春季东大西洋/西俄罗斯遥相关型异常与我国气温异常的联系

李忠贤,黄源源,王健治

① 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;

② 南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;

③ 中国民用航空局 厦门空中交通管理站气象台,福建 厦门 361006

欧亚中高纬度大气低频变化中存在一些重要的遥相关型,例如,Wallace and Gutzler(1981)提出的冬季500 hPa位势高度场上的欧亚遥相关型(EU型)等。采用REOF方法,Barnston and Livezey(1987)分析发现,欧亚大陆地区的大气低频变化中还存在两个不同于传统EU型(Wallace and Gutzler,1981)的遥相关型,将其分别命名欧亚遥相关1型(EU1型)和欧亚遥相关2型(EU2型)。后来,美国国家海洋和大气管理局气候预测中心(CPC/NOAA)又将EU1型命名为斯堪的纳维亚遥相关型(SCAND型),将EU2型命名为东大西洋/西俄罗斯(East Atlantic/West Russia,EATL/WRUS)遥相关型(刘毓赟和王林,2014;Liu et al.,2014)。已有不少学者研究了传统EU型和SCAND型的变化规律及其与欧亚地区气候异常的联系,取得了丰硕的研究成果(布和朝鲁等,2008;Wang and He,2015;Wang and Zhang,2015a,2015b;Zhao et al.,2016;Chen et al.,2018;黄丹等,2021;杨洁凡和郭品文,2021),而关于EATL/WRUS遥相关型变化特征及其气候影响的研究还相对较少。

冬季EATL/WRUS遥相关型有3个活动中心,当它处于正位相时,西欧(10°W～10°E,50°～60°N)和中国东北地区(115°W～135°E,40°～50°N)表现为正位势高度异常,而里海北部(50°～60°E,40°～50°N)附近表现为负位势高度异常(Barnston and Livezey,1987)。近年来的研究表明,冬季EATL/WRUS遥相关型不仅是影响欧洲地区大气环流和气候变化的重要因子(Zveryaev and Gulev,2009;Baltacet al.,2018),也是东亚冬季风和我国冬季气候异常的重要信号之一(Liu et al.,2014;Gao et al.,2017;Chen et al.,2019)。例如,Wang et al.(2011)研究发现,冬季EATL/WRUS遥相关型可以通过影响西伯利亚高压强度变化进而影响东亚冬季风。索朗塔杰等(2020)研究指出,冬季EATL/WRUS遥相关型的年代际变化可较好地解释我国长江以北、新疆北部地区冬季极端低温指数的年代际变化。此外,Lin(2014)研究提出,当夏季EATL/WRUS遥相关型处于正位相时,西太平洋副热带高压东退,我国南海北部出现的气旋式环流异常,使得我国华南和南海地区降水增加;同时,西太平洋副热带高压西北侧的东北风异常减少了向北的水汽输送,使我国华北地区降水减少;反之亦然。Chen et al.(2020)研究认为,秋季EATL/WRUS遥相关型与我国华北平原霾污染关系密切。

气温是气候系统最显著的特征量之一,也是短期气候预测的主要预报对象(李维京等,2014)。我国春季气温的年际变化剧烈,春季气温异常变化对农业生产和经济发展产生重要的影响(张霏燕和徐海明,2011;张旭晖等,2013)。因此,深入了解和认识我国春季气温异常变化的影响因子及其影响机理一直是科学研究和业务预测中关注的重点(张定全和王毅荣,2005;Qian and Qin,2006;王林等,2011;陈红,2017)。作为欧亚中高纬大气低频变化的一个重要模态,EATL/WRUS遥相关型异常与我国春季气温异常变化之间存在怎样的联系?这种联系的内在物理机制是什么?针对上述问题,本文采用1979—2017年逐月中国160站气温资料和美国NCEP-DOE再分析资料,分析了春季EATL/WRUS遥相关型的变化特征,并初步探讨了春季EATL/WRUS遥相关型与我国西北地区气温异常的联系及其可能机制。本文主要内容安排如下:第1节介绍了本研究采用的数据资料以及研究方法;第2节给出了春季EATL/WRUS遥相关型的变化特征及其与我国气温异常变化的联系;第3节探讨了可能的物理机制;第4节总结了本文的主要结果和仍待研究的科学问题。

1 资料和方法

本文所用的资料来源:1)美国国家环境预报中心和美国能源部(NCEP-DOE,National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy)提供的逐月位势高度和风场等再分析资料(Kanamitsu et al.,2002),水平分辨率为2.5°×2.5°,时间段为1979—2017年;2)中国气象局国家气候中心提供的逐月中国160站气温资料,时间段为1979—2017年;3)美国国家海洋和大气管理局气候预测中心(CPC/NOAA,National Oceanic and Atmospheric Administration Climate Prediction Center,https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc/telecontents.shtml)提供的逐月EATL/WRUS指数,该指数定义为北半球热带外500 hPa位势高度距平场经REOF分析得到的EATL/WRUS模态的时间系数(https://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/teledoc/teleindcalc.shtml),时间段为1979—2017年。

本研究主要采用相关分析和回归分析等统计方法(施能,2002;魏凤英,2007),并运用t检验的方法进行显著性检验。涉及季节平均时,春季为3—5月的平均(MAM)。所有数据在分析之前均去除了线性趋势。

本文采用Takaya and Nakamura(2001)定义的波活动通量(Wave Activity Flux,WAF)来分析与EATL/WRUS遥相关型相联系的准定常波的活动。Takaya and Nakamura(2001)证明了波活动通量平行于Rossby波的局部群速度,可以用来描述Rossby波的传播,波活动通量的方程为

WAF=

其中:U=(U,V)表示平均水平风;ψ′表示扰动地转流函数;N表示Brunt-Väisälä频率;f0表示科里奥利力参数;p为气压/1 000 hPa;下标表示对x或y求偏导数。本研究的气候平均风场由1979—2017年的风场计算得到;扰动地转流函数则由春季EATL/WRUS指数与位势高度距平场的回归系数计算得到。

2 春季EATL/WRUS遥相关型变化特征及其与我国气温异常的联系

图1为1979—2017年春季EATL/WRUS指数标准化序列。由图1可以看出,春季EATL/WRUS指数具有非常明显的年际变化特征。小波分析结果显示,春季EATL/WRUS指数主要表现为2～4 a的周期变化特征(图略)。

图1 1979—2017年春季EATL/WRUS指数标准化序列Fig.1 The time series of normalized spring EATL/WRUS index during 1979—2017

图2给出了春季EATL/WRUS指数与500 hPa位势高度距平场的相关系数分布。由图2可以看出,春季EATL/WRUS遥相关型在水平方向上表现为自北大西洋至东亚地区的纬向波列特征。春季EATL/WRUS型处于正(负)位相时,欧亚大陆的中高纬地区表现出明显的“+-+”(“-+-”)纬向波列,其主要活动中心位于西欧(10°W～15°E,40°～55°N)、里海北部的乌拉尔山附近(40°～75°E,45°～70°N)和贝加尔湖南侧(85°～120°E,35°～50°N)。当春季EATL/WRUS型处于正(负)位相时,西欧和贝加尔湖南侧活动中心表现为正(负)位势高度异常,而乌拉尔山附近活动中心为负(正)位势高度异常。春季EATL/WRUS型的空间形态与冬季EATL/WRUS型(Barnston and Livezey,1987)较为相似,但三个活动中心的位置发生偏移。

图2 1979—2017年春季EATL/WRUS指数与同期500 hPa位势高度距平场的相关系数分布(阴影区表示通过置信水平为95%的显著性检验;点A、B、C表示春季EATL/WRUS遥相关型的三个活动中心)Fig.2 Correlation coefficients of spring 500 hPa geopotential height anomalies with the EATL/WRUS index during 1979—2017 (The shaded areas indicate that correlation coefficients are significant at the 95% confidence level;points A,B and C represent the three centers of spring EATL/WRUS pattern)

为了反映春季EATL/WRUS遥相关型在欧亚大陆上空的垂直空间分布特征,图3给出了春季EATL/WRUS指数与位势高度距平场回归系数的1 000 hPa～50 hPa垂直剖面。由于春季EATL/WRUS型的三个活动中心不在同一纬度上,垂直剖面图由通过这三个活动中心的折线(如图2中实线所示)得到。由图3可以看出,春季EATL/WRUS遥相关型表现出显著的相当正压结构,这种相当正压结构反映了准定常Rossby波活动的基本特征(张若楠等,2018;于怡秋等,2022)。从图3中可以发现,春季EATL/WRUS遥相关型在整个对流层都比较明显,其活动中心异常强度在对流层上部200～300 hPa附近最强。

图3 1979—2017年春季EATL/WRUS指数与同期位势高度距平场回归系数的垂直分布(单位:gpm;阴影区表示通过置信水平为95%的显著性水平检验)Fig.3 The vertical distribution of regression coefficients between spring EATL/WRUS index and spring geopotential height anomalies during 1979—2017 (units:gpm;the shaded areas indicate that regression coefficients are significant at the 95% confidence level)

由上述分析可知,春季EATL/WRUS型遥相关波列的主要活动范围几乎横贯整个欧亚大陆的中高纬地区,我国正处于该遥相关波列的下游地区,那么春季EATL/WRUS遥相关型与我国气温异常之间存在着怎样的联系呢?为了探究这一问题,我们利用中国气象局国家气候中心提供的160站气温资料,计算了春季EATL/WRUS指数与我国春季气温异常的相关系数(图4a)和回归系数分布(图4b)。从图4a可以看出,除西藏和西南地区以外,春季EATL/WRUS指数与我国大部分地区的春季气温异常为正相关关系,这一关系在西北地区尤为显著,最大相关系数超过了0.40,通过了置信水平为95%的显著性检验。从图4b可以看出,当春季EATL/WRUS指数变化一个标准差时,我国西北地区春季气温异常变化0.3 ℃左右。上述分析表明,当春季EATL/WRUS遥相关型处于正(负)位相时,我国西北地区春季气温显著偏高(偏低)。

图4 1979—2017年春季EATL/WRUS指数与我国春季气温异常的相关系数(a)和回归系数分布(b;单位:℃)(阴影区表示通过置信水平为95%的显著性水平检验)Fig.4 (a) Correlation coefficients of spring temperature anomalies in China with spring EATL/WRUS index and (b) regression coefficients of spring temperature anomalies in China onto spring EATL/WRUS index (units:℃) during 1979—2017 (The shaded areas indicate that correlation coefficients and regression coefficients are significant at the 95% confidence level,respectively)

3 春季EATL/WRUS遥相关型异常影响我国气温异常的可能机制

已有研究指出,春季欧亚中高纬大气环流系统异常对我国气温异常具有重要的影响(史湘军和智协飞,2007;Wang et al.,2014;申红艳等,2015;Chen et al.,2018)。图5给出了春季EATL/WRUS指数与300 hPa涡度距平场和波活动通量场的回归系数分布,反映了与春季EATL/WRUS遥相关型相联系的Rossby波的异常传播路径及其与大尺度异常涡旋运动间的关系。如图5所示,300 hPa涡度距平回归场在欧亚大陆中高纬地区也表现出纬向波列分布特征,主要涡度异常中心分别位于欧洲地区、乌拉尔山附近和贝加尔湖南侧,上述涡度异常中心与春季EATL/WRUS型遥相关波列的主要活动中心位置(图2)基本一致。可见,当春季EATL/WRUS型处于正位相时,西欧和贝加尔湖南侧为位势高度正异常和涡度负异常,乌拉尔山附近为位势高度负异常和涡度正异常。值得注意的是,在北大西洋中高纬海域(15°～30°W,55°～70°N)上空还存在一处显著的涡度正异常中心,这说明与春季EATL/WRUS遥相关型相联系的Rossby波活动可能受到北大西洋的影响或调制。在300 hPa波活动通量回归场上,欧亚中高纬地区有一支异常的波活动通量从欧亚遥相关波列上游的北大西洋开始向下游地区传播,在东欧平原加强后继续向下游传播至东亚地区,这有利于春季EATL/WRUS型遥相关波列的产生和维持。此外,涡度正、负异常中心沿着异常波活动通量路径交替出现,符合Rossby波传播的基本特征。

图5 1979—2017年春季EATL/WRUS指数与同期300 hPa涡度距平场(填色区,单位:10-5s-1)和波活动通量场的回归系数分布(箭矢,单位:m2·s-2)(点阴影区表示涡度距平回归场通过置信水平为95%的显著性检验;只画出波活动通量距平大于等于0.05 m2·s-2的箭矢)Fig.5 Regression coefficients of spring 300 hPa vorticity anomalies (shadings;units:10-5 s-1) and horizontal components of wave activity flux (vectors;units:m2·s-2) onto spring EATL/WRUS index during 1979—2017 (The stippling areas indicate that regression coefficients of vorticity anomalies are significant at the 95% confidence level;the wave activity flux anomalies less than 0.05 m2·s-2 in both directions are not shown)

由春季EATL/WRUS指数与同期700 hPa风场距平场回归系数分布(图6)可以发现,春季EATL/WRUS遥相关型与欧亚大陆中高纬地区的风场异常密切相关。在春季EATL/WRUS型正位相年,乌拉尔山附近为异常气旋性环流,贝加尔湖南侧地区为异常反气旋性环流,在两者的共同作用下,不利于西伯利亚和极地冷空气向南输送,从而易造成我国西北地区春季气温异常升高。在春季EATL/WRUS型负位相年,乌拉尔山附近为异常反气旋性环流,贝加尔湖南侧地区为异常气旋性环流,受其影响,有利于北方冷空气南下,进而影响我国西北地区气温变化。由此可见,与春季EATL/WRUS遥相关型相联系的乌拉尔山附近的气旋性(反气旋性)环流异常和贝加尔湖南侧的反气旋性(气旋性)环流异常与我国西北地区春季气温的异常变化息息相关。

图6 1979—2017年春季EATL/WRUS指数与同期700 hPa风场距平回归系数分布(单位:m·s-1;阴影区表示两个分量通过置信水平为95%的显著性水平检验)Fig.6 Regression coefficients of spring 700 hPa wind anomalies onto spring EATL/WRUS index during 1979—2017 (Units:m·s-1;the shaded areas indicate that two components of regression coefficients are significant at the 95% confidence level)

综合前文的分析可知,与春季EATL/WRUS遥相关型相联系的Rossby波能量从北大西洋向下游传播,在欧亚大陆上形成纬向波列,该波列引起乌拉尔山附近和贝加尔湖南侧的位势高度异常和风场异常,进而影响了我国西北地区春季气温异常。

4 结论

本文基于1979—2017年逐月中国160站气温资料和美国NCEP-DOE再分析资料,探讨了春季EATL/WRUS遥相关型异常变化特征及其与我国气温异常的联系,并初步探讨了这一联系的可能物理机制,得到以下主要结论:

1)春季EATL/WRUS遥相关型正(负)位相主要表现为北大西洋至欧亚中高纬地区500 hPa位势高度距平场“+-+”(“-+-”)纬向波列,该波列的主要活动中心分别位于西欧、乌拉尔山附近和贝加尔湖南侧。在垂直方向上,春季EATL/WRUS型遥相关波列表现出明显的相当正压结构。

2)春季EATL/WRUS遥相关型与我国西北地区春季气温异常具有显著的正相关关系。春季EATL/WRUS遥相关型正(负)位相年,乌拉尔山附近出现负(正)位势高度异常和气旋性(反气旋性)环流异常,贝加尔湖南侧表现为正(负)位势高度异常和反气旋性(气旋性)环流异常,进而影响我国西北地区的冷空气减弱(加强),使得我国西北地区出现显著的气温正(负)异常。

本文所得结果主要基于观测资料诊断分析,对于春季EATL/WRUS遥相关型对我国春季气温异常的影响机理仍有待于数值试验的进一步验证。此外,本文的研究发现,春季EATL/WRUS遥相关年际变率在2000年以后显著减弱(图1),其变化可能与大气波动异常等大气内部动力学过程有关(Lim,2015),也可能与北大西洋海温异常变化等外强迫存在联系(Liu et al.,2014),关于春季EATL/WRUS遥相关型年际变率的机理还有待于今后进一步深入研究。

致谢:本论文的数值计算得到了南京信息工程大学高性能计算中心的计算支持和帮助。