自20世纪90年代中后期夏季巴伦支海海冰与秋季中国西南地区干旱的联系加强

宦杜斌　范可　徐志清

摘要 研究夏季7—8月巴伦支海海冰和秋季9—11月中国西南地区干旱的年际变化的联系，并探讨了其可能机制。结果表明：1979—1997年夏季巴伦支海海冰和秋季中国西南地区干旱在年际尺度上相关不显著，但到1998—2019年，海冰和干旱指数的相关系数增长至-0.69，置信水平达到99%。当夏季7—8月巴伦支海海冰增多时，有利于秋季9—11月中国西南地区发生干旱;当夏季7—8月巴伦支海海冰减少时，则反之。进一步分析其原因可知：1998—2019年，当夏季巴伦支海海冰异常偏多时，海冰异常可以持续到秋季，导致巴伦支海表面湍流热通量负异常，新地岛以西地区的大气变得更加稳定，激发了异常下沉运动。通过异常经向环流作用，进一步促进地中海附近出现上升运动。由此产生的地中海北部对流层高层300hPa异常辐散风激发了罗斯贝波，波列沿着55°N向东传播，在贝加尔湖地区向南传播至中国北部和西南地区，导致中国西南和华东地区上空出现异常高压，这有利于中国西南地区降水减少、温度升高，进而导致干旱发生。此外，相比于1979—1997年，1998—2019年夏季巴伦支海海冰更大的年际变率可能是导致二者联系加强的一个重要原因。

关键词秋季干旱;中国西南地区;夏季巴伦支海海冰;20世纪90年代中后期;加强的年际变率

干旱是全球主要的自然灾害之一，主要以降水偏少和温度偏高为特点，且持续时间多样。虽然中国西南地区位于湿润气候区，但是近几十年来干旱事件频繁发生（Wangetal.，2015a）。其中，从2009年秋至2010年春，中国西南地区发生了一次严重的干旱，造成了粮食歉收和巨大的经济损失（黄荣辉等，2012）。因此，加强中国西南地区干旱的研究有非常重要的意义。

中国西南地区属于季风区，降水的全年分布不均匀，具有显著的旱季和雨季。旱季通常从11月持续到次年4月（Lietal.，2014）。在1961—2012年少雨期（11月至次年4月），6个月尺度的干旱频率主模态表现出中国西南地区全区一致的变化（熊光洁等，2013）。已有研究表明，在过去的几十年间，中国西南地区呈现出明显的变干趋势（Lietal.，2015;Zengetal.，2019），干旱变得更加强烈和频繁（Lietal.，2014）。秋季中国西南地区干旱在1994年出现年代际突变，之后年份以干旱为主（张顾炜等，2016）。

已有研究证明，影响中国西南地区干旱和降水的因子有很多。其中，海温的作用非常重要，包括西北太平洋（Wangetal.，2015b;Xuetal.，2021）、热带太平洋（Zhangetal.，2013;Ruanetal.，2015;Tanetal.，2017）和印度洋海温（Caoetal.，2014）。观测和模式结果均显示，更强、更偏西的暖池型厄尔尼诺事件会在西北太平洋激发更强的异常气旋，中国南海地区异常东北风削弱了中国西南地区水汽输送，导致秋季中国西南地区降水更少（Zhangetal.，2013）。这也是2009年秋季中国西南地区干旱发生的可能原因之一。在年代际尺度上，夏季中国西南地区降水受印度洋海盆一致模（IOBM，IndianOceanBasinMode）调制（Liuetal.，2018）。在该模态冷位相期间，受海温加热减弱的影响，赤道印度洋出现低层辐散出流，并在中南半岛辐合，造成上升运动和异常气旋，有利于将水汽从孟加拉湾输送到中国西南地区。海洋性大陆附近的气象条件也是影响中国西南地区气候的重要因素。夏季，海洋性大陆南部偏弱的对流可以引起低层异常辐散、高层异常辐合和异常下沉运动，而海洋性大陆北部则相反，由于西北太平洋高层辐散，导致副热带高压减弱，因此中国西南地区夏季降水减少（Xiaetal.，2020）。此外，海洋性大陆西部对流通过激发西北太平洋异常反气旋，输送更多水汽到中国西南地区北部，是形成中国西南地区夏季降水“南少北多”型的重要原因（Jiangetal.，2017）。宋洁等（2011）指出，北大西洋涛动（NAO，NorthAtlanticOscillation）可以通过两条波列影响冬季云南省降水，一条和南支槽有关，另一条和贝加尔湖脊有关，分别影响中国西南地區的水汽输送和冷空气活动。2009/2010年冬季强烈的NAO负位相是严重干旱形成的可能原因之一。徐寒列等（2012）在此基础上发现，NAO和冬季中国西南地区降水的正相关关系是非对称的，仅存在于NAO负位相。对于雪盖而言，Maetal.（2021）发现5月中国西南地区降水和中欧冬春季雪盖异常有重要联系。受近地面温度降低的影响，对流层中层出现纬向风异常，这样的异常可以持续到春季，使得蒙古地区出现异常气旋，中国西南地区出现异常反气旋，分别导致冷空气活动减弱和西南地区降水减少。北极涛动（AO，ArcticOscillation）也是影响中国西南地区的重要因子（Yangetal.，2012;Tanetal.，2017）。Tanetal.（2017）分析了20世纪90年代末之后干旱事件发生原因，冬季中国西南地区全区一致的降水异常和AO有正相关关系，遥相关型从北大西洋传播到青藏高原，使得中国西南地区受异常反气旋控制。除了上述因子外，人类活动（Wangetal.，2021）也是影响中国西南地区气候变化的重要原因。

此前的研究已经证明北极海冰是影响中国气候的重要因子（Gaoetal.，2015;Zhangetal.，2015;陈海山等，2019;Daietal.，2019;Liuetal.，2020;李惠心等，2021;Zhangetal.，2022），包括中国东北地区干旱（Lietal.，2018;Duetal.，2022）、华东地区降水（Shenetal.，2019）等。但是关于北极海冰对中国西南地区气候影响的工作还较少，尤其是干旱方面。Xuetal.（2021）发现5月巴伦支海海冰（SICBS，SeaIceConcentrationinBarentsSea）可以通过激发欧亚波列，使中国西南地区出现偏东北的水汽输送异常，进而影响中国西南地区夏季极端降水频率。在这样的背景下，本研究着力讨论北极海冰是否对秋季中国西南地区干旱有影响，这样的影响是否稳定以及可能的影响机制。

1资料和方法

使用中国气象局国家气象信息中心月平均观测降水和气温数据，经过质量控制后，保留了644个站点的数据。此外，再分析资料为美国国家环境預报中心和能源部（NCEPDOE）合作的逐月再分析资料，分辨率为2.5°×2.5°（Kanamitsuetal.，2002），涉及的变量包括纬向风、经向风、位势高度、平均海平面气压、相对湿度、垂直速度、总云量、向下太阳辐射、净感热通量和净潜热通量。海冰密集度、海表温度数据来自英国气象局哈德来中心，分辨率为1°×1°（Rayneretal.，2003）。

本研究中，夏季和秋季的平均分别定义为7—8月和9—11月的平均值。中国西南地区的范围选定为92°～105°E、20°～32°N，研究时段为1979—2019年。

干旱的衡量和监测非常复杂，持续时间、强度、空间范围都需要考虑在内。因此，各类干旱指数被建立起来。其中，帕尔默干旱指数（PDSI，PalmerDroughtSeverityIndex）是一个较为常用的指数（Palmer，1965），它考虑了水分的收支，可以反映土壤水分的盈亏（Lietal.，2015;Duetal.，2020）。虽然PDSI考虑了温度因素，但是当涉及评估不同类型的干旱时，PDSI不具备多尺度特征（Wangetal.，2015c）。本文使用的是标准化降水蒸散指数（SPEI，StandardizedPrecipitationEvapotranspirationIndex;VicenteSerranoetal.，2010），它计算了月水分亏缺量，即月降水量和月潜在蒸发量之差（熊光洁等，2014）。因此，该指数既综合考虑了温度、降水的影响，又具备多尺度特征，可以持续监测一次干旱事件的发生及其时空变化（Wangetal.，2015c），并且已经广泛应用于国内的干旱研究（王林和陈文，2014;刘珂和姜大膀，2015;Jiaetal.，2018;臧迪等，2021）。具体计算方法参考VicenteSerranoetal.（2010）。在下面的研究中，使用时间尺度为1个月的SPEI，强调每月的水分收支情况。且为了突出年际变化，在回归和合成分析前去除了数据的线性趋势。由于SPEI的负值对应干旱，方便起见，在用中国西南地区SPEI序列回归前，先对其乘以-1，使回归结果与干旱的情况对应。

此外，使用了波作用通量来反映罗斯贝波能量的传播特征（TakayaandNakamura，2001）。其水平分量（W）可以表示为：

其中：U和V分别表示纬向风和经向风的气候态;ψ′表示扰动地转流函数;下标x和y分别表示纬向和经向梯度;|U|为气候态风场的大小;CUM为扩展波活动的位相传播。

为了说明罗斯贝波的源头，还计算了罗斯贝波源（SardeshmukhandHoskins，1988）。此外，t检验和F检验分别用来检验均值和方差差异的显著性水平。

2夏季巴伦支海海冰和秋季中国西南地区干旱的年际变化联系加强

图1a给出了1979—2019年夏季SICBS的序列和中国西南地区秋季SPEI的序列。这里SICBS指数定义为区域平均（5°～60°E，78°～83°N）的海冰密集度。两个指数（虚线）均显示出明显的年际变化和下降的趋势，夏季SICBS指数和中国西南地区SPEI的趋势系数分别为-0.027和-0.038，通过0.05信度的显著性水平t检验。1979—2019年，两者相关系数仅为-0.14（表1）。去除线性趋势后，相关系数增长到约-0.34（通过0.05信度的显著性水平t检验）。进一步研究发现，去趋势的时间序列在20世纪90年代中后期之后表现出反位相特征，但这种特征在90年代中后期之前并不明显。因此，对去趋势的夏季SICBS指数和秋季中国西南地区SPEI计算了11a滑动相关。如图1b所示，两者相关系数在1998年后增强，并通过显著性检验。基于这样的结果，本文将研究时段分为两个部分，分别称为P1（1979—1997年）和P2（1998—2019年）。在P1期间，两个指数的相关系数为0.22，去趋势后0.23，然而在P2期间，相关系数增长至-0.58，去趋势后-0.69。这意味着，中国西南地区的SPEI和夏季SICBS指数的负相关关系尽管在整个研究时段是显著的，但是确切来说，只在P2时段存在反位相关系。

图2a、2b分别为P1和P2期间秋季中国西南地区SPEI回归的夏季海冰。在P1时段，秋季中国西南地区SPEI与夏季巴伦支海海冰关系不显著，

但在P2时段，与巴伦支海海冰存在显著相关。这表明，1998年后夏季SICBS增加有利于秋季中国西南地区SPEI增加。进一步使用夏季SICBS指数，分别在P1和P2时段回归秋季SPEI空间分布（图2c、2d）。结果显示，中国西南地区的显著区域只存在于P2时段，进一步说明了夏季SICBS和秋季中国西南地区干旱联系加强。以上分析表明，在20世纪90年代中后期之后，夏季SICBS对秋季中国西南地区干旱的年际变化有重要的影响，二者年际变化的相关显著加强。

3环流异常和局地气象要素

为了探究夏季SICBS如何影响秋季中国西南地区干旱，首先分析了相关的环流场。以下分析主要围绕P2时段。图3是基于夏季SICBS和秋季中国西南地区SPEI回归的秋季风场。当夏季SICBS偏多或中国西南地区干旱时，秋季欧亚大陆上空对流层中高层表现出准正压的结构，里海以北、贝加尔湖地区、中国西南至华东地区表现为反气旋气旋反气旋环流异常的特征（图3a、b、c、d）。对中国西南地区局地而言，它被对流层中高层的异常反气旋控制，异常偏北风带来异常冷平流，有利于下沉运动的出现。850hPa的环流异常（图3e、f）和中高层类似，不同的是，中南半岛至中国南海地区上空出现异常气旋，中国西南地区位于异常气旋环流西侧，低层为西北风异常。受这样的低层异常环流控制，输送到中国西南地区的水汽会减少。

从气候态角度看，秋季中国西南地区的水汽通道主要有两条，一条和印度洋（包括孟加拉湾和阿拉伯海）盛行的西南风有关，另一条起源于中国南海和西北太平洋（图4a）。当中国西南地區发生干旱时，水汽输送异常和气候态几乎相反（图4c）。受低层环流影响而出现的中南半岛异常气旋和华东异常反气旋，使印度洋输送到中国西南地区的水汽减少。因此，中国西南地区出现了水汽通量的异常辐散。伴随异常的下沉运动（图5b），导致降水的减少（图6b）。类似的物理过程也存在于夏季SICBS增多的时候（图4b、5a、6a）。

除了降水减少有利于干旱的形成之外，温度异常对干旱的形成也有重要作用。由于异常下沉运动和异常水汽通量辐散的存在，总云量减少（图5c、d）。在这样的条件下，更多的短波辐射穿过大气，到达地面（图5e、f），对地表空气的加热更加强烈。再加上下沉运动带来的绝热增温效应，导致中国西南地区地表气温偏高（图6c、d）。因此，在这种降水减少、温度升高的条件下，中国西南地区干旱便会发生。

4可能影响机制

夏季SICBS异常有较好的季节持续性（图1c），如图7a所示，其季节持续性可以维持到秋季。在P1和P2时段，夏季和秋季SICBS指数的相关系数分别为0.70和0.69，去趋势后为0.70和0.67（表1），进一步证明了夏季SICBS的季节持续性。当秋季SICBS偏多时，巴伦支海海表温度异常为负值，并且可以延伸到新地岛以西（图7b）。伴随着海温负异常和海冰正异常，巴伦支海的湍流热通量出现显著负异常（图7c），导致巴伦支海附近的大气热力结构发生改变。

为了进一步研究大气热力结构的变化和相关的环流异常，使用了基于高低夏季SICBS指数的合成分析。其中超过夏季去趋势标准化SICBS指数正负0.5个标准差的年份分别作为海冰异常多和少的年份。挑选的多海冰年份为1998、2003、2008、2009、2014、2017和2019年，少海冰年份为2001、2004、2006、2007、2012、2013、2016和2018年。图8a为合成的65°～75°N平均温度异常剖面，温度负异常从20°E延伸到80°E，并且强度随高度递减，这可能就是由海表湍流热通量负异常导致的。温度负异常的上层为正异常，大气层结因此变得更加稳定，导致新地岛以西（65°～75°N）出现下沉运动（图8b）。下沉运动通过异常经向环流的作用，导致地中海附近出现异常上升运动（图8c）。

由于以上两地的下沉和上升运动异常，局地高层分别出现了异常辐散和辐合。在这样的情形下，新地岛以西和地中海附近出现了明显的辐散风异常（图8d）。根据SardeshmukhandHoskins（1988），由辐散风导致的涡度平流可视为罗斯贝波波源。为了证明波源的产生，图8d给出了合成的300hPa波源异常。由于辐散辐合风带来的涡度平流，地中海北部出现了波源负异常。因此，罗斯贝波被激发，沿55°N向东传播（图8e）。之后，东传波列在贝加尔湖附近向南传播到中国北部和西南地区，导致了中国西南地区上空正位势高度异常，并影响局地相关环流，进而影响中国西南地区干旱。

为什么夏季SICBS和秋季中国西南地区干旱联系会加强？分析发现，一个可能的直接原因是P1和P2时段夏季SICBS对应的秋季局地要素场（对流层气温、湍流热通量）和环流异常差异明显（图略），相应导致欧亚大陆地区环流异常不同。两个时段巴伦支海地区要素场和环流异常的差异进一步可能与海冰变率的变化有关。基于Fanetal.（2018）的研究，计算了P2和P1时段北极海冰每个格点的标准差差异（图9a）。结果显示，研究区域大部分格点为正异常，且P1和P2时段区域平均的标准差分别为0.148和0.169。这表明相比于P1时段，P2时段海冰标准差增加，即P2时段夏季SICBS的变率增强。P2时段海冰变率增强，使得局地湍流热通量异常增加，对流层中下层出现显著温度负异常（图8c），通过上述机制影响秋季中国西南地区干旱。而P1时段海冰对应的局地湍流热通量异常偏小，对流层中下层温度异常不显著（图略），不存在上述影响机制。

此外，分析发现夏季SICBS指数和秋季中国西南地区SPEI的变率在1998年之后都在增加（图9b），特征吻合较好。这进一步说明夏季SICBS年际变率的加强，是两者相关加强的可能原因，且影响了秋季中国西南地区干旱的年际变率。

5结论

本文发现了夏季SICBS和秋季中国西南地区干旱的关系在20世纪90年代中后期之后加强，它们的相关系数在P1时期并不显著，但在P2时期显著，达到了-0.69，通过了置信度为99%的显著性检验。当夏季SICBS异常偏多时，准正压结构的对流层中高层异常反气旋控制了中国西南和华东地区。异常偏北风通过冷平流的作用，使中国西南地区出现下沉运动。低层850hPa，中南半岛至中国南海地区出现异常低压，中国西南地区出现西北风异常。低层环流异常导致来自印度洋的水汽输送减弱，更多的水汽从中国西南地区输出。由于下沉运动和不充足的水汽，总云量减少，向下短波辐射随之增多。在这样的条件下，中国西南地区降水减少，地表气温升高，导致了中国西南地区干旱的形成。

本文进一步研究了夏季SICBS影响中国西南地区干旱的可能机制。首先，夏季巴伦支海正海冰异常可以持续到秋季，并且伴有冷海温异常，这会导致地表湍流热通量负异常，使得新地岛以西的大气更加稳定。所以，下沉运动在此产生，并进一步通过经向环流的作用，引起地中海地区附近出现上升运动，显著的经向辐散风出现在新地岛以西和地中海地区。由此，地中海北部出现负波源，激发罗斯贝波列，并向东传播，在贝加尔湖地区转为向南传播，至中国北部和西南地区。因此，中国西南地区上空出现准正压的异常高压，有利于干旱的局地环流和气象要素生成，最终导致了秋季中国西南地区干旱的发生。

本文研究发现90年代中后期之后联系加强的原因，可能是夏季SICBS的变率在P2时段更大，海冰容易激发更强的大气异常，并为秋季中国西南地区干旱创造有利的大气环流条件。

致谢：感谢国家气象信息中心提供了降水和气温数据;感谢NOAA提供了NCEPDOE再分析资料;感谢哈德来中心提供了海温和海冰资料。

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StrengthenedrelationshipbetweensummerBarentsSeaiceandautumnSouthwestChinadroughtafterthemidandlate1990s

HUANDubin1，FANKe2，XUZhiqing1

1InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China;

2SchoolofAtmosphericScience，SunYatsenUniversity，andSouthernMarineScienceandEngineeringGuangdongLaboratory（Zhuhai），Zhuhai519082，China

ThispaperstudiestherelationshipbetweensummerseaiceconcentrationintheBarentsSeafromJulytoAugustandautumndroughtinSouthwestChinafromSeptembertoNovember，anddiscussesthepossiblemechanisms.ItisfoundthatthecorrelationcoefficientofinterannualvariationofautumndroughtindexinSouthwestChinaandsummerseaiceconcentrationintheBarentsseaincreasessignificantlyto-0.69（significantat99%confidencelevel）during1998—2019，whereastheyarenotwellcorrelatedduring1979—1997.WhensummerseaiceconcentrationintheBarentsSeaincreases，itisbeneficialforautumndroughtoccurrenceinSouthwestChina，andviceversa.Furtherresultsillustratethat，whenthereispositivesummerseaiceconcentrationanomaliesintheBarentsSeaduring1998—2019，theanomaliescanpersistintoautumn，leadingtonegativesurfaceturbulentheatfluxanomaliesovertheBarentsSea.Thus，theatmosphereintheareawestofNovayaZemlyabecomesmorestable，triggeringanomalousdescendingmotionthere.ItfurtherinducesanomalousascendingmotionaroundtheMediterraneanviatheanomalousmeridionalcirculation.Theresultantanomalousdivergentwindintheuppertroposphere（300hPa）ofthenorthernMediterraneantriggersaRossbywave.Thewavetrainpropagateseastwardsalong55°NandthenbeginstospreadsouthwardsaroundtheBaikalLaketoNorthandSouthwestChina，resultinginananomaloushighoverSouthwestChinatoEastChina.TheanomaloushighisconducivetothereducedprecipitationandhighertemperatureoverSouthwestChina，resultingindroughtthere.Additionally，comparedwiththatin1979—1997，thelargerinterannualvariabilityofsummerseaiceconcentrationintheBarentsSeaduring1998—2019maybeanimportantreasonforthestrengthenedrelationship.

autumndrought;SouthwestChina;summerBarentsSeaice;midandlate-1990s;enhancedinterannualvariability

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20211113002

（责任编辑：袁东敏）

20211113收稿，20220115接受

国家重点研发计划项目（2017YFA0603802）;国家自然科学基金资助项目（41730964）;南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队建设项目（311021001）