北冰洋纬向温度梯度对中国东北地区夏季降水影响的分析＊

时晓曚，孙雅文，孙即霖

（中国海洋大学物理海洋实验室 海洋－大气相互作用与气候实验室，山东 青岛266100）

中国东北地区地处中高纬欧亚大陆的东岸，属东亚季风气候区，气候变率较大，气候灾害频发，特别是大范围的夏季气温异常严重制约东北经济和社会的发展[1]。对中国东北区域降水预报，邹立尧等[2]采用计算趋势系数的方法，分析了东北北部冷暖旱涝的趋势，发现东北旱涝趋势变化比较复杂。Yamamoto和Hirose[3]模拟了冬季日本海的月降水量。Lee et al.[4]探究了亚洲东北地区夏季降水的变化和季风指数之间的关系，发现赤道东太平洋异常高的海温在强夏季风年前的冬天能够产生西北太平洋的强反气旋。李尚锋等[5]分析了东北典型冷、暖夏500hPa位势高度距平场和海温距平场从前冬到夏季的特征及其演变。秋冬季节日本海水偏暖时，有利于位于上空极地低压的强烈发展[6]，可影响到东北气候变化。Liu et al.[7]对中国东北地区的气候时频特征进行分析，并与大气环流特征相联系，发现气候变化为半年次的强信号，且中国东北地区气候变化与亚洲大陆和热带印度－太平洋的热力差异、亚洲大陆与中高纬北太平洋的热力差异存在联系。

高纬度巴伦支海区域可通过上下游效应影响我国气候。李震坤等[8]对欧亚积雪异常对中国夏季降水进行模拟，发现春季积雪异常激发1个从欧洲西部到东亚的500hPa高度场异常波列，我国降水呈现南北相异的态势。武炳义等[9－10]提出，冬季喀拉海、巴伦支海海冰可以影响初夏北太平洋中部海温，海冰偏多使北太平洋中部海温偏低；冬季喀拉海、巴伦支海海区是影响东亚以及北半球气候变化的关键区之一，冬季该海区海冰偏少，会导致亚洲大陆冷高压增强。但学者的研究未考虑到夏季，高纬度温度梯度对夏季环流有无影响？对夏季降水有无影响？是何种机制？本文从巴伦支海同东西伯利亚海温度梯度入手，寻找其对我国东北夏季降水的影响，为我国东北地区夏季降水预测提供参考。

1 数据资料及分析方法

本文所采用的资料为：（1）哈得莱气候预报中心（Hadley Centre for Climate Prediction and Research）1979年1月～2007年12月月平均海表面温度资料；（2）美国国家环境预测中心和大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的巴伦支海（含新地岛）以及东西伯利亚海区域2m高月平均气温场资料；月平均500hPa位势高度场资料；贝加尔湖区域海平面月平均风场资料；GPCP（Global Precipitation Climatology Project）中国东北地区月平均降水资料以及北大西洋65°N断面月平均925hPa位势高度资料，OISST（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature）资料。1979年之后卫星资料得到广泛应用，NCEP/NCAR的再分析资料以及降水资料都更加可信，因此研究资料时间起点选为1979年1月。

相关分析是研究2组变量整体关系的1种统计方法。此方法可以从2组变量的相关中提取主要信息，从而达到简化分析的目的。相关分析方法为研究2个气象场的关系和海洋与大气的相互作用提供了1种有效的分析工具，目前在大气科学和海洋科学领域里应用非常广泛[11]。合成分析方法广泛应用于气象研究中，特别是对于典型年份合成，可有效发现相近气象背景下的气候变化特点。刘秀红等[12]对山西春季干旱进行特征分析，Hu[13]采用合成方法探究夏季江淮流域降水影响因子。合成方法也常用在台风特征统计中[14－15]。

2 高纬度纬向气温梯度及其与上空位势高度的关系

由于东西伯利亚海海域有海冰覆盖，无法直接选取海表面温度场探究海温梯度。选取2m月平均气温场中巴伦支海（含新地岛）区域（24.375°E～60.000°E，71.426 2°N ～77.139 4°N）与东西伯利亚海区域（150.0°E～172.5°E，69.5217°N～75.235 1°N）（见图1）分别进行区域平均并逐月求取巴伦支海区域与东西伯利亚海区域二者之差。2m高月平均气温场资料，滤掉了大气内部高频的信号，可以认为大气对海洋的响应在2m高度上可以反映下垫面的SST异常。选取巴伦支海（22.5°E～60.0°E，65.0°N～75.0°N）和东西伯利亚区域（150.0°E～172.5°E，60.0°N～70°N）上空的500hPa位势高度场进行区域平均并逐月求取巴伦支海区域与东西伯利亚海区域二者之差。图2是纬向气温梯度与位势高度梯度的季节变化图，纬向气温梯度和位势高度梯度在4～11月变化趋势相似。不同月份气温梯度随时间的变化如图3可见。5、7、8月温差较多体现为正值且5月温差明显大于其他月份，6月温差较多存在负值，其原因可能是6月份处于大气环流转换月份。不同月份位势高度梯度随时间的变化如图4所示，并未存在某一月显著大于其他月份的情况，1980年代后期开始4个月份呈现为较一致的变化趋势。

图1 气温（点线）和500hPa位势高度（实线）区域示意图Fig.1 The area’s schema of air temperature（dotted line）and 500hPa geopotential height（solid line）

图2 北冰洋纬向气温梯度与500hPa位势高度梯度的季节变化Fig.2 Seasonal changes of zonal air temperature gradient and 500hPa geopotential height gradient

图3 1979—2011年5～8月北冰洋纬向气温梯度变化趋势图Fig.3 Zonal air temperature gradient trend chart of the Arctic Ocean in May，June，July and August from 1979to 2011

图4 1979—2011年5～8月北冰洋纬向500hPa位势高度梯度变化趋势图Fig.4 Zonal 500hPa geopotential height gradient trend chart of the Arctic Ocean in May，June，July and August from 1979to 2011

将图3和4中纬向气温梯度与纬向500hPa位势高度梯度进行逐月相关分析，5～8月气温梯度和位势高度梯度之间的相关系数分别为：0.51，0.25，0.73，0.68。相关系数除6月较小外，其余3个月份都通过了95%显著性检验。上述相关系数表明，北冰洋5～8月纬向气温梯度与500hPa位势高度梯度之间存在正相关。纬向梯度的变化有可能影响上空500hPa位势高度的变化。

3 北冰洋纬向温度梯度高年贝加尔湖海平面异常涡度合成分析

选取图3中每年5～8月气温梯度高年（气温梯度异常的正异常年）年份列于表1。表2给出的是OISST巴伦支海海温异常偏高年份。为时间上统一，都选取1982—2011年。由表1、2可见，纬向气温梯度异常的正异常年和巴伦支海海温异常偏高年份具有普遍性。将逐月纬向气温梯度和巴伦支海海温共同正异常年（下文称为纬向温度梯度高年）（表中加粗年份）所对应的贝加尔湖海平面异常涡度合成如图5。

如图5可见，5、7月份贝加尔湖海平面异常涡度体现为西负东正，负涡度出现在贝加尔湖西部和中部，6月份涡度呈现为一致正涡度，和6月份处于大气环流转换月份有关。8月份涡度异常场呈现为西正东负，负涡度位于贝加尔湖东部。异常风场也与涡度异常场相对应。图3～5以及气温梯度和位势高度梯度之间的相关系数表明，当北冰洋纬向温度梯度高时，高空对应出现位势高度梯度，巴伦支海和东西伯利亚海上空位势高度差变大，对应呈现高空脊和高空槽，贝加尔湖地区处于槽后脊前区域，在地面上易出现异常反气旋，且7、8月份随时间产生自西向东的移动。

表1 北冰洋纬向气温梯度异常的正异常年Table 1 Higher zonal air temperature gradient years of the Arctic Ocean

表2 巴伦支海海温正异常年Table 2 Higher sea surface temperature years of the Barents Sea

图5 5～8月北冰洋纬向温度梯度高年贝加尔湖（52.5°N～57.5°N，102.5°E～117.5°E）海平面异常涡度（e－5/s）和异常风场（m/s）合成图Fig.5 Composite analysis results of the Lake Baikal（52.5°N～57.5°N，102.5°E～117.5°E）sea level vorticity anomaly（e－5/s）and wind anomaly（m/s）in higher zonal temperature gradient years from May to August

4 北冰洋纬向温度梯度高年夏季东北地区降水合成分析

图6为上节中挑选的北冰洋纬向气温梯度和巴伦支海海温共同高年5～8月份东北地区降水合成图。图6a显示，5月降水负异常区域位于蒙古东部以及我国黑龙江、吉林地区，东北地区较大范围呈现降水负异常。在大气环流转型期的影响下，图6b显示，6月东北地区呈现降水正异常，内蒙古中部以及贝加尔湖东南部降水呈现负异常。7月降水负异常区域东移，内蒙古、黑龙江中西部、吉林、辽宁北部呈现降水显著减少，中心位置位于黑龙江、吉林、内蒙古三省交界位置（见图6c）。8月（见图6d）降水负异常区域面积扩大东移且强度较强，东北地区呈现整体降水负异常，中心位置位于我国黑龙江省以及吉林省。

图6 北冰洋纬向温度梯度高年夏季（5～8月）我国东北地区（38.75°N～56.25°N，103.75°E～136.25°E）异常降水（mm/d）合成图Fig.6 Composite analysis results of summer precipitation anomaly（mm/day）over Northeast China（38.75°N～56.25°N，103.75°E～136.25°E）in higher zonal temperature gradient years from May to August

5 北冰洋纬向温度梯度成因

上文说明，当北冰洋纬向（巴伦支海和东西伯利亚海）温度梯度增大，同时上空位势高度梯度增大，位于之间的贝加尔湖区域存在海平面异常负涡度，地面反气旋发展。在下沉气流的控制下，贝湖下游的蒙古、我国东北地区都随之产生夏季降水负异常，负异常中心随时间向东移，以7、8月最为显著。

不难想到，北冰洋纬向温度梯度是影响夏季东北地区降水的关键，而本文采用巴伦支海和东西伯利亚海区域平均气温差，以及巴伦支海海温来表征北冰洋纬向温度梯度。巴伦支海区域温度升高以及东西伯利亚海区域温度降低都能增大北冰洋纬向温度梯度。而前人对于巴伦支海海温变化的研究较少，而巴伦支海区域受海流以及海冰变化的影响海温变化则比较剧烈，能否找到影响巴伦支海海温的因子，从而能够提前一段时间预测北冰洋纬向温度梯度，从而预测我国东北地区夏季降水，成为本节所关注的问题。

一般情况下，按照Ekman输送理论，在北半球，上层海水质量输送偏向风的右方[16－18]，海洋表层的流动基本符合Ekman流特点。在65°N，受SST异常的影响，当大气对流层低层位势高度东部点高于西部点时，在科氏力作用下，形成偏南风气流。海洋Ekman输送产生的压强梯度力与科氏力共同作用，产生向北冰洋的质量和热力输送。所以可将925hPa点（65°N，12.5°E）的位势高度和点（65°N，15°W）的位势高度之差作为表征海面风南北向的地转分量，定性估计对北冰洋的热力影响。

表3给出了9月～次年2月65°N纬向925hPa位势高度差时间序列和次年5～8月巴伦支海区域平均海温异常时间序列之间的相关系数。相关系数大于0.36的代表通过了95%显著性检验。按照由马里兰大学（Maryland）提供的 SODA （Simple Ocean Data Assimilation）资料，65°N以北的经向输送量级约为10－1m/s，大约5～6个月可以输送到巴伦支海区域。表3中1月份的位势高度差和6、7月份的海温异常之间相关性最好，可见北大西洋1月份的位势高度差可以通过Ekman输送将低纬度暖水输送到高纬度北冰洋地区，与东西伯利亚海温度变化一起形成北冰洋纬向温度梯度，进而影响中国东部地区降水。

表3 65°N纬向925hPa位势高度差（9月～次年2月）时间序列和巴伦支海区域平均海温异常时间序列（次年5～8月）之间相关系数Table 3 The correlation coefficient between 65°N zonal 925hPa geopotential height difference（from September to the next February）time series and the Barents Sea regional average SSTA （from May to August）time series）

6 结论

（1）5～8月北冰洋纬向气温梯度与500hPa位势高度梯度之间存在正相关。纬向气温梯度的变化有可能影响上空500hPa位势高度的变化。巴伦支海和东西伯利亚海上空位势高度差变大，对应呈现高空脊和高空槽，贝加尔湖地区处于槽后脊前区域，在地面上其东部和南部较易出现异常反气旋。纬向温度梯度高年所对应的贝加尔湖海平面异常涡度合成结果表明5、7月份负涡度出现在贝加尔湖西部和中部；8月份负涡度位于贝加尔湖东部。

（2）在下沉气流的控制下，贝湖下游的蒙古、我国东北地区都随之产生夏季降水负异常，负异常中心随时间向东移，以7、8月最为显著。

（3）1月份北大西洋的海面风异常可以通过Ekman输送将低纬度暖水输送到高纬度北冰洋地区，与东西伯利亚海温度变化一起形成北冰洋纬向温度梯度，进而影响我国东部地区降水。

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