春季東大西洋/西俄羅斯遙相關型異常與我國氣溫異常的聯系

李忠賢,黃源源,王健治

① 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;

② 南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044;

③ 中國民用航空局 廈門空中交通管理站氣象臺,福建 廈門 361006

歐亞中高緯度大氣低頻變化中存在一些重要的遙相關型,例如,Wallace and Gutzler(1981)提出的冬季500 hPa位勢高度場上的歐亞遙相關型(EU型)等。采用REOF方法,Barnston and Livezey(1987)分析發現,歐亞大陸地區的大氣低頻變化中還存在兩個不同于傳統EU型(Wallace and Gutzler,1981)的遙相關型,將其分別命名歐亞遙相關1型(EU1型)和歐亞遙相關2型(EU2型)。后來,美國國家海洋和大氣管理局氣候預測中心(CPC/NOAA)又將EU1型命名為斯堪的納維亞遙相關型(SCAND型),將EU2型命名為東大西洋/西俄羅斯(East Atlantic/West Russia,EATL/WRUS)遙相關型(劉毓赟和王林,2014;Liu et al.,2014)。已有不少學者研究了傳統EU型和SCAND型的變化規律及其與歐亞地區氣候異常的聯系,取得了豐碩的研究成果(布和朝魯等,2008;Wang and He,2015;Wang and Zhang,2015a,2015b;Zhao et al.,2016;Chen et al.,2018;黃丹等,2021;楊潔凡和郭品文,2021),而關于EATL/WRUS遙相關型變化特征及其氣候影響的研究還相對較少。

冬季EATL/WRUS遙相關型有3個活動中心,當它處于正位相時,西歐(10°W～10°E,50°～60°N)和中國東北地區(115°W～135°E,40°～50°N)表現為正位勢高度異常,而里海北部(50°～60°E,40°～50°N)附近表現為負位勢高度異常(Barnston and Livezey,1987)。近年來的研究表明,冬季EATL/WRUS遙相關型不僅是影響歐洲地區大氣環流和氣候變化的重要因子(Zveryaev and Gulev,2009;Baltacet al.,2018),也是東亞冬季風和我國冬季氣候異常的重要信號之一(Liu et al.,2014;Gao et al.,2017;Chen et al.,2019)。例如,Wang et al.(2011)研究發現,冬季EATL/WRUS遙相關型可以通過影響西伯利亞高壓強度變化進而影響東亞冬季風。索朗塔杰等(2020)研究指出,冬季EATL/WRUS遙相關型的年代際變化可較好地解釋我國長江以北、新疆北部地區冬季極端低溫指數的年代際變化。此外,Lin(2014)研究提出,當夏季EATL/WRUS遙相關型處于正位相時,西太平洋副熱帶高壓東退,我國南海北部出現的氣旋式環流異常,使得我國華南和南海地區降水增加;同時,西太平洋副熱帶高壓西北側的東北風異常減少了向北的水汽輸送,使我國華北地區降水減少;反之亦然。Chen et al.(2020)研究認為,秋季EATL/WRUS遙相關型與我國華北平原霾污染關系密切。

氣溫是氣候系統最顯著的特征量之一,也是短期氣候預測的主要預報對象(李維京等,2014)。我國春季氣溫的年際變化劇烈,春季氣溫異常變化對農業生產和經濟發展產生重要的影響(張霏燕和徐海明,2011;張旭暉等,2013)。因此,深入了解和認識我國春季氣溫異常變化的影響因子及其影響機理一直是科學研究和業務預測中關注的重點(張定全和王毅榮,2005;Qian and Qin,2006;王林等,2011;陳紅,2017)。作為歐亞中高緯大氣低頻變化的一個重要模態,EATL/WRUS遙相關型異常與我國春季氣溫異常變化之間存在怎樣的聯系?這種聯系的內在物理機制是什么?針對上述問題,本文采用1979—2017年逐月中國160站氣溫資料和美國NCEP-DOE再分析資料,分析了春季EATL/WRUS遙相關型的變化特征,并初步探討了春季EATL/WRUS遙相關型與我國西北地區氣溫異常的聯系及其可能機制。本文主要內容安排如下:第1節介紹了本研究采用的數據資料以及研究方法;第2節給出了春季EATL/WRUS遙相關型的變化特征及其與我國氣溫異常變化的聯系;第3節探討了可能的物理機制;第4節總結了本文的主要結果和仍待研究的科學問題。

1 資料和方法

本文所用的資料來源:1)美國國家環境預報中心和美國能源部(NCEP-DOE,National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy)提供的逐月位勢高度和風場等再分析資料(Kanamitsu et al.,2002),水平分辨率為2.5°×2.5°,時間段為1979—2017年;2)中國氣象局國家氣候中心提供的逐月中國160站氣溫資料,時間段為1979—2017年;3)美國國家海洋和大氣管理局氣候預測中心(CPC/NOAA,National Oceanic and Atmospheric Administration Climate Prediction Center,https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc/telecontents.shtml)提供的逐月EATL/WRUS指數,該指數定義為北半球熱帶外500 hPa位勢高度距平場經REOF分析得到的EATL/WRUS模態的時間系數(https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc/teleindcalc.shtml),時間段為1979—2017年。

本研究主要采用相關分析和回歸分析等統計方法(施能,2002;魏鳳英,2007),并運用t檢驗的方法進行顯著性檢驗。涉及季節平均時,春季為3—5月的平均(MAM)。所有數據在分析之前均去除了線性趨勢。

本文采用Takaya and Nakamura(2001)定義的波活動通量(Wave Activity Flux,WAF)來分析與EATL/WRUS遙相關型相聯系的準定常波的活動。Takaya and Nakamura(2001)證明了波活動通量平行于Rossby波的局部群速度,可以用來描述Rossby波的傳播,波活動通量的方程為

WAF=

其中:U=(U,V)表示平均水平風;ψ′表示擾動地轉流函數;N表示Brunt-V?is?l?頻率;f0表示科里奧利力參數;p為氣壓/1 000 hPa;下標表示對x或y求偏導數。本研究的氣候平均風場由1979—2017年的風場計算得到;擾動地轉流函數則由春季EATL/WRUS指數與位勢高度距平場的回歸系數計算得到。

2 春季EATL/WRUS遙相關型變化特征及其與我國氣溫異常的聯系

圖1為1979—2017年春季EATL/WRUS指數標準化序列。由圖1可以看出,春季EATL/WRUS指數具有非常明顯的年際變化特征。小波分析結果顯示,春季EATL/WRUS指數主要表現為2～4 a的周期變化特征(圖略)。

圖1 1979—2017年春季EATL/WRUS指數標準化序列Fig.1 The time series of normalized spring EATL/WRUS index during 1979—2017

圖2給出了春季EATL/WRUS指數與500 hPa位勢高度距平場的相關系數分布。由圖2可以看出,春季EATL/WRUS遙相關型在水平方向上表現為自北大西洋至東亞地區的緯向波列特征。春季EATL/WRUS型處于正(負)位相時,歐亞大陸的中高緯地區表現出明顯的“+-+”(“-+-”)緯向波列,其主要活動中心位于西歐(10°W～15°E,40°～55°N)、里海北部的烏拉爾山附近(40°～75°E,45°～70°N)和貝加爾湖南側(85°～120°E,35°～50°N)。當春季EATL/WRUS型處于正(負)位相時,西歐和貝加爾湖南側活動中心表現為正(負)位勢高度異常,而烏拉爾山附近活動中心為負(正)位勢高度異常。春季EATL/WRUS型的空間形態與冬季EATL/WRUS型(Barnston and Livezey,1987)較為相似,但三個活動中心的位置發生偏移。

圖2 1979—2017年春季EATL/WRUS指數與同期500 hPa位勢高度距平場的相關系數分布(陰影區表示通過置信水平為95%的顯著性檢驗;點A、B、C表示春季EATL/WRUS遙相關型的三個活動中心)Fig.2 Correlation coefficients of spring 500 hPa geopotential height anomalies with the EATL/WRUS index during 1979—2017 (The shaded areas indicate that correlation coefficients are significant at the 95% confidence level;points A,B and C represent the three centers of spring EATL/WRUS pattern)

為了反映春季EATL/WRUS遙相關型在歐亞大陸上空的垂直空間分布特征,圖3給出了春季EATL/WRUS指數與位勢高度距平場回歸系數的1 000 hPa～50 hPa垂直剖面。由于春季EATL/WRUS型的三個活動中心不在同一緯度上,垂直剖面圖由通過這三個活動中心的折線(如圖2中實線所示)得到。由圖3可以看出,春季EATL/WRUS遙相關型表現出顯著的相當正壓結構,這種相當正壓結構反映了準定常Rossby波活動的基本特征(張若楠等,2018;于怡秋等,2022)。從圖3中可以發現,春季EATL/WRUS遙相關型在整個對流層都比較明顯,其活動中心異常強度在對流層上部200～300 hPa附近最強。

圖3 1979—2017年春季EATL/WRUS指數與同期位勢高度距平場回歸系數的垂直分布(單位:gpm;陰影區表示通過置信水平為95%的顯著性水平檢驗)Fig.3 The vertical distribution of regression coefficients between spring EATL/WRUS index and spring geopotential height anomalies during 1979—2017 (units:gpm;the shaded areas indicate that regression coefficients are significant at the 95% confidence level)

由上述分析可知,春季EATL/WRUS型遙相關波列的主要活動范圍幾乎橫貫整個歐亞大陸的中高緯地區,我國正處于該遙相關波列的下游地區,那么春季EATL/WRUS遙相關型與我國氣溫異常之間存在著怎樣的聯系呢?為了探究這一問題,我們利用中國氣象局國家氣候中心提供的160站氣溫資料,計算了春季EATL/WRUS指數與我國春季氣溫異常的相關系數(圖4a)和回歸系數分布(圖4b)。從圖4a可以看出,除西藏和西南地區以外,春季EATL/WRUS指數與我國大部分地區的春季氣溫異常為正相關關系,這一關系在西北地區尤為顯著,最大相關系數超過了0.40,通過了置信水平為95%的顯著性檢驗。從圖4b可以看出,當春季EATL/WRUS指數變化一個標準差時,我國西北地區春季氣溫異常變化0.3 ℃左右。上述分析表明,當春季EATL/WRUS遙相關型處于正(負)位相時,我國西北地區春季氣溫顯著偏高(偏低)。

圖4 1979—2017年春季EATL/WRUS指數與我國春季氣溫異常的相關系數(a)和回歸系數分布(b;單位:℃)(陰影區表示通過置信水平為95%的顯著性水平檢驗)Fig.4 (a) Correlation coefficients of spring temperature anomalies in China with spring EATL/WRUS index and (b) regression coefficients of spring temperature anomalies in China onto spring EATL/WRUS index (units:℃) during 1979—2017 (The shaded areas indicate that correlation coefficients and regression coefficients are significant at the 95% confidence level,respectively)

3 春季EATL/WRUS遙相關型異常影響我國氣溫異常的可能機制

已有研究指出,春季歐亞中高緯大氣環流系統異常對我國氣溫異常具有重要的影響(史湘軍和智協飛,2007;Wang et al.,2014;申紅艷等,2015;Chen et al.,2018)。圖5給出了春季EATL/WRUS指數與300 hPa渦度距平場和波活動通量場的回歸系數分布,反映了與春季EATL/WRUS遙相關型相聯系的Rossby波的異常傳播路徑及其與大尺度異常渦旋運動間的關系。如圖5所示,300 hPa渦度距平回歸場在歐亞大陸中高緯地區也表現出緯向波列分布特征,主要渦度異常中心分別位于歐洲地區、烏拉爾山附近和貝加爾湖南側,上述渦度異常中心與春季EATL/WRUS型遙相關波列的主要活動中心位置(圖2)基本一致。可見,當春季EATL/WRUS型處于正位相時,西歐和貝加爾湖南側為位勢高度正異常和渦度負異常,烏拉爾山附近為位勢高度負異常和渦度正異常。值得注意的是,在北大西洋中高緯海域(15°～30°W,55°～70°N)上空還存在一處顯著的渦度正異常中心,這說明與春季EATL/WRUS遙相關型相聯系的Rossby波活動可能受到北大西洋的影響或調制。在300 hPa波活動通量回歸場上,歐亞中高緯地區有一支異常的波活動通量從歐亞遙相關波列上游的北大西洋開始向下游地區傳播,在東歐平原加強后繼續向下游傳播至東亞地區,這有利于春季EATL/WRUS型遙相關波列的產生和維持。此外,渦度正、負異常中心沿著異常波活動通量路徑交替出現,符合Rossby波傳播的基本特征。

圖5 1979—2017年春季EATL/WRUS指數與同期300 hPa渦度距平場(填色區,單位:10-5s-1)和波活動通量場的回歸系數分布(箭矢,單位:m2·s-2)(點陰影區表示渦度距平回歸場通過置信水平為95%的顯著性檢驗;只畫出波活動通量距平大于等于0.05 m2·s-2的箭矢)Fig.5 Regression coefficients of spring 300 hPa vorticity anomalies (shadings;units:10-5 s-1) and horizontal components of wave activity flux (vectors;units:m2·s-2) onto spring EATL/WRUS index during 1979—2017 (The stippling areas indicate that regression coefficients of vorticity anomalies are significant at the 95% confidence level;the wave activity flux anomalies less than 0.05 m2·s-2 in both directions are not shown)

由春季EATL/WRUS指數與同期700 hPa風場距平場回歸系數分布(圖6)可以發現,春季EATL/WRUS遙相關型與歐亞大陸中高緯地區的風場異常密切相關。在春季EATL/WRUS型正位相年,烏拉爾山附近為異常氣旋性環流,貝加爾湖南側地區為異常反氣旋性環流,在兩者的共同作用下,不利于西伯利亞和極地冷空氣向南輸送,從而易造成我國西北地區春季氣溫異常升高。在春季EATL/WRUS型負位相年,烏拉爾山附近為異常反氣旋性環流,貝加爾湖南側地區為異常氣旋性環流,受其影響,有利于北方冷空氣南下,進而影響我國西北地區氣溫變化。由此可見,與春季EATL/WRUS遙相關型相聯系的烏拉爾山附近的氣旋性(反氣旋性)環流異常和貝加爾湖南側的反氣旋性(氣旋性)環流異常與我國西北地區春季氣溫的異常變化息息相關。

圖6 1979—2017年春季EATL/WRUS指數與同期700 hPa風場距平回歸系數分布(單位:m·s-1;陰影區表示兩個分量通過置信水平為95%的顯著性水平檢驗)Fig.6 Regression coefficients of spring 700 hPa wind anomalies onto spring EATL/WRUS index during 1979—2017 (Units:m·s-1;the shaded areas indicate that two components of regression coefficients are significant at the 95% confidence level)

綜合前文的分析可知,與春季EATL/WRUS遙相關型相聯系的Rossby波能量從北大西洋向下游傳播,在歐亞大陸上形成緯向波列,該波列引起烏拉爾山附近和貝加爾湖南側的位勢高度異常和風場異常,進而影響了我國西北地區春季氣溫異常。

4 結論

本文基于1979—2017年逐月中國160站氣溫資料和美國NCEP-DOE再分析資料,探討了春季EATL/WRUS遙相關型異常變化特征及其與我國氣溫異常的聯系,并初步探討了這一聯系的可能物理機制,得到以下主要結論:

1)春季EATL/WRUS遙相關型正(負)位相主要表現為北大西洋至歐亞中高緯地區500 hPa位勢高度距平場“+-+”(“-+-”)緯向波列,該波列的主要活動中心分別位于西歐、烏拉爾山附近和貝加爾湖南側。在垂直方向上,春季EATL/WRUS型遙相關波列表現出明顯的相當正壓結構。

2)春季EATL/WRUS遙相關型與我國西北地區春季氣溫異常具有顯著的正相關關系。春季EATL/WRUS遙相關型正(負)位相年,烏拉爾山附近出現負(正)位勢高度異常和氣旋性(反氣旋性)環流異常,貝加爾湖南側表現為正(負)位勢高度異常和反氣旋性(氣旋性)環流異常,進而影響我國西北地區的冷空氣減弱(加強),使得我國西北地區出現顯著的氣溫正(負)異常。

本文所得結果主要基于觀測資料診斷分析,對于春季EATL/WRUS遙相關型對我國春季氣溫異常的影響機理仍有待于數值試驗的進一步驗證。此外,本文的研究發現,春季EATL/WRUS遙相關年際變率在2000年以后顯著減弱(圖1),其變化可能與大氣波動異常等大氣內部動力學過程有關(Lim,2015),也可能與北大西洋海溫異常變化等外強迫存在聯系(Liu et al.,2014),關于春季EATL/WRUS遙相關型年際變率的機理還有待于今后進一步深入研究。

致謝:本論文的數值計算得到了南京信息工程大學高性能計算中心的計算支持和幫助。