1957—2011年中国中部不同气候带气候变化及其与ENSO的关系

楚纯洁，赵景波，安春华

(1.平顶山学院资源与环境科学学院，河南平顶山467000;2.陕西师范大学旅游与环境学院，西安710119;3.河南省科学院地理研究所，郑州450052)

0 引言

全球气候变化研究是当今自然科学重大课题之一，中国的区域响应也日渐引人关注［1］。发生在热带太平洋地区的厄尔尼诺(ENSO)现象是热带海洋和大气中的异常现象，也是全球海气相互作用的集中反映。ENSO作为年际气候变化的重要信号，其出现往往给全球不少地方造成严重气候异常，许多地区的极端气候事件与ENSO的异常位相都有关系［2］。同样，ENSO对东亚季风活动也有明显影响，并被认为是影响东亚季风年际异常的关键因子［3-4］。中国位于东亚季风区，东亚夏季风和冬季风的异常直接造成了气候的异常，ENSO正是通过大气环流以“遥相关”的形式影响中国气候［5］。已有研究表明，中国大部分地区降水及气温的变化都与ENSO关系密切［6-8］，而且对不同地区影响的方式、强度及稳定性不同，表现出显著的区域性特征［9-10］。如淮河流域暖事件年的春季和冬季降水明显增多，而冷事件年降水普遍减少［11］。长江流域在暖事件年主要表现为温度升高和降水减少，且发生干旱灾害的概率升高，而冷事件年一般表现为降水增多，洪涝灾害发生率增加［12］。西北内陆泾河流域降水对ENSO的响应程度强于气温，降水受南方涛动影响较大，而气温受海表温度影响较多［13］。青海省东部地区降水、气温及干燥度的变化受暖事件的影响较大，且气温对ENSO的响应要大于降水，其中暖事件的发生对当月影响较大，而冷事件的发生则有2～3个月的持续影响期［14］。

已有研究表明，ENSO在中纬度产生遥相关效应的几率很大［15］。位于中纬度的中国中部地区，由南到北气候从亚热带湿润区、温带半湿润区过渡到温带半干旱区，气候变异受东亚季风的控制，也必然对ENSO事件产生一定的气候变化响应。前人虽已在干旱区、长江流域及淮河流域气候变化与ENSO的关系上开展了一些研究，但对温带半湿润过渡区的研究仍显不足，而且缺乏不同气候带之间的比较研究。因此，本研究拟通过这3个代表性气候带的对比研究，系统分析1957—2011年中国中部地区不同气候带的气候变化特征及与ENSO事件的关系，从而为中国中部地区不同气候带在短期气候预测中更好地利用ENSO信号提供决策依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域背景

中国中部地区包括山西、河南、安徽、湖北、江西、湖南6个相邻省份，地理位置为24°29'～40°43'N，108°21'～119°37'E，横跨海河、黄河、淮河和长江四大流域，气候类型自南向北依次为亚热带湿润季风气候、暖温带湿润半湿润季风气候、大陆性中温带半干旱季风气候，年均降水量、气温自北向南增加，年均降水在400～1 940 mm之间，年均气温在3～18℃之间。考虑到暖温带湿润半湿润季风气候区气候的南北差异及过渡特点，选取4个典型区域开展研究，分别为湖北中部(A区)、河南中部(B区)、晋东南豫北(C区)、晋西北(D区)，共包括分布均匀、记录比较齐全、有代表性的气象观测站22个(图1)。其中A区包括钟祥、武汉、天门、荆州、黄石5个站点，属亚热带湿润季风气候;B区包括郑州、开封、许昌、西华、宝丰、商丘6个站点;C区包括三门峡、运城、阳城、新乡、临汾、安阳6个站点，B区、C区位于中国南北地理气候过渡带南北侧，均属暖温带湿润半湿润季风气候;D区包括大同、右玉、五寨、原平、河曲5个站点，属中温带半干旱季风气候，处于东亚季风边缘带［16］。

图1 研究区干湿分布与气象站点Fig.1 Wet-dry distribution and location of metrological stations across study area

1.2 数据来源与处理方法

气象数据来源于国家气象中心提供的上述22个气象站点1957—2011年逐月、逐年降水和气温资料，使用算术平均法求取4地区降水和气温的月、年序列数据。海温距平指数(SSTA)和南方涛动指数(SOI)是表征ENSO事件的2个主要特征值，ENSO事件的确定标准采用赤道东太平洋(180°～90°W，10°S～10°N)SSTA异常至少持续6个月≥0.5℃(≤-0.5℃)为1次暖事件(冷事件)，允许中断不超过1个月［17-19］。ENSO事件强度划分为极弱(±1)、弱(±2)、中等(±3)、强(±4)、极强(±5)5个等级(暖事件为正值，冷事件为负值)［19］，正常年份等级为0。由于南方涛动指数SOI随时间演变与SSTA呈显著负相关［6］，因此，SOI在此不作讨论。季节划分以公历3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—2月为冬季。

1.3 研究方法

基于降水量年内分配向量法［20］分析中部4个典型地区的气候差异，基于气候倾向率法、Mann-Kendall(MK)法和Yamamoto法［21-22］分析年降水和气温的变化特征;运用距平分析与多项式拟合分析ENSO事件对气候变化的影响。

2 气候变化

2.1 气候的区域差异

平均气温南北相差明显，自南向北4个地区平均气温分别为16.68，14.47，13.47，6.70℃，多年平均降水量分别为1 164，705，553，419 mm，向北递减趋势均显著增强。受东亚季风气候影响，气候的区域差异可进一步通过降水量年内分配向量法，用集中度和集中期来准确反映。该方法是将一年内各月降水量作为向量，月降水量值为向量长度，月份则代表向量的方向(月中代表的角度值)。集中度与集中期分析结果(图2)表明，自南向北集中度与集中期的平均值均呈增大趋势，其中降水集中度均值依次为37.7%，52.8%，57.2%，65.3%，中值与平均值非常接近，而降水集中度的变幅则呈递减趋势，可见自南向北降水集中程度增强。降水集中期平均值自南向北依次为151.7°，185.2°，189.7°，189.0°，分别对应于6月17日、7月20日、7月24日、7月25日，平均值与中值也非常接近，说明降水平均集中期均值自南向北从6月中旬过渡至7月下旬，北部比南部滞后近40 d，集中期的变幅自南向北分别为112.6°，76.5°，65.5°，56.8°，四分位数的差值分别为29.3°，16.7°，17.1°，13.6°，均呈收缩趋势，自南向北降水集中期越来越短。由此可见，中部四地区气候差异显著，自南向北受东亚夏季风气候的影响逐渐减弱，季风降水日数呈递减趋势。

图2 降水集中度与集中期盒须图Fig.2 Box-plot of concentration degree and time of raininess

2.2 气候年际变化

1957—2011年4 个地区降水和气温呈现不同的年际变化特征(图3)。地处湿润气候、半湿润气候区的A与B区降水量整体变化并不明显，线性倾向线与均值线几乎重合，线性拟合递增率分别为5.93，6.59 mm/10a，M-K非参数检验统计值分别为0.051和0.573，均小于Uα=0.1=1.282，没有通过90%的显著性检验，这可能与降水随时间的波动起伏较大有关;降水总体标准差分别为200.8，144.5 mm，说明降水波动性非常强。地处半湿润气候区北侧和半干旱气候区的C与D区降水年际变化总体呈波动减少趋势，线性拟合递减率分别为14.0，10.7 mm/10a，M-K非参数检验统计值分别为-1.082，-0.980，其绝对值均小于Uα=0.1=1.282，没有通过90%的显著性检验。通过分段线性拟合发现，1981年之前C与D区降水线性拟合递减率分别为55.7，26.6 mm/10a，1981年之后分别为3.9，2.0 mm/10a，阶段性递减幅度差异显著，但总体上呈干旱化发展。结合图3可知，虽然B与C区降水集中度与集中期差异相对较小，但二者降水演变过程与趋势却有明显差异，反映了2个地区气候具有典型的过渡特点。全国范围的降水也具有研究区类似的年际演变特征与时空分布差异，相关研究表明，全国多年平均降水变化幅度不大，无明显增减趋势，而且区域差异性强，华北地区降水呈显著下降趋势，而长江中下游地区自20世纪80年代以来降水呈增加趋势［23-25］。

图3 1957—2011年降水、气温年际变化及趋势分布Fig.3 Inter-annual variation and tendency of precipitation and temperature from 1957 to 2011

4个地区气温20世纪50年代末到80年代初为下降趋势，80年代初中期转为上升趋势，具有明显的阶段性变化特点，但总体上表现为波动性上升，自南向北气温递增率分别为0.25，0.16，0.20，0.24℃/10a，南北增温速率较快，河南中部增温相对较慢，与全国范围多年气温递增速率0.25～0.28℃/10a［23，26］相比，湖北中部、晋西北与全国基本持平，而河南中部则明显低于全国平均增温水平。4个地区气温变化相应的M-K非参数检验统计值分别为4.915，3.085，4.247，3.593，均大于Uα=0.05=1.645，通过了95%的显著性检验，说明中部4个地区在研究时段内具有显著的升温趋势。

对4个地区1957—2011年降水和气温的年际变化进行M-K突变检验，并利用Yamamoto法对序列的突变点和可能突变点进行验证，以增强突变分析结果的可信度［27-28］(图4)。4个地区降水和气温UF(k)曲线的波动变化与前面的趋势分析一致，降水UF(k)与UB(k)曲线基本上没有超出临界线。虽然每个地区UF(k)与UB(k)曲线的交点数(可能突变点)在2～6个之间，而且均落在临界线之间，但经过Yamamoto法进一步检验证实是不可信的，4个地区的降水变化没有出现明显突变，气温均呈现明显的阶段性升降变化，除B区自1993年转入持续升温外，其他3个地区均在经历了1985年之前的阶段性波动下降之后转为明显的持续上升态势，而且自南向北分别在1994，1998，1990，1995年出现升温突变，而且经Yamamoto法进一步检验证实是可信的，说明中部地区气候变暖趋势在20世纪90年代进一步增强。

3 讨论

3.1 ENSO事件发生特征分析

1957—2011年共发生27次ENSO事件，其中暖事件15次，冷事件12次(表1、表2)。ENSO事件在春、夏、秋3个季节爆发的频次分别为9，12，6次，在冬、春、夏3个季节结束的频次分别为16，8，3次，成熟(SSTA峰值)时间多出现在冬、秋季节，出现频次分别为17，7次。由此说明，ENSO事件多在当年春夏季进入发展阶段，秋冬季达到盛期即成熟阶段，并在冬春季节转入衰减阶段。暖事件发生季节的频次为春季5次、夏季7次、秋季2次、冬季1次，冷事件发生季节的频次为春季4次、夏季5次、秋季3次，二者爆发时间的季节分配相似。另外，两类事件生命期长度存在差异，暖事件平均生命期为10.5个月，最长16个月，而冷事件平均生命期为16.5个月，最长36个月。从时间跨度上看，ENSO事件年并不完全符合自然年，有的是在同一年发生，有的是跨年度发生，最长的连续跨度3a。由表1、表2可以看出，非连续性的ENSO事件只有1次，即1963年的暖事件，其他均为连续性事件。从年际ENSO事件性质看，1957—2011年共有19个暖事件年，17个冷事件年，其余年份为非ENSO事件年。从ENSO事件强度特征来看，暖事件与冷事件均以中等为主，发生频次分别为6和5次，其次为弱ENSO事件，暖、冷事件频次分别为5和4次，最强的暖事件有2次，分别为1982—1983，1997—1998年，而最强的冷事件只有1次，出现在1973—1976年，持续时间将近2 a。

表2 1957—2011年ENSO冷事件特征值Tab.2 Indices of ENSO La Niña events from 1952 to 2011

表1 1957—2011年ENSO暖事件特征值Tab.1 Indices of ENSO El Niño events from 1952 to 2011

3.2 气候变化与ENSO事件的关系

为了分析气候变化与ENSO事件的关系，将4个地区1957—2011年降水距平百分率、平均气温距平与ENSO事件等级分别进行6次多项式拟合(图5)，并统计分析4个地区在不同事件年的降水与气温正负距平频次(表3)以及年均降水量和年均气温等(表4)。

表3 1957—2011年降水与气温距平频次的统计特征Tab.3 Anomaly frequencies of precipitation and temperature from 1957 to 2011

图5 1957—2011年降水与气温距平变化与ENSO强度的关系Fig.5 Relationships between ENSO intensity and anomaly variations of precipitation and temperature from 1957 to 2011

3.2.1 降水与ENSO事件的关系。4个地区降水正负距平频次相近，而且趋势变化波动不大，与同期ENSO事件相比，两者均表现出了不同程度的反相或局部同相变化。进一步统计发现(表3)，4个地区正常年降水正负距平频次相差不大，而暖事件年除河南中部降水正距平频次较多外，其他3个地区负距平频次则显著多于正距平，而冷事件年4个地区降水正距平频次均显著多于负距平，由此可初步判定暖事件年中国中部地区降水偏少，冷事件年降水增多。由表4可以看出，A与C区暖事件年年均降水均少于正常年，冷事件年年均降水则明显多于正常年，由此印证了这2个地区暖事件年降水减少而冷事件年降水增加的认识。B区在暖事件年和冷事件年降水均显著多于正常年(与表3所反映的正负距平频次对比一致)，但冷事件年降水增加幅度更大;D区与B区相反，虽然暖事件年和冷事件年降水均显著少于正常年，但暖事件年降水减少幅度更突出。由此说明，暖事件易引起中国中部地区降水减少，而冷事件则易引起中部地区降水增多。与正常年相比，暖事件年4个地区年均降水增减幅度自南向北分别为-2.4%，5.6%，-0.9%，-19.4%，北部半干旱区降水减少幅度最大，南部湿润区降水减少幅度也较大，半湿润区的B与C区减少幅度最小，其中河南中部实际降水虽然偏多，但据前面分析可知，暖事件仍然具有使其降水减少的作用。冷事件年4个地区年均降水增幅自南向北分别为0.5%，15.7%，2.8%，-10.5%，半湿润区的河南中部降水增幅最大，晋东南豫北地区增幅也较大，而湿润区降水增加较少，半干旱区的晋西北虽然实际降水偏少，但冷事件使其仍然具有增加降水的作用。

表4 1957—2011年降水与气温统计Tab.4 Statistics of precipitation and temperature from 1957 to 2011

3.2.2 气温与ENSO事件的关系。4个地区气温正负距平频次较接近，变化趋势波动性明显增强，而且气温拟合趋势与ENSO强度趋势变化也呈现出不同程度的反相或局部同相变化(图5)。由表3可以看出，正常年4个地区气温正负距平频次均较接近，而暖事件年除A区气温正距平频次略少于负距平之外，其他3个地区气温正距平频次均明显多于负距平，而且自南向北更加明显，而冷事件年4个地区气温负距平频次均多于正距平，由此可以初步判定暖事件具有使中部地区气温升高的作用，而冷事件则具有使其气温降低作用。但是，不同阶段气温变化具有明显差异(图5)，具体表现为:20世纪80年代中期之前，ENSO事件年4个地区气温均以负距平占多数，之后正距平频次开始增多，尤其1994年以来4个地区气温全部转变为正距平，与前述4个地区气温变化特征一致，但这一表现并不是因为ENSO事件在不同阶段对该地区气候影响的性质发生了变化，而是由于近年来全球气候持续变暖已明显抬高了多年气温平均值的缘故(表4)。目前人们认为，全球气候变暖的主要影响因子有太阳活动、火山活动和人类活动以及海气相互作用，而人类排放引起的大气中温室气体浓度增加是20世纪特别是近50 a全球变暖的主要原因［24，29］。因此，中国中部地区气温升高是在ENSO事件叠加其他全球气候变暖因子的共同作用下表现出来的。由表3可知，暖事件年4个地区气温均高于正常年，印证了前述暖事件易引起中部地区气温升高的认识。冷事件年A与B区气温与正常年相比均略有升高，而C与D区气温与正常年相比略有下降，这同样是由于全球气候变暖趋势的影响造成了冷事件年中部地区气温整体偏高。但与暖事件年的气温相比，冷事件年4个地区气温均明显偏低或持平，这也间接印证了前述冷事件易引起中国中部地区气温降低的认识。与正常年相比，暖事件年4个地区年均升温自南向北分别为0.10，0.02，0.07，0.24℃，可见晋西北地区升温幅度最大，这在一定程度上加剧了半干旱地区暖干化趋势的发展，而半湿润区的河南中部升温幅度最小;冷事件年4个地区年均气温升降幅度介于-0.02～0.03℃之间，气温下降幅度较小而且区域差异不明显。

4 结论

(1)1957—2011年湖北中部、河南中部、晋东南豫北和晋西北4个地区自南向北气温、降水递减趋势显著。受东亚夏季风气候影响，平均降水集中度自南向北依次为37.7%，52.8%，57.2%，65.3%，降水集中程度向北部增强，而集中期自南向北从6月中旬过渡至7月下旬，且向北部明显缩短。湖北中部、河南中部降水年际波动大且无明显变化趋势，递增率分别为5.93，6.59 mm/10a;晋东南豫北地区、晋西北降水呈波动减少趋势，递减率分别为14.0，10.7 mm/10a，降水均未出现明显突变。气温阶段性变化明显，自20世纪80年代以来升温趋势显著，在90年代出现升温突变并呈持续上升趋势，且南北增温快，河南中部增温慢。

(2)暖事件具有使中部地区各气候带不同程度的降水减少、气温升高的作用，冷事件则具有不同程度的使降水增加、气温降低的作用。

(3)气候对ENSO事件的响应存在一定区域差异。暖事件使半干旱区和湿润区降水减少较多，分别比正常年减少19.4%，2.4%，使半湿润区降水减少幅度较小;冷事件使半湿润区的河南中部降水增加较多，比正常年增加15.7%，而湿润区和半干旱区增幅较小。暖事件使半干旱区升温幅度最大，比正常年升温0.24℃，在一定程度上加剧了半干旱地区暖干化趋势的发展，半湿润区的河南中部升温幅度最小;冷事件使4个地区气温下降幅度均较小，且不存在明显区域差异。

［1］郝成元，赵伟，赵同谦.全球气候变化背景下中国敏感区区域响应比较［J］.地域研究与开发，2011，30(3):56-61.

［2］臧增亮，包军，赵建宇，等.ENSO对东亚夏季风和我国夏季降水的影响研究进展［J］.解放军理工大学学报:自然科学版，2005，6(4):394-398.

［3］Zhou W，Chan J C L.ENSO and the South China Sea Summer Monsoon Onset［J］.International Journal of Climatology，2007，27(2):157-167.

［4］Zhou L T，Tam C Y，Zhou W，et al.Influence of South China Sea SST and the ENSO on Winter Rainfall over South China［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2010，27(4):832-844.

［5］任福民，袁媛，孙丞虎，等.近30年ENSO研究进展回顾［J］.气象科技进展，2012，2(3):17-24.

［6］许武成，马劲松，王文.关于ENSO事件及其对中国气候影响研究的综述［J］.气象科学，2005，25(1):212-220.

［7］赵亮，邹力，王恩华.与ENSO有关和无关年江、淮旱涝可能成因研究［J］.气象科学，2007，27(6):618-625.

［8］张礼平，张乐飞，曾凡平.ENSO与中国东部夏季降水的关联［J］.热带气象学报，2012，28(2):177-186.

［9］Kiladis G N，Diaz H F.Global Climatic Anomalies Associated with Extremes in the Southern Oscillation［J］.Journal of Climate，1989，2(9):1069-1090.

［10］Ropelewski C F，Halpert M S.Global and Regional Scale Precipitation Patterns Associated with the El Nino/Southern Oscillation［J］.Monthly Weather Review，1987，115(8):1606-1626.

［11］信忠保，谢志仁.ENSO事件对淮河流域降水的影响［J］.气象科学，2005，25(4):346-354.

［12］张冲，赵景波.厄尔尼诺/拉尼娜事件对长江流域气候的影响研究［J］.水土保持通报，2011，31(3):1-6.

［13］李志，王健，刘文兆.泾河流域气候变化及其与ENSO的关系［J］.地理科学进展，2010，29(7):833-839.

［14］徐静，张鑫.青海省东部地区气候变化与ENSO事件关系［J］.水文，2012，32(4):88-95.

［15］封国林.极端气候事件的检测、诊断与可预测性研究［M］.北京:科学出版社，2012.

［16］张国宏，郭慕萍，赵海英.近45年山西省降水变化特征［J］.干旱区研究，2008，25(6):858-862.

［17］阮均石.气象灾害十讲［M］.北京:气象出版社，2000.

［18］许武成，王文，马劲松，等.1951—2007年的ENSO事件及其特征值［J］.自然灾害学报，2009，18(4):18-24.

［19］李晓燕，翟盘茂，任福民.气候标准值改变对ENSO事件划分的影响［J］.热带气象学报，2005，21(1):72-78.

［20］Markham C G.Seasonality of Precipitation in the United States［J］.Annals of the Association of American Geographers，1970，60(3):593-597.

［21］Yue S，Paul P，George C.Power of the Mann-Kendall and Spearman’s Tests for Detecting Monotonic Trends in Hydrological Series［J］.Journal of Hydrology，2002，259(1):254-271.

［22］周园园，师长兴，范小黎，等.国内水文序列变异点分析方法及在各流域应用研究进展［J］.地理科学进展，2011，30(11):1361-1369.

［23］范泽孟，岳天祥，陈传法，等.中国气温与降水的时空变化趋势分析［J］.地球信息科学学报，2011，13(4):526-533.

［24］陈隆勋，周秀骥，李维亮，等.中国近80年来气候变化特征及其形成机制［J］.气象学报，2004，62(5):634-646.

［25］郝立生，丁一汇.华北降水变化研究进展［J］.地理科学进展，2012，31(5):593-601.

［26］任国玉，初子莹，周雅清，等.中国气温变化研究最新进展［J］.气候与环境研究，2005，10(4):701-716.

［27］尹云鹤，吴绍洪，陈刚.1961—2006年我国气候变化趋势与突变的区域差异［J］.自然资源学报，2009，24(12):2147-2157.

［28］易湘生，尹衍雨，李国胜，等.青海三江源地区近50年来的气温变化［J］.地理学报，2011，66(11):1451-1465.

［29］朱连奇，许立民.全球变化对陆地生态系统的影响研究［J］.地域研究与开发，2011，30(2):161-165.