肖貽青 黃斌 刁一娜 羅德海

(1陜西省氣象臺,陜西西安710014;2中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院,山東青島266100;3成都信息工程學(xué)院,四川成都610225;4中國科學(xué)院東亞區(qū)域氣候環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029)

0 引言

北極是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分,北極海冰變化在全球氣候變化中起著重要作用。在過去幾十年中,北極地區(qū)增暖是全球增暖幅度的2倍左右,這種現(xiàn)象稱為“北極放大”[1-2]。由于全球氣候變暖及北極放大,導(dǎo)致北極海冰總量減少,最直觀的表現(xiàn)為海冰覆蓋范圍的減少(圖1),尤其是21世紀(jì)以來,海冰覆蓋范圍減少速度顯著地增加,到2012年平均覆蓋范圍達(dá)到歷史的最低,為10.38×106km2,相對1981—2010年海冰平均覆蓋范圍減少了近10%。海冰的存在可影響海洋和大氣之間的熱量、動量、能量循環(huán),是影響北極氣候進(jìn)而影響全球氣候的重要因子之一,近年來在氣候變化中的重要性越來越受到人們的關(guān)注[3-4],因此研究海冰減少的原因具有重要的氣候意義。

張璐等[5]對近30年北極海冰異常變化進(jìn)行了分析,并認(rèn)為海表面氣溫的增加,太平洋和大西洋流入北冰洋的水體的熱鹽性質(zhì)及大氣環(huán)流模態(tài)是造成海冰衰減的原因。Deser和Teng[6]則認(rèn)為近幾十年海冰的減少是氣候變化的顯著信號,大氣環(huán)流的變化導(dǎo)致了海冰的變化。他們重點(diǎn)討論了1979—2007年冬季和夏季由于大氣環(huán)流的改變而對海冰造成的影響,尤其是在北極濤動、北大西洋濤動及北半球環(huán)狀模態(tài)的發(fā)展背景條件下海冰的變化情況,并認(rèn)為北極海冰的變化不能直接歸因于某一種大氣環(huán)流模型的作用。Francis等[7-9]通過觀測資料分析發(fā)現(xiàn)北極變暖趨勢的增加很大部分是被海冰減少驅(qū)動的,并和中緯度持續(xù)性天氣型導(dǎo)致的極端天氣有很大關(guān)系。此外,他們還發(fā)現(xiàn)夏季海冰的變化與接下來的秋季和冬季大尺度的天氣特征有關(guān),而這種天氣特征的影響超出了北極的范圍;且白令海和巴倫支海是冬季海冰減少的主要兩個區(qū)域,地面溫度增加是驅(qū)動這兩個海域海冰顯著減少的原因之一。一些模式研究發(fā)現(xiàn)在北太平洋海冰的變化可通過形成緩慢移動的羅斯貝波列來影響大氣環(huán)流,而在北大西洋的海冰變化可通過放大風(fēng)暴路徑來改變大氣環(huán)流特征[4,10],也有研究發(fā)現(xiàn)北極海冰覆蓋范圍的變化與伴隨北極濤動(AO)和北大西洋濤動(NAO)的大尺度天氣變化有關(guān)[11-12]。因此,北極海冰的變化和大氣環(huán)流之間存在密切的關(guān)系。

大氣阻塞(以下簡稱阻塞)是大氣環(huán)流低頻變化過程中的重要成員,是中高緯度地區(qū)準(zhǔn)靜止和持續(xù)時間長的高壓系統(tǒng),其影響范圍大,不僅對高壓南側(cè)區(qū)域造成天氣影響,還通過西風(fēng)急流的南北分支影響北部區(qū)域,因而對阻塞區(qū)及相鄰區(qū)域的天氣將造成持續(xù)而深遠(yuǎn)的影響。通過衛(wèi)星觀測表明北極海冰的融化具有明顯的區(qū)域性特征,而對北半球阻塞的長期統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明阻塞的發(fā)生也具有顯著的地域性特點(diǎn)[13-14],是否北半球夏季阻塞對北極海冰減少有重要影響尚不清楚,特別是夏季阻塞如何影響海冰變化也是一個未解決的重要問題。因此本文主要探討北半球中高緯度地區(qū)不同區(qū)域的阻塞對北極海冰變化的可能影響,這對于了解北極海冰的變化機(jī)制有重要意義。

圖1 1979—2013年北極海冰年平均覆蓋范圍(×106 km2).數(shù)據(jù)來源于NSIDC提供的Sea Ice IndexFig.1.Annual average of Arctic sea ice extent from 1979 to 2013(×106 km2).Data from Sea Ice Index provided by NSIDC

1 數(shù)據(jù)和方法

本文采用的海冰數(shù)據(jù)包括海冰覆蓋范圍和海冰密集度,其中海冰覆蓋范圍的資料來自美國冰雪中心(NSIDC)提供的 Sea Ice Index,資料長度為1979—2013年;海冰密集度采用兩種數(shù)據(jù)來源,一種是來自NSIDC提供的Nimbus-7 SMMR和DMSP SSM/I-SSMIS被動微波數(shù)據(jù),分辨率為25 km×25 km,時間長度為 1979—2013年;另一種來自NOAA/NSIDCClimate Data Record(CDR)提供的被動微波海冰密集度,分辨率為25 km×25 km,時間長度為1979—2013年。逐日再分析高度場、地面溫度場、風(fēng)場資料來自于美國國家環(huán)境預(yù)報中心和美國大氣科學(xué)研究中心(NCEP/NCAR),分辨率為2.5°×2.5°,時間長度為1950—2013年。

本文所使用的阻塞指數(shù)采用Davini等[15]提出的二維阻塞指數(shù)(以下簡稱為DCGN指數(shù)),其定義如下:

其中λ0和φ0分別代表格點(diǎn)的經(jīng)度和緯度,λ0的范圍從 0°—360°,φ0的范圍從 30°N—75°N,φS=φ0-15°,φN=φ0+15°。當(dāng)格點(diǎn)(λ0,φ0)滿足方程(2)時,即:

則定義該點(diǎn)為瞬時阻塞。當(dāng)格點(diǎn)(λ0,φ0)滿足方程(3)時,即:

則剔除了低緯度阻塞。本文研究的為中高緯度阻塞情況,因此可不考慮低緯度阻塞情況。

本文還采用了Tibaldi和Molteni[16]的經(jīng)典一維阻塞指數(shù)(以下簡稱為TM指數(shù))和DCGN進(jìn)行了比較,以驗(yàn)證二維阻塞指數(shù)對北半球夏季阻塞識別的準(zhǔn)確度,其定義如下:

其中 φn=80°N+Δ,φ0=60°N+Δ,φS=40°N+Δ,Δ=-4°,0或4°。當(dāng)任意經(jīng)度上至少一個Δ的值滿足方程:

則定義該經(jīng)度上有阻塞發(fā)生。

文中對區(qū)域內(nèi)是否存在阻塞的挑選規(guī)則為:計(jì)算出區(qū)域里各格點(diǎn)的阻塞指數(shù),若該點(diǎn)滿足阻塞條件,則值設(shè)為1,不滿足條件值設(shè)為0,當(dāng)區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)之和為0時,則該區(qū)域無阻塞發(fā)生,若不為0,則有阻塞存在。

2 夏季北極海冰及阻塞特征分析

2.1 海冰覆蓋范圍變化

Parkinson和Cavalieri[17]通過對1979—2006年北極海冰覆蓋范圍及海冰密集度的計(jì)算分析表明,北極海冰覆蓋范圍具有周期性變化,通常為3月份覆蓋范圍和密集度最大,而9月份達(dá)到最小。圖2為1979—2013年9月海冰覆蓋范圍平均變化趨勢,從圖中可看出9月份海冰覆蓋范圍下降迅速且變化幅度較大,自1979—2013年,其變化趨勢為每10年減少14%左右,且在2012年達(dá)到歷史記錄最低,僅為3.58×106km2,較同期海冰30年平均覆蓋范圍減少了40%之多;而3月份海冰覆蓋范圍變化卻比較穩(wěn)定,減少速度較慢,基本維持在每10年下降3.0%左右的速度,在2006年到達(dá)歷史記錄最低,為14.38×106km2,僅較同期30年平均覆蓋范圍減少不到10%。若以9月份海冰覆蓋范圍的變化來代表夏季海冰覆蓋范圍的變化特征及夏季氣候變化對海冰的影響,而3月份海冰覆蓋范圍的變化來代表冬季海冰覆蓋范圍的變化特征及冬季氣候變化對海冰的影響,可以得出夏季和冬季氣候?qū)１采w范圍的變化有著不同的影響效果。雖然夏季平均溫度較冬季高很多,但從其海冰減少速度的差異來看,這種不同季節(jié)對海冰的影響效果,其原因是復(fù)雜的,還有很多影響機(jī)制有待進(jìn)一步考究,本文只研究北半球夏季阻塞對北極夏季海冰減少的可能影響。

圖2 (a)3月和(b)9月北極海冰平均覆蓋范圍變化(相對于1981—2010年平均).數(shù)據(jù)來源于NSIDC提供的Sea Ice IndexFig.2.Variation of Arctic sea ice extent in(a)March and(b)September from 1979 to 2013(relative to the average from 1980 to 2010).Data from Sea Ice Index provided by NSIDC

2.2 海冰密集度變化

圖3a為利用NOAA/NSIDC CDR的海冰密集度數(shù)據(jù)計(jì)算的1979—2013年9月份相對北極海冰密集度夏季(6—8月,以下簡稱JJA)平均的變化情況。從圖中可看出大部分區(qū)域的海冰密集度都有不同程度的減少,并且主要集中在北冰洋沿岸地區(qū),其中減少幅度最大的區(qū)域?yàn)榘琢詈{以北區(qū)域(150°W—180°W)、東西伯利亞海區(qū)域(120°E—160°E)、喀拉海區(qū)域(60°E—90°E)以及格陵蘭西部海域(40°W—90°W),這和 Deser和 Teng[6]對海冰減少區(qū)域的研究結(jié)果基本一致。圖3b為NSIDC提供的1979—2013年9月份海冰密集度每10年變化趨勢,從圖中也可看到海冰密集度減少幅度最大的區(qū)域中心位于白令海峽北部(150°W—180°W),其次在西至加拿大以北波弗特海域到格陵蘭東部海域(60°W—90°W),東至鄂霍次克海以北的拉普捷夫海域和西西伯利亞海域(60°E—90°E,120°E—160°E)均有不同程度的減少。圖3a直接反映了夏季海冰密集度減少的大小和范圍,而圖3b則反映了海冰密集度減少的速率,因?yàn)槊枋龅淖兞坑兴煌?所以存在一些差異,但根據(jù)這兩套海冰密集度資料基本可以判定以上4個區(qū)域(圖3a中黑框區(qū)域)是海冰容易減少的區(qū)域,其中白令海峽北部海冰減少最為顯著。

圖3 (a)9月海冰密集度相對6—8月變化情況(黑框里為海冰密集度減少顯著區(qū));(b)9月海冰密集度變化趨勢Fig.3.(a)Sea ice concentration anomaly in September relative to JJA from 1979 to 2013(the areas in black boxes are significant for reduction of SIC);(b)SIC trends in September

2.3 兩種阻塞指數(shù)對夏季阻塞特征分析

圖4給出了利用DCGN二維阻塞指數(shù)計(jì)算的1950—2013年夏季(JJA)中高緯度(60°N—75°N)阻塞活動頻率的分布。從阻塞頻率的分布可以看出,夏季中高緯度阻塞主要集中在4個區(qū)域:白令海峽以東的加拿大地區(qū)(120°W—180°W)、鄂霍次克海以北區(qū)域 (110°E—160°E)、歐亞大陸地區(qū)(30°E—90°E)及格陵蘭地區(qū)(20°W—60°W)。通過計(jì)算該4個區(qū)域平均的阻塞頻率變化(圖5),也可看出1950—2013年該4個區(qū)域夏季的阻塞活動是長期存在的,其中白令海峽區(qū)域發(fā)生的阻塞頻率最高,夏季年平均阻塞頻率為11.0%,自1950年至1990年有明顯上升趨勢,而在近20年則呈下降趨勢;鄂霍次克海區(qū)域夏季阻塞的年平均頻率為10.95%,自1950年以來有緩慢增加的趨勢;歐亞大陸夏季阻塞的年平均頻率分別為9.4%,近60年來變化相對穩(wěn)定,沒有明顯的增加或減少;格陵蘭區(qū)域阻塞相對其他區(qū)域發(fā)生頻率較低,夏季年平均頻率僅為5.0%,呈較為穩(wěn)定地緩慢增加的趨勢。這些區(qū)域的阻塞活動中心與對應(yīng)的高緯度北極海冰明顯減少的區(qū)域基本一致,且阻塞發(fā)生頻率最高的白令海峽區(qū)域,也是海冰減少最顯著的區(qū)域。

圖4 1950—2013年夏季(JJA)阻塞頻率分布(黑框區(qū)域?yàn)樽枞哳l區(qū))Fig.4.Horizontal distribution of blocking frequency in summer(JJA)from 1950 to 2013(the areas in black boxes represent the high value region of blocking frequency)

圖5的結(jié)果與Barriopedro等[13]和Diao等[14]對北半球夏季阻塞特征分析的結(jié)果基本一致,但各區(qū)域阻塞發(fā)生的頻率大小略有不同,這可能是不同的阻塞指數(shù)識別原理不同而造成的差異,并且他們的計(jì)算結(jié)果均顯示格陵蘭區(qū)域阻塞活動中心緯度偏低。鑒于海冰存在于高緯度地區(qū),為了更好地研究中高緯度阻塞對其的影響,故在此采用了具有對中高緯度阻塞識別能力較強(qiáng)、并可剔除低緯度阻塞的DCGN指數(shù)。為了驗(yàn)證其指數(shù)計(jì)算結(jié)果的可靠性,通過將其在緯度上平均得到一維阻塞頻率的分布變化,并與經(jīng)典的TM阻塞指數(shù)進(jìn)行比較(如圖6所示),發(fā)現(xiàn)TM指數(shù)在歐洲大陸區(qū)域(0—50°E)和鄂霍次克海區(qū)域(120°E—180°E)比DCGN指數(shù)計(jì)算的頻率略有增加,其他范圍的頻率分布變化幾乎一致,且也有4個區(qū)域阻塞活動中心,分別為歐亞大陸區(qū)域(30°E—70°E)、白令海峽區(qū)域(130°W—170°W)、鄂霍次克海區(qū)域(110°E—170°E)和格陵蘭區(qū)域(20°W—60°W),這與用DCGN的指數(shù)方法計(jì)算結(jié)果基本是一樣的。另外利用TM指數(shù)計(jì)算了該4個阻塞活動中心的頻率變化趨勢(如圖7所示),發(fā)現(xiàn)其變化趨勢與利用DCGN指數(shù)計(jì)算的結(jié)果也幾乎一致,只是在頻率大小上存在差異,TM指數(shù)計(jì)算的頻率均比DCGN計(jì)算的頻率高。這是因?yàn)門M指數(shù)的計(jì)算原理是只考慮經(jīng)度情況的,只要有一個經(jīng)度點(diǎn)上的值滿足了阻塞條件,便可定義為該經(jīng)度上的所有點(diǎn)發(fā)生了阻塞,可以近似被認(rèn)為是DCGN計(jì)算得到該經(jīng)度上所有格點(diǎn)的頻率的最大值,而且DCGN指數(shù)計(jì)算的頻率變化趨勢為區(qū)域平均的結(jié)果,因而必然小于TM指數(shù),但兩個指數(shù)計(jì)算的阻塞活動中心和變化趨勢是一致的。因此下文的計(jì)算分析均采用DCGN二維阻塞指數(shù)。

圖5 四個區(qū)域1950—2013年夏季(JJA)年平均阻塞頻率變化.(a)白令海峽區(qū)域;(b)鄂霍次克海區(qū)域;(c)歐亞大陸區(qū)域;(d)格陵蘭區(qū)域(黑色粗線為平滑趨勢線)Fig.5.Variations ofannual average blocking frequency in summer from 1950 to2013 over four regions.(a)Bering Strait;(b)Okhostk Sea;(c)Eurasia;(d)Greenland.Thick black line is result from smooth line

圖6 TM指數(shù)和DCGN指數(shù)計(jì)算的阻塞頻率比較(細(xì)線為TM指數(shù),粗線為DCGN指數(shù))Fig.6.The longitudinal distributions of the blocking frequency for TM and DCGN indices.The thin line is result from TM index,and the bold line is result from DCGN index

圖7 利用TM指數(shù)計(jì)算的四個區(qū)域1950—2013夏季(JJA)年平均阻塞頻率變化.(a)白令海峽區(qū)域;(b)鄂霍次克海區(qū)域;(c)歐亞大陸區(qū)域;(d)格陵蘭區(qū)域(黑色粗線為平滑趨勢線)Fig.7.Variationof annual average blocking frequency in summer from 1950 to 2013 used by TM index over four regions.(a)Bering Strait;(b)Okhostk Sea;(c)Eurasia and(d)Greenland.Thick black line isresult from the smooth line

3 阻塞發(fā)生時行星波特征對海冰可能造成的影響

海冰的減少可影響大氣環(huán)流的變化,大氣環(huán)流的改變也可對海冰的變化產(chǎn)生影響,很多研究也已經(jīng)表明異常的高壓可能對海冰減少有所貢獻(xiàn)[7,18-19]。行星波是大尺度Rossby波的1—4波,其移動緩慢,振幅跨度約為10—20個緯距,而阻塞亦是行星尺度的系統(tǒng),阻塞發(fā)生時大氣環(huán)流最顯著的變化即可通過行星波反映出來。Francis和Vavrus[9]認(rèn)為較高的波幅可能使大尺度的Rossby波從西向東進(jìn)程變得緩慢,使得中高緯度天氣型更持續(xù),進(jìn)而增加極端天氣出現(xiàn)的可能性,如熱浪、干旱,這種極端天氣和北極增暖加強(qiáng)有密切的聯(lián)系。為研究阻塞發(fā)生時行星波的平均狀態(tài),挑出1950—2013年夏季上述4個區(qū)域阻塞存在相對不存在時的500 hPa平均位勢高度進(jìn)行合成分析。從圖8中可看出在該4個區(qū)域發(fā)生阻塞時,其對應(yīng)區(qū)域位勢高度均有顯著的增加,即阻塞發(fā)生發(fā)展期間,大尺度行星波的振幅有顯著加強(qiáng)。這種顯著升高的波幅放大了氣流路徑,加劇了出現(xiàn)緩慢天氣型的可能性,它可能是近幾年夏季歐洲熱浪頻繁發(fā)生的主要原因[20],進(jìn)而可能加劇海冰的減少。Zhang等[21]則認(rèn)為在全球變暖的背景下,北極氣旋是向北極輸送熱量和水汽的重要機(jī)制,其活動的趨勢和強(qiáng)度變化對北極增暖有重要作用。從圖8也可明顯看出各區(qū)域發(fā)生阻塞時,其對應(yīng)的極地地區(qū)位勢高度均有顯著降低,形成以北極為中心的氣旋型環(huán)流,這種南部高值北部低值的位勢高度分布場,可能更有利于熱量從中高緯度向高緯度極地地區(qū)的輸送,進(jìn)而引起北極海冰的變化。

Rigor等[22]認(rèn)為海冰運(yùn)動的改變將影響夏季海冰密集度的變化,大部分的海冰都通過弗拉姆海峽輸送到格陵蘭海,此外也有研究表明白令海峽的海冰變化與異常東南風(fēng)有關(guān)[7,23]。高層風(fēng)場是控制大氣環(huán)流場的主要形態(tài),也可驅(qū)動地面風(fēng)場。阻塞發(fā)生時這種南部高值北部低值的位勢高度場分布在格陵蘭島附近引起南部呈反氣旋性流場,北部呈氣旋性流場,兩種流場接合部分的空氣運(yùn)動加速,可能將海冰加快從弗拉姆海峽輸出;在白令海峽出現(xiàn)這種流場結(jié)構(gòu)引起顯著異常的東南風(fēng),有利于將中高緯度開闊水源從海峽通道流入至高緯度海洋,使海洋反照率降低,從而吸收更多太陽輻射,提高海域表面溫度,加快海冰融化。此外夏季大氣環(huán)流異常引起海冰變化與Ekman漂移在北極邊緣海域的作用也有很大關(guān)系[24],而各區(qū)域發(fā)生阻塞時形成以北極為中心的氣旋性環(huán)流,也可引起海表面Ekman漂移的對海冰的拖曳作用,將更多海冰從高緯度海域輸送到南部中高緯度地區(qū),從而融化海冰。因此阻塞的發(fā)生必將會引起海冰的一系列變化,下面我們就阻塞發(fā)生時對海冰的熱力學(xué)影響進(jìn)行分析討論。

圖8 1950—2013年夏季(JJA)阻塞發(fā)生相對未發(fā)生時500 hPa高度異常場.(a)白令海峽區(qū)域;(b)鄂霍次克海區(qū)域;(c)歐亞大陸區(qū)域;(d)格陵蘭區(qū)域(陰影部分通過了95%的顯著性檢驗(yàn))Fig.8.The difference of geopotential heightanomaly at500 hPa between dayswith and withoutblocking in summer from 1950 to 2013 over four regions.(a)Bering Strait;(b)OkhostkSea;(c)Eurasia;(d)Greenland.The shading regions are statistically significant at the 95%significance level according to the Student’s t test

4 阻塞對海冰的熱力學(xué)影響

4.1 地面溫度變化

已觀測到的海冰減少在一定程度上反映了熱力學(xué)原因和動力學(xué)原因的結(jié)合,其熱力學(xué)原因涉及了地面溫度、輻射通量等[25]。Screen和Simmonds[2]通過使用ERA-Interim資料計(jì)算發(fā)現(xiàn)1989—2008年這段時間北極近地面有明顯的升溫,并認(rèn)為海冰減少對北極溫度增加起主導(dǎo)作用,而且越往大氣低層這種增溫效果越大。他們還運(yùn)用大氣環(huán)流模型驗(yàn)證了大氣改變對海冰減少的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)這種響應(yīng)在北冰洋邊緣地區(qū)及海岸效果最顯著,并且證明了大氣增溫在中高緯度(65N°以北)850 hPa以下大氣層更加明顯。Serreze和Francis[26]研究結(jié)果表明北半球高緯度地面溫度升高是北極放大及海冰削減明顯的信號,并且受大氣低頻流變化的強(qiáng)烈影響。Ogi和Wallace[24]認(rèn)為自1979年以來北冰洋邊緣海域地面溫度異常,并且這些溫度異常區(qū)域和海冰減少的區(qū)域相關(guān)聯(lián),尤其在夏季海冰覆蓋范圍和地面溫度有密切關(guān)系。

圖9 1950—2013年夏季有阻塞和無阻塞地面溫度場之差.(a)白令海峽區(qū)域;(b)鄂霍次克海區(qū)域;(c)歐亞大陸區(qū)域;(d)格陵蘭區(qū)域(陰影部分通過了95%的顯著性檢驗(yàn))Fig.9.The difference of surface air temperature anomaly between days with and without blocking in summer from 1950 to 2013 over four regions.(a)Bering Strait;(b)OkhostkSea;(c)Eurasia;(d)Greenland.The shading regions are statistically significantat the 95%significance level according to the Student’s t test

分別挑出白令海峽區(qū)域、鄂霍次克海區(qū)域、歐亞大陸區(qū)域和格陵蘭區(qū)域1950—2013年夏季阻塞發(fā)生時及未發(fā)生時的地面溫度,對其進(jìn)行合成對比分析。從圖9中可看出該四個區(qū)域發(fā)生阻塞時,各對應(yīng)區(qū)域均有明顯的溫度正異常中心,其中鄂霍次克海區(qū)域和歐亞大陸區(qū)域地面溫度增加幅度較大,白令海峽和格陵蘭區(qū)域增溫幅度較小。計(jì)算該4個區(qū)域因阻塞而引起的年平均溫度變化(圖10),可看出自1950—2013年,大部分年份阻塞發(fā)生時都引起了該區(qū)域地面溫度增加,其中歐亞大陸區(qū)域和鄂霍次克海區(qū)域年平均升溫較高,分別為2.30和1.82 K,白令海峽區(qū)域平均溫度升高0.89 K,格陵蘭區(qū)域?yàn)?.62 K。這種由于阻塞而引起的地面溫度升高在鄂霍次克海和歐亞大陸區(qū)域近30年有增加的趨勢,引起溫度增加的最大值達(dá)到了6 K左右,而在白令海峽和格陵蘭區(qū)域的引起的地面溫度增加幅度較小且變化趨勢相對穩(wěn)定。該4個區(qū)域由阻塞引起的地面增溫事實(shí)在過去的60多年中是顯著存在的,僅個別年份出現(xiàn)溫度下降的情況,這可能是存在其他天氣學(xué)原因使得地面溫度下降,這里暫不考慮。

圖10 各區(qū)域由于阻塞造成的平均地面溫度變化(單位:K).(a)白令海峽區(qū)域;(b)鄂霍次克海區(qū)域;(c)歐亞大陸區(qū)域;(d)格陵蘭區(qū)域(圖中黑色粗線為平滑趨勢線)Fig.10.Surface temperature anomaly caused by blocking in summer from 1950 to 2013 over four regions(unit:K).(a)Bering Strait;(b)OkhostkSea;(c)Eurasia;(d)Greenland.Thick black line is result from the smooth line

接著我們挑出了各區(qū)域阻塞發(fā)生頻率高的年份,討論相對阻塞發(fā)生頻率低的年份地面溫度是否依然有明顯的增加,以此來更有力地證明阻塞的存在確實(shí)對中高緯度地面溫度增加有所貢獻(xiàn)。計(jì)算各區(qū)域年平均阻塞頻率并對其標(biāo)準(zhǔn)化處理,挑出各區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化的阻塞頻率＞0.6和＜-0.6的年份(如圖11所示),并對其地面溫度場進(jìn)行合成(如圖12所示)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各區(qū)域阻塞發(fā)生頻率較高的年份相對頻率較低的年份,依然存在地面溫度升高的現(xiàn)象。因此我們可以斷定在中高緯度阻塞的發(fā)生發(fā)展期間,各區(qū)域在阻塞高壓的控制下,可直接引起該區(qū)域的地面溫度的顯著增加。

北半球高緯度地面溫度增加是海冰明顯削減的信號[24],這種中高緯度阻塞發(fā)生引起的地面溫度增加,不僅可直接引起海冰減少,減少的海冰又導(dǎo)致表面反照率降低,從而增加表面對太陽輻射的吸收,可更進(jìn)一步加速海冰的融化。

4.2 經(jīng)向瞬變熱通量輸送變化

大氣對極地的熱量輸送可引起極地地面溫度增加,尤其在北大西洋和北太平洋區(qū)域,是北極放大的一個重要原因[27-28]。瞬變加熱是大氣熱源的重要部分,在全球大部分區(qū)域的中高緯度對流層高層中起重要支配作用,可重新分配非絕熱加熱造成的大氣熱量空間分布,從而為高緯度和中高層大氣獲得更多熱量,對于中高緯度季節(jié)氣候及其變異有不可忽視的作用[29]。刁一娜等[30]認(rèn)為在阻塞的生命過程中,天氣尺度的瞬變擾動與阻塞流場存在相互作用,阻塞頻發(fā)的季節(jié)是瞬變擾動活躍的季節(jié),天氣尺度瞬變擾動產(chǎn)生于急流強(qiáng)斜壓區(qū),而急流的出口處正是阻塞的發(fā)生位置。陸日宇[31]結(jié)果表明,阻塞流型引導(dǎo)的天氣尺度波在熱量的南北輸送中占主要地位,而且相對于阻塞流型來說,天氣尺度波造成的熱量輸送更加強(qiáng)烈明顯,表現(xiàn)出向北輸送熱量或向南輸送冷空氣的特征。

圖11 4個區(qū)域去掉趨勢后標(biāo)準(zhǔn)化的年平均阻塞頻率.(a)白令海峽區(qū)域;(b)鄂霍次克海區(qū)域;(c)歐亞大陸區(qū)域;(d)格陵蘭區(qū)域(圖中虛線為±0.6的標(biāo)準(zhǔn)線)Fig.11.Normalized ofannual average blocking frequency without linear trend over four regions.(a)Bering Strait;(b)OkhostkSea;(c)Eurasia;(d)Greenland.Dotted line is±0.6 referenced line

為研究阻塞發(fā)生時瞬變波對極地的熱量輸送,濾出850 hPa天氣尺度波(2—7 d)的瞬變擾動經(jīng)向速度v和溫度T,分別計(jì)算以上4個區(qū)域阻塞發(fā)生相對未發(fā)生時的瞬變波對熱量的經(jīng)向輸送。之所以選擇850 hpa高度層是因?yàn)镾creen和Simmonds[2]已經(jīng)證明大氣改變對海冰減少響應(yīng)在大氣低層更加明顯,而它在某種意義上可以代表近地面邊界層的頂端,對地面有很強(qiáng)的相關(guān)性。從圖13中可明顯看出阻塞發(fā)生時瞬變天氣波的活動可將熱量從中高緯地區(qū)輸送到高緯度極地地區(qū),各區(qū)域均出現(xiàn)南部冷卻、北部加熱的偶極型分布,其中鄂霍次克海和歐亞大陸北部區(qū)域加熱劇烈,白令海峽和格陵蘭北部區(qū)域加熱效果相對較弱。Holland等[32]研究結(jié)果表明海洋對極地的熱量輸送將觸發(fā)和導(dǎo)致海表面反照率對大氣反饋?zhàn)饔玫募訌?qiáng),從而使更多太陽輻射被海洋表面吸收,以此加速海冰融化。由此可知,在中高緯度阻塞發(fā)生發(fā)展期間,天氣尺度瞬變擾動與阻塞流場相互作用,使得瞬變波對熱量的經(jīng)向輸送作用顯著,可在其阻塞區(qū)域南側(cè)的中緯度造成冷卻、北側(cè)的高緯度和極地地區(qū)造成加熱,使高緯度地區(qū)和極地地區(qū)獲得更多熱量,以此來引起北極溫度增加,加速海冰消融。

4.3 經(jīng)向溫度平流變化

在不考慮非絕熱加熱作用下,大尺度溫度的局地變化主要取決于經(jīng)向風(fēng)異常導(dǎo)致的溫度平流作用[33]。溫度平流除了能直接引起大氣熱力結(jié)構(gòu)變化,還會引起其他大氣物理屬性的改變,在天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程中有重要作用。Rigor[25]研究表明夏季溫度平流對海冰的變化有重要作用,海洋上的暖平流可造成海冰的大量減少。Deser等[34]也認(rèn)為在格陵蘭和巴倫支海上空的來自南部的異常暖平流將會加速海冰融化。為研究溫度平流對的變化與海冰關(guān)系,計(jì)算4個區(qū)域有阻塞相對于無阻塞發(fā)生時的經(jīng)向溫度平流變化場,如圖14所示。從圖14中可看出在白令海峽、鄂霍次克海、歐亞大陸區(qū)域的阻塞發(fā)生時,其對應(yīng)區(qū)域及南部均有較明顯負(fù)距平,而北部極地地區(qū)呈現(xiàn)較為明顯的正距平。這是由于中高緯度阻塞發(fā)生發(fā)展期間,行星尺度波呈現(xiàn)“南高北低”的異常分布特征,氣壓梯度力表現(xiàn)為正,在此作用下有異常的南風(fēng),因而出現(xiàn)向極的溫度平流。這樣使得中高緯度暖空氣被帶入極地地區(qū),而極地地區(qū)冷空氣南下,可引起高緯度極地地區(qū)溫度升高,從而使海冰融化。而格陵蘭區(qū)域阻塞引起的溫度平流異常場相對其他區(qū)域而言變化甚微,這可能因?yàn)楦窳晏m區(qū)域阻塞發(fā)生的頻率較低,時間較短;另外從阻塞發(fā)生時500 hPa高度異常場(圖8)也可看出,格陵蘭區(qū)域因阻塞發(fā)生的位勢高度相對其他區(qū)域增加較少,使得由南到北的氣壓梯度力相對較小,因而對經(jīng)向溫度平流的輸送顯得不明顯。但從其他三個區(qū)域的情況來看,阻塞的發(fā)生確實(shí)引起了溫度平流向極的輸送,以此來提高極地溫度,加速海冰融化。

圖12 1950—2013年各區(qū)域阻塞頻率較高的年份相對阻塞頻率較低年份的地面溫度場之差.(a)白令海峽區(qū)域;(b)鄂霍次克海區(qū)域;(c)歐亞大陸區(qū)域;(d)格陵蘭區(qū)域Fig.12.The difference of surface air temperature anomaly between summer high and low blocking frequency years from 1950 to 2013 over four regions.(a)Bering Strait;(b)OkhostkSea;(c)Eurasia;(d)Greenland

圖13 1950—2013年夏季各區(qū)域發(fā)生阻塞較未發(fā)生時850 hPa平均經(jīng)向瞬變熱輸送異常場.(a)白令海峽區(qū)域;(b)鄂霍次克海區(qū)域;(c)歐亞大陸區(qū)域;(d)格陵蘭區(qū)域(陰影部分通過了95%的顯著性檢驗(yàn))Fig.13.The difference ofmeridional transient heat flux anomaly at 850 hPa between days with and without blocking in summer from 1950 to 2013 over four regions.(a)Bering Strait;(b)Okhostk Sea;(c)Eurasia;(d)Greenland.The shading regions are statistically significant at the 95%significance level according to the Student’s t test

5 結(jié)果和討論

本文通過對夏季北極海冰覆蓋范圍、海冰密集度及中高緯度阻塞的計(jì)算,對阻塞和海冰的關(guān)系進(jìn)行了對比分析,發(fā)現(xiàn)夏季海冰減少明顯的區(qū)域和中高緯度阻塞頻發(fā)區(qū)域十分相似,分別是白令海峽區(qū)域(120°W—180°W),鄂霍次克海區(qū)域(110°E—150°E),歐亞大陸區(qū)域(30°E—90°E)和格陵蘭區(qū)域(20°W—60°W)。對夏季各區(qū)域阻塞發(fā)生相對未發(fā)生時的高度場、溫度場、熱量輸送和平流輸送場進(jìn)一步分析表明,中高緯度阻塞的發(fā)生發(fā)展對海冰的融化有明顯的加速作用。主要研究結(jié)論如下:

(1)各區(qū)域有阻塞相對無阻塞發(fā)生時的500 hPa均呈現(xiàn)南部高值北部低值的偶極分布特征,南部中高緯地區(qū)大尺度行星波振幅的顯著增加,北部極地地區(qū)位勢高度的顯著減少,形成以北極為中心的氣旋性環(huán)流更有利于熱量向北極輸送,從而造成對海冰的影響。這種流場結(jié)構(gòu)在格陵蘭區(qū)域可加速海冰從弗拉姆海峽的輸出,在白令海峽區(qū)域可使開闊水源流至高緯度地區(qū),降低海洋反照率,以此來增加海溫融化海冰;另外極地顯著的氣旋性環(huán)流還可通過Ekman輸送作用使更多海冰被輸送到南部,以加速海冰融化;

(2)對各區(qū)域有阻塞相對于無阻塞發(fā)生時、阻塞頻率較高的年份相對阻塞頻率較低年份的地面溫度場進(jìn)行合成對比分析,均發(fā)現(xiàn)其地面溫度場有顯著的正異常,即阻塞的發(fā)生發(fā)展顯著增加了該區(qū)域的地面溫度,以此來影響北極增暖,進(jìn)而加速海冰融化。而850 hPa經(jīng)向瞬變熱通量進(jìn)行合成分析結(jié)果表明,阻塞發(fā)展時與瞬變天氣波的相互作用,使各區(qū)域均出現(xiàn)北部加熱、南部冷卻的偶極分布,熱量集中在北部高緯度地區(qū),這種分布說明阻塞發(fā)生時的瞬變天氣波對熱量的輸送也可能是造成海冰融化的原因。850 hPa經(jīng)向溫度平流合成分析還發(fā)現(xiàn),發(fā)展中的阻塞可將暖平流帶入極地高緯度地區(qū),也對海冰的融化起到一定作用;

(3)阻塞對海冰的熱力學(xué)方面影響在鄂霍次克海和歐亞大陸區(qū)域非常顯著,而在白令海峽和格陵蘭區(qū)域效果則相對較弱。但海冰密集度顯示白令海峽區(qū)域海冰減少最為明顯,阻塞的頻率分布也在白令海峽區(qū)域表現(xiàn)為一高值中心,且已有研究表明白令海峽和格陵蘭區(qū)域海冰減少與大氣動力學(xué)過程有很重要的關(guān)系,這說明白令海峽區(qū)域的海冰減少可能與阻塞的動力學(xué)特征也有密切關(guān)系;而白令海峽東部的弗拉姆海峽是海冰向外輸送的出口,其區(qū)域內(nèi)阻塞的發(fā)生對海冰的影響,也可能以動力學(xué)原因?yàn)橹?以后將再做具體分析研究討論。

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