我国东北夏季气温年代际变化特征及与太平洋海温异常关系的研究

书书书第２６卷第３期２０１０年６月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２６Ｎｏ．３Ｊｕｎｅ２０１０收稿日期：２０１０－０３－１８；修订日期：２０１０－０４－０８。基金项目：中国气象局新技术推广项目“气候变暖对东北重大气候灾害影响及预测研究”（ｃｍａｔｇ２００８ｍ１８）资助。作者简介：李菲，女，１９８２年生，硕士研究生，主要从事短期气候预测及气候变化方面的研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。通信作者：李辑，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。我国东北夏季气温年代际变化特征及与太平洋海温异常关系的研究李菲１　李辑２　管兆勇３（１南京信息工程大学大气科学系，江苏南京２１００４４；２沈阳区域气候中心，辽宁沈阳１１００１６；３南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室，江苏南京２１００４４）　　摘　要：利用１９５１—２００８年东北地区夏季平均气温资料，分析了近５８ａ来东北地区夏季气温的变化趋势和突变特征。结果表明：东北夏季气温存在明显年代际变化的阶段性特征和总体增暖的趋势。对我国东北夏季气温与太平洋海温的相关分析表明，太平洋年代际振荡（ＰＤＯ）由冷位相转为暖位相后，我国东北夏季气温与同期赤道中东太平洋海温相关减弱、与黑潮区海温相关增强，我国东北夏季气温与前期各季太平洋海温相关分布差异很大，海温关键区及相关强度均有所改变，这种相关关系的转变可能是造成近几年来利用太平洋海温预测我国东北夏季气温不确定性的原因之一。关键词：中国东北；夏季气温；年代际变化；太平洋海温；太平洋年代际振荡（ＰＤＯ）　　中图分类号：Ｐ４６６　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２０１０）０３－００１９－０８１　引言中国东北地区地处中高纬欧亚大陆的东岸，属东亚季风气候区，是我国的老工业基地和最大的商品粮基地［１］，东北地区由于纬度较高，气候比较寒冷，无霜期短。由于不能充分满足喜温作物对温度的要求，低温冷害是该地区夏季很主要的气象灾害［２－３］。低温冷害一般是指在作物整个生育期或某个生育期气温低于作物所需的临界温度，而造成严重减产［４］。因此，研究和了解东北地区夏季气温的变化及其影响因子，对服务于东北地区的农业生产和经济有着极其重要的意义。早在２０世纪７０年代后半期到８０年代初，我国先后组建“东北夏季低温预报科研协作组”等一系列科研攻关组，对东北地区夏季低温冷害的发生规律、长期预报等作了广泛深入的研究［５］：王绍武等［６］对中国夏季低温冷害作了深入分析；陈莉等［７］指出中纬度冷空气强、鄂海冷高压强、北太平洋副热带高压弱时，对应着我国东北亚夏季气温偏低时段，反之对应着东北亚夏季气温偏高时段；汪宏宇等［８］认为东北地区夏季低温与５００ｈＰａ上东北冷涡关系密切，并指出２０世纪９０年代前ＥｌＮｉｎｏ时期东北地区夏季常出现低温，但２０世纪９０年代后这种关系有所改变。早期许多学者认为赤道东太平洋海温与东北地区夏季气温有较好的反相关关系，ＥｌＮｉｎｏ年的当年东北地区夏季气温偏低［９－１１］。许多研究者也对不同的关键区海温与东北夏季气温的关系进行探讨。郑维忠和倪允琪［１２］指出影响东北夏季气温的关键海域是热带西太平洋暖池和中纬度西太平洋。王敬方和吴国雄［４］通过时滞相关分析指出与东北夏季气温相关较好的两个区域一个是黑潮区，另一个是赤道东太平洋特别是秘鲁沿岸，冷夏年时，黑潮海温偏低，与赤道东太平洋，特别是秘鲁沿岸的ＳＳＴＡ相关较好，在东北冷夏时，一般是ＥｌＮｉｎｏ异常。文献［７］指出，东北亚夏季气温与全球海温场有密切关系：西北太平洋海温与同期东北亚夏季气温关系密切；Ｎｉｎｏ３４区的海温与东北亚夏季气温最大相关在同期及后期（秋季和冬季）；南太平洋海温指数及南印度洋海温指数与东北亚夏季气温的相关在超前一年的秋季、冬季及同期都有较高的正相关。孙建奇和王会军［１３］将东北地区分成南北两部分进行分析，分别讨论了两部分突变特征以及突变前后影响南北两地区的海温关键区的变化情况。近年来许多研究发现，进入２０世纪８０年代以后，随着全球气候变暖，尽管ＥｌＮｉｎｏ事件频繁发生，东北夏季低温的频率和强度都有所减弱，ＥｌＮｉｎｏ与东北夏季温度的对应关系减弱甚至反向，例如１９９７年强厄尔尼诺年东北夏季则是高温年。研究者对于东北夏季气温与海温的关系进行了重新思考。刘永强和丁一汇［１４］指出ＥＮＳＯ导致的东北地区最显著的低温异常不是发生在夏季，而是在ＥＮＳＯ当年秋季２０　　　气象与环境学报第２６卷　至次年春季。王绍武等［１５］指出我国东北夏季气温与西北太平洋海温相关较好，而与赤道中东太平洋相关较弱，ＥｌＮｉｎｏ事件和东北夏季低温的对应关系并不明显。已有研究表明，太平洋年代际振荡（ＰＤＯ）［１６］作为一种年代到年代际时间尺度上的气候变率强信号，既是叠加在长期气候趋势变化上的扰动，可直接造成太平洋及其周边地区（包括东亚地区）气候的年代际变化，又是年际变率的重要背景，对东亚气候系统年际变化（如ＥＮＳＯ年际变化频率和强度及其影响）具有重要的调节作用。以往对东北地区夏季气温的研究中，多注重对东北夏季气温年际变化的研究，杨修群［１７］和朱益民［１８］提出，太平洋年代际变化（ＰＤＯ）作为年代际背景对ＥＮＳＯ与中国夏季气候的关系有一定的调制作用。另外，ＰＤＯ作为年际变率的重要背景，其对东北地区夏季低温有明显的调制作用，ＰＤＯ冷位相期，当ＥＮＳＯ事件处于发展阶段，东北地区夏季气温偏低，而ＰＤＯ暖位相期，当ＥＮＳＯ事件处于发展阶段，东北夏季低温不再显著。这为研究ＥＮＳＯ与东北夏季低温研究提供了重要的依据。本文通过分析不同年代际背景下我国东北夏季气温与太平洋海温的相关关系，从年代际角度为利用海温预测我国东北夏季气温提供参考。２　资料与方法２１　资料来源东北地区夏季温度资料来自沈阳区域气候中心，资料为东北地区２６站（大连、丹东、营口、沈阳、西丰、朝阳、通化、延吉、蛟河、长春、白城、牡丹江、鸡西、哈尔滨、佳木斯、富锦、齐齐哈尔、海伦、嫩江、呼吗、赤峰、通辽、林东、博克图、海拉尔站和图里河站）每年６—８月平均值，资料年份为１９５１—２００８年。太平洋海表面温度资料为ＮＯＡＡ重建的海表面温度资料，其水平分辨率为２°×２°，资料年份为１９５０—２００８年。２２　概念定义１９７６／１９７７年北太平洋出现了一次显著的年代际突变现象，突变之后在海洋方面，热带中东太平洋海表温度（ＳＳＴ）年代际异常增高，黑潮及其续流区和北太平洋中部异常变冷，北美沿岸和阿拉斯加湾ＳＳＴ增高。在大气方面，北太平洋海平面气压和５００ｈＰａ高度场明显降低，阿留申低压异常加深、东移并偏南，这种突变不是唯一的，类似的突变还发生在２０世纪２０年代和４０年代，Ｍａｎｔｕａ等［１９］将这种现象称为“太平洋年代际振荡（ＰＤＯ）”。流经南美沿岸的秘鲁海流是一支冷洋流，在几乎与秘鲁海岸平行的东南信风的吹送下，表层海水离岸外流，深层海水上涌补充。在某些年份，东南信风暂时减弱，太平洋赤道逆流的南支越过赤道沿厄瓜多尔沿岸南下，使厄瓜多尔和秘鲁沿岸水温迅速升高，由于沿海水温上升在圣诞节即圣子耶稣诞辰前后最为激烈，秘鲁居民将这种海水温度季节性上升的现象称为“厄尔尼诺”。黑潮是由太平洋北赤道流在菲律宾群岛以东向北流动的一个分支延续而来。其源地位于中国台湾省东南和巴士海峡以东海域。它沿台湾东岸北上，通过苏澳和与那国岛之间的水道流入东海，文中选取１９５１—２００８年３５°Ｎ—４５°Ｎ，１５０°Ｅ—１７０°Ｅ作为黑潮延伸区域取值范围。西风漂流区是指，位于南北纬４０°—６０°之间西风带的海域内，因受强大的西风推动，海水自西向东连续不断的流动而形成的区域，文中所涉及到的西风漂流区范围为４５°—５５°Ｎ，１４０°—１７０°Ｅ。２３　分析方法分析方法采用趋势分析、Ｍ－Ｋ突变检验、滑动相关分析和相关分析。利用趋势分析和Ｍ－Ｋ突变检验分析东北夏季气温的年代际变化，利用相关分析方法对东北夏季气温与海温的相关关系进行分析。３　结果分析３１　东北夏季气温变化特征３１１　东北夏季气温长期变化趋势为反映１９５１—２００８年东北地区夏季气温序列长期演变特征，给出了东北地区夏季气温距平的逐年变化（图１ａ）。１９５１—２００８年东北地区夏季温度呈升高趋势，线性趋势系数达０１８℃／１０ａ。赵宗慈等［２０］利用ＩＰＣＣ第四次评估报告中的计算结果，分析表明２１世纪后期中国东北区域夏季气温变暖明显，升温幅度为３０—３５℃。东北夏季气温变率也存在变化，文献［２１］指出，东北夏季气温变率有逐渐增大的趋势，即气温变化的不稳定性有增大趋势。其中１９７３年前为低变率期；１９７４—１９８５年为平均变率期；１９８６年后为变率明显增大期。　　将东北地区５８ａ以来的夏季平均气温用Ｍ－Ｋ方法作突变检验，得到图１ｂ。从ＵＦ曲线可见，在１９７９年以前ＵＦ基本上是小于０的，这表明平均气温在１９７９年以前有下降趋势，而在此之后ＵＦ大于０，平均气温呈上升趋势，并在２１世纪初超过信度检验，表明东北夏季平均气温的增暖趋势是十分显著的。根据ＵＦ与ＵＢ曲线交点的位置，确定２０世纪８０年代以后的增暖是一突变现象，突变时间是　第３期李菲等：我国东北夏季气温年代际变化特征及与太平洋海温异常关系的研究２１　　　１９９３—１９９４年。突变点为１９９４年以前，夏季平均温度为２０６℃；突变以后，夏季平均气温为２１５℃，较图１　１９５１—２００８年我国东北夏季气温变化趋势突变前上升了０９℃。为了验证Ｍ－Ｋ检验的准确性，对东北夏季平均气温作滑动ｔ检验和Ｃｒａｍｅｒ检验，所得结果与Ｍ－Ｋ检验结果一致。３１２　东北夏季气温年代际变化特征及趋势按照东北地区高、低温年的划分标准（东北夏季平均温度距平小于等于－０５℃定义为冷夏年，夏季平均温度距平大于等于０５℃定义为热夏年）［２１］，得到了东北地区１３个冷夏年和１２个热夏年（表１）。表１　东北地区夏季低温年和高温年出现年份２０世纪６０年低温年１９５４，１９５６，１９５７，１９６４，１９６５，１９６９代及以前高温年１９５５７０年代低温年１９７１，１９７２，１９７６高温年－８０年代低温年１９８３，１９８６高温年１９８２，１９８８９０年代至２００８年低温年１９９２，１９９３高温年１９９４，１９９７，１９９９，２０００，２００１，２００４，２００５，２００７，２００８　　由表１可知，东北夏季气温年代际变化明显，并且东北夏季低温具有群发性特点。所谓夏季低温的群发性是指夏季低温也不是均匀分布的，而是有相对集中时段。有文献［２２］指出，在１９０９—１９１５年７ａ中有６个冷夏年，３个严重冷夏年，１９０９—１９１３年５ａ中每年均有夏季低温发生。而在本文研究的时段中，１９５４—１９７６年就有９次夏季低温发生，占总冷夏年份的９／１３，而２０世纪８０年代以后，东北夏季低温发生次数减少，夏季低温的年份只占４／１３，低温群发现象不再发生，东北夏季低温表现出间断性特征。东北夏季高温年除１９５５年以外均出现在１９７６年以后，特别是２０世纪９０年代以后夏季高温频发，说明９０年代以后东北地区夏季的增暖现象十分显著。　　已有研究指出东北夏季低温与ＥｌＮｉｎｏ事件有关，１９５１—２００６年期间共发生了１６次ＥｌＮｉｎｏ事件，每次ＥｌＮｉｎｏ事件对应的东北夏季低温情况列于表２。从表２可以看出，在东北夏季低温群发时期表２　１９５１—２００６年ＥｌＮｉｎｏ年与东北夏季低温年［２３］ＥｌＮｉｎｏ年东北夏季低温年１９５１－１９５２／１９５３１９５４１９５７／１９５８１９５７１９６３１９６４１９６５／１９６６１９６５１９６８／１９６９１９６９１９７２１９７２１９７６１９７６１９８２／１９８３１９８３１９８６１９８６１９９１／１９９２１９９２１９９３１９９３１９９４－１９９７／１９９８－２００２－２００６－（１９５１—１９７６年前），在ＥｌＮｉｎｏ发生年或翌年基本都对应东北夏季低温的发生，而１９９４—１９９６年期间发生的ＥｌＮｉｎｏ并没有对应的东北夏季低温的发生。　　将东