辽宁冬季气温变化特征及与东亚冬季风的关系_房一禾

第30卷第1期2014年2月

气象与环境学报

JOUＲNALOFMETEOＲOLOGYANDENVIＲONMENT

Vol．30No．1February2014

房一禾，J］．气象与环境学报，2014，30（1）：57－63．张运福，邵鹏程，等．辽宁冬季气温变化特征及与东亚冬季风的关系［FANGYi-he，ZHANGYun-fu，SHAOPeng-cheng，etal．VariationcharacteristicsofwinterairtemperatureinLiaoningprovinceanditsJ］．JournalofMeteorologyandEnvironment，2014，30（1）：57－63．relationswithEastAsiawintermonsoon［

辽宁冬季气温变化特征及与东亚冬季风的关系

房一禾

1

张运福

1

邵鹏程

2

周放

3

赵连伟

1

姜鹏

4

于杨

5

（1.沈阳区域气候中心，辽宁沈阳110166；2.国家气候中心，北京100081；3.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044；4.辽宁省气象学校，辽宁沈阳110166；5.辽宁省气象信息中心，辽宁沈阳110166）

摘

要：采用1961—2012年辽宁省53站月平均气温资料及NCEP/NCAＲ再分析月平均高度场、风场和海平面气压场资

料，分析近51a辽宁冬季气温的时空变化特征。在归纳并计算前人定义的6种东亚冬季风指数的基础上，对比辽宁冬季气温与6种东亚冬季风指数的关系。结果表明：1961—2011年辽宁东部冬季气温均方差大于西部，全省绝大部分地区为显著的正在1977年发生突变；并存在趋势；辽宁冬季气温EOF第一模态表现为全省一致异常偏高或偏低的特征；时间系数显著上升，

4.5、2.0a和3.0a的周期变化；朱艳峰定义的东亚冬季风指数是各指数中与辽宁冬季气温变化关系最密切的指数，无论从突变周期特征、相关系数还是反位相对应关系上，其均与辽宁冬季气温关系最密切，且850hPa经向风场和海平面气压场也能时间、

说明二者有较好的对应关系。

关键词：东亚冬季风指数；EOF；最大熵谱分析中图分类号：P467

文献标识码：A

doi：10．3969/j．issn．1673-503X．2014．01．009

引言

近年来，气候变化问题越来越受公众瞩目，气象部门和政府部门对气候变化的关注也与日俱增。各国的科学家对气候变化问题展开了大量有意义的研

并提出了相应的防范措施。同时，中国科学究工作，

家也对气温的变化特征及其原因等方面进行深入的

［1］

研究，并取得重要的科研成果。林学椿和于淑秋认为近几十年来，中国大部分地区气温呈上升趋势，其中冬季气温上升趋势最大，东北和华北地区是升温趋势最显著的地区。此外，众多学者对冬季气温

［2－8］

。如孙凤华和赵春雨［9］分析也展开类似的研究

1905—2001年辽宁近百年来气温变化序列，认为辽宁气候变暖最显著，其中辽宁冬季升温最明显。赵

［10］

连伟等分析1961—2004年辽宁冬季平均气温的时空分布特征，提出了影响辽宁冬季气温异常的物理因子，包括太阳黑子、海温和东亚大槽等。

东亚冬季风对中国冬季气温有重要的影响，而分析辽宁冬季气温与东亚冬季风关系的研究较少。此外，东亚冬季风指数有多种定义的方法，目前还没有研究分析哪种指数的定义方法更适合分析其对辽宁冬季气温变化的影响。因此，本文计算了根据不同要素定义的6种东亚冬季风指数，分析了这些指

数的变化特征及其与辽宁冬季气温变化的关系，并

得出对东亚冬季风指数的异常年份进行合成分析，从而明确冬季风指数异常年份对应的环流场特征，

东亚冬季风影响辽宁冬季气温的可能原因。在已知东亚冬季风对辽宁冬季气温有重要影响的前提下，找到一个较适合描述辽宁冬季气温变化的东亚冬季风指数，以作为辽宁冬季气温的预测因子。

1

1.1

资料与方法

资料来源

采用1961—2012年冬季12月至翌年2月辽宁省53站的月平均气温资料及1961—2012年NCEP/NCAＲ再分析月平均高度场、风场和海平面气压场资

料，月平均气温资料由沈阳区域气候中心提供。1.2研究方法

采用经验正交函数分解（EmpiricalOrthogonalFunction，简称EOF）及旋转主成分分析（ＲotatedEm-piricalOrthogonalFunction，简称ＲEOF）、无量纲趋势Mann－Kendall突变检验、系数、最大熵谱分析、相关分析和合成分析等统计方法，对研究内容进行分析。

［11］［12］

（Igqy）、本文计算了郭其蕴祝从文等

［13］［14］

（Izcw）、（Igdy）、龚道溢等王会军和姜大膀

收稿日期：2012－09－28；修订日期：2012－12－21。

“近百年全球陆地气候变化监测技术与应用”（GYHY201206012）资助。资助项目：公益性行业（气象）科研专项

1986年生，E-mail：49954570@qq．com。作者简介：房一禾，男，助理工程师，主要从事气候预测业务，E-mail：zyfmail@vip．sina．com。通信作者：张运福，

58气象与环境学报

—

—

第30卷

［15］［16］

（Iwhj）、朱艳峰（Izyf）和晏红明等（Iyhm）根据不同要素定义的东亚冬季风指数。这些东亚冬季风指数的计算公式分别为：

60

Izyf=U500（25°—30°N，80—120°E）－U500（50°—60°N，80°—120°E）

—

（6）

Igqy=

（Ps110i∑10

—

Ps为海平面气压；P为区域平均海式（1）—式（6）中，

平面气压；U和V分别为区域平均纬向风和经向风；H为区域平均位势高度。

—

—

—

－Ps160i）（1）

Izcw=U850（0°—10°N，100°—130°E）－U200（0°—100°N，100—130°E）+∑（ps160－ps110）（2）

10

—

50

2

2.1

结果分析

辽宁冬季气温时空变化

为了解1961—2011年辽宁冬季气温的变化幅度

Igdy=Ps（40°—60°N，70°—120°E）Iwhj=V850（25°—50°N，115°—145°E）Iyhm=H500（20°—40°N，110°—130°E）

——

—

（3）（4）（5）

和变化趋势，图1为1961—2011年辽宁53

站冬季气

阴影区表示趋势通过0.05信度的显著性检验

图1

Fig．1

1961—2011年辽宁冬季气温均方差（a）和趋势系数（b）分布

from1961to2011inLiaoningprovince

Spatialdistributionsofrootmeanstandarddeviation（a）andtrendcoefficients（b）ofwinterairtemperature

温均方差和无量纲趋势系数的分布。由图1可见，辽宁冬季气温均方差分布为东部均方差大于西部，表明辽宁东部气温变化的幅度大于西部。全省趋势且全省绝大部分地区的正趋势均通系数均为正值，

过0.05信度的显著性检验，其中东部和西部地区的趋势系数略大于中部地区。

为分析辽宁冬季气温变化的异常特征，对1961—2011年辽宁冬季气温标准化距平场进行EOF分析，得到空间载荷向量和时间变化特征。图2a和2b为辽宁53站冬季平均气温EOF分析的第一载荷下文向量及对应的第一标准化时间系数（简称t1，

［17］

同）。第一模态方差贡献率约为90%，满足North

图2c为其第一模态标准化时间系数的M－K检验结果。由图可见，辽宁冬季气温有明显的突变现象。为确保突变点的可信度，同时进行t检验。辽宁冬季气温第一标准化时间系数在1977年前后的差异通过0.05信度的显著性检验，说明1977年这个突变在1977年前后，辽宁冬季气温发点是可信的。因此，

生了一次由偏低转变为偏高的突变。

图2d为辽宁冬季气温EOF第一时间系数的最大熵谱分析，由图可见，谱密度的峰值对应4.5、3.0a和2.0a周期，说明辽宁冬季气温具有4.5、3.0a和2.0a的周期。2.2

辽宁冬季气温与6种东亚冬季风指数的关系

图3为6种东亚冬季风指数的时间序列及其

提出的误差估计，能反映出辽宁冬季气温时空变化的主要特征。其最主要特征是辽宁省为一致的正值，表明辽宁冬季气温具有一致的偏低或偏高的异常特征。

第一模态的标准化时间系数在1961—2011年呈波动上升，滑动平均曲线在20世纪80年代中期由负值转变为正值，经计算，上升趋势通过0.05信度的显著性检验。即辽宁冬季气温总体呈显著的上升趋势，这与全球气候变暖的背景相符。

11a滑动平均线。由图3可见，Igqy、Izcw和Izyf随时间Iwhj均呈波动下降趋势，其中Izcw下降趋势较大。Igdy、和Iyhm随时间呈波动上升趋势，其中Iyhm上升趋势较大。对这些指数做标准化后的时间序列与t1的时间序列叠加后（图略），能看出一定的同向或反向对应关系，说明这些指数从不同程度上影响辽宁冬季气温的变化。

表1为1961—2011年t1及6种东亚冬季风指

数的突变点、周期和与t1的相关系数。可见，除Igqy和Igdy无明显突变特征外，

其余的东亚冬季风指数突

虚线为α=0.05信度的显著性水平临界值

图2Fig．2

1961—2011年辽宁冬季标准化气温变化距平EOF第一载荷向量（a）、第一标准化时间系数（b）、

M－K检验结果（c）和第一时间系数的最大熵谱（d）

SpatialdistributionofthefirstloadingvectorofstandardizedwinterairtemperatureanomalybytheEOFvaluesofthemaximumentropyspectrumanalysis（d）from1961to2011inLiaoning

province

variationofthefirststandardizedtimecoefficient（b），itsabruptchangebytheM-Ktest（c）andmethod（a），

图31961—2011年Igqy（a）、Izcw（b）、Igdy（c）、Iwhj（d）、Izyf（e）和Iyhm（f）时间变化和11a滑动平均及线性趋势TimeseriesofIgqy（a），Izcw（b），Igdy（c），Iwhj（d），Izyf（e），Iyhm（f）andtheir11yearsmovingaverage

aswellastheirtrendsfrom1961to2011

Fig．3

变点基本均在20世纪70年代末或者80年代初。t1和6个东亚冬季风指数都有3a左右的变化周期。

Izcw、Igdy、Izyf和Iyhm与t1的相关系数均通过且Igqy、

0.05信度的显著性检验，其中Izyf和Iyhm与t1相关系

表1

Table1

Izyf在突变点、周期数的绝对值均达0.62。总体来看，

和与t1的相关系数均与t1序列最吻合。

为进一步分析6种东亚冬季风指数与辽宁冬季气温的关系，图4为6种东亚冬季风指数与辽

1961—2011年t1和6种东亚冬季风指数的突变点和周期及与t1的相关系数correlationcoefficientsbetweensixindexesandt1from1961to2011

Theabruptchangepointsandcyclesoft1andsixEastAsianwintermonsoonindexes，

Igqy－5，3—4－0.51*

Izcw1977年

2，3—4，15－0.38*

Igdy－15，3－0.53*

Iwhj1977年

15，3—40.22

Izyf1975年

3，7－0.62*

Iyhm1982年

30.62*

东亚季风指数突变点出现时间

周期/a与t1的相关系数

t11977年4.5，2.0，3.0

1.00

注：*为相关系数通过0.05信度的显著性检验

。

阴影区为相关系数通过0.05信度的显著性检验

图4Fig．4

1961—2011年Igqy（a）、Izcw（b）、Igdy（c）、Iwhj（d）、Izyf（e）和Iyhm（f）与辽宁冬季气温的相关系数空间分布ThespatialdistributionofcorrelationcoefficientsbetweenIgqy（a），Izcw（b），Igdy（c），Iwhj（d），Izyf（e），Iyhm（f）

andwinterairtemperatureinLiaoningprovincefrom1961to2011

Izcw和Iwhj与宁冬季气温的相关系数分布。由图4知，

Igdy、Izyf和辽宁冬季气温相关系数相对较小。而Igqy、Iyhm与辽宁冬季气温相关系数在全省都通过显著性检验，其中Iyhm和Izyf与辽宁冬季气温相关系数最大。

因此在描述与辽宁冬季气温的关系上，朱艳峰定义的指数Izyf和晏红明的指数Iyhm与辽宁冬季气温关系相对更密切，而其他指数可能更适合描述其他地区冬季气温或其他气象要素的变化。

为了比较Izyf和Iyhm与辽宁冬季气温的关系，图5

为二者经标准化处理的序列与t1序列的叠加图。由Izyf与t1序列从1961—2011年各个时期反图5可见，

位相变化对应均较好。而Iyhm与t1序列在20世纪60年代末至80年代末同位相变化较明显，但21世纪以来，二者同位相变化的关系不明显。另外，通过对比两种指数与t1序列的距平同（异）号率来比较二

t1与Izyf的异号率（80.4%）大于者与t1的关系可知，

t1与Iyhm的同号率（68.6%）。也就是说，t1与Izyf的关系比t1与Iyhm更密切。因此，相对来说，

朱艳峰

Fig．5

图51961—2011年标准化Izyf（a）和Iyhm（b）序列与t1序列

VariationofstandardizedIzyf（a），Iyhm（b）andt1from1961to2011

定义的指数Izyf可能更适合描述辽宁冬季气温变化

特征。为进一步确认Izyf与辽宁冬季气温之间的关系，图6和图7分别为Izyf

和辽宁冬季气温共同异常的年

图a和图b中彩色区域为海平面气压场距平，等值线为海平面气压，图c等值线为图a和b气压差值；

图d和图e彩色区域为850hPa经向风场距平，等值线为经向风速，正值为南风，负值为北风；

图f等值线为图d和图e经向风差值；图c和图f中彩色区域为通过显著性检验

图6强（a）、弱（b）东亚冬季风指数Izyf年冬季海平面气压场合成及差值图（c），强（d）、弱（e）东亚冬季

风指数Izyf年冬季850hPa经向风场合成及差值图（f）

Fig．6Thecompositechartofseasurfacepressurefieldintheyearwithhigh（a）andlow（b）Izyfvaluesandboth

v-windfieldat850hPaintheyearwithhigh（d）andlow（e）Izyfvaluesandbothdifference（f）difference（c），

对应的海平面气压场和850hPa经向风场合成图。共同异常的年定义：标准化的Izyf大于1且t1小于－1的Izyf小于－1且t1大于1的年年为强冬季风指数Izyf年，

为弱冬季风指数Izyf年。满足二者共同异常的年即为二者反位相对应关系较好的年。

由图6可见，强冬季风年（指冬季风异常强，且气温异常低年）冬季辽宁地区气压为正距平，西伯利亚地区为更强的正距平，说明西伯利亚高压偏强；弱冬季风年（指冬季风异常弱，且气温异常高年）冬季辽宁地区气压为负距平，西伯利亚地区为更大的负距平，说明西伯利亚高压偏弱。差值图中（强年减去弱年）辽宁地区气压正距平显著，西伯利亚高压显著偏强。在经向风场上，强冬季风指数Izyf年辽宁冬季850hPa经向风为负距平，说明辽宁地区北风偏强（负值代表北风）；弱冬季风指数年辽宁冬季850hPa经向风为正距平，说明辽宁地区北风偏弱。差值图但未通过显中辽宁地区冬季850hPa经向风为负值，

著性检验。综上所述，强冬季风指数Izyf年，辽宁冬季北风强；弱冬季风指数年，辽宁冬季北风弱。说明东亚冬季风指数Izyf可能通过影响西伯利亚高压系统及经向风场来影响辽宁冬季气温。

（致谢：感谢辽宁省气象科学研究所李辑所长对本文内容提出了宝贵的意见和建议）

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3结论

（1）1961—2011年辽宁冬季气温均方差东部大

于西部，辽宁冬季气温变化的幅度东部大于西部。辽宁省绝大部分地区均为显著的正趋势，其中东部和西部地区的趋势系数略大于中部。

（2）1961—2011年辽宁53站冬季气温标准化距平场EOF第一模态空间上，表现为辽宁省冬季气温一致的异常偏高或偏低。辽宁冬季气温随时间显著上升，在1977年发生由偏低转为偏高的突变，并2.0a和3.0a的周期变化。存在4.5、

（3）Igqy、Izcw和Izyf随时间呈波动下降趋势，Igdy、Iwhj和Iyhm随时间呈波动上升趋势。除Igqy和Igdy无明显突变外，其余指数突变点基本均在20世纪70年代末或80年代初；6个指数和t1均有3a左右的周Izcw、Igdy、Izyf和Iyhm均与t1显著相关。期；且Igqy、

（4）Izyf与t1在1961—2011年，无论从突变时间、周期特征、相关系数还是反位相对应关系上，均与辽宁冬季气温关系最密切。同时850hPa经向风场和海平面气压场也说明二者有较好的对应关系。因此，东亚冬季风指数Izyf与辽宁冬季气温变化关系密切，可作为辽宁冬季气温的预报因子。

VariationcharacteristicsofwinterairtemperatureinLiaoningprovince

anditsrelationswithEastAsiawintermonsoon

FANGYi-he1

ZHANGYun-fu1SHAOPeng-cheng2ZHOUFang3

JIANGPeng4YUYang5

ZHAOLian-wei1

（1．ShenyangＲegionalClimateCenter，Shenyang110166，China；2．NationalClimateCenter，Beijing100081，China；3．KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation，NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology，Nanjing210044，China；4．Meteorological

SchoolinLiaoningProvince，Shenyang110166，China；5．MeteorologicalInformationCenter

inLiaoningProvince，Shenyang110166，China）

Abstract：Basedonthemonthlymeantemperaturedatafrom53observationalstationsinLiaoningprovinceduringwindfieldandseasur-1961to2012andtheNCEP/NCAＲreanalysisdatasuchasthemonthlymeanheightfield，

facepressure，thespatialandtemporalfeaturesofthewinterairtemperaturewereanalyzed．Thepreviousdefini-tionsofsixEastAsianwintermonsoonindexeswerereviewedandcalculated，andtherelationshipsofwinterairtemperatureinLiaoningprovincewiththesixindexeswerecompared．Theresultsshowthatthemeanvarianceofwinterairtemperatureisgreaterintheeasternregionthaninthewesternregionduring1961to2011，anditisinasignificantpositivetrendinmostregionsofLiaoningprovince．ThefirstpatternofEOFshowsthatwinterairtem-peratureinLiaoningprovinceisabnormalhighorlow．Thetimecoefficientisinasignificantincreasingtrendand2.0yearsand3.0yearsforwinterairtemperaturetheabruptchangeoccursin1977．Therearecyclesof4.5years，

inLiaoningprovince．TheEastmonsoonindexdefinedbyZhuhasthebestrelationshipwithwinterairtemperatureinLiaoningprovinceregardlessoftheabruptchangetime，periodiccharacteristics，correlationcoefficientsandin-vertingcorrespondingrelations．Therelationshipcanbeclearlyexplainedin850hPameridionalwindfieldandseasurfacepressurefield．

Keywords：EastAsianwintermonsoonindex；EOF（empiricalorthogonalfunction）；Maximumentropyspectrumanalysis