2021, Vol. 37
2. 广东省气候中心，广东 广州 510641
2. Guangdong Climate Center, Guangzhou 510641, China
随着社会和经济的发展, 冬春气候及其对农业、能源和水资源等方面的影响受到人们越来越多的关注。广东位于我国大陆东南沿海地区, 属于热带和亚热带季风气候, 年平均气温在18 ℃以上[1], 水资源十分丰富, 是全国年降水量最多的省份之一, 多数地区年均降水量为1 500~2 000 mm[1], 降水时段主要集中在汛期(4—9月), 因此目前对广东降水的研究多集中在前汛期和后汛期, 如谷德军等[2]研究了广东前汛期降水与南海北部风场准双周振荡的关系, 刘尉等[3]分析了广东省开汛特征及其与前汛期降水的关系, 梁巧倩等[4]对广东前汛期锋面强降水和后汛期季风强降水特征进行诊断和对比分析, 袁金南等[5]分析了广东热带气旋及其降水的年代际变化特征, 但对广东冬春季降水研究较少。然而由于广东冬春季降水少且变率大, 易出现不同程度的干旱, 甚至秋冬春连旱[6], 其中广东春旱(2—5月)每年都会发生[1], 而春季正是广东农作物播种和生长期, 春旱对农业生产的影响较大。2月是冬季(12—2月)到春旱期(2—5月)的转折月, 是春播春种的关键期。经统计, 广东2月降水占冬季降水的43%, 与冬季降水的相关系数可达0.73, 与广东春旱期降水相关系数为0.54;2月气温与冬季和春旱期气温的相关系数分别为0.73和0.74, 因而2月降水和气温对冬季和春旱期气候有着重要影响。另外, 1961—2019年共有66.1%的除夕在2月, 绝大部分2月处于春运高峰期, 尤其是2008年1月中旬—2月初我国南方出现的大范围低温雨雪冰冻灾害导致数十万人滞留在广州火车站, 造成了巨大的经济损失。因此, 研究2月气候的演变规律和形成机理对于合理安排农业生产、水资源及防灾减灾工作的开展具有一定的现实意义。
已有研究表明, 华南冬春季降水在1960年代—1970年代初期和自1990年代初期至今显著减少[7], 且华南东部和西部的降水量存在不同的年代际变化特征[8]。广东冬半年降水存在准40年左右周期, 偏少时段主要发生在1950年代末—1970年代初、1990年代末至今[9]; 广东季节的双峰结构降水在1992/1993年发生年代际突变, 导致春季降水减少[10], 气候预测业务工作中发现广东2月降水也存在显著的年代际变化特征。华南冬季平均气温呈显著上升趋势, 并在1989年发生升温突变[11]; 广东冬季平均气温具有显著的年代际变化特征, 1960—1980年代气温偏低; 1990年代后气温偏高[12]。然而, 以上研究多是对降水和气温分开讨论, 但如农田春旱、森林火灾、低温雨雪冰冻等气象灾害是由降水和气温共同决定的, 因此需要对降水与气温协同的年代际特征进行系统研究。
众所周知, 影响气温和降水的因子很多, 大尺度大气环流是区域气温和降水的直接影响因子[13], 此外, 非绝热加热异常强迫如海温[14-26]、海冰[27]和积雪[28]对华南地区气温和降水的年代际变化也有重要的影响。但大气环流和海温对广东2月降水和气温年代际变化的影响还缺乏系统研究, 因此本文拟从降水和气温的协同变化特征入手, 选用1961—2019年广东降水和气温以及环流和海温等资料, 探索广东2月降水和气温的年代际变化特征, 进而探寻大气环流和海温对其可能的影响, 以期为广东冬春季气候分析、监测和预测提供有益的线索和依据。
2 资料及研究方法1961—2019年广东省86个台站逐月降水、气温资料以及1908—2019年广州逐月降水、气温资料来自广东省气候中心。大气环流资料采用的是NCEP /NCAR提供的全球月平均再分析资料, 包括海平面气压场、500 hPa位势高度场、风场和比湿场, 水平分辨率为2.5 ° ×2.5 °, 风场和比湿场的垂直分层从1 000~300 hPa共8个等压层。月海表温度资料采用NOAA的重建海温(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature V5, ERSSTv5)分析资料, 水平分辨率为2 °×2 °。文中取1961—2019年为气候平均值。
热带印度洋全区一致海温模态指数(Indian Ocean Basin-Wide Index, IOBW)和西太平洋暖池强度指数(Western Pacific Warm Pool Strength index, WPWPS)资料采用国家气候中心提供的130项检测监测指数(https://cmdp.ncc-cma.net/cn/download.htm), 其中IOBW为40 ~110 °E, 20 °S~20 °N区域内海表温度距平的区域平均值; WPWPS为120 °E~180 °, 30 °S~30 °N范围, 海表温度超过28.0 ℃的区域内, 格点海表温度与28.0 ℃之差乘以格点面积的累积值。
同时, 定义日本附近125 ~145 °E, 30 ~45°N区域平均的500 hPa位势高度的距平值为东亚大槽指数(East Asia Trough, EAT) [29]。另外, 定义北太平洋指数(North Pacific, NP)为160 °E~150 °W, 20 ~40 °N区域的海表面温度距平值; 定义东太平洋指数(East Pacific, EP)为140 ~95 °W, 20 °S~0 °区域的海表面温度距平值; 定义115 ~125 °E, 5 ~15 °N与110 ~125 °E, 30 ~50 °N区域平均的850 hPa经向风之差的距平值为V850指数; 定义北太平洋中部(150°E~140°W, 25 ~45 °N)海平面气压场距平值为SLP_NP指数。
采用9年Gauss滤波提取原始资料中的年代际分量, 通过Monte Carlo方法[30-31]来确定时间序列滤波后的自由度, 并采用经验正交分解(EOF)、累积距平法、Morlet小波分析等方法[32-33]分析降水和气温的年代际变化特征, 然后用合成、相关和回归方法分析1961—2019年广东2月降水和气温与同期大气环流及前期海温场的关系。
3 广东2月降水和气温的年代际变化首先, 对1961—2019年广东2月降水距平场和气温距平场进行EOF分析, 两者第一模态的空间分布均表现为全省一致型(图略), 分别解释了各自总方差的83.5%、94.9%。因此, 我们选用具有百年资料的广州站来分析全省1961—2019年期间的年代际时间尺度特征。
广州1908—2019年近112年的2月降水主要表现为年际和年代际变化相叠加的特征, 1960年代之后存在明显的年代际波动, 表现为“负-正-负”的分布(图 1a黑折线), 期间主要发生了两次年代际突变, 第一次发生在1970年代末—1980年代初, 降水由年代际偏少期进入偏多期, 第二次发生在1990年代末, 降水由年代际偏多期进入偏少期。进一步分析广州2月降水累积距平曲线(图 1b)可知, 1981年和1998年可以作为突变的分界点, 于是将1961—2019年广州2月降水分为三个时段, 分别为1961—1981年、1982—1998年和1999—2019年。1961—2019年广东2月降水距平时间序列与同期广州2月降水时间序列的相关系数为0.96, 2月全省平均降水在1961—1981年和1999—2019年为偏少期, 降水量分别为48.3 mm和43.2 mm, 较气候平均值偏少22.6%和30.8%, 1982—1998年为偏多期, 降水量为103.7 mm, 较气候平均偏多66.0%(图 1c)。
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图 1 1908—2019年广州2月降水距平（a）、降水累积距平（b）和1961—2019年广东2月降水距平（c）时间序列
a中直方图为降水距平时间序列，黑折线为9年Gauss滤波后的曲线，黑实线为1961—1981年距平平均，灰长虚线为1982 —1998年距平平均，黑短虚线为1999—2019年距平平均，c同a，灰短虚线为一个标准差，a、b均去除长期趋势。 |
对广州1908—2019年近112年的2月气温进行分析, 发现其表现为缓慢的线性上升趋势(图略, 未通过0.05显著性检验), 进一步对1908—2019年广州2月气温做Morlet小波分析(图略), 发现存在准60年周期, 这与澳门[34]和全球气温类似[35-36]。1908—2019年广州2月气温大致经历了相对暖、冷、暖、冷、暖五个阶段[37], 其中1961—2019年处于近112年里的第四、五阶段, 偏冷期向偏暖期转换, 突变时间为1990年代末(图 2b), 剔除其长期趋势后气温仍呈现为“冷-暖”的变化特征(图 2a), 可见1961—2019年是属于更长时间尺度(112年)内准60年的周期变化。1961—2019年广东2月气温时间序列与1961—2019年广州去除长期趋势后气温时间序列的相关系数为0.98。对应降水的三个时段, 1961—1981年和1982—1998年全省平均气温分别为13.8 ℃和13.9 ℃, 分别较气候平均值偏低0.6 ℃和0.5 ℃, 1999—2019年全省平均气温为15.5 ℃, 较气候平均偏高1.1 ℃(图 2c)。
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图 2 同图 1，但为气温 |
为了更直观地看到三个阶段广东2月降水和气温的空间分布特征, 分别对三个阶段广东2月降水距平百分率场和气温距平场进行合成分析(图 3, 见下页), 可以看出第一时段1961—1981年(图 3a), 全省呈整体一致偏少的降水分布形势, 雷州半岛南部、阳江至茂名、粤东沿海地区降水较常年偏少25%~50%, 其余地区降水较常年偏少25%以下。而平均气温表现为全省一致偏冷, 且其分布特征与降水距平的分布相似(图 3b), 即雷州半岛北部、粤西北地区气温偏低0.3~0.5 ℃, 其他地区气温偏低0.5 ℃以上。第二时段1982—1998年(图 3c), 广东2月降水与前一时期相反, 呈整体一致偏多的分布形势, 粤北北部地区降水较气候平均值偏多25%, 其余大部分地区降水较常年偏多50%~75%, 雷州半岛南部、阳江至茂名、粤东沿海地区降水较常年偏多75%以上。而平均气温持续前一时期的一致偏冷(图 3d), 其中粤北部分地区、粤西和粤东地区偏低0.3~0.5 ℃, 其它地区气温偏低0.5 ℃以上。第三时段1999—2019年(图 3e), 广东2月降水又进入偏少期, 呈整体一致偏少的分布形势, 且较1961—1981年时段偏少得更明显, 全省大部分地区降水均较常年偏少25%~50%。而平均气温则表现为全省一致偏暖, 全省除珠江口西部、粤东北异常偏高1.0 ℃以上, 其余大部分地区偏高0.5 ℃(图 3f)。
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图 3 广东2月1961—1981年（a、b）、1982—1998年（c、d）和1999—2019年（e、f）降水距平百分率（a、c、e，单位：%）和气温距平（b、d、f，单位：℃）的空间分布 |
值得指出的是, 1961—1981年和1999—2019年广东2月降水均表现为一致偏少, 但前一时段气温一致偏低, 总体表现为“冷干”, 而后一时段气温一致偏高, 总体表现为“暖干”。为什么两个降水偏少时段气温会表现为截然不同的特征呢?是什么原因导致了这种差异性?下面将分别从大气环流和海表温度两方面讨论导致这种差异的可能影响因子。
4 “冷干”期和“暖干”期的大尺度环流特征对“冷干”期(1961—1981年)和“暖干”期(1999—2019年)的海平面气压场、500 hPa位势高度场、850 hPa矢量风场、整层水汽通量及散度场进行合成分析, 对比两个时段大气环流的差异, 试图找到导致广东2月降水偏少背景下气温年代际差异的可能成因。
“冷干”期, 2月北半球海平面气压距平场(图 4a)表明, 50 °N以北至极区的中高纬度地区为正距平控制, 大西洋东部-非洲北部为显著负距平控制, 这一空间分布型与北大西洋涛动(NAO)的负位相十分相似, 当冬季NAO负位相时, 我国南方地区春季降水偏少[38]。另外, 内蒙古-华北地区为弱的负距平区, 广东及南海区域为弱正距平场控制, 表明冷高压偏强, 造成广东2月气温偏低。“暖干”期2月的北半球海平面气压距平场(图 4b)可以看出, 北太平洋中部为正距平区, 阿拉斯加至中国东北地区为显著负距平区, 喀拉海-乌拉尔山-贝加尔湖南部为正距平区, 斯堪的纳维亚半岛为负距平区, 北大西洋东部为正距平区, 在高纬度地区呈“+、-、+、-、+”的波列型分布。另外, 广东为弱的负距平控制, 冷高压强度偏弱, 使得广东2月气温偏高。
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图 4 “冷干”期（a、c）和“暖干”期（b、d）广东2月北半球海平面气压距平（a、b，单位：hPa）和500 hPa位势高度距平（c、d，单位：gpm）合成场 填色区为距平场，打点为通过0.01显著性检验。 |
“冷干”期500 hPa位势高度场(图 4c)上以经向环流为主, 中高纬度位势高度异常呈现出3波的结构, 乌拉尔山地区、东北亚地区、格陵兰岛南部为正距平区, 其余地区为负距平区, 特别是40 °N以南的东亚大部分、北美中南部, 热带大部分地区位势高度显著偏低, 格陵兰岛南部的正异常与北大西洋中部的负异常与海平面气压场相对应。这种距平分布反映了极涡偏强, 东亚大槽偏强, 东亚冬季风偏强, 副热带高亚偏弱。乌拉尔地区的正距平与欧洲西部和日本上空的负距平组成的波列与欧亚型(EU)正位相的结构相似, 刘毓赟等[39]和左璇等[40]研究指出冬季EU处于正位相时, 中国东部降水偏少, 气温偏低, 本文结论与之相一致。“暖干”期500 hPa位势高度距平场(图 4d)上以纬向环流为主, 鄂霍次克海-贝加尔湖、斯堪的纳维亚半岛-地中海和加拿大西北部地区为负距平, 其余地区为正距平区, 且热带地区为显著正距平区控制。这种距平分布反映了极涡偏弱, 东亚大槽偏弱, 东亚冬季风偏弱, 副热带高压偏强。中南半岛-广东一带为正位势高度距平, 在南支系统不活跃、水汽输送不充足的条件下, 这一时段广东2月降水偏少[41]。
进一步对“冷干”期2月850 hPa风矢量距平合成场(图 5a), 可以看出华南地区表现为反气旋式环流, 广东主要受异常北风控制, 冷空气活跃, 这种异常北风一方面使得广东气温偏低, 另一方面不利于来自海上的水汽输送到广东; 其整层水汽通量距平合成场(图 5a)在华南地区和南海南部水汽通量散度为正(辐散), 造成广东的水汽减少, 导致这一时段广东2月降水偏少。而“暖干”期2月850 hPa风矢量距平合成场(图 5b)可以看出, 青藏高原为反气旋环流控制, 广东以北为气旋式环流, 在广东西部存在风向辐散; 南海中南部为气旋式环流, 与广东北部的气旋式环流在广东东南部造成风向辐散区, 这些都不利于广东地区产生降水; 整层水汽通量距平合成场(图 5b), 表现为华南沿海-中南半岛-孟加拉湾为水汽通量辐散区, 而水汽辐合中心位于南海中部和长江流域。
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图 5 “冷干”期（a）和“暖干”期（b）2月东亚地区850 hPa风矢量距平（矢量图，单位：m/s）和整层积分水汽通量散度距平（填色图，深色为辐散，浅色为辐合，单位：10-5 kg/（m2·g））的合成场 |
海温是影响东亚大气环流及冬季气候的最主要外强迫因子[16-28]。以下将从海温异常方面来研究分析近59年广东2月气候“冷干”和“暖干”的可能原因。
5.1 海温对广东2月降水年代际偏少的可能影响用广东2月降水对逐月海温进行回归(图 6e), 结果显示当降水偏多时, 对应热带东太平洋海温偏高, 而北太平洋中部海温偏低, 这一海温分布可以追溯到前一年12月(图 6a)。进一步计算表明, 北太平洋海温指数(NP)与降水呈负相关, 相关系数为-0.51(超过0.01显著性检验), 东太平洋海温指数(EP)与降水呈正相关, 相关系数为0.49(超过0.05显著性检验)(表 1), 这表明北太平洋中部海温偏低, 热带东太平洋海温偏高时, 广东2月降水偏多。进一步合成两个降水偏少期2月海温分布(图 7), 可以看出两个时段通过显著性检验的海温区域是不一样的, 其中第一个时段热带东太平洋海温为显著负距平(图 7a), 而第二时段北太平洋中部海温显著正距平(图 7b), 表明在前一时段广东2月降水偏少主要受热带东太平洋海温异常偏低影响, 而后一时段降水的偏少主要受北太平洋中部海温异常偏高影响。
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图 6 广东2月降水（a、c、e）和气温（b、d、f）年代际分量标准化序列对海表面温度回归的空间分布 前一年12月（a）、1月（c）、2月（e）为降水回归，黑色方框表示NP海温指数区和EP海温指数区；前一年11月（b）、1月（d）、2月（f）为气温回归，灰色方框表示IOBW海温指数区和WPWPS海温指数区。 |
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表 1 1961—2019年2月各海温指数年代际变化分量与广东2月降水和气温年代际变化分量的相关系数 |
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图 7 “冷干”期（a）和“暖干”期（b）2月海表温度距平合成场（单位：℃） 填色图为距平场，打点区域为通过0.01显著性检验，黑色方框和灰色方框同图 6指数区域。 |
用EP海温指数对500 hPa位势高度和850 hPa风场进行回归(图 8a), 结果显示当EP海温指数为正值, 即热带东太平洋海温偏高时, 850 hPa风场北太平洋地区为异常气旋式环流, 中国华北至青藏高原东部为异常北风, 冷空气从西路向南侵入, 菲律宾附近为异常反气旋环流, 广东沿海和南海为南风异常, 即850 hPa经向风切变(南部减北部, 下同)较大, 500 hPa位势高度场上, 25 °N以南位势高度显著正距平, 说明西太平洋副热带高压偏强, 有利于其西侧异常偏南气流将海上大量的暖湿水汽输送到广东地区, 与北方冷空气在广东地区辐合, 导致广东降水的异常偏多, 这与ENSO暖位相时西太平洋大气环流异常类似[42-43]; 反之亦然。1961—1981年期间EP指数是负距平(图略), 因此图 5a的850 hPa风场分布与图 8a分布相反。进一步计算得到, V850指数与EP指数和降水的相关系数分别为0.69和0.41(分别通过0.01和0.05显著性检验), 这说明1961—1981年热带东太平洋海温异常偏低主要通过菲律宾附近异常气旋环流和北太平洋异常反气旋环流导致850 hPa经向风切变偏弱来影响广东2月降水偏少, 这与李宏毅等[44]研究结论一致。
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图 8 a. 1961—2019年EP指数年代际变化分量与500 hPa位势高度（填色图和等值线，单位：gpm，打点为通过0.1显著性检验）和850 hPa风场的回归分布（矢量，单位：m/s，黑色为通过0.1显著性检验的纬向风或经向风，黑色方框为V850指数区）；b. 1961—2019年NP指数年代际变化分量与海平面气压场（填色图和等值线，单位：hPa，打点为通过0.1显著性检验，黑色方框为SLP_NP指数区）和850 hPa风场（矢量，单位：m/s，通过0.1显著性检验的纬向风或经向风）的回归分布；c. 1961—2019年IOBW指数年代际变化分量与500 hPa位势高度场（填色图和等值线，单位：gpm，打点为通过0.1显著性检验，黑色方框为EAT指数区）的回归分布。 |
同样, 采用NP海温指数与海平面气压场和850 hPa风场回归(图 8b), 分析得到当NP指数为正值, 即北太平洋中部海温偏高时, 北太平洋中部海平面气压显著正距平, 阿拉斯加地区为显著负距平, 且是一深厚的正压系统(图略), 这与Liu等[45]的结论一致; 850 hPa风场西北太平洋至中国东部为反气旋式环流控制, 中国东部沿海为异常南风, 不利于北方冷空气南下, 南海北部为异常东风, 在广东表现为反气旋式曲率, 不利于水汽辐合, 导致广东2月降水偏少。1999—2019年期间NP指数以正距平为主, 图 8b太平洋区域海平面气压场与图 4b分布类似。进一步采用SLP_NP与NP指数和降水的相关系数分别为0.81和-0.42(分别通过0.01和0.05显著性检验)。这说明1999—2019年北太平洋中部海温异常偏高通过北太平洋中部异常反气旋环流来影响广东2月降水偏少。
5.2 海温对广东2月气温“冷”“暖”的可能影响广东2月气温对海温进行回归(图 6f), 结果显示当广东2月气温偏高时, 热带印度洋海温、西太平洋暖池区和太平洋副热带区域海温偏高, 进一步分析表明, 这一海温分布前期一直维持, 但热带印度洋海温全区一致(IOBW)变化在同期正距平最大(图 6f), 西太平洋暖池区(WPWPS)在前一年11月海温正距平最大(图 6b)。分别计算IOBW、WPWPS和NP海温指数与气温的相关系数, 发现三者均与气温呈正相关关系(均通过0.01显著性检验)(表 1)。分析两个时段的同期海温合成图(图 7), 可以看到1961—1981年热带印度洋和西太平洋暖池区海温显著负距平(图 7a), 而1999—2019年热带印度洋、西太平洋暖池区和北太平洋中部海温显著正距平(图 7b)。说明热带印度洋全区一致型和西太平洋暖池区海温对两个时段气温均有影响, 北太平洋中部海温主要影响1999—2019年时段广东2月气温。
由于IOBW与气温的正相关系数最大, 采用IOBW指数与500 hPa位势高度场进行回归分析(图 8c), 当IOBW指数为正值, 即热带印度洋全区一致偏暖时, 东半球50 °N以南区域显著正距平, 东亚大槽偏弱, 冷空气偏弱, 使得广东气温偏高, 反之亦然。东亚大槽EAT指数与IOBW指数和气温的相关系数分别为0.71和0.66(均通过0.01显著性检验)。印度洋冬季海温通过影响高空东亚西风急流强度来影响东亚大槽强度[24], 即当印度洋海温升高(降低)时, 对应高空东亚西风急流减弱(增强), 在急流出口处出现反气旋(气旋)环流异常, 使得东亚大槽偏弱(偏强), 槽后偏北气流减弱(加强), 东亚冬季风减弱(增强), 广东气温偏高(偏低)。而WPWPS指数与500 hPa位势高度场的回归分布(图略)与图 8c类似, 这里不再赘述。
6 结论本文从降水和气温的协同变化特征角度研究了近59年广东2月“冷干”期和“暖干”期对应的大气环流与海温特征。
(1) 广东2月降水和气温在空间变化上具有相当的同步性, 时间上有明显的年代际变化特征, 主要有1961—1981年和1999—2019年两个年代际降水偏少时段, 其中第一时段(1961—1981年)降水偏少气温偏低, 表现为“冷干”; 第二时段(1999—2019年)降水偏少气温偏高, 表现为“暖干”。
(2) 两个时段的大尺度环流特征基本上表现为相反的特征(表 2), “冷干”期(“暖干”期)500 hPa高度场以经向(纬向)环流为主, 东亚大槽偏强(弱), 东亚冬季风偏强(弱), 低层受异常北(南)风控制, 地面冷高压偏强(弱), 偏强的冷空气阻碍了来自海上的水汽输送(偏弱的冷空气不能南下至广东), 使得广东处于水汽辐散区(青藏高原表现为反气旋式环流, 南支系统不活跃, 对广东地区水汽输送不足), 最终导致广东2月低温少雨(高温少雨)。
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表 2 近59年广东2月不同降水偏少期的气候特征对比 |
(3) 热带东太平洋海温异常偏低、热带印度洋-西太平洋暖池区海温偏低是造成1961—1981年广东2月气候表现为“冷干”的主要外强迫因子, 而北太平洋中部海温异常偏高、热带印度洋-西太平洋暖池区海温偏高是导致1999—2019年广东2月气候表现为“暖干”的外强迫因子, 它们均通过影响大尺度环流进而影响气温和降水。其中, 前者“冷干”期降水主要受热带东太平洋海温影响, 当热带东太平洋海温偏低时, 850 hPa风场表现为菲律宾附近异常气旋环流和北太平洋异常反气旋环流, 导致850 hPa经向风切变偏弱, 使得广东2月降水偏少; 热带印度洋-西太平洋暖池区海温偏低导致东亚大槽偏强, 槽后偏北气流加强, 进而造成东亚冬季风偏强, 最终导致广东2月气温偏低。而后者“暖干”期主要受北太平洋中部海温异常偏暖的影响, 导致海平面气压场上北太平洋中部为异常反气旋环流, 这一异常反气旋一方面不利于水汽辐合, 另一方面反气旋环流西部的异常南风不利于冷空气南下至广东, 导致广东2月高温少雨; 热带印度洋-西太平洋暖池区海温偏高则导致广东2月气温偏高。
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