沈柏竹
, 廉毅
SHEN Bai-zhu, LIAN Yi
中图分类号: P461
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2012)06-0739-07
收稿日期: 2012-01-4
修回日期: 2012-01-30
网络出版日期: 2012-06-20
版权声明: 2012 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：沈柏竹（1972-）,女,吉林长春人,副研究员,主要从事天气和气候研究,E-mail:jlsbz2008@sina.com
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摘要
东北地区夏季温度变化主要有4个独立模态,其中EOF1呈全区一致型为第一模态,占总方差贡献的72%左右,其时间系数呈现多年代际尺度变化;其他3个模态仅分别占总方差贡献的10%、4%和3%,表现出受海洋、地形及纬度差异的影响,呈南北向、东西向和山脉与平原地区的反向异常分布型;突变和小波分析进一步揭示EOF1模态的多年代际尺度变化具有突变性质,2007~2010年受20 a左右周期影响,东北地区温度变化全区一致的模态时间系数处于负值为主的阶段,值得关注。东北地区夏季温度变EOF1模态与北半球500 hPa高度场和对流层中上层纬向风场（西风急流）在30ºN~40ºN呈环球尺度带状显著正相关分布,在东北亚地区纬度较高,可达60ºN附近,而且该区500 hPa高度场与东北夏季温度EOF1模态多年代际变化近于同步。EOF1模态与靠近亚洲大陆沿岸和西太平洋暖池（包括印度洋的中部和北部）、南太平洋环澳大利亚、靠近北美大陆及北大西洋北部的漂流区和北赤道漂流区的海表温度存在显著的同步正相关,而与太平洋海表温度的年代际振荡模态亦有较显著的正相关;表明东北地区夏季温度的EOF1模态与北半球海–气系统多年代际变化联系密切,同时也受到全球变暖的影响。
关键词：
Abstract
Using monthly average temperature data at 26 stations in Northeast China in 1961-2010 and the NCEP/NCAR monthly reanalysis data, the interdecadal characteristics of summer temperature anomaly over Northeast China is investigated. It is found that there are 4 different patterns of summer temperature anomaly over Northeast China by applying empirical orthogonal functions (EOFs) analysis to monthly mean summer temperature anomalies. The EOF1 presents a pattern with changes in the same direction, holding about 72% of the total variance contribution, and its time factors show multiple interdecadal variation. Three other patterns hold 10%, 4% and 3% of the total variance contribution respectively, showing north-south, east-west and mountain-plain anomaly patterns with changes in different direction, and the influence of ocean, terrain, and the difference of latitude. Multiple interdecadal variation of mode EOF1 has mutation properties further analyzed by mutation and wavelet analysis, and influenced by a period of 20 a, the time factors mainly were minus during 2007 to 2010, which should be paid more attention. Mode EOF1 is significant positive correlation with geopotential height in 500 hPa and U-wind in upper troposphere (Westerly Jet) of 30ºN-40ºN, presenting a global belt distribution. In northeast Asia, the positive correlation zone reaches 60ºN, and geopotential height in 500 hPa changes in nearly the same direction with the multiple interdecadal variation of mode EOF1. Mode EOF1 is significant positive correlation with sea surface temperature (SST) in Asian coast of Pacific, the Western Pacific Warm Pool (including the north-central areas of Indian Ocean), the south Pacific surrounding Australia, the North America coast of the Atlantic, the northern area of the North Atlantic drift, and the northern area of the equator in the Atlantic. It is also significant positive correlation with Pacific Decadal Oscilliation (PDO). Mode EOF1 is closely related with the multiple interdecadal variation of sea-air system in the Northern Hemisphere, and at the same it is influenced by global warming.
Keywords：
东北地区是中国主要的商品粮基地,其夏季气候异常对粮食生产具有重要的影响意义[1,2],自20世纪80年代开始,作为全球变暖区域响应显著地区之一的东北地区,冷夏发生频率逐渐减少,尤其是1994年以来东北地区夏季持续高温,仅2009年吉林和黑龙江两省夏季发生了近十几年罕见的低温[3]。国内学者曾揭示中国东北地区夏季温度变化具有一定的周期性,以及与大气环流和北太平洋海表温度的联系[4~10]。近期相关研究成果进一步指出中国东北夏季温度和ENSO事件之间关系的年代际变化,可能还与20世纪80~90年代大西洋北部海表温度以及环流形势的改变有密切关系[11]。基于北半球中高纬度环流系统关联网络研究表明,NAO,EUPA和WP等遥相关作用的调整可能是20世纪70年代中后期和90年代初期气候突变的重要表现形式之一[12]。
本文利用1961~2010年50 a东北地区26个测站夏季温度资料,采用经验正交函数分解（EOF）和小波分析等方法,分析东北地区夏季温度变化独立的基本模态,研究东北地区夏季温度异常的空间分布特征,及其时间序列变化是否具有年代际甚至是多年代际尺度变化特征,尝试揭示其与同期海–气系统变化的联系。
本文利用国家气候中心1961~2011年74项环流因子指数和中国160个测站中的东北地区26个测站（包括东北地区黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古东部地区部分测站,图1）月平均温度资料及美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)提供的全球月平均再分析高度场、风场（U分量）格点（2.5º×2.5º）资料和海平面温度格点资料（2.0º×2.0º）,通过经验正交函数（EOF）分解方法把原变量场分解为正交函数的线性组合,其构成为数很少的互不相关的典型模态,代替原始变量场,每个典型模态都含有尽量多的原始场的信息。利用带通滤波、小波分析、Mann-Kendall（M-K）突变检测等方法[13,14],揭示东北地区夏季温度异常变化的年际和年代际变化的基本模态,并进一步分析东北地区夏季温度及影响其变化的海–气系统时空变化特征。
图1为东北地区黑龙江省、吉林省、辽宁省及内蒙自治区东部测站分布,26个测站均匀分布在38 ºN ~54ºN,能够表征东北地区夏季温度变化的研究区域及特征。气候态取1981~2010年的平均。
图1 中国东北地区气象测站分布
Fig.1 Distribution of meteorological stations in Northeast China
东北地区地域相对辽阔,如果仅对全区平均温度异常进行分析,不能很好的表征区域温度空间变化异常的特征,因此,对东北地区26个测站的夏季温度进行EOF分解,分析其典型模态的特征。
图2为利用EOF方法对东北地区夏季温度距平场进行分解前4模态的空间分布和时间系数,第1模态方差贡献率占72%左右,其后迅速收敛,第2~第4模态,方差贡献率分别为10%、4%和3%,前4模态占总方差贡献率的91%左右。EOF第1模态方差贡献率最大,是东北地区夏季温度变化最显著分布型,呈全区一致的正值分布,由东南向西向北逐渐增加,辽宁省南部和北部大兴安岭西部有一个相对低值中心,而黑龙江省和吉林省交界的三江平原地区为由西至东的大值带,即辽东半岛、大兴安岭和长白山脉的部分地区温度相对稍低（高）,而平原地区及东北西部温度相对稍高（低）,因此,东北地区夏季温度主要呈全区一致的偏高或偏低分布型,但略有地域差异（图2a）。图2e为与图2a相对应的EOF1时间系数,可以看出东北地区夏季温度时间系数在1961~1993年,除1980年、1982年和1988年以外均为负值,而1994年以来,仅6 a为负值,其中除2009年外均为绝对值小于3.0的相对较弱负值年,其它年为正值年,因此,呈现由1961年以来显著上升的线性趋势,与空间分布型相配置,表现为20世纪60~80年代温度偏低异常,即该阶段东北夏季处于低温高发阶段;而90年代以来温度偏暖,且低温年较少,发生低温时其强度也较小,为东北夏季低温的低发阶段。由此表明,东北全区一致的夏季温度距平场多年代际尺度演变与全球变暖东北地区响应的特征十分显著（图2a、图2e）。
EOF第2模态分布,表现为以45ºN为界的东北地区南部与北部的反向异常变化特征（图2b）,EOF3模态则呈现122ºE附近的东西向反向分布,EOF4模态呈鞍形分布,主要表现为长白山脉和大兴安岭山脉与平原地区的反向分布（图2c、图2d）。图2f为与图2b相对应的东北区温度南北反向分布的时间系数（EOF2）,呈现出东北区温度南北反向分布年代际变化特征,20世纪60年代初、80年代中期,90年代末以正值分布为主,而其他年份以负值分布为主,21世纪以来,除2009年为1.78外,均为负值分布,表明东北北部温度较平均态偏高的异常分布,而辽宁省大部则相对稍低。2009年东北地区的吉林和黑龙江两省夏季低温异常则很可能是EOF第2、3模态的混合型。图2c（图2g）、图2d（图2h）虽然相对异常型较少,但在时间系数上呈现更为显著的年代际变化规律。与EOF1模态略有不同,在20世纪90年代和21世纪00年代呈反位相向分布。由此表明,东北地区的温度全区一致的变化是最显著的分布型,但由于受海洋、地形及纬度差异的影响,也表现出南北向、东西向和山脉与平原地区的反向分布型,且具有显著的年代际异常分布特征。
图2 1961~2010年东北地区夏季平均温度EOF分解前4模态的特征向量场空间分布（a~d）和时间系数（e~h)
Fig.2 Space distribution of the feature vector of first four EOF model (a-d) and time coefficient (e-h) of average summer temperature in Northeast China in 1961-2010
东北地区夏季温度异常的EOF分解可以表征其异常的空间、时间分布特征,前4个模态可表现出主要的几种地域差异的分布特征,因此,利用EOF分解结果,对东北地区夏季温度异常做分型分析。如表1所示,东北地区夏季温度异常主要可以分为4种类型,而由空间模态和时间系数相匹配又可以进一步分成8种温度异常型,其中前4种,即全区一致的偏冷、偏暖和南北反相的偏冷、偏暖异常为最主要的异常型。
表1 东北地区夏季温度异常分布型及其分布特征
Table 1 The anomaly pattern and distribution characteristics of average summer temperature in Northeast China
| 类型 | 一致型 | 南北反相型 | 东西反相型 | 平原山区反相型 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 分布特征 | 全区一致,偏暖 | 全区一致,偏暖 | 南部偏暖,北部偏冷 | 南部偏冷,北部偏暖 | 北部偏暖, 南部偏冷 | 北部偏冷, 南部偏暖 | 平原偏暖, 山区偏冷 | 山区偏暖, 平原偏冷 |
由2.1分析可知,东北地区温度变化全区一致异常的基本模态（EOF1）,大体以1994年为界,可分为前期温度偏低和后期温度偏高2个阶段,对EOF1模态的时间系数进行M-K突变检验和滤波分析,验证其年代际变化是否具有突变性质。M-K突变检验结果表明（图3a）,1994年确为突变点,与时间序列的分布相一致。图3b为1961~2010年东北地区夏季温度EOF1模态时间系数小波分析图,可得到EOF1模态时间系数周期变化的局部和各周期随时间变化特征,该模态温度异常有20~30 a及50 a左右的多年代际变化特征,2~6 a的年际变化特征也较显著,2000年以来,对以上3个周期均有响应,夏季温度异常的其他模态时间系数也具有相似的小波分布特征（图略）。
图3 1961~2010年东北地区夏季温度EOF1时间系数的M-K检验（a）及其小波指数 (b)
Fig.3 Mann-Kendall inspection test (a) and wavelet index (b) of the EOF1 time coefficient of summer temperature in Northeast China in 1961-2010
虽然本文所选取的资料仅50 a,在资料时间序列两端的频谱分析可能会产生漂移现象,影响周期和波长分析的准确性,但是必须提及的是,在2007~2010年受20 a左右周期影响,东北地区温度变化全区一致的模态时间系数转入负值为主的阶段,这与以往的研究预示2010年前后将转入东北夏季气温偏低阶段的结论较为一致[15,16]。2009年东北地区的中部和北部发生了近十几年罕见的夏季低温是发生在暖阶段的偶然事件,还是东北地区夏季温度变化将转入低温频发阶段的预警信号?已引起了科技界和国内外学者的关注[3,11,17]。
由东北地区夏季温度EOF1模态的时间系数与500 hPa高度场和200 hPa风场的相关分析图可以看出（图4）,EOF1即东北地区全区一致异常的时间系数与北半球中纬度地区500 hPa高度场呈正相关关系显著相关区位于30ºN~50ºN范围内（显著水平α=0.05）,呈环半球尺度带状分布特征,其中亚洲东部相关大值中心稍偏北一些（100 ºE ~160ºE,30 ºN ~60ºN）,显著关键区位于东北亚地区,中心相关系数可达0.6以上。而EOF1的时间系数与南半球低纬度高度场的显著相关区（显著水平α=0.05）,亦呈现出以20ºS附近为中心的带状分布(图4a)。上述显著相关的带状分布区,与高空西风急流分布位置具有相似性,为进一步分析其带状分布的影响机制,利用EOF1时间系数与200 hPa风场U分量进行相关计算,由图4b可以看出,当东北地区夏季温度呈全区一致异常（EOF1）时,高空风场对其也具有重要的影响作用,在30ºN~50ºN和20ºS附近也呈带状的负值显著相关区,且其中心位置与高度场的显著相关区相似,仅东北亚上空,呈南北向的负、正相反分布。
图4 1961~2010年东北地区夏季温度EOF1模态时间系数与500 hPa高度场（a）、200 hPa纬向风场（U分量）(b)的相关性
Fig.4 The correlation between the EOF1 model time coefficient of summer average temperature in Northeast China and the 500 hPa height(a) and 200hPa the zonal wind (U-wind)(b) in 1961-2010
EOF2、EOF3模态与高度场和风场的相关分布型相似,与EOF1模态相比,其显著相关区域面积和强度均偏小,仅在东北亚地区和北太平洋东海岸附近地区存在一些显著相关区（显著性水平α=0.05）（图略）;东北亚上空与高度场的相关系数呈现以40°N为界的南“+”北“-”的偶极子对称分布,中心位置略有不同,EOF2模态显著相关“+”、“-”位于110°E~120°E附近,而EOF3模态中心位于130°E附近,负相关区偏北位于60ºN附近。高空风场相关特征与高度场类似,但偶极型的正、负值中心与高度场反向,且正值中心略偏南。表明EOF分解除EOF1的其它模态与大气环流相关性较弱,没有全球性的显著相关区存在,但与东北亚上空的高度场和U风场均表现为较强的相关性,进一步说明高度场、风场对不同温度异常环流型的影响有所不同,当南北向温度异常时,在东北地区上空呈正南北向的偶极型。
由以上分析可知,高度场和对流层中上层纬向风场异常对东北地区夏季温度异常有重要的影响作用,当高度场距平偏高且200 hPa西风急流偏弱时,东北地区夏季温度偏高,而当高度场距平偏低且200 hPa西风急流偏强时,东北地区夏季温度偏低,且对不同类型的温度异常其影响机制也不同。
进一步分析东北地区不同类型温度异常与全球海温场的相关性,由图5可以发现：全区一致温度异常型EOF1模态时间系数与靠近亚洲大陆沿岸和西太平洋暖池（包括印度洋的中部和北部）、西风漂流区的大部,以及南太平洋环澳大利亚的海表温度正相关显著,尽管与赤道中东太平洋Nino区海表温度的负相关性较弱,但是EOF1模态时间系数与PDO指数相关值为0.31,呈较显著正相关,表明东北地区夏季温度全区一致异常型与太平洋海表温度的年代际变化的PDO模态关系较密切,此外,EOF1模态与靠近北美大陆及北大西洋北部的漂流区、北赤道流区海表温度海表温度亦呈现显著正相关。EOF2~EOF4模态时间系数与全球海表温度场的相关不明显（图略）。
图5 1961~2010年东北地区夏季温度EOF1时间系数与海平面温度的相关性
Fig.5 Correlation between EOF1 time coefficient of summer average temperature in Northeast China and the sea surface temperature (SST) in 1961-2010
以上分析表明,中国东北地区温度异常变化与靠近亚洲大陆沿岸和西太平洋暖池（包括印度洋的中部和北部）、南太平洋环澳大利亚、靠近北美大陆及北大西洋北部的漂流区和北赤道流区的海表温度存在显著的同步正相关也值得关注。
由4.1节分析可知东北地区夏季温度异常受到500 hPa高度场变化的影响,为分析这一影响因子的年代际变化特征,在500 hPa高度场上取中国东北地区上空与夏季温度变化显著相关的区域（100 ºE~160ºE,30ºN~60ºN）为关键区进行EOF分解,图6a、图6b分别为其EOF1模态的空间分布和时间系数,可以看出,500 hPa高度场呈全区一致的正值分布,由东亚大陆–西北太平洋呈逐渐减小的趋势,120ºE、55ºN为大值中心,而150ºE、35ºN附近为相对低值中心,由其时间系数的分布,也可以看出,与东北地区全区一致的温度变化相一致,也具有显著的前期负值分布,而后期为正值分布的特征,东北地区夏季温度与其同期500 hPa高度场的EOF1时间系数相关达0.58,其突变年份在1998年左右,较温度异常变化的突变时间稍晚。EOF2模态、EOF3模态也呈与温度异常相一致的分布特征,也表现为EOF2模态呈南北向反向异常,EOF3模态呈东西向反向异常分布,而EOF4模态呈中心位于150ºE、50ºN附近的全区一致的正值分布,与温度异常的EOF4模态分布略有不同（图略）。
图6 1961~2010年500hPa高度场EOF1模态特征向量场空间分布（a）和时间系数(b)
Fig.6 Space distribution of the feature vector model (a) and time coefficient (b) of EOF1 of 500 hPa height field in 1961-2010
本文利用1961~2010年国家气候中心提供的中国东北26个测站月平均温度资料和NCEP/NCAR提供的全球高度场、风场、海温场等再分析资料,对东北地区夏季温度的变化规律、异常特征及其影响机制进行了简要分析,结论如下：
1) EOF分析表明,东北地区夏季温度变化主要有4个独立模态,其中EOF1模态呈全区一致型,占总方差贡献的72%左右,其时间系数呈现典型的多年代际尺度变化,其他3个模态仅分别占总方差贡献的10%、4%和3%,表现出受海洋、地形及纬度差异的影响,呈南北向、东西向和山脉与平原地区的反向异常分布型。
2） 突变和小波分析进一步揭示东北夏季温度全区一致变化EOF1模态,多年代际尺度变化具有突变性质,受全球变化的影响,东北地区夏季温度和大气环流场均有显著的响应,主要以1994年为界可分为前期温度偏低和后期温度偏高2个阶段,尽管,由于在资料时间序列两端的频谱分析会产生漂移现象,影响周期和波长分析的准确性,但是,2009年东北地区的中部和北部发生了近十几年罕见的夏季低温,且2007~2010年受20 a左右周期影响,东北地区温度变化全区一致的模态时间系数将转入负值为主的阶段的结果,仍值得关注。
3） 北半球500 hPa高度场与东北地区夏季温度多年代际尺度变化的EOF1模态显著正相关区,在北半球30ºN~40ºN呈环球尺度带状分布,在东北亚地区纬度更高,可达60ºN附近,而且该区500 hPa高度场与东北夏季温度EOF1模态多年代际尺度变化近于同步。对流层上层纬向风场（西风急流）对温度异常也具有与高度场显著相关区域及分布型相似特征,但与东北夏季温度有显著负相关性。
4） 中国东北地区温度异常变化EOF1模态与靠近亚洲大陆沿岸和西太平洋暖池（包括印度洋的中部和北部）、南太平洋环澳大利亚、靠近北美大陆及北大西洋北部的漂流区和北赤道漂流区的海表温度存在显著的同步正相关。另外,虽然与赤道中东太平洋Nino区海表温度的负相关性较弱,但是,与太平洋海表温度的年代际变化的PDO模态正相关较为显著,表明东北地区夏季温度多年代际尺度变化的EOF1模态与北半球海气系统多年代际变化联系密切,同时也受到全球变暖的影响。
本文采用EOF和小波分析等方法,揭示东北地区夏季温度变化独立的基本模态,及其时间序列变化具有年代际甚至是多年代际尺度变化特征,尝试分析其与同期海–气系统变化的联系,而有关东北地区夏季低温年代际变化的机制还需作深入一步的研究。
The authors have declared that no competing interests exist.
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