近年来,在全球变暖背景下,北极海冰的消融速率加快,年际变率显著增强(Zwally and Gloersen,2008)。北极海冰作为全球的冷源,它能够通过海-气-冰相互作用直接或间接影响全球气候系统的变化(Screen et al.,2014;Vihma,2014;Gao et al.,2015;陈诚等,2019)。例如,冬季受北极增暖和北极海冰的减少的影响,欧洲、东亚和北美极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,北极通过影响急流的南北位置来调控北欧夏季降水的异常(Screen,2013)。此外,北极海冰对中国气候变化也产生重要的影响(Wu et al.,2011,2013)。研究表明,春季北极海冰对东亚夏季风有重要的调控作用,而北太平洋起到连接春季海冰和夏季季风的重要桥梁作用(Guo et al.,2014)。夏季,北极海冰异常对中国东部地区的降水有重要影响。例如,北极海冰覆盖面积异常通过影响拉普捷夫海海温,激发欧亚遥相关波列,影响2014年夏季东北亚地区极端干旱事件发生(Wang and He,2015);而2016年夏季巴伦支海-喀拉海海冰异常偏少则对当年夏季长江中下游流域夏季降水负异常产生了重要影响(Shen et al.,2019)。

受海洋和大气环流的影响,北极海冰面积的变化存在明显的区域性和季节性的差异。北极海冰面积在3月(冬季)达到最大值,9月(夏季)降到最低值。其中,3月巴伦支海海冰变率最大,消融速率也最大(Sigrid et al.,2018),巴伦支海海冰的减少可解释27%北极海冰的变化(Onarheim et al.,2018)。近年来,巴伦支海-喀拉海的海冰对于全球气候的年际变化有重要影响。例如,当冬季巴伦支海海冰偏少(偏多)时,西伯利亚高压偏强(偏弱),西伯利亚东部冷平流增强(减弱)(Inoue et al.,2012),导致东亚北部冬季异常降温(增温)(Wu et al.,1999;Li et al.,2015;Zuo et al.,2016)。此外,冬季巴伦支海海冰异常激发的Rossby波列,对华北地区春季沙尘活动也有重要的调控作用(Fan et al.,2018)。春季,巴伦支海海冰的变化可以通过影响春季-夏季的积雪、土壤湿度和大气遥相关过程等对夏季东北地区高温干旱有重要的影响(Li et al.,2018)。He et al.(2018)研究指出,6月巴伦支海海冰的减少可能激发丝绸之路遥相关波列,进一步影响东亚地区降水格局的变化。尽管大量研究表明海冰可能对环流、温度、降水等产生影响,目前关于北极海冰的影响机制等问题的研究仍具有较大的不确定性(Barnes and Screen,2015),一些学者也试图通过多集合的模式来验证这些物理过程(Seviour,2017)。因此,关于海冰影响大气的过程和物理机制仍需要更加深入的研究。

上述研究表明,巴伦支海海冰异常对中国气候变化有重要影响。但是,以往研究大多关注巴伦支海区域的海冰对环流、降水的影响,而关于北极海冰影响中国东部温度格局的物理机制的研究有限。因此,本文在前人研究的基础上,深入探究3月巴伦支海海冰的变化对8月中国东部气温空间格局的影响及其相关的物理机制。

1 资料和方法

资料包括:1)NCEP/NCAR再分析数据集,主要变量包括海平面气压,地表气温,位势高度,风场,垂直速度,地表净短波辐射,地表净长波辐射,地表潜热通量,地表感热通量,地表净云强迫短波通量等(Kalnay et al.,1996);2)ERA-Interim再分析数据集,主要变量包括土壤湿度,积雪等(Balsamo et al.,2015);3)Hadley中心的海冰密集度数据集(Rayner et al.,2003);4)利用中国2 416个站点插值而成的CN051的月平均格点数据集,主要变量包括地表气温和降水(吴佳和高学杰,2013)。本文定义巴伦支海区域为30°~60°E、72°~78°N;喀拉海区域为60~95°E、75°~80°N;东北地区为110°~135°E、42°~54°N;华南地区为110°~120°E、20°~30°N。巴伦支海海冰指数(SICI)定义为区域平均的3月巴伦支海区域的海冰;喀拉海海冰指数定义为8月喀拉海区域的海冰;中国东部温度偶极子指数(SATI)定义为区域平均的8月华南地区地表气温与东北地区地表气温的差异;8月土壤湿度指数定义为乌拉尔山西部(20°~45°E、55°~65°N,图8蓝色方框)和东亚东北部(90°~130°E、40°~55°N,图8蓝色方框)与俄罗斯西北部(50°~90°E、55°~70°N,图8红色方框)的区域平均的土壤湿度的差异;3—5月土壤湿度指数定义为乌拉尔山西部(50°~70°N、30°~55°E,图9蓝色方框)与俄罗斯西北部(60°~90°E、60°~75°N,图9红色方框)的区域平均的土壤湿度的差异。

数据时间段为1979—2018年,所有数据在使用前均进行了去线性趋势处理,其中上述定义的几个指数进一步进行了标准化处理;此外,本文用到回归分析、显著性检验、滑动相关分析等统计方法。

利用奇异值(SVD)分解法(Wallace et al.,1992;杨梦兮等,2020)研究3月北极海冰和8月中国东部温度场的相关分布特征。这里定义8月中国东部地区(105°~135°E,17°~54°N)的地表气温为右场,前期3月巴伦支海喀拉海区域(0°~90°E,65°~85°N)的海冰为左场,对两个场1979—2018年的元素进行标准化、去线性趋势处理后,进行SVD分解。

2 中国东部8月温度的变化特征及其与海冰的联系

以往研究指出,3月巴伦支海海冰的变率最大,对于春、夏季中高纬的气候变化具有重要影响(Parkinson and Cavalieri,2008;Sigrid et al.,2018)。为研究前期北极海冰和8月中国东部气温的关系,首先利用SVD方法对标准化、去线性趋势后的3月巴伦支海-喀拉海的海冰和中国东部8月的气温进行了分解,图1为SVD异类分解的第一模态的空间相关及其对应的时间序列。结果表明,当3月巴伦支海海冰偏多时(图1a),中国东部气温呈现“南暖北冷”的偶极子的空间分布特征(图1b),且巴伦支海的海冰与中国东部气温关系显著。第一模态的协方差贡献率达39.2%,二者的时间序列一致性较强,其相关系数为0.62(图1c),通过置信度为99%的显著性水平t检验。

此外,分别计算了3月巴伦支海海冰指数(SICI)和8月东部气温的偶极子指数(SATI),发现二者与其对应的第一模态时间序列的相关系数均通过置信度为95%的显著性水平t检验。由此推测,3月巴伦支海海冰偏多可能会导致中国东部8月气温的偶极子型分布。那么,3月巴伦支海海冰与8月中国东部气温的关系是否在1979—2018年间一直显著?图2a为巴伦支海海冰指数分别与东北气温、华南气温、东部偶极子型气温指数的21 a滑动相关系数。结果一致表明,在1993年后,3月北极海冰的变率与中国东部气温的关系均发生显著的增强,故选取1993—2018年作为后续的研究时段(图2b)。可以发现,华南气温(蓝)指数、中国东部偶极子型气温(黑)指数与海冰指数(阴影)的年际变化一致,而东北气温(红)的时间序列则与海冰指数的变化相反。分别计算1993—2018年东北气温指数、华南气温指数、偶极子型气温指数与3月巴伦支海海冰指数的线性相关系数,分别为-0.46、0.39、0.57,均通过置信度为95%的显著性水平t检验。以上研究表明,3月巴伦支海海冰偏多与中国东部8月华南气温偏高、东北气温偏低的中国东部偶极子型气温分布关系密切。

3 东部偶极子型温度变化的环流特征及辐射强迫特征

气温异常与地表热量收支密切相关(姚素香和张耀存,2007),图3a、b分别为中国东部偶极子型温度指数和巴伦支海海冰指数对8月地表净热通量的回归,此处定义向下为正。当中国东部气温呈现“南正北负”的偶极子型空间分布时,地表净热通量在东北地区为负异常,在华南地区为正异常。东北地区的负异常表明局地净地表热通量向上,地表降温;而华南地区的正异常表明局地的地表净热通量向下,地表增温。地表净通量在中国东部地区表现为“南暖北冷”的偶极子型空间分布(图3a,b)。此外,中国东部偶极子型温度指数和巴伦支海海冰指数对8月地表净热通量的回归结果均表现为“欧洲西部-欧亚大陆北部-中国东北-华南”的“-+-+”的沿大圆传播的遥相关路径,这一遥相关型对连接3月巴伦支海海冰异常和中国东部8月气温偶极子空间型具有重要意义,后文将对此遥相关型进一步分析。利用中国东部偶极子型温度指数分别对地表净短波辐射通量(图3c)、地表净长波辐射通量(图3d)、地表净感热通量(图3e)、地表净潜热通量(图3f)等回归,发现地表净短波通量与地表净通量关系密切,尤其在东北和华南为反位相关系(图3c),而地表净长波辐射(图3d)、地表净感热通量(图3e)在东北地区为显著的正异常,与地表净通量相反。地表潜热通量在东北为负异常(图3f),与地表净通量一致。但是地表潜热通量在华南为负异常,与地表净通量相反。由此可见,地表净短波通量的异常对地表气温的影响最强,而地表净潜热通量对于东北的温度偏低的影响也较为显著。

由于地表净短波通量异常与中国东部气温偶极子型关系密切,图4a进一步给出中国东部偶极子型温度指数对地表净云强迫短波通量的回归。可以发现,地表净云强迫短波通量在东北为显著负异常中心,而在华南为微弱的正异常,表明东北(华南)地表接收的云强迫短波通量少(多),东北(华南)上空云层对短波的阻挡作用强(弱)。结合垂直运动可以发现(图4b),当中国东部气温呈现“南暖北冷”的偶极子空间型时,东北上空盛行异常的上升运动,而华南上空则呈现为大范围的下沉运动。东北地区的上升运动使得对流不稳定发展,有利于云雨的形成,导致大气温度偏低;而华南地区的下沉运动则使得大气绝热增温,有利于高温事件的发生。此外,中高纬地区自对流层高层200 hPa到对流层低层850 hPa表现为明显的正压结构:东北地区自低层到高层均为气旋式环流异常,华南地区自低层到高层均为反气旋式环流异常(图4c,d)。在500 hPa等压面上和海平面气压场上,东北和华南分别对应位势高度场/海平面气压的正、负异常中心(图4e,f)。以上这些环流异常有利于东北地区温度偏低、华南地区温度偏高,导致中国东部气温的偶极子空间分布型。此外,与地表净通量一致,环流异常表现为从西欧到欧亚大陆中部、东北、华南的“气旋-反气旋-气旋-反气旋”的沿大圆路径传播的形式,此遥相关型与丝绸之路遥相关型的负位相有较好的一致性(Hong et al.,2018b)。

由此可见,类“丝绸之路”遥相关型的负位相及其相关的环流异常相对中国东部8月气温偶极子空间型有重要的影响。当“丝绸之路”遥相关为负(正)位相时,位势高度场在中国东部表现为“南负北正”(“南正北负”)的反位相的结构,并进一步影响局地热通量和气温的空间分布。以往研究表明,“丝绸之路”遥相关型的变化可能与大气内部变率(Hong et al.,2018a)、副热带西风急流(Hong and Lu,2016)、北大西洋海温(刘晨等,2020)、北极海冰(He et al.,2018)等多种因素的影响有关。本文则重点从北极海冰的角度出发,探讨3月巴伦支海海冰是否可以通过影响“丝绸之路”遥相关型,进一步调节8月中国东部气温偶极子型的空间分布。

4 北极海冰影响中国东部气温偶极子型的机制

图1中SVD分解的结果表明,3月巴伦支海海冰与中国东部地区8月气温的偶极子型空间分布有重要联系。而类“丝绸之路”遥相关型则显著影响中国东部气温南北偶极子型分布。那么,3月巴伦支海海冰异常是否可以影响“丝绸之路”遥相关,并进一步影响中国东部地区8月气温南北偶极子型的空间型特征呢?接下来分别从海冰的持续性及陆面过程两个途径分别进行讨论。

4.1 海冰持续性的影响

利用3月巴伦支海海冰指数对3—8月北极海冰密集度回归,结果表明,北极海冰的异常具有很好的持续性(图5)。当3月巴伦支海海冰偏多(少)时,海冰异常偏多(少)的信号可一直持续到7月,由于8月巴伦支海海冰几乎融化殆尽,其海冰异常偏多(少)的信号则维持在喀拉海。进一步计算了3月巴伦支海海冰指数与8月喀拉海海冰指数的线性相关系数,两者相关系数为0.62,通过99%显著性检验。利用3月巴伦支海海冰指数和8月喀拉海海冰指数分别对8月波通量和流函数进行回归(图6)。可以发现,当3月/8月巴伦支海/喀拉海海冰偏多(少)时,巴伦支海-喀拉海地区、乌拉尔山地区、华南地区的流函数为正异常(负异常),而欧洲西部、中国东北地区流函数为负异常(正异常),北半球表现为两条明显的波列特征(图6a,b)。一方面,海冰偏多(少)影响丝绸之路遥相关波列的传播,在300 hPa表现为明显的从西欧向东、南方向的传播路径,加强了丝绸之路遥相关波列负位相(正位相)的强度;另一方面,海冰偏多(少)导致巴伦支海-喀拉海区为局地下沉(上升)运动异常(图7c,d)和位势高度场正(负)异常(图7e,f)。巴伦支海-喀拉海区域的环流异常激发波列,并进一步向南传播。在二者共同作用下,影响中国东部南-北反位相的环流。结合垂直方向的波通量可以看出,当3月巴伦支海海冰异常偏多(少)时,可以在北极地区激发波列,波列向上传播至对流层中高层,向南传播至中国东部地区后下传(图6c,d,e),进一步影响中国东部地区的环流:在东北地区流函数为负异常(气旋式环流),华南地区流函数为正异常(反气旋式环流)。

图7为3月巴伦支海海冰指数/8月喀拉海海冰指数对8月北半球环流的回归。以往研究表明,当北极海冰减少时,秋冬季节大气向海洋输送的热通量增加,进一步影响低层大气的温度、湿度、云、静力稳定度等(Vihma,2014)。受巴伦支海海冰异常偏多(少)的影响,8月极地地区为异常的下沉(上升)运动(图7c,d)和位势高度场正(负)异常(图7e,f),环流表现为类“丝绸之路”遥相关型的负位相(正位相)(图7a,b):自欧洲西部向中国东部呈现“气旋-反气旋-气旋-反气旋”(“反气旋-气旋-反气旋-气旋”)的异常环流中心。在东北局地为位势高度场负(正)异常、气旋式(反气旋式)异常环流中心,在华南地区为位势高度场正(负)异常、反气旋式(气旋式)异常环流中心。结合前文的分析结果,沿着大圆路径传播的类“丝绸之路”遥相关型的负位相(正位相)与中国东部8月“南暖北冷”(“南冷北暖”)的偶极子空间型关系密切。由此表明,3月巴伦支海海冰正异常的信号可以持续到8月,8月喀拉海海冰偏多可能有利于“丝绸之路”遥相关波列的加强,进而影响中国东部温度偶极子型格局。

4.2 陆面过程的影响

以往研究表明,土壤湿度对大气环流、局地温度等有重要的调节作用(刘栗,2017;余波等,2020)。利用中国东部8月气温的偶极子型温度指数对同期土壤湿度回归,发现8月土壤湿度表现为明显的类似于“丝绸之路”遥相关型的空间分布特征,在中国东部表现为东北地区土壤湿度明显偏湿润,而华南地区土壤湿度略微偏干(图8b)。同时,3月巴伦支海海冰指数对8月土壤湿度的回归也表现为类似的空间格局(图8a)。以往研究表明,土壤湿度的异常信号能维持长达半年的时间(李若麟等,2016),那么,3月巴伦支海海冰异常偏多的信号是否会通过陆面过程保留在土壤中,并进一步影响夏季的大气环流及中国东部的温度异常格局呢?

首先研究8月土壤湿度异常是否与同期大气环流异常有联系。以往研究发现,当东亚地区土壤湿度偏干时,由于水汽蒸发减少,潜热释放减少,导致其地表温度偏高(宋晓君等,2016)。当3月巴伦支海海冰偏多或8月中国东部气温南暖-北冷时,土壤湿度均表现为自“西欧西伯利亚-东亚”的“+-+”的遥相关型,故选择这3个区域的土壤湿度构建土壤湿度指数,以期与“丝绸之路”遥相关型相对照。研究发现,当土壤湿度表现为上述遥相关型时,地表气温表现为自“欧洲西部-乌拉尔山脉-中国东北-华南”的“-+-+”的空间格局,与8月温度指数回归的空间格局一致(图8c,d)。以往研究表明,欧亚大陆地表的非绝热加热过程可能会激发丝绸之路遥相关的波列(Lu et al.,2002),而欧洲西部温度的负异常则有利于丝绸之路遥相关型的负位相的形成。从环流的回归结果可以发现,自欧洲西部至中国东部,在850 hPa和200 hPa表现为风场的“气旋式-反气旋式-气旋式-反气旋式”异常环流中心,在位势高度场表现为“-+-+”的异常中心,海平面气压场也与之类似。由此可见,8月土壤湿度异常的空间型与大气环流异常和温度异常关系密切。那么,这一信号能否追溯到前期巴伦支海海冰异常呢?

Sun(2017)研究指出,积雪对土壤湿度、地表热通量等有重要的影响。进一步地,3月巴伦支海海冰指数对春季(3—5月)积雪、潜热通量、地表气温、土壤湿度等变量分别回归(图9)。可以发现,当3月巴伦支海海冰偏多时,巴伦支海及其相邻的欧亚大陆西北部气温偏低,而其东侧气温略高(图9c)。此外,潜热通量在欧洲西北部表现为正异常,表明由地表释放的潜热减少,地表蒸发减少(图9b)。由于温度降低、蒸发减少,欧洲东部、亚洲西部积雪厚度增加,而其东侧积雪厚度则略微减少(图9a)。相应的,土壤湿度在欧亚大陆北部表现为明显的负异常,而在欧洲东部、亚洲西部则为正异常(图9d)。利用3—5月土壤湿度定义土壤湿度指数(见数据与方法),并对后期土壤湿度回归。研究发现,土壤湿度具有很好的持续性。受春季土壤湿度空间格局的影响,8月土壤湿度异常与前文分析的土壤湿度的空间格局基本一致,表现为“欧洲西部-乌拉尔山-中国东北-华南”的“+-+-”的空间格局(图9e)。而前文研究表明,土壤湿度的这一空间格局与类“丝绸之路”遥相关型的负位相关系密切。此波列向东部传播,在东北(华南)地区为气旋(反气旋)异常,导致局地上升(下沉)运动异常,并进一步影响地表净热通量,导致气温偏低(高),影响中国东部南北气温反位相的偶极子空间格局。

5 结论和讨论

重点研究了3月巴伦支海海冰对8月中国东部气温偶极子型的影响。当3月巴伦支海海冰偏多时,8月中国东部“南暖北冷”,反之亦然。研究表明,“丝绸之路”遥相关型的负位相是造成这种“南暖北冷”偶极子格局的重要环流,而3月巴伦支海海冰异常偏多则与“丝绸之路”遥相关的负位相关系密切。海冰对东部气温异常的影响通过两条路径实现。

一方面是海冰的持续性,3月巴伦支海海冰偏多(少)的信号可一直持续到8月,导致8月喀拉海的海冰异常明显偏多(少)。喀拉海的海冰异常偏多(少)加强“丝绸之路”遥相关负位相(正位相)波列的传播。此外,喀拉海海冰异常能够在极地激发向南传播的波列。“丝绸之路”遥相关波列和北极激发的南传波列共同影响中国东部地区的环流异常,导致东北地区为气旋式(反气旋式)异常环流,华南地区为反气旋式(气旋式)异常环流,进一步影响垂直运动和辐射强迫,导致中国东部“南暖北冷”(“南冷北暖”)的空间格局。

另一方面,当3月巴伦支海海冰偏多(少)时,春季欧洲北部温度偏低(高),欧亚大陆积雪“西多东少”(“西少东多”),土壤湿度也呈现“西湿东干”(“西干东湿”)。由于土壤具有较好的记忆性,能够将这一信号储存,并一致持续到当年8月。土壤湿度异常影响其上空环流异常,加强“丝绸之路”遥相关负位相(正位相)波列的传播,影响中国东部的环流。东北上空为上升(下沉)运动异常,华南上空为下沉(上升)运动异常,使得东北地表辐射通量减弱(增强),华南地表辐射通量增强(减弱)。在海冰持续性和陆面过程的共同作用下,最终导致“南暖北冷”(“南冷北暖”)偶极子空间格局的形成。

本文仅从海冰角度出发重点讨论对中国东部8月气温南北偶极子格局分布的影响机制,而其他因子,如北大西洋涛动和热带太平洋海温(Zhu et al.,2020a)、中高纬太平洋海温(Zhu et al.,2020b)、印度洋海温(Hu et al.,2011)、青藏高原雪盖(Wu et al.,2012;Wang et al.,2014)等气候系统内部变率及人类活动影响(袁星等,2020)等对中国东部夏季气温的影响也是不可忽视的。此外,北极海冰与气温关系发生年代际的增强的成因仍需要进行进一步的探讨。

致谢:感谢国家气候中心提供了月平均气温、降水资料;NOAA提供NCEP/NCAR再分析资料;欧洲中心提供积雪、土壤湿度资料。

参考文献