引言

在全球气候变暖的大气候背景下，全球大部分地区年均气温呈现显著升高趋势，特别是近30年来气温升高显著(王凌等, 2007; 王绍武, 1994; 董李丽等, 2015)。然而，任福民和翟盘茂(1998)对1951—1990年中国极端气温的变化进行了研究，发现季极端气温的变化存在显著的季节性差异。近年来，全球部分地区出现了大范围的冷冬事件。冷冬事件的发生，常常对工农业生产等具有极为不利的影响，特别是对亚热带或热带地区的影响更为显著。因此，研究冬季气温的气候特征，了解冷冬特点有助于揭示冬季气温的变化规律(周自江和王颖, 2000; 琚建华等, 2004)。

海南岛位于我国南海北部，其特殊的地理位置决定了其特殊的气候特征。虽然海南岛“全年无冬”，即使在最冷的1月，其平均气温也达到18℃左右。然而，近些年，海南岛却出现过低温冷害的侵害，出现了异常冷冬事件。特别是进入21世纪后，海南岛出现了几次冷冬事件，如2007、2010、2011、2013年冬天等。在“全年无冬”的海南，异常冷冬常常给海南热带果木、橡胶树、茶树等农业以及旅游业等产生不利影响。另外，全球变暖背景下冷冬事件的频繁发生，给冬季冷暖趋势的预测带来了较大难度，研究其内在机理已成为海南省短期气候预测业务的重中之重。

本文利用海南岛1977—2016年冬季气温观测资料，研究海南岛冬季气温变化特征及异常冷冬发生规律。结合大气环流、海温等分析近年来海南岛冷冬出现的内在机理，为海南岛冬季气温预测提供技术支持。

1 数据资料与方法 1.1 数据资料

本文使用的地面气温观测资料是由海南省气象局提供的1977—2017年逐月平均气温观测资料。由于三亚站曾迁移站点，西沙站距离陆地较远，本文选取海南岛其余17个市、县气象站观测资料作为研究对象。

再分析数据来自NCEP/NCAR发布的全球格点逐月平均资料、气候平均资料(1981—2010年气候态平均)，分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向为1000~100 hPa共12层，包括风场、高度场、海平面气压场、垂直速度场和次表层海温场等。海表温度数据来自于NOAA ERSST的2.0°×2.0°逐月平均海表面温度资料及气候平均资料(1981—2010年气候态平均)。Ni o3.4指数和北极涛动(Arctic Oscillation, AO)指数来自CPC网站的逐月平均资料，时间为1977—2017年。

环流指数资料来自国家气候中心提供的74项环流指数，本文主要选取北半球副热带高压(以下简称副高)、北半球极涡、南海副高、西太平洋副高、亚洲区极涡等面积和强度指数以及亚洲经向和纬向环流指数等。

文中冬季时段为每年12月至次年2月，气候态取1981—2010年。

1.2 冷冬指标划分

文中冷冬指标划分标准按照国家标准《暖冬等级》(GB/T21983—2008)执行(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会, 2008)。

当海南岛各市县气象站冬季(12月至次年2月)平均气温距平(T_距平)小于等于其标准差(σ)的-0.43倍时，即表示为冷冬事件。当平均气温距平(T_距平)小于等于其标准差(σ)的-1.29倍时，即表示为强冷冬事件。本文设定-1.29σ＜T_距平≤-0.43σ为一般冷冬年，T_距平≤-1.29σ为强冷冬年(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会, 2008)。

当海南岛17个市、县中，冷冬站数超过50%(含)，则定义为海南岛区域冷冬，即为一次冷冬年。

2 近40年海南岛冬季温度异常特征

图 1显示的是1977—2016年海南岛17个市、县冬季气温异常时间序列，从图 1a看出，海南岛冬季平均气温存在年代际变化特征，主要表现为20世纪80—90年代以负距平异常居多，90—00年代正距平异常与负距平异常年数相近，21世纪00—10年代以正距平异常居多，2010年至今以负距平异常居多。因此，海南岛冬季气温呈现偏低-偏高-偏低的变化特征。结合气温距平M-K检验(图 1b)可以看出，在1993—1995年、2010年前后分别出现了两次气温异常突变，与图 1a中气温距平变化规律较为一致。

根据近40年海南岛冬季气温异常时间序列及各市县冷冬分布情况，结合国家《暖冬等级》划分标准，对海南岛冷冬事件进行了筛选统计。近40年来，海南岛冷冬事件有1981、1982、1983、1985、1988、1991、1995、1999、2007、2010、2011、2013年共12年，其中1982、1983、2007、2013年共4年为强冷冬事件。

对海南岛17个市、县冷冬事件特征进行统计发现(图 2)，海南岛南部市、县发生冷冬的频次大于中部及北部地区(图 2a)，出现冷冬次数最多的是陵水和临高，达到13年，中部和北部大部分地区发生冷冬的年数约为9~10 a。与冷冬年发生频次的规律不同的是，冷冬温度距平呈现北高南低的特征(图 2b)，北部海口、临高等市、县冷冬温度距平较大，达到-1.1℃以下。中部市、县的冷冬温度距平相对较小，主体位于-1.1~-0.9℃，南部最小，约为-0.8℃，表明海南岛北部市、县冷冬强度强于南部地区。

3 冷冬形成机理分析 3.1 冷冬年大气环流异常特征分析

冬季气温异常与大尺度环流异常密切相关。为揭示海南岛冷冬年大气环流异常特征，对冷冬年大气环流异常进行了合成分析(图 3)。在200 hPa对流层上层(图 3a)，30°~35°N中纬度地区为一致的西风异常带，10°~25°N中低纬度地区为一致的东风异常带，表明偏冷年中纬度东亚地区高空偏西急流偏强，低纬度地区偏弱。在500 hPa对流层中层(图 3b)，我国大部地区为高度场负距平，负距平大值区位于30°~40°N，表明冷冬年副高强度偏弱。另外，25°N附近为西风异常带，该异常带南端可达到华南及海南岛一带，表明偏冷年我国南部多低压槽活动且东亚大槽和南支槽偏强，位置偏南。在对流层低层，850 hPa华南至海南岛一带为东北风异常带(图 3c)，可以反映出偏冷年东亚冬季风较常年偏强。对应低层海平面气压距平分布(图 3d)，除青藏高原地区为海平面气压负距平，我国大部地区为正距平，正距平向南伸展至海南岛南侧，表明偏冷年内陆西伯利亚冷高压强度偏强，东亚冬季风偏强。结合高低层大气环流异常形势，可以看出，海南岛偏冷年，高层中纬度西风偏强，低纬度西风偏弱。中层中低纬西风偏强，低层东北风偏强，底层海平面气压偏高。从高低层大气环流异常配置可以看出，中高层中纬度偏西急流偏强，对流层中低层西伯利亚高压和东亚冬季风显著偏强，影响我国南方的冷空气更加强烈，影响海南岛的冷空气更加活跃，有利于海南岛冬季气温偏低，出现冷冬事件。

为了进一步揭示大气环流异常对海南岛冬季气温的影响，选取15°~25°N、105°~115°E平均风场资料分别分析了纬向环流和经向环流特征。图 4a和4b分别显示的是冬季纬向风气候态平均和冷冬年纬向风异常分布。由气候态平均可以看出(图 4a)，海南岛附近低层850 hPa以下为东风分量，无明显垂直上升气流。而在冷冬年份(图 4b)，低层850 hPa以下为纬向风负距平，表明冷冬年东风偏强。另外，在海南岛附近存在明显的垂直上升气流。

图 4c，图 4d分别显示的是冬季经向风气候态平均和冷冬年经向风异常分布。气候态平均显示(图 4c)，海南岛上空925 hPa以下为明显的偏北风，无明显垂直上升气流。而对于冷冬年而言(图 4d)，700 hPa以下均为一致的负距平，表明冷冬年低层北风偏强，且存在明显的上升气流。

对比纬向环流异常及经向环流异常可以看出，冷冬年中低层东北气流偏强，并且伴随有明显的上升气流，这与前文分析冷冬年东亚冬季风偏强结论一致，表明影响海南岛的冷空气活跃，强度偏强，使得冬季气温偏低。

3.2 冷冬年海温分布特征分析

海南岛紧邻广阔的南海，海洋的热力强迫作用可以引起大气环流系统产生变化，同时大气环流可以反映海洋热力强迫作用(蒋全荣等，1997)。海南岛周围海域海温与海南岛冬季气温关系密切相关。为直观显示海温与海南岛冬季气温的关系，将近40年来冷冬年海表温度距平及次表层海温距平进行了合成，如图 5a所示，在冷冬年，南海海表温度较常年明显偏低，其中海南岛东侧海域较常年偏低约0.6℃，负距平中心位于南海北部，偏低约0.8℃。图 5b显示的是30 m次表层海温距平分布，从图中可看出，在30 m次表层，南海至我国东部近海次表层海温均较常年偏低，次表层其他深度特征相似(图略)，整层海温较常年偏低。我国东部近海以及南海北部海温偏低，受海洋热力强迫作用，其上空等压面降低，副高东退，副高位置偏东，使得冬季冷空气更易南下影响海南岛，迫使冬季气温偏低，出现冷冬事件。可见，海南岛周围海域海温异常偏低可作为冬季气温偏低的诱因之一。

3.3 环流指数与冷冬年关系分析

为分析大气环流指数与海南岛冷冬的内在联系，对国家气候中心提供的74项环流指数与海南岛冷冬事件的相关性进行了分析(表略)，筛选与海南岛冷冬事件相关性较高的环流指数。经统计分析，相关系数达到0.3以上的环流指数有：北半球副高面积指数(0.46)、北半球副高强度指数(0.41)、北半球极涡中心位置(-0.31)、南海副高北界(0.32)、南海副高面积指数(0.43)、南海副高强度指数(0.39)、西太平洋副高面积指数(0.46)、西太平洋副高强度指数(0.35)、西太平洋副高西伸脊点(-0.45)、亚洲经向环流指数(-0.32)、亚洲纬向环流指数(0.31)、亚洲区极涡面积指数(-0.31)。从相关性分析可以看出，各环流指数中，副高面积指数、副高西伸脊点与海南岛冷冬事件相关系数较高。选取南海副高面积指数、西太平洋副高面积指数和西太平洋副高西伸脊点为例，分析其与海南岛冷冬事件的对应关系(图 6)。从图 6中可以看出，冷冬年多对应副高面积指数低值年和副高西伸脊点高值年，进一步证明冷冬年副高偏弱。副热带高压偏弱、位置偏东时，有利于北方冷空气向南扩散，影响华南及海南地区，使海南岛出现冷冬事件。

3.4 ENSO和北极涛动与海南岛冷冬关系分析

EL Niño和La Niña是热带海洋-大气共同作用的产物，EL Niño和La Niña的发生常常会引起我国气候异常，La Niña事件的发生有利于东亚冬季风的增强。图 7a显示的是近40年来Niño3.4指数演变与海南岛冷冬对应关系，在近40年海南岛发生的12次冷冬事件中，有9年位于ENSO冷位相，2年位于ENSO暖位相，1年位于冷位相向暖位相过渡期。另外，对ENSO冷位相年中的La Niña事件统计发现，近40年来，一共出现9次La Niña事件，其中7次海南岛出现了冷冬事件。因此，可以看出，海南岛冷冬事件多出现在ENSO冷位相，并且与La Niña事件存在较好的对应关系，ENSO位于冷位相时，西北太平洋有气旋性环流异常，副高相对偏弱，使得冬季北风异常偏强，导致我国冬季偏冷，进而有利于冷冬事件的发生(Zhang et al, 1996; Wang et al, 2000)。分析结论与伍红雨等(2014)研究华南冬季气温与ENSO的关系结论一致，La Niña事件发生时，副高偏弱，中高纬度冷高压较强，东亚冬季风偏强。

另外，AO指数同样与我国冬季气温存在密切联系(所玲玲等, 2008; 庞子琴和郭品文, 2010)。研究指出，AO指数负异常往往会引起中纬度东亚冬季风强度、西伯利亚高压强度异常偏强，从而使得我国中纬度冬季气温偏低(胡秀玲和刘宣飞, 2005; 李春和方之芳, 2005)。陈文等(2013)研究指出，ENSO和AO的影响在东亚呈现出线性叠加的特征，即南方受ENSO影响显著，而北方受AO的影响显著，ENSO与AO对我国南北地区的影响存在一定的差异性。然而，有学者对AO指数与低纬度天气气候的关系进行了研究，指出AO指数同样对中低纬度地区气温存在一定的影响(屈静玄等, 2015; 司东等, 2016)，AO指数能够显著影响东亚冬季风及我国南方的冬季气温。陈文等(2013)也指出，在ENSO循环处于冷位相与AO指数正位相相叠加的背景下，易出现北暖南冷的气候特点。因此，对海南岛冷冬事件与AO指数的对应关系进行了统计分析。分析时，将AO指数>0视为AO正位相，AO指数＜0视为AO负位相。如图 7b所示，海南岛冷冬事件与AO指数同样存在一定的对应关系。海南岛12次冷冬事件中，8次出现在AO指数正位相。在AO指数正位相年，孟加拉湾上空南支槽和南亚急流偏强，东亚急流显著减弱，西太平洋副高减弱，热带西太平洋有异常气旋式环流，我国南方地区偏南风减弱，北风加强，使得海南岛更容易出现冷冬事件。

为综合考虑海南岛冷冬事件与ENSO事件和AO指数的内在联系，将海南岛近40年冷冬事件的发生与冬季Niño3.4指数和AO指数进行了统计分析(表 1)，其中Niño3.4指数>0以Niño3.4(+)表示，表征为ENSO(暖)，Niño3.4指数＜0以Niño3.4(-)表示，表征为ENSO(冷)。1978/1979、1981/1982年两年冬季Niño3.4指数=0，统计时未列入表中。统计结果表明，近40年中，在ENSO暖位相对应AO指数正位相时，海南岛冷冬事件出现的概率为22.2%，ENSO暖位相对应AO指数负位相时海南岛未出现冷冬事件。而当ENSO处于冷位相对应AO指数正位相时，海南岛冷冬事件出现的概率为60%，ENSO冷位相对应AO指数负位相时出现冷冬的概率为33.3%。可以看出，海南岛冷冬事件更易出现在ENSO冷位相对应AO指数正位相年。结合大气环流异常特征及ENSO和AO指数分析，可以看出，ENSO冷位相与AO正位相年相叠加，副高强度较弱，位置偏东，西风槽和孟加拉湾上空南支槽偏强，影响我国南方北风异常偏强，各系统异常相互配置，有利于影响海南岛的冷空气较常年偏强，易发生冷冬事件。

4 结论

对海南岛近40年来冷冬事件气候特征及其形成机理进行了分析，得到结论如下：

(1) 海南岛冬季平均气温存在明显的年代际变化特征，在1993—1995年、2010年前后分别出现了两次气温突变。近40年，海南岛冷冬事件频发，有1981、1982、1983、1985、1988、1991、1995、1999、2007、2010、2011、2013年共12次冷冬年。海南岛南部市、县发生冷冬的频次大于中部及北部地区，北部市、县冷冬强度强于南部地区。

(2) 海南岛偏冷年，高低层良好的环流形势配合，有利于对流层中低层西伯利亚高压的增强，东亚冬季风显著偏强，影响我国的冷空气更加活跃，且存在明显的上升气流，高低层大气环流异常共同作用使得海南岛冬季气温偏低。冷冬年分别对应副高面积指数低值年和副高西伸脊点高值年，表明副高偏弱、位置偏东时，海南岛易出现冷冬事件。

(3)冷冬年，海南岛周围海域海温较常年明显偏低。海温异常偏低，受海洋强迫作用，副高位置易偏东，进而有利于诱发海南岛冬季气温偏低。

(4) 海南岛冷冬事件与La Niña事件存在较好的对应关系，冷冬多出现在ENSO冷位相年和AO指数正位相年。ENSO冷位相对应AO正位相年，更加有利于副高强度偏弱偏东，西风槽和孟加拉湾上空南支槽偏强，影响我国南方的北风异常偏强，使得影响海南岛的冷空气较常年偏强，发生冷冬事件。