3月巴倫支海海冰對中國東部8月氣溫偶極子型的影響及機制研究

李惠心,孫博②*,周波濤,王樹舟,朱寶艷,范怡

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;② 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海),廣東 珠海 519080

*聯系人，E-mail:sunb@nuist.edu.cn

近年來,在全球變暖背景下,北極海冰的消融速率加快,年際變率顯著增強(Zwally and Gloersen,2008)。北極海冰作為全球的冷源,它能夠通過海-氣-冰相互作用直接或間接影響全球氣候系統的變化(Screen et al.,2014;Vihma,2014;Gao et al.,2015;陳誠等,2019)。例如,冬季受北極增暖和北極海冰的減少的影響,歐洲、東亞和北美極端寒潮和暴雪事件增加(Petoukhov and Semenov,2010;Liu et al.,2012;Kim et al.,2014;Gao et al.,2015;Wu et al.,2017)。夏季,北極通過影響急流的南北位置來調控北歐夏季降水的異常(Screen,2013)。此外,北極海冰對中國氣候變化也產生重要的影響(Wu et al.,2011,2013)。研究表明,春季北極海冰對東亞夏季風有重要的調控作用,而北太平洋起到連接春季海冰和夏季季風的重要橋梁作用(Guo et al.,2014)。夏季,北極海冰異常對中國東部地區的降水有重要影響。例如,北極海冰覆蓋面積異常通過影響拉普捷夫海海溫,激發歐亞遙相關波列,影響2014年夏季東北亞地區極端干旱事件發生(Wang and He,2015);而2016年夏季巴倫支海-喀拉海海冰異常偏少則對當年夏季長江中下游流域夏季降水負異常產生了重要影響(Shen et al.,2019)。

受海洋和大氣環流的影響,北極海冰面積的變化存在明顯的區域性和季節性的差異。北極海冰面積在3月(冬季)達到最大值,9月(夏季)降到最低值。其中,3月巴倫支海海冰變率最大,消融速率也最大(Sigrid et al.,2018),巴倫支海海冰的減少可解釋27%北極海冰的變化(Onarheim et al.,2018)。近年來,巴倫支海-喀拉海的海冰對于全球氣候的年際變化有重要影響。例如,當冬季巴倫支海海冰偏少(偏多)時,西伯利亞高壓偏強(偏弱),西伯利亞東部冷平流增強(減弱)(Inoue et al.,2012),導致東亞北部冬季異常降溫(增溫)(Wu et al.,1999;Li et al.,2015;Zuo et al.,2016)。此外,冬季巴倫支海海冰異常激發的Rossby波列,對華北地區春季沙塵活動也有重要的調控作用(Fan et al.,2018)。春季,巴倫支海海冰的變化可以通過影響春季-夏季的積雪、土壤濕度和大氣遙相關過程等對夏季東北地區高溫干旱有重要的影響(Li et al.,2018)。He et al.(2018)研究指出,6月巴倫支海海冰的減少可能激發絲綢之路遙相關波列,進一步影響東亞地區降水格局的變化。盡管大量研究表明海冰可能對環流、溫度、降水等產生影響,目前關于北極海冰的影響機制等問題的研究仍具有較大的不確定性(Barnes and Screen,2015),一些學者也試圖通過多集合的模式來驗證這些物理過程(Seviour,2017)。因此,關于海冰影響大氣的過程和物理機制仍需要更加深入的研究。

上述研究表明,巴倫支海海冰異常對中國氣候變化有重要影響。但是,以往研究大多關注巴倫支海區域的海冰對環流、降水的影響,而關于北極海冰影響中國東部溫度格局的物理機制的研究有限。因此,本文在前人研究的基礎上,深入探究3月巴倫支海海冰的變化對8月中國東部氣溫空間格局的影響及其相關的物理機制。

1 資料和方法

資料包括:1)NCEP/NCAR再分析數據集,主要變量包括海平面氣壓,地表氣溫,位勢高度,風場,垂直速度,地表凈短波輻射,地表凈長波輻射,地表潛熱通量,地表感熱通量,地表凈云強迫短波通量等(Kalnay et al.,1996);2)ERA-Interim再分析數據集,主要變量包括土壤濕度,積雪等(Balsamo et al.,2015);3)Hadley中心的海冰密集度數據集(Rayner et al.,2003);4)利用中國2 416個站點插值而成的CN05.1的月平均格點數據集,主要變量包括地表氣溫和降水(吳佳和高學杰,2013)。本文定義巴倫支海區域為30°～60°E、72°～78°N;喀拉海區域為60～95°E、75°～80°N;東北地區為110°～135°E、42°～54°N;華南地區為110°～120°E、20°～30°N。巴倫支海海冰指數(SICI)定義為區域平均的3月巴倫支海區域的海冰;喀拉海海冰指數定義為8月喀拉海區域的海冰;中國東部溫度偶極子指數(SATI)定義為區域平均的8月華南地區地表氣溫與東北地區地表氣溫的差異;8月土壤濕度指數定義為烏拉爾山西部(20°～45°E、55°～65°N,圖8藍色方框)和東亞東北部(90°～130°E、40°～55°N,圖8藍色方框)與俄羅斯西北部(50°～90°E、55°～70°N,圖8紅色方框)的區域平均的土壤濕度的差異;3—5月土壤濕度指數定義為烏拉爾山西部(50°～70°N、30°～55°E,圖9藍色方框)與俄羅斯西北部(60°～90°E、60°～75°N,圖9紅色方框)的區域平均的土壤濕度的差異。

數據時間段為1979—2018年,所有數據在使用前均進行了去線性趨勢處理,其中上述定義的幾個指數進一步進行了標準化處理;此外,本文用到回歸分析、顯著性檢驗、滑動相關分析等統計方法。

利用奇異值(SVD)分解法(Wallace et al.,1992;楊夢兮等,2020)研究3月北極海冰和8月中國東部溫度場的相關分布特征。這里定義8月中國東部地區(105°～135°E,17°～54°N)的地表氣溫為右場,前期3月巴倫支海-喀拉海區域(0°～90°E,65°～85°N)的海冰為左場,對兩個場1979—2018年的元素進行標準化、去線性趨勢處理后,進行SVD分解。

圖1 1979—2018年SVD異類分解的第一模態3月巴倫支海區域海冰(a)與8月中國東部氣溫(b)的異性空間相關關系(打點為置信度通過95%的顯著性水平檢驗)及第一模態對應的時間序列(c)(紅色為溫度、藍色為海冰,數據經標準化、去線性趨勢處理)Fig.1 Heterogeneous correlation map of (a)the first modes derived from SVD of the Barents Sea ice in March and (b)temperature over eastern China in August and (c)the corresponding temporal series(Dotted regions in (a) and (b) suggest the heterogeneous correlation coefficient significant at 95% confidence level based on the Student’s test.The red(blue) line in (c)indicates the temperature(sea ice) series.These results are based on distended and standard datasets)

2 中國東部8月溫度的變化特征及其與海冰的聯系

以往研究指出,3月巴倫支海海冰的變率最大,對于春、夏季中高緯的氣候變化具有重要影響(Parkinson and Cavalieri,2008;Sigrid et al.,2018)。為研究前期北極海冰和8月中國東部氣溫的關系,首先利用SVD方法對標準化、去線性趨勢后的3月巴倫支海-喀拉海的海冰和中國東部8月的氣溫進行了分解,圖1為SVD異類分解的第一模態的空間相關及其對應的時間序列。結果表明,當3月巴倫支海海冰偏多時(圖1a),中國東部氣溫呈現“南暖北冷”的偶極子的空間分布特征(圖1b),且巴倫支海的海冰與中國東部氣溫關系顯著。第一模態的協方差貢獻率達39.2%,二者的時間序列一致性較強,其相關系數為0.62(圖1c),通過置信度為99%的顯著性水平t檢驗。

此外,分別計算了3月巴倫支海海冰指數(SICI)和8月東部氣溫的偶極子指數(SATI),發現二者與其對應的第一模態時間序列的相關系數均通過置信度為95%的顯著性水平t檢驗。由此推測,3月巴倫支海海冰偏多可能會導致中國東部8月氣溫的偶極子型分布。那么,3月巴倫支海海冰與8月中國東部氣溫的關系是否在1979—2018年間一直顯著?圖2a為巴倫支海海冰指數分別與東北氣溫、華南氣溫、東部偶極子型氣溫指數的21 a滑動相關系數。結果一致表明,在1993年后,3月北極海冰的變率與中國東部氣溫的關系均發生顯著的增強,故選取1993—2018年作為后續的研究時段(圖2b)。可以發現,華南氣溫(藍)指數、中國東部偶極子型氣溫(黑)指數與海冰指數(陰影)的年際變化一致,而東北氣溫(紅)的時間序列則與海冰指數的變化相反。分別計算1993—2018年東北氣溫指數、華南氣溫指數、偶極子型氣溫指數與3月巴倫支海海冰指數的線性相關系數,分別為-0.46、0.39、0.57,均通過置信度為95%的顯著性水平t檢驗。以上研究表明,3月巴倫支海海冰偏多與中國東部8月華南氣溫偏高、東北氣溫偏低的中國東部偶極子型氣溫分布關系密切。

圖2 1979—2018年8月中國東部偶極子溫度指數(黑)、東北溫度(紅)、華南溫度(藍)與3月巴倫支海海冰指數的21 a滑動相關系數(a)與1993—2018年8月中國東部偶極子溫度指數(黑)、東北溫度(紅)、華南溫度(藍)與3月巴倫支海海冰指數(柱狀陰影)的時間序列(b)(圖a中的實線(虛線)為95%(90%)顯著性t檢驗值)Fig.2 (a)The 21-yr sliding correlation coefficients between temporal series of temperature index over eastern China (SATI) and the Barents Sea ice index in March(SICI)(black),between temporal series of temperature index over northeastern China index (SATIN) and SICI,between temporal series of temperature index over southern China index(SATIC) and SICI.(b)Temporal series of SATI(black),SATIN(red),SATIC(blue),and SICI(bar chart) during 1993—2018.The solid(dashed) horizontal lines indicate a significant level of 95%(90%) 21-yr correlation coefficient

3 東部偶極子型溫度變化的環流特征及輻射強迫特征

氣溫異常與地表熱量收支密切相關(姚素香和張耀存,2007),圖3a、b分別為中國東部偶極子型溫度指數和巴倫支海海冰指數對8月地表凈熱通量的回歸,此處定義向下為正。當中國東部氣溫呈現“南正北負”的偶極子型空間分布時,地表凈熱通量在東北地區為負異常,在華南地區為正異常。東北地區的負異常表明局地凈地表熱通量向上,地表降溫;而華南地區的正異常表明局地的地表凈熱通量向下,地表增溫。地表凈通量在中國東部地區表現為“南暖北冷”的偶極子型空間分布(圖3a,b)。此外,中國東部偶極子型溫度指數和巴倫支海海冰指數對8月地表凈熱通量的回歸結果均表現為“歐洲西部-歐亞大陸北部-中國東北-華南”的“-+-+”的沿大圓傳播的遙相關路徑,這一遙相關型對連接3月巴倫支海海冰異常和中國東部8月氣溫偶極子空間型具有重要意義,后文將對此遙相關型進一步分析。利用中國東部偶極子型溫度指數分別對地表凈短波輻射通量(圖3c)、地表凈長波輻射通量(圖3d)、地表凈感熱通量(圖3e)、地表凈潛熱通量(圖3f)等回歸,發現地表凈短波通量與地表凈通量關系密切,尤其在東北和華南為反位相關系(圖3c),而地表凈長波輻射(圖3d)、地表凈感熱通量(圖3e)在東北地區為顯著的正異常,與地表凈通量相反。地表潛熱通量在東北為負異常(圖3f),與地表凈通量一致。但是地表潛熱通量在華南為負異常,與地表凈通量相反。由此可見,地表凈短波通量的異常對地表氣溫的影響最強,而地表凈潛熱通量對于東北的溫度偏低的影響也較為顯著。

圖3 中國東部溫度指數對8月地表凈熱通量(a),地表凈短波輻射通量(c),地表凈長波輻射通量(d),感熱通量(e),潛熱通量(f)的回歸;3月巴倫支海海冰指數對8月地表凈熱通量的回歸(b)(打點為回歸系數通過90%的顯著性t檢驗;單位:W/m2)Fig.3 Regression maps of the SATI in August with regards to concurrent (a)net surface heat flux,(c)net surface shortwave heat flux,(d)net surface longwave heat flux,(e)net surface sensible heat flux,and (f)net surface latent heat flux.Regression maps of the SICI in March with regards to (b)net surface heat flux in August.The dotted regions indicate the regression coefficient significant at a 90% confidence level based on the Student’s test,unit:W/m2

圖4 中國東部溫度指數對8月地表凈云強迫短波通量(a;單位:W/m2),沿110°～135°E平均的垂直剖面的垂直運動和經向運動(b;單位:10-3 Pa/s和m/s),200 hPa風場(c;單位:m/s),850 hPa風場(d;單位:m/s),500 hPa位勢高度場(e;單位:gpm),海平面氣壓場(f;單位:hPa)的回歸(打點或灰色陰影為回歸系數通過90%的顯著性t檢驗)Fig.4 (a)Regression maps of the SATI in August with regards to the concurrent cloud forcing net solar flux at the surface(unit:W/m2),(b)vertical-horizontal cross-section averaged along 110°—135°E for vertical velocity(unit:10-3 Pa/s and m/s),(c)200 hPa wind(unit:m/s),(d)850 hPa wind(unit:m/s),(e)500 hPa geopotential height(unit:gpm),and (f)surface-level pressure(unit:hPa).The dotted/grey shading regions indicate the regression coefficient significant at a 90% confidence level based on the Student’s t test

由于地表凈短波通量異常與中國東部氣溫偶極子型關系密切,圖4a進一步給出中國東部偶極子型溫度指數對地表凈云強迫短波通量的回歸。可以發現,地表凈云強迫短波通量在東北為顯著負異常中心,而在華南為微弱的正異常,表明東北(華南)地表接收的云強迫短波通量少(多),東北(華南)上空云層對短波的阻擋作用強(弱)。結合垂直運動可以發現(圖4b),當中國東部氣溫呈現“南暖北冷”的偶極子空間型時,東北上空盛行異常的上升運動,而華南上空則呈現為大范圍的下沉運動。東北地區的上升運動使得對流不穩定發展,有利于云雨的形成,導致大氣溫度偏低;而華南地區的下沉運動則使得大氣絕熱增溫,有利于高溫事件的發生。此外,中高緯地區自對流層高層200 hPa到對流層低層850 hPa表現為明顯的正壓結構:東北地區自低層到高層均為氣旋式環流異常,華南地區自低層到高層均為反氣旋式環流異常(圖4c,d)。在500 hPa等壓面上和海平面氣壓場上,東北和華南分別對應位勢高度場/海平面氣壓的正、負異常中心(圖4e,f)。以上這些環流異常有利于東北地區溫度偏低、華南地區溫度偏高,導致中國東部氣溫的偶極子空間分布型。此外,與地表凈通量一致,環流異常表現為從西歐到歐亞大陸中部、東北、華南的“氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋”的沿大圓路徑傳播的形式,此遙相關型與絲綢之路遙相關型的負位相有較好的一致性(Hong et al.,2018b)。

由此可見,類“絲綢之路”遙相關型的負位相及其相關的環流異常相對中國東部8月氣溫偶極子空間型有重要的影響。當“絲綢之路”遙相關為負(正)位相時,位勢高度場在中國東部表現為“南負北正”(“南正北負”)的反位相的結構,并進一步影響局地熱通量和氣溫的空間分布。以往研究表明,“絲綢之路”遙相關型的變化可能與大氣內部變率(Hong et al.,2018a)、副熱帶西風急流(Hong and Lu,2016)、北大西洋海溫(劉晨等,2020)、北極海冰(He et al.,2018)等多種因素的影響有關。本文則重點從北極海冰的角度出發,探討3月巴倫支海海冰是否可以通過影響“絲綢之路”遙相關型,進一步調節8月中國東部氣溫偶極子型的空間分布。

4 北極海冰影響中國東部氣溫偶極子型的機制

圖1中SVD分解的結果表明,3月巴倫支海海冰與中國東部地區8月氣溫的偶極子型空間分布有重要聯系。而類“絲綢之路”遙相關型則顯著影響中國東部氣溫南北偶極子型分布。那么,3月巴倫支海海冰異常是否可以影響“絲綢之路”遙相關,并進一步影響中國東部地區8月氣溫南北偶極子型的空間型特征呢?接下來分別從海冰的持續性及陸面過程兩個途徑分別進行討論。

4.1 海冰持續性的影響

利用3月巴倫支海海冰指數對3—8月北極海冰密集度回歸,結果表明,北極海冰的異常具有很好的持續性(圖5)。當3月巴倫支海海冰偏多(少)時,海冰異常偏多(少)的信號可一直持續到7月,由于8月巴倫支海海冰幾乎融化殆盡,其海冰異常偏多(少)的信號則維持在喀拉海。進一步計算了3月巴倫支海海冰指數與8月喀拉海海冰指數的線性相關系數,兩者相關系數為0.62,通過99%顯著性檢驗。利用3月巴倫支海海冰指數和8月喀拉海海冰指數分別對8月波通量和流函數進行回歸(圖6)。可以發現,當3月/8月巴倫支海/喀拉海海冰偏多(少)時,巴倫支海-喀拉海地區、烏拉爾山地區、華南地區的流函數為正異常(負異常),而歐洲西部、中國東北地區流函數為負異常(正異常),北半球表現為兩條明顯的波列特征(圖6a,b)。一方面,海冰偏多(少)影響絲綢之路遙相關波列的傳播,在300 hPa表現為明顯的從西歐向東、南方向的傳播路徑,加強了絲綢之路遙相關波列負位相(正位相)的強度;另一方面,海冰偏多(少)導致巴倫支海-喀拉海區為局地下沉(上升)運動異常(圖7c,d)和位勢高度場正(負)異常(圖7e,f)。巴倫支海-喀拉海區域的環流異常激發波列,并進一步向南傳播。在二者共同作用下,影響中國東部南-北反位相的環流。結合垂直方向的波通量可以看出,當3月巴倫支海海冰異常偏多(少)時,可以在北極地區激發波列,波列向上傳播至對流層中高層,向南傳播至中國東部地區后下傳(圖6c,d,e),進一步影響中國東部地區的環流:在東北地區流函數為負異常(氣旋式環流),華南地區流函數為正異常(反氣旋式環流)。

圖5 巴倫支海海冰指數對3月(a),4月(b),5月(c),6月(d),7月(e),8月(f)海冰密集度的回歸(打點為回歸系數通過95%顯著性t檢驗)Fig.5 Regression maps of the SICI in March with regards to sea ice in (a)March,(b)April,(c)May,(d)June,(e)July,and (f)August(Dotted regions indicate the regression coefficients significant at a 95% confidence level based on the Student’s t test)

圖6 3月巴倫支海海冰指數對8月300 hPa(a),沿100°～135°E平均的垂直剖面的(c),沿20°～70°E平均的垂直剖面的(d)波通量(箭頭;單位:m2/s2)和流函數(陰影;單位:107m2/s)的回歸;8月喀拉海海冰指數對8月300 hPa(b),沿100°～135°E平均的垂直剖面的(e)的波通量(箭矢;單位:m2/s2)和流函數(填色;單位:107m2/s)的回歸(打點為回歸系數通過90%的顯著性水平t檢驗)Fig.6 Regression maps of SICI in March aboutto (a)300 hPa horizontal,(c)vertical-horizontal cross-section averaged along 110°-135°E and (d)vertical-horizontal cross-section averaged along 20°—70°E for wave activity flux(vectors;m2/s2) and geostrophic current function(shading;107m2/s).(b) and (e) same as (a) and (c),but for regression,maps regardKara Sea ice in August.The dotted regions indicate the regression coefficients significant at a 90% confidence level based on the Student’s t-test

圖7 3月巴倫支海海冰指數對8月850 hPa風場(a;單位:m/s),沿0°～150°E平均的剖面的垂直運動和經向運動(c;單位:10-3 Pa/s和m/s),500 hPa位勢高度場(e;單位:gpm)的回歸;8月喀拉海海冰指數對8月850 hPa風場(b;單位:m/s),沿0°～150°E平均的剖面的垂直運動(d;單位:10-3 Pa/s),500 hPa位勢高度場(f;單位:gpm)的回歸(打點/灰色陰影為回歸系數通過90%的顯著性水平t檢驗)Fig.7 (a)Regression maps of SICI in March with regard to August 850 hPa wind(unit:m/s),(c)vertical-horizontal cross-section averaged along 0°—90°E for vertical velocity(unit:10-3 Pa/s and m/s),and (e)500 hPa geopotential height (unit:gpm).(b)Regression maps of the Kara Sea ice index in August with regard to August 850 hPa wind (unit:m/s),(d)vertical-horizontal cross-section averaged along 0°—90°E for vertical velocity(unit:10-3 Pa/s),and (f)500 hPa geopotential height(unit:gpm).The dotted/grey shading regions indicate the regression coefficients significant at 90% confidence level based on the Student’s t-test

圖7為3月巴倫支海海冰指數/8月喀拉海海冰指數對8月北半球環流的回歸。以往研究表明,當北極海冰減少時,秋冬季節大氣向海洋輸送的熱通量增加,進一步影響低層大氣的溫度、濕度、云、靜力穩定度等(Vihma,2014)。受巴倫支海海冰異常偏多(少)的影響,8月極地地區為異常的下沉(上升)運動(圖7c,d)和位勢高度場正(負)異常(圖7e,f),環流表現為類“絲綢之路”遙相關型的負位相(正位相)(圖7a,b):自歐洲西部向中國東部呈現“氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋”(“反氣旋-氣旋-反氣旋-氣旋”)的異常環流中心。在東北局地為位勢高度場負(正)異常、氣旋式(反氣旋式)異常環流中心,在華南地區為位勢高度場正(負)異常、反氣旋式(氣旋式)異常環流中心。結合前文的分析結果,沿著大圓路徑傳播的類“絲綢之路”遙相關型的負位相(正位相)與中國東部8月“南暖北冷”(“南冷北暖”)的偶極子空間型關系密切。由此表明,3月巴倫支海海冰正異常的信號可以持續到8月,8月喀拉海海冰偏多可能有利于“絲綢之路”遙相關波列的加強,進而影響中國東部溫度偶極子型格局。

4.2 陸面過程的影響

以往研究表明,土壤濕度對大氣環流、局地溫度等有重要的調節作用(劉栗,2017;余波等,2020)。利用中國東部8月氣溫的偶極子型溫度指數對同期土壤濕度回歸,發現8月土壤濕度表現為明顯的類似于“絲綢之路”遙相關型的空間分布特征,在中國東部表現為東北地區土壤濕度明顯偏濕潤,而華南地區土壤濕度略微偏干(圖8b)。同時,3月巴倫支海海冰指數對8月土壤濕度的回歸也表現為類似的空間格局(圖8a)。以往研究表明,土壤濕度的異常信號能維持長達半年的時間(李若麟等,2016),那么,3月巴倫支海海冰異常偏多的信號是否會通過陸面過程保留在土壤中,并進一步影響夏季的大氣環流及中國東部的溫度異常格局呢?

首先研究8月土壤濕度異常是否與同期大氣環流異常有聯系。以往研究發現,當東亞地區土壤濕度偏干時,由于水汽蒸發減少,潛熱釋放減少,導致其地表溫度偏高(宋曉君等,2016)。當3月巴倫支海海冰偏多或8月中國東部氣溫南暖-北冷時,土壤濕度均表現為自“西歐-西伯利亞-東亞”的“+-+”的遙相關型,故選擇這3個區域的土壤濕度構建土壤濕度指數,以期與“絲綢之路”遙相關型相對照。研究發現,當土壤濕度表現為上述遙相關型時,地表氣溫表現為自“歐洲西部-烏拉爾山脈-中國東北-華南”的“-+-+”的空間格局,與8月溫度指數回歸的空間格局一致(圖8c,d)。以往研究表明,歐亞大陸地表的非絕熱加熱過程可能會激發絲綢之路遙相關的波列(Lu et al.,2002),而歐洲西部溫度的負異常則有利于絲綢之路遙相關型的負位相的形成。從環流的回歸結果可以發現,自歐洲西部至中國東部,在850 hPa和200 hPa表現為風場的“氣旋式-反氣旋式-氣旋式-反氣旋式”異常環流中心,在位勢高度場表現為“-+-+”的異常中心,海平面氣壓場也與之類似。由此可見,8月土壤濕度異常的空間型與大氣環流異常和溫度異常關系密切。那么,這一信號能否追溯到前期巴倫支海海冰異常呢?

Sun(2017)研究指出,積雪對土壤濕度、地表熱通量等有重要的影響。進一步地,3月巴倫支海海冰指數對春季(3—5月)積雪、潛熱通量、地表氣溫、土壤濕度等變量分別回歸(圖9)。可以發現,當3月巴倫支海海冰偏多時,巴倫支海及其相鄰的歐亞大陸西北部氣溫偏低,而其東側氣溫略高(圖9c)。此外,潛熱通量在歐洲西北部表現為正異常,表明由地表釋放的潛熱減少,地表蒸發減少(圖9b)。由于溫度降低、蒸發減少,歐洲東部、亞洲西部積雪厚度增加,而其東側積雪厚度則略微減少(圖9a)。相應的,土壤濕度在歐亞大陸北部表現為明顯的負異常,而在歐洲東部、亞洲西部則為正異常(圖9d)。利用3—5月土壤濕度定義土壤濕度指數(見數據與方法),并對后期土壤濕度回歸。研究發現,土壤濕度具有很好的持續性。受春季土壤濕度空間格局的影響,8月土壤濕度異常與前文分析的土壤濕度的空間格局基本一致,表現為“歐洲西部-烏拉爾山-中國東北-華南”的“+-+-”的空間格局(圖9e)。而前文研究表明,土壤濕度的這一空間格局與類“絲綢之路”遙相關型的負位相關系密切。此波列向東部傳播,在東北(華南)地區為氣旋(反氣旋)異常,導致局地上升(下沉)運動異常,并進一步影響地表凈熱通量,導致氣溫偏低(高),影響中國東部南北氣溫反位相的偶極子空間格局。

圖8 3月巴倫支海海冰指數和8月中國東部氣溫指數對8月土壤濕度(mm3/mm-3)的回歸(a,b);8月喀拉海海冰指數和8月土壤濕度指數對8月地表氣溫(℃)的回歸(c,d);8月土壤濕度指數對850 hPa風場(e;單位:m/s),200 hPa風場(f;單位:m/s),500 hPa位勢高度場(h;單位:gpm),海平面氣壓場(g;單位:hPa)的回歸(打點/灰色陰影為回歸系數通過90%的顯著性水平t檢驗)Fig.8 (a,b)Regression maps of SICI in March and dipole temperature index in August over eastern China aboutsoil moisture(unit:mm3/mm-3) in August.(c,d)Regression maps of the Kara Sea ice index in Augst and soil moisture index in August aboutsurface air temperature (unit:℃) in August.(e)Regression maps of soil moisture index in August concerningAugust 850 hPa wind (unit:m/s),(f)200 hPa wind(unit:m/s),(g)500 hPa geopotential height(unit:gpm),and (h)sea surface level pressure(unit:hPa).The dotted/grey shading regions indicate the regression coefficients significant at 90% confidence level based on the Student’s t-test

圖9 3月巴倫支海海冰指數對3—5月積雪厚度(a;單位:m),地表凈潛熱輻射通量(b;單位:W/m2),地表氣溫(c;單位:℃),土壤濕度(d;單位:mm3/mm-3)的回歸(春季土壤濕度指數對8月土壤濕度的回歸;打點為回歸系數通過90%的顯著性水平t檢驗)Fig.9 (a)Regression maps of Barents Sea ice index in March aboutspring (March,April,May) snow depth (unit:m),(b)net surface latent heat flux (unit:W/m2),(c)surface air temperature (unit:℃),(d)soil moisture(unit:mm3/mm-3).(e)Regression maps of soil moisture index in spring concerningsoil moisture in August(The dotted regions indicate the regression coefficients significant at 90% confidence level based on the Student’s t-test)

5 結論和討論

重點研究了3月巴倫支海海冰對8月中國東部氣溫偶極子型的影響。當3月巴倫支海海冰偏多時,8月中國東部“南暖北冷”,反之亦然。研究表明,“絲綢之路”遙相關型的負位相是造成這種“南暖北冷”偶極子格局的重要環流,而3月巴倫支海海冰異常偏多則與“絲綢之路”遙相關的負位相關系密切。海冰對東部氣溫異常的影響通過兩條路徑實現。

一方面是海冰的持續性,3月巴倫支海海冰偏多(少)的信號可一直持續到8月,導致8月喀拉海的海冰異常明顯偏多(少)。喀拉海的海冰異常偏多(少)加強“絲綢之路”遙相關負位相(正位相)波列的傳播。此外,喀拉海海冰異常能夠在極地激發向南傳播的波列。“絲綢之路”遙相關波列和北極激發的南傳波列共同影響中國東部地區的環流異常,導致東北地區為氣旋式(反氣旋式)異常環流,華南地區為反氣旋式(氣旋式)異常環流,進一步影響垂直運動和輻射強迫,導致中國東部“南暖北冷”(“南冷北暖”)的空間格局。

另一方面,當3月巴倫支海海冰偏多(少)時,春季歐洲北部溫度偏低(高),歐亞大陸積雪“西多東少”(“西少東多”),土壤濕度也呈現“西濕東干”(“西干東濕”)。由于土壤具有較好的記憶性,能夠將這一信號儲存,并一致持續到當年8月。土壤濕度異常影響其上空環流異常,加強“絲綢之路”遙相關負位相(正位相)波列的傳播,影響中國東部的環流。東北上空為上升(下沉)運動異常,華南上空為下沉(上升)運動異常,使得東北地表輻射通量減弱(增強),華南地表輻射通量增強(減弱)。在海冰持續性和陸面過程的共同作用下,最終導致“南暖北冷”(“南冷北暖”)偶極子空間格局的形成。

本文僅從海冰角度出發重點討論對中國東部8月氣溫南北偶極子格局分布的影響機制,而其他因子,如北大西洋濤動和熱帶太平洋海溫(Zhu et al.,2020a)、中高緯太平洋海溫(Zhu et al.,2020b)、印度洋海溫(Hu et al.,2011)、青藏高原雪蓋(Wu et al.,2012;Wang et al.,2014)等氣候系統內部變率及人類活動影響(袁星等,2020)等對中國東部夏季氣溫的影響也是不可忽視的。此外,北極海冰與氣溫關系發生年代際的增強的成因仍需要進行進一步的探討。

致謝:感謝國家氣候中心提供了月平均氣溫、降水資料;NOAA提供NCEP/NCAR再分析資料;歐洲中心提供積雪、土壤濕度資料。