氣候變化背景下北極海冰對我國冬季氣溫的影響研究

肖鶯 任永建 杜良敏

(武漢區域氣候中心,湖北 武漢 430074)

0 引言

北極地區,通常是指北極圈以北的廣大區域。北極是地球的兩大冷源之一,近30年來,北極地區升溫幅度接近其他地區平均升溫幅度的3倍[1]。隨著北極地區溫度的升高,北極海冰快速融化,海冰覆蓋面積減少[2],其變化主要受到風應力和太陽輻射的共同影響。北極海冰的季節變化顯著,秋季融化速度最快,其次為夏季、冬季、春季[3],季節性差異較大[4]。

北極海冰作為全球氣候系統的重要組成部分,它的異常變化會通過反饋機制與氣候系統中的其他因子相互作用,從而引發氣候異常,因此北極海冰的變化對全球氣候研究具有重要的意義。北極海冰在驅動北半球海冰-反照率反饋過程中起著重要的作用[5-6]:一方面,由于海冰和海水反照率的巨大差異,隨著海冰的不斷融化,大量多余的熱量被海水吸收和儲存,并最終釋放到大氣中,大氣變化加劇; 另一方面,多余的熱量又進一步促進了北極海冰的快速融化。

蔣全榮等[7]認為北極 I區海冰面積變化的熱力強迫作用可分別激發出EU和EA大氣遙相關型。高登義等[8]發現在海冰-大氣氣候系統中,明顯存在10年尺度周期性變化,而大氣 10年尺度變化是對海洋(海冰)變化的響應。武炳義等[9-11]研究表明,冬季喀拉海、巴倫支海海區海冰是影響東亞以及北半球氣候變化的關鍵區之一; 冬季西伯利亞高壓強度與秋冬季北極海冰密集度有著負相關關系; 亞洲-北極模態在東亞最主要的影響體現在冬季降水和850 hPa緯向風異常。Francis等[12]研究指出,秋季北極海冰覆蓋范圍的變化影響北半球冬季的天氣形勢,但這種影響存在區域差異。Liu等[13]研究表明,在秋季北極海冰異常偏少年,冬季北半球的海平面氣壓場表現出類似北極濤動負位相分布型,再配合更多水汽輸送,北半球冬季的氣溫偏低且降雪顯著增多。謝永坤等[14]研究結果表明,秋季北極海冰異常對中國冬季氣溫具有滯后影響。

這些國內外研究表明,無論是年際還是年代際時間尺度上,北極海冰都會對北半球氣候造成顯著影響,但這種影響存在著區域差異性和滯后性。那么,在氣候變暖背景下,海冰對中國冬季氣溫的影響,是否也存在著顯著的區域性差異呢？本文選取中國為研究區域,采用滑動相關、時滯相關及偏相關等分析方法,詳細分析了北極海冰變化對中國冬季氣溫的影響。

1 資料和方法

1.1 資料

本文采用的資料為:(1)中國氣象局提供的1961—2015年逐月北半球海冰密集度指數資料;(2)1961—2015年的中國740個氣象站逐月平均氣溫數據,資料取自中國氣象局國家氣象信息中心;(3)NCEP/NCAR(美國國家海洋和大氣管理局,下同)提供的1961—2015年的 500 hPa逐月位勢高度、緯向風、經向風和海平面氣壓再分析資料,水平網格距為 2.5°×2.5°。

1.2 研究方法

本文采用的方法有 Mann-Kendall突變法[15],用于檢驗時間序列的氣候突變。在全球變暖的背景下,中國冬季也經歷了一次明顯的增溫[16]。Mann-Kendall突變檢驗結果顯示,自20世紀70年代以來,中國冬季氣溫有明顯的增暖趨勢,90年代開始這種增暖趨勢均大大超過0.001顯著性水平(圖1)。根據曲線交點位置,確定中國冬季氣溫的增暖是一突變現象,具體是從1986年開始的。那么,選取1986—2015年冬季氣溫作為研究時段。

圖1 1961—2015年中國冬季氣溫Mann-Kendall統計量曲線.UF為按時間序列順序計算出來的標準正態分布統計量，UB為按時間序列逆序計算出來的標準正態分布統計量Fig.1.Mann-Kendall statistic curves of Chinese winter temperature during 1961—2015

利用最小二乘法,去除海冰時間序列的線性趨勢; 為分析海溫和氣溫之間年際變化隨時間的變化,采用滑動相關的方法[17]。

時滯相關分析主要用于有限離散時間序列之間的相關關系,它考慮了不同時間序列之間相互作用的時滯性[18],其思路是將某個時間序列向后推移一段時間后,再與另外一個時間序列進行相關分析。由于多個相關變量間的關系是較為復雜的,任何兩個變量間常常存在不同程度的簡單相關關系,但是這種相關關系又包含有其他變量的影響。因此偏相關分析是固定其他變量不變而研究某兩個變量間相關性的有效方法。

2 秋季北極海冰與中國冬季氣溫的關系

謝永坤等[14]的研究表明,中國各地冬季的平均氣溫與秋季北極海冰范圍有較好的相關性,表現為: 秋季北極海冰異常偏多時,中國冬季常為暖冬; 異常偏少時,中國冬季多為冷冬。但其主要是針對秋季海冰范圍與中國冬季平均氣溫的去趨勢后關系開展研究。那么在冬季暖背景下,這種關系是否存在？北極海冰的趨勢變化是否會對冬季氣溫也造成一定的影響呢？針對這兩個問題,將北極海冰密集度指數分為原序列和去趨勢序列(采用最小二乘法),分別來探討去除趨勢前后北極海冰對中國冬季氣溫的影響。

通過對各月北極海冰密集度指數與中國冬季氣溫進行相關分析(圖略),發現 8月、9月、10月的北極海冰密集度指數與中國冬季氣溫的相關較好,分別有35%、30%、38%的站點通過了0.05顯著性水平檢驗,其中又以10月與中國冬季氣溫的相關最顯著。因此,選用10月北極海冰密集度指數代表秋季北極海冰密集度。

圖2給出中國冬季氣溫與秋季北極海冰密集度去趨勢序列(IDIS)和原序列(ITEND)的相關系數分布圖?？梢钥闯?北極海冰密集度去趨勢后,與中國冬季氣溫相關最好的區域在西北地區以及長江與黃河之間區域,為顯著的正相關; 而北極海冰與中國冬季氣溫相關最好的區域在高原地區,且為負相關,但均通過了0.1顯著性水平檢驗?？梢?秋季北極海冰密集度與中國冬季的氣溫存在顯著的相關關系。但值得關注的是,在氣候變暖背景下,與原序列相比,疊加了變化趨勢的北極海冰對我國冬季氣溫的影響存在顯著的區域差異。

圖2 中國冬季氣溫與秋季北極海冰密集度去趨勢(a)和趨勢(b)的相關系數分布Fig.2.Correlation coefficient between Chinese winter temperature and the detrended(a),trended(b) autumn Arctic sea ice concentration

將我國長江與黃河之間(105°E—125°E,25°N—40°N)、西北地區(85°E—105°E,35°N—50°N)、高原地區(85°E—105°E,20°N—35°N)等相關較好區域作為主要影響區域,提取各區域平均的冬季氣溫逐年時間序列,分別與IDIS、ITEND進行相關分析。結果顯示: IDIS和長江與黃河之間、西北地區冬季氣溫的相關系數分別為 0.5和0.61,均通過了 0.05顯著性水平檢驗,而和中國高原地區相關系數僅為–0.06; ITEND和高原地區冬季氣溫的相關系數為–0.6,通過 0.05顯著性水平檢驗,而和其他兩個區域相關系數為–0.25和 0.13,均不顯著。這進一步印證了圖2所揭示的結論。

隨著時間序列長度增加或減少,趨勢也會相應地發生變化,最終導致趨勢相關不穩定。那么用滑動相關檢測10月ITEND與中國高原地區冬季氣溫的相關關系。結果表明,兩者的20年滑動相關關系較為穩定,均通過了0.05顯著性水平檢驗(圖略)。表明變暖背景下,北極海冰趨勢變化與高原地區冬季氣溫的關系密切且穩定。

3 北極海冰對冬季氣溫的影響分析

上述分析表明,秋季北極海冰密集度對我國冬季氣溫的影響存在明顯的區域差異。那么,作為外強迫的北極海冰,是如何來影響中國冬季氣溫的？利用相關分析和合成分析方法,探討北極海冰密集度對中國冬季氣溫的影響。

圖3給出秋季IDIS與同年冬季海平面氣壓的相關系數分布圖。結果表明: 歐亞中緯度存在緯向負相關區,有兩個區域通過了0.05顯著性水平檢驗,一個位于烏拉爾山至貝加爾湖(40°E—90°E,45°N—60°N),中心位置位于巴爾喀什湖北側,與龔道溢等[19]定義的西伯利亞高壓范圍(70°E—120°E,40°N—60°N)相比,位置偏西偏北;另一個位于中國華北地區,區域范圍為(110°E—120°E,40°N—45°N)。

圖3 秋季IDIS與同年冬季海平面氣壓的相關系數分布圖(陰影區為通過0.05顯著性水平檢驗)Fig.3.Correlation between autumn IDIS and winter sea level pressure(shaded areas indicate the correlation is over 95% confidence level)

定義(40°E—90°E,45°N—60°N)區域平均海平面氣壓為西西伯利亞高壓,(110°E—120°E,40°N—45°N)區域平均海平面氣壓為華北高壓。提取西西伯利亞高壓(IWSH)和華北高壓(INCH)時間序列,跟中國長江與黃河之間區域、西北地區冬季氣溫求相關。結果顯示,IWSH和INCH與這2個區域的冬季氣溫有著較好的相關關系,相關系數均通過0.05顯著性水平檢驗(表1)。

但是,西西伯利亞高壓和華北高壓之間并不獨立,兩者的相關系數為 0.42。那么利用偏相關方法,研究去除IWSH(INCH)信號后,INCH(IWSH)和我國長江與黃河之間、西北地區冬季氣溫的相關關系(表1)。結果顯示,去除INCH后,IWSH和我國長江與黃河之間冬季氣溫的關系減弱,偏相關系數僅為–0.14,和中國西北地區冬季氣溫的負相關仍然維持,偏相關系數為–0.42,通過0.05顯著性水平檢驗。去除 IWSH后,INCH和中國長江與黃河之間地區的冬季氣溫的偏相關系數為–0.42,通過0.05顯著性水平檢驗,仍然維持著較好的負相關關系,但和西北地區相關減弱,僅為–0.13。研究表明,中國西北地區冬季氣溫的異常主要是受西西伯利亞高壓影響,而長江與黃河之間冬季氣溫的異常主要是受華北高壓影響。

通過前面分析得出,北極海冰影響中國冬季氣溫的可能途徑是: 北極海冰偏多(少)時,西西伯利亞高壓偏弱(強),中國西北地區冬季氣溫偏高(低); 華北高壓偏弱(強),中國長江與黃河之間地區冬季氣溫偏高(低)。

圖4給出秋季ITEND、冬季西南氣溫與同年冬季500 hPa高度場、風場的相關系數分布圖。從圖4a可以看出,與秋季ITEND相關顯著的區域有,東北半球高緯度區域為顯著的繞極狀負相關; 在烏拉爾山有著極地負相關分流,西側歐洲西部、東側日本海為正相關,呈現倒 ?型分布,其南側為顯著的偏西風相關; 熱帶西太平洋和印度洋為負相關,孟加拉灣上空風場為氣旋相關。圖4b顯示,與冬季西南氣溫相關顯著的區域有,東北半球極地區域為顯著的繞極狀正相關,在烏拉爾山及以南有著極地正相關分流,其西側為負相關,同時在青藏高原上空存在著一個顯著正相關區。風場與高度場匹配,表現為中緯度偏東風相關,西南高原上空為反氣旋相關。

表1 IWSH和INCH與中國冬季氣溫的相關、偏相關系數Table 1.Correlation and partial correlation between IWSH,IWSH and winter temperature in China

對比圖4a和圖4b可以發現,高緯繞極、烏拉爾山和歐洲西部均相關顯著; 但西南冬季氣溫與高原上空的系統有著顯著的關系,然而在海冰的相關圖中雖然也出現了反位相的風場相關區,但整體并未通過顯著性檢驗。因此,秋季海冰對冬季西南氣溫的影響主要體現在北方系統上,通過中高緯度環流異常來影響西南氣溫。一方面,北極海冰不斷減少,極地高度場為正距平,歐亞極渦減弱,從而不能限制寒冷的北極氣團,增加了冷氣團入侵中緯度地區的概率; 另一方面,中緯度出現?型環流異常,歐洲淺槽和西歐沿岸脊減弱,導致歐洲上空緯向環流發展,經向度相對減弱,高緯冷空氣不易在高原北部南下,為高原地區氣溫偏高提供了有利的大尺度環流背景。

圖4 秋季ITEND(a)、冬季西南氣溫(b)與同年冬季500 hPa高度場、風場的相關系數分布圖(陰影區為高度場通過0.05顯著性水平檢驗,加粗矢量為風場通過0.05顯著性水平檢驗)Fig.4.Correlation between autumn ITEND(a),winter temperature in Southwest China(b) and 500 hPa height,wind field in winter(shadows: height areas with confidence level exceeding 95%; bold vector: wind field with confidence level exceeding 95%)

極渦減弱導致冷氣團南下概率增加,那么中國哪些地區受其影響較大？提取冬季歐亞地區(0°—150°E,60°N—90°N)平均 500 hPa 高度場標準化距平作為歐亞極地高度指數。選取歐亞極地高度指數≥0.7且高原地區氣溫標準化距平≥0.7的年份,有 2004、2005、2009、2011和 2012年共5年。這5年中國冬季氣溫距平偏高頻次/總次數合成圖顯示,中國除了高原地區氣溫以偏高為主外,其他大部氣溫偏高的頻次僅占總次數的1/5,以偏低為主(圖5)。北半球環狀模指數弱值年,中國北方、東部地區氣溫偏低,西南的大部分地區氣溫偏高[20]。

為進一步分析歐洲極地高度與 ITEND之間的關系,圖6給出冬季歐亞極地指數5年滑動平均與秋季 ITEND的時滯相關圖。結果表明,在年代際甚至更長的時間尺度上,北極海冰與歐亞極地高度有著顯著負相關關系。北極海冰滯后歐亞極地高度的相關性明顯低于北極海冰超前歐亞極地高度的相關性。但重要的是大氣的持續性不會超過4個月,北極海冰滯后歐亞極地高度的相關性顯然是不可信的。當北極海冰超前歐亞極地高度指數3年時,兩者的相關系數達到最大,為–0.95,遠超過99%的信度檢驗。進一步證明了兩者之間存在較強的負相關性,隨著歐亞極地高度場降低,北極海冰增加。因為冬季海冰面積偏大時,不利于海洋向大氣的熱量輸送,同時減少了下墊面對太陽輻射的吸收,通過這兩方面的共同作用使其上部的空氣冷卻。而空氣冷卻,密度變大,氣壓隨高度的降低越快,等壓面的高度場就越低[7]。

圖5 相似年中國冬季氣溫距平偏高頻次/總次數合成圖Fig.5.Similar year synthesis of the probability of positive temperature anomaly

圖6 冬季歐亞極地高度指數5年滑動平均與秋季ITEND的時滯相關圖(年份為負值表示ITEND變化超前于歐亞極地高度)Fig.6.Lag correlation between 5 yearly running mean Eurasian Polar height index in winter and autumn ITEND.Negative months mean that ITEND leads Eurasian polar height

4 結論

本文基于中國冬季氣溫、北極海冰密集度指數和環流資料,利用相關分析、時滯相關、偏相關、合成分析等方法,研究秋季海冰對后期冬季中國氣溫的影響,得到以下結論。

1.秋季北極海冰密集度與中國冬季氣溫的相關關系存在區域差異: 北極海冰密集度與高原地區相關顯著; 去除變化趨勢的北極海冰密集度,與西北地區、長江與黃河之間區域相關較好。

2.秋季北極海冰對我國冬季氣溫的影響存在差異: 北極海冰通過改變冬季歐亞中高緯度環流,來影響西南冬季氣溫; 北極海冰通過改變冬季西西伯利亞高壓和華北高壓強弱,導致中國西北地區和長江與黃河之間地區冬季氣溫異常。

3.濾除趨勢的北極海冰偏多(少)時,西西伯利亞高壓偏弱(強),中國西北地區冬季氣溫偏高(低); 華北高壓偏弱(強),中國長江與黃河之間地區冬季氣溫偏高(低)。

本文僅對北極海冰和歐亞極地高度場之間的關系進行了分析,而北極海冰是通過何種機制來影響中高緯的倒?型分布環流,需要進一步研究。另外,秋季北極海冰作為前兆外強迫信號,對后期冬季氣溫的影響具有不確定性。武炳義等[21]發現夏季北極大氣環流的動力和熱力狀態在海冰偏少影響亞洲冬季氣候變率中有重要調節作用。當夏季北極表面反氣旋風場盛行,對應對流層中、低層異常偏暖時,加強了北極海冰偏少對冬季大氣變率的負反饋,進一步促進了西伯利亞高壓的加強,從而有利于東亞地區冬季階段性強嚴寒的出現。那么,在使用北極海冰這一前期外強迫信號預測我國冬季氣溫時,不僅要考慮到其對不同地區造成影響的差異性,還需要考慮到其他因素比如夏季環流等,來進一步解決氣候預測的不確定性問題。

1 IPCC.Summary for policymakers[C]//Climate Change 2007: the Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge,United Kingdom,New York,USA: Cambridge University Press,2007.

2 張璐,張占海,李群,等.近30年北極海冰異常變化趨勢[J].極地研究,2009,21(4): 344—352.

3 隋翠娟,張占海,吳輝碇,等.1979—2012年北極海冰范圍年際和年代際變化分析[J].極地研究,2015,27(2): 174—182.

4 Liu J,Song M,Horton R M,et al.Reducing spread in climate model projections of a September ice-free Arctic[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2013,110(31): 12571—12576.

5 Holland M M,Bitz C M.Polar amplification of climate change in coupled models[J].Climate Dynamics,2003,21(3—4): 221—232.

6 Hall A.The role of surface albedo feedback in climate[J].Journal of Climate,2004,17(7): 1550—1568.

7 蔣全榮,王春紅,徐桂玉.北極I區海冰面積變化及其與大氣遙相關型的聯系[J].氣象學報,1996,54(2): 240—247.

8 高登義,武炳義.北半球海-冰-氣系統的10年振蕩及其振源初探[J].大氣科學,1998,22(2): 137—144.

9 武炳義,黃榮輝,高登義.冬季北極喀拉海、巴倫支海海冰面積變化對東亞冬季風的影響[J].大氣科學,1999,23(3): 267—275.

10 Wu B Y,Su J Z,Zhang R H.Effects of autumn-winter Arctic sea ice on winter Siberian High[J].Chinese Science Bulletin,2011,56(30):3220—3228.

11 Wu B Y,Su J Z,D’Arrigo R.Patterns of Asian winter climate variability and links to Arctic sea ice[J].Journal of Climate,2015,28(17):6841—6858.

12 Francis J A,Chan W H,Leathers D J,et al.Winter northern hemisphere weather patterns remember summer Arctic sea-ice extent[J].Geophysical Research Letters,2009,36(7): L07503,doi: 10.1029/2009GL037274.

13 Liu J P,Curry J A,Wang H J,et al.Impact of declining Arctic sea ice on winter snowfall[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2012,109(11): 4074—4079.

14 謝永坤,劉玉芝,黃建平.秋季北極海冰對中國冬季氣溫的影響[J].氣象學報,2014,72(4): 703—710.

15 魏鳳英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京: 氣象出版社,2007: 63—65.

16 盧愛剛,龐德謙,康世昌,等.全球變暖背景下中國氣溫時空差異響應[J].干旱區資源與環境,2009,23(8): 61—65.

17 林學椿.統計天氣預報中相關系數的不穩定性問題[J].大氣科學,1978,2(1): 55—63.

18 陳彥光,劉繼生.基于引力模型的城市空間互相關和功率譜分析——引力模型的理論證明、函數推廣及應用實例[J].地理研究,2002,21(6): 742—752.

19 龔道溢,朱錦紅,王紹武.西伯利亞高壓對亞洲大陸的氣候影響分析[J].高原氣象,2002,21(1): 8—14.

20 劉艷霞,陳權亮,鄭佳鋒.北半球環狀模變化特征及其對中國冬季氣溫的影響[J].成都信息工程學院學報,2013,28(4):396—401.

21 武炳義,楊琨.從2011/2012和2015/2016年冬季大氣環流異常看北極海冰以及前期夏季北極大氣環流異常的作用[J].氣象學報,2016,74(5): 683—696.