秋季北極海冰變化對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的影響

張建軍 ，張劍明 ，趙新宇，廖玉芳 ，范嘉智

(1.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410118；2.湖南省氣候中心，湖南 長(zhǎng)沙 410118；3.吉林省通化市氣象局，吉林 通化 134000；4.湖南省氣象科學(xué)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410118；5.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125)

引 言

北極海冰作為北極大氣與海洋能量的交換介質(zhì)，其高反射率、季節(jié)相變、流變性，對(duì)氣候系統(tǒng)有重要影響[1-3]。秋季北極海冰通過(guò)海洋的調(diào)節(jié)機(jī)制，可對(duì)北半球冬季環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的滯后影響，夏秋季北極海冰融化后的廣闊海水區(qū)域能夠吸收大量的太陽(yáng)輻射并儲(chǔ)存于海洋內(nèi)，在隨后的冬季釋放到大氣中，從而導(dǎo)致冬季明顯的北極放大效應(yīng)[4-6]。北極放大效應(yīng)進(jìn)一步引起北半球中高緯度對(duì)流層低層的經(jīng)向溫度梯度以及1000～500 hPa等壓面間厚度的經(jīng)向梯度，羅斯貝波向東傳播的速度、水汽和能量輸送等的變化，從而影響北半球環(huán)流系統(tǒng)[7-9]，如可通過(guò)影響北半球極渦、東亞冬季風(fēng)和西伯利亞高壓進(jìn)而影響中國(guó)冬季氣溫[9-13]。尤其是喀拉海、巴倫支海區(qū)域冬季海冰面積、密集度等的變化對(duì)東亞冬季風(fēng)、西伯利亞高壓強(qiáng)度甚至中國(guó)東北的冬季氣溫有重要影響[14-15]。

本文基于秋季北極海冰密集度與長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的相關(guān)關(guān)系，探尋除喀拉海、巴倫支海海區(qū)之外，能作為預(yù)測(cè)前兆信號(hào)的海冰關(guān)鍵區(qū)，同時(shí)探討關(guān)鍵區(qū)海冰對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的可能影響機(jī)制。

1 資料和方法

所用資料為中國(guó)氣象局氣象信息中心全國(guó)2290個(gè)氣象站1980—2017年逐日平均氣溫；NECP/NCAR 1980年12月至2017年2月的月平均地面氣壓、500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(水平分辨率為2.5°×2.5°)，2 m氣溫(水平高斯格點(diǎn)為192×94)；海冰資料為英國(guó)哈德萊(Hadley)中心的海冰密集度資料，水平分辨率為1.0°×1.0°。由于秋季北極海冰呈顯著減少趨勢(shì)[16-17]，長(zhǎng)江中下游冬季氣溫呈顯著升高趨勢(shì)[18-19]，因此文中所用資料均去除了線(xiàn)性趨勢(shì)[20]。

本文所指的北極地區(qū)為66°N以北地區(qū)，冬季指當(dāng)年12月至次年2月，如1997年冬季指1997年12月至1998年2月。研究方法為經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分析、相關(guān)、合成及回歸等常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)方法，用t檢驗(yàn)對(duì)相關(guān)/回歸、合成分析結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 秋季北極海冰對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的影響

對(duì)1980—2016年長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫進(jìn)行EOF分解，圖1是前兩個(gè)模態(tài)空間型及相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)。第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為81.5%，為全區(qū)一致型；第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為7.5%，為西北、東南反向分布型。鑒于第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率較大，后文將利用第一模態(tài)空間型代表全區(qū)冬季氣溫分布，即長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫呈一致變化型；對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)作為冬季氣溫變化的時(shí)間序列。

圖1 1980—2016年長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫EOF分解第一(a、c)、第二(b、d)模態(tài)空間型(a、b)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(c、d)Fig.1 The spatial patterns (a, b) and corresponding time coefficients (c, d) of the first (a, c) and the second (b, d) mode of EOF analysis of winter temperature over the middle and low reaches of the Yangtze River during 1980-2016

2.1 秋季北極海冰與長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的聯(lián)系

圖2為冬季氣溫EOF分解第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)PC1與秋季北極海冰密集度的相關(guān)系數(shù)分布?？梢钥闯觯琍C1與巴倫支海(a區(qū)，48°E—52°E、70°N—76°N)、喀拉海(b區(qū)，62°E—68°E、70°N—76°N)、巴倫支海-喀拉海(c區(qū)，62°E—92°E、78°N—82°N)、拉普捷夫海以北(d區(qū)，111°E—153°E、78°N—82°N)、東西伯利亞海以東(e區(qū)，170°E—168°W、74°N—78°N)海區(qū)相關(guān)系數(shù)在0.267以上(P<0.1)，這與何金海等[21]在年際尺度上分析得到的秋季北極海冰與歐亞冬季氣溫高相關(guān)區(qū)較為一致。

圖2 PC1與北極海冰密集度的相關(guān)系數(shù)(陰影，通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn))分布Fig.2 Distribution of the correlation coefficients (shaded, the shaded areas passing the 0.1 significance test) between the PC1 and Arctic sea ice concentration

表1列出各關(guān)鍵區(qū)秋季海冰指數(shù)之間及其分別與長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫PC1的相關(guān)系數(shù)。可以看出，5個(gè)關(guān)鍵區(qū)秋季海冰指數(shù)與PC1均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，其中以拉普捷夫海以北海區(qū)相關(guān)系數(shù)最大，喀拉海海區(qū)最小。而5個(gè)關(guān)鍵區(qū)秋季海冰指數(shù)的滯后1 a自相關(guān)顯示，巴倫支海-喀拉海海區(qū)存在顯著滯后自相關(guān)，這對(duì)于利用該關(guān)鍵區(qū)秋季海冰指數(shù)預(yù)測(cè)接下來(lái)的冬季氣溫帶來(lái)了挑戰(zhàn)，而其余4個(gè)關(guān)鍵區(qū)秋季海冰指數(shù)并不存在這一現(xiàn)象，這將有利于將4個(gè)關(guān)鍵區(qū)的秋季海冰密集度異常作為前兆信號(hào)來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)年冬季氣溫。

表1 各關(guān)鍵區(qū)秋季海冰指數(shù)之間及其分別與長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫PC1的相關(guān)系數(shù)Tab.1 The correlation coefficients between sea ice indexes in each key area and the PC1, and between sea ice indexes in different key area in autumn

由于拉普捷夫海以北海區(qū)和東西伯利亞海以東海區(qū)的秋季海冰指數(shù)與PC1的相關(guān)系數(shù)較其他指數(shù)更高，而巴倫支海-喀拉海海區(qū)秋季海冰指數(shù)存在顯著滯后自相關(guān)，諸多研究又指出巴倫支海、喀拉海是北極海冰影響東亞冬季氣溫的關(guān)鍵區(qū)，并給出了不同的影響機(jī)制[12,15,22-23]，因此本文將重點(diǎn)分析拉普捷夫海以北及東西伯利亞海以東海區(qū)的秋季海冰密集度異常對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的影響。拉普捷夫海以北與東西伯利亞海以東海區(qū)秋季海冰指數(shù)之間具有顯著的正相關(guān)(P<0.001)，因此將兩者進(jìn)行線(xiàn)性平均，形成一個(gè)新的秋季海冰指數(shù)ILE。同樣，ILE與長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫PC1存在顯著正相關(guān)，且不存在顯著的滯后自相關(guān)。因此后文將基于這一新的指數(shù)分析秋季北極海冰對(duì)當(dāng)年長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的影響機(jī)制。

2.2 秋季北極海冰對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的影響機(jī)制

我國(guó)冬季冷暖變化與歐亞地區(qū)大氣環(huán)流型密切相關(guān)[24]，當(dāng)西伯利亞高壓偏強(qiáng)時(shí)，通常中國(guó)大部分地區(qū)冬季氣溫偏低[25-27]；當(dāng)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上烏拉爾山地區(qū)阻塞加強(qiáng)，東亞大槽加深，有利于冷空氣南下，使得中國(guó)冬季氣溫偏低[28]。圖3為PC1分別與同期地面氣壓距平、500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)及秋季ILE分別回歸的冬季地面氣壓距平場(chǎng)和500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)?？梢钥闯?，當(dāng)長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫偏高時(shí)，對(duì)應(yīng)的歐亞中高緯地區(qū)地面氣壓偏低，西太平洋、印度洋及南亞地區(qū)偏高；烏拉爾山地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)偏低、亞洲中緯地區(qū)偏高，即西伯利亞高壓、烏拉爾山阻塞高壓、東亞大槽偏弱，歐亞中高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主時(shí)，有利于長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫偏高。秋季北極海冰對(duì)冬季氣溫的影響是否與地面氣壓及高空環(huán)流存在某種聯(lián)系呢？從秋季ILE回歸的冬季地面氣壓距平場(chǎng)看，通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)區(qū)域與PC1和同期地面氣壓距平場(chǎng)的顯著相關(guān)區(qū)重疊，這與肖鶯等[29]認(rèn)為秋季北極海冰可以改變后期冬季西西伯利亞高壓強(qiáng)度結(jié)論相同；同樣從秋季ILE回歸的冬季500 hPa位勢(shì)高度距平來(lái)看，通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)區(qū)域與PC1和同期500 hPa位勢(shì)高度距平的顯著相關(guān)區(qū)重疊。即ILE對(duì)冬季歐亞地區(qū)的地面氣壓、500 hPa位勢(shì)高度有很好的指示作用，因此可將秋季拉普捷夫海以北及東西伯利亞海以東海區(qū)的海冰密集度異常作為預(yù)測(cè)當(dāng)年長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫冷暖的前兆信號(hào)。

為進(jìn)一步說(shuō)明海冰指數(shù)、500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、冬季氣溫之間的聯(lián)系，將圖3中高相關(guān)系數(shù)區(qū)域(黃色方框內(nèi))作為影響冬季氣溫的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)關(guān)鍵區(qū)，并以此定義500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)指數(shù)，計(jì)算公式如下：

圖3 PC1與同期地面氣壓距平場(chǎng)相關(guān)系數(shù)(陰影，通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)), 秋季ILE回歸的冬季地面氣壓距平場(chǎng)(單位：hPa)(等值線(xiàn)，點(diǎn)區(qū)為通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)區(qū)域)(a)和PC1與同期500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)(陰影，通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn))及秋季ILE回歸的冬季500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)(單位：dagpm)(等值線(xiàn)，點(diǎn)區(qū)為通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn)區(qū)域)(b)Fig.3 The correlation coefficients (the shaded, passing the 0.1 significance test) between the PC1 and the corresponding period surface pressure anomaly, surface pressure anomaly in winter obtained by regression on ILE in autumn (isoline, the dots areas passing the 0.1 significance test) (a), the correlation coefficients (the shaded, passing the 0.1 significance test) between the PC1 and 500 hPa geopotential height anomaly and 500 hPa geopotential heights anomaly (Unit: dagpm) in winter obtained by regression on ILE in autumn (isoline, the dots areas passing the 0.1 significance test) (b)

式中：K為500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)指數(shù)；n為關(guān)鍵區(qū)(70°E—135°E、30°N—47.5°N)內(nèi)的格點(diǎn)數(shù)；m為關(guān)鍵區(qū)(37.5°E—90°E、60°N—75°N)內(nèi)的格點(diǎn)數(shù)，zi或zj為某格點(diǎn)上的位勢(shì)高度。

圖4為PC1及500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)指數(shù)、秋季ILE的年際變化。可以看出，500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)指數(shù)與PC1存在一致的變化趨勢(shì)(相關(guān)系數(shù)為0.739，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn))，而秋季ILE與PC1同樣具有很好的一致性(相關(guān)系數(shù)為0.597，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn))，此外500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)指數(shù)與ILE也顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.499，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn))。通過(guò)以上分析，可以認(rèn)為秋季北極海冰可能通過(guò)影響冬季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)來(lái)間接影響長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫。

圖4 PC1及500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)指數(shù)K與秋季ILE的年際變化Fig.4 The inter-annual variation of the PC1, the 500 hPa geopotential height index (K) and autumn ILE

秋季拉普捷夫海以北及東西伯利亞海以東海區(qū)的海冰密集度與歐亞中高緯500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)有很強(qiáng)的相關(guān)性。FRANCIS等[7]指出北極海冰通過(guò)北半球中高緯度對(duì)流層低層的經(jīng)向溫度梯度以及1000～500 hPa等壓面層厚度的經(jīng)向梯度，可影響到北半球環(huán)流系統(tǒng)。為此分別以正、負(fù)0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差為閾值挑選秋季ILE偏高年(1992、1994、1996、1997、1998、2000、2001、2002、2003、2006、2013及2016年，共12 a)和偏低年(1980、1981、1982、1990、1995、2005、2007、2011、2012及2014年，共10 a)，并對(duì)秋季ILE偏高年、偏低年冬季2 m氣溫經(jīng)向梯度作差值合成(圖5)，發(fā)現(xiàn)歐亞中高緯中部地區(qū)出現(xiàn)大面積的正異常(通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn))，即秋季拉普捷夫海以北及東西伯利亞海以東海區(qū)的海冰偏多(少)時(shí)，容易引起冬季歐亞中高緯中部地區(qū)2 m氣溫經(jīng)向梯度增大(減小)。值得注意的是這一區(qū)域與圖3的負(fù)相關(guān)區(qū)重疊，即北極海冰可能通過(guò)影響該區(qū)域2 m氣溫經(jīng)向梯度來(lái)影響冬季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，進(jìn)而影響長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫。為此，對(duì)冬季2 m氣溫經(jīng)向梯度與位勢(shì)高度場(chǎng)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者不僅在上述區(qū)域顯著正相關(guān)(P<0.1)，而且兩者的顯著相關(guān)區(qū)與秋季ILE高、低年的冬季2 m氣溫經(jīng)向梯度差值合成顯著區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)，即冬季2 m氣溫經(jīng)向梯度能夠影響同時(shí)期該地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，這與FRANCIS等[7]的結(jié)論一致。

圖5 秋季ILE偏高年與偏低年的冬季2 m氣溫經(jīng)向梯度差值合成(陰影，單位： 106 K· m-1，藍(lán)色點(diǎn)通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn))及冬季2 m氣溫經(jīng)向梯度與同期500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(等值線(xiàn)，通過(guò)0.1顯著性檢驗(yàn))Fig.5 The composite of differences of winter meridional gradient of 2 m temperature (the shaded, Unit: 106 K· m-1, blue dots areas passing the 0.1 significance test) in years of high and low values of autumn ILE and the correlation coefficients between the meridional 2-m temperature gradient in winter and the 500 hPa geopotential heights index (isoline, passing the 0.1 significance test)

綜上所述，當(dāng)秋季拉普捷夫海以北及東西伯利亞海以東海區(qū)的海冰偏多(少)時(shí)，冬季歐亞中高緯中部地區(qū)近地面的氣溫經(jīng)向梯度增大(減小)，并影響中層環(huán)流，造成烏拉爾山地區(qū)阻塞減弱(加強(qiáng))，歐亞中高緯地區(qū)以緯(經(jīng))向環(huán)流為主，冷空氣不易(容易)影響到長(zhǎng)江中下游地區(qū)，進(jìn)而使得該地區(qū)冬季氣溫偏高(偏低)(圖6)。

圖6 秋季北極海冰影響長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的概念模型Fig.6 Conceptual model of the influence of autumn Arctic sea ice on winter temperature in the middle and low reaches of the Yangtze River

3 結(jié)論與討論

(1)秋季除喀拉海、巴倫之海的海冰密集度與長(zhǎng)江中下游冬季氣溫顯著正相關(guān)外，拉普捷夫海以北及東西伯利亞海以東海區(qū)的海冰與長(zhǎng)江中下游冬季氣溫具有更高的相關(guān)性。

(2)秋季拉普捷夫海以北與東西伯利亞海以東海區(qū)的海冰密集度異常存在顯著正相關(guān)，對(duì)兩者進(jìn)行線(xiàn)性平均后，可作為長(zhǎng)江中下游冬季氣溫的前兆信號(hào)。

(3)當(dāng)拉普捷夫海以北及東西伯利亞海以東海區(qū)海冰密集度偏高時(shí)，歐亞中高緯中部地區(qū)2 m氣溫經(jīng)向梯度增大，烏拉爾山地區(qū)阻塞偏弱，歐亞中高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主，有利于長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫偏高，反之亦然。

本文分析了前期秋季北極海冰變化對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的可能影響，并給出了相應(yīng)的影響機(jī)制。其中定義的關(guān)鍵區(qū)秋季海冰指數(shù)與冬季氣溫有很好的相關(guān)關(guān)系，但關(guān)鍵區(qū)秋季海冰指數(shù)異常偏高、偏低年份與冬季氣溫異常冷暖年份并不能完全一一對(duì)應(yīng)，說(shuō)明影響長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的外強(qiáng)迫因子并非僅僅是北極海冰，而是多因子協(xié)同作用的結(jié)果，康麗華等[30]指出赤道中東太平洋的異常海溫對(duì)我國(guó)冬季氣溫的全國(guó)一致變化型具有指示意義；陳少勇等[31]發(fā)現(xiàn)北大西洋前期海溫與中國(guó)東部冬季氣溫有密切關(guān)系，且西北太平洋海溫可以影響長(zhǎng)江流域及其以北季風(fēng)中部區(qū)的冬季氣溫。由此可見(jiàn)其他外強(qiáng)迫因子與長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的關(guān)系以及多因子協(xié)同影響長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

DOI：10.1029/2009GL037274

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