20世纪80年代后期以来，在我国冬季变暖的年代际背景下，也出现过1995/1996，1999/2000，2004/2005，2007/2008年4个冷冬的年际异常，低温雨雪灾害异常事件也时有发生。如2008年1月10日—2月2日，我国南方发生了4次大范围的低温雨雪冰冻灾害；2009年11月我国出现了秋末以来大范围的雨雪天气，此次过程降水量之大、持续时间之长均为历史同期罕见，给我国经济、社会造成了重大影响。近60年来，典型的冷湿年曾发生过5次 (1962，1967，1981，1993，2000年)，华北平原、黄淮、江淮、江南、西北地区东部和内蒙古西部降水偏多5成至1.5倍，内蒙古西部更是偏多2~3倍。与此同时，长江中游以北地区气温普遍偏低1~2℃，华北南部、汉水中下游、江南西部、内蒙古西部偏低超过2℃。

近年来许多研究也开始关注我国冷冬和暖冬的异常变化^[1-6]，分析了我国异常冷、暖冬年的大气、海洋等影响因子^[7-10]。东亚强冬季风时, 我国冬季为冷、干气候，大气环流具有强WP (Western Pacific) 型、弱EU遥相关型的特征^[11]。纪立人等^[12]进一步分析了厄尔尼诺事件与北太平洋/北美区的PNA型密切，拉尼娜事件与EAWM (东亚冬季风) 流型的强东亚冬季风环流型相联系。陈见等^[13]分析春季广西凝冻时指出东亚经向环流和南支槽活跃的影响；杨素英等^[14]分析东北冬季气温时指出强西伯利亚高压对应东北冷冬；黄露菁等^[15]分析广东春季冷暖环流特征时指出，特暖年西风指数偏强，副热带高压偏强。不过以往的研究多侧重于暖冬或冷冬的变化，并未涉及到冷冬或暖冬年东部季风区温度和降水的整体配置情况，对冷暖、干湿年的月温度、降水趋势前期环流特征的探讨较少，尤其是对前期年际信号影响大范围冷暖、干湿的研究更少。因此，针对以上问题，本文在综合考虑温度、降水的配置下，得到11月暖湿、暖干、冷湿、冷干年的同期500 hPa高度场的分布特征，并在此基础上分析了同期和前期500 hPa高度场的显著性差异。

本文采用的资料包括：① 全国160站1951—2008年11月温度、降水资料；② NCEP/NCAR 1951—2008年9月、10月、11月逐日500 hPa高度场再分析资料。

本文选取我国东部季风区64站11月温度、降水资料，去除其9年以上长期趋势变化，得到仅含9年以下时间尺度变化的温度、降水新序列。在此基础上，分别计算我国东部季风区64站温度和降水的正距平站数，并对其进行标准化处理，得到1955—2004年温度、降水正距平站数序列，分别记为S₁和S₂，来代表全国温度、降水的年际变化。S₁+S₂大值定为暖湿年，小值定为冷干年；S₁-S₂大值定为暖干年，小值定为冷湿年。同时，本文也对高度场滤去9年以上的年代际趋势变化。需要特别指出的是，本文所用资料仅保留9年以内尺度的年际变化部分，这样可以最大限度消除气候变暖对S₁+S₂，S₁-S₂的影响，获得较准确的冷暖干湿年份。同时，这也突出了气候要素年际变化部分，对月、季气候预测有更好的指示意义。

以标准化处理后的S₁+S₂和S₁-S₂大于1.5倍标准差和小于-1.5倍标准差为标准，确定出具体的暖干、冷湿、暖湿、冷干年，得到4种不同温度、降水配置型的同期500 hPa高度距平场特征。同时，通过差异显著性t检验方法可以获得不同典型年前期和同期500 hPa高度距平场显著性差异区域。

本文首先参照第1章的方法，计算去除9年以上年代际变化的全国160站11月温度、降水的正距平站数序列，分别记为S₁′和S₂′，并据此计算了S₁′(S₂′) 和去除9年以上年代际变化的全国160站11月温度 (降水) 的相关系数 (图 1)，以此来检验选取研究区域的合理性。从图 1a看到，S₂′与降水未通过信度检验的相关区主要分布于西南地区东部、东北大部、内蒙古中东部以及新疆部分地区，S₂′与降水的显著正相关区主要分布于我国华南、华中、华东、华北以及西北地区大部。从图 1b可知，S₁′与温度的负相关区主要分布于青藏高原南部部分地区，而我国其余大部地区为显著正相关区。图 1还表明，温度整体的代表性要明显高于降水，这说明降水的分布特征远比温度复杂。综合以上分析，S₁′和S₂′能较好地反映出我国东部季风区温度、降水演变特征，但不能反映我国西部地区和东北地区的变化，因此，以下分析都以我国东部季风区64站 (图中方框内区域) 计算的S₁和S₂进行讨论。

图 1

图 1. 1955—2004年S2′与全国160站11月降水的相关系数 (a) 和S1′与全国160站11月温度的相关系数 (b) (阴影区为信度超过95%的区域) Fig 1. The correlation of S2′ to precipitation of 160 stations in November (a) and S1′ to temperature of 160 stations in November (b) during 1955—2004 (the area passing the test of 95% level is shaded)

S₁+S₂和S₁-S₂的序列如图 2所示。根据S₁+S₂ (图 2中实线) 大小，定义典型暖湿年为1961, 1965, 1972, 1982, 1990年; 典型冷干年为1969, 1979年。同理，根据S₁-S₂(图 2中虚线) 大小，定义典型暖干年为1980, 1998年; 典型冷湿年为1962, 1967, 1981, 1993, 2000年。普查历年温度、降水配置情况后发现，这里所选典型年份都能较好地反映出实况分布特征。

图 2

图 2. 近50年来S1+S2(实线) 和S1-S2(虚线) 的时间演变序列 Fig 2. The time series of S1+S2 (solid line) and S1-S2 (dashed line) in recent 50 years

为了揭示同期大气环流异常对温度和降水的影响，图 3分别给出了暖干年平均和冷湿年平均的11月500 hPa高度距平场。当出现暖干型环流时 (图 3a)，欧洲、西伯利亚、北太平洋地区为负距平区，中亚至日本纬向带以及低纬大部为正距平区。这表明乌拉尔山地区未出现阻塞高压，欧亚中高纬地区为“南高北低”的环流形势，盛行纬向环流，不利于北方强冷空气活动。此类型环流分布易导致我国大部地区温度偏高、降水偏少。与之相反，当出现冷湿型环流时 (图 3b)，我国北方大部地区、鄂霍次克海、贝加尔湖地区以及整个低纬度地区为负距平区，我国东部至日本地区、东北太平洋以及乌拉尔山为正距平区。这表明乌拉尔山地区出现阻塞高压，欧亚中高纬度地区自西向东为“正-负-正”的环流形势，经向环流发展，有利于北方强冷空气的活动，负距平区南扩，锋区南压。此类型环流分布导致我国大部地区温度偏低、降水偏多。

图 3

图 3. 暖干年平均 (a) 和冷湿年平均 (b) 的11月500 hPa高度距平场 (单位：gpm；阴影区为负值区) Fig 3. The mean geopotential height anomaly of warm and dry years (a), cold and wet years (b) at 500 hPa in November (unit: gpm; the negative is shaded)

图 4分别给出了暖湿年平均与冷干年平均的11月500 hPa高度距平场。当出现暖湿型环流时 (图 4a)，欧洲至乌拉尔山地区、鄂霍次克海以北、中国西部地区为负距平区，东亚地区为正距平区。这表明：乌拉尔山地区未出现阻塞高压，东亚大槽偏弱，欧亚中高纬度地区为“东高西低”的环流形势，不利于强冷空气的活动；同时，西太平洋副热带高压偏强、偏西，有利于引导水汽北上进入我国，此类型环流分布导致我国温度偏高、降水偏多。当出现冷干型环流时 (图 4b)，东亚地区为负距平区，乌拉尔山至我国西部地区、鄂霍次克海地区为正距平区。这表明：乌拉尔山和鄂霍次克海地区有阻塞高压，东亚槽偏强、偏西，欧亚中高纬度地区为“西高东低”的环流形势，盛行经向环流，有利于北方强冷空气南下活动，此类型环流分布导致我国温度偏低、降水偏少。

图 4

图 4. 暖湿年平均 (a) 和冷干年平均 (b) 的11月500 hPa高度距平场 (单位：gpm；阴影区为负值区) Fig 4. The mean geopotential height anomaly of warm and wet years (a), cold and dry years (b) at 500 hPa in November (unit: gpm; the negative is shaded)

为了进一步认清图 3、图 4中典型环流场的显著差异区, 本文利用t检验方法，分别给出了11月暖干型与冷湿型和暖湿型与冷干型的500 hPa高度场的差值分布 (如图 5所示)。图 5a表明, 暖干型与冷湿型的显著差异区主要分布于东亚槽区、乌拉尔山、欧洲西岸及北大西洋副热带地区，为EU遥相关型。这种分布说明暖干型与冷湿型在亚洲地区主要表现为中高纬度地区南北气压场的异常。图 5b表明，暖湿型与冷干型的显著差异区主要位于乌拉尔山、东亚、西北太平洋、东北太平洋、北美西部、墨西哥湾附近地区，表现出反PNA的遥相关特征。这种分布说明在亚洲中纬度地区主要表现为东西气压场的差异。

图 5

图 5. 11月500 hPa高度场的t检验值分布 (阴影区为信度超过90%的显著差异区) (a) 暖干年平均与冷湿年平均偏差, (b) 暖湿年平均与冷干年平均偏差 Fig 5. The t-test of geopotential height anomaly of warm and dry years to cold and wet years (a), warm and wet years to cold and dry years (b) at 500 hPa in November (the area passing the test of 90% level is shaded)

综上所述，暖型 (冷型) 环流对应乌拉尔山阻塞高压不明显 (明显)，欧亚中高纬度地区盛行纬向 (经向) 环流；干型 (湿型) 环流对应西太平洋副热带高压偏弱 (强)、偏东 (西)。这一结论与文献[15-16]得到的结果相符。同时，t检验值分布特征表明，暖干、冷湿型在亚洲地区主要表现为南北气压场的差异，暖湿、冷干型在亚洲地区主要表现为东西气压场的差异。t检验结果还表明用S₁，S₂方法计算得到的4个典型环流型具有一定的代表性，各个特征环流型之间存在明显的差异。

前期大气环流演变发展会造成后期环流的异常，因此，为了揭示出前期环流有预报指示意义的关键区, 利用不同滑动时段500 hPa逐日高度场资料 (仅保留了9年以下年际变化)，计算了暖干型与冷湿型的前期高度场偏差t检验分布值。从图 6可以看到，当超前时段为9月6日—10月5日时，欧洲、贝加尔湖以北地区高度场为负值显著性差异区，欧洲西岸、北非、乌拉尔山以东、日本海以东地区以及北大西洋副热带地区为正值显著性差异区。即乌拉尔山高压脊、欧洲上空低压槽偏强，东亚沿岸的低压槽偏弱，鄂霍次克海上空无阻塞高压发展，表现出近似EU的遥相关波列特征；当超前时段为9月11日—10月10日时，t检验值基本维持9月6日—10月5日的分布特征；当超前时段为9月16日—10月15日和9月21日—10月20日时，EU遥相关波列特征更加明显，北非至乌拉尔山地区正高度距平向东伸展，即将与鄂霍次克海上空的正距平连成一片，欧洲和西西伯利亚地区负高度距平也将连成一片，中高纬度地区表现出“南高北低”的环流型。从以上分析可知，超前时段为9月16日—10月15日和9月21日—10月20日的高度距平场具有较好的显著性差异区，差异区主要分布于欧洲西岸、北非、欧洲、乌拉尔山以南地区，表现出显著的EU遥相关波列特征。

图 6

图 6. 不同时段暖干年平均与冷湿年平均的前期500 hPa高度场偏差t检验值分布 (阴影区为信度超过90%的显著差异区) Fig 6. The t-test of geopotential height anomaly of warm and dry years to cold and wet years at 500 hPa in different lead-time (the area passing the test of 90% level is shaded)

图 7为暖湿型与冷干型的前期高度场偏差t检验分布值。当超前时段为9月6日—10月5日时，乌拉尔山、北美西部、夏威夷群岛附近高度场为负值显著性差异区，鄂霍次克海、东北太平洋以及墨西哥湾附近高度场为正值显著性差异区，表现出近似反PNA的遥相关波列特征；当超前时段为9月11日—10月10日和9月16日—10月15日时，显著差异区基本维持9月6日—10月5日的分布特征，北美南部的正距平北移，北太平洋的正距平增强，表现出近似反PNA的遥相关波列特征；当超前时段为9月21日—10月20日时，东亚槽区的正值显著性差异区明显增强，欧亚地区从西到东为“负-正-负”的环流型。对比图 5b可以看出，超前时段为9月6日—10月5日、9月11日—10月10日、9月16日—10月15日和9月21日—10月20日的高度场显著差异区与图 5b中东亚至太平洋、北美地区的分布特征非常类似。

图 7

图 7. 不同时段暖湿年平均与冷干年平均的前期500 hPa高度场偏差t检验值分布 (阴影区为信度超过90%的显著差异区) Fig 7. The t-test of geopotential height anomaly of warm and wet years to cold and dry years at 500 hPa in different lead-time (the area passing the test of 90% level is shaded)

本文利用全国160站温度、降水资料和NCEP/NCAR 500 hPa高度场再分析资料，分析了东部季风区11月暖湿、暖干、冷湿、冷干年同期环流特征，并对同期、前期环流特征进行了差异t检验，得到如下结论：

1) 温度正距平站数 (S₁′) 代表了除青藏高原南部部分地区以外的全国大部地区温度，降水正距平站数 (S₂′) 代表了除西南地区东部、东北、内蒙古中东部以及新疆部分地区以外的全国大部季风区降水。

2) 暖型 (冷型) 环流对应乌山阻塞高压不明显 (明显)，欧亚中高纬度地区盛行纬向 (经向) 环流；干型 (湿型) 环流对应西太平洋副热带高压偏弱 (强)、偏东 (西)。

3) t检验值分布特征表明：暖干 (冷湿) 型在亚洲地区主要表现为中高纬度南北气压场的差异，具有EU (反EU) 遥相关距平结构；暖湿 (冷干) 型在亚洲主要表现为中高纬度地区东西气压场的差异，具有反PNA (PNA) 遥相关距平结构。

4) 超前时段为9月6日—10月5日、9月11日—10月10日和9月16日—10月15日的暖干 (冷湿) 型具有显著差异区，表现出显著的EU (反EU) 遥相关波列特征；超前时段为9月11日—10月10日、9月16日—10月15日和9月21日—10月20日的暖湿 (冷干) 型具有显著差异区，表现出近似反PNA (PNA) 的遥相关波列特征。

对于暖湿型、冷干型在亚洲主要表现为中高纬度地区东西气压场的差异，即欧亚经向环流对应冷干、纬向环流对应暖湿，过去研究较多；但对于冷湿 (暖干) 型环流的差异，则在分析前兆信号时，一方面表现为高纬度高度场偏高 (低)、中低纬度高度场偏低 (高)，处于AO的负 (正) 位相，导致大范围气温偏低 (高)；同时，乌拉尔山高度场也偏低 (高)；另一方面，青藏高原高度场偏低 (高)，南支槽偏强 (弱)，致使暖湿气流偏强 (弱)，东部大范围降水偏多 (少)。