欧亚大陆夏季地表温度的气候特征及与大气环流的联系

吴晓娜,孙照渤

(气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044)



欧亚大陆夏季地表温度的气候特征及与大气环流的联系

吴晓娜,孙照渤

(气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044)

采用1960—2010年NCEP/NCAR逐月再分析资料,利用经验正交函数(EOF)展开方法等,分析了欧亚大陆夏季地表温度变化特征及其与大气环流的关系。结果表明:欧亚大陆夏季地表温度的均方差在高纬度地区大于在低纬度地区。欧亚大陆夏季地表温度最主要的特征是全区一致变化,除了青藏高原东侧为降温趋势外,其他地区为变暖趋势,其中40～65°N增温明显;其次,高纬度地区表现出“-+-”变化特征。西风环流指数的变化与地表温度的增温密切相关,而EU指数与中高纬度地区地表温度异常的分布类型密切相关。根据欧亚大陆夏季地表温度的气候特征和时空变化特征,确定了5个关键区。各关键区指数都有增温趋势,但是变化特征不同。不同关键区指数的异常所对应的环流形势异常均不相同,与不同关键区地表温度密切联系的环流因子也不相同。

欧亚大陆;夏季地表温度;大气环流

0 引言

政府间气候变化专门委员会(IPCC)陆续出版了4次评估报告和1次补充报告,指出全球气温明显升高,且IPCC第4次报告(2007)指出最近50 a气温增长率是过去100 a的2倍。王绍武和叶瑾琳(1995)通过对比Vinnikov et al.(1990)、Jones(1988)及Hansen and Lebedeff(1987)与IPCC中Houghton and Callander(1992)的资料,说明近百年来气温确实有所升高,速率平均为0.5 ℃/(100 a)。王绍武(2001)认为,自1976年以来北半球中高纬度大陆地区冬、春季有强烈的增暖趋势。那济海和张耀存(2000)指出北半球夏季中高纬温度变率比冬季小。很多气象学者(Klein Tank et al.,2002;晏红明等,2005;Miyazaki and Yasunari,2008;金燕等,2012;朱春子等,2013)分别对欧洲、亚洲地区温度的时空特征进行研究,指出:欧洲大部分地区地表温度的增长率在20世纪最后25 a内达到最大;欧亚大陆的地面温度存在非常显著的区域差异性。欧亚大陆的冬季气温得到较多研究,那么欧亚大陆夏季的热力特征如何?目前这方面的研究还较少。欧亚大陆地域辽阔,地形复杂,其夏季地表温度的区域差异性也是值得研究的问题。本文拟找出能代表欧亚大陆夏季地表温度区域差异性的关键区来进行研究。NCEP/NCAR再分析资料为研究提供了可信的地表温度资料(沈学顺和木本昌秀,2007;郑旭成和陈海山,2012)。

地表温度和大气环流是相互作用、相互影响的(孙照渤和曾煜,1995;施宁和张乐英,2013)。近年来西太平洋副热带高压和极涡强度都在加强,纬向环流趋于加强,经向环流则趋于减弱,这种环流的长期趋势变化是气温长期趋势变化的一个直接原因(施能和朱乾根,1996)。有学者(Hurrell,1996;Hurrell and Van Loon,1997;龚道溢和王绍武,1999;Thompson and Wallace,2000)指出,近年来北半球气温的变化趋势的大部分变率可以由北半球中高纬度环流的变化来解释,大气环流的变化对全球气候变化有着重要作用。20世纪30年代后期Rossby(1939)最早提出了西风指数的概念,即用35°N和55°N纬圈平均的海平面气压的差反映北半球温带地区(35～55°N)西风的强弱,以此来作为定量描述大气运动基本状态的一个参数,本文采用此定义计算西风指数。当指数偏高时,强西风偏北,而当指数偏低时,强西风偏南(Namias,1950)。对西风带的研究有助于了解北大西洋地区与东亚气候相互作用的机制和全球气候变化机制(屈文军等,2004)。欧亚遥相关型呈现出纬向分布的环流异常结构,反映了北半球欧亚中高纬大气环流的异常变化。朱乾根和施能(1993)、施能等(1994)、杨修群和黄士松(1992)认为北半球500 hPa遥相关型在夏季也存在,并指出EU型与我国夏季气候关系密切。本文将采用Wallace and Gutzlerl(1981)提出的方法计算欧亚遥相关型(EU)指数。通过研究欧亚大陆夏季地表温度的变化特征及其与大气环流的关系,更加深入地了解欧亚大陆夏季气候异常。

1 资料与方法

1.1 资料

1)欧亚地表温度再分析资料为美国国家环境预测中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)发布的1960—2010年NCEP/NCAR月平均全球地表(海表)温度再分析资料,范围为0°～360°E、88.542°S～88.542°N,它是T62模式的高斯格点数据集,本文只取欧亚大陆上的格点。2)1960—2010年NCEP/NCAR全球再分析月平均海平面气压场、高度场和风场资料,空间分辨率为2.5°×2.5°。3)中国国家气候中心提供的74项环流因子。文中夏季指6—8月。

1.2 方法

采用经验正交函数展开(EOF)、相关分析等统计方法。文中运用t检验方法对相关场变量进行显著性检验。

图1 1960—2010年多年平均的夏季欧亚大陆地表温度(单位:℃)Fig.1 Distribution of mean summer land surface temperature in Eurasia from1960 to 2001(units:℃)

2 欧亚大陆夏季地表温度的时空特征分析

2.1 气候特征

夏季是欧亚大陆全年地表温度最高的季节。通过计算得到欧亚大陆51 a夏季的平均温度为17.6 ℃。由图1可见,由于受到太阳辐射的影响,除了海拔较高的区域外,等温线基本与纬线平行,地表温度随着纬度的增加而降低。由于地表温度会随海拔高度的增加而降低,青藏高原、蒙古高原的地表温度较低,等温线比平原地区密集。青藏高原以西地区的地表温度明显高于其以东地区,阿拉伯半岛的温度比中国东部的温度高5～10 ℃。从欧亚大陆的全区来看:高温中心位于阿拉伯半岛的东部,最高达到36 ℃以上;低温中心位于青藏高原和70°N以北的地区,最低温度低于6 ℃。

图2 1960—2010年欧亚大陆夏季地表温度的均方差分布(单位:℃)Fig.2 Distribution of standard deviation of summer land surface temperature in Eurasia from 1960 to 2010(units:℃)

由图2可见,高纬度地区的均方差大于低纬度地区的均方差,大于1.2 ℃的区域有:东欧平原和西西伯利亚平原西部;中西伯利亚高原及其以东地区;伊朗高原和青藏高原的交界处;蒙古高原—中国东北地区。其中,伊朗高原和青藏高原交界处的均方差最大,达3 ℃以上。

2.2 欧亚大陆夏季地表温度的EOF分析

对欧亚大陆夏季地表温度的标准化距平场进行EOF分解。表1给出了EOF前10个特征向量的方差贡献率及其累积方差贡献率,前10个模态的累积方差贡献率为72.97%。仅前两个模态的方差贡献率超过10%,能反映欧亚大陆夏季地表温度的总体特征,第三及以后的模态则不能够显著地分离开来,因此本文选取前2个模态进行分析。

表1 欧亚大陆夏季地表温度EOF模态前10个特征向量的方差贡献率和累积方差贡献率

Table 1 Variance contribution ratio and cumulative variance contribution ratio of the leading 10 eigenvectors of EOF modes of summer land surface temperature in Eurasia %

特征向量方差贡献累积方差贡献EOF121.9121.91EOF210.7132.62EOF38.2640.88EOF46.1847.06EOF55.8552.90EOF65.2658.17EOF74.6362.80EOF83.8066.61EOF93.3269.93EOF103.0472.97

由图3a可见,除了青藏高原东部的四川盆地和黄土高原是负值外,全区符号一致为正,较大值主要分布在中高纬度地区和30°N以南地区,大值中心位于西西伯利亚、黑海附近、阿拉伯半岛西南部以及中南半岛南部。其时间系数变化表明,1985年之前以负值为主,1985年之后以正值为主,总体呈增加趋势(图3b)。说明除青藏高原东侧有较小的降温趋势外,其他地区均呈现增温趋势,其中40～65°N区域及中南半岛的增温现象最明显。

由图4a可见,40°N以北的欧亚大陆中高纬地区的地表温度异常表现为“-+-”的变化特征,东欧平原中西部及中西伯利亚高原—蒙古高原地区为负值,东欧平原东部—西西伯利亚平原为正值。30～40°N范围内表现为西东反位相分布,零线位于70°E附近。低纬度地区阿拉伯半岛中部有较小的负值分布,其余地区为较小的正值分布。正值中心位于西西伯利亚平原,负值中心位于蒙古高原。从时间系数的9 a滑动平均(图4b)来看,第二模态时间系数主要表现出地表温度在1985年之前逐渐升高、之后逐渐降低的变化趋势。

3 关键区的定义及其夏季地表温度演变特征

欧亚大陆幅员辽阔,地形复杂多样,从热带气候到寒带气候,有多种气候带,欧亚大陆夏季地表温度存在着显著的差异。为了具体了解欧亚大陆夏季地表温度的状况和差异,有必要综合欧亚大陆夏季地表温度的气候特征和时空变化特征,来确定欧亚大陆的关键区。由图1可见,50°N以南区域在纬向上存在明显差异:南亚地区是平均地表温度大值中心,超过30 ℃;青藏高原是低值中心,低于15 ℃;东亚南部地区的平均温度分布均匀,空间上温差不超过3 ℃。由图2可见,东欧平原—西西伯利亚平原地区,中西伯利亚高原及以西地区,以及青藏高原地区的夏季地表温度的均方差较大,表明这些区域夏季地表温度的年际变化较大。由图4a可见,东欧平原东部—西西伯利亚平原西部与西伯利亚高原地区存在反位相的变化特征,有必要分别对这两个区域进行单独分析。

图3 1960—2010欧亚大陆夏季地表温度EOF第一模态的空间分布(a)和时间系数(b)Fig.3 (a)Spatial distribution and (b)time coefficients of the first EOF mode of summer land surface temperature over Eurasia from 1960 to 2010

图4 1960—2010年欧亚大陆夏季地表温度EOF第二模态的空间分布(a)和时间系数(b)Fig.4 (a)Spatial distribution and (b)time coefficients of the second EOF mode of summer land surface temperature over Eurasia from 1960 to 2010

为此,确定均方差大于1.2 ℃且在EOF2空间特征中表现为反位相变化的东欧平原东部—西西伯利亚平原西部和西伯利亚高原地区、温度小于15 ℃且均方差大于1.2 ℃的青藏高原地区、温度高于30 ℃的南亚地区、温度为24～27 ℃的东亚南部地区为5个关键区(图5)。表2给出了5个关键区的区域范围和经纬度范围。由于各关键区地表温度的平均值和均方差不同,为了能在同一水平上比较它们变化特征的差异性,定义能表征各关键区夏季地表温度变化特征的指数,为各关键区内夏季地表温度标准化距平,借此来描述各关键区的夏季地表温度特征。图6a—e为表征欧亚大陆关键区夏季地表温度特征的指数随时间的演变。

表2 欧亚大陆夏季地表温度的5个关键区及其经纬度范围

Table 2 The five key regions of summer land surface temperature in Eurasia and their latitude and longitude ranges

关键区区域范围经纬度范围1东欧平原东部和西西伯利亚平原西部45～75°E,50～70°N2西伯利亚高原95～130°E,60°N以北3南亚45～70°E,15～35°N4高原地区70～95°E,30～40°N5东亚南部110°E以东,20～40°N

图5 欧亚大陆夏季地表温度的关键区分布Fig.5 Distribution of key areas of summer land surface temperature in Eurasia

图6 5个关键区地表温度标准化距平的时间序列(虚线为9 a滑动平均) a.指数1;b.指数2;c.指数3;d.指数4;e.指数5Fig.6 Time series of standardized land surface temperature anomaly in the five key areas(dashed lines show the 9-yr moving average) a.Index 1;b.Index 2;c.Index 3;d.Index 4;e.Index 5

由图6可见,各关键区指数随时间的演变特征各不相同。由图6a可见,指数1随时间缓慢增加至1985年前后,之后基本维持不变,1993年后略下降,1998年后为增加趋势。由图6b可见,指数2随时间增加至1970年前后,之后略有降低,1975年后有增加趋势,至1985年后略有减小趋势,1995年之后为增加趋势;总体而言,略有增加趋势,振荡现象较明显。由图6c可见,指数3先随时间减小至1975年,之后一直为增加趋势。由图6d可见,指数4在1960—1976年为减小阶段,1977—1988年为增加阶段,1989—2003年为减小阶段,之后为增加阶段。由图6e可见,指数5整体呈上升趋势。总体而言,近51 a中5个关键区的指数都表现为增暖趋势,表明欧亚大陆夏季地表温度呈整体上升趋势,但是变暖的时间点各不相同,而且在变暖过程中均表现出振荡特征,表明5个关键区夏季地表温度的变化特征是不同的。

4 欧亚大陆夏季地表温度与大气环流的关系

4.1 地表温度指数与海平面气压场的相关关系

由图7a可见:指数1与海平面气压场的显著正相关区位于西西伯利亚平原、阿留申群岛、青藏高原南部以及太平洋中部20°N以南地区;显著负相关区位于北大西洋中部和欧洲西北部。当指数1偏高时,850 hPa风场在西西伯利亚平原存在反气旋式异常,在东欧平原西部存在气旋式异常;反之亦然。由图7b可见:当指数2偏高时,西太平洋副高略减弱,沿着欧亚大陆东岸的东西伯利亚地区—青藏高原北侧贝加尔湖以南地区—南亚地区一带气压偏高,中西伯利亚高原地区气压偏低;850 hPa风场在东欧平原和西西伯利亚地区为反气旋式异常,在中西伯利亚高原为气旋式异常;反之亦然。由图7c可见:指数3与海平面气压场的显著正相关区位于欧亚大陆东南部、北太平洋中部及非洲地区;显著负相关区位于北美洲东岸和欧洲北部西海岸附近。当指数3偏强时,北非副高和西太平洋副高偏强,850 hPa风场在欧亚大陆东部为反气旋式异常,在阿拉伯半岛和地中海以南的非洲地区为气旋式异常;反之亦然。由图7d可见:当指数4偏高时,青藏高原及其以北地区气压偏低;850 hPa风场在印度半岛—中南半岛地区为反气旋式异常,在青藏高原及其以北地区为气旋式异常,青藏高原西部由偏西南风异常环流控制,青藏高原东部由偏南风异常环流控制;反之亦然。由图7e可见:当指数5偏高时,西太平洋地区气压偏低,东亚地区、北非地区气压偏高,对应西太平洋副高偏西、北非副高偏强;850 hPa风场在贝加尔湖附近有显著的反气旋式异常,在东亚沿岸有较弱的反气旋式异常;反之亦然。这种指数与大尺度环流相关系数分布的物理意义体现在:当低层有暖平流经过时,改变了大气温度,继而改变下垫面温度。在欧亚地区,各指数与滞后一季(秋季)的海平面气压场相关不明显(图略),表明在地气相互作用中,地表温度处在相对被动的位置,主要原因在于地表没有流动性,这是与海气相互作用不同的地方(吴洪宝和庞昕,2001)。

4.2 欧亚大陆夏季地表温度与西风带和EU遥相关型的同期相关关系

西风指数的强弱,反映了中高纬大气环流的基本状态,这种状态对高纬与中低纬之间大气质量、动量及热量的交换非常重要,与半球及全球气候异常均有密切的联系。从欧亚大陆夏季地表温度EOF第1模态的空间分布(图3a)可以看出,增温带大致位于40～65°N之间,这种分布型与西风带的关系值得关注。潘守文(1994)指出,在异常发展的纬向型环流控制时期,西风带波动振幅不大且快速东移,高空西风气流强盛,气流北侧靠近高纬度地面气压为负距平,在气流南侧气压为正距平。距平场的上述特征抑制了冷暖气团的经向交换,加上高纬度空气持续冷却,中纬度增温稳定维持,最终在高纬度出现气温负距平,在中纬度出现气温正距平。由图8可见,西风指数与夏季地表温度EOF第一模态时间系数呈反位相变化,相关系数为-0.54,通过了0.01信度的显著性检验,即它们呈显著的负相关关系。当西风指数偏弱时,西风急流向极地地区移动,急流南侧气压为正距平,抑制极地冷空气向南扩散,因此欧亚大陆中高纬地区地表温度偏高;反之亦然。西风指数与关键区1指数的相关系数为-0.44,通过了0.01信度的显著性检验,与关键区2指数的相关系数为-0.19,与关键区3—5指数的相关系数均较小。

图7 5个指数与同期海平面气压场和850 hPa风场的相关系数(阴影和粗箭矢表示通过0.05信度的显著性检验) a.指数1;b.指数2;c.指数3;d.指数4;e.指数5Fig.7 Simultaneous correlation coefficients of each index in the five key areas with sea level pressure field and 850 hPa wind field,respectively(shadings and bold arrows passed the significance test at 95% confidence level) a.Index 1;b.Index 2;c.Index 3;d.Index 4;e.Index 5

图8 西风指数(实线)与EOF第一模态时间系数(虚线)的年际变化Fig.8 Interannual variations of westerly index(solid line) and time coefficients of the first EOF mode(dashed line)

图9 EU指数(实线)与EOF第二模态时间系数(虚线)的年际变化Fig.9 Interannual variations of EU index(solid line) and the time coefficients of the second EOF mode(dashed line)

欧亚大陆夏季地表温度EOF的空间分布(图4a)类似于EU型,说明欧亚大陆夏季地表温度的异常状况与EU型有密切的联系。图9给出了EU指数与夏季地表温度EOF第二模态时间系数的年际变化,二者的相关系数为0.75,通过了0.001信度的显著性检验。当EU处于正位相阶段时,夏季地表温度较易出现欧亚大陆夏季地表温度EOF第二模态(图3a)的空间分布特征,在EOF第二模态中关键区1和关键区2表现出的反位相的变化特征与EU型有密切联系。EU指数与关键区1指数的相关系数为0.62,通过了0.01信度的显著性检验,与关键区2指数的相关系数为-0.19,与关键区3—5指数的相关系数较小。

4.3 地表温度指数与环流指数的同期相关关系

由表3可知:指数1与北半球副高脊线、北非副高脊线、北非大西洋北美副高脊线的相关性较强;指数2与北非副高强度、大西洋欧洲区极涡面积、北半球极涡面积、大西洋欧洲环流的相关性较强;指数3与北半球副高脊线、北非副高强度、北非大西洋北美副高脊线、亚洲区极涡面积、北半球极涡强度的相关性较强;指数4与北半球极涡中心位置的相关性最强;指数5与亚洲区极涡面积、北半球极涡强度、北半球副高强度、西太平洋副高强度的相关性较强。北半球的极涡和副高与欧亚大陆夏季地表温度紧密联系。

5 结论

1)欧亚大陆夏季地表温度的均方差在高纬度地区大于在低纬度地区,均方差大值区位于伊朗高原和青藏高原交界处、东欧平原东部—西西伯利亚平原西部和中西伯利亚高原及以东地区。

2)欧亚大陆夏季地表温度最主要的特征是全区一致变化,除了青藏高原东侧为降温趋势外,其他地区为变暖趋势,其中40～65°N增温明显;其次,高纬度地区表现出“-+-”变化特征。西风环流指数的变化与地表温度的增温密切相关,而EU指数与中高纬度地区地表温度异常的分布类型密切相关。

3)根据欧亚大陆夏季地表温度的气候特征和时空变化特征,确定了5个关键区,并定义各关键区地表温度标准化距平的时间序列为相应指数。各关键区指数都有增温趋势,但是变化特征不同。不同指数的异常所对应的环流形势异常均不相同,且与不同关键区地表温度密切联系的环流因子也不相同。

表3 5关键区指数与不同环流指数的同期相关系数

Table 3 Simultaneous correlation coefficients between each index in the five key areas and different circulation indices

关键区环流指数相关系数北半球副高脊线0.341北非副高脊线0.33北非大西洋北美副高脊线0.362北非副高强度指数0.31大西洋欧洲区极涡面积指数-0.41北半球极涡面积指数-0.31大西洋欧洲环流型指数0.33北半球副高脊线指数0.49北非副高脊线指数0.533北非大西洋北美副高脊线指数0.54亚洲区极涡面积指数-0.41北半球极涡强度指数-0.424北半球极涡中心位置-0.315亚洲区极涡面积指数-0.54北半球极涡强度指数-0.53北半球副高强度指数0.46西太平洋副高强度指数0.41

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(责任编辑：倪东鸿)

Climatic features of summer land surface temperature in Eurasian continent and its relationship with atmospheric circulation

WU Xiao-na,SUN Zhao-bo

(Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China)

Based on the NCEP/NCAR monthly reanalysis data from 1960 to 2010,this paper analyzed the variation characteristics of summer land surface temperature in Eurasian continent and its relationship with atmospheric circulation by using the empirical orthogonal function(EOF) method.Results show that mean square deviation of Eurasian summer land surface temperature in high latitudes is greater than that in low latitudes.The main feature of summer land surface temperature in Eurasian continent is the consistent variation pattern in the whole region.Except for cooling trend on the east side of Tibetan Plateau,warming trend exists in other areas of Eurasian continent,especially in 40—65°N.Secondly,summer land surface temperature shows “-+-” anomalous pattern in high latitudes.Westerly circulation index closely relates to the warming temperature,while the EU index closely relates to the anomalous pattern of summer land surface temperature in middle and high latitudes.Based on the climate features and spatial-temporal features of summer land surface temperature in Eurasian continent,five key areas have been identified.The indices in the five key areas have warming trend,but their change features are different.The different abnormal circulation patterns correspond to the different indices in the five key areas,and the circulation factors which closely relate to land surface temperature in the five key areas are different.

Eurasian continent;summer land surface temperature;atmospheric circulation

2013-05-25；改回日期：2014-07-05

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB430202)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20131431);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306028);国家自然科学基金资助项目(41075070);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

孙照渤,教授,博士生导师,研究方向为短期气候预测,sunzb@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130525001.

1674-7097(2015)02-0195-10

P423.2

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130525001

吴晓娜,孙照渤.2015.欧亚大陆夏季地表温度的气候特征及与大气环流的联系[J].大气科学学报,38(2):195-204.

Wu Xiao-na,Sun Zhao-bo.2015.Climatic features of summer land surface temperature in Eurasian continent and its relationship with atmospheric circulation[J].Trans Atmos Sci,38(2):195-204.(in Chinese).