在全球气候变暖的背景下, 我国气候也出现了明显的变暖趋势, 其中以北方冬季增暖最为突出^[1-10]。暖冬带来的影响是全方位的, 不仅影响人类健康和日常生活, 而且对经济活动、农业生产和生态环境也造成直接或间接的影响。冬季平均气温偏高是暖冬的总体特征。

有关研究和现有的气象业务对于暖冬没有恰当定义和统一标准, 习惯上认为冬季平均地面气温距平值不低于0 ℃或0.5 ℃即为暖冬。缪启龙等^[11]采用冬季3个月中有两个月达到暖冬月 (月平均气温距平不低于1.5 ℃) 标准或冬季3个月中或虽只有1个月达到暖冬月标准, 但其他月份距平值均为正, 则定义该年为暖冬年。王凌等^[12]采用三分位方法, 将冬季平均气温序列划分为等概率的偏高、正常和偏低3类气候事件, 相应得到偏冷、偏暖的气候边界阈值, 以偏暖阈值0.43σ (σ为标准差) 定义为单站暖冬的阈值。对于异常暖冬, 研究者采用了多种标准, 如周自江等^[13]对全国冬季平均气温序列采用距平值不低于1.0 ℃来判断异常暖冬, 龚道溢等^[14]以全国冬季平均气温距平达到1.3σ判断异常暖冬, 国家气候中心业务中则采用WMO的标准, 以距平达到2倍标准差 (2σ) 为异常偏暖标准。

气候平均值的更新 (原为1961—1990年30年平均值, 2001年后改为1971—2000年30年平均值) 和暖冬判别标准的不统一, 使得统计分析结果有较大差异。此外, 气温的年际和季节内的波动以及人们直观感觉的差异等, 引发了学术界争议和公众疑义。为此, 制定统一的、适用于全国的暖冬定义及其等级划分方法, 并采用这些方法分析我国过去半个多世纪暖冬气候事件频率和强度的变化规律, 具有一定实用价值。

本文依据中华人民共和国国家标准《暖冬等级》^[15], 给出单站、区域和全国暖冬的定义及其等级划分方法。在此基础上, 分析我国1952—2007年暖冬事件的时间变化趋势。

资料采用国家气象信息中心整编的全国630站1951—2007年月平均气温数据, 该资料经过质量控制和均一化订正。选取574个序列长度在30年以上的站点, 按气候特征和地理位置将全国划分为8个区域, 分别为东北、华北、西北东部、西北西部、长江中下游、华南、西南和青藏高原。

以上年12月至当年2月为冬季 (如2007年冬季为2006年12月—2007年2月), 计算各站1952—2007年冬季平均气温及其距平。气候平均值统一取1971—2000年30年平均。在此基础上, 计算单站、区域和全国逐年暖冬指数, 并计算这些指数的线性趋势以及指数与时间序列号的相关系数, 后者也称为趋势系数。采用t-检验方法检验趋势的显著性水平^[16]。

暖冬事件在空间上分为单站、区域、全国3个范围等级。为反映暖冬程度, 在强度上划分为弱暖冬 (暖冬)、强暖冬两个等级。单站暖冬指标 (阈值) 采用三分位方法确定, 所得到的结果在空间和时间上具有可比性。单站暖冬是区域和全国暖冬划定的基础。区域暖冬采用暖冬站数百分比界定; 全国暖冬采用暖冬面积百分比界定。

一般认为冬季平均气温服从正态分布, 将其概率密度平均划分为3等份 (即三分位), 发生概率均为33.3%, 相应得到偏冷、偏暖的气候边界阈值分别为-0.43σ和0.43σ, 将偏暖阈值 (0.43σ) 定义为单站暖冬阈值。当某站冬季平均气温距平 (ΔT) 大于等于其标准差的0.43倍, 即为暖冬; 强暖冬属于暖冬事件中的极端 (异常) 气候事件, 本文取发生概率为10%, 其阈值界定为1.29σ。据此, 单站弱暖冬界定标准为0.43σ≤ΔT < 1.29σ; 强暖冬标准为ΔT≥1.29σ。

定义冬季平均气温距平与暖冬阈值之差为单站暖冬指数 (I_Ws, 单位: ℃), 它以温度值来反映站点的暖冬强度。

区域指所选定的任意区域, 如行政区、流域 (如淮河流域)、气候区等。区域暖冬及其等级划分采用区域内暖冬站数百分比界定。

定义区域内暖冬站数占站点总数的百分比为区域暖冬指数 (I_Wa)。区域暖冬指数通过暖冬站数反映其暖冬强度。若I_Wa≥50%, 即为区域暖冬; 在区域暖冬年, 区域范围内强暖冬站数与暖冬站数百分比≥50%, 即为区域强暖冬。

全国暖冬采用暖冬面积百分比界定。将全国范围按2.0 °×2.0°经纬度格距划分网格。某一有效网格 (落有站点的网格) 面积 (S_g) 计算公式为:

(1)

式 (1) 中, x_grid, y_grid分别为经纬度格距, S_e为赤道地区1.0 °×1.0 °网格近似面积 (110.0 km×111.0 km), Φ 为网格中心点纬度。

某一有效网格暖冬面积 (S _Wg) 计算公式为:

(2)

式 (2) 中, A_D为有效网格暖冬面积权重系数, 即该有效网格内暖冬站数与其内站点总数之比。

累计全部有效网格面积, 得到全国有效面积 (S_En); 累计全部有效网格暖冬面积, 得到全国暖冬面积 (S_Wn)。

将全国暖冬面积与全国有效面积之比定义为全国暖冬指数 (I_Wn)。全国暖冬指数通过暖冬面积反映其暖冬强度。若I_Wn≥50%, 则确定为全国暖冬; 在全国暖冬年, 如果全国强暖冬面积超过全国暖冬面积的50%, 则确定为全国强暖冬。

图 1给出我国1952—2007年期间单站暖冬指数线性趋势等值线分布。可见, 我国绝大部分站点暖冬指数 (I_Ws) 呈显著上升趋势, 仅四川东部、重庆、贵州、云南北部和东南部、西藏北部、青海东部和西南部等局部地区I_Ws上升趋势不明显, 其中四川盆地东部、青海东部一些站点存在下降趋势。从I_Ws升幅来看, 北方大于南方, 多在0.3~0.5 ℃ /10 a, 升幅最大的区域在黑龙江中北部、吉林南部、河北东北部、内蒙古中部、新疆北部和东部, 线性趋势达到0.5~0.8 ℃ /10 a; 南方地区I_Ws升幅小且较均一, 一般在0.1~0.3 ℃ /10 a之间, 仅浙江东部、湖北东部、海南西部、云南南部升幅达到0.3 ℃ /10 a以上。北方I_Ws增幅大, 表明近50多年冬暖程度明显趋强。

图 1

图 1. 单站暖冬指数线性趋势分布 (单位: ℃/ 10 a) Fig 1. Linear trends of warm winter indices for stations (unit : ℃/ 10 a)

从年代际变化来看, 20世纪50—70年代我国暖冬主要出现在南方, 北方各区很少出现 (表 1)。相对而言, 50年代华南和西南区暖冬频率较高, 60—70年代暖冬主要出现在华南和长江中下游地区。80年代青藏高原暖冬频率最高, 但北方各区暖冬开始增多。90年代除青藏高原暖冬较80年代减少外, 其余各区域均明显增加, 东北和华北区暖冬频率高达80%, 为各区中最多。2001—2007年西南和青藏高原暖冬频率增长极快, 并且连续7年暖冬, 而东北和华北暖冬频率较20世纪90年代有所减少。总体来看, 东北和华北区表现为“降-升-降”的变化特征, 西北东部和西部区为持续上升, 长江中下游和华南区表现为“升-降-升”的变化特征, 西南区为“降-升”态势, 青藏高原则为“降-升-降-升”的变化特征。

表 1

表 1 各区不同年代暖冬频率比较 (单位:%) Table 1 Frequency of warm winter events for regions and decades (unit :%)

表 1 各区不同年代暖冬频率比较 (单位:%) Table 1 Frequency of warm winter events for regions and decades (unit :%)

以1986年为界, 分别统计前后两个时段各区域暖冬频率 (图 2)。前期8个区域较少出现暖冬, 其中北方区域暖冬频率不到10%, 西北 (包括东部和西部) 仅出现1次; 南方各区暖冬频率在20%左右, 华南区最大, 接近30%。后期各区域暖冬年大为增加, 暖冬频率均达到45%以上, 北方各区增加尤其显著, 其中东北和华北两区22年中出现14个暖冬, 暖冬频率为64%。前后两个时段对比还发现, 1986年之前南方各区暖冬频率明显高于北方, 而之后北方略高于南方; 华南区在前一时段暖冬频率为各区最高, 后一阶段则为各区最低。

图 2

图 2. 1952—1985年和1986— 2007年各区域暖冬频率比较 Fig 2. Comparison of regional warm winter frequencies between 1952— 1985 and 1986— 2007 for the eight regions

区域暖冬的时空变化特征与我国冬季温度变化是一致的。20世纪80年代中期之前全国一致偏冷, 而其后普遍升温, 北方地区近20多年冬季升温幅度最大, 南方地区升幅较小, 西南、华南有降温的趋势^[17-18]。对两个时段冬季平均气温距平不低于0.5 ℃的年份统计也可以看出 (图 3), 前一时段南方各区明显偏暖的年份多于北方, 相应暖冬几率较北方高, 以华南区最为突出; 而后一时段则相反。近20年各区域普遍明显升温, 这使得暖冬几率大为提高, 北方各区增温幅度远高于南方, 因而暖冬几率也大于南方区。

图 3

图 3. 1952— 1985年和1986— 2007年冬季平均气温距平不低于0.5 ℃年数比较 Fig 3. Comparison of years with region-aver aged winter mean temperature anomalies above 0.5 ℃ between 1952— 1985 and 1986— 2007 for the eight regions

近56年, 8个区域的I_Wa均呈上升趋势, 都通过95%信度水平检验 (表 2)。北方各区及青藏高原I_Wa的线性趋势在10%/10 a以上, 其中西北东部I_Wa增加最为显著, 线性趋势达到12.9%/10 a, 这意味着在区域内总站数不变的情况下, 暖冬站数大致以每10年13%的速率增加; 东北地区I_Wa增加也较大, 达到12.2%/10 a。南方各区I_Wa增幅小于北方, 西南地区I_Wa线性趋势在8个区中最小, 仅为6.6%/10 a。

表 2

表 2 区域暖冬指数趋势系数及线性趋势 Table 2 Trends of regional warm winter indices for the eight regions

表 2 区域暖冬指数趋势系数及线性趋势 Table 2 Trends of regional warm winter indices for the eight regions

图 4给出1952—2007年全国暖冬指数及其线性变化趋势。56年中, 全国性暖冬共发生15次 (年), 分别是1973, 1979, 1987, 1990, 1991, 1993, 1995, 1997, 1998, 1999, 2001, 2002, 2003, 2004, 2007年的冬季。全国性暖冬基本出现在20世纪80年代中期以后, 其中, 1990年以后有11个暖冬; 1997— 1999年和2001—2004年为两个连续的全国暖冬时段。1952—2007年间, 全国强暖冬事件共出现5次 (年), 分别是1979年、1999年、2001年、2002年和2007年。

图 4

图 4. 1952— 2007年全国暖冬指数变化 Fig 4. Change in national warm winter indices during period of 1952-2007

1952—2007年, 全国暖冬指数呈显著上升趋势, 线性趋势为10.3%/10 a, 通过了99%的信度检验。这表明, 在全国有效面积不变的情况下, 全国暖冬面积以每10年10%的速率增加。在15个暖冬中, 1990年I_Wn仅为50.6%, 是暖冬年中范围最小、强度最弱的一年; I_Wn大于80%的有1999年 (98.9%)、2002年 (90.7%) 和2007年 (88.5%), 这3个冬季全国暖冬范围广、强度大。从全国暖冬站数占参与统计的总站数比例也可以看出, 这3年暖冬站比例分别达到99.0%, 93.7%和93.5%。1999年冬季是56年中范围最广、强度最大的暖冬, 全国几乎所有的台站均达到单站暖冬标准, 其中强暖冬站数在暖冬站数的比例高达83%。

全国暖冬指数与全国冬季平均气温距平有很好的相关性, 相关系数达到0.88(通过99%信度检验)。分析表明: 1986年之前为相对冷阶段, 其后为明显的暖期; 虽然全国冬季增暖的趋势非常明显, 但存在较大的年际变化。在冷期中有很暖的冬天, 如1979年冬季 (暖冬指数达到71.1%); 而暖期也会出现很冷的冬天, 如1996冬季 (暖冬指数22.3%)、2000年冬季 (暖冬指数仅15.6%)、2005年冬季 (暖冬指数37.4%) 等。2000年的冬季, 我国不少地区出现持续严寒天气, 南方一些地区出现了此前近20年来的最低气温, 农业遭受严重低温冻害; 2008年冬季我国经历了一场历史罕见的低温雨雪冰冻灾害, 给各行业造成严重损失。因此, 这种在暖背景下的异常冷冬天更应引起关注。对于“暖”中的“冷”以及“冷”中的“暖”的变化特征, 还有待于进一步深入研究。

1) 近56年, 我国绝大部分站点暖冬指数呈显著上升趋势, 北方暖冬指数上升幅度大于南方, 表明50多年来北方冬季气候增暖趋势更加明显。1952—1985年各区域很少出现暖冬, 1986—2007年暖冬年数大为增加, 增加最明显的是北方各区。全国暖冬指数呈显著上升趋势, 其上升速率达到10.3%/10 a。

2) 本文将I_Wa≥50%, I_Wn≥50%分别定义为区域暖冬和全国暖冬, 若此指标提高, 则暖冬事件将会减少, 但暖冬的区域特征及暖冬指数变化趋势不会发生变化。值得注意的是, 冬季冷暖存在较大的年际变化, 在显著趋暖的背景下, 也会出现异常冷冬, 其影响不容忽视。

3) 全国暖冬指数以暖冬面积的相对比例来界定, 可以有效消除因我国台站分布不均所造成的影响。采用一定格距的经纬度网格面积加权获得的全国平均气温距平序列与全国暖冬指数序列具有较好的一致性, 说明全国暖冬指数能够较客观地反映出我国总体的冬季平均气温变化状况, 可以满足当前气候和气候变化科研、业务的需要。

本文使用经过均一化的国家级台站地面气温资料计算暖冬指数。该资料集较过去有很大改进^[19], 但仍然存在城市化对地面气温趋势的暖偏差。最近的研究表明, 一些国家级台站的观测地面气温明显受到城镇热岛效应加强因素的影响^{[1, 20]}。目前, 还不清楚这种城市化偏差对本文计算的暖冬指数序列具有多大影响, 需要今后开展深入研究。