引言

ENSO现象是引起全球气候异常的强信号, 80年代以来人们进行了ENSO与我国气候异常的大量研究, 但主要集中于夏季旱涝、台风和东北低温等的研究^{〔1〕〔2〕}, ENSO对冬季气温的影响研究相对较少.李崇银^[3~5]研究了ENSO与东亚冬季风的相互作用问题, 发现El Niño年冬季风弱, 易发生暖冬, La Niña年冬季风强, 易发生冷冬; 频繁的东亚寒潮活动可激发El Niño的产生.郭艳君等^〔6〕探讨了ENSO对流活动与我国冬季风的关系.陈隆勋等^〔7〕论述了东亚冬季风与ENSO的关系.陶诗言等^〔8〕利用NCEP/NCAR的再分析资料, 分析了El Niño和La Niña冬季的高度场、风场、温度场特征, 发现两者有明显差异.本文研究了ENSO事件影响下的云南冬季气温状况.

ENSO事件选取参照我国ENSO监测小组制定的标准^〔9〕.海温资料取自国家气候中心气候预测室提供的北太平洋月海表水温.由于云南全省范围的气象观测始于1958年前后, 故取云南125站冬季气温 (12月至翌年2月) 平均值作为云南冬季气温的代表, 样本长度为1961~1997年, 共37年.平均值取1961~1990年.这样, 自60年代以来, 共有11次El Niño和8次La Niña事件, El Niño年包括1963、1965、1968 (1969)、1972、1976、1982、1986 (1987)、1991、1993、1994、1997年. La Niña年包括1964、1967、1970 (1971)、1973、1975、1984、1988、1995年, 括号表示ENSO事件持续超过两个冬季, 该年冬季继续受ENSO影响.分别对13个ElNiño和9个La Niña年对应的云南冬季气温进行12月至翌年2月的距平分析并合成.

1 云南冬季气温对ENSO的响应 1.1 ENSO影响下的云南冬季气温异常

将13个El Niño和9个La Niña年冬季的云南气温距平合成, 结果见表 1.

由表 1可见, El Niño年云南冬季气温以正距平为主, 12月至翌年2月正距平站数占全省总站数的百分率分别为91%、86%和65%, 整个冬季为86%.其中以1月正距平最显著, 大于0.5 ℃的站数达55个, 占全省的44%, 整个冬季负距平站数很少.La Niña年云南冬季气温以负距平为主, 12月至翌年2月负距平站所占百分率分别为78%、93%和97%, 整个冬季为95%.其中以2月负距平最明显, 小于-0.5 ℃的站数达60个, 占全省的48%, 整个冬季正距平站数很少.表明El Niño年冬季云南有显著的暖冬气候特征, 相反La Niña年冬季则出现冷冬.暖冬以1月最明显, 冷冬以2月最强.然而ENSO年的云南气温异常在地域分布上有明显差异.图 1为El Niño和La Niña年云南冬季 (12月至翌年2月) 气温的累积距平.

由图 1a可见, 全省除大关、元谋、宁蒗、陇川、施甸等5站为极弱的负距平外, 其余均为正距平区, 其中滇中及以东以南的大部地区, 为大于1 ℃的正距平, 昆明、晋宁、玉溪、宣威、富源、寻甸、师宗、泸西、丘北、砚山、西畴、文山、麻栗坡、马关、蒙自、元阳、个旧、屏边、金平、河口、景洪、勐腊22个县 (市) 较常年偏高1.5 ℃以上, 最大中心在师宗, 达+1.9 ℃.由图 1b可见, 除滇西北为正距平区外, 全省均为负距平区, 主要的偏冷区位于云南东部和南部, 较常年偏低1.0~2.5 ℃, 其中偏低2.0 ℃以上的有昭通、鲁甸、会泽、东川、宣威、沾益、富源、罗平、师宗、泸西、弥勒、开远、屏边、元阳、丘北、广南、富宁、砚山、西畴19个县 (市), 最大值中心位于云南最东部的富宁, 达-2.9 ℃.El Niño和La Niña年云南冬季气温的这种距平分布与云南的特殊地形和冷空气路径是吻合的.云南地形由西北向东南倾斜, 冬半年云南东部主要受昆明准静止锋天气影响, 作为主要气候分界线的哀牢山呈西北-东南走向, 故滇东地区受冷空气影响的次数要比滇西北多得多, 且影响云南的冷空气也主要是从滇东北、滇东、滇东南3条路径影响云南, 所以冷空气的强弱首先在滇东地区体现出来, 故东部地区正 (负) 距平值最大.

1.2 云南冬季气温对赤道东太平洋海温异常的响应

为了反映云南冬季气温与ENSO事件的响应关系, 选用赤道东太平洋180°~90°W, 0°~10°S海域 (Niño C区) 5°×5°的57个格点平均的海表温度距平值 (SSTA) 作为ENSO事件的描述, 与同期云南冬季气温距平 (△T) 进行相关分析, 且用云南17个代表站把云南分成滇东北 (昭通、东川、沾益)、滇东南 (文山、蒙自)、滇中 (昆明、玉溪、楚雄)、滇西北 (丽江、中甸、泸水、大理) 和滇西南 (思茅、景洪、临沧、保山、潞西) 5个区域进行讨论, 结果如表 2.

由表 2可见, 云南冬季气温与赤道东太平洋SSTA呈正相关, 其中以1月和整个冬季的相关较好, 尤以滇东南、滇中和滇西南相关最好.昆明、文山、蒙自、玉溪、楚雄、思茅、景洪、临沧及全省平均, 冬季相关均通过了0.05的信度检验.表明赤道东太平洋海温偏高 (对应El Niño事件), 云南冬季气温偏高, 赤道东太平洋海温偏低 (对应La Niña事件), 云南冬季气温偏低.滇西北冬季气温与赤道东太平洋SSTA的关系相对较差, 在2月甚至出现弱的反相关.

由于昆明冬季气温有较好的代表性, 1月昆明气温距平与云南冬季气温距平相关系数达0.91, 故为了反映赤道东太平洋SSTA变化对云南冬季气温的影响, 给出1950~1997年冬季昆明11月至翌年2月日平均气温小于5 ℃的日数 (表 3), 以分辨出El Niño和La Niña的影响.由表 3可见, 48个冬季中昆明共出现了405天日平均温度低于5 ℃的天气, 平均每年8.4天, 11个La Niña年冬季共出现了137天, 平均为12.5天, 而El Niño年平均仅为7.0天, 相差5.5天, 其中以1950~1970年的La Niña年低温日数最多, 尤以1975年最盛, 低温达25天.而1997、1986、1972年3次强El Niño年低温日数仅有1天.同时, 也出现了象1982年强El Niño年而低温明显的反例, 表明ENSO不是影响云南冬季气温变化的唯一因素.进入80年代, 由于全球、中国及云南气候处于一个偏暖期的大尺度背景之下, 加之La Niña强度偏弱 (1988年除外), 故La Niña年的冷冬气候不明显, 造成自1993年起云南持续5年的暖冬.

表 4给出ENSO年云南5个区域及全省125站1961~1997年平均冬季气温序列的冷暖分布, 规定冬季气温距平△T≤-0.5 ℃为冷冬, △T≥0.5 ℃为暖冬, -0.5 < △T   0.5为正常.从表 4可知, 13个El Niño年中, 云南冬季气温以暖冬和正距平反映的正常年为主, 全省正距平概率为69%, 即1965/1966、1968/1969、1972/1973、1986/1987、1993/1994、1997/1998年的6年为暖冬年, 1976/1977、1982/1983、1991/1992年为冷冬年.9个La Niña年中, 云南冬季气候以冷冬和负距平为特征的正常年为主, 负距平概率为78%, 即1967/1968、1970/1971、1973/1974、1975/1976年全省出现了冷冬, 1964/1965、1971/1972、1995/1996年全省出现负距平, 但各站间有差别.在La Niña年全省很少出现暖冬, 个别站1988/1989年和1995/1996年两次出现暖冬, 这与80年代后由于城市发展造成观测环境破坏气温升高有关.造成近年来La Niña年云南冬季降温不明显, 除La Niña强度本身偏弱, 城市化造成冬季气温偏高外, 还与东亚冬季风强度的年代际变化密切相关, 研究表明, 1960~1978年东亚冬季风处于强盛阶段, 1979~1998年东亚冬季风处于衰弱期, 而冬季风的强弱又与云南冬季气温有较好的对应关系, 故1980~1990年的几次La Niña年冷冬不明显.

1.3 上一年赤道东太平洋SSTA异常与冬季云南气温的关系

为了寻找云南冬季气温异常的前期强信号, 揭示赤道东太平洋SSTA异常对冬季云南气温造成的影响, 制作了上一年逐月Niño C区SSTA与次年云南1月的气温距平△T的相关系数 (表 5).

表 5中相关系数大于0.32和0.41者, 通过了0.05和0.01的信度检验.可见, 就全省而言, 上一年7~12月的SSTA与次年1月△T有显著的正相关, 表明从夏到秋到冬季变化中.若赤道东太平洋出现异常的正 (负) 海温距平, 则云南冬季1月气温偏高 (低).表明可利用海温的变化来预测云南冬季气温, 同时看出这种对应关系有明显的地区差别, 正相关较好的站是昆明、玉溪、蒙自、文山、楚雄、思茅、景洪、临沧、保山、潞西等滇中及以南地区, 而滇东北和滇西北则相对较差.

1.4 1997/1998与1998/1999年云南冬季气温实况

1997年4月至1998年6月, 在赤道东太平洋地区发生了本世纪最强的一次El Niño事件, 在此大背景影响下, 云南1997/1998年冬季出现了最强的暖冬现象, 全省125站平均冬季气温较常年偏高1.3 ℃, △T≥0.5 ℃的有104站, 占全省的83%;正距平118站, 占全省的94%, 其中24站偏高2.0 ℃以上, 占全省的19%.冬季仅在1997年12月8日出现一次寒潮天气, 较常年偏少5次左右.

1998年10月在赤道中东太平洋地区形成La Niña事件, 1998年12月至1999年1月达到盛期, 受其影响, 云南1998/1999年冬季气温出现异常.整个冬季呈现暖冬趋势, 全省125站平均冬季气温较常年偏高1.5 ℃, 较1997/1998年还偏暖0.2 ℃.全省△T≥0.5 ℃的有116站, 占全省的93%, 其中31站偏高2 ℃以上, 占全省的25%.尽管1998/1999年冬季云南出现强暖冬, 但其中气温起伏波动明显, 其冬季平均气温超过1997/1998年, 主要是由于1999年2月绝大多数站出现了破记录的高温干旱天气, 气温较常年偏高3 ℃左右, 部分地区达4~5 ℃, 掩盖了1月的低温寒冷天气.事实上1998/1999年冬季云南出现了4次日平均温度低于5 ℃的强冷空气过程, 除12月11日外, 其余3次均集中于1999年1月上中旬, 两次出现了降雪天气, 特别是1月11日, 滇中及以东地区有37县普降大到暴雪, 降雪时间持续24~36 h, 平均积雪深度达30 cm, 是自1983年后云南最大的一次降雪, 最低气温平均在-2~-17 ℃之间.在四季如春的云贵高原短时间内出现3次强冷空气且伴有暴雪是非常罕见的, 对当地的工农业生产、交通运输、花卉等产生了极大的影响.所以, 1998/1999年的云南冬季气候是伴有“冷冬”成分的暖冬.

2 云南ENSO年冬季气温异常的解释

许多研究^{[3~5][8][10~12]}表明, El Niño (La Niña) 年冬季东亚大槽偏弱 (强), 高空锋区位置偏北 (南), 不 (有) 利于寒潮向南暴发, 冬季风偏弱 (强), 中国东部地区气温较常年偏高 (低), 易出现暖 (冷) 冬.在El Niño (La Niña) 年, 赤道东太平洋的正 (负) SSTA不仅使北半球平均的Hadley环流增强 (减弱), 还使得中纬度的Ferrel反环流增强 (减弱), 因此, 在35°~65°N, El Niño (La Niña) 年冬季将出现明显的南 (北) 风异常及向北 (南) 的热量 (冷平流) 输送.图 2给出了1980年以来5个El Niño年和5个La Niña年冬季500 hPa高度距平合成图^[8].可看出, ENSO的暖期 (El Niño) 和冷期 (La Niña) 冬季亚欧上空500 hPa高度距平分布明显相反.正常年500 hPa高度场在中高纬度50°~60°E为高压脊 (乌拉尔山高压脊), 140°~160°E为低压槽 (东亚大槽).在El Niño年, 60°E为负距平、东亚大陆和西太平洋地区为正距平, 表明乌拉尔山高压脊偏弱, 东亚大槽偏弱, 不利于寒潮暴发.在La Niña年, 60°E为正距平, 东亚大陆及西太平洋地区为负距平, 表明东亚大槽强度较常年偏强, 有利于寒潮活动.从500 hPa温度距平看 (图略), El Niño年冬季, 东亚中高纬度为温度正距平, 表明冬季东亚寒潮偏弱, 东亚地区温度相对偏高, La Niña年冬季, 东亚中高纬度为温度负距平, 表明冬季东亚寒潮偏强, 东亚地区温度相对偏低.从El Niño和La Niña期间的850 hPa风场距平合成分布图 (图略) 也可看出, El Niño年冬季, 从欧亚大陆到东亚沿海出现偏南风距平, La Niña年则出现偏北风距平, 同样表明El Niño (La Niña) 年冬季南风 (北风) 偏强, 东亚寒潮活动较弱 (强).El Niña年冬季的环流特征与La Niña年有显著差异.云南虽地处低纬高原, 位置相对偏南偏西, 但冬季主要受东亚冬季风和来自印度北部干暖气团的影响, 因此, 东亚冬季风的强弱是制约云南冬季气温的决定因素.冬季风强, 云南气温偏低, 冬季风弱, 云南气温偏高, 而El Niño (La Niña) 是造成东亚冬季风偏弱 (强) 的主要原因, 且El Niño (La Niña) 年冷空气路径偏东 (西), 因此, 可认为El Niño (La Niña) 是造成云南冬季气温高 (低) 的一个强信号和主要原因, 但不是决定气温高 (低) 的唯一因素.例如, 1982/1983年的强El Niño事件, 云南冬季出现了罕见的冷冬天气, 另外云南在非La Niña年也出现了冷冬, 如1961/1962、1962/1963年, 表明除ENSO外, 还有诸如西太平洋副高变化等其它因素起作用, 值得进一步深入研究.同时, 由于受云南南北向地形的影响, 冬季风影响最显著的区域主要集中于滇东、滇中和滇南, 而滇西和滇西北影响相对较小.

3 结论

(1) El Niño (La Niña) 年冬季云南气温以正 (负) 距平为主要特征, 其中12月至翌年2月各月和整个冬季的正 (负) 距平站数百分率为91%、86%、65%和86% (78%、93%、97%和95%), 存在明显的暖 (冷) 冬气候特征, 并有显著的地域分布差异, 强正 (负) 距平区位于滇东及滇南地区, 冬季累积气温距平达+ 1.0 ℃ (-1.0 ℃) 以上, 而滇西北和滇西地区相对较弱, La Niña年滇西北甚至可出现正距平区.

(2) El Niño (La Niña) 年昆明冬季 (11月至翌年2月) 低温日数平均为7.0 (12.5) 天, 较常年少1.4 (多4.1) 天.强El Niño年最少仅1天, 强La Niña年最多可达25天, 表现出暖 (冷) 冬特征.

(3) 在El Niño (La Niña) 影响下, 云南冬季气候以暖 (冷) 冬和正 (负) 距平为特征的正常年景为主, 正 (负) 距平概率高达69% (78%), 较少 (很少) 出现冷 (暖) 冬.

(4) 云南大部地区冬季气温距平与赤道东太平洋同期SSTA呈显著的正相关, 与上一年逐月SSTA大部分月份也呈显著的正相关, 表明赤道东太平洋海温的冷暖变化对云南冬季气温有很好的指示作用, ENSO可视为一个强信号因子在短期气候预测中应用.

(5) 在El Niño (La Niña) 影响下, 东亚冬季风偏弱 (强) 是形成云南冬季气温偏高 (低) 的主要原因.但ENSO并非是影响云南冬季气温的唯一因素.