基于新气候态背景的中国东北地区气候变化评估与预测研究.pdf

第39 卷第4期2023 年8 月张萌萌，赵春雨，房一禾，等.基于新气候态背景的中国东北地区气候变化评估与预测研究 J.气象与环境学报，2 0 2 3,39（4)：95-102.ZHANG Mengmeng,ZHAO Chunyu,FANG Yihe,et al.Assessment and prediction of climate change in Northeast China based on newclimate state background J.Journal of Meteorology and Environment,2023,39(4):95-102.气象与环境学报JOURNAL OF METEOROLOGY AND ENVIRONMENT基于新气候态背景的中国东北地区气候变化评估与预测研究Vol.39 No.4August 2023张萌萌1赵春雨2.3房一禾 2.3,4（1.辽宁省气象服务中心，辽宁沈阳110 16 6；2.沈阳区域气候中心，辽宁沈阳110 16 6；3.东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁沈阳110 16 6；4.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳110 16 6；摘要：选用198 12 0 2 0 年中国东北地区199站气象资料，将198 12 0 10 年与19912 0 2 0 年作为气候态的气温、降水、大气环流场及海温场进行比较，并分析气候平均值的改变对气候评价、气候变化和气候预测的影响。结果表明：新、旧气候态下，东北地区的气温、降水、大气环流及海温场均有明显变化，且环流和海温场的变化与气温和降水变化相对应。新气候态下，东北地区的春季、秋季、冬季降水量增加,夏季降水量减少，平均气温均升高。冬季高纬阻塞高压和西太平洋副热带高压强度增强，东亚大槽强度减弱，与冬季气温升高相对应；夏季鄂霍次克海阻塞高压和西太平洋副热带高压减弱，与东北夏季降水减少相一致。全球海温总体增暖，而南半球中高纬地区变冷，夏季海温差值在赤道太平洋地区表现为西正东负的分布特征，与夏季东北气温升高相一致。关键词：气候平均值；气候评价；气候变化中图分类号：P467引言气候平均值不仅可作为基准与近期或当前的观测资料进行比较，可为许多基于距平的气候数据集（如全球平均温度）提供参考，还可以不同程度地用于预测特定地点的气候状况 。世界气象组织在技术规则中定义了标准气候平均值，即对以下连续30 a计算气候平均值：19 8 1年1月1日至2 0 10 年12月31日、19 9 1年1月1日至2 0 2 0 年12 月31日，并依此类推 2 。2 0 世纪以来，气候变化问题逐渐受到各国政府和研究机构的关注 3-4。第三次气候变化国家评估报告表明 5，中国气候变暖速率自1909年以来一直高于全球平均值，升温达0.9 1.5/10 0 a,中国不同地区的年降水量有显著差异。此外,198 0 2 0 12 年中国沿海地区海平面上升速率为2.9mma-1,高于全球平均速率。IPCC 第五次评估报告（AR5)表明 6 ，自18 50 年有详细气象记录以来,最近的3个10 a比其他10 a都更暖,地球表收稿日期：2 0 2 0-10-11;修订日期：2 0 2 2-12-10。资助项目：国家自然科学基金项目（42 0 0 50 37）、中国气象局创新发展专项（CXFZ2021J022、C XFZ2 0 2 2 J0 0 8）、中国气象局预报员专项（CMAYBY20180 18）、辽宁省自然科学基金科学技术计划一省博士科研启动基金计划项目（2 0 19BS-214）、中国气象局复盘总结专项（FPZJ2023-027）和中国气象局沈阳大气环境研究所开放基金项目（2 0 2 0 SYIAE08，2020SYIAEZD5）共同资助。作者简介：张萌萌，女，1994年生，工程师，主要从事气候动力学方面的研究，E-mail:。通信作者：房一禾，男，高级工程师,E-mail:。李经纬?林益同?于怡秋?张玮琦5.沈阳市苏家屯区气象局，辽宁沈阳110 17 9文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1673-503X.2023.04.012面温度每10 a均较上一时期更高。自1950 年以来，更多极端的天气和气候事件开始出现。气候平均值的改变会导致不同标准气候态时段所对应的变量距平变化，从而对短期气候预测及气候影响评估产生影响 7-8 。研究表明，与196 1一1990年气候态相比，197 12 0 0 0 气候态中国大部分区域温度距平呈下降趋势，特别是中国北方地区的冬季 9。与196 12 0 13年气候态相比，197 1一2000年、198 1一2 0 10 年气候态的中国西北地区气温分别略偏高和略偏低 10 ,这会对气候分析和评估产生影响。对比197 12 0 0 0 年和198 12 0 10 年两个时段全球50 0 hPa位势高度和海温表明 ,新气候态值较旧气候态值均有所增大。此外,中国东北冬季气温升高，月平均降水量增大，仅6 月、9 月和10月为减小。中国西南地区30 a气候平均值对比表明 12】,197 12 0 0 0 年气候态较198 12 0 10 年气候态的西南大部分地区更为寒冷湿润，变化幅度较大的包括冬季平均气温和汛期平均降水量。另有研究96表明，与197 12 0 0 0 年气候态比较，198 12 0 10 年气候态的冬半年（10 月至翌年4月）多年旬平均气温在中国大部普遍更高，北方地区更为显著 13-14。可见,新气候态与旧气候态存在显著差异。以往研究主要集中在197 12 0 0 0 年与198 12010年两个气候态变化的比较分析，较少关注1991一2 0 2 0 年新气候态与旧气候态的差异以及气候态变化对气候预测与评估的影响，尤其是针对中国东北地区开展的相关研究更少。本文基于新气候态背景,探讨中国东北地区气象要素（如气温、降水）及环流场与海温场的变化，以及地面气候要素变化与环流和海温变化的匹配度。此外，应用新气候态进行气候评价和预测，如对暖冬事件的评估和极端天气分析等,以期为该地区气候预测与评估提供参考。1资料与方法1.1资料来源选用中国东北地区用于短期气候预测、评估的199个气象站资料（图1），包括月平均气温和降水量。美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）月平均50 0 hPa位势高度场资料，格点分辨率为2.52.5。美国国家海洋和大气管理局（NOAA)的逐月平均海表温度资料。1.22气候态使用的新气候态为1991一2 0 2 0 年，旧气候态为19812010年。春季为35月、夏季为6 8 月、秋季为9一11月、冬季为12 月至翌年2 月。1.3研究方法对于气象要素N、N,和N,分别为其在新、旧气候态的平均值，其在新气候态与旧气候态的距平分别为N.和Nza,见式(1)和式(2)。N1.=N-N,Nza=N-N,t2a新、旧气候态下气象要素N的距平差公式为N.-N=N,-N.,=ZN,-ZN,(3)i=19911=1981(a)50NF气象与环境学报以新气候态与旧气候态气象要素均值差代替距平差。50N45N40NF115E图1中国东北地区199个站点分布Fig.1Distribution of 199 stations inthe Northeast China2结果分析2.1新旧气候态下气温和降水差异2.1.1 降水量新旧气候态下中国东北地区各季节累计降水量差值分布及逐月累计降水量变化见图2。由图2 a可知,新旧气候态中国东北地区春季累计降水量的差值以正值为主（平均增加1.8 mm）,其中辽宁和黑龙江西部为负异常，吉林及黑龙江东部为正异常，吉林省与黑龙江省交界处差值最大。新旧气候态东北地区夏季累计降水量差值以负值为主（平均减少1.02mm）（图2 b）,其中黑龙江北部为正异常，黑龙江南部、辽宁省和吉林省为负异常。新旧气候态秋季累计降水量差值在东北地区大部分区域为正值（平均增加2.18 mm）（图2 c），其中东北地区东西部降水增加更显著，黑龙江东部地区差值最大。冬季时，新旧气候态的累计降水量差值在东北地区绝大部分为正值（平均增加0.6 7 mm）（图2 d）,其中东北地区南部较北部更显著，吉林东南部差值最大。即(1)新气候态背景下东北地区春季、秋季和冬季的降水(2)量距平百分率均减小，而夏季增大。由图2 e可知，全年逐月累计降水量中，除了20202010第39卷站点120E125E1月、3月、4月和7 月外，新气候态下其余各月的累计降水量均小于旧气候态。其中,5月新旧气候态累(b)50N130E135E45NF45N40NF115E40NF120E125E130E135E115E120E125E130E135E第4期张萌萌等：基于新气候态背景的中国东北地区气候变化评估与预测研究97(c)50NF(d)50N45N45N40NF115E图2 亲新旧气候态下中国东北地区春季（a）、夏季（b）、秋季（c)及冬季（d)累计降水量的差值分布及逐月累计降水量(e)变化Fig.2 The difference distribution of accumulative precipitation in spring(a),summer(b),autumn(c),winter(d)andthe change of monthly accumulative precipitation(e)in the Northeast China under new and old climate states计降水量的差值为-8.38 mm，显著减小,而7 月累计降水量的差值为10.39mm，显著增大。5月和7月这种降水量的显著增减变化值得进一步关注。2.1.2气温新旧气候态下中国东北地区各季节平均气温差值分布及逐月气温平均值变化见图3。由图3a可知，新旧气候态中国东北大部分地区各季节的平均气温差值均为正值，其中，春季平均气温升高0.41,东北地区西部升温幅度高于东部。夏季平均气温升高0.2 5（图3b），东北地区中部升温幅度高于南部和北部。秋季平均气温升高0.2 9(a)50NH40N120E125E150120uu/鲁数9060300降水量单位为mm；站点为通过置信度为95%的显著性检验。大气环流场东亚大槽是影响中国东北地区冬季气温的主要天气系统之二 15。新旧气候态下中国东北地区冬(b)50N130E23456789101112月份119812010年；119912020年（图3c），冬季平均气温升高0.30（图3d）。即新气候态下东北地区四季的气温距平有所减小。由图3e可知，东北地区全年逐月气温平均值，6月、8 月、9月、11月和12 月新气候态逐月平均气温低于旧气候态，其他月份新气候态的逐月平均气温大于旧气候态。即新气候态下，东北地区上半年平均气温距平增大，而下半年平均气温距平减小。2.2新、旧气候态下大气环流和海温场差异2.2.1135E115E120E125E130E135E45NF45N40NF115E40N120E125E130E135E115E120E125E130E135E98气象与环境学报第39卷()50N(d)50N45N45N40NF115E40N120E125E(e)20130E135E115E120E125E130E135E100-101温度单位为；站点为通过置信度为95%的显著性检验。图3新旧气候态下中国东北地区春季（a)、夏季(b）、秋季(c)和冬季（d)平均气温差值分布及逐月气温平均值(e)变化Fig.3 The difference distribution of average temperature in spring(a),summer(b),autumn(c),winter(d)and thechange of monthly average temperature(e)in the Northeast China under new and old climate states季和夏季50 0 hPa位势高度场差值分布见图4。由图4a可知，新旧气候态东北大部地区冬季50 0 hPa位势高度差值为正，位势高度距平减小，高纬阻塞高压和西太平洋副高增强,东亚大槽强度减弱,这与前文新气候态下东北地区冬季气温距平减小结果一致。90N(a)60N23456789101112月份19812010年;119912020年影响东北地区夏季气温和降水的主要大气环流系统为东北冷涡、极涡和西太平洋副热带高压等 16-2 。其中,西太平洋副热带高压偏强偏北有利于辽宁省盛夏降水偏多 2 4。由图4b可知，新旧气候态东北地区夏季50 0 hPa位势高度差值与冬季存在显著差异，且夏季高度场变化较冬季复杂。鄂霍90N60N30N30NEQ30S00Fig.4The difference distribution of geopotential height field at 500 hPa in winter(a)and summer(b)in theEQ30S60E120E-1.6-0.8图4新旧气候态下中国东北地区冬季（a）和夏季（b)500hPa位势高度场差值分布Northeast China under new and old climate states1800.00.8位势高度单位为gpm；点区表示通过了95%的显著性检验。01.660E-0.80.40.0120E0.40.81.21.6180第4期次克海附近为显著的负值中心，表明鄂霍次克海阻塞高压减弱,贝加尔湖阻塞高压增强，与东北地区夏季降水减少一致。另有研究表明 2 5,朝鲜半岛和日本南部高度场差值为正,对应西太平洋副热带高压偏西偏北；差值为负，对应西太平洋副热带高压偏东偏南。新气候态下的朝鲜半岛和日本南部高度场减弱,不利于西太平洋副热带高压西伸北进，即西太平洋副热带高压偏东偏南，也与辽宁盛夏降水偏少对应。a90N60N30NEQ30S60S90S0Fig.5 The difference distribution of sea temperature field in winter(a)and summer(b)in the温升高，因此,东北地区夏季降水较旧气候态偏少。另外，热带东北大西洋、赤道中东大西洋、热带南大西洋海温表现为“正一负一正”的三极型分布时,中国东北地区冬季气温为负异常 2 8 ，而旧气候态大西洋海温差值与此相反，为“负一正一负”的三极型分布。新旧气候态夏季赤道太平洋地区海温差值呈西正东负分布，有利于拉尼娜事件发生，根据拉尼娜事件判别标准 2 9,新气候态下拉尼娜事件发生次数为8次，多于旧气候态（7 次）。2.3新旧气候态差异对气候预测评价影响2.3.1对气候评价的影响暖冬事件 30-311是气候评价中比较重要的内容。1971一2 0 2 0 年中国东北地区冬季平均气温序列及新旧气候态气温均值见图6。由图6 可知，旧气候态下中国东北地区共有2 3个冬季为暖冬，而新气候态下只有2 1个暖冬，其中的2 0 13年和2 0 2 0 年不属于暖冬年。此外,新气候态下的暖日、暖夜、冷日和冷夜等极端气候事件评价也发生相应变化。新旧气候态下197 0 一2 0 10 年各年代中国东北地区暖冬次数见表1。由表1可知,旧气候态下暖冬次数基本呈逐年代增加的趋势,这与刘实等 32 研究结果一致。但新气候态下,2 1世纪10 年代暖冬次数张萌萌等：基于新气候态背景的中国东北地区气候变化评估与预测研究60E120E图5新旧气候态下中国东北地区冬季（a)和夏季（(b海温场差值分布Northeast China under new and old climate states1990年份-19912020年平均气温；-19 8 12 0 10 年平均气温平均气温序列（直方柱）；新旧气候态气温均值（虚线），单位为。图6 197 12 0 2 0 年中国东北地区冬季平均气温序列及新旧气候态气温均值Fig.6 Winter mean temperature series and meantemperature of old and new climatic states inthe Northeast China from 1971 to 20202.3.2对气候变化的影响极端天气、气候事件是天气、气候严重偏离其平均状态的小概率事件 33。由于不同地区降水和气温的区域性差异，极端降水和气温事件无法用统一的固定值定义。将新旧气候态降水和气温各自2 倍标准差定义为极端事件发生的阈值。新旧气候态下992.2.2洋海温场赤道印度洋海区海温是影响中国东北地区冬季气温的重要因素，两者呈同位相变化 2 6 。也有研究表明 2 7 ，前期副热带东南太平洋海温，尤其是该地区前期春季海温与中国东北地区夏季降水存在稳定的负相关。冬夏两季,印度洋海温均升高,大西洋三极子正位相加强、北太平洋海温也有所升高。新旧气候态下中国东北地区冬季和夏季海温场差值分布见图5。由图5可知，新气候态下冬季东南太平洋海(b)90N60N30NEQ30S60S90S180120W60W-0.4-0.2海温单位为；点区表示通过了95%的显著性检验。198000.0为5次，即新气候态下东北地区暖冬次数变化趋势不再是旧气候态下逐年代增加的趋势-6-8-10-12-14-16-18197000.260E0.4120E180120W60W2000201002020100中国东北地区不同气象要素的极值概率见表2。由表2 可知，新旧气候态下年平均气温、年最高气温和年最低气温大于2 倍标准差出现的概率相同，而年降水量出现极值概率较旧气候态低2%。小于-2倍标准差出现的概率中,年降水量和年最高气温在新旧气候态下出现的极值概率相同，而年最低气温在新气候态较旧气候态高2%。年平均气温差异最显著,新气候态出现的极值概率高16%。综上所述,新气候态下东北地区的极端降水事件减少,极端低温事件增多。表1新旧气候态下197 0 2 0 10 年各年代中国东北地区暖冬次数Table 1The number of interdecadal warm winters from1970 to 2010 in the Northeast China undernew and old climatic states年代20世纪7 0 年代20世纪8 0 年代20世纪90 年代21世纪0 0 年代21世纪10 年代注：旧气候态为198 12 0 10 年，新气候态为19912 0 2 0年，下同。表2 新旧气候态下中国东北地区不同气象要素的极值概率Table 2Probability of extreme values of differentmeteorological elements in the Northeast Chinaunder new and old climatic states概率气候态水量气温气温气温旧气候态22的概率/(%)-2的概率/(%)新气候态3结论与讨论(1)空间分布上，新气候态中国东北地区的春季、秋季和冬季降水距平百分率减小，夏季降水量距平百分率增加；各季节的气温距平减小。(2)时间分布上，除1月、3月、4月和7 月以外的其他月份，新气候态东北地区全年逐月累计降水量均小于旧气候态。除6 月、8 月、9 月、11月和12月以外的其他月份，新气候态东北地区逐月平均气温均大于旧气候态，即东北地区上半年的平均气温距平增大，下半年减小。气象与环境学报（3)新旧气候态中国东北地区冬季的50 0 hPa位势高度差值在南半球高纬度地区为负，其他地区均为正,而夏季的高度场变化较冬季复杂。新气候态下，冬季和夏季印度洋海温均升高，大西洋三极子正位相加强、北太平洋海温升温。此外，新旧气候态大西洋海温差为“负一正一负”的三极型分布，中国东北地区冬季气温偏高。新旧气候态赤道太平洋地区夏季海温差为西正东负，有利于拉尼娜事件发生，中国东北地区的气温偏高。(4)新旧气候态的差异对气候变化和预测有一定影响。需重新分析暖冬（新气候态下暖冬事件减少）和极端天气（新气候态下极端降水事件减少，极端低温事件增多）。另外,东北冷涡是影响中国东北次地区夏季气候的主要因素，但东北冷涡的影响较难旧气候态新气候态0033776675%年降年平均年最高年最低00新气候态0旧气候态00第39卷体现在季节尺度上，其变化需区分初夏和盛夏，后续工作需选用合适指数深人研究。此外，本文仅讨论了新旧气候态对气候变化和预测的部分影响，实际分析中可能发现更多新气候态方面的变化,这也有待于深人研究。参考文献1陈世荣.气候平均值的计算及意义J.海洋预报，1990(4):49-54.2 World Meteorological Organization.Technical regula-tions,Basic documents No.2,Volume 1-General mete-orological standards and recommended practices(2019edition)M.Geneva,Switzerland:World Meteorologi-cal Organization,2019.23 走赵宗慈,罗勇，王绍武，等.全球变暖中的科学问题0062222224J.气象与环境学报,2 0 15,31(1):1-5.4 Ding T,Qian W H,Yan Z W.Changes in hot days andheat waves in China during 1961-2007 J.Interna-tional Journal of Climatology,2010,30(10):1452-1462.5第三次气候变化国家评估报告编写委员会.第三次气候变化国家评估报告 M.北京：科学出版社，2015.6 1IPCC.Climate change 2014:Synthesis 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show that there are clear changes in temperature,precipita-tion,atmospheric circulation and SST field in northeast China under new and old climate states,and the changes ofcirculation and SST field correspond to the changes of temperature and precipitation.Under the new climate state,the precipitation in spring,autumn and winter increases,while in summer it decreases.The average temperature in-creases.The atmospheric circulation field,the high latitude blocking high pressure and the West Pacific Subtropicalhigh pressure increase in winter,and the East Asia trough weakens,corresponding to the increase in winter temper-ature.In summer,the Okhotsk Sea blocking high pressure and the Western Pacific Subtropical High pressure weak-en,which corresponds to the decrease of summer precipitation in Northeast China.As for the SST field,the globalSST is generally increasing,while those in the middle and high latitudes in the southern Hemisphere are decrea-sling.The summer SST difference in the equatorial Pacific region is positive in the west and negative in the east,which is consistent with the rise of temperature in summer in the northeast.Keywords:Climatic average;Climate assessment;Climate changeZHAO Chunyu23LIN Yitong?YYU Yiqiu?ZHANG WeiqisFANG Yihe2.3,4LI Jingwei?