热带气象学报  2019, Vol. 35 Issue (3): 390-397  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.036
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引用本文  

郑然, 刘嘉慧敏, 马振峰. 西南地区冬季气温年代际变化及可能成因分析[J]. 热带气象学报, 2019, 35(3): 390-397. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.036.
ZHENG Ran, LIU Jia-huimin, MA Zhen-feng. Interdecadal variation and possible causes of winter temperature in southwest china[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2019, 35(3): 390-397. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2019.036.

基金项目

四川省重点实验室2018-青年-05;四川省重点实验室2018-青年-06,四川省重点实验室2018-青年-07;四川省重点实验室2018-重点-07;气象预报业务关键技术发展专项(YBGJXM(2017)05-06、SCQXKJZD2019002);中国气象局预报员专项(CMAYBY2019-101);陕西省气象局青年科研基金项目(2017Y1)共同资助

通讯作者

郑然,女,四川省人,工程师,硕士,主要从事短期气候预测研究。E-mail:zhengran0512@163.com

文章历史

收稿日期:2018-04-13
修订日期:2019-03-06
西南地区冬季气温年代际变化及可能成因分析
郑然 1,2, 刘嘉慧敏 3, 马振峰 1,2     
1. 四川省气候中心,四川 成都,610072;
2. 中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害 四川省重点实验室,四川 成都 610072;
3. 陕西省气象台,陕西 西安 721001
摘要:利用西南地区1970—2015年气象台站逐月气温资料,结合NCEP/NCAR再分析资料等,分析了西南地区冬季气温的年代际变化特征,并探讨了其年代际转折的可能物理机制。结果表明,西南地区冬季气温于1990年代前期发生暖突变。夏季热带西太平洋海温关键区(120~160 °E,10 °S~20 °N)与西南地区冬季气温在同时期发生暖突变,由于大气对海洋变暖的响应,在其西北侧激发了异常的气旋式环流,这种准GILL态使得西南地区恰好处于偏东偏南的暖湿气流中,配合西风急流偏强偏北,东亚大槽浅薄,不利于冷空气南下,西太副高偏强偏西使西南地区受下沉气流控制增温,并处于暖平流影响下,造成西南地区冬季年代际变暖。
关键词西南地区    冬季气温    热带西太平洋    海温    
INTERDECADAL VARIATION AND POSSIBLE CAUSES OF WINTER TEMPERATURE IN SOUTHWEST CHINA
ZHENG Ran 1,2, LIU Jia-huimin 3, MA Zhen-feng 1,2     
1. The climate center in Sichuan province, Chengdu 610072, China;
2. Institute of Plateau Meteorology, China Meteorological Administration /Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072, China;
3. Meteorological observatory in Shaanxi province, Xi'an 721001, China
Abstract: Stations monthly temperature observations are combined with NCEP/NCAR reanalysis data to study the interdecadal change characteristics of winter temperature in Southwest China. The possible physical mechanism is also discussed. The result shows that the winter temperature in Southwest China experienced a warm mutation in the early 1990s. The tropical western pacific SST key area(10 °S~20 °N, 120~160 °E) in summer has a same mutation period with the southwest winter temperature. Because of the response of the atmosphere to the warming of the oceans, anomalous cyclonic circulation has been inspired on the northwest side. The quasi Gill state makes the southwest area just in the southerly and easterly flows which are warm and humid, cooperate with westerly jet is strong and northward, East Asia major trough is shallow, make against the cold air to go south. Subtropical high over the West Pacific Ocean is strong and westward make the southwest area is controlled by the downward flow and under the influence of warm advection, causing the interdecadal warming in Southwest China in the winter.
Key words: The Southwest China    winter temperature    tropical West Pacific Ocean    SST    
1 引言

近百年来,以变暖为主要特征的全球气候变化已显著展现,IPCC第五次报告指出,自1880—2012年,全球增暖0.85 ℃,过去30年是近1 400年来最暖的30年,此外,有学者指出[1],自1998年以来,全球平均气温并没有呈现出显著上升,进而提出全球变暖趋缓或进入停顿期。然而,未来气候变暖速度虽可能趋缓,但变暖的整体趋势不会改变[2],监测数据表明,2016年冬季是我国1961年以来最暖的冬季,说明变暖仍在持续。我国气温变化与全球气温变化表现为趋势上一致增暖,但有较强的区域性及季节性特征,在季节性特征中以冬季增暖最为显著[3-4]。而作为连接长期气候趋势和年际变化的桥梁,年代际变化是月、季、年际气候变化及其预测的背景[5],因此正确认识冬季气温的年代际特征及可能机理对于理解气候增暖的本质及有效预测冬季气温异常具有十分重要的意义。

我国西南地区地质结构复杂,地貌类型多样,兼容高原、盆地、丘陵,特殊的地理位置造就了该区气候变化具有显著的区域性特征。西南地区年平均气温在1960年代—1980年代中期经历了一个由暖变冷的过程后,于1980年代后期开始呈现出明显的上升趋势[6],冬季气温亦是如此,在1980年代中期以前相对偏冷,而在以后,特别是1990年代中期后,显著偏高[7]。近年来虽南方冰冻雨雪灾害多发,但从整体趋势来看,冬季增暖仍在持续,这也说明西南地区冬季气温在年际变化基础上存在明显的年代际波动。

1990年代以来,在全球变暖背景下,从热带到中高纬,许多外强迫因子和环流因子发生了较明显的年代际变化,如北极海冰急剧减少[8-9],进而引起阿留申低压、西太副高等大气环流变化[10];热带海洋海温持续正异常,信风明显减弱[11],El Niño事件发生频次增多,且其中以中部型El Niño事件多发[12];此外北极涛动(AO)和北大西洋涛动(NAO)也存在显著减弱趋势[13]等,外强迫和环流系统的变化作用也使得区域气候特征发生一定的变化,如1993年之后,南海地区冬春季降水增多,秋季降水减少[14],华南季节降水分布型在1990年代初期发生了年代际转变[15],青藏高原在1990年代中期存在更显著的暖突变[16-17]等,而造成我国冬季气温年代际变化的直接原因是大气环流和海洋海温的演变[18-19]。本文利用西南地区气象台站资料,分析其冬季气温的年代际变化特征,并进一步探讨造成气温年代际变化的大气环流和海洋的变化。

2 资料和方法

本文所用的数据包括:(1)全国气象台站逐月气温资料;(2)美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)逐月位势高度场、风场等再分析数据[20],水平分辨率为2.5 °×2.5 °;(3)英国Hadley中心的逐月海表面温度(SST)数据[21],水平分辨率为1 °×1 °。定义冬季为当年12月—次年2月,研究时段为1970—2015年。本文对西南地区的分析主要为三省一市(四川省、云南省、贵州省、重庆市),共55个台站。

本文主要采用的方法包括:经验正交函数分解(EOF)、滑动平均、回归分析、合成分析及Mann-Kendall(M-K)检验等方法[22]

3 西南地区冬季气温变化的时空变化特征

为分析我国西南地区冬季气温的时空分布特征,对西南地区1970—2015年共46个冬季(当年12月—次年2月)的气温进行EOF分析,得到主要空间模态和时间变化特征。EOF第一模态的方差贡献率为55%,说明第一模态的信号较强,可以代表西南地区冬季平均气温的整体变化情况。从第一模态的空间分布可以看出(图 1a),西南地区冬季平均气温主要表现为全区一致正位相的特征,且大值区位于四川盆地及川滇黔交界处,即该区变温幅度较大。从标准化的第一模态时间系数(PC1)(图 1b)结合模态分布可知,西南地区冬季气温表现为明显的增暖态势,同时叠加有明显的年代际变化特征,在后文的分析中用PC1来代表西南地区冬季气温的变化情况。对PC1进行M-K检验(图 1c),由UF曲线可见,自1980年代以来,西南地区冬季平均气温有明显增暖趋势,进入21世纪后,这种增暖趋势超过0.05显著性水平的临界线,表明西南地区气温的上升趋势是十分显著的。根据UF和UB曲线的交点位置,可以得到在1993年左右西南地区冬季气温发生了暖突变,滑动t检验(图略)也得到一致的结果。此外,采用再分析资料中的地表气温(SAT)提取西南区域冬季气温,进行EOF和突变年检验(图略),也可以得到相同的结果。因此,西南地区冬季气温在持续升高过程中于1990年代前期发生暖突变,即在1970—1992年冬季气温偏低,而后期1993—2015年冬季偏暖。

图 1 西南地区1970—2015年冬季平均气温EOF第一模态空间分布(a)及其标准化时间系数(b)及标准化PC1的M-K突变点检验(c,实直线为α=0.05显著性水平临界值)

对比冷暖期气温的差异(暖期减去冷期)(图 2a)可以看出,除贵州中部部分地区存在年代际变冷外,西南地区大部均表现为显著的年代际增暖,其中川西高原和云南地区增温幅度较大,这一结果与丁一汇等[16]、郑然等[17]结果一致,海拔较高的地区增暖更加显著。可见,西南地区冬季气温在1990年代前期的确发生了显著的年代际变化。

图 2 西南地区冬季暖期减去冷期的平均气温差值分布 单位:℃。
4 与西南地区冬季气温年代际变化相关的大气环流异常特征

东亚冬季风系统是影响我国冬季气温的主要环流系统,其中,海平面气压(SLP)场上的西伯利亚高压,500 hPa位势高度场的东亚大槽,以及高层200 hPa上的东亚副热带西风急流,冬季风[23]等,这些系统相互作用,相互影响,共同影响我国冬季气温。为探讨造成西南地区冬季气温年代际变化的同期大气环流异常特征,对海平面气压场、500 hPa位势高度场和200 hPa纬向风场进行合成差值,结果均为1993—2015年与1970—1992年的差值(前者减后者)。从SLP场(图 3a)可以看出,西伯利亚地区存在显著的正异常中心,这与1990年代以来西伯利亚高压呈现增强趋势一致[24],使得冷空气加强积聚,在利于其南下的形势场作用下会造成我国部分地区气温偏低及寒潮等天气[25],但从500 hPa位势高度场差值图来看(图 3b),相比偏冷期,偏暖期为大范围正距平控制,在低纬及极地地区均存在显著正异常,大气以纬向环流为主,经向扰动弱,东亚大槽偏弱,不利于冷空气南下,另外从冷暖年的5 860线可以看出(实线为偏冷年,虚线为偏暖年),相比冷期,暖期的西太平洋副热带高压偏强(暖期存在5 880线,冷期不存在),西伸脊点明显偏西。副高的偏强偏西使西南地区受下沉气流控制,这一点可从垂直剖面图(图 3d)中可以看出,气流下沉增温,造成晴朗少雨,冬季偏暖。另外,从200 hPa纬向风场差值来看(图 3c),偏暖期东亚副热带急流偏强偏北,这使得经向扰动减弱,极地冷空气被迫盘踞在高纬[26],不能南下入侵西南地区,造成西南地区冬季偏暖。综合以上分析可以看出,西伯利亚高压的加强造成冷空气的聚集、加强,但由于副热带西风急流的显著加强,东亚大槽偏弱,纬向环流不利于冷空气持续南下,同时西太副高加强偏西,西南地区上空下沉气流加强,从而造成西南地区气温偏高。

图 3 暖期与冷期海平面气压场(a,单位:gpm)、500 hPa高度场(b,黑色实线为冷期5 860线,黑色虚线为暖期5 860线,单位:gpm)、200 hPa纬向风场(c,黑色实线为气候平均态的40 m/s风速线,单位:m/s)、沿104 °E垂直剖面(d,阴影为高原地形,单位:Pa/s)合成差值图(a、b、c阴影代表正负异常,暖色为正异常,冷色为负异常,星号为30~180 °E,0~60 °N范围内通过0.05的显著性检验)
5 西南地区冬季气温年代际变化的可能原因

如前文所述,西南地区冬季气温在1990年代前期的年代际变化与欧亚大陆中高纬环流异常密切相关,而冬季风主要是海陆热力差异的产物,因此海洋外强迫在气温的年代际变化中起着重要作用。由于海洋的巨大热容量,使其成为具有较长时间尺度记忆能力的缓变因子[27],可引起局地大气环流的年代际变化[28],因此其对气温的强迫尤为显著,后文我们将从海温对大气环流的调整方面进一步分析。

海温是最主要的大气下垫面热力强迫,它通过感热和潜热异常,影响上空大气热源异常,进一步使得大气环流发生变化[29],因此前期海温对冬季气温变化有重要影响。我们对1970—1992年和1993—2015年前期夏、秋季全球SST进行合成差值并检验,由图 4可见,印度洋、西北太平洋、北大西洋海温均表现为显著的年代际增暖,说明这些海域的SST在1990年代前期后增暖显著,为寻找海温对西南地区冬季气温年代际变化特征的可能影响,进一步对不同季节不同区域选取海温关键区,进行EOF分析和突变年检验,分析其年代际变化特征。

图 4 暖期与冷期前期夏季(a)、秋季(b)海温场差值图(阴影为通过0.05以上的显著性检验,单位: ℃)

结果发现,夏季热带西太平洋海温关键区(120 ~160 °E,10 °S~20 °N)第一模态表现为该区SST具有全区一致变化特征,表明该区海温存在一致降温或升温(图 5a)。特别地,对其相应时间序列进行M-K检验(图 5b),发现该区海温在1980年代开始增暖,并于1990年代末超过显著性水平,在1993年左右存在突变点,结合海温模态可知,夏季热带西太平洋海温关键区在1990年代初期发生了暖突变,这与冬季西南地区气温主模态突变时间一致,计算二者主模态的时间序列的相关系数为0.4,通过了0.01显著性检验。且秋季关键区海温依旧处于年代际增暖,可见,夏季热带西太平洋海温与冬季西南地区气温有显著联系,但二者究竟有何内在联系?前期夏季热带西太平洋海温关键区暖突变是如何影响冬季西南地区气温年代际转折呢?这将在下文作进一步讨论。

图 5 1970—2015年西太平洋关键区夏季SST EOF第一模态空间分布型(a)、第一模态时间系数的M-K突变点检验(b,实直线为α=0.05显著性水平临界值)

为进一步验证夏季热带西太平洋关键区海温对冬季西南地区气温年代际转折的影响,并探究其对气温突变的可能影响机制,对夏季热带西太平洋海温PC1进行9年滑动平均,滤去年际变化,回归冬季200 hPa纬向风场、冬季500 hPa高度场及秋冬季700 hPa风场,结果发现(图 6),与冷暖期环流差值场一致,在200 hPa纬向风场回归图上可以看出,冬季急流平均态位于27.5 °N附近,而在此位置附近为西风异常,使得西风急流加强,这会进一步减弱大气环流中的经向扰动,不利于高层冷空气南下。在500 hPa高度场上,东亚沿岸正异常有利于东亚大槽偏弱,中低纬高度场正异常,有利于西太副高偏强,这与前文中西南地区偏暖期与偏冷期的500 hPa合成差值场基本一致。此外对国家气候中心提供的140项环流指数中的西太副高西伸脊点指数进行分析,对其中没有5 880线造成指数为零的年份,参考刘芸芸等[30]的指数重建,替代为采用该月1970—2016年历史最大值,结果发现副高西伸脊点确实在1990年代中前期出现年代际偏西突变,这证实了上述的推断。在700 hPa风场上可以看到,秋季开始,在贝加尔湖西侧附近存在异常的气旋式环流,其西侧偏北气流携带冷空气南下过程中,受到青藏高原大地形阻挡转为偏南气流,使得冷空气不能到达西南地区,这种形势维持到冬季。特别注意到,由于前期夏季关键区海温的暖强迫,释放凝结潜热,相对于大气是一个热源,秋季,在其西北侧和西南侧产生了异常的气旋式环流,冬季进一步加强,这是非绝热加热引起的赤道Rossby波响应,符合GILL[31]提出的响应模型,而西南地区恰好在西北侧气旋式环流的偏东偏南的暖湿气流中。此外,对冬季整层温度平流进行回归(图 6e),结果发现,冬季西南地区大部均受暖平流影响,而冬季在贵州部分地区存在冷平流。综上分析可见,当前期夏季热带西太平洋关键区海温发生暖突变后,由于大气对其的响应,在其西北侧激发了异常的气旋式环流,准GILL态模型使得西南地区恰好处于偏东偏南的暖湿气流中,有利于冬季西南气温的暖突变。此外,由于中高纬较强的纬向环流以及异常西伸加强的西太副高,不利于北方冷空气南下,而使西南地区处于暖平流影响下,因而造成了冬季西南地区气温的年代际变暖。

图 6 冬季200 hPa异常纬向风场(a,黑色线为纬向风场距平回归系数,绿线为气候平均态的40 m/s的风速线,单位:m/s)、冬季500 hPa异常高度场(b,单位:gpm)、秋(c)、冬(d)季700 hPa异常风场(单位:m/s)、冬季整层温度平流(e,单位:℃/s)回归到9年平滑的夏季西太平洋海温第一模态时间系数(阴影为通过0.05的显著性检验)
6 结论与讨论

本文以西南地区1970—2015年共46年冬季气温变化为研究对象,分析了西南地区冬季气温的年代际变化特征,并在此基础上进一步探讨了引起气温年代际变化的大气环流及海洋海温的变化,得到以下结论。

(1)西南地区冬季气温存在显著的年代际变化,于1990年前期发生暖突变,在研究时段内,1970—1992年为冷期,1993—2015年为暖期,且高海拔地区的增暖幅度更大。

(2)对比冷暖期的环流场可以发现,相较于冷期,暖期的环流以纬向环流为主,西风急流偏强偏北,东亚大槽浅薄,不利于冷空气南下,且副高偏强偏西使得西南地区受下沉气流控制增温,进而使得冬季气温偏高。

(3)前期夏季热带西太平洋海温与西南冬季气温存在一致年代际变化,当前期夏季热带西太平洋关键区海温发生暖突变后,大气产生响应,在其西北侧激发了异常的气旋式环流,这种准GILL态使得西南地区恰好处于偏东偏南的暖湿气流中,有利于冬季西南气温的暖突变。此外,由于中高纬较强的纬向环流以及异常西伸的西太副高,不利于北方冷空气南下,而使西南地区处于暖平流影响下,因而造成了冬季西南地区气温的年代际变暖。

值得注意的是,影响冬季气温年代际变化的因素还有很多,本文仅从海温角度出发探讨其通过与大气的耦合过程影响西南冬季气温的变化。此外还应考虑海冰、积雪等外强迫所带来的影响,这有待后期进一步研究。

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