山东冷暖冬划分及其与ENSO的关系

高 理，邹 瑾

（1.山东省气象防灾减灾重点试验室，山东 济南 250031；2.山东省气候中心，山东 济南 250031）

20世纪80年代以来，全球气候变暖问题引起了科学界的广泛关注，气温变化及其预测成为当前科学界乃至整个社会都十分关注的热点问题[1-4]。在全球气温变化的大背景下，中国乃至各个区域的冬季气温变化也出现了不同程度的异常[5-12]。陈佩燕等[2]认为，前期夏、秋季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，对预测我国东部地区冬季温度异常有一定的意义。穆明权等[13-14]研究发现，东亚冬季风活动与ENSO（El Niño-Southern Oscillation）的发生有明显的关系，El Niño（La Niña）的爆发将通过大气遥相关，使得东亚冬季风偏弱（强）。李勇等[15]认为，低纬度地区的海表温度异常经常引起大气环流的异常，ENSO与冬季温度的关联区位于35°N以北的整个北方及长江中下游地区。赵俊虎等[16]在对2019/2020年我国冬季气候特征分析中发现，2019年秋冬季赤道中太平洋暖海温发展，此类中部型El Niño海温异常有利于激发偏强、偏北的西北太平洋反气旋，加之AO偏强的正位相，共同导致了欧亚中高纬地区以纬向环流为主，东亚冬季风偏弱。

针对山东冬季气温，有学者做过分析[17-19]，近几十年来，气温升高趋势明显，但21世纪以来，冬季波动式增暖，尤其是2009—2012年，在冬季变暖的背景下连续4 a冬季气温偏低，引起关注。针对冬季气温的预测，前期定性研究较多，而关于山东冬季气温异常程度研究的较少，本文通过分析山东省强弱冷暖冬年，找出强弱冷暖冬前期及同期海温场演变规律，及对应的环流场特征，为山东省冬季气温异常等级预测提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

选用1961/1962—2019/2020年山东省122站的冬季（12月—次年2月）逐月平均气温资料、NOAA的NCEP全球海温资料（2.0°×2.0°，88°N～88°S，0°～358°E）和NCEP/NCAR再分析500 hPa高度场资料、850 hPa风场资料（2.5°×2.5°，90°N～90°S，0°～357.5°E）。

1.2 方法

采用GB/T 21983—2008暖冬等级、GBT 33675—2017冷冬等级划分方法，筛选山东省冷暖冬年。以暖冬等级划分为例，单站冬季平均气温距平（ΔT）大于或等于暖冬阈值，定义为单站暖冬。单站暖冬划分为强和弱两个等级（表1）。

表1 单站暖冬等级划分

计算公式如下：

式中，T为冬季平均气温的气候平均值（1981—2010年），tj为逐年冬季平均气温，j为年份序号，k为序列长度30 a，n为序列长度59 a，δ为59 a冬季平均气温的标准差。

区域范围内暖冬站点数超过站点总数的50%，定义为区域暖冬，在区域暖冬年，区域范围内强暖冬站点数超过暖冬站点数的50%，定义为区域强暖冬，否则为区域弱暖冬。同理，依据GBT 33675—2017冷冬等级划分方法计算得到区域强冷冬年和区域弱冷冬年。

2 冬季气温基本特征

近59 a来，山东省冬季升温明显，倾向率为0.45℃/10 a，线性倾向估计分析超过α=0.001的显著性水平。由图1可知，山东冬季气温呈阶段性变化，20世纪60—80年代中期处于偏冷阶段，20世纪80年代中期至今处于偏暖阶段，2019年最高，偏高2.3℃，进入21世纪，气温增暖减缓，波动较大，尤其2009—2012年冬季气温逐年下降且均低于常年值。气候变暖背景下，气温年代际差异明显，通过M-K检验计算得到，山东冬季在1987年出现暖突变，因此本文在计算冷暖冬年时，将此变暖趋势背景去除。

图1 1961—2019年山东省冬季平均气温距平

利用1981/1982—2010/2011年冬季平均气温（去趋势项）计算气候平均值，得到冷暖冬年（表2）。对山东冬季气温做EOF分析发现[19]，全区一致性暖（冷）型特征向量的累积方差贡献率达93.7%，说明山东冬季气温距平场主要空间结构分布比较均匀，因此，所选出的冷暖冬年能够代表全省一致的情况。

3 冷暖冬前期海温场对比分析

3.1 冬季气温与海温场相关分析

由1961—2019年山东冬季气温与前期秋季、同期冬季赤道中、东太平洋（10°S～10°N，160°E～80°W）海温的相关系数（图2）可知，前期、同期相关系数通过0.05的显著性检验的海域不同。前期秋季，与山东冬季气温相关性较高的海域位于中太平洋，主要集中在Nino4区（5°S～5°N，160°E～150°W）（图2a），同期冬季与山东冬季气温相关性较高的海域位于赤道东太平洋，主要集中在Nino1+2（10°S～0°N，90°～80°W）（图2b）。说明ENSO与山东省冬季气温密切相关，对冬季气温影响的关键海区随季节有所改变。

图2 山东省冬季气温与前期秋季（a）、同期冬季（b）海温场相关系数（1961—2019年）

穆明权、陶诗言等研究发现，东亚冬季风活动与ENSO的发生有明显的关系，陶诗言等[20]指出亚洲冬季风的年际变化受到ENSO暖期和冷期过程的影响，在ENSO的暖期和冷期冬季亚洲上空500 hPa高度距平、温度距平是相反的，使得La Niña年东亚冬季寒潮偏强，El Niño年东亚冬季寒潮偏弱。根据GB/T 33666-2017厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法中的事件特征量综合表，对历史上ENSO年去趋势项的冬季气温距平做统计，发现山东冬季气温与赤道中东太平洋海温有规律性的关系（表3），1961年以来，暖事件下20 a中有12 a冬季气温为正距平，冷事件下15 a中有11 a冬季气温为负距平。其中，1964年1月暖事件结束，5月开始冷事件；1998年4月暖事件结束，7月开始冷事件；2019年6月暖事件结束，也为El Niño衰减年。这3 a冬季均为强暖冬年。

表3 ENSO事件时山东省冬季气温距平（去趋势项/原值）

3.2 暖冬年海温场特征

孙林海等[4]认为，赤道东太平洋海温的异常变化，常常会引起我国冬季气候的异常。赤道东太平洋海温偏高有利于中国冬季偏暖，赤道东太平洋海温偏低则有利于中国冬季偏冷[21-22]。本文选取赤道中东太平洋区域，对当年1月—次年2月进行逐月合成，进一步分析对比强（弱）冷暖冬的海温演变异同。

强暖冬年，前期赤道中东太平洋El Niño状态在春季时海温正距平迅速减弱转为负距平，夏季在赤道中东太平洋出现2个海温负距平中心，分别在Nino4区（5°S～5°N，160°E～150°W）和Nino3区（5°S～5°N，150°～90°W），中心值相近，为-0.8℃左右，秋季加深，至当年冬季仅剩一个中心，东移至120°W附近，中心值为-1.1℃左右；Nino1+2区（10°S～0°N，90°～80°W）总体同样处于春季海温距平由正转负，夏秋季负距平逐渐加深状态。

与强暖冬年相反，弱暖冬年在赤道中太平洋持续存在一个海温正距平中心，东太平洋为负距平，前期春季位置处在Nino3.4区（5°S～5°N，170°E～120°W），随季节演变稍微东移，正距平范围面积扩大，中心值由0.3℃逐步增加至0.7℃；Nino1+2区同样处于正海温距平状态，随季节海温距平逐渐上升，中心值从春季的0.1℃升至冬季的0.6℃。

3.3 冷冬年海温场特征

强冷冬年，赤道中东太平洋海温为持续的负距平状态。秋季以前，Nino4和Nino3区均为大范围的负距平，中心值约为-0.6℃；秋季至冬季，中心迅速加深至-1.4℃左右，位置东移至120°W附近；Nino1+2区同样为负海温距平，中心值逐渐加深至-0.8℃左右。

弱冷冬年，在热带中东太平洋也存在2个负海温距平中心，分别位于赤道180°W和100°W附近，夏季东侧100°W附近的海温由负转正，秋季又转为负距平，两侧负值中心距平随季节变化较不明显，西侧中心值为0.0～-0.2℃，东侧中心值为0.0～-0.5℃；Nino1+2区一直处于负海温距平状态，中心值维持在-0.5℃左右。

4 关键海区变化特征

4.1 关键海区海温距平的时间演变

赤道中东太平洋的海温在冬季气温异常年发展规律存在明显差异，因此本文选取赤道上影响较为关键的160°E～80°W海域，做前期、同期的经向时间演变分析（图3）。暖冬年对应的不都是暖海温距平状态，强暖冬年反而对应负海温距平状态，而冷冬年该区域大范围为负海温距平，但对应冷海温距平发展的不同阶段和强度。朱益民等[23]指出，处于不同阶段的ENSO事件对中国年际气候异常有不同的影响。王会军等[24]发现，2001/2002年亚洲北部发生超强暖冬事件，而前期同期并未出现ENSO事件。

图3显示，强暖冬年，上年冬季赤道中东太平洋海温为明显正距平状态，春季至夏季由正距平转为负距平，夏末至冬初发展为大范围的负距平，且中心值最低在-1.0℃以下，冬末海温逐渐回暖；Nino1+2区夏秋季负海温距平较弱，最低值在-0.5℃左右，冬季迅速回暖，与前文4个强暖冬年中3 a为El Niño衰减年的分析一致。弱暖冬年，赤道中东太平洋表现为大范围暖海温距平发展，秋末冬初发展到峰期，中心值达0.8℃，位于Nino3区；Nino1+2区正海温距平值较低，且波动发展。

图3 强（a）/弱（b）暖冬年、强（c）/弱（d）冷冬年赤道太平洋海温距平的逐月演变（单位：℃）

强冷冬年存在2个明显负值中心，分别在Nino4区180°W、Nino3区120°W附近。西侧中心在初秋达到峰值，为-0.8℃左右，之后与东侧中心合并东移，秋冬季在Nino3区发展为大面积的负海温距平，中心值达-1.2℃；Nino1+2区在春季至初夏为正海温距平，之后向负海温距平发展，秋冬季达峰值，但较Nino3区弱。弱冷冬年西侧180°W的负海温距平中心值较小，且范围小，周边不断出现弱的正海温距平分布，东侧120°W附近至Nino1+2区在春季为明显的负海温距平，中心值为-0.8℃左右，夏季海温距平波动式回升，秋季再次降低，至冬季负海温距平中心值发展为-0.5℃左右。

4.2 强弱暖（冷）冬年海温差异

根据海温演变规律，选取关键区Nino4、Nino3、Nino1+2进一步分析强弱暖（冷）冬时赤道太平洋海温的变化。分别计算强弱暖（冷）冬年3个区域的区域平均海温距平值作为该关键区海温指数。

图4为暖冬年多年平均的海温指数逐月演变过程，强弱暖冬年具有明显差异，强暖冬年Nino4、Nino3和Nino1+2区指数在春季由正转负，秋末冬初达到最低值，之后快速回升；弱暖冬年三区指数均为正值，波动式发展，秋末冬初达峰值，1月开始回落。

图4 强/弱暖冬年Nino4、Nino3和Nino1+2区平均海温距平逐月演变

图5为冷冬年多年平均的海温指数逐月演变过程，强弱冷冬年3个关键区海温指数均为负值，但强冷冬年指数在夏季时下降明显，Nino3和Nino1+2区指数较Nino4区指数下降趋势更为剧烈，秋季至冬初二者均降至-0.5℃以下，冬末虽然略回升，但仍维持在-0.5℃，较强暖冬的指数要低，且降幅较大；弱冷冬年3个关键区指数由春到冬维持较为平缓的负值，东侧Nino1+2区指数较西侧Nino3、Nino4区指数低。

图5 强/弱冷冬年Nino4、Nino3和Nino1+2区平均海温距平逐月演变

赵振国等[21]认为，我国东部地区冬季气温与ENSO发生、发展过程中北太平洋海温场东西分布型、黑潮区海温的季节变化密切相关。有研究发现，除了ENSO的影响，AO与其配置对东亚冬季气温的影响呈现出非线性的相互叠加[25]。因此，造成山东冷暖冬的原因是多方面的，在考虑赤道中东太平洋海温的影响的同时，要综合分析其他各种因素。

5 大气环流对海温的响应

气候变化是一个复杂的科学问题，涉及到气候系统或地球系统的变化[26]，海洋可以通过海气相互作用影响大气的变率[27]，热带外年际尺度的海气相互作用主要表现为大气对海洋的强迫[28]。大气环流对中国气候异常变化有至关重要的作用，同时El Niño和La Niña事件也对中国气候产生了一定的影响[29]。穆明权等[13]发现，东亚冬季风与ENSO是相互影响的，暖事件爆发后，500 hPa高空槽减弱，热带西太平洋地面反气旋环流维持，不利于中高纬冷空气南下，东亚冬季风减弱；而冷事件爆发后，大气环流与前者相反，地面冷空气偏强，东亚冬季风加强。

对山东冷暖冬年的环流有研究分析，但对不同等级冷暖冬下的环流研究较少。为进一步分析环流特征对热带海温的响应，本文依据冷暖冬等级对应的海温演变特征，选取相应年份，给出了暖事件结束（上一年冬季前后暖事件达顶峰，当年春季前后衰减）、暖事件发展（当年春夏季开始暖事件形成并发展）、强冷事件、弱冷事件当年冬季（当年12月—次年2月）500 hPa位势高度距平合成场形势图（图6）。可以看出，4种情形下欧亚中高纬大气环流有明显差异。总体来看，在暖事件年，欧亚中高纬以纬向环流为主：结束年（图6a）欧亚中高纬高度距平场呈“+-+”分布，欧洲大部、东亚沿岸至北太平洋为正距平，贝加尔湖以北为负距平，表明东亚大槽、中西伯利亚处的高压脊均较常年偏弱，影响山东的冷空气势力弱，导致气温偏高；发展年（图6b）东亚沿岸至北太平洋为负距平，负距平中心位于180°E以东，朝鲜半岛、日本由正距平控制，表明东亚大槽虽然略强但位置明显偏东偏北，欧亚大陆上空距平不明显，仍以纬向环流为主，所以气温易偏高，但强度较弱。而冷事件年，欧亚中高纬以经向环流为主。强冷事件年（图6c）乌拉尔山以北为强正距平区，贝加尔湖周围为强负距平区，表明乌拉尔山高压脊加强且向东北发展，东亚大槽加深且向西南伸展，山东受槽后强劲西北气流影响，气温偏低；弱冷事件年（图6d）东亚沿岸50°N以北为正距平，以南为负距平，表明东亚大槽较弱但向南伸展，冷空气南下影响山东，但强度较弱。

图6 暖事件结束年（a）、暖事件发展年（b）、强冷事件年（c）、弱冷事件年（d）冬季500 hPa位势高度距平合成场

图7为暖冬（a）、冷冬（b）年850 hPa风场距平合成场分布。暖冬年乌拉尔山地区为气旋式环流异常，贝加尔湖及以北为较强的自西向东的纬向风，山东上空以偏南气流异常为主，对应的赤道太平洋上空为西风异常，中纬度太平洋为东风异常；冷冬年，乌拉尔山地区为强劲的反气旋环流，贝加尔湖及以西为偏北气流异常，山东上空在北风异常控制范围内，热带太平洋和中纬度太平洋风场与暖冬年相反。结合山东冬季气温与风场的相关系数分布（图8）可知，山东冬季气温与欧亚中高纬、中纬度太平洋、热带太平洋的风场关系密切。

图7 暖冬年（a）、冷冬年（b）850 hPa风场距平合成场

图8 山东冬季气温与纬向风场（a）、经向风场（b）相关系数分布

在不同的赤道中东太平洋海温特征下，对应的大气环流在中高纬的配置也不同，欧亚大陆至西北太平洋高空的槽脊强度、南北位势高度场梯度导致的冷空气强度和范围均有区别，进而影响到山东冬季气温的高低，对山东冬季气温预测有参考意义。

6 结论与讨论

（1）近59 a，山东冬季气温呈阶段性变化，在20世纪80年代中期由偏冷阶段转为偏暖阶段，进入21世纪增暖减缓且波动明显。去趋势项后，共出现4个强暖冬年、15个弱暖冬年、7个强冷冬年、14个弱冷冬年，暖冬年主要集中在20世纪90年代及以后，冷冬年主要出现在20世纪60—80年代和21世纪00年代中期以后。

（2）强暖冬年多出现在厄尔尼诺结束年，弱暖冬年多出现在厄尔尼诺发展年，强冷冬年多出现在强拉尼娜年，弱冷冬年多出现在弱拉尼娜年。强弱冷暖冬年Nino1+2区平均海温距平演变较中部变化更明显。

（3）暖海温事件结束年、发展年和强弱冷海温事件年对应的冬季欧亚中高纬位势高度距平场，在纬向环流、经向环流上呈不同的分布形势，强度也有差异。暖事件结束年，东亚大槽偏弱，欧亚中高纬呈纬向环流，冷空气弱，发展年欧亚仍为纬向环流，但东亚大槽偏东偏北，两种情况均对应山东暖冬。强弱冷事件当年冬季，欧亚中高纬地区呈经向环流，但弱冷事件年时东亚大槽向南发展，强度较弱，两者均对应山东冷冬。

（4）山东冬季气温与同期欧亚中高纬、中纬度太平洋、热带太平洋的风场关系密切。欧亚中高纬偏西风异常、赤道太平洋西风异常、中纬度太平洋东风异常对应山东暖冬；反之，山东冷冬。

山东冬季气温受东亚季风、暖池、ENSO和热带印度洋的综合影响，它们是一个有机的整体，存在着内在的相互联系，因此，只有对它们进行综合的研究，才能真正认识清楚冷暖冬对ENSO响应的机理[30]。本文针对山东强弱冷暖冬对应的赤道中东太平洋海温及不同海温分型对应的冬季环流特征作了对比分析，而其他关键区海温对其的影响并未做出研究，由于海温与气温的关系复杂，海温演变对山东冬季气温异常的影响机理还需深入探讨。