中国近30年冬季日最低温度分布特征

刘腾娇，谭桂容

（金昌市气象局，甘肃 金昌 737100）

气候的变化不仅会影响一个国家的经济发展，农业产量，以及自然生态的发展，而且也间接影响着公众的日常生活。而气候变暖是当今气候变化的主要趋势，也是人类面临的最主要的气候变化问题，人们早已把气候变暖作为一个热点问题进行研究。作为气候变化的关键性因子-气温，当然也受到了中外气候学者的高度重视。近年来气候学家对于气温的研究非常多，利用气温和降水量张先恭等[1],研究了1980年之前我国气温和降水等级的变化。M.Unkasˇevic˙,I.Tosˇic˙[2]用广义极值分布和广义帕累托分布研究贝尔格莱德冬季绝对最低气温和夏季绝对最高气温的分布规律，结果发现这两种分布都是合理的。谭桂容等发现影响我国2008年1月低温的主要环流因子有向东急剧扩张的北大西洋急流，偏高的贝加尔湖南测高压，强冷空气活动，异常活动的平流层以及异常的北大西洋涛动指数[3]。

而日常气温的变化不仅影响气候系统，也直接影响人类日常生活以及自然环境。是以对日最低气温尤其是冬季日最低气温的分布及其影响因子进行研究，是非常有必要的。例如，判断寒潮、暴雪、霜冻、冷害等自然灾害事件，为防灾减灾提供，降低极端事件的影响提供依据，趋利避害，减少损失；同时，可以进一步探讨气温异常的影响因子和物理机制，不仅可以理解气候的变化规律，深入研究气候变化的原因，为气候预测提供一定的思路；再者对全球和地区性的气候变化，能量转化、大气组成、浓度变化等方面的变化特征及影响因子的研究都有着及其重要的指示作用。

IPCC（2001）报告指出，20世纪以来，全地球的地面气温平均以0.4-0.8℃的幅度增长[4]，80年代以来全球气候变化最重要的特征是温度上升，这是不容置疑的[5]。进入90年代后，增暖的趋势更加明显[6]，研究表明这种增长趋势与最高气温的上升是紧密联系在一起的[7]，地球温度的上升使得极端气温、降水，霜冻，暴雪，寒潮等极值事件发生了重大改变，甚至会出现这种可能性，有些极值事件在未来发生的概率会加大，发生的强度会加强[8]。刘吉峰等研究发现：全球变暖使得高温、热浪等暖事件出现的频率增加[9-10]，而王遵娅等研究发现，全球变暖会使得寒潮，霜冻等冷事件出现的频数减少[11]。在极端事件的影响下，经济损失以指数方式增长，人们生活中的损失也成倍地增加，这使人们开始关注极端事件的发生频率，并且越来越重视极端气温及其变化的研究[12]。在此背景下，国内外一些学者对平均气温及极端气温的变化，原因，及其分布特征做了一些研究[13-18],研究结果表明，昼夜的温度变化并非是对称的。

我国的气候在全球气候的影响下，也发生了一些改变，尤其是平均气温的变化。总体来看，我国的平均温度是上升的，幅度是0.5-0.8oC[19]，而且冬季最低气温上升的幅度是显而易见的，研究表明近50年来，我国冬季气温平均上升了1.8℃[20]。史岚等研究发现，我国日最低气温发生第一次暖性突变的时间是1975年前后，可是变化幅度并不大，仅仅以小波动的形式表现出来，而到了1985之后出现了第二次变暖突变，这次的突变趋势是极为明显的[21]。增暖后中国极端低温的概率分布发生了显著的改变，极端低温偏冷的概率明显减小，偏暖的概率明显增大[22]。过去几十年的研究发现，最低气温的上升幅度明显大于最高气温[23]。并且在时空分布上表现出相应的特征[24]。张勇等[25]研究发现，未来最低气温可能还会继续上升,而且南方地区的升温幅度会小于北方地区。而我国西北地区的温度变化主要是冬季夜间呈变暖的趋势[26]。翟盘茂等[27]的研究表明，最低气温在全国大范围地区是升高的，尤其是高纬度地区。气温异常往往与环流异常紧密联系，孙诚，李建平[28]对2009／2010年北半球冬季异常低温进行研，发现此次极端事件与极区平流层和副热带的对流层顶层存在的两股急流密切相关。

文章选取了 33年（1979-2011）年160个测站冬即当年12月至次年2月的日气最低温资料，运用EOF分析法研究了中国冬季近30年来冬季最低气温的时空分布特征；用NCEP/NCAR再分析资料对最低气温异常年份进行大气环流的合成分析，从而得出相关结论。

1 资料与方法介绍

1.1 资料介绍

文章中的站点资料来源于中国共160个测站（如图1所示）的气温资料。在全国的160个测站中东北地区有19个测站，华北地区有32个测站，西北地区地区有16个测站，江淮地区有55个测站，滇藏地区共有38个测站。测站的分布是东部地区远远多于西北地区。在此基础上选取1979—2011年间我国冬季（当年12月至次年2月）的日最低气温资料，研究我国近30年来冬季平均最低气温的时空分布特征。

使用的格点资料来源于NCEP/NCAR提供的1979—2011年的月平均再分析资料，格点分辨率为 2.5°×2.5°， 包括 500hPa 高度场，850hPa 的风场资料，运用格点资料进行环流的合成分析，从而找出我国冬季最低气温异常与环流的可能关系。

1.2 方法介绍

图1 中国160个站点分布图

文章运用EOF（经验正交函数）分析和环流合成分析的方法进行分析。EOF分析法又称为主分量分析法或主成分分析法,该方法是用来分析气象场时间和空间变化的主要信息，该方法以场的时间序列为分析对象，用来研究气象场影响的时间变化和空间变化规律，及其相关性。由于EOF分解没有固定的函数形式，具有可操作性强，灵活度高的特点，能够在有限的区域对不规则分布的站点数据进行分解，展开时不光收敛快，能够分离出有特定物理意义的空间结构，而且能够很容易地将变量信息汇集在几个模态上，对于各个物理量的研究及其相关性的分析、研究具有十分的重要意义，因此EOF分析不但用于观测资料的分析，还用于GCM资料的分析和数值模式的设计。现在，EOF分析法在大气科学的研究中已作为一种基本的研究方法被广泛应用。用此方法分析、研究了中国近30年冬季最低气温的时间和空间分布特征。

环流合成分析可以直观地表现出特定研究对象的环流特征，特定高度场的气候平均态表示的是研究对象在一定时间内环流的平均状态，而距平场则可以表示出所选对象在特定时间内的异常变化，通过两者的对比，从而分析出气温变化的影响因子及其与环流的可能关系。

文章先对1979—2011年冬季共160个站点33年的冬季日最低气温资料进行EOF分解，输出特征向量场、时间系数、贡献率等量，从而分析出我国冬季平均气温在不同模态下的空间和时间分布特征；然后对第一模态的时间系数进行标准化后，选取气温异常的年份，并用NCEP/NCAR再分析资料，选取了10个典型年份 （1980年，1981年，1984年，1985年 ，1998 年 ，1999 年 ，2002 年 ，2005 年 ，2007 年 ，2011年）进行500hPa高度场和850hPa风场的合成分析，初步分析了我国冬季最低气温与大气环流之间可能存在的关系。

2 冬季最低气温的分布特征

2.1 不同模态的方差贡献

方差贡献率指的是变异的单个公因子在总变异中所占比例的大小，表示的是此公因子对因变量的影响程度；累计方差贡献率是指全部的变异公因子在总变异中所占的比例，表示的是全部的变异公因子对因变量的影响程度。

前8个EOF对场的总方差的贡献率和累计方差贡献率见表1。由表1可看出EOF第一模态对场的总方差的贡献率和累积贡献率均为49%，EOF第二模态对场的总方差的贡献率为17.6%，累积贡献率位66.7%，EOF第三模态对场的总方差的总贡献率为9.4%，累积贡献率为76%。由于后面的几个模态的方差贡献率比较小，因此本文选取前三个模态作为研究对象。

表1 前8个EOF分量场对场总方差的贡献

2.2 第一模态分布特征

EOF空间分布反映各区域的相关关系。时间系数表示的是对应空间场的时间演变特征。图2表示的是EOF第一模态的空间分布，其方差贡献率约为49%。图3是EOF第一模态下的时间分布图，表示1979-2011年间冬季最低气温的空间分布对应的时间系数变化曲线。

从图2中可以看出东北和华北部地区的值为正且较大，江南地区和黄淮的部分区域的值接近零，而青藏高原地区的值较小甚至出现负值。这表明在第一模态下，我国东北地区，华北北部地区，西北地区，黄淮地区及江南地区冬季最低气温的变化是一致的，即同时升高同时降低。而青藏高原地区与这些区域的最低气温变化与这些地方刚好相反。从图3中可以看出，时间系数整体的变化趋势是在波动中上升。1979－1985年间时间系数为负，并且在1984年达到负的最大值；在20世纪90年代初期时间系数由负转正，说明在20世纪90年代前，冬季最低气温在东北地区较低，青藏高原地区较高。在此后期，东北最低气温有升高的趋势，而青藏高原地区则有下降趋势。

图2和图3结合来看，1979-2011年间冬季最低气温的空间分布有着比较明显的年代际变化特征。1979年的时间系数为正值，1979-1985年间的时间系数为负值；1985－1992年间时间系数为正值，变化较大，东北和华北北部地区增温的趋势显著；1992－2000年间时间系数呈现正负波动的变化；2000年之后时间系数也是正负波动变化，但比1992－2000年间的波动变化要更大些。

图2 EOF第一模态的空间分布图（横坐标是经度，纵坐标是纬度）

图3 EOF第一模态的时间系数

2.3 第二模态特征分析

图4表示EOF第二模态的空间分布图，从图中可以看出，东北、新疆北部及华北北部地区的温度变化与其他地区的温度相比，呈现出反向变化的特征。即当我国南方地区的冬季最低温度降低时，东北、新疆北部和地区华北北部的最低温度升高；反之，当我国南方地区的冬季最低温度偏高时，东北、新疆北部和华北北部地区的最低温度偏低。

图5表示第二模态下，1979-2011年间冬季最低气温的时间系数变化曲线，从图中可以看出在不同的年份时间系数是正负位相交替变化的，表现出稍微下降的趋势。其中，在1989—2001年间时间系数的正负位相的变化趋势是最为显著的。

图4、图5结合来看，1979-2011年时间系数正负波动，表现出下降的趋势，在第二模态的分布场中在不同的时间段内，不同地区的冬季最低气温变化表现出比较明显的差异。

图4 EOF第二模态的空间分布图（横坐标是经度，纵坐标是纬度）

图5 EOF第二模态的时间系数图

2.4 第三模态特征分析

图6表示EOF第三模态的空间分布图，从图中可以看出我国冬季最低气温在全国范围内的变化是比较复杂的，有很明显的区域变化的特征。东北，华北，华中，华南和西北地区的冬季最低气温变化一致；青藏高原地区与这些区域相比，冬季最低气温呈现出相反的变化。

图7表示第三模态下，1979-2011年间冬季最低气温空间分布对应的时间系数变化曲线，从图上可以看出近30年冬季时间系数表现出比较明显的下降趋势。1998年是个时间转折点，时间系数由正位相向负位相转变，表现出下降的趋势，而且这种趋势十分明显。而且1993—2000年这个时间段内时间系数波动变化十分明显，以两年为周期，呈现出“正负正负”的准周期震荡的特点。

图6 EOF第三模态的空间分布图（横坐标是经度，纵坐标是纬度）

图7 EOF第三模态的时间系数图

图7和图8结合来看，在第三模态下，近30年中国冬季最低气温的变化大体可以分为三个时间段。在第一时间段（1979—1992年）内，时间系数的变化是比较稳定的。除了1984年外，时间系数均为正值，东北地区、西北地区、华中、华南地区的冬季最低气温偏高，青藏高原南部地区冬季最低气温偏低。第二个时间段（1993—2000年）内，时间系数以两年为一个周期，在正负值间波动变化。第三个时间段（2000-2011年）内时间系数均为负值，表示在东北地区，西北地区，长江以南，四川盆地以东地区的冬季最低气温较往年是偏低的。

结合第一，第二，第三模态可以看出，近30年来我国冬季最低气温的最主要变化是全国大范围的变暖趋势，但在不同模态下，不同地区冬季最低气温的变化差异是比较显著的，这说明我国近30年的冬季最低气温的变化存在着明显的时间变化特点。

3 冬季最低气温与环流的可能联系

3.1 冬季最低气温异常年份的选取

为了研究冬季最低气温异常与环流的可能关系，对第一模态的时间系数进行标准化后，选出异常的年份进行环流的合成分析。把大于一个标准差及其以上的年份定义为气温异常的年份。

图8是第一模态的时间系数标准化图。从图中可以看出冬季最低气温正异常年份是1998年，1999年，2002年，2007年；冬季最低气温负异常的年份是 1980年，1981年，1984年，1985年，2005年和2011年。

图8 第一模态的时间系数标准化

3.2 冬季最低气温异常年份500hPa高度场的合成分析

图9给出了1979-2011年冬季500hPa高度场气候平均态，从图中可以看出，在500hPa高度场的平均态上，在鄂霍次克海附近有一明显的槽（东亚大槽）存在，中纬度地区则存在较弱的槽脊，亚欧大陆区以弱的槽脊为主，纬向环流特征明显，我国几乎所有地区都位于弱脊区。

图9 1979-2011年冬季500hPa高度场的气候平均态(单位：gpm)

图10表示冬季最低气温正异常年份的500hPa高度场的距平合成分析；图11表示冬季最低气温负异常年份500hPa高度场的距平合成分析；图12表示冬季最低气温正负异常年500hPa高度场距平的合成差值。

从图10可以看出，在冬季最低温度正异常的年份，亚欧大陆区几乎全部为正距平区，正距平中心位于贝加尔湖附近。正距平区覆盖范围大，强度强，会使得东亚大槽阻塞减弱，贝加尔湖东侧的脊加深加强。我国几乎全部地区处于正距平区，由于东亚大槽减弱，环流纬向度加大，经向度减小，冷空气减弱，我国冬季最低气温偏高。其中，通过0.1置信度的显著性水平检验的区域是我国东北北部，内蒙古北部地区及新疆西北部地区，表明在冬季最低气温正异常年份这些地方的最低气温是异常偏高的。

图10 冬季最低气温正异常年500hPa高度场距平合成

图11 冬季最低气温负异常年500hPa高度场距平合成(阴影部分表示通过0.1置信度的显著性检验，单位：gpm）

图12 冬季最低气温正负异常年500hPa高度距平的合成差值(气温负异常-正异常，阴影部分表示通过0.1置信度的显著性检验单位：gpm)

从图11可以看出，冬季最低温度负异常的年份，鄂霍次克海附近即我国东北部地区为负距平区，东亚大槽加深，环流经向度加大，冷空气加强，使得我国冬季最低气温偏低。对其做0.1的显著性检验可知，在冬季最低气温负异常年份，我国新疆西北部地区的最低气温异常偏低。

从图12可以看出，在冬季最低气温正负异常年500hPa高度距平合成的差值图中，通过0.1信度的差值区有两块，分别是中高纬的贝加尔湖西部地区即我国的东北北部，新疆北部地区甘肃西北部，内蒙古地区和中纬度我国的云南，广州广西地区。两块差值区都是负值区，说明对流层中层影响我国我国新疆北部地区冬季最低气温异常关键系统有东亚大槽和贝加尔湖东侧高压脊。

3.3 气温异常年份850hPa风场的合成分析

图13是冬季最低气温正异常年850hPa风场的合成；图14是冬季最低气温负异常年850hPa风场的合成；图15是冬季最低气温正负异常年850hPa风场的合成差值。

从图13可以看出，在冬季最低气温的正异常年，850hPa风场的合成图上中低纬度地区的东海地区风向逆时针旋转，风场有明显的的辐合；中高纬地区，贝加尔湖东侧我国的东北附近风场辐散，而在东西伯利亚地区则有风场的明显辐合。在冬季最低正异常年，北风分量和西风偏弱，南下的北风被削弱，冷空气减弱，导致我国冬季最低气温偏高。通过0.05置信度的显著性检验的地方有我国的青海北部，新疆地区，青藏高原东南部和我国的南方地区。

从图14可以看出在冬季最低气温的负异常年我国东北地区的风场明显辐合，而我国南方地区风场有辐合的趋势但并不明显。北风分量偏强，直接抵达南海地区。使得我国冬季最低气温偏低。我国西部地区大都都通过了信度为0.05的显著性水平检验。

图13 冬季最低气温正异常年850hPa风场的合成(阴影部分表示通过0.05置信度的显著性检验，单位：m/s)

图14 冬季最低气温负异常年850hPa风场的合成（阴影部分表示通过0.05置信度的显著性检验，单位：m/s）

图15 冬季最低气温正负异常年850hPa风场的合成差值（阴影部分表示通过0.05置信度的显著性检验，单位：m/s)

从图15可以看出在冬季最低气温正负异常年850hPa风场的合成的差值图上，贝加尔湖附近有风场的辐合，南海地区有风场的辐散，在中纬度地区盛行西风。我国西部绝大部分地区差值显著。

4 结果与讨论

4.1 结果

通过对中国160个测站1979－2011年共33年冬季的日最低气温做EOF分析，并对前三个模态进行分析，研究发现三个模态反应的冬季最低气温的特时空分布征存在较大差异。

1）在第一模态（方差贡献率为49%）中，中国冬季最低气温分布表现出年代际的变化特点，并且从整体上看我国冬季最低气温的变化趋势是增暖的。

2）在第二模态（方差贡献率为17.6%）中，时间系数呈略微下降的趋势。分量场中在不同的时间段内，冬季最低气温的变化表现出比较明显的差异，具体表现为东北地区，华北北部和新疆北部地区与其他地区相比，最低气温的变化是相反的。也就是说我国南方地区的冬季温度降低时，东北、新疆北部和地区华北北部的温度升高；反之，当我国南方地区的冬季温度升高时，东北、新疆北部和华北北部地区的温度偏低。

3）在第三模态（方差贡献率为9.4%）中，时间系数下降的趋势较为明显。我国冬季最低气温的变化大体可以分为三个不同的时间段，其中在第二个时间段内气温的变化表现出准两年周期的变化特征。冬季最低气温有着很明显的区域变化的特征，不同区域在不同时间段内的气温变化是有比较明显的差异的。

对1979-2011年冬季500hPa高度场做合成分析后发现，冬季500hPa高度场气候平均态图表现为：亚欧大陆中高纬以弱槽脊活动为主，但在鄂霍次克海地区有一明显的槽即东亚大槽存在。我国大部分地区位于弱脊区。

850hPa风场的合成图上，在冬季最低气温的正异常年，南下的北风分量和西风分量偏弱，冷空气减弱，导致我国冬季气温偏高。在冬季最低气温的负异常年，北风分量偏强，带来大量高纬度地区的冷空气南下，直接抵达南海地区，使得我国冬季最低气温偏低。

4.2 讨论

文章只是初步分析了中国近30年中国冬季最低气温的时空分布特征及其最低气温异常年份与500hPa高度场和800hPa风场的关系，由于地气系统及海洋系统间的联系极其复杂，因此冬季最低气温分布的时空物理机制极其更多的影响因子还有待于进一步的研究。