東亞冬季風指數的對比分析及其與中國冬季氣候的關系

陳歡歡 ,張永莉 ,楊康權 ,張子旗

（1.成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都 610225；2.四川省氣象臺/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072）

引言

東亞冬季風起源于西伯利亞高壓，其在冬季會源源不斷地向低緯輸送冷空氣，且具有建立過程迅速、向南推進速度快以及風力強等顯著特點[1]。東亞冬季風發生的同時常伴隨著以下具體特征[2]：冬季風活動時常伴隨著寒潮向東亞地區的爆發，并且寒潮爆發的同時有西伯利亞高壓的南下和冷涌的發展，赤道輻合帶和大氣的對流性活動以及東亞局部地區的哈德萊環流得以發展和加強。東亞冬季風作為北半球大氣環流系統中在冬季最為活躍的系統，它的活動直接影響整個東亞地區的冬季氣候變化，不僅給中國帶來了降溫、大風、雪災和沙塵暴等惡劣天氣，還會給東南亞帶來強對流和暴雨，甚至可以向南爆發越過赤道對澳大利亞夏季風產生影響[3?6]。東亞冬季風活動強時，會使東亞地區發生寒潮、霜凍等災害性天氣的次數增多；東亞冬季風活動弱時，會造成暖冬事件，同樣對工農業生產和人們日常生活帶來巨大的影響[7]。因此，深入研究東亞冬季風，掌握其發生發展規律是一件意義重大的研究性工作。

中國的地理位置大多處于東亞季風區，作為受東亞冬季風影響最直接的區域之一，東亞冬季風不僅會影響中國冬季的氣溫，而且對春、夏季氣候變化具有一定的指示意義[8?9]。強東亞冬季風不僅會帶來寒潮低溫冷害、冰凍雨雪等災害性天氣，也與中國北方春季沙塵天氣、夏季洪澇災害天氣存在一定關系。孫淑清等[10?11]通過分析對比江淮流域夏季10 個旱、澇年的前冬時期平均高度場發現，江淮地區旱澇天氣的發生與前冬東亞大槽的活動聯系十分緊密，冬季風的異常能引起全球性特別是中低緯度環流的變化，并可明顯地影響未來的天氣和環流。因此在分析冬季風的活動時，將中國區域范圍作為極具代表性的活動區域進行實例分析具有重大科學意義和實際價值。

諸多學者對東亞冬季風活動進行了大量的研究，其中如何定性和定量地表述冬季風的活動是研究重點。相關研究[12]表明，其活動信息可以通過研究以下幾種冬季風系統的主要成員來獲取：亞歐大陸北部的西伯利亞高壓、北太平洋上的阿留申低壓、500hPa上的東亞大槽、東亞沿岸地區帶來強勁冷空氣的西北氣流、日本南部的高空急流（對流層高層）。眾多學者選用單個或多個冬季風系統成員建立了一系列指數，用于東亞冬季風研究。王寧[13]和Wang 等[14]分別根據一定的分類標準將現有的東亞冬季風指數分成5 類和4 類，兩種分類方法均能在一定程度上反映東亞冬季風的特征信息。本文擬利用1979～2018 年ECMWF 再分析資料和國家氣候中心站點數據，選取應用較為普遍的10 個東亞冬季風指數，在分類處理的基礎上，對比分析不同指數的氣候傾向率、周期變化特征及相關關系，研究季風指數與東亞冬季風不同空間模態之間的關聯，并討論各指數與中國冬季氣溫的關系，以期為加深對東亞冬季風的認識提供科學依據。

1 數據資料和研究方法

1.1 數據資料

研究資料主要有：（1）ECMWF 提供的1979～2018年逐月再分析資料（ERA-Interim），分辨率為1°×1°，氣象要素包括海平面氣壓場（Ps）、地表2m 高度氣溫（T2m）、近地面層10m 經向風（V10m）、500hPa 位勢高度場（H500）、1000hPa 經向風（V1000）、850hPa 緯向、經向風（U850;V850）、500hPa 緯向風（U500）、300hPa 緯向風（U300）、200hPa 緯向風（U200）；（2）國家氣候中心提供的1979～2018 年中國160 個測站逐月氣溫資料。

主要研究東亞冬季風季節尺度的相關特征，因此采用冬季平均值進行分析，即用當年12 月～次年2 月的平均，如1979/1980 年冬季（簡寫為1979 年冬季）指1979 年12 月～1980 年2 月的平均值。另外，計算得到的東亞冬季風指數均經過標準化處理。

1.2 研究方法

研究方法主要有經驗正交函數分解（EOF）、一元線性回歸分析、小波分析法、相關分析、顯著性t 檢驗、多變量經驗正交函數分解（MV-EOF）。

2 東亞冬季風指數的分類

為了解東亞冬季風的強弱性、活動規律以及如何影響東亞地區冬季的氣候變化，國內外眾多學者定義了一系列季風指數，由不同的季風系統成員定義的指數反映出東亞冬季風的相關活動信息也有所不同。為了使研究內容更全面，將查閱大量文獻后篩選所得的10 個東亞冬季風指數通過王寧[13]的方法進行分類，詳見表1（相關說明：指數的下標為提出者的姓氏，若姓氏重復則根據提出時間的先后順序再加上數字1、2、3 等的編號；“?”表示計算該變量的區域平均值；“norm” 表示對該變量進行標準化，“PC1”代表進行EOF 分析得到的第一模態；“ ||”表示對該變量求模；指數上標的“ ?”表示在指數初始定義的基礎上乘以?1，從而使得到的高值表示冬季風強、低值表示冬季風弱）。

10 個東亞冬季風指數可分為以下幾類：（a）海陸氣壓差類。海陸熱力性質的差異是導致風向改變的一個非常關鍵的因素，例如在夏季和冬季，陸地和海洋間會發生盛行風向完全相反的現象。這種氣壓帶或者說風帶的季節性變化是導致東亞冬季風產生的一個直接因素。因此，早期的眾多學者考慮用海陸間的氣壓差來表征東亞冬季風的強度。（b）高壓特征類。東亞冬季風起源于西伯利亞高壓，因此，西伯利亞高壓的強度、覆蓋區域、向南擴展的速度都在一定程度上決定了東亞冬季風的強度以及變率。從這個角度出發，一些學者利用西伯利亞高壓的特征來研究冬季風的強度變化。（c）環流特征類。在對流層的中層與冬季風產生聯系的主要是500hPa上的東亞大槽，例如當東亞大槽位置處出現位勢高度正距平值時則表明東亞大槽強度偏弱，這將導致東亞地區冷空氣強度較弱，產生的冬季風偏弱。（d）風場特征類。冬季風從西伯利亞高壓出發南下時受到科氏力的作用，使得在東亞地區的近地面附近主要表現為偏北風。許多學者通過計算近地面附近的偏北風強度來近似表征冬季風的強度。另外，冬季風系統在對流層低層和中高層附近的活動特征有所不同。因而一些學者從高空急流的變化出發，提出了一些表征冬季風強度的方法。（e）綜合類。僅用一種要素的變化來反映冬季風活動得到的信息難免存在局限，因此一些學者嘗試選取多個不同的要素進行組合，建立一個可以較全面地反映冬季風的綜合類指數。

3 東亞冬季風指數的變化規律

3.1 冬季風指數的時間序列變化分析

圖1 是利用ECMWF 再分析資料計算的1979～2017 年上述10 個東亞冬季風指數的時間序列。如圖所示，10 個指數的整體變化趨勢大致相同，1980s 前期、1990s 中期、2000s 中期以及2010s 前期冬季風活動偏強，1989 年、2006 年以及2016 年冬季風活動偏弱。對近40 年的10 種指數序列用線性傾向估計方法求得的氣候傾向率為：0.25/10a、0.09/10a、0.31/10a、0.26/10a、?0.26/10a、?0.3/10a、?0.09/10a、0.11/10a、?0.24/10a、0.003/10a（按表1 順序），其中大多數通過了0.05 水平的顯著性檢驗。分析氣候傾向率可知，東亞季風系統各成員要素的變化趨勢并不一致。海陸氣壓差與西伯利亞高壓的強度在近40a 表現為增加趨勢，而東亞大槽的強度表現為減弱趨勢。風場特征類指數表明對流層低層的偏北風強度表現為衰減趨勢，而對流層高層在中緯度地區附近的緯向風要強于高緯度地區，且呈增大趨勢。對于兩個反映冬季風系統整體變化的綜合類指數，一個表現為較大的減弱趨勢，另一個則為微弱的增強趨勢。

表1 東亞冬季風指數列表

對于以上指數變化趨勢不一致的現象，可能存在以下幾個方面的原因。首先，氣候傾向率的數值與所選取的時間段有較大關系，不同指數在不同時間段內的變化會有差異，甚至同一指數在同一時間段內的前后階段也會有不同的變化趨勢，例如賀圣平[24]指出西伯利亞高壓和阿留申低壓的年際變率在后期比前期明顯減弱。其次，從指數定義的角度來看，不同指數所選取的物理量、地理區域、計算方法等均有差異，這些都會影響該指數的線性趨勢，例如風場特征類的兩個指數選取的是不同高度層，低層風場受天氣尺度的波動影響變化快，高層風場受Rossby 波影響變化慢，這也會導致在相同時間段內指數的變化趨勢不同。最后，東亞冬季風并非孤立系統，內部各個成員要素也受外界等其他因素影響，例如極渦的偏移、分裂就會對季風系統的各個要素產生不同影響，在相同時間段內所受到的影響不同也會導致變化趨勢的不同。對于這種采用不同類型、變量、時間段后計算所得到冬季風指數變化趨勢的不同，相關學者[7,25]的研究中也有類似結論。

3.2 冬季風活動異常年份分析

在此定義冬季風異常為：標準化后的冬季風指數>1 為冬季風活動異常強，標準化后的冬季風指數

圖1 1979～2017 年東亞冬季風指數的時間序列

綜上所述，大多數情況下所有指數反映冬季風活動情況的一致性較好，對于極個別年份不同指數得到的冬季風異常強、弱的結果有差異的現象，主要是由于不同指數選取的冬季風系統成員、地理位置、區域范圍及垂直高空層次均有所差異，這些差異均可能導致分析結果不同。如某一年500hPa 東亞大槽偏弱導致環流特征類指數顯示為異常弱，然而該年的西伯利亞高壓可能偏強導致高壓特征類指數計算出的結果顯示該年冬季風活動異常強。而綜合類指數恰能較好地解決上述問題，其反映的季風異常年與大多數指數的結果基本一致，這也是氣象學者在后續研究中傾向于建立綜合類指數的原因。

3.3 冬季風活動的周期性分析

為了進一步了解東亞冬季風指數的周期變化規律，采用小波分析法對10 個指數進行處理，并檢驗其周期的顯著性。總體來說，分析各指數得到的周期結果較為一致。圖2 給出了IWang1的小波分析結果。如圖所示，近40a 來該指數存在4 個主周期（2a、4a、9a、21a），但只有第二主周期（4a）和第四主周期（2a）通過了0.05 水平的顯著性檢驗。

圖2 I Wang1指數的Morlet 小波分析（實線為全局小波頻譜，虛線為顯著性檢驗線）

對余下的9 種指數同樣進行了小波分析處理（圖略），所得結果按表1 所示順序羅列在表2 中。如表所示，海陸氣壓差類指數的周期在2～5a，高壓特征類指數的周期為3～6a，環流特征類指數的周期為4～5a，風場特征類指數的周期為3～5a，綜合類指數的周期為5a。可見，東亞冬季風系統各成員要素的變化周期大體一致，東亞冬季風系統在活動過程中主要存在準3a、準5a 的周期變化。

表2 東亞冬季風指數的變化周期

4 東亞冬季風系統內部關聯性分析

4.1 東亞冬季風指數的相關性分析

為了尋找能更好反映冬季風變化特征且更具指示性的指數，本節分析了10 個冬季風指數兩兩之間的相關性，詳見表3。

表3 冬季風指數之間的相關系數

從表中可知，各個指數與其他指數的相關性差異較大。例如對于ILiu，該指數與其他指數均為正相關關系，與該指數相關性最好的幾個指數是IWu、IGong和IHe，但是環流特征類和低層風場指數與該指數的相關系數均在0.5 以下。總的來說，所有指數之間均表現為正相關關系；海陸氣壓差類、高壓特征類和高層風場三種指數的相關性較好；環流特征類與高層風場兩種指數的相關性較好；IQiao與其他指數的相關性均不明顯；綜合類指數與其他各類指數的相關性均較好，尤其是IHe。

同類冬季風指數之間的相關性一般好于不同類指數間的相關性，但也有個別不同類指數之間的相關系數高達0.8 以上。可見，東亞冬季風作為一個極其復雜的氣象系統，各個系統成員之間存在緊密的聯系，海陸氣壓差的變化、西伯利亞高壓強度變化、東亞大槽的變化等均存在相互作用，進而影響整個冬季風系統。

4.2 東亞冬季風系統各成員要素分析

東亞冬季風系統結構復雜，為了進一步認識冬季風的活動規律，本節利用Wang[26]提出的多變量經驗正交函數（MV-EOF）方法研究不同氣象要素如何相互作用來影響冬季風的活動。運用MV-EOF 方法時選取的變量為Ps、T2m、H500、U850、V850、U300，計算區域為 20°～60°N,90°～150°E。圖3 是MV-EOF 前兩個模態的特征向量空間分布，圖4 是對應的時間系數。

東亞冬季風系統MV-EOF 前兩個模態的解釋方差分別為25.3%、14.4%。如圖3a、b 所示，對流層高層300hPa 緯向風較強，500hPa 位勢高度為負值，850hPa 上主要表現為偏北風且風速往南增大，東亞大陸上西伯利亞高壓位置存在海平面氣壓高值區，東亞地區近地面的氣溫普遍較低，表現出強東亞冬季風年各成員要素的配置特征。如圖3c、d 所示，對流層高層的緯向風高值區范圍減小、位置偏北，相對應的500hPa 位勢高度負值區、低層的海平面氣壓低值區和近地面氣溫低值區均向北偏移，東亞大陸近地面偏北風大幅度減弱甚至表現為偏南風，表現出弱東亞冬季風年各成員要素的配置特征。將前兩個模態對應的時間系數（圖4a、b）與冬季風指數時間序列（圖1）進行對比分析，可以看出第一模態時間系數的變化過程雖然與之存在差異，但總體的變化趨勢類似，尤其在某些時間段重合度很高。

圖3 東亞冬季風系統MV-EOF 第一（a、b）和第二（c、d）模態特征向量空間分布（左場要素：Ps、T 2m、U850、V850 ；右場要素：H500、U300；等值線表示 Ps 或H 500；箭頭表示850hPa 風場；填色表示 T2m或 U 300，紅色表示正異常，藍色表示負異常）

圖4 東亞冬季風系統MV-EOF 第一（a）和第二（b）模態的時間系數

表4 為前兩個模態的時間系數（PC1、PC2）與10個東亞冬季風指數的相關系數。從表中可以看出，所有指數均與PC1 表現為正相關關系，且一些指數與其的相關系數達到了0.8 甚至0.9 以上，其中IHe與PC1的相關性最好，相關系數達到0.94。而各指數與PC2的相關性則大不相同，較多指數與其表現為負相關，負相關系數最小達到了?0.65，即使有些指數與其為正相關關系，但兩者之間的相關系數也比較小。從顯著性檢驗結果來看，所有指數與PC1 的相關系數均通過0.05 水平的顯著性檢驗；對于PC2 來說，只有ILiu、IQiao和IYan與其的相關系數通過0.05 水平的顯著性檢驗。可見，MV-EOF 第一模態反映了東亞冬季風系統演變的主要信息，其時間系數能在一定程度上表征東亞冬季風的強弱變化，該系數與10 個指數均表現為較好的正相關，可將其作為參考性指數進行比較分析。

表4 MV-EOF 前兩個模態的時間系數與冬季風指數的相關系數

5 東亞冬季風指數與中國冬季氣溫的關系對比分析

為了研究東亞冬季風對中國陸地冬季氣溫的影響，本節利用國家氣候中心提供的160 個測站的冬季氣溫資料，分別計算了10 個冬季風指數與160 個測站冬季平均氣溫的相關系數，如圖5 所示。

圖5 1979～2017 年東亞冬季風指數與中國冬季氣溫相關系數空間分布（a～j 分別對應表1 的東亞冬季風指數）

如圖所示，冬季風指數與中國冬季氣溫之間存在較好的負相關關系，即東亞冬季風越強，氣溫下降幅度越大。從圖中可看到相關系數的負值區范圍非常寬廣，這說明冬季風對中國冬季氣溫的影響范圍非常大，幾乎可以說影響全國。大多數指數與西部高原地區內的氣溫相關性較差，這可能是由于地形較高受低層850hPa 偏北冷氣流的影響小。地勢較低的地方受冬季風的影響更強，如冬季風指數與東部地區氣溫間的相關性要比西部高原地區要好，更靠近冬季風源地的西北地區是相關性最好的，尤其是在新疆北部、內蒙古北部地區，大多數指數與該地區冬季氣溫的相關系數均在?0.6 以下。

另外，中國的東南部沿海地區、河套地區也是各指數與冬季氣溫相關性較高的區域。還有個別一些地區與各類指數的相關性較好，例如海陸氣壓差類指數與四川盆地附近的氣溫相關性較好，高壓特征類指數與氣溫相關性較大的區域有華北地區以及甘肅、貴州一帶，風場特征類指數與華南沿海地區的氣溫相關性較好，并且在寒潮移動路徑上的負相關性也較為明顯。環流特征類指數和綜合類指數均與中國東部沿海地區的冬季氣溫之間表現為較好的負相關性，其中IHe與全國大部分地區冬季氣溫之間的負相關性較好。另外，對顯著性檢驗的結果進行分析可知，各指數與絕大多數站點的冬季氣溫之間的相關系數均通過0.05 水平的顯著性檢驗，這表明冬季風活動確實會影響中國陸地冬季氣溫的變化。

總的來看，高壓特征類指數反映氣溫變化的能力最好，海陸氣壓差類指數次之，其中綜合類指數的IHe反映氣溫變化的能力也較好，其余指數反映全國冬季氣溫變化的能力較弱。對于東北地區，海陸氣壓差類指數尤其是ILiu與該地區的冬季氣溫變化關系最為密切，其次是IGong與IYan指數。在東部沿海地區，基本上所有指數都能較好地反映該地區的氣溫變化，其中尤以和IYan三個指數的表現能力最為突出。較多的指數對反映河北、河南以及山東一帶的氣溫變化較差。對于華中和華南地區，高壓特征類指數尤其是IWu與 該處的冬季氣溫相關性最好，其次是IWang1和IHe次之，其余指數表現較弱。另外，高壓特征類指數在反映內蒙古、新疆一帶的冬季氣溫變化能力相比與其他指數更為突出。

6 結論

本文利用1979～2018 年ECMWF 再分析資料和國家氣候中心站點數據，對比分析了10 個東亞冬季風指數的氣候傾向率、周期特征及相關關系，研究了東亞冬季風系統各成員要素的內在關聯，并探討了東亞冬季風與中國冬季氣溫的關系，得到以下結論：

（1）10 個東亞冬季風指數的整體變化趨勢大致相同，1980s 前期、1990s 中期、2000s 中期以及2010s 前期冬季風活動偏強，1989 年、2006 年以及2016 年冬季風活動偏弱。東亞季風系統各成員要素的變化趨勢并不一致。

（2）10 個東亞冬季風指數的時間變化規律較為一致，主要表現為準3a、準5a 的周期變化特征。同類冬季風指數之間的相關性一般要好于不同類指數間的相關性，但也有個別不同類指數之間的相關系數可以達到0.8 以上。

（3）冬季風系統的各組成成員聯系緊密、協同變化關系明顯，各要素之間相互影響、共同作用從而演化出東亞冬季風系統的活動規律。MV-EOF 第一模態反映了東亞冬季風系統演變的主要信息，其時間系數能在一定程度上表征東亞冬季風的強弱變化，該系數與10 個指數均表現為較好的正相關，可將其作為參考性指數進行比較分析。

（3）東亞冬季風對中國冬季氣溫的影響范圍非常廣。地勢較低的地方受冬季風的影響作用更強，如冬季風指數與東部地區冬季氣溫間的相關性要比西部高原地區要好，更靠近冬季風源地的西北地區相關性最好，尤其是在新疆北部、內蒙古北部地區，大多數指數與該地區冬季氣溫的相關系數在?0.6 以下。