北極海冰變化對新疆冬季氣溫的影響研究

佟欣怡，吳秀蘭，李元鵬，陳 穎，賈孜拉·拜山

（新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002）

在全球變暖的背景下，新疆冬季氣溫在20 世紀(jì)80 年代發(fā)生由冷到暖的突變，受來自極地的冷空氣影響，新疆冬季極端氣溫事件整體呈增加趨勢[1-3]。北極海冰作為極地冷源，其變化會(huì)導(dǎo)致北半球大氣環(huán)流系統(tǒng)異常，對整個(gè)歐亞大陸冬季氣溫產(chǎn)生影響[4-7]。北極海冰消融會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)流場的改變，西伯利亞高壓強(qiáng)度增強(qiáng)，對流層烏拉爾山阻塞高壓強(qiáng)度增強(qiáng)，經(jīng)向風(fēng)偏強(qiáng)，造成我國北方大部地區(qū)氣溫偏低[8-16]。同時(shí)，北極海冰作為外強(qiáng)迫因子，產(chǎn)生的氣候效應(yīng)也體現(xiàn)在北半球極渦、北極濤動(dòng)和太平洋海溫等氣候要素強(qiáng)度和位相的改變。秋冬季北極海冰偏多年對應(yīng)冬季北半球極渦面積偏大且北極濤動(dòng)為正位相，中國冬季易出現(xiàn)暖冬[16-18]。此外，部分海冰變化在局地以負(fù)反饋機(jī)制影響海氣熱通量，通過海溫變化作用于氣溫[19]。

已有研究基本圍繞北極海冰變化對中國氣溫的影響，而對北極海冰和新疆冬季氣溫的關(guān)系研究甚少。本文重點(diǎn)分析北極海冰變化對冬季環(huán)流場的影響以及它們與新疆冬季氣溫之間的關(guān)系，并探討不同區(qū)域的北極海冰變化通過影響不同氣候指數(shù)從而造成新疆冬季氣溫的變化，為監(jiān)測評(píng)價(jià)新疆冬季天氣氣候事件提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

本文利用1961 年12 月—2022 年2 月新疆冬季（12 月—翌年2 月）平均氣溫?cái)?shù)據(jù)、1961 年12月—2022 年2 月Hadley 中心空間分辨率為1°× 1°的北極海冰密集度數(shù)據(jù)以及美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC）海冰面積和海冰范圍觀測資料、1961—2022 年NCEP/NCAR 再分析資料和國家氣候中心氣候系統(tǒng)監(jiān)測指數(shù)?？紤]氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及連續(xù)性，新疆冬季平均氣溫單站分析使用100 個(gè)國家氣象站數(shù)據(jù)（不含阿克達(dá)拉、昌吉、白楊溝、十三間房、塔中站），區(qū)域平均值選取89 個(gè)國家氣象站數(shù)據(jù)。

1.2 方法

利用EOF 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法、Mann-Kendall檢驗(yàn)、滑動(dòng)t 檢驗(yàn)、累計(jì)距平和滑動(dòng)平均分析北極海冰的變化趨勢以及新疆冬季氣溫的年代際變化，在一階差相關(guān)分析基礎(chǔ)上確定北極海冰和新疆冬季氣溫的關(guān)系?？紤]到大氣環(huán)流的滯后性，為直觀準(zhǔn)確分析北極海冰變化時(shí)冬季大氣環(huán)流特征，定義去趨勢后秋冬季北極海冰面積標(biāo)準(zhǔn)差＞0.3 的年份為北極海冰偏多年，＜0.3 的年份為北極海冰偏少年[16]，得到秋季北極海冰偏多年為1987、1988、1992—1994、1996、1997、1999、2001、2004、2013、2014、2021 年，秋季北極海冰偏少年為1979—1982、1984、1985、2007、2011、2012、2016、2019、2020 年；冬季北極海冰偏多年為1989—1995、1998 年，冬季北極海冰偏少年為1980—1982、1985—1987、2007、2018年。通過合成分析法研究秋、冬季北極海冰偏多年、偏少年的高低空配置和差異場以及此配置對新疆冬季氣溫產(chǎn)生影響的機(jī)制。同時(shí)，通過相關(guān)分析法研究不同關(guān)鍵區(qū)北極海冰變化對不同氣候指數(shù)產(chǎn)生的影響，進(jìn)而造成新疆冬季氣溫的異常。

2 北極海冰和新疆冬季氣溫的變化特征

2.1 北極海冰時(shí)空變化特征

北極海冰范圍為觀測區(qū)域內(nèi)海冰密集度＞15%的實(shí)際總面積，北極海冰面積為觀測面積與海冰密集度乘積。1961—2021 年北極海冰范圍和北極海冰面積均呈下降趨勢，每10 a 分別減少0.6×106、0.2×106km2。北極海冰范圍和面積的最大值均出現(xiàn)在1992 年，最小值均出現(xiàn)在2016 年。北極海冰常年存在于北極圈內(nèi)，分布具有季節(jié)性，夏、秋季分布型基本一致，冬、春季分布型基本一致。北極海冰范圍和面積的季平均值為春季＞冬季＞夏季＞秋季，其中冬、春季的季平均值約為夏、秋季的兩倍，夏、秋季變化幅度較冬、春季明顯。選取秋、冬季北極海冰進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解以及M-K 檢驗(yàn)，結(jié)果表明秋季北極海冰的突變年為1994 年，1994 年后秋季北極海冰開始大面積減少且減少速率加快。冬季北極海冰的突變年為1990 年，1990 年前白令海峽以北的海冰減少，1990 年后新地島—格陵蘭島的海冰減少，靠近極圈的海冰增多。

2.2 新疆冬季氣溫異常變化特征

1961—2021 年新疆冬季平均氣溫每10 年升高0.4 ℃。其中，有38 a 冬季氣溫偏低，有23 a 氣溫負(fù)距平＞1.0 ℃，11 a 氣溫負(fù)距平＞2.0 ℃；共21 a 冬季氣溫偏高，有9 a 氣溫正距平＞1.0 ℃；其余2 a 與常年持平。1989 年新疆冬季氣溫為-6.3 ℃，較常年偏高1.8 ℃，偏高幅度居冬季歷史第一位；1968 年新疆冬季氣溫為-12.7 ℃，較常年偏低4.6 ℃，偏低幅度居冬季歷史第一位。滑動(dòng)t 檢驗(yàn)表明新疆冬季氣溫的突變年為1985 年。為了進(jìn)一步了解新疆冬季氣溫升高的空間分布情況，選取100 個(gè)站的1991—2020 年新疆冬季氣溫常年值與1961—1990 年的進(jìn)行相減，結(jié)果表明，新疆國家氣象站溫差均為正，全疆60%的測站溫差＞1 ℃。其中，富蘊(yùn)升溫最顯著，溫差為3.1 ℃，霍爾果斯、察布查爾、巴里坤、吐魯番和托里溫差＞2 ℃，庫車和烏什溫差最?。?.3 ℃）。

3 北極海冰與新疆冬季氣溫的關(guān)系

通過北極海冰范圍和面積與新疆冬季氣溫做一階差相關(guān)分析，探討北極海冰和新疆冬季氣溫在高頻變化上的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.31 和0.46，均通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。為了更直觀地了解相關(guān)分布情況，選取新疆國家氣象站對北極海冰范圍和面積進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明北極海冰范圍和面積均與新疆大部冬季氣溫呈正相關(guān)（圖1a、1b），通過顯著性檢驗(yàn)的測站絕大部分位于正相關(guān)區(qū)域，且北極海冰面積的變化與新疆冬季氣溫正相關(guān)性更顯著。同時(shí)，考慮北極海冰作為穩(wěn)定的外強(qiáng)迫因子，其影響是滯后且持久的，故選取前期以及同期的秋、冬季北極海冰面積分別與新疆冬季氣溫作相關(guān)分析（圖1c、1d），結(jié)果表明秋、冬季北極海冰面積變化分別與新疆大部冬季氣溫呈正相關(guān)。對比秋季北極海冰面積與冬季北極海冰面積對新疆冬季氣溫的影響，秋季北極海冰面積與新疆冬季氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域通過顯著性檢驗(yàn)的測站更多。

圖1 北極海冰范圍（a）、北極海冰面積（b）、秋季北極海冰面積（c）、冬季北極海冰面積（d）與新疆冬季氣溫的相關(guān)分布

4 北極海冰變化對冬季大氣高低空配置的影響

4.1 海平面氣壓距平場

秋、冬季北極海冰偏多年和偏少年的冬季海平面氣壓距平場分布大體一致，秋季海冰偏多年的冬季海平面氣壓距平場（圖2a）正距平中心在地中海和白令海峽，負(fù)距平中心在鄂霍次克海和日本海，冬季海冰偏多年的冬季海平面氣壓距平場（圖2b）鄂霍茨克海的距平中心由負(fù)轉(zhuǎn)正。秋、冬季海冰偏多年，新疆地區(qū)均以負(fù)距平為主，海平面氣壓偏低，西伯利亞高壓偏弱，西伯利亞高壓與北半球冬季氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，使得新疆冬季氣溫偏高。秋季海冰偏少年的冬季海平面氣壓距平場（圖2c）正距平基本分布在60°N 以南地區(qū)，歐亞大陸和太平洋存在3 個(gè)正距平中心，冬季海冰偏少年，雖然正距平區(qū)的冬季海平面氣壓相比秋季海冰偏少年有所減弱（圖2d），但西伯利亞高壓系統(tǒng)仍偏強(qiáng)，有利于高緯度冷源向低緯度發(fā)展，使新疆冬季氣溫偏低。圖2e 和圖2f 也證實(shí)了秋、冬季海冰偏少年，冬季西伯利亞高壓偏強(qiáng)，新疆冬季氣溫偏低。

圖2 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季海平面氣壓距平場和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年減海冰偏多年的冬季海平面氣壓場差值（單位：hPa）

4.2 位勢高度距平場

由圖3 可知，秋季北極海冰偏多年和偏少年的冬季500 hPa 位勢高度距平場（圖3a、3c）區(qū)別在于西伯利亞上空的北極渦旋。秋季海冰偏少年，正距平基本在中高緯度地區(qū)，南伸至貝加爾湖，北極的升溫造成北極渦旋不穩(wěn)定，分裂成多股冷空氣南下侵襲新疆，圖3e 的差值圖更直觀，新疆處在正負(fù)距平交界南部，冷空氣從西伯利亞南下，造成新疆冬季低溫。冬季北極海冰偏多年和海冰偏少年的500 hPa位勢高度距平場（圖3b、3d）區(qū)別在于烏拉爾山阻塞高壓強(qiáng)弱，冬季阻塞高壓對新疆冬季氣溫的影響十分顯著。冬季海冰偏多年，烏拉爾山至里海為負(fù)距平，烏拉爾山阻塞高壓偏低。冬季海冰偏少年與之相反，槽脊系統(tǒng)的加強(qiáng)和經(jīng)向環(huán)流有利于高緯度的冷空氣進(jìn)入中緯度地區(qū)，且阻塞高壓崩潰時(shí)冷平流不再維持在槽后，直接攜帶大量強(qiáng)冷空氣入侵新疆。圖3f 也說明冬季海冰偏少年烏拉爾山阻塞高壓強(qiáng)于冬季海冰偏多年，新疆冬季更易低溫。

圖3 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季500 hPa 位勢高度距平場和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年減海冰偏多年的冬季位勢高度場差值（單位：gpm）

4.3 流場距平場

秋季北極海冰偏多年，新疆冬季上空有從低緯度向中緯度輸送的暖空氣（圖4a），而秋季北極海冰偏少年（圖4c），受北極渦旋影響，新疆處于西風(fēng)帶，源源不斷的冷空氣是新疆冬季氣溫偏低的原因。從冬季海冰偏多年的冬季850 hPa 流場距平合成（圖4b）可知，新疆位于氣旋東側(cè)，南部的暖空氣推動(dòng)北部冷空氣，易被暖氣團(tuán)控制，新疆冬季氣溫易偏高。冬季海冰偏少年（圖4d）新疆位于氣旋西側(cè)，北部的冷空氣推動(dòng)南部的暖空氣，易被冷空氣團(tuán)控制，新疆冬季氣溫易偏低。從秋冬海冰偏少年減海冰偏多年的流場差值（圖4e、4f）同樣可證實(shí)，海冰偏少年更有利于冷空氣南下造成新疆冬季氣溫偏低。

圖4 秋（a）、冬（b）季海冰偏多年、秋（c）、冬（d）季海冰偏少年冬季850 hPa 流場距平場和秋（e）、冬（f）季海冰偏少年減海冰偏多年的冬季流場差值（單位：m/s）

5 影響新疆冬季氣溫的不同海冰變化區(qū)

除西伯利亞高壓、阻塞高壓等直接大氣環(huán)流系統(tǒng)外，北半球極渦面積、北極濤動(dòng)和北大西洋海溫等也是重要的氣候要素。已有學(xué)者研究這些氣候指數(shù)和中國氣溫以及北極海冰的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，通過不同氣候指數(shù)，探討不同海區(qū)的北極海冰變化對新疆冬季氣溫的影響。

亞洲極渦面積增大造成極渦南壓，使極地冷空氣向中緯度爆發(fā)，導(dǎo)致中低緯地區(qū)冬季氣溫降低。由表1 可知，亞洲極渦面積指數(shù)與北極海冰面積和新疆冬季氣溫分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。圖5 為亞洲極渦面積指數(shù)與北極海冰密度集和新疆冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)分布。海冰關(guān)鍵區(qū)位于巴倫支?！?、鄂霍次克?！琢詈{、哈德孫灣—戴維斯海峽和格陵蘭?！満{。當(dāng)巴倫支?！?、鄂霍次克海—白令海峽、哈德孫灣—戴維斯海峽海冰異常偏多時(shí)，亞洲極渦面積增大，新疆大部冬季氣溫偏低；當(dāng)格陵蘭?！満{海冰異常偏多時(shí)，亞洲極渦面積增大，新疆大部冬季氣溫偏高。

表1 不同氣候指數(shù)與北極海冰面積、新疆冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)

圖5 亞洲極渦面積指數(shù)與北極海冰密集度（a）和新疆冬季氣溫（b）的相關(guān)系數(shù)分布

北極濤動(dòng)指數(shù)為正時(shí)，北極濤動(dòng)正位相，氣壓“南高北低”，限制了極地冷空氣向南擴(kuò)張，中緯度地區(qū)氣溫偏高；北極濤動(dòng)指數(shù)為負(fù)時(shí)，北極濤動(dòng)負(fù)位相，氣壓轉(zhuǎn)為“北高南低”，中低緯度地區(qū)氣溫偏低。北極濤動(dòng)指數(shù)與北極海冰面積和新疆冬季氣溫均存在正相關(guān)（表1）。北極濤動(dòng)指數(shù)與北極海冰密度集和新疆冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)分布（圖6）表明北極海冰變化關(guān)鍵區(qū)位于拉普捷夫海和東西伯利亞海。當(dāng)拉普捷夫海和東西伯利亞海海冰異常偏多時(shí)，北極濤動(dòng)正位相，新疆大部冬季氣溫偏高，南疆西部山區(qū)偏低；當(dāng)拉普捷夫海和東西伯利亞海海冰異常偏少時(shí)，北極濤動(dòng)負(fù)位相，新疆大部冬季氣溫偏低，南疆西部山區(qū)偏高。

圖6 北極濤動(dòng)指數(shù)與北極海冰密集度（a）和新疆冬季氣溫（b）的相關(guān)系數(shù)分布

北大西洋海溫指數(shù)表征海表溫度的變化情況。北大西洋海溫指數(shù)為正，海溫偏高時(shí)，EU 遙相關(guān)通過溫度平流抬升亞洲溫度。北大西洋海溫指數(shù)與北極海冰面積和新疆冬季氣溫分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)（表1）。由北大西洋海溫指數(shù)與北極海冰密度集和新疆冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)分布（圖7）可知，海冰關(guān)鍵區(qū)位于喀拉?！战莘蚝：透窳晏m海—丹麥海峽?？！战莘蚝Ｅc北大西洋海溫指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，海冰異常偏少時(shí)，北大西洋海溫偏暖，全疆大部冬季氣溫偏高，北疆北部和天山山區(qū)冬季氣溫偏低；格陵蘭?！満{海冰密度集與北大西洋海溫指數(shù)呈正相關(guān)，海冰異常偏少時(shí)，北大西洋海溫偏冷，全疆大部冬季氣溫偏低，北疆北部和天山山區(qū)冬季氣溫偏高。

圖7 北大西洋海溫指數(shù)與北極海冰密集度（a）和新疆冬季氣溫（b）的相關(guān)系數(shù)分布

6 討論

（1）根據(jù)上述結(jié)論，結(jié)合本文定義的海冰偏多年和海冰偏少年，通過對比新疆冬季氣候影響評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，新疆冷冬和強(qiáng)冷冬年與北極海冰偏少年、暖冬和強(qiáng)暖冬年與北極海冰偏多年在絕大部年份都有很好的對應(yīng)關(guān)系，但個(gè)別年有偏差，且當(dāng)新疆冬季氣溫距平處于正常范圍時(shí)，當(dāng)年的海冰變化情況有差異，這其中的原因有待進(jìn)一步研究。

（2）前人基本采用EOF 第一模態(tài)或相關(guān)性分析等方法確定海冰關(guān)鍵區(qū)，確定造成中國冬季氣溫偏低的海冰關(guān)鍵區(qū)基本在巴倫支?！＃疚脑诖嘶A(chǔ)上考慮了北半球極渦、北極濤動(dòng)和北大西洋海溫對北極海冰以及新疆冬季氣溫的影響，確定導(dǎo)致新疆冬季氣溫偏低的海冰關(guān)鍵區(qū)在巴倫支?！！⒍趸舸慰撕！琢詈{和哈德孫灣—戴維斯海峽，在一定程度上細(xì)化了影響新疆冬季氣溫偏低的海冰關(guān)鍵區(qū)。

（3）ZUO JQ 等[20]針對秋季北極海冰與歐亞冬季氣溫的關(guān)系，建立統(tǒng)計(jì)模型，以秋季北極海冰信號(hào)作為預(yù)測指標(biāo)，研究中國冬季氣溫異常的潛在可預(yù)測性。統(tǒng)計(jì)模型通過秋季北極海冰異?？梢院芎玫仡A(yù)測中國西北和中部地區(qū)的冬季氣溫。綜上，影響新疆冬季氣溫的秋季北極海冰變化關(guān)鍵區(qū)以及其預(yù)報(bào)因子還需通過數(shù)值模擬以及預(yù)測模型來進(jìn)一步研究確定。

7 結(jié)論

（1）北極海冰的變化與新疆大部冬季氣溫呈正相關(guān)。對比秋季北極海冰面積和冬季北極海冰面積對新疆冬季氣溫的影響，秋季北極海冰面積與新疆冬季氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域通過顯著性檢驗(yàn)的測站更多。

（2）北極海冰通過影響大氣高低空配置進(jìn)而影響新疆冬季氣溫。海冰偏多年，西伯利亞高壓偏低，極渦穩(wěn)定在北極圈，阻塞高壓偏弱，中高緯度環(huán)流呈緯向型發(fā)展，南部暖空氣推動(dòng)北部冷空氣，環(huán)流場整體形勢不利于高緯度極地冷空氣南下，導(dǎo)致新疆冬季氣溫偏高，海冰偏少年與之相反，西伯利亞高壓偏強(qiáng)，極渦不穩(wěn)定，阻塞高壓偏強(qiáng)，西風(fēng)帶源源不斷的冷空氣導(dǎo)致新疆冬季氣溫偏低。

（3）不同海區(qū)的海冰變化對新疆冬季氣溫的影響截然不同。格陵蘭?！満{、拉普捷夫?！獤|西伯利亞海海冰異常偏多時(shí)，新疆大部冬季氣溫偏高。巴倫支?！?、鄂霍次克?！琢詈{、哈德孫灣—戴維斯海峽海冰異常偏多時(shí)，新疆大部冬季氣溫偏低。