巴倫支-喀拉海海溫和青藏高原冬季地表氣溫的年代際聯系

鄭錦文， 左志燕， 藺鄒興， 肖 棟

（1.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100089；2.復旦大學大氣與海洋科學系/大氣科學研究院，上海 200082；3.上海長江河口濕地生態系統國家野外科學觀測研究站，上海 202150；4.上海市海洋-大氣相互作用前沿科學研究基地，上海 200438；5.中國氣象局上海城市氣候變化應對重點開放實驗室，上海 200030；6.上海市氣候中心，上海 200030）

0 引言

巴倫支-喀拉海位于歐洲西北海岸，其海域大部分處于70° N以北。由于北角暖流海水的流入，該海域海溫并不是很低，成為整個北冰洋中唯一一個終年不凍的海區，被稱為“北冰洋的暖池”。近年來，在全球變暖的背景下，北極海冰的消融速率加快，北極逐漸加速變暖，到了21世紀，北極的增暖趨勢是全球平均水平的2倍，被稱為“北極放大”現象［1-3］。由于北極氣候的惡化，學者們日益聚焦高緯度地區，關于巴倫支海的研究也涌現出來。

巴倫支海海域的海冰是當前研究的熱點，由于海冰導致的輻射效應，海冰的減少會引起向上的輻射、感熱以及潛熱的增加從而激發出羅斯貝（Rossby）波的向下游地區的傳播，進而影響東亞氣候，在東亞地區產生氣旋［4-6］。除了巴倫支海的海冰之外，其海溫變化同樣能對北半球氣候產生影響。模式模擬和觀測數據的結果一致性表明，巴倫支-喀拉海異常增暖明顯超前于東亞地區的降溫。并且，當巴倫支-喀拉海發生增暖異常時，其上空的反氣旋環流異常加深，并且進一步引發下游中緯度槽的加深，從而使得冬季阻塞持續時間變長［7］，而阻塞形式的建立能夠影響東亞冬季風強度，從而增加中國冬季的極端冷事件［8］。

近年來，青藏高原熱力狀況同樣是科學家們關注的焦點，許多研究學者認為青藏高原的熱力狀況是影響東亞氣候的關鍵因素。在夏季，青藏高原熱力變化會影響西太平洋副熱帶高壓的強度和高緯度地區環流，從而影響我國華北以及長江中下游地區的降水、溫度異常。在冬季，青藏高原的熱力異常會影響南北熱力梯度，從而改變冬季西風急流的強弱，進而影響東亞冬季風的強度。不僅如此，青藏高原冬季熱力狀況除了影響同期的環流場，還能通過陸面因子的記憶作用來影響到隨后季節的環流。當青藏高原的積雪融化時，雪水滲入土壤，土壤從高原表面吸收熱量從而儲存了青藏高原冬季地表氣溫信號［9-23］。Gao等［24］指出，高原積雪的提前融化在夏季局地地表加熱以及亞洲夏季風系統變化中起著重要作用。故而在某種程度上，研究青藏高原冬季熱力變化在氣候預測中的價值要比夏季更高。

盡管一些研究揭示了青藏高原冬季積雪變化，間接地反映了冬季高原熱力條件的改變成因［25-26］，但目前針對青藏高原冬季地表氣溫變化成因的相關研究仍是存在許多不足。鑒于巴倫支-喀拉海對北半球氣候的重要調控作用，那么該區域是否也能顯著貢獻青藏高原氣溫的變化？如果是，將如何影響青藏高原的變化？基于上述原因，本文將通過統計和診斷，深入討論巴倫支-喀拉海海溫的年代際變化對青藏高原冬季地表氣溫年代際變化可能的調控及其機理，以及巴倫支-喀拉海海溫年代際位相轉變對青藏高原大氣環流的年代際變化的影響。從而加強對冬季青藏高原熱力變化的認識。

1 資料與方法

研究所用資料包括：（1）日本氣象廳提供的JRA-55再分析月平均數據，資料時段為1961—2017年，水平分辨率為1.25°×1.25°，垂直層包含100～1 000 hPa共27層，選取變量包括地面氣壓、垂直速度、緯向風速度、經向風和位勢高度［27-28］。（2）中國氣象局信息中心提供的地表氣溫格點數據，資料時間段為1961—2017年，分辨率為0.25°×0.25°。（3）美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的延伸重建的海溫資料（ERSST），資料時間段為1961—2017年，分辨率為2°×2°。文中所提到的冬季所指為今年12月到次年的2月［29］。

文中所用的濾波方法為Lanczos濾波法。由于濾波之后序列的自由度將發生改變，為了保證濾波后數據做檢驗時的準確性，本文利用有效自由度做了訂正，方法為

式中：N為序列的長度；ρxx(j)和ρyy(j)為序列x和y的自相關序列；j為自相關滯后年數。

為了診斷大氣環流異常對巴倫支-喀拉海異常海溫年代際的響應，從而量化波動能量的傳播，利用了Takaya等［30］定義的二維波活動通量。

式中：ωx和ωy為緯向和經向的波活動通量；a為地球半徑；φ為緯度；λ為經度；U為背景場緯向風速；V為背景場經向風速；|U|為氣候態風場的數值大??；p為氣壓；ψ'為擾動流函數。

2 結果

2.1 青藏高原冬季地表氣溫特征

青藏高原由于高海拔以及大地形作用，使其在北半球冬季成為一個巨大的冷源［31-32］。另一方面，冬季青藏高原大范圍的積雪覆蓋，積雪的反照率效應以及其水文效應能夠通過地-氣相互作用使得高原上空大氣降溫。圖1（a）為中國1961—2017年冬季地表氣溫的年平均空間分布，中國地表氣溫總體呈現出北低南高的分布特征，并表現出隨緯度的增加地表氣溫降低的趨勢。青藏高原上的氣溫總體也呈現北低南高，平均氣溫低至-12℃，由于其特殊的地理條件，其地表氣溫明顯低于同緯度帶的中國其他區域。

為了研究青藏高原冬季地表氣溫特征，將青藏高原區域地表氣溫去趨勢后做區域平均，從圖1（b）中觀察到該序列存在年代際變化。進一步，運用小波分析來判斷高原地表氣溫的年代際周期，如圖2所示，小波分析結果顯示周期16年處通過了90%的信度檢驗，其結果表明青藏高原的地表氣溫周期在16年處最為明顯。因此，對青藏高原地表氣溫進行15年的低通濾波處理，保留其大于15年的年代際低頻信號，濾去小于15年的高頻信號，并將這個序列定義為高原地表氣溫指數（TPI）。為了找到影響年代際高原地表氣溫變化的成因，如圖3所示，將TPI與同樣濾去15年以上高頻信號的海表面溫度做相關，其結果表明，顯著相關區域分布在巴倫支海以及喀拉海海域（50°～80°N，15°～60°E），該地區關于海冰的研究眾多，并且許多學者指出該地區海冰對調制東亞冬季風強弱有著重要的影響［33-34］。

圖1 中國1961—2017年冬季地表氣溫的年平均空間分布（a）及青藏高原區域平均后去趨勢的標準化時間序列（b）Fig.1 Annual average spatial distribution of wintertime air surface temperature in China from 1961 to 2017（a）and the detrended，standardized and regional averaged time series of air surface temperature of Qinghai-Tibet Plateau（b）

圖2 青藏高原1961—2017年冬季地表氣溫時間序列的小波分析（打點區域表示通過90%信度檢驗）Fig.2 Wavelet analysis of wintertime air surface temperature time series of Qinghai-Tibet Plateau from 1961 to 2017（The dotted area indicates passing 90%reliability test）

圖3 1961—2017年冬季青藏高原地表氣溫15年低通濾波序列（a）及15年低通濾波后的海表面溫度與15年低通濾波后的中國區域地表氣溫時間序列的相關場空間分布（b）（陰影區域表示通過了訂正自由度后的95%的Student’s t檢驗）Fig.3 The 15-years low-pass filter sequence of air surface temperature of Qinghai-Tibet Plateau in winter from 1961 to 2017（a）and spatial distribution of the correlation field between sea surface temperature after 15-years low-pass filtering and time series of regional air surface temperature in China after 15-years low-pass filtering（b）（The shaded area indicates passing 95%Student’s t-test after the revised degrees of freedom）

進一步，為了探究該區域海溫對冬季高原地表氣溫的年代際影響，將上述顯著相關區域平均后的海表面溫度，通過15年低通濾波后的低頻序列作為巴倫支-喀拉海海海溫指數（BKI）。如圖4所示，將BKI與低通濾波后的中國區域的地表氣溫進行相關分析，可以發現BKI與青藏高原區域呈現顯著的正相關。上述圖3以及圖4的結果，說明巴倫支海海域與青藏高原有顯著的關聯。

圖4 1961—2017年冬季巴倫支-喀拉海海表面溫度15年低通濾波序列（a）及1968—2010年冬季15年低通濾波后的中國地表氣溫與巴倫支-喀拉海海表面溫度15年低通濾波時間序列的相關場空間分布（b）（陰影區域表示通過了訂正自由度后的95%的Student’s t檢驗）Fig.4 The 15-years low-pass filter sequence of sea surface temperature of Barents-Kara Sea in winter from 1961 to 2017（a）and spatial distribution of the correlation field between air surface temperature in China after 15-years low-pass filtering and time series of sea surface temperature of Barents-Kara Sea after 15-years low-pass filtering（b）（The shaded area indicates passing 95%Student’s t-test after the revised degrees of freedom）

2.2 巴倫支-喀拉海海溫影響青藏高原地表氣溫年代際變化的機制分析

為了了解巴倫支-喀拉海年代際海溫變化對青藏高原的影響，進一步觀察對流層低層中層大氣環流場相應的變化。許多前人研究發現，大尺度的熱帶外海溫異常，能夠顯著影響到年代際的大氣環流，調節局地海平面氣壓［35-39］。圖5（a）為濾波后的海平面氣壓與BKI的相關場，其結果反映出一個北半球中高緯度一致的正的氣壓異常的模態，這說明巴倫支-喀拉海的海溫正異常能夠引起北半球氣壓的異常升高。圖5（b）則為濾波后500 hPa位勢高度場與BKI的相關場，其中巴倫支海上空的位勢高度為正異常，而在高原南北側出現偶極子型的位勢高度異常分布。圖5（c）同圖5（b），但為300 hPa位勢高度場，能夠觀察到，巴倫支-喀拉海海溫正異常能夠引起該地區氣壓從低層到高層一致的正異常。并且反映在青藏高原處，高原從近地面層（約為500 hPa）至高層也同樣被正的位勢高度異常所占據。

由于巴倫支-喀拉海年代際海溫的異常而引起的位勢高度的異常則進一步激發了高層大氣的波活動通量的異常，圖6為低通濾波后的波活動通量以及流函數與BKI的相關分析場，能夠觀察到流函數的異常中心分別位于巴倫支海，西伯利亞，以及青藏高原三個區域。通過觀察波活動通量流向，能夠看出一個穩定的Rossby波波列從巴倫支海激發出來，其中心恰好位于海溫異常區，該波活動通量向東向南傳播傳輸至西伯利亞區域。

由于Rossby波的擾動作用，波傳輸路徑上的地區的位勢高度場也會隨即發生相應的擾動。如圖5（c）所示，西伯利亞地區的位勢高度場出現負異常，該負異常導致了副極地西風急流以及副熱帶西風急流異常。圖6（b）低通濾波后的200 hPa緯向風與BKI的相關場，由于西伯利亞位勢高度的負異常，使得60°N處出現緯向東風異常，而在30°N青藏高原處則出現西風急流加強。而高原處的西風異常會產生反氣旋式的風切變，從而在300h Pa青藏高原南處出現正位勢高度異常［圖5（c）］。為了更加直觀地觀察由位勢高度異常產生出的青藏高原上空的大氣環流變化，將高原范圍內緯向平均（72.5°～105° E）后的經向風速、垂直風速和位勢高度場與BKI做相關［圖6（c）］，從圖中可以看出經向上，70°～80° N、40°～50° N和20°～32.5° N位勢高度場呈現三級子分部特征，且表現出從近地面到高空整層大氣斜壓結構。特別地在青藏高原區域，尤其是高原南部表現出從低空到高空一致的位勢高度正異常，伴隨著由此產生的下沉運動的異常。而由于這樣的下沉運動的加強，高原上空的大氣通過非絕熱加熱過程而不斷加熱，從而使得地表氣溫上升。

圖5 SSTI與15年低通濾波后的海平面氣壓（單位：hPa）（a）、500 hPa位勢高度場（單位：gpm）（b）及300 hPa位勢高度場（單位：gpm）（c）的相關場空間分布（陰影區域表示通過了訂正自由度后的95%的Student’s t檢驗）Fig.5 Spatial distribution of the correlation fields between SSTI and sea level pressure（unit：hPa）（a），500 hPa potential height field（unit：gpm）（b）and 300 hPa potential height field（unit：gpm）（c）after 15-years low-pass filtering（The shaded area indicates passing 95%Student’s t-test after the revised degrees of freedom）

圖6 SSTI與15年低通濾波后青藏高原范圍內緯向平均的（72.5°～105°E）流函數（單位：m2·s-1，填色）以及波活動通量（單位：m2·s-2，矢量）（a）、200 hPa緯向風（單位：m·s-1）（b）及100～1 000 hPa位勢高度場（單位：gpm，填色）和風場（單位：m·s-1，矢量）（c）的相關場空間分布［打點和陰影區域以及矢量表示通過了訂正自由度后的95%的Student’s t檢驗；（c）下部的黑色實線代表87.5°E處的地形］Fig.6 Spatial distribution of correlation field of SSTI and zonal mean over Tibetan Plateau（72.5°～105°E）stream function（unit：m2·s-1，shading）and wave activity flux（unit：m2·s-2，vector）（a），200 hPa zonal wind（unit：m·s-1）（b），100～1 000 hPa geopotential height field（unit：gpm，shading）and wind filed（unit：m·s-1，vector）（c）after 15-years low-pass filtering［The dotted and shaded areas and vectors indicate passing 95%Student’s t-test after the revised degrees of freedom；The black solid lines in（c）lower part represent the terrain at 87.5°E］

2.3 巴倫支-喀拉海海溫年代際位相轉變對青藏高原大氣環流年代際變化的影響

如圖4所示，圖中的藍線表示15年低通濾波后的巴倫支海海溫序列，可以觀察到在1968—2010年巴倫支海海溫呈現出正—負—正的位相，在1968—1977年以及2002—2010年，巴倫支海海溫處于正位相，而在1978—2001年處于負位相。將兩個正位相定義為第一時段，而負位相定義為第二時段，為了進一步驗證巴倫支海、喀拉海年代際海溫變化對大氣環流以及青藏高原的影響，對兩時段的大氣環流差異做合成分析。

如圖7所示為第一時段減去第二時段的海平面氣壓，500 hPa和300 hPa位勢高度的合成分析，可以觀察到巴倫支-喀拉海海域年代際海溫能夠影響高緯度整層大氣環流，并且能夠顯著調制中高層西伯利亞地區以及高原南部的位勢高度場。而圖8（a）中的300 hPa的波活動通量以及流函數的合成分析則進一步表明了巴倫支-喀拉海海溫狀況的改變對平均波流活動的調節。Rossby波由巴倫支-喀拉海激發，并且傳向西伯利亞地區，從而引起西伯利亞高層異常的輻合運動，從而解釋了圖7中該地區的位勢高度場的異常。進一步由于西伯利亞高層的輻合導致的氣旋性環流，其南北兩側的副極地西風急流和副熱帶西風急流同樣發生強度變化［圖8（b）］，而由于副熱帶西風急流的增強，從而使得高原上空發生異常輻散。從經向上觀察兩個時間段高原上的垂直氣壓和風場的結構變化，將高原緯向平均（72.5°～105°E）后的位勢高度場以及風場做相同的合成分析。如圖8（c）所示，高原北側位勢高度異常顯著，高原中南部受到正位勢高度異?？刂?，受位勢高度場的影響，高原上空為一致的下沉運動。進一步，由于明顯的下沉運動的存在，高原地表氣溫通過非絕熱加熱作用加熱地表氣溫，圖9為兩時段合成分析的地表氣溫空間分布，能夠看出青藏高原除北部少部分區域外，都呈現出顯著的正異常。

圖7 巴倫支-喀拉海海溫正位相與負位相的合成差值（1968—1977年以及2002—2010年減1978—2001年）：海平面氣壓（單位：hPa）（a）、500 hPa位勢高度（單位：gpm）（b）及300 hPa位勢高度（單位：gpm）（c）（陰影區域表示通過了訂正自由度后的95%的Student’s t檢驗）Fig.7 The compose differences between positive and negative phases of sea surface temperature（SST）of Barents-Kara Sea（1968—1977 and 2002—2010 minus 1978—2001）：sea level pressure（unit：hPa）（a），500 hPa potential height（unit：gpm）（b）and 300 hPa potential height（unit：gpm）（c）（The shaded area indicates passing 95%Student’s t-test after the revised degrees of freedom）

圖8 巴倫支-喀拉海海溫正位相與負位相在青藏高原范圍內緯向平均（72.5°～105°E）的合成差值（1968—1977年以及2002—2010年減1978—2001年）：流函數（單位：106 m2·s-1，填色）以及波活動通量（單位：m2·s-2，矢量）（a）、200 hPa緯向風（單位：m·s-1）（b）及100～1 000 hPa位勢高度場（單位：gpm，填色）和風場（單位：m·s-1，矢量）（c）［打點和陰影區域以及矢量表示通過了訂正自由度后的95%的Student’s t檢驗；（c）下部的黑色實線代表87.5°E處的地形］Fig.8 The composite differences of zonal mean over Tibetan Plateau（72.5°～105°E）between positive and negative phases of SST of Barents-Kara Sea（1968—1977 and 2002—2010 minus 1978—2001）：stream function（unit：106 m2·s-1，shading）and wave activity flux（unit：m2·s-2，vector）（a），200 hPa zonal wind（unit：m·s-1）（b）and 100～1 000 hPa potential height field（unit：gpm，shading）and wind filed（unit：m·s-1，vector）（c）［The dotted and shaded areas and vectors indicate passing 95%Student’s t-test after the revised degrees of freedom；The black solid lines in（c）lower part represent the terrain at 87.5°E］

圖9 巴倫支-喀拉海海溫正位相與負位相中國地表氣溫（單位：℃）的合成差值（1968—1977年以及2002—2010年減1978—2001年）（陰影區域表示通過了訂正自由度后的95%的Student’s t檢驗）Fig.9 The composite differences between positive and negative phases of SST of Barents-Kara Sea（1968—1977 and 2002—2010 minus 1978—2001）for air surface temperature（unit：℃）in China（The shaded area indicates passing 95%Student’s t-test after the revised degrees of freedom）

3 結論

本文應用中國氣象局地表氣溫觀測資料、JRA-55再分析數據以及國際海洋大氣綜合數據集中的海表溫度數據，運用低通濾波以及相關、合成分析等方法，揭示巴倫支-喀拉海海溫年代際異常變化及其與青藏高原地表氣溫年代際變化的可能聯系和機制。研究結果表明，青藏高原冬季地表氣溫呈現16年周期的年代際變化信號，進一步的相關分析發現青藏高原地表氣溫與巴倫支-喀拉海海溫異常存在明顯的年代際聯系。

圖10為巴倫支-喀拉海影響青藏高原地表氣溫年代際變化的可能機制，冬季巴倫支-喀拉海海溫異常偏暖引起局地高層大氣異常的輻合輻散，從而造成位勢高度的異常，而位勢高度場的振蕩引起了Rossby波的傳播。由巴倫支-喀拉海產生的Rossby波向東傳播，影響西伯利亞地區，引起該地區位勢高度的異常同時伴隨南北兩側副極地和副熱帶西風急流增強和減弱，而副熱帶西風急流的加強或減弱而產生的相應的切變則在青藏高原高層產生異常的輻合或輻散，隨之而來的異常下沉或上升運動將通過非絕熱加熱過程調制高原地表氣溫。

圖10 巴倫支-喀拉海海溫年代際異常調控青藏高原地表氣溫年代際變化的機制示意圖Fig.10 Schematic diagram of the mechanism of interdecadal variation of air surface temperature of Qinghai-Tibet Plateau regulated by interdecadal SST anomalies of Barents-Kara Sea