春季歐亞大陸積雪對(duì)春夏季南北半球大氣質(zhì)量交換的可能影響

盧楚翰1 管兆勇1 李震坤2 金大超1 秦育婧1

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春季歐亞大陸積雪對(duì)春夏季南北半球大氣質(zhì)量交換的可能影響

盧楚翰管兆勇李震坤金大超秦育婧

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044;2上海市氣候中心，上海200030

本文基于春季歐亞雪蓋資料與大氣再分析資料的奇異值分解（SVD）分析結(jié)果，結(jié)合數(shù)值試驗(yàn)，研究了春季歐亞大陸積雪變化與春、夏季南北半球大氣質(zhì)量交換的聯(lián)系。研究表明，當(dāng)春季歐亞積雪異常偏多時(shí)，同期歐亞大陸中高緯大范圍地區(qū)的地面氣溫異常偏低，這種冷卻效應(yīng)可能持續(xù)至夏季，同時(shí)，冷空氣的堆積造成了歐亞大陸地表氣壓（氣柱大氣質(zhì)量）的增加，并且對(duì)應(yīng)了夏季北半球大氣總質(zhì)量的異常上升，而南半球大氣質(zhì)量卻明顯下降。分析發(fā)現(xiàn)，春季歐亞積雪異常與夏季南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng)存在顯著的滯后相關(guān)，而且前者還與同期及后期包括索馬里急流和對(duì)流層上部80°E～120°E區(qū)域高空急流在內(nèi)的多處越赤道氣流變化聯(lián)系密切。從數(shù)值模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，以改變春季初始積雪狀況作為驅(qū)動(dòng)，歐亞大陸中高緯地區(qū)的低層大氣環(huán)流出現(xiàn)了顯著響應(yīng)，即當(dāng)積雪增加時(shí)，同期及其后夏季地面氣溫顯著降低，并且冷異常區(qū)域?qū)?yīng)著氣柱質(zhì)量的異常升高。

歐亞大陸積雪 南北半球大氣相互作用 大氣質(zhì)量 越赤道氣流

1 引言

陸面積雪作為冰凍圈的主要組成部分，是引起全球氣候系統(tǒng)變化的重要因素之一（Namias，1985）。1884年，Blanford（1884）首次提出了喜馬拉雅山地區(qū)積雪異?？赡軙?huì)影響印度季風(fēng)。此后學(xué)者們開展了一系列圍繞亞歐大陸地區(qū)積雪異常與亞洲季風(fēng)的天氣、氣候異常聯(lián)系的研究工作，揭示了前期冬、春季歐亞雪蓋與印度夏季風(fēng)之間的聯(lián)系（Bamzai and Shukla，1999；Kripalani and Kulkarni， 1999；Dash et al., 2006），然而對(duì)于歐亞積雪與印度夏季風(fēng)的聯(lián)系程度尚存在一定爭(zhēng)議（Liu and Yanai，2001；Robock et al., 2003；Fasullo，2004）。

相對(duì)而言，我國(guó)學(xué)者更多關(guān)注歐亞積雪變化與東亞夏季風(fēng)異常的影響。研究顯示，歐亞大陸積雪尤其是青藏高原積雪與東亞夏季風(fēng)、環(huán)流異常以及氣候變化的關(guān)系緊密（陳乾金等，2000；Wu and Qian，2003；Zhao et al., 2007；Wu et al., 2009；Souma and Wang，2010；Yim et al., 2010）。許多研究表明，冬、春季節(jié)歐亞積雪通過(guò)影響東亞夏季風(fēng)，從而與我國(guó)夏季氣候異常分別存在“隔季”或滯后相關(guān)的聯(lián)系。楊秋明（1997）分析了歐亞雪蓋準(zhǔn)兩年振蕩（QBO）對(duì)中國(guó)降水影響的循環(huán)過(guò)程，指出中國(guó)降水低頻場(chǎng)存在兩種不同的伴隨相關(guān)型，其主要響應(yīng)區(qū)域在西部和長(zhǎng)江以南地區(qū)。陳興芳和宋文玲（2000）通過(guò)高原積雪和歐亞積雪與我國(guó)夏季降水的關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)冬、春季雪蓋變化對(duì)我國(guó)夏季旱澇有重要的影響。Wu et al.（2009）進(jìn)一步指出，歐亞大陸春季雪水當(dāng)量異常激發(fā)出的中、高緯度遙相關(guān)波列從春季一直持續(xù)到了夏季，使得中國(guó)夏季雨帶偏南，南方降水增多。由于春季積雪自身異常綜合了自前期秋季至當(dāng)季的積雪異常信息（穆松寧，2008），積雪變化量對(duì)大氣環(huán)流和我國(guó)氣候異常的影響也不容忽視。最近，穆松寧和周廣慶（2010）以冬季歐亞大陸北部新增雪蓋面積定義指數(shù)，指出冬季該指數(shù)的異常變化與我國(guó)夏季氣候異常存在明顯關(guān)聯(lián)，這種顯著關(guān)聯(lián)獨(dú)立于厄爾尼諾/南方濤動(dòng)（ENSO）事件并且在近40年來(lái)較為穩(wěn)定。許立言和武炳義（2012a）分析了春季融雪量異常與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系，指出東西伯利亞以及巴爾喀什湖附近異常偏多的春季融雪量能夠在該地區(qū)引起正異常的位勢(shì)高度場(chǎng)，相應(yīng)異常中心的移動(dòng)可能造成了夏季東亞地區(qū)的經(jīng)向波列結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)東亞的天氣和氣候產(chǎn)生影響。

數(shù)值模擬研究也表明，冬、春季節(jié)歐亞積雪與我國(guó)夏季氣候異常有著密切的聯(lián)系。盧咸池和羅勇（1994）利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所兩層大氣環(huán)流格點(diǎn)模式（IAP2L AGCM）進(jìn)行了青藏高原冬、春季雪蓋異常對(duì)東亞夏季大氣環(huán)流、加熱場(chǎng)和降水影響的數(shù)值試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高原雪蓋異常時(shí)，我國(guó)區(qū)域500 hPa位勢(shì)高度異常呈明顯的波列特征。李震坤等（2009）通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，春季歐亞大陸積雪異常通過(guò)改變氣候夏季的土壤濕度和溫度分布，改變對(duì)流層厚度場(chǎng)并激發(fā)一個(gè)從歐洲西部到東亞的500 hPa高度場(chǎng)異常波列，造成我國(guó)降水呈南北相異的異常態(tài)勢(shì)。許立言和武炳義（2012b）分別針對(duì)歐亞大陸積雪的反照率效應(yīng)和水文效應(yīng)，對(duì)2010年5～6月華南降水的影響進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，他 們指出積雪的兩種物理效應(yīng)都會(huì)對(duì)后期華南降水產(chǎn)生影響，其中積雪水文效應(yīng)比反照率效應(yīng)引起的變化幅度大，兩種效應(yīng)共同作用造成的變化幅度最大。

對(duì)于冬、春季節(jié)歐亞積雪影響我國(guó)夏季氣候異常的持續(xù)機(jī)制，討論較多的是雪蓋自身的持續(xù)異常所造成的雪蓋反照率反饋機(jī)制（Yasunari et al., 1991），以及積雪融化的水文效應(yīng)機(jī)制（Yeh et al., 1983；Yasunari et al., 1991）。其中，水文效應(yīng)造成的土壤濕度持續(xù)異常是其影響的主要物理途徑（Zhao et al., 2007；Wu et al., 2009；Matsumura et al., 2010）。積雪的冷卻效應(yīng)能夠改變海陸間溫度差異，從而影響亞洲季風(fēng)環(huán)流（Sankar-Rao et al., 1996； Bamzai and Shukla，1999）。穆松寧和周廣慶（2012）指出歐亞北部冬季新增雪蓋面積通過(guò)影響春夏季積雪融化進(jìn)程、土壤溫度，進(jìn)而對(duì)東亞大氣環(huán)流產(chǎn)生影響，并與我國(guó)江南夏季降水異常產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。積雪引起的陸面過(guò)程異常可通過(guò)大氣內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程，引起大氣環(huán)流異常。例如，歐亞大陸積雪異?？梢砸鸫髿釫P通量的異常，進(jìn)而引起行星波異常，造成了大氣環(huán)流異常并影響東亞氣候（Wang et al., 2009；Zuo et al，2012）。以往研究對(duì)于揭示歐亞積雪異常影響大氣環(huán)流氣候變化的物理機(jī)制方面已經(jīng)取得了很多的成果。然而，統(tǒng)計(jì)診斷與數(shù)值模擬結(jié)果之間仍存在較大差異，不具可比性；此外，許多模擬試驗(yàn)往往通過(guò)改變初始場(chǎng)中積雪異常強(qiáng)迫，但由于積雪要素自身為預(yù)報(bào)量，大氣環(huán)流對(duì)積雪異常的持續(xù)響應(yīng)以及積雪異常自身的持續(xù)效應(yīng)沒有得到充分考慮。

由于冷季歐亞大陸覆蓋著廣闊的積雪，通過(guò)與大氣的耦合聯(lián)系，大范圍的積雪異常增加可以導(dǎo)致大陸上冷空氣的異常堆積，從而改變大陸的地表氣壓。大氣環(huán)流異常的響應(yīng)是否可持續(xù)至夏季，由此改變夏季海陸氣壓梯度變化并影響夏季亞洲季風(fēng)異常？另外，為保持全球干空氣質(zhì)量守恒，大陸尺度的冷空氣異常堆積，必須通過(guò)其他區(qū)域的空氣異常輸出以達(dá)到平衡，例如Barnett（1985）利用亞洲雪蓋的異常變化揭示了全球尺度的海平面氣壓遙相關(guān)信號(hào)，此后相應(yīng)結(jié)果得到了進(jìn)一步驗(yàn)證（Yasunari，1987）。Guan and Yamagata（2001）發(fā)現(xiàn)南北半球間地表氣壓在年際尺度以上存在此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象（南北濤動(dòng)，IHO），并利用兩半球地表氣壓差構(gòu)造了IHO指數(shù)。那么，大陸尺度的冷空氣異常堆積是否可以引起北半球甚至南半球區(qū)域大氣質(zhì)量或IHO的異常變化，由此造成的半球際大氣質(zhì)量不平衡是否可以通過(guò)加強(qiáng)兩半球大氣相互作用并影響夏季亞洲區(qū)域氣候變化？

基于上述問(wèn)題，本文將對(duì)由春季歐亞大陸雪蓋異常變化造成的大氣環(huán)流異常特征以及其后夏季大氣的持續(xù)響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)診斷分析，并進(jìn)一步探討雪蓋異常與其后南北兩半球大氣質(zhì)量交換和兩半球大氣相互作用的可能聯(lián)系。此外，還將利用大氣環(huán)流模式，檢驗(yàn)大氣環(huán)流和大氣質(zhì)量分布對(duì)不同歐亞大陸春季持續(xù)積雪異常狀況的響應(yīng)。

2 資料與模式介紹

2.1 資料

本文所用北半球逐月雪蓋資料和逐月歐亞積雪面積指數(shù)取自美國(guó)國(guó)家海洋大氣局的冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC）（Armstrong and Brodzik，2005），該數(shù)據(jù)經(jīng)處理后插值為2°×2°度均勻網(wǎng)格。由于春季（4、5月份平均）歐亞大陸雪蓋面積在1967～1981年期間平均值明顯高于1982～2010年，尤其是1979～1981年面積明顯增大（圖1），為減小氣候均值變化對(duì)分析結(jié)果的影響，且考慮到本文所用的大氣再分析資料（ERA-Inerim）起始于1979年，因此將研究時(shí)段取為1982年4月至2010年8月。需要指出的是，逐月雪蓋要素實(shí)際為雪蓋的月累計(jì)頻（天）數(shù)，即當(dāng)月某一天該格點(diǎn)積雪覆蓋面積大于50%時(shí)，當(dāng)月頻數(shù)增加一次，因此本文簡(jiǎn)稱為積雪天數(shù)。大氣資料采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的Interim月平均再分析資料集（Simmons et al., 2007），水平分辨率為1.5°×1.5°，并將4、5（6～8）月平均作為春（夏）季資料。

圖1 春季（4、5月份平均）歐亞大陸雪蓋面積。其中虛線為1967～1981年平均值，點(diǎn)線為1982～2010年平均值

2.2 大氣環(huán)流模式

為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)歐亞大陸積雪異常對(duì)大氣環(huán)流異常的影響，本文使用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局地球流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的第二版大氣環(huán)流/陸面耦合模式（GFDL-AM2/LM2）進(jìn)行敏感性試驗(yàn)。該模式大氣部分（AM2）水平面上采用Arakawa-B網(wǎng) 格，水平分辨率為2.5°（經(jīng)度）×2°（緯度），垂直方向采用非等間距混合垂直坐標(biāo)，模式頂約在平流層3 hPa，總共24層，具體模式介紹見GAMDT（2004）。

3 結(jié)果

3.1 積雪與氣溫的耦合關(guān)系

為分析春季歐亞積雪異常與氣溫的耦合關(guān)系，首先對(duì)春季歐亞大陸積雪天數(shù)異常與同期地面氣溫進(jìn)行了奇異值分解（SVD，Singular Value Decomposition）分析。圖2給出了SVD分析的第一模態(tài)（SVD1），其對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率達(dá)23%，后面主要討論第一模態(tài)SVD1。由圖2a可以看出，正的積雪高相關(guān)區(qū)主要集中在西伯利亞、蒙古及我國(guó)新疆地區(qū)，相關(guān)系數(shù)最大值達(dá)0.6，即當(dāng)積雪SVD1增強(qiáng)時(shí)，這些區(qū)域的積雪將會(huì)明顯增加。另外我國(guó)東北地區(qū)及青藏高原西部出現(xiàn)負(fù)相關(guān)，體現(xiàn)出這些地區(qū)積雪局地變化特性?？傮w上，積雪SVD1與歐亞積雪變化以正相關(guān)聯(lián)系為主。氣溫SVD1與歐亞積雪變化的異類相關(guān)分布（圖2b）與積雪SVD1對(duì)應(yīng)的同類相關(guān)分布（圖2a）基本一致，體現(xiàn)了氣溫SVD1與積雪SVD1之間具有較好的共變聯(lián)系（兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.83）。相對(duì)而言，積雪異類相關(guān)的顯著區(qū)域在大陸中部較圖2a明顯偏大，雖然大值區(qū)相關(guān)系數(shù)有所降低。

由圖2c和d可以看出，氣溫SVD1的同類以及異類相關(guān)在歐亞西南部以及西亞大部分地區(qū)均出現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大部分達(dá)－0.4以上，歐亞大陸其他區(qū)域的地面氣溫也基本為負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明春季歐亞積雪天數(shù)與地面氣溫變化存在較強(qiáng)的耦合聯(lián)系，當(dāng)積雪覆蓋持續(xù)時(shí)間偏長(zhǎng)時(shí)，歐亞大陸地表氣溫明顯偏低，這應(yīng)該與積雪異常導(dǎo)致的輻射冷卻和融雪過(guò)程消耗熱量的共同冷卻作用有關(guān)。

由圖2a還可發(fā)現(xiàn)積雪SVD第一模態(tài)中的歐亞春季積雪總體上具有一致性變化特征，這與Yim et al.（2010）揭示的大陸尺度變化是春季歐亞雪蓋主導(dǎo)模態(tài)相一致。而且積雪（氣溫）場(chǎng)SVD1與春季歐亞大陸雪蓋面積的相關(guān)系數(shù)為0.50（0.40），均通過(guò)了顯著性水平為0.05的檢驗(yàn)，即積雪與氣溫的主導(dǎo)共變模態(tài)的時(shí)間變化較好地體現(xiàn)了歐亞大陸雪蓋面積的變化特征。進(jìn)一步分析春季歐亞積雪天數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差可發(fā)現(xiàn)（圖2e），在歐亞大陸中高緯度地區(qū)均有著較明顯的年際變率，說(shuō)明可以通過(guò)積雪SVD1（即積雪第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列，以下簡(jiǎn)稱PC1）從整體上分析春季歐亞雪蓋變化。

圖2 春季歐亞大陸積雪天數(shù)異常與同期地面2 m氣溫異常的SVD主導(dǎo)模態(tài)結(jié)果。（a）第一模態(tài)左（積雪天數(shù)）同類相關(guān)系數(shù)；（b）第一模態(tài)左異類相關(guān)系數(shù)；（c）第一模態(tài)右（氣溫）同類相關(guān)系數(shù)；（d）第一模態(tài)右異類相關(guān)系數(shù)；（e）春季歐亞大陸積雪天數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。其中，（a、b）圖中帶點(diǎn)格點(diǎn)和（c、d）圖中灰色陰影均表示通過(guò)顯著性水平為0.1的t檢驗(yàn)。（a、b、e）單位為d，（c、d）單位為°C

為進(jìn)一步分析春季歐亞積雪與同期及其后夏季地面氣溫的聯(lián)系程度，圖3分別給出了春季及夏季地面氣溫異常對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化PC1的回歸結(jié)果。從圖3a看出，歐亞大陸大部分地區(qū)出現(xiàn)冷異常，其中大陸北部地區(qū)降溫最明顯，當(dāng)PC1達(dá)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，將會(huì)引起這些地區(qū)1°C以上的冷卻降溫。另外在歐洲南部、亞洲中西部以及我國(guó)江淮地區(qū)也出現(xiàn)了明顯降溫。因此，歐亞積雪的增加對(duì)歐亞大陸大部分地區(qū)起到冷卻作用，這與前面相關(guān)分析結(jié)果相吻合。值得注意的是，歐亞積雪與夏季亞歐大陸大部分區(qū)域地表氣溫存在顯著負(fù)相關(guān)（圖3b），與春季不同的是，歐亞北部的顯著聯(lián)系區(qū)有所收縮，而在中亞地區(qū)的顯著區(qū)域則向東南擴(kuò)大至我國(guó)西部及東北地區(qū)，且其聯(lián)系程度有所增強(qiáng)，此外歐洲大部分區(qū)域也出現(xiàn)顯著降溫。因此，春季歐亞大陸積雪與春、夏季大陸地表氣溫耦合聯(lián)系明顯。

比較圖3a和b發(fā)現(xiàn)，積雪與氣溫的聯(lián)系存在季節(jié)性差異。尤其在我國(guó)北方以及蒙古地區(qū)，積雪與夏季氣溫的滯后聯(lián)系明顯強(qiáng)于同期。為討論其差異原因，進(jìn)一步繪制了PC1與春、夏季土壤濕度的相關(guān)系數(shù)（圖3c、d）。可以看到，PC1與春季大陸土壤濕度的顯著相關(guān)區(qū)主要集中在歐洲西部、我國(guó)北方以及蒙古地區(qū)，大陸中緯度區(qū)域以正相關(guān)為主，說(shuō)明雪蓋面積偏大一定程度上有利于土壤的濕度增加。而從PC1與夏季大陸土壤濕度的滯后相關(guān)看出，積雪與我國(guó)北方及蒙古地區(qū)土壤濕度聯(lián)系最為顯著，而且相對(duì)于春季，該顯著區(qū)域明顯向我國(guó)東北以及華北地區(qū)擴(kuò)展，這與PC1與夏季氣溫在此區(qū)域的聯(lián)系增強(qiáng)是對(duì)應(yīng)的。由文中圖2e看到春季這些區(qū)域存在積雪，可以推測(cè)進(jìn)入夏季后區(qū)域性的積雪消融吸收熱量引起了以上區(qū)域地面氣溫的顯著下降，并使得土壤濕度相應(yīng)增加。

圖3 （a）春季及（b）夏季地面氣溫異常對(duì)PC1的回歸系數(shù)（單位：°C）；（c）春季及（d）夏季上層土壤濕度與PC1的相關(guān)系數(shù)?；疑幱氨硎就ㄟ^(guò)顯著性水平為0.05的（a、b）F檢驗(yàn)以及（c、d）t檢驗(yàn)；虛線框表示圖4中受積雪顯著影響的區(qū)域

為突出春季歐亞積雪與春、夏季區(qū)域氣溫異常的耦合聯(lián)系，圖4（見文后彩圖）進(jìn)一步給出了春季歐亞大陸北部區(qū)域（60°N～80°N，60°E～160°E，區(qū)域1）平均氣溫異常和夏季蒙古及我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)（40°N～60°N，90°E～120°E，區(qū)域2）平均氣溫異常與PC1的變化關(guān)系。從圖4上部可以看 到，春季歐亞積雪與以上兩個(gè)區(qū)域的負(fù)相關(guān)十分明顯，相關(guān)系數(shù)分別為－0.70和－0.80，均通過(guò)了顯著性水平為0.01的檢驗(yàn)。這表明春季歐亞積雪變化與以上區(qū)域地面氣溫存在緊密的聯(lián)系。值得注意的是，PC1以及以上區(qū)域氣溫存在明顯的年代際變化，其中PC1在1990年代中期發(fā)生年代際轉(zhuǎn) 型，其整體下降趨勢(shì)明顯，說(shuō)明春季歐亞雪蓋面積出現(xiàn)顯著縮減的年代際變化，這與歐亞大陸積雪顯著下降趨勢(shì)是一致的（Zuo et al., 2012），但是本文年代際轉(zhuǎn)折點(diǎn)晚于之前研究，可能與本文所取的時(shí)段以及積雪要素不同有關(guān)。與之相反，春季區(qū)域1和夏季區(qū)域2的氣溫在1990年代中期發(fā)生由正轉(zhuǎn)負(fù)的年代際變化，對(duì)應(yīng)著氣溫的顯著升高。事實(shí)上，春、夏季歐亞大陸熱帶外地區(qū)整體平均氣溫均出現(xiàn)0.4°C (10a)以上的顯著增溫趨勢(shì)，并且在1990年代中期出現(xiàn)了一致的顯著年代際轉(zhuǎn)折，由此說(shuō)明歐亞雪蓋的年代際縮減與歐亞大陸熱帶外地區(qū)氣溫升高相互聯(lián)系密切。另一方面，圖4下部還給出了去除線性趨勢(shì)后的各時(shí)間序列，它們體現(xiàn)了各自的年際變化特征?？梢钥闯觯琍C1的年際變化與區(qū)域1和2的氣溫變化仍存在明顯的反相關(guān)聯(lián)系，其中它們?nèi)ペ厔?shì)后的相關(guān)系數(shù)分別為－0.55、－0.41，均通過(guò)了顯著性水平為0.05的檢驗(yàn)，特別是在PC1的極端年份，區(qū)域1和2平均氣溫的位相基本與PC1相反。因此，歐亞大陸積雪整體變化與區(qū)域1和2氣溫變化的反相關(guān)聯(lián)系，既體現(xiàn)了它們相反的年代際變化，也蘊(yùn)含了它們的反相年際異常特征。

圖4 區(qū)域平均氣溫異常與PC1的變化關(guān)系。PC1以黑色直方表示，春季區(qū)域（60°N～80°N, 60°E～160°E）平均標(biāo)準(zhǔn)化氣溫為紅色直方，夏季區(qū)域（40°N～60°N, 90°E～120°E）平均標(biāo)準(zhǔn)化氣溫為綠色直方。上部為原始時(shí)間序列，下部為去除線性趨勢(shì)序列。圖中實(shí)線為PC1的線性趨勢(shì)

3.2 積雪與大尺度大氣質(zhì)量重新分布的聯(lián)系

3.2.1 積雪與歐亞大陸地表氣壓

圖5給出了由原始和去趨勢(shì)PC1指數(shù)高、低值年份（分別為大于1和小于－1的年份）合成所得的20°N以北亞歐大陸地表氣壓差值。可以看出，歐亞大陸積雪增多與春、夏季大陸總體地表氣壓增加相聯(lián)系，自5月份起，亞歐大陸地表氣壓基本保持正異常，并在6月份達(dá)到最大，偏冷的大氣在該區(qū)域堆積。其中，原始和去趨勢(shì)PC1對(duì)應(yīng)的大陸異常地表氣壓月際變化基本一致。相應(yīng)地，自5月份以來(lái)，歐亞大陸大部分地區(qū)的地表氣壓為正異常，其中夏季地表氣壓正異常主要維持于歐亞大陸西 南以及東北部，正異常的面積在6月達(dá)到最大，之后7月歐洲西部、中國(guó)以及蒙古地區(qū)出現(xiàn)負(fù)異常區(qū)，這些負(fù)異常區(qū)在8月份進(jìn)一步擴(kuò)大至大陸中部（圖略）。因此，與前面積雪與地表氣溫耦合關(guān)系相一致，當(dāng)春季亞歐大陸積雪增加時(shí)，亞歐大陸熱帶外大范圍地區(qū)低層偏冷，可能有利于冷空氣的堆積以及氣柱質(zhì)量增加，從而使得這些地區(qū)地表氣壓持續(xù)正異常。

圖5 原始（星實(shí)線）以及去趨勢(shì)（點(diǎn)實(shí)線）PC1高、低指數(shù)年20°N以北亞歐大陸平均地表氣壓合成差值。單位：hPa

進(jìn)一步利用SVD方法分析了春季歐亞大陸積雪與夏季地表氣壓異常之間的聯(lián)系[圖6（見文后彩圖）]。其中積雪SVD1的同類和異類相關(guān)系數(shù)分布與圖1相似，仍以春季歐亞大陸積雪的一致性變化為主（圖6a、b），它是與其后夏季地表氣壓變化聯(lián)系的主導(dǎo)模態(tài)。另外，圖6a的積雪同類相關(guān)總體強(qiáng)于圖2a，尤其在亞歐大陸的西北部顯著正相關(guān)區(qū)域明顯擴(kuò)大，表明相對(duì)于PC1，春季歐亞積雪與夏季地表氣壓SVD分析得到的主導(dǎo)積雪模態(tài)更好地反映了歐亞大陸大范圍積雪的低頻變化。夏季地表氣壓SVD1的同類及異類相關(guān)系數(shù)在亞歐大陸大部分地區(qū)出現(xiàn)相似的顯著相關(guān)（圖6c、d）。其分布形勢(shì)以正相關(guān)為主，顯著區(qū)域包括亞歐大陸高緯度區(qū)域的東北部、地中海、西亞地區(qū)及北非地區(qū)，體現(xiàn)了積雪異常與其后冷空氣堆積的時(shí)滯聯(lián)系。此外，在西歐以及我國(guó)華北和內(nèi)蒙古西部地區(qū)出現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)系數(shù)分布，后面分析發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)與一定程度的局地溫度正異常有關(guān)（圖7b）。

圖6 同圖2a?d，但為春季歐亞大陸積雪天數(shù)異常與其后夏季地表氣壓異常的SVD分析結(jié)果。上部為春季積雪，下部為夏季地表氣壓。（a、b）單位為d，（c、d）單位為hPa

圖7 同圖2a?d，但為夏季歐亞大陸地表氣溫異常與同期地表氣壓異常的SVD分析結(jié)果。上部為夏季地面氣溫，下部為夏季地表氣壓。（a、b）單位為°C，（c、d）單位為hPa

圖8 夏季異常地表氣壓對(duì)（a）原始PC1以及（b）去趨勢(shì)PC1的回歸系數(shù)?；疑幱氨硎就ㄟ^(guò)顯著性水平為0.05的F檢驗(yàn)。右側(cè)曲線圖中的實(shí)線表示左側(cè)地表氣壓異?；貧w系數(shù)的緯向平均，虛線表示緯向平均值乘以相應(yīng)各緯度的余弦值（面積權(quán)重系數(shù)）。單位：hPa

由圖7中的夏季氣溫與地表氣壓SVD分析結(jié)果看出，夏季歐亞大陸高緯度區(qū)域的地表氣壓異常與同期地面氣溫異常存在顯著的反相關(guān)耦合 聯(lián)系，當(dāng)?shù)孛鏆鉁禺惓＝档蜁r(shí)，地表氣壓相應(yīng)增加，對(duì)應(yīng)冷空氣異常堆積。與夏季大陸降溫相聯(lián)系的正異常地表氣壓還出現(xiàn)在亞歐大陸西南部區(qū)域，亞歐大陸總體以地表氣壓正異常為主。此外，負(fù)異常地表氣壓出現(xiàn)在歐洲西部以及蒙古地區(qū)，與這些地區(qū)降溫不明顯有一定聯(lián)系。根據(jù)上述分析，春季歐亞大陸積雪的異常增加，導(dǎo)致大陸地區(qū)氣溫普遍降低，并且與其后夏季的歐亞大陸氣溫負(fù)異常相聯(lián)系。通過(guò)氣溫與地表氣壓的耦合聯(lián)系，使得春季歐亞大陸積雪異常與夏季歐亞大陸大部分地區(qū)的冷空氣堆積以及地表氣壓異常增加產(chǎn)生較好的時(shí)滯聯(lián)系。

3.2.2 積雪與南北半球際大氣質(zhì)量不平衡分布

由于年際以上尺度全球大氣質(zhì)量保持守恒（Guan et al., 2010），大陸尺度的地表氣壓上升（大氣質(zhì)量增加），意味著需要其他區(qū)域的空氣異常輸出以達(dá)到守恒。為分析歐亞積雪與全球大氣質(zhì)量再分布之間的聯(lián)系，圖8分別給出了原始以及去趨勢(shì)的PC1對(duì)全球夏季異常地表氣壓場(chǎng)的回歸系數(shù)。由圖8a可以看到，與歐亞積雪變化相聯(lián)系的地表氣壓異常表現(xiàn)為北半球大部分地區(qū)的正值異常，其中以歐亞大陸最為顯著，另外在格陵蘭島以及青藏高原區(qū)域出現(xiàn)顯著負(fù)異常氣壓分布，而南半球中高緯度地區(qū)基本為負(fù)異常地表氣壓。去趨勢(shì)的異常地表氣壓回歸系數(shù)分布與原始PC1回歸結(jié)果總體一致（圖8b），但顯著區(qū)域以及中心值分布有一定差異。從相應(yīng)的緯向平均值分布可以看到，無(wú)論是原始還是去趨勢(shì)的地表氣壓回歸場(chǎng)，北半球特別是30°N～60°N緯帶主要為大氣的質(zhì)量堆積，其中歐亞大陸是質(zhì)量堆積的主要貢獻(xiàn)區(qū)域，而南半球尤其是中高緯度地區(qū)則是以空氣質(zhì)量的輸出為主，這在一定程度上體現(xiàn)了全球大氣質(zhì)量的守恒特性。

為進(jìn)一步分析春季歐亞積雪與區(qū)域大氣質(zhì)量再分布的聯(lián)系，計(jì)算了春季歐亞積雪與夏季區(qū)域地表氣壓的相關(guān)系數(shù)（表1）?？梢钥吹?，原始PC1與歐亞大陸以及北半球的地表氣壓均為正相關(guān)，而且去趨勢(shì)的PC1與它們的正相關(guān)均通過(guò)了顯著性水平為0.05的檢驗(yàn)，而原始以及去趨勢(shì)的PC1與南半球的地表氣壓則是顯著的負(fù)相關(guān)聯(lián)系。這與前面的回歸分析結(jié)果是一致的，即春季歐亞大陸積雪增加對(duì)應(yīng)了夏季歐亞大陸和北半球大氣的質(zhì)量堆積以及南半球大氣的質(zhì)量輸出，因此其與全球尺度的大氣質(zhì)量重新分布存在聯(lián)系。

表1 春季歐亞積雪與夏季區(qū)域地表氣壓的相關(guān)系數(shù)（黑體表示通過(guò)0.05顯著性水平 t檢驗(yàn)）

值得關(guān)注的是，圖8a、b中地表氣壓異常的水平分布呈北正南負(fù)的南北半球際反相態(tài)勢(shì)，這與盧楚翰等（2010）揭示的夏季南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng)（IHO）形態(tài)類似。由于兩半球大氣質(zhì)量不平衡會(huì)導(dǎo)致半球際氣壓梯度力的產(chǎn)生，因此兩半球大氣質(zhì)量的差異在一定程度上反映了兩半球大氣質(zhì)量交換和相互作用的活躍度，而且夏季IHO與東半球主要季風(fēng)活動(dòng)均存在顯著相關(guān)（盧楚翰等，2010）。為此，計(jì)算得到原始以及去趨勢(shì)的PC1分別與夏季IHO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.39和0.41，均通過(guò)顯著性水平為0.05的檢驗(yàn)。表明當(dāng)春季歐亞積雪異常增加時(shí)，有利于北半球中高緯度大陸地區(qū)的冷空氣堆積，伴隨著大氣自南向北的半球際交換，從而可能與夏季兩半球大氣的相互作用相聯(lián)系。

3.3 與東半球越赤道氣流的可能聯(lián)系

赤道垂直面是南北半球大氣的唯一交換面，其中東半球較西半球的越赤道氣流和質(zhì)量交換更為明顯（施能等，2007）。從圖9回歸分析結(jié)果可知，春季歐亞積雪異常變化伴隨著東半球赤道面多處經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)異常的顯著變化，其中包括氣候態(tài)上最為明顯的索馬里低空急流和80°E～120°E對(duì)流層上部的北風(fēng)急流區(qū)，另外顯著區(qū)還包括對(duì)流層中部（500～700 hPa）的多處區(qū)域（圖9c）。積雪異常對(duì)應(yīng)的越赤道風(fēng)場(chǎng)異常配置在其后夏季也有體現(xiàn)，且顯著聯(lián)系區(qū)域的面積較春季有所擴(kuò)大。對(duì)應(yīng)的索馬里急流區(qū)北風(fēng)異常風(fēng)速加大，而80°E～120°E區(qū)域高空急流區(qū)域南風(fēng)異常風(fēng)速略有降低。春季歐亞積雪變化與以上春、夏季越赤道氣流的密切聯(lián)系可能與兩半球大氣質(zhì)量的不平衡以及相互交換異常有關(guān)，與積雪變化對(duì)應(yīng)的越赤道總質(zhì)量流有待進(jìn)一步定量估算。此外，由于夏季索馬里急流的年際變化與全球范圍內(nèi)有關(guān)環(huán)流系統(tǒng)的變化存在關(guān)聯(lián)，并且與亞洲季風(fēng)系統(tǒng)以及水汽輸送有關(guān)（王會(huì)軍和薛峰，2003），因而春季積雪可能通過(guò)影響越赤道急流（圖9d）以及亞洲區(qū)域低層環(huán)流異常，從而對(duì)亞洲區(qū)域季風(fēng)活動(dòng)以及氣候異常產(chǎn)生作用。

3.4 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步驗(yàn)證春季歐亞大陸積雪異常與地面氣溫及大氣質(zhì)量重新分布之間的聯(lián)系，通過(guò)改變GFDL AM2模式中（35°N～75°N，20°E～180°）區(qū)域的積雪質(zhì)量初始場(chǎng)，分別設(shè)計(jì)了春季積雪偏多試驗(yàn)（HS）和積雪偏少試驗(yàn)（LS）。具體地，首先將模式積分五年作為控制試驗(yàn)，然后取第六年3月1日的大氣及陸面要素作為模式的原始初始場(chǎng)。在保持其他區(qū)域不變的情況下，分別取控制試驗(yàn)第六年中的冬季和夏季相同區(qū)域積雪質(zhì)量作為HS和LS試驗(yàn)的初始積雪情況。其中HS和LS的初始積雪質(zhì)量差異如圖10a所示，在歐亞大陸中高緯度大部分積雪區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)100 kgm以上的偏多積雪。利用以上初始場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式繼續(xù)運(yùn)行6個(gè)月作為敏感試驗(yàn)，并通過(guò)擾動(dòng)初始場(chǎng)，分別得到了HS試驗(yàn)和LS試驗(yàn)各11個(gè)集合成員結(jié)果。

由于積雪質(zhì)量是模式的預(yù)報(bào)量，本文試驗(yàn)方案是以改變積雪質(zhì)量初始場(chǎng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)積雪異常的強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)，首先需要檢驗(yàn)其異常信號(hào)的持續(xù) 性。因此，計(jì)算了HS與LS試驗(yàn)的春季（3～5月平均）積雪質(zhì)量集合平均差值（圖10b），可看到HS試驗(yàn)與LS試驗(yàn)對(duì)于春季歐亞積雪的表現(xiàn)有著顯著差異，除青藏高原地區(qū)外，它們的差值場(chǎng)分布形勢(shì)與兩類試驗(yàn)的初始場(chǎng)差值分布相一致（圖10a），只是異常的數(shù)值較初始場(chǎng)差值普遍偏小，這可能是由于積雪本身隨季節(jié)消融所致。由此說(shuō)明本文試驗(yàn)方案中對(duì)于積雪異常信號(hào)的持續(xù)性有著較好表現(xiàn)。

圖9 東半球（a、b）春季及夏季赤道（4.5°S～4.5°N平均）經(jīng)向風(fēng)氣候場(chǎng)以及（c、d）春季和夏季赤道經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)異常對(duì)PC1的回歸系數(shù)。（c、d）灰色陰影表示通過(guò)顯著性水平為0.1的F檢驗(yàn)。單位：m s?1

圖10 （a）HS與LS數(shù)值試驗(yàn)的模式初始積雪質(zhì)量集合平均差值；（b）HS與LS試驗(yàn)中的春季（3～5月平均）積雪質(zhì)量集合平均差值，陰影表示通過(guò)顯著性水平為0.1的t檢驗(yàn)。單位：kg m?2

從HS與LS試驗(yàn)春季地面氣溫的溫度集合差值場(chǎng)可以看出（圖11a），春季歐亞大陸積雪偏多對(duì)應(yīng)著地面的顯著冷卻，其分布形勢(shì)與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果大體一致。歐亞大陸熱帶外地區(qū)溫度基本為負(fù)異常值，其中大陸的東北部降溫最為明顯，局部地區(qū)降幅可達(dá)7°C，這與圖10b中積雪異常增加的區(qū)域分布基本對(duì)應(yīng)，說(shuō)明兩者的同期耦合聯(lián)系明顯。進(jìn)入夏季后（圖11b），盡管降溫幅度明顯降低，除遠(yuǎn)東地區(qū)外的大陸地區(qū)仍然維持負(fù)異常狀態(tài)，顯著降溫區(qū)位置與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果有所差別，主要出現(xiàn)于俄羅斯中部，異常數(shù)值可達(dá)－1.5oC。綜合圖11a?b可知，模式試驗(yàn)可以再現(xiàn)整體異常增加的春季歐亞大陸積雪對(duì)同期以及其后夏季大陸尺度異常的冷卻效應(yīng)，積雪強(qiáng)迫效果明顯。

由圖11c可以看到，HS與LS試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的春季地表氣壓差值在歐亞大陸北部以及東北部出現(xiàn)自西向東，自南向北遞增的正值異常，這與同期異常降溫的大值帶分布是吻合的，體現(xiàn)了低層冷空氣的堆積對(duì)氣柱質(zhì)量增加的作用。進(jìn)入夏季后，地表氣壓正值區(qū)轉(zhuǎn)移至亞歐大陸中東部地區(qū)，且在蒙古以及我國(guó)新疆地區(qū)較為顯著（圖11d），這與診斷分析中的夏季亞歐大陸異常地表氣壓大值帶的分布有著較大差異，可能是由于模式試驗(yàn)中的降溫區(qū)集中在歐亞大陸中部，導(dǎo)致冷空氣在這些地方堆積所造成。

由以上數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，春季歐亞大陸積雪異常造成同期大陸尺度的地面氣溫下降，且與其后夏季大陸的偏冷氣候聯(lián)系密切，導(dǎo)致了冷空氣的異常堆積，氣柱大氣質(zhì)量增加以及地表氣壓上升，這與本文前面診斷部分的分析結(jié)果是基本對(duì)應(yīng)的。相對(duì)而言，數(shù)值試驗(yàn)更好地體現(xiàn)了氣溫降低與區(qū)域地表氣壓升高的對(duì)應(yīng)聯(lián)系。另外，診斷部分中提及的歐亞大陸尺度的大氣質(zhì)量升高，引起的南北半球際大氣質(zhì)量的不平衡在數(shù)值試驗(yàn)中并沒有得到很好的反映，兩半球質(zhì)量差異并不明顯，大值區(qū)也存在較大差異（圖略），其具體原因有待進(jìn)一步深入分析。

圖11 HS與LS試驗(yàn)中春季（3～5月平均）及夏季（6～8月平均）的溫度及地表氣壓集合平均差值。左側(cè)為春季, 右側(cè)為夏季，上部為溫度（單位：°C），下部為地表氣壓（單位：hPa）。陰影表示通過(guò)顯著性水平為0.1的t檢驗(yàn)

4 結(jié)論與討論

本文結(jié)合觀測(cè)資料分析以及大氣環(huán)流模式（GFDL AM2）的數(shù)值試驗(yàn)，研究了由春季歐亞大陸積雪異常變化造成的大氣環(huán)流異常特征以及其后夏季大氣的持續(xù)響應(yīng)，并進(jìn)一步探討積雪異常與其后南北兩半球大氣質(zhì)量交換和兩半球大氣相互作用的可能聯(lián)系。主要結(jié)論如下：（1）當(dāng)春季歐亞積雪異常偏多時(shí)，同期歐亞大陸中高緯大范圍地區(qū)的地面氣溫異常偏低，并且與其后夏季大陸冷異常相聯(lián)系，同時(shí)，冷空氣的堆積造成了歐亞大陸相應(yīng)地區(qū)地表氣壓上升，并且對(duì)應(yīng)了夏季北半球大氣總質(zhì)量的異常上升，而南半球大氣質(zhì)量卻明顯下降。（2）春季歐亞積雪變化與夏季南北半球際大氣質(zhì)量濤動(dòng)（IHO）存在顯著滯后相關(guān)，而且與同期及后期包括索馬里急流和對(duì)流層上部80°E～120°E區(qū)域高空急流在內(nèi)的多處越赤道氣流的顯著變化相聯(lián)系，說(shuō)明春季歐亞大陸積雪變化與夏季兩半球大氣相互作用是密切聯(lián)系的。（3）模式試驗(yàn)可以再現(xiàn)整體異常增加的春季歐亞大陸積雪對(duì)同期以及其后夏季大陸尺度異常的冷卻效應(yīng)和大陸大氣質(zhì)量的異常增加，積雪強(qiáng)迫效果明顯。

需要指出的是，本文分析主要基于春季歐亞大陸積雪的整體變化，事實(shí)上，歐亞大陸區(qū)域性積雪異常變化也具有顯著的氣候效應(yīng)（Wu and Kirtman，2007；Wu et al., 2009），尤其是青藏高原地區(qū)積雪的持續(xù)性和變化特征明顯不同于高緯度地區(qū)（Fasullo，2004），其與歐亞北部積雪以及我國(guó)夏季旱澇的關(guān)系不同（陳興芳和宋文玲，2000）。春季歐亞積雪的區(qū)域性變化與大范圍大氣質(zhì)量再分布的聯(lián)系，區(qū)域性積雪變化對(duì)歐亞積雪整體變化的貢獻(xiàn)程度，需要進(jìn)一步明確。從本文的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果看，與積雪變化聯(lián)系的低層降溫區(qū)域并非很好地對(duì)應(yīng)地表氣壓增加的地區(qū)，這可能說(shuō)明陸面狀況的異常強(qiáng)迫與大氣尤其是中高層大氣之間的聯(lián)系是復(fù)雜的，其中涉及大氣自身的動(dòng)力過(guò)程變化（例如， Cohen et al., 2007；Wu et al., 2009）。因此，歐亞積雪與大尺度大氣環(huán)流異常的聯(lián)系有待深入研究。此外，本文數(shù)值模擬結(jié)果能較好地模擬出積雪與氣溫以及地表氣壓的大陸尺度耦合聯(lián)系，但卻未能再現(xiàn)積雪與南北半球大氣質(zhì)量再分布的聯(lián)系，這一問(wèn)題值得深入研究。

致謝 Interim資料取自歐洲中期預(yù)報(bào)中心（ECMWF），網(wǎng)址為：http: //data-portal.ecmwf.int/data/d/interim_moda/; 文中諸圖的繪制使用了繪圖軟件Grads。

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Effects on Inter-hemispheric Air Mass Exchange between the Southern and Northern Hemisphere by Eurasian Spring Snow

LU Chuhan, GUAN Zhaoyong, LI Zhenkun, JIN Dachao,and QIN Yujing

1,,,2100442,200030

The relationship between Eurasian spring snow and the simultaneous and subsequent summer bi-hemispheric air mass exchange are examined using both Singular Value Decomposition (SVD) analysis for springtime snow cover and atmospheric data reanalysis along with general circulation model (GFDL AM2) ensemble simulations. The results can be summarized as follows. Remarkable negative (positive) correlations are revealed between Eurasian spring snow frequency and surface air temperature (columnar air mass) in the Eurasian continent. Following positive anomalous springtime snow, there are statistically significant negative spring surface air temperature (SAT) anomalies over Eurasian mid- and high-latitudes. This cooling effect can be sustained into the subsequent summer, bringing about increasing surface pressure (columnar air mass). Interestingly, with the rising of anomalous hemispherical air mass, such continental-scale cold air piling increases in the Northern Hemisphere but decreases in the Southern Hemisphere. Furthermore, both Eurasian spring snow cover index and time series of the first SVD mode of snow frequency display significant positive correlation with inter-hemispheric air mass oscillations (IHO). The correlation coefficients are 0.391 and 0.393, respectively. This associated bi-hemispheric imbalanced air mass is statistically correlated to cross-equator fluxes in the Eastern Hemisphere in both spring and summer, including the Somali Jet and the upper level jet stream from 80°E to 120°E. Our ensemble GCM simulations show that the notable response of surface general circulation displays over Eurasian mid-high latitudes forced by different initial snow mass conditions in spring. When snow mass increases in Eurasia, continental negative SATs are observed in spring and summer, thereby giving rise to increases in large-scale air masses.

Eurasian snow, Bi-hemispheric air interaction, Air mass, Cross-equator flux

1006?9895(2014)06?1185?13

P461.6

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1405.13289

2013?10?19，2014?05?16收修定稿

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41005046、41175062，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2010CB428602，江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目BK2012465，江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目

盧楚翰，男，1981年出生，副教授，主要從事氣候變率及大氣環(huán)流異常方面研究。E-mail: luchuhan@nuist.edu.cn

管兆勇，E-mail: guanzy@nuist.edu.cn