2011/2012年我国冷冬与中部型La Nia事件的联系*1

高 川，陈锦年，王宏娜，汪 洋

(1.中国科学院 海洋研究所，山东 青岛 266071；2.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071；3.中国科学院大学，北京 100049)

2011/2012年我国冷冬与中部型LaNia事件的联系*1

高 川1,2,3，陈锦年1,2，王宏娜1,2，汪 洋1,2,3

(1.中国科学院 海洋研究所，山东 青岛 266071；2.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛 266071；3.中国科学院大学，北京 100049)

应用中国气象局国家气候中心提供的160个站逐月气温观测资料以及74项环流特征量中西太平洋副热带高压资料、TAO实测资料以及美国国家海洋和大气局提供的OI-SST海表温度资料和NCEP-NCAR再分析资料，采用合成分析、相关分析等统计诊断方法，对2011/2012年我国冬季的天气状况，以及大气环流异常及其对我国气候产生影响的可能机理进行了分析，为我国气候变化预测提供参考。结果表明，2011/2012年我国冬季(DJF)出现异常寒冷的天气状况可能与2011/2012年赤道太平洋海表温度冷异常最大值出现在中部太平洋的La Nia事件(简称中部型La Nia事件)的爆发存在一定联系。赤道太平洋海表温度的异常分布对北半球大气环流形势产生重要影响，它直接影响着赤道地区Walker环流和Hadley环流的异常，导致西太平洋副热带高压的异常偏弱、偏东。由于西太平洋副热带高压偏弱、偏东，对冬季的经向环流产生重要影响，最终导致我国2011/2012年冬季出现冷冬现象。

冷冬；中部型La Nia事件；大气环流异常；西太平洋副热带高压

在全球变暖的大背景下，我国乃至全世界却连续遭遇严冬的袭击，造成了诸多灾害性的气候事件[1-3]。一方面，全球变暖成为不争的科学事实[4],并且仍在继续并有加剧的趋势[5]，同样，我国近100 a来的气温也呈现明显的变暖趋势[6]；另一方面，与全球变暖相矛盾的现象却层出不穷，例如：1999—2008年全球变暖的停滞[5,7],2008年我国南方出现的罕见的低温冻雨灾害天气[1]等等。极端天气日益增多甚至频繁出现，有悖于全球变暖命题的冷冬现象，引起了人们对全球变暖现象更多的质疑及反思。这固然提高了人们对公共气候问题的关注程度，同时也说明，在全球变暖这样的背景下，更加需要关注和警惕气候异常事件，并迫切需要发展现有理论框架，为这一现象寻求合理的解释。

我国地处亚欧大陆和太平洋交界的区域，气候主要受中高纬和低纬大气环流相互作用的影响[16]。孙丞虎等[17]的研究已表明，我国2011/2012年冬季气温异常偏低，并认为东亚冬季风异常偏强是造成我国气温大范围异常偏低的一个主要原因。此外，他们还提出，赤道中东太平洋地区出现的La Nia事件可能是造成上述环流异常的原因之一，但并没有针对这一问题进行研究。本文的目的就是以2011/2012年爆发的中部型La Nia事件为背景，探讨其与我国出现冷冬天气的关系，并初步揭示它们之间的影响过程以及可能机理，为深入研究两类El Nio(La Nia)事件对我国气候异常的影响提供参考。

1 资料与方法

本文应用的资料有中国气象局国家气候中心提供的160个站逐月气温观测资料，时间是1951-01—2012-12；中国气象局国家气候中心提供的74项环流特征量中西太平洋副热带高压面积指数、强度指数和西伸脊点资料，时间是1951-01—2012-12；TAO实测海温资料，时间是1981-01—2012-12；美国国家海洋和大气局提供的OI-SST海温资料，网格距为1°×1°，时间是1981-01—2012-12；NCEP-NCAR再分析资料，网格距为2.5°×2.5°，时间是1948-01—2012-12。其中异常值为相应资料减去该资料所选时段的平均值。

所采用的资料分析方法有合成分析、相关分析等，均为海洋气象领域广泛应用的统计诊断方法。

2 2011/2012年我国冬季异常寒冷天气特征

图1为1951—2011年冬季我国160个站平均的地表气温异常时间序列，从图中可以明显看出，20世纪80年代中后期，发生了气候突变，我国冬季温度异常的平均值前后有明显变化，由冷异常态转变为暖异常态。气候突变发生前，我国冬季地表气温异常的平均值为-0.513 ℃，而气候突变后我国冬季地表气温异常的平均值为0.726 ℃，相较于气候突变发生前温度平均升高达1.2 ℃。此外，2011/2012年冬季我国平均地表气温异常为-0.66 ℃，从图1中也清晰可见，2011/2012年冬季为我国近30 a来最寒冷的一个冬季。正如中国气象局国家气候中心提供的2011/2012年冬季我国160个站平均的地表气温异常分布图(图2，中国气象局国家气候中心—气候系统诊断预测资料)所示，除西藏部分地区及云南地区外，我国2011/2012年冬季大部分地区都出现了异常寒冷的天气状况，新疆的西部地区、内蒙古东北部地区尤为显著，温度偏低甚至高达4 ℃。

图1 1951-2011年冬季我国160个站平均的地表气温异常(℃)时间序列Fig.1 The time series of the averaged surface temperature anomaly(℃) of China 160 stations in winter for the period of 1951-2011

图2 2011/2012年冬季我国地表气温(℃)异常分布Fig.2 The Distribution of surface temperature anomaly(℃) in 2011/2012 winter in China

3 2011/2012年中部型La Nia事件爆发及其影响

影响我国冬季气温的因素非常复杂，除了受来自高纬的经向环流影响外，低纬大气环流和天气系统亦起着非常重要的作用。低纬热带海洋特别是热带太平洋地区是海气相互作用最为强烈的区域，热带太平洋的海表温度异常将直接影响其上空对流活动的异常，进一步导致Walker环流和Hadley环流的异常，从而影响到副热带高压的强弱与位置变化，最终会影响冬季的经向环流并对我国冬季气候产生影响。近年来中部型El Nio和La Nia事件[18-19]的爆发增多，特别是强而持续时间较长的中部型La Nia事件很可能加剧了我国冬季气候的寒冷状态。

3.1 2011/2012年中部型La Nia事件爆发

3.2 北半球大气环流异常

为了进一步分析赤道太平洋海表温度异常对北半球大气环流造成的可能影响，我们根据 NCEP-NCAR再分析资料，给出了2011/2012年北半球冬季500 hPa位势高度异常图(图4)。从图中可以看出我国及西北太平洋地区由负的位势高度异常控制，55°N以北由正的位势高度异常控制，这将造成55°N附近欧亚大陆脊的加强和东亚大槽的加深，这种环流形势有利于西伯利亚冷空气活动加强并频繁南下，从而使得我国冬季气温偏低。研究表明冬季西伯利亚高压在近几年呈增强的趋势，并伴随着亚洲中高纬度地表温度的降温趋势[21]，这是有利于冷冬出现的。而事实上，正如图1所示，我国近几年频繁遭遇冷冬的气候现象，与此不无关系。

图3 2011/2012年冬季赤道太平洋海表温度异常(℃)合成图Fig.3 The composite tropical Pacific sea surface temperature anomaly (℃)in the winter of 2011/2012

图4 2011/2012年冬季北半球500hPa位势高度异常场(位势米)Fig.4 The composite northern hemisphere 500hPa geopotential height anomaly (gpm) in 2011/2012 winter

3.3 纬向环流变化

图5 赤道太平洋地区(5°S～5°N平均)纬向环流场(m·s-1，垂直速度扩大100倍)Fig.5 Zonal circulation field(m·s-1)in the equatorial Pacific region (5°S～5°N averaged，the vertical velocity has been multiplied by 100 times)

3.4 经向环流异常

根据上述对纬向环流异常分布的讨论，采用其划分的110°～140°E(称为西环流)、160°E～160°W(称为中环流)及150°～120°W(称之为东环流)的平均经圈环流(图6)，来说明中部型La Nia事件爆发对经向环流异常的影响。为了对比，分别以气候态场(图6a,6b,6c)和2012-01的异常场(图6d,6e,6f)给出。由经向环流的气候态场可以看出，东环流(图6c)由于赤道东太平洋冷舌的存在，赤道地区则出现相对较弱的下沉流，相对较弱的上升气流位于10°N附近，20°N及30°N附近则为相对较强的下沉流。与之不同的是，西环流(图6a)赤道地区常年盛行上升气流，30°N以北的中纬度地区盛行北风并在30°N到50°N之间下沉。中环流(图6b)与西环流大致类似，赤道地区也是常年盛行上升气流，20°～30°N以下沉气流为主；冬季30°N以北为显著的上升辐散流，这是和西环流在30°N以北通常为下沉气流并在冬季达到极盛所不同的。因此由上面的分析可知，西、中环流在中低纬都存在着明显的Hadley环流。

再由图6d,6e,6f中2012-01经向环流的异常场可以看出，2011/2012年冬季经向环流同气候态存在着显著差异，这是由其热带太平洋海表温度全年都几乎受冷异常控制所造成的。东环流(图6f)在赤道附件异常下沉气流区域扩大，中低纬地区无明显的异常上升气流。而西环流(图6d)赤道附近为异常上升气流， 15°～20°N附近出现较弱的异常下沉，30°N附近则为异常上升气流，这使得2012-01实际赤道地区气流上升加强，而中纬下沉气流减弱。然而中环流(图6c)却呈现相反的环流圈，在30°N附近有明显异常上升气流，而赤道附近为异常下沉气流，且异常强度较大，使得2012-01实际出现赤道地区为下沉气流，而30°N附近出现上升气流的相反的环流圈结构，这一现象与中部型La Nia事件引起的环流形势存在密切联系。由于2011/2012年冬季中部型La Nia事件爆发，赤道中太平洋呈现冷水异常，并且最大异常中心集中在日界线附近，这使得Walker环流下沉支移到赤道中太平洋地区，构成了中环流的下沉支，从而形成相反的Hadley异常环流圈。这样的经向异常环流场的分布，体现了中部型La Nia事件所造成的Hadley环流场的异常分布。

图6 经向环流场(m·s-1，垂直速度扩大100倍)Fig.6 Meridional circulation field(m·s-1，the vertical velocity has been multiplied by 100 times)

综合上述对经圈环流和纬圈环流的分析可以看出，由于2011/2012年冬季纬向海表温度异常的梯度差异，使得Walker环流出现异常，同时使太平洋上空Hadley环流表现出显著的异常，下沉中心较气候态明显的偏东、偏弱。这样的局部环流异常势必会对副热带高压的位置及强度产生影响。

3.5 西太平洋副热带高压异常

图7 2010-01-2012-03西太平洋副热带高压的变化Fig.7 Variation of the Western Pacific Subtropical High (WPSH) from January 2010 to March 2012

无独有偶，在热带太平洋经历了1997/1998年上世纪最强的一次El Nio事件之后出现的1998/1999、1999/2000年的2次具有显著中部型特征的冷事件期间，西太平洋副热带高压变化与本次过程有着一致的变化形势。西太平洋副热带高压的偏东偏弱将会造成冷空气失去与沿副高西北侧北上的气流的阻挡，而影响到全国的大部分地区，尤其是东部沿海地区，并且在华南形成低温冻雨天气。而且西太平洋副热带高压的这一变化，使得南下的寒冷空气与北上的暖湿空气在韩国和日本汇合，造成韩国和日本的大雪天气。

图8 不同类型La Nia事件冬季西太平洋副热带高压强度指数异常的概率分布对比Fig.8 Comparison of the probability distribution of winter Intensity Index Anomalies for the Western Pacific Subtropical High (WPSH) from two types of La Nia event

图9 不同类型La Nia事件对应同年冬季我国地表气温异常的概率分布对比Fig.9 Comparison of the probability distribution of surface temperature anomalies of China in winter from two types of La Nia event

此外，对所选取的样本数据年份同期冬季我国地表温度异常的概率分布(图9)进行分析，当La Nia事件爆发时，同期冬季我国约70%的年份基本处于一个温度异常偏低的状况，但也不排除个别特殊年份的存在。在14个中部型La Nia事件中，同期冬季我国地表温度异常≤-1.2 ℃有2次，-1.2～-0.8 ℃为1次，-0.8～-0.4 ℃为3次，同期冬季我国地表温度异常≤-0.4 ℃的年份占42.9%；在东部型La Nia事件中，同期冬季我国地表温度异常≤-1.2 ℃有1次，-1.2～-0.8 ℃为1次，-0.8～-0.4 ℃为2次，同期冬季我国地表温度异常≤-0.4 ℃的年份占33.3%。这种现象充分说明，相较而言，强的中部型La Nia事件可能会造成我国冬季寒冷状况的加剧。

4 结 论

1)20世纪80年代中期以前，我国冬季平均温度异常较20世纪80年代中期以后有显著差异，由冬季的冷异常态突变为暖异常态。然而2011/2012年我国大部分地区却出现冬季异常寒冷的天气状况，部分地区甚至较平均温度偏低达4 ℃。

2)2011/2012年我国冷冬的出现与中部型La Nia事件存在密切的联系，其机理是中部型La Nia事件爆发导致赤道太平洋海温异常分布，从而对北半球大气环流形势产生影响。通过对纬向和经向环流的影响，进而导致西太平洋副热带高压更加偏东、偏弱，这是造成我国2011/2012年冷冬出现的重要原因之一。

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TheRelationshipBetweentheColdWinterof2011/2012inChinaandtheLaNiaEventinCentralPacific

GAO Chuan1,2,3, CHEN Jin-nian1,2, WANG Hong-na1,2, WANG Yang1,2,3

(1.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences, Qingdao 266071, China;2.KeyLaboratoryofOceanCirculationandWaves,ChineseAcademyofSciences, Qingdao 266071, China;3.UniversityofChineseAcademyofSciences, Beijing 100049, China)

Based on the monthly observed air temperature from 160 stations and western Pacific subtropical high datasets among the 74 circulation characteristics provided by National Climate Center, China Meteorological Administration, datasets from the Tropical Atmosphere Ocean (TAO) project, and the OI-SST data and NCEP-NCAR Reanalysis provided by National Oceanic and Atmospheric Administration, the composite analysis and correlation analysis are used to study the Chinese weather in the winter(DJF) of 2011/2012 and atmospheric circulation anomaly as well as its possible mechanism influencing the climate in China, providing a theoretical basis for the prediction of China's climate variation. The results show that the cold winter of 2011/2012 in China is related to the occurrence of the central Pacific La Nia event in 2011/2012, whose maximum cold sea surface temperature (SST) anomaly occurs in the central Pacific. The anomalous SST in equatorial Pacific has great impact on northern hemisphere atmospheric circulation, which leads to anomalous Walker circulation in equatorial region and anomalous Hadley circulation, resulting in a weaker and more eastward western Pacific subtropical high. This weaker and more eastward western Pacific subtropical high can have significant influence on meridional atmospheric circulation in winter, resulting in a cold winter in 2011/2012.

cold winter; central Pacific La Nia event; atmospheric circulation anomalies; western Pacific subtropical high

July 08, 2013

2013-07-08

中国科学院战略性先导科技专项A类——热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响(XDA11010102)；国家自然科学青年基金项目——暖池El Nio/La Nia变化特征及其对中国气温的影响(41206017)；国家重点基础研究发展计划——热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应(2012CB417402)；国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室开放基金课题——暖池El Nio/La Nia事件对我国气温变化的影响(GCMAC1203)

高 川(1988-)，女，河北唐山人，硕士研究生，主要从事大尺度海气相互作用方面研究.E-mail：gaochuan1@163.com

(李 燕 编辑)

P732

A

1671-6647(2014)03-0306-10