辽宁冬季气温时空分布特征及其预测概念模型

书书书第２５卷第１期２００９年２月气象与环境学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＶｏｌ．２５Ｎｏ．１Ｆｅｂｒｕａｒｙ２００９收稿日期：２００８－０７－２１；修订日期：２００８－１０－２２。基金项目：辽宁省气象局“辽宁地区冷、暖冬年的成因及预报方法研究”项目资助。作者简介：赵连伟，男，１９６８年生，高级工程师，主要从事短期气候预测工作。辽宁冬季气温时空分布特征及其预测概念模型赵连伟１　金巍２　张运福１　曲岩２（１．沈阳区域气候中心，辽宁沈阳１１００１６；２．营口市气象局，辽宁营口１１５０００）　　摘　要：分析了１９６１—２００４年辽宁冬季平均气温的时空分布特征。结果表明：辽宁冬季平均气温具有明显的南高北低、从沿海向内陆逐渐降低的趋势；冬季平均气温呈线性递增趋势，递增率为０５６℃／１０ａ，与全球气候变暖趋势相一致。辽宁冬季气温存在３—５ａ和２４ａ的周期，于１９８６年前后发生了一次明显突变，突变前气温呈下降趋势，且以５ａ左右的短周期波动为主，突变后开始显著的增温变化，并以１０ａ以上的长周期变化为主。在此基础上，分析了影响辽宁冬季气温异常的物理因子，建立了辽宁冬季冷暖预测概念模型。关键词：冬季气温；时空分布特征；气候变暖；周期；突变；预测概念模型　　中图分类号：Ｐ４６８０＋２　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－５０３Ｘ（２００９）０１－００１９－０４１　引言辽宁地处我国东北地区南部，东西横跨约７个经度，南北相距约６个纬度，地理分布相对集中。辽宁濒临黄海和渤海，属温带大陆性季风气候，冬季多发生寒潮、大风、低温和暴雪等气候灾害，尤其是冬季的冷暖趋势与工农业生产和人们的日常生活密切相关。现有研究表明，辽宁冬季气温呈连续增加趋势［１－４］，而对辽宁冬季气温偏低的研究却很少。为此，本文重点分析辽宁冬季气温异常的时空分布特征，为准确预报冬季冷暖趋势提供参考。２　资料与方法研究所用资料为辽宁５３个测站的１９６１—２００４年冬季（１２月—翌年２月）逐日和逐月的平均气温资料。资料来源于沈阳区域气候中心和国家气候中心。分析方法主要采用了功率谱、Ｍｅｘｉｈａｔ小波变换和Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ突变检验及相关分析等统计分析方法。３　结果分析３１　冬季平均气温空间分布通过分析可知，辽宁冬季平均气温为－１４０～－２４℃，具有明显的南高北低、沿海向内陆逐渐降低的趋势。其中，辽北气温为－１４０～－１００℃，辽南气温为－６０～－２４℃（图１）。冬季平均气温分布与地形密切相关。辽西北地区处于燕山山脉向辽河平原过渡区，冬季主要受西北气流控制，也是冷空气最先影响的地区，气温相对较低；辽宁东南部有长图１　１９６１—２００４年辽宁冬季平均气温空间分布白山脉阻挡，冷空气势力较弱，并受到海洋气候的影响，气温相对较高；辽宁中部为平原，冷空气频繁，使得冬季气温呈现出从沿海向内陆逐渐降低趋势。辽宁５３站的冬季平均气温之间的相关系数为０７５或以上，说明冬季平均气温变化趋势的一致性非常好。３２　冬季平均气温时间动态３２１　年际和年代际变化特征由辽宁冬季平均气温变化曲线（图２）可见，辽宁冬季平均气温呈线性递增趋势，递增率为０５６℃／１０ａ，气温递增的趋势很明显，与全球气候变暖趋势相一致。　　从辽宁冬季平均气温累积距平曲线（图３）可见，辽宁冬季平均气温变化趋势以１９８５年为界分为２个阶段：第１阶段以气温递减趋势为主，第２阶段气温递增趋势显著。其中，２０世纪６０年代气温呈递减趋势，７０年代前期气温处于波动状态，７０年代后期至２０　　　气象与环境学报第２５卷　８０年代中期气温呈小幅度振动递减趋势，８０年代中图２　１９６１—２００４年辽宁冬季平均气温变化曲线图３　１９６１—２００４年辽宁冬季平均气温累积距平曲线期至９０年代末期气温呈现显著的递增趋势，９０年代末期至２１世纪初期有２ａ气温递减，而后又呈现明显递增趋势。３２２　周期变化特征利用功率谱分析方法得出辽宁冬季平均气温主要周期为２４、３—５ａ和２—３ａ（图４）。经显著检验，２４ａ和３—５ａ为显著性周期。赤道东太平洋海温呈图４　１９６１—２００４年辽宁冬季平均气温功率谱曲线现４ａ左右的周期，由于海气相互作用，海洋对大陆气候将可能产生重要影响，辽宁冬季平均气温３—５ａ周期可能与此有关；３—５ａ的周期叠加又与太阳黑子活动的１１ａ周期相关。３２３　突变特征分析图５给出了辽宁冬季气温变化的墨西哥帽（Ｍｅｘｉｈａｔ）小波变换，图５ａ—图５ｄ分别为当放大因子ａ＝８、１６、２４和３２时所计算的结果。图５　１９６１—２００４年辽宁冬季气温墨西哥帽（Ｍｅｘｉｈａｔ）小波变换　　从图５ａ可以看出，小波变换系数的穿零点有１１个，即突变点有１１个，分别出现在１９６４、１９７０、１９７５、１９７７、１９８２、１９８６、１９９２、１９９４、１９９８、２００１年和２００４年附近，也就是说针对墨西哥帽小波变换而言，在ａ＝８时间尺度上，１９６４年之前温度偏高；１９６４—１９７０年，温度偏低；１９７０—１９７５年，温度偏高；１９７５—１９７７年，温度略低；１９７７—１９８２年，温度略高；１９８２—１９８６年，温度偏低；１９８６—１９９２年，温度偏高；１９９２—１９９４年，温度略低；１９９５—１９９８年，温度偏高；１９９８—２００１年，温度偏低；２００１—２００４年，温度偏高；２００４年之后，温度偏低。从图５ｂ可以看出，小波变换系数的穿零点有５　第１期赵连伟等：辽宁冬季气温时空分布特征及其预测概念模型２１　　　个，即突变点有５个，分别出现在１９６３、１９７０、１９７８、１９８７年和１９９８年附近。在ａ＝１６时间尺度上，１９６３年之前，温度偏高；１９６３—１９７０年，温度偏低；１９７０—１９７８年，温度偏高；１９７８—１９８７年，温度偏低；１９８７—１９９８年，温度偏高；１９９８年之后，温度略低。从图５ｃ可以看出，小波变换系数的穿零点有４个，即突变点有４个，分别出现在１９７１、１９７７、１９８６年和２０００年附近。在ａ＝２４时间尺度上，１９７１年之前，温度偏低；１９７１—１９７７年，温度偏高；１９７７—１９８６年，温度偏低；１９８６—２０００年，温度偏高；２０００年之后，温度略低。从图５ｄ可以看出，小波变换系数的穿零点有２个，即突变点有２个，分别出现在１９８６年和２００３年附近。在ａ＝３２时间尺度上，１９８６年前，温度偏低；１９８６—２００３年，温度偏高；２００３年之后，温度略低。　　辽宁冬季平均气温的Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ突变检验分析结果表明，冬季平均气温在２０世纪７０年代末至８０年代中期发生了一次明显阶段性气候突变（图６）。图６　１９６１—２００４年辽宁冬季气温Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ突变检验突变前后气温特征和周期均发生了显著变化，即在突变前主要周期为５ａ左右，气温冷暖交替变化，突变后主要周期是１０ａ以上的长周期，而且气温持续递增显著。３３　辽宁冬季气温预测概念模型通过对影响辽宁冬季气温异常的物理因子分析可知，辽宁冬季气温与太阳黑子活动、太平洋海温、西太平洋副热带高压、东亚大槽的位置和贝加尔湖高压脊的强弱有关。据此，可以建立辽宁冬季冷暖的预测概念模型（图７），即异常偏冷事件多出现在太阳黑子活动峰谷值年附近。一般而言，中纬度西太平洋和赤道太平洋海温（偏高）偏低，东亚大槽位置偏东（偏西），副热带高压偏北偏强（偏南偏弱），贝加尔湖高压偏强（偏弱）时，可以预测我国辽宁冬季气温偏高（偏低）。图７　辽宁冬季冷暖的预测概念模型４　结论与讨论（１）辽宁冬季气温变化具有较好的一致性，均呈线性递增趋势，平均气温递增率为０５６℃／１０ａ，气温递增趋势显著，站与站之间相关性较好，同时辽宁冬季气温增暖与全球气候变暖趋势相一致。（２）小波变换、气温累积距平和Ｍ－Ｋ分析表明，辽宁冬季气温于１９８６年后发生了１次明显突变，之前气温为下降趋势，并以５ａ左右短周期波动为主，１９８６年以后开始了显著的增温变化，并以１０ａ以上的长周期变化为主。（３）辽宁冬季平均气温存在２４ａ和３—５ａ周期特征，其长周期与太阳活动１１ａ周期振动相关，同时气温异常偏低事件多出现在太阳黑子峰谷值附近。辽宁冬季气温３—５ａ周期与赤道东太平洋海温４ａ左右的周期变化相一致，在太平洋海温升温的同时辽宁冬季气温也在升温；西太平洋有显著的相关区，显示出赤道东太平洋海温偏高，ＥＮＳＯ循环的发展及成熟位相，辽宁冬季气温以偏高为主，海温偏低，在ＥＮＳＯ循环的衰减位相，辽宁冬季气温偏低。它们之间的物理联系是通过大气中的经向环流和纬向环流变化来实现的。（４）辽宁冬季气温与西太平洋副热带高压强度和面积指数呈正相关，副热带高压强度偏强，面积指数偏大气温偏高；反之偏低。辽宁冬季气温异常与东亚大槽的位置和贝加尔湖高压脊的强弱有关，在东亚大槽位置偏东、高压脊偏强时，辽宁冬季气温偏高；反之，则偏低。（５）影响辽宁冬季气温变化的物理因子十分复杂，上述分析仅限于季节和年际时间尺度。随着全球气候变暖，影响辽宁冬季气温的物理因子及对应关系也会发生相应的变化，需要在年代际尺度上进行深入探讨。２２　　　气象与环境学报第２５卷　参考文献［１］　孙林海，赵振国．我国暖冬气候及其成因分析［Ｊ］．气象，２００４，３０（１２）：５７－６０．［２］　吕志红．气候变化对抚顺农业影响的研究［Ｊ］．辽宁气象，２００１（３）：１７－２０．［３］　陈丽娟，许力，江滢．２００４年北半球大气环流及对中国气候异常的影响［Ｊ］．气象，２００５，３１（４）：２７－３１．［４］　翁笃鸣，陈万隆，沈觉成，等．小气候和农田小气候［Ｍ］．北京：农业出版社，１９８１：４８－５７．ＳｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｗｉｎｔｅｒａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｉｔｓｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎＬｉａｏｎｉｎｇｐｒｏｖｉｎｃｅＺＨＡＯＬｉａｎｗｅｉ１　ＪＩＮＷｅｉ２　ＺＨＡＮＧＹｕｎｆｕ１　ＱＵＹａｎ２（１．ＳｈｅｎｙａｎｇＲｅｇｉｏｎａｌＣｌｉｍａｔｅＣｅｎｔｅｒ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６，Ｃｈｉｎａ；２．ＹｉｎｇｋｏｕＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＢｕｒｅａｕ，Ｙｉｎｇｋｏｕ１１５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍｅａｎｗｉｎｔｅｒａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｒｏｍ１９６１ｔｏ２００４ｉｎＬｉａｏｎｉｎｇｐｒｏｖｉｎｃｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｅａｎｗｉｎｔｅｒａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｓｏｕｔｈｏｆＬｉａｏｎｉｎｇｐｒｏｖｉｎｃｅｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅｎｏｒｔｈｏｆＬｉａｏｎｉｎｇｐｒｏｖｉｎｃｅ，ａｎｄｉｔｄｅｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍｔｈｅｃｏａｓｔａｌｔｏｔｈｅｉｎｌａｎｄ．Ｔｈｅｍｅａｎｗｉｎｔｅｒａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｉｎｅａｒｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｒａｔｅｏｆ０．５６℃／１０ａ，ｗｈｉｃｈａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｈｅｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｔｈｅｇｌｏｂａｌｗａｒｍｉｎｇ．Ｔｈｅｃｙｃｌｅｓｏｆｗｉｎｔｅｒａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｒｅ３ｔｏ５ｙｅａｒｓｏｒ２４ｙｅａｒｓ，ａｎｄｔｈｅｅｖｉｄｅｎｔａｂｒｕｐｔｃｈａｎｇｅｏｃｃｕｒｓｉｎ１９８６．Ｔｈｅｍｅａｎｗｉｎｔｅｒａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｅｆｏｒｅｔｈｅａｂｒｕｐｔｃｈａｎｇｅｗｉｔｈａｓｈｏｒｔｃｙｃｌｅａｂｏｕｔ５ｙｅａｒｓ，ｗｈｉｌｅｉｔｉｎｃｒｅａｓｅｓａｆｔｅｒｔｈｅａｂｒｕｐｔｃｈａｎｇｅｗｉｔｈａｌｏｎｇｃｙｃｌｅｏｖｅｒ１０ｙｅａｒｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｂｏｖｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄ，ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｗｉｎｔｅｒａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎＬｉａｏｎｉｎｇｐｒｏｖｉｎｃｅｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｐｒｅ