东亚冬季气温的年际变化特征及其与海温和海冰异常的关系＊

黄 菲，高聪晖

（中国海洋大学物理海洋实验室山东省高校海洋－大气相互作用与气候重点实验室，山东青岛266100）

东亚冬季气温的年际变化特征及其与海温和海冰异常的关系＊

黄 菲，高聪晖

（中国海洋大学物理海洋实验室山东省高校海洋－大气相互作用与气候重点实验室，山东青岛266100）

通过谐波分析的方法，对东亚31个冬季（1980—2010年）的气温提取年际变化分量（周期小于8 a部分）进行EOF分析。结果发现：在年际变化的时间尺度上，东亚冬季气温表现为高纬模态和低纬模态2个主要模态，它们一起可以解释总方差73%的变化。进一步分析表明，在年际变化尺度上，与气温变化的高纬模态相联系的大气环流表现为显著的北极涛动（AO）负位相分布，海平面气压场上西伯利亚高压和阿留申低压北移，对流层中层东亚大槽西移，高层西风急流向西北方向移动；副热带北太平洋和阿拉斯加湾的海表面温度（SST）变化呈偶极子振荡分布，这种准两年的周期振荡对这一模态的出现有一定的预示意义。而与气温变化的低纬模态相联系的大气环流表现为类AO正位相分布，与之相关的西伯利亚高压和阿留申低压南移，对流层中层东亚大槽东移，高层的西风急流则是向东南方向移动；赤道东太平洋的SST异常可能对这一模态的形成有一定的作用，而东亚近海的SST则更多是被动地改变。此外，海冰异常变化与东亚冬季气温变化的联系主要体现在：在前夏和前秋，东西伯利亚海－波弗特海海冰异常减少（增加）对应着随后东亚冬季气温变化的高纬模态（低纬模态），而冬季东亚气温变化的高纬模态（低纬模态）又与后期春季北极东半球的海冰异常增加（减少）具有较好的相关性，此外白令海和鄂霍次克海的海冰异常变化是伴随东亚冬季气温变化产生的。

冬季气温；东亚冬季风；年际变化；海面温度；海冰密集度

东亚冬季风系统是全球大气环流的重要组成部分，东亚冬季风的异常活动不仅决定了东亚地区寒潮降温、降雪等灾害性天气的频次［1］，而且还可以通过西风急流影响到北美气候［2］。此外，它还可以影响西太平洋大尺度的对流活动，并进一步引起Hadley环流和Walker环流的异常［3］。一些研究表明，东亚冬季风强弱变化不仅对西太平洋以及南海海温有显著的影响，而且其变化与ENSO事件的发生有密切的关系［4－5］。近年来，一些学者认为冬季北极涛动（AO）和北大西洋涛动（NAO）也是影响东亚冬季风的重要因素［6－10］。北极海冰作为气候系统的重要组成部分，其异常活动与东亚冬季风的关系日益受到人们的关注。武炳义等［11］指出，冬季喀拉海、巴伦支海海冰偏多，500 hPa高度场容易出现欧亚遥相关型，亚洲大陆上的冷高压减弱，致使东亚冬季风偏弱，反之亦然。

由于东亚冬季风对冬季气温有着直接和重要的影响，因此不少研究都将气温作为衡量冬季风的主要标准［12］。考虑到东亚地区气候变化空间上的复杂性和时间上的多尺度性，Wang等［13］通过对东亚冬季气温的主要变化模态的分析，发现东亚冬季气温主要表现为偏北变化型（解释方差55%）和偏南变化型（解释方差18.7%）2种模态，并进一步分析了与之相联系的大气环流系统的变化特征。本文则在此基础上研究东亚冬季气温的年际变化特征，着重研究与之相联系的海温异常和海冰异常。

1 资料与方法

本文所用的大气资料主要来自于美国国家环境预测中心／国家大气研究中心（NCEP／NCAR）发布的月平均全球再分析资料，包括分辨率为2.5°×2.5°的海平面气压场（SLP）和500 hPa位势高度场，以及高斯网格的地面2 m高度的气温资料，其纬向分辨率为1.875°，经向为不均匀分布。海洋资料采用的是美国国家大气海洋局（NOAA）发布的第三版延长重构的月平均海表面温度资料，水平分辨率为2°×2°。海冰资料选取的是美国伊利诺斯大学提供的北半球海冰密集度资料，水平分辨率为1°×1°。文中所选取的时间段主要为1979年1月～2010年12月，除了海冰资料的时间段为1979年1月～2007年12月。文中冬季是指前一年12月到当年2月，在超前滞后回归中将1979年冬季划分为1979年1月和2月。

文中的所有分析都是对时间尺度为8 a以下的年际变化部分进行的，采用谐波分析的方法提取年际信号，将地面2 m气温资料做傅里叶分解，剔除8 a以上的信号，将小于8 a的信号作为年际变化部分。另外对海表面温度做滤波处理，剔除海温的线性趋势信号。本文采用的诊断方法主要有经验正交函数分解（EOF）、线性回归和相关分析。

2 东亚冬季气温的年际变化特征

2.1 东亚冬季气温变化的高纬模态和低纬模态

图1给出了东亚冬季气温在年际变化尺度上的前2个主模态及其相应的时间序列，第一模态和第二模态分别解释了总方差的56%和17%。按照文献［14］的准则，这2个主分量可以和其他主分量区分开，并且是彼此可分的。从图1a的EOF1空间分布可以看出，在年际变化尺度上，东亚冬季气温变化的最主要模态表现为气温偏向于东亚地区北部的变化，气温的最大变化中心出现在60°N附近，且温度的变化幅度从北向南递减，由此反映了北方的冷空气向东亚地区侵袭的路径，称为气温变化的高纬模态。从东亚冬季气温年际变化第二模态的空间分布（见图1c）可以看出，与第一模态相比，年际变化的EOF2表现为气温偏向于东亚地区南部变化的形势。在第二模态中，气温的最大变化中心位于内蒙古南部地区，气温的变化幅度向东南方向递减，负值区延伸到中国东岸－日本南部地区，然后转向西南方延伸到中国南海和中南半岛，称为气温变化的低纬模态。

图1 东亚冬季地面2 m气温年际变化部分EOF的前两个主模态Fig.1 The two leading EOF modes of the winter meas 2 m air temperature（interannual component）in East Asia

2.2 东亚冬季气温2个主模态之间的相关特征

对比前2个模态的时间序列可以发现，在年际变化尺度上，第二模态某些年份的时间系数超前于第一模态1 a。因此第二模态和第一模态的时间序列做超前相关分析，发现第二模态超前第一模态1 a时两者的相关系数达到最大，为0.37，超过了95%的置信度检验。以上分析说明在年际变化尺度上，东亚冬季气温的变化为准2 a的振荡特征，这种准2 a的周期振荡变化是否由对流层准两年振荡引起，其对东亚大气环流、海温和海冰的年际变化有何影响等一系列问题仍需要进一步的研究和探讨。

3 东亚冬季气温主模态的大气环流特征

以往的研究表明，东亚冬季风系统的主要成员包括海平面气压场上的西伯利亚高压和阿留申低压，低层东亚大陆上的强北风，对流层中层深厚的东亚大槽和对流层高层的强西风急流。因此，选取代表东亚冬季风的海平面气压场和500 hPa位势高度场，用这些变量场和上节中得到的东亚冬季风年际变化部分的EOF时间序列做回归分析（见图2，3），研究与东亚冬季气温相联系的大气环流的年际变化特征。

图2 年际变化尺度上与第一模态（a）和第二模态（b）相联系的海平面气压回归场（等值线）和地面2m大气温度回归场（填色等值线）Fig.2 Sea level pressure（SLP，contours）and surface air temperature（T2，color shadings，）anomalies regressed with reference to（a）PC1 and（b）PC2

图2给出了年际变化尺度上与东亚冬季气温2个主模态相联系的海平面气压场和地面2m大气温度场。对于东亚冬季气温变化的高纬模态，其大气环流形势在北半球表现为北极涛动AO负位相的分布特征，SLP的最大正异常中心出现在新地岛附近，2个负异常中心分别在比斯开湾和北太平洋；而在东亚地区50°N以北SLP正异常分布，50°N以南SLP负异常分布（见图2a）。北极地区的气温变化和欧亚大陆北部的气温变化呈偶极子振荡分布，最大暖异常中心在巴伦支海地区，而最大冷异常中心出现在西西伯利亚和中西伯利亚地区。东亚冬季气温变化的低纬模态的大气环流特征与高纬模态的显著不同，其北半球的环流形势类似于AO正位相分布，SLP的最大负异常中心在斯瓦尔巴群岛附近，2个SLP正异常中心分别在北大西洋和白令海；而在东亚地区，1个SLP正异常中心出现在蒙古而不是乌拉尔山北部，1个负异常中心位于副热带北太平洋，此外1个显著的SLP脊从蒙古向南延伸，沿着青藏高原东侧到达中国南海。在欧亚大陆上，其北部靠近极区的气温与50°N以南的气温呈反向变化，即东亚偏南地区包括中国东北部、韩国、日本、中国南海气温负异常分布，而俄罗斯北部气温正异常分布。

图3 与第一模态（a）和第二模态（b）相联系的500hPa位势高度回归场（填色等值线）以及冬季气候平均的500hPa位势高度场（等值线）Fig.3 The 500 hPa geopotential height for climatological winter mean（contours）and anomalies（color shadings，）regressed with reference to（a）PC1 and（b）PC2

图3对比了东亚冬季气温变化高纬模态和低纬模态的500 hPa位势高度场。在对流层中层，对于东亚冬季气温变化高纬模态，1个强的低压异常出现在贝加尔湖上空；而对于低纬模态，俄罗斯北部和北太平洋北部为强的反气旋式异常分布，副热带北太平洋地区为强的低压异常。由于在冬季气候平均的500 hPa位势高度场上，东亚大槽是从鄂霍次克海向西南方向倾斜的，因此对于冬季气温变化高续模态东亚大槽是向西移动的，而低纬模态的东亚大槽向东移动。

总之，在年际变化尺度上，东亚冬季气温变化的高纬模态和低纬模态的大气环流异常分布是相反的。对于高纬模态，西伯利亚高压和阿留申低压向北移动，对流层中层东亚大槽向西移动，而且对流层高层的东亚西风急流是向西北方向移动的（图略）；而对于低纬模态，其西伯利亚高压和阿留申低压是向南移动的，在对流层中层东亚大槽向东移动，此外高空西风急流向东南方向移动（图略）。

4 与东亚冬季气温相联系的海温异常和海冰异常

4.1 海温异常

东亚冬季风异常不但受海温异常的影响，也会引起中国近海SST的变化。已有研究表明［15－16］，强（弱）东亚冬季风往往对应着La Nina（El Nino）型的SST异常分布，并会引起中国南海SST的负（正）异常。李忠贤和陈建萍［17］指出，当东亚冬季风异常偏强时，冬季黑潮区域的SST会异常偏低。这些研究大多是从低层风场和海平面气压的角度出发研究东亚冬季风与SST的关系，而本节将从近地面气温这个角度来研究与东亚冬季气温年际变化相联系的SST分布情况。

图4 SST对东亚冬季气温年际变化EOF第一模态的回归分析Fig.4 Regression for the SST field on the first normalized principal component（interannual）of the winter mean temperature in East Asia

图4给出了年际变化尺度上与东亚冬季气温变化的高纬模态相联系的SST分布场。图4e是与气温变化对应的同期SST分布，可以看到，在副热带北太平洋存在SST负异常分布，而在阿拉斯加湾有正异常SST。为了进一步研究东亚冬季气温与SST之间的关系，本文将气温EOF1的时间序列和SST做了超前滞后回归，发现副热带北太平洋和阿拉斯加湾之间SST的反向变化是1个准2 a的偶极子振荡信号。从前期春季开始，偶极子正信号开始转为负信号（这里为方便研究，将副热带北太平洋正异常SST、阿拉斯加湾负异常SST定义为偶极子正信号，反之则为负信号）。前期夏季负信号较为明显，然后一直持续到次年春季，负信号减弱向正信号过渡。以上结果表明，在年际变化尺度上，副热带北太平洋和阿拉斯加湾SST的偶极子振荡信号对东亚偏北地区的气温有很好的先期预示意义，这种准2 a的周期振荡可能与东亚冬季风的准2 a振荡有关。

图5 同图4，但为EOF第二模态Fig.5 Same as in Fig.4，but for the second EOF

图5为年际尺度上与东亚冬季气温变化的低纬模态相关联的SST分布场。可以看到，当东亚冬季50°N以南地区偏冷时，同期的SST（见图5e）在赤道东太平洋上有1个显著的负信号。进一步看SST的超前滞后关系可以发现，这个负信号从前期春季开始出现，到同期冬季达到最强，次年春天开始减弱消亡；东亚邻海SST的负信号从同期冬季出现（见图5e），一直持续到次年春季（见图5f）。此外，北太平洋和阿拉斯加湾的SST偶极子正信号在前期夏季出现，同期冬季开始减弱，次年夏季转为负信号（见图5e～g），这一过程与气温变化高纬模态的SST分布场上偶极子正信号从前期冬季减弱到前期夏季转为负信号（见图4a～d）基本一样。这些结果表明，在年际变化尺度上，赤道东太平洋的SST异常可能是引起东亚冬季气温变化的低纬模态的1个因素，而东亚邻海的SST变化是东亚冬季气温变化的低纬模态的产物，这一结果与Chen et al.［15］的结论一致；此外，气温变化低纬模态的SST异常变化超前高纬模的SST变化1 a，这一结果验证了上文提到的东亚冬季气温变化低纬模态超前高纬模态1 a。

4.2 海冰异常

近年来，海冰作为气候系统的重要组成部分，其在气候变化中的重要性日益受到人们的关注。本文将研究在年际变化尺度上与东亚冬季气温相关联的北极海冰的异常变化情况。

对比年际变化尺度上与东亚冬季气温变化相联系的北极海冰异常分布，可以清楚地看出，与气温变化高纬模态相联系的东西伯利亚海－波弗特海海冰在前夏和前秋异常融化，到了同年冬季白令海海冰开始融化，鄂霍次克海海冰异常增加，在后春整个东半球的海冰都是异常增加的（见图6）。与此相反，与气温变化低纬模态相联系的东西伯利亚海－波弗特海海冰在前夏和前秋异常增加，到了同年冬季白令海海冰异常增加，鄂霍次克海海冰异常融化，在后春整个东半球的海冰都是异常融化的（见图7）。值得指出的是，从前夏到同期冬季，与东亚气温变化的2种类型相联系的巴伦支海海冰都是异常减少的。这些结果表明，东西伯利亚海－波弗特海海冰的先期异常变化对东亚冬季气温变化有很好的预示意义，白令海和鄂霍次克海的海冰异常变化是伴随东亚冬季气温变化产生的，冬季东亚气温变化的高纬模态（低纬模态）与后期春季北极东半球海冰的异常增加（减少）有很好的相关性。

5 结论

本文通过谐波分析的方法，对东亚31个冬季（1980—2010年）的气温提取年际变化分量（周期小于8年部分）进行EOF分析。结果发现：

（1）在年际变化的时间尺度上，东亚冬季气温变化表现为高纬模态和低纬模态2个主要模态，它们一起可以解释总方差73%的变化。

（2）在年际变化尺度上，与气温变化的高纬模态相联系的大气环流表现为显著的AO负位相分布，海平面气压场上西伯利亚高压和阿留申低压北移，对流层中层东亚大槽西移，高层西风急流向西北方向移动；副热带北太平洋和阿拉斯加湾的SST变化呈偶极子振荡分布，这种准2 a的周期振荡对这一模态的出现有一定的预示意义。与气温变化的低纬模态相联系的大气环流表现为类AO正位相分布，与之相关的西伯利亚高压和阿留申低压南移，对流层中层东亚大槽东移，高层的西风急流则是向东南方向移动；赤道东太平洋的SST异常可能对这一模态的形成有一定的作用，而东亚近海的SST则更多是被动地改变。

（3）海冰异常变化与东亚冬季气温变化的联系主要体现在：在前夏和前秋，东西伯利亚海－波弗特海海冰异常减少（增加）对应着随后东亚冬季气温变化的高纬模态（低纬模态），然后冬季东亚气温变化的高纬模态（低纬模态）又对后期春季北极东半球的海冰异常增加（减少）起到一定的预报意义，而白令海和鄂霍次克海的海冰异常变化是伴随东亚冬季气温变化产生的。

通过分析东亚冬季气温2个模态的时间序列，作者发现东亚气温变化的低纬模态超前高纬模态1 a，与之相对应的副热带北太平洋和阿拉斯加湾的SST偶极子振荡变化也能体现出这一特征。由此说明东亚冬季风的年际变化是呈准2 a周期振荡为主的，并且这种周期振荡可能通过海气间的相互作用与北太平洋和阿拉斯加湾的SST准2 a偶极子振荡相联系。至于这2种准2 a振荡相互间的影响机制是什么，对北极海冰的分布又会造成什么样的影响，仍然需要进一步的研究和探讨。

致谢：感谢NOAA PSD网站http：／／www.esrl.noaa.gov／psd／提供的NCEP－2再分析数据和第三版延长重构的海温数据，以及美国伊利诺斯大学提供的北极海冰密集度资料。

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Interannual Variations of Winter Temperature in East Asia and Their Relationship with Sea Surface Temperature and Sea Ice Concentration

HUANG Fei，GAO Cong－Hui
（Physical Oceanography Laboratory ＆Key Laboratory of Ocean－Atmosphere Interaction and Climate in Universities of Shandong，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

The inter－annual component of winter mean（December to February of the next year）air temperature in East Asia（0°～60°N，100°E～140°E），removing periods longer than eight years，is studied by using the empirical orthogonal function（EOF）analysis for the period 1979／1980～2009／2010.The winter mean surface air temperature variations are dominated by two distinct principal modes that together account for 73%of the total temperature variance.The first mode，named as the high－latitude mode，characterized by a westward shift of the East Asian major trough and enhanced surface pressure over central Siberia，is closely associated with the negative phase of Arctic Oscillation（AO）on the inter－annual time scale.The anomalous sea surface temperature（SST）between the subtropical North Pacific Ocean and the Gulf of Alaska represents a distribution of the dipole oscillation，and this quasi－biennial oscillation plays a significantly predictive role in the emergence of this mode.The second mode，named as the low－latitude mode，features an eastward shift of East Asian trough and increased surface pressure over Mongolia，is closely related to the positive phase of AO on the inter－annual time scale.The tropical Eastern Pacific La Nina－like SST anomalies are suggested to be contributive to produce this mode，while the SST along the coast of East Asia can only vary with the temperature passively.In addition，the East Asian winter mean temperature has a significant association with the anomalous sea ice concentration.When the light（heavy）sea ice prevails in East Siberian Sea and Beaufort Sea in the previous summer and autumn，the cold high－latitude（low－latitude）mode is simply significant in inter－annual scale，which will cause an anomalous increase（decrease）of the sea ice over the Eastern Hemispheric Arctic Sea，while the sea ice concentration over Bering Sea and Sea of Okhotsk will have a passively variation with respect to the temperature on the simultaneous winter.

winter air temperature；East Asian winter monsoon；interannual variation；sea surface temperature；sea ice concentration

P732.6

A

1672－5174（2012）09－007－08

全球变化研究国家重大科学研究计划项目（2010CB951403，2012CB955604）；国家自然科学基金项目（40876003，40975038）资助

2011－07－19；

2012－02－28

黄 菲（1971－），女，教授。E－mail：huangf＠ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻