北冰洋緯向溫度梯度對中國東北地區(qū)夏季降水影響的分析＊

時曉曚，孫雅文，孫即霖

（中國海洋大學(xué)物理海洋實驗室 海洋－大氣相互作用與氣候?qū)嶒炇?，山東 青島266100）

中國東北地區(qū)地處中高緯歐亞大陸的東岸，屬東亞季風(fēng)氣候區(qū)，氣候變率較大，氣候災(zāi)害頻發(fā)，特別是大范圍的夏季氣溫異常嚴(yán)重制約東北經(jīng)濟和社會的發(fā)展[1]。對中國東北區(qū)域降水預(yù)報，鄒立堯等[2]采用計算趨勢系數(shù)的方法，分析了東北北部冷暖旱澇的趨勢，發(fā)現(xiàn)東北旱澇趨勢變化比較復(fù)雜。Yamamoto和Hirose[3]模擬了冬季日本海的月降水量。Lee et al.[4]探究了亞洲東北地區(qū)夏季降水的變化和季風(fēng)指數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)赤道東太平洋異常高的海溫在強夏季風(fēng)年前的冬天能夠產(chǎn)生西北太平洋的強反氣旋。李尚鋒等[5]分析了東北典型冷、暖夏500hPa位勢高度距平場和海溫距平場從前冬到夏季的特征及其演變。秋冬季節(jié)日本海水偏暖時，有利于位于上空極地低壓的強烈發(fā)展[6]，可影響到東北氣候變化。Liu et al.[7]對中國東北地區(qū)的氣候時頻特征進行分析，并與大氣環(huán)流特征相聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)氣候變化為半年次的強信號，且中國東北地區(qū)氣候變化與亞洲大陸和熱帶印度－太平洋的熱力差異、亞洲大陸與中高緯北太平洋的熱力差異存在聯(lián)系。

高緯度巴倫支海區(qū)域可通過上下游效應(yīng)影響我國氣候。李震坤等[8]對歐亞積雪異常對中國夏季降水進行模擬，發(fā)現(xiàn)春季積雪異常激發(fā)1個從歐洲西部到東亞的500hPa高度場異常波列，我國降水呈現(xiàn)南北相異的態(tài)勢。武炳義等[9－10]提出，冬季喀拉海、巴倫支海海冰可以影響初夏北太平洋中部海溫，海冰偏多使北太平洋中部海溫偏低；冬季喀拉海、巴倫支海海區(qū)是影響東亞以及北半球氣候變化的關(guān)鍵區(qū)之一，冬季該海區(qū)海冰偏少，會導(dǎo)致亞洲大陸冷高壓增強。但學(xué)者的研究未考慮到夏季，高緯度溫度梯度對夏季環(huán)流有無影響？對夏季降水有無影響？是何種機制？本文從巴倫支海同東西伯利亞海溫度梯度入手，尋找其對我國東北夏季降水的影響，為我國東北地區(qū)夏季降水預(yù)測提供參考。

1 數(shù)據(jù)資料及分析方法

本文所采用的資料為：（1）哈得萊氣候預(yù)報中心（Hadley Centre for Climate Prediction and Research）1979年1月～2007年12月月平均海表面溫度資料；（2）美國國家環(huán)境預(yù)測中心和大氣研究中心（NCEP/NCAR）提供的巴倫支海（含新地島）以及東西伯利亞海區(qū)域2m高月平均氣溫場資料；月平均500hPa位勢高度場資料；貝加爾湖區(qū)域海平面月平均風(fēng)場資料；GPCP（Global Precipitation Climatology Project）中國東北地區(qū)月平均降水資料以及北大西洋65°N斷面月平均925hPa位勢高度資料，OISST（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature）資料。1979年之后衛(wèi)星資料得到廣泛應(yīng)用，NCEP/NCAR的再分析資料以及降水資料都更加可信，因此研究資料時間起點選為1979年1月。

相關(guān)分析是研究2組變量整體關(guān)系的1種統(tǒng)計方法。此方法可以從2組變量的相關(guān)中提取主要信息，從而達到簡化分析的目的。相關(guān)分析方法為研究2個氣象場的關(guān)系和海洋與大氣的相互作用提供了1種有效的分析工具，目前在大氣科學(xué)和海洋科學(xué)領(lǐng)域里應(yīng)用非常廣泛[11]。合成分析方法廣泛應(yīng)用于氣象研究中，特別是對于典型年份合成，可有效發(fā)現(xiàn)相近氣象背景下的氣候變化特點。劉秀紅等[12]對山西春季干旱進行特征分析，Hu[13]采用合成方法探究夏季江淮流域降水影響因子。合成方法也常用在臺風(fēng)特征統(tǒng)計中[14－15]。

2 高緯度緯向氣溫梯度及其與上空位勢高度的關(guān)系

由于東西伯利亞海海域有海冰覆蓋，無法直接選取海表面溫度場探究海溫梯度。選取2m月平均氣溫場中巴倫支海（含新地島）區(qū)域（24.375°E～60.000°E，71.426 2°N ～77.139 4°N）與東西伯利亞海區(qū)域（150.0°E～172.5°E，69.5217°N～75.235 1°N）（見圖1）分別進行區(qū)域平均并逐月求取巴倫支海區(qū)域與東西伯利亞海區(qū)域二者之差。2m高月平均氣溫場資料，濾掉了大氣內(nèi)部高頻的信號，可以認(rèn)為大氣對海洋的響應(yīng)在2m高度上可以反映下墊面的SST異常。選取巴倫支海（22.5°E～60.0°E，65.0°N～75.0°N）和東西伯利亞區(qū)域（150.0°E～172.5°E，60.0°N～70°N）上空的500hPa位勢高度場進行區(qū)域平均并逐月求取巴倫支海區(qū)域與東西伯利亞海區(qū)域二者之差。圖2是緯向氣溫梯度與位勢高度梯度的季節(jié)變化圖，緯向氣溫梯度和位勢高度梯度在4～11月變化趨勢相似。不同月份氣溫梯度隨時間的變化如圖3可見。5、7、8月溫差較多體現(xiàn)為正值且5月溫差明顯大于其他月份，6月溫差較多存在負(fù)值，其原因可能是6月份處于大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換月份。不同月份位勢高度梯度隨時間的變化如圖4所示，并未存在某一月顯著大于其他月份的情況，1980年代后期開始4個月份呈現(xiàn)為較一致的變化趨勢。

圖1 氣溫（點線）和500hPa位勢高度（實線）區(qū)域示意圖Fig.1 The area’s schema of air temperature（dotted line）and 500hPa geopotential height（solid line）

圖2 北冰洋緯向氣溫梯度與500hPa位勢高度梯度的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal changes of zonal air temperature gradient and 500hPa geopotential height gradient

圖3 1979—2011年5～8月北冰洋緯向氣溫梯度變化趨勢圖Fig.3 Zonal air temperature gradient trend chart of the Arctic Ocean in May，June，July and August from 1979to 2011

圖4 1979—2011年5～8月北冰洋緯向500hPa位勢高度梯度變化趨勢圖Fig.4 Zonal 500hPa geopotential height gradient trend chart of the Arctic Ocean in May，June，July and August from 1979to 2011

將圖3和4中緯向氣溫梯度與緯向500hPa位勢高度梯度進行逐月相關(guān)分析，5～8月氣溫梯度和位勢高度梯度之間的相關(guān)系數(shù)分別為：0.51，0.25，0.73，0.68。相關(guān)系數(shù)除6月較小外，其余3個月份都通過了95%顯著性檢驗。上述相關(guān)系數(shù)表明，北冰洋5～8月緯向氣溫梯度與500hPa位勢高度梯度之間存在正相關(guān)。緯向梯度的變化有可能影響上空500hPa位勢高度的變化。

3 北冰洋緯向溫度梯度高年貝加爾湖海平面異常渦度合成分析

選取圖3中每年5～8月氣溫梯度高年（氣溫梯度異常的正異常年）年份列于表1。表2給出的是OISST巴倫支海海溫異常偏高年份。為時間上統(tǒng)一，都選取1982—2011年。由表1、2可見，緯向氣溫梯度異常的正異常年和巴倫支海海溫異常偏高年份具有普遍性。將逐月緯向氣溫梯度和巴倫支海海溫共同正異常年（下文稱為緯向溫度梯度高年）（表中加粗年份）所對應(yīng)的貝加爾湖海平面異常渦度合成如圖5。

如圖5可見，5、7月份貝加爾湖海平面異常渦度體現(xiàn)為西負(fù)東正，負(fù)渦度出現(xiàn)在貝加爾湖西部和中部，6月份渦度呈現(xiàn)為一致正渦度，和6月份處于大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換月份有關(guān)。8月份渦度異常場呈現(xiàn)為西正東負(fù)，負(fù)渦度位于貝加爾湖東部。異常風(fēng)場也與渦度異常場相對應(yīng)。圖3～5以及氣溫梯度和位勢高度梯度之間的相關(guān)系數(shù)表明，當(dāng)北冰洋緯向溫度梯度高時，高空對應(yīng)出現(xiàn)位勢高度梯度，巴倫支海和東西伯利亞海上空位勢高度差變大，對應(yīng)呈現(xiàn)高空脊和高空槽，貝加爾湖地區(qū)處于槽后脊前區(qū)域，在地面上易出現(xiàn)異常反氣旋，且7、8月份隨時間產(chǎn)生自西向東的移動。

表1 北冰洋緯向氣溫梯度異常的正異常年Table 1 Higher zonal air temperature gradient years of the Arctic Ocean

表2 巴倫支海海溫正異常年Table 2 Higher sea surface temperature years of the Barents Sea

圖5 5～8月北冰洋緯向溫度梯度高年貝加爾湖（52.5°N～57.5°N，102.5°E～117.5°E）海平面異常渦度（e－5/s）和異常風(fēng)場（m/s）合成圖Fig.5 Composite analysis results of the Lake Baikal（52.5°N～57.5°N，102.5°E～117.5°E）sea level vorticity anomaly（e－5/s）and wind anomaly（m/s）in higher zonal temperature gradient years from May to August

4 北冰洋緯向溫度梯度高年夏季東北地區(qū)降水合成分析

圖6為上節(jié)中挑選的北冰洋緯向氣溫梯度和巴倫支海海溫共同高年5～8月份東北地區(qū)降水合成圖。圖6a顯示，5月降水負(fù)異常區(qū)域位于蒙古東部以及我國黑龍江、吉林地區(qū)，東北地區(qū)較大范圍呈現(xiàn)降水負(fù)異常。在大氣環(huán)流轉(zhuǎn)型期的影響下，圖6b顯示，6月東北地區(qū)呈現(xiàn)降水正異常，內(nèi)蒙古中部以及貝加爾湖東南部降水呈現(xiàn)負(fù)異常。7月降水負(fù)異常區(qū)域東移，內(nèi)蒙古、黑龍江中西部、吉林、遼寧北部呈現(xiàn)降水顯著減少，中心位置位于黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古三省交界位置（見圖6c）。8月（見圖6d）降水負(fù)異常區(qū)域面積擴大東移且強度較強，東北地區(qū)呈現(xiàn)整體降水負(fù)異常，中心位置位于我國黑龍江省以及吉林省。

圖6 北冰洋緯向溫度梯度高年夏季（5～8月）我國東北地區(qū)（38.75°N～56.25°N，103.75°E～136.25°E）異常降水（mm/d）合成圖Fig.6 Composite analysis results of summer precipitation anomaly（mm/day）over Northeast China（38.75°N～56.25°N，103.75°E～136.25°E）in higher zonal temperature gradient years from May to August

5 北冰洋緯向溫度梯度成因

上文說明，當(dāng)北冰洋緯向（巴倫支海和東西伯利亞海）溫度梯度增大，同時上空位勢高度梯度增大，位于之間的貝加爾湖區(qū)域存在海平面異常負(fù)渦度，地面反氣旋發(fā)展。在下沉氣流的控制下，貝湖下游的蒙古、我國東北地區(qū)都隨之產(chǎn)生夏季降水負(fù)異常，負(fù)異常中心隨時間向東移，以7、8月最為顯著。

不難想到，北冰洋緯向溫度梯度是影響夏季東北地區(qū)降水的關(guān)鍵，而本文采用巴倫支海和東西伯利亞海區(qū)域平均氣溫差，以及巴倫支海海溫來表征北冰洋緯向溫度梯度。巴倫支海區(qū)域溫度升高以及東西伯利亞海區(qū)域溫度降低都能增大北冰洋緯向溫度梯度。而前人對于巴倫支海海溫變化的研究較少，而巴倫支海區(qū)域受海流以及海冰變化的影響海溫變化則比較劇烈，能否找到影響巴倫支海海溫的因子，從而能夠提前一段時間預(yù)測北冰洋緯向溫度梯度，從而預(yù)測我國東北地區(qū)夏季降水，成為本節(jié)所關(guān)注的問題。

一般情況下，按照Ekman輸送理論，在北半球，上層海水質(zhì)量輸送偏向風(fēng)的右方[16－18]，海洋表層的流動基本符合Ekman流特點。在65°N，受SST異常的影響，當(dāng)大氣對流層低層位勢高度東部點高于西部點時，在科氏力作用下，形成偏南風(fēng)氣流。海洋Ekman輸送產(chǎn)生的壓強梯度力與科氏力共同作用，產(chǎn)生向北冰洋的質(zhì)量和熱力輸送。所以可將925hPa點（65°N，12.5°E）的位勢高度和點（65°N，15°W）的位勢高度之差作為表征海面風(fēng)南北向的地轉(zhuǎn)分量，定性估計對北冰洋的熱力影響。

表3給出了9月～次年2月65°N緯向925hPa位勢高度差時間序列和次年5～8月巴倫支海區(qū)域平均海溫異常時間序列之間的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)大于0.36的代表通過了95%顯著性檢驗。按照由馬里蘭大學(xué)（Maryland）提供的 SODA （Simple Ocean Data Assimilation）資料，65°N以北的經(jīng)向輸送量級約為10－1m/s，大約5～6個月可以輸送到巴倫支海區(qū)域。表3中1月份的位勢高度差和6、7月份的海溫異常之間相關(guān)性最好，可見北大西洋1月份的位勢高度差可以通過Ekman輸送將低緯度暖水輸送到高緯度北冰洋地區(qū)，與東西伯利亞海溫度變化一起形成北冰洋緯向溫度梯度，進而影響中國東部地區(qū)降水。

表3 65°N緯向925hPa位勢高度差（9月～次年2月）時間序列和巴倫支海區(qū)域平均海溫異常時間序列（次年5～8月）之間相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficient between 65°N zonal 925hPa geopotential height difference（from September to the next February）time series and the Barents Sea regional average SSTA （from May to August）time series）

6 結(jié)論

（1）5～8月北冰洋緯向氣溫梯度與500hPa位勢高度梯度之間存在正相關(guān)。緯向氣溫梯度的變化有可能影響上空500hPa位勢高度的變化。巴倫支海和東西伯利亞海上空位勢高度差變大，對應(yīng)呈現(xiàn)高空脊和高空槽，貝加爾湖地區(qū)處于槽后脊前區(qū)域，在地面上其東部和南部較易出現(xiàn)異常反氣旋。緯向溫度梯度高年所對應(yīng)的貝加爾湖海平面異常渦度合成結(jié)果表明5、7月份負(fù)渦度出現(xiàn)在貝加爾湖西部和中部；8月份負(fù)渦度位于貝加爾湖東部。

（2）在下沉氣流的控制下，貝湖下游的蒙古、我國東北地區(qū)都隨之產(chǎn)生夏季降水負(fù)異常，負(fù)異常中心隨時間向東移，以7、8月最為顯著。

（3）1月份北大西洋的海面風(fēng)異?？梢酝ㄟ^Ekman輸送將低緯度暖水輸送到高緯度北冰洋地區(qū)，與東西伯利亞海溫度變化一起形成北冰洋緯向溫度梯度，進而影響我國東部地區(qū)降水。

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