近50年广东春运期间气温和降水协同变化的气候特征

汪明圣，胡娅敏，胡婷，董少柔，赵亮

(1. 广东省气候中心，广东 广州 510641；2. 广州市气象台，广东 广州 511430；3. 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)，北京 100029)

1 引言

春运，是在中国春节前后发生的一种大规模的全国性交通运输高峰。改革开放以来，随着对人员流动限制的放宽，越来越多的人选择离乡外出务工、求学，诸多人群集中在春节期间返乡，形成了堪称“人类历史上规模最大的人口迁徙活动”——春运。近30 多年来，春运大军从1 亿人次增长到2015 年的37 亿人次，相当于让非洲、欧洲、美洲、大洋洲的总人口搬一次家。在气候变暖背景下，极端气候事件造成的各种损失不断增加。春运期间各种极端气候事件频繁出现，严重影响了人民生命财产安全及社会正常秩序，同时造成大量人力、物力和财力等社会资源的非正常耗损。2008 年春运期间，因大范围雨雪冰冻灾害天气影响，全国多地高速公路出现严重堵塞，京广铁路南段(湖南段)因电气化铁路接触网断电中断20 小时，造成广州火车站大量旅客滞留，最多达17 万。2016 年1 月下旬，广东遭受了一次罕见的寒潮雨雪冰冻天气过程，除了剧烈的降温和大风，大部分市县出现了雪、雨夹雪或霰等固态降水，珠江三角洲和部分南部沿海市县还是建国以来首次出现，引发了社会的强烈关注。2022 年春运期间，我国南方地区出现多次大范围雨雪天气过程，给交通、电力、农业和人体健康等造成了巨大影响。因此，提前准确地预报出春运期间的天气气候特征，对于保障春运气象服务，开展防灾减灾工作具有重要的现实意义。

以往的研究成果主要分析春运期间特定的灾害特征[1-2]和天气过程[3-6]。尤其是很多研究关注了2008 年的低温雨雪冰冻事件，Wen 等[7]从大尺度气候异常角度讨论了多个大尺度因子对2008年1月出现在中国南方的低温雨雪冰冻事件的影响，指出中东急流和北极涛动的配合比La Niña 事件的影响更重要。李崇银等[8]从2008 年中国南方持续性低温雨雪冰冻事件着手，给出了低温雨雪冰冻事件对应的大气环流系统的组合性异常特征。已有研究表明，中国南方持续性低温雨雪冰冻事件主要受乌拉尔山阻塞高压、欧亚遥相关型、欧亚大陆大型斜槽斜脊、北极涛动、南支槽及热带季节内振荡等系统的影响[9-17]。针对冬季的气候状况也有研究，智协飞等[18]指出气候变暖后我国南方冬季的极端降水强度普遍有所增加。王瑞丽等[19]研究发现太阳活动变化对东亚冬季气候的影响具有非对称性特征。梁建茵等[20]对广东冬季的气温变化进行了诊断分析，认为广东冬季气温具有增温趋势，特别是最低气温。胡蓓蓓等[21]从年代际尺度分析了广东2 月“冷干”和“暖干”的环流海温异常。然而，以上研究有的仅给出春运期间某一个例天气过程分析，不具有普遍性；有的则对冬季气温或者降水单一要素进行分析，没有考虑气温和降水的协同变化；有的则是对年代际尺度的分析，忽略了年际信号。此外，也未对不同异常气候类型对应的环流差异做详细的对比分析。

本研究将针对春运这一特殊时段，分析广东的气候变化特征，根据气温和降水的时空分布特点，从降水和气温的协同变化入手，利用气温和降水的双重标准，对广东春运期间气候异常类型进行分类。在此基础上，对各类气候异常类型对应的海温和大气环流异常特征进行对比分析，讨论其中的差别，以期为广东春运的气候预测提供有益线索，为科学制定防灾减灾对策提供依据，更好地为人民的生产和生活服务。

2 资料与方法

基于站点数据的连续性和完整性考虑，本文分析资料选取的广东省86个气象站1971—2020年的逐日气象观测数据，来自于国家信息中心整编的《中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)》，已对国家级地面台站观测数据进行了质量检测与控制、数据核查与更正。大气环流采用了NCEP/NCAR 提供的逐日等压面上全球位势高度场(hgt)、相对湿度场(shum)、经向风场(uwnd)、纬向风场(vwnd)、海平面气压场(slp)的再分析资料，水平分辨率为2.5 °×2.5 °。海温资料为NOAA 提供的逐月全球海表温度数据集(ERSSTv5)，水平分辨率为2 °×2 °。文中所使用到的气候平均态为1991—2020年30年均值。为了更真实地反映气象要素本身的变化，剔除人为因素造成的全球变暖影响，在EOF分析与合成分析前对气温、降水、环流和海温数据进行去除线性趋势的处理。

春运时间的划分是以春节为界，节前15天，节后25 天，共计40 天。定义广东省春运期间极端最低气温为：同一年春运时段内86 个台站极端最低气温的最小值；低温日：某站日最低气温低于5 ℃记为该站的一个低温日；降水日：日降水量＞0 mm记为一个降水日。

采用方法有：线性趋势分析、趋势系数计算、经验正交分解(EOF)、合成分析、T检验等。选取春运同期的500 hPa 高度场、海平面气压场、850 hPa风场和水汽输送场进行大气环流合成分析，考虑海温影响的滞后性，选取春运前期12 月的海温距平场进行合成分析，并进行显著性检验[22]。

设一般年份有m年，特殊年份有n年，某气象要素在这两个年份中的平均值分别为在假设它们总体平均值无显著差异的条件下，统计量：

遵从自由度为n+m- 2 的t分布，式中s2为它们差值方差的无偏估计量，即，

3 广东省春运期间降水和气温的气候特点

3.1 时空变化特征

近50 年春运期间广东省平均气温为14.2 ℃，最冷年为2008 年，平均气温仅为10.3 ℃；最暖年为2007 年，平均气温可达到17.4 ℃。广东全省极端最低气温最低值为-4.1 ℃(连山站)，出现在2009 年1 月11 日。从时间序列上看，广东春运期间平均气温以0.3 ℃/(10 a)的速率增加(通过0.05显著性水平检验)，极端最低气温则呈现出下降趋势(未通过0.05 显著性水平检验)(图1)。从空间分布上看(图2a)，平均气温呈现北低南高的分布特征，最暖的是雷州半岛，在16 ℃以上，其余地区介于10～16 ℃之间。广东省各地平均气温都呈现增加趋势，特别是珠三角和粤东地区均超过0.4 ℃/(10 a)(通过0.05 显著性水平检验)，这与广东冬季的增温趋势是一致的[23]。与平均气温一样，极端最低气温也表现出北低南高的特征，各地介于-4.1～3.7 ℃之间(图2b)，广东省大部分地区都呈现上升趋势，珠三角和粤东地区增速超过0.3 ℃/(10 a)(通过0.05 显著性水平检验)，但是部分站点也存在下降的趋势。在全球变暖背景下，北极以2～3 倍的速率升温，导致海冰快速融化，快速增温的北极，缩小了原本从赤道到北极的经向温度梯度，导致西风急流开始不稳定，中纬度西风带波动性加大而引导冷空气南下[24]。因此，冬季的极寒事件在气候变暖影响下发生，导致了部分地区极端最低气温下降。

图1 1971—2021年广东省春运期间平均气温和极端最低气温年际变化

图2 1971—2020年广东省春运期间平均气温(℃)及其变化趋势(℃/a) (a)、极端最低气温(℃)及其变化趋势(℃/a)空间分布(b)

春运期间全省平均低温日数呈现减少趋势(图3a)，变化速率为-0.3 d/(10 a) (未通过0.05显著性水平检验)。空间上(图3b)，低温日数自北向南逐渐减少，粤北北部地区低温日数在10 d以上，除雷州半岛南部有增加趋势外，其余大部地区都呈现减少趋势，珠三角和粤东地区显著减少。

广东省春运期间平均降水量为84.8 mm，平均降水日数为14.7 天，最大降水量为410.1 mm，出现在1983 年，最小降水量仅为5.5 mm(1977年)。与气温的趋势不同，近50 年来广东省春运期间降水量和降水日数都呈现下降趋势，变化速率分别为-2.4 mm /(10 a)(未通过0.05 显著性水平检验)和-0.8 d/(10 a)(通过0.05 显著性水平检验)(图4)，这也与广东冬季降水增加的趋势不同[25]。空间上降水量(图5a)呈北多南少分布，雷州半岛小于50 mm，粤北地区超过100 mm，仅珠三角和粤西部分地区呈现降水增多趋势，其余大部地区降水为减少趋势(未通过0.05 显著性水平检验)。降水日数(图5b)北部地区偏多，可达16 d 以上，超过春运时段的40%；全省都呈现减少趋势，其中粤西北、粤东、粤西沿海减少显著。

图5 1971—2021年广东省春运期间降水量(mm)及其变化趋势(mm/a)(a)、降水日数(d)其变化趋势(d/a)空间分布(b)

3.2 空间模态特征

为了解近50年广东春运期间气温与降水的空间分布特征，分别对气温和降水进行EOF分析，在EOF 分析之前对输入的气温和降水数据进行了标准化处理。EOF 分解得到气温的前3 个模态(图6)，第一模态方差贡献率为93.89%，反映了广东春运期间全省一致冷或暖的分布特征，从时间序列来看，2000年以前主要为年代际变化，2000年以后则以年际变化为主，近几年处于一致偏暖的气候背景下。第二模态占总方差的3.16%，为南冷(暖)北暖(冷)的反位相变化，时间序列上表现出年际变化特征。第三模态仅占总方差的0.98%，为西冷(暖)东暖(冷)的反位相变化，2005 年以来呈现出准8 a的周期变化。

图6 1971—2021年广东省春运期间气温EOF分解的3个空间模态(a、c、e)和对应的时间序列(b、d、f)

广东春运降水EOF 分解的前3 个模态方差贡献率分别为85.42%、4.82%、2.92%。由图7 可见，与气温一样，降水第一模态同样表现出广东全省一致型变化特征，从时间序列来看，2000年以后降水处于偏少的气候背景下。第二模态反映了广东春运降水西多(少)东少(多)的差异分布，20世纪90年代至21世纪初这段时期以这一特征为主。第三模态则反映了南多(少)北少(多)的差异分布，近几年这种分布型出现较多。

图7 1971—2021年广东省春运期间降水EOF分解的3个空间模态(a、c、e)和对应的时间序列(b、d、f)

4 不同降水和气温配置型对应的环流和海温特征

根据EOF 分析，广东春运期间的气温和降水变化都以全省一致为最重要的特征，所以在春运气温与降水异常分析中可以把广东作为一个整体进行考虑。另外，气温和降水第一特征向量对应的时间系数与广东86个气象站的春运期间平均气温和降水量变化的相关系数都超过了0.99。故以气温与降水第一模态时间序列0.5 倍标准差(0.5σ)的标准划分出气温偏高(偏低)和降水偏多(偏少)的年份，并从中挑选出冷湿、冷干、暖干、暖湿的年份。选取的冷湿年份为：1992、1998、2008、2016年；冷干年份为：1971、1974、1984、1993、2011、2014 年；暖干年份为：1976、1981、1987、1991、1999、2002、2003、2006、2009、2013、2018 年；暖湿年份为：1975 年。共挑选出冷湿(4 年)、冷干(6 年)和暖干(11 年)年份共计21 年，占到全部年份的42%。由于本文从降水和气温的协同变化入手，对“降水异常-气温正常”(1972、1977、1978、1980、1982、1983、1985、1989、1990、1997、2017、2020 年)和“气温异常-降水正常”(1973、1986、1988、1995、1996、2000、2004、2005、2007、2010、2012、2015、2019 年)的单要素异常年份不做分析。同时，由于暖湿年份只有一年，不具有代表性，故在下文分析中不做讨论。

近50 年来，广东省春运期间出现冷湿的年份共有4 年，约占8%。如图8 所示，在冷湿年份，海温场上，前一年12月赤道中东太平洋海温偏暖，表现出El Niño 状态，西太平洋暖池海温偏冷，印度洋海温偏暖。简云韬等[26]研究指出在El Niño 事件的影响下，后冬冬季风偏强，海洋性大陆及附近地区的降水量减少，华南的降水量增多。何金海等[27]研究指出冬季暖池偏冷时，在菲律宾海区域激发出一个显著的反气旋性环流，有利于南海地区水汽向我国华南地区输送，华南地区冬季降水显著偏多。彭京备[28]研究发现当东印度洋海温偏高时，局地对流加强，引起南支槽地区的上升运动加强，南支槽活跃，引起华南和江南的降水偏多。这些研究与本文的结果一致。

图8 冷湿年前期海温和同期大气环流异常分布

在同期500 hPa 高度场上(图8b)，欧亚中高纬为经向环流特征，自西向东呈现“+-+-”的遥相关波列，类似于Wallace 等[29]定义的欧亚遥相关型(EU)，刘毓赟等[30]研究指出冬季EU 处于正位相时，华南地区气温偏低，与本文结论一致。东亚中高纬为“北高南低”的异常分布，以蒙古高原为界，以北的高纬度地区为正异常，以南为负异常，这种环流形势有利于冷空气向南爆发[31-32]。此外，在东亚中低纬地区，中国大部为负异常区，日本以南为正异常区，呈东西偶极分布。这种“东高西低”的形势表明西风带低槽活跃、西太平洋副热带高压偏强偏北，有利于水汽输送[33]。海平面气压场上(图8c)，西伯利亚高压异常偏强，冷高压异常从贝加尔湖地区向南一直延伸至华南地区，冷空气由中、西路频繁南下入侵，造成广东气温偏低。水汽输送场上(图8d)，菲律宾附近呈现出异常反气旋式环流，这种异常形势加强了西南水汽输送，并从以下两个方面影响广东春运降水：一方面有利于更多的水汽从中印半岛附近输送至广东地区，从而有利于降水的增加；另一方面由于中印半岛大气温度高于广东地区，这样的形势有利于暖平流输送至广东，与北方冷空气交绥，有利于异常上升运动和降水的增多。

广东省春运期间出现冷干的年份共有6年，占比12%。由图9 可看出，与冷湿年份相反，前一年12 月全球呈现冷海温背景，赤道中东太平洋海温偏冷，表现出La Niña状态，印度洋海温偏低，黑潮区海温偏低，西太平洋暖池海温偏暖。伍红雨等[34]研究指出，华南冬季气温对La Niña 事件的响应比对El Niño 事件显著，La Niña 事件当年华南冬季气温偏低。黑潮区海温偏低有利于东亚冬季风偏强[35]，我国大部分地区气温偏低[36]，西太暖池海温偏暖以及东印度洋海温的偏低则有利于华南地区降水偏少。

图9 同图8，但为冷干年合成分布

在同期的500 hPa 高度场上(图9b)，欧亚中高纬同样为经向环流，呈现“两脊一槽”分布，西欧和鄂霍次克海偏高，东欧-贝加尔湖偏低，这表明西欧脊和东欧槽均加强，有利于欧洲中高纬冷空气向中国南方传输[37]，而东亚东部地区也表现出“北高南低”特征。海平面气压场上(图9c)，西伯利亚高压偏强，冷高压异常由东北向南延伸至华南地区。这种高低空的环流配置同样有利于高纬度冷空气活跃并向南爆发，但是冷空气路径偏东，强势冷空气沿东部沿海快速向南侵袭，造成广东地区气温偏低。受La Niña影响，西太平洋副热带高压偏小偏弱，东亚低纬度地区负异常显著，这与冷干年“东高西低”的特征明显不同，可能会影响下层的水汽输送。在水汽输送场上(图9d)，菲律宾附近存在一个异常的气旋式环流，这种异常形势加强了广东地区的偏东、偏北气流，而且不利于南部海面上的暖湿水汽输送至广东地区，使广东位于水汽辐散区，水汽条件较差，降水偏少。

广东省春运期间出现暖干的年份共有11 年，约占22%。由图10可见，在暖干年份，前期全球海温整体趋于正常，赤道中东太平洋表现出弱的冷水状态，鄂霍次克海海温偏低，热带印度洋偶极子负位相。同期500 hPa高度场上，中高纬以纬向环流为主，东亚上空呈现出北低南高的特征，东亚大槽偏弱，不利于冷空气南下入侵我国[38]，广东上空受到正高度距平控制，西太平洋副热带高压接近常年略偏强。海平面气压场上，西伯利亚高压偏弱，冷空气不活跃，广东地区地面气压偏低，冷空气偏弱。而在水汽场上，广东上空受反气旋式环流控制，辐散下沉，温高雨少。

图10 同图8，但为暖干年合成分布

综上所述，将广东春运期间冷干、冷湿、暖干3种不同类型对应的前期海温和同期环流特征进行汇总，得到表1。通过对21 个异常年的海温和大气环流进行回看检查：大多数海温和环流信号都有70%以上的一致率；冷湿年海温和环流信号最显著；中高纬环流信号比低纬度更显著，这可能是由于春运期间冷空气主要受中高纬系统影响导致的。

表1 广东春运期间不同气温降水配置对应的海温和环流特征

5 结论和讨论

通过对近50年广东省春运期间气温和降水的变化特征进行分析，从气温降水协同变化的角度切入划分出冷干、冷湿、暖干3种气候异常类型，分析了ENSO、印度洋海温、西太暖池海温、西太平洋副热带高压、西伯利亚高压、菲律宾反气旋等海温和环流因子对3种气候异常类型影响，得出以下结论。

(1) 近50 年来，广东省春运期间平均气温为14.2 ℃，呈现显著上升趋势，上升速率为0.3 ℃/(10 a)。珠三角和粤东地区平均气温和极端最低气温显著上升，低温日数显著减少。

(2) 春运期间广东省多年平均降水量为84.8 mm。全省平均降水日数为14.7 天，呈现显著下降趋势，变率可达-0.8 d /(10 a)。各地降水日数都呈现减少趋势，粤西北、粤东、粤西沿海减少显著。

(3) 对1971—2020 年广东省春运期间平均气温和降水量进行EOF 分解，第一模态方差贡献率分别为93.89%和85.42%，说明全省一致型为广东春运期间气温和降水最重要的特征，可把广东作为一个整体进行研究。根据气温与降水第一模态时间序列0.5 倍标准差，挑选出气温和降水协同变化的异常年份(冷干(6 年)、冷湿(4 年)和暖干(11年))共21年，占到全部年份的42%。

(4) 冷湿年份和冷干年份，欧亚中高纬都表现出经向环流特征，东亚地区高度场“北高南低”，西伯利亚高压偏强，有利于冷空气活跃南下。不同的是，冷湿年东亚西部地区“北高南低”，低纬度地区“东高西低”，对应的冷空气路径为中、西路，有利于水汽输送；而冷干年东亚东部地区“北高南低”，低纬度地区一致偏低，对应的冷空气路径偏东，不利于水汽输送。另外，冷湿年前一年12月赤道中东太平洋偏暖，呈现El Niño 状态，受其影响西太平洋副热带高压偏大偏强，西太暖池偏冷，在菲律宾海区域激发出一个显著的反气旋性环流，有利于西南水汽输送到广东地区，降水偏多；而冷干年则相反。

(5) 暖干年份，东亚中高纬表现出北低南高的纬向环流分布，东亚大槽和西伯利亚高压偏弱，不利于冷空气的生成和南下，广东上空为正高度距平控制，气温偏高。同时，暖干年赤道中东太平洋海温呈现中性偏冷状态，广东上空受反气旋式环流控制，辐散下沉，温高雨少。

本文从气温和降水的协同变化入手，系统地分析了广东春运期间不同降水气温配置对应的海温和环流特征，但是由于篇幅有限，对于一些可能影响冬季气候异常的外强迫因子(如海冰、积雪、太阳活动、火山活动等)未做具体分析，下一步将另文分析。