年代際尺度的拉尼娜事件對中國西南地區冬季氣溫的影響

袁媛，申樂琳，晏紅明

1 國家氣候中心，中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081 2 云南省氣候中心，昆明 650032

0 引言

我國西南地區地處青藏高原東南部的長江上游，地形地貌復雜.世界上海拔最高、地形最復雜的青藏高原、云貴高原、橫斷山區和四川盆地等構成了該區域大陸地貌的主要特征(徐裕華，1991).在全球變暖背景下，西南地區增溫趨勢顯著，尤其冬季的增溫趨勢更為明顯.但同時，西南地區區域氣候變化也具有非一致性，其中高原東側的四川盆地表現出與青藏高原、川西高原和云貴高原不同的增溫趨勢(馬振峰等，2006；蔣興文和李躍清，2010).不僅如此，西南地區近年來低溫冷害事件也頻繁發生.2008年1月中旬至2月中旬，西南大部地區發生歷史罕見的低溫雨雪冰凍災害(晏紅明等，2009；劉瑜等，2010；馬寧等，2011)，之后的2011、2013、2016、2018年也都遭受了不同程度的低溫冷害(楊素雨等，2012；史悅等，2017)，造成嚴重的經濟損失.西南地區的工農業生產、交通、電力、日常生活設施，以及整個自然生態環境等對極端低溫冷害的防御能力都非常脆弱，尤其全球變暖背景下發生的冬季低溫事件給其社會經濟帶來的危害更加嚴重.因此，加強西南地區冬季低溫事件的特點、發生規律及影響因子研究是防災減災的重要需求，對提高西南地區冬季低溫的預報預測能力也具有重要意義.

由于其特殊的地理位置，西南地區氣候變化敏感，影響其氣候年際變化的因子也較為復雜.不僅受熱帶海洋影響，而且受青藏高原大地形的動力熱力作用；既受東南季風和西南季風的影響，又受高原季風的控制；由此形成了西南地區獨特的天氣氣候(齊冬梅和李躍清，2007；王穎等，2015).以往的研究多關注影響我國中東部地區冬季氣溫異常的東亞冬季風的強弱，以及西伯利亞高壓、烏拉爾山阻高、東亞大槽、北極濤動(AO)、北大西洋濤動(NAO)、副熱帶急流等關鍵環流系統的不同配置和相互作用(李崇銀，1988；丁一匯，1990；陳隆勛等，1991；Gong et al.，2001；Wu and Wang，2002；Jhun and Lee，2004；黃榮輝等，2008；Wang et al.，2010；Luo et al.，2015，2016；Yao et al.,2017；李棟梁和藍柳茹，2017)，而很少關注我國西南低緯高原地區的低溫事件.同時，傳統的東亞冬季風指數多與我國中東部大部地區的氣溫呈顯著相關關系，而與西南地區冬季氣溫的相關多無法通過顯著性檢驗(Shen et al.，2015).研究表明，冷空氣向南擴展的位置和移動路徑、高空冷平流、南支槽活動、西南準靜止鋒、西伯利亞高壓和東亞大槽的位置等都是影響西南地區冬季氣溫異常的重要環流因子(晏紅明等，2009；程建剛等，2009；蔣興文和李躍清，2010；陶云等，2012；張瑾文等，2017；史悅等，2017；Song and Wu，2017).其中，高原冬季風存在強度的變化和位置的南北偏移，并具有明顯的年代際變化特征；其強度和位置變化對西南地區的冬季氣溫有顯著的影響(白虎志等，2005；王穎等，2015；Shen et al.，2015).

發生在赤道中東太平洋的厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件是影響我國冬季氣候異常的重要外強迫因子，早期大量研究揭示了東亞冬季風與ENSO之間顯著的反相關關系：通常在厄爾尼諾年冬季，歐亞中高緯以緯向環流為主，東亞大槽強度偏弱，東亞冬季風偏弱；而在拉尼娜年冬季，中高緯環流經向度較大，我國中東部沿海北風偏強，東亞冬季風偏強，東亞大槽偏深，有利于寒潮向南爆發影響我國南方大部地區(李崇銀，1988；Li，1990；Webster and Yang,1992;陶詩言和張慶云，1998；Chen and Graf,1998；Chen et al.,2000；陳文，2002).2007/2008年冬季我國南方地區遭遇了罕見的低溫雨雪冰凍災害，大量研究指出冬季拉尼娜事件為冷空氣的入侵提供了重要的氣候背景場(Ding et al.，2008；晏紅明等，2009；Hong和Li，2009；Yuan et al.，2014)，而歐亞大陸中高緯持續阻塞高壓、中東急流和東亞副熱帶急流的相互作用、以及平流層極渦、AO、NAO等行星尺度環流都與這次低溫事件有重要聯系(陶詩言和衛捷，2008；李崇銀等，2008；張慶云等，2008；陳文等，2008；王東海等，2008；Wen et al.，2009；譚桂容等，2010).晏紅明等(2009)的研究也表明，拉尼娜事件通過影響中高緯冷空氣活動進而對云南冬季低溫有重要影響，但赤道中東太平洋海溫異常與云南冬季氣溫的顯著相關區僅位于云南省東部較小的范圍，并且拉尼娜影響其冬季低溫的物理機制尚不清晰.那么，赤道中東太平洋的拉尼娜事件究竟與西南地區冬季低溫有怎樣的聯系，它們之間的關系是否在全球變暖背景下發生了變化呢？本文將針對這一問題開展詳細的分析和研究.

1 數據和方法

本文所用到的數據包括：(1)西南地區(四川、重慶、貴州、云南)逐月臺站氣溫資料(共364站)取自中國氣象局國家氣象信息中心發布的《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數據集(V3.0)》(任芝花等，2012).該數據集集中解決基礎氣象資料質量和國家級-省級存檔資料不一致的問題，數據質量和空間分辨率(測站數)比之前觀測降水資料均有明顯提高，已在業務和科研中得到廣泛應用；(2)美國國家環境預報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的月平均風場、位勢高度場、垂直速度、海平面氣壓等大氣環流資料，網格點分辨率是2.5°×2.5°(Kistler et al.,2001)；(3)英國Hadley中心月尺度海表溫度數據(HadISST；Rayner et al.,2003)，網格點分辨率為1°×1°.上述所有資料選取1970—2019年，考慮到全球變暖的氣候背景，統一以1970—2019年平均作為氣候平均值計算相應的距平場.本文中冬季指的是當年12月至次年2月，即1970/1971年冬季指的是1970年12月至1971年2月的平均.

本文中的拉尼娜事件定義為冬季(當年12月至次年2月)平均的Nio3.4指數(5°S—5°N，170°W—120°W)≤-0.5 ℃，這樣識別出的1970—2019年期間的拉尼娜事件共有19次：1970、1971、1973、1974、1975、1983、1984、1985、1988、1995、1998、1999、2000、2005、2007、2008、2010、2011、2017，這與國家氣候中心依據中華人民共和國國家標準《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》得到的拉尼娜事件以及美國和澳大利亞氣候預測業務官網上的拉尼娜事件基本一致，個別年份有差異可能與氣候值的不同有關.

2 西南地區冬季氣溫特征和拉尼娜事件的關系

圖1a中柱狀是我國1970—2019年西南地區(四川、重慶、貴州、云南)平均冬季氣溫距平序列，可以看出西南地區冬季氣溫呈明顯的線性增暖趨勢，20世紀90年代中期之前氣溫多以偏冷為主，而之后多以偏暖為主.將西南地區(364站)冬季平均氣溫進行10年以上低通濾波再進行EOF分解，得到的第一模態為全區一致的氣溫變化(圖1b).從對應的時間序列(圖1c)可以看出，由冷轉暖的突變點在1996年前后，1970—1996年期間，西南地區冬季氣溫表現為一致偏冷的特征，而在1997—2019年期間，該地區冬季氣溫為一致偏暖的特征.因此，本文以下的分析都將以1996年為界進行偏冷期和偏暖期的對比分析.

圖1 (a)1970—2019年西南地區(四川、重慶、貴州、云南)冬季平均氣溫距平序列(柱狀，其中藍色表示拉尼娜年)和冬季Nio3.4指數序列(藍色曲線，其中紅色圓點表示拉尼娜年)，及西南地區10年低通濾波后的冬季氣溫距平的經驗正交分解(EOF)第一模態(b)空間型及其(c)時間序列Fig.1 (a)Time series of the winter temperature anomaly (bar)in Southwest China (Sichuan,Chongqing,Guizhou and Yunnan provinces)(blue bar indicating La Nia years),and winter Nio3.4 index (blue line,with red dots for La Nia years)during 1970—2019.The first mode (b)and time series (c)of the empirical orthogonal decomposition (EOF)of winter temperature anomaly in Southwest China after 10-years low-pass filter

對比拉尼娜事件(圖1a紅色圓點)與西南冬季氣溫的變化，可以清楚看出，1970—1996年期間，所有的拉尼娜年冬季西南地區氣溫(藍色柱)均偏低，而在1997—2019年期間，拉尼娜年冬季西南地區的氣溫有5年偏高、4年偏低.需要指出的是，1997—2019年期間，西南地區冬季氣溫本身處于總體偏暖的年代際背景，在這個背景下有且僅有4年氣溫明顯偏低(≤-0.5 ℃)，而這4年均發生在拉尼娜年.以上分析表明，拉尼娜事件與西南地區冬季氣溫的關系有明顯的年代際變化.我們知道，海氣相互作用是影響氣候異常的主要原因之一，在熱帶地區，海洋變化通過影響大氣環流異常，對全球氣候有十分重要的制約作用.為了進一步揭示拉尼娜事件在西南冬季氣溫異常中的作用，有必要首先分析氣候變暖背景下海洋和大氣環流的異常特征.

3 拉尼娜事件影響西南地區冬季氣溫的年代際差異

3.1 冬季海溫和西南地區氣溫的年代際差異

根據前文分析的西南地區冬季氣溫與拉尼娜事件的關系，將19個拉尼娜年冬季分為三類，第一類是1970—1996年期間的拉尼娜年：1970、1971、1973、1974、1975、1983、1984、1985、1988、1995年，第二類是1997—2019年期間西南地區冬季偏冷的拉尼娜年：1999、2007、2010、2011年，第三類是1997—2019年期間西南地區冬季偏暖的拉尼娜年：1998、2000、2005、2008、2017年.將這三類年份的西南地區冬季氣溫分別合成(圖2)，可以看出，1970—1996年期間，拉尼娜年冬季西南地區氣溫總體偏低(圖2a)；1997—2019年期間，拉尼娜年西南冬季氣溫偏低的空間分布特征表現為“西暖東冷”型，四川西部和云南中西部氣溫偏高，而四川中東部、重慶、貴州氣溫偏低，尤其貴州大部氣溫偏低超過-1 ℃(圖2b)；而1997—2019年期間，拉尼娜年冬季西南地區氣溫偏高的空間分布特征表現為全區一致偏暖，其中四川西部、云南西北部和南部的局部地區偏高超過1 ℃(圖2c).利用全球格點2 m氣溫資料的合成結果與之類似(圖略)，但同時也可以看出，1970—1996年期間的拉尼娜年冬季，全球大部地區的氣溫均較氣候平均值偏低；1997—2019年期間拉尼娜年西南氣溫偏低的冬季，我國大部地區氣溫均偏低，而歐亞大陸北部、北美大部氣溫偏高；1997—2019年期間拉尼娜年西南氣溫偏高的冬季，我國除東北地區和內蒙古東部氣溫偏低外，其余大部地區氣溫均偏高，尤其我國青藏高原至西南地區西部氣溫偏高超過1 ℃，歐亞大陸北部氣溫偏低，而北極氣溫偏高(圖略).

由于熱帶海溫被認為是影響我國南方冬季降水的重要因素之一(王林和馮娟，2011；Li and Ma,2012；Yuan et al.,2014；Ke et al.,2019,2021)，我們也補充分析了西南地區冬季降水距平的合成情況.在1970—1996年期間的拉尼娜年冬季，除四川中東部和重慶西部降水較氣候平均值偏多外，西南地區大部降水均偏少(圖2d)；而1997—2019年期間拉尼娜年西南氣溫偏低的冬季，四川中東部、云南大部、貴州西部局部降水偏多，其余地區降水偏少(圖2e)；這期間拉尼娜年西南氣溫偏高的冬季，西南地區大部降水均較氣候平均值偏少，尤其云南西部和南部、貴州南部偏少超過20 mm(圖2f).與不同年代拉尼娜年冬季的氣溫距平分布結合分析來看，1970—1996年期間的拉尼娜事件可能會導致西南地區總體呈現“冷干型”特征，而1997—2019年期間的拉尼娜事件則可能導致西南部分地區出現“冷濕型”或大部地區呈現“暖干型”的冬季特征.

圖2 不同年代期間拉尼娜年冬季西南地區氣溫距平(上欄，單位：℃)和降水距平(下欄，單位：mm)合成空間分布(a)和(d)1970—1996年期間，(b)和(e)1997—2019年期間西南地區冬季氣溫偏低的拉尼娜年，(c)和(f)1997—2019年期間西南地區冬季氣溫偏高的拉尼娜年.Fig.2 Composites of winter mean temperature anomaly (top,units:℃)and precipitation anomaly (bottom,units:mm)in Southwest China for La Nia events during different decades(a)and (d)1970—1996,(b)and (e)1997—2019,but for cold winters in Southwest China,(c)and (f)1997—2019,but for warm winters in Southwest China.

從冬季海溫合成的情況可以看出：1970—1996年期間的拉尼娜年冬季，除北太平洋中部和南太平洋中部海溫較氣候值略偏高外，全球大部海域的海溫均較氣候平均值偏低，尤其赤道中東太平洋大部負海溫距平低于-0.5 ℃，且中心值低于-1 ℃，表現出了拉尼娜型的海溫距平分布特征.從t檢驗情況看，印度洋至西北太平洋、及赤道中東太平洋的負海溫距平均能通過95%的顯著性檢驗(圖3a).而1997—2019年期間的拉尼娜年冬季，不管是西南地區氣溫偏低年還是偏高年，海溫距平場上都表現出較為一致的特征(圖3b和3c)：赤道中東太平洋大部海溫偏低，而西北太平洋和南太平洋海溫偏高；熱帶印度洋海溫總體接近常年略偏低，北大西洋海溫總體偏高.但從這期間偏低年與偏高年合成的檢驗情況和差值場特征來看，西南地區冬季氣溫偏低年(圖3b)相較于氣溫偏高年(圖3c)，拉尼娜事件的特征更顯著且強度更偏強，海溫距平低于-0.5 ℃的范圍更大.同時，北太平洋中部更偏暖，我國近海、印度洋北部、北大西洋中緯度海溫相對偏低，而副熱帶東南印度洋和熱帶大西洋海溫相對偏高(圖3d).鑒于本文重點分析拉尼娜事件對西南地區冬季氣溫的影響，后文也將重點針對拉尼娜事件強度的差異做更細致的分析.

3.2 高低層大氣環流的異常特征

對1970—1996年期間拉尼娜年以及1997—2019年期間拉尼娜年冬季西南地區氣溫偏低年、偏高年的高、低層大氣環流分別進行合成，并對比分析它們的異同點.在熱帶對流活動和500 hPa垂直速度距平場的合成圖上，可以看出赤道中太平洋均為對流不活躍區(圖略)、異常下沉運動控制(圖4中棕色陰影)，異常下沉運動中心均位于日界線附近，而熱帶東印度洋至西太平洋均為對流活躍區(圖略)、異常上升運動控制(圖4中綠色陰影)，異常上升運動的中心在1970—1996年期間的拉尼娜年冬季主要位于熱帶西太平洋(圖4a)，而在1997—2019年期間則位于海洋性大陸附近(圖4b和4c).并且，這些區域的異常垂直速度均能通過95%的顯著性檢驗.三類合成均顯示出Walker環流加強的特征，赤道地區垂直速度異常的特征比較相似，但強度有明顯差異.分別計算赤道地區日界線(0°，180°)和西太平洋(0°，120°E)的垂直速度距平值，并對比它們的差值，可以清楚的看出1997—2019年拉尼娜冬季西南地區冷年合成的垂直速度距平差值最大，并且在赤道日界線附近的異常下沉運動最強(圖5)，而這期間西南地區暖年合成的情況次之，1970—1996年合成的情況最弱.由于1997—2019年期間西南地區冷年合成的拉尼娜事件強度明顯強于暖年合成的情況(圖3)，與之一致，熱帶大氣響應的程度也在西南地區冷年更強.

圖3 (a)—(c)同圖2，但為海溫距平合成，(d)為(b)與(c)的差值場圖中的黑點表示合成通過95%顯著性檢驗.Fig.3 (a)—(c)are the same as Fig.2,but for the composites of sea surface temperature anomaly (SSTA),(d)is the difference between (b)and (c)The dots indicate the composites above the 95% confidence level.

圖4 不同年代期間拉尼娜年冬季500 hPa垂直速度距平合成空間分布(單位：0.01 Pa·s-1)(a)1970—1996年；(b)1997—2019年期間西南地區冷冬；(c)1997—2019年期間西南地區暖冬.圖中的黑點同圖3，綠(棕)色陰影表示異常上升(下沉)運動.Fig.4 Composites of 500 hPa vertical velocity anomaly for La Nia events during different decades (units:0.01 Pa·s-1)(a)1970—1996;(b)1997—2019,but for cold winters in Southwest China;(c)1997—2019,but for warm winters in Southwest China.The dots have the same meaning as those in Fig.3 and green (brown)shading indicates anomalous rising (sinking)motion.

圖5 不同年代期間拉尼娜年冬季合成的赤道日界線(0°，180°)和西太平洋(0°，120°E)500 hPa垂直速度距平值及它們的差值(日界線的垂直速度減去西太平洋的垂直速度)Fig.5 Composites of 500 hPa vertical velocity anomaly over the dateline (0°,180°),equatorial western Pacific (0°,120°E)in winter and their differences (the former minus the latter)for La Nia events during different decades

海平面氣壓和對流層低層環流的合成也表現出較為明顯的差異.1970—1996年期間的拉尼娜年冬季，西伯利亞高壓監測區域(40°N—60°N，80°E—120°E)北部的海平面氣壓略偏高(圖6a)，表明西伯利亞高壓略偏強.同時，貝加爾湖以南為異常氣旋性環流，表明蒙古氣旋偏強，導致冷空氣以偏西北路徑南下影響西南地區(圖6b中紅色箭頭)，從而有利于西南大部地區氣溫偏低.但同時，我們發現西南地區中東部低層基本為南風距平控制，此南風距平并不直接來自于熱帶海洋，而是與存在于江南和華南地區異常反氣旋環流西側的異常偏南氣流有關(圖6b).進一步分析低層溫度平流場(圖略)，該南風距平表征了江南和華南地區低層冷高壓前部的“回流”冷空氣對西南地區低溫的重要影響.與此同時，海洋性大陸至西北太平洋的海平面氣壓偏低，菲律賓附近為異常氣旋環流(圖6a)，表現出了對拉尼娜事件的典型響應，華南南部和南海北部的偏北風距平不利于來自西北太平洋的水汽輸送至西南地區；孟加拉灣北部為異常反氣旋環流，表明南支槽相對偏弱，導致由印度洋進入西南地區的水汽條件也偏差.因此，西南地區大部的相對濕度明顯偏小(圖6b)，結合大部氣溫偏低(圖2a)和降水偏少(圖2d)的特征，表明1970—1996年期間的拉尼娜年冬季，西南地區總體表現為“冷干型”的氣候特征.

圖6 不同年代期間拉尼娜年冬季對流層低層環流合成，藍色框表示西南地區.左欄為海平面氣壓距平(陰影，單位：hPa)和850 hPa風場距平(矢量，單位：m·s-1)，其中的藍色箭頭表示異常氣旋環流；右欄為850 hPa相對濕度距平(陰影，單位：%)和風場距平(矢量，同左欄)，其中的紅色箭頭表示冷空氣路徑，藍色箭頭表示水汽輸送的方向(a)和(b)為1970—1996年期間拉尼娜年合成，(c)和(d)為1997—2019年期間拉尼娜年西南地區冷冬合成，(e)和(f)為1997—2019年期間拉尼娜年西南地區暖冬合成.Fig.6 Composites of atmospheric circulation anomalies in the lower troposphere during the winter of La Nia events in different decades.Left column:the sea level pressure (SLP)anomaly (shading,units:hPa)and 850 hPa wind anomaly (vectors,units:m·s-1),with the blue arrow indicating anomalous cyclones.Right column:850 hPa relative humidity anomaly (shading,units:%)and 850 hPa wind anomaly (vectors,units:m·s-1),with the red arrows for the path of cold air and blue arrows for the direction of moisture transport.The blue box indicates Southwest China(a)and (b)1970—1996,(c)and (d)1997—2019,but for cold winters in Southwest China,(e)and (f)1997—2019,but for warm winters in Southwest China.

在1997—2019年期間拉尼娜年冬季西南地區偏冷年，西伯利亞高壓明顯偏強(圖6c)，對流層低層烏拉爾山以西為異常反氣旋環流控制，在亞洲中高緯度地區形成明顯北高南低的形勢，這是冬季影響西南地區出現寒潮天氣的最主要形勢(晏紅明等，2009)，由此導致貝加爾湖經我國河套地區至西南地區北部受異常偏北風影響，冷空氣容易從中路向西南地區侵襲(圖6d).同時，受拉尼娜事件影響，菲律賓以西(即我國南海)上空為異常氣旋性環流控制，由此導致我國長江流域及以南大部為該氣旋北側的異常偏東北風.因此，這類年份合成的情況顯示影響西南地區的冷空氣路徑包括中路和東路兩支(圖6d中紅色箭頭)，這與1970—1996年期間拉尼娜年合成的情況(冷空氣路徑偏西，圖6b)有明顯差異，由此導致西南中東部氣溫較氣候平均值偏低(圖2b).與此同時，赤道中東太平洋海平面氣壓偏高，而印度洋至西太平洋海平面氣壓偏低，表現出南方濤動顯著的正異常特征；并且在印度洋上形成異常氣旋對分別位于赤道印度洋的南北兩側(圖6c).阿拉伯海至孟加拉灣西部的異常氣旋性環流加強了南支槽，并使得由孟加拉灣進入西南地區的西南風偏強(圖6d中的藍色箭頭)，水汽輸送偏強，從而導致西南地區大部相對濕度偏大(圖6d).結合前文分析的冬季氣溫(圖2b)和降水(圖2e)距平特征，這期間的拉尼娜事件易導致西南地區呈現“冷濕型”冬季，尤其在四川和云南大部更為明顯.

而在1997—2019年期間拉尼娜年冬季西南地區偏暖年，西伯利亞高壓總體接近氣候平均值(圖6e)，西南地區東部為弱的偏東北風控制(圖6f)，這主要是受拉尼娜事件激發的菲律賓附近異常氣旋性環流影響的結果.赤道東太平洋海平面氣壓略偏高，東印度洋至西太平洋略偏低(圖6e)，海平面氣壓異常的范圍和強度都不及這期間冷年合成的情況，這可能是因為暖年拉尼娜事件的強度較弱，熱帶地區南方濤動響應的特征也較弱.值得注意的是，暖年合成的低層風場在海洋性大陸區也有一對異常氣旋對(圖6e)，但其位置相較于冷年合成的情況明顯偏東.異常氣旋位置的差異對來自熱帶海洋的水汽輸送有重要影響，由于該異常氣旋對位于海洋性大陸區，我國南海上空為異常氣旋控制，西南地區大部受該氣旋北側的偏北風影響，因此水汽輸送條件總體偏差，從而導致西南地區大部相對濕度明顯偏小，總體表現出偏干的特征(圖6f).同樣結合前文分析的冬季氣溫(圖2c)和降水(圖2f)距平特征，這期間的拉尼娜年事件則會導致西南地區呈現“暖干型”冬季.

最顯著的差異表現在500 hPa環流場上.1970—1996年期間的拉尼娜年冬季，熱帶和副熱帶地區500 hPa高度場明顯偏低，尤其西亞至我國西北地區和青藏高原上空為高度場負距平中心；而阿留申低壓偏弱，表現為異常反氣旋和高度場正距平控制(圖7a).而在1997—2019年期間的拉尼娜年冬季西南地區偏冷年，歐亞中高緯環流呈顯著的經向型特征，烏拉爾山高壓脊偏強，我國上空為高度場負距平控制，表明東亞大槽偏深，高原高度場偏低，亞洲從高緯度到低緯度地區高度場表現出明顯的北高南低形勢(圖7b).同時，熱帶和副熱帶地區高度場也較氣候平均值偏低，盡管偏低的強度明顯不如1970—1996年期間合成的情況，但都表現出了對拉尼娜事件的典型響應.這樣的環流形勢為典型的東亞冬季風偏強的特征，有利于我國大部(包括西南地區)冬季氣溫偏低.而在這期間拉尼娜年冬季西南地區偏暖年，歐亞高緯地區的大氣環流也呈現經向型特征，烏拉爾山高壓脊偏強，東亞大槽偏強但位置偏北(東北亞為高度場負距平和異常氣旋性環流控制)；熱帶地區高度場基本接近氣候平均值，但副熱帶地區高度場明顯偏強，尤其青藏高原上空高度場明顯偏高，高原上空為異常反氣旋環流(圖7c)，呈現與冷年和1970—1996年期間拉尼娜冬季合成完全相反的特征.以上對比可以看出，同樣是在1997—2019年期間，西南地區暖年合成的東亞冬季風的強度明顯不如冷年合成的情況強，冷空氣主要影響我國內蒙古東部和東北地區，很難向南侵襲影響我國南方大部；其中青藏高原上空的高度場和風場的特征完全相反.

圖7 同圖4，但為500 hPa高度距平場(陰影，單位：gpm)和距平風場(矢量，只顯示大于1 m·s-1的矢量風，單位：m·s-1)的合成.藍色框表示西南地區Fig.7 Same as Fig.4,but for the composites of 500 hPa geopotential height anomaly (shading,units:gpm)and wind anomaly (vectors,units:m·s-1,only displaying the zonal or meridional wind greater than 1 m·s-1).The blue box indicates Southwest China

因此，拉尼娜事件對西南地區冬季氣候的影響有明顯的年代際差異.1970—1996年期間的拉尼娜年冬季，中低緯度高度場明顯偏低，西伯利亞高壓略偏強，蒙古氣旋偏強，導致偏西路冷空氣影響西南地區，西南地區大部氣溫偏低；同時來自孟加拉灣和西北太平洋的水汽輸送均偏弱，西南地區大部相對濕度偏低，整體呈現“冷干型”冬季的特征.而在1997—2019年期間，盡管都是拉尼娜事件冬季的合成，但在某些年份，歐亞中高緯呈顯著的經向型環流，烏拉爾山高壓脊偏強、東亞大槽偏深、高原高度場偏低、西伯利亞高壓偏強，影響西南地區的偏北風偏強，中路和東路冷空氣共同作用下導致西南地區冬季氣溫易偏低；同時來自孟加拉灣的西南水汽輸送偏強，從而導致西南地區大部相對濕度偏大、降水偏多，出現“冷濕型”冬季.而在另一些拉尼娜年冬季，歐亞地區的高緯環流也呈經向型，但鋒區偏北；并且由于高原高度場偏高，冷空氣不易南下影響我國西南地區；西伯利亞高壓接近常年，偏北風的強度較弱，西南地區冬季氣溫偏高；同時受菲律賓附近異常氣旋性環流影響，西南地區東部的偏北風異常導致水汽條件偏差，西南地區大部相對濕度偏小、降水明顯偏少，表現出“暖干型”冬季.鑒于1997—2019年期間拉尼娜事件分為兩類后個例較少，我們也檢查了每一年西南地區冬季氣溫和降水及高低層大氣環流的異常特征，大部分年份都符合合成分析的結果，因此也支持上述結論.

以上分析可以表明：拉尼娜事件影響西南地區冬季氣候主要通過幾個關鍵環流系統，包括西伯利亞高壓、烏拉爾山高壓脊、東亞大槽、高原高度場、蒙古氣旋、菲律賓附近低層氣旋性環流異常、南支槽等等.這些大尺度環流系統的不同配置會最終導致西南地區冬季不同的氣候異常特征，中高緯環流異常主要影響冷空氣的路徑和強度，而熱帶環流主要影響水汽輸送.本文的研究重點是分析拉尼娜事件對西南地區冬季氣溫的影響，這其中西伯利亞高壓和東亞大槽的強度和位置、以及高原高度場的強度等都起著重要的作用.已有大量研究揭示過前面兩個環流系統對我國冬季氣溫的重要影響(李崇銀，1989；陶詩言和張慶云，1998；何溪澄等，2008)，但這兩個環流指數與西南地區冬季氣溫的相關均無法通過顯著性檢驗(Shen et al.，2015；圖略).因此，對于西南地區來說，由于其特殊的地理位置，高原高度場的影響可能更為直接更為重要，下面將具體分析.

4 高原高度場的重要作用及其與熱帶海溫的關系

定義高原高度場指數(Tibet-H500)為青藏高原(30°N—40°N，75°E—105°E)區域平均500 hPa高度場距平(趙振國，1999).該指數與西南地區冬季平均氣溫距平序列表現出一致的線性增長趨勢和一致的年際變化(圖8a)，兩者呈顯著的正相關關系，相關系數為0.74，通過99.9%的顯著性檢驗.即使去除兩個序列的線性趨勢，其相關系數仍超過0.7(圖略).從21年滑動相關的結果來看，兩者的正相關關系非常穩定，相關系數基本都維持在0.5以上，并且在1997—2019年期間更高，穩定超過0.7(圖8b).這表明，高原高度場強度對西南地區冬季氣溫有顯著影響，冬季高原高度場偏高(低)，西南地區冬季氣溫易偏高(低)，也再次證明了高原冬季風對西南地區冬季氣溫影響的重要性(Shen et al.，2015；王穎等，2015).

圖8 (a)1970—2019年西南地區冬季平均氣溫距平序列(柱狀)和高原冬季高度場指數序列(黑線)，(b)西南地區冬季平均氣溫距平指數與高原高度場指數的21年滑動相關Fig.8 (a)Time series of the winter temperature anomaly in Southwest China (bar)and Tibet-H500 index (black line)during 1970—2019.(b)21-yr running correlation between the winter temperature anomaly in Southwest China and Tibet-H500 index

通過Tibet-H500回歸得到的500 hPa環流場、海平面氣壓和低層風場的結果與圖7b、圖6c非常類似，即當冬季高原高度場偏低時，青藏高原上空為500 hPa高度場負距平和異常氣旋性環流控制，西伯利亞高壓偏強，影響我國西南地區的冬季風偏強(圖略).與此同時，Tibet-H500回歸得到的氣溫距平顯示，當冬季高原高度場偏低時，我國大部地區的冬季氣溫較氣候平均值偏低，尤其四川大部、重慶、貴州、云南東部偏低顯著(圖略).

既然高原高度場強度是影響西南地區冬季氣溫的關鍵環流系統，那么該系統與熱帶海溫有怎樣的關系呢？圖9展示了冬季Tibet-H500指數與不同時期全球海溫的相關系數分布，可以看出在1970—2019年期間，顯著的正相關區位于熱帶西印度洋(10°S—20°N，50°E—80°E)、赤道中太平洋及東太平洋熱帶外的南北兩側(圖9a)，而與本文定義的拉尼娜事件判別指標(Nio3.4區海溫)并沒有顯著的相關關系，反而與Nio4區(5°S—5°N，160°E—150°W)海溫呈顯著正相關.定義熱帶西印度洋海溫指數(WIO，10°S—20°N，50°E—80°E區域平均海溫距平)和Nio4指數(5°S—5°N，160°E—150°W區域平均海溫距平)，分別與Tibet-H500指數計算21年滑動相關(圖10a).可以看出WIO與Tibet-H500的滑動相關及Nio4與Tibet-H500的滑動相關都表現出下降趨勢，在1986年之前相關均可以通過顯著性檢驗，但之后相關不顯著.注意到WIO與Nio4指數的滑動相關一直穩定通過95%顯著性檢驗，表明熱帶西印度洋與赤道中太平洋的海溫變化有較高的一致性.由于上述計算是21年滑動相關，因此“1986年”實際反映的是1986年前后各10年，也即是“1976—1996年”的相關系數，表明冬季高原高度場與熱帶西印度洋和中太平洋海溫的相關關系也是在1996年前后發生了轉折，1996年之前相關顯著，而之后相關不顯著.鑒于此，分時段分別計算Tibet-H500與全球海溫的相關分布，可以看出在1970—1996年期間，顯著的正相關區位于熱帶印度洋大部和熱帶太平洋中部，尤其WIO區和Nio4區相關系數值最大(圖9b)，并且顯著相關區的范圍較1970—2019年期間的結果明顯偏大.而在1997—2019年期間，Tibet-H500與熱帶海溫的關系幾乎通過不了顯著性檢驗(圖9c)，這更進一步證明了冬季高原高度場與熱帶海溫關系的年代際變化(圖10a).

圖9 冬季高原高度場指數與同期海溫距平相關分布(a)1970—2019年;(b)1970—1996年;(c)1997—2019年.陰影區由淺到深分別表示相關系數通過90%、95%、99%的顯著性檢驗，黑色方框分別表示熱帶西印度洋(10°S—20°N，50°E—80°E)和Nio4區(5°S—5°N，160°E—150°W).Fig.9 Distribution of linear correlation between Tibet-H500 index and SSTA in winter(a)1970—2019;(b)1970—1996;(c)1997—2019.Shading from light to dark shows the correlation above 90%,95% and 99% significant level.Black boxes are for tropical western Indian Ocean (WIO,10°S—20°N,50°E—80°E)and Nio4 region (5°S—5°N,160°E—150°W),respectively.

圖10 (a)1970—2019年冬季高原高度場指數分別與Nio4區海溫指數(藍色)和西印度洋海溫指數(紅色)的21年滑動相關，及Nio4區海溫指數與西印度洋海溫指數的21年滑動相關(綠色).(b)高原高度場月指數與Nio4區海溫月指數在1970—2019年(黑色)、1970—1996年(藍色)和1997—2019年(紅色)期間的超前滯后相關，橫坐標正值(負值)表示高原高度場指數滯后(超前)Nio4指數Fig.10 (a)21-yr running correlation between the Tibet-H500 index and Nio4 index (blue),WIO-SSTA index (red),and 21-yr running correlation between Nio4 index and WIO-SSTA index (green)during 1970—2019.(b)Lead-lag correlation between monthly Tibet-H500 index and Nio4 index in 1970—2019 (black),1970—1996 (blue)and 1997—2019 (red),with positive (negative)value on x-axis indicating the Tibet-H500 index lags (leads)Nio4 index

由此可以得出結論：影響西南地區冬季氣溫最重要最直接的環流系統是高原500 hPa高度場，高原高度場的高/低異常可以直接決定西南冬季氣溫的暖/冷距平.而500 hPa高原高度場與熱帶西印度洋和赤道中太平洋海溫的關系有顯著的年代際變化，在1970—1996年期間，兩者相關顯著，且高原高度場滯后于海溫變化大約5個月，因此這期間拉尼娜事件的發展會導致高原高度場偏低，并進一步導致西南地區冬季氣溫偏低；而在1997—2019年期間，兩者相互獨立，強度較強且冷海溫范圍較大的拉尼娜事件(尤其Nio4區冷海溫異常偏強)才會導致高原高度場偏低并使得西南地區冬季氣溫偏低，而較弱的拉尼娜事件則對高原高度場沒有顯著影響.由于高原高度場本身存在顯著的年代際升高趨勢，在這些年份高原高度場多表現出偏高的特征，因此在較弱的拉尼娜年冬季西南地區冬季氣溫仍偏高.

5 總結和討論

利用多種資料，本文詳細分析了1970—2019年期間的拉尼娜事件對我國西南地區(四川、重慶、貴州、云南)冬季平均氣溫的影響及其年代際變化.得出以下幾點結論：

(1)西南地區冬季平均氣溫具有明顯的年代際增暖趨勢，以1996年左右為界，之前為西南地區偏冷期，之后為偏暖期.拉尼娜事件與西南地區冬季氣溫的關系有明顯的年代際差異：1970—1996年期間，所有的拉尼娜年冬季西南地區氣溫均偏低；而在1997—2019年期間的拉尼娜年冬季，西南地區5年偏暖、4年偏冷，但這期間，由于西南地區冬季氣溫本身處于偏暖的年代際背景，有且僅有4年氣溫偏低，而這4年均發生在拉尼娜年.即1970—1996年，拉尼娜事件發生時西南地區冬季氣溫則會偏低；而1996—2019年期間的拉尼娜年西南地區冬季氣溫不一定偏低.

(2)高原高度場是影響西南地區冬季氣溫最直接且最重要的關鍵因子.高原高度場指數與西南地區冬季平均氣溫距平序列表現出一致的線性增長趨勢和一致的年際變化，并且兩者的正相關關系隨時間變化越來越穩定(通過99.9%的信度檢驗)，高原高度場偏高(偏低)異常直接決定了西南地區冬季偏暖(偏冷)；同時，由于高原高度場與拉尼娜事件的密切聯系，且存在顯著的5個月滯后相關，因此，高原高度場有可能是鏈接拉尼娜事件影響西南地區冬季氣溫變化的重要橋梁.

(3)拉尼娜事件對西南地區冬季氣溫的影響具有明顯的年代際變化，1970—1996年期間西南地區冬季主要表現為“冷干型”，而1997—2019年期間則可能為“冷濕型”或“暖干型”，這主要是因為赤道中太平洋(Nio4區)海溫與高原高度場的正相關關系表現出顯著的年代際變化.在1970—1996年期間，高原高度場與Nio4區海溫顯著正相關，這期間的拉尼娜事件會導致高原高度場偏低，并且配合蒙古氣旋偏強、冷空氣以偏西北路徑南下影響西南地區，從而共同導致西南地區冬季氣溫偏低；同時西南地區大部水汽輸送較差、降水偏少，從而導致西南地區冬季總體表現為“冷干型”氣候異常特征.而在1997—2019年期間，高原高度場與熱帶海溫的關系表現為相互獨立性，強度較強且冷海溫范圍較大的拉尼娜事件(尤其Nio4區冷海溫異常偏強)才會導致高原高度場偏低，并且在這些年冬季歐亞中高緯呈顯著的經向型環流，烏拉爾山高壓脊偏強、東亞大槽偏深、西伯利亞高壓偏強，影響西南地區的偏北風偏強，中路和東路冷空氣共同作用下導致西南地區冬季氣溫易偏低；同時來自孟加拉灣的西南水汽輸送偏強，從而使得西南地區相對濕度偏大、降水偏多，出現“冷濕型”冬季.而較弱的拉尼娜事件則對高原高度場沒有顯著影響，在這些年冬季，歐亞地區的高緯環流也呈經向型，但鋒區偏北，高原高度場偏高，冷空氣不易南下影響我國西南地區；西伯利亞高壓接近常年，偏北風的強度較弱，西南地區冬季氣溫偏高；同時受菲律賓附近異常氣旋性環流影響，西南地區東部的偏北風異常導致水汽條件偏差，西南地區大部相對濕度偏小、降水偏少，表現出“暖干型”冬季.

西南地區由于其特殊的地理位置和復雜的地形地貌，區域氣候差異非常顯著，影響西南地區冬季氣溫的環流因子也比較復雜，本文研究發現青藏高原地區的500 hPa高度場異常是影響西南地區冬季冷暖變化的一個關鍵因子，并且是拉尼娜事件影響西南地區冬季氣溫的重要橋梁.但是，我們尚未深入分析熱帶海溫影響高原高度場的具體物理過程，這可能需要做更多的數據分析和數值試驗.另外，高原高度場異常也可能與中高緯度大氣環流的波動(Li et al.,2019)有關，那么，在拉尼娜背景下中高緯度大氣環流的變化對高原高度場影響的貢獻有多大？尤其在拉尼娜年500 hPa高原高度場偏高的年份中高緯度大氣環流波動起到怎樣的作用？這些問題尚不清楚，都有待于進一步深入分析.青藏高原下墊面比較復雜，高原冬季和夏季熱力變化的影響也顯著不同，對于高原大部分地區的影響而言，冬季屬于冷源，夏季熱源，對其上空大氣環流變化的影響是不同的，因此，青藏高原下墊面的熱力異常對高原高度場的影響以及對西南地區冬季氣溫變化的影響是值得我們進一步研究的問題.

最后需要指出的是，本文著重分析了拉尼娜事件對西南地區冬季氣溫的影響，而厄爾尼諾事件的氣候效應往往與拉尼娜是相反的，那么，在歷史上的厄爾尼諾年冬季西南地區氣溫都表現出偏暖的特征嗎？是否也有明顯的年代際差異？這也將是我們下一步研究工作的重點.