北極地區(qū)極晝氣候突變現(xiàn)象及轉(zhuǎn)型成因研究

李媛 張錄軍,2,4 趙鵬 郭東琳

(1 南京大學 大氣科學學院, 南京 210023;2 中國高校極地聯(lián)合研究中心,北京 100875;3 自然資源部北海預報中心,山東 青島 266061;4 江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210023)

引 言

近幾十年來,北極氣候發(fā)生了劇烈變化,Cohen, et al[1]指出北極整體氣溫快速上升，升溫速率超過全球的兩倍。在“北極放大”效應的影響下,北極冰川、海冰及積雪快速融化,永凍層溫度上升[2],進一步導致北冰洋表面蒸發(fā)加強,北極降水也大幅增加。Bintanja, et al[3]指出北極地區(qū)正逐漸向“降水主導型”轉(zhuǎn)變,且向極水汽輸送增加[4],導致北極整體變得更加濕潤。但是受地形、下墊面、環(huán)流等影響,北極地區(qū)氣溫和降水變化實際存在很大的時空非均勻性。曹云鋒等[5]指出近40 a北極升溫主要發(fā)生在70°N以北的北極海盆中心區(qū)域,且北極地區(qū)地表氣溫升溫幅度具有年際增大趨勢[6];而大氣降水則是在波弗特海及加拿大北極群島北部相對偏少,北大西洋和太平洋地區(qū)降水則增多[7]。雖有諸多研究分析了北極地區(qū)氣象因子時空變化特征,但對其綜合氣候效應變化特點的研究不多。因此,在揭示氣溫、降水等要素變化特點基礎上進行氣候分型及其分布規(guī)律和成因研究顯得很有必要。由于某一地區(qū)氣候與當?shù)鼐暥?、海拔、海陸分布等密切相關,因此在氣候研究和預測中有必要考慮不同區(qū)域的氣候分異,而氣候分類技術可以從綜合角度揭示氣候的區(qū)域變化規(guī)律,并根據(jù)各地的氣候特征對當?shù)貧夂蛸Y源的利用做出指導,對研究未來氣候變化有重要的意義[8]。

目前國內(nèi)外學者對北極氣候分型研究不多。阿里索夫[9]按照大氣環(huán)流及下墊面上的差異將北極地區(qū)分為7個氣候區(qū),但這種分類方法未考慮極地溫濕等因子分布特征,與客觀事實不完全符合;Shear[10]根據(jù)北冰洋冰蓋范圍及最冷月氣溫定義了極地海洋性氣候和陸地性氣候,但由于相關資料匱乏,所得氣候型邊界較難界定;SONG, et al[11]在柯本分類法的基礎上,利用北極氣溫、植被種類等對北極圈內(nèi)的大陸進行了初步分類,但未涵蓋北冰洋海區(qū)。整體來說,本文重點研究綜合溫度及降水對北極地區(qū)進行氣候分型。

另外,北極氣候具有季節(jié)性變化特點,在極晝與極夜期間的大氣溫濕狀態(tài)存在顯著差異:極晝期間海冰快速融化,導致下墊面反照率發(fā)生改變,這將影響下墊面對太陽輻射能量的吸收率。因此,較極夜而言,極晝期間北極地區(qū)輻射收支變化很大[2]。極晝期間海冰異常偏少也是冬季亞洲區(qū)中高緯異常緯向環(huán)流形成的誘因之一[12],主要表現(xiàn)為緯向西風減弱和北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation, NAO)負位相,由此導致大氣經(jīng)向活動增強,利于極地冷空氣向南入侵[13],此外還會使得秋冬季從北極至中高緯度大陸的對流層低層水汽含量增加,大氣逆輻射增強導致秋冬季增溫[14]。同時,極晝期間北冰洋存在更多的碎冰,而隨著夏季海冰流速加大,浮冰擴散,開闊水域增多[15],也會導致北極水汽含量進一步增加[16]。因此,本文將綜合考慮極晝期間的氣溫、降水、云量、輻射、海冰變化特征,采用模糊C均值聚類算法(Fuzzy C-Means Algorithm，F(xiàn)CMA)進行北極氣候分型研究,確定氣候轉(zhuǎn)型的關鍵區(qū)域,探討氣候轉(zhuǎn)型的變化規(guī)律及成因。

1 數(shù)據(jù)方法

1.1 數(shù)據(jù)處理

采用來自美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)1979—2018年NCEP-DOE Reanalysis II逐日數(shù)據(jù)集,包括7個氣象要素:地面氣溫、降水率、海冰密集度、云量、比濕、向下和向上短波輻射、向下和向上長波輻射。該數(shù)據(jù)集結合了觀測臺站和遙感數(shù)據(jù),具有空間分布均勻、時間尺度長、動力熱力協(xié)調(diào)性高等特點,目前在北極氣候研究中應用廣泛[17-19]。此外,本文還使用了來自美國冰雪中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)的海冰密集度月數(shù)據(jù),水平分辨率為1°×1°。

北極極晝和極夜則主要根據(jù)可照時數(shù)劃分[20]:

(1)

其中:φ為觀測點緯度(°);δ為赤緯(°);γ=34′為蒙氣差。

根據(jù)公式(1)計算所得90°N處極晝期為每年第79～267 d,極晝長度為188 d,極夜期為當年第268 d—次年第78 d,長度為177 d。本文重點分析1979—2018年北極地區(qū)極晝期間的氣候要素變化特征。

1.2 氣候分型方法

隨著氣候統(tǒng)計學及計算機技術的發(fā)展,Anderberg[21]提出的聚類分析方法已被廣泛運用到氣候分型研究中,例如Mahlstein, et al[22]、Bieniek, et al[23]使用此方法分別對全球和阿拉斯加氣候進行分型,國內(nèi)學者也使用此方法對我國氣候特征進行了分型研究[24-27]。與傳統(tǒng)氣候分類方法相比,聚類分析方法所得到的結果能體現(xiàn)出降水、氣溫等多要素的綜合影響,更利于區(qū)域氣候變化特征的深入分析。

本文采用的是由Bezdek[28]提出的一種基于目標函數(shù)的模糊C均值聚類算法(FCMA)。目前該方法是進行區(qū)域氣候研究時使用較為廣泛的聚類算法之一[29-30]。該算法基于模糊集合理論,把聚類歸結成一個帶約束的非線性規(guī)劃過程,通過迭代優(yōu)化求解,給每個樣本賦予屬于每個簇的隸屬度函數(shù),通過隸屬度值大小來將樣本歸類,使得被劃分到同一簇的對象之間相似度最大,而不同簇之間的相似度最小。

FCMA要求使得目標函數(shù)(公式(2))取得最小值,以實現(xiàn)最優(yōu)化分割。

(2)

式中:y(i,j)為位置(i,j)處的要素值;vk為第k類均值,即第k類的聚類中心;μk(i,j)為要素歸屬于第k類的隸屬度;q為聚類簇數(shù);‖…‖表示距離測度。

(3)

(4)

根據(jù)Picard迭代規(guī)則,在以上必要條件公式(3)、(4)之間循環(huán)迭代直至收斂,即已經(jīng)達到局部最優(yōu)或全局最優(yōu)狀態(tài),得到所需要的類別。

2 結果分析

2.1 北極極晝氣候型特征及轉(zhuǎn)變

在全面分析北極地區(qū)近40 a地表類型、氣溫和降水時空分布特征基礎上(圖略),通過FCMA方法,使用北極極晝期間的氣溫和降水要素,將北極極晝氣候劃分為4種氣候型:寒干型、半寒干型、半暖濕型及暖濕型。表1展示了4種氣候型主控區(qū)域、地表類型、溫濕狀態(tài)。北極地區(qū)寒干型氣候主控區(qū)域位于北冰洋中西部海域及格陵蘭島,該區(qū)域平均氣溫在-10 ℃以下,極晝期內(nèi)降水量小于100 mm;半寒干型氣候主控區(qū)位于北冰洋東南部海域及加拿大北極群島,該區(qū)域的溫濕狀態(tài)則略有升高,氣溫處于0～10 ℃之間,極晝期內(nèi)降水量在100～140 mm之間;半暖濕型和暖濕型氣候特點、下墊面地表類型及主控區(qū)域位置詳見表1,不再贅述。

表1 北極地區(qū)極晝期間4種氣候型及其特征

圖1a給出了多年平均北極地區(qū)4種主導氣候型空間分布形態(tài)。受地理緯度和太陽直射角的影響,北冰洋大部分海區(qū)氣候以寒干型和半寒干型為主,而偏南的北極大陸則以暖濕型和半暖濕型為主。其中北冰洋中西部為寒干型、北冰洋東部邊緣海區(qū)為半寒干型、歐亞大陸北部及北歐海附近為半暖濕型、北極圈附近零星陸地表現(xiàn)為暖濕型。雖然格陵蘭島緯度偏南,但由于其下墊面為多年冰川,該地區(qū)也主要表現(xiàn)為寒干型氣候?？梢?下墊面類型、大氣環(huán)流、地表凈輻射等因素與主控區(qū)域氣候型緊密聯(lián)系。圖1b、c對比展示了1979—2018年北極海洋區(qū)和大陸區(qū)4種氣候型面積的年際與年代際變化。近40 a來,北極地區(qū)寒干型氣候面積正以-7.241×104km2·a-1的速率快速減少,且變化主要發(fā)生在太平洋扇區(qū)海域,而位于格陵蘭島側的大西洋扇區(qū)變化不大(圖2a)。與之相反,北極地區(qū)半寒干型氣候面積正以6.489×104km2·a-1的速率快速增加(圖1b),其面積增大與寒干型氣候面積的減小表現(xiàn)為顯著負相關(圖1b、2b),二者相關系數(shù)達-0.93(通過α=0.05信度的顯著性檢驗)。需要說明的是,北極半寒干型氣候面積增加速率略低于寒干型氣候面積的減小速率,這主要是由于近年喀拉海與巴倫支海附近的半寒干型氣候正轉(zhuǎn)化為半暖濕型氣候(圖略)。相對于寒干型和半寒干型主導區(qū)域的變化,北極地區(qū)暖濕型和半暖濕型氣候的年際變化并不顯著(圖1b、c),僅在1999年后(半)暖濕型由略有增加(減少)，轉(zhuǎn)變?yōu)檩^緩減少(增加),該氣候變化主要發(fā)生在北極大陸(圖略)。

2.2 北極極晝氣候轉(zhuǎn)型關鍵區(qū)分析

分析圖1b、c可知,1998年后北極地區(qū)主導氣候型由寒干型轉(zhuǎn)化為半寒干型。進一步結合MK突變檢驗(圖略)可以得出,1999年寒干型氣候發(fā)生突變,其減少趨勢在突變后更加劇烈。同樣，半寒干型氣候也在1999年發(fā)生了突變,突變前后變化速率也有所改變。因此進一步分析1979—1998年與1999—2018年寒干型、半寒干型氣候區(qū)的邊界變化,如圖2a、b所示,可以得到其兩種氣候型年代際空間分布的異常變化形態(tài)?？梢钥闯?進入2000s之后,寒干型氣候區(qū)域縮小至格陵蘭島及其北側部分海區(qū),其東邊界甚至收縮至80°N以北;1999—2018年寒干型氣候區(qū)域平均面積僅為6.67×106km2,相較于1979—1998年減少了17.85%。與之相反變化的半寒干型氣候,近20 a來其主導面積顯著增加,原位于北冰洋東邊緣的半寒干型氣候區(qū)域向北擴張,半寒干型氣候占據(jù)了北冰洋大部分地區(qū)。由此可見,北極地區(qū)海域氣候存在著由寒干型向半寒干型轉(zhuǎn)化的變化特點,尤其是在楚科奇海、東西伯利亞海及其北部區(qū)域。另外,結合分析圖2c可以看出,近40 a來，楚科奇海、東西伯利亞海及其北部區(qū)域的累積降水增加非常顯著,可達25.0 mm·a-1以上(通過α=0.05的置信度檢驗),同時增溫幅度也十分顯著(趨勢為0.1 ℃·a-1,通過α=0.05的置信度檢驗)。綜上,在楚科奇海、東西伯利亞海及其北部發(fā)生的氣候型轉(zhuǎn)型與其快速的增溫增濕是相匹配的。因此本文將該區(qū)域(圖2中綠色線框內(nèi))定為北極氣候轉(zhuǎn)型關鍵區(qū)(Chukchi and Eastern Siberia Sea,CES)。如圖3a所示,CES關鍵區(qū)寒干型氣候的減少和半寒干型氣候的增加具有很好的同步性,且該區(qū)域寒干型和半寒干型氣候的變化與這兩個氣候型在整個北冰洋的變化較為一致,有較好的代表性。

圖1 1979—2018年多年平均北極極晝氣候型的空間分布(a;藍色:寒干型,綠色:半寒干型,黃色:半暖濕型,粉色:暖濕型);1979—2018年北極海洋(b)、北極陸地(c)4種氣候型面積的年際變化曲線

圖2 1979—1998年(藍色線)及1999—2018年(紅色線)北極極晝期間寒干型(a)、半寒干型(b)分布區(qū)邊緣線;1979—2018年北極地表氣溫與年累積降水量線性趨勢的空間分布(c;填色:地表氣溫趨勢,單位:℃·a-1;黑線:年累積降水趨勢,單位:mm·a-1;綠色扇形區(qū)域為CES關鍵區(qū)(楚科奇海—東西伯利亞海區(qū)(73°～85°N,140°E～33°W)))

2.3 北極CES關鍵區(qū)氣候轉(zhuǎn)型機制分析

圖3 1979—2018年CES關鍵區(qū)寒干型和半寒干型氣候面積年際變化曲線(a;虛線為線性回歸趨勢線)及轉(zhuǎn)化面積指數(shù)ΔSCES的年際變化(b;黑色虛線為標準差;黃色標記為典型年份)

圖4 寒干型氣候主導年(a)和半寒干型氣候主導年(b)合成的CES區(qū)氣候型空間分布

從圖3b可以看出,CES關鍵區(qū)典型的寒干型氣候主導年大多集中在1999年前,而半寒干型主導年則主要集中于2000年以后。研究近40 a北極海冰遙感數(shù)據(jù)(NSIDC)分析發(fā)現(xiàn):1999年前后該區(qū)域內(nèi)海冰面積也發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變(圖略)。海冰具有較高的反照率,可以反射大部分太陽輻射,還可以阻隔?！獨鉄崃拷粨Q。北極海冰范圍和密集度的減小會使開闊水域和冰間水道增加,而由于水面反照率遠低于冰面反照率[31],導致海洋吸收的太陽輻射能量增加,海洋獲得了更多的熱量,一方面加劇海冰融化,另一方面將熱量釋放給大氣,引起氣溫增加。圖5給出了典型的寒干型主導年和半寒干型主導年合成的海冰密集度異常的空間分布(填色區(qū))。在半寒干型主導年CES關鍵區(qū)的海冰面積遠遠小于寒干型主導年。海冰面積越小,意味著開闊水域越多,導致半寒干型主導年下墊面獲取的凈短波輻射遠大于寒干型主導年(圖5等值線),可見海冰面積—凈短波輻射—氣候型轉(zhuǎn)變之間存在著配置關系。此外,該海域半寒干型主導年里的開闊水域增多且氣溫偏高,還會造成局地大氣水汽含量、云量明顯高于寒干型主導年,且云量的低值、高值中心和向下長波輻射存在很好的對應關系(圖6),可見在海冰面積—大氣濕度—向下長波輻射—氣候型轉(zhuǎn)變之間也存在密切聯(lián)系。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),關鍵區(qū)海冰年際變化與該區(qū)域氣溫和降水的相關系數(shù)分別達到-0.834 4和-0.352 6(通過α=0.05信度的顯著性檢驗),且其與轉(zhuǎn)型面積指數(shù)的相關系數(shù)也高達0.659 5(通過α=0.05信度的顯著性檢驗),綜上分析表明CES關鍵區(qū)海冰面積變化對局地大氣增暖增濕及其氣候型轉(zhuǎn)型起到了重要作用。

圖5 寒干型氣候主導年(a)、半寒干型氣候主導年(b)合成的海冰密集度異常(填色,單位:%)及凈短波輻射異常(等值線,單位:W·m-2)空間分布

圖6 寒干型氣候主導年(a、c)、半寒干型氣候主導年(b、d)云量異常(a、b; 填色,單位:%)、向下長波輻射異常(a、b;等值線,單位:W·m-2)及大氣比濕異常(c、d,單位:kg·kg-1)空間分布

除此之外,研究指出中高緯度大尺度環(huán)流對北極地區(qū)的增暖增濕也有一定的影響。當極渦強度較弱時,北極南部暖空氣會迫使極渦向極地附近收縮,極渦面積減少,因此CES關鍵區(qū)溫度逐漸上升,同時南部暖濕氣流帶來的水汽也會導致該地區(qū)降水的增加[32]。周舒等[33]的研究還指出,東西伯利亞海、楚科奇海附近夏季外來氣旋活動增加,攜帶大量暖濕氣流,使得該區(qū)域水汽含量增多,降水也逐漸增加。同時,頻繁的氣旋活動還導致扇區(qū)盛行南風,暖平流有利于氣溫的上升。因此,隨著氣溫和降水的增加,當?shù)貧夂蛐鸵仓饾u發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

3 結論

本文使用1979—2018年NCEP-DOE Reanalysis II逐日再分析數(shù)據(jù),采用模糊C均值聚類算法(FCMA),對北極極晝期間的氣候進行分類研究,并在此基礎上分析了氣候型的轉(zhuǎn)化特征及主要成因。主要結論如下:

(1)本文客觀定量地將北極地區(qū)極晝期間的氣候分為寒干型、半寒干型、半暖濕型及暖濕型4種氣候類型,它們的主控區(qū)域、下墊面特征及其對應的氣溫和降水表征信息見表1。

(2)隨著極區(qū)海冰快速變化,近40 a北極氣候也發(fā)生轉(zhuǎn)變(洋面氣候比陸地氣候變化更顯著):寒干型氣候區(qū)面積以-7.241×104km2·a-1的速率快速減少，半寒干型氣候區(qū)面積以6.489×104km2·a-1的速率快速增加，半暖濕型和暖濕型氣候的變化則相對較小。1999年寒干型氣候面積僅為6.67×106km2左右,相較于1979—1998年減少了17.8%。1999年后北極地區(qū)主控氣候型由寒干型轉(zhuǎn)化為半寒干型氣候為主。深入研究1999年前后期氣候型轉(zhuǎn)換空間分布發(fā)現(xiàn):在楚科奇海和東西伯利亞海氣候轉(zhuǎn)型變化特別顯著,是北極主控寒干型氣候轉(zhuǎn)型關鍵區(qū)域。

(3)通過合成分析發(fā)現(xiàn),海冰面積—凈短波輻射—大氣增暖增濕—向下長波輻射—氣候型轉(zhuǎn)變之間存在密切聯(lián)系,極晝期海冰面積異常減少對其氣候轉(zhuǎn)型突變起到了重要影響。CES關鍵區(qū)極晝期內(nèi)海冰的大量減少導致局地反照率減小(冰面轉(zhuǎn)成水面),凈短波輻射增多,從而引起氣溫和空氣濕度上升。而隨著海冰融化造成的云量、水汽增加,下墊面接收的向下長波輻射增加,造成局地大氣增暖增濕,對氣候型轉(zhuǎn)型也起到了重要作用。