北极地区极昼气候突变现象及转型成因研究

李媛 张录军,2,4 赵鹏 郭东琳

(1 南京大学 大气科学学院, 南京 210023;2 中国高校极地联合研究中心,北京 100875;3 自然资源部北海预报中心,山东 青岛 266061;4 江苏省气候变化协同创新中心,南京 210023)

引 言

近几十年来,北极气候发生了剧烈变化,Cohen, et al[1]指出北极整体气温快速上升，升温速率超过全球的两倍。在“北极放大”效应的影响下,北极冰川、海冰及积雪快速融化,永冻层温度上升[2],进一步导致北冰洋表面蒸发加强,北极降水也大幅增加。Bintanja, et al[3]指出北极地区正逐渐向“降水主导型”转变,且向极水汽输送增加[4],导致北极整体变得更加湿润。但是受地形、下垫面、环流等影响,北极地区气温和降水变化实际存在很大的时空非均匀性。曹云锋等[5]指出近40 a北极升温主要发生在70°N以北的北极海盆中心区域,且北极地区地表气温升温幅度具有年际增大趋势[6];而大气降水则是在波弗特海及加拿大北极群岛北部相对偏少,北大西洋和太平洋地区降水则增多[7]。虽有诸多研究分析了北极地区气象因子时空变化特征,但对其综合气候效应变化特点的研究不多。因此,在揭示气温、降水等要素变化特点基础上进行气候分型及其分布规律和成因研究显得很有必要。由于某一地区气候与当地纬度、海拔、海陆分布等密切相关,因此在气候研究和预测中有必要考虑不同区域的气候分异,而气候分类技术可以从综合角度揭示气候的区域变化规律,并根据各地的气候特征对当地气候资源的利用做出指导,对研究未来气候变化有重要的意义[8]。

目前国内外学者对北极气候分型研究不多。阿里索夫[9]按照大气环流及下垫面上的差异将北极地区分为7个气候区,但这种分类方法未考虑极地温湿等因子分布特征,与客观事实不完全符合;Shear[10]根据北冰洋冰盖范围及最冷月气温定义了极地海洋性气候和陆地性气候,但由于相关资料匮乏,所得气候型边界较难界定;SONG, et al[11]在柯本分类法的基础上,利用北极气温、植被种类等对北极圈内的大陆进行了初步分类,但未涵盖北冰洋海区。整体来说,本文重点研究综合温度及降水对北极地区进行气候分型。

另外,北极气候具有季节性变化特点,在极昼与极夜期间的大气温湿状态存在显著差异:极昼期间海冰快速融化,导致下垫面反照率发生改变,这将影响下垫面对太阳辐射能量的吸收率。因此,较极夜而言,极昼期间北极地区辐射收支变化很大[2]。极昼期间海冰异常偏少也是冬季亚洲区中高纬异常纬向环流形成的诱因之一[12],主要表现为纬向西风减弱和北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)负位相,由此导致大气经向活动增强,利于极地冷空气向南入侵[13],此外还会使得秋冬季从北极至中高纬度大陆的对流层低层水汽含量增加,大气逆辐射增强导致秋冬季增温[14]。同时,极昼期间北冰洋存在更多的碎冰,而随着夏季海冰流速加大,浮冰扩散,开阔水域增多[15],也会导致北极水汽含量进一步增加[16]。因此,本文将综合考虑极昼期间的气温、降水、云量、辐射、海冰变化特征,采用模糊C均值聚类算法(Fuzzy C-Means Algorithm，FCMA)进行北极气候分型研究,确定气候转型的关键区域,探讨气候转型的变化规律及成因。

1 数据方法

1.1 数据处理

采用来自美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)1979—2018年NCEP-DOE Reanalysis II逐日数据集,包括7个气象要素:地面气温、降水率、海冰密集度、云量、比湿、向下和向上短波辐射、向下和向上长波辐射。该数据集结合了观测台站和遥感数据,具有空间分布均匀、时间尺度长、动力热力协调性高等特点,目前在北极气候研究中应用广泛[17-19]。此外,本文还使用了来自美国冰雪中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)的海冰密集度月数据,水平分辨率为1°×1°。

北极极昼和极夜则主要根据可照时数划分[20]:

(1)

其中:φ为观测点纬度(°);δ为赤纬(°);γ=34′为蒙气差。

根据公式(1)计算所得90°N处极昼期为每年第79～267 d,极昼长度为188 d,极夜期为当年第268 d—次年第78 d,长度为177 d。本文重点分析1979—2018年北极地区极昼期间的气候要素变化特征。

1.2 气候分型方法

随着气候统计学及计算机技术的发展,Anderberg[21]提出的聚类分析方法已被广泛运用到气候分型研究中,例如Mahlstein, et al[22]、Bieniek, et al[23]使用此方法分别对全球和阿拉斯加气候进行分型,国内学者也使用此方法对我国气候特征进行了分型研究[24-27]。与传统气候分类方法相比,聚类分析方法所得到的结果能体现出降水、气温等多要素的综合影响,更利于区域气候变化特征的深入分析。

本文采用的是由Bezdek[28]提出的一种基于目标函数的模糊C均值聚类算法(FCMA)。目前该方法是进行区域气候研究时使用较为广泛的聚类算法之一[29-30]。该算法基于模糊集合理论,把聚类归结成一个带约束的非线性规划过程,通过迭代优化求解,给每个样本赋予属于每个簇的隶属度函数,通过隶属度值大小来将样本归类,使得被划分到同一簇的对象之间相似度最大,而不同簇之间的相似度最小。

FCMA要求使得目标函数(公式(2))取得最小值,以实现最优化分割。

(2)

式中:y(i,j)为位置(i,j)处的要素值;vk为第k类均值,即第k类的聚类中心;μk(i,j)为要素归属于第k类的隶属度;q为聚类簇数;‖…‖表示距离测度。

(3)

(4)

根据Picard迭代规则,在以上必要条件公式(3)、(4)之间循环迭代直至收敛,即已经达到局部最优或全局最优状态,得到所需要的类别。

2 结果分析

2.1 北极极昼气候型特征及转变

在全面分析北极地区近40 a地表类型、气温和降水时空分布特征基础上(图略),通过FCMA方法,使用北极极昼期间的气温和降水要素,将北极极昼气候划分为4种气候型:寒干型、半寒干型、半暖湿型及暖湿型。表1展示了4种气候型主控区域、地表类型、温湿状态。北极地区寒干型气候主控区域位于北冰洋中西部海域及格陵兰岛,该区域平均气温在-10 ℃以下,极昼期内降水量小于100 mm;半寒干型气候主控区位于北冰洋东南部海域及加拿大北极群岛,该区域的温湿状态则略有升高,气温处于0～10 ℃之间,极昼期内降水量在100～140 mm之间;半暖湿型和暖湿型气候特点、下垫面地表类型及主控区域位置详见表1,不再赘述。

表1 北极地区极昼期间4种气候型及其特征

图1a给出了多年平均北极地区4种主导气候型空间分布形态。受地理纬度和太阳直射角的影响,北冰洋大部分海区气候以寒干型和半寒干型为主,而偏南的北极大陆则以暖湿型和半暖湿型为主。其中北冰洋中西部为寒干型、北冰洋东部边缘海区为半寒干型、欧亚大陆北部及北欧海附近为半暖湿型、北极圈附近零星陆地表现为暖湿型。虽然格陵兰岛纬度偏南,但由于其下垫面为多年冰川,该地区也主要表现为寒干型气候。可见,下垫面类型、大气环流、地表净辐射等因素与主控区域气候型紧密联系。图1b、c对比展示了1979—2018年北极海洋区和大陆区4种气候型面积的年际与年代际变化。近40 a来,北极地区寒干型气候面积正以-7.241×104km2·a-1的速率快速减少,且变化主要发生在太平洋扇区海域,而位于格陵兰岛侧的大西洋扇区变化不大(图2a)。与之相反,北极地区半寒干型气候面积正以6.489×104km2·a-1的速率快速增加(图1b),其面积增大与寒干型气候面积的减小表现为显著负相关(图1b、2b),二者相关系数达-0.93(通过α=0.05信度的显著性检验)。需要说明的是,北极半寒干型气候面积增加速率略低于寒干型气候面积的减小速率,这主要是由于近年喀拉海与巴伦支海附近的半寒干型气候正转化为半暖湿型气候(图略)。相对于寒干型和半寒干型主导区域的变化,北极地区暖湿型和半暖湿型气候的年际变化并不显著(图1b、c),仅在1999年后(半)暖湿型由略有增加(减少)，转变为较缓减少(增加),该气候变化主要发生在北极大陆(图略)。

2.2 北极极昼气候转型关键区分析

分析图1b、c可知,1998年后北极地区主导气候型由寒干型转化为半寒干型。进一步结合MK突变检验(图略)可以得出,1999年寒干型气候发生突变,其减少趋势在突变后更加剧烈。同样，半寒干型气候也在1999年发生了突变,突变前后变化速率也有所改变。因此进一步分析1979—1998年与1999—2018年寒干型、半寒干型气候区的边界变化,如图2a、b所示,可以得到其两种气候型年代际空间分布的异常变化形态。可以看出,进入2000s之后,寒干型气候区域缩小至格陵兰岛及其北侧部分海区,其东边界甚至收缩至80°N以北;1999—2018年寒干型气候区域平均面积仅为6.67×106km2,相较于1979—1998年减少了17.85%。与之相反变化的半寒干型气候,近20 a来其主导面积显著增加,原位于北冰洋东边缘的半寒干型气候区域向北扩张,半寒干型气候占据了北冰洋大部分地区。由此可见,北极地区海域气候存在着由寒干型向半寒干型转化的变化特点,尤其是在楚科奇海、东西伯利亚海及其北部区域。另外,结合分析图2c可以看出,近40 a来，楚科奇海、东西伯利亚海及其北部区域的累积降水增加非常显著,可达25.0 mm·a-1以上(通过α=0.05的置信度检验),同时增温幅度也十分显著(趋势为0.1 ℃·a-1,通过α=0.05的置信度检验)。综上,在楚科奇海、东西伯利亚海及其北部发生的气候型转型与其快速的增温增湿是相匹配的。因此本文将该区域(图2中绿色线框内)定为北极气候转型关键区(Chukchi and Eastern Siberia Sea,CES)。如图3a所示,CES关键区寒干型气候的减少和半寒干型气候的增加具有很好的同步性,且该区域寒干型和半寒干型气候的变化与这两个气候型在整个北冰洋的变化较为一致,有较好的代表性。

图1 1979—2018年多年平均北极极昼气候型的空间分布(a;蓝色:寒干型,绿色:半寒干型,黄色:半暖湿型,粉色:暖湿型);1979—2018年北极海洋(b)、北极陆地(c)4种气候型面积的年际变化曲线

图2 1979—1998年(蓝色线)及1999—2018年(红色线)北极极昼期间寒干型(a)、半寒干型(b)分布区边缘线;1979—2018年北极地表气温与年累积降水量线性趋势的空间分布(c;填色:地表气温趋势,单位:℃·a-1;黑线:年累积降水趋势,单位:mm·a-1;绿色扇形区域为CES关键区(楚科奇海—东西伯利亚海区(73°～85°N,140°E～33°W)))

2.3 北极CES关键区气候转型机制分析

图3 1979—2018年CES关键区寒干型和半寒干型气候面积年际变化曲线(a;虚线为线性回归趋势线)及转化面积指数ΔSCES的年际变化(b;黑色虚线为标准差;黄色标记为典型年份)

图4 寒干型气候主导年(a)和半寒干型气候主导年(b)合成的CES区气候型空间分布

从图3b可以看出,CES关键区典型的寒干型气候主导年大多集中在1999年前,而半寒干型主导年则主要集中于2000年以后。研究近40 a北极海冰遥感数据(NSIDC)分析发现:1999年前后该区域内海冰面积也发生了明显转变(图略)。海冰具有较高的反照率,可以反射大部分太阳辐射,还可以阻隔海—气热量交换。北极海冰范围和密集度的减小会使开阔水域和冰间水道增加,而由于水面反照率远低于冰面反照率[31],导致海洋吸收的太阳辐射能量增加,海洋获得了更多的热量,一方面加剧海冰融化,另一方面将热量释放给大气,引起气温增加。图5给出了典型的寒干型主导年和半寒干型主导年合成的海冰密集度异常的空间分布(填色区)。在半寒干型主导年CES关键区的海冰面积远远小于寒干型主导年。海冰面积越小,意味着开阔水域越多,导致半寒干型主导年下垫面获取的净短波辐射远大于寒干型主导年(图5等值线),可见海冰面积—净短波辐射—气候型转变之间存在着配置关系。此外,该海域半寒干型主导年里的开阔水域增多且气温偏高,还会造成局地大气水汽含量、云量明显高于寒干型主导年,且云量的低值、高值中心和向下长波辐射存在很好的对应关系(图6),可见在海冰面积—大气湿度—向下长波辐射—气候型转变之间也存在密切联系。统计分析发现,关键区海冰年际变化与该区域气温和降水的相关系数分别达到-0.834 4和-0.352 6(通过α=0.05信度的显著性检验),且其与转型面积指数的相关系数也高达0.659 5(通过α=0.05信度的显著性检验),综上分析表明CES关键区海冰面积变化对局地大气增暖增湿及其气候型转型起到了重要作用。

图5 寒干型气候主导年(a)、半寒干型气候主导年(b)合成的海冰密集度异常(填色,单位:%)及净短波辐射异常(等值线,单位:W·m-2)空间分布

图6 寒干型气候主导年(a、c)、半寒干型气候主导年(b、d)云量异常(a、b; 填色,单位:%)、向下长波辐射异常(a、b;等值线,单位:W·m-2)及大气比湿异常(c、d,单位:kg·kg-1)空间分布

除此之外,研究指出中高纬度大尺度环流对北极地区的增暖增湿也有一定的影响。当极涡强度较弱时,北极南部暖空气会迫使极涡向极地附近收缩,极涡面积减少,因此CES关键区温度逐渐上升,同时南部暖湿气流带来的水汽也会导致该地区降水的增加[32]。周舒等[33]的研究还指出,东西伯利亚海、楚科奇海附近夏季外来气旋活动增加,携带大量暖湿气流,使得该区域水汽含量增多,降水也逐渐增加。同时,频繁的气旋活动还导致扇区盛行南风,暖平流有利于气温的上升。因此,随着气温和降水的增加,当地气候型也逐渐发生了转变。

3 结论

本文使用1979—2018年NCEP-DOE Reanalysis II逐日再分析数据,采用模糊C均值聚类算法(FCMA),对北极极昼期间的气候进行分类研究,并在此基础上分析了气候型的转化特征及主要成因。主要结论如下:

(1)本文客观定量地将北极地区极昼期间的气候分为寒干型、半寒干型、半暖湿型及暖湿型4种气候类型,它们的主控区域、下垫面特征及其对应的气温和降水表征信息见表1。

(2)随着极区海冰快速变化,近40 a北极气候也发生转变(洋面气候比陆地气候变化更显著):寒干型气候区面积以-7.241×104km2·a-1的速率快速减少，半寒干型气候区面积以6.489×104km2·a-1的速率快速增加，半暖湿型和暖湿型气候的变化则相对较小。1999年寒干型气候面积仅为6.67×106km2左右,相较于1979—1998年减少了17.8%。1999年后北极地区主控气候型由寒干型转化为半寒干型气候为主。深入研究1999年前后期气候型转换空间分布发现:在楚科奇海和东西伯利亚海气候转型变化特别显著,是北极主控寒干型气候转型关键区域。

(3)通过合成分析发现,海冰面积—净短波辐射—大气增暖增湿—向下长波辐射—气候型转变之间存在密切联系,极昼期海冰面积异常减少对其气候转型突变起到了重要影响。CES关键区极昼期内海冰的大量减少导致局地反照率减小(冰面转成水面),净短波辐射增多,从而引起气温和空气湿度上升。而随着海冰融化造成的云量、水汽增加,下垫面接收的向下长波辐射增加,造成局地大气增暖增湿,对气候型转型也起到了重要作用。