中国华北地区冬季降水异常特征及其与大气环流和海温的关系

孙照渤　刘华　倪东鸿

摘要利用1951—2012年中国冬季160站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料及NOAA海温资料，分析了中国华北地区冬季降水的异常变化特征及其与大气环流和海温的关系。结果表明：华北地区冬季降水主要呈现为全区一致变化的特征，且年际变率较大，具有2～4 a的年际变化周期。降水异常偏多（少）年，西伯利亚高压偏弱（强），阿留申低压偏弱（强），850 hPa上华北地区盛行的西北风较弱（强），控制该地区的东亚冬季风偏弱（强），该地区有偏南（北）风距平，500 hPa上东亚槽脊系统偏弱（强）。影响华北地区冬季降水的异常水汽主要来源于南海及其以东的西太平洋。前期夏季日本以东的西风漂流区、同期冬季近海的黄渤海区域的海温均与中国华北地区冬季降水存在显著的正相关关系。

关键词华北；冬季降水；大气环流；水汽输送；海面温度

中国冬季的降水量不如夏季多，对冬季降水的研究就相对较少。一方面，东亚冬季风控制下的地区气候干冷，冬季降水在全年降水中所占比重偏小；另一方面，冬季降水异常往往不会像夏季那样引起巨大的洪涝灾害，其受关注程度就相对较低。事实上，冬季降水异常有极其重要的影响：降水的多寡会直接影响农作物生长及来年农业产量（Gao and Yang，2009）；冬季降水偏少时，会造成冬旱，严重影响人们的生活，冬季降水偏多时，在冬季气温普遍偏低的情况下，降水以雪或冻雨的形式出现时，会极大地影响人们的交通出行，甚至威胁到生命安全（陶诗言和卫捷，2008）。

近年来关于中国冬季降水变化的研究较多。Xu and Chan（2002）分析了中国冬季降水的空间区域分布和时间演变特征，指出中国不同区域的冬季降水存在明显的年际和年代际变化特征；王林和冯娟（2011）指出，中国冬季降水年际变化的主要模态呈现出长江以南地区一致变化的特征；朱志伟和花振飞（2010）利用REOF方法研究了华北不同地理区域冬季降水的空间分布和时间变化特征。

中国冬季降水的变化受到很多因素的影响。施能（1996）指出，中国冬季降水在强冬季风年偏少、弱冬季风年偏多；Chen et al.（2009）通过分析多个东亚冬季风指数证实了该结果。曾剑等（2010）指出，中国南方的冬季降水对东亚冬季风有很显著的区域性响应，并随着冬季风加强而变得更加明显。很多学者在研究冬季降水的环流特征时指出，有利于冬季降水偏多的环流特征是东亚槽脊系统偏弱（张自银等，2008）、东亚高空急流偏弱（毛睿等，2007）、200 hPa上中东急流异常偏强（倪东鸿等，2010）等，且孟加拉湾地区的南支槽也是冬半年影响东亚的主要天气系统（索渺清和丁一汇，2009）。水汽条件是冬季降水形成的重要条件，影响中国南部冬季降水的水汽来源主要是孟加拉湾和南海（李秀珍等，2010；张万诚等，2011；陈颖曼等，2013）。

海温变化对中国冬季降水也有重要影响。彭京备（2012）认为，冬季东印度洋海温与同期江南—华南降水呈显著的正相关关系；王林和冯娟（2011）指出，赤道中东太平洋海面温度（sea surface temperature，SST）对中国冬季降水的主模态变化有一定的预示意义；李忠贤和孙照渤（2004）、赵斐苗等（2007）认为，冬季黑潮区海温与中国部分地区的降水存在较好的相关关系。

综上所述，有关中国冬季降水的研究多集中在冬季降水量较大的南方地区，而对北方地区冬季降水的研究并不多见。然而，北方地区冬季降水的异常变化也非常重要。因此，本文主要研究华北地区冬季降水的时空演变特征，并分析其与大气环流及海温的关系，为华北冬季降水的气候预测提供一定依据。

1资料和方法

采用的資料有：1）中国气象局发布的全国160站逐月降水资料，时段为1951年1月到2013年2月。2）NCEP/NCAR全球逐月再分析资料，水平分辨率为25°×25°，垂直方向为17层，时段为1948年1月到2013年2月，包括气压场、位势高度场、风场、比湿场等。3）NOAA海面温度逐月资料，水平分辨率为2°×2°。文中所用方法均为常见的统计诊断方法，如EOF分析、合成分析、相关分析等，并使用t检验方法（魏凤英，2007）。文中冬季是指当年12月至次年2月。

2华北冬季降水的变化特征及指数

21华北冬季降水的变化特征

中国冬季降水的整体分布特征是总降水量从东南向西北递减，降水中心位于长江以南的江南到华南地区；冬季降水标准差的空间分布与总降水量的分布类似，但大值中心位于东南沿海地区（图略）。由冬季降水距平百分率标准差分布（图1）可见，大值区位于中国的北方地区，说明尽管中国北方冬季降水的平均值较小，但降水的年际变率却较大。因此本文选取中国105°E以东地区120站的冬季降水距平百分率进行EOF分析，前3个模态的方差贡献率依次为269%、109%、91%。EOF第一模态的空间分布表现为中国东部全区一致变化的特征，中心位于华北地区（图2a）；其时间系数具有明显的年际变化特征，周期为2～4 a（图2b）。鉴于北方降水年际变率较大的特点（图1），以及中国东部降水具有以华北为中心的全区一致变化的特征（图2a），本文选取华北地区作为研究区域，并挑选图2a中19个较大值站点代表中国华北地区，在此基础上进一步研究华北地区冬季降水的年际变化特征。

22华北冬季降水指数

对所选19站（图3b）逐年冬季降水距平百分率求算术平均，并对逐年算术平均值作标准化处理，定义该标准化值为华北地区冬季降水指数（winter precipitation index，WPI），结果如图3a所示。WPI表示华北地区冬季降水的整体情况，WPI与EOF1时间系数的相关系数高达09。根据WPI的大小，定义大于（小于）1个正（负）标准差的年份为降水偏多（少）年，降水偏多年有12 a（1953、1958、1963、1971、1974、1975、1978、1988、1989、1997、2000、2002年），偏少年有10 a（1960、1962、1967、1976、1980、1982、1983、1993、1995、1998年）。

3华北冬季降水偏多年和偏少年的环流形势

华北地区冬季降水的异常变化必然受到大气环流异常的影响。对不同高度的环流要素场进行合成分析，以探讨影响华北地区冬季降水偏多、偏少的环流形势。

31海平面气压场

降水偏多年（图4a、c），华北地区为负距平，日本海及其以东的西太平洋为显著正距平；位于西伯利亚的大陆冷高压中心偏北，影响范围偏北且强度偏弱，对华北影响较小；阿留申低压中心强度偏弱，且位置偏东偏北。相较于常年，华北地区受西北方干冷空气的影响较小，而受到来自南方和近海系统的影响较大。降水偏少年（图4b、d），华北地区为正距平，日本海及其以东的西太平洋为显著负距平；西伯利亚冷高压中心强度偏强，影响范围偏南。西伯利亚冷高压强度偏强，阿留申低压在日本北部及其以东地区得到加强，中国华北地区受到来自西北方向强冷空气的影响较大，使得该地区冬季气候更加干冷。

32500 hPa位势高度场

比较图5a和图5b发现：华北地区冬季降水偏多年，东亚大槽强度偏弱，位置偏东偏北，北太平洋上为宽阔槽区，此时东亚大槽对华北地区的影响偏弱，同时乌拉尔山脊的强度也偏弱；降水偏少年，东亚大槽强度偏强，位置偏南，乌拉尔山脊的强度偏强。

图5c表明，降水偏多年，华北地区为正距平，日本海南部及其以东洋面为显著正距平，乌拉尔山到巴尔喀什湖以北为显著负距平，鄂霍次克海及其以北地区为负距平。距平场的分布形势表明，槽区填塞减弱，乌拉尔山脊区强度偏弱，说明华北地区受中纬度阻塞环流系统的影响偏弱，而华北地区位于槽后脊前，西北气流偏弱，其上空为平直的偏西风。此时，华北地区受南方和近海系统的影响较常年大，冬季近海海面的暖湿气流与西北方向冷空气容易在华北地区发生交汇。

图5d表明，降水偏少年，华北地区为负距平，日本海为显著负距平，整个欧亚大陆高纬为正距平，两个正距平中心分别位于巴尔喀什湖以北和鄂霍次克海北面。此时，华北地区位于槽后脊前，偏强的东亚大槽和乌拉尔山脊对华北的影响较强，使得华北地区上空有偏强的西北气流，引导西北方向的干冷空气南侵并影响华北地区，导致该地区气候较常年干冷。

33850 hPa风场

由图6a、b可见，中国华北地区主要受东亚冬季风控制，盛行偏西北风，但在降水偏少年，华北地区的西北风偏强。

图6c表明，华北地区有东南风距平，说明在降水偏多年，东亚冬季风偏弱；从日本海到中国东北地区有明显的反气旋式环流距平，显著的偏南风距平从中国南方向华北发展，与东部沿海向西北方向发展的偏南风距平合并加强，使得华北地区产生显著的异常偏南风距平。在降水偏多年，该风场形势不但有利于将来自中国南海及其以东的西太平洋的水汽向中国华北地区输送，而且有利于近海海面的暖湿气流与西北方向的小股冷空气在此发生交汇。

图6d表明，鄂霍次克海到中国东北以及日本海地区有显著的气旋式环流距平，其西侧的异常偏北风距平影响中国华北地区，使得中国华北地区表现为异常的偏北风距平。在降水偏少年，控制华北地区的东亚冬季风加强，导致冷空气向南发展影响华北地区，且距平风场的形势不利于水汽向华北地区输送，导致华北地区气候更加干冷。

综上所述，华北地区冬季降水偏多年，西伯利亚高压和阿留申低压偏弱，且冷高压中心影响偏北，较常年而言，华北地区受西北方向冷空气影响较小，受到来自南方和近海系统的影响较大；低层850 hPa风场上，华北地区为异常偏南风距平，且有来自东亚沿海向华北地区的异常东南风距平；对流层中层，500 hPa位势高度场上东亚槽脊系统偏弱，华北位于槽后脊前，其上空的西北气流偏弱，有来自西北方的小股冷空气与来自海面的暖湿气流在华北地区发生交汇。而在华北地区冬季降水偏少年，其环流形势则相反。

4华北冬季降水偏多年和偏少年的水汽输送

华北地区冬季受到北方干冷空气的影响，空气湿度相对较低，因而水汽条件在华北地区冬季降水的形成过程中就显得尤为重要。

降水偏多年，华北地区为水汽辐合区，且向北的水汽通量距平经中国南方指向华北地区，提供了利于华北地区降水的水汽条件（图7a）。降水偏少年，其情形与降水偏多年情形几乎相反，华北地区为水汽辐散区，且华北为向南的水汽输送距平，说明华北地区水汽输送较常年小，水汽条件较弱（图7b）。

上述分析表明，影响华北地区冬季降水的异常水汽输送通道主要有两条：一条自南海向北经中国南方地区向华北输送；另一条来自南海以东的西太平洋，向北輸送至华北地区。

5华北冬季降水与海温的关系

大气环流异常是与海温等大气外强迫的变化相联系的，因此分析与中国华北地区冬季降水相联系的海温变化，对进一步认识华北地区冬季降水异常的成因有帮助，且对华北地区冬季降水和环流变化的预测有重要意义。本文将分析与华北地区冬季降水相关的海温分布情况。

图8给出了中国华北地区冬季62 a降水指数序列与前期和同期海温的相关系数分布。由图8a可见，夏季日本以东的西风漂流区海温与中国华北地区降水为显著的正相关关系，阿拉伯海及孟加拉湾北部为显著的负相关区。由图8b可见，除北太平洋的东部区域外，大部分区域的海温与华北冬季降水没有很好的相关性。由图8c可见，与华北地区冬季降水具有显著正相关关系的海温关键区位于中国近海的渤海、黄海以及日本海南部区域。

为了进一步分析前期夏季和同期冬季海温分布与中国华北地区冬季降水的关系，选取图8a、c中显著相关区（前期夏季海温的显著相关区为148～164°E、32～38°N，同期冬季海温的显著相关区为125～135°E、32～42°N）的海温，求其区域平均并作标准化处理，得到前期夏季日本以东的西风漂流区海温的62 a变化序列Isum，以及同期冬季中国近海的黄渤海地区和日本海部分海域海温的62 a变化序列Iwin，并将它们与华北地区冬季降水指数做比较（图9）。

图9a给出了华北冬季降水指数序列和前期夏季日本以东的西风漂流区海温变化序列，它们的相关系数为034，通过了001信度的显著性检验，表明前期夏季日本以东的西风漂流区海温偏暖（冷）时，华北地区冬季降水偏多（少）。图9b给出了华北冬季降水指数序列和同期冬季近海的海温变化序列，它们的相关系数为037，通过了001信度的显著性检验，表明冬季中国近海的海温偏暖（冷）时，华北地区冬季降水偏多（少）；在20世纪60年代中期至80年代初期，两序列的相关系数达084，说明二者在该阶段的正相关关系尤为显著。

研究认为赤道中东太平洋的海温是影响我国东部冬季降水多少的主要因素（王林和冯娟，2011），而华北地区冬季降水与厄尔尼诺的关系并不显著（王群英和龚道溢，1999），更多是受北太平洋海温影响（王宏等，2013）。在此基础上，本文提出了前期夏季日本以东的西风漂流区以及同期近海的海温是影响我国华北冬季降水的重要因素的观点。而有关前期夏季日本以东的西风漂流区和同期冬季近海的海温对中国华北冬季降水的影响机制还有待进一步探讨。

6结论

根据中国东部冬季降水的空间分布，选取降水变率较大的华北地区进行研究，分析了华北地区降水偏多、偏少年环流形势和水汽输送特征的差异，以及海温变化对华北地区冬季降水的影响，得到以下结论：

1）华北地区冬季降水主要呈现为全区一致变化的特征，且年际变率较大，具有2～4 a的年际变化周期。

2）华北地区冬季降水偏多（少）年，在海平面气压场上，西伯利亚高压偏弱（强），阿留申低压偏弱（强），来自西北的冷空气对华北地区的影响较弱（强）；在850 hPa风场上，华北地区盛行的西北风较弱（强），控制该地区的东亚冬季风偏弱（强），华北地区有偏南（北）风距平；在500 hPa位势高度场上，东亚大槽偏弱（强），乌拉尔山脊偏弱（强），中纬度阻塞环流系统偏弱（强），华北位于槽后脊前，高空为平直的偏西气流（强盛的西北气流）。上述大气环流形势导致华北地区受西北冷空气影响较弱（强），有利于降水偏多（少）。

3）影响华北地区冬季降水的异常水汽输送通道主要有两条：一条自南海向北经中国南方地区向华北输送；另一条来自南海以东的西太平洋，向北输送至华北地区。

4）前期夏季日本以东的西风漂流区、同期冬季近海的黄渤海海域的海温与华北地区冬季降水存在显著的正相关关系。

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It is of great importance to study winter precipitation because it can directly affect agricultural production and public travel，and even threaten human safety.For lack of researches on winter precipitation，especially in North China，this paper mainly focuses the distribution and evolution of winter precipitation in North China.Based on the winter precipitation data at 160 stations in China，the NCEP/NCAR reanalysis data and the NOAA ERSST data during 1951/1952—2012/2013，the characteristics of winter precipitation anomaly in North China and its relationship to atmospheric circulation and sea surface temperature（SST） are studied.Common statistical methods including EOF reanalysis，synthesis analysis and correlation analysis are effectively used.The overall characteristics of winter precipitation indicates that although the total amount of precipitation is small，the precipitation variability is large in North China.EOF analysis results show that there are characteristics of uniform change of the whole area for winter precipitation in North China，and the interannual variability is large，with 2—4 years period.Based on the winter precipitation index defined by the data of 19 representative stations in North China，the more and less winter precipitation years are obtained.During the more（less） precipitation years，Siberian high is weaker（stronger），Aleutian low is weaker（stronger），and the northwest cold air is also weaker（stronger）.At 850 hPa，the prevalent northwest wind in North China is weaker（stronger），East Asian winter monsoon dominating North China is weaker（stronger） simultaneously，and the southerly（northerly） wind anomaly also exists in North China.At 500 hPa，East Asian trough and Ural ridge are both weaker（stronger），the blocking system in midlatitudes is weaker（stronger），and the flat westerly current（strong northwest wind） anterior the ridge takes control.Furthermore，two dominating water vapor transport channels that affect North China winter precipitation are found：one from South China Sea，and the other from the western Pacific to the east of South China Sea.The relationship between North China winter precipitation anomaly and sea surface temperature is also studied.The significant positive correlation between North China winter precipitation and previous summer（contemporaneous winter） SST locates in the westerly drift region to east of Japan（the Yellow Sea and Bohai Sea region）.

North China；winter precipitation；atmospheric circulation；water vapor transport；sea surface temperature

doi：1013878/j.cnki.dqkxxb.20150325002

（責任编辑：刘菲）