3月巴倫支海海冰對(duì)中國(guó)東部8月氣溫偶極子型的影響及機(jī)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(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;② 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海),廣東 珠海 519080

*聯(lián)系人，E-mail:sunb@nuist.edu.cn

近年來(lái),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(qiáng)(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(tǒng)的變化(Screen et al.,2014;Vihma,2014;Gao et al.,2015;陳誠(chéng)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(lái)調(diào)控北歐夏季降水的異常(Screen,2013)。此外,北極海冰對(duì)中國(guó)氣候變化也產(chǎn)生重要的影響(Wu et al.,2011,2013)。研究表明,春季北極海冰對(duì)東亞夏季風(fēng)有重要的調(diào)控作用,而北太平洋起到連接春季海冰和夏季季風(fēng)的重要橋梁作用(Guo et al.,2014)。夏季,北極海冰異常對(duì)中國(guó)東部地區(qū)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(fā)歐亞遙相關(guān)波列,影響2014年夏季東北亞地區(qū)極端干旱事件發(fā)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(duì)當(dāng)年夏季長(zhǎng)江中下游流域夏季降水負(fù)異常產(chǎn)生了重要影響(Shen et al.,2019)。

受海洋和大氣環(huán)流的影響,北極海冰面積的變化存在明顯的區(qū)域性和季節(jié)性的差異。北極海冰面積在3月(冬季)達(dá)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(lái),巴倫支海-喀拉海的海冰對(duì)于全球氣候的年際變化有重要影響。例如,當(dāng)冬季巴倫支海海冰偏少(偏多)時(shí),西伯利亞高壓偏強(qiáng)(偏弱),西伯利亞東部冷平流增強(qiáng)(減弱)(Inoue et al.,2012),導(dǎo)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(fā)的Rossby波列,對(duì)華北地區(qū)春季沙塵活動(dòng)也有重要的調(diào)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(guān)過程等對(duì)夏季東北地區(qū)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(fā)絲綢之路遙相關(guān)波列,進(jìn)一步影響東亞地區(qū)降水格局的變化。盡管大量研究表明海冰可能對(duì)環(huán)流、溫度、降水等產(chǎn)生影響,目前關(guān)于北極海冰的影響機(jī)制等問題的研究仍具有較大的不確定性(Barnes and Screen,2015),一些學(xué)者也試圖通過多集合的模式來(lái)驗(yàn)證這些物理過程(Seviour,2017)。因此,關(guān)于海冰影響大氣的過程和物理機(jī)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(duì)中國(guó)氣候變化有重要影響。但是,以往研究大多關(guān)注巴倫支海區(qū)域的海冰對(duì)環(huán)流、降水的影響,而關(guān)于北極海冰影響中國(guó)東部溫度格局的物理機(jī)制的研究有限。因此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,深入探究3月巴倫支海海冰的變化對(duì)8月中國(guó)東部氣溫空間格局的影響及其相關(guān)的物理機(jī)制。

1 資料和方法

資料包括:1)NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集,主要變量包括海平面氣壓,地表氣溫,位勢(shì)高度,風(fēng)場(chǎng),垂直速度,地表凈短波輻射,地表凈長(zhǎng)波輻射,地表潛熱通量,地表感熱通量,地表凈云強(qiáng)迫短波通量等(Kalnay et al.,1996);2)ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集(Rayner et al.,2003);4)利用中國(guó)2 416個(gè)站點(diǎn)插值而成的CN05.1的月平均格點(diǎn)數(shù)據(jù)集,主要變量包括地表氣溫和降水(吳佳和高學(xué)杰,2013)。本文定義巴倫支海區(qū)域?yàn)?0°～60°E、72°～78°N;喀拉海區(qū)域?yàn)?0～95°E、75°～80°N;東北地區(qū)為110°～135°E、42°～54°N;華南地區(qū)為110°～120°E、20°～30°N。巴倫支海海冰指數(shù)(SICI)定義為區(qū)域平均的3月巴倫支海區(qū)域的海冰;喀拉海海冰指數(shù)定義為8月喀拉海區(qū)域的海冰;中國(guó)東部溫度偶極子指數(shù)(SATI)定義為區(qū)域平均的8月華南地區(qū)地表氣溫與東北地區(qū)地表氣溫的差異;8月土壤濕度指數(shù)定義為烏拉爾山西部(20°～45°E、55°～65°N,圖8藍(lán)色方框)和東亞東北部(90°～130°E、40°～55°N,圖8藍(lán)色方框)與俄羅斯西北部(50°～90°E、55°～70°N,圖8紅色方框)的區(qū)域平均的土壤濕度的差異;3—5月土壤濕度指數(shù)定義為烏拉爾山西部(50°～70°N、30°～55°E,圖9藍(lán)色方框)與俄羅斯西北部(60°～90°E、60°～75°N,圖9紅色方框)的區(qū)域平均的土壤濕度的差異。

數(shù)據(jù)時(shí)間段為1979—2018年,所有數(shù)據(jù)在使用前均進(jìn)行了去線性趨勢(shì)處理,其中上述定義的幾個(gè)指數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理;此外,本文用到回歸分析、顯著性檢驗(yàn)、滑動(dòng)相關(guān)分析等統(tǒng)計(jì)方法。

利用奇異值(SVD)分解法(Wallace et al.,1992;楊夢(mèng)兮等,2020)研究3月北極海冰和8月中國(guó)東部溫度場(chǎng)的相關(guān)分布特征。這里定義8月中國(guó)東部地區(qū)(105°～135°E,17°～54°N)的地表氣溫為右場(chǎng),前期3月巴倫支海-喀拉海區(qū)域(0°～90°E,65°～85°N)的海冰為左場(chǎng),對(duì)兩個(gè)場(chǎng)1979—2018年的元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、去線性趨勢(shì)處理后,進(jìn)行SVD分解。

圖1 1979—2018年SVD異類分解的第一模態(tài)3月巴倫支海區(qū)域海冰(a)與8月中國(guó)東部氣溫(b)的異性空間相關(guān)關(guān)系(打點(diǎn)為置信度通過95%的顯著性水平檢驗(yàn))及第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列(c)(紅色為溫度、藍(lán)色為海冰,數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、去線性趨勢(shì)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(guó)東部8月溫度的變化特征及其與海冰的聯(lián)系

以往研究指出,3月巴倫支海海冰的變率最大,對(duì)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(guó)東部氣溫的關(guān)系,首先利用SVD方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化、去線性趨勢(shì)后的3月巴倫支海-喀拉海的海冰和中國(guó)東部8月的氣溫進(jìn)行了分解,圖1為SVD異類分解的第一模態(tài)的空間相關(guān)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列。結(jié)果表明,當(dāng)3月巴倫支海海冰偏多時(shí)(圖1a),中國(guó)東部氣溫呈現(xiàn)“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(guó)東部氣溫關(guān)系顯著。第一模態(tài)的協(xié)方差貢獻(xiàn)率達(dá)39.2%,二者的時(shí)間序列一致性較強(qiáng),其相關(guān)系數(shù)為0.62(圖1c),通過置信度為99%的顯著性水平t檢驗(yàn)。

此外,分別計(jì)算了3月巴倫支海海冰指數(shù)(SICI)和8月東部氣溫的偶極子指數(shù)(SATI),發(fā)現(xiàn)二者與其對(duì)應(yīng)的第一模態(tài)時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)均通過置信度為95%的顯著性水平t檢驗(yàn)。由此推測(cè),3月巴倫支海海冰偏多可能會(huì)導(dǎo)致中國(guó)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(guó)東部氣溫的關(guān)系是否在1979—2018年間一直顯著?圖2a為巴倫支海海冰指數(shù)分別與東北氣溫、華南氣溫、東部偶極子型氣溫指數(shù)的21 a滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)。結(jié)果一致表明,在1993年后,3月北極海冰的變率與中國(guó)東部氣溫的關(guān)系均發(fā)生顯著的增強(qiáng),故選取1993—2018年作為后續(xù)的研究時(shí)段(圖2b)。可以發(fā)現(xiàn),華南氣溫(藍(lán))指數(shù)、中國(guó)東部偶極子型氣溫(黑)指數(shù)與海冰指數(shù)(陰影)的年際變化一致,而東北氣溫(紅)的時(shí)間序列則與海冰指數(shù)的變化相反。分別計(jì)算1993—2018年?yáng)|北氣溫指數(shù)、華南氣溫指數(shù)、偶極子型氣溫指數(shù)與3月巴倫支海海冰指數(shù)的線性相關(guān)系數(shù),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(yàn)。以上研究表明,3月巴倫支海海冰偏多與中國(guó)東部8月華南氣溫偏高、東北氣溫偏低的中國(guó)東部偶極子型氣溫分布關(guān)系密切。

圖2 1979—2018年8月中國(guó)東部偶極子溫度指數(shù)(黑)、東北溫度(紅)、華南溫度(藍(lán))與3月巴倫支海海冰指數(shù)的21 a滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)(a)與1993—2018年8月中國(guó)東部偶極子溫度指數(shù)(黑)、東北溫度(紅)、華南溫度(藍(lán))與3月巴倫支海海冰指數(shù)(柱狀陰影)的時(shí)間序列(b)(圖a中的實(shí)線(虛線)為95%(90%)顯著性t檢驗(yàn)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(huán)流特征及輻射強(qiáng)迫特征

氣溫異常與地表熱量收支密切相關(guān)(姚素香和張耀存,2007),圖3a、b分別為中國(guó)東部偶極子型溫度指數(shù)和巴倫支海海冰指數(shù)對(duì)8月地表凈熱通量的回歸,此處定義向下為正。當(dāng)中國(guó)東部氣溫呈現(xiàn)“南正北負(fù)”的偶極子型空間分布時(shí),地表凈熱通量在東北地區(qū)為負(fù)異常,在華南地區(qū)為正異常。東北地區(qū)的負(fù)異常表明局地凈地表熱通量向上,地表降溫;而華南地區(qū)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(guó)東部地區(qū)表現(xiàn)為“南暖北冷”的偶極子型空間分布(圖3a,b)。此外,中國(guó)東部偶極子型溫度指數(shù)和巴倫支海海冰指數(shù)對(duì)8月地表凈熱通量的回歸結(jié)果均表現(xiàn)為“歐洲西部-歐亞大陸北部-中國(guó)東北-華南”的“-+-+”的沿大圓傳播的遙相關(guān)路徑,這一遙相關(guān)型對(duì)連接3月巴倫支海海冰異常和中國(guó)東部8月氣溫偶極子空間型具有重要意義,后文將對(duì)此遙相關(guān)型進(jìn)一步分析。利用中國(guó)東部偶極子型溫度指數(shù)分別對(duì)地表凈短波輻射通量(圖3c)、地表凈長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)地表凈短波通量與地表凈通量關(guān)系密切,尤其在東北和華南為反位相關(guān)系(圖3c),而地表凈長(zhǎng)波輻射(圖3d)、地表凈感熱通量(圖3e)在東北地區(qū)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(fù)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(fù)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(duì)地表氣溫的影響最強(qiáng),而地表凈潛熱通量對(duì)于東北的溫度偏低的影響也較為顯著。

圖3 中國(guó)東部溫度指數(shù)對(duì)8月地表凈熱通量(a),地表凈短波輻射通量(c),地表凈長(zhǎng)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(shù)對(duì)8月地表凈熱通量的回歸(b)(打點(diǎn)為回歸系數(shù)通過90%的顯著性t檢驗(yàn);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(guó)東部溫度指數(shù)對(duì)8月地表凈云強(qiáng)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(yùn)動(dòng)和經(jīng)向運(yùn)動(dòng)(b;單位:10-3 Pa/s和m/s),200 hPa風(fēng)場(chǎng)(c;單位:m/s),850 hPa風(fēng)場(chǎng)(d;單位:m/s),500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(e;單位:gpm),海平面氣壓場(chǎng)(f;單位:hPa)的回歸(打點(diǎn)或灰色陰影為回歸系數(shù)通過90%的顯著性t檢驗(yàn))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(guó)東部氣溫偶極子型關(guān)系密切,圖4a進(jìn)一步給出中國(guó)東部偶極子型溫度指數(shù)對(duì)地表凈云強(qiáng)迫短波通量的回歸。可以發(fā)現(xiàn),地表凈云強(qiáng)迫短波通量在東北為顯著負(fù)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(qiáng)迫短波通量少(多),東北(華南)上空云層對(duì)短波的阻擋作用強(qiáng)(弱)。結(jié)合垂直運(yùn)動(dòng)可以發(fā)現(xiàn)(圖4b),當(dāng)中國(guó)東部氣溫呈現(xiàn)“南暖北冷”的偶極子空間型時(shí),東北上空盛行異常的上升運(yùn)動(dòng),而華南上空則呈現(xiàn)為大范圍的下沉運(yùn)動(dòng)。東北地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)使得對(duì)流不穩(wěn)定發(fā)展,有利于云雨的形成,導(dǎo)致大氣溫度偏低;而華南地區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng)則使得大氣絕熱增溫,有利于高溫事件的發(fā)生。此外,中高緯地區(qū)自對(duì)流層高層200 hPa到對(duì)流層低層850 hPa表現(xiàn)為明顯的正壓結(jié)構(gòu):東北地區(qū)自低層到高層均為氣旋式環(huán)流異常,華南地區(qū)自低層到高層均為反氣旋式環(huán)流異常(圖4c,d)。在500 hPa等壓面上和海平面氣壓場(chǎng)上,東北和華南分別對(duì)應(yīng)位勢(shì)高度場(chǎng)/海平面氣壓的正、負(fù)異常中心(圖4e,f)。以上這些環(huán)流異常有利于東北地區(qū)溫度偏低、華南地區(qū)溫度偏高,導(dǎo)致中國(guó)東部氣溫的偶極子空間分布型。此外,與地表凈通量一致,環(huán)流異常表現(xiàn)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(guān)型與絲綢之路遙相關(guān)型的負(fù)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(guān)型的負(fù)位相及其相關(guān)的環(huán)流異常相對(duì)中國(guó)東部8月氣溫偶極子空間型有重要的影響。當(dāng)“絲綢之路”遙相關(guān)為負(fù)(正)位相時(shí),位勢(shì)高度場(chǎng)在中國(guó)東部表現(xiàn)為“南負(fù)北正”(“南正北負(fù)”)的反位相的結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步影響局地?zé)嵬亢蜌鉁氐目臻g分布。以往研究表明,“絲綢之路”遙相關(guān)型的變化可能與大氣內(nèi)部變率(Hong et al.,2018a)、副熱帶西風(fēng)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(guān)。本文則重點(diǎn)從北極海冰的角度出發(fā),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(guān)型,進(jìn)一步調(diào)節(jié)8月中國(guó)東部氣溫偶極子型的空間分布。

4 北極海冰影響中國(guó)東部氣溫偶極子型的機(jī)制

圖1中SVD分解的結(jié)果表明,3月巴倫支海海冰與中國(guó)東部地區(qū)8月氣溫的偶極子型空間分布有重要聯(lián)系。而類“絲綢之路”遙相關(guān)型則顯著影響中國(guó)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(guān),并進(jìn)一步影響中國(guó)東部地區(qū)8月氣溫南北偶極子型的空間型特征呢?接下來(lái)分別從海冰的持續(xù)性及陸面過程兩個(gè)途徑分別進(jìn)行討論。

4.1 海冰持續(xù)性的影響

利用3月巴倫支海海冰指數(shù)對(duì)3—8月北極海冰密集度回歸,結(jié)果表明,北極海冰的異常具有很好的持續(xù)性(圖5)。當(dāng)3月巴倫支海海冰偏多(少)時(shí),海冰異常偏多(少)的信號(hào)可一直持續(xù)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(hào)則維持在喀拉海。進(jìn)一步計(jì)算了3月巴倫支海海冰指數(shù)與8月喀拉海海冰指數(shù)的線性相關(guān)系數(shù),兩者相關(guān)系數(shù)為0.62,通過99%顯著性檢驗(yàn)。利用3月巴倫支海海冰指數(shù)和8月喀拉海海冰指數(shù)分別對(duì)8月波通量和流函數(shù)進(jìn)行回歸(圖6)。可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)3月/8月巴倫支海/喀拉海海冰偏多(少)時(shí),巴倫支海-喀拉海地區(qū)、烏拉爾山地區(qū)、華南地區(qū)的流函數(shù)為正異常(負(fù)異常),而歐洲西部、中國(guó)東北地區(qū)流函數(shù)為負(fù)異常(正異常),北半球表現(xiàn)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(guān)波列的傳播,在300 hPa表現(xiàn)為明顯的從西歐向東、南方向的傳播路徑,加強(qiáng)了絲綢之路遙相關(guān)波列負(fù)位相(正位相)的強(qiáng)度;另一方面,海冰偏多(少)導(dǎo)致巴倫支海-喀拉海區(qū)為局地下沉(上升)運(yùn)動(dòng)異常(圖7c,d)和位勢(shì)高度場(chǎng)正(負(fù))異常(圖7e,f)。巴倫支海-喀拉海區(qū)域的環(huán)流異常激發(fā)波列,并進(jìn)一步向南傳播。在二者共同作用下,影響中國(guó)東部南-北反位相的環(huán)流。結(jié)合垂直方向的波通量可以看出,當(dāng)3月巴倫支海海冰異常偏多(少)時(shí),可以在北極地區(qū)激發(fā)波列,波列向上傳播至對(duì)流層中高層,向南傳播至中國(guó)東部地區(qū)后下傳(圖6c,d,e),進(jìn)一步影響中國(guó)東部地區(qū)的環(huán)流:在東北地區(qū)流函數(shù)為負(fù)異常(氣旋式環(huán)流),華南地區(qū)流函數(shù)為正異常(反氣旋式環(huán)流)。

圖5 巴倫支海海冰指數(shù)對(duì)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(diǎn)為回歸系數(shù)通過95%顯著性t檢驗(yàn))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(shù)對(duì)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(shù)(陰影;單位:107m2/s)的回歸;8月喀拉海海冰指數(shù)對(duì)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(shù)(填色;單位:107m2/s)的回歸(打點(diǎn)為回歸系數(shù)通過90%的顯著性水平t檢驗(yàn))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(shù)對(duì)8月850 hPa風(fēng)場(chǎng)(a;單位:m/s),沿0°～150°E平均的剖面的垂直運(yùn)動(dòng)和經(jīng)向運(yùn)動(dòng)(c;單位:10-3 Pa/s和m/s),500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(e;單位:gpm)的回歸;8月喀拉海海冰指數(shù)對(duì)8月850 hPa風(fēng)場(chǎng)(b;單位:m/s),沿0°～150°E平均的剖面的垂直運(yùn)動(dòng)(d;單位:10-3 Pa/s),500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(f;單位:gpm)的回歸(打點(diǎn)/灰色陰影為回歸系數(shù)通過90%的顯著性水平t檢驗(yàn))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(shù)/8月喀拉海海冰指數(shù)對(duì)8月北半球環(huán)流的回歸。以往研究表明,當(dāng)北極海冰減少時(shí),秋冬季節(jié)大氣向海洋輸送的熱通量增加,進(jìn)一步影響低層大氣的溫度、濕度、云、靜力穩(wěn)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(qū)為異常的下沉(上升)運(yùn)動(dòng)(圖7c,d)和位勢(shì)高度場(chǎng)正(負(fù))異常(圖7e,f),環(huán)流表現(xiàn)為類“絲綢之路”遙相關(guān)型的負(fù)位相(正位相)(圖7a,b):自歐洲西部向中國(guó)東部呈現(xiàn)“氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋”(“反氣旋-氣旋-反氣旋-氣旋”)的異常環(huán)流中心。在東北局地為位勢(shì)高度場(chǎng)負(fù)(正)異常、氣旋式(反氣旋式)異常環(huán)流中心,在華南地區(qū)為位勢(shì)高度場(chǎng)正(負(fù))異常、反氣旋式(氣旋式)異常環(huán)流中心。結(jié)合前文的分析結(jié)果,沿著大圓路徑傳播的類“絲綢之路”遙相關(guān)型的負(fù)位相(正位相)與中國(guó)東部8月“南暖北冷”(“南冷北暖”)的偶極子空間型關(guān)系密切。由此表明,3月巴倫支海海冰正異常的信號(hào)可以持續(xù)到8月,8月喀拉海海冰偏多可能有利于“絲綢之路”遙相關(guān)波列的加強(qiáng),進(jìn)而影響中國(guó)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(duì)大氣環(huán)流、局地溫度等有重要的調(diào)節(jié)作用(劉栗,2017;余波等,2020)。利用中國(guó)東部8月氣溫的偶極子型溫度指數(shù)對(duì)同期土壤濕度回歸,發(fā)現(xiàn)8月土壤濕度表現(xiàn)為明顯的類似于“絲綢之路”遙相關(guān)型的空間分布特征,在中國(guó)東部表現(xiàn)為東北地區(qū)土壤濕度明顯偏濕潤(rùn),而華南地區(qū)土壤濕度略微偏干(圖8b)。同時(shí),3月巴倫支海海冰指數(shù)對(duì)8月土壤濕度的回歸也表現(xiàn)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(hào)能維持長(zhǎng)達(dá)半年的時(shí)間(李若麟等,2016),那么,3月巴倫支海海冰異常偏多的信號(hào)是否會(huì)通過陸面過程保留在土壤中,并進(jìn)一步影響夏季的大氣環(huán)流及中國(guó)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(huán)流異常有聯(lián)系。以往研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)東亞地區(qū)土壤濕度偏干時(shí),由于水汽蒸發(fā)減少,潛熱釋放減少,導(dǎo)致其地表溫度偏高(宋曉君等,2016)。當(dāng)3月巴倫支海海冰偏多或8月中國(guó)東部氣溫南暖-北冷時(shí),土壤濕度均表現(xiàn)為自“西歐-西伯利亞-東亞”的“+-+”的遙相關(guān)型,故選擇這3個(gè)區(qū)域的土壤濕度構(gòu)建土壤濕度指數(shù),以期與“絲綢之路”遙相關(guān)型相對(duì)照。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤濕度表現(xiàn)為上述遙相關(guān)型時(shí),地表氣溫表現(xiàn)為自“歐洲西部-烏拉爾山脈-中國(guó)東北-華南”的“-+-+”的空間格局,與8月溫度指數(shù)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(huì)激發(fā)絲綢之路遙相關(guān)的波列(Lu et al.,2002),而歐洲西部溫度的負(fù)異常則有利于絲綢之路遙相關(guān)型的負(fù)位相的形成。從環(huán)流的回歸結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),自歐洲西部至中國(guó)東部,在850 hPa和200 hPa表現(xiàn)為風(fēng)場(chǎng)的“氣旋式-反氣旋式-氣旋式-反氣旋式”異常環(huán)流中心,在位勢(shì)高度場(chǎng)表現(xiàn)為“-+-+”的異常中心,海平面氣壓場(chǎng)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(huán)流異常和溫度異常關(guān)系密切。那么,這一信號(hào)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(duì)土壤濕度、地表熱通量等有重要的影響。進(jìn)一步地,3月巴倫支海海冰指數(shù)對(duì)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(fā)現(xiàn),當(dāng)3月巴倫支海海冰偏多時(shí),巴倫支海及其相鄰的歐亞大陸西北部氣溫偏低,而其東側(cè)氣溫略高(圖9c)。此外,潛熱通量在歐洲西北部表現(xiàn)為正異常,表明由地表釋放的潛熱減少,地表蒸發(fā)減少(圖9b)。由于溫度降低、蒸發(fā)減少,歐洲東部、亞洲西部積雪厚度增加,而其東側(cè)積雪厚度則略微減少(圖9a)。相應(yīng)的,土壤濕度在歐亞大陸北部表現(xiàn)為明顯的負(fù)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(shù)(見數(shù)據(jù)與方法),并對(duì)后期土壤濕度回歸。研究發(fā)現(xiàn),土壤濕度具有很好的持續(xù)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(xiàn)為“歐洲西部-烏拉爾山-中國(guó)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(guān)型的負(fù)位相關(guān)系密切。此波列向東部傳播,在東北(華南)地區(qū)為氣旋(反氣旋)異常,導(dǎo)致局地上升(下沉)運(yùn)動(dòng)異常,并進(jìn)一步影響地表凈熱通量,導(dǎo)致氣溫偏低(高),影響中國(guó)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(shù)和8月中國(guó)東部氣溫指數(shù)對(duì)8月土壤濕度(mm3/mm-3)的回歸(a,b);8月喀拉海海冰指數(shù)和8月土壤濕度指數(shù)對(duì)8月地表氣溫(℃)的回歸(c,d);8月土壤濕度指數(shù)對(duì)850 hPa風(fēng)場(chǎng)(e;單位:m/s),200 hPa風(fēng)場(chǎng)(f;單位:m/s),500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(h;單位:gpm),海平面氣壓場(chǎng)(g;單位:hPa)的回歸(打點(diǎn)/灰色陰影為回歸系數(shù)通過90%的顯著性水平t檢驗(yàn))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(shù)對(duì)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(shù)對(duì)8月土壤濕度的回歸;打點(diǎn)為回歸系數(shù)通過90%的顯著性水平t檢驗(yàn))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(jié)論和討論

重點(diǎn)研究了3月巴倫支海海冰對(duì)8月中國(guó)東部氣溫偶極子型的影響。當(dāng)3月巴倫支海海冰偏多時(shí),8月中國(guó)東部“南暖北冷”,反之亦然。研究表明,“絲綢之路”遙相關(guān)型的負(fù)位相是造成這種“南暖北冷”偶極子格局的重要環(huán)流,而3月巴倫支海海冰異常偏多則與“絲綢之路”遙相關(guān)的負(fù)位相關(guān)系密切。海冰對(duì)東部氣溫異常的影響通過兩條路徑實(shí)現(xiàn)。

一方面是海冰的持續(xù)性,3月巴倫支海海冰偏多(少)的信號(hào)可一直持續(xù)到8月,導(dǎo)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(qiáng)“絲綢之路”遙相關(guān)負(fù)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(fā)向南傳播的波列。“絲綢之路”遙相關(guān)波列和北極激發(fā)的南傳波列共同影響中國(guó)東部地區(qū)的環(huán)流異常,導(dǎo)致東北地區(qū)為氣旋式(反氣旋式)異常環(huán)流,華南地區(qū)為反氣旋式(氣旋式)異常環(huán)流,進(jìn)一步影響垂直運(yùn)動(dòng)和輻射強(qiáng)迫,導(dǎo)致中國(guó)東部“南暖北冷”(“南冷北暖”)的空間格局。

另一方面,當(dāng)3月巴倫支海海冰偏多(少)時(shí),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(xiàn)“西濕東干”(“西干東濕”)。由于土壤具有較好的記憶性,能夠?qū)⑦@一信號(hào)儲(chǔ)存,并一致持續(xù)到當(dāng)年8月。土壤濕度異常影響其上空環(huán)流異常,加強(qiáng)“絲綢之路”遙相關(guān)負(fù)位相(正位相)波列的傳播,影響中國(guó)東部的環(huán)流。東北上空為上升(下沉)運(yùn)動(dòng)異常,華南上空為下沉(上升)運(yùn)動(dòng)異常,使得東北地表輻射通量減弱(增強(qiáng)),華南地表輻射通量增強(qiáng)(減弱)。在海冰持續(xù)性和陸面過程的共同作用下,最終導(dǎo)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(fā)重點(diǎn)討論對(duì)中國(guó)東部8月氣溫南北偶極子格局分布的影響機(jī)制,而其他因子,如北大西洋濤動(dòng)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(tǒng)內(nèi)部變率及人類活動(dòng)影響(袁星等,2020)等對(duì)中國(guó)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(guān)系發(fā)生年代際的增強(qiáng)的成因仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

致謝:感謝國(guó)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。