山东冬季冷暖年气候特征及其成因分析

迟竹萍，孟祥新，高理

（山东省气候中心，山东济南250031）

1 引言

近百年来全球气候变暖已经是一个不可争辩的事实，以气候变暖为代表的全球性环境问题越来越受到科学界、社会公众和各国政府的关注。山东属大陆季风性气候, 四季明显，在全球气候变暖的大背景下, 区域响应特征明显。山东从1986年开始，冬季气温开始明显变暖，在之后的28年中，冬季平均气温15年为正距平，占54%，且偏高1.0 ℃以上的典型暖年以及异常暖年均出现在1986年以后，只有2012年冬季气温偏低1.0 ℃以上；而在1986年之前的35年中，有27年气温为负距平,占77%,出现7年异常冷年和10年典型冷年，且偏暖年距平均小于0.5 ℃。

近年来众多学者针对我国暖冬气候、华北冬季低温、我国南方冬季异常低温等从气候背景和环流特征等方面做了大量的分析研究，得出了很有意义的结论[1-4]，为今后的预报和预测工作提供了相关的依据。现在我国的短期气候预测业务，是在国家气候中心指导预报的基础上，各省根据本区域的气候特征做出的订正预报；因而分析了解本区域气候异常特征及其成因是非常必要的,本文主要针对山东冬季气温演变特征及异常冷暖年发生的大尺度环流背景进行分析，为冬季气温异常预测提供预测依据。

2 资料与计算方法

本文采用的资料是山东122个气象观测站气温和降水量观测资料，时间尺度为1951—2013年的年、冬季(12月至翌年2月)平均气温、平均降水量，如2012年冬季是指2012/2013年冬季；平均值以1981—2010年共30年均值为基准；通过计算获得1951—2013年共计63年的冬季数据；定义冬季平均气温距平绝对值≥2.0 ℃为异常冷暖年，1.0 ℃≤冬季平均气温距平绝对值<2.0 ℃为典型冷暖年。1952年（¯2.4 ℃）、1956年（¯3.7 ℃）、1963年（¯2.3 ℃）、1966年（¯2.1 ℃）、1967年（¯3.8 ℃）、1968年（¯2.1 ℃）、1971年（¯2.5 ℃）7年为异常冷年；1954年（¯1.7 ℃）、1962年（¯1.4 ℃）、1969年（¯1.5 ℃）、1970年（¯1.4 ℃）、1973年（¯1.4 ℃）、1976年（¯1.9 ℃）、1980年（¯1.9 ℃）、1983年（¯1.9 ℃）、1984年（¯1.6 ℃）、1985年（¯1.8 ℃）、2012年（¯1.1 ℃）11年作为典型冷年。2001年（2.0 ℃）为异常暖年；1998年（1.8 ℃）、2003年（1.3 ℃）、2006年（1.8 ℃）、2008年（1.0 ℃）、2013年（1.0 ℃）5年作为典型暖年。500 hPa 高度场资料为1951—2013年10°—85°N、0°—180°—0°的月平均值。对冬季气温年际变化采用气候趋势系数及其统计检验，并采用移动t 检验检测序列的变化是否有突变；采用相关检验、合成分析等分析气温异常发生的气候背景及影响因素。

3 山东冬季平均气温的演变特征

3.1 全球变暖趋势下山东冬季气温变化特征

图1 为山东冬季平均气温历年变化曲线，为了消除噪声和突出气候阶段性特征，进行了3年平滑处理。由图1 可见，近63年来，山东冬季平均气温整体呈上升趋势，而且具有明显的阶段性。20世纪50年代到60年代，气温在波动中呈下降趋势，分别在1956年和1967年气温陡降，出现63年来的次低值和最低值，之后气温在波动中逐渐上升，虽在80年代中前期气温有所回落，20世纪末到现在气温变暖趋缓，但整体上升趋势明显；采用滑动t 检验，显示1986年之前冬季气温的平均值与之后的平均气温有显著的差异，突变后比突变前平均上升了1 ℃以上，反映出山东冬季气温在80年代中期以后增暖现象十分显著。上述结果与60年代中国、北半球和全球气温有所下降、中国冬季气温在60年代达近60年最低值及中国冬季气温在1984年前后发生突变的研究结论相一致[5¯9]。

图1 山东冬季气温距平逐年演变曲线

20世纪80年代中期以前的相对冷期，山东冬季气温35年中仅有8年为正距平,气温负距平年占77%，此时段出现了7次异常冷年和10次典型冷年；20世纪80年代中期以后的相对暖期，山东发生冷冬的次数明显减少，只在2012年发生1 次；冬季暖冬年频发，28年中冬季平均气温有15年为正距平，占54%，且1 次异常暖年和5 次典型暖年均出现在1986年以后。

年代际变化与年际变化趋势一致（见图2）,20世纪50年代、60年代、70年代到80年代,气温均为负距平,且60年代负距平最大；90年代及21世纪00年代,气温明显上升，为正距平，00年代正距平进一步增大,但2010年以后至今气温回落又转为负距平。

3.2 去除全球变暖趋势下山东冬季气温变化特征

图2 山东冬季气温年代际距平变化

图3 去掉变暖趋势后山东冬季气温距平逐年演变曲线

为更好的了解山东冬季气温的年际变化特征，图3给出去掉全球变暖趋势以后的山东冬季平均气温变化曲线。按冷暖年划分标准，1956年（-2.2 ℃）、1967年（-2.8 ℃）2年为异常冷年；1963年（¯1.2 ℃）、1966年（¯1.1 ℃）、1968年（¯1.2 ℃）、1971年（¯1.6 ℃）、1976年（¯1.2 ℃）、1980年（¯1.3 ℃）、1983年（¯1.4 ℃）、1984年（¯1.2 ℃）、1985年（¯1.4 ℃）、2010年（¯1.0 ℃）、2011年（¯1.1 ℃）、2012年（¯1.5 ℃）12年为典型冷年；1951年（1.7 ℃）、1953年（1.5 ℃）、1958年（1.5 ℃）、1959年（1.2 ℃）、1964年（1.3 ℃）、1972年（1.0 ℃）、1978年（1.1 ℃）、1998年（1.8 ℃）、2001年（1.9 ℃）、2003年（1.2 ℃）、2006年（1.6 ℃）11年为典型暖年。

1986年以前，山东冬季气温35年中有20年为负距平，占57%，此时段出现2次异常冷年、9次典型冷年以及7 次典型暖年；1986年以后，28年冬季气温有16年为负距平，占57%，出现3 次典型冷年以及4 次典型暖年。分析年代际特征（图略），20 世纪50年代、90年代以及21世纪00年代气温为正距平，60年代、70年代、80年代以及2010年至今气温均为负距平，2010年至今负距平最大。

综上分析，山东冬季气温年际和年代际变化特征在是否考虑变暖趋势下，是有较大差异的。去除变暖趋势后，1986年前、后时段，冬季气温负距平年份所占比率是相同的，无明显的冷暖时期特征。

4 冬季冷、暖年气候特征

4.1 降水特征

由表1 可见，山东冷暖年冬季降水易出现异常。24年冷暖年中，有22年冬季降水距平百分率绝对值在20%以上；异常冷年冬季降水偏多的概率大，7年中有5年冬季降水异常偏多，概率为71.4%；典型冷年和暖年，冬季降水明显偏少的概率大，偏少概率分别为81.8%和83.3%。

4.2 气温特征

统计山东冬季冷暖年平均最低气温距平及极端最低气温可见（见表2），平均最低气温距平及极端最低气温异常冷年小于典型冷年，二者典型冷年又小于暖年。7 次异常冷年平均最低气温距平≤¯1.0 ℃，7年平均为¯2.0 ℃；极端最低气温均低于¯15.4 ℃。11 次典型冷年平均最低气温距平≤0.5 ℃，11年中9年在零度以下，平均为¯1.0 ℃；极端最低气温均低于¯14.4 ℃。6 次暖年（1 次异常暖年、5次典型暖年）平均最低气温距平≤1.4 ℃，平均为0.9 ℃，只有1年在零度以下；极端最低气温均低于¯13.8 ℃。

表1 山东冬季冷、暖年降水距平百分率特征（单位：%）

表2 山东冬季冷、暖年气温特征（单位：℃）

5 冬季冷暖年大气环流特征

5.1 异常冷暖年500 hPa高空环流特征

异常冷冬年北半球500 hPa 平均高度场上（图略），主要表现为单极涡，中心位于巴伦支海北边的极区上空且呈经向分布，乌拉尔山脉有明显高脊区，且强度比常年偏强、位置偏北，欧亚大陆为深厚的经向环流控制，在亚洲东岸形成较深的东亚大槽；高度距平场的分布呈西北正东南负（见图4a），正中心位于乌拉尔山脉附近，最大值为30 位势什米；欧亚中高低纬受负距平控制，极强负距平中心位于贝加尔湖附近，相应的有¯40 位势什米的负距平区，山东处于负距平区的底部。这种情况表明[10]，西伯利亚高压较常年偏强，冬季风强，对应从西伯利亚冷高压分裂南下的冷空气活动强，山东冬季长时间处在东亚大槽前的西北气流中，从而使整个冬季气温异常偏低。

异常暖冬年北半球500 hPa 平均高度场上（图略），也表现为单极涡，乌拉尔山冷低压强度偏弱,亚洲北部的冷空气主体偏北，欧亚中高纬环流呈纬向型发展；高度距平场分布呈北负南正（见图4b），乌拉尔山附近变一负距平区，相应的有¯30 位势什米的负距平中心，欧亚中高低纬为正距平控制，30位势什米的正距平中心位于巴尔喀什湖附近，山东处于正距平区中。来源于极地的冷空气不易南下，而低纬地区暖空气相对活跃，有利于冬季气温持续偏高。

5.2 东亚槽位置

为了更好的说明冬季冷暖年与大气环流变化的关系，进一步分析与气温有密切联系的东亚槽位置的变化。以国家气候中心下发的74 项特征量中东亚槽位置，分析其年际变化特征（见图5），直线为线性趋势线。

由图5 可见，冬季东亚槽位置也经历了一个由西至东的年代际变化。大体上是1987年以前为位置偏西年，1987年为位置偏东年，其年代变化与冬季气温的年代变化比较一致，前者对应冬季气温相对冷期，后者则对应相对暖期。计算1951—2013年山东冬季气温、降水与同期东亚槽位置、强度的关系，也发现气温、降水与东亚槽位置关系最为密切，相关系数分别为0.38 和0.36，检验信度均超过0.01；即东亚槽位置在145°E以西，山东处于东亚大槽前部的西北气流中，冷空气活动频繁，冬季气温易偏低、降水易偏少，反之气温易偏高、降水易偏多。冬季气温、降水与东亚槽强度关系不密切。

图4 500 hPa高度场距平（单位：十位势米）

5.3 西太平洋副热带高压（简称副高，下同）

图5 冬季东亚槽位置的年际变化

图6 冬季110°—180°E范围副高强度指数和面积指数的年际变化

以国家气候中心下发的北半球110°—180°E范围，分析副高强度指数和面积指数其年际变化（见图6），直线为线性趋势线。由图6可见，冬季副高强度和面积指数也经历了一个由弱变强、由小变大的年代际变化。大体上是20 世纪80年代以前为偏弱、偏小年，80年代以后为偏强、偏大年，其年代变化特征与冬季气温年代变化特征较相似，前者对应冬季气温相对冷期，后者则对应相对暖期。计算1951—2013年山东冬季气温、降水与同期副高强度和面积指数的关系，发现气温、降水与副高强度指数、面积指数的相关系数分别为0.50 和¯0.02、0.57和0.00，全省平均气温及各地气温（图略）与副高强度指数、面积指数正相关检验信度均超过0. 001。当冬季副高强度减弱，面积缩小，表明南支锋区南落，相应北支锋区加强并南压，山东处于北支锋区南侧，多受冷空气影响，冬季气温容易偏低。

5.4 厄尔尼诺（拉尼娜）事件

图7 冬季气温和降水与前期7月Nino3区海温相关分布（信度：深灰0.05，浅灰0.1）

厄尔尼诺（拉尼娜）事件是指赤道中、东太平洋海温持续异常偏暖（冷）的现象，一般将NINO 3 区海表温度距平指数至少连续6 个月≥0.5 ℃（≤¯0.5 ℃）定义为一次厄尔尼诺（拉尼娜）事件，它的发生被认为气候变化的最强信号，往往给全球气候造成较大影响。表1中标注的厄尔尼诺（拉尼娜）事件由国家气候中心根据（新指数）确定的，且冬季处于事件发生中；由表1可见，山东7年冬季异常冷年，有2年处于暖事件、3年处于冷事件中；而11年典型冷年，有7年处于冷事件中。当厄尔尼诺（拉尼娜）事件发生时，使得连接热带和中纬度大气的垂直环流发生变化，从而改变海陆的气压分布，使季风的强度发生变化，最终导致大陆气候的变化；冬季拉尼娜事件发生，和山东冬季气温偏冷有较好的关联性。

5.5 前期中东太平洋海温

为了研究山东冬季气温、降水与太平洋海温的相关关系,将1951—2013年山东冬季气温、降水与东太平洋NINO 3 区前期逐月海温作相关分析，发现冬季气温、降水与前期7月NINO3区海温相关最好（见图7），山东各地冬季气温与前期7月NINO3区海温均呈正相关，除半岛及东南沿海外，大部地区超过0.05 的显著性检验，即当7月NINO3区海温为正距平时，山东各地冬季海温易偏高，反之亦然；山东各地冬季降水与前期7月NINO3 区海温均呈反相关，西部地区超过0.05的显著性检验，即当7月NINO3区海温为正距平时，山东各地冬季降水易偏少，反之亦然。

6 结论与讨论

（1）山东冬季气温存在着明显的年代际变化特征，气温的变化可分为两个时期，20 世纪80年代中期以前为相对冷期，气温以负距平为主；20 世纪80年代中期以后为相对暖期，山东发生冷冬的次数明显减少，而暖冬年频发，增暖趋势明显；

（2）山东冬季冷暖年降水易出现异常。异常冷年冬季降水异常偏多概率大，异常偏多概率为71.4%；典型冷年和暖年，冬季降水明显偏少的概率大，明显偏少概率分别为81.8%和83.3%；

（3）山东冬季异常冷（暖）年500 hPa 平均高度场有明显不同。在高度距平场上欧亚大陆呈反位相分布，异常冷年乌拉尔山高压脊偏强、偏北，山东处于负距平区的底部；而异常暖年乌拉尔山高压偏弱，山东处于正距平中；

（4）山东冬季气温年代际变化特征与冬季东亚槽位置、副高强度（面积）指数年代际变化特征比较一致，并与三者存在很好的相关性。冬季东亚槽位置在145°E 以西，山东处于东亚大槽前部的西北气流中，冬季气温易偏低；冬季副高强度减弱，面积缩小，南支锋区南落，相应北支锋区加强并南压，山东处于北支锋区南侧，多受冷空气影响，冬季气温容易偏低；

（5）ENSO 事件发生，影响热带海气相互作用，从而改变海陆的气压分布，使季风的强度发生变化，最终导致山东气温的变化。冬季拉尼娜事件发生，和山东冬季气温偏冷有较好的关联性；并发现山东冬季气温与前期7月Nino3 区海温正相关最好。

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