政府间气候变化专门委员会(IPCC)第5次评估报告指出，气候变暖是毋庸置疑的，全球海陆表面平均温度在1880—2012年呈线性上升趋势，升高幅度为0.85℃(IPCC，2013)。海表温度作为气候系统的基本物理参数，表征了海洋热力、动力过程以及海洋与大气相互作用的综合结果，可以用来监测由于海洋的强热惯性产生的气候变化(鲍献文等，2002)。观测表明，自1961年以来全球海洋平均温度的升高已延伸到至少3000 m深度，海洋区域变暖速度要快于陆地(廖宏等，2010)。全球海表温度自19世纪后期一直成升高趋势，从20世纪八九十年代开始升高趋势达到最大(Belkin，2009; Lin et al，2001; 张秀芝等，2005)。Deser等(2010)利用多种海表温度资料综合分析了20世纪以来海表温度的变化趋势，发现各种资料所表现出的海表温度变化趋势基本一致，除了北大西洋中部表现为降温趋势外，其他区域的海表温度都呈现升高趋势，其中最大的升温区主要位于中国近海、南印度洋和热带大西洋西部(张锦婷等，2010; Wu et al，2012)。

中国近海包括渤海、黄海、东海和南海，是西北太平洋的边缘海，自北向南成带状分布，跨越了温带、亚热带和热带(蔡榕硕等，2011)。在过去几十年中，中国近海海表温度呈现长期升高趋势(Lin et al，2001; 张秀芝等，2005; Belkin，2009; Deser et al，2010; Wu et al，2012)。冯琳等(2009)发现中国东海海表温度具有明显的长期升高趋势，其中海表温度变化的最大区域从福建和浙江两省沿岸向东北方向扩展。不少研究还指出，中国近海冬季升温相比于其他季节要强(蔡榕硕等，2011；Liu et al，2013)。

海表温度变化对天气气候有重要影响。已有大量研究表明，海盆尺度的海表温度变化对中国的天气气候具有重要影响，特别是热带中东太平洋、热带印度洋以及西太平洋暖池海表温度异常的作用显得尤为重要(李建平等，2013；李永华等，2012；彭京备，2012；曲金华等，2006；Wang et al，2013)。西北太平洋海表温度的长期变化对中国夏季降水存在影响，西北太平洋海表温度升高减小了海-陆温度差异，夏季风变弱，有利于中国华南地区降水增多(Wu et al，2008；张人禾等，2008；Han et al，2009)。除了海盆尺度的海表温度变化对中国天气气候存在影响外，也有研究表明，中国近海海表温度的年际变化也对中国夏季降水存在影响(邓立平等，2002；张云瑾等，2008；马慧等，2009)。蔡榕硕等(2011，2012)研究表明，中国东海海表温度近30年具有明显的年际变化，并对长江中下游、江淮地区夏季降水存在影响，当中国东海及邻近海域为暖(冷)异常时，长江中下游、江淮地区夏季降水减少(增多)。通常情况下冬季降水异常可能不会像东亚夏季降水那样引起巨大的洪涝灾害，但近年来有关中国南方冬季降水异常也日益受到人们的关注，例如发生在2008年冬季中国南方的冰冻雨雪天气。异常偏多的冬季降水往往以冻雨或雪的形式出现，不仅给人们出行带来不便，甚至可能威胁人们的生命安全；而异常偏少的冬季降水也能导致干旱，不利于农作物过冬，给农业生产带来严重影响(李崇银等，2008；王遵娅等，2008；Wen et al，2009)。

本研究首先分析中国近海冬季海表温度的长期变化特征，再重点分析近海冬季海表温度的长期升高与中国降水的关系。最后，利用全球大气环流模式(CAM5.1)模拟冬季近海长期升温对中国降水的影响，进一步验证观测结果。

2 资 料

使用的资料有

(1)英国国家气象局哈得来中心提供的月平均海表温度资料(HadISST)(Rayner et al，2003)，水平分辨率为1°×1°；

(2)中国国家气候中心提供的全国160个站的逐月降水资料；

(3)欧洲中心提供的ERA-40和ERA-Interim两种再分析资料(Uppala et al，2005; Dee et al，2011)，水平分辨率均为2.5°×2.5°；

(4)GPCP2.1月平均降水资料(Adler et al，2003)，水平分辨率为2.5°×2.5°。

HadISST海表温度资料和160站逐月降水资料时段取为1962—2011年。为了与海表温度资料保持一致，再分析资料中1962—2001年采用ERA-40资料，而2002—2011年则采用ERA-Interim资料。 3 冬季海表温度的长期升高趋势

图 1给出了1962—2011年全球和中国近海冬季(12月—次年2月)海表温度变化趋势的空间分布，可见近50年(1962—2011年)全球海表温度在冬季整体呈现升高趋势。其中，中国近海、大西洋西部海区、印度洋南部海区的升高趋势最为明显，最大值达4.5℃/(100 a)以上，这与Deser等(2010)得到的结果一致。表 1给出了冬季全球海区和海表温度升高较明显的几个海区在不同时段海表温度的变化趋势。近50年(1962—2011年)中国近海为全球冬季海表温度明显升高的主要区域之一，近26年(1983—2008年)中国近海不但相对表中的几个海区海表温度升高趋势较为明显，相对本身近50年的海表温度升高趋势也有所增强。可见中国近海为全球冬季海表温度升高的主要区域之一。在冬季，整个近海海区全部呈现升温趋势，中国东海海区升温十分明显，其中，浙江、福建沿岸的海表温度升高趋势最为显著，超过5.5℃/(100 a)(图 1b)。

图 1 近50年冬季海表温度变化趋势(填色，℃/(100 a))的空间分布 (a．全球，b．中国近海)Fig. 1 Linear trends of the winter SST during the past 50 years(shading，℃/(100 a)) (a．globe，b．marginal seas of China)

图选项

综上可知，近50年中国近海冬季海表温度的升高十分明显。以往的研究已注意到近海海表温度年际异常对中国夏季气候变化有重要影响(蔡榕硕等，2012)，海表温度异常通过影响季风环流从而对中国夏季降水产生影响(闵锦忠等，2000)。那么，中国近海冬季海表温度的长期升高与同期冬季中国降水是否存在很好的关系？ 4 近海海表温度的长期升高趋势与中国降水的关系

图 2分别给出了近50年中国近海冬季海表温度标准化距平场(SSTA)经验正交函数(EOF)展开后第1模态的空间分布和时间序列，其方差贡献为60.26%，表征了中国近海冬季海表温度的主要变化特征。第1模态空间场(图 2a)表现为全海域位相一致，表明整个近海海区的冬季海表温度为同步变化，大值中心位于东海海区至台湾海峡以及中国南海北部地区。结合第1模态时间系数(图 2b)的变化可知，冬季整个近海区域的SSTA具有明显统一的长期升高趋势。

图 2 1962—2011年中国近海冬季海表温度标准化距平场的经验正交函数分解第1模态 (a．空间分布，b．时间系数)Fig. 2 First EOF mode of the winter SSTA over the marginal seas during 1962-2011 (a．spatial pattern，b. time series)

图选项

由于整个近海海域表现出一致的长期升温趋势(图 2)，此处对中国近海海域冬季海表温度标准化距平进行区域平均，构建了一个中国近海冬季海表温度长期变化序列(图 3)。区域平均的海表温度长期变化序列与海表温度经验正交函数分解第1模态的时间序列有很强的一致性，相关系数达0.95。此外，还可见中国近海冬季海表温度除了呈现显著的长期升高趋势外，也具有明显的年际变化。

图 3 1962—2011年冬季中国近海海域区域平均海表温度距平时间序列(直方图，℃)及其线性变化趋势(黑色实线)Fig. 3 Time series of the area-averaged SSTA(histogram，℃)over the marginal seas in winter and its linear trend(black solid line)during 1962-2011

图选项

图 4a、b分别给出了1962—2011 年冬季降水和850 hPa风场回归到同期冬季中国近海海表温度长期变化序列(图 3中直方图)的回归场。由图 4a中可以看到，中国大部分地区的回归系数为正值，其中长江中下游及以南地区的正回归系数最为显著(通过0.05的信度检验)，表明随着中国近海冬季海表温度的升高，该地区冬季降水也会增多，即冬季中国近海的长期升温趋势与该地区冬季降水的增加有着很好的对应关系。从冬季850 hPa回归风场上来看(图 4b)，中国东部地区整体上出现偏南风异常，其中，30°N附近的南方地区存在明显的气旋式环流异常(通过0.05的信度检验)，有利于水汽的输送和辐合以及长江中下游地区的降水增加。

图 4 冬季降水(a、c，mm)和850 hPa风场(b、d，m/s)分别回归到同期冬季中国近海海表温度长期变化(a、b)、线性变化趋势(c、d)序列的回归场 (a、c中的灰色点区及b、d中的阴影区域通过0.05的信度检验)Fig. 4 Precipitation(a，c，mm) and 850 hPa wind(b，d，m/s)regression coefficients against long-term variation(a，b) and the linear trend(c，d)of the winter SST over marginal seas (a，c: grey stipples denote the values being significant at the confidence level of 0.05; b，d: shaded areas denote the values being significant at the confidence level of 0.05)

图选项

为了进一步验证中国近海冬季海表温度的长期升高与中国降水的关系，图 4c、d给出1962—2011年冬季降水和850 hPa风场回归到同期冬季中国近海海表温度线性变化趋势(图 3中黑色实线)的回归场。由图 4c可见，长江中下游地区正回归系数最为显著(通过0.05的信度检验)，即近海海表温度的线性升高趋势同该地区冬季降水的增多具有很好的对应关系，同样对应冬季850 hPa回归风场上(图 4d)，中国东部地区同样出现较强的偏南风异常，并且在30°N附近的南方地区存在明显的气旋式环流异常(通过0.05的信度检验)。以上结果表明，中国近海冬季海表温度的长期升高确实与中国东部地区对流层低层风场和降水变化密切联系。

为了更好地理解中国近海冬季海表温度长期升高趋势与同期东亚大气环流变化的关系，图 5给出了冬季气温和经向风分别回归到同期冬季近海海表温度长期变化和线性趋势序列的回归场沿25°N的高度-经度剖面。由图 5a可知，对应于中国近海海表温度的长期升高，近海上空对流层低层大气明显变暖，并形成了明显的纬向温度梯度，且该纬向温度梯度正好对应于中国东部地区850 hPa风场上的南风异常。图 5下方同时也分别给出了925 hPa的纬向气温梯度和850与1000 hPa两层等压面上经向风之差。由图 5a下方小图可知，925 hPa的纬向气温梯度和850与1000 hPa经向风垂直差值呈现很好的对应关系，当纬向温度梯度增大时，对应有南风随高度的增大，反之亦然。这种对流层低层纬向温度梯度与经向风随高度变化的关系可以很好地用热成风关系来解释，进一步表明了中国沿海对流层低层偏南风分量的出现确实与海表温度升高引起的对流层低层纬向温度梯度增大有关。在冬季中国近海海表温度的线性升高趋势下，对流层温度梯度的增大和经向风随高度变化的关系与长期变化情况类似(图 5b)，海表温度线性升高趋势所引起的经向风变化虽然稍强于长期变化，但总的分布特征是一致的。

图 5 冬季气温(等值线，℃)和经向风(阴影，m/s)分别回归到同期冬季近海海表温度的长期变化(a)和线性趋势(b)序列上的回归场沿25°N的高度-经度剖面(下方小图为冬季的925 hPa的纬向气温梯度(实线，℃/m)和850与1000 hPa(850 hPa减1000 hPa)经向风回归值的差值(虚线，m/s))Fig. 5 Vertical cross-sections of air temperature(contours; ℃) and meridional wind(shaded; m/s)regression coefficients along 25°N against the long-term variation(a) and the linear trend(b)of the winter SST over the marginal seas(Correspondingly，lower panels refer to the zonal gradients of air temperature at 925 hPa(solid; ℃/m) and the meridional wind differences(dashed; m/s)between 850 hPa and 1000 hPa based on their regression coefficients)

图选项

综合上面的分析，中国近海冬季海表温度的长期升高与中国降水的增加有较好的对应关系，冬季海表温度的长期升高伴随着中国长江中下游及以南地区冬季降水的增多。中国近海变暖可通过影响对流层低层东西向的大气热力差异，进而影响大气低层环流从而对中国南方降水产生影响。5 数值模拟

上述分析表明，冬季中国近海的长期变暖与中国长江中下游大部分地区的冬季降水增多存在显著的关系。在此利用美国国家大气研究中心(NCAR)最新发布的全球大气环流模式(CAM5.1)通过设计海表温度长期升高的理想试验，探讨中国近海冬季海表温度长期升高对冬季东亚大气环流和降水的影响。 5.1 模式和试验方案

采用的模式CAM5.1为通用地球系统模式(CESM1.0.3)的大气模块，由NCAR于2011年下半年对外发布，既可与其他模式(如陆面、海洋模式等)耦合使用，也可以单独模拟大气环流的变化。模式在垂直方向上采用σ-p混合坐标系，共分30层，模式层顶为3.643 hPa(Neale et al，2010)。文中选取1.9°×2.5°水平分辨率，全球范围内共144(纬向)×96(经向)个网格点。在模式运行过程中采用1850—2010年的逐年月平均海表温度资料作为海洋边界条件，该资料是HadISST1与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)海表温度资料(OISST)的融合资料(Hurrell et al，2008)。模式从1981年1月积分至2010年12月共30年，取后25年的模拟结果进行分析。为了研究中国近海海表温度的长期升高对中国降水的影响，设计了两个数值试验，即一个控制试验和一个理想试验。

控制试验(气候态海表温度试验)：模式运行过程中海表温度采用多年平均的气候态海表温度，即在模式积分过程中只包含了海表温度的季节变化，没有海表温度的年际以及长期变化趋势。

理想试验(近海海表温度长期升高试验)：将控制试验中1986—2010年中国近海海区的月平均海表温度用该时段内的实际海表温度替代，并人为去掉实际海表温度的年际变化，同时增加该地区内的海表温度长期变化趋势，即将趋势值在实际趋势的基础上增大0.015℃/a。图 6中的红色格点为海表温度的替换范围，替换区与非替换区之间采用线性缓变处理，其他区域则仍采用气候态海表温度。因此，理想试验与控制试验的差值表示中国近海海表温度的长期变暖对中国气候的影响。

图 6 理想试验中替换海表温度数据格点的分布Fig. 6 Spatial distribution of the SST-replaced grid points in the idealized experiment

图选项

首先，为了验证CAM5.1模式对东亚冬季大气环流和降水的模拟能力，将控制试验中冬季850 hPa风场和降水场与ERA-Interim中的风场和GPCP降水场进行比较(图 7)。可见控制试验中850 hPa风场和降水场的分布与观测一致。冬季东亚地区25°N以北对流层低层盛行西北风，而25°N以南则转为东北风，冬季降水主要集中在长江中下游及其以南地区。但是不难发现，CAM5.1模拟的东亚冬季雨带的位置相比观测要偏北，使得中国华南地区的冬季降水偏少。总体上，CAM5.1还是能够较好地模拟出东亚地区冬季大气环流和降水的分布。

图 7 1986—2005年冬季平均850 hPa风场(矢线)和降水场(阴影) (a．ERA-Interim和GPCP，b．控制试验)Fig. 7 850 hPa winds(vector) and surface precipitation(shading)in the borel winter averaged over 1986-2005 (a．ERA-Interim and GPCP，b．Model control experiment)

图选项

图 8为1986—2010年冬季平均的850 hPa风场、降水和海表温度的差值分布(理想试验减控制试验)。可清楚看出，中国东部地区总体上表现出了明显的偏南风异常，在30°N附近的南方地区还出现了气旋式差值环流，对应中国长江中下游地区降水偏多。这与之前通过观测资料得到的结论吻合(图 4c)。模拟得到的降水异常区域相对观测略偏北，这可能与CAM5.1模式模拟的东亚冬季平均降水相对偏北有关。总体上，数值模式的结果进一步验证了中国近海冬季海表温度的长期升高会引起东亚地区冬季大气对流层低层环流场的改变，进而影响中国长江中下游地区的冬季降水。

图 8 1986—2010年冬季平均的理想试验与控制试验的850 hPa风场(矢线)、降水场(阴影)的差值场 (图中也给出了两个试验海表温度的差值(等值线，℃))Fig. 8 Differences of 850 hPa winds(vector) and precipitation(shading)in the borel winter between the idealized and control experiments，averaged over 1986-2010 (Corresponding differences in SST between idealized and control experiments are also plotted in contours(℃))

图选项

分析了中国近海冬季海表温度的长期升高对中国冬季降水的影响，并利用全球大气环流模式CAM5.1对观测结果进行了验证，结果表明：

(1)近50年(1962—2011年)中国近海冬季海表温度呈现明显的升高趋势，其中东海海区升温最为显著，浙江、福建沿岸海区的海表温度升高趋势最大，趋势最大值可超过5.5℃/(100 a)。

(2)冬季中国近海海表温度的长期升高与同期冬季中国降水的增多有较好的对应关系，伴随冬季中国近海海表温度的长期升高，在中国东部地区上空对流层低层出现偏南风异常，其中在30°N附近的长江中下游及以南地区出现气旋式环流异常，有利于水汽的输送和辐合，有利于该地区的降水增多。

(3)CAM5.1很好地再现了中国近海海表温度的长期升高对中国冬季降水的影响。通过一个控制试验和一个中国近海海表温度长期升高的理想试验，模拟了中国近海海表温度的长期升高对东亚大气环流和中国降水的影响，模式模拟结果与观测一致，表明中国近海冬季海表温度的长期升高确实对中国冬季长江中下游及以南地区的降水存在影响。

值得指出的是，中国近海冬季海表温度除了呈现明显的长期升高外，同时也具有显著的年际变化特征。近海海温的年际变化与中国冬季降水以及对流层低层环流的关系，所得结果同海温长期升高与冬季降水以及对流层低层环流的关系的研究结果一致。这也表明，中国近海冬季海表温度的变化在不同的时间尺度上(年际和长期变化)对中国南方降水都存在影响。