1956~2005年东北地区气温变化特征及其与同纬度海陆气压指数的关系

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  摘要 利用我国东北地区1956~2005年逐日气温资料,详细分析东北地区气温时空变化特征,并利用全球月平均海平面气压场(SLP)再分析资料,用奇异值分解(SVD)讨论了东北地区气温与同期海陆气压指数的相关关系。结果表明,近50年来我国东北地区年、四季气温波动式上升,平均日最低气温的增温幅度大于平均气温和平均日最高气温的增幅;冬季气温的增幅大于春、夏、秋季,而夏季的增温幅度最小。
  当海陆气压指数大的时候,东北地区气温偏低;当海陆气压指数小的时候,东北地区气温偏高。
  关键词 东北地区;气温变化;海陆气压指数;相关关系
  中图分类号 S16 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2015)19-190-05
  近年来,全球气候持续变暖是一个不争的事实,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告(2007年)指出,最近的100年(1906~2005年)全球平均地表气温升高(0.74±0.18)℃,过去50年的升温率几乎是过去100年的2倍[1]。专家学者对我国气温变化研究发现,我国大部分地区有变暖趋势,气温长期变化趋势与全球变化基本一致,变化幅度和时空特征有明显区别;20世纪80年代以来,我国东北、华北、西北等区域气温增幅高于全国平均增幅,增温最显著的季节在冬季和春季,日最低气温的增温比平均气温和日最高气温更加显著[2-9]。20世纪70年代末,全球气温开始近百年来的第3次突变,我国华北和东北地区与全球平均气温的突变同步[10];我国增温主要是从20世纪80年代开始[11],经历一次显著的年代际变化[12]。
  我国东北地区处于东亚季风区内,其冷暖主要取决于冬、夏季风消长。Wu等研究认为冬季北极涛动(AO)可能通过影响冬季西伯利亚高压来影响东亚季风,进而影响西伯利亚南部及东亚从地表到对流层中层的气温[13-14]。廖荃荪等研究指出极涡活动区域和东北夏季气温变化存在一定相关性[15]。气候持续变暖和频发的气候灾害对东北地区居民的生产生活和现代化建设造成严重的影响,笔者利用东北地区气象台站1956~2005年气温资料,分析近50年东北地区气温时空变化特征,并利用奇异值分解(SVD)分析海、陆气压差时间变化特征及其与东北地区气温的关系,研究东北地区气候变化及气候灾害的形成与变化。
  1 资料与方法
  所用气温资料来源于国家气象中心,选取东北地区(黑龙江、吉林、辽宁三省和内蒙古自治区东部)100个气象台站1956~2005年逐日平均气温资料,环流资料来源于NCEP/NCAR全球月平均海平面气压场(SLP)再分析资料,选取时间为1956~2005年,资料水平分辨率为2.5°×2.5°,资料可靠。
  奇异值分解(SVD)是一种通用的广义诊断工具,是分析2个气象要素场序列之间相关关系的有效方法[16-17],因此利用SVD分析方法可以揭示海陆气压差与东北地区气温的关系。在此利用SVD分析陆地区域(40°~60°N、80°~120°E)和海洋区域(40°~60°N、180°E~130°W)气压差与东北地区气温的耦合关系。
  2 东北地区气温变化特征
  2.1 年平均气温变化特征 从东北地区多年平均气温的空间分布(图1a)可以看出,东北地区平均气温由东南至西北依次降低;大兴安岭山区温度较低,北部地区年平均气温在-0.4 ℃以下,最低达-4 ℃;东北平原南部年平均气温在5 ℃以上,辽东半岛渤海湾年平均气温最高,达7 ℃以上;平原地区气温高于两侧的山区,尤其东北平原与大兴安岭之间,明显的温度随山坡高度上升而降低。
  年平均气温变化趋势率的空间分布(图1b)显示,近50年来东北地区年平均气温呈全面上升趋势,而选取的100个台站中,98个台站通过了α=0.05的显著性检验;林西—巴林左旗—宝国图—开原—宽甸—集安—通化—松江—延吉一线以东包括整个辽东半岛的增温幅度在0.340 ℃/10a以下,此线以西的广大区域年平均气温的增温幅度较大,达0.400 ℃/10a以上,其中黑河增幅达0.674 ℃/10a,是东北地区年平均气温增温最大的地区。内蒙古高原和大兴安岭山区的增温趋势也较大,中部东北平原和三江平原的增温效应相对较弱。50年来东北地区年平均气温的增温趋势有明显的地域差异,即从东南至西北增温率递增,西北高原地区的增温率大于东南渤海湾一带,这可能是受渤海海洋的调节作用影响。
  从1956~2005年东北地区年平均气温距平变化(图2)可以看出,50年来东北地区年平均气温呈上升趋势,上升幅度为0.327 ℃/10a,通过α=0.05的显著性检验;东北地区20世纪50 ~80年代年平均气温处于相对较低水平,尤其是在60、70年代,负距平居多;而80年代以后气温急剧上升且幅度较大,以正距平为主。近50年来东北地区年平均日最高、日最低气温增温率分别为0.246、0.448 ℃/10a,其中年平均日最低气温的增温率大于年平均气温的增温率,而年平均日最高气温的增温率小于年平均气温的增温率,即近50年来年平均日最低气温的增温对东北地区年平均气温的升高贡献较大,与孙凤华等的研究结果[18]一致。
  2.2 季平均气温变化特征 从1956~2005年东北地区春、夏、秋、冬季平均气温距平变化可以看出,东北地区春、夏、秋、冬季平均气温、平均日最高、最低气温均呈上升趋势,四季平均气温变化趋势率分别为0.311、0.196、0.226和0.547 ℃/10a,平均日最高气温变化趋势率分别为0.302、0.152、0.128和0.400 ℃/10a,平均日最低气温变化趋势率分别为0.536、0.321、0.345和0.707 ℃/10a(表1),且均通过了α=0.05的显著性检验。近50年来东北地区年、春、夏、秋、冬季平均气温、最高气温和最低气温的增温幅度有明显差异,年、四季的最低气温增温幅度大于平均气温和最高气温的增温幅度;冬季平均气温、最高气温和最低气温的增幅大于春、夏、秋季的增温幅度,而夏季的增温幅度最小;春、夏、秋、冬季最低气温的升高对东北地区平均气温的上升贡献均较大。   3 海陆气压指数的年变化特征
  东北气温的变化与大气环流形势紧密相联,尤其与中、高纬度的天气系统有密切关系。西伯利亚高压又称蒙古高压、亚洲高压,是季节性活动中心,冬季强大的西伯利亚高压和北太平洋的阿留申低压决定了强劲的东亚冬季风[19]。侯亚红等分析了西伯利亚高压指数的变化[20-21];龚道溢等分析了近一百年来西伯利亚高压的变化情况,认为西伯利亚高压是影响我国冬季气温的一个主要环流因子,从20世纪60年代以来,西伯利亚高压的变化与全球冬季气温的变化有很好的相关性[22-23]。阿留申低压位于阿留申群岛附近,冬季是一个强大的低压,而夏季则减弱成为亚洲低压的一个低槽,是永久性大气活动中心,影响着我国季风的强弱。施能等对阿留申低压指数年际、年代际变化等进行研究,发现如果西伯利亚高压与阿留申低压均加强时,东北地区更容易受到冷空气的侵袭,反之亦然[24-26]。
  为了进一步分析这2个气压系统对东北气温变化的影响,选取阿留申区域(40°~60°N、180°E~130°W)和西伯利亚区域(40°~60°N、80°~120°E),由这2个区域的海平面气压值差,即阿留申区域海平面气压减去西伯利亚区域海平面气压得到的值,定义为海陆气压指数。并利用奇异值分解分析海、陆气压指数对东北地区气温的影响。由于夏季阿留申低压很弱,因此该研究主要讨论冬、春、秋三季的气温与海陆气压指数的关系。
  3.1 海陆气压指数的变化特征 研究表明东北地区气温变化在1980年前后发生突变[10-12],因此将东北地区气温序列分别以1980年前和后来讨论。从春、秋、冬季海陆气压指数、平均气温变化趋势率及其相关系数在1980年前后变化趋势率(表2)可以看出,东北地区气温变化与海陆气压指数呈负相关关系,海陆气压指数增大,东北地区气温下降,反之亦然;1980年前,春季、秋季的海陆气压指数变化趋势率增大,且通过了α=0.05的显著性检验,表明在1980年前,春季、秋季陆地区域和海洋区域的气压差有所增大,相应的东北地区气温降低,而冬季海陆气压指数有所下降,即海陆气压差变小,但下降的幅度不大,且没有通过置信度检验;1980年后,春季、秋季和冬季海陆气压指数下降,且通过α=0.05的显著性检验,表明1980年后,春季、秋季和冬季的气温上升;1980年以前,春季、秋季气温趋势率为负,但没有通过显著性检验,这一时期春季和秋季平均气温有所下降,但幅度不大,与此相反,冬季气温则有小幅度上升。
  3.2 海陆气压指数对东北气温影响的空间分布
  3.2.1 春季。
  从东北地区春季平均气温与所选陆地区域春季平均气压SVD分解第一对SVD模态(图3a)可看出,解释2个场协方差平方和的百分比为95%;其左异类相关图表明,所选陆地区域全区基本上呈正相关性,贝加尔湖以北的区域相关系数较大,并通过了α=0.05的显著性检验,中心区域出现在55°N以北、100°E左右;而右异类相关图分布表明,东北地区春季平均气温全区为负相关,中部地区的负相关性较好,相关系数全部通过了α=0.05的显著性检验,大兴安岭北部的相关性较小。可见陆地所选区域春季西伯利亚气压与东北地区春季平均气温存在较为显著的负协同变化关系,陆地春季气压升高,则东北地区春季气温将有所降低,特别在东北中部地区尤为明显;反之亦然。
  东北地区春季平均气温与所选海洋区域春季气压SVD分解第一对SVD模态(图3b)显示,解释2个场协方差平方和的百分比为95%;其左异类相关图表明,所选海洋区域大部分为正相关,相关系数整体呈现南高北低的趋势;而右异类相关图分布表明,东北地区春季气温全区呈正相关,中部和北部相关系数较高,且相关系数通过了α=0.05显著性检验,南部辽东半岛则较小。海洋上阿留申区域春季气压与东北春季平均气温存在着一定的正协同变化关系,阿留申区域
  春季气压升高,则东北地区春季平均气温将有所升高,特别在中部的东北平原和内蒙古高原地区较为明显;反之亦然。
  3.2.2 秋季。从东北地区秋季平均气温与所选陆地区域秋季气压SVD分解第一对SVD模态(图4a)可看出,解释2个场协方差平方和的百分比为91%;其左异类相关图表明,所选陆地区域全区呈负相关性,相关系数由北向南依次升高,其中心出现在贝加尔湖和巴彦喀什湖之间及贝加尔湖以南区域,且通过了α=0.05的显著性检验;而右异类相关图分布表明,东北大部分地区秋季平均气温全部为正相关,相关性较好,相关系数由北向南依次升高,且通过了α=0.05的显著性检验。内蒙古高原中部、东北平原南部和辽东半岛附近相关性最好,相关系数达0.55以上。可见陆地上所选区域秋季气压与东北秋季平均气温在全区均存在显著的负协同变化关系,最显著的区域主要集中在东北地区南部内蒙古、辽宁一带。西伯利亚地区秋季平均气压升高,则东北地区全区秋季平均气温将有所降低,南部比北部相对明显;反之亦然。
  东北地区秋季平均气温与所选海洋区域秋季气压SVD分解第一对SVD模态(图4b)显示,解释2个场协方差平方和的百分比为80%;其左异类相关图表明,所选海洋区域大部分为负相关,中心在阿留申群岛西南区域,相关系数以此为中心向外围递增;而右异类相关图分布表明,东北地区秋季平均气温全区呈负相关,相关系数通过了显著性检验,东北平原和三江平原的负相关性大于内蒙古高原和大兴安岭地区。可见海洋上所选区域秋季气压与东北秋季平均气温存在着一定的正协同变化关系。海洋气压升高,海陆压差减弱,则东北地区秋季平均气温将有所上升,特别在中部的东北平原、三江平原较为明显,蒙古高原地区气温变化则较弱;反之亦然。
  3.2.3 冬季。
  由东北地区冬季平均气温与所选陆地区域冬季气压SVD分解第一对SVD模态(图5a)可见,解释2个场协方差平方和的百分比为95%;其左异类相关图表明,所选陆地区域全区呈负相关性,相关系数由北向南依次升高,其最大负相关系数出现在贝加尔湖以北区域,且通过了α=0.05的显著性检验;而右异类相关图分布表明,东北大部分地区冬季平均气温为正相关,且相关系数通过α=0.05的显著性检验。整个东北地区相关性较好,尤其是东北平原、三江平原、内蒙古高原、辽东半岛一带相关性相对较大。可见陆地上冬季蒙古高压与东北冬季平均气温存在较为显著的负协同变化关系,冬季蒙古高压降低,使得冬季东北季风减弱,冷空气不易南进,则整个东北地区冬季气温将有比较明显的升高;反之亦然。   东北地区冬季平均气温与所选海洋区域冬季气压SVD分解第一对SVD模态(图5b)显示,解释2个场协方差平方和的百分比为80%;其左异类相关图表明,所选海洋区域为正相关,中心在阿留申群岛以西附近,而此区域正是冬季阿留申低压所在的位置,相关系数以此为中心向外围减小,且通过了α=0.05的显著性检验;而右异类相关图分布表明,东北地区冬季平均气温全区呈正相关,相关系数中部较小,东部和西部较大,显著性最高的是大兴安岭山区和东北地区东南部。可见海洋上所选区域冬季气压与东北冬季平均气温存在一定的正协同变化关系。海洋上阿留申低气压升高,则冬季东北季风将会减弱,东北地区冬季气温将有所升高,中部地区气温变化较弱,而西北和东南地区变化相对较强;反之亦然。
  4 结论
  (1)在全球气候变暖的背景下,近50年来我国东北地区年、季平均气温波动式上升,20世纪90年代后呈现明显的上升趋势。年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温呈全面上升趋势,其中年平均最低气温的增温幅度最大,增幅为0.448 ℃/10a,年平均最高气温的增温幅度最小,增幅为0.246 ℃/10a,而年平均气温的增温幅度居中,增幅为0.327 ℃/10a,年平均最低气温的增温幅度是年平均最高气温增温幅度的1.8倍。四季最低气温的增温幅度大于平均气温和最高气温的增温幅度;冬季平均气温、最高气温和最低气温的增幅大于春、夏、秋季的增温幅度。
  (2)东北地区增温幅度有区域性差异,海拔较高的内蒙
  古高原和大兴安岭山区的年平均气温、最高气温和最低气温50年来增温幅度大于辽东半岛、渤海湾地区,东北平原的增温幅度居中。
  (3)20世纪50~80年代,春季和秋季海陆气压指数有所增大,而冬季则有所减小;80年代以后,春、秋、冬季海陆气压指数逐渐下降。与此相对应,50~80年代春季、秋季气温有所下降,而冬季气温则有小幅度上升;80年代后春、秋、冬季平均气温均有升高,且增温幅度较大。
  (4)东北地区春、秋、冬季年平均气温与陆地区域气压呈显著的负协同变化关系,而与海上区域气压呈一定的正协同变化关系,表明近50年来当海陆气压指数大的时候,东北地区大部分区域气温偏低;当海陆气压指数小的时候,东北地区大部分区域气温偏高。
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