冬季北大西洋濤動和烏拉爾山阻塞環流對歐亞大陸變冷的協同影響

陳亞楠

摘要：雖然全球平均表面氣溫不斷升高，但在冬季歐亞大陸經常出現年際-年代際尺度上的變冷趨勢。利用美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）再分析資料，指出冬季影響歐亞大陸變冷的大氣環流主要是北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）和烏拉爾山阻塞（Ural blocking，UB）的環流組合。其中，NAO環流可以在年際尺度上作為背景環流影響UB過程對歐亞低溫天氣的作用。統計分析發現，在NAO正（負）位相（NAO+ / NAO?）環流背景下UB的發生頻率可以解釋冬季平均UB發生頻率的52%（13%），表明NAO+環流有利于下游阻塞形勢出現。盡管如此，研究發現在NAO?環流背景下的UB事件平均給歐亞地區帶來的降溫幅度更強，約是NAO+環流背景下的2倍，而且亞洲降溫區的位置偏北約5°、偏東約13.5°。中等強度的NAO+環流背景下UB事件對歐亞降溫的貢獻更顯著，強的NAO+環流背景下，UB過程在歐亞大陸中緯度地區產生的冷異常較弱，這與NAO+環流在歐亞大陸北部產生的明顯增溫有關。而在NAO?環流背景下，歐亞大陸北部有明顯的降溫，UB環流的出現會進一步將冷空氣向南輸送影響我國，這種情況主要反映的是NAO?環流異常對歐亞地區降溫的作用，因此NAO環流越強降溫越強烈。

關鍵詞：歐亞大陸變冷；大氣環流；北大西洋濤動；烏拉爾山阻塞

中圖分類號：P461? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2096-3599（2023）01-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.01.004

Synergistic effects of winter North Atlantic Oscillation and Ural blocking circulation on Eurasian cooling

CHEN Yanan

（1. Key Laboratory for Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Shandong， Jinan 250031， China; 2. Shandong Institute of Meteorological Sciences， Jinan 250031， China）

Abstract： Although the global mean surface temperature continues to rise， significant cooling trends at the interannual-decadal scale often occur over Eurasia in winter. Based on the NCEP （National Centers for Environmental Prediction） reanalysis data， it is suggested that the main atmospheric circulations affecting the cooling in the mid latitude of Eurasia in winter are the combination of North Atlantic Oscillation （NAO） and Ural blocking （UB） circulations. Among them， the NAO circulation can be used as a background circulation to influence the contribution of UB process to Eurasian cold anomaly at the interannual scale. Statistical analysis shows that the frequency of UB occurring simultaneously with a positive-phase （negative-phase） NAO （NAO+/ NAO?） explains 52% （13%） of its average frequency in winter， which indicates that the NAO+ circulation favors the downstream blocking occurrence. Nevertheless， the UB events related to a NAO? can cause a stronger Eurasian cold anomaly on average， which is about twice as strong as that of the UB events related to a NAO+， and the position of Asian cold anomaly is shifted by approximately 5° north and 13.5° east. It is also found that the UB event causes a significant cooling in Eurasia under the background of moderate NAO+ circulation， and the cold anomaly generated by UB process in the mid latitude of Eurasia is relatively weak under the background of strong NAO+ circulation， which is related to the obvious warming generated by NAO+ circulation in the northern Eurasia. Under the background of NAO? circulation， there is an obvious cooling in the northern Eurasia before the UB， and the occurrence of UB circulation can transport cold air southward to affect China. It mainly reflects the effect of NAO? circulation on Eurasian cold anomaly， so the stronger the NAO circulation， the stronger the cooling.

Keywords： Eurasian cooling; atmospheric circulation; North Atlantic Oscillation （NAO）; Ural blocking

引言

近年來，北半球冬季陸地上頻繁爆發極端低溫天氣。歐亞大陸作為世界上最大的陸地，自2000年后，其冬季表面氣溫出現了劇烈的變冷趨勢[1-7]，人口聚集的中緯度地區常常發生大范圍的持續降溫、冰雪等極端寒冷天氣，給當地的社會生活和生態環境帶來了巨大災難[8-10]。

針對發生在歐亞大陸冬季的這些低溫事件，多數研究從個例分析出發，包括2005/2006年冬季歐洲和北亞出現的低溫天氣[11]、2008年初影響中國南方的雨雪冰凍災害[12-17]、2009/2010年[18-21]和2011/2012年[22-26]冬季席卷了整個歐亞大陸的持續極端寒冷天氣。從個例出發，進一步研究冬季陸地上極端低溫天氣頻繁發生的歸因尤為迫切。大多數科學家把歐亞大陸冬季持續的低溫天氣歸因于北極增暖或北極海冰減少[1-3，5，11，27-28]、熱帶海洋信號如拉尼娜[12-14，17，29]和熱帶大氣季節內振蕩[15，30-33]，以及北大西洋中緯度海面溫度增暖[29，34-35]等，目前這些歸因尚存在爭議[6]，但幾乎所有研究都證實了北半球中高緯度大氣環流持續性異常是造成歐亞大陸上冬季持續性低溫天氣的直接原因[36]。因此，抓住造成歐亞變冷的大氣環流型，研究其本身及受強迫產生的變異性，才會對歐亞低溫事件的歸因有更清楚的認識。

很多研究發現冬季歐亞變冷與北半球極地渦旋或北極濤動（Arctic Oscillation，AO）的負位相環流緊密相關[18-20，36-38]，而被認為是AO在北大西洋地區的局地表現的北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）則會直接影響歐洲地區的天氣和氣候[37-41]以及通過傳播到下游的波列影響亞洲地區[41-43]。國內學者[13-16，43-45]在對我國冬季持續性低溫天氣的研究中，經常將其與烏拉爾山地區的阻塞形勢偏強聯系。烏拉爾山阻塞（Ural blocking，UB）是高空西風帶上深厚的準雙周暖性高壓系統[4，46]，在海平面上常常對應著西伯利亞高壓的增強[47]，與東亞冬季風的加強密切相關[48-51]。研究發現，AO可以控制北半球中高緯地區高空的阻塞形勢，在正位相的AO環流下，由于平流層極渦很冷，中高緯西風急流較強，一般不利于對流層阻塞發展[16，52]。此外，李崇銀等[34]指出北大西洋中緯度海面溫度異常偏暖是影響2008年UB長時間穩定存在的主要外強迫，而NAO與北大西洋海面溫度變化密切相關[53-54]，常常伴隨著下游歐亞大陸中高緯的阻塞高壓異常[4-5，24，55-56]。研究表明單個大氣環流型對歐亞冷異常的影響可能較小，但大氣環流之間的組合可能會加強這種降溫影響[14]，大量研究證實了NAO與UB的環流組合會影響暖北極-冷歐亞大陸型氣溫變化[5，57-61]，但NAO與UB的不同配置對歐亞大陸變冷的定量化影響差異還有待進一步研究。

1 數據與方法

研究的北半球冬季為12月—次年2月，例如，1950年冬季為1950年12月—1951年2月。使用的再分析數據主要來自美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）聯合發布的再分析數據集（https：//psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html）1950—2018年冬季的日平均和月平均資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，用到的變量有500 hPa位勢高度（Z500）、表面氣溫（surface air temperature，SAT）、500 hPa緯向風速（U500）和經向風速（V500）以及向下長波輻射（downward longwave radiation，LWD）等。在對各氣象要素的分析中，每個格點上異常或距平定義為原始數據減去季節循環氣候態（1950—2018年）的偏差，并且用去掉長期線性趨勢的方式消除全球變暖的影響。

使用的AO、NAO、斯堪的納維亞（SCANDinavian，SCAND）環流型和東大西洋-西俄羅斯（East Atlantic-West Russia，EAWR）遙相關型指數的月平均數據來自美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）氣候預測中心（Climate Prediction Center，CPC）（https：//www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc/telecontents.shtml），大西洋多年代際振蕩（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）、太平洋年代際振蕩（Interdecadal Pacific Oscillation，IPO）和Ni?o3.4指數的月平均數據來自NOAA物理科學實驗室（Physical Sciences Laboratory，PSL）（https：//psl.noaa.gov/）。

根據Scherrer等[62]提出、Davini等[63]改進的二維阻塞識別方法，記錄了北半球中高緯度各個格點上阻塞發生的時間。該二維阻塞指數是基于Z500的經向梯度來定義：

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1a）

，? ? ? ? ? ? ? ?（1b）

，? ? ? ? ? ? （1c）

其中，表示任一個經緯度格點，，。GHGS表示向南的位勢高度梯度，GHGN表示向北的位勢高度梯度，GHGS2表示偏低緯度向南的位勢高度梯度。若滿足等式（1），則代表這個格點上這一天有瞬時阻塞發生。利用客觀識別和主觀觀察相結合的方式，統計發生在歐洲（40°～80°N，10°W～40°E）和烏拉爾山（40°～80°N，40°～80°E）中高緯度地區的阻塞日。將阻塞高壓位置穩定（經緯度不超過5°）且連續持續3 d或3 d以上的阻塞過程定義為一次阻塞事件，其中，阻塞高壓最強的一天定義為該阻塞事件的lag0天。

不同位相的NAO事件是根據NOAA PSL提供的NAO日平均指數（https：//psl.noaa.gov /data/timeseries/daily/NAO/）來定義，當NAO值連續3 d以上超過0.5/低于-0.5個標準差時，將滿足條件的連續NAO正/負值過程定義為正/負位相的NAO（NAO+/NAO?）事件，并且將一次事件中NAO指數最大的一天定義為lag0天。除此之外，文中還用到經驗正交函數分解（empirical orthogonal function，EOF）、K值聚類、合成分析、回歸分析、相關分析等統計學方法，并對統計結果用學生t檢驗和F檢驗進行驗證，無特殊說明文中使用結果均通過顯著性水平為95%的檢驗。

2 歐亞大陸不同區域變冷對應的大氣環流型

為了得到影響冬季歐亞變冷的主要大氣環流模態，先利用EOF方法得到去掉全球變暖影響后的歐亞地區SAT時空變化的前4個主要模態（圖1a—h）。從冷異常的位置上看，冬季歐亞大陸上出現的降溫可分為偏北（EOF1）、偏南（EOF2）、偏西（EOF3）和偏東（EOF4）四種情況。偏北型的冷異常主要分布在40°N以北、從斯堪的納維亞半島至西伯利亞地區，對應著我國的新疆、內蒙古和東北地區偏冷，西南地區偏暖。偏南型的降溫范圍主要分布在60°N以南，包括南歐、中東和我國大部分地區。偏北型和偏南型降溫在40°～60°N的中緯度地區有明顯的重合區，因此在歐亞大陸中緯度地區降溫最為明顯，與前人結論[2，7]一致。偏西型的主要降溫中心在中東地區，歐洲大陸大部分地區偏暖，俄羅斯遠東地區偏冷。偏東型的降溫主要出現在亞洲東部中緯度地區，包括我國東北、華北和華南地區，其他地區表現為明顯的暖異常。盡管利用EOF方法得到了歐亞地區冬季降溫異常的4個主要模態，但它們能否代替冬季真實發生的低溫天氣還不清楚。進一步對1950—2018年歐亞地區每個冬季平均的SAT異常做聚類分析（圖略），證實了EOF得到的4個歐亞降溫模態可以主導一些歐亞冬季低溫異常，也可以組合在歐亞地區出現范圍更廣強度更強的降溫天氣，因此研究EOF4個主要降溫模態具有現實意義。

通過EOF方法得到的歐亞地區SAT前4個模態對應的時間變化相互獨立，但在10 a尺度上，EOF1和EOF2出現正位相（時間序列PC1和PC2為正值）的時間段大致相同，主要在P1（1965—1975年）和P2（2005—2015年）兩個時期（圖1e、f），因此對歐亞冬季SAT變化方差貢獻占37%的偏北和偏南型降溫模態在P1和P2兩個時期共同作用歐亞大陸出現全局變冷。盡管EOF1和EOF2兩個降溫模態幾乎覆蓋歐亞全局，但是相比于P1時期整個歐亞大陸出現的大范圍降溫，P2時期主要是在歐亞中東部出現降溫（圖略），這種降溫區域的差異僅靠研究EOF1和EOF2無法解釋，需要繼續考慮EOF3和EOF4的疊加作用，以此解釋歐亞大陸SAT在局地的不均勻變化。偏西型模態的時間序列PC3在P1時期為正（圖1g），對應歐亞大陸中東地區變冷；偏東型模態的時間序列PC4則在P2時期轉為正位相（圖1h），對應歐亞大陸東部地區強烈降溫。由此得到歐亞大陸降溫在P1和P2時期的不同空間分布，一是在1960年后出現的大范圍（偏北、偏南和偏西的疊加）歐亞變冷，二是在2000（2005）年后出現偏北（偏南）和偏東型疊加的歐亞變冷。

從回歸到4個模態時間系數上的SAT和Z500距平場可以看到，EOF1對應在北極地區是一個高壓環流異常，類似偏向北大西洋的負位相AO（AO?）模態，NAO?環流特征明顯（圖1i）。計算各時間序列的相關系數（表1）可知，PC1與冬季平均的AO/NAO指數有顯著的強的負相關，因此影響歐亞大陸偏北型降溫異常的主要環流為AO?/NAO?。EOF2對應的環流在烏拉爾山地區有個高壓異常、歐亞大陸中緯度地區由低壓異常控制（圖1j），PC2與UB頻率有顯著的強的正相關，因此冬季歐亞偏南地區出現的降溫與UB環流緊密相關。歐亞偏北和偏南的兩個變冷模態分別對應以NAO?和UB為主導的環流型，與已有研究[36]結果一致。

EOF3對應的環流較為復雜，盡管在歐洲大陸上有一個高壓異常（圖1k），但PC3與歐洲阻塞（Europe blocking，EB）發生頻率的相關系數較弱，未通過95%的顯著性檢驗，表明EB與中東地區低溫天氣關系的不確定性。PC3與AO和UB有顯著的弱正相關，這間接說明中高緯度高壓環流異常的位置對偏西型降溫異常的影響不大。而PC3與SCAND環流型有顯著的強正相關，揭示了偏東型降溫異常關鍵依賴于歐亞中高緯高壓與中低緯低壓的配置。EOF4對應的環流主要是在烏拉爾山地區的一個高壓異常（圖1l），且PC4與UB發生頻率有顯著的正相關。相較于EOF2，EOF4對應的UB環流與北大西洋地區聯系更為緊密。從表1中可以看到，PC4與自北大西洋上空傳播至歐亞地區的EAWR波列有顯著的強負相關，而PC2與UB的相關系數明顯高于與其他波列（EAWR和SCAND）的相關系數。因此歐亞地區偏南型降溫模態主要受UB環流的局地影響，而偏東型降溫模態受來自北大西洋的大氣遙相關波列與UB的配合作用。進一步發現，與UB環流密切相關的偏南和偏東型降溫模態變化與AMO、IPO和厄爾尼諾這些海洋變率的相關系數有所差異，其中EOF2與太平洋和北大西洋海面溫度變冷異常密切相關，而EOF4與北大西洋海面溫度變暖有關。因此在長期氣候信號上，UB環流可能會受到來自太平洋和大西洋海面溫度變化的影響和調制[60-61]，進而加劇歐亞大陸不同區域的低溫天氣。本文的關注重點在大尺度大氣環流的配置上，這里不對長期氣候信號做過多討論。

總結可得，歐亞地區4個主要的降溫模態與歐洲-烏拉爾山地區的阻塞形勢和NAO環流有關，UB對4類降溫均有貢獻，NAO?主要對偏北型降溫起作用。相較于歐亞地區偏北和偏南的降溫異常，單個區域環流對偏西和偏東模態的影響較小，更多的是大氣遙相關環流的影響，因此考慮不同區域環流的組合是必要的。AO體現了北極地區極渦的強度，具有緯向對稱結構。PC1和PC3均與AO有顯著的相關性，其中PC1與NAO（UB）有顯著的負（正）相關、PC3與NAO（UB）有正（正）相關，因此AO在歐亞大陸的不同配置關系可以用NAO和UB的不同組合表示。

計算冬季平均的NAO指數（圖2a）與UB發生頻率（圖2b）之間的相關系數僅為0.06，因此在年際尺度上二者對歐亞變冷的作用相對獨立。由9 a滑動平均（圖2a—b中黑線）來看，在P1和P2時期NAO呈負位相且UB發生頻率偏多，二者對歐亞變冷的作用是疊加的。在冬季平均上，NAO?環流和UB頻率增加都對應了歐亞大陸中緯度地區SAT出現冷異常（圖2c—d）。統計了季節內尺度上發生的NAO?和UB事件數（圖2e—f），并對所有NAO?/UB事件進行合成，發現NAO?事件在歐亞地區造成的降溫較弱且位置偏北（圖2g），而UB事件給歐亞地區帶來的降溫（圖2h）比冬季平均更強烈。因此，NAO?環流主要是在年際尺度上影響歐亞大陸偏北地區的降溫，UB則是通過一次次阻塞過程給歐亞地區帶來降溫天氣且可以體現在冬季平均上。如此一來，北大西洋上的NAO環流可以充當下游烏拉爾山阻塞事件的背景條件，不同位相NAO環流背景下阻塞對歐亞大陸降溫的影響有何差異需要進一步討論。

3 不同位相NAO與UB的聯系及對歐亞變冷的影響

冬季在北大西洋-歐亞中高緯度地區較為活躍的大氣阻塞有3個頻率高值中心[46，62-64]。其中頻率最高的中心位于歐洲北側海岸線附近，涵蓋了中緯度到高緯度的阻塞；另一個阻塞高頻中心位于格陵蘭島南部，這附近發生的阻塞被稱為格陵蘭阻塞（Greenland blocking，GB），與NAO環流緊密聯系[64]；在烏拉爾山地區（55°～75°N，30°～90°E）有一個弱的阻塞高頻中心。雖然冬季UB發生頻率比EB和GB低，由于地理位置的原因，UB的出現對歐亞中緯度地區尤其是我國的降溫天氣有更顯著的作用。

根據UB發生那一天NAO指數的正負將UB分為對應NAO正、負指數兩種情況，統計每個冬季不同情況的UB發生頻率（圖3a—b），發現對應NAO正指數的UB（UB-NAO+）頻次多于對應NAO負指數的UB（UB-NAO?）。計算冬季UB-NAO+和UB-NAO?發生頻率與冬季NAO指數和總的UB發生頻率之間的相關系數，發現UB-NAO?發生頻率與NAO變化的相關性（r=?0.50）比與UB本身變化的相關性（r=0.36）更好，而UB-NAO+頻率變化與冬季總的UB頻率變化的相關系數（r=0.72）比與NAO變化的相關系數（r=0.35）更高。進一步，將統計的UB事件按照阻塞期間（lag?15～lag+15天）平均NAO指數的正負進行分類，分為伴隨NAO+/NAO?的UB（UB-NAO+/UB-NAO?）事件（圖3c—d）。統計發現，UB-NAO+事件數多于UB-NAO?事件數，其中UB-NAO+/UB-NAO?事件數分別占總UB事件數的62%/38%。分析結果表明，在次季節尺度上，UB發生時常常伴隨著上游一個NAO+環流，因此在冬季平均尺度上，UB-NAO+的頻率變化可以解釋大部分UB環流自身的變率，對冬季NAO+環流依賴較弱，而UB-NAO?的發生更多地依賴于冬季NAO?環流的出現，因此可以解釋部分冬季NAO?環流的變化特征。

比較伴隨NAO不同位相的UB環流特征（圖3e—f）發現：UB-NAO+的阻塞高壓偏強，切斷低壓位于高壓東南側，在歐亞大陸中緯度地區產生冷異常；UB-NAO?的阻塞高壓與NAO?在北大西洋上的高壓異常相連，阻塞高壓兩側有低壓系統，在歐亞大陸中緯度地區造成非常強烈的冷異常。不同位相的NAO環流背景下的UB事件在歐亞地區產生的降溫異常在范圍和強度上均有所差異，UB-NAO?影響范圍更大。計算二者共同影響區域（30°～150°E，20°～70°N）內SAT冷異常格點的加權平均強度和位置，發現UB-NAO+/UB-NAO?事件在亞洲地區造成降溫的平均強度約為?0.68 ℃/?1.30 ℃，平均經緯度位置約為（81°E，44°N）/（94.5°E，50°N），UB-NAO?造成亞洲中緯度降溫更強烈且位置偏北偏東。除此之外，UB-NAO?還可以在歐洲大陸上產生劇烈降溫天氣，而UB-NAO+可以在中東地區產生降溫。

綜上，UB的發生常常伴隨著NAO+環流，但在冬季平均上UB發生頻率與NAO+關系不大。在冬季NAO?背景下，伴隨NAO?發生的UB事件增多。伴隨NAO?環流的UB造成的歐亞降溫要強于伴隨NAO+環流的UB，歸結其原因為NAO?和UB兩個區域環流對歐亞變冷的雙重作用。圖4給出了不同位相NAO環流對應的背景條件，在NAO+時歐亞大陸北部和北極區域內氣溫明顯偏暖（圖4a），這是因為NAO+下北大西洋西風急流增強且北移（圖4b），可以將海洋中緯度的暖濕空氣輸送至歐亞大陸北部，增加溫度暖平流（圖4c）和向下長波輻射（圖4d），因此下游UB環流向南輸送的冷空氣偏弱，在歐亞中緯度地區造成的降溫也稍弱。而在NAO?時歐亞大陸北部和北極范圍內氣溫偏冷（圖4e），這是因為北大西洋中緯度西風急流減弱（圖4f），向歐亞大陸輸送的灣流區域暖濕空氣偏少（圖4g），因此歐亞大陸北部高緯度地區氣溫在冬季輻射冷卻（圖4h）的作用下明顯變冷。在這種環流背景下，UB事件的發生發展可以將北部堆積的冷空氣向南輸送，進而在歐亞中緯度地區造成強烈的降溫天氣。這種解釋盡管在平均意義上更為合理，但是對于不同的阻塞個例而言會出現較大偏差，有的UB-NAO+事件也可以在歐亞地區產生強烈降溫，而有的UB-NAO?事件帶來的歐亞降溫較弱，推測可能與背景NAO環流的強弱有關，接下來將進一步分析不同強度NAO環流如何調制UB在歐亞地區產生的降溫。

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