夏季北大西洋三极型海温异常与中国西南地区气温年际变化的联系

于怡秋,李忠贤,杨宝钢,魏麟骁,陈晨

① 中国气象局 沈阳大气环境研究所,辽宁 沈阳 110166;② 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;③ 沈阳区域气候中心,辽宁 沈阳 110166;④ 重庆市气候中心,重庆 401147;⑤ 齐齐哈尔市气象局,黑龙江 齐齐哈尔 161006

北大西洋海表温度存在明显的多时间尺度变化(Battisti et al.,1995;Molinari et al.,1997;Sutton and Allen,1997;Czaja and Marshall,2001;Wu and Liu,2005)。在季节和年际尺度上,北大西洋三极型海温异常是北大西洋变率的主要模态。北大西洋三极型海温异常的形成很大程度上受北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)影响(Deser and Timlin,1997;李忠贤等,2019)。三极型海温异常反过来可以对NAO形成一个正反馈过程,在观测数据分析和海气耦合模式模拟研究中均得到了验证(Deser and Blackmon,1993;Kushnir,1994;Czaja and Frankignoul,1999,2002;Watanabe and Kimoto,2000;Drévillon et al.,2001;Pan,2005)。

不同季节的北大西洋海温对大气环流和气候异常均有重要影响。冬季北大西洋海温异常激发欧亚遥相关型波列,从而影响冬季西伯利亚高压、乌拉尔山阻塞高压和东亚大槽,造成我国冬季气温异常(宗海锋等,2008;李崇银和顾薇,2010;Liu et al.,2014;李栋梁和蓝柳茹,2017)。冬季北大西洋副极地的海温上升会激发欧亚大陆遥相关波列,造成乌拉尔山北部地区的冬春雪盖深度减小,引起贝加尔湖北侧高度场的升高,从而导致蒙古气旋的减少(黄鑫等,2017)。冬季北大西洋海温异常可通过激发下游异常波列来影响中东急流的变化(李忠贤等,2013)。冬季北大西洋海温异常可导致春季中国东北地区温度异常(张霏燕和徐海明,2011)。前期冬春北大西洋海温异常可以激发下游波列,影响乌拉尔山高压和鄂霍次克海阻塞高压强弱,从而影响江淮入梅时间(徐海明等,2001;Gu et al.,2009)。春季北大西洋三极型海温异常对欧亚地面气温具有显著的影响(Chen et al.,2016,2017)。Cui et al.(2015)研究指出,春季北大西洋三极型海温异常激发出来的波列能影响春季青藏高原上空副热带西风急流的强度。Wu et al.(2009)研究认为,从春季持续到夏季的北大西洋三极型海温有利于欧亚遥相关向下游发展,所激发的波列呈现出沿副热带西风急流向极一侧分布,认为北大西洋三极型海温是联系春季北大西洋涛动和东亚夏季风的重要桥梁。春季北大西洋三极型海温异常与我国东北夏季气温关系密切,是我国东北夏季气温的前兆信号(Wu et al.,2011)。Zuo et al.(2013)通过观测分析和数值试验发现,夏季北大西洋三极型海温异常可以引起东亚夏季风强弱变化,并影响长江中下游降水(Wu et al.,2009;Zuo et al.,2013)。此外,夏季北大西洋海温还可以通过影响热带纬向环流,从而对西北太平洋对流层低层异常反气旋、西太平洋副热带高压和亚洲副热带西风急流起调制作用(容新尧等,2010;Hong et al.,2014;何超等,2015;霍利微等,2016;任宏昌等,2017)。

综上所述,前人的研究表明北大西洋海温异常对欧亚大气环流和东亚气候具有重要的影响。我国气温变化复杂,具有明显的季节性和区域性,高温干旱和低温冷冻等灾害天气可能会造成不同地区的经济损失和较大的社会影响,因此提高我国气温预测的准确性十分必要(陈丽华等,2010)。近年来,不少学者研究指出,北大西洋海温异常对我国气温变化具有重要的影响(Wu et al.,2011;张霏燕和徐海明,2011;孙建奇,2014)。然而,以往的研究侧重于分析北大西洋某一特定海区对我国气温的影响,针对夏季北大西洋三极型海温异常与同期我国气温联系的研究相对较少。因此,本论文初步探究夏季北大西洋三极型海温与我国同期气温在年际尺度上的联系,旨在进一步提升我国短期气候预测能力。

1 资料和方法

1)英国气象局Hadley中心提供的逐月海温资料(Rayner et al.,2003),水平分辨率为1°×1°,时间段为1951—2016年;2)美国NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)提供的再分析资料(Kalnay et al.,1996),包括高度场、风场等,水平分辨率为2.5°×2.5°,垂直方向为17层,时间段为1951—2016年;3)中国气象局国家气候中心提供的全国160站逐月气温资料,时间段为1951—2016年。

所用到的方法主要包括:经验正交函数分解(EOF)、相关分析和回归分析等。夏季为6—8月平均(JJA)。本文的研究主要关注年际变化,因此所有资料均去除9 a以上的年代际变化和线性趋势。文中所涉及的海温场、气温场和大气环流场均为年际变化分量,本文在对年际分量进行相关和回归分析时,应用施能(2002)给出的方法计算有效自由度,然后根据有效自由度进行置信度检验。

2 夏季北大西洋三极型海温异常与我国气温年际变化的联系

对1951—2016年共66 a的夏季北大西洋海温距平场进行EOF分解,第一模态在经向上呈现出“-+-”的三极结构(图略),其方差贡献率是19.5%。为方便讨论,本文将北大西洋海温距平从热带至副极地呈现出“-+-”空间型结构称为三极型海温异常正位相结构,“+-+”空间型结构称为三极型海温异常负位相结构。将EOF分解得到的第一模态时间系数标准化值定义为夏季北大西洋三极型海温异常(NAT,North Atlantic sea surface temperature Tripole)指数。

研究表明,北大西洋海温异常和中国夏季气候异常受到ENSO的影响(Klein et al.,1999;朱益民等,2007;Wu and Zhang,2010;Wu et al.,2011)。因此,在分析夏季北大西洋海温年际异常与我国气温年际变化的联系时,去除夏季北大西洋三极型海温异常指数、气温和环流场中的前期冬季ENSO信号。

图1为1951—2016年夏季NAT指数与我国同期气温年际异常的回归系数分布。如图1所示,当夏季NAT正(负)位相年,我国长江中上游气温异常偏低(高),尤其是西南地区,这一异常关系通过了95%置信度的显著性水平检验。当夏季NAT变化一个标准差时,我国西南地区气温异常变化0.15 ℃左右。由此可知,夏季NAT与我国同期西南地区气温年际异常关系密切。

图1 夏季NAT指数与中国同期气温年际异常的回归系数(单位：℃；阴影区表示通过了95%置信度的显著性水平检验)Fig.1 Simultaneous regression coefficients of interannual temperature anomalies in China onto NAT index in summer (units:℃;Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

图2 夏季SWCT指数与同期北大西洋海温年际异常的相关系数(阴影区表示通过了95%置信度的显著性水平检验)Fig.2 Simultaneous correlation coefficients between SWCT index and interannual North Atlantic SST anomalies in summer (Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

图3 夏季NAT指数(实线)和SWCT指数(虚线)的标准化曲线(均去除前期ENSO信号)Fig.3 Normalized curves of NAT index (solid line) and SWCT index (dashed line) in summer (The previous ENSO signal are both removed)

将我国西南地区(98°～108°E,22°～30°N)平均的气温年际异常的标准化值定义为年际尺度的西南地区气温(SouthWest China Temperature,SWCT)指数。由图2可知,我国夏季西南地区气温年际异常与同期北大西洋海温年际异常相关系数大致呈现出由北至南“+-+”的三极结构,与夏季NAT负位相的结构类似,相关系数高值区主要分布在北大西洋中部。图3给出夏季NAT指数与SWCT指数的标准化曲线,可以发现二者表现出较好的反向变化特征,计算表明,夏季NAT指数与SWCT指数的相关系数为-0.42(表1),通过95%置信度的显著性水平检验。

表1 NAT、SWCT、BEAT指数之间的相关系数

3 可能机制

为了揭示夏季NAT与我国同期气温年际异常联系的可能物理过程,将夏季NAT指数与同期位势高度和波活动通量年际异常进行回归分析(图4)。由图4可知,在200 hPa位势高度上,从北大西洋至东亚中高纬地区呈现出一个“-+-+-”波列结构,负异常中心分别位于冰岛、乌拉尔山和东亚上空,正异常中心分别位于西欧和贝加尔湖上空,在500 hPa和700 hPa位势高度上呈现出与200 hPa类似的波列结构,北半球中高纬对流层各层大气环流场呈现出相当正压结构。这意味着夏季NAT正(负)位相可激发出从北大西洋至东亚中高纬的遥相关波列,东亚中纬度地区上空为高度场负(正)距平。波活动通量以50°W附近的北大西洋为起点,沿北半球中高纬向下游传播至东亚地区,传播路径与正负位势高度中心相符。能量传播至东亚地区,进而引起东亚中纬度地区位势高度降低,产生异常气旋性环流。Rossby的传播路径与波列的路径一致,进一步证明了欧亚中高纬的遥相关波列是由夏季NAT异常所激发出的。

图4 夏季NAT指数对同期位势高度(阴影区；单位：gpm)和波活动通量(箭矢；单位：m2/s2)年际异常的回归系数(点阴影区表示通过了95%置信度的显著性水平检验；仅给出大于等于0.01 m2/s2的波活动通量)：(a)200 hPa；(b)500 hPa；(c)700 hPaFig.4 Simultaneous regression coefficients of interannual geopotential height anomalies (shaded areas;units:gpm) and interannual wave activity flux anomalies (arrows;units:m2/s2) onto NAT index in summer (Stippled shadings indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level,and only wave activity fluxes greater than or equal to 0.01 m2/s2 are given):(a)200 hPa;(b)500 hPa;(c)700 hPa

图5为夏季NAT指数与500 hPa、700 hPa旋转风场年际异常的回归系数。由图5可知,夏季NAT激发的波列在贝加尔湖地区表现为反气旋性环流异常,东亚地区表现为气旋性环流异常。在500 hPa和700h Pa位势高度上,夏季NAT正位相年,西南地区在对流层中下层位于贝加尔湖异常反气旋性环流的东部和东亚异常气旋性环流的西部,受异常偏北气流的影响,偏北风将北方的冷空气向南输送,有利于我国西南地区气温降低;反之亦然。

图5 夏季NAT指数对同期旋转风年际异常的回归系数(箭矢，单位：m/s；阴影区表示通过了95%置信度的显著性水平检验)：(a)500 hPa；(b)700 hPaFig.5 Simultaneous regression coefficients of interannual rotational wind anomalies onto NAT index in summer (arrows,units:m/s;Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level):(a)500 hPa;(b)700 hPa

上述分析表明,与夏季NAT所激发的北半球欧亚中高纬遥相关波列相关的贝加尔湖反气旋性环流异常和东亚气旋性环流异常在联系北大西洋海温与我国西南地区气温年际变化中起到了重要作用。为了进一步反映贝加尔湖反气旋性环流异常和东亚气旋性环流异常与北大西洋三极型海温及我国西南地区夏季气温年际变化的联系,本文定义了一个贝加尔湖-东亚遥相关(Baikal-East Asia Teleconnection pattern,BEAT)指数,具体为贝加尔湖附近(100°～120°E,50°～60°N)与东亚地区(110°～135°E,30°～40°N)的500 hPa位势高度区域平均值之差,并将平均值之差再进行一次标准化处理。

图6为夏季BEAT指数和SWCT指数与500 hPa位势高度场年际异常的回归系数。由6a可知,在北半球中高纬地区,从北大西洋到东亚上空基本上呈现出“-+-+-”的遥相关波列,与图4b类似。由此可见,贝加尔湖-东亚遥相关指数与北大西洋三极型海温异常激发的遥相关波列具有很好的联系。由图6b可知,夏季SWCT指数回归的500 hPa位势高度年际异常场在贝加尔湖上空为位势高度负异常,东亚上空为位势高度正异常,与贝加尔湖-东亚遥相关指数回归的位势高度场基本上呈反向结构。夏季BEAT指数与我国同期气温年际异常的相关分布场(图7)可知,夏季BEAT指数与长江流域大部分地区的气温异常存在负相关关系。

图6 夏季BEAT指数(a)和夏季SWCT指数(b)对同期500 hPa位势高度年际异常的回归系数(单位：gpm；阴影区表示通过了95%置信度的显著性水平检验)Fig.6 Simultaneous regression coefficients of interannual geopotential height anomalies onto (a)BEAT index and (b)SWCT index in summer (units:gpm;Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

图7 夏季BEAT指数与中国同期气温年际异常的相关系数(阴影区表示通过了95%置信度的显著性水平检验)Fig.7 Simultaneous correlation coefficients between BEAT index and interannual temperature anomalies in China in summer (Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

计算NAT、SWCT和BEAT指数之间的相关系数(表1),进一步分析了它们之间的相关关系。BEAT指数与NAT和SWCT指数的相关系数分别为0.55和-0.49,均通过了99%置信度的显著性水平检验,表明三者是密切相关的。这进一步证明了夏季NAT可能通过贝加尔湖-东亚遥相关型来影响我国西南地区气温年际变化。

夏季东亚副热带西风急流是影响我国天气和气候的重要环流系统(况雪源和张耀存,2006)。图8为夏季NAT指数和SWCT指数与200 hPa纬向风场年际异常的回归系数。由图8a可以看出,当夏季NAT正位相时,在东亚地区,40°～55°N之间纬向风负异常,15°～40°N之间纬向风正异常,呈现出南北反向变化的结构,对应东亚副热带西风急流位置偏南,反映出西风急流南北位置的移动。在850 hPa到150 hPa之间,长江中上游地区有辐合上升运动(图略),有利于西南地区的低温的发生;反之亦然。由图8b可知,我国西南气温偏高时,在东亚地区,40°～50°N纬向风正异常,25°～40°N纬向风负异常,也表现为东亚副热带西风急流南北位置的变化,对应西风急流位置偏北。可见,夏季NAT也可以通过影响夏季东亚副热带西风急流的南北位置变化,进而对我国西南地区气温变化产生影响。

图8 夏季NAT指数(a)和SWCT指数(b)对同期200 hPa纬向风年际异常的回归系数(单位：m/s；阴影区表示通过了95%置信度的显著性水平检验)Fig.8 Simultaneous regression coefficients of interannual zonal wind anomalies at 200 hPa onto (a)NAT index and (b)SWCT index in summer (units:m/s;Shaded areas indicate the coefficients statistically significant at 95% confidence level)

4 结论

本文利用Hadley中心的海温资料、NCEP/NCAR再分析资料及全国160站逐月气温资料,探讨了夏季北大西洋三极型海温异常与我国气温年际变化的联系及可能机制,得到以下主要结论:

1)夏季北大西洋三极型海温异常与我国夏季西南地区气温年际变化为显著的负相关关系,两者之间的相关系数为-0.42,通过了99%置信度的显著性水平检验。当夏季北大西洋三极型海温异常处于正(负)位相,我国夏季西南地区气温异常偏低(高)。

2)夏季北大西洋三极型海温正位相异常激发的北半球中高纬欧亚遥相关波列引起贝加尔湖地区位势高度升高,产生反气旋性环流异常;东亚地区位势高度降低,产生气旋性环流异常。西南地区在对流层中下层位于贝加尔湖异常反气旋性环流的东部和东亚异常气旋性环流的西部,在两者的共同作用下,受异常偏北气流的影响,有利于冷空气南下和堆积。此外,北大西洋三极型海温异常也可以通过影响东亚副热带西风急流来影响我国西南地区气温。当夏季北大西洋三极型海温异常正位相时,对流层高层的东亚副热带西风急流位置偏南,西南地区位于急流南侧的异常上升气流中,此种环流形势配置将导致该地区气温降低;反之亦然。