晏紅明,梁紅麗,金燕,姚愚

(1.云南省氣候中心,云南 昆明 650034;2.云南省氣象臺,云南 昆明 650034)

冬季歐亞大陸熱力變化特征及其與大氣環(huán)流變化的關系

晏紅明1,梁紅麗2,金燕1,姚愚1

(1.云南省氣候中心,云南 昆明 650034;2.云南省氣象臺,云南 昆明 650034)

摘要：利用NCEP/NCAR再分析資料,分析了冬季歐亞大陸熱力變化的空間分布特征和變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)歐亞大陸南北區(qū)域地面氣溫變化無論在年代際還是年際尺度上均有明顯的反相特征,特別在16 a以上時間尺度的反相變化有明顯鎖相的趨勢。通過定義一個歐亞大陸熱力差異(Land Thermal Contrast,LTC)指數(shù),進一步探討了LTC指數(shù)變化與大氣環(huán)流異常的關系,發(fā)現(xiàn)當歐亞大陸處于地面氣溫北冷(暖)南暖(冷)的正(負)位相年時,有利于500 hPa中緯度西風加強(減弱)、東亞大槽位置偏西(東)偏強(弱)、低緯度南支西風槽偏弱(強)。

關鍵詞：歐亞大陸;地面氣溫;西風異常;東亞大槽;南支西風槽

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0577-11P4

文獻標志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140528002

Abstract:Based on the NCEP/NCAR reanalysis data,the spatial-temporal characteristics of surface temperature over Eurasia in wintertime are investigated.It is found that,on both interdecadal and interannual scales,the ground temperature variation in the north of Eurasian continent has obviously opposite characteristics compared with that in the south.Especially,the anti-phase relation has a clear phase-locking trend over 16-yr period.Thus,a land thermal contrast(LTC) index is defined in this paper and the relation between LTC index and atmospheric circulation is further investigated.Results show that the LTC index is closely related to the anomalous variations of mid-latitude westerly strength at 500 hPa,East Asian trough and southern westerly trough.When the temperature is cold in the north and warm in the south of Eurasia(i.e.during the positive phase years of LTC index),500 hPa middle latitude westerlies strengthen,East Asian trough deepens and moves westward,and southern westerly trough weakens,and vice versa.

收稿日期：2015-03-18；改回日期：2015-09-02

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41175062;41005046;41575081);江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)

通信作者：盧楚翰,博士,副教授,研究方向為大氣環(huán)流異常及極端天氣氣候,luchuhan@nuist.edu.cn.

Characteristics of thermal contrast over Eurasia in wintertime

and its relation to atmospheric circulation change

YAN Hong-ming1,LIANG Hong-li2,JIN Yan1,YAO Yu1

(1.Yunnan Climate Centre,Kunming 650034,China;2.Yunnan Meteorological Observatory,Kunming 650034,China)

Key words:Eurasia;surface temperature;westerly anomaly;East Asian trough;southern westerly trough

0引言

由于海陸熱力差異的季節(jié)變化是季風產(chǎn)生的重要因子(陳隆勛等,1991),海洋和大陸任何一方的變化都會引起季風異?；顒?進而影響季風區(qū)乃至全球的氣候異常。近年來,許多工作研究了海洋內(nèi)部的熱力差異,特別是赤道東西太平洋(ENSO)(李崇銀和穆明權,1999)、赤道東西印度洋(印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole,IOD))(Saji et al.,1999)、南印度洋(南印度洋副熱帶偶極模(Subtropical Dipole Pattern,SDP))(Behera and Yamagata,1999;晏紅明等,2009)、印度洋和太平洋之間(陳烈庭,1991;李崇銀和穆明權,2001)等的區(qū)域熱力差異變化特征及其對季風活動和氣候異常的影響,發(fā)現(xiàn)這些海洋內(nèi)部的熱力變化差異對西南季風、東亞副熱帶季風和南海季風以及季風區(qū)的氣候異常均有明顯的影響。而作為影響亞洲季風活動的一個重要方面,歐亞大陸涵蓋了全球最大的陸地面積,陸面狀況又相對較為復雜。大陸內(nèi)部下墊面熱力變化的差異特征如何?這種差異與大氣環(huán)流變化的關系怎樣?對同期和后期亞洲季風活動和氣候異常有什么樣的影響?針對上述這些問題的研究還比較少。

歐亞大陸積雪冰蓋和青藏高原動力熱力變化是影響氣候系統(tǒng)最重要的熱力因子,也是目前陸氣相互作用中最受關注的重要方面。冬春季歐亞大陸中高緯度地區(qū)的積雪異常不僅與東亞冬季風變化有明顯的正相關關系(陳海山等,1999),對東亞和南海夏季風的爆發(fā)也有重要影響(韋志剛等,2008;于樂江和胡敦欣,2008)。許立言和武炳義(2012)研究了歐亞大陸溶雪與東亞夏季風的關系,發(fā)現(xiàn)春季歐亞大陸異常偏多的融雪量會促使其上空高度場正異常,并向東移動發(fā)展,引起夏季東亞地區(qū)經(jīng)向波列異常,進而影響東亞夏季風活動;陳海山等(2013)最近的分析還發(fā)現(xiàn),近年來歐亞大陸中高緯度春季融雪西多東少的變化差異與我國東北夏季低溫的頻繁出現(xiàn)密切聯(lián)系。青藏高原在歐亞大陸上的疊加更增加了歐亞大陸下墊面影響的復雜性,大氣環(huán)流季節(jié)突變、西風急流分支、常定行星系統(tǒng)形成的影響、冬季東亞大氣環(huán)流平均場、東亞大槽、東亞急流都與青藏高原有密切聯(lián)系(Bolin,1950;Liu et al.,2001;段安民等,2003;劉屹岷和錢正安,2005;周秀驥等,2009;王群等，2012)。冬、春季節(jié)青藏高原的繞流作用在高原南側形成的印緬槽,使中印半島和我國西南多陰雨(Yin,1949)。夏季激發(fā)的高原和西南低渦在向東移動的過程中常常造成長江中下游地區(qū)激烈天氣過程(陶詩言,1980)。劉新等(2002)的進一步分析還發(fā)現(xiàn)青藏高原的動力熱力作用對亞洲季風最早爆發(fā)的時間和地點有重要的錨定作用。

近年來,一些工作初步發(fā)現(xiàn)歐亞大陸類似于海洋,不同區(qū)域之間也存在范圍較大的熱力差異變化,但目前對大陸內(nèi)部的熱力變化特征及其與大氣環(huán)流及氣候變化關系方面的研究還不多。晏紅明等(2005)對冬季亞洲地區(qū)熱力變化的分析發(fā)現(xiàn),亞洲大陸東北亞和東南亞之間存在明顯的熱力差異,并發(fā)現(xiàn)了這一熱力差異與東亞冬夏季風的變化密切聯(lián)系。隨后通過對冬季范圍較大的歐亞大陸區(qū)域熱力變化的分析,進一步發(fā)現(xiàn)了歐亞大陸南北區(qū)域熱力變化存在較明顯的差異(金燕等,2013);沈學順和木本昌秀(2007)的研究也同樣發(fā)現(xiàn)了冬季歐亞大陸熱力變化的差異,并發(fā)現(xiàn)這種熱力差異從冬季至夏季具有很好的持續(xù)性。

針對目前的研究現(xiàn)狀,本文利用1948—2007年的NCEP/NCAR月平均和日平均高低層氣溫、風和高度場等再分析資料,通過自然正交函數(shù)展開(EOF)、相關分析、小波分析、波譜分析、合成分析等方法,進一步研究了冬季(12月—次年2月)歐亞大陸區(qū)域熱力差異變化的分布特征、變化規(guī)律和相互關系,并初步探討了歐亞大陸熱力異常與大氣環(huán)流變化的聯(lián)系。文中,1948年表示1948年12月—1949年2月的冬季,依此類推。

1冬季歐亞大陸區(qū)域熱力差異的分布特征和變化規(guī)律

地面氣溫在一定程度上可以表征地球表面的熱力狀況,選取歐亞大陸區(qū)域(30～140°E,10～70°N),用EOF方法分析了該區(qū)域1948—2006年冬季季節(jié)平均的歐亞大陸地面氣溫的空間分布特征(圖1)?？梢娬伎偡讲钬暙I25.5%的第一模態(tài)(EOF1)的分布表明,35°N以北的歐亞北部地區(qū)為載荷正值區(qū),35°N以南的南亞地區(qū)為載荷負值區(qū),正、負載荷值分布表明南亞地區(qū)和歐亞北部地面氣溫變化有反位相關系,其分界線大致位于35°N附近。相應EOF1第一時間系數(shù)的變化有很顯著的年代際特征,1949—1980年和1988—2006年兩個時段時間系數(shù)的變化剛好相反,1952—1978年的時間系數(shù)為負,該期間內(nèi)的27 a中有22 a為負值,但負值變化比較小;而1988—2006年的時間系數(shù)主要以正值為主,19 a中僅有11 a是正值;1982—1987年為時間系數(shù)正負相間變化的轉換期。

地面氣溫第二模態(tài)(EOF2)占總方差貢獻的17.6%,其分布同樣表明了歐亞地區(qū)南北區(qū)域地面氣溫變化蹺蹺板式的反位相差異特征,但與EOF1不同的是南北區(qū)域地面氣溫偶極差異的分界線顯著偏北,位于55°N附近,比EOF1所表明的分界線(35°N附近)偏北20個緯距。EOF1和EOF2時間系數(shù)的相關為0.021,表明盡管兩個模態(tài)都表現(xiàn)了歐亞大陸南北區(qū)域熱力變化的偶極差異特征,但其熱力差異的范圍和位置等卻有很大不同,兩個模態(tài)之間有很好的獨立性。另外,看到EOF2載荷最大的負值區(qū)位于東亞東部,表明該區(qū)域地面氣溫的變化比較激烈。相應EOF2時間系數(shù)的變化除了表明這一模態(tài)熱力差異變化有明顯的年際特征外,還有一定的年代際特征。

本文擬主要探討歐亞大陸不同區(qū)域的熱力狀況及其熱力差異變化的特征,故根據(jù)EOF1分布選取正負載荷值比較大的區(qū)域進行研究。分別選取南亞(80～105°E,20～30°N)和歐亞北部(80～100°E,55～65°N,)兩個區(qū)域,定義兩個區(qū)域地面氣溫區(qū)域平均的差值(T南亞-T歐亞北部)來表示歐亞大陸地面氣溫的熱力差異(LTC,Land Thermal Contrast)。LTC與第一模態(tài)時間系數(shù)的年際相關高達0.92,超過99%的顯著性檢驗,表明LTC能夠反映EOF1所表示的歐亞大陸熱力差異特征。

圖1　1948—2006年冬季歐亞大陸地面氣溫EOF展開第一(a,b)和第二(c,d)模態(tài)空間型(a,c)及相應的時間系數(shù)序列(b,d)Fig.1　The patterns of the (a,b)first and (c,d)second (a,c)EOF modes of surface temperature over Eurasia in wintertime during 1948—2006 and (b,d)their time coefficient series

2歐亞大陸不同區(qū)域熱力狀況變化的特征

2.1　南亞區(qū)域

圖2為1948—2006年冬季南亞區(qū)域地面氣溫距平的區(qū)域平均及其相應的離散功率譜分析,可以看到南亞區(qū)域地面氣溫變化的年代際特征比較明顯,總體經(jīng)歷了正—負—正三個時段,不同年代的氣溫平均分別為0.87、-0.52和0.93 ℃,其中最近10 a來的增暖比較明顯,這一特征與全球和中國近10 a氣候變化特征是相同的(《氣候變化國家評估報告》編寫委員會,2007)。1970年代以前屬于氣溫偏暖時段,地面氣溫偏高比較明顯,1948—1972年的25 a中區(qū)域平均氣溫僅有2 a偏低,且偏低幅度比較小;1973—1996年為氣溫偏低時段,地面氣溫明顯偏低,其間的24 a中僅有3 a地面氣溫略偏高;1997年之后,南亞地區(qū)的氣溫變化又開始出現(xiàn)轉暖的趨勢,氣溫偏高最明顯的2005年(2.2 ℃,)就出現(xiàn)在這一時段內(nèi),該年代的平均氣溫為0.93 ℃。相應時間序列的離散功率譜分析進一步表明了南亞區(qū)域地面氣溫變化明顯的年代際特征,其顯著周期為59 a,而其他年際周期卻不明顯(圖2b)。

圖2　1948—2006年南亞區(qū)域地面氣溫距平變化(a)及其離散功率譜(b)Fig.2　(a)Surface temperature anomalies and (b)their discrete power spectrum over South Asia region during 1948—2006

根據(jù)南亞區(qū)域地面氣溫的年代際特征,圖3分別為相應三個不同年代地面氣溫距平分布,可更清楚地看到不同年代南亞區(qū)域地面氣溫的變化特征。1948—1972年,南亞區(qū)域氣溫偏高比較明顯,但氣溫正距平區(qū)域范圍較小;1973—1996年,南亞區(qū)域氣溫偏低,負距平值較小,通過顯著性檢驗區(qū)域的范圍也較小;1997—2006年南亞區(qū)域又轉為明顯的正距平區(qū)。

圖3　1948—1972年(a)、1973—1996年(b)和1997—2006年(c)地面氣溫異常的合成分布(陰影區(qū)通過0.05信度的顯著性檢驗；單位:℃)Fig.3　Composite surface temperature anomalies during (a)1948—1972,(b)1973—1996 and (c)1997—2006(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded;units:℃)

從圖3還可以看到歐亞大陸不同區(qū)域地面氣溫變化的差異。1973—1996年,主要表現(xiàn)為南亞暖和東亞冷的變化特征,而南亞與歐亞北部地區(qū)熱力變化的反相特征卻不明顯。1973—1996年,除南亞和西亞區(qū)域的地面氣溫偏低外,歐亞大部分地區(qū)的地面氣溫偏高,表現(xiàn)的歐亞大陸南北反相差異特征比較明顯。而最近的1997—2006年,整個歐亞大陸均表現(xiàn)出了明顯的增暖,其中增暖幅度較大的區(qū)域主要分布在東亞、西亞和歐亞北部,此時段內(nèi)南亞與東亞和歐亞北部地面氣溫變化的差異不是表現(xiàn)為反相差異特征,而是表現(xiàn)為在增暖幅度上差異,增暖幅度在歐亞北部明顯大于南亞。

2.2　歐亞北部區(qū)域

圖4分別為1948—2006年冬季歐亞北部地面氣溫距平的區(qū)域平均及其相應的離散功率譜,可以看到歐亞北部地面氣溫有明顯的增暖趨勢,1980年代以后的增暖比較明顯,增暖幅度也比較大,其變化除具有一定的年代際特征外,年際特征也比較明顯,顯著周期為59 a和2.7 a。這里以±2.0 ℃為標準選取異常年,正異常年有1948、1951、1957、1961、1962、1963、1980、1982、1983、1988、1991、1992、1994、1998、1999、2001、2003、2006年;負異常年有1959、1965、1968、1971、1973、1976、1978、1984、2000、2005年。圖5是相應歐亞北部正負異常年地面氣溫距平的合成場?？梢钥吹?正異常年歐亞北部為明顯的正距平區(qū),而南亞區(qū)域出現(xiàn)范圍較小的弱負距平區(qū),更主要的表現(xiàn)為北部增暖幅度大和南部增暖幅度小導致的南北差異;而負異常年,歐亞北部為明顯的負距平區(qū),南亞區(qū)域為正距平區(qū),南北區(qū)域熱力變化呈現(xiàn)為反位相特征。正負異常年地面氣溫距平合成場分布不僅顯示了歐亞南北部區(qū)域地面氣溫變化幅度不一致產(chǎn)生的差異,同時也表明了歐亞北部與南亞區(qū)域地面氣溫變化相反的特征,這一反相差異特征在正負異常差值場分布上表現(xiàn)更加明顯(圖5c)。

圖4　1948—2006年歐亞北部區(qū)域地面氣溫距平變化(a)及其離散功率譜(b)Fig.4　(a)Surface temperature anomalies and (b)their discrete power spectrum over northern Eurasia during 1948—2006

圖5　歐亞北部正(a)、負(b)溫度異常年地面氣溫距平的合成分布及其差值(c)(陰影區(qū)通過0.05信度的顯著性檢驗；單位:℃)Fig.5　Composite surface temperature anomalies over northern Eurasia in the (a)positive and (b)negative temperature anomaly years and (c)their differences(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded;units:℃)

綜上,歐亞大陸南部和北部區(qū)域的地面氣溫變化是不同的,在南亞區(qū)域的變化主要表現(xiàn)為明顯的年代際特征,而歐亞北部區(qū)域的變化主要表現(xiàn)為年際波動和長周期變化特征。從以上分析可知,無論是南亞區(qū)域地面氣溫的年代際特征明顯的時段,還是歐亞北部區(qū)域地面氣溫的年際異常比較明顯的年份,在一定程度上均顯示出了歐亞北部和南亞區(qū)域增溫幅度不一致產(chǎn)生的熱力差異和南北區(qū)域熱力變化相反產(chǎn)生的熱力差異,其中增溫幅度不一致主要表現(xiàn)為北部增暖明顯高于南部,這一現(xiàn)象在20世紀90年代之后的表現(xiàn)比較明顯。

3南亞和歐亞北部區(qū)域熱力變化的相互關系及其差異

本節(jié)進一步討論南亞和歐亞北部區(qū)域熱力變化的相互關系及其熱力差異變化的特征。由于這兩個區(qū)域地面氣溫變化幅度的差異顯著,故對兩個區(qū)域的時間序列數(shù)據(jù)進行標準化處理后再進行分析。

圖6為1948—2006年南亞和歐亞北部區(qū)域平均的地面氣溫距平及其差值的標準化系列,可以看到大部年份兩個區(qū)域地面氣溫的變化剛好相反,反相關系數(shù)為-0.26,通過了95%的顯著性檢驗,其中,兩個時間系列1958—2006年期間的反相關關系更加明顯,負相關系數(shù)高達-0.38,通過了99%的顯著性檢驗。

圖6　1948—2006年冬季南亞(實線)和歐亞北部(虛線)區(qū)域平均的地面氣溫標準化距平及其差值(柱形)Fig.6　Normalized anomalies of the regionally averaged surface temperature in South Asia(solid line) and northern Eurasia(dashed line) and their differences(bars) in wintertime during 1948—2006

兩個區(qū)域的熱力變化除了在年際尺度上存在顯著的反相關關系外,在年代際尺度上也有明顯的反相關。圖7分別為南亞和歐亞北部區(qū)域平均地面氣溫11a和21 a的滑動相關,可以看到11 a和21 a時間尺度上均表現(xiàn)出了明顯的反相變化關系。其中,21 a時間尺度上所表現(xiàn)出的反相變化關系更加明顯,特別在1971—1987年期間,大部分時段的滑動負相關系數(shù)通過了95%的顯著性檢驗;11 a滑動負相關在1960年代中前期、1970年代后期—1980年代前期和1990年代前期也比較明顯,通過了95%的顯著性檢驗。另外,11 a和21 a滑動相關均表明,在1950年代和1990年代中后期之后的時段,兩個區(qū)域地面氣溫的反位相變化特征相對較弱。

圖7　冬季南亞與歐亞北部區(qū)域平均的地面氣溫的11 a(a)和21 a(b)滑動相關系數(shù)Fig.7　The (a)11-yr and (b)21-yr running correlation coefficients between surface temperature over South Asia and that over northern Eurasia in wintertime

圖8為用小波一致性分析方法(Grinsted et al.,2004)得到的結果,表示不同時間尺度上南亞和歐亞北部區(qū)域平均地面氣溫變化的相互關系?？梢钥吹皆?～5 a時間尺度上,兩者年際相關關系比較明顯,特別在1960—1980年和1988—1992年兩個時段;在8～12 a時間尺度上,兩者的年代際關系也比較明顯,但在該時間尺度上歐亞北部地面氣溫的變化要稍超前南亞地區(qū)地面氣溫的變化;在16 a以上的時間尺度兩個區(qū)域地面氣溫變化的關系有一個明顯鎖相的趨勢。

圖8　歐亞北部和南亞區(qū)域地面氣溫周期振動的小波一致性分析(箭矢表明兩個區(qū)域地面氣溫變化的位相差;粗實線所圍區(qū)域通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.8　The wavelet coherence analysis of periodical vibrations of surface temperature over northern Eurasia and South Asia(Arrows show the phase differences of surface temperature variation between the two regions.Only regions with phase difference exceeding 0.05 significance level are encircled by the coarse solid lines)

根據(jù)歐亞大陸南北兩個區(qū)域熱力差異指數(shù)LTC標準化系列(圖6棒線),進一步考察兩個區(qū)域熱力差異的季節(jié)變化特征。選取標準化熱力差值LTC大于(小于)1.0(-1.0)的年份為熱力差異明顯的年來分析正負位相年兩個區(qū)域熱力差異的季節(jié)變化特征,則正位相年為1949、1950、1953、1959、1965、1966、1968、1969、1970、1971、1972、1976、1978、2000、2004、2005年;負位相年為1961、1974、1977、1980、1981、1982、1983、1988、1991、1992、1994、1999年?？梢钥吹秸撐幌嗄攴莸?1月—次年3月期間兩個區(qū)域的熱力差異比較明顯,但由于大陸固有的熱力特性,大陸熱力差異的持續(xù)性不好,春季之后兩個區(qū)域的熱力差異特征明顯減弱,表明歐亞大陸熱力差異變化是一種時效較短的熱力變化。

4歐亞大陸熱力差異與大氣環(huán)流變化的關系

從以上分析可以看到,冬季歐亞大陸南北區(qū)域的熱力變化存在一定的反相差異或變化幅度不一致產(chǎn)生的差異,這種熱力差異與大尺度環(huán)流變化有什么聯(lián)系呢?根據(jù)上節(jié)定義的歐亞大陸熱力差異指數(shù)LTC及其選取的熱力差異正負異常年,進一步分析冬季大陸熱力差異與大尺度環(huán)流變化的關系,及其相互聯(lián)系的可能原因。

圖9　正、負位相年南亞與歐亞北部區(qū)域地面氣溫距平差值(T南亞-T歐亞北部)的逐月變化Fig.9　Monthly surface temperature anomaly difference(South Asia minus northern Eurasia) between South Asia and northern Eurasia in the positive and negative phase years

首先分析LTC正負位相年冬季地面溫度差值場分布及其相應的高低層大氣環(huán)流變化(圖略)?？梢钥吹絃TC正負位相年歐亞大陸熱力變化確實呈現(xiàn)出明顯的差異特征,北部為明顯的負差值區(qū),南亞為正差值區(qū),北部的負差值明顯高于南亞地區(qū)的正差值。LTC正負異常年地面氣溫差值分布表明歐亞南北區(qū)域地面氣溫變化的反相差異特征:正位相年歐亞大陸地面氣溫呈南暖北冷,負位相年為南冷北暖,其中,正負位相年,歐亞北部地面氣溫變化的幅度均明顯高于南亞地面氣溫變化的幅度。另外,注意到歐亞大陸北部和北美大陸東部地面氣溫的變化是明顯不同的,呈剛好相反的變化,這可能主要受北半球緯向波列變化的影響。

近年來的很多研究表明,全球溫度普遍升高時北半球較高緯度地區(qū)溫度升幅較大(《氣候變化國家評估報告》編寫委員會,2007;Hansen et al.,2010)。本文圖3c和圖5a也同樣表明了歐亞北部比南部增暖明顯所導致的南北熱力差異特征,特別是20世紀90年代之后,這種增暖幅度不一致所導致的南北熱力差異更加明顯。圖10分別為冬季LTC指數(shù)與同期700 hPa和500 hPa溫度梯度、500 hPa緯向風和700～500 hPa緯向風垂直切變的相關。可以看到,相關場的分布形式極為相似,在歐亞中緯度35～45°N地區(qū)為明顯的正相關,南亞和歐亞北部地區(qū)為明顯的負相關。表明歐亞大陸低層南北經(jīng)向熱力差異與高低層溫度梯度、高層緯向風,高低層垂直風切變的變化密切聯(lián)系。當熱力差異出現(xiàn)南暖北冷形勢時,有利于中緯度地區(qū)高低層大氣經(jīng)向溫度梯度增大,垂直風切變加強,大氣不穩(wěn)定性增加。根據(jù)熱成風原理,熱成風變化與經(jīng)向溫度梯度成正比。由此可知經(jīng)向溫度梯度的加強將進一步導致中緯度地區(qū)500 hPa緯向西風加強。而在相反的經(jīng)向熱力差異影響下,500 hPa中緯度地區(qū)的緯向西風減弱。

圖10　冬季LTC指數(shù)與同期700 hPa(a)和500 hPa溫度梯度(b)、500 hPa緯向風(c)、700～500 hPa緯向風垂直切變(d)的相關分布(陰影區(qū)通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.10　Correlation distributions between LTC index and temperature gradients at (a)700 hPa and (b)500 hPa,(c)westerly at 500 hPa,and (d)vertical shear of 700—500 hPa zonal winds in wintertime(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded)

Ting et al.(1996)的研究指出500 hPa緯向西風的強弱變化與冷空氣的活動位置密切聯(lián)系,中緯度西風偏強不利于冷空氣向南侵襲影響南部地區(qū),反之,偏弱則有利于冷空氣向南活動。朱艷峰(2008)用500 hPa中高緯度緯向風定義的東亞冬季風環(huán)流指數(shù)能夠很好地兼顧北方和南方環(huán)流狀況,比較客觀地反映中緯度地區(qū)西風氣流的強弱和中國冬季平均氣溫變化的關系。冬季東亞地區(qū)冷空氣的活動與東亞大槽的強弱及其東西位置的異常變化密切聯(lián)系,相應LTC正負位相年,500 hPa東亞大槽同樣呈現(xiàn)出十分明顯的變化。在多年平均狀態(tài)下,歐亞大陸為一脊一槽形勢,東亞沿海為低槽區(qū)和歐洲北部為脊區(qū)(圖11a)。對比差值場(圖11b)的分布可以看到,正位相年亞洲大陸中高緯度為高度負距平和歐洲北部30～60°E為高度正距平區(qū),這樣的高度距平場與多年氣候平均場疊加將使得正位相年東亞地區(qū)的槽加深并西移,同時使得歐洲北部脊加強。負位相年的形勢則剛好相反,東亞大槽和歐洲北部脊均減弱。東亞大槽的異常變化與東亞地區(qū)低層溫度的變化有很好的對應關系,東亞大槽加深(減弱),使得冷空氣偏強(弱),歐亞大陸北部地面氣溫偏低(高)。

圖11　氣候平均的500 hPa位勢高度場(a；單位：gpm)以及LTC正、負位相年500 hPa位勢高度場的差值(b;單位：gpm;陰影區(qū)通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.11　(a)Climatological geopotential height field at 500 hPa and (b)the 500 hPa geopotential height differences between the positive and negative phase years of LTC(units:gpm;Only regions with difference exceeding 0.05 significance level are shaded)

進一步的,低層經(jīng)向熱力差異是怎樣影響東亞大槽的變化呢?以上分析表明500 hPa中緯度地區(qū)緯向西風的異常與低層經(jīng)向熱力差異變化是密切聯(lián)系的,中緯度西風異常必然會引起緯向風切變的變化,進而導致大氣環(huán)流的異常。根據(jù)圖10c選取LTC與500 hPa緯向西風相關比較明顯的區(qū)域(80～100°E,35～45°N),圖12分別為該區(qū)域500 hPa緯向風平均以及500 hPa風場和高度場的相關,可見,500 hPa中緯度地區(qū)緯向西風的加強會在歐亞北部的貝加爾湖地區(qū)激發(fā)異常氣旋環(huán)流,同時在南亞地區(qū)激發(fā)異常反氣旋環(huán)流,西風減弱的情況下風場變化則剛好相反。貝加爾湖地區(qū)異常氣旋或反氣旋環(huán)流變化將進而影響貝加爾湖地區(qū)的高度場異常,從緯向風區(qū)域平均與500 hPa高度場的相關可以看到,貝加爾地區(qū)至東亞東部呈現(xiàn)明顯的負相關,表明中緯度西風加強有利于歐亞北部貝加爾湖—東亞東部地區(qū)的低壓發(fā)展,導致東亞大槽加深并西移,西風減弱將使東亞大槽減弱且位置偏東。

圖12　500 hPa上(80～100°E,35～45°N)區(qū)域平均緯向風(a；單位：m/s)與風場和高度場(b)的相關分布(陰影區(qū)通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.12　Correlation distributions between the regionally averaged westerly over (35—45°N,80—100°E) and (a)wind (units:m/s)and (b)geopotential height fields at 500 hPa(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded)

另外,由于大氣環(huán)流的季節(jié)變化,冬季西風帶位置向南移動,孟加拉灣地區(qū)的南支西風槽相對活躍,中緯西風加強(減弱)導致的南亞地區(qū)反氣旋(氣旋)環(huán)流的變化與冬季南支西風槽的活動有關。2005年和1982年冬季分別是近30 a來南亞地區(qū)地面氣溫偏高和偏低最明顯的兩個年份,同時也是LTC變化比較明顯的兩個年份,相應孟加拉灣地區(qū)(75～100°E,15～30°N)高低層高度場的變化是明顯不同的,南亞地區(qū)地面氣溫偏暖比較明顯的年份,南支西風槽活動都比較弱,2006年1—2月500 hPa及以上層次均為正高度距平(圖13a)。而相反情況下,南支西風槽的活動比較頻繁,1983年1月上旬和1月下旬—2月,孟加拉灣上空對流層中高層卻頻繁出現(xiàn)負高度距平,表明孟加拉灣地區(qū)的對流層中高層高度場偏低,南支西風槽相對活躍(圖13b)。正負位相異常年孟加拉灣上空高度距平場的差異特征初步表明了LTC變化與冬季南支西風波動的異?；顒佑嘘P。

圖13　2006年(a)和1983年(b)1—3月逐日位勢高度距平的高度—時間剖面(單位:gpm)Fig.13　Height-time profiles of daily geopotential height anomalies from January to March in (a)2006 and (b)1983(units:gpm)

從以上分析可以看到,低層經(jīng)向熱力差異的變化對高層大氣環(huán)流異常有著十分重要的作用,歐亞大陸經(jīng)向熱力差異的變化與高層緯向西風的活動有關,并通過對緯向西風的影響,進而影響東亞大槽強弱和南支西風槽的活動。

5結論與討論

1)冬季南亞和歐亞北部地區(qū)地面氣溫的變化有明顯的差異,呈明顯的反相變化特征。

2)冬季南亞和歐亞北部地區(qū)的熱力變化不論在年際和年代際尺度上均有明顯的反相變化關系,其中在16 a以上的時間尺度兩個區(qū)域地面氣溫的變化關系有一個明顯鎖相的趨勢。

3)歐亞大陸南北區(qū)域經(jīng)向熱力差異與500 hPa中緯度緯向西風活動密切聯(lián)系,并通過對中緯度緯向西風的影響,進而影響高低緯度大氣環(huán)流,特別是東亞大槽和低緯度孟加拉灣南支西風槽的異?；顒印．敋W亞大陸經(jīng)向熱力差異呈南暖北冷變化,500 hPa中緯度西風偏強,東亞大槽加深位置偏西,南支西風槽活動少;反之,500 hPa中緯度西風減弱,東亞大槽減弱位置偏東,南支西風槽活動頻繁。

在全球變暖背景下,各地區(qū)的增暖響應是不一致的,由此導致低層不同區(qū)域之間存在明顯的熱力差異。目前很多研究表明,20世紀70年代整個大氣系統(tǒng)發(fā)生了明顯的年代際變化,其中增暖變化是最明顯的特征,但是對在年代際尺度上大氣環(huán)流的異常變化是否與低層熱力變化差異有關等問題還缺乏進一步認識,是值得學界進一步關注的問題。

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(責任編輯：孫寧)

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