于怡秋,李忠賢,楊寶鋼,魏麟驍,陳晨

① 中國氣象局 沈陽大氣環(huán)境研究所,遼寧 沈陽 110166;② 南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際聯(lián)合實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;③ 沈陽區(qū)域氣候中心,遼寧 沈陽 110166;④ 重慶市氣候中心,重慶 401147;⑤ 齊齊哈爾市氣象局,黑龍江 齊齊哈爾 161006

北大西洋海表溫度存在明顯的多時間尺度變化(Battisti et al.,1995;Molinari et al.,1997;Sutton and Allen,1997;Czaja and Marshall,2001;Wu and Liu,2005)。在季節(jié)和年際尺度上,北大西洋三極型海溫異常是北大西洋變率的主要模態(tài)。北大西洋三極型海溫異常的形成很大程度上受北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation,NAO)影響(Deser and Timlin,1997;李忠賢等,2019)。三極型海溫異常反過來可以對NAO形成一個正反饋過程,在觀測數(shù)據(jù)分析和海氣耦合模式模擬研究中均得到了驗證(Deser and Blackmon,1993;Kushnir,1994;Czaja and Frankignoul,1999,2002;Watanabe and Kimoto,2000;Drévillon et al.,2001;Pan,2005)。

不同季節(jié)的北大西洋海溫對大氣環(huán)流和氣候異常均有重要影響。冬季北大西洋海溫異常激發(fā)歐亞遙相關型波列,從而影響冬季西伯利亞高壓、烏拉爾山阻塞高壓和東亞大槽,造成我國冬季氣溫異常(宗海鋒等,2008;李崇銀和顧薇,2010;Liu et al.,2014;李棟梁和藍柳茹,2017)。冬季北大西洋副極地的海溫上升會激發(fā)歐亞大陸遙相關波列,造成烏拉爾山北部地區(qū)的冬春雪蓋深度減小,引起貝加爾湖北側(cè)高度場的升高,從而導致蒙古氣旋的減少(黃鑫等,2017)。冬季北大西洋海溫異?？赏ㄟ^激發(fā)下游異常波列來影響中東急流的變化(李忠賢等,2013)。冬季北大西洋海溫異常可導致春季中國東北地區(qū)溫度異常(張霏燕和徐海明,2011)。前期冬春北大西洋海溫異?？梢约ぐl(fā)下游波列,影響烏拉爾山高壓和鄂霍次克海阻塞高壓強弱,從而影響江淮入梅時間(徐海明等,2001;Gu et al.,2009)。春季北大西洋三極型海溫異常對歐亞地面氣溫具有顯著的影響(Chen et al.,2016,2017)。Cui et al.(2015)研究指出,春季北大西洋三極型海溫異常激發(fā)出來的波列能影響春季青藏高原上空副熱帶西風急流的強度。Wu et al.(2009)研究認為,從春季持續(xù)到夏季的北大西洋三極型海溫有利于歐亞遙相關向下游發(fā)展,所激發(fā)的波列呈現(xiàn)出沿副熱帶西風急流向極一側(cè)分布,認為北大西洋三極型海溫是聯(lián)系春季北大西洋濤動和東亞夏季風的重要橋梁。春季北大西洋三極型海溫異常與我國東北夏季氣溫關系密切,是我國東北夏季氣溫的前兆信號(Wu et al.,2011)。Zuo et al.(2013)通過觀測分析和數(shù)值試驗發(fā)現(xiàn),夏季北大西洋三極型海溫異?？梢砸饢|亞夏季風強弱變化,并影響長江中下游降水(Wu et al.,2009;Zuo et al.,2013)。此外,夏季北大西洋海溫還可以通過影響熱帶緯向環(huán)流,從而對西北太平洋對流層低層異常反氣旋、西太平洋副熱帶高壓和亞洲副熱帶西風急流起調(diào)制作用(容新堯等,2010;Hong et al.,2014;何超等,2015;霍利微等,2016;任宏昌等,2017)。

綜上所述,前人的研究表明北大西洋海溫異常對歐亞大氣環(huán)流和東亞氣候具有重要的影響。我國氣溫變化復雜,具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性,高溫干旱和低溫冷凍等災害天氣可能會造成不同地區(qū)的經(jīng)濟損失和較大的社會影響,因此提高我國氣溫預測的準確性十分必要(陳麗華等,2010)。近年來,不少學者研究指出,北大西洋海溫異常對我國氣溫變化具有重要的影響(Wu et al.,2011;張霏燕和徐海明,2011;孫建奇,2014)。然而,以往的研究側(cè)重于分析北大西洋某一特定海區(qū)對我國氣溫的影響,針對夏季北大西洋三極型海溫異常與同期我國氣溫聯(lián)系的研究相對較少。因此,本論文初步探究夏季北大西洋三極型海溫與我國同期氣溫在年際尺度上的聯(lián)系,旨在進一步提升我國短期氣候預測能力。

1 資料和方法

1)英國氣象局Hadley中心提供的逐月海溫資料(Rayner et al.,2003),水平分辨率為1°×1°,時間段為1951—2016年;2)美國NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)提供的再分析資料(Kalnay et al.,1996),包括高度場、風場等,水平分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向為17層,時間段為1951—2016年;3)中國氣象局國家氣候中心提供的全國160站逐月氣溫資料,時間段為1951—2016年。

所用到的方法主要包括:經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)、相關分析和回歸分析等。夏季為6—8月平均(JJA)。本文的研究主要關注年際變化,因此所有資料均去除9 a以上的年代際變化和線性趨勢。文中所涉及的海溫場、氣溫場和大氣環(huán)流場均為年際變化分量,本文在對年際分量進行相關和回歸分析時,應用施能(2002)給出的方法計算有效自由度,然后根據(jù)有效自由度進行置信度檢驗。

2 夏季北大西洋三極型海溫異常與我國氣溫年際變化的聯(lián)系

對1951—2016年共66 a的夏季北大西洋海溫距平場進行EOF分解,第一模態(tài)在經(jīng)向上呈現(xiàn)出“-+-”的三極結(jié)構(圖略),其方差貢獻率是19.5%。為方便討論,本文將北大西洋海溫距平從熱帶至副極地呈現(xiàn)出“-+-”空間型結(jié)構稱為三極型海溫異常正位相結(jié)構,“+-+”空間型結(jié)構稱為三極型海溫異常負位相結(jié)構。將EOF分解得到的第一模態(tài)時間系數(shù)標準化值定義為夏季北大西洋三極型海溫異常(NAT,North Atlantic sea surface temperature Tripole)指數(shù)。

研究表明,北大西洋海溫異常和中國夏季氣候異常受到ENSO的影響(Klein et al.,1999;朱益民等,2007;Wu and Zhang,2010;Wu et al.,2011)。因此,在分析夏季北大西洋海溫年際異常與我國氣溫年際變化的聯(lián)系時,去除夏季北大西洋三極型海溫異常指數(shù)、氣溫和環(huán)流場中的前期冬季ENSO信號。

圖1為1951—2016年夏季NAT指數(shù)與我國同期氣溫年際異常的回歸系數(shù)分布。如圖1所示,當夏季NAT正(負)位相年,我國長江中上游氣溫異常偏低(高),尤其是西南地區(qū),這一異常關系通過了95%置信度的顯著性水平檢驗。當夏季NAT變化一個標準差時,我國西南地區(qū)氣溫異常變化0.15 ℃左右。由此可知,夏季NAT與我國同期西南地區(qū)氣溫年際異常關系密切。

圖1 夏季NAT指數(shù)與中國同期氣溫年際異常的回歸系數(shù)(單位：℃；陰影區(qū)表示通過了95%置信度的顯著性水平檢驗)Fig.1 Simultaneous regression coefficients of interannual temperature anomalies in China onto NAT index in summer (units:℃;Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

圖2 夏季SWCT指數(shù)與同期北大西洋海溫年際異常的相關系數(shù)(陰影區(qū)表示通過了95%置信度的顯著性水平檢驗)Fig.2 Simultaneous correlation coefficients between SWCT index and interannual North Atlantic SST anomalies in summer (Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

圖3 夏季NAT指數(shù)(實線)和SWCT指數(shù)(虛線)的標準化曲線(均去除前期ENSO信號)Fig.3 Normalized curves of NAT index (solid line) and SWCT index (dashed line) in summer (The previous ENSO signal are both removed)

將我國西南地區(qū)(98°～108°E,22°～30°N)平均的氣溫年際異常的標準化值定義為年際尺度的西南地區(qū)氣溫(SouthWest China Temperature,SWCT)指數(shù)。由圖2可知,我國夏季西南地區(qū)氣溫年際異常與同期北大西洋海溫年際異常相關系數(shù)大致呈現(xiàn)出由北至南“+-+”的三極結(jié)構,與夏季NAT負位相的結(jié)構類似,相關系數(shù)高值區(qū)主要分布在北大西洋中部。圖3給出夏季NAT指數(shù)與SWCT指數(shù)的標準化曲線,可以發(fā)現(xiàn)二者表現(xiàn)出較好的反向變化特征,計算表明,夏季NAT指數(shù)與SWCT指數(shù)的相關系數(shù)為-0.42(表1),通過95%置信度的顯著性水平檢驗。

表1 NAT、SWCT、BEAT指數(shù)之間的相關系數(shù)

3 可能機制

為了揭示夏季NAT與我國同期氣溫年際異常聯(lián)系的可能物理過程,將夏季NAT指數(shù)與同期位勢高度和波活動通量年際異常進行回歸分析(圖4)。由圖4可知,在200 hPa位勢高度上,從北大西洋至東亞中高緯地區(qū)呈現(xiàn)出一個“-+-+-”波列結(jié)構,負異常中心分別位于冰島、烏拉爾山和東亞上空,正異常中心分別位于西歐和貝加爾湖上空,在500 hPa和700 hPa位勢高度上呈現(xiàn)出與200 hPa類似的波列結(jié)構,北半球中高緯對流層各層大氣環(huán)流場呈現(xiàn)出相當正壓結(jié)構。這意味著夏季NAT正(負)位相可激發(fā)出從北大西洋至東亞中高緯的遙相關波列,東亞中緯度地區(qū)上空為高度場負(正)距平。波活動通量以50°W附近的北大西洋為起點,沿北半球中高緯向下游傳播至東亞地區(qū),傳播路徑與正負位勢高度中心相符。能量傳播至東亞地區(qū),進而引起東亞中緯度地區(qū)位勢高度降低,產(chǎn)生異常氣旋性環(huán)流。Rossby的傳播路徑與波列的路徑一致,進一步證明了歐亞中高緯的遙相關波列是由夏季NAT異常所激發(fā)出的。

圖4 夏季NAT指數(shù)對同期位勢高度(陰影區(qū)；單位：gpm)和波活動通量(箭矢；單位：m2/s2)年際異常的回歸系數(shù)(點陰影區(qū)表示通過了95%置信度的顯著性水平檢驗；僅給出大于等于0.01 m2/s2的波活動通量)：(a)200 hPa；(b)500 hPa；(c)700 hPaFig.4 Simultaneous regression coefficients of interannual geopotential height anomalies (shaded areas;units:gpm) and interannual wave activity flux anomalies (arrows;units:m2/s2) onto NAT index in summer (Stippled shadings indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level,and only wave activity fluxes greater than or equal to 0.01 m2/s2 are given):(a)200 hPa;(b)500 hPa;(c)700 hPa

圖5為夏季NAT指數(shù)與500 hPa、700 hPa旋轉(zhuǎn)風場年際異常的回歸系數(shù)。由圖5可知,夏季NAT激發(fā)的波列在貝加爾湖地區(qū)表現(xiàn)為反氣旋性環(huán)流異常,東亞地區(qū)表現(xiàn)為氣旋性環(huán)流異常。在500 hPa和700h Pa位勢高度上,夏季NAT正位相年,西南地區(qū)在對流層中下層位于貝加爾湖異常反氣旋性環(huán)流的東部和東亞異常氣旋性環(huán)流的西部,受異常偏北氣流的影響,偏北風將北方的冷空氣向南輸送,有利于我國西南地區(qū)氣溫降低;反之亦然。

圖5 夏季NAT指數(shù)對同期旋轉(zhuǎn)風年際異常的回歸系數(shù)(箭矢，單位：m/s；陰影區(qū)表示通過了95%置信度的顯著性水平檢驗)：(a)500 hPa；(b)700 hPaFig.5 Simultaneous regression coefficients of interannual rotational wind anomalies onto NAT index in summer (arrows,units:m/s;Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level):(a)500 hPa;(b)700 hPa

上述分析表明,與夏季NAT所激發(fā)的北半球歐亞中高緯遙相關波列相關的貝加爾湖反氣旋性環(huán)流異常和東亞氣旋性環(huán)流異常在聯(lián)系北大西洋海溫與我國西南地區(qū)氣溫年際變化中起到了重要作用。為了進一步反映貝加爾湖反氣旋性環(huán)流異常和東亞氣旋性環(huán)流異常與北大西洋三極型海溫及我國西南地區(qū)夏季氣溫年際變化的聯(lián)系,本文定義了一個貝加爾湖-東亞遙相關(Baikal-East Asia Teleconnection pattern,BEAT)指數(shù),具體為貝加爾湖附近(100°～120°E,50°～60°N)與東亞地區(qū)(110°～135°E,30°～40°N)的500 hPa位勢高度區(qū)域平均值之差,并將平均值之差再進行一次標準化處理。

圖6為夏季BEAT指數(shù)和SWCT指數(shù)與500 hPa位勢高度場年際異常的回歸系數(shù)。由6a可知,在北半球中高緯地區(qū),從北大西洋到東亞上空基本上呈現(xiàn)出“-+-+-”的遙相關波列,與圖4b類似。由此可見,貝加爾湖-東亞遙相關指數(shù)與北大西洋三極型海溫異常激發(fā)的遙相關波列具有很好的聯(lián)系。由圖6b可知,夏季SWCT指數(shù)回歸的500 hPa位勢高度年際異常場在貝加爾湖上空為位勢高度負異常,東亞上空為位勢高度正異常,與貝加爾湖-東亞遙相關指數(shù)回歸的位勢高度場基本上呈反向結(jié)構。夏季BEAT指數(shù)與我國同期氣溫年際異常的相關分布場(圖7)可知,夏季BEAT指數(shù)與長江流域大部分地區(qū)的氣溫異常存在負相關關系。

圖6 夏季BEAT指數(shù)(a)和夏季SWCT指數(shù)(b)對同期500 hPa位勢高度年際異常的回歸系數(shù)(單位：gpm；陰影區(qū)表示通過了95%置信度的顯著性水平檢驗)Fig.6 Simultaneous regression coefficients of interannual geopotential height anomalies onto (a)BEAT index and (b)SWCT index in summer (units:gpm;Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

圖7 夏季BEAT指數(shù)與中國同期氣溫年際異常的相關系數(shù)(陰影區(qū)表示通過了95%置信度的顯著性水平檢驗)Fig.7 Simultaneous correlation coefficients between BEAT index and interannual temperature anomalies in China in summer (Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

計算NAT、SWCT和BEAT指數(shù)之間的相關系數(shù)(表1),進一步分析了它們之間的相關關系。BEAT指數(shù)與NAT和SWCT指數(shù)的相關系數(shù)分別為0.55和-0.49,均通過了99%置信度的顯著性水平檢驗,表明三者是密切相關的。這進一步證明了夏季NAT可能通過貝加爾湖-東亞遙相關型來影響我國西南地區(qū)氣溫年際變化。

夏季東亞副熱帶西風急流是影響我國天氣和氣候的重要環(huán)流系統(tǒng)(況雪源和張耀存,2006)。圖8為夏季NAT指數(shù)和SWCT指數(shù)與200 hPa緯向風場年際異常的回歸系數(shù)。由圖8a可以看出,當夏季NAT正位相時,在東亞地區(qū),40°～55°N之間緯向風負異常,15°～40°N之間緯向風正異常,呈現(xiàn)出南北反向變化的結(jié)構,對應東亞副熱帶西風急流位置偏南,反映出西風急流南北位置的移動。在850 hPa到150 hPa之間,長江中上游地區(qū)有輻合上升運動(圖略),有利于西南地區(qū)的低溫的發(fā)生;反之亦然。由圖8b可知,我國西南氣溫偏高時,在東亞地區(qū),40°～50°N緯向風正異常,25°～40°N緯向風負異常,也表現(xiàn)為東亞副熱帶西風急流南北位置的變化,對應西風急流位置偏北?？梢?夏季NAT也可以通過影響夏季東亞副熱帶西風急流的南北位置變化,進而對我國西南地區(qū)氣溫變化產(chǎn)生影響。

圖8 夏季NAT指數(shù)(a)和SWCT指數(shù)(b)對同期200 hPa緯向風年際異常的回歸系數(shù)(單位：m/s；陰影區(qū)表示通過了95%置信度的顯著性水平檢驗)Fig.8 Simultaneous regression coefficients of interannual zonal wind anomalies at 200 hPa onto (a)NAT index and (b)SWCT index in summer (units:m/s;Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

4 結(jié)論

本文利用Hadley中心的海溫資料、NCEP/NCAR再分析資料及全國160站逐月氣溫資料,探討了夏季北大西洋三極型海溫異常與我國氣溫年際變化的聯(lián)系及可能機制,得到以下主要結(jié)論:

1)夏季北大西洋三極型海溫異常與我國夏季西南地區(qū)氣溫年際變化為顯著的負相關關系,兩者之間的相關系數(shù)為-0.42,通過了99%置信度的顯著性水平檢驗。當夏季北大西洋三極型海溫異常處于正(負)位相,我國夏季西南地區(qū)氣溫異常偏低(高)。

2)夏季北大西洋三極型海溫正位相異常激發(fā)的北半球中高緯歐亞遙相關波列引起貝加爾湖地區(qū)位勢高度升高,產(chǎn)生反氣旋性環(huán)流異常;東亞地區(qū)位勢高度降低,產(chǎn)生氣旋性環(huán)流異常。西南地區(qū)在對流層中下層位于貝加爾湖異常反氣旋性環(huán)流的東部和東亞異常氣旋性環(huán)流的西部,在兩者的共同作用下,受異常偏北氣流的影響,有利于冷空氣南下和堆積。此外,北大西洋三極型海溫異常也可以通過影響東亞副熱帶西風急流來影響我國西南地區(qū)氣溫。當夏季北大西洋三極型海溫異常正位相時,對流層高層的東亞副熱帶西風急流位置偏南,西南地區(qū)位于急流南側(cè)的異常上升氣流中,此種環(huán)流形勢配置將導致該地區(qū)氣溫降低;反之亦然。