佟欣怡，吳秀蘭，李元鵬，陳 穎，賈孜拉·拜山

（新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002）

在全球變暖的背景下，新疆冬季氣溫在20 世紀(jì)80 年代發(fā)生由冷到暖的突變，受來自極地的冷空氣影響，新疆冬季極端氣溫事件整體呈增加趨勢(shì)[1-3]。北極海冰作為極地冷源，其變化會(huì)導(dǎo)致北半球大氣環(huán)流系統(tǒng)異常，對(duì)整個(gè)歐亞大陸冬季氣溫產(chǎn)生影響[4-7]。北極海冰消融會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)流場(chǎng)的改變，西伯利亞高壓強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)流層烏拉爾山阻塞高壓強(qiáng)度增強(qiáng)，經(jīng)向風(fēng)偏強(qiáng)，造成我國(guó)北方大部地區(qū)氣溫偏低[8-16]。同時(shí)，北極海冰作為外強(qiáng)迫因子，產(chǎn)生的氣候效應(yīng)也體現(xiàn)在北半球極渦、北極濤動(dòng)和太平洋海溫等氣候要素強(qiáng)度和位相的改變。秋冬季北極海冰偏多年對(duì)應(yīng)冬季北半球極渦面積偏大且北極濤動(dòng)為正位相，中國(guó)冬季易出現(xiàn)暖冬[16-18]。此外，部分海冰變化在局地以負(fù)反饋機(jī)制影響海氣熱通量，通過海溫變化作用于氣溫[19]。

已有研究基本圍繞北極海冰變化對(duì)中國(guó)氣溫的影響，而對(duì)北極海冰和新疆冬季氣溫的關(guān)系研究甚少。本文重點(diǎn)分析北極海冰變化對(duì)冬季環(huán)流場(chǎng)的影響以及它們與新疆冬季氣溫之間的關(guān)系，并探討不同區(qū)域的北極海冰變化通過影響不同氣候指數(shù)從而造成新疆冬季氣溫的變化，為監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)新疆冬季天氣氣候事件提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

本文利用1961 年12 月—2022 年2 月新疆冬季（12 月—翌年2 月）平均氣溫?cái)?shù)據(jù)、1961 年12月—2022 年2 月Hadley 中心空間分辨率為1°× 1°的北極海冰密集度數(shù)據(jù)以及美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC）海冰面積和海冰范圍觀測(cè)資料、1961—2022 年NCEP/NCAR 再分析資料和國(guó)家氣候中心氣候系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指數(shù)。考慮氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及連續(xù)性，新疆冬季平均氣溫單站分析使用100 個(gè)國(guó)家氣象站數(shù)據(jù)（不含阿克達(dá)拉、昌吉、白楊溝、十三間房、塔中站），區(qū)域平均值選取89 個(gè)國(guó)家氣象站數(shù)據(jù)。

1.2 方法

利用EOF 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法、Mann-Kendall檢驗(yàn)、滑動(dòng)t 檢驗(yàn)、累計(jì)距平和滑動(dòng)平均分析北極海冰的變化趨勢(shì)以及新疆冬季氣溫的年代際變化，在一階差相關(guān)分析基礎(chǔ)上確定北極海冰和新疆冬季氣溫的關(guān)系?？紤]到大氣環(huán)流的滯后性，為直觀準(zhǔn)確分析北極海冰變化時(shí)冬季大氣環(huán)流特征，定義去趨勢(shì)后秋冬季北極海冰面積標(biāo)準(zhǔn)差＞0.3 的年份為北極海冰偏多年，＜0.3 的年份為北極海冰偏少年[16]，得到秋季北極海冰偏多年為1987、1988、1992—1994、1996、1997、1999、2001、2004、2013、2014、2021 年，秋季北極海冰偏少年為1979—1982、1984、1985、2007、2011、2012、2016、2019、2020 年；冬季北極海冰偏多年為1989—1995、1998 年，冬季北極海冰偏少年為1980—1982、1985—1987、2007、2018年。通過合成分析法研究秋、冬季北極海冰偏多年、偏少年的高低空配置和差異場(chǎng)以及此配置對(duì)新疆冬季氣溫產(chǎn)生影響的機(jī)制。同時(shí)，通過相關(guān)分析法研究不同關(guān)鍵區(qū)北極海冰變化對(duì)不同氣候指數(shù)產(chǎn)生的影響，進(jìn)而造成新疆冬季氣溫的異常。

2 北極海冰和新疆冬季氣溫的變化特征

2.1 北極海冰時(shí)空變化特征

北極海冰范圍為觀測(cè)區(qū)域內(nèi)海冰密集度＞15%的實(shí)際總面積，北極海冰面積為觀測(cè)面積與海冰密集度乘積。1961—2021 年北極海冰范圍和北極海冰面積均呈下降趨勢(shì)，每10 a 分別減少0.6×106、0.2×106km2。北極海冰范圍和面積的最大值均出現(xiàn)在1992 年，最小值均出現(xiàn)在2016 年。北極海冰常年存在于北極圈內(nèi)，分布具有季節(jié)性，夏、秋季分布型基本一致，冬、春季分布型基本一致。北極海冰范圍和面積的季平均值為春季＞冬季＞夏季＞秋季，其中冬、春季的季平均值約為夏、秋季的兩倍，夏、秋季變化幅度較冬、春季明顯。選取秋、冬季北極海冰進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解以及M-K 檢驗(yàn)，結(jié)果表明秋季北極海冰的突變年為1994 年，1994 年后秋季北極海冰開始大面積減少且減少速率加快。冬季北極海冰的突變年為1990 年，1990 年前白令海峽以北的海冰減少，1990 年后新地島—格陵蘭島的海冰減少，靠近極圈的海冰增多。

2.2 新疆冬季氣溫異常變化特征

1961—2021 年新疆冬季平均氣溫每10 年升高0.4 ℃。其中，有38 a 冬季氣溫偏低，有23 a 氣溫負(fù)距平＞1.0 ℃，11 a 氣溫負(fù)距平＞2.0 ℃；共21 a 冬季氣溫偏高，有9 a 氣溫正距平＞1.0 ℃；其余2 a 與常年持平。1989 年新疆冬季氣溫為-6.3 ℃，較常年偏高1.8 ℃，偏高幅度居冬季歷史第一位；1968 年新疆冬季氣溫為-12.7 ℃，較常年偏低4.6 ℃，偏低幅度居冬季歷史第一位。滑動(dòng)t 檢驗(yàn)表明新疆冬季氣溫的突變年為1985 年。為了進(jìn)一步了解新疆冬季氣溫升高的空間分布情況，選取100 個(gè)站的1991—2020 年新疆冬季氣溫常年值與1961—1990 年的進(jìn)行相減，結(jié)果表明，新疆國(guó)家氣象站溫差均為正，全疆60%的測(cè)站溫差＞1 ℃。其中，富蘊(yùn)升溫最顯著，溫差為3.1 ℃，霍爾果斯、察布查爾、巴里坤、吐魯番和托里溫差＞2 ℃，庫(kù)車和烏什溫差最小（0.3 ℃）。

3 北極海冰與新疆冬季氣溫的關(guān)系

通過北極海冰范圍和面積與新疆冬季氣溫做一階差相關(guān)分析，探討北極海冰和新疆冬季氣溫在高頻變化上的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.31 和0.46，均通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。為了更直觀地了解相關(guān)分布情況，選取新疆國(guó)家氣象站對(duì)北極海冰范圍和面積進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明北極海冰范圍和面積均與新疆大部冬季氣溫呈正相關(guān)（圖1a、1b），通過顯著性檢驗(yàn)的測(cè)站絕大部分位于正相關(guān)區(qū)域，且北極海冰面積的變化與新疆冬季氣溫正相關(guān)性更顯著。同時(shí)，考慮北極海冰作為穩(wěn)定的外強(qiáng)迫因子，其影響是滯后且持久的，故選取前期以及同期的秋、冬季北極海冰面積分別與新疆冬季氣溫作相關(guān)分析（圖1c、1d），結(jié)果表明秋、冬季北極海冰面積變化分別與新疆大部冬季氣溫呈正相關(guān)。對(duì)比秋季北極海冰面積與冬季北極海冰面積對(duì)新疆冬季氣溫的影響，秋季北極海冰面積與新疆冬季氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域通過顯著性檢驗(yàn)的測(cè)站更多。

圖1 北極海冰范圍（a）、北極海冰面積（b）、秋季北極海冰面積（c）、冬季北極海冰面積（d）與新疆冬季氣溫的相關(guān)分布

4 北極海冰變化對(duì)冬季大氣高低空配置的影響

4.1 海平面氣壓距平場(chǎng)

秋、冬季北極海冰偏多年和偏少年的冬季海平面氣壓距平場(chǎng)分布大體一致，秋季海冰偏多年的冬季海平面氣壓距平場(chǎng)（圖2a）正距平中心在地中海和白令海峽，負(fù)距平中心在鄂霍次克海和日本海，冬季海冰偏多年的冬季海平面氣壓距平場(chǎng)（圖2b）鄂霍茨克海的距平中心由負(fù)轉(zhuǎn)正。秋、冬季海冰偏多年，新疆地區(qū)均以負(fù)距平為主，海平面氣壓偏低，西伯利亞高壓偏弱，西伯利亞高壓與北半球冬季氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，使得新疆冬季氣溫偏高。秋季海冰偏少年的冬季海平面氣壓距平場(chǎng)（圖2c）正距平基本分布在60°N 以南地區(qū)，歐亞大陸和太平洋存在3 個(gè)正距平中心，冬季海冰偏少年，雖然正距平區(qū)的冬季海平面氣壓相比秋季海冰偏少年有所減弱（圖2d），但西伯利亞高壓系統(tǒng)仍偏強(qiáng)，有利于高緯度冷源向低緯度發(fā)展，使新疆冬季氣溫偏低。圖2e 和圖2f 也證實(shí)了秋、冬季海冰偏少年，冬季西伯利亞高壓偏強(qiáng)，新疆冬季氣溫偏低。

圖2 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季海平面氣壓距平場(chǎng)和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年減海冰偏多年的冬季海平面氣壓場(chǎng)差值（單位：hPa）

4.2 位勢(shì)高度距平場(chǎng)

由圖3 可知，秋季北極海冰偏多年和偏少年的冬季500 hPa 位勢(shì)高度距平場(chǎng)（圖3a、3c）區(qū)別在于西伯利亞上空的北極渦旋。秋季海冰偏少年，正距平基本在中高緯度地區(qū)，南伸至貝加爾湖，北極的升溫造成北極渦旋不穩(wěn)定，分裂成多股冷空氣南下侵襲新疆，圖3e 的差值圖更直觀，新疆處在正負(fù)距平交界南部，冷空氣從西伯利亞南下，造成新疆冬季低溫。冬季北極海冰偏多年和海冰偏少年的500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)（圖3b、3d）區(qū)別在于烏拉爾山阻塞高壓強(qiáng)弱，冬季阻塞高壓對(duì)新疆冬季氣溫的影響十分顯著。冬季海冰偏多年，烏拉爾山至里海為負(fù)距平，烏拉爾山阻塞高壓偏低。冬季海冰偏少年與之相反，槽脊系統(tǒng)的加強(qiáng)和經(jīng)向環(huán)流有利于高緯度的冷空氣進(jìn)入中緯度地區(qū)，且阻塞高壓崩潰時(shí)冷平流不再維持在槽后，直接攜帶大量強(qiáng)冷空氣入侵新疆。圖3f 也說明冬季海冰偏少年烏拉爾山阻塞高壓強(qiáng)于冬季海冰偏多年，新疆冬季更易低溫。

圖3 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季500 hPa 位勢(shì)高度距平場(chǎng)和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年減海冰偏多年的冬季位勢(shì)高度場(chǎng)差值（單位：gpm）

4.3 流場(chǎng)距平場(chǎng)

秋季北極海冰偏多年，新疆冬季上空有從低緯度向中緯度輸送的暖空氣（圖4a），而秋季北極海冰偏少年（圖4c），受北極渦旋影響，新疆處于西風(fēng)帶，源源不斷的冷空氣是新疆冬季氣溫偏低的原因。從冬季海冰偏多年的冬季850 hPa 流場(chǎng)距平合成（圖4b）可知，新疆位于氣旋東側(cè)，南部的暖空氣推動(dòng)北部冷空氣，易被暖氣團(tuán)控制，新疆冬季氣溫易偏高。冬季海冰偏少年（圖4d）新疆位于氣旋西側(cè)，北部的冷空氣推動(dòng)南部的暖空氣，易被冷空氣團(tuán)控制，新疆冬季氣溫易偏低。從秋冬海冰偏少年減海冰偏多年的流場(chǎng)差值（圖4e、4f）同樣可證實(shí)，海冰偏少年更有利于冷空氣南下造成新疆冬季氣溫偏低。

圖4 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季850 hPa 流場(chǎng)距平場(chǎng)和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年減海冰偏多年的冬季流場(chǎng)差值（單位：m/s）

5 影響新疆冬季氣溫的不同海冰變化區(qū)

除西伯利亞高壓、阻塞高壓等直接大氣環(huán)流系統(tǒng)外，北半球極渦面積、北極濤動(dòng)和北大西洋海溫等也是重要的氣候要素。已有學(xué)者研究這些氣候指數(shù)和中國(guó)氣溫以及北極海冰的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，通過不同氣候指數(shù)，探討不同海區(qū)的北極海冰變化對(duì)新疆冬季氣溫的影響。

亞洲極渦面積增大造成極渦南壓，使極地冷空氣向中緯度爆發(fā)，導(dǎo)致中低緯地區(qū)冬季氣溫降低。由表1 可知，亞洲極渦面積指數(shù)與北極海冰面積和新疆冬季氣溫分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。圖5 為亞洲極渦面積指數(shù)與北極海冰密度集和新疆冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)分布。海冰關(guān)鍵區(qū)位于巴倫支?！！⒍趸舸慰撕！琢詈{、哈德孫灣—戴維斯海峽和格陵蘭海—丹麥海峽。當(dāng)巴倫支?！?、鄂霍次克?！琢詈{、哈德孫灣—戴維斯海峽海冰異常偏多時(shí)，亞洲極渦面積增大，新疆大部冬季氣溫偏低；當(dāng)格陵蘭海—丹麥海峽海冰異常偏多時(shí)，亞洲極渦面積增大，新疆大部冬季氣溫偏高。

表1 不同氣候指數(shù)與北極海冰面積、新疆冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)

圖5 亞洲極渦面積指數(shù)與北極海冰密集度（a）和新疆冬季氣溫（b）的相關(guān)系數(shù)分布

北極濤動(dòng)指數(shù)為正時(shí)，北極濤動(dòng)正位相，氣壓“南高北低”，限制了極地冷空氣向南擴(kuò)張，中緯度地區(qū)氣溫偏高；北極濤動(dòng)指數(shù)為負(fù)時(shí)，北極濤動(dòng)負(fù)位相，氣壓轉(zhuǎn)為“北高南低”，中低緯度地區(qū)氣溫偏低。北極濤動(dòng)指數(shù)與北極海冰面積和新疆冬季氣溫均存在正相關(guān)（表1）。北極濤動(dòng)指數(shù)與北極海冰密度集和新疆冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)分布（圖6）表明北極海冰變化關(guān)鍵區(qū)位于拉普捷夫海和東西伯利亞海。當(dāng)拉普捷夫海和東西伯利亞海海冰異常偏多時(shí)，北極濤動(dòng)正位相，新疆大部冬季氣溫偏高，南疆西部山區(qū)偏低；當(dāng)拉普捷夫海和東西伯利亞海海冰異常偏少時(shí)，北極濤動(dòng)負(fù)位相，新疆大部冬季氣溫偏低，南疆西部山區(qū)偏高。

圖6 北極濤動(dòng)指數(shù)與北極海冰密集度（a）和新疆冬季氣溫（b）的相關(guān)系數(shù)分布

北大西洋海溫指數(shù)表征海表溫度的變化情況。北大西洋海溫指數(shù)為正，海溫偏高時(shí)，EU 遙相關(guān)通過溫度平流抬升亞洲溫度。北大西洋海溫指數(shù)與北極海冰面積和新疆冬季氣溫分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)（表1）。由北大西洋海溫指數(shù)與北極海冰密度集和新疆冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)分布（圖7）可知，海冰關(guān)鍵區(qū)位于喀拉?！战莘蚝：透窳晏m海—丹麥海峽。喀拉?！战莘蚝Ｅc北大西洋海溫指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，海冰異常偏少時(shí)，北大西洋海溫偏暖，全疆大部冬季氣溫偏高，北疆北部和天山山區(qū)冬季氣溫偏低；格陵蘭?！満{海冰密度集與北大西洋海溫指數(shù)呈正相關(guān)，海冰異常偏少時(shí)，北大西洋海溫偏冷，全疆大部冬季氣溫偏低，北疆北部和天山山區(qū)冬季氣溫偏高。

圖7 北大西洋海溫指數(shù)與北極海冰密集度（a）和新疆冬季氣溫（b）的相關(guān)系數(shù)分布

6 討論

（1）根據(jù)上述結(jié)論，結(jié)合本文定義的海冰偏多年和海冰偏少年，通過對(duì)比新疆冬季氣候影響評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，新疆冷冬和強(qiáng)冷冬年與北極海冰偏少年、暖冬和強(qiáng)暖冬年與北極海冰偏多年在絕大部年份都有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但個(gè)別年有偏差，且當(dāng)新疆冬季氣溫距平處于正常范圍時(shí)，當(dāng)年的海冰變化情況有差異，這其中的原因有待進(jìn)一步研究。

（2）前人基本采用EOF 第一模態(tài)或相關(guān)性分析等方法確定海冰關(guān)鍵區(qū)，確定造成中國(guó)冬季氣溫偏低的海冰關(guān)鍵區(qū)基本在巴倫支?！?，本文在此基礎(chǔ)上考慮了北半球極渦、北極濤動(dòng)和北大西洋海溫對(duì)北極海冰以及新疆冬季氣溫的影響，確定導(dǎo)致新疆冬季氣溫偏低的海冰關(guān)鍵區(qū)在巴倫支?！?、鄂霍次克?！琢詈{和哈德孫灣—戴維斯海峽，在一定程度上細(xì)化了影響新疆冬季氣溫偏低的海冰關(guān)鍵區(qū)。

（3）ZUO JQ 等[20]針對(duì)秋季北極海冰與歐亞冬季氣溫的關(guān)系，建立統(tǒng)計(jì)模型，以秋季北極海冰信號(hào)作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，研究中國(guó)冬季氣溫異常的潛在可預(yù)測(cè)性。統(tǒng)計(jì)模型通過秋季北極海冰異常可以很好地預(yù)測(cè)中國(guó)西北和中部地區(qū)的冬季氣溫。綜上，影響新疆冬季氣溫的秋季北極海冰變化關(guān)鍵區(qū)以及其預(yù)報(bào)因子還需通過數(shù)值模擬以及預(yù)測(cè)模型來進(jìn)一步研究確定。

7 結(jié)論

（1）北極海冰的變化與新疆大部冬季氣溫呈正相關(guān)。對(duì)比秋季北極海冰面積和冬季北極海冰面積對(duì)新疆冬季氣溫的影響，秋季北極海冰面積與新疆冬季氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域通過顯著性檢驗(yàn)的測(cè)站更多。

（2）北極海冰通過影響大氣高低空配置進(jìn)而影響新疆冬季氣溫。海冰偏多年，西伯利亞高壓偏低，極渦穩(wěn)定在北極圈，阻塞高壓偏弱，中高緯度環(huán)流呈緯向型發(fā)展，南部暖空氣推動(dòng)北部冷空氣，環(huán)流場(chǎng)整體形勢(shì)不利于高緯度極地冷空氣南下，導(dǎo)致新疆冬季氣溫偏高，海冰偏少年與之相反，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，極渦不穩(wěn)定，阻塞高壓偏強(qiáng)，西風(fēng)帶源源不斷的冷空氣導(dǎo)致新疆冬季氣溫偏低。

（3）不同海區(qū)的海冰變化對(duì)新疆冬季氣溫的影響截然不同。格陵蘭?！満{、拉普捷夫?！獤|西伯利亞海海冰異常偏多時(shí)，新疆大部冬季氣溫偏高。巴倫支?！！⒍趸舸慰撕！琢詈{、哈德孫灣—戴維斯海峽海冰異常偏多時(shí)，新疆大部冬季氣溫偏低。