肖鶯 任永建 杜良敏

(武漢區(qū)域氣候中心,湖北 武漢 430074)

0 引言

北極地區(qū),通常是指北極圈以北的廣大區(qū)域。北極是地球的兩大冷源之一,近30年來,北極地區(qū)升溫幅度接近其他地區(qū)平均升溫幅度的3倍[1]。隨著北極地區(qū)溫度的升高,北極海冰快速融化,海冰覆蓋面積減少[2],其變化主要受到風(fēng)應(yīng)力和太陽輻射的共同影響。北極海冰的季節(jié)變化顯著,秋季融化速度最快,其次為夏季、冬季、春季[3],季節(jié)性差異較大[4]。

北極海冰作為全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分,它的異常變化會通過反饋機(jī)制與氣候系統(tǒng)中的其他因子相互作用,從而引發(fā)氣候異常,因此北極海冰的變化對全球氣候研究具有重要的意義。北極海冰在驅(qū)動北半球海冰-反照率反饋過程中起著重要的作用[5-6]:一方面,由于海冰和海水反照率的巨大差異,隨著海冰的不斷融化,大量多余的熱量被海水吸收和儲存,并最終釋放到大氣中,大氣變化加劇; 另一方面,多余的熱量又進(jìn)一步促進(jìn)了北極海冰的快速融化。

蔣全榮等[7]認(rèn)為北極 I區(qū)海冰面積變化的熱力強(qiáng)迫作用可分別激發(fā)出EU和EA大氣遙相關(guān)型。高登義等[8]發(fā)現(xiàn)在海冰-大氣氣候系統(tǒng)中,明顯存在10年尺度周期性變化,而大氣 10年尺度變化是對海洋(海冰)變化的響應(yīng)。武炳義等[9-11]研究表明,冬季喀拉海、巴倫支海海區(qū)海冰是影響東亞以及北半球氣候變化的關(guān)鍵區(qū)之一; 冬季西伯利亞高壓強(qiáng)度與秋冬季北極海冰密集度有著負(fù)相關(guān)關(guān)系; 亞洲-北極模態(tài)在東亞最主要的影響體現(xiàn)在冬季降水和850 hPa緯向風(fēng)異常。Francis等[12]研究指出,秋季北極海冰覆蓋范圍的變化影響北半球冬季的天氣形勢,但這種影響存在區(qū)域差異。Liu等[13]研究表明,在秋季北極海冰異常偏少年,冬季北半球的海平面氣壓場表現(xiàn)出類似北極濤動負(fù)位相分布型,再配合更多水汽輸送,北半球冬季的氣溫偏低且降雪顯著增多。謝永坤等[14]研究結(jié)果表明,秋季北極海冰異常對中國冬季氣溫具有滯后影響。

這些國內(nèi)外研究表明,無論是年際還是年代際時間尺度上,北極海冰都會對北半球氣候造成顯著影響,但這種影響存在著區(qū)域差異性和滯后性。那么,在氣候變暖背景下,海冰對中國冬季氣溫的影響,是否也存在著顯著的區(qū)域性差異呢？本文選取中國為研究區(qū)域,采用滑動相關(guān)、時滯相關(guān)及偏相關(guān)等分析方法,詳細(xì)分析了北極海冰變化對中國冬季氣溫的影響。

1 資料和方法

1.1 資料

本文采用的資料為:(1)中國氣象局提供的1961—2015年逐月北半球海冰密集度指數(shù)資料;(2)1961—2015年的中國740個氣象站逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù),資料取自中國氣象局國家氣象信息中心;(3)NCEP/NCAR(美國國家海洋和大氣管理局,下同)提供的1961—2015年的 500 hPa逐月位勢高度、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)和海平面氣壓再分析資料,水平網(wǎng)格距為 2.5°×2.5°。

1.2 研究方法

本文采用的方法有 Mann-Kendall突變法[15],用于檢驗(yàn)時間序列的氣候突變。在全球變暖的背景下,中國冬季也經(jīng)歷了一次明顯的增溫[16]。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示,自20世紀(jì)70年代以來,中國冬季氣溫有明顯的增暖趨勢,90年代開始這種增暖趨勢均大大超過0.001顯著性水平(圖1)。根據(jù)曲線交點(diǎn)位置,確定中國冬季氣溫的增暖是一突變現(xiàn)象,具體是從1986年開始的。那么,選取1986—2015年冬季氣溫作為研究時段。

圖1 1961—2015年中國冬季氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線.UF為按時間序列順序計(jì)算出來的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量，UB為按時間序列逆序計(jì)算出來的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量Fig.1.Mann-Kendall statistic curves of Chinese winter temperature during 1961—2015

利用最小二乘法,去除海冰時間序列的線性趨勢; 為分析海溫和氣溫之間年際變化隨時間的變化,采用滑動相關(guān)的方法[17]。

時滯相關(guān)分析主要用于有限離散時間序列之間的相關(guān)關(guān)系,它考慮了不同時間序列之間相互作用的時滯性[18],其思路是將某個時間序列向后推移一段時間后,再與另外一個時間序列進(jìn)行相關(guān)分析。由于多個相關(guān)變量間的關(guān)系是較為復(fù)雜的,任何兩個變量間常常存在不同程度的簡單相關(guān)關(guān)系,但是這種相關(guān)關(guān)系又包含有其他變量的影響。因此偏相關(guān)分析是固定其他變量不變而研究某兩個變量間相關(guān)性的有效方法。

2 秋季北極海冰與中國冬季氣溫的關(guān)系

謝永坤等[14]的研究表明,中國各地冬季的平均氣溫與秋季北極海冰范圍有較好的相關(guān)性,表現(xiàn)為: 秋季北極海冰異常偏多時,中國冬季常為暖冬; 異常偏少時,中國冬季多為冷冬。但其主要是針對秋季海冰范圍與中國冬季平均氣溫的去趨勢后關(guān)系開展研究。那么在冬季暖背景下,這種關(guān)系是否存在？北極海冰的趨勢變化是否會對冬季氣溫也造成一定的影響呢？針對這兩個問題,將北極海冰密集度指數(shù)分為原序列和去趨勢序列(采用最小二乘法),分別來探討去除趨勢前后北極海冰對中國冬季氣溫的影響。

通過對各月北極海冰密集度指數(shù)與中國冬季氣溫進(jìn)行相關(guān)分析(圖略),發(fā)現(xiàn) 8月、9月、10月的北極海冰密集度指數(shù)與中國冬季氣溫的相關(guān)較好,分別有35%、30%、38%的站點(diǎn)通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn),其中又以10月與中國冬季氣溫的相關(guān)最顯著。因此,選用10月北極海冰密集度指數(shù)代表秋季北極海冰密集度。

圖2給出中國冬季氣溫與秋季北極海冰密集度去趨勢序列(IDIS)和原序列(ITEND)的相關(guān)系數(shù)分布圖。可以看出,北極海冰密集度去趨勢后,與中國冬季氣溫相關(guān)最好的區(qū)域在西北地區(qū)以及長江與黃河之間區(qū)域,為顯著的正相關(guān); 而北極海冰與中國冬季氣溫相關(guān)最好的區(qū)域在高原地區(qū),且為負(fù)相關(guān),但均通過了0.1顯著性水平檢驗(yàn)?？梢?秋季北極海冰密集度與中國冬季的氣溫存在顯著的相關(guān)關(guān)系。但值得關(guān)注的是,在氣候變暖背景下,與原序列相比,疊加了變化趨勢的北極海冰對我國冬季氣溫的影響存在顯著的區(qū)域差異。

圖2 中國冬季氣溫與秋季北極海冰密集度去趨勢(a)和趨勢(b)的相關(guān)系數(shù)分布Fig.2.Correlation coefficient between Chinese winter temperature and the detrended(a),trended(b) autumn Arctic sea ice concentration

將我國長江與黃河之間(105°E—125°E,25°N—40°N)、西北地區(qū)(85°E—105°E,35°N—50°N)、高原地區(qū)(85°E—105°E,20°N—35°N)等相關(guān)較好區(qū)域作為主要影響區(qū)域,提取各區(qū)域平均的冬季氣溫逐年時間序列,分別與IDIS、ITEND進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果顯示: IDIS和長江與黃河之間、西北地區(qū)冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為 0.5和0.61,均通過了 0.05顯著性水平檢驗(yàn),而和中國高原地區(qū)相關(guān)系數(shù)僅為–0.06; ITEND和高原地區(qū)冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)為–0.6,通過 0.05顯著性水平檢驗(yàn),而和其他兩個區(qū)域相關(guān)系數(shù)為–0.25和 0.13,均不顯著。這進(jìn)一步印證了圖2所揭示的結(jié)論。

隨著時間序列長度增加或減少,趨勢也會相應(yīng)地發(fā)生變化,最終導(dǎo)致趨勢相關(guān)不穩(wěn)定。那么用滑動相關(guān)檢測10月ITEND與中國高原地區(qū)冬季氣溫的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明,兩者的20年滑動相關(guān)關(guān)系較為穩(wěn)定,均通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)(圖略)。表明變暖背景下,北極海冰趨勢變化與高原地區(qū)冬季氣溫的關(guān)系密切且穩(wěn)定。

3 北極海冰對冬季氣溫的影響分析

上述分析表明,秋季北極海冰密集度對我國冬季氣溫的影響存在明顯的區(qū)域差異。那么,作為外強(qiáng)迫的北極海冰,是如何來影響中國冬季氣溫的？利用相關(guān)分析和合成分析方法,探討北極海冰密集度對中國冬季氣溫的影響。

圖3給出秋季IDIS與同年冬季海平面氣壓的相關(guān)系數(shù)分布圖。結(jié)果表明: 歐亞中緯度存在緯向負(fù)相關(guān)區(qū),有兩個區(qū)域通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn),一個位于烏拉爾山至貝加爾湖(40°E—90°E,45°N—60°N),中心位置位于巴爾喀什湖北側(cè),與龔道溢等[19]定義的西伯利亞高壓范圍(70°E—120°E,40°N—60°N)相比,位置偏西偏北;另一個位于中國華北地區(qū),區(qū)域范圍為(110°E—120°E,40°N—45°N)。

圖3 秋季IDIS與同年冬季海平面氣壓的相關(guān)系數(shù)分布圖(陰影區(qū)為通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))Fig.3.Correlation between autumn IDIS and winter sea level pressure(shaded areas indicate the correlation is over 95% confidence level)

定義(40°E—90°E,45°N—60°N)區(qū)域平均海平面氣壓為西西伯利亞高壓,(110°E—120°E,40°N—45°N)區(qū)域平均海平面氣壓為華北高壓。提取西西伯利亞高壓(IWSH)和華北高壓(INCH)時間序列,跟中國長江與黃河之間區(qū)域、西北地區(qū)冬季氣溫求相關(guān)。結(jié)果顯示,IWSH和INCH與這2個區(qū)域的冬季氣溫有著較好的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)(表1)。

但是,西西伯利亞高壓和華北高壓之間并不獨(dú)立,兩者的相關(guān)系數(shù)為 0.42。那么利用偏相關(guān)方法,研究去除IWSH(INCH)信號后,INCH(IWSH)和我國長江與黃河之間、西北地區(qū)冬季氣溫的相關(guān)關(guān)系(表1)。結(jié)果顯示,去除INCH后,IWSH和我國長江與黃河之間冬季氣溫的關(guān)系減弱,偏相關(guān)系數(shù)僅為–0.14,和中國西北地區(qū)冬季氣溫的負(fù)相關(guān)仍然維持,偏相關(guān)系數(shù)為–0.42,通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。去除 IWSH后,INCH和中國長江與黃河之間地區(qū)的冬季氣溫的偏相關(guān)系數(shù)為–0.42,通過0.05顯著性水平檢驗(yàn),仍然維持著較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,但和西北地區(qū)相關(guān)減弱,僅為–0.13。研究表明,中國西北地區(qū)冬季氣溫的異常主要是受西西伯利亞高壓影響,而長江與黃河之間冬季氣溫的異常主要是受華北高壓影響。

通過前面分析得出,北極海冰影響中國冬季氣溫的可能途徑是: 北極海冰偏多(少)時,西西伯利亞高壓偏弱(強(qiáng)),中國西北地區(qū)冬季氣溫偏高(低); 華北高壓偏弱(強(qiáng)),中國長江與黃河之間地區(qū)冬季氣溫偏高(低)。

圖4給出秋季ITEND、冬季西南氣溫與同年冬季500 hPa高度場、風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)分布圖。從圖4a可以看出,與秋季ITEND相關(guān)顯著的區(qū)域有,東北半球高緯度區(qū)域?yàn)轱@著的繞極狀負(fù)相關(guān); 在烏拉爾山有著極地負(fù)相關(guān)分流,西側(cè)歐洲西部、東側(cè)日本海為正相關(guān),呈現(xiàn)倒 ?型分布,其南側(cè)為顯著的偏西風(fēng)相關(guān); 熱帶西太平洋和印度洋為負(fù)相關(guān),孟加拉灣上空風(fēng)場為氣旋相關(guān)。圖4b顯示,與冬季西南氣溫相關(guān)顯著的區(qū)域有,東北半球極地區(qū)域?yàn)轱@著的繞極狀正相關(guān),在烏拉爾山及以南有著極地正相關(guān)分流,其西側(cè)為負(fù)相關(guān),同時在青藏高原上空存在著一個顯著正相關(guān)區(qū)。風(fēng)場與高度場匹配,表現(xiàn)為中緯度偏東風(fēng)相關(guān),西南高原上空為反氣旋相關(guān)。

表1 IWSH和INCH與中國冬季氣溫的相關(guān)、偏相關(guān)系數(shù)Table 1.Correlation and partial correlation between IWSH,IWSH and winter temperature in China

對比圖4a和圖4b可以發(fā)現(xiàn),高緯繞極、烏拉爾山和歐洲西部均相關(guān)顯著; 但西南冬季氣溫與高原上空的系統(tǒng)有著顯著的關(guān)系,然而在海冰的相關(guān)圖中雖然也出現(xiàn)了反位相的風(fēng)場相關(guān)區(qū),但整體并未通過顯著性檢驗(yàn)。因此,秋季海冰對冬季西南氣溫的影響主要體現(xiàn)在北方系統(tǒng)上,通過中高緯度環(huán)流異常來影響西南氣溫。一方面,北極海冰不斷減少,極地高度場為正距平,歐亞極渦減弱,從而不能限制寒冷的北極氣團(tuán),增加了冷氣團(tuán)入侵中緯度地區(qū)的概率; 另一方面,中緯度出現(xiàn)?型環(huán)流異常,歐洲淺槽和西歐沿岸脊減弱,導(dǎo)致歐洲上空緯向環(huán)流發(fā)展,經(jīng)向度相對減弱,高緯冷空氣不易在高原北部南下,為高原地區(qū)氣溫偏高提供了有利的大尺度環(huán)流背景。

圖4 秋季ITEND(a)、冬季西南氣溫(b)與同年冬季500 hPa高度場、風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)分布圖(陰影區(qū)為高度場通過0.05顯著性水平檢驗(yàn),加粗矢量為風(fēng)場通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))Fig.4.Correlation between autumn ITEND(a),winter temperature in Southwest China(b) and 500 hPa height,wind field in winter(shadows: height areas with confidence level exceeding 95%; bold vector: wind field with confidence level exceeding 95%)

極渦減弱導(dǎo)致冷氣團(tuán)南下概率增加,那么中國哪些地區(qū)受其影響較大？提取冬季歐亞地區(qū)(0°—150°E,60°N—90°N)平均 500 hPa 高度場標(biāo)準(zhǔn)化距平作為歐亞極地高度指數(shù)。選取歐亞極地高度指數(shù)≥0.7且高原地區(qū)氣溫標(biāo)準(zhǔn)化距平≥0.7的年份,有 2004、2005、2009、2011和 2012年共5年。這5年中國冬季氣溫距平偏高頻次/總次數(shù)合成圖顯示,中國除了高原地區(qū)氣溫以偏高為主外,其他大部氣溫偏高的頻次僅占總次數(shù)的1/5,以偏低為主(圖5)。北半球環(huán)狀模指數(shù)弱值年,中國北方、東部地區(qū)氣溫偏低,西南的大部分地區(qū)氣溫偏高[20]。

為進(jìn)一步分析歐洲極地高度與 ITEND之間的關(guān)系,圖6給出冬季歐亞極地指數(shù)5年滑動平均與秋季 ITEND的時滯相關(guān)圖。結(jié)果表明,在年代際甚至更長的時間尺度上,北極海冰與歐亞極地高度有著顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。北極海冰滯后歐亞極地高度的相關(guān)性明顯低于北極海冰超前歐亞極地高度的相關(guān)性。但重要的是大氣的持續(xù)性不會超過4個月,北極海冰滯后歐亞極地高度的相關(guān)性顯然是不可信的。當(dāng)北極海冰超前歐亞極地高度指數(shù)3年時,兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大,為–0.95,遠(yuǎn)超過99%的信度檢驗(yàn)。進(jìn)一步證明了兩者之間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,隨著歐亞極地高度場降低,北極海冰增加。因?yàn)槎竞１娣e偏大時,不利于海洋向大氣的熱量輸送,同時減少了下墊面對太陽輻射的吸收,通過這兩方面的共同作用使其上部的空氣冷卻。而空氣冷卻,密度變大,氣壓隨高度的降低越快,等壓面的高度場就越低[7]。

圖5 相似年中國冬季氣溫距平偏高頻次/總次數(shù)合成圖Fig.5.Similar year synthesis of the probability of positive temperature anomaly

圖6 冬季歐亞極地高度指數(shù)5年滑動平均與秋季ITEND的時滯相關(guān)圖(年份為負(fù)值表示ITEND變化超前于歐亞極地高度)Fig.6.Lag correlation between 5 yearly running mean Eurasian Polar height index in winter and autumn ITEND.Negative months mean that ITEND leads Eurasian polar height

4 結(jié)論

本文基于中國冬季氣溫、北極海冰密集度指數(shù)和環(huán)流資料,利用相關(guān)分析、時滯相關(guān)、偏相關(guān)、合成分析等方法,研究秋季海冰對后期冬季中國氣溫的影響,得到以下結(jié)論。

1.秋季北極海冰密集度與中國冬季氣溫的相關(guān)關(guān)系存在區(qū)域差異: 北極海冰密集度與高原地區(qū)相關(guān)顯著; 去除變化趨勢的北極海冰密集度,與西北地區(qū)、長江與黃河之間區(qū)域相關(guān)較好。

2.秋季北極海冰對我國冬季氣溫的影響存在差異: 北極海冰通過改變冬季歐亞中高緯度環(huán)流,來影響西南冬季氣溫; 北極海冰通過改變冬季西西伯利亞高壓和華北高壓強(qiáng)弱,導(dǎo)致中國西北地區(qū)和長江與黃河之間地區(qū)冬季氣溫異常。

3.濾除趨勢的北極海冰偏多(少)時,西西伯利亞高壓偏弱(強(qiáng)),中國西北地區(qū)冬季氣溫偏高(低); 華北高壓偏弱(強(qiáng)),中國長江與黃河之間地區(qū)冬季氣溫偏高(低)。

本文僅對北極海冰和歐亞極地高度場之間的關(guān)系進(jìn)行了分析,而北極海冰是通過何種機(jī)制來影響中高緯的倒?型分布環(huán)流,需要進(jìn)一步研究。另外,秋季北極海冰作為前兆外強(qiáng)迫信號,對后期冬季氣溫的影響具有不確定性。武炳義等[21]發(fā)現(xiàn)夏季北極大氣環(huán)流的動力和熱力狀態(tài)在海冰偏少影響亞洲冬季氣候變率中有重要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)夏季北極表面反氣旋風(fēng)場盛行,對應(yīng)對流層中、低層異常偏暖時,加強(qiáng)了北極海冰偏少對冬季大氣變率的負(fù)反饋,進(jìn)一步促進(jìn)了西伯利亞高壓的加強(qiáng),從而有利于東亞地區(qū)冬季階段性強(qiáng)嚴(yán)寒的出現(xiàn)。那么,在使用北極海冰這一前期外強(qiáng)迫信號預(yù)測我國冬季氣溫時,不僅要考慮到其對不同地區(qū)造成影響的差異性,還需要考慮到其他因素比如夏季環(huán)流等,來進(jìn)一步解決氣候預(yù)測的不確定性問題。

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