北半球大氣對春季北極海冰異常響應的數值模擬

張若楠 武炳義

中國氣象科學研究院,北京 100081

北半球大氣對春季北極海冰異常響應的數值模擬

張若楠 武炳義

中國氣象科學研究院,北京 100081

在CAM 3.0模式中,通過設計一系列數值模擬試驗來研究北半球大氣環(huán)流對北極海冰密集度 (Sea Ice Concentration,簡稱SIC)強迫的響應。將海冰密集度 EOF第二模態(tài) (EOF2)的時間系數回歸到原場,并把這個空間異常場逐月的加到SIC春季氣候態(tài)上,作為敏感性試驗的外強迫。試驗結果表明:在季節(jié)尺度上,大氣環(huán)流由春季逐漸向夏季演變,春季SIC異常與春、夏季北半球大氣環(huán)流、地表溫度以及降水異常有顯著關系,尤其是對春季中國東部降水負異常,夏季東北部、東南沿海降水正異常有很大貢獻。在逐日和逐周時間尺度瞬態(tài)演變上,局地高、低層大氣環(huán)流對海冰強迫的響應呈現斜壓結構,兩周之后大氣由斜壓結構逐漸轉變?yōu)檎龎航Y構,強迫響應可以通過遙相關波列傳播到北極以外地區(qū),到了第6周大氣的響應基本達到正壓平衡狀態(tài)。這種遙相關的產生與極區(qū)熱通量異常所激發(fā)的波活動通量有關:北極SIC異常首先通過直接熱力強迫過程來改變表層熱通量空間分布,這種表面熱通量異常通過與大氣環(huán)流的相互作用可以激發(fā)出大尺度羅斯貝波。在初始斜壓區(qū)的低層有波動能量向上傳播,并在對流層中高層向南傳播,最后通過直接熱力強迫和大氣內部動力學相互作用引發(fā)的遙相關過程將能量頻散到東亞地區(qū),進而影響東亞地區(qū)的天氣和氣候。

海冰 海冰密集度 夏季降水 敏感性試驗 控制試驗 瞬變過程 波活動通量

1 引言

海冰是氣候系統(tǒng)五大圈層的重要組成部分,它的高反照率和隔絕海—氣熱量和動量交換作用對區(qū)域乃至全球氣候變化均有重要的調節(jié)作用 (Walsh,1983;彭公炳等,1992)。在全球變暖過程中,氣溫變化幅度最大的是北半球的中高緯地區(qū),這與北極海冰減少對氣溫增幅的放大作用有密切的關系(Screen and Simmonds,2010)。海冰自身變化必然對氣候變化產生重要的反饋作用。首先,海冰的存在顯著地改變了海洋和大氣之間的熱量、動量和物質交換。其次,海冰的高反照率減少了極地對太陽輻射的吸收,使得極區(qū)成為全球氣候系統(tǒng)的冷源以及冷空氣的源地。再者,海冰的凍結和融化可以改變海洋上層溫鹽垂直結構,進而潛在影響海洋表層的垂直混合和溫鹽環(huán)流。海冰的這些局地效應,可以通過大氣環(huán)流和海洋的熱力、動力過程對遙遠地區(qū)的氣候變化產生影響。影響我國夏季降水變化的因素主要分為大氣自身的動力、熱力過程和外部強迫因子 (張慶云等,2007)。而夏季降水分布的不均衡,不僅是由大尺度季風環(huán)流和熱帶海溫的異常變化所引發(fā) (Wu et al.,2009c;Zhou et al.,2009),來自高緯度地區(qū)大氣環(huán)流和外部強迫異常也會對東亞地區(qū)的降水變化產生影響 (武炳義等,1999;Wu et al.,2008)。

北極海冰對北半球,尤其中國氣候變率影響的可能機理已得到廣泛關注。北極海冰異常對大氣環(huán)流和氣候的影響是通過激發(fā)全球大氣異常遙相關型來實現的 (謝倩和黃士松,1990;楊修群和黃士松,1993;黃士松等,1995)。Plumb and A lan(1985)認為準定常行星波的三維傳播是由地形效應、非絕熱加熱及其與瞬變渦旋的相互作用三種機制來實現,并沿一定的波導傳播。

北極海冰變化對北半球氣候有顯著的影響。A lexander et al.(2004)利用CCM 3.6研究了冬季大氣在副極地海域局地響應明顯,高度一般低于700 hPa[這與Wu et al.(2004)觀測分析結果是一致的],當海冰范圍異常減少時,有巨大的向上熱通量異常、近表層加熱、降水增加以及異常偏低的海平面氣壓;當海冰異常偏多時則相反;對大尺度大氣環(huán)流的反饋作用在太平洋海區(qū)主要表現為正反饋,而在大西洋地區(qū)主要是負反饋。Deser et al.(2004)研究了模式大氣對北大西洋海溫和海冰異常的直接和間接響應:間接響應主導了半球尺度的位勢高度異常,類似于準正壓的NAO和北半球環(huán)狀模;而直接響應僅局限于強迫源區(qū)附近,在垂直方向呈現斜壓結構。Deser et al.(2007)研究了冬季大氣響應的瞬態(tài)演變的過程:初始響應在強迫區(qū)域附近表現為斜壓結構,由低層異常非絕熱加熱強迫所維持,最大振幅持續(xù)2～3周后漸變?yōu)闇收龎航Y構,這種調整在第2～2.5個月時達到平衡,表現為類似于北大西洋濤動—北半球環(huán)狀模 (NAO或NAM)的特征。

北極海冰對中國氣候的影響也表現在很多方面。王嘉和郭裕福 (2004)研究全球大氣環(huán)流模式A GCM R15L 9,海冰的季節(jié)和跨季節(jié)潛在可預報性結果的局地特征比較明顯,北半球某些區(qū)域海冰在面積發(fā)生較大異常的時候,可能對同期或 (及)后期環(huán)流有著比較重要的影響。Wu et al.(2004)研究表明冬季巴倫支海和喀拉海海冰變化通過影響大氣遙相關型和冷空氣活動進而影響東亞冬季風。巴倫支海6月海冰偏多時,造成局地500 hPa位勢高度場異常偏低,貝加爾湖地區(qū)和鄂霍次克海地區(qū)異常升高,這種歐亞波列結構會造成中國東南部地區(qū)降水偏多,北部偏少 (Wang and Guo,2004)。Wu et al.(2009a,2009b)研究了北冰洋、格陵蘭海春季海冰密集度 (Sea Ice Concentration,簡稱SIC)減少 (增多),歐亞大陸邊緣海區(qū)海冰SIC增多 (減少),中國東北、黃河長江之間的中部地區(qū)夏季降水會異常增多 (減少),南部降水異常減少 (增多),并提出了兩種可能的聯(lián)系機理:(1)春季北極海冰和歐亞大陸積雪一致變化,及其對后期夏季歐亞大陸緯向遙相關波列的影響可以解釋春季北極海冰與中國夏季降水異常空間分布的關系;(2)春季海冰密集度的減少可能導致夏季北極偶極子的異常,對中國東北夏季降水有重要影響 (Wu et al.,2008)。

因為大氣對海冰具有優(yōu)勢影響作用,所以直接由海冰觀測分析揭示對大氣反饋作用很困難。目前大多數研究關注于冬季海冰變化對同期大氣環(huán)流的影響,關注春季海冰的不多;數值模擬也多關注于北極、大西洋地區(qū)和太平洋的波列結構、ENSO型,具體關注東亞地區(qū)氣候狀況的不多;大氣的初始響應及其動力機制的研究方面也存在不足,需要進一步得到研究、驗證和解釋。因此,本文運用美國大氣環(huán)流模式 (Community A tmosphere Model,CAM 3.0)來模擬研究春季北極海冰變化在不同時間尺度上對東亞春、夏季氣候變化的可能影響,從歐亞波列遙相關和波活動通量角度上揭示了其影響機理和可預報性。關注季節(jié)不同、研究地區(qū)不同、使用模式不同和試驗方法不同,使得本文有別于其他的海冰研究。

2 資料和方法

2.1 資料

自1978年以來,被動式微波輻射計 (PMR)衛(wèi)星資料的使用,為整個北極地區(qū)提供了最綜合和全面的海冰 (SIC)信息。由此,形成了很多從PMR數據資料中獲取SIC數據的算法,比如美國宇航局 (NASA)的 TEAM(1991)和BOOTSTRAP(1997)算法等。之前,很多學者經過對比發(fā)現BOOTSTRAP算法更為可靠一些 (Comiso et al.,1997;Singarayer and Bamber,2003)。本文采用的海冰資料為經由BOO TSTRAP算法而獲取的SIC數據,具體如下:

月平均北極海冰密集度 1.0°(緯度)×1.0°(經度)格點資料,取自英國大氣數據中心 (BADC,http:∥badc.nerc.ac.uk/data/hadisst/[2009-07-06])的 Had ISST ICE v.1.1資料集 (Rayner et al.,2000),時間從1960年1月至 2008年 12月共 49年。海冰密集度值為0～100,0表示單位網格點當月月平均無冰覆蓋,100表示網格點范圍當月月平均全部為冰覆蓋,1表示網格點范圍有1%為冰覆蓋,其它值依此類推。

位勢高度場資料:全球500 hPa位勢高度場2.5°×2.5°格點資料,取自美國國家環(huán)境預報中心(NCEP,下載時間:2010年7月21日),時間長度為1950年～2010年。

降水資料:中國180站站點降水資料,取自國家氣象信息中心,時間長度為1951～2010年。

2.2 方法

北極SIC和北半球氣候變化顯著相關,為了進一步研究北極海冰對東亞地區(qū)大氣環(huán)流影響的物理過程及影響機理,我們進行數值模式試驗來探討和研究問題。本文采用的數值模式是NCAR第六代大氣環(huán)流模式CAM 3(Collins et al.,2006),它對東亞氣候和大型天氣系統(tǒng)的模擬能力已經得到檢驗,如氣候態(tài)和季節(jié)循環(huán)的東亞季風系統(tǒng):西藏高壓、東太平洋副熱帶高壓等 (Chen et al.,2010)。CAM 3歐拉譜模式選用 T85分辨率為1.4°×1.4°,在水平方向上,緯向和經向為均勻分布的256×128個高斯格點,在垂直方向上采用σ-p混合坐標系,共分為 26層,坐標層頂在 2.917 hPa,其中從83.1425 hPa向上為純氣壓坐標,中間層為混合σ-p坐標,底層采用純σ坐標。CAM 3選用非耦合的DOM海洋模式,SST選用季節(jié)平均的氣候態(tài)資料,模式中指定北半球冰厚為2m,南半球冰厚為0.5 m。

2.2.1 控制試驗

將CAM 3模式積分14年,其中北極SIC強迫取模式中的氣候態(tài)資料。將模擬試驗中后10年大氣環(huán)流場等要素場和環(huán)流場的平均作為控制試驗的結果。

2.2.2 敏感性試驗

對觀測的1968～2005年50.5°N以北的春季北極SIC資料作EOF分析,第一模態(tài) (13%)反映了春季海冰的總體減少趨勢,第二模態(tài) (10%)反映了春季海冰變率的主要特征。由于數值模擬試驗是為了驗證春季海冰與夏季氣候,尤其是降水的關系,首先,夏季降水 EOF的第一模態(tài)的解釋方差也為10%,反映了其變化的主要特征;其次,春季海冰和后期夏季降水SVD第一模態(tài)的海冰空間分布型與海冰EOF第二模態(tài) (EOF2)的空間分布型基本一致,體現了EOF2這種分布型與夏季降水相關強烈,最能體現其變化特征,因此,EOF2完全可以體現春季海冰變率的特征。取第二模態(tài)(EOF2)的時間系數 (圖1b)對SIC原場進行一元線性回歸,將回歸的空間異常場 (圖1a)逐月的加到SIC春季氣候態(tài)上,作為敏感性試驗的 SIC強迫。當EOF2的時間系數為正時,定義該試驗為正位相試驗,相應的強迫為正位相強迫;反之,時間系數為負時,定義為負位相試驗,相應的強迫為負位相強迫。

由圖1a可以看出,在春季正位相時,負的SIC異常區(qū)位于格陵蘭海、白令海東部、北極海盆以及巴芬灣部分地區(qū),正的SIC異常區(qū)位于北歐亞沿海,尤其是巴倫支海以及鄂霍次克海。負位相時SIC異常區(qū)的空間分布型則正好相反。

圖1 春季北極SIC的 (a)正位相異常空間分布型和 (b)EOF第二模態(tài)的時間序列Fig.1 (a)The spatial distribution of positive phase of sp ring A rctic SIC;(b)time series of the second EOFmode of sp ring A rctic SIC

在正位相試驗中,將模式第5～14年分別由3月1日積分到8月31日,初始場為每年的2月22日和2月28日,可得到20個試驗個例;負位相試驗亦然。因此,在相同的初始場下,分別可以得到20個正位相和20個負位相敏感性試驗的結果。

為了獲取大氣對指定春季海冰SIC強迫的季節(jié)響應,我們用正位相試驗減去負位相試驗作為敏感性試驗的結果進行分析。統(tǒng)計性檢驗采用雙邊t檢驗方法。

3 試驗結果分析

3.1 模式大氣環(huán)流對北極海冰密集度變化的響應

季節(jié)尺度模式大氣環(huán)流響應定義為,將季節(jié)平均的大氣環(huán)流響應的正位相試驗結果與負位相試驗結果作差,可以得到20個個例的試驗結果。目的在于既剔除了模式初始條件對模擬結果的影響,又使得大氣異常響應加倍,異常形勢更加顯著。春季為3～5月,夏季為6～8月。以下為各個大氣環(huán)流場和要素場的響應型。

圖2 500 hPa位勢高度場異常響應的EOF第一模態(tài) (單位:m):(a)春季 (16%);(b)夏季 (28%)Fig.2 (a)The spatial distribution of thefirst EOFmode of differences in sp ring 500-hPa height betw een positive and negative phases in sensitivity tests(units:m);(b)same as in(a),but for summer.The outer circle is 10°N

3.1.1 位勢高度場響應

對20個個例的模式結果的500 hPa位勢高度場 (Z500)作 EOF分析,第一模態(tài)的方差貢獻在春、夏季分別為16%、28%。結果發(fā)現500 hPa位勢高度場響應的第一模態(tài),在春季表現為緯向上的波列結構,兩個正中心分別位于西歐和日本海,負中心位于西歐沿海和中西伯利亞地區(qū);在夏季同樣表現為波列結構,但振幅相對減弱,正中心位于烏拉爾山和鄂霍次克海,負中心位于東歐和中國東北部 (圖2)。從 EOF結果還可以看出,高緯度擾動中心振幅在春季要大于夏季,這可能與海冰外強迫加在極地和高緯有關,這時候大氣環(huán)流的活動不只存在著大氣內部調整,還會一直存在外強迫的直接熱力響應。

對Z500作EOF分析后,依據第一模態(tài)的標準化時間系數作合成分析,來分別選取正、負位相9個個例,并將二者均值相減,發(fā)現其結果與20個個例集合平均的結果大致趨勢相同,但是信號更強(如圖3)。以后試驗也是如此。

春季的500 hPa場與 EOF第一模態(tài)類似表現為-+-的緯向波列結構,且由春季逐漸東移向夏季演變,位于歐亞大陸的正負中心均振幅增強范圍增大,位于西歐沿海的負中心到了夏季逐漸消退,負中心變?yōu)橛杀睒O延伸至歐洲北部,中國東北地區(qū)被高度負異常占據,烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)被正異常占據,可看出歐亞波列由西向東逐漸傳播。將模式模擬結果與觀測結果作對比,發(fā)現二者在歐亞地區(qū)結果非常相似,波列型式也非常一致,因此可以驗證數值模擬結果具有可靠性,春季北極海冰的自然變率對大氣環(huán)流的調整影響非常顯著。

根據天氣學原理,結合表層熱通量場 (圖4b)、溫度場 (圖5b)分析,中國東北地區(qū)在春夏季都被一個冷性渦旋 (圖6a、b)占據,這將非常有利于東北地區(qū)降水的發(fā)生。Tao and Chen(1987)、張慶云和陶詩言 (1998)研究表明,烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)在夏季被雙阻結構占據,亞洲中高緯度及東亞東部地區(qū)的距平場易分別形成+-+的距平波列,東亞地區(qū)距平波列的這種雙阻形勢,及其相互作用常常造成東亞夏季特別是梅雨期降水偏多 (圖7b)。

3.1.2 海平面氣壓響應

通常海平面氣壓場的變化是與冷熱源的分布緊密相連的,會與表層溫度產生相一致的變化。春季,北極大部分地區(qū)被負的海平面氣壓 (SLP)異常所占據,歐亞大陸為正的SLP異常,與500 hPa位勢高度場相一致,在垂直方向上表現出正壓的特征;溫度場上,在北極地區(qū)表現為正的溫度異常,對應該區(qū)偏少的海冰。夏季,北極地區(qū)的負異常范圍集中在北極海盆,振幅增強;中高緯的正異常在鄂霍次克海附近,負異常在中國東部地區(qū),與垂直方向上的500 hPa位勢高度場同樣呈現了正壓結構(圖8),由于夏季不存在海冰外強迫,因此極區(qū)的溫度異常很弱。

圖3 模擬結果 (a、b)和觀測結果 (c、d)合成的500 hPa位勢高度場 (等值線)響應 (單位:m):(a、c)春季;(b、d)夏季。淺、深陰影:雙邊t檢驗置信度超過90%、95%的區(qū)域 (下同)Fig.3 (a,b)Simulated and(c,d)observed geopotential height responses(units:m)at 500 hPa(contour):(a,c)sp ring;(b,d)summer.Light and dark shadings denote values significant at the 90%and 95%confidence levels based on a two-sided Student's t test(the same below)

3.1.3 表層熱通量

北極SIC的變化首先導致了極區(qū)表層熱通量的異常變化,并通過熱動力學過程影響位于其上的大氣,最后通過波動過程和大氣環(huán)流將能量異常傳播至北極以外的地區(qū)。在北極SIC偏少的區(qū)域,對應于熱通量由海洋向大氣的凈向上輸送,SIC偏多區(qū)域反之。春季,在海冰的異常減少區(qū),如北冰洋中心區(qū)域、格陵蘭島東部有凈向上的熱通量,并且通過遙相關影響,在波列傳播過程中東太平洋和大西洋也產生了向上的熱通量;在海冰增多區(qū),如巴倫支海、巴芬灣和白令海有凈向下的熱通量,西太平洋、冰島地區(qū)也有凈向下的熱通量。夏季,在格陵蘭海、歐洲地區(qū)和中國東部地區(qū)有凈向上的熱通量,在大氣內部動力學作用下,可能導致中國東北地區(qū)降水的發(fā)生 (圖4)。通過研究還可以發(fā)現,陸地上的熱通量異常很小,而海洋上熱通量變化卻很大,尤其是中低緯地區(qū),這可能與夏季短波輻射由南向北的遞減以及熱帶海洋的潛熱能釋放有關。凈熱通量異常是由感熱、潛熱和長短波輻射通量共同作用造成的,短波、感熱和潛熱通量異常在春季量級相當,長波通量異常量級較小約為前者的一半;夏季的熱通量均有增強,這時候短波、潛熱通量占據主要地位,這與夏季太陽輻射的增強和降水的增多有直接關系。

圖4 合成的表層熱通量響應 (單位:W/m2):(a)春季;(b)夏季。等值線間隔為5(零線已省略);最外圈表示30°N;陰影同圖3Fig.4 Composite surface heat flux(units:W/m2):(a)Sp ring;(b)summer.The contour interval is 5 W/m2,and the zero contour isomitted;outer circle is 30°N

圖5 同圖4,但為地表溫度場 (單位:℃)。等值線間隔:0.5Fig.5 A s in Fig.4,but for surface air temperature(units:℃).Contour interval is 0.5

3.1.4 地表溫度場響應和垂直方向溫度響應

海冰異常區(qū)在垂直方向上存在熱通量異常,而表層溫度 (Ts)與表層熱通量在大部分地區(qū)的分布通常是一致的,其一致性表明大氣環(huán)流驅動溫度平流可以對冷熱源以外遙遠的地區(qū)產生一定程度的熱力響應 (Wu et al.,2009b)。

在春季,表層溫度響應在北極海盆、格陵蘭海以及巴芬灣為正的異常,對應SIC偏少區(qū),甚至正異常還傳播至歐亞大陸大部分地區(qū),包括中國東部,并且與降水有相似的振幅。相反地,北歐亞沿海、拉布拉多海、鄂霍次克海表層溫度響應為負異常,對應SIC偏多區(qū)。需要特別指出,最大正值區(qū)位于格陵蘭海東部＞1.5℃,最大負值區(qū)位于巴倫支海和鄂霍次克海＜-1.0℃,分別對應SIC異常的極值區(qū) (圖5a)。到了夏季,表層溫度異常向南傳播,極區(qū)異常不明顯,亞歐大陸和北美大陸響應范圍異常增大,垂直方剖面上緯向為增強的波列結構,與500 hPa位勢高度場變化完全一致。在110°E～130°E東北地區(qū)內可以看到冷性渦旋結構的存在,高層負的溫度異常大于低層,在低層加熱作用下大氣重力能減弱,垂直運動發(fā)展,易于形成對流性降水 (圖7b)。

圖6 同圖4,但為850 hPa的矢量風場 (單位:m/s)Fig.6 As in Fig.4,but for wind vecto rat 850 hPa

3.1.5 850 hPa風場響應

850 hPa風場 (V850)在春季表現為中國東部顯著的北風,在中國東南部形成反氣旋性環(huán)流 (圖6)。東部地區(qū)處于弱氣旋性渦旋的后方,低層輻合不明顯,雖然偏北氣流將北部的干冷空氣帶至南方,但無暖濕空氣的匯合,使得水汽條件不充足,不利于降水的發(fā)生,因此東部地區(qū)以降水負異常為主 (圖7a)。在夏季,印度季風、南海季風和副熱帶季風全面爆發(fā),東亞副熱帶季風異常水汽輸送也隨之增強,渤海灣地區(qū)氣旋性渦旋結構明顯,中國南部至西北太平洋地區(qū)為顯著的西南氣流,北方地區(qū)為偏北氣流,渤海灣地區(qū)上升運動強烈,這與500 hPa位勢高度場是動力一致的,動力和水汽條件滿足后非常有利于東部沿海地區(qū)降水的發(fā)生。結合高度場分析蒙古地區(qū)因水汽條件不明顯,華南地區(qū)因動力機制不足都降水偏少。

3.1.6 降水響應

大氣環(huán)流場的異常分布形勢互相配置,導致了東亞地區(qū)降水的異常分布。在降水場上,春季,中國東部地區(qū)整體降水偏少為-80 mm,顯著中心分別位于東北、長江黃河的下游區(qū)域和華南地區(qū),這是由于東部無水汽輸送及動力機制很弱。夏季,與春季差異較大,中國東北部地區(qū)以及長江和黃河之間的中部地區(qū)被降水正異常區(qū)所覆蓋,尤其是東北地區(qū)降水很顯著,最大異常可以達到180 mm以上,而蒙古、華南地區(qū)降水偏少 (圖7b),這與渤海地區(qū)氣旋結構、海洋水汽輸送以及副熱帶季風的加強有很重要的關系。與觀測合成的結果相對比,可以發(fā)現二者在東部降水的空間分布型上很相似,即東北和長江、黃河之間地區(qū)降水顯著偏多,華南地區(qū)降水顯著偏少,其中模擬的東北降水較之觀測更偏東,這與模擬的Z500東北低渦位置偏東是一致的。

可見,在春季極區(qū)SIC存在負異常,通過熱力和動力機制,表層熱通量發(fā)生改變,不僅會對局地的SLP、高度場、溫度場造成影響,并且可以通過大氣環(huán)流和遙相關過程,尤其是在500 hPa高度場上的歐亞波列結構,對高層大氣和遙遠地區(qū)造成影響,將能量由極區(qū)傳送至東亞地區(qū),從而影響東亞氣候。

圖8 同圖4,但為合成的SLP場響應 (單位:hPa):(a)春季;(b)夏季Fig.8 As in Fig.4,but for sea level pressure(hPa):(a)Sp ring;(b)summer

3.2 模式大氣環(huán)流對北極SIC響應的演變過程

以上研究是從季節(jié)平均的角度來討論的海冰對模式大氣的影響,現在進一步分析模式大氣對于強迫的響應是如何產生并逐步演變的,演變過程從時間尺度上可分為逐日和逐周響應。試驗方法設計上稍稍不同于季節(jié)平均響應,每個個例的模式初始場設定為3月1日,并積分至8月31日,模擬結果為9個個例的合成分析。

大氣響應可以分為直接熱力響應和間接熱力響應兩部分,分別對應于海冰外強迫和大氣內部變率的間接強迫。1000 hPa和300 hPa位勢高度場的初始響應是海冰直接熱力強迫的結果,如圖9所示為響應前12天的逐日分布:時間尺度為3月2日～3月13日。位勢高度場初始響應的高低層配置顯示了很強的反位相結構,在垂直方向上為斜壓狀態(tài):第一周,高低層異常響應之間存在著一定的空間負相關,第二天的相關系數達到了-0.22,異常響應很弱,都維持在SIC強迫附近地區(qū),格陵蘭海的北部在低層開始為異常低壓,后來逐漸被異常高壓所取代,而在高層始終維持著異常高壓;從3月9日開始高度異常區(qū)范圍增大、南擴加強,振幅逐漸增強到40 m,在緯向上形成波列結構緩慢向東傳播,圖10給出響應的均方根振幅也顯示了由0異常非線性增大的過程,但反位相結構開始削弱,高低層空間相關系數由負到正;到3月13日,響應幅度達到了半球尺度,除了喀拉海和白令海還存在較強的斜壓性以外,其他地區(qū)高低層配置都開始緩慢向準正壓型轉變,空間相關逐漸增強,且呈現了與高度場響應相同的變化趨勢。可見,局地的初始斜壓響應逐步向半球尺度準正壓響應轉變,這個過程發(fā)展較快,與北極SIC強迫范圍較小、強度較弱、強迫時間較短以及斜壓響應的區(qū)域局限性有關,轉變機制在下文會進行探討。通過斜壓轉化,高緯地區(qū)存在能量由低層向高層、由高緯向低緯逐漸傳播,使得中高緯、高低層能量配置逐漸達到平衡。

圖9 3月2日～3月13日1000 hPa和300 hPa逐日的位勢高度場響應 (單位:m)Fig.9 1000-and 300-hPa geopotential height responses from 2 Mar to 13 Mar in composite analysis

圖10 Z1000和Z300逐日分布的空間相關場 (點虛線)及各自異常響應的振幅 (虛、實線,單位:m)Fig.10 Spatial correlation coefficients betw een daily geopotential height responses at 1000 and 300 hPa and their anomalous response amplitudes

為了探討大氣對SIC強迫初始斜壓響應的持續(xù)性以及波列結構的形成過程,從3月起采用逐周時間尺度進行分析。位勢高度場響應隨時間的變化形勢如圖10(圖中振幅是40°N以北地區(qū)高度場響應的均方根作區(qū)域平均的結果),分別給出了40°N以北1000 hPa異常位勢高度場 (Z1000)和300 hPa異常位勢高度場 (Z300)的逐日空間相關系數場和區(qū)域平均的振幅場,在計算之前對異常場作加權和3點平滑。

結合空間場圖11(見文后彩圖),從模式試驗結果可以得到,局地的斜壓結構具有一定的持續(xù)性:在第1～2周時,低層的正負強迫附近分別形成偶極子結構的正負異常中心,中高層正好與之是反位相,這種斜壓性在冰島地區(qū)、格陵蘭海、白令海、巴倫支海以及喀拉海可以持續(xù)到第3周,之后減弱,而到第6周大氣在垂直方向上完全轉為正壓狀態(tài),高度場振幅也達到最大的階段。相對比相關系數圖 (圖10),40°N以北整個中高緯地區(qū)的斜壓性較弱,在第一周就由最大的負相關-0.22減少至0并逐漸轉正,第5周之后維持很高的正相關,并呈準兩周和月周期變化。高低層空間場的振幅變化與相關場一致,大氣異常響應由開始的0異常到第4～6周達到高峰,之后緩慢下降達到平衡階段,并呈現出以月為周期的振蕩型。還可以看出Z300異常響應振幅大約是Z1000異常響應的1.5～2倍。

歐亞遙相關型的形成和維持是能量得以從極地東傳到東亞地區(qū)的原因,其機制將于下一節(jié)中介紹。隨著初始斜壓場向正壓的演變,歐亞大陸中高緯整層大氣都有波列結構的形成,并緩慢向東傳播。由于整層的正壓性,從500 hPa異常高度場來研究整層波列結構的演變,其中以中心位于格陵蘭海、西北歐、中西伯利亞的負正負歐亞波列,逐漸向中心位于西北歐、中西伯利亞、東亞的歐亞波列的東移演變?yōu)橹?(圖11),通過這種遙相關的方式大氣環(huán)流將北極、歐洲與中國地區(qū)的氣候聯(lián)系起來,從而造成對中國氣候的影響。因此,通過研究大氣的瞬態(tài)演變過程,既可以看到垂直方向上高低層大氣由斜壓向正壓結構的轉化,又可以看到在水平方向上大氣波列結構響應由北極至東亞大陸的逐步演變,揭示了北極海冰是如何通過大氣環(huán)流來對中國氣候造成顯著的影響。

3.3 動力機制研究

由大氣對北極SIC變化的瞬態(tài)響應可以清楚地看到北半球大氣響應從斜壓到正壓的緩慢演變過程,但是響應的動力機制卻沒有給出,下面嘗試從波活動通量的角度來解釋海冰異常變化所產生能量在垂直和水平方向產生和傳播的過程,用大氣內部的動力學過程來解釋能量的維持和轉化。由于北極海冰的存在顯著地改變了海洋和大氣之間的熱量、動量和物質交換,海冰的高反照率也大大減少了極地對太陽輻射的吸收,所以當存在SIC的異常分布時,首先改變的是表層熱通量的分布,然后位勢高度場發(fā)生相應的改變,由于地形、非絕熱加熱及其與渦旋的相互作用是產生波活動通量的機制,這種熱力和高度異常可以激發(fā)出波活動通量向高層和水平方向傳播,并在位勢高度場上產生一致的準靜止羅斯貝波結構向東傳播影響東亞地區(qū) (Honda et al.,2009)。

圖12 (a-c)沿10°E的位勢高度場異常 (等值線,單位:m)和波活動通量異常 (箭頭,垂直方向×100,單位:m2/s2)緯度—高度剖面圖;(d-f)1000 hPa熱通量異常 (陰影)和垂直波活動通量異常 (等值線,間隔0.1,零等值線已省略;單位:m2/s2);(g-i)300 hPa位勢高度場異常 (陰影,單位:m)和水平波活動通量異常 (箭頭,單位:m2/s2)。(a、d、g)3月2～5日平均;(b、e、h)3月6～9日平均;(c、f、i)3月10～13日平均Fig.12 (a-c)Latitude-height cross section of geopotential height responses(contour,units:m)and wave activity flux responses(arrow with vertical componentmultip lied by 100,units:m2/s2)along 10°E;(d-f)heat flux responses(shaded)and vertical wave activity flux responses(contour with interval 0.1 m2/s2)at 1000 hPa;(g-i)geopotential height responses(shaded)and horizontal wave activity flux responses(arrow)at 300 hPa.(a,d,g)Averaged over 2-5 Mar;(b,e,h)averaged over 6-9 Mar;(c,f,i)averaged over 10-13 Mar

極地大氣的初始響應在垂直方向上具有斜壓結構,這是海冰直接熱力強迫的結果,由于75°N～90°N地區(qū)SIC異常偏少,所以在響應的前4天,位勢高度場上表現為大氣表層負異常,925 hPa以上正異常,這種初始斜壓是由 Ekman抽吸機制所引起的 (Wu et al.,2004)。表層熱通量在格陵蘭附近表現為正異常 (圖未給出),由低層激發(fā)出向上的垂直波活動通量;而在巴倫支海和拉布拉多海附近熱通量表現為負異常,垂直方向波活動通量凈向下為負值,可見最大熱通量異常和最大垂直波活動通量在空間上是一致存在的 (圖12d);水平方向的波活動通量局限于格陵蘭島的高度場異常梯度附近(圖12g)。在響應的第5～8天,在垂直方向上,位勢高度場正異常振幅增強,低層有凈向下的熱通量和波活動通量,這是由于70°N處海冰異常較弱,在大氣環(huán)流調整下,高度場在低層由負異常轉變?yōu)檎惓?溫度異常也相應由正轉負,低層空氣不再是熱強迫源,因此不能產生向上的波活動通量。方向向南向下的波活動通量很強,與位勢高度梯度方向一致 (圖12b);水平方向波活動通量表現為在負位勢梯度區(qū)由大西洋向東傳播的波活動通量 (圖12h)。在響應的第9～12天,位勢高度場、熱通量和波活動通量均增強,垂直向上傳播的波活動通量在70°N附近上升,在高層加強南傳,并在中緯度地區(qū)下沉 (圖12c),45°N和55°N附近下沉的形成是由于其處于中層高壓后部,北風異常很強,形成向下的波活動通量,這與 Plumb and A lan(1985)在大西洋波活動通量向東南方向傳播的結論一致;水平方向波活動通量由歐洲向東亞地區(qū)東傳增強,通量最大值位于歐洲的高度正異常區(qū),這是與阿爾卑斯山的地形強迫作用緊密相連的 (圖12i)。由此可見,我們可認為低層異常非絕熱加熱是波活動通量上傳和東傳的強迫機制,這種非絕熱加熱是由異常SIC直接熱力強迫形成的,還可以推斷出熱通量就是大氣響應的冷熱源,波活動通量的上傳和下傳正好位于這對冷熱中心上方。因此,歐亞波列的遙相關是北極海冰影響東亞地區(qū)的主要因素,而由直接熱力強迫產生的波活動通量正是遙相關型形成的直接動力機制,由此能量可以通過三維準定常行星波由極地向北半球和東亞地區(qū)傳播。

因此,大氣遙相關型的產生可以解釋為大氣對海冰直接外強迫的響應,通過準定常羅斯貝波向北半球傳播,但是其維持機制卻與大氣基本態(tài)結構也有很重要的關系,因此也可以稱作間接強迫機制,它通過大氣內部的動力學過程吸取能量并激發(fā)新的強迫產生,再激發(fā)新的大氣異常產生。從春季5月平均來看,大氣環(huán)流場已經很穩(wěn)定,達到了平衡狀態(tài),位勢高度場在垂直方向演變?yōu)闇收龎航Y構,這時候可以看到明顯的波活動通量由極區(qū)向東傳播,在西部渦旋中心的東南側存在波活動通量的最大輻散,這是與阿爾卑斯山地形也有一定關系的,而在東部渦旋的西側波活動通量有最大輻合,其輻散和輻合過程都是由渦度源匯決定的 [圖13(見文后彩圖)]。波活動通量的傳播過程正是正壓結構的羅斯貝波頻散能量的過程,其中間接強迫的過程是非常復雜的,當其傳至東亞季風區(qū)時可以激發(fā)斜壓結構的產生,釋放對流性潛熱;也可以從西風帶等大氣環(huán)流基本態(tài)通過正壓能量轉換來吸取能量,維持大氣擾動和遙相關型的存在 (楊修群和黃士松,1993)。另外,外強迫除了海冰的非絕熱加熱外,地形效應和渦旋結構也可以對波活動通量的形成和傳播造成很大影響。大氣環(huán)流遙相關型是極冰外強迫作用所激發(fā)的波活動通量與大氣內部動力學過程相互作用的結果,極冰的變化由此可以強烈地影響東亞地區(qū)的氣候。

4 結論和討論

通過對北極SIC資料的統(tǒng)計分析,發(fā)現春季北極海冰存在著一定的自然變率,這體現在 EOF的第二模態(tài),這種變率將對氣候變化產生很重要的影響。我們設計了一系列數值模擬試驗來研究CAM 3中大氣對北極SIC強迫的響應。將SIC第二模態(tài) (EOF2)的時間系數回歸到原場,并把這個空間異常場逐月加到SIC春季氣候態(tài)上,作為敏感性試驗的外強迫來研究大氣響應過程。

試驗結果:在季節(jié)尺度上,大氣環(huán)流由春向夏演變,春季的SIC與 Z500、SLP、Ts、V850異常場,通過熱動力過程相互配置起來,對春季中國東部負降水異常、夏季東北部正降水異常有很大貢獻。在逐日和逐周時間尺度上,體現了大氣響應的瞬態(tài)演變過程,高低層位勢高度場的初始響應在垂直方向上表現出很明顯的反位相結構,并局限于強迫區(qū)附近,隨后異常響應范圍增大、振幅增強,持續(xù)到第3周后逐漸轉為準正壓結構,到了第6周完全達到平衡階段,振幅最大并呈周期性振蕩。

用波活動通量和大氣內部動力學過程來解釋遙相關的傳播和維持,分別作為直接強迫機制和間接強迫機制。直接熱力強迫的結果改變的是表層熱通量,并使位勢高度場產生異常,二者共同作用激發(fā)準靜止羅斯貝波在三維方向的傳播,波活動通量在低層初始斜壓區(qū)上傳,在高層產生一致的波列結構并緩慢向東向南傳,最后在中低緯度下沉。間接強迫是大氣內部動力學過程的通過正壓轉換和從大氣基本態(tài)吸取能量等方式維持波列的傳播。通過兩種機制的綜合效應,歐亞遙相關型將能量傳遞到東亞地區(qū),從而影響當地的氣候。

運用不同的大氣環(huán)流模式、不同的外強迫因子會得到不同的大氣響應結果。因此,本文結果不僅非常具有模式依賴性,而且也有強迫因子的片面性,在以后的研究中可以嘗試用多種模式、多種外強迫因子來做模擬試驗,以得到更加科學的結論。除了SIC還存在多種因素的影響,導致了模式結果和觀測結果的不一致性,本文的機理研究只局限于波列遙相關、波活動通量的熱動力作用,大氣內部動力學機制的研究沒有得到完善,其他的機理研究也還需要進一步的探索。

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圖11 合成的500 hPa逐周的位勢高度場響應 (3月2日到8月30日)Fig.11 Weekly averages of 500-hPa geopotential height responses during the integration(2 Mar-30 Aug)

圖13 (a)5月平均沿60°N的位勢高度場異常 (等值線,單位:m)和波活動通量異常 (箭頭,垂直分量×100,單位:m2/s2)經度—高度剖面圖;(b)同圖12d,但為5月平均;(c)同圖12g,但為5月平均Fig.13 Longitude-height cross section of geopotential height responses(contour,units:m)and wave activity flux responses(arrow with vertical component multiplied by 100,units:m2/s2)along 60°N;(b)same as Fig.12d,but for May average;(c)same as Fig.12d,but for May average

The Northern Hem isphere Atmospheric Response to Spring Arctic Sea Ice Anomalies in CAM 3.0 Model

ZHANG Ruonan and WU Bingyi

ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081

The influence of A rctic Sea Ice Concentration(SIC)anomalieson the atmospheric general circulation during sp ring and summer is investigated with version 3.0 of the NCAR Community A tmosphere Model(CAM 3.0).Regress the second EOFmodeof ICE to observed ICE,and then added to climatic ICE as the external force of test.The results show that on the intraseasonal time scale,the atmospheric circulation anomalies evolved from sp ring to summer,and the sp ring A rctic SIC anomalies were thermally and dynamically consistent with atmospheric circulation,surface temperature,and rainfall anomalies in sp ring and summer,especially contributing to less sp ring rainfall in eastern China and more summer rainfall in northeastern and central China.While on short time scales,the initial adjustment of the atmospheric circulation is characterized by relationship of outof phase in geopotential height anom-alies in the lower and upper troposphere locally,and after two weeks,the out of phase turned progressively to mo re barotropic with the responses propagating to remote areas,at last,the quasi-equilibrium stage of adjustment is reached in the sixth week.The remote responses are regarded as a stationary Rossby wave generated thermally and dynamically through an anomalous turbulent heat fluxes and atmospheric circulation internal varieties.A t first,the surface heat fluxes were changed by anomalies in the A rctic SIC,and then a large scale stationary Rossby wave was triggered through the interaction with atmospheric circulation.The lower tropospheric response is baroclinic and thus favo rs upward emanation of wave activity flux in the negative height anomaly area;w hile,in upper levels,the energy is dispersed to East Asia through teleconnection,the internal varieties keeping the energy,and then affects the climate in this area.

sea ice,sea ice concentration,summer rainfall,sensitivity test,control test,transient process,wave activity flux

1006-9895(2011)05-0847-16

P461

A

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2010-09-26,2011-03-29收修定稿

公益性行業(yè) (氣象)科研專項 GYHY200906017、GYHY200706005,國家自然科學基金資助項目40875052、40921003,中國氣象科學研究院資助項目“氣候系統(tǒng)模式”

張若楠,女,1986年出生,碩士研究生,研究方向:中高緯外強迫對大氣環(huán)流的影響。E-mail:xiaoruo5201314@126.com

武炳義,E-mail:w by@cams.cma.gov.cn