中國江南地區(qū)降水異常的年際變化與北極海冰密集度異常的相關分析及其機理研究?

劉金卿，李子良

(1.湖南省氣象臺，湖南 長沙410118；2.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100)

中國江南地區(qū)位于24.5°N～31.5°N和108.8°E～122°E范圍，主要包括湖南、江西、浙江、福建和上海等省市。江南地區(qū)一直是暴雨和洪澇災害的多發(fā)、頻發(fā)區(qū)，并常常引發(fā)山洪、泥石流、滑坡等次生災害，對社會經(jīng)濟和人民生活造成威脅[1]。特別是近年來江南一帶的強降水呈線性增加的趨勢[2]，研究該地區(qū)的降水異常機理對中國南方降水的預報預測和防災減災更具重要意義。目前針對江南地區(qū)降水機制的研究工作已經(jīng)取得了顯著進展[3-7]。楊明珠和丁一匯[8]指出，熱帶南印度洋出現(xiàn)正南印度偶極子異常時，會引起江南地區(qū)5月份降水偏多(少)，6～8月份降水偏少(多)。杜銀等[9]認為，東亞副熱帶西風急流軸的位置與江南地區(qū)夏季降水異常密切相關，當急流位置偏南偏西時，水汽輻合區(qū)位于長江流域，有利于江南地區(qū)降水增加。馬音等[10]指出，在梅雨期江南地區(qū)的降水偏多年，中高緯度存在明顯的雙阻塞高壓分布，同時黃海到長江以南存在顯著的西風異常。

海冰作為影響氣候系統(tǒng)的重要因素，近年來由北極海冰異常導致的中國極端天氣和氣候變化成為氣象科技工作者的研究熱點[11-12]。觀測和模擬研究表明，中緯度極端災害性天氣最終都和北極海冰的異常變化和北極放大有關，而北極放大和北極海冰的異常變化是通過調(diào)制風暴路徑、北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation，簡稱NAO)和北極濤動(Arctic Oscillation，簡稱AO)的位相、急流和行星波的傳播來實現(xiàn)的[13-18]。Zhao等[19]指出，春季白令海和鄂霍次克海海冰范圍的減小將導致中國東南地區(qū)夏季季風降水增加。Wu等[20-21]認為，北冰洋和格陵蘭海春季海冰密集度減少與夏季中國南方降水的減少密切相關，并指出二者之間的連接橋可能是夏季北極偶極子異常導致。Liu等[22]發(fā)現(xiàn)，北極海冰的快速融化有利于阻塞環(huán)流的形成，從而導致北半球大陸地區(qū)的寒潮次數(shù)增加。Xie等[23]指出，在秋季北極海冰異常偏少的年份，北極和高緯度冷空氣向南爆發(fā)更容易引發(fā)中國的冷冬和極端嚴寒事件。

然而上述研究主要涉及到北極在歐亞大陸冬季冷事件、季風降水和冬季霧霾中的作用。雖然有許多學者從年際和年代際時間尺度上研究了北極海冰和中國冬季氣候變率和夏季降水之間的關系，但是目前北極海冰和中國中低緯度年際時間尺度降水關系的研究基本還是空白，特別是北極海冰的快速減少和北極放大效應對中國中低緯度地區(qū)異常降水的影響程度及其動力學和熱力學機制并不清楚。本文在研究中發(fā)現(xiàn)了北極海冰季節(jié)性異常變化與中國江南地區(qū)年際尺度降水之間存在顯著的正相關關系。并進一步分析了與北極海冰異常對應的大氣環(huán)流特征及羅斯貝波(Rossby波)大氣橋的作用，以期為中國南方降水的預報預測提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文所用資料包括以下三個數(shù)據(jù)集：(1)熱帶測雨衛(wèi)星(Tropical Rainfall Measuring Mission，簡稱TRMM)3B43月降水產(chǎn)品，空間分辨率為0.25°×0.25°，數(shù)據(jù)資料從1998年開始提供；(2)英國氣象局哈德萊中心(Met Office Hadley Centre)提供的月平均海冰密集度(Sea Ice Concentration，簡稱SIC)資料[24]，時間范圍從1870年至今，水平分辨率1°×1°；(3)美國環(huán)境預報中心(National Center for Environmental Prediction，簡稱NCEP)和國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research，簡稱NCAR)提供的月平均再分析數(shù)據(jù)[25]，包括風場、位勢高度、垂直速度、大氣可降水量，時間跨度為1948年至今，空間分辨率2.5°×2.5°。綜合考慮所用資料的時間范圍，本文將研究時間段確定為1998—2017年。文中北極海冰的研究范圍取68°N～90°N、0°～360°E。

1.2 方法

資料預處理 在進行相關分析之前，首先將北極地區(qū)SIC和江南區(qū)域3B43月平均數(shù)據(jù)進行去線性趨勢、去季節(jié)變化(逐月去除氣候平均)處理，然后合并為季節(jié)平均數(shù)據(jù)和年平均數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)集認為是降水異常、SIC異常。其中，季節(jié)劃分按照國家通用的劃分方法，即12月至次年2月為冬季，每三個月為一季，以此類推。

統(tǒng)計方法[26]利用交叉相關分析方法(Cross—correlations)和T檢驗方法分析江南地區(qū)降水異常和北極SIC異常的超前滯后關系，并進一步對關鍵區(qū)SIC異常年的形勢場進行合成分析，利用差值T檢驗對高、低值年的合成差值場(高值減低值)進行顯著檢驗。其中，T檢驗計算公式如下：

其中r是相關系數(shù)，給定顯著性水平α，當t>tα時，表示兩序列顯著相關。差值T檢驗計算公式如下：

診斷方法 通過追蹤波射線路徑直觀地表達大氣的遙相關機制和Rossby波擾動能量的傳播路徑[27]，波射線計算公式如下：

對于駐波，群速度的緯向和經(jīng)向分量為：

波數(shù)的演變方程為

同時，結合Takaya—Nakamura波作用通量診斷真實大氣Rossby波的傳播異常[29-30]，Takaya—Nakamura波作用通量(W)的計算公式如下：

2 中國江南地區(qū)降水異常與北極海冰異常的相關分析

2.1 關鍵海區(qū)的相關性

對1998—2017年中國江南地區(qū)年平均降水異常與北極SIC異常分別進行同期和滯后1年的相關性分析，相關系數(shù)的大小和空間分布表明(見圖1)，當降水滯后一年時兩者之間達到最強相關性(相關系數(shù)超過0.6)并通過了95%置信水平(見圖1(b))。盡管在同期(見圖1(a))的某些海區(qū)也存在一定相關性，但是就相關系數(shù)的大小(相關系數(shù)低于0.6)和通過顯著性檢驗的海區(qū)面積大小而言，滯后一年時兩者的相關性最好。因此，下文主要討論北極海冰異常與次年江南降水異常之間的關系。在相關系數(shù)的空間分布方面，與江南降水異常對應的關鍵海區(qū)主要是東西伯利亞海(A區(qū)，73°N～79°N，145°E～162°E)與巴芬灣(B區(qū)，70°N～76°N，55°W～68°W)兩個區(qū)域(見圖1(b))，兩者之間的顯著正相關表明，在去除長期的變化趨勢后，海冰與江南降水的異常變化具有一致性，即當東西伯利亞海與巴芬灣的海冰異常偏多時，次年江南地區(qū)降水也異常偏多，反之亦然。下文中取A和B區(qū)的SIC之和作為關鍵區(qū)海冰異常變化的研究對象。

(打點區(qū)域通過95%置信水平。The dotted areas are significant at confident level of 95%.)
圖1 1998—2017年中國江南地區(qū)降水異常與北極海冰密集度異常的相關系數(shù)
Fig.1 Correlation coefficients between Arctic SIC anomalies and rainfall anomalies in the southern Yangtze River valley during 1998 to 2017

2.2 不同季節(jié)的相關性

為了進一步確認北極海冰的季節(jié)變化與降水的相關關系，對關鍵海區(qū)(見圖1(b))海冰異常在不同季節(jié)與次年中國江南地區(qū)年平均降水異常的相關性分布(見圖2)進行分析。結果表明，該地區(qū)年平均降水異常主要是和夏、秋季海冰異常變化關系最密切(見圖2(d)、(e))，相關系數(shù)均超過0.5并通過了95%的顯著性檢驗；而與冬、春季的海冰異常相關性較弱(見圖2(b)、(c))。即當夏、秋季關鍵海區(qū)海冰異常偏多(少)時，次年中國江南地區(qū)的年降水也異常偏多(少)。

(打點區(qū)域通過95%置信水平；藍色方框標記江南地區(qū)位置。The dotted areas are significant at confident level of 95%.The blue box marks the southern Yangtze River valley.)
圖2 1998—2017年關鍵海區(qū)不同季節(jié)海冰密集度異常與次年中國江南地區(qū)全年降水異常的相關系數(shù)
Fig.2 Spatial pattern on seasonal distribution of orrelation coefficients between SIC anomalies of key area and rainfall anomalies of next year in the southern Yangtze River valley during 1998 to 2017

3 夏、秋季關鍵區(qū)海冰異常對次年江南降水異常的影響機制

3.1 關鍵區(qū)Rossby波擾動能量的傳播特征

為了直觀地討論海冰關鍵區(qū)上空的大氣異常與中國江南地區(qū)在Rossby長波擾動能量傳播方面的可能聯(lián)系，在關鍵區(qū)位置A和B區(qū)的南邊界附近各選擇兩個點作為初始擾動位置，分別計算了250 hPa 4個初始擾動在不同季節(jié)基本氣流中的波射線路徑(見圖3)。根據(jù)4個初始擾動的波射線路徑，冬季，關鍵區(qū)附近的4個擾動均不能傳播(見圖3(a))。春季，有一個初始擾動不能傳播，另外三個擾動均能夠沿球面大圓傳播至少一圈，并且在在傳播過程中有向南傳播的趨勢(見圖3(b))，但是能量更多地傳播到西半球的中緯度地區(qū)，而距離中國江南地區(qū)仍然相對較遠，影響較弱。夏、秋季，明顯看到關鍵區(qū)附近的擾動比冬、春季更加容易傳播，不但緯向傳播的路徑更遠，而且成功地將擾動能量輸送到中國中緯度地區(qū)(見圖3(c)、(d))。其中，夏季可抵達中國西北—內(nèi)蒙古—東北地區(qū)(45°N附近)，秋季可影響到青藏高原—黃淮地區(qū)(35°N附近)，并最終通過上下游效應影響江南地區(qū)的環(huán)流異常，從而導致降水異常，這也解釋了為何江南地區(qū)的年降水異常與夏、秋季海冰異常的相關性更強(見圖2)。但是這種上下游效應究竟引起了哪些環(huán)流異常，下面通過對比環(huán)流形勢的氣候態(tài)和典型異常年的形勢場配置進行進一步討論。

本文選取標準化處理后夏、秋季關鍵區(qū)SIC異常的標準差大于1或小于-1的年份為海冰異常偏多、偏少的典型年，其中，偏多年共6年，分別是1998、1999、2001、2004、2011、2015年，偏少年共5年，分別是2002、2003、2006、2007、2012年(見圖4)。由于當降水異常偏多時更容易產(chǎn)生洪澇和地質(zhì)災害，因此在下文分析中更加關注異常多冰年對應的環(huán)流形勢異常特征。

(A、B范圍比圖1向南擴大10個緯度。The A/ B range are extended 10 latitudes to the south than Fig.1.)圖3 1998—2017年不同季節(jié)的關鍵區(qū)附近上空Rossby長波擾動的波射線路徑Fig.3 The seasonal wave ray paths for 1998—2017 periods from key area

3.2 中國江南地區(qū)的環(huán)流異常和Rossby波傳播異常

圖5是1998—2017年平均環(huán)流合成場和夏、秋季關鍵區(qū)海冰偏多、偏少年次年的環(huán)流差值合成場(高值減低值)。從近二十年平均環(huán)流形勢場來看，中國江南地區(qū)位于250 hPa副熱帶西風急流(≥30 m·s-1)入口區(qū)右側，高層以正渦度平流和輻散為主(見圖5(a))，低層850 hPa存在較弱的垂直上升運動(見圖5(c))，說明江南地區(qū)從氣候態(tài)上存在有利于降水產(chǎn)生的高低空形勢配置。從環(huán)流形勢的差值合成場來看，當關鍵區(qū)海冰偏多時，在中國東北地區(qū)有一個顯著的異常低壓系統(tǒng)，南方地區(qū)位勢高度異常偏高(見圖5(b))，這表明此時副熱帶西風急流兩側的位勢高度梯度較常年同期增大，使高空急流加強，進而導致江南地區(qū)的垂直上升運動得到顯著發(fā)展(見圖5(d))。同時，受850 hPa來自南海的異常偏南風影響，低層西南暖濕氣流和水汽輸送顯著加強(見圖5(e)、(f))，進而導致了降水異常偏多。

(綠色虛線表示標準差為1或-1。The green line marks standard deviation equals 1 or -1.)
圖4 1998—2017年夏、秋季關鍵海區(qū)海冰密集度異常(紅色實線)和中國江南地區(qū)年平均降水異常(藍色虛線)的標準化序列
Fig.4 The standardized series of summer—autumn SIC anomalies of key area (red line) and rainfall anomalies in the southern Yangtze River valley (blue line) during 1998 to 2017

圖6對比了250 hPa的Rossby長波在氣候態(tài)和海冰異常年次年的傳播特征，當海冰偏多時，中國中緯度地區(qū)(江南地區(qū)北側)存在顯著的向南傳播的Rossby波活動異常(通過了90%置信水平)。這種南北方向的波活動異常調(diào)控了天氣系統(tǒng)在南北方向的演變，對中緯度地區(qū)副熱帶西風急流的加強起重要作用(見圖5(b))。值得注意的是，Rossby波作用通量向中國江南以北和中緯度地區(qū)的傳播和加強與Rossby波的傳播路徑(見圖3(c)、(d))是一致的。Rossby波對其下游大氣環(huán)流的調(diào)制作用，包括關鍵海區(qū)的高壓異常中心(圖略)和東北的低壓異常中心，呈現(xiàn)出三極子波列的形態(tài)，因而與異常反氣旋風相聯(lián)系的極鋒急流減弱，與異常氣旋性風相聯(lián)系的東亞副熱帶急流增強。Rossby波的這種調(diào)制作用有利于高空急流入口區(qū)右側下方江南地區(qū)低空急流和對流上升運動的發(fā)展。

((a) 250 hPa位勢高度場(等值線，單位:gpm)、高空急流 (≥30 m·s-1，箭頭，單位:m·s-1);(b) 250 hPa位勢高度差值場(等值線，單位:gpm)、風場差值場 (≥1 m·s-1，箭頭，單位:m·s-1);(c) 850 hPa垂直速度(等值線，單位:10-2Pa·s-1)和風場(≥5 m·s-1，箭頭，單位:m·s-1);(d) 850 hPa垂直速度差值場(<0，等值線，單位:10-2Pa·s-1)和風場差值場(≥0.6 m·s-1，箭頭，單位:m·s-1);(e、f)整層大氣可降水量(等值線，單位:kg·m-2) (紅色和黃色打點區(qū)域分別通過等值線物理量場差值檢驗的95%、90%置信水平.青色方框標記江南地區(qū)位置。(a) Geopotential height (line,Units:gpm),upper-level jet stream (≥30 m·s-1,vector,Units:m·s-1) at 250 hPa;(b) Differential geopotential height (line,Units:gpm) and wind (≥1 m·s-1,vector,Units:m·s-1) at 250 hPa;(c) Omega (line,Units:10-2Pa·s-1) and wind at 850 hPa (≥5 m·s-1,vector,Units:m·s-1);(d) Differential omega (<0,line,Units:10-2Pa·s-1) and wind at 850 hPa (≥0.6 m·s-1,vector,Units:m·s-1);(e,f) Precipitable water content (line,Units:kg·m-2) (The red and yellow dotted areas are significant at confident level of 95% and 90% respectively.The cyan box marks the southern Yangtze River valley.)
圖5 1998—2017年平均環(huán)流合成場(左側)和夏、秋季關鍵區(qū)海冰偏多、偏少年次年的環(huán)流差值合成場(右側)
Fig.5 Composite analysis of mean atmospheric circulation from 1998 to 2017 (left panels) and the differential atmospheric circulation between next year of abnormally high and low SIC year

(紅色箭頭區(qū)域通過差值檢驗的90%置信水平；青色方框標記江南地區(qū)位置。The red vector is significant at confident level of 90%；The cyan box marks the southern Yangtze River valley.)
圖6 (a)1998—2017年250 hPa平均Takaya—Nakamura波作用通量(≥2 m2·s-2，箭頭，單位:m2·s-2)和位勢高度場(等值線，單位:gpm)合成場，(b)夏、秋季關鍵區(qū)海冰偏多、偏少年次年250 hPa的Takaya—Nakamura波作用通量差值合成場(≥1 m2·s-2，箭頭，單位:m2·s-2) 和位勢高度場(等值線，單位:gpm)
Fig.6 (a) Composite analysis of mean Takaya—Nakamura wave activity flux (≥2 m2·s-2,vector,Units:m2·s-2) and geopotential height (line,Units:gpm) at 250 hPa,(b) The differential Takaya—Nakamura wave activity flux (≥1 m2·s-2,vector,Units:m2·s-2) and geopotential height (line,Units:gpm) between next year of abnormally high and low SIC year at 250 hPa

4 結論與討論

本文主要研究了北極海冰異常和中國江南地區(qū)降水異常之間的關系及其可能的動力學機制。最近二十年(1998—2017年)的觀測分析表明，夏秋季北極海冰SIC異常與次年中國江南地區(qū)的降水異常存在顯著正相關關系，相關性最強的關鍵海區(qū)是東西伯利亞海與巴芬灣。兩者在不同季節(jié)的相關分析表明，在年際時間尺度變化上，夏、秋季關鍵海區(qū)北極海冰異常與次年江南地區(qū)降水異常之間的相關系數(shù)達到0.6并通過了95%置信水平，說明兩者之間的這種年際相關關系是非常顯著的，即當夏、秋季關鍵區(qū)SIC異常偏多(少)時，次年江南地區(qū)年降水異常偏多(少)的可能性較大。

此外，為了闡述夏、秋季關鍵海區(qū)北極海冰異常與中國江南降水異常之間聯(lián)系的動力學和熱力學過程，本文研究了北極海冰異常和大尺度大氣環(huán)流之間的聯(lián)系。研究證明，關鍵海區(qū)北極海冰異常和北極放大能夠激發(fā)Rossby波列型遙相關從北極關鍵海區(qū)向中國中緯度地區(qū)傳播。Rossby長波擾動的波射線路徑和波作用通量的異常傳播表明，關鍵海區(qū)附近的Rossby波擾動能量在夏、秋季比冬、春季更容易傳播至中國中緯度地區(qū)，并最終通過上下游遙相關效應引發(fā)副熱帶西風急流異常和江南地區(qū)的環(huán)流異常，進而導致中國江南區(qū)域?qū)α鞑环€(wěn)定發(fā)展和江南降水異常。當北極海冰異常偏多時，這種Rossby波遙相關效應具體表現(xiàn)為，中國中緯度地區(qū)出現(xiàn)向南傳播的Rossby波活動異常，直接加強了中緯度地區(qū)高空的副熱帶西風急流，進而促進急流入口區(qū)右側江南地區(qū)垂直對流上升運動的發(fā)展和低層水汽輸送的加強，最終導致了江南地區(qū)降水異常偏多。

無論是從Rossby波的波活動通量、波射線路徑，還是北極關鍵海區(qū)海冰異常和中國江南地區(qū)降水之間的聯(lián)系的研究都說明，北極海冰影響中國江南地區(qū)降水的動力學和熱力學過程主要是通過Rossby波橋的作用。北極關鍵海區(qū)激發(fā)的Rossby波列型遙相關在中國東北地區(qū)高空表現(xiàn)為低壓氣旋環(huán)流，而在中國中低緯度地區(qū)高空則是高壓反氣旋環(huán)流，在關鍵海區(qū)和歐亞大陸以北高空盛行高壓環(huán)流。這種高空環(huán)流結構加強了中緯度高空西風急流，導致江南地區(qū)降水異常，這些結論和以前的研究發(fā)現(xiàn)基本一致。但是前人的工作主要強調(diào)北極海冰對NAO位相的改變和阻塞環(huán)流對夏季降水和冬季低溫冰凍事件的影響。本文的創(chuàng)新之處在于從年際時間尺度上研究了海冰異常強迫對NAO位相的改變和高空中緯度西風急流加強過程中Rossby波橋的作用，而不是短時間尺度的幾天或幾周的時間長度。從氣候變化角度來看，有助于我們進一步理解海冰異常變化對中國江南區(qū)域降水異常的影響，提高中國南方災害性降水的長期預測能力。本文不足之處是沒有深入研究熱帶和副熱帶之間的相互作用以及其組合效應對中國江南地區(qū)降水的影響，這些問題還需要在以后的工作中繼續(xù)探究。