MPI-ESM-LR模式中RCP8.5情景下春季北極海冰突變對(duì)東亞夏季降水的影響

楊心怡,程軍,顧鵬

南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044

*聯(lián)系人，E-mail:chengjun@nuist.edu.cn

北極海冰因其高反照率以及隔離大氣與海洋之間的熱量、濕度和動(dòng)量交換,在調(diào)節(jié)氣候變化中發(fā)揮著十分重要的作用(Honda et al.,1999;Wu et al.,1999;Rigor et al.,2002;Deser et al.,2004;Magnusdottir et al.,2004;Balmaseda et al.,2010;祁莉和徐業(yè)佳,2018)。在全球增暖的背景下,過去的幾十年里北極海冰的覆蓋范圍和濃度以驚人的速度減少(Alexander et al.,2004;Stroeve et al.,2007;Luo et al.,2017)。北極海冰異常造成的氣候影響也受到越來越多的關(guān)注。北極海冰減少和北極溫度升高會(huì)導(dǎo)致經(jīng)向溫度梯度減弱從而使得北半球西風(fēng)急流減弱(Newson,1973;Yao et al.,2017),減弱的西風(fēng)急流可能引起更多的冷空氣入侵北半球中緯度地區(qū)(Walsh,2014;di Capua and Coumou,2016)。Mesquita et al.(2011)利用AGCM模式發(fā)現(xiàn)冬季鄂霍次克海的海冰異常可能影響北太平洋風(fēng)暴軸。Wu et al.(2013)發(fā)現(xiàn)格陵蘭西部冬季海冰異常與大氣環(huán)流波列異常具有顯著相關(guān)性,并影響次年夏季北歐的降水變率。

近些年,許多研究根據(jù)觀測資料發(fā)現(xiàn)春季北極海冰與東亞夏季降水有著密切的聯(lián)系(Niu et al.,2003;Zhao et al.,2004;Wu et al.,2009;Wu et al.,2013;Guo et al.,2014)。研究發(fā)現(xiàn)白令海峽和鄂霍次克海春季海冰范圍縮小,對(duì)應(yīng)著中國東南部6—7月的降水增加(Niu et al.,2003;Zhao et al.,2004)。Guo et al.發(fā)現(xiàn)春季北極海冰異常導(dǎo)致大氣環(huán)流異常,繼而引起北太平洋海表面溫度(SST)異常,SST異常會(huì)從春季一直持續(xù)到夏季,最終影響東亞夏季風(fēng)和降水(Guo et al.,2014)。1968—2005年春季北極海冰濃度與中國夏季降水之間有著顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系,春季北極海冰通過夏季歐亞大陸上空500 hPa波列影響中國夏季降水,并且春季北極海冰濃度和中國夏季降水的年際尺度相關(guān)性比年代際尺度相關(guān)性更為顯著(Wu et al.,2009;Wu et al.,2013)。

由于北極放大效應(yīng),北極地區(qū)增暖程度是全球增暖程度的2倍(Bekryaev et al.,2010),在未來增暖情景下,北極海冰可能加速減少甚至發(fā)生突變。迄今為止,已有許多專家學(xué)者研究北極海冰過去的變化以及影響,但是對(duì)于北極海冰未來變化及其氣候影響的研究甚少。Koenigk et al.(2013)發(fā)現(xiàn)相比于其他排放情景,在高排放情境(RCP8.5)下北極海冰減少速率最大,海冰濃度減少程度最大并且北極地區(qū)氣候變化最為明顯。為了應(yīng)對(duì)未來極端排放情景所帶來的氣候變化,本文選取CMIP5中RCP8.5情景進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)相比于其他排放情景,高排放情景下春季北極海冰在短時(shí)間內(nèi)迅速減少這一突變現(xiàn)象最為顯著并存在于多個(gè)模式里,其中MPI-ESM-LR模式模擬的北極海冰突變過程最為完整。過去在年際尺度上春季北極海冰與東亞夏季降水存在密切的聯(lián)系(Wu et al.,2009,2013),那未來北極海冰突變是否會(huì)對(duì)東亞夏季降水產(chǎn)生影響?如果有影響,會(huì)產(chǎn)生何種影響?影響的機(jī)制又是什么?同時(shí),大量研究表明東亞夏季降水的年際變化主要受到ENSO的影響(Huang and Wu,1989;Wang et al.,2000;Chou et al.,2003;Wang and Li,2004;Li and Zhou,2012)。那么北極海冰突變是否會(huì)影響ENSO與東亞夏季降水年際變化的聯(lián)系?本文基于MPI-ESM-LR模式中未來增暖背景下的模擬結(jié)果,探究北極海冰突變現(xiàn)象中,北極海冰濃度(SIC) 和ENSO對(duì)年際尺度東亞夏季降水的影響及可能機(jī)制,加深春季北極海冰與東亞夏季降水關(guān)系的了解,為短期氣候預(yù)測提供參考。

1 資料和方法

使用耦合模式比較計(jì)劃第五階段(CMIP5)中德國馬普氣象研究所的地球系統(tǒng)模式MPI-ESM-LR下RCP8.5試驗(yàn)的月平均數(shù)據(jù),資料包括:海冰濃度、降水、海表面溫度、500 hPa位勢高度場和850 hPa風(fēng)場等,資料水平網(wǎng)格經(jīng)過插值處理為1°×1°,時(shí)間長度為2006—2300年。CMIP5未來情景試驗(yàn)包括4種不同“典型濃度路徑”(Representative Concentration Pathways,RCPs),分別為低排放情景(人為排放溫室氣體至21世紀(jì)末產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫為2.6 W/m2,RCP2.6,以下類似)、中排放情景(RCP4.5)、中高排放情景(RCP6.0)和高排放情景(RCP8.5)。本文比較了CMIP5中9個(gè)模式的RCPs試驗(yàn)結(jié)果,其中包括NorESM1-ME、GFDL-CM3、CCSM4、NorESM1-M、MPI-ESM-LR、CNRM-CM5、CESM1-CAM5、CanESM2和BCC-CSM1.1(圖略),發(fā)現(xiàn)CCSM4、GFDL-CM3、MPI-ESM-LR、CNRM-CM5、CanESM2和BCC-CSM1.1模式RCP8.5試驗(yàn)中2125—2129年北極海冰發(fā)生突變,其中MPI-ESM-LR模擬的結(jié)果最為顯著和完整。此外,主要采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)、奇異值分解(SVD)和一元線性回歸等統(tǒng)計(jì)方法。由于本文主要關(guān)注降水年際尺度的變化,所有數(shù)據(jù)在使用前都經(jīng)過Lanczos濾波器進(jìn)行年際濾波處理。

2 北極海冰突變和東亞夏季降水的聯(lián)系

2.1 北極海冰突變

在RCP8.5情形下,北極海冰在2125—2129年期間發(fā)生了一次突變,在春季最為明顯(圖1)。突變期間春季北極海冰濃度減少了45%左右,冬季北極海冰濃度只減少了10%左右,而由于強(qiáng)增暖的作用,夏季和秋季變?yōu)榱藷o冰期,海冰變化率為零(圖1a)。突變前北極海冰濃度呈緩慢減少的趨勢,變化率為每5 a減少3.9%。而在突變期間,北極海冰濃度急劇降低,變化率增加至每5 a減少37.7%,是突變前的10倍左右(圖1b)。此外,相比于突變前一年(2124年)的海冰濃度,突變后(2130年)海冰濃度減少了78.2%左右。從空間上來看(圖1c),北極海冰濃度突變區(qū)域集中在90°E～100°W范圍內(nèi),即歐亞海盆至加拿大海盆,突變中心海冰濃度減少高達(dá)90%以上。

圖1 2125—2129年北極海冰濃度(180°E～180°W,70°～90°N)逐月變化曲線(a)和2100—2169年春季北極海冰濃度變化趨勢(虛線表示突變時(shí)間段;b)以及突變前后北極海冰濃度差值(c)(單位:%)Fig.1 (a)The change curve of monthly Arctic sea ice concentration (70°—90°N,180°E—180°W) from 2125 to 2129 and (b)the changing trend of Arctic sea ice concentration in spring(MAM) from 2100 to 2169(The dotted line represents the time of abrupt change) and (c)the difference of Arctic sea ice concentration before and after the abrupt change(units:%)

2.2 突變前后東亞夏季降水的變化

此外,東亞夏季降水的年際主導(dǎo)模態(tài)在北極海冰突變后也發(fā)生了顯著的變化。對(duì)東亞夏季降水進(jìn)行EOF分析(圖2),發(fā)現(xiàn)突變前50 a(2075—2124年)東亞夏季降水年際主導(dǎo)模態(tài)為“+-+”的三極子型(圖2a),中心分別位于朝鮮半島以南、四川盆地和華南南部,方差貢獻(xiàn)率為18.7%。而突變后50 a(2130—2179年)東亞夏季降水年際主導(dǎo)模態(tài)為“+-”的偶極子型(圖2b),中心分別位于東北北部和華南地區(qū),方差貢獻(xiàn)率為17.4%。從EOF的主導(dǎo)模態(tài)上看,東亞夏季降水的年際主導(dǎo)模態(tài)在突變后發(fā)生了顯著的變化,那么該變化是否與北極海冰有關(guān)?

圖2 北極海冰突變前50 a(2075—2124年)東亞夏季(6～8月)降水EOF的第一模態(tài)(a)和突變后50 a(2130—2179年)東亞夏季降水EOF的第一模態(tài)(b)Fig.2 (a)The first mode of EOF of East Asian summer(JJA) precipitation 50 years before the Arctic sea ice abrupt change (2075—2124) and (b)the first mode of EOF of East Asian summer precipitation 50 years after the rapid changes(2130—2179)

2.3 春季北極海冰與東亞夏季降水的聯(lián)系

本研究對(duì)春季北極海冰濃度和東亞夏季降水進(jìn)行SVD分析。由于春季北極海冰突變存在區(qū)域差異(圖1),為了確定與東亞夏季降水聯(lián)系最顯著的北極海冰的范圍,本文在海冰突變顯著的范圍內(nèi),選取多個(gè)區(qū)域的SIC和東亞夏季降水分別進(jìn)行SVD分析(表1),發(fā)現(xiàn)100°～150°E、75°～90°N范圍內(nèi)的SIC與東亞夏季降水SVD第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率最高,突變前為60.9%,突變后為55.10%。從突變前50 a春季SIC和東亞夏季降水的SVD第一模態(tài)(圖3a,c,e)可以看出,春季SIC空間模態(tài)呈整體性變化,中心位于北地群島北部,而東亞夏季降水的空間模態(tài)存在多個(gè)信號(hào)中心。二者對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列有較高的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.62,當(dāng)時(shí)間系數(shù)為負(fù)值時(shí),春季北極海冰減少,同時(shí)東北北部、華北和華南南部的降水增多,貝加爾湖地區(qū)和四川盆地降水減少。從突變后50 a春季SIC和東亞夏季降水的SVD第一模態(tài)可以看出(圖3b,d,f),春季SIC的空間模態(tài)依然呈整體性變化,但信號(hào)中心南移至新西伯利亞群島北部,而東亞夏季降水的空間模態(tài)變?yōu)閱螛O子型,信號(hào)中心位于東北及其北部地區(qū)。二者對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)較突變前略微減小,當(dāng)時(shí)間系數(shù)為負(fù)值時(shí),春季北極海冰減少,同時(shí)東北及其北部的降水增多。

2.4 ENSO與東亞夏季降水的聯(lián)系

從SVD(圖3)的空間模態(tài)看,北極海冰突變前后東亞夏季降水模態(tài)的變化與春季海冰有較好的協(xié)同性。但眾所周知ENSO主導(dǎo)東亞夏季降水的年際變化,即ENSO可能對(duì)東亞夏季降水有更為重要的影響。為了與春季SIC和東亞夏季降水之間的協(xié)同變化做對(duì)比,對(duì)夏季Nio3.4海區(qū)的海表面溫度和東亞夏季降水在年際尺度上同樣進(jìn)行SVD分析。

表1 不同區(qū)域北極海冰濃度和東亞夏季降水SVD第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率(SCF)以及SIC序列和降水序列的相關(guān)系數(shù)(R)

圖3 北極海冰突變前50 a(2075—2124年)北極海冰濃度(100°～150°E,75°～90°N)和東亞夏季降水(100°～150°E,20°～55°N)SVD第一模態(tài)的時(shí)間序列(a;紅色曲線為降水序列,藍(lán)色曲線為海冰濃度序列)。(c,e)分別為SVD第一模態(tài)的左同類相關(guān)系數(shù)和右同類相關(guān)系數(shù)。(b,d,f)與(a,c,e)類似,但時(shí)間段為突變后50 a(2130—2179年)。R為時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù),SCF為模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率Fig.3 (a)50 years before the Arctic sea ice abrupt change(2075—2124),the SVD first mode time series of Arctic sea ice concentration(75°—90°N,100°—150°E) and East Asian summer precipitation(20°—55°N,100°—150°E),the red curve is the precipitation series and the blue curve is the sea ice concentration series.The second and third raw are (c)the left and (e)right homogeneous correlation coefficient distribution of the SVD first mode.(b,d,f) are similar to (a,c,e),but the time duration is 50 years after the rapid change(2130—2179).R is the correlation coefficient of the time series,and SCF is the variance contribution rate of the mode

圖4 北極海冰突變前50 a(2075—2124年)Nio3.4海區(qū)(170°～120°W,5°S～5°N)的海表溫度和東亞夏季降水(100°～150°E,20°～55°N)SVD第一模態(tài)的時(shí)間序列(a;紅色曲線為降水序列,藍(lán)色曲線為海表溫度序列)。(c)和(e)分別為SVD第一模態(tài)的左同類相關(guān)系數(shù)和右同類相關(guān)系數(shù)。(b,d,f)與(a,c,e)類似,但時(shí)間段為突變后50 a(2130—2179年)。R為時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù),SCF為模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率Fig.4 (a)50 years before the Arctic sea ice abrupt change(2075—2124),the SVD first mode’s time series of the sea surface temperature of the area of Nino3.4(5°S—5°N,170°—120°W) and East Asian summer precipitation(20°—55°N,100°—150°E),the red curve is the precipitation series and the blue curve is the sea surface temperature series.(c) and (e) are the left and right homogeneous correlation coefficient distribution of the SVD first mode,respectively.(b,d,f) are similar to (a,c,e),but the time period is 50 years after the abrupt change(2130—2179).R is the correlation coefficient of the time series,and SCF is the variance contribution rate of the mode

從上述分析我們發(fā)現(xiàn),SIC影響著東亞夏季降水,但ENSO對(duì)降水的影響更為重要。為了進(jìn)一步比較二者突變前后對(duì)東亞夏季降水的影響,將SIC和東亞夏季降水的SVD第一模態(tài)中的降水序列用來代表與SIC有關(guān)的降水(SIC-Pr),將Nio3.4海區(qū)SST和東亞夏季降水SVD第一模態(tài)中的降水序列用來代表與ENSO有關(guān)的降水(ENSO-Pr),分別計(jì)算SIC-Pr、ENSO-Pr和東亞夏季降水EOF第一模態(tài)、第二模態(tài)的時(shí)間序列(PC1-TS和PC2-TS)的相關(guān)系數(shù)(圖5)。北極海冰突變前,SIC-Pr和ENSO-Pr均與PC1-TS高度相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.71和0.87;而與PC2-TS的相關(guān)性較低,相關(guān)系數(shù)僅為0.08和-0.29。此外,SIC-Pr和ENSO-Pr高度相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.69。這說明北極海冰突變前,SIC和ENSO共同主導(dǎo)著東亞夏季降水的年際變化,其中ENSO的影響更加重要。北極海冰突變后,ENSO-Pr與PC1-TS依舊高度相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.89,但與PC2-TS無明顯相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.003。另一方面,SIC-Pr與PC1-TS無明顯相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.08,但與PC2-TS高度相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.82。此外,SIC-Pr和ENSO-Pr無明顯相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.075。這說明北極海冰突變后,ENSO和SIC對(duì)東亞夏季降水的影響分離,ENSO依舊主導(dǎo)降水的EOF第一模態(tài),而SIC對(duì)降水的影響降低,主導(dǎo)降水的EOF第二模態(tài)。

圖5 北極海冰突變前后50 a,與ENSO有關(guān)的降水序列(ENSO-Pr)、與SIC有關(guān)的降水序列(SIC-Pr)、東亞夏季降水EOF1和EOF2時(shí)間序列(PC1-TS和PC2-TS)之間的相關(guān)系數(shù)。灰色柱表示ENSO-Pr和SIC-Pr的相關(guān)系數(shù);藍(lán)色柱表示EOF1-TS和SIC-Pr的相關(guān)系數(shù);紅色柱表示EOF1-TS和ENSO-Pr的相關(guān)系數(shù);藍(lán)色陰影柱表示EOF2-TS和SIC-Pr的相關(guān)系數(shù);紅色陰影柱表示EOF2-TS和ENSO-Pr的相關(guān)系數(shù)Fig.5 50 years before and after the Arctic sea ice abrupt change,the correlation coefficient between the ENSO-related precipitation series(ENSO-Pr),the SIC-related precipitation series(SIC-Pr),and the East Asian summer precipitation EOF1 and EOF2 time series(PC1-TS and PC2-TS).The gray bar represents the correlation coefficient between ENSO-Pr and SIC-Pr;the blue bar represents the correlation coefficient between EOF1-TS,and SIC-Pr;the red bar represents the correlation coefficient between EOF1-TS and ENSO-Pr;the blue shaded bar represents the correlation coefficient between EOF2-TS and SIC-Pr;the red shaded column represents the correlation coefficient between EOF2-TS and ENSO-Pr

圖6 北極海冰突變前50 a(2075—2124年),東亞夏季降水EOF1和EOF2時(shí)間序列(PC1-TS和PC2-TS)、與ENSO有關(guān)的降水序列(ENSO-Pr)和與SIC有關(guān)的降水序列(SIC-Pr)對(duì)500 hPa位勢高度場(a—d)、850 hPa風(fēng)場(e—h)和降水場(i—l)的一元線性回歸系數(shù)分布。由于SIC-Pr和PC1-TS呈顯著負(fù)相關(guān),為了更直觀地對(duì)比回歸模態(tài),SIC-Pr的回歸系數(shù)分布(d,h,l)乘以-1。打點(diǎn)區(qū)域表示通過置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)Fig.6 50 years before the Arctic sea ice abrupt change(2075—2124),summer anomalies in (a—d)500 hPa height,(e—h)850 hPa wind,and (i-l) East Asian summer precipitation,derived from regressions on the East Asian summer precipitation EOF1 and EOF2 time series(PC1-TS And PC2-TS),ENSO-related precipitation series(ENSO-Pr) and SIC-related precipitation series(SIC-Pr).Since there is a significant negative correlation between SIC-Pr and PC1-TS,to compare the regression mode more intuitively,the regression coefficient distribution(d,h,l) of SIC-Pr is multiplied by-1.The dotted area indicates that the anomalies exceed the 0.05 confidence levels

3 物理機(jī)制

為了探究北極海冰突變前后ENSO和SIC對(duì)東亞夏季降水影響差異的原因,選取SIC-Pr、ENSO-Pr、PC1-TS和PC2-TS對(duì)500 hPa位勢高度場、850 hPa風(fēng)場和降水場做一元線性回歸分析。北極海冰突變前(圖6),ENSO和SIC都使得從極地到東亞上空出現(xiàn)“-+”的500 hPa經(jīng)向波列(圖6c,d),從而導(dǎo)致PC1-TS對(duì)應(yīng)的500 hPa位勢高度場也出現(xiàn)同樣的異常波列(圖6a),位勢高度負(fù)異常中心位于東西伯利亞海,正異常中心位于朝鮮半島以東。ENSO和SIC引起的500 hPa異常波列導(dǎo)致東亞沿海地區(qū)位于高壓異常區(qū)的底后部,出現(xiàn)明顯的偏南風(fēng)異常(圖6g,h),而在四川盆地出現(xiàn)偏北風(fēng)異常。這也將導(dǎo)致PC1-TS對(duì)應(yīng)的東亞地區(qū)850hPa風(fēng)場出現(xiàn)同樣的空間分布(圖6e)。最終,ENSO和SIC共同使得東亞地區(qū)降水呈現(xiàn)“+-+”的三極子型(圖6i,k,l)。北極海冰突變后(圖7),ENSO使得從極地到東亞上空出現(xiàn)“+-+”的500 hPa經(jīng)向波列(圖7c),與PC1-TS對(duì)應(yīng)的500 hPa位勢高度場一致(圖7a);而SIC使得從極地到東亞上空出現(xiàn)“+-+”的500 hPa緯向波列(圖7d),與PC2-TS對(duì)應(yīng)的500 hPa位勢高度場一致(圖7b)。ENSO使得華南地區(qū)處于500 hPa高壓異常區(qū)底后部,導(dǎo)致850 hPa上出現(xiàn)明顯的西南風(fēng)異常(圖7g),華南降水增多(圖7k),與PC1-TS對(duì)應(yīng)的850 hPa風(fēng)場及降水場一致(圖7e,i);SIC使得東北和華北地區(qū)處于高壓前部和低壓后部,導(dǎo)致850 hPa上出現(xiàn)偏北風(fēng)異常(圖7h),東北和華北地區(qū)的降水顯著減少(圖7l),與PC2-TS對(duì)應(yīng)的850 hPa風(fēng)場及降水場一致(圖7f,j)。綜上所述,北極海冰突變前,ENSO和SIC通過影響500 hPa的經(jīng)向波列,引起850 hPa的偏南風(fēng)異常,導(dǎo)致三極子的降水模態(tài);突變后,ENSO通過主導(dǎo)500 hPa的經(jīng)向波列,導(dǎo)致華南850 hPa的偏南風(fēng)異常,最終主導(dǎo)降水EOF第一模態(tài),而SIC通過主導(dǎo)500 hPa的緯向波列,導(dǎo)致東北地區(qū)850 hPa的偏北風(fēng)異常,最終主導(dǎo)降水EOF第二模態(tài)。

圖7 北極海冰突變后50 a(2075—2124年),東亞夏季降水EOF1和EOF2時(shí)間序列(PC1-TS和PC2-TS)、與ENSO有關(guān)的降水序列(ENSO-Pr)和與SIC有關(guān)的降水序列(SIC-Pr)對(duì)500 hPa位勢高度場(a—d)、850 hPa風(fēng)場(e—h)和降水場(i—l)的一元線性回歸系數(shù)分布。由于SIC-Pr和PC1-TS呈顯著負(fù)相關(guān),為了更直觀地對(duì)比回歸模態(tài),SIC-Pr的回歸系數(shù)分布(d,h,l)乘以-1。打點(diǎn)區(qū)域表示通過置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)Fig.7 50 years after the Arctic sea ice abrupt change(2130—2179),summer anomalies in (a—d)500 hPa height,(e—h)850 hPa wind,and (i—l)East Asian summer precipitation,derived from regressions on the East Asian summer precipitation EOF1 and EOF2 time series(PC1-TS And PC2-TS),ENSO-related precipitation series(ENSO-Pr) and SIC-related precipitation series(SIC-Pr).Since there is a significant negative correlation between SIC-Pr and PC1-TS,to compare the regression mode more intuitively,the regression coefficient distribution(d,h,l) of SIC-Pr is multiplied by-1.The dotted area indicates that the anomalies exceed the 0.05 confidence levels

4 ENSO和SIC對(duì)中國南北方降水影響的差異

從上文分析發(fā)現(xiàn),北極海冰突變后,中國南方降水增多,且范圍向北擴(kuò)大,中國北方降水顯著減少,南北方的區(qū)域差異明顯。那么ENSO和SIC突變后對(duì)降水的影響是否也存在區(qū)域差異呢?為了明確這一問題,我們根據(jù)突變前后降水年際方差的分布,選取中國東部南北方方差大值區(qū)域(北方選取區(qū)域?yàn)?20°～130°E、41°～53°N,南方選取區(qū)域?yàn)?05°～120°E、22°～32°N;圖8),計(jì)算這兩個(gè)區(qū)域的夏季降水與ENSO-Pr和SIC-Pr之間的相關(guān)系數(shù),結(jié)果顯示(圖9)北極海冰突變前,ENSO-Pr與中國南北方降水的相關(guān)系數(shù)分別為0.73和0.43,SIC-Pr與中國南北方降水的相關(guān)系數(shù)分別為-0.66和-0.40,這說明突變前ENSO和SIC共同影響南北方降水,并且對(duì)南方降水的影響略大于北方降水;北極海冰突變后,ENSO-Pr與中國南北方降水的相關(guān)系數(shù)分別為0.90和-0.09,SIC-Pr與中國南北方降水的相關(guān)系數(shù)分別為-0.03和-0.91,這說明突變后SIC主導(dǎo)北方降水,ENSO主導(dǎo)南方降水。

5 討論和結(jié)論

本文分析了MPI-ESM-LR模式下RCP8.5情景下春季北極海冰發(fā)生的一次突變現(xiàn)象對(duì)東亞夏季降水的影響,得到了如下結(jié)論:

1)北極海冰突變導(dǎo)致SIC和ENSO對(duì)東亞夏季降水的影響均發(fā)生變化。突變前SIC和ENSO共同影響降水;突變后ENSO主導(dǎo)降水EOF的第一模態(tài),SIC主導(dǎo)降水EOF的第二模態(tài)。

2)北極海冰突變前,ENSO和SIC通過500 hPa經(jīng)向波列,影響整個(gè)東亞地區(qū)的850 hPa風(fēng)場,最終導(dǎo)致三極子型降水模態(tài)。而突變后,ENSO通過500 hPa經(jīng)向波列,影響華南地區(qū)的850 hPa風(fēng)場,導(dǎo)致降水的偶極子空間模態(tài),從而主導(dǎo)降水EOF的第一模態(tài);同時(shí)SIC通過東亞地區(qū)500 hPa緯向波列,影響北方850 hPa風(fēng)場,最終主導(dǎo)降水EOF的第二模態(tài)。

3)北極海冰突變后,ENSO和SIC對(duì)東亞夏季降水的影響存在區(qū)域差異。北極海冰突變前,ENSO和SIC共同影響南北方降水;北極海冰突變后,SIC主要影響北方降水,ENSO主要影響南方降水。

圖8 北極海冰突變前(a)、后(b)50 a東亞夏季降水方差的空間分布Fig.8 Spatial distribution of the variance of East Asian summer precipitation for 50 years (a)before and (b)after the Arctic sea ice abrupt change

圖9 北極海冰突變前后50 a,與ENSO有關(guān)的降水序列(ENSO-Pr)、與SIC有關(guān)的降水序列(SIC-Pr)和中國南(SC)北(NC)方夏季降水之間的相關(guān)系數(shù)。藍(lán)色柱表示北方降水和SIC-Pr的相關(guān)系數(shù);紅色柱表示北方降水和ENSO-Pr的相關(guān)系數(shù);藍(lán)色陰影柱表示南方降水和SIC-Pr的相關(guān)系數(shù);紅色陰影柱表示南方降水和ENSO-Pr的相關(guān)系數(shù)Fig.9 50 years before and after the abrupt change of Arctic sea ice,the correlation coefficient between the precipitation series related to ENSO(ENSO-Pr),the precipitation series related to SIC(SIC-Pr),and the summer precipitation of the South(SC) and North China(NC).The blue bar represents the correlation coefficient between the rainfall in South China and SIC-Pr;the red bar represents the correlation coefficient between the rainfall in North China and ENSO-Pr;the blue shaded bar symbolizes the correlation coefficient between the precipitation in South China and SIC-Pr;the red shaded bar denotes the correlation coefficient between the rainfall in South China and ENSO-Pr

北極海冰突變后,海冰急劇減少,這將可能導(dǎo)致北極海冰對(duì)東亞夏季降水的整體性影響減弱,體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是突變后SIC對(duì)降水的影響減弱,從突變前和ENSO共同影響EOF第一模態(tài)的降水變?yōu)橛绊慐OF第二模態(tài)的降水。二是突變后SIC對(duì)降水的影響范圍縮小,從突變前對(duì)南北方降水都有影響變化為只影響北方降水。這可能是由于,北極海冰減少,北極局地溫度顯著上升,導(dǎo)致極赤溫差(經(jīng)向溫差)減弱,西風(fēng)急流減弱北移(Newson,1973;謝付瑩和何金海,2003;Yao et al.,2017),這可能導(dǎo)致對(duì)東亞夏季降水的影響范圍向北縮小。本文結(jié)合了EOF和SVD方法初步分析了北極海冰突變后對(duì)東亞夏季降水帶來的可能影響,但是由于主要依據(jù)MPI-ESM-LR模式的結(jié)果,該模式為耦合模式,除了SIC和ENSO外其他因素也會(huì)對(duì)東亞夏季降水產(chǎn)生影響,如北太平洋海溫(李峰和何金海,2001;Kosaka et.,2011)、赤道印度洋海溫(曾剛等,2013;He et al.,2016)和北大西洋濤動(dòng)(Hans et al.,2011)等,所以難以量化SIC和ENSO對(duì)東亞夏季降水的影響。除此之外,還存在其他一些問題,例如春季的北極海冰和ENSO是通過什么樣的途徑共同影響降水?它們之間的遙相關(guān)過程在突變后發(fā)生了怎樣的變化?本次北極海冰突變是否對(duì)全球其他地區(qū)的氣候產(chǎn)生影響?影響范圍和程度有多大?這些問題將在接下來的工作中進(jìn)一步研究。