ENSO-Modoki与东北三省夏季温度异常事件的关系

胡心佳，汪　明，李　艳，从　靖

(1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京　100875；2.北京师范大学民政部教育部减灾与应急管理研究院，北京　100875；3.兰州大学大气科学学院，甘肃　兰州　730000)



ENSO-Modoki与东北三省夏季温度异常事件的关系

胡心佳1，2，汪明1，2，李艳3，从靖3

(1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京100875；2.北京师范大学民政部教育部减灾与应急管理研究院，北京100875；3.兰州大学大气科学学院，甘肃兰州730000)

摘要：利用1960～2013年中国东北三省76个台站夏季逐日气温数据、NCEP/NCAR再分析资料以及ENSO-Modoki指数，分析了东北地区夏季温度异常事件的时空变化特征，运用相关分析与合成分析相结合的方法探讨其与ENSO-Modoki之间的关系。结果表明：(1)东北三省夏季极端高温事件的频次波动较为明显，在1980年代初与1990年代中后期有明显峰值，而极端低温事件的频次呈下降趋势，但在1990年代初有1次明显上升；(2)从空间分布来看，极端高温事件的频次在东北三省东部的大部分地区以及大兴安岭北部地区呈上升趋势，而极端低温事件的频次在辽东半岛以及漠河附近有上升趋势，在长白山以北及松江平原以南地区则有下降趋势；(3)前一年冬季发生El Nio-Modoki或春季发生La Nia-Modoki，对黑龙江省与辽宁省的大部地区夏季出现温度异常事件影响较大。其中，前一年冬季发生El Nio-Modoki，当年夏季这些地区极端高温事件的频次可能会减少；春季发生La Nia-Modoki，上述地区夏季极端低温事件的频次会减少，而极端高温事件的频次可能会增多。

关键词：东北三省；极端温度事件；夏季；ENSO-Modoki

引言

中国东北三省包括黑龙江省、吉林省和辽宁省，地处中高纬欧亚大陆东岸，土壤肥沃，是我国重要的粮食主产区和最大的商品粮基地[1]。温度是影响农作物生长发育的重要因素，过高或过低的温度都对农作物生长发育及产量有害。在东北地区，气温最高的夏季(6～8月)对农作物的生长至关重要[2-3]，夏季易发生低温冷害[4-7]，1960～1970年代的夏季低温曾使得吉林省粮食减产约20%(据吉林省统计年鉴)。近年来，伴随着全球气候变暖，高温日数整体增多[8]。东北地区对全球气候变暖响应极其敏感，自1980年代开始，冷夏频次明显减少，并出现了异常高温的天气，成为我国受全球气候变化影响最显著的区域之一[9-10]。严中伟等[11]指出，气候变化更强烈地表现在极端气候中，平均气候远不能完全描述气候变化的真实过程[12]。因此，探究东北三省夏季极端温度事件的变化趋势，对于研究东北地区对全球气候变化的响应具有重要意义。

近年来的研究认为，东北地区夏季气温异常与太平洋海温、副热带高压、极涡等有一定的联系，其中海温是最重要的影响因子之一[13-14]。朱乾根[15]研究我国东部地区气温与ENSO之间关系发现，在平均状态下，受El Nio影响最大的是东北地区，其次是华南地区；张霏燕等[16]发现，东北夏季极端低温群发时期( 1964～1992年)，在El Nio年或翌年基本都对应东北夏季极端低温年；然而，在1993～2007年间发生的El Nio并没有对应的极端低温事件发生。这也就是说，从1990年代初期开始，El Nio发生年与东北地区夏季极端低温事件的对应关系有了变化。研究发现[17]，1970年代末全球气候经历一次显著的跃变后，El Nio事件发生的频率减少，而出现了一种类似El Nio的现象，即El Nio-Modoki，其主要特征是赤道中太平洋地区海温偏高，而赤道太平洋东部和西部的海温偏低，研究者将其命名为CP-El Nio或Warm Pool El Nio，且这一现象从1990年代后有愈加频繁出现的趋势[18-19]。海洋是一个巨大的热机和水汽主要源地，其对大气环流﹑长期天气气候变化有重要影响，ENSO-Modoki这种新的海温异常现象，将会给全球气候带来不同于El Nio的独特影响[20]。国内关于El Nio和La Nia对东北地区夏季温度的影响已研究得较为透彻，但对于ENSO-Modoki和东北三省夏季温度异常事件之间关系的探讨仍是空白。由于ENSO-Modoki事件有更频繁出现的趋势，因而探究东北三省夏季极端温度事件的时空分布与ENSO-Modoki之间的关系，对服务东北三省的农业生产和经济发展有重要意义，也为深入开展气候变化对东北三省影响研究提供一定的参考。

1资料选取和方法

1.1资料

所用资料有黑龙江、吉林、辽宁3省76个气象台站1960～2013年6～8月逐日最高气温和最低气温观测资料和1959年1月至2013年12月NCEP/NCAR再分析的全球月平均位势高度场(网格距2.5°×2.5°)、海表温度场(水平分辨率为2°×2°)资料。

1.2方法

采用百分位法定义极端温度[21-22]。以极端高温为例，将东北三省76个台站1960～2013年夏季逐日最高气温分别按升序排列，以第95百分位值作为该站发生极端高温的阈值。当该站某日最高气温高于极端高温阈值时，则认为该日发生极端高温事件，据此可得到每个台站夏季发生极端高温事件的频次。极端低温的定义类似，此处不再赘述。

EMI=[SSTA]A-0.5×[SSTA]B

(1)

式中，[SSTA]为区域平均的海表温度异常；A、B、C各区域的范围分别是：165°E～140°W、10°S～10°N，110°W～70°W、15°S～5°N，125°E～145°E、10°S～20°N。当EMI>1时，即定义为发生一次El Nio-Modoki，当EMI<-1时，即发生一次La Nia-Modoki。

2东北地区夏季温度异常事件的变化趋势

根据极端温度的定义方法，统计了东北地区各台站极端温度的阈值(图1)。从图1a中可以看到，夏季极端高温阈值在辽宁西部和吉林西部相对较高，最大阈值出现在辽宁朝阳，为35 ℃，而在小兴安岭东北部、长白山天池、松江平原、辽宁北部则相对较低。这种分布特征可能与地形、纬度有关，当有来自北方的冷空气时，地势平坦的地区冷空气容易入侵；山区温度比同纬度平原偏低则与海拔高度有关。

图1　东北地区极端高温(a)、低温(b)阈值的空间分布(单位：℃)

由图1b可知，夏季极端低温阈值在最北端的漠河附近较低，阈值最小的地区出现在吉林天池，为-1.7 ℃，而在松江平原东北部、辽宁北部以及鸭绿江附近地区相对较高。结合图1a和图1b可看到，小兴安岭东坡的气温阈值高于西坡，平原西侧的气温阈值高于东侧，这可能是由于山脉背风坡的焚风作用造成的。整体来看，东北三省的极端温度阈值分布呈北部较南部低、东部较西部低的特征。

根据每个台站的极端温度阈值，计算统计1960～2013年间夏季所有站点出现极端高温、极端低温事件的累积频次，得到东北三省夏季温度异常事件的变化及趋势(图2和图3)。从全区来看，近54 a东北地区夏季极端高温事件的频次总体呈不显著的上升趋势，在1980年代以前波动较小，之后波动较大，出现了几次明显的峰值，其中1982，1997，1999，2000年极端高温事件的频次较多(图2a)；极端低温事件的频次总体呈显著下降趋势(通过0.01的显著性水平检验)，在1970年代中期以前频次较多，之后至1980年代末快速下降，而后略有回升，至1990年代中期以后再次呈微弱的下降趋势，其中1969、1972、1976、1992年极端低温事件的频次较多(图2b)。这与王敬方等[3]的研究结论“1972，1976，1983年是东北地区比较强的冷夏年份”较接近。IPCC第五次评估报告[23]指出，过去130 a全球温度上升了0.85 ℃，中国大部分地区有变暖趋势，高温日数变多是全球气候变暖的证据之一。东北三省夏季极端高温日数在波动中有所增多，而极端低温日数整体呈显著下降趋势，说明东北地区对全球气候变暖有一定的响应。可见，东北三省夏季气温在总体变暖的背景下，表现出阶段性的冷暖特征。

从东北地区夏季温度异常事件频次变化趋势的空间分布(图3)上看，极端高温事件的频次在黑龙江北部、吉林东南部、辽宁东部部分地区以及长白山天池附近有增加趋势，而在长白山山脉以西、松嫩平原、辽河平原地区，则有所减少(图3a)；极端低温事件的频次在漠河附近、辽宁中东部、辽东半岛附近有增加趋势，而在长白山以北，松江平原以南地区，有减少趋势。可见，山区极端温度变化情况较平原地区更为显著，这可能与下垫面的热力性质有关。

图2　1960～2013年东北三省夏季极端高温(a)、低温(b)事件频次的变化

图3　东北地区极端高温(a)、低温(b)事件发生频次变化趋势的空间分布(单位:次/10 a)

3极端温度事件与ENSO-Modoki的关系

3.1相关性分析

为探究ENSO-Modoki事件对东北三省夏季温度异常事件的超前与同期影响，用前一年秋、冬季和当年春、夏季的ENSO-Modoki指数(EMI)与各台站夏季极端高温事件频次、极端低温事件频次分别做相关分析(表略)。经统计发现，前一年冬季和当年春季发生的ENSO-Modoki事件与东北地区夏季发生温度异常事件的相关性最大，其中与夏季极端高温事件的频次基本呈负相关，而与夏季极端低温事件的频次呈正相关(图4)。可以看到，辽宁大部和黑龙江部分地区夏季极端高温事件与前一年冬季发生的ENSO-modoki事件有较好的负相关性，负相关系数较大且较多站点通过了0.05的显著性检验(图4a)；相比前一年冬季，东北地区夏季极端高温事件频次与当年春季发生的ENSO-modoki事件的相关性在黑龙江省和吉林省较弱，仅有少数站点通过了显著性检验，且多集中在辽宁省(图4b)。在相关性较显著的地区前期发生El Nio Modoki事件时，夏季极端高温事件发生频次可能会减少，前期发生La Nia-Modoki事件时，夏季发生极端高温事件的频次可能会增多。对比图4a和图4b可知，前一年冬季发生的ENSO-Modoki事件与当年夏季出现极端高温事件的相关性更好，尤其是辽宁省和黑龙江省表现得更好。

由图4c和图4d可看出，东北地区夏季极端低温事件的频次与前一年冬季发生的ENSO-Modoki事件的相关系数普遍较高，整体高于其与当年春季发生的ENSO-Modoki事件的相关系数，尤其在黑龙江省表现得更明显，但通过显著性检验的站点后者多于前者，说明东北地区夏季极端低温事件的频次对当年春季发生的ENSO-Modoki事件响应更敏感。这与极端高温事件相关性分析的结果相对应，即这些站点前期发生El Nio-Modoki事件时，东北地区夏季发生极端低温事件频次可能会增多；前期发生La Nia-Modoki事件时，夏季发生极端低温事件的频次可能会减少。

由于影响东北夏季温度异常事件的前期因子很多，这些因子的作用可能将海温异常所带来的真实影响覆盖，即有些未表现出相关性的台站可能对于海温异常也有一定的响应，但这种响应可能是非线性的。为探讨海温异常对于这些台站气温的影响，在前文的基础上进一步做合成分析。

3.2合成分析

图5　春季(a，b)和前一年冬季(c，d)发生El Nio-Modoki(a，c)和La Nia-Modoki(b，d)时

3.3环流形势分析

海温异常是导致大气环流异常的主要因子，会使大气环流形势发生改变，进而对一些地区的温度产生影响，因此采用海温异常年和正常年合成分析和差值t检验法来探讨海温异常年的环流形势对东北地区的影响机制。图6给出1960～2013年间海温正常年份夏季500 hPa平均高度场。可以看到，亚欧大陆中高纬以弱槽脊为主，盛行平直的西风气流，东北地区东部有一较弱的高压脊，华北平原处于一弱槽底部，与东北地区的弱脊相配合形成较弱的经向环流。

图7给出春季和冬季发生ENSO-Modoki和La Nia-Modoki的年份的500hPa高度场距平。春季发生La Nia-Modoki的年份(图7b)，在40°N～60°N中纬度带为正距平区域，60°N以北为负距平区域，东北地区位于25 gpm正距平中心的南部，说明在这些年份，位于东北上空的高压脊会进一步加强，阻挡来自极地地区的冷空气。北半球其他大部分地区为正距平，说明北半球盛行纬向环流，暖空气势力较强，不利于冷空气向南扩散。东亚地区为正距平区(40°～70°N)，极区(70°N以北)为负距平，暖空气易深入到东亚地区且持续堆积，引起东北部分地区高温，极端低温事件减少。前期冬季发生El Nio-Modoki年份的500 hPa高度距平场上(图7c)，40°N～60°N为正距平区，60°N以北大部分为显著负距平区域，在副热带高压控制区域有显著正距平，说明这些年份对应的次年夏季，暖空气并没有北推至东北地区，东北地区盛行低值活动，引起低温事件。图6中贝加尔湖北部有一浅槽对应图7c上负距平区，说明该槽在海温异常年将进一步加深，与西伯利亚附近的正距平环流场相结合成为经向度较大的环流，进而使来自西伯利亚的偏北气流加强，配合西高东低的形势，引导冷空气南下影响我国东北地区，使得次年夏季温度偏低，造成极端低温事件的出现，这与统计结果较为一致。

图6　1960～2013年海温正常年份

图7　ENSO-Modoki、La Nia-Modoki年份与正常年份500 hPa高度场距平

4结论

(1)东北三省夏季极端温度的阈值有一定的空间分布特征，这可能与地形、纬度及海拔高度有关，但也可能是受海温等外强迫因子的影响。整体来看，极端温度阈值西部较高，中部较低，南部较北部高，而三江平原一带极端低温阈值也较高。

(2)东北三省夏季极端低温事件发生的频次整体呈显著下降趋势，1980年代以前夏季温度异常事件以极端低温为主，在1980年代中期以后极端高温事件明显增多，但波动较大，在1990年代中期及2009年出现了较强的低温冷夏。从空间分布上看，夏季极端低温事件的发生频次在漠河附近、吉林中部的大部分地区以及辽宁省东部的部分地区有所增多，而在长白山以北、松江平原以南地区，则有减少趋势；极端高温事件的发生频次在黑龙江北部与中南部、长白山天池附近、辽宁东部部分地区呈上升趋势，而在吉林中部的大部地区、松嫩平原、辽河平原地区呈下降趋势。

综上所述，东北地区对全球气候变暖有较显著的响应，ENSO-Modoki对于东北三省部分地区夏季温度异常事件有一定的影响，可作为东北夏季温度异常事件预报的参考因子，但其具体影响过程和机理还有待进一步分析和研究。

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Relationship Between ENSO-Modoki and Summer Temperature Anomaly Event in Northeastern China

HU Xinjia1，2, WANG Ming1，2, LI Yan3, CONG Jing3

(1.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;3.CollegeofAtmosphericSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Abstract:Based on the daily temperature of 76 weather stations in Northeastern China in summer during 1960-2013，NCEP/NCAR reanalysis data and the ENSO-Modoki Index, the variation trends of anomalous temperature in summer in Northeastern China were studied, and the possible relationship between the summer anomalous temperature events in Northeastern China and ENSO-Modoki events was analyzed by using the correlation analysis and composite analysis. The results are as follows: (1) The frequency of extreme high temperature events appeared a rising trend in Northeastern China in general，there were the peak values in the early 1980s and the mid to late 1990s, while that of extreme low temperature events showed a decreasing trend in general, and there was an obvious rising in the early 1990s. (2) Where the spatial distribution is concerned, the spatial differences of change trend of extreme temperature events were obvious in Northeastern China, the frequency of extreme high temperature event increased during 1960-2013 in most regions of the east of Northeastern China, and the frequency of extreme low temperature events near the Liaoning Peninsula increased, while that in northern part of Changbai mountain and southern part of Songjiang plain decreased. (3) The influence of El Nio-Modoki in last winter and La Nia-Modoki in spring was significant on the anomalous temperature event in summer in part of Northeastern China. When the El Nio-Modoki occurred in last winter, the frequency of extreme high temperature events in summer might decrease in some areas of Northeastern China, however, when the La Nia-Modoki occurred in spring, the frequency of extreme low temperature events in summer might decrease in some areas, while that of extreme high temperature events might increase.

Key words:the Northeastern China; extreme temperature events; summer; ENSO-Modoki

中图分类号：P732

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-02-0282-08

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0282

作者简介：胡心佳(1992-)，女，甘肃兰州人，硕士研究生，主要从事自然灾害风险研究. E-mail:huxinjia10@163.com通讯作者：李艳. E-mail:liyanlz@lzu.edu.cn

基金项目：地表过程模型与模拟创新研究群体科学基金(41321001)和高校博士点基金项目(20120211120030)共同资助

收稿日期：2015-05-06；改回日期：2015-06-08

胡心佳，汪明，李艳，等.ENSO-Modoki与东北三省夏季温度异常事件的关系[J].干旱气象，2016，34(2)：282-289, [HU Xinjia, WANG Ming, LI Yan, et al. Relationship Between ENSO-Modoki and Summer Temperature Anomaly Event in Northeastern China[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):282-289], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0282