季气温呈显著正相关关系, 而夏威夷群岛、东澳大利亚海域和东印度洋的海温与贵州冬季气温呈显著负相关关系。

图 9(Figure 9)

图 9 前期秋季全球海温与贵州冬季气温的相关系数场 Figure 9 The correlation coefficient between winter temperature in Guizhou and the global sea surface temperature in earlier stage

进一步将贵州异常冷、暖冬年对应前期秋季全球海温合成和差值t检验进行分析。从异常暖冬年前期秋季全球海温距平合成(图 10a)分析得出, 南半球副热带地区的中印度洋、琉璃群岛、西北太平洋、东北太平洋以及夏威夷群岛东南侧海域等区域的海温为正距平, 南半球热带地区印度洋、中太平洋等区域的海温为负距平, 其中在印度洋和北太平洋地区的海温距平最为显著。异常暖冬年前期秋季, 赤道东太平洋的海温为正距平, 造成Hadley环流减弱, 减少了高层角动量向北的输送, 削弱了经向气压的输送, 有较弱的西风分量, 导致东亚冬季风减弱, 与之相联系的冷空气活动随之减少, 从而使贵州冬季气温偏高, 出现暖冬。而异常冷冬年前期秋季全球海温距平分布(图 10b)除中太平洋外与异常暖冬年的分布基本相反, 正距平中心集中在北半球中东太平洋、南半球热带地区印度洋和澳大利亚西南海域, 负距平中心主要集中在南半球副热带中印度洋、澳大利亚北部海域和东北太平洋地区, 其中北半球中东太平洋、东北太平洋海温距平较为显著。异常冷冬年, 亚洲冬季风增强, 影响我国西南地区的冷空气活动频繁, 造成贵州气温下降, 出现冷冬。差值t检验图(图 10c)中, 印度洋和东北太平洋等海区的海温距平通过信度α=0.05的显著性检验, 说明这两个海区的海温可能与贵州冬季气温的冷暖趋势关系较密切。

图 10(Figure 10)

图 10 贵州异常暖(a)、冷(b)冬年的秋季全球海表温度距平合成场(单位: ℃)及差值t检验结果分布(c) 红色方框表示显著区域 Figure 10 The global sea surface temperature anomaly synthetic field in earlier stage in anomalous warm winter years (a) and anomalous cold winter years (b) in Guizhou (unit: ℃) and their difference t-test distribution (c). The red square frame represents the significant area

本文对贵州冬季气温的时空特征进行了分析, 并探讨了它与500 hPa位势高度场以及前期秋季海温场的关系, 得出如下结论:

(1) 贵州冬季多年平均气温约为6.3 ℃, 各站点气温在3.0~11.3 ℃, 其中8.0 ℃以上的区域主要集中分布在省的南部边缘, 而省西北大部低于5.5 ℃。贵州冬季平均气温整体呈上升趋势, 在省的东北部和西南部局部最为显著, 且冬季气温变化与2月气温趋势变化最为相似。贵州冬季气温以准7和准12年的振荡周期为主, 其中7年是贵州冬季气温振荡的主周期, 表明贵州冬季气温年际振荡特征非常明显。

(2) 贵州冬季气温突变于1988年, 突变前贵州冷冬明显, 突变后暖冬明显。近53年, 暖冬年为15年(异常暖3年, 即1978, 1986和2008年), 冷冬年为19年(异常冷8年, 即1963, 1966, 1967, 1976, 1982, 1983, 2007和2011年), 正常年为19年。

(3) 贵州冬季平均气温与同期北半球中西伯利亚地区、北美-加拿大西部地区以及格陵兰地区的500 hPa位势高度场存在负相关关系。贵州异常暖冬年, 格陵兰、北美和中太平洋地区的高度场呈正距平, 其余地区均为负距平, 欧亚大陆的位势高度距平呈现为经向的“正-负-正”分布。贵州异常冷冬年, 在西-中西伯利亚地区、西欧-北大西洋和北美高度场表现为明显的正距平, 其余地区均为负距平, 在东半球, 位势高度距平从西到东、从北到南都表现出“负-正-负”的分布形势。且在异常暖、冷冬年, 位势高度形势在北大西洋、西伯利亚地区、我国河套以西和西北太平洋地区存在显著的差异。

(4) 东北太平洋、赤道东太平洋、印度尼西亚和南半球副热带地区的中印度洋等区域的海温与贵州冬季气温呈显著正相关关系, 而夏威夷群岛、东澳大利亚海域和东印度洋的海温与贵州冬季气温呈显著负相关关系。在异常暖冬年前期秋季, 南半球副热带地区的中印度洋、琉璃群岛、西北太平洋、东北太平洋、夏威夷群岛东南侧海域等区域的海温为正距平, 南半球热带地区印度洋、中太平洋等区域的海温为负距平。在异常冷冬年前期秋季, 海温正距平中心在北半球中东太平洋、南半球热带地区印度洋和澳大利亚西南海域, 负距平中心在南半球副热带中印度洋、澳大利亚北部海域和东北太平洋地区。

虽然对贵州冬季气温异常与500 hPa位势高度场以及前期秋季海温场的关系有了初步结论, 但是除了贵州海拔、地貌等自身分布不均之外, 青藏高原、其它气候系统要素及其相互作用等对贵州冬季气温同样具有不可忽视的作用。故对贵州冬季气温以及其他极端气候事件的研究任重而道远, 尤其是在如何定量预测贵州冬季气温及其影响因子和机理方面值得深入探讨。