孫淑清1劉舸2 宋文玲3彭京備1

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中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)的一個前兆信號

孫淑清劉舸宋文玲彭京備

1中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京100029;2中國氣象科學(xué)研究院，北京100081;3國家氣候中心，北京100081

利用中國160站逐月溫度、NCEP再分析、NOAA-CIRES 20世紀(jì)再分析以及NOAA海表溫度等資料，分析了中國東部（100°E以東地區(qū)）冬季溫度年際變化的主要模態(tài)，并重點研究了其中第2模態(tài)（即偶極型模態(tài)）的成因機理和前期信號。同時，也以2012～2013年冬季為例，探討了這一溫度異常模態(tài)的預(yù)測方法。研究主要發(fā)現(xiàn)：除中國東部大范圍一致偏冷或偏暖模態(tài)以外，110°E以東的北方地區(qū)偏冷（暖）還經(jīng)常對應(yīng)著華南和110°E以西地區(qū)的偏暖（冷），構(gòu)成溫度異常反向變化的偶極型模態(tài)。這種偶極型模態(tài)也是冬季氣候變化的一個主要模態(tài)， 2012～2013年冬季溫度異常即屬于這一模態(tài)。中國東部冬季溫度一致型模態(tài)主要與前期秋季中東太平洋海溫異常、亞洲大陸北部積雪，及其鄰近的北冰洋地區(qū)海冰密集度異常聯(lián)系緊密。而對于偶極型模態(tài)，海溫的影響并不明顯，前期秋季的東亞中緯度地區(qū)積雪、北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域的海冰密集度異常，以及它們引起的表面溫度異常分布可能具有重要貢獻(xiàn)，其中北冰洋海冰密集度異常導(dǎo)致的該地區(qū)表面溫度異常的影響可能更為重要。綜合了海冰和積雪信號的前期秋季北冰洋—東亞溫度差異（Arctic Ocean–East Asian temperature contrast，簡稱AE）指數(shù)與中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)具有顯著聯(lián)系，可以作為一個重要的預(yù)測因子。2012年秋季赤道中東太平洋海溫的正常狀態(tài)以及北冰洋暖異常和東亞中緯度地區(qū)冷異常的表面溫度分布特征，都不利于中國東部冬季溫度南北一致型異常的發(fā)生，而是有利于偶極型異常分布。利用AE指數(shù)可以有效地預(yù)測2012～2013年中國東部冬季溫度異常特征。

冬季溫度 冬季風(fēng) 海冰 積雪 預(yù)測

1 引言

東亞冬季風(fēng)的異常變化及相應(yīng)的冬季嚴(yán)寒、暴風(fēng)雪等災(zāi)害一直以來都為人們所關(guān)注。很多學(xué)者從不同的角度探討了冬季風(fēng)和相應(yīng)的東亞冬季氣候異常的影響因子和機制（陶詩言和張慶云，1998；陳雋和孫淑清，1999a，1999b；Wu and Wang，2002；琚建華等，2004，陳文和康麗華，2006；Li and Bates，2007；李雙林等，2009；Wang et al.，2009；劉實等，2010）。近年來的一些研究（王會軍和賀圣平，2012；賀圣平和王會軍，2012；王會軍和范可，2013）揭示，在1980年代中期以后東亞冬季風(fēng)在年代際特征和年際變率等方面都出現(xiàn)了明顯變化，這更促使人們利用較新的資料對冬季風(fēng)及我國冬季氣候進(jìn)一步研究。

以寒潮爆發(fā)為主要特征的東亞冬季風(fēng)活動，往往會導(dǎo)致我國大范圍的低溫異常。相應(yīng)地，中國大陸冬季一致偏冷或偏暖成為冬季氣候變化的最主要模態(tài)（朱艷峰等，2007；朱艷峰，2008）。因此，一般情況下通過預(yù)測東亞冬季風(fēng)的強弱即可大體上判斷中國冬季溫度異常狀況。利用前期海溫、積雪、海冰等異常信號預(yù)測冬季風(fēng)的研究有很多（陳海山等，2002a，2002b；管成功和孫照渤，2002；李忠賢和孫照渤，2004；劉實等，2010；武炳義等，2011；劉舸等，2013a），這里不一一贅述。然而需要指出的是，在很多年份冬季溫度異常分布并不表現(xiàn)為中國東部大陸整體一致型。例如，2012～2013年中國東部冬季（2012年12月～2013年2月）溫度異常就出現(xiàn)了北方偏冷而華南和110°E以西地區(qū)偏暖的結(jié)構(gòu)（圖1）。顯然，這種特殊的溫度異常分布增加了預(yù)測難度。而且，針對這種溫度異常分布型的預(yù)測研究較少，其形成機制和前期信號值得深入探討。作為一個典型個例，2012～2013年中國東部冬季溫度異常的原因也需進(jìn)一步分析。

一些研究發(fā)現(xiàn)，東亞冬季風(fēng)活動存在不同的模態(tài)或緯帶差異。郭其蘊（1994）指出，反映冬季風(fēng)強度的西伯利亞高壓變化與反映冬季風(fēng)向南擴展程度的海陸熱力差異存在不一致的現(xiàn)象。有些年份西伯利亞高壓雖然偏強，但冷空氣向南擴展并不明顯。這實際上就是冬季風(fēng)緯帶差異的一種體現(xiàn)。Wu et al.（2006）通過850 hPa風(fēng)場的Hermite矩陣分解也發(fā)現(xiàn)東亞冬季風(fēng)具有不同模態(tài)。利用經(jīng)驗正交函數(shù)分解（Empirical orthogonal function，簡稱EOF）方法也可清楚地發(fā)現(xiàn)，東亞低緯和中高緯的偏北風(fēng)異常除了有一致性變化的模態(tài)外，還存在著反向變化的模態(tài)，且這種反向變化經(jīng)常發(fā)生（Liu et al.，2012；劉舸等，2013b）。上述冬季風(fēng)的模態(tài)差別或緯帶差異實際上暗示了強冷空氣不總能影響到東亞低緯度地區(qū)，這為中國冬季溫度異常南北不一致的分布（如2012～2013年冬季，見圖1）提供了間接支持。

康麗華等（2006，2009）直接從溫度異常的角度分析了我國冬季氣候的時空變化特征，指出我國冬季氣溫主要表現(xiàn)為全國一致變化型和南北反向變化型兩種空間模態(tài)。Wang et al.（2010）進(jìn)一步從更大的空間尺度提出了東亞季風(fēng)區(qū)冬季溫度分布的兩類模態(tài)（北方型模態(tài)和南方型模態(tài)），其中北方型指冷空氣不能影響到低緯度地區(qū)，其影響范圍偏北的模態(tài)，而南方型指冷空氣影響范圍可達(dá)南方低緯地區(qū)的模態(tài)。另外，Wang et al.（2010）還進(jìn)一步從海溫和積雪異常等角度考察了分別影響這兩種模態(tài)的前期信號。最近，陳文等（2013）的研究也揭示出了東亞冬季氣溫變化的兩種模態(tài)，并重點探討了南北反向變化模態(tài)與平流層極渦強度的聯(lián)系。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文將分析中國東部冬季溫度年際變化的主要模態(tài)，重點探索中國東部地區(qū)冬季溫度異常第2模態(tài)的成因機理和前期信號，并與Wang et al.（2010）的結(jié)果進(jìn)行比較，在其基礎(chǔ)上提出新的前期因子。最后，以2012～2013年冬季為例探討中國冬季溫度第2模態(tài)型異常的預(yù)測方法，以期為中國冬季溫度的短期氣候預(yù)測提供一定參考。

圖1 2012～2013年冬季溫度距平（單位：°C）

2 資料與方法

本文所用的資料有：1981～2013年中國160站的逐月溫度資料，該資料下載自國家氣候中心網(wǎng)站（http://ncc.cma.gov.cn），是預(yù)測業(yè)務(wù)中常用的資料；美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，簡稱NCEP）的再分析大氣環(huán)流資料，包括1981～2013年的月平均溫度、位勢高度和、矢量風(fēng)場等，其水平分辨率為2.5°×2.5°（Kalnay et al.，1996）；NCEP再分析產(chǎn)品表面通量（CDC Derived NCEP Reanalysis Products Surface Flux）的逐月表面溫度和海冰密集度資料，其分辨率為192×94高斯格點（Kalnay et al.，1996）；美國國家海洋大氣局和科羅拉多大學(xué)環(huán)境科學(xué)合作研究所（NOAA-CIRES）的20世紀(jì)再分析積雪資料，其分辨率為192×94高斯格點（Compo et al.，2011）；美國國家海洋和大氣局（NOAA）氣候診斷中心的SST擴展重建資料（NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature V2），其水平分辨率為2°×2°（Smith et al.，2004）；NOAA氣候預(yù)測中心（Climate Prediction Center，CPC）的1981～2010年的逐月北極濤動（Arctic Oscillation，AO）指數(shù)。根據(jù)世界氣象組織的規(guī)定，一般選取最近3個年代的平均值作為當(dāng)前的氣候平均狀況，目前國家氣候中心等業(yè)務(wù)單位已經(jīng)將1981～2010年平均作為新的氣候平均值標(biāo)準(zhǔn)。因此這里采用1981年以來的最新資料，這也避免了1970年代NCEP再分析資料在東亞地區(qū)的虛假年代際變化問題（Wu et al.，2005；黃剛，2006）。在本文中，冬季指當(dāng)年12月至次年2月的平均。

為了考察各種影響因子的獨立作用，本文采用偏相關(guān)（Partial correlation）方法進(jìn)行分析。偏相關(guān)公式（Zar，1998；Wu and Kirtman，2007）為

3 中國冬季溫度的主要模態(tài)及其環(huán)流特征

盡管不同地區(qū)的線性上升趨勢存在差異，但中國大部分地區(qū)氣溫都表現(xiàn)出較為明顯的增暖特征（李慶祥等，2010；周國華等，2011）。因此，為了考察冬季溫度年際變化特征，我們首先將中國東部（100°E以東）139站的冬季溫度去除線性趨勢，然后再對其標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行EOF分析（圖2）。

如圖2a所示，第1模態(tài)表現(xiàn)為中國東部一致的偏冷或偏暖。這一模態(tài)占了總解釋方差的60%，是中國東部冬季溫度變化的最主要模態(tài)。由于該結(jié)果是在去除線性趨勢的基礎(chǔ)上得到的，因此圖2a說明這一模態(tài)并不是由中國大部分地區(qū)溫度一致性增暖趨勢造成的，中國東部冬季溫度年際尺度變化本身就以這種一致性變化為主。中國東部冬季溫度的第2模態(tài)則顯示出不一致的變化特征（圖2b）。具體來說，在110°E以東、27°E以北偏冷（暖），華南以及110°E以西地區(qū)則偏暖（冷）。為方便，這里將這種“正—負(fù)”對比結(jié)構(gòu)定義為“偶極型”模態(tài)。實際上，這一模態(tài)與康麗華等（2009）利用1951～2000年得到的全國范圍冬季溫度異常的第2模態(tài)在100°E以東的體現(xiàn)基本相同。比較發(fā)現(xiàn)，2012～2013年冬季出現(xiàn)的溫度異常結(jié)構(gòu)（圖1）與圖2b較為一致，可見2012～2013年冬季溫度異常并不是一種特例，而是屬于第2模態(tài)。該模態(tài)占總解釋方差的18%，具有一定的普遍性，因此值得深入研究相關(guān)的成因機理和前期信號。

從更大的空間尺度上看，上述兩個模態(tài)所反映的冬季溫度變化不僅局限于中國東部。圖3給出了第1和第2模態(tài)對應(yīng)的主成分（Principal component，分別稱為PC1和PC2）時間序列與亞洲區(qū)冬季溫度的相關(guān)（如無特殊說明，下文中的各個物理量都經(jīng)去線性趨勢處理）。由圖3a可見，第1模態(tài)反映了亞洲大陸60°N以南地區(qū)一致性的冬季溫度變化，它覆蓋了中國大部分地區(qū)。而第2模態(tài)則表現(xiàn)為亞洲大陸40°N以南和以北反向變化的特征（圖3b）。其中在中國東部反向變化的分界線更為偏南（在30°N附近）。圖3所示的第1和第2模態(tài)對應(yīng)的亞洲大陸溫度變化特征分別與Wang et al.（2010）給出的“南方型”和“北方型”模態(tài)較為相似?？梢娫谌コ€性趨勢后的年際變化尺度上，這兩種模態(tài)仍然是亞洲冬季溫度變化的最主要模態(tài)。同時也說明，中國東部冬季溫度變化的主要模態(tài)并不是局地性的，而是亞洲大陸冬季溫度年際變化在中國東部的一種體現(xiàn)。因此，下面我們從更大的空間尺度分析兩模態(tài)對應(yīng)的環(huán)流特征。

圖3 1981～2011年標(biāo)準(zhǔn)化的冬季溫度的EOF（a）第1模態(tài)和（b）第2模態(tài)的主成分時間序列與冬季溫度的相關(guān)，陰影區(qū)超過95%統(tǒng)計置信度

PC1序列與冬季500 hPa位勢高度場的相關(guān)（圖4a）顯示，在亞洲50°N以北地區(qū)為顯著正相關(guān)，而在50°N以南地區(qū)為顯著負(fù)相關(guān)。其中，在中國東部沿海地區(qū)，顯著負(fù)相關(guān)更為向南擴展，直至南海和西太平洋地區(qū)。在氣候平均的500 hPa位勢高度場上，東亞大槽從鄂霍次克海向西南傾斜至中國東部沿海地區(qū)（圖略）。因此，自中國東部向南擴展至南海及西太平洋的顯著負(fù)相關(guān)（圖4a）表明，當(dāng)中國東部冬季溫度異常表現(xiàn)為正第1模態(tài)型（即南北一致偏冷）時，對應(yīng)著東亞大槽加深偏南。相應(yīng)地，東亞地區(qū)顯著偏北風(fēng)異常從中高緯一直擴展到低緯南海地區(qū)，異常偏北風(fēng)的南界達(dá)10°N附近（圖4b）。這將有利于冷空氣南下，從而導(dǎo)致中國東部大范圍一致性的降溫（也即圖2a所示的第1模態(tài)特征）。反之，當(dāng)中國東部冬季溫度異常表現(xiàn)為負(fù)第1模態(tài)型（即南北一致偏暖）時，上述環(huán)流異常則相反。

圖4 （a）1981～2011年P(guān)C1與冬季500 hPa位勢高度場的相關(guān);（b）基于PC1回歸的表面風(fēng)場。陰影區(qū)超過95%統(tǒng)計置信度，黑色粗線標(biāo)注了東亞地區(qū)異常偏北風(fēng)影響的南界

對于第2模態(tài)，PC2序列與冬季500 hPa位勢高度場的相關(guān)（圖5a）顯示，從北極經(jīng)貝加爾湖到亞洲30°N附近，出現(xiàn)了“正—負(fù)—正”型顯著相關(guān)。其中，中高緯地區(qū)的正—負(fù)異常緯帶結(jié)構(gòu)與AO結(jié)構(gòu)較為一致，因此我們進(jìn)一步研究了冬季AO與中國東部冬季溫度的關(guān)系（圖略）。分析發(fā)現(xiàn)，AO可以較好地反應(yīng)第2模態(tài)（偶極型）的溫度分布特征（圖略），1981～2010年冬季AO指數(shù)與PC2序列的相關(guān)系數(shù)為－0.56，超過99.9%統(tǒng)計置信度。這進(jìn)一步支持了康麗華等（2009）利用1951～2000年資料得到的結(jié)果。另外，從圖5a可見，貝加爾湖地區(qū)表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，這說明當(dāng)中國東部冬季溫度異常表現(xiàn)為正第2模態(tài)型（即北冷南暖）時，對應(yīng)著東亞大槽偏西，這有利于冷空氣由西北路徑自中西伯利亞向中國北方地區(qū)爆發(fā)；而在110°E以東沿海地區(qū)則沒有表現(xiàn)偏北風(fēng)異常，異常偏北風(fēng)的南界僅達(dá)50°N附近，冷空氣的影響不能達(dá)到華南地區(qū)，從而造成了中國東部出現(xiàn)北冷南暖的第2模態(tài)特征（圖5b）。反之，當(dāng)中國東部冬季溫度異常表現(xiàn)為負(fù)第2模態(tài)型（即北暖南冷）時，上述環(huán)流異常則相反。

需要指出的是，中國東部溫度異常特征與異常偏北風(fēng)向南擴展的南界有關(guān)，但并不是與之完全吻合的。我們計算了1981～2012年區(qū)域（50°～70°N，110°～130°E）平均的風(fēng)與冬季溫度的相關(guān)（圖6a）。可以看到，盡管區(qū)域平均的南界為50°N，顯著正相關(guān)的范圍則擴展到了27°N以北，也即當(dāng)東亞50°N以北地區(qū)出現(xiàn)偏北風(fēng)異常偏強時，導(dǎo)致的降溫可以影響到27°N以北地區(qū)，但對華南地區(qū)的影響則不十分顯著，這種相關(guān)分布特征與第2模態(tài)（偶極型）基本一致。而對于異常偏北風(fēng)南界達(dá)到10°N附近的情況，區(qū)域（10°～50°N，110°～130°E）平均的風(fēng)與冬季氣溫的相關(guān)（圖6b）則顯示，中國東部表現(xiàn)出整體一致的正相關(guān)，說明10°N以北出現(xiàn)異常偏北風(fēng)時，則會導(dǎo)致中國東部大范圍一致的降溫，這與第1模態(tài)（南北一致型）基本相符。

綜上所述，中國東部冬季溫度年際變化的兩個最主要類型為南北一致型（第1模態(tài)）和偶極型（第2模態(tài)）。影響這兩種類型的大氣環(huán)流異常具有明顯的差別。其中，東亞大槽強度和位置的異常造成的冷空氣路徑和影響范圍的差異是導(dǎo)致中國東部冬季溫度出現(xiàn)上述兩種類型的重要原因。此外，冬季AO與第2模態(tài)也具有顯著聯(lián)系，也是影響偶極型溫度異常的重要環(huán)流系統(tǒng)。

圖5 同圖4，但為PC2對應(yīng)的結(jié)果

圖6 1981～2012年區(qū)域（a）（50°～70°N，110°～130°E）和（b）（10°～50°N，110°～130°E）平均的冬季v風(fēng)與冬季溫度的相關(guān)，陰影區(qū)超過95%統(tǒng)計置信度

4 前期信號

海溫、積雪和海冰等下墊面異常往往具有持續(xù)性，其相應(yīng)的?！憽獨怦詈舷到y(tǒng)經(jīng)常表現(xiàn)出“慢變”特征，是短期氣候預(yù)測的重要基礎(chǔ)。因此，本文主要從海溫、積雪、海冰及其相應(yīng)的表面溫度異常等方面分析中國東部冬季溫度年際變化主要模態(tài)的前兆信號。

首先從海溫異常來看，PC1序列與前期秋季以及同期冬季SST的相關(guān)結(jié)果（圖略）都顯示，赤道中東太平洋出現(xiàn)了顯著負(fù)相關(guān)。這表明前期秋季中東太平洋海溫冷異常（即La Ni?a型海溫異常）可持續(xù)到冬季，進(jìn)而造成中國東部南北一致的大范圍低溫。反之，當(dāng)前秋中東太平洋海溫出現(xiàn)暖異常（即El Ni?o型海溫異常）時，將會導(dǎo)致中國東部南北一致偏暖。陶詩言和張慶云（1998）指出，La Ni?a（El Ni?o）型海溫異?？蓪?dǎo)致亞洲上空環(huán)流型有（不）利于寒潮向南方爆發(fā)，從海溫異常的角度解釋了中國東部一致偏冷（暖）的原因。而對于中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)，則沒有明顯的前期和同期海溫異常信號（圖略），這與Wang et al.（2010）得到的結(jié)果是一致的。

從積雪異常來看，PC1序列與前期秋季亞洲50°N以北地區(qū)的積雪表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)（圖7a）。從海冰異常來看，PC1序列與前期秋季北冰洋東部、亞洲大陸北部鄰近海域的海冰密集度表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)（圖7b）。上述相關(guān)結(jié)果表明，前期秋季亞洲大陸北部及其鄰近的北冰洋地區(qū)積雪和海冰偏少（多），對應(yīng)中國東部南北一致偏冷（暖）的冬季溫度異常。亞洲大陸北部及其鄰近的北冰洋地區(qū)積雪和海冰偏少（多）一般對應(yīng)著當(dāng)?shù)乇砻鏈囟绕撸ǖ停?，因此PC1序列與亞洲北部至北冰洋地區(qū)大范圍的前期秋季表面溫度也存在著顯著正相關(guān)（圖7c）。根據(jù)圖7c，選取亞洲北部（60°～69°N，60°～90°E）及其鄰近的北冰洋地區(qū)（71°～82°N，60°～150°E）區(qū)域平均的前期秋季表面溫度作為北亞溫度（North Asian temperature，簡稱NA）指數(shù)，并與冬季溫度場進(jìn)行相關(guān)發(fā)現(xiàn)，該指數(shù)的確能很好地反映中國東部南北一致的冬季溫度異常（圖略）。由于NA指數(shù)包含了積雪和海冰的共同信息，因此以之作為中國東部冬季溫度異常一致型的前兆信號可能更為合理。本文的研究重點在于中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)的前兆信號及其影響機制，因此這里對前期積雪、海冰及其相應(yīng)的表面溫度異常如何影響冬季溫度一致型模態(tài)的具體過程不做深入探討。

對于中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)（第2模態(tài)），同樣分析了前期秋季積雪、海冰和相應(yīng)的表面溫度異常（圖8）。中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)的前兆信號（圖8）與一致型模態(tài)的前兆信號（圖7）有明顯差別：從積雪上看，東亞中緯度地區(qū)表現(xiàn)為大范圍的顯著正相關(guān)（圖8a）；從海冰密集度上看，北冰洋的顯著負(fù)相關(guān)與圖7相比更為偏西，顯著性也相對偏低（圖8b）；從表面溫度場上看（圖8c），北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域出現(xiàn)了顯著正相關(guān)，這與該地區(qū)的海冰密集度負(fù)相關(guān)相對應(yīng)，而在東亞中緯度地區(qū)出現(xiàn)了顯著負(fù)相關(guān)，這與該地區(qū)積雪的正相關(guān)相對應(yīng)。對比圖8b和8c還可發(fā)現(xiàn)，相對于海冰密集度場，表面溫度場上的相關(guān)在北冰洋西部海域更為顯著。這一結(jié)果暗示，盡管前期秋季北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域海冰的前兆信號相對偏弱，但它可通過調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)氐谋砻鏈囟犬惓?，進(jìn)而與偶極型模態(tài)緊密聯(lián)系。同時，上述結(jié)果也表明，以包含北冰洋海冰和東亞中緯度積雪異常信息的前期秋季表面溫度異常作為中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)的前兆信號，可能更為合適。

圖8 同圖7，但為PC2對應(yīng)的結(jié)果

根據(jù)圖8c，分別將北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域（70°～82°N，0°～70°E）和東亞中緯度地區(qū)（41°～55°N，85°～124°E）區(qū)域平均的前期秋季表面溫度定義為北冰洋溫度（Arctic Ocean Temperature，簡稱AT）指數(shù)和東亞溫度（East Asian Temperature，簡稱ET）指數(shù)。1981～2011年前期秋季AT和ET指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為?0.46，超過99%的統(tǒng)計置信度。這表明海冰異常導(dǎo)致的北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域表面溫度異常與積雪異常導(dǎo)致的東亞中緯度地區(qū)的表面溫度異常之間存在密切聯(lián)系，兩個前期信號耦合在一起。因此，為了分析兩者與中國東部冬季溫度異常的獨立關(guān)系，我們采用公式（1）給出的偏相關(guān)方法進(jìn)行分析。圖9a、9b分別給出了前期秋季ET指數(shù)和AT指數(shù)與冬季溫度的偏相關(guān)。圖9a顯示，去除北冰洋溫度異常信號后，與前期秋季ET指數(shù)顯著相關(guān)的冬季溫度異常的范圍較小，僅在中國西部地區(qū)表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，中國東部沒有顯著相關(guān)。這說明東亞中緯度溫度異常（ET指數(shù)）對中國東部冬季溫度異常的獨立影響可能較弱。圖9b顯示，去除東亞中緯度溫度異常信號后，前期AT指數(shù)與冬季溫度在東亞中高緯地區(qū)表現(xiàn)出較大范圍的顯著負(fù)相關(guān)，其中在中國東部的負(fù)相關(guān)在27°E以北地區(qū)都較為顯著，大體上表現(xiàn)出了冬季溫度的偶極型異常特征。這一結(jié)果說明，前期北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域的海冰密集度及其相應(yīng)的表面溫度異常對偶極型模態(tài)的貢獻(xiàn)可能更為重要。

圖9 1981～2011年冬季溫度分別與前期秋季（a）ET指數(shù)和（b）AT指數(shù)的偏相關(guān)，陰影區(qū)超過95%統(tǒng)計置信度

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，綜合考慮前期北冰洋表面溫度異常以及東亞中緯度地區(qū)的表面溫度異常（圖8c），將AT和ET指數(shù)的差值（AT?ET）作為一個新的指數(shù)，即北冰洋—東亞溫度差異（Arctic–East Asian temperature contrast，簡稱AE）指數(shù)，則能更好地預(yù)測中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)。1981～2012年前期秋季AE指數(shù)序列與PC2序列具有非常好的對應(yīng)關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.61，超過99.9%統(tǒng)計置信度（見圖10a）。同時，前期秋季AE指數(shù)與中國東部冬季溫度場的相關(guān)也顯示出了東北、華北地區(qū)負(fù)相關(guān)而華南以及110oE以西地區(qū)正相關(guān)的偶極型結(jié)構(gòu)（見圖10b）。這進(jìn)一步說明，采用AE指數(shù)能更好地預(yù)測這種偶極型模態(tài)。然而，應(yīng)該注意的是，AE指數(shù)與北方的負(fù)相關(guān)十分顯著，但與華南和110oE以西地區(qū)的正相關(guān)并不顯著。這暗示AE指數(shù)主要影響的是北方冷空氣的活動狀況，而南方和西部地區(qū)溫度異?？赡苓€受其他因子的影響。但從總體相關(guān)結(jié)構(gòu)特征以及與PC2的顯著相關(guān)來看，AE指數(shù)大體上能夠預(yù)測中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)。

圖10 （a）1981～2012前期秋季AE指數(shù)（虛線）與第2模態(tài)主成分（PC2；實線）的標(biāo)準(zhǔn)化序列；（b）AE指數(shù)與中國東部冬季溫度的相關(guān)，陰影區(qū)超過95%統(tǒng)計置信度

前期秋季北冰洋—東亞溫度差異（AE指數(shù)）可通過對亞洲地區(qū)冬季環(huán)流的影響進(jìn)而影響冬季溫度。圖11a為前期秋季AE指數(shù)與冬季500 hPa位勢高度場的相關(guān)，與圖5a在中高緯地區(qū)較為一致，同樣表現(xiàn)出了AO的結(jié)構(gòu)特征。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，1981～2010年前期秋季AE指數(shù)與冬季AO的相關(guān)系數(shù)高達(dá)－0.60，超過99.9%統(tǒng)計置信度。前文指出冬季AO與中國東部冬季溫度異常的偶極型模態(tài)具有顯著聯(lián)系。因此上述結(jié)果暗示，秋季北冰洋—東亞溫度差異（AE指數(shù)）可能通過AO的連接作用影響我國冬季氣溫。由圖11a還可看到，在貝加爾湖地區(qū)出現(xiàn)了顯著負(fù)相關(guān)，表明東亞大槽偏西，因此冷空氣由西北路徑自中西伯利亞向中國北方地區(qū)爆發(fā)（圖11b）。而在110°E以東沿海地區(qū)，異常偏北風(fēng)的南界僅達(dá)50°N附近（圖11b），冷空氣的影響不能達(dá)到華南地區(qū)，從而造成了中國東部出現(xiàn)北冷南暖的偶極型模態(tài)。因此，AE指數(shù)序列與PC2序列相關(guān)顯著。同時也需注意，與圖5a不同，在圖11a中亞洲30°N附近沒有出現(xiàn)顯著正相關(guān)。這一結(jié)果暗示AE指數(shù)對中高緯地區(qū)環(huán)流影響較為明顯，對更為偏南地區(qū)的環(huán)流影響較弱，這可能是圖10b中的華南和西部地區(qū)正相關(guān)不顯著的一個原因。

綜上所述，中國東部冬季溫度一致型模態(tài)主要受前期中東太平洋海溫異常和亞洲大陸北部積雪及其鄰近的北冰洋地區(qū)海冰異常的共同影響。而對于中國東部冬季溫度偶極型模態(tài)，海溫的影響并不明顯。為此，Wang et al.（2010）主要考察了積雪的影響。而我們的研究發(fā)現(xiàn)，除了東亞中緯度地區(qū)的積雪外，前期北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域的海冰密集度及其相應(yīng)的表面溫度異常也對這一模態(tài)具有明顯影響，而且這種影響可能更為重要。綜合了海冰和積雪信號的前期秋季北冰洋—東亞溫度差異指數(shù)可能通過影響亞洲地區(qū)冬季環(huán)流（如AO以及冷空氣路徑和影響范圍等）進(jìn)而影響冬季溫度，因而能夠很好地指示中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)。

5 2012年冬季溫度預(yù)測個例分析

在上一節(jié)的基礎(chǔ)上，以2012年為例探討中國東部冬季溫度異常的可能原因和預(yù)測。首先，從海溫異常上看，2012年秋季赤道中東太平洋海溫處于正常狀態(tài)，未表現(xiàn)出明顯的El Ni?o（La Ni?a）型特征（圖略），這不利于中國東部冬季溫度一致型的發(fā)生。另外經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，與中國東部冬季溫度異常一致型模態(tài)密切相關(guān)的NA指數(shù)在2012年的值為0.43，僅處于正常略偏強狀態(tài)，這表明中高緯海冰和積雪異常及其對應(yīng)的前期溫度異常也不利于2012年中國東部冬季溫度出現(xiàn)明顯的南北一致型異常。

從秋季表面溫度異常分布來看（圖12），北冰洋地區(qū)為暖異常，其異常中心在90°E以西，而東亞中緯度地區(qū)表現(xiàn)為冷異常。這種冷暖異常分布結(jié)構(gòu)與圖8c的結(jié)構(gòu)較為相似。同時由圖10a可見，與中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)顯著相關(guān)的AE指數(shù)在2012年的值為1.21，處于明顯偏強狀態(tài)，這正對應(yīng)著PC2的正異常，由此可正確預(yù)測2012年冬季中國東部溫度異常北冷南暖型分布（圖1）。這也暗示，前期海冰和積雪異常及其相應(yīng)的北冰洋—東亞溫度差異，可能是影響中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)的重要因子。

圖11 （a）1981～2011年前期秋季AE指數(shù)與冬季500 hPa位勢高度場的相關(guān);（b）基于前期AE指數(shù)回歸的表面風(fēng)場。陰影區(qū)超過95%統(tǒng)計置信度，黑色粗線標(biāo)注了東亞地區(qū)異常偏北風(fēng)影響的南界

圖12 2012年秋季表面溫度距平（單位：°C），這里深色和淺色陰影區(qū)分別表示溫度距平高于5°C和低于－1°C

6 總結(jié)和討論

中國東部大陸冬季溫度大范圍一致的偏高或偏低是該地區(qū)冬季氣候變化的最主要模態(tài)，它與東亞冬季風(fēng)強弱具有直接聯(lián)系，一直以來都為人們所重視。關(guān)于冬季風(fēng)及其相應(yīng)的中國大陸整體溫度變化機理和預(yù)測的研究工作也很多。然而，2012～2013年冬季中國東部溫度異常出現(xiàn)了110°E以東、27°E以北偏冷，華南以及110°E以西地區(qū)則偏暖的偶極型結(jié)構(gòu)。這增加了冬季氣候預(yù)測的難度，同時也提示我們對此應(yīng)深入研究。為此，我們考察了中國東部冬季溫度年際變化的主要模態(tài)，重點分析了偶極型模態(tài)的成因機理和前期信號，同時也以2012～2013年冬季為例探討了這一類型溫度異常的預(yù)測方法。

EOF分析發(fā)現(xiàn)，在年際變化尺度上，中國東部大范圍一致的偏冷或偏暖，是冬季氣候變化的最主要模態(tài)（約占總解釋方差的60%）。中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)是第2主要模態(tài)（占總解釋方差的18%）。2012～2013年冬季溫度異常并不是一種特例，它屬于第2模態(tài)，具有一定的普遍性。上述兩種模態(tài)對應(yīng)的大氣環(huán)流特征具有明顯的差別。其中，東亞大槽強度和位置的異常造成的冷空氣路徑和影響范圍的差異是導(dǎo)致中國東部冬季溫度出現(xiàn)上述兩種模態(tài)的重要原因。另外，冬季AO也與偶極型模態(tài)具有緊密聯(lián)系。

分析兩種模態(tài)的前期影響因子發(fā)現(xiàn)：中國東部冬季溫度一致型模態(tài)可能受前期秋季中東太平洋海溫異常和亞洲大陸北部積雪及其鄰近的北冰洋地區(qū)海冰異常的共同影響。而對于中國東部溫度偶極型模態(tài)，海溫的影響并不明顯，前期秋季東亞中緯度地區(qū)的積雪、北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域的海冰密集度異常，以及它們引起的當(dāng)?shù)乇砻鏈囟犬惓？赡軐ε紭O型模態(tài)具有重要作用。其中北冰洋斯瓦爾巴群島、法蘭士約瑟夫地群島附近海域海冰密集度異常導(dǎo)致的該地區(qū)表面溫度異常的影響可能更為重要。綜合了海冰和積雪信號的前期秋季北冰洋—東亞溫度差異（AE）可以激發(fā)亞洲地區(qū)冬季環(huán)流異常，進(jìn)而影響中國東部冬季溫度異常偶極型模態(tài)，因此前期秋季AE指數(shù)與冬季溫度異常南北相反型模態(tài)具有顯著關(guān)系（1981～2012年階段兩者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.61，超過99.9%統(tǒng)計置信度）。2012年秋季赤道中東太平洋海溫的正常狀態(tài)以及北冰洋暖異常和東亞中緯度地區(qū)冷異常的表面溫度分布特征，都不利于中國東部冬季溫度南北一致型異常的發(fā)生，而是有利于北冷南暖型異常分布。利用AE指數(shù)可以有效地預(yù)測2012～2013年中國東部冬季溫度異常特征。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，AE指數(shù)與ENSO的關(guān)系并不顯著（圖略），可見AE指數(shù)是獨立于ENSO且對中國東部冬季溫度異常具有一定預(yù)測能力的一個重要前期信號。

必須指出，影響中國東部冬季溫度異常的途徑有很多，AE指數(shù)顯然不是唯一的影響因子。最近陳文等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，異常的平流層極渦 向下傳播可引起對流層低層AO和西伯利亞高壓的異常，同樣會導(dǎo)致東亞地區(qū)南北反向型的溫度變化。而且，AE指數(shù)對中高位地區(qū)環(huán)流影響較為明顯，對更為偏南地區(qū)的環(huán)流影響較弱，它實際上反映了冬季中高緯冷空氣的影響范圍不能到達(dá)華南和西部地區(qū)的情況。對于華南冬季異常冷月的預(yù)測，吳尚森和梁建茵（2000a，2000b）從大氣環(huán)流、太平洋海溫、北極海冰和青藏高原積雪等角度進(jìn)行了探討。但由于華南地區(qū)冬季溫度變化在大多數(shù)年份是與北方地區(qū)一致的（即第1模態(tài)），因此他們的研究實際上也包括了對北方地區(qū)同樣有影響的因子作用。而在中國東部冬季溫度處于偶極型模態(tài)時，影響華南和西部地區(qū)獨立的冬季溫度變化的物理因子和前期信號還需進(jìn)一步研究。另外，本文盡管對前期秋季北冰洋—東亞溫度差異影響途徑和可能機制給出了一定解釋，但這一結(jié)果主要基于相關(guān)分析，存在不確定性。對于相關(guān)的物理機制，特別是北冰洋西部海域的海冰密集度異常和東亞中緯度地區(qū)的積雪的聯(lián)系機制以及它們對中國冬季溫度的獨立和協(xié)同影響作用，還需利用數(shù)值模式進(jìn)一步探討。

致謝 感謝兩位匿名審稿專家的意見和建議。

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A Precursory Signal for the Dipole Mode of Winter Temperature Anomaly over Eastern China

SUN Shuqing, LIU Ge, SONG Wenling, and PENG Jingbei

1,,,100029;2,100081;3,100081

In this study, the dominant modes of winter temperature over eastern China (to the east of 100°E) are analyzed using the monthly temperature data recorded at 160 stations in China, National Centers for Environmental Prediction(NCEP) reanalysis data, National Oceanic and Atmospheric Administration–Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences (NOAA–CIRES) 20th century reanalysis data, and NOAA Sea Surface Temperature (SST) data. The formation mechanism and precursory signals for the second (dipole) mode are primarily studied. Moreover, the prediction method for the second mode is explored by using the winter of 2012?2013 as an example. The results indicate that in addition to the unanimously colder or warmer first mode, the dipole mode, which is characterized as a colder (warmer) region over northern China and to the east of 110°E accompanied by a warmer (colder) region over southern China and to the west of 110°E, is also a main mode dominating the region over eastern China. The winter of 2012–2013 belongs to the second mode. The first mode is related mainly to the SST anomalies in the tropical eastern and central Pacific, the snow cover anomalies over the northern Asian continent, and the sea ice concentration anomalies in the Arctic Ocean along northern Asia during the previous autumn. For the second (dipole) mode, the SST anomalies have no clear influence; however the snow cover anomalies over the middle latitudes over East Asia, the sea ice concentration anomalies from the Svalbard archipelago to the Franz Josef Land archipelago of the Arctic Ocean during the previous autumn, and the surface air temperature pattern of the Arctic Ocean–East Asian temperature contrast caused by the aforementioned snow cover and sea ice anomalies seem to be important. The previous autumn Arctic Ocean–East Asian temperature contrast (AE) index, which involves the synthesized signals of snow cover and sea ice concentration, is closely related to the second mode and should be considered as an important predictor. In the autumn of 2012, several previous signals, such as the normal SST state in the equatorial Eastern and central Pacific, the warmer surface air temperature over the Arctic Ocean, and the colder surface air temperature over the middle latitudes of East Asia, are not conducive to the first mode but are favorable for the second (northern-colder–southern-warmer) mode. By using the previous AE index, the anomalous temperature pattern over eastern China in the winter of 2012–2013 can be effectively predicted.

Winter temperature, East Asian winter monsoon, Sea ice, Snow cover, Prediction

1006?9895(2014)04?0727?15

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13211

2013?07?11，2013?12?28收修定稿

國家自然科學(xué)基金項目412714342、41375089，十二五國家科技支撐計劃項目 2012BAH32B03，中國氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費專項2013Z002

孫淑清，女，1936年出生，研究員，主要從事天氣動力學(xué)研究。E-mail: ssq@lasg.iap.ac.cn

劉舸，E-mail: liuge@cams.cma.gov.cn