气候变化背景下宁夏冬季气温月尺度变化特征

高 娜,孙 健,高睿娜,王素艳

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏回族自治区气候中心，宁夏 银川 750002；3.宁夏气象局，宁夏 银川 750002)

引 言

近百年来，随着自然气候波动和人类活动影响，全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。IPCC第五次评估报告指出，全球气温自1998年以来进入变暖趋缓时期，且这种变化还有可能持续一段时间，但并不会改变全球变暖的整体趋势。我国气温变化与全球气温变化趋势一致[1-2]。冬季是增暖最明显的季节，因而对冬季气温变化的研究有助于理解气候增暖的本质和探索气温年代际变率的特征及原因。我国西北地区目前仍属于暖期，且近10多a来气温仍有明显上升趋势，但不同地区的变化规律不尽相同[3-5]。宁夏位于西北地区东部，是气候变率较大的地区之一，宁夏气温明显升高，冬季气温升高更明显；气温异常主要出现在1、2月，异常偏低的幅度明显大于异常偏高的幅度，相邻2旬间气温变化幅度增大，且冬季的最冷时段发生变化[6-11]。

关于冬季气温变化的研究通常针对12月至次年2月或者11月至次年3月的平均气温数据进行分析[12-14]，即假设冬季3个月或者5个月具有基本一致的变化特征，因此其平均值可以反映整个冬季的情况。但这种假设在科学研究和实际预测业务应用中存在一定的局限性。例如黄嘉佑等[15]指出中国内陆冬季气温前冬和后冬存在不同的变化趋势。研究发现这种冬季气温季节内的变化特征在冬季平均气温场上无法体现。

因此，结合宁夏冬季气温的研究成果，本文重点分析宁夏冬季气温在季节内月尺度上的变化特征，以期为更加全面深入认识宁夏冬季气温的变化机理和冬季气候预测提供有意义的信息。

1 资料与方法

1.1 资 料

所采用的主要资料为宁夏1961—2018年具有连续观测值的20个气象站(图1)12月至次年2月日平均气温资料。冬季是指当年12月至次年2月。气候基准值取1981—2010年平均值。

图1 宁夏气象站点分布Fig.1 The distribution of weather stations of Ningxia

1.2 季节经验正交函数(S-EOF)分解法

季节经验正交函数(S-EOF)分解法是由WANG等[16]研究太平洋海温季节演变及其年际变化时提出的一种依赖于季节的经验正交函数分析方法。该方法通过计算逐个季节平均数据，假设各季节要素场均为m个空间点和n次观测组成的m×n阶矩阵，将四季的要素场合并，组成新的4m×n阶矩阵，再对这些季节序列组成的矩阵进行EOF分析，最终得出的每个S-EOF模态含有4个空间型。该方法能够较好地表示出要素场的季节演变和年际变化特征。丘福文等[17]利用S-EOF分析了南海海盆区冬季到秋季的海面高度距平年际变化，黄菲等[18]则利用该方法对初冬(11—12月)、深冬(1—2月)、初春(3—4月)500 hPa位势高度距平场进行分解，研究了初冬到初春东亚大槽的变化特征。孙健等[19]利用该方法分析了我国冬季气温场的空间异常分布和协同变化特征。本研究首先计算了宁夏冬季各月(12月至次年2月)平均气温的标准化距平序列，再对这些序列组成的矩阵进行EOF分解，最终得出的每个S-EOF模态含有3个空间型，分别代表12月及次年1、2月的平均气温距平随时间演化的空间型，同时这3个不同月份的空间型通过相同的时间系数序列联系起来。

2 冬季气温变化特征

1961—2017年，宁夏冬季平均气温为-5.7 ℃，其中12月、1月、2月的平均气温分别为-5.7 ℃、-7.6 ℃和-3.9 ℃。图2 为1961—2017年宁夏冬季气温距平年际变化。可以看出，1989年之前，冬季气温距平以负值居多，平均气温为-6.5 ℃，1989年之后以正值居多，平均气温为-5.0 ℃，气温存在较明显的上升趋势。从冬季逐月气温变化来看，1989年之前12月、1月、2月气温分别为-6.4 ℃、-8.1 ℃和-5.0 ℃，1989年之后分别为-5.0 ℃、-7.1 ℃和 -2.8 ℃。各月气温均有上升趋势，其中2月上升趋势较其他两个月更加明显。

图2 1961—2017年宁夏冬季气温距平年际变化Fig.2 The inter-annual variation of winter temperature anomaly in Ningxia during 1961-2017

通过分析1961年以来宁夏冬季气温发现，有超过60%的年份冬季3个月的气温变化不一致。考虑实际业务需求，有必要分析冬季气温月尺度变化特征。

3 冬季气温月尺度变化特征

为详细分析宁夏冬季气温的月尺度变化特征，对宁夏20个站冬季各月气温进行S-EOF分解。1961—2018年宁夏冬季各月气温S-EOF分解的前3个模态累计方差贡献率为92.8%，其中第1、2和3模态方差贡献率分别为50.3%、27.0%和15.5%。

图3为宁夏1961—2017年冬季月气温S-EOF第1模态的12月、1月、2月空间型及标准化时间系数。可以看出，宁夏冬季月气温在空间尺度上具有很好的一致性，即全区一致的偏暖或者偏冷。12月至次年1月再到2月空间型的大值范围自北向南逐渐增大，反映冬季冷空气自北向南影响宁夏，且载荷向量值2月高于1月，1月高于12月，表明2月气温出现异常的程度要较12月及1月强。从第1模态的标准化时间系数及其变化趋势来看，冬季第1模态一致性的变化特征在年代际尺度上呈现出较明显的上升趋势。1990年代之前，时间系数以负值为主，宁夏冬季一致偏冷，1990年代之后，以正值为主，宁夏冬季气温一致偏暖。

图3 宁夏1961—2017年冬季月气温S-EOF第1模态的12月(a)、1月(b)、2月(c)空间型及标准化时间系数(d)Fig.3 The spatial patterns in December (a), January (b) and February (c) and standardized time coefficients (d) of the first mode of S-EOF analysis of monthly temperature in winter in Ningxia during 1961-2017

图4为宁夏1961—2017年冬季月气温S-EOF第2模态的12月、1月、2月空间型及标准化时间系数。可以看出， 12月与1、2月空间型呈相反的分布特征。12月全区载荷向量均为负值，载荷向量值均小于-0.6，1月及2月全区载荷向量值均为正值，1月大部分区域为0.2～0.5，2月较1月略小，为0.2～0.3。从第2模态的标准化时间系数及其变化趋势来看，1961年以来，宁夏冬季气温整体存在从前冷后暖向前暖后冷转变的趋势。

图4 宁夏1961—2017年冬季月气温S-EOF第2模态的12月(a)、1月(b)、2月(c)空间型及标准化时间系数(d)Fig.4 The spatial patterns in December (a), January (b) and February (c) and standardized time coefficients (d) of the second mode of S-EOF analysis of monthly temperature in winter in Ningxia during 1961-2017

图5为宁夏1961—2017年冬季月气温S-EOF第3模态的12月、1月、2月空间型及标准化时间系数。可以看出， 12月至次年2月的空间型中，载荷向量值表现为北部地区(吴忠以北)“-+-”，中南部地区(吴忠以南)“++-”变化特征，表明宁夏冬季各月气温变化的区域性差异。并且在12月至次年2月，都存在中南部载荷向量绝对值大于北部的特征，表明相对于北部来讲，中南部更加敏感。1970年代末期之前时间系数以负值居多，结合空间场表明12月至次年2月，北部为暖、冷、暖分布型，中南部为冷、冷、暖分布型；1970年代末期至2000年，时间系数以正值居多，表明这一时期北部为冷、暖、冷分布型，中南部为暖、暖、冷分布型。2000年代以来，时间系数又以负值居多，这一时期分布型与1970年代末期之前相同。

图5 宁夏1961—2017年冬季月气温S-EOF第3模态的12月(a)、1月(b)、2月(c)空间型及标准化时间系数(d)Fig.5 The spatial patterns in December (a), January (b) and February (c) and standardized time coefficients (d) of the third mode of S-EOF analysis of monthly temperature in winter in Ningxia during 1961-2017

4 大气环流对冬季气温月尺度变化的可能影响

气温异常最直接的影响因子是大气环流异常，影响我国冬季气温异常的大气环流因子主要有东亚冬季风、西伯利亚高压、北极涛动、副高和青藏高原高度场等。针对宁夏冬季气温异常的研究中，王素艳等[11]研究指出，冬季北半球极涡面积、亚洲西风环流指数和西太平洋副热带高压强度指数对宁夏冬季气温有明显影响。董国庆等[20]指出不仅500hPa位势高度场的乌拉尔山高压脊和副高是影响宁夏冬季气温异常的主要系统，西伯利亚高压也是影响宁夏冬季气温异常的关键系统。考虑到前人对冬季气温的研究默认以冬季3个月气温的平均值代表冬季整体的气温状况，也即是说研究重点是本文第1模态全区一致偏暖或偏冷的情况，由于对于这一变化的分析研究已经有很多成果，因此本文主要从500 hPa位势高度场、海平面气压场入手分析大气环流对冬季气温S-EOF分解后的第2、第3模态分布型的可能影响。

4.1 第2模态分布型下的500 hPa位势高度场及海平面气压场

图6为1961—2017年宁夏冬季逐月气温S-EOF分解第2模态标准化时间系数分别与冬季12、1、2月500 hPa位势高度场及海平面气压场相关系数。可以看出，与12月500 hPa位势高度的相关系数场上西伯利亚地区为正相关，中国大陆为负相关，北太平洋地区为正相关，即自西北至东南呈“+-+”型相关分布，其中通过0.05显著性检验的区域位于西伯利亚及中国大陆，即宁夏冬季气温第2模态与12月北半球500 hPa位势高度在中高纬度呈正相关，相关系数最大值在贝加尔湖西侧，与中国大陆上空靠近中纬度东亚大槽的地区呈负相关，相关系数最大值在中国西北地区东部。与1月500 hPa位势高度的相关系数分布场在乌拉尔山附近及中国大陆地区与12月呈相反的分布型，与北太平洋地区基本一致，即为“-++”的相关型分布，通过0.05显著性检验的区域位于乌拉尔山地区及中国大陆，即宁夏冬季气温第2模态与1月北半球500 hPa位势高度场在中国大陆上空为显著正相关，而在乌拉尔山地区为负相关。2月的分布与12月相反，与1月相似，但中国大陆的负相关区没有通过显著性检验。12月至次年2月，若乌拉尔山高压脊、东亚大槽存在月际间的强弱调整过程，则冬季气温会随之变化。S-EOF第2模态与冬季各月500 hPa位势高度场存在比较好的对应关系，当冬季气温为第2模态分布型时，12月宁夏上游的乌拉尔山高压脊强(弱)，东亚大槽强(弱)，副高强(弱)，12月宁夏气温偏低(高)，1月及2月宁夏上游的乌拉尔山高压脊弱(强)，东亚大槽弱(强)，副高偏强(弱)，1月及2月宁夏气温偏高(低)。与海平面气压相关系数场表现为，12月西伯利亚地区以正相关为主，1月及2月以负相关为主，且通过0.05的显著性检验。当冬季气温为第2模态分布型时，12月西伯利亚高压更加深厚时，有利于东亚冬季风增强，宁夏12月气温偏低，1月及2月西伯利亚高压减弱，冬季风偏弱，1月及2月气温偏高，反之亦然。

图6 1961—2017年宁夏冬季逐月气温S-EOF第2模态标准化时间系数分别与冬季12月(a、b)、1月(c、d)、2月(e、f)500 hPa位势高度场(a、c、e)及海平面气压场(b、d、f)的相关系数(阴影区表示通过0.05和0.01的显著性检验)Fig.6 The correlation coefficients between 500 hPa geopotential height (a, c, e), sea level pressure (b, d, f) in December (a, b), January (c, d) and February (e, f) and standardized time coefficients of the second mode of S-EOF analysis of monthly temperature in winter in Ningxia during 1961-2017 (The shaded areas passed the 0.05 and 0.01 significance test)

4.2 第3模态分布型下的500 hPa位势高度场及海平面气压场

图7为1961—2017年宁夏冬季逐月气温S-EOF第3模态标准化时间系数分别与冬季12、1、2月500 hPa位势高度场及海平面气压场相关系数。可以看出， 与500 hPa位势高度场的相关系数表现为12月及1月分布基本一致，西伯利亚地区以负相关为主，中国大陆以正相关为主，而2月分布型基本与12月及1月相反，西伯利亚地区为正相关，中国大陆地区为负相关。第3模态与冬季各月500 hPa位势高度场有很好的对应关系，即当中国冬季气温为第3模态分布型时，12月及1月乌拉尔山高压脊弱，中纬度地区东亚大槽弱，副高偏强，宁夏吴忠以南地区12月及1月气温偏高，吴忠以北地区气温12月偏低，1月偏高；2月宁夏上游的乌拉尔山高压脊偏强，中低纬度地区东亚大槽强，西太平洋副热带高压偏弱，2月宁夏气温偏低，反之亦然。与海平面气压相关系数场表现为12月及1月的相关系数分布与2月相比是基本相反的分布型，其中12月与1月西伯利亚地区以负相关为主，2月西伯利亚地区为正相关。当冬季气温为第3模态分布型时，12月及1月海平面气压场上表现为西伯利亚高压更加深厚时，有利于东亚冬季风增强，宁夏12月及1月气温偏低，2月西伯利亚高压减弱，冬季风偏弱，2月气温偏高，反之亦然。

图7 1961—2017年宁夏冬季逐月气温S-EOF第3模态标准化时间系数分别与冬季12月(a、b)、1月(c、d)、2月(e、f)500 hPa位势高度场(a、c、e)及海平面气压场(b、d、f)的相关系数(阴影区表示通过0.05和0.01的显著性检验)Fig.7 The correlation coefficients between 500 hPa geopotential height (a, c, e), sea level pressure (b, d, f) in December (a, b), January (c, d) and February (e, f) and standardized time coefficients of the third mode of S-EOF analysis of monthly temperature in winter in Ningxia during 1961-2017(The shaded areas passed the 0.05 and 0.01 significance test)

5 结 论

(1)1961—2017年宁夏冬季各月气温S-EOF分解的前3个模态累计方差贡献率为92.8%，其中第1、2和3模态方差贡献率分别为50.3%、27.0%和15.5%。第1模态各月空间型表现为全区一致的冷暖变化特征；第2模态12月空间型与1、2月反向分布；第3模态基本为2月空间型与12、1月反向分布。

(2)12月至次年2月，若乌拉尔山高压脊、西伯利亚高压、东亚大槽存在月际间的强弱调整过程，则冬季气温会随之变化。这种变化与冬季气温S-EOF分解后的第2、第3模态的时空分布存在很好的对应关系:当冬季气温为S-EOF第2模态分布型时，12月宁夏上游的乌拉尔山高压脊强(弱)，中纬度地区东亚大槽强(弱)，西太平洋副热带高压偏强(弱)，西伯利亚高压更加深厚(减弱)，有利于东亚冬季风增强(偏弱)，12月宁夏气温偏低(高)；1月及2月宁夏上游的乌拉尔山高压脊弱(强)，中纬度地区东亚大槽弱(强)，西太平洋副热带高压偏强(弱)，西伯利亚高压减弱(增强)，冬季风偏弱(增强)，1月及2月宁夏气温偏高(低)。第3模态亦然，第3模态的12月及1月与第2模态12月在500 hPa高度场及海平面气压场上有相似的分布特征，2月与第2模态1月及2月有相似的分布特征。

DOI：10.1029/2005GL022709.