陕西冬季气温变化特征及其成因

王　娜，王　冀，王　琦，肖科丽，姚　静，方建刚

(1.陕西省气候中心，陕西　西安　710014；2.北京市气候中心，北京　100089；3.陕西省气象学会，陕西　西安　710016；4.陕西省气象台，陕西　西安　710014)



陕西冬季气温变化特征及其成因

王娜1，王冀2，王琦1，肖科丽3，姚静4，方建刚1

(1.陕西省气候中心，陕西西安710014；2.北京市气候中心，北京100089；3.陕西省气象学会，陕西西安710016；4.陕西省气象台，陕西西安710014)

利用1961—2012年NCEP/NCAR再分析资料以及陕西月平均气温资料，分析陕西冬季气温年际变化特征及其形成机制。结果表明：陕西冬季气温主要呈全区一致的空间分布型，低温年，500 hPa高度场我国西部存在稳定的负距平，垂直方向呈准正压结构，西太平洋遥相关型(WP)与第一模态时间系数的相关性最显著。中高纬地区海温可能是影响陕西冬季气温的主要强迫因子，西北太平洋海温负异常，黑潮区、热带印度洋、北大西洋海温显著偏低，有利于陕西冬季气温偏低，且这些关键区海温的异常信号，在前期夏、秋季已经表现明显，对冬季气温预测有指示意义。

冬季气温；海表温度异常；遥相关；陕西

引　言

气候变暖是当今人类社会面临的最主要的气候变化问题，中国的气温变化与全球气温变化具有一致性，冬季是增暖最明显的时期，1951—2004年我国冬季气温增温率达0.39 ℃·(10 a)-1，具有明显的区域特征[1-2]。1956—2005年我国暖冬事件共计发生13次，其中85%的暖冬发生在1986年以后[3]。西北地区气温也呈上升趋势，尤其是1990年代后，上升速率明显增大，其中冬季升温幅度高于其他季节，近半个世纪以来气温升高了2.1 ℃[4]。

引起中国冬季气温异常的环流因子很多，李勇[5]、陈少勇[6]等分析了影响我国冬季温度的气候因子发现，在年际尺度上，西太平洋遥相关型(WP)和西伯利亚高压对中国冬季气温有显著影响，WP的影响主要存在于中国东部从东北南部至广东沿海一带大陆边缘区，而西伯利亚高压的影响范围则大得多，几乎涵盖了除黄河长江上游部分地区外的整个中国；在年代际尺度上，北极涛动和ENSO都与东亚冬季风有关联。朱艳峰等[7]研究发现，西伯利亚高压与我国冬季气温的第一模态关系密切，当它偏强时，我国大部分地区冬季气温偏低，反之亦然。西伯利亚高压对北京、上海和我国冬季气温方差的解释率分别达41.0%、41.0%和43.6%，能较好地解释我国近几十年冬季气温变化的低频特征[8]。陈佩燕等[9]分析了我国东部地区冬季温度异常的时空特征和变化规律，探讨了全球海温异常与我国东部地区冬季温度异常的关系，发现赤道印度洋、赤道东太平洋、黑潮区是影响我国东部地区冬季温度异常的关键海区；前期夏、秋季赤道印度洋、赤道东太平洋海温异常与我国东部地区冬季温度异常有较好的相关关系。

中国西北地区是气候变化影响的敏感和脆弱地区，桑建人等[10]分析了宁夏气温变化趋势及环流差异特征；贺皓等[11]分析了陕西冷和暖冬季划分及其环流特征，发现冷冬年500 hPa东亚大槽偏强，地面蒙古高压强盛，陕西处于蒙古高压底部，冷空气不断侵袭，形成持续低温。前人的工作对于陕西冬季气温年际和年代际特点的分析不够细致，且对冬季气温异常缺乏机制分析。为此，利用陕西1961—2012年冬季气温资料，分析其时空变化特征，探讨陕西冬季气温异常形成机理，为该地区的低温事件预测提供支持。

1　资料与方法

利用1961—2012年美国国家环境预报中心(NCEP/NCAR)2.5°×2.5°的高度场、风场、海平面气压和2.0°×2.0°的海表温度等月平均再分析资料，以及同时段陕西冬季气温资料(12月—次年2月)。采用EOF分析、合成分析、高斯滤波、回归分析等统计方法，分析陕西冬季气温的时空分布特征及形成机理。

2　陕西冬季气温的时空特征

对1961—2012年陕西冬季气温进行EOF分解，得到第一模态的方差贡献为87.1%，能反映陕西冬季气温的时空分布，为全区一致正值。陕北、关中的第一载荷向量值相对陕南较大，高值区位于陕北西部及关中北部区域，载荷值在0.93以上，尤其是关中北部区域在0.95以上，表明陕南冬季气温的变率较陕北、关中小，且陕北西部及关中北部区域冬季气温变率最大(图1a)。第一模态的标准化时间系数在1961—2012年波动上升，11 a滑动平均曲线在1980年代后期由负值转变为正值，总体呈上升趋势(图1b)，通过α=0.05的信度检验，这与全球气候变暖的背景相符合。

3　陕西冬季异常高(低)温年环流特征

选择异常高(低)温年分析陕西冬季气温异常的大气环流变化特征，参考前人做法[12-13]：冬季气温EOF分解的第一特征向量对应的时间系数减去高斯滤波后的结果进行标准化处理，得到年际尺度的时间序列。其值>1为高温年，<-1为低温年，从而得到陕西冬季气温异常偏高年为1978、1965、1998、2006、1986、1964、1972、2008年共8 a，异常偏低年为1967、2007、1976、1963、1999、1995、2004年共7 a。

图1　1961—2012年陕西冬季气温的EOF分析第一空间模态(a)及其时间系数(b)

3.1大气环流异常

冬季气温偏低年，850 hPa高度场乌拉尔山到新西伯利亚岛存在明显的正距平中心，中心值为40 gpm，中纬度欧亚大陆至中太平洋为大范围的负距平，中心值为-40 gpm，我国西部存在一稳定的负距平，中心值为-20 gpm(图2a)；气温偏高年正好相反。中高层(500 hPa、200 hPa)也存在这种分布特点(图2b、图2c)，并随着高度升高而增强，说明环流影响系统稳定深厚，这与王冀等[14]研究一致。

对陕西冬季气温EOF第一特征向量(以下简写为EOF1)对应的时间序列与海平面气压场、500 hPa位势高度场以及500 hPa风场的关系进行回归分析(图3)。当陕西冬季气温一致偏低时，欧亚大陆中纬度气压下降而高纬度上升，冷气团向中纬度地区活动(图3a)。500 hPa高度场上北太平洋以及欧洲南部地区高度场降低，亚洲大槽、北美大槽均加强，亚洲呈“北+南-”的分布特征，西伯利亚高压偏强，东亚大槽明显加强，鄂霍次克海为正距平，日本岛及以南区域为负距平，为典型的太平洋西部型(WP)负位相，陕西冬季气温EOF1时间系数与WP之间相关系数达0.53，通过99%的信度检验(图3b)；500 hPa风场上乌拉尔山以东被反气旋式环流控制，陕西及北方大部被气旋性环流控制(图3c)。

图2　1961—2012年陕西冬季气温典型偏低与偏高年的850 hPa(a)、500 hPa(b)和200 hPa(c)位势高度差值场(单位：dagpm)(阴影区通过95%的信度检验，以下相同)

图3　1961—2012年陕西冬季气温EOF1对应的时间序列与海平面气压场(a)、500 hPa位势高度场(b)及500 hPa风场(c)的回归分析

3.2影响陕西冬季气温的遥相关型

从前文的分析可知，陕西冬季气温EOF1模态对应的环流异常维持机制可能与遥相关有关，故而选取北极涛动(AO)、太平洋北美型(PNA)、北大西洋涛动(NAO)、太平洋西部型(WP)、欧亚遥相关(EU)与陕西冬季气温EOF1的时间系数求相关。表1为陕西冬季气温EOF1时间系数与冬季和前秋遥相关指数的相关系数。发现同期冬季相关系数均明显高于秋季，但只有WP与陕西冬季气温EOF1的相关系数(0.53)通过99%的信度检验。当WP型呈“南+北-”(正异常)，在50°N附近、120°E—150°W之间为强西风差值区，此时不利于中高纬冷空气南下，东亚冬季风偏弱[15]，有利于陕西气温偏高。可见，陕西冬季气温与同期WP遥相关指数有显著的正相关关系，WP对于陕西冬季气温有预测意义。

表1　各遥相关指数与陕西冬季气温EOF1时间序列的相关系数

注：*表示通过99%的信度检验

3.3EOF1模态对应的海温特征

将陕西冬季气温EOF1时间序列与前夏、前秋、冬季的海温做相关分析来研究海温分布的时间发展(图4)。同期冬季，赤道中东太平洋的海温偏高，在中国东部沿海至南部沿海也出现显著的正相关，中心值>0.5；印度洋全区呈一致的正相关，尤其是印度洋北部至印度尼西亚群岛呈显著正相关，局部>0.5，40°E—60°E南印度洋也呈显著正相关(>0.4)；北大西洋呈正相关，中心值>0.5的区域位于其南部。且西北太平洋、赤道中东太平洋、印度洋北部和南部、北大西洋的SST信号在前夏、前秋均已出现。

进一步分析对陕西冬季气温影响显著的海温指数(表2)，结果表明，Nio1+2、Nio3、Nio4、Nio A、AMON.US、黑潮区海温、IOBW等指数与EOF1时间系数均呈正相关关系，其中，与当季的Nio A、AMON.US、黑潮区海温、IOBW指数相关性显著，而与前秋和前夏的AMON.US、黑潮区海温、IOBW指数相关性显著，且前秋的相关性较前夏更强。表明西北太平洋、黑潮区、赤道印度洋、北大西洋海温是影响陕西冬季气温异常的关键海区，且这种影响在前夏、前秋就已有表现，且随着时间的逼近，前秋关键海区海温异常对冬季气温异常的影响较前夏强。陕西冬季气温偏低时，西北太平洋海温负异常，黑潮区、热带印度洋、北大西洋海温显著偏低，进而引起东亚冬季风明显偏强。而与ENSO指数相关不明显，说明ENSO对陕西冬季气温影响不显著，这与李勇等[5]研究结论一致。

图4　1961—2012年陕西冬季气温EOF1时间系数与同期冬季(上)、前秋(中)、前夏(下)海温场的相关系数分布

陕西位于中高纬度并远离热带海洋，受中高纬地区的海温影响较大，Nio A、AMON.US、黑潮区海温都为中高纬度海温指数，海温分布对中高纬大气环流的作用不可忽视。陈少勇[6,17]、王冀[14]、秦正坤[16]等研究发现，海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高，使乌拉尔山高压脊和阿拉斯加脊减弱，东亚大槽减弱向东移动，纬向环流加强，高纬度冷空气不易南下，导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖，反之亦然。冬季黑潮区海温对东亚冬季风有负反馈作用，即冷水位相有利于东亚冬季风的偏强。曲金华等[18]认为北大西洋海温异常通过激发欧亚波列影响欧亚上空的大气环流，进而影响中国冬季温度。李崇银[19]、谭言科[20]等认为印度洋海温与ENSO变化有着一定的关系，但陕西冬季气温与ENSO关系不明显，这可能由于中国处于ENSO的上游地区，其赤道中东太平洋海温不能直接影响东亚冬季风环流，而是通过影响、改变Walker、Hadley环流来影响冬季风。分析发现赤道印度洋海温与陕西冬季气温有显著的相关性，但印度洋海温影响陕西冬季气温机理比较复杂，需要进一步研究。

表2　陕西冬季气温EOF1时间系数与海温指数相关系数

注：*表示通过95%信度检验

4　结　论

(1)1961—2012年陕西冬季气温主要呈全区一致的空间分布型，陕南冬季气温的变率较陕北、关中小，且陕北西部区域及关中北部区域冬季气温的变率最大。

(2)陕西冬季气温偏低时，海平面气压场出现中纬度低压和高纬度高压的形势，且冷空气从西向东传播，导致西伯利亚高压的发展，东亚大槽偏强，我国西部500 hPa高度场上存在稳定的负距平，陕西易受冷空气影响。冬季气温EOF1时间序列与同期遥相关指数的相关性高于前期秋季，其中EOF1与同期冬季WP指数显著相关，当WP指数处于负位相时，且东亚地区盛行经向风，有利于中高纬冷空气南下，东亚冬季风偏强，陕西易出现一致低温。

(3)陕西受中高纬地区的海温影响较大。西北太平洋海温负异常，黑潮区、热带印度洋、北大西洋海温显著偏低，有利于陕西冬季气温偏低，并且这些关键区海温的异常信号，在前期夏、秋季已经出现，对冬季气温预测有指示意义。

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Variation Characteristics of Winter Temperature and Mechanism Analysis in Shaanxi Province During 1961-2012

WANG Na1, WANG Ji2, WANG Qi1, XIAO Keli3, YAO Jing4, FANG Jiangang1

(1.ShaanxiClimateCenter,Xi’an710014,China; 2.BeijingMunicipalClimateCentre,Beijing100089,China; 3.ShaanxiMeteorologicalSociety,Xi’an710016,China; 4.ShaanxiMeteorologicalObservatory,Xi’an710014,China)

Based on the monthly mean temperature in winter (from December to next February) in Shaanxi Province and NCEP reanalysis data from 1961 to 2012, the annual variation of temperature in winter in Shaanxi and its mechanisms were analyzed by using EOF analysis, synthetic analysis, gaussian filtering, regression analysis, etc. The results showed the dominant spatial mode of winter temperature anomaly in Shaanxi during 1961-2012 was consistent in the whole area. During the cold winter in Shaanxi, there was a stable negative anomaly in western China on 500 hPa height field and a quasi-barotropic structure in vertical direction. The correlation between the West Pacific Pattern index (WP) and time coefficient of the EOF1 of winter temperature was the most significant. The sea surface temperature (SST) in middle and high latitudes might be a major forcing factor of affecting winter temperature in Shaanxi. When the sea surface temperature anomaly (SSTA) in the Northwestern Pacific was negative, and SST was significantly low in Kuroshio, tropical Indian Ocean and the North Atlantic, it was advantageous to low winter temperature in Shaanxi Province. The abnormal signals of SST in these key areas had obviously emerged in the previous summer and autumn, it had indicative significance for winter temperature prediction in Shaanxi.

winter temperature; sea surface temperature anomalies; teleconnection; Shannxi Province

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0604

2015-10-22；改回日期：2015-11-23

公益性行业(气象)科研专项“近百年全球陆地气候变化监测技术与应用”(201206024)资助

王娜(1984-)，女，甘肃陇南人，硕士，高级工程师，主要从事气候预测及气候变化方面的研究. E-mail:wangna_na@163.com

1006-7639(2016)-04-0604-06DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0604

P332

A

王娜，王冀，王琦，等.陕西冬季气温变化特征及其成因[J].干旱气象，2016，34(4)：604-609, [WANG Na, WANG Ji, WANG Qi, et al. Variation Characteristics of Winter Temperature and Mechanism Analysis in Shaanxi Province During 1961-2012[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):604-609],