北极海冰变化对新疆冬季气温的影响研究

佟欣怡，吴秀兰，李元鹏，陈 颖，贾孜拉·拜山

（新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

在全球变暖的背景下，新疆冬季气温在20 世纪80 年代发生由冷到暖的突变，受来自极地的冷空气影响，新疆冬季极端气温事件整体呈增加趋势[1-3]。北极海冰作为极地冷源，其变化会导致北半球大气环流系统异常，对整个欧亚大陆冬季气温产生影响[4-7]。北极海冰消融会导致大气环流场的改变，西伯利亚高压强度增强，对流层乌拉尔山阻塞高压强度增强，经向风偏强，造成我国北方大部地区气温偏低[8-16]。同时，北极海冰作为外强迫因子，产生的气候效应也体现在北半球极涡、北极涛动和太平洋海温等气候要素强度和位相的改变。秋冬季北极海冰偏多年对应冬季北半球极涡面积偏大且北极涛动为正位相，中国冬季易出现暖冬[16-18]。此外，部分海冰变化在局地以负反馈机制影响海气热通量，通过海温变化作用于气温[19]。

已有研究基本围绕北极海冰变化对中国气温的影响，而对北极海冰和新疆冬季气温的关系研究甚少。本文重点分析北极海冰变化对冬季环流场的影响以及它们与新疆冬季气温之间的关系，并探讨不同区域的北极海冰变化通过影响不同气候指数从而造成新疆冬季气温的变化，为监测评价新疆冬季天气气候事件提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料

本文利用1961 年12 月—2022 年2 月新疆冬季（12 月—翌年2 月）平均气温数据、1961 年12月—2022 年2 月Hadley 中心空间分辨率为1°× 1°的北极海冰密集度数据以及美国国家冰雪数据中心（NSIDC）海冰面积和海冰范围观测资料、1961—2022 年NCEP/NCAR 再分析资料和国家气候中心气候系统监测指数。考虑气象数据的准确性以及连续性，新疆冬季平均气温单站分析使用100 个国家气象站数据（不含阿克达拉、昌吉、白杨沟、十三间房、塔中站），区域平均值选取89 个国家气象站数据。

1.2 方法

利用EOF 经验正交函数分解法、Mann-Kendall检验、滑动t 检验、累计距平和滑动平均分析北极海冰的变化趋势以及新疆冬季气温的年代际变化，在一阶差相关分析基础上确定北极海冰和新疆冬季气温的关系。考虑到大气环流的滞后性，为直观准确分析北极海冰变化时冬季大气环流特征，定义去趋势后秋冬季北极海冰面积标准差＞0.3 的年份为北极海冰偏多年，＜0.3 的年份为北极海冰偏少年[16]，得到秋季北极海冰偏多年为1987、1988、1992—1994、1996、1997、1999、2001、2004、2013、2014、2021 年，秋季北极海冰偏少年为1979—1982、1984、1985、2007、2011、2012、2016、2019、2020 年；冬季北极海冰偏多年为1989—1995、1998 年，冬季北极海冰偏少年为1980—1982、1985—1987、2007、2018年。通过合成分析法研究秋、冬季北极海冰偏多年、偏少年的高低空配置和差异场以及此配置对新疆冬季气温产生影响的机制。同时，通过相关分析法研究不同关键区北极海冰变化对不同气候指数产生的影响，进而造成新疆冬季气温的异常。

2 北极海冰和新疆冬季气温的变化特征

2.1 北极海冰时空变化特征

北极海冰范围为观测区域内海冰密集度＞15%的实际总面积，北极海冰面积为观测面积与海冰密集度乘积。1961—2021 年北极海冰范围和北极海冰面积均呈下降趋势，每10 a 分别减少0.6×106、0.2×106km2。北极海冰范围和面积的最大值均出现在1992 年，最小值均出现在2016 年。北极海冰常年存在于北极圈内，分布具有季节性，夏、秋季分布型基本一致，冬、春季分布型基本一致。北极海冰范围和面积的季平均值为春季＞冬季＞夏季＞秋季，其中冬、春季的季平均值约为夏、秋季的两倍，夏、秋季变化幅度较冬、春季明显。选取秋、冬季北极海冰进行经验正交函数分解以及M-K 检验，结果表明秋季北极海冰的突变年为1994 年，1994 年后秋季北极海冰开始大面积减少且减少速率加快。冬季北极海冰的突变年为1990 年，1990 年前白令海峡以北的海冰减少，1990 年后新地岛—格陵兰岛的海冰减少，靠近极圈的海冰增多。

2.2 新疆冬季气温异常变化特征

1961—2021 年新疆冬季平均气温每10 年升高0.4 ℃。其中，有38 a 冬季气温偏低，有23 a 气温负距平＞1.0 ℃，11 a 气温负距平＞2.0 ℃；共21 a 冬季气温偏高，有9 a 气温正距平＞1.0 ℃；其余2 a 与常年持平。1989 年新疆冬季气温为-6.3 ℃，较常年偏高1.8 ℃，偏高幅度居冬季历史第一位；1968 年新疆冬季气温为-12.7 ℃，较常年偏低4.6 ℃，偏低幅度居冬季历史第一位。滑动t 检验表明新疆冬季气温的突变年为1985 年。为了进一步了解新疆冬季气温升高的空间分布情况，选取100 个站的1991—2020 年新疆冬季气温常年值与1961—1990 年的进行相减，结果表明，新疆国家气象站温差均为正，全疆60%的测站温差＞1 ℃。其中，富蕴升温最显著，温差为3.1 ℃，霍尔果斯、察布查尔、巴里坤、吐鲁番和托里温差＞2 ℃，库车和乌什温差最小（0.3 ℃）。

3 北极海冰与新疆冬季气温的关系

通过北极海冰范围和面积与新疆冬季气温做一阶差相关分析，探讨北极海冰和新疆冬季气温在高频变化上的相关性，其相关系数分别为0.31 和0.46，均通过0.05 的显著性检验。为了更直观地了解相关分布情况，选取新疆国家气象站对北极海冰范围和面积进行相关分析，结果表明北极海冰范围和面积均与新疆大部冬季气温呈正相关（图1a、1b），通过显著性检验的测站绝大部分位于正相关区域，且北极海冰面积的变化与新疆冬季气温正相关性更显著。同时，考虑北极海冰作为稳定的外强迫因子，其影响是滞后且持久的，故选取前期以及同期的秋、冬季北极海冰面积分别与新疆冬季气温作相关分析（图1c、1d），结果表明秋、冬季北极海冰面积变化分别与新疆大部冬季气温呈正相关。对比秋季北极海冰面积与冬季北极海冰面积对新疆冬季气温的影响，秋季北极海冰面积与新疆冬季气温呈正相关的区域通过显著性检验的测站更多。

图1 北极海冰范围（a）、北极海冰面积（b）、秋季北极海冰面积（c）、冬季北极海冰面积（d）与新疆冬季气温的相关分布

4 北极海冰变化对冬季大气高低空配置的影响

4.1 海平面气压距平场

秋、冬季北极海冰偏多年和偏少年的冬季海平面气压距平场分布大体一致，秋季海冰偏多年的冬季海平面气压距平场（图2a）正距平中心在地中海和白令海峡，负距平中心在鄂霍次克海和日本海，冬季海冰偏多年的冬季海平面气压距平场（图2b）鄂霍茨克海的距平中心由负转正。秋、冬季海冰偏多年，新疆地区均以负距平为主，海平面气压偏低，西伯利亚高压偏弱，西伯利亚高压与北半球冬季气温呈现负相关，使得新疆冬季气温偏高。秋季海冰偏少年的冬季海平面气压距平场（图2c）正距平基本分布在60°N 以南地区，欧亚大陆和太平洋存在3 个正距平中心，冬季海冰偏少年，虽然正距平区的冬季海平面气压相比秋季海冰偏少年有所减弱（图2d），但西伯利亚高压系统仍偏强，有利于高纬度冷源向低纬度发展，使新疆冬季气温偏低。图2e 和图2f 也证实了秋、冬季海冰偏少年，冬季西伯利亚高压偏强，新疆冬季气温偏低。

图2 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季海平面气压距平场和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年减海冰偏多年的冬季海平面气压场差值（单位：hPa）

4.2 位势高度距平场

由图3 可知，秋季北极海冰偏多年和偏少年的冬季500 hPa 位势高度距平场（图3a、3c）区别在于西伯利亚上空的北极涡旋。秋季海冰偏少年，正距平基本在中高纬度地区，南伸至贝加尔湖，北极的升温造成北极涡旋不稳定，分裂成多股冷空气南下侵袭新疆，图3e 的差值图更直观，新疆处在正负距平交界南部，冷空气从西伯利亚南下，造成新疆冬季低温。冬季北极海冰偏多年和海冰偏少年的500 hPa位势高度距平场（图3b、3d）区别在于乌拉尔山阻塞高压强弱，冬季阻塞高压对新疆冬季气温的影响十分显著。冬季海冰偏多年，乌拉尔山至里海为负距平，乌拉尔山阻塞高压偏低。冬季海冰偏少年与之相反，槽脊系统的加强和经向环流有利于高纬度的冷空气进入中纬度地区，且阻塞高压崩溃时冷平流不再维持在槽后，直接携带大量强冷空气入侵新疆。图3f 也说明冬季海冰偏少年乌拉尔山阻塞高压强于冬季海冰偏多年，新疆冬季更易低温。

图3 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季500 hPa 位势高度距平场和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年减海冰偏多年的冬季位势高度场差值（单位：gpm）

4.3 流场距平场

秋季北极海冰偏多年，新疆冬季上空有从低纬度向中纬度输送的暖空气（图4a），而秋季北极海冰偏少年（图4c），受北极涡旋影响，新疆处于西风带，源源不断的冷空气是新疆冬季气温偏低的原因。从冬季海冰偏多年的冬季850 hPa 流场距平合成（图4b）可知，新疆位于气旋东侧，南部的暖空气推动北部冷空气，易被暖气团控制，新疆冬季气温易偏高。冬季海冰偏少年（图4d）新疆位于气旋西侧，北部的冷空气推动南部的暖空气，易被冷空气团控制，新疆冬季气温易偏低。从秋冬海冰偏少年减海冰偏多年的流场差值（图4e、4f）同样可证实，海冰偏少年更有利于冷空气南下造成新疆冬季气温偏低。

图4 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季850 hPa 流场距平场和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年减海冰偏多年的冬季流场差值（单位：m/s）

5 影响新疆冬季气温的不同海冰变化区

除西伯利亚高压、阻塞高压等直接大气环流系统外，北半球极涡面积、北极涛动和北大西洋海温等也是重要的气候要素。已有学者研究这些气候指数和中国气温以及北极海冰的关系，在此基础上，通过不同气候指数，探讨不同海区的北极海冰变化对新疆冬季气温的影响。

亚洲极涡面积增大造成极涡南压，使极地冷空气向中纬度爆发，导致中低纬地区冬季气温降低。由表1 可知，亚洲极涡面积指数与北极海冰面积和新疆冬季气温分别呈正相关和负相关。图5 为亚洲极涡面积指数与北极海冰密度集和新疆冬季气温的相关系数分布。海冰关键区位于巴伦支海—喀拉海、鄂霍次克海—白令海峡、哈德孙湾—戴维斯海峡和格陵兰海—丹麦海峡。当巴伦支海—喀拉海、鄂霍次克海—白令海峡、哈德孙湾—戴维斯海峡海冰异常偏多时，亚洲极涡面积增大，新疆大部冬季气温偏低；当格陵兰海—丹麦海峡海冰异常偏多时，亚洲极涡面积增大，新疆大部冬季气温偏高。

表1 不同气候指数与北极海冰面积、新疆冬季气温的相关系数

图5 亚洲极涡面积指数与北极海冰密集度（a）和新疆冬季气温（b）的相关系数分布

北极涛动指数为正时，北极涛动正位相，气压“南高北低”，限制了极地冷空气向南扩张，中纬度地区气温偏高；北极涛动指数为负时，北极涛动负位相，气压转为“北高南低”，中低纬度地区气温偏低。北极涛动指数与北极海冰面积和新疆冬季气温均存在正相关（表1）。北极涛动指数与北极海冰密度集和新疆冬季气温的相关系数分布（图6）表明北极海冰变化关键区位于拉普捷夫海和东西伯利亚海。当拉普捷夫海和东西伯利亚海海冰异常偏多时，北极涛动正位相，新疆大部冬季气温偏高，南疆西部山区偏低；当拉普捷夫海和东西伯利亚海海冰异常偏少时，北极涛动负位相，新疆大部冬季气温偏低，南疆西部山区偏高。

图6 北极涛动指数与北极海冰密集度（a）和新疆冬季气温（b）的相关系数分布

北大西洋海温指数表征海表温度的变化情况。北大西洋海温指数为正，海温偏高时，EU 遥相关通过温度平流抬升亚洲温度。北大西洋海温指数与北极海冰面积和新疆冬季气温分别呈负相关和正相关（表1）。由北大西洋海温指数与北极海冰密度集和新疆冬季气温的相关系数分布（图7）可知，海冰关键区位于喀拉海—拉普捷夫海和格陵兰海—丹麦海峡。喀拉海—拉普捷夫海与北大西洋海温指数呈负相关，海冰异常偏少时，北大西洋海温偏暖，全疆大部冬季气温偏高，北疆北部和天山山区冬季气温偏低；格陵兰海—丹麦海峡海冰密度集与北大西洋海温指数呈正相关，海冰异常偏少时，北大西洋海温偏冷，全疆大部冬季气温偏低，北疆北部和天山山区冬季气温偏高。

图7 北大西洋海温指数与北极海冰密集度（a）和新疆冬季气温（b）的相关系数分布

6 讨论

（1）根据上述结论，结合本文定义的海冰偏多年和海冰偏少年，通过对比新疆冬季气候影响评价发现，新疆冷冬和强冷冬年与北极海冰偏少年、暖冬和强暖冬年与北极海冰偏多年在绝大部年份都有很好的对应关系，但个别年有偏差，且当新疆冬季气温距平处于正常范围时，当年的海冰变化情况有差异，这其中的原因有待进一步研究。

（2）前人基本采用EOF 第一模态或相关性分析等方法确定海冰关键区，确定造成中国冬季气温偏低的海冰关键区基本在巴伦支海—喀拉海，本文在此基础上考虑了北半球极涡、北极涛动和北大西洋海温对北极海冰以及新疆冬季气温的影响，确定导致新疆冬季气温偏低的海冰关键区在巴伦支海—喀拉海、鄂霍次克海—白令海峡和哈德孙湾—戴维斯海峡，在一定程度上细化了影响新疆冬季气温偏低的海冰关键区。

（3）ZUO JQ 等[20]针对秋季北极海冰与欧亚冬季气温的关系，建立统计模型，以秋季北极海冰信号作为预测指标，研究中国冬季气温异常的潜在可预测性。统计模型通过秋季北极海冰异常可以很好地预测中国西北和中部地区的冬季气温。综上，影响新疆冬季气温的秋季北极海冰变化关键区以及其预报因子还需通过数值模拟以及预测模型来进一步研究确定。

7 结论

（1）北极海冰的变化与新疆大部冬季气温呈正相关。对比秋季北极海冰面积和冬季北极海冰面积对新疆冬季气温的影响，秋季北极海冰面积与新疆冬季气温呈正相关的区域通过显著性检验的测站更多。

（2）北极海冰通过影响大气高低空配置进而影响新疆冬季气温。海冰偏多年，西伯利亚高压偏低，极涡稳定在北极圈，阻塞高压偏弱，中高纬度环流呈纬向型发展，南部暖空气推动北部冷空气，环流场整体形势不利于高纬度极地冷空气南下，导致新疆冬季气温偏高，海冰偏少年与之相反，西伯利亚高压偏强，极涡不稳定，阻塞高压偏强，西风带源源不断的冷空气导致新疆冬季气温偏低。

（3）不同海区的海冰变化对新疆冬季气温的影响截然不同。格陵兰海—丹麦海峡、拉普捷夫海—东西伯利亚海海冰异常偏多时，新疆大部冬季气温偏高。巴伦支海—喀拉海、鄂霍次克海—白令海峡、哈德孙湾—戴维斯海峡海冰异常偏多时，新疆大部冬季气温偏低。