冬季欧亚大陆热力变化特征及其与大气环流变化的关系

晏红明,梁红丽,金燕,姚愚

(1.云南省气候中心,云南 昆明 650034;2.云南省气象台,云南 昆明 650034)

冬季欧亚大陆热力变化特征及其与大气环流变化的关系

晏红明1,梁红丽2,金燕1,姚愚1

(1.云南省气候中心,云南 昆明 650034;2.云南省气象台,云南 昆明 650034)

摘要：利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了冬季欧亚大陆热力变化的空间分布特征和变化规律,发现欧亚大陆南北区域地面气温变化无论在年代际还是年际尺度上均有明显的反相特征,特别在16 a以上时间尺度的反相变化有明显锁相的趋势。通过定义一个欧亚大陆热力差异(Land Thermal Contrast,LTC)指数,进一步探讨了LTC指数变化与大气环流异常的关系,发现当欧亚大陆处于地面气温北冷(暖)南暖(冷)的正(负)位相年时,有利于500 hPa中纬度西风加强(减弱)、东亚大槽位置偏西(东)偏强(弱)、低纬度南支西风槽偏弱(强)。

关键词：欧亚大陆;地面气温;西风异常;东亚大槽;南支西风槽

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)05-0577-11P4

文献标志码：码：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140528002

Abstract:Based on the NCEP/NCAR reanalysis data,the spatial-temporal characteristics of surface temperature over Eurasia in wintertime are investigated.It is found that,on both interdecadal and interannual scales,the ground temperature variation in the north of Eurasian continent has obviously opposite characteristics compared with that in the south.Especially,the anti-phase relation has a clear phase-locking trend over 16-yr period.Thus,a land thermal contrast(LTC) index is defined in this paper and the relation between LTC index and atmospheric circulation is further investigated.Results show that the LTC index is closely related to the anomalous variations of mid-latitude westerly strength at 500 hPa,East Asian trough and southern westerly trough.When the temperature is cold in the north and warm in the south of Eurasia(i.e.during the positive phase years of LTC index),500 hPa middle latitude westerlies strengthen,East Asian trough deepens and moves westward,and southern westerly trough weakens,and vice versa.

收稿日期：2015-03-18；改回日期：2015-09-02

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41175062;41005046;41575081);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

通信作者：卢楚翰,博士,副教授,研究方向为大气环流异常及极端天气气候,luchuhan@nuist.edu.cn.

Characteristics of thermal contrast over Eurasia in wintertime

and its relation to atmospheric circulation change

YAN Hong-ming1,LIANG Hong-li2,JIN Yan1,YAO Yu1

(1.Yunnan Climate Centre,Kunming 650034,China;2.Yunnan Meteorological Observatory,Kunming 650034,China)

Key words:Eurasia;surface temperature;westerly anomaly;East Asian trough;southern westerly trough

0引言

由于海陆热力差异的季节变化是季风产生的重要因子(陈隆勋等,1991),海洋和大陆任何一方的变化都会引起季风异常活动,进而影响季风区乃至全球的气候异常。近年来,许多工作研究了海洋内部的热力差异,特别是赤道东西太平洋(ENSO)(李崇银和穆明权,1999)、赤道东西印度洋(印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD))(Saji et al.,1999)、南印度洋(南印度洋副热带偶极模(Subtropical Dipole Pattern,SDP))(Behera and Yamagata,1999;晏红明等,2009)、印度洋和太平洋之间(陈烈庭,1991;李崇银和穆明权,2001)等的区域热力差异变化特征及其对季风活动和气候异常的影响,发现这些海洋内部的热力变化差异对西南季风、东亚副热带季风和南海季风以及季风区的气候异常均有明显的影响。而作为影响亚洲季风活动的一个重要方面,欧亚大陆涵盖了全球最大的陆地面积,陆面状况又相对较为复杂。大陆内部下垫面热力变化的差异特征如何?这种差异与大气环流变化的关系怎样?对同期和后期亚洲季风活动和气候异常有什么样的影响?针对上述这些问题的研究还比较少。

欧亚大陆积雪冰盖和青藏高原动力热力变化是影响气候系统最重要的热力因子,也是目前陆气相互作用中最受关注的重要方面。冬春季欧亚大陆中高纬度地区的积雪异常不仅与东亚冬季风变化有明显的正相关关系(陈海山等,1999),对东亚和南海夏季风的爆发也有重要影响(韦志刚等,2008;于乐江和胡敦欣,2008)。许立言和武炳义(2012)研究了欧亚大陆溶雪与东亚夏季风的关系,发现春季欧亚大陆异常偏多的融雪量会促使其上空高度场正异常,并向东移动发展,引起夏季东亚地区经向波列异常,进而影响东亚夏季风活动;陈海山等(2013)最近的分析还发现,近年来欧亚大陆中高纬度春季融雪西多东少的变化差异与我国东北夏季低温的频繁出现密切联系。青藏高原在欧亚大陆上的叠加更增加了欧亚大陆下垫面影响的复杂性,大气环流季节突变、西风急流分支、常定行星系统形成的影响、冬季东亚大气环流平均场、东亚大槽、东亚急流都与青藏高原有密切联系(Bolin,1950;Liu et al.,2001;段安民等,2003;刘屹岷和钱正安,2005;周秀骥等,2009;王群等，2012)。冬、春季节青藏高原的绕流作用在高原南侧形成的印缅槽,使中印半岛和我国西南多阴雨(Yin,1949)。夏季激发的高原和西南低涡在向东移动的过程中常常造成长江中下游地区激烈天气过程(陶诗言,1980)。刘新等(2002)的进一步分析还发现青藏高原的动力热力作用对亚洲季风最早爆发的时间和地点有重要的锚定作用。

近年来,一些工作初步发现欧亚大陆类似于海洋,不同区域之间也存在范围较大的热力差异变化,但目前对大陆内部的热力变化特征及其与大气环流及气候变化关系方面的研究还不多。晏红明等(2005)对冬季亚洲地区热力变化的分析发现,亚洲大陆东北亚和东南亚之间存在明显的热力差异,并发现了这一热力差异与东亚冬夏季风的变化密切联系。随后通过对冬季范围较大的欧亚大陆区域热力变化的分析,进一步发现了欧亚大陆南北区域热力变化存在较明显的差异(金燕等,2013);沈学顺和木本昌秀(2007)的研究也同样发现了冬季欧亚大陆热力变化的差异,并发现这种热力差异从冬季至夏季具有很好的持续性。

针对目前的研究现状,本文利用1948—2007年的NCEP/NCAR月平均和日平均高低层气温、风和高度场等再分析资料,通过自然正交函数展开(EOF)、相关分析、小波分析、波谱分析、合成分析等方法,进一步研究了冬季(12月—次年2月)欧亚大陆区域热力差异变化的分布特征、变化规律和相互关系,并初步探讨了欧亚大陆热力异常与大气环流变化的联系。文中,1948年表示1948年12月—1949年2月的冬季,依此类推。

1冬季欧亚大陆区域热力差异的分布特征和变化规律

地面气温在一定程度上可以表征地球表面的热力状况,选取欧亚大陆区域(30～140°E,10～70°N),用EOF方法分析了该区域1948—2006年冬季季节平均的欧亚大陆地面气温的空间分布特征(图1)。可见占总方差贡献25.5%的第一模态(EOF1)的分布表明,35°N以北的欧亚北部地区为载荷正值区,35°N以南的南亚地区为载荷负值区,正、负载荷值分布表明南亚地区和欧亚北部地面气温变化有反位相关系,其分界线大致位于35°N附近。相应EOF1第一时间系数的变化有很显著的年代际特征,1949—1980年和1988—2006年两个时段时间系数的变化刚好相反,1952—1978年的时间系数为负,该期间内的27 a中有22 a为负值,但负值变化比较小;而1988—2006年的时间系数主要以正值为主,19 a中仅有11 a是正值;1982—1987年为时间系数正负相间变化的转换期。

地面气温第二模态(EOF2)占总方差贡献的17.6%,其分布同样表明了欧亚地区南北区域地面气温变化跷跷板式的反位相差异特征,但与EOF1不同的是南北区域地面气温偶极差异的分界线显著偏北,位于55°N附近,比EOF1所表明的分界线(35°N附近)偏北20个纬距。EOF1和EOF2时间系数的相关为0.021,表明尽管两个模态都表现了欧亚大陆南北区域热力变化的偶极差异特征,但其热力差异的范围和位置等却有很大不同,两个模态之间有很好的独立性。另外,看到EOF2载荷最大的负值区位于东亚东部,表明该区域地面气温的变化比较激烈。相应EOF2时间系数的变化除了表明这一模态热力差异变化有明显的年际特征外,还有一定的年代际特征。

本文拟主要探讨欧亚大陆不同区域的热力状况及其热力差异变化的特征,故根据EOF1分布选取正负载荷值比较大的区域进行研究。分别选取南亚(80～105°E,20～30°N)和欧亚北部(80～100°E,55～65°N,)两个区域,定义两个区域地面气温区域平均的差值(T南亚-T欧亚北部)来表示欧亚大陆地面气温的热力差异(LTC,Land Thermal Contrast)。LTC与第一模态时间系数的年际相关高达0.92,超过99%的显著性检验,表明LTC能够反映EOF1所表示的欧亚大陆热力差异特征。

图1　1948—2006年冬季欧亚大陆地面气温EOF展开第一(a,b)和第二(c,d)模态空间型(a,c)及相应的时间系数序列(b,d)Fig.1　The patterns of the (a,b)first and (c,d)second (a,c)EOF modes of surface temperature over Eurasia in wintertime during 1948—2006 and (b,d)their time coefficient series

2欧亚大陆不同区域热力状况变化的特征

2.1　南亚区域

图2为1948—2006年冬季南亚区域地面气温距平的区域平均及其相应的离散功率谱分析,可以看到南亚区域地面气温变化的年代际特征比较明显,总体经历了正—负—正三个时段,不同年代的气温平均分别为0.87、-0.52和0.93 ℃,其中最近10 a来的增暖比较明显,这一特征与全球和中国近10 a气候变化特征是相同的(《气候变化国家评估报告》编写委员会,2007)。1970年代以前属于气温偏暖时段,地面气温偏高比较明显,1948—1972年的25 a中区域平均气温仅有2 a偏低,且偏低幅度比较小;1973—1996年为气温偏低时段,地面气温明显偏低,其间的24 a中仅有3 a地面气温略偏高;1997年之后,南亚地区的气温变化又开始出现转暖的趋势,气温偏高最明显的2005年(2.2 ℃,)就出现在这一时段内,该年代的平均气温为0.93 ℃。相应时间序列的离散功率谱分析进一步表明了南亚区域地面气温变化明显的年代际特征,其显著周期为59 a,而其他年际周期却不明显(图2b)。

图2　1948—2006年南亚区域地面气温距平变化(a)及其离散功率谱(b)Fig.2　(a)Surface temperature anomalies and (b)their discrete power spectrum over South Asia region during 1948—2006

根据南亚区域地面气温的年代际特征,图3分别为相应三个不同年代地面气温距平分布,可更清楚地看到不同年代南亚区域地面气温的变化特征。1948—1972年,南亚区域气温偏高比较明显,但气温正距平区域范围较小;1973—1996年,南亚区域气温偏低,负距平值较小,通过显著性检验区域的范围也较小;1997—2006年南亚区域又转为明显的正距平区。

图3　1948—1972年(a)、1973—1996年(b)和1997—2006年(c)地面气温异常的合成分布(阴影区通过0.05信度的显著性检验；单位:℃)Fig.3　Composite surface temperature anomalies during (a)1948—1972,(b)1973—1996 and (c)1997—2006(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded;units:℃)

从图3还可以看到欧亚大陆不同区域地面气温变化的差异。1973—1996年,主要表现为南亚暖和东亚冷的变化特征,而南亚与欧亚北部地区热力变化的反相特征却不明显。1973—1996年,除南亚和西亚区域的地面气温偏低外,欧亚大部分地区的地面气温偏高,表现的欧亚大陆南北反相差异特征比较明显。而最近的1997—2006年,整个欧亚大陆均表现出了明显的增暖,其中增暖幅度较大的区域主要分布在东亚、西亚和欧亚北部,此时段内南亚与东亚和欧亚北部地面气温变化的差异不是表现为反相差异特征,而是表现为在增暖幅度上差异,增暖幅度在欧亚北部明显大于南亚。

2.2　欧亚北部区域

图4分别为1948—2006年冬季欧亚北部地面气温距平的区域平均及其相应的离散功率谱,可以看到欧亚北部地面气温有明显的增暖趋势,1980年代以后的增暖比较明显,增暖幅度也比较大,其变化除具有一定的年代际特征外,年际特征也比较明显,显著周期为59 a和2.7 a。这里以±2.0 ℃为标准选取异常年,正异常年有1948、1951、1957、1961、1962、1963、1980、1982、1983、1988、1991、1992、1994、1998、1999、2001、2003、2006年;负异常年有1959、1965、1968、1971、1973、1976、1978、1984、2000、2005年。图5是相应欧亚北部正负异常年地面气温距平的合成场。可以看到,正异常年欧亚北部为明显的正距平区,而南亚区域出现范围较小的弱负距平区,更主要的表现为北部增暖幅度大和南部增暖幅度小导致的南北差异;而负异常年,欧亚北部为明显的负距平区,南亚区域为正距平区,南北区域热力变化呈现为反位相特征。正负异常年地面气温距平合成场分布不仅显示了欧亚南北部区域地面气温变化幅度不一致产生的差异,同时也表明了欧亚北部与南亚区域地面气温变化相反的特征,这一反相差异特征在正负异常差值场分布上表现更加明显(图5c)。

图4　1948—2006年欧亚北部区域地面气温距平变化(a)及其离散功率谱(b)Fig.4　(a)Surface temperature anomalies and (b)their discrete power spectrum over northern Eurasia during 1948—2006

图5　欧亚北部正(a)、负(b)温度异常年地面气温距平的合成分布及其差值(c)(阴影区通过0.05信度的显著性检验；单位:℃)Fig.5　Composite surface temperature anomalies over northern Eurasia in the (a)positive and (b)negative temperature anomaly years and (c)their differences(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded;units:℃)

综上,欧亚大陆南部和北部区域的地面气温变化是不同的,在南亚区域的变化主要表现为明显的年代际特征,而欧亚北部区域的变化主要表现为年际波动和长周期变化特征。从以上分析可知,无论是南亚区域地面气温的年代际特征明显的时段,还是欧亚北部区域地面气温的年际异常比较明显的年份,在一定程度上均显示出了欧亚北部和南亚区域增温幅度不一致产生的热力差异和南北区域热力变化相反产生的热力差异,其中增温幅度不一致主要表现为北部增暖明显高于南部,这一现象在20世纪90年代之后的表现比较明显。

3南亚和欧亚北部区域热力变化的相互关系及其差异

本节进一步讨论南亚和欧亚北部区域热力变化的相互关系及其热力差异变化的特征。由于这两个区域地面气温变化幅度的差异显著,故对两个区域的时间序列数据进行标准化处理后再进行分析。

图6为1948—2006年南亚和欧亚北部区域平均的地面气温距平及其差值的标准化系列,可以看到大部年份两个区域地面气温的变化刚好相反,反相关系数为-0.26,通过了95%的显著性检验,其中,两个时间系列1958—2006年期间的反相关关系更加明显,负相关系数高达-0.38,通过了99%的显著性检验。

图6　1948—2006年冬季南亚(实线)和欧亚北部(虚线)区域平均的地面气温标准化距平及其差值(柱形)Fig.6　Normalized anomalies of the regionally averaged surface temperature in South Asia(solid line) and northern Eurasia(dashed line) and their differences(bars) in wintertime during 1948—2006

两个区域的热力变化除了在年际尺度上存在显著的反相关关系外,在年代际尺度上也有明显的反相关。图7分别为南亚和欧亚北部区域平均地面气温11a和21 a的滑动相关,可以看到11 a和21 a时间尺度上均表现出了明显的反相变化关系。其中,21 a时间尺度上所表现出的反相变化关系更加明显,特别在1971—1987年期间,大部分时段的滑动负相关系数通过了95%的显著性检验;11 a滑动负相关在1960年代中前期、1970年代后期—1980年代前期和1990年代前期也比较明显,通过了95%的显著性检验。另外,11 a和21 a滑动相关均表明,在1950年代和1990年代中后期之后的时段,两个区域地面气温的反位相变化特征相对较弱。

图7　冬季南亚与欧亚北部区域平均的地面气温的11 a(a)和21 a(b)滑动相关系数Fig.7　The (a)11-yr and (b)21-yr running correlation coefficients between surface temperature over South Asia and that over northern Eurasia in wintertime

图8为用小波一致性分析方法(Grinsted et al.,2004)得到的结果,表示不同时间尺度上南亚和欧亚北部区域平均地面气温变化的相互关系。可以看到在3～5 a时间尺度上,两者年际相关关系比较明显,特别在1960—1980年和1988—1992年两个时段;在8～12 a时间尺度上,两者的年代际关系也比较明显,但在该时间尺度上欧亚北部地面气温的变化要稍超前南亚地区地面气温的变化;在16 a以上的时间尺度两个区域地面气温变化的关系有一个明显锁相的趋势。

图8　欧亚北部和南亚区域地面气温周期振动的小波一致性分析(箭矢表明两个区域地面气温变化的位相差;粗实线所围区域通过0.05信度的显著性检验)Fig.8　The wavelet coherence analysis of periodical vibrations of surface temperature over northern Eurasia and South Asia(Arrows show the phase differences of surface temperature variation between the two regions.Only regions with phase difference exceeding 0.05 significance level are encircled by the coarse solid lines)

根据欧亚大陆南北两个区域热力差异指数LTC标准化系列(图6棒线),进一步考察两个区域热力差异的季节变化特征。选取标准化热力差值LTC大于(小于)1.0(-1.0)的年份为热力差异明显的年来分析正负位相年两个区域热力差异的季节变化特征,则正位相年为1949、1950、1953、1959、1965、1966、1968、1969、1970、1971、1972、1976、1978、2000、2004、2005年;负位相年为1961、1974、1977、1980、1981、1982、1983、1988、1991、1992、1994、1999年。可以看到正负位相年份的11月—次年3月期间两个区域的热力差异比较明显,但由于大陆固有的热力特性,大陆热力差异的持续性不好,春季之后两个区域的热力差异特征明显减弱,表明欧亚大陆热力差异变化是一种时效较短的热力变化。

4欧亚大陆热力差异与大气环流变化的关系

从以上分析可以看到,冬季欧亚大陆南北区域的热力变化存在一定的反相差异或变化幅度不一致产生的差异,这种热力差异与大尺度环流变化有什么联系呢?根据上节定义的欧亚大陆热力差异指数LTC及其选取的热力差异正负异常年,进一步分析冬季大陆热力差异与大尺度环流变化的关系,及其相互联系的可能原因。

图9　正、负位相年南亚与欧亚北部区域地面气温距平差值(T南亚-T欧亚北部)的逐月变化Fig.9　Monthly surface temperature anomaly difference(South Asia minus northern Eurasia) between South Asia and northern Eurasia in the positive and negative phase years

首先分析LTC正负位相年冬季地面温度差值场分布及其相应的高低层大气环流变化(图略)。可以看到LTC正负位相年欧亚大陆热力变化确实呈现出明显的差异特征,北部为明显的负差值区,南亚为正差值区,北部的负差值明显高于南亚地区的正差值。LTC正负异常年地面气温差值分布表明欧亚南北区域地面气温变化的反相差异特征:正位相年欧亚大陆地面气温呈南暖北冷,负位相年为南冷北暖,其中,正负位相年,欧亚北部地面气温变化的幅度均明显高于南亚地面气温变化的幅度。另外,注意到欧亚大陆北部和北美大陆东部地面气温的变化是明显不同的,呈刚好相反的变化,这可能主要受北半球纬向波列变化的影响。

近年来的很多研究表明,全球温度普遍升高时北半球较高纬度地区温度升幅较大(《气候变化国家评估报告》编写委员会,2007;Hansen et al.,2010)。本文图3c和图5a也同样表明了欧亚北部比南部增暖明显所导致的南北热力差异特征,特别是20世纪90年代之后,这种增暖幅度不一致所导致的南北热力差异更加明显。图10分别为冬季LTC指数与同期700 hPa和500 hPa温度梯度、500 hPa纬向风和700～500 hPa纬向风垂直切变的相关。可以看到,相关场的分布形式极为相似,在欧亚中纬度35～45°N地区为明显的正相关,南亚和欧亚北部地区为明显的负相关。表明欧亚大陆低层南北经向热力差异与高低层温度梯度、高层纬向风,高低层垂直风切变的变化密切联系。当热力差异出现南暖北冷形势时,有利于中纬度地区高低层大气经向温度梯度增大,垂直风切变加强,大气不稳定性增加。根据热成风原理,热成风变化与经向温度梯度成正比。由此可知经向温度梯度的加强将进一步导致中纬度地区500 hPa纬向西风加强。而在相反的经向热力差异影响下,500 hPa中纬度地区的纬向西风减弱。

图10　冬季LTC指数与同期700 hPa(a)和500 hPa温度梯度(b)、500 hPa纬向风(c)、700～500 hPa纬向风垂直切变(d)的相关分布(阴影区通过0.05信度的显著性检验)Fig.10　Correlation distributions between LTC index and temperature gradients at (a)700 hPa and (b)500 hPa,(c)westerly at 500 hPa,and (d)vertical shear of 700—500 hPa zonal winds in wintertime(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded)

Ting et al.(1996)的研究指出500 hPa纬向西风的强弱变化与冷空气的活动位置密切联系,中纬度西风偏强不利于冷空气向南侵袭影响南部地区,反之,偏弱则有利于冷空气向南活动。朱艳峰(2008)用500 hPa中高纬度纬向风定义的东亚冬季风环流指数能够很好地兼顾北方和南方环流状况,比较客观地反映中纬度地区西风气流的强弱和中国冬季平均气温变化的关系。冬季东亚地区冷空气的活动与东亚大槽的强弱及其东西位置的异常变化密切联系,相应LTC正负位相年,500 hPa东亚大槽同样呈现出十分明显的变化。在多年平均状态下,欧亚大陆为一脊一槽形势,东亚沿海为低槽区和欧洲北部为脊区(图11a)。对比差值场(图11b)的分布可以看到,正位相年亚洲大陆中高纬度为高度负距平和欧洲北部30～60°E为高度正距平区,这样的高度距平场与多年气候平均场叠加将使得正位相年东亚地区的槽加深并西移,同时使得欧洲北部脊加强。负位相年的形势则刚好相反,东亚大槽和欧洲北部脊均减弱。东亚大槽的异常变化与东亚地区低层温度的变化有很好的对应关系,东亚大槽加深(减弱),使得冷空气偏强(弱),欧亚大陆北部地面气温偏低(高)。

图11　气候平均的500 hPa位势高度场(a；单位：gpm)以及LTC正、负位相年500 hPa位势高度场的差值(b;单位：gpm;阴影区通过0.05信度的显著性检验)Fig.11　(a)Climatological geopotential height field at 500 hPa and (b)the 500 hPa geopotential height differences between the positive and negative phase years of LTC(units:gpm;Only regions with difference exceeding 0.05 significance level are shaded)

进一步的,低层经向热力差异是怎样影响东亚大槽的变化呢?以上分析表明500 hPa中纬度地区纬向西风的异常与低层经向热力差异变化是密切联系的,中纬度西风异常必然会引起纬向风切变的变化,进而导致大气环流的异常。根据图10c选取LTC与500 hPa纬向西风相关比较明显的区域(80～100°E,35～45°N),图12分别为该区域500 hPa纬向风平均以及500 hPa风场和高度场的相关,可见,500 hPa中纬度地区纬向西风的加强会在欧亚北部的贝加尔湖地区激发异常气旋环流,同时在南亚地区激发异常反气旋环流,西风减弱的情况下风场变化则刚好相反。贝加尔湖地区异常气旋或反气旋环流变化将进而影响贝加尔湖地区的高度场异常,从纬向风区域平均与500 hPa高度场的相关可以看到,贝加尔地区至东亚东部呈现明显的负相关,表明中纬度西风加强有利于欧亚北部贝加尔湖—东亚东部地区的低压发展,导致东亚大槽加深并西移,西风减弱将使东亚大槽减弱且位置偏东。

图12　500 hPa上(80～100°E,35～45°N)区域平均纬向风(a；单位：m/s)与风场和高度场(b)的相关分布(阴影区通过0.05信度的显著性检验)Fig.12　Correlation distributions between the regionally averaged westerly over (35—45°N,80—100°E) and (a)wind (units:m/s)and (b)geopotential height fields at 500 hPa(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shaded)

另外,由于大气环流的季节变化,冬季西风带位置向南移动,孟加拉湾地区的南支西风槽相对活跃,中纬西风加强(减弱)导致的南亚地区反气旋(气旋)环流的变化与冬季南支西风槽的活动有关。2005年和1982年冬季分别是近30 a来南亚地区地面气温偏高和偏低最明显的两个年份,同时也是LTC变化比较明显的两个年份,相应孟加拉湾地区(75～100°E,15～30°N)高低层高度场的变化是明显不同的,南亚地区地面气温偏暖比较明显的年份,南支西风槽活动都比较弱,2006年1—2月500 hPa及以上层次均为正高度距平(图13a)。而相反情况下,南支西风槽的活动比较频繁,1983年1月上旬和1月下旬—2月,孟加拉湾上空对流层中高层却频繁出现负高度距平,表明孟加拉湾地区的对流层中高层高度场偏低,南支西风槽相对活跃(图13b)。正负位相异常年孟加拉湾上空高度距平场的差异特征初步表明了LTC变化与冬季南支西风波动的异常活动有关。

图13　2006年(a)和1983年(b)1—3月逐日位势高度距平的高度—时间剖面(单位:gpm)Fig.13　Height-time profiles of daily geopotential height anomalies from January to March in (a)2006 and (b)1983(units:gpm)

从以上分析可以看到,低层经向热力差异的变化对高层大气环流异常有着十分重要的作用,欧亚大陆经向热力差异的变化与高层纬向西风的活动有关,并通过对纬向西风的影响,进而影响东亚大槽强弱和南支西风槽的活动。

5结论与讨论

1)冬季南亚和欧亚北部地区地面气温的变化有明显的差异,呈明显的反相变化特征。

2)冬季南亚和欧亚北部地区的热力变化不论在年际和年代际尺度上均有明显的反相变化关系,其中在16 a以上的时间尺度两个区域地面气温的变化关系有一个明显锁相的趋势。

3)欧亚大陆南北区域经向热力差异与500 hPa中纬度纬向西风活动密切联系,并通过对中纬度纬向西风的影响,进而影响高低纬度大气环流,特别是东亚大槽和低纬度孟加拉湾南支西风槽的异常活动。当欧亚大陆经向热力差异呈南暖北冷变化,500 hPa中纬度西风偏强,东亚大槽加深位置偏西,南支西风槽活动少;反之,500 hPa中纬度西风减弱,东亚大槽减弱位置偏东,南支西风槽活动频繁。

在全球变暖背景下,各地区的增暖响应是不一致的,由此导致低层不同区域之间存在明显的热力差异。目前很多研究表明,20世纪70年代整个大气系统发生了明显的年代际变化,其中增暖变化是最明显的特征,但是对在年代际尺度上大气环流的异常变化是否与低层热力变化差异有关等问题还缺乏进一步认识,是值得学界进一步关注的问题。

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(责任编辑：孙宁)

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