引言

湖北省位于长江中游，地处东亚季风气候区，天气变化剧烈，夏季风异常时，可能出现严重的旱、涝灾害(李维京，1999；封国林等，2012；刘芸芸等，2009)，而冬季风异常引发的低温雨雪冰冻天气(丁一汇等，2008；高辉等，2008；王凌等，2008; 孙丞虎等，2012)，则可对交通、电力、农业等国民经济和人民生活造成严重影响(周月华等，2010；万素琴等，2008)。现有对降雪的相关研究，多集中分析辽宁、新疆和青藏高原等降雪多发地(赵春雨等，2010；董安祥等，2004；韦志刚等，2002；刘玉莲等，2013；董文杰等，2001)的降雪日数时空变化规律，或者是单次降雪过程的天气诊断(王文等，2000；刁秀广等，2011；王亚非等，2008；杜小玲等，2014；李多等，2012)，缺乏对初雪发生早/晚的气候背景细致的研究，对于初雪发生早晚的预测能力相对薄弱，同时与北方地区相比，南方地区虽然降雪频次较少，强度也偏弱，但南方降雪湿度大、年际差异明显且对异常冰冻天气应对能力偏弱，因此预测初雪开始的早晚具有重要的意义。2013/2014年冬季，湖北大范围的初雪异常偏迟，其中武汉站出现了自1951年以来的次晚初雪，仅早于1970/1971年(1971年2月24日)。从全国范围内来看，往年一些相对湖北初雪偏早的我国北方部分地区至1月中旬未出现降雪，四季如春的昆明却于12月15日普降大雪，这种异常现象的出现值得思索。本文从湖北省1961/1962—2012/2013年共52年初雪日偏早/晚年着眼，揭示同期环流特征，同时从环流大背景的角度解释湖北地区2013/2014年冬季初雪偏晚原因，此外通过诊断分析找出影响湖北初雪发生早/晚的海温外强迫和重要环流系统，尝试建立初雪日预测模型，并检验此预测模型20年的回报效果。

1 湖北省异常初雪日的特征 1.1 湖北初雪日的统计特征及异常年的挑选

研究湖北省平均初雪日统计特征。将湖北省1961—2012年逐年76站初雪日的平均值作为当年的全省初雪日。湖北省常年平均(1981—2010年)初雪日为12月19日，最早的初雪出现在2009年11月16日，最晚在2012年1月10日。湖北初雪日集中出现在11月中旬至1月中旬，出现概率为95%，其中以12月出现的概率最高，达55%。

异常偏早/晚年份的选取。考虑两个指标，一是该年在全省初雪序列中的异常性指标。标准化处理全省平均初雪日序列(图 1)，将标准化后数值＞0.65或＜-0.65作为挑选异常年份须满足的标准；二是全省空间上的一致性指标。为了避免局地性的异常晚/早影响全省平均初雪时间序列的代表性，定义相对单站常年平均初雪日晚/早的年份为单站初雪偏晚/早年，计算出历年单站初雪晚/早的站数占总站数的百分率，将百分率达到75%作为异常年份挑选的另一个标准。依据以上指标最终得到7个初雪异常晚/早年。其中，初雪偏早的7年分别为1974、1976、1993、2009、1964、1987和2000年，这7年中前4年初雪偏早站数达75站；偏晚的7年分别为1977、2008、2007、1992、1990、1980和2005年，除2005和1980年外，其他5年超过60站初雪偏晚。

西伯利亚高压指数与东亚冬季风指数均是描述中国大陆冬季冷空气强弱的重要指标(朱艳锋，2008)，将10月至次年2月各月及冬季的西伯利亚高压及冬季风指数分别与去趋势后的平均初雪日时间序列进行相关分析，发现仅11月的相关通过α=0.05显著性水平检验，分别为-0.34和-0.29，而与整个冬季的指数相关程度较弱。在初雪异常早的7年中，至少5年的11月的西伯利亚高压指数偏强，但12月以及冬季偏强年份都仅有3年。

另外，通过初雪异常早/晚年的各月温度偏高频次差值t检验发现，差异最显著的月份也为11月，其次为12月(图略)，即初雪偏早，冬季风转变相对早，反之亦然。

1.2 初雪异常年的环流特征

依据湖北省初雪偏早的7年和偏晚的7年进行11月至次年2月的500 hPa高度距平场、850 hPa风场距平场合成分析及湖北省温度偏高频次合成分析。

当初雪异常偏早，高度异常场(图 2a)在欧亚大陆上呈现明显的北高南低，且自西北至东南为“+-+”的遥相关波列分布，主要的正、负异常中心分别位于格陵兰岛—新地岛、贝加尔湖—蒙古大部、华南—日本群岛。这种分布在30°N以北是以经向环流为主，利于来自高纬度的冷空气南下，同期11月至次年2月在湖北除了西南局部外，其他大部平均温度相对历史同期偏低的可能性极大(图 3a)。

而在低层850 hPa上，对应上述正、负异常中心存在着明显的反气旋式与气旋式风场距平环流(图 2d)。高纬度地区以新地岛为中心的反气旋式距平环流使得极地冷空气不断南侵，其东南侧的偏东北气流加强了以蒙古为中心的气旋式距平环流。该气旋西侧的偏北气流南下，与来自以南海为中心的气旋东侧的东南气流及来自印缅地区的偏南气流交汇，冷暖空气汇合利于降水(雪)的发生。

初雪异常偏晚，高度异常场自北向南呈“-+-”的分布(图 2b)。北冰洋至东亚大陆北部为负异常，整个欧亚大陆经鄂霍次克海至阿留申地区为正异常，中国大陆也为正异常中心，东亚地区以纬向环流为主，冷空气相对较弱，同期11月至次年2月湖北大部平均温度相对历史同期偏高的频次较高(图 3b)，而低层850 hPa风场距平场上以日本群岛为中心的气旋西侧的偏北气流影响中国大陆；在中国大陆的南面以南海为中心存在着气旋式环流，其西北侧的偏东北气流加强了中国大陆盛行的北风，使得南边暖湿气流无法北上(图 2e)。

初雪异常偏早/晚年的高度差值场自西北向东南呈“+-+”分布(图 2c)，其中正、负、正中心分别位于西伯利亚群岛至北极、贝加尔湖至阿留申地区、日本群岛，这些中心也是研究湖北地区初雪日早、晚应重点关注的区域。

2 影响湖北初雪日的重要系统

将湖北76站52年的初雪日时间序列标准化后进行EOF分解，第一主模态的空间特征向量表现出全省一致为正，意味着第一模态的空间分布为一致早或晚型(图 4a)。

EOF分解第一模态对应的时间系数(简称PC1，图略)与湖北76站平均初雪日的标准化时间序列都存在着显著的偏晚趋势，偏晚的速率相同，均为0.02 d·a^-1(图 1)。鉴于PC1与湖北省初雪日序列相关大多通过α=0.001显著性水平检验(图 4b)，为进一步了解初雪日异常对应的环流特征，将PC1去趋势后的序列作为自变量，500 hPa高度距平场作为因变量，进行回归分析。回归场(图 5a)显示欧亚大陆自北向南呈现出“-+-”的波列分布，与初雪偏晚年的高度异常场分布较为一致，同时回归的850 hPa风场距平场在中国大陆地区盛行明显的偏北气流(图 5b)，也类似于初雪偏晚年风场异常分布。

两者显著相关的区域与初雪异常早晚年的高度差值场的显著区域吻合。对应的环流系统分别是北极涛动、贝加尔湖低压、阿留申地区的低压、东亚大槽以及南支槽。它们分别反映了中高纬度冷空气、副热带暖湿气流及输送条件。这一结论与马林等(2001)分析影响青藏高原冬季雪灾天气的系统有部分相似之处。

3 湖北初雪日预测模型及其可能的物理机制

有研究证明海温异常通过影响以上提及的环流系统(陈少勇等，2009；伍红雨等，2014)，尤其是东亚大槽，使得中国东部冬季气温出现异常。鉴于海温对本研究中关注的环流系统有重要影响，将去趋势后的初雪日时间序列与同期11月至次年2月海温进行相关分析，两者在北太平洋地区、新西兰及其以东的区域为显著相关(图 6a)。鉴于(45°~55°N、150°E~160°W)、(28°~35°S、140°~110°W)、(45°~55°S、170°~150°W)3个区域的相关通过α=0.05的显著性水平检验，将其作为预测湖北初雪日的关键区，分别称作关键1~3区，为建立湖北初雪日预测模型提供参考因子。

依次分析各关键区的海温序列与500 hPa高度距平场的相关性，以此寻找关键区海温对于环流的影响。从关键1区海温与高度场的相关(图 6b)看，显著正相关区位于贝加尔湖东侧至阿留申，显著负相关位于日本群岛至西北太平洋，与初雪偏晚年回归的高度异常场分布较为类似，同时在贝加尔湖东北侧的乌拉尔山地区存在着弱的负相关中心，意味着当中高纬的北太平洋海温偏高时，利于乌拉尔山脊偏弱，阿留申低压偏弱，同时东亚大槽偏强，南支槽偏弱。东亚大陆以纬向环流为主，不利于冷空气南下，外加水汽条件不好，最终不利于初雪偏早。这也是高纬度西北太平洋海温通过影响大气环流最终导致初雪日异常的物理机制。有研究表明冬季北太平洋的海-气相互作用中，大气对海洋的影响是主要的(蒲书箴等，2003；秦正坤等，2006)，但不能简单地排除海洋对大气的作用，研究结论证实高纬度西北太平洋的海温与冬季东亚大气环流(西伯利亚高压、阿留申低压和东亚大槽等)存在着正反馈作用(赵永平等，1995；赵巧莲等，2013；朱小洁等，2006)，最终影响东亚冷空气强度(林玉英等，1999)。关键2区与500 hPa高度距平场的相关分布显著区域与关键1区的相关分布类似，但显著区域相对缩小，同时在孟加拉湾地区相关显著(图略)。高聪晖等(2012)有关海温影响以上系统的研究成果也印证了以上分析。关键2区(即澳大利亚东侧)前期海温与后期11月至次年2月的海温场及高度场显著相关区域也显示出，当前期澳大利亚东侧海温偏高时，后期11月至次年2月澳大利亚南侧(3区)海温偏低(图略)，同时南半球极地到负极地(60°~90°S)为负高度异常，而30°~60°S为正高度异常，南极涛动呈现出偏强的特征(图略)，进一步可通过南北两半球高纬度间的经向遥相关作用，最终通过引起北半球高纬度环流的异常以及欧亚西风异常(范可等，2006；2007)。由于海温持续性较好，且对于初雪发生早/晚具有良好的指示性，选以上3个关键区11月的海温作为自变量(依次为sst1、sst2和sst3)，初雪日(Da)作为因变量，利用1961—1992年实况资料建立预测模型，经检验最终确定预测模型为：

$Da = - 1.7 + 16.2sst1 + 10.3sst2$

利用此预测模型回报1993—2012年武汉初雪日，并预测2013/2014年初雪发生早晚。在回报检验的20年中有15年报对，回报正确率达75%，回报与实况的年际变化较为一致，对于1993和2000年异常偏早和2005年异常偏晚回报完全正确，20年的回报与实况距平相关系数达0.60，回报效果良好，也正确预测出2013/2014年初雪偏晚(图 7a，图中纵坐标20~150表示以11月1日为第1天，11月20日为第20天，以此类推)。此模型回报湖北省1993—2012年共20年76站初雪日与实况的距平符号一致率(图 7b)，全省除2站一致率未超过50%外，其余74站中有63站符号一致率通过60%，南部个别站点一致率甚至达90%(表 1)。由此可见该模型在湖北省初雪日回报检验及预测中表现较好，具有一定的业务参考价值。

对比2013年11月至今的海温场，在中高纬度的北太平洋、新西兰东侧太平洋及马达加斯加附近海温为暖海温，中东太平洋为冷海温(图 8c)，在重点关注区域与图 6a初雪时间序列与海温的正、负相关呈现出较为一致的分布。对应的500 hPa高度异常场为典型的“-+ -”分布(图 8a)，关键的环流系统表现为北极涛动正位相、贝加尔湖低压和阿留申地区低压偏弱、东亚大槽偏强和孟加拉湾槽略弱，低层中国大陆地区盛行偏北气流(图 8b)，属于典型的偏晚年对应环流型，这也是2013/2014年湖北初雪异常偏迟的原因。

4 结论与讨论

湖北初雪发生偏早，对应着11月至次年2月欧亚大陆500 hPa高度场表现为“+-+”的遥相关分布，以经向环流为主，同期湖北省温度偏低的频次更高。同时在低层风场上表现为中国大陆盛行偏南气流；初雪偏晚，则相反。初步诊断分析发现，中高纬的北太平洋海温偏高时，利于500 hPa高度场自北向南呈“-+-”分布，主要的环流系统表现为北极涛动正位相，乌拉尔山脊偏弱，贝加尔湖低压及阿留申地区低压偏弱，东亚大槽偏强，总体以纬向环流为主，低层盛行偏北风，不利于湖北初雪偏早。通过选取1961—1992年两个关键区海温建立初雪日预测模型，回报近20年初雪与实况一致率超过60%的站点达63站。对于武汉站的回报，一些异常早和异常晚年都能在回报序列中有所体现，此外也预测出2013/2014年初雪偏晚。

本研究主要是针对湖北地区初雪发生异常早晚的海温外强迫和大环流背景进行分析并给出了相应的物理机制，首次建立湖北初雪日预测模型且回报效果较好，具有一定的业务参考价值。在今后具体初雪预报业务服务中，可结合中短期降雪形势分析，包括对形成降雪的天气系统及上升运动、水汽、适宜温度等天气尺度条件进行滚动订正，更好地为防灾减灾提供科学依据。