2015/2016冬季北极世纪之暖与超级厄尔尼诺对东亚气候异常的影响

贺圣平,王会军*,徐鑫萍,李靖祎

① 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;② 中国科学院 气候变化研究中心,北京 100029;③ 中国科学院 大气物理研究所 竺可桢—南森国际研究中心,北京 100029

2015/2016冬季北极世纪之暖与超级厄尔尼诺对东亚气候异常的影响

贺圣平①②③,王会军①②③*,徐鑫萍①,李靖祎①

① 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;② 中国科学院 气候变化研究中心,北京 100029;③ 中国科学院 大气物理研究所 竺可桢—南森国际研究中心,北京 100029

2016-10-08收稿，2016-11-06接受

国家重点研发计划(2016YFA0600703);国家自然科学基金资助项目(41505073)

利用1980—2016年美国国家海洋与大气管理局气候预测中心的ENSO指数和NCEP/NCAR再分析资料,研究了2015/2016年冬季北极增暖和超级厄尔尼诺对东亚气候的影响。2015/2016年冬季热带中东太平洋爆发了超级厄尔尼诺事件,尽管大气环流出现了对ENSO的响应特征(如西北太平洋反气旋异常,东亚南部南风异常),但东亚(尤其是我国东北、华北地区)1月的气温却明显偏低。分析表明,此次东亚气温偏低现象可能与2016年1月北极显著增暖有关。1980—2016年1月再分析资料的统计诊断分析结果显示,巴伦支海—喀拉海气温的升高会引起局地大气的上升运动异常,之后在下游(70～90°E附近)向南运动,并在西伯利亚地区(60～100°E,50～70°N)下沉,使得西伯利亚高压增强,其东侧的北风异常导致东亚气温偏低。基于Niño3.4指数、北极温度指数,采用多元线性拟合所得到的2016年1月东亚气温的回报结果与观测气温之间的空间系数为0.71,表明2016年1月北极增暖以及热带中东太平洋的厄尔尼诺事件能够从一定程度上解释东亚气温偏低的现象。

北极增暖

超级厄尔尼诺

东亚气温

西伯利亚高压

东亚地处欧亚大陆东部,紧邻太平洋和印度洋。独特的海陆热力差异使得该地气候呈现为典型的季风气候特征。东亚冬季风是北半球冬季最为活跃的气候系统之一。它的系统成员包括西伯利亚高压、阿留申低压、东亚大槽、东亚急流以及东亚对流层低层的偏北风(贺圣平和王会军,2012)。东亚冬季气候与东亚冬季风活动存在直接的联系:当东亚冬季风偏强时,高纬地区的干冷空气向南爆发,经常给东亚冬季带来寒潮、冰冻、暴风雪等典型的灾害性天气(王会军和范可,2013;丁一汇等,2014)。东亚气候的变率与很多因子有关,例如北极涛动(贺圣平和王会军,2012)、南极涛动(范可和王会军,2006,2007)。厄尔尼诺—南方涛动(ENSO,El Niño-Southern Oscillation)作为海—气相互作用的重要信号,与全球以及区域尺度气候均存在显著联系(何溪澄等,2008;王会军等,2012)。因此,ENSO对东亚冬季风的影响一直以来受到学术界的广泛关注。Li(1990)研究指出,当厄尔尼诺事件发生时,北半球大气环流表现为Ferrel环流、中纬度西风急流加强,使得东亚锋面位置偏北,这些大气环流形势不利于寒潮向南爆发。因此,冬季厄尔尼诺事件会导致东亚冬季风偏弱,东亚冬季偏暖。Zhang et al.(1996)指出,厄尔尼诺可以抑制赤道西太平洋上空的对流活动,在东亚沿海地区引起南风异常,从而使得东亚冬季风强度偏弱。另有研究表明,冬季我国南海地区的北风强度与ENSO指数存在显著的统计关系:异常偏强(弱)的北风通常对应于厄尔尼诺(拉尼娜)事件、强(弱)南方涛动指数(Zhang et al.,1997)。数值模拟研究表明,热带地区与ENSO有关的海气相互作用对于东亚冬季风年际变率的模拟至关重要(Gollan et al.,2012)。大量研究工作一致表明,当冬季发生厄尔尼诺事件时,东亚冬季风偏弱,东亚冬季偏暖。

另一方面,作为全球气候系统中重要的组成部分,北极气候系统的变化对欧亚气候也存在显著影响(Li and Wang,2013,2014;Zhou and Wang,2014;Chen and Wang,2015)。通过反射太阳辐射、改变大气和海洋之间的热量、动量和水汽交换平衡,北极海冰的异常可以引起大尺度大气环流的变化,进而对气候产生重要影响。早在20世纪50年代,著名气象学家陶诗言先生就曾根据天气预报经验,总结出几乎所有侵袭我国的寒潮天气的冷源都可以追溯到北冰洋(陶诗言,1959)。研究表明,秋季海冰的异常与东亚冬季气候也存在紧密的联系。当秋季巴伦支海—喀拉海海冰异常偏少时,该海域表层的感热和潜热通量出现明显异常,海洋的非绝热加热过程在大气中激发准静止Rossby波,导致下游西伯利亚高压偏强,从而使得欧洲至远东地区冬季显著偏冷(Honda et al.,2009)。北极秋季海冰的迅速减少很可能是欧亚冬季频繁出现的极寒、暴雪等极端天气主要原因之一(Liu et al.,2012)。近些年,北极增暖的气候效应也成为了研究热点。北极增暖会削弱南北温度梯度,使得输送大西洋暖湿气团的西风减弱,导致欧亚中高纬地区冬季偏冷(Outten and Esau,2012)。

尽管针对ENSO、北极海冰或北极增暖的研究已经有很多,但依然存在一个问题:当北极增暖与厄尔尼诺事件同时发生时,东亚冬季气温是偏高还是偏低?例如,2015年冬季,热带中东太平洋爆发了超级厄尔尼诺事件;在此期间,北极出现了“世纪之暖”,即12月29日北极气温从-35 ℃升至0.8 ℃。Kug et al.(2015)的研究表明,冬季巴伦支海—喀拉海地区气温异常与未来30 d以内东亚气温的异常都存在显著的负相关关系。因此,本文将主要探讨此次北极“世纪之暖”与超级厄尔尼诺对东亚1月气温的潜在影响。

1 资料和方法

本文使用的资料包括NCEP/NCAR再分析日资料(4个时次),主要为表面气温、850 hPa纬向风和经向风;月平均表面气温、海平面气压、纬向风、经向风、垂直速度以及位势高度等要素。资料选取的时段为1980—2016年。北极温度指数(ATI,Arctic Temperature Index)定义为(30～70°E,70～80°N)范围内表面气温的区域平均值(Kug et al.,2015)。Nio3.4指数采用美国国家海洋与大气管理局的气候预测中心发布的数据。

为了诊断北极增暖与东亚变冷的遥相关关系,本文采用了水平波作用通量(Fx,Fy),计算方法根据Takaya and Nakamura(2001)推导的计算公式,波作用通量可以描述准定常Rossby波的能量频散特征。

其中:p为气压;U为风速大小的气候态;u为纬向风的气候态,v为经向风的气候态;Φ为纬度,λ为为经度;a=6 378 388 m,为地球半径;地转流函数Ψ′=gz/f0,z为位势高度,g=9.8 m·s-2,为重力加速度,f0=2ΩsinΦ(Ω为地球自转速度)。

另外,为探讨北极增暖和厄尔尼诺对东亚温度的共同影响,本文采用了多元线性回归方法。其基本原理是,假定某个格点i的气温异常Ti与北极温度指数ATI、Nio3.4指数的关系是线性的;基于1980—2015年的观测值,可以得到一个回归模型,记为为Ti的估值；最后,将2016年ATI、Nio3.4的观测值代入回归方程,即可得到2016年温度异常的估值(如图1d所示)。

图1 1979—2015年冬季Nio3.4指数(a)和1980—2016年1月标准化的北极温度指数(ATI;b),以及2016年1月东亚表面气温的距平(c;℃)和基于Nio3.4指数和北极温度指数线性拟合的2016年1月表面气温异常(d;℃)Fig.1 (a,b)Standardized time series of (a)Nio3.4 during winter 1979—2015 and (b)ATI(Arctic temperature index) during January 1980—2016;(c)surface air temperature over East Asia in January 2016;(d)linear fit of the January 2016 surface air temperature anomaly(℃) with regard to Nio3.4 and ATI

2 2016年1月大尺度大气环流特征及其与北极世纪之暖和超级厄尔尼诺的关系

美国国家航空航天局在线监测数据显示,2015年冬季北极气温曾出现过一天之内急升35 ℃的情况。图2a—2l显示的是NCEP/NCAR再分析资料中2015年12月29日00时—12月31号18时(世界时,下同)北极地区表面气温(阴影)和850 hPa风场(箭矢)的情况。可以看出,29日00时,北极极点附近的气温为-35 ℃左右。随着来自北大西洋的暖流逐渐加强(箭矢),临近北大西洋的极区气温迅速上升,在29日18时气温已上升到0 ℃以上。这是有卫星探测以来,首次在12月的北极发现0 ℃以上的温度。此外,巴伦支海—喀拉海的表面气温也出现了迅速升温的过程(图2a—2l,阴影)。与此同时,赤道中东太平洋爆发了超级厄尔尼诺事件,其强度与1982/1983、1997/1998年的强度相当(图1a)。那么,此次北极“世纪之暖”和赤道中东太平洋超级厄尔尼诺事件对大尺度大气环流的影响如何呢?

图2 NCEP/NCAR再分析资料中2015年12月29日00时—至12月31日18时北极地区表面气温(阴影;℃)和850 hPa风场(箭矢;m·s-1)的情况(a—l)以及极点附近(85°N以北,0～30°E)表面气温的时间演变(m)Fig.2 Surface air temperature(shaded;℃) and 850 hPa wind velocity(vectors;m·s-1) in the Arctic (a-l)from 0000 UTC 29 December 2016 to 1800 UTC 31 December 2016;(m)temporal evolution of area-averaged surface air temperature over the area north of 85°N,within 0°—30°E

图3a给出了2016年1月850 hPa水平风场(箭矢)以及风速大小(阴影)的异常。可以看到,在副热带西北太平洋有一个明显的反气旋环流异常;在我国华南、南海随之出现南风异常,表明北风偏弱。同时,东北太平洋分布一个气旋异常。上述特征与厄尔尼诺年大气环流的异常非常一致(Wang et al.,2000)。尤其是西北太平洋的高压异常(对应反气旋环流异常)以及东北太平洋的低压异常(对应气旋异常)的出现(图3b),表明2016年1月亚太地区的大气环流确实受到了超级厄尔尼诺事件的影响。按照已有的研究经验,此时东亚的气温应该显著偏高。然而,观测事实显示,2016年1月东亚大部分地区(我国东北、华北、华东,朝鲜、韩国以及日本中部)的气温却偏低;部分地区较气候态偏低3 ℃以上(图1c)。这种温度异常与风场异常不一致的现象可以从东亚冬季风系统南、北分量来解释。Chen et al.(2014)研究指出,东亚冬季风的异常存在中纬度分量与高纬度分量,即南、北分量,其关键范围分别为(105～135°E,10～25°N;图3a:蓝色实线方框)和(110～125°E,30～50°N;图3a:蓝色虚线方框)。南分量受ENSO影响,即厄尔尼诺事件发生时,南风量偏弱。2016年1月,东亚冬季风的南部分量表现为西南风异常,表明北风确实偏弱(图3a:蓝色实线方框)。然而北分量并不受ENSO影响。从这个角度讲,在超强厄尔尼诺事件的背景下,我国华北地区依然出现明显的北风异常并不奇怪(图3b:蓝色虚线方框)。因此,2016年1月东亚气温偏低很可能是冬季风北风分量偏强所致。为了进一步确定引起2016年1月大气环流异常的能量频散源,图3c给出了同期500 hPa位势高度场异常(阴影)以及相应的波作用通量(箭矢)。可以看出,在东亚的上游巴伦支海—喀拉海至贝加尔湖有一个显著的正高度异常中心;同时,该地区明显为波作用通量的一个频散源,并向下游传播至东亚地区。研究表明,冬季大气环流的这种异常分布型与北极增暖存在显著的联系(Kug et al.,2015)。因此,2016年1月东亚的气候异常可能与北极巴伦支海—喀拉海地区温度异常偏高有关。

图3 2016年1月850 hPa水平风场(箭矢)以及风速大小(阴影;m·s-1)的异常(a),海平面气压异常(b;hPa),以及500 hPa高度场异常(阴影;gmp)以及波作用通量(m2·s-2)的空间分布(c;异常是指相对于1981—2010年气候平均态的距平;下同)Fig.3 The (a)850 hPa wind velocity(vectors) and speed(shaded areas;m·s-1) anomaly,(b)sea level pressure anomaly (hPa),and (c)500 hPa geopotential height anomaly(shaded areas;gpm) and Rossby wave activity flux(m2·s-2),in January 2016(anomalies are relative to the climatology of 1981—2010;similar hereinafter)

3 北极增暖与东亚气候的关系及可能机制

为了说明1月北极增暖与东亚气温的关系,图4a给出了北极气温指数ATI与同期气温间的线性相关关系(线性回归分析中,变量均已去除长期线性趋势;下同)。由图4可知,当北极增暖时,东亚气温明显降低。对应北极温度指数升高一个标准差的情况,东亚气温普遍降低0.6 ℃以上;部分地区降温幅度可达2 ℃。从大气环流场看,当北极增暖时,在西伯利亚地区出现一个显著的高压异常中心,即西伯利亚高压偏强;气压偏高幅度为1.2～3.6 hPa(图4b:阴影)。对应海平面气压场的变化,在贝加尔湖的西北方向分布有一个明显的反气旋环流异常(图4b:箭矢)。随之出现在贝加尔湖东北侧的北风异常有利于高纬地区的冷空气南下,导致东亚气温降低。

图4 1980—2016年1月标准化北极温度指数(ATI)线性回归的同期表面气温(阴影;℃)和海平面气压(阴影;hPa)(a)以及850 hPa水平风场(箭头;m·s-1)(b)(打点区域表示表面气温异常和海平面气压异常通过95%置信水平检验;风场只画通过95%置信水平检验的值)Fig.4 Regressions of (a)surface air temperature (shaded areas;℃) and (b)sea level pressure(shaded areas;hPa) and 850 hPa horizontal wind(vectors;m·s-1),during January 1980—2016,onto the simultaneous ATI(regression coefficients of surface air temperature and sea level pressure significant at the 95% confidence level are stippled;arrows are significant at the 95% confidence level)

图5 1980—2016年1月标准化北极温度指数(ATI)线性回归的同期垂直环流(箭矢;m·s-1)以及垂直速度(阴影;×10-3 Pa·s-1)(打点区域表示垂直速度异常通过95%置信水平检验)a.75～85°N平均;b.60～70°N平均;c.70～90°E平均Fig.5 Regressions of vertical circulation(vectors;m·s-1) and vertical velocity(shaded areas;×10-3 Pa·s-1) averaged along (a)75—85°N,(b)60—70°N,and (c)70—90°E,onto the simultaneous ATI during January 1980—2016(regression coefficients of vertical velocity significant at the 95% confidence level are stippled)

那么,北极增暖是如何引起欧亚大尺度环流异常呢?研究表明,西伯利亚高压的增强与该地区上空大气的下沉运动有关(丁一汇等,1991)。因此,为了探讨北极增暖与欧亚大陆垂直运动的关系,图5进一步给出了垂直速度投影至北极温度指数ATI的线性回归系数的剖面。显然,当巴伦支海—喀拉海地区气温升高时,其上空出现显著的上升运动异常,并向东倾斜(图5a);在科氏力作用下,在东侧(70～90°E)转向南部运动(图5c),并在西伯利亚地区下沉(图5b:60～100°E;图4c:50～70°N)。下沉运动异常引起低层大气的辐散异常,使得西伯利亚高压加强(图4b)。

图6 1980—2016年1月标准化北极温度指数(ATI)线性回归的同期流函数(等值线;×106 m2·s-1)以及波作用通量(箭矢;m2·s-2)(阴影表示流函数异常通过95%置信水平检验) a.500 hPa;b.200 hPaFig.6 Regressions of streamfunction anomaly(contours;×106 m2·s-1) and wave activity flux(vectors;m2·s-2) onto the simultaneous ATI during January 1980—2016 at (a)500 hPa and (b)200 hPa(regression coefficients of streamfunction significant at the 95% confidence level are shaded)

为进一步验证北极增暖与东亚气候的遥相关关系,图6给出了对应北极温度异常时,500 hPa和200 hPa的流函数以及波作用通量,主要用来诊断准定常Rossby波的频散特征。从流函数的空间型看,其波列特征非常明显。一个显著的正异常中心分布在巴伦支海上空;同时,显著的负异常中心位于中国中部地区。从波作用通量的传播看,其能量频散源主要分布在巴伦支海附近,与低层热力异常的区域相吻合。能量向东南方向频散,并传播至东亚地区。可见,北极温度的异常通过激发准定常Rossby波,将能量向下游频散,进而引起东亚地区的大气环流和温度的异常。

综上可知,2016年1月东亚的大气环流、温度异常是由北极增暖和热带超级厄尔尼诺共同造成。尽管超级厄尔尼诺激发了西北太平洋反气旋异常并使得东亚南部出现南风异常;但是,由于北极增暖显著,使得东亚北部的北风显著偏强,从而导致东亚1月气温依然偏低。为了进一步证明该结论,图1d给出了基于Nio3.4指数、北极温度指数ATI,通过多元线性拟合所得到的2016年1月东亚气温的回报结果。可以看出,东亚气温的回报结果与观测结果(图1b)的空间分布型非常相似;两者的空间相关系数为0.71。可见,2016年1月北极增暖以及热带太平洋的厄尔尼诺事件能够从一定程度上解释东亚气温偏低的现象。

4 结论和讨论

ENSO与东亚气候的联系一直是气候学研究的热点问题。以前大部分的研究结论均认为,冬季厄尔尼诺事件会导致东亚冬季风偏弱,东亚冬季偏暖。2016年冬季,赤道中东太平洋的爆发了超强厄尔尼诺事件,然而东亚1月的气温却明显偏低。针对此次异常现象,本文采用统计方法、动力诊断等探讨了其中的可能原因。通过分析得到的主要结论如下:

1)2016年1月大气环流确实存在对厄尔尼诺事件的明显响应,如西北太平洋反气旋,东北太平洋低压异常,东亚南部南风异常。

2)基于1980—2016年1月再分析资料的统计分析结果显示,当北极地区巴伦支海—喀拉海气温偏高时,东亚气温显著偏低。对应北极气温升高1个标准差的变化,东亚气温降低幅度在0.6～1.8 ℃。

3)巴伦支海—喀拉海偏高的气温异常主要通过引起局地大气的上升运动异常,并向南运动至西伯利亚地区(60～100°E,50～70°N)后下沉,使得西伯利亚高压增强,从而导致东亚气温偏低。准定常Rossby波的频散特征也表明,北极增暖与东亚气候

异常之间存在明显的遥相关波列。

4)2016年1月北极显著增暖,导致西伯利亚高压偏强,东亚北部北风偏强,因而东亚气温偏低。

由此可见,在关注热带中东太平洋海温对东亚冬季气候影响的同时,不能忽略北极气候系统的作用。尤其是近些年北极增暖的放大效应,经常对欧亚冬季气候尤其是极端气候事件产生显著的影响。另外,高纬地区乌拉山阻塞高压对欧亚冷空气的活动也具有重要作用。2015/2016年冬季出现在北极的世纪之暖过程中,阻塞高压起到了积极的推动作用。因此,阻塞高压很可能成为未来“北极增暖欧亚变冷”课题中重要的研究对象之一。

致谢:感谢NOAA提供的资料在线下载服务。

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Impact of Arctic warming and the super El Nio in winter 2015/2016 on the East Asian climate anomaly

HE Shengping1,2,3,WANG Huijun1,2,3,XU Xinping1,LI Jingyi1

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China;

2ClimateChangeResearchCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China;

3Nansen-ZhuInternationalResearchCentre,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

(责任编辑：张福颖)

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10.13878/j.cnki.dqkxxb.20161008002.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20161008002

*联系人，E-mail:wanghj@mail.iap.ac.cn