秋季北极海冰变化对长江中下游地区冬季气温的影响

张建军 ，张剑明 ，赵新宇，廖玉芳 ，范嘉智

(1.气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118；2.湖南省气候中心，湖南 长沙 410118；3.吉林省通化市气象局，吉林 通化 134000；4.湖南省气象科学研究所，湖南 长沙 410118；5.中国气象局气象干部培训学院湖南分院，湖南 长沙 410125)

引 言

北极海冰作为北极大气与海洋能量的交换介质，其高反射率、季节相变、流变性，对气候系统有重要影响[1-3]。秋季北极海冰通过海洋的调节机制，可对北半球冬季环流系统产生持续的滞后影响，夏秋季北极海冰融化后的广阔海水区域能够吸收大量的太阳辐射并储存于海洋内，在随后的冬季释放到大气中，从而导致冬季明显的北极放大效应[4-6]。北极放大效应进一步引起北半球中高纬度对流层低层的经向温度梯度以及1000～500 hPa等压面间厚度的经向梯度，罗斯贝波向东传播的速度、水汽和能量输送等的变化，从而影响北半球环流系统[7-9]，如可通过影响北半球极涡、东亚冬季风和西伯利亚高压进而影响中国冬季气温[9-13]。尤其是喀拉海、巴伦支海区域冬季海冰面积、密集度等的变化对东亚冬季风、西伯利亚高压强度甚至中国东北的冬季气温有重要影响[14-15]。

本文基于秋季北极海冰密集度与长江中下游地区冬季气温的相关关系，探寻除喀拉海、巴伦支海海区之外，能作为预测前兆信号的海冰关键区，同时探讨关键区海冰对长江中下游地区冬季气温的可能影响机制。

1 资料和方法

所用资料为中国气象局气象信息中心全国2290个气象站1980—2017年逐日平均气温；NECP/NCAR 1980年12月至2017年2月的月平均地面气压、500 hPa位势高度场(水平分辨率为2.5°×2.5°)，2 m气温(水平高斯格点为192×94)；海冰资料为英国哈德莱(Hadley)中心的海冰密集度资料，水平分辨率为1.0°×1.0°。由于秋季北极海冰呈显著减少趋势[16-17]，长江中下游冬季气温呈显著升高趋势[18-19]，因此文中所用资料均去除了线性趋势[20]。

本文所指的北极地区为66°N以北地区，冬季指当年12月至次年2月，如1997年冬季指1997年12月至1998年2月。研究方法为经验正交函数(EOF)分析、相关、合成及回归等常见的统计方法，用t检验对相关/回归、合成分析结果进行显著性检验。

2 秋季北极海冰对长江中下游地区冬季气温的影响

对1980—2016年长江中下游地区冬季气温进行EOF分解，图1是前两个模态空间型及相应的时间系数。第一模态的方差贡献率为81.5%，为全区一致型；第二模态的方差贡献率为7.5%，为西北、东南反向分布型。鉴于第一模态的方差贡献率较大，后文将利用第一模态空间型代表全区冬季气温分布，即长江中下游地区冬季气温呈一致变化型；对应的时间系数作为冬季气温变化的时间序列。

图1 1980—2016年长江中下游地区冬季气温EOF分解第一(a、c)、第二(b、d)模态空间型(a、b)及对应的时间系数(c、d)Fig.1 The spatial patterns (a, b) and corresponding time coefficients (c, d) of the first (a, c) and the second (b, d) mode of EOF analysis of winter temperature over the middle and low reaches of the Yangtze River during 1980-2016

2.1 秋季北极海冰与长江中下游地区冬季气温的联系

图2为冬季气温EOF分解第一模态时间系数PC1与秋季北极海冰密集度的相关系数分布。可以看出，PC1与巴伦支海(a区，48°E—52°E、70°N—76°N)、喀拉海(b区，62°E—68°E、70°N—76°N)、巴伦支海-喀拉海(c区，62°E—92°E、78°N—82°N)、拉普捷夫海以北(d区，111°E—153°E、78°N—82°N)、东西伯利亚海以东(e区，170°E—168°W、74°N—78°N)海区相关系数在0.267以上(P<0.1)，这与何金海等[21]在年际尺度上分析得到的秋季北极海冰与欧亚冬季气温高相关区较为一致。

图2 PC1与北极海冰密集度的相关系数(阴影，通过0.1显著性检验)分布Fig.2 Distribution of the correlation coefficients (shaded, the shaded areas passing the 0.1 significance test) between the PC1 and Arctic sea ice concentration

表1列出各关键区秋季海冰指数之间及其分别与长江中下游地区冬季气温PC1的相关系数。可以看出，5个关键区秋季海冰指数与PC1均存在显著正相关关系，其中以拉普捷夫海以北海区相关系数最大，喀拉海海区最小。而5个关键区秋季海冰指数的滞后1 a自相关显示，巴伦支海-喀拉海海区存在显著滞后自相关，这对于利用该关键区秋季海冰指数预测接下来的冬季气温带来了挑战，而其余4个关键区秋季海冰指数并不存在这一现象，这将有利于将4个关键区的秋季海冰密集度异常作为前兆信号来预测当年冬季气温。

表1 各关键区秋季海冰指数之间及其分别与长江中下游地区冬季气温PC1的相关系数Tab.1 The correlation coefficients between sea ice indexes in each key area and the PC1, and between sea ice indexes in different key area in autumn

由于拉普捷夫海以北海区和东西伯利亚海以东海区的秋季海冰指数与PC1的相关系数较其他指数更高，而巴伦支海-喀拉海海区秋季海冰指数存在显著滞后自相关，诸多研究又指出巴伦支海、喀拉海是北极海冰影响东亚冬季气温的关键区，并给出了不同的影响机制[12,15,22-23]，因此本文将重点分析拉普捷夫海以北及东西伯利亚海以东海区的秋季海冰密集度异常对长江中下游地区冬季气温的影响。拉普捷夫海以北与东西伯利亚海以东海区秋季海冰指数之间具有显著的正相关(P<0.001)，因此将两者进行线性平均，形成一个新的秋季海冰指数ILE。同样，ILE与长江中下游地区冬季气温PC1存在显著正相关，且不存在显著的滞后自相关。因此后文将基于这一新的指数分析秋季北极海冰对当年长江中下游地区冬季气温的影响机制。

2.2 秋季北极海冰对长江中下游地区冬季气温的影响机制

我国冬季冷暖变化与欧亚地区大气环流型密切相关[24]，当西伯利亚高压偏强时，通常中国大部分地区冬季气温偏低[25-27]；当500 hPa位势高度场上乌拉尔山地区阻塞加强，东亚大槽加深，有利于冷空气南下，使得中国冬季气温偏低[28]。图3为PC1分别与同期地面气压距平、500 hPa位势高度距平场的相关系数及秋季ILE分别回归的冬季地面气压距平场和500 hPa位势高度距平场。可以看出，当长江中下游地区冬季气温偏高时，对应的欧亚中高纬地区地面气压偏低，西太平洋、印度洋及南亚地区偏高；乌拉尔山地区500 hPa位势高度场偏低、亚洲中纬地区偏高，即西伯利亚高压、乌拉尔山阻塞高压、东亚大槽偏弱，欧亚中高纬地区以纬向环流为主时，有利于长江中下游地区冬季气温偏高。秋季北极海冰对冬季气温的影响是否与地面气压及高空环流存在某种联系呢？从秋季ILE回归的冬季地面气压距平场看，通过0.1显著性检验区域与PC1和同期地面气压距平场的显著相关区重叠，这与肖莺等[29]认为秋季北极海冰可以改变后期冬季西西伯利亚高压强度结论相同；同样从秋季ILE回归的冬季500 hPa位势高度距平来看，通过0.1显著性检验区域与PC1和同期500 hPa位势高度距平的显著相关区重叠。即ILE对冬季欧亚地区的地面气压、500 hPa位势高度有很好的指示作用，因此可将秋季拉普捷夫海以北及东西伯利亚海以东海区的海冰密集度异常作为预测当年长江中下游地区冬季气温冷暖的前兆信号。

为进一步说明海冰指数、500 hPa位势高度场、冬季气温之间的联系，将图3中高相关系数区域(黄色方框内)作为影响冬季气温的500 hPa位势高度场关键区，并以此定义500 hPa位势高度场指数，计算公式如下：

图3 PC1与同期地面气压距平场相关系数(阴影，通过0.1显著性检验), 秋季ILE回归的冬季地面气压距平场(单位：hPa)(等值线，点区为通过0.1显著性检验区域)(a)和PC1与同期500 hPa位势高度距平场的相关系数(阴影，通过0.1显著性检验)及秋季ILE回归的冬季500 hPa位势高度距平场(单位：dagpm)(等值线，点区为通过0.1显著性检验区域)(b)Fig.3 The correlation coefficients (the shaded, passing the 0.1 significance test) between the PC1 and the corresponding period surface pressure anomaly, surface pressure anomaly in winter obtained by regression on ILE in autumn (isoline, the dots areas passing the 0.1 significance test) (a), the correlation coefficients (the shaded, passing the 0.1 significance test) between the PC1 and 500 hPa geopotential height anomaly and 500 hPa geopotential heights anomaly (Unit: dagpm) in winter obtained by regression on ILE in autumn (isoline, the dots areas passing the 0.1 significance test) (b)

式中：K为500 hPa位势高度场指数；n为关键区(70°E—135°E、30°N—47.5°N)内的格点数；m为关键区(37.5°E—90°E、60°N—75°N)内的格点数，zi或zj为某格点上的位势高度。

图4为PC1及500 hPa位势高度场指数、秋季ILE的年际变化。可以看出，500 hPa位势高度场指数与PC1存在一致的变化趋势(相关系数为0.739，通过0.01的显著性检验)，而秋季ILE与PC1同样具有很好的一致性(相关系数为0.597，通过0.01的显著性检验)，此外500 hPa位势高度场指数与ILE也显著相关(相关系数为0.499，通过0.01的显著性检验)。通过以上分析，可以认为秋季北极海冰可能通过影响冬季500 hPa位势高度场来间接影响长江中下游地区冬季气温。

图4 PC1及500 hPa位势高度场指数K与秋季ILE的年际变化Fig.4 The inter-annual variation of the PC1, the 500 hPa geopotential height index (K) and autumn ILE

秋季拉普捷夫海以北及东西伯利亚海以东海区的海冰密集度与欧亚中高纬500 hPa位势高度场有很强的相关性。FRANCIS等[7]指出北极海冰通过北半球中高纬度对流层低层的经向温度梯度以及1000～500 hPa等压面层厚度的经向梯度，可影响到北半球环流系统。为此分别以正、负0.5倍标准差为阈值挑选秋季ILE偏高年(1992、1994、1996、1997、1998、2000、2001、2002、2003、2006、2013及2016年，共12 a)和偏低年(1980、1981、1982、1990、1995、2005、2007、2011、2012及2014年，共10 a)，并对秋季ILE偏高年、偏低年冬季2 m气温经向梯度作差值合成(图5)，发现欧亚中高纬中部地区出现大面积的正异常(通过0.1显著性检验)，即秋季拉普捷夫海以北及东西伯利亚海以东海区的海冰偏多(少)时，容易引起冬季欧亚中高纬中部地区2 m气温经向梯度增大(减小)。值得注意的是这一区域与图3的负相关区重叠，即北极海冰可能通过影响该区域2 m气温经向梯度来影响冬季500 hPa位势高度场，进而影响长江中下游地区冬季气温。为此，对冬季2 m气温经向梯度与位势高度场指数进行相关分析，发现两者不仅在上述区域显著正相关(P<0.1)，而且两者的显著相关区与秋季ILE高、低年的冬季2 m气温经向梯度差值合成显著区有很好的对应，即冬季2 m气温经向梯度能够影响同时期该地区500 hPa位势高度场，这与FRANCIS等[7]的结论一致。

图5 秋季ILE偏高年与偏低年的冬季2 m气温经向梯度差值合成(阴影，单位： 106 K· m-1，蓝色点通过0.1显著性检验)及冬季2 m气温经向梯度与同期500 hPa位势高度场指数的相关系数(等值线，通过0.1显著性检验)Fig.5 The composite of differences of winter meridional gradient of 2 m temperature (the shaded, Unit: 106 K· m-1, blue dots areas passing the 0.1 significance test) in years of high and low values of autumn ILE and the correlation coefficients between the meridional 2-m temperature gradient in winter and the 500 hPa geopotential heights index (isoline, passing the 0.1 significance test)

综上所述，当秋季拉普捷夫海以北及东西伯利亚海以东海区的海冰偏多(少)时，冬季欧亚中高纬中部地区近地面的气温经向梯度增大(减小)，并影响中层环流，造成乌拉尔山地区阻塞减弱(加强)，欧亚中高纬地区以纬(经)向环流为主，冷空气不易(容易)影响到长江中下游地区，进而使得该地区冬季气温偏高(偏低)(图6)。

图6 秋季北极海冰影响长江中下游地区冬季气温的概念模型Fig.6 Conceptual model of the influence of autumn Arctic sea ice on winter temperature in the middle and low reaches of the Yangtze River

3 结论与讨论

(1)秋季除喀拉海、巴伦之海的海冰密集度与长江中下游冬季气温显著正相关外，拉普捷夫海以北及东西伯利亚海以东海区的海冰与长江中下游冬季气温具有更高的相关性。

(2)秋季拉普捷夫海以北与东西伯利亚海以东海区的海冰密集度异常存在显著正相关，对两者进行线性平均后，可作为长江中下游冬季气温的前兆信号。

(3)当拉普捷夫海以北及东西伯利亚海以东海区海冰密集度偏高时，欧亚中高纬中部地区2 m气温经向梯度增大，乌拉尔山地区阻塞偏弱，欧亚中高纬地区以纬向环流为主，有利于长江中下游地区冬季气温偏高，反之亦然。

本文分析了前期秋季北极海冰变化对长江中下游地区冬季气温的可能影响，并给出了相应的影响机制。其中定义的关键区秋季海冰指数与冬季气温有很好的相关关系，但关键区秋季海冰指数异常偏高、偏低年份与冬季气温异常冷暖年份并不能完全一一对应，说明影响长江中下游地区冬季气温的外强迫因子并非仅仅是北极海冰，而是多因子协同作用的结果，康丽华等[30]指出赤道中东太平洋的异常海温对我国冬季气温的全国一致变化型具有指示意义；陈少勇等[31]发现北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切关系，且西北太平洋海温可以影响长江流域及其以北季风中部区的冬季气温。由此可见其他外强迫因子与长江中下游地区冬季气温的关系以及多因子协同影响长江中下游地区冬季气温的机理有待进一步研究。

DOI：10.1029/2009GL037274

DOI：10.1029/2010GL044136

DOI：10.1038/srepo1556

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