辽宁冬季气温变化特征及与东亚冬季风的关系_房一禾

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，在 1977 年发生突变； 并存在
4. 5、2. 0 a 和 3. 0 a 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
时间、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 850 hPa 经向风场和海平面气压场也能
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
50
∑ —
U 200（ 0°—100°N，100—130°E） + （ ps160 － ps110） （ 2）
10
—
Igdy = P s （ 40°—60°N，70°—120°E）
（ 3）
—
Iwhj = V 850 （ 25°—50°N，115°—145°E）
（ 4）
—
Iyhm = H 500 （ 20°—40°N，110°—130°E）
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气象与环境学报ຫໍສະໝຸດ Baidu
第 30 卷
（ Iwhj ） 、朱艳峰［15］（ Izyf ） 和晏红明 等［16］ （ 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
∑ Igqy =
（ Ps110i － Ps160i ）
（ 1）
10
—
Izcw = U 850 （ 0°—10°N，100°—130°E） －
1905—2001 年辽宁近百年来气温变化序列，认为辽 NCAＲ 再分析月平均高度场、风场和海平面气压场资
宁气候变 暖 最 显 著，其 中 辽 宁 冬 季 升 温 最 明 显。 赵 连伟等［10］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。
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）
Fig． 1 Spatial distributions of root mean standard deviation （ a） and trend coefficients （ b） of winter air temperature
from 1961 to 2011 in Liaoning province
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 51 a 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
图 2d 为辽宁冬季气温 EOF 第一时间系数的最
分析，得到空间载荷向量和时间变化特征。图 2a 和 大熵谱 分 析，由 图 可 见，谱 密 度 的 峰 值 对 应 4. 5、
2b 为辽宁 53 站冬季平均气温 EOF 分析的第一载荷 3. 0 a和 2. 0 a 周 期，说 明 辽 宁 冬 季 气 温 具 有 4. 5、
本 文 计 算 了 郭 其 蕴［11］ （ Igqy ） 、祝 从 文 等［12］ （ Izcw ） 、龚 道 溢 等［13］ （ Igdy ） 、王 会 军 和 姜 大 膀［14］
收稿日期： 2012 － 09 － 28； 修订日期： 2012 － 12 － 21。 资助项目： 公益性行业（ 气象） 科研专项“近百年全球陆地气候变化监测技术与应用”（ GYHY201206012） 资助。 作者简介： 房一禾，男，1986 年生，助理工程师，主要从事气候预测业务，E-mail： 49954570@ qq． com。 通信作者： 张运福，E-mail： zyfmail@ vip． sina． com。
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
11 a滑动平均线。由图 3 可见，Igqy 、Izcw 和 Izyf 随时间 均呈波动下降趋势，其中 Izcw 下降趋势较大。Igdy 、Iwhj 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
Fig． 2 Spatial distribution of the first loading vector of standardized winter air temperature anomaly by the EOF method （ a） ，variation of the first standardized time coefficient （ b） ，its abrupt change by the M-K test （ c） and values of the maximum entropy spectrum analysis （ d） from 1961 to 2011 in Liaoning province
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 （ Empirical Orthogonal Function，简称 EOF） 及旋转主成分分析（ Ｒotated Empirical Orthogonal Function，简称 ＲEOF） 、无量纲趋势 系数、Mann － Kendall 突 变 检 验、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。
第 30 卷 第 1 期 2014 年 2 月
气象与环境学报 JOUＲNAL OF M ETEOＲOLOGY AND ENVIＲONM ENT
Vol． 30 No． 1 February 2014
房 一禾，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［J］． 气象与环境学报，2014，30（ 1） ： 57 － 63． FANG Yi-he，ZHANG Yun-fu，SHAO Peng-cheng，et al． Variation characteristics of winter air temperature in Liaoning province and its relations with East Asia winter monsoon［J］． Journal of Meteorology and Environment，2014，30（ 1） ： 57 － 63．
第1 期
房一禾等： 辽宁冬季气温变化特征及与东亚冬季风的关系
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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 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）
过 0. 05 信度的显著性检验，其中东部和西部地区的 通过 0. 05 信度的显著性检验，说明 1977 年这个突变
趋势系数略大于中部地区。
点是可信的。因此，在 1977 年前后，辽宁冬季气温发
为 分 析 辽 宁 冬 季 气 温 变 化 的 异 常 特 征，对 生了一次由偏低转变为偏高的突变。
1961—2011 年辽宁冬季气温标准化距平场进行 EOF
2 结果分析
2. 1 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
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 1961—2011 年辽宁冬季气温均方差（ a） 和趋势系数（ b） 分布
1 资料与方法
其中冬季气温上升趋势最大，东北和华北地区是升 1. 1 资料来源
温趋势最 显 著 的 地 区。 此 外，众 多 学 者 对 冬 季 气 温 也展开类似的研究［2 － 8］。如孙凤华和赵春雨［9］分析
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 /
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 究工作，并提出了相应的防范措施。同时，中国科学 家也对气温的变化特征及其原因等方面进行深入的 研究，并取 得 重 要 的 科 研 成 果。 林 学 椿 和 于 淑 秋［1］ 认为近几十年来，中国大部分地区气温呈上升趋势，
呈波动上升，滑动平均曲线在 20 世纪 80 年代中期 序列叠加后（ 图略） ，能看出一定的同向或反向对应
由负值转变为正值，经计算，上升趋势通过 0. 05 信 关系，说明这些指数从不同程度上影响辽宁冬季气
度的显著性检验。即辽宁冬季气温总体呈显著的上 温的变化。
升趋势，这与全球气候变暖的背景相符。
表 1 为 1961—2011 年 t1 及 6 种东亚冬季风指
向量及对应的第一标准化时间系数 （ 简称 t1，下文 同） 。第一模态方差贡献率约为 90% ，满足 North［17］
3. 0 a和 2. 0 a 的周期。 2. 2 辽宁冬季气温与 6 种东亚冬季风指数的关系
提出的误差估计，能反映出辽宁冬季气温时空变化
图 3 为 6 种东亚冬季风指数的时间序列及其
（ 5）
—
—
Izyf = U 500 （ 25°—30°N，80—120°E） － U 500 （ 50°—
60 ° N ，80 ° —120 ° E）
（ 6）
—
式（ 1） —式（ 6） 中，Ps 为海平面气压； P 为区域平均海
——
—
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。
数的变化特 征 及 其 与 辽 宁 冬 季 气 温 变 化 的 关 系，并 对东亚冬季 风 指 数 的 异 常 年 份 进 行 合 成 分 析，得 出 冬季风指数 异 常 年 份 对 应 的 环 流 场 特 征，从 而 明 确 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。
图 3 1961—2011 年 Igqy （ a） 、Izcw （ b） 、Igdy （ c） 、Iwhj （ d） 、Izyf （ e） 和 Iyhm （ f） 时间变化和 11 a 滑动平均及线性趋势 Fig． 3 Time series of Igqy （ a） ，Izcw （ b） ，Igdy （ c） ，Iwhj （ d） ，Izyf （ e） ，Iyhm （ f） and their 11 years moving average as well as their trends from 1961 to 2011
温均方差和无量纲趋势系数的分布。由图 1 可见，
图 2c 为其第一模态标准化时间系数的M － K检
辽宁冬季气温均方差分布为东部均方差大于西部， 验结果。由图可见，辽宁冬季气温有明显的突变现
表明辽宁东部气温变化的幅度大于西部。全省趋势 象。为确保突变点的可信度，同时进行 t 检验。辽宁
系数均为正值，且全省绝大部分地区的正趋势均通 冬季气温第一标准化时间系数在 1977 年前后的差异