北極海冰的年代際轉(zhuǎn)型與中國凍雨年代際變化的關系

牛璐，黃菲，3*，周曉

(1.中國海洋大學 物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100;2.中國海洋大學 山東省高校海洋-大氣相互作用與氣候重點實驗室，山東 青島 266100；3.寧波大學 寧波市非線性海洋和大氣災害系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315211)

北極海冰的年代際轉(zhuǎn)型與中國凍雨年代際變化的關系

牛璐1，2，黃菲1，2，3*，周曉1，2

(1.中國海洋大學 物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100;2.中國海洋大學 山東省高校海洋-大氣相互作用與氣候重點實驗室，山東 青島 266100；3.寧波大學 寧波市非線性海洋和大氣災害系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315211)

基于1961-2013年HadISST海冰密集度資料，定義了北極海冰的季節(jié)性融冰指數(shù)，結(jié)果顯示近幾十年來北極季節(jié)性融冰范圍呈顯著的上升趨勢，并分別在20世紀70年代末和90年代中期存在顯著的年代際轉(zhuǎn)型，相應地，中國凍雨發(fā)生頻數(shù)總體上呈現(xiàn)出顯著的減少趨勢，但也存在顯著的年代際轉(zhuǎn)型。在20世紀70年代末之前，北極季節(jié)性融冰范圍較小但顯著增長，中國凍雨頻數(shù)年際變化振幅較大，且主要受巴倫支海、喀拉海海冰的影響；20世紀70年代末至90年代中期北極季節(jié)性融冰范圍維持振蕩特征，沒有顯著的線性趨勢，中國凍雨頻數(shù)變化振幅減小，與北極海冰相關較弱，主要相關因子為北大西洋及北太平洋海表溫度變化；而90年代中期以后，北極海冰融化加快，特別是2007年以后，季節(jié)性融冰范圍大大增加，而中國凍雨頻數(shù)處于低發(fā)時段，其變化與太平洋扇區(qū)海冰及堪察加半島附近海溫呈顯著負相關，季節(jié)性融冰的顯著區(qū)域也從東西伯利亞海逆時針旋轉(zhuǎn)向波弗特海-加拿大群島北部擴張，同時向北極中央?yún)^(qū)擴張。不同年代影響凍雨的海溫或海冰關鍵海區(qū)不同，產(chǎn)生特定的大氣環(huán)流異常響應，進而影響到我國凍雨。

凍雨；季節(jié)性融冰；年代際轉(zhuǎn)型；大氣環(huán)流異常；海溫

1 引言

近幾十年來，北極海冰快速減少，且減少速率遠大于模式預測[1]。其中多年冰減少最快，且范圍已擴展到北冰洋中心及加拿大北極群島附近[2]。太平洋扇區(qū)海冰融化最嚴重，2007年9月海冰范圍達到極低值，2012年9月達到有史以來最低值[3]。1999年及2002-2008年9月在楚科奇海，2005年及2006年在東西伯利亞海均出現(xiàn)大面積開闊水域[4]。1979-1996年間北極海冰面積和范圍的變化趨勢為每10年減少2.2%～3.0%，1997年以后則轉(zhuǎn)變?yōu)槊?0年減少10.1%～10.7%[5]。黃菲等[6]指出，1997-2012年海冰面積減少速率是1979-1996年的2.7倍，北極海冰減少趨勢在1997年前后存在顯著年代際轉(zhuǎn)型。

作為大氣環(huán)流變化的冷源，北極海冰的加速減少必然會導致中高緯度大氣環(huán)流的異常變化[4，7—9]，進而對我國氣候產(chǎn)生重要影響。Liu等[10]研究了減少的北極海冰對北美、歐洲及東亞冬季降雪的影響，指出前一年秋季北極海冰范圍的減少與中高緯大氣環(huán)流的阻塞形勢增多相聯(lián)系，同時也導致北極區(qū)域水汽含量增多。黃菲等[6]分析了年代際轉(zhuǎn)型前后北半球冬季中高緯度極端低溫的變化特征及相應的大氣環(huán)流特征，發(fā)現(xiàn)1979-1996年間極端低溫頻數(shù)分布主要與冬季北大西洋濤動(NAO)相關，1997-2012年間主要受冬季西伯利亞高壓影響。

凍雨作為冬半年一種災害性降水已經(jīng)引起各國學者的廣泛關注。貴州由于其特殊的地理位置、地形地貌和氣候條件，為凍雨高發(fā)地帶，早期研究較多[11—14]。2008年我國發(fā)生了大范圍的雨雪冰凍災害，其受災范圍及經(jīng)濟損失可謂50年來同類之最[15—16]。其成因與歐亞大陸持續(xù)出現(xiàn)異常環(huán)流，南支槽活躍，副高較為偏西偏北，有利于暖濕空氣的輸送，最終造成我國江南準靜止鋒維持，產(chǎn)生凍雨天氣[17—18]。李崇銀等[19]指出這次極端天氣的直接原因是大氣環(huán)流的組合性異常。對于凍雨長時間序列的變化，發(fā)現(xiàn)1954-2009年間我國凍雨顯著減少，與烏拉爾山和貝加爾湖阻高、亞洲極渦、西太副高等也有顯著相關關系[20]。但整體來說研究較少，與海溫、海冰等外強迫的關系也缺乏系統(tǒng)分析。

2007年9月北極海冰融化嚴重，緊接著2008年1月我國發(fā)生了大范圍的冰凍雨雪災害，這種聯(lián)系是偶然的還是存在物理上的相關關系？如果存在統(tǒng)計關系，北極海冰怎樣通過大氣環(huán)流影響中國凍雨的變化？針對這些問題，本文研究了北極海冰季節(jié)性融冰的變化特征，以及中國凍雨發(fā)生頻數(shù)的變化規(guī)律，進而探討了二者之間的時空聯(lián)系以及相關的海溫和大氣環(huán)流異常響應特征，并基于此建立了中國凍雨頻數(shù)的預報模型。

2 資料和方法

本文所用凍雨資料來自國家氣象信息中心提供的中國地面氣候資料天氣現(xiàn)象日值數(shù)據(jù)集中的雨凇日值記錄。該資料經(jīng)過了較嚴格的質(zhì)量控制和檢查。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，本文對缺測過多臺站進行了剔除，最終篩選出586站資料。時間長度為1961年1月至2013年6月。海溫、海冰數(shù)據(jù)來自哈德萊(Hadley)中心HadISST數(shù)據(jù)集中的海表面溫度(SST)及海冰密集度(SIC)的月平均記錄。格點分辨率為1°×1°，海溫數(shù)據(jù)時間長度為1961年1月至2013年6月，海冰數(shù)據(jù)延至2014年12月。大氣資料來自美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)的NCEP/NCAR Reanalysis 1的日及月平均資料，格點分辨率為2.5°×2.5°，時間長度為1961年1月至2013年6月。所用要素包括500 hPa位勢高度、近地面溫度(SAT)、海平面氣壓(SLP)等。

由于凍雨是一種冬季降水類型，主要發(fā)生在每年11月至翌年3月，為便于研究，本文將前一年7月至當年6月作為一個凍雨年循環(huán)，期間各臺站(共586站)發(fā)生的凍雨總?cè)諗?shù)為年總凍雨次數(shù)。由此得到了1962-2013年共52個凍雨年各年總凍雨發(fā)生頻次。

本文所用方法包括突變檢驗、回歸分析及合成分析等。突變檢驗包括氣候均值突變檢驗，如Man-Kendall檢驗及滑動T檢驗[21]；還有氣候變率突變檢驗，這里采用滑動F檢驗方法[22]?；貧w分析包括一元線性回歸及逐步回歸[23]。

3 北極海冰的年代際轉(zhuǎn)型

3.1 季節(jié)性融冰范圍的時間變化

近年來隨著全球變暖，北極海冰快速融化，多年冰化為季節(jié)性的一年冰，北冰洋開闊水域增大，海冰流動性加快，北極海冰變化存在年代際轉(zhuǎn)型[2，4—6]。北極海冰變化對氣候影響較大的是季節(jié)性融冰的變化，由于北極海冰范圍在每年的2、3月份達到最大，9月份面積最小，為了表征季節(jié)性融冰的變化，這里定義北極海冰季節(jié)性融冰面積指數(shù)，即每年2-3月平均的北極海冰面積減去8-9月平均的海冰面積。該指數(shù)與Huang等[24]定義的北極海冰范圍年較差指數(shù)類似，它能很好地表征北極海冰快速融化過程中每年結(jié)冰速率和融冰速率差異產(chǎn)生的季節(jié)性融冰變化，可從另一個角度更好地理解北極海冰的變化特征。

圖1為北極海冰季節(jié)性融冰面積指數(shù)隨時間的變化。為驗證HadISST資料可信度，我們與美國冰雪中心(NSIDC)數(shù)據(jù)作了對比(圖1灰色實線)。除個別年份，兩種資料變化規(guī)律基本一致。整體來看，50年來該面積指數(shù)呈增加趨勢，超過了0.01的顯著性水平；20世紀60年代約為7×106km2，2007年以后在10×106km2左右，表明北極海冰季節(jié)性融冰面積增大。具體來說，1979年以前，季節(jié)性融冰面積較小，且呈增加趨勢，均值為7.4×106km2，線性傾向系數(shù)為0.056×106km2/a，超過0.05的顯著性水平。1979年該序列出現(xiàn)顯著增加，且超過0.01的顯著性水平(圖2a，b)，之后至1995年北極季節(jié)性融冰范圍振蕩維持，沒有顯著的趨勢。1996年該序列有一弱的突變減少(圖2a)，之后轉(zhuǎn)為階梯型的5～6 a周期的波動；同時面積指數(shù)增速加大，線性傾向系數(shù)為0.121×106km2/a，超過0.01的顯著性水平；同時年際振幅加大，尤其在2007年以后，融冰面積顯著增大，與2006年相比，增幅超過1.7×106km2。因此本文將該序列分為3個時間段，即1961-1978年，1979-1995年，1996-2013年，針對每個時間段分別進行分析。

圖1 北極海冰季節(jié)性融冰面積指數(shù)隨時間的變化Fig.1 The time series for Arctic sea ice seasonal melting area index藍色實線為HadISST數(shù)據(jù)，代表各年代段均值；灰色實線為NSIDC數(shù)據(jù)；紅色虛線代表各年代段趨勢；右上數(shù)值代表各年代段線性傾向系數(shù)；*表示超過0.05的顯著性水平The blue line from HadISST dataset，represent average of each decade；the grey line from NSIDC dataset; the red dashed line represent trend of each decade; top right corner number represent linear trend coefficient；star means passing 0.05 significance level

圖2 北極海冰季節(jié)性融冰面積指數(shù)序列的滑動T檢驗(a)及Mann-Kendall檢驗(b)，其中Uf和Ub分別代表正序列和逆序列的統(tǒng)計檢驗量Fig.2 The moving T test (a) and Man-Kendall test (b) for Arctic sea ice seasonal melting area index，the Uf and Ub in b denote the sequence and inverted sequence of statistical test variables, respectively

3.2 季節(jié)性融冰的空間變化

用前文定義的北極海冰季節(jié)性融冰面積指數(shù)序列與空間各點的海冰密集度(SIC)的冬夏差值(每年2-3月平均減8-9月平均)作回歸，得到各年代時段內(nèi)季節(jié)性融冰的空間分布特征(圖3)。從整個時間段來看(圖3a)，除格陵蘭島以東沿岸至巴倫支海一線地區(qū)為負值外，北極大部分海區(qū)，尤其是太平洋扇區(qū)波弗特海、楚科奇海、東西伯利亞海及拉普捷夫海等地區(qū)海冰變化與季節(jié)性融冰面積指數(shù)為同位相變化，表明該指數(shù)的變化主要由這些區(qū)域海冰的季節(jié)性融化決定。在不同的年代階段，1961-1978年間主要海區(qū)為拉普捷夫海及東西伯利亞海一帶，白令海及巴倫支海以北海區(qū)也有顯著正異常；1979-1995年間則集中在西伯利亞向東至阿拉斯加沿岸以北整個海域；1996年以后，太平洋扇區(qū)季節(jié)性融冰面積顯著增大，顯著海區(qū)向東擴展至加拿大北極群島，同時向北冰洋中央?yún)^(qū)也有顯著擴展。由此說明1996年以后北極海冰的季節(jié)性融冰面積也存在顯著年代際轉(zhuǎn)型。

圖3 北極海冰季節(jié)性融冰面積指數(shù)與海冰密集度冬夏差異的回歸場的空間分布(打點區(qū)域超過0.05的顯著性水平)Fig.3 Spatial pattern of regression between Arctic sea ice seasonal melting area index and difference of maximum SIC and minimum SIC of last year (the dotted area passes 0.05 significance level)

4 中國凍雨的年代際變化

4.1 中國凍雨年頻數(shù)的時間變化

圖4為標準化的年總凍雨發(fā)生頻數(shù)隨時間的變化。整體來看，凍雨呈減少趨勢，線性傾向系數(shù)為-0.03/a，且超過了0.05的顯著性水平。但是不同年代內(nèi)凍雨變化不盡相同?；瑒覶檢驗(圖5a)結(jié)果表明凍雨頻數(shù)在1997年出現(xiàn)顯著突變，且超過0.01的顯著性水平。1997年之前發(fā)生頻數(shù)大部分在0值以上波動，1997年之后基本在0值以下波動。Man-Kendall檢驗(圖5b)也表明自1997年前后年總凍雨次數(shù)出現(xiàn)顯著減少，超過0.05的顯著性水平。綜上，本文認為中國凍雨在1997年前后出現(xiàn)了年代際轉(zhuǎn)型。另外，對該序列作滑動F檢驗(圖5c)，結(jié)果表明在1980年前后出現(xiàn)了方差突變，且顯著性水平接近0.01。1980年以前年際變率振幅較大，1980年以后則年際變率較小。

圖4 標準化的年總凍雨發(fā)生頻數(shù)隨時間的變化Fig.4 Temporal evolution of standardized freezing rain frequency藍實線代表各年代段均值；紅虛線代表各年代段趨勢；黑實線代表整體均值；黑虛線代表整體趨勢；右上數(shù)值代表各年代段線性傾向系數(shù)；*表示超過0.05的顯著性水平The blue solid line represent average of each decade； the red dashed line represent trend of each decade; the black solid line represent overall average;top right corner number represent linear trend coefficient；star means passing 0.05 significance level

圖5 標準化的年總凍雨發(fā)生頻數(shù)的滑動T檢驗(a)，Man-Kendall檢驗(b)和滑動F檢驗(c)，其中Uf和Ub分別代表正序列和逆序列的統(tǒng)計檢驗量Fig.5 The moving T test (a)，Man-Kendall test (b)，and the moving F test (c) of standardized freezing rain frequency,the Uf and Ub in b denote the sequence and inverted sequence of statistical test variables, respectively

因此，中國凍雨的頻數(shù)變化也存在3個時間段的年代際變化，1962-1979年間凍雨頻數(shù)年際變率較大，凍雨有弱的增加趨勢(線性傾向系數(shù)0.022)；1980-1996年間年際變率減小，凍雨呈減少趨勢(線性傾向系數(shù)-0.029)；1997年以后凍雨突然減少，之后凍雨呈增加趨勢(線性傾向系數(shù)0.05，超過80%的信度檢驗)。值得注意的是，2008年中國南方大范圍的凍雨災害是非常極端的個例，雖然歷史上曾在1964，1969和1977年冬均出現(xiàn)過比2008年更多的凍雨發(fā)生，但在20世紀70年代末以來全球變暖凍雨頻數(shù)大輻度減少的背景下，2008年冬季的凍雨發(fā)生是最多的一次。

中國凍雨出現(xiàn)的這種年代際變化與北極季節(jié)性海冰的年代際轉(zhuǎn)型有著非常一致的年代際變化特征，表明中國凍雨發(fā)生背景的年代際變化可能與北極海冰異常造成的中高緯度大氣環(huán)流異常相聯(lián)系。因此后文中將重點從這3個不同年代背景下探討北極海冰變化影響中國凍雨的可能途徑。

4.2 中國凍雨頻數(shù)的空間分布

圖6為各年代時段中國凍雨頻數(shù)趨勢的空間分布。整體來看(圖6d)，1962-2013年間，除遼寧、新疆地區(qū)部分臺站及內(nèi)蒙古地區(qū)部分臺站凍雨日數(shù)略有增加外，我國大部分地區(qū)年凍雨日數(shù)為減小趨勢。且黃河流域以南、長江流域以北各臺站及東北中部地區(qū)減少趨勢顯著，通過0.05的顯著性水平。長江流域以南等地區(qū)雖為減少趨勢，但趨勢不顯著。對3個階段各站年凍雨日數(shù)的趨勢進行分析發(fā)現(xiàn)(圖6a～c)，與總減少趨勢分布相比，各時間段內(nèi)凍雨的趨勢變化差異較大。1962-1979年間，凍雨趨勢的空間分布為帶狀相間分布。36°N的黃河中下游流域以北大部分地區(qū)凍雨為減少趨勢，以南為增加趨勢；長江中下游流域為減少趨勢，再南部則為增加趨勢。1980-1996年，全國大部地區(qū)凍雨為減少趨勢，且貴州、湖南減少趨勢顯著，只有遼寧、中國東部部分地區(qū)為增加趨勢。1997年以后，中國北部大部地區(qū)為減少趨勢，南部大部地區(qū)為增加趨勢，且趨勢較顯著?？梢哉J為，1997年的年代際轉(zhuǎn)型以后，對于中國南方大部，各站凍雨從減少趨勢變?yōu)樵黾于厔荨?/p>

圖6 不同時間段年凍雨日數(shù)趨勢的空間分布(實心圓表示超過0.05的顯著性水平)Fig.6 The spatial pattern of the trend of annual mean freezing rain days (solid round passes 0.05 significance level)

5 凍雨發(fā)生頻數(shù)與北極海冰年代際變化的時空聯(lián)系

5.1 凍雨變化與北極季節(jié)性融冰的關系

圖7為各年代內(nèi)凍雨總發(fā)生頻數(shù)與前一年海冰季節(jié)性融冰指數(shù)的空間相關場分布。從整個時間段來看(圖7a)，凍雨總頻數(shù)與冰島以北至巴倫支海以北一線海區(qū)為正相關關系，與西半球海區(qū)融冰指數(shù)為顯著負相關關系。對不同年代段分別分析發(fā)現(xiàn)(圖7b～d)，不同年代的空間分布差異較大。1962-1979年間在拉普捷夫海域附近有兩處顯著正相關海區(qū)；而1980-1996年間除楚科奇海西北部分海域為顯著負相關外，沒有顯著相關海區(qū)；1997-2013年間相關海區(qū)又發(fā)生了變化，在太平洋扇區(qū)80°N附近出現(xiàn)大片顯著正相關海區(qū)，說明1997年以后中國凍雨變化與太平洋扇區(qū)海冰快速融化有密切聯(lián)系。

圖7 凍雨總發(fā)生頻數(shù)與前一年海冰季節(jié)性融冰指數(shù)的相關場的空間分布(打點區(qū)域超過0.05的顯著性水平)Fig.7 Spatial pattern of correlation between freezing rain frequency and difference of maximum SIC and minimum SIC of last year(the dotted area passes 0.05 significance level)

5.2 凍雨變化與海表溫度、海冰密集度的空間相關

圖8、圖9為去趨勢標準化的年總凍雨發(fā)生頻數(shù)與不同季節(jié)海溫、海冰的回歸分布。與原標準化序列對應的空間分布相比，兩者空間分布一致，說明凍雨變化與海溫及海冰的年際關系較為突出。對比發(fā)現(xiàn)，1962-1979年間，凍雨變化與海溫的關系較不顯著。僅前一年夏季北大西洋中緯度海區(qū)存在負異常，前一年秋季北太平洋海區(qū)存在正異常。與海冰的關系較顯著，前一年秋季巴倫支海、喀拉海一帶海冰有顯著正異常。1980-1996年間，與海冰關系較弱，而熱帶海溫影響顯著增強。前一年夏季赤道太平洋及印度洋海區(qū)存在顯著正異常；北大西洋格陵蘭島以南海域海溫有顯著正異常；北太平洋海域為負異常。而1997-2013年間，海冰的主要影響海區(qū)又產(chǎn)生變化，關鍵海區(qū)主要集中在太平洋扇區(qū)。前一年夏季堪察加半島以東海溫存在顯著負異常，前一年夏季開始楚科奇海至北冰洋中心海域為負異常，前一年秋季顯著性達到最大。結(jié)合前面分析的北極季節(jié)性海冰的變化，可以發(fā)現(xiàn)中國凍雨的發(fā)生在20世紀70年代末之前和90年代中期之后主要與北極海冰的融化、季節(jié)性融冰的增多顯著相關，而70年代末到90年代中期這段時間正是全球變暖最快的年代，中國凍雨的變化則主要與熱帶及中緯度海溫的關系更密切。

圖8 去趨勢的標準化年總凍雨發(fā)生頻數(shù)與從前一年夏(JAS(-1))、種(OND(-1))到當年冬(JFM(0))、春(AMD(0))不同季節(jié)海溫的回歸分布(a～d：1962-1979年，e～h：1980-1996年，i～l：1997-2013年，打點區(qū)域超過0.05顯著性水平)Fig.8 Spatical patterns of regression between detrended standardized freezing rain occurrences and SST in different seasons from previous summer (JAS(-1)),autumm (OND(-1)) to the following winter (JFM(0)) and spring (AMD(0))(a～d：1962-1979，e～h：1980-1996，i～l：1997-2013，the dotted area pas-sed 0.05 significance level)

圖9 去趨勢的標準化年總凍雨發(fā)生頻數(shù)與不同季節(jié)的海冰的回歸分布(a～d：1962-1979年，e～h：1980-1996年，i～l：1997-2013年，打點區(qū)域超過0.05顯著性水平)Fig.9 Spatical patterns of regression between detrended standardized freezing rain occurrences and SIC in different seasons (a～d：1962-1979，e～h：1980-1996，i～l：1997-2013; the dotted areas passed 0.05 significance level)

5.3 凍雨頻數(shù)預報模型的建立和影響因子分析

為了更直觀地找出影響中國凍雨頻數(shù)變化最主要的相關性因子，本文選取前文研究中8個代表性海區(qū)的海表溫度和海冰密集度作為預報因子，應用逐步回歸方法對不同年代分別建立凍雨頻數(shù)的預報方程，得到不同年代內(nèi)影響中國凍雨發(fā)生的主要因子。所選關鍵海區(qū)信息如表1所示，結(jié)果如下。

表1 關鍵海區(qū)信息Tab.1 The information of the key areas

圖10為擬合序列的變化與原凍雨序列變化的對比圖，由圖可知各年代段各預報因子分別擬合效果較好。由上可知，不同年代影響凍雨的海溫、海冰的主要海區(qū)是不同的。1962-1979年為巴倫支海、喀拉海海冰，且為正相關關系。1980-1996年間為北大西洋中高緯度海溫及堪察加半島以東海溫，且與大西洋海溫變化呈正相關，與太平洋海溫變化呈負相關。1997-2013年間，主要影響海區(qū)均集中在太平洋，尤其是2008年凍雨災害的顯著增多與2007年太平洋扇區(qū)海冰的減少關系密切。此階段若堪察加半島附近海溫降低，太平洋扇區(qū)海冰減少，則凍雨災害增多。這與近幾十年來海冰變化是一致的，北極海冰在1997年存在顯著的年代際轉(zhuǎn)型，1997年以后太平洋扇區(qū)海冰融化顯著增多。由此可能造成了整個大氣環(huán)流的變化，從而使影響我國凍雨變化的關鍵海區(qū)向太平洋扇區(qū)轉(zhuǎn)移。

圖10 3個時間段由預報方程擬合得到的標準以凍雨頻數(shù)曲線(紅色)及原凍雨變化曲線(灰色)對比Fig.10 The fitting series(red) and the freezing rain occurrences (grey) in three time periods

5.4 北極海冰影響中國凍雨變化的大氣橋

為更好地分析凍雨頻數(shù)較多時的背景環(huán)流形勢，本文以1倍均方差為界，大于1的年份規(guī)定為凍雨多年，小于-1的年份規(guī)定為凍雨少年，得到8個凍雨多年，7個凍雨少年。凍雨多年年份為：1964，1967，1969，1972，1977，1984，1988，2008年；凍雨少年的年份為1997，1999，2001，2002，2007，2009，2013年。除2008年外，凍雨多年均在1997年年代際轉(zhuǎn)型之前，凍雨少年均在1997年以后。可見1997年以前為凍雨多發(fā)期，1997年以后為凍雨少發(fā)期。

對凍雨多、少年冬季500 hPa位勢高度異常分別進行合成(圖11)，發(fā)現(xiàn)凍雨頻數(shù)較多的年份烏拉爾山地區(qū)位勢高度異常偏高，對應高空西風減弱，經(jīng)向環(huán)流加大；同時貝加爾湖以南地區(qū)位勢高度異常偏低，更有利于冷空氣入侵我國；鄂霍茨克海上空位勢高度偏低，使東亞大槽加深，也有利于冷空氣的入侵；這些區(qū)域均超過0.05的顯著性水平。另外東南沿海位勢高度異常偏高，使西太平洋副熱帶高壓偏西偏北，有利于冷暖空氣作用在我國長江中下游地區(qū)，進而產(chǎn)生凍雨災害。而凍雨少年時，整個中國中南部上空位勢高度異常偏高，不利于冷暖空氣在我國上空交綏，不利于凍雨產(chǎn)生。

圖12給出了凍雨變化與500 hPa位勢高度的回歸分布，以進一步研究相應的大氣環(huán)流變化情況。1962-1979年間，冬季整個回歸分布類似歐亞(EU)遙相關型，歐洲及日本為正異常，里海的中高緯度地區(qū)為負異常；整個波列自巴倫支海、喀拉海一帶向我國延伸。這個分布與前文適宜凍雨災害產(chǎn)生的背景環(huán)流一致，從而造成凍雨增多。1980-1996年間，主要呈現(xiàn)出自格陵蘭島以南海區(qū)向我國延伸的波列分布；西歐為負異常，正異常地區(qū)東移，位于烏拉爾山一帶，貝加爾湖以南至30°N為負異常，30°N以南為正異常，從而造成凍雨災害增多。1997-2013年冬季整個環(huán)流分布與1997年之前差別較大，波列自極地向南延伸至我國；歐亞大陸500 hPa位勢高度呈南北反位相分布；貝加爾湖以北為正異常，以南為負異常，進而導致我國凍雨災害增多。這表明1997年之前與凍雨相聯(lián)系的大氣環(huán)流主要受大西洋扇區(qū)海冰或海溫影響；而1997年以后，大氣環(huán)流分布受太平洋扇區(qū)海冰融化影響顯著，太平洋扇區(qū)海冰的融化可能是造成大氣環(huán)流南北反位相分布的主要影響因子。

圖11 凍雨多年與少年的冬季(DJF)500 hPa位勢高度異常合成場(a.凍雨多年異常場，b.凍雨少年異常場，打點區(qū)域超過0.05的顯著性水平)Fig.11 Composite pattern of 500 hPa geopotential height anomaly in winter (DJF)(a.the year of more freezing rain，b. the year of less freezing rain，the shaded area pass the 0.05 significant level)

圖12 去趨勢標準化的凍雨總次數(shù)與不同季節(jié)的500 hPa位勢高度的回歸(a～d: 1962-1979年，e～h: 1980-1996年，i～l: 1997-2013年，打點區(qū)域過0.05顯著性水平)Fig.12 The spatial patterns of regression between detrended standardized freezing rain occurrences and 500 hPa geopotential height in different seasons(a～d: 1962-1979，e～h: 1980-1996，i～l: 1997-2013，the dotted areas passed 0.05 significance level)

6 結(jié)論

本文定義了北極海冰季節(jié)性融冰指數(shù)，在此基礎上分析了近幾十年來北極海冰季節(jié)性融冰范圍隨時間的變化及其空間分布特征。發(fā)現(xiàn)北極海冰在20世紀70年代末及90年代中期存在顯著年代際轉(zhuǎn)型。1961-1978年間，北極海冰季節(jié)性融冰面積較小，但呈顯著增加趨勢；1979-1995年間，北極季節(jié)性融冰范圍振蕩維持，且沒有顯著的趨勢；1996年以后，轉(zhuǎn)為階梯型的5～6 a周期的波動，且融冰面積快速增加。對應空間上，季節(jié)性融冰的顯著區(qū)域從北冰洋亞洲北岸的東西伯利亞海一帶逐漸逆時針旋轉(zhuǎn)向波弗特海-加拿大群島北部擴張，同時向北極中央?yún)^(qū)擴張。

對凍雨變化的研究發(fā)現(xiàn)，我國凍雨總頻數(shù)存在與北極海冰季節(jié)性融冰指數(shù)變化較為一致的年代際變化。1962-1979年間凍雨頻數(shù)年際變化振幅較大，1980-1996年凍雨頻數(shù)變化振幅減小，1997年以后凍雨頻數(shù)處于低發(fā)時段，但存在上升趨勢。對不同年代間凍雨變化與海溫、海冰的關系進行研究發(fā)現(xiàn)，中國凍雨的發(fā)生在20世紀70年代末之前和90年代中期之后主要與北極海冰的融化，季節(jié)性融冰的增多顯著相關；1979年以前最主要影響因子為北大西洋扇區(qū)海冰，1997年以后則主要受太平洋扇區(qū)海冰影響。而20世紀70年代末到90年代中期這段時間正是全球變暖最快的年代，中國凍雨的變化則主要與熱帶及中緯度海溫的關系更密切。

為探究海冰融冰面積的年代際變化與凍雨的年代際變化是否存在物理上的必然聯(lián)系，本文結(jié)合其背景環(huán)流進行了探究。發(fā)現(xiàn)凍雨發(fā)生時對應著特定的背景環(huán)流，凍雨過程受海洋海溫及大氣環(huán)流的通道影響，海溫及海冰的關鍵海區(qū)通過遙相關關系間接影響中國凍雨天氣。

由此認為，海冰的年代際轉(zhuǎn)型可能是造成凍雨年代際轉(zhuǎn)型的主要原因。但凍雨災害的成因及變化較為復雜，是多個氣候系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，有待于更深入的分析研究。

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Decadal regime shift of Arctic sea ice and associated decadal variability of Chinese freezing rain

Niulu1，2，Huang Fei1，2，3，Zhou Xiao1，2

(1.KeyLaboratoryofPhysicalOceanography，MinistryofEducation，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.KeyLaboratoryofOcean-AtmosphericInteractionandClimateinUniversitiesofShandong，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 3.NingboCollabrativeInnovationCenterofNonlinearHarzardSystemofOceanandAtmosphere，NingboUniversity，Ningbo315211，China)

Based on the HadISST sea ice concentration (SIC) data from 1961-2013，we define the Arctic sea ice seasonal melting index and analyze the spatial and temporal characteristics of Arctic sea ice seasonal melting extent. It turns out that in recent decades there are two significant decadal regime shift，late 1970s and the middle of 1990s respectively. Before the late 1970s，the oscillation of Arctic sea ice extent was decrease under the background of global warming，the seasonal melting extent (SME) was small but increased significantly; during the late 1970s and the middle of 1990s，the oscillation of the SME was maintain and had no significant trend; while after the middle of 1990s，although there is a hiatus of the global warming，the melting of Arctic sea ice is accelerating，especially after 2007，during which Arctic sea ice SME is greatly increased. Besides that，as the time goes by，the significant SME area expanded anticlockwise from the East Siberia sea to Beaufort Sea-north Canadian Arctic Archipelago gradually，and expand to the central Arctic at the same time. Correspondingly，the total frequency of Chinese freezing rain (CFR) is decreasing during the past several decades and also has significant decadal regime shift. The inter-annual amplitude of the total frequency of CFR was large during 1962-1979，then turned small during 1980-1996，with close relation to SST instead of sea ice. After 1997 the total frequency of CFR is at a low stage，but is increasing，which may mostly be influenced by Arctic sea ice variability. The key area of SST or SIC that influence CFR are different during different decadal epochs，resulting in certain atmospheric background circulation anomalies. There is a consistency between the change of CFR and the SME，which means that the decadal regime shift of the Arctic sea ice may be the cause of the decadal regime shift of Chinese freezing rain．

freezing rain; seasonal melting sea ice; decadal regime shift; atmospheric circulation anomaly; sea surface temperature

2015-04-16；

2015-08-10。

全球變化研究國家重大科學研究計劃項目(2015CB953904，2012CB955604)；國家自然科學基金委員會-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學研究中心項目(U1406401)。

牛璐(1990—)，女，山東省淄博市人，主要從事氣候變化方面的研究。

*通信作者：黃菲，女，陜西省寶雞市人，教授，主要從事氣候動力學研究。E-mail:huangf@mail.ouc.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.010

P732.6

A

0253-4193(2015)11-0105-13

牛璐，黃菲，周曉. 北極海冰的年代際轉(zhuǎn)型與中國凍雨年代際變化的關系[J]. 海洋學報，2015，37(11): 105-117，

Niu Lu，Huang Fei，Zhou Xiao. Decadal regime shift of Arctic sea ice and associated decadal variability of Chinese freezing rain[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(11): 105-117，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.010