地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (3): 727-737   PDF    
2008年和2012年冬季欧洲气候的差异及成因
韩哲1, 李双林2, 李琛3,4, 孙捷3,4    
1. 中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境重点实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院大气物理研究所竺可桢-南森国际研究中心, 北京 100029;
3. 成都信息工程学院大气科学学院, 成都 610225;
4. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
摘要:2008年冬季(1月和2月)和2012年冬季均发生了较强的拉尼娜事件,但欧洲气候,尤其是西欧在这两年差异较大,2008年异常偏暖,而2012年却出现了极寒事件.诊断表明,大气环流异常是造成气候差异的直接原因.2008年冬季,北大西洋上空大气环流异常呈正位相的北大西洋涛动,有利于欧洲异常偏暖;2012年冬季,北大西洋和欧亚高纬阻塞的长期维持是西欧发生极端严寒的重要原因.通过数值试验,研究了前期海表热状况异常对大气的影响.结果表明:北大西洋海温异常能在一定程度上解释这两年欧洲各自的气候异常;尽管热带海温异常对2012年冬季的北大西洋环流形势和欧洲气候异常起一定的贡献,但不能解释2008年的情形;靠近欧洲的北极海冰异常偏少使得欧洲气候偏冷,对2008年的偏暖气候贡献为负,对2012年则有正贡献.
关键词欧洲气候     北大西洋涛动     阻塞     海温     海冰    
The differences and causes of European climate between 2008 and 2012 winter
HAN Zhe1, LI Shuang-Lin2, LI Chen3,4, SUN Jie3,4    
1. Key Laboratory of Regional Climate-Environment Research for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. Nansen-Zhu International Research Centre, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;
4. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: There are huge differences in the European climate between 2008 and 2012 winter (January and February), and La Nina occurred in both winters. The surface temperature was above normal during 2008 winter, and was below normal during 2012 winter. The atmospheric circulation anomalies are the direct reasons for the different climate. In 2008 winter, the North Atlantic Oscillation anomaly was in positive phase, benefited the Europe warming. During 2012 winter, the blocking over the North Atlantic and high-latitude Eurasia benefited the extreme cold event in Europe. The role of sea surface temperature (SST) and sea ice concentration anomalies were investigated by one atmospheric general circulation model. The SST anomalies over the North Atlantic can explain the atmospheric circulation over Atlantic in Europe in a certain extent separately for these two years, so they are important for the climate differences. While the tropical SST anomalies can just simulate similar atmospheric responses over the North Atlantic in 2012 winter, while they seemed play a negative role in 2008 winter. The loss of sea ice over Arctic adjoined Europe lead to cold conditions over Europe, so it played a negative role during 2008 winter, while a positive role during 2012 winter.
Key words: European climate     North Atlantic Oscillation     Blocking     Sea surface temperature     Sea ice    

1 引言

最近几年冬季,异常低温和降雪经常侵袭北半球.在2012年冬季(1月和2月),欧亚大陆大部分区域的气温低于多年气候平均,极端严寒侵袭了欧洲,阿姆斯特丹的最低气温达-18.7 ℃,希腊和塞尔维亚北部的最低气温接近-24 ℃,此次事件中最低气温的平均值在东欧低于-20 ℃,极端低温降雪严重影响了正常的社会生活,交通事故频发,学校停课,有超过600人在此次事件中不幸丧生,著名的蓝色多瑙河变成了“白色多瑙河” (WMO,2012).值得注意的是2012年为拉尼娜年,回顾上次拉尼娜事件发生的2008年冬季,欧洲气温则异常偏暖.2008年和2012年冬季同样是发生在拉尼娜背景之下,而欧洲气候却经历了异常偏暖和异常偏冷两种截然不同的气候,探讨造成欧洲气候如此差异的原因是一个值得研究的问题.首先,ENSO本身能够对欧洲气候产生影响(Fraedrich and Müller, 1992),且强度不 同其影响也会有所差异( Toniazzo and Scaife, 2006). 另外,这种影响存在不确定性(Greatbatch et al.,2004Mathieu et al., 2004López-Parages and Rodríguez-Fonseca, 2012),而与之配置的热带外海温异常的差异是其中的一个原因.那么2008年和2012年冬季欧洲气候的差异是否跟拉尼娜事件的强度及热带外海温异常存在联系呢?

除热带外海温异常外,极地海冰异常也是影 响欧亚气候的重要因素(武炳义,19992011Petoukhov and Semenov,2010Liu et al., 2012Inoue et al., 2012Yang and Christensen,2012Cohen et al., 2012).北极海冰的异常偏少有利于高纬度欧亚大陆高压的形成和维持,而其中巴伦支海和喀拉海(B-K)海冰起到重要作用(武炳义等,1999Inoue et al., 2012).高压异常有利于冷空气从东部入侵欧洲,使得欧洲气温偏冷,尤其是东欧.许多研究表明,在全球变暖背景下,某些区域的灾害发生更加频繁(Trenberth et al., 2007Sun et al., 2010Jiang et al., 2012Wang et al., 2012),可能与全球变暖下极地海冰减少有关(Francis and Vavrus, 2012).北极海冰面积减少是全球变暖背景下的一个显著现象,且最近海冰减少呈现加快趋势(Serreze et al., 2007),其变化必然进一步影响全球气候.就欧洲未来气候而言,相对于1956—2005年,在CMIP5 的未来情景预估中(RCP4.5和RCP8.5)本世纪欧洲冷冻事件在B-K海冰偏少情况下将出现增加(Yang and Christensen,2012).

本研究主要是探讨造成2008年和2012年冬季欧洲气候差异的原因.尽管两年均发生在拉尼娜背景之下,但强度不同,研究将试图从拉尼娜自身强度,与之配置的热带外海温异常和极地海冰异常来解释和分析不同因素的影响及其贡献大小.研究综合考虑海冰和海温影响对提高极端气候预测的必要性,同时为进一步考虑两者的协同作用提供基础.

2 资料、模式和试验设计 2.1 资料

高度场、风场、海平面气压场和温度场均来自NCEP/NCAR再分析日平均资料集(Kalnay et al., 1996),水平分辨率2.5°×2.5°,时间长度为1971年1月1日至2012年2月29日.表面感热和潜热通量来自NCEP/NCAR再分析月平均资料集,水平分辨率为T63.

北大西洋涛动(NAO)指数是根据Li和Wang(2003)的定义,利用逐日海平面气压场计算得到.

本文采用的月平均海洋表面温度和海冰密集度数据(SIC)均来自英国大气数据中心(Rayner et al., 2003),分辨率为1°×1°.海冰密集度用0~1之间的数字表示, 0 表示网格点范围内无海冰覆盖, 1表示网格点范围全部被海冰覆盖.

文章中分析的异常场是原始场相对于气候态的距平场,气候态取为1971—2000年的多年平均.为 方便起见,本文中的冬季均指1月和2月的平均状况.

2.2 大气环流模式及试验设计

本文所用数值模式为德国马普气象研究所发展的第五代大气环流模式——ECHAM5,详细介绍可参考Roeckner等(2003,2006).此模式为谱模式,模式顶层约10 hPa,本文所选取的分辨率为T42L31.

参照试验:用具有季节变化的气候月平均海温和海冰强迫模式,并积分19 年.气候月平均海温和海冰是1971—2000年的多年平均.

热带海温异常试验:模式中海温是在气候海温的基础上从上年10月至次年3月分别加上2007年12月或2011年12月的热带(30°S—30°N)海温异常,其余与参照试验相同.

北大西洋海温异常试验:同热带海温异常试验,但加入的海温异常位于北大西洋(10°N—60°N).

海冰试验:模式中的海冰在气候海冰的基础上从上年10月至次年3月分别加上2007年12月或2011年12月(0°—90°E,60°N—90°N)区域的SIC异常,其余与参照试验相同.

每组试验均由两个不同初始场的积分组成,以减小模拟结果对初始场的依赖.考虑到初始场与模式协调需要足够长的时间,仅选取最后18 年的数据进行分析.对参照试验和敏感性试验均取2个样本18年模拟结果的算术平均作为该试验的集合模拟.大气环流对海温或海冰异常的响应是通过敏感性试验与参照试验之间集合模拟的差异来代表.

3 观测分析

图 1中可以看出,在2008年冬季几乎整个欧洲都是偏暖的,而2012年冬季欧洲的绝大多数区域是偏冷的,尤其是西欧.图 2是位于欧洲的两个区域 (0°—35°E, 40°N—50°N)和(0°—35°E, 50°N—60°N) 的平均表面气温异常的逐天演变.2008年冬季西欧气温大多数时候是偏暖的(图 2a中的两条虚线),尤其是欧洲西北部(50°N—60°N)区域更加明显;而在2012年冬季,欧洲西南部气温绝大部分时间低于多年气候平均,欧洲西北部则是从1月底开始气温偏低,尤其是2月中上旬,异常最低达到-10 ℃以下.

图 1 (a)2008年冬季和(b)2012年冬季的表面气温异常(℃) Fig.1 The surface temperature anomalies (℃) in 2008 (a) and 2012 (b) winter

为分析2008年和2012年冬季欧洲气候差异的原因,首先研究了其发生时的大气环流背景.图 3a,3b是冬季平均的500 hPa位势高度距平场,从图中可以看到这两年对流层中层大气环流异常存在非常明显的差别.2008年冬季处于NAO的正位相之下,意味着西风增强,风从海洋吹向陆地(图 3c),有利于欧洲气温异常偏暖,与前人的研究一致(Hurrell,1995Hurrell et al,2001, 2003).从天气尺度的演变来看,NAO指数在整个冬季基本处于正位相(图 2a中黑色实线),特别是1月中下旬至2月上旬,这段时间也是西欧温度异常偏暖最强的时段,在最暖的西欧北部,两者的异常相关系数达0.65.2012年冬季,北大西洋上空存在一处非常强的正高度异常,中心处数值达到标准差的一倍,反映到天气尺度上 意味着阻塞的长期维持.通过定义一个区域(30°W—0°, 45°N—60°N)平均的标准化位势高度距平指数,定性查看了阻塞的维持情况及其与欧洲低温异常的关系,从图 2b中可以看到这一指数大于1倍标准差的时间在2月份维持了10天以上,且恰好对应着西欧北部最冷的一段时间,因为阻塞的维持有利于北部冷空气持续侵袭欧洲,从2012年冬季平均的850 hPa距平风场上可以看到影响西欧的北风异常 (图 3d).对欧洲气候产生重要影响的另外一处环流是位于欧亚高纬的正高度异常,在天气尺度上同样意味着此处阻塞的长时间维持,在其维持期间有利于欧亚高纬冷空气从东部入侵欧洲.上述分析表明无论是从季节平均还是天气尺度演变上,均反映出造成这两年欧洲气候差异的直接原因是大气环流异常的不同,2008年冬季主要受正位相NAO的影响,2012年冬季则受到北大西洋及欧亚高纬阻塞的影响.那么一个很自然的问题就是什么原因导致了大气环流异常的差异?这是本文接下来试图回答的问题.

图 2 (a)2008年冬季,欧洲两个区域(0°—35°E, 50°N—60°N;方框)和(0°—35°E, 40°N —50°N;三角)的逐日平均气温异常, 实线为NAO指数;(b)虚线同(a),但为2012年冬季,实线为区域(30°W—0°,45°N—60°N)平均的标准化500 hPa位势高度距平 Fig.2 (a) The square dash line is the daily average of surface temperature anomalies over (0°—35°E, 50°N—60°N), while the triangle dash line is the average over (0°—35°E, 40°N—50°N), the solid line is the daily North Atlantic Oscillation (NAO) index, in 2008 winter. (b) Same as (a), but for 2012 winter, and the solid line is the daily average of normalized geopotential height anomalies at 500 hPa over (30°W—0°,45°N—60°N)

图 3 (a,c)2008年冬季的500 hPa位势高度距平场(gpm),850 hPa风场距平(m/s);(b,d)同(a,c),但为2012年冬季 Fig.3 (a) The geopotential height anomalies (gpm) at 500 hPa and (c) horizontal wind anomalies (m/s) at 850 hPa during 2008 winter; (b, d) Same as (a, c), but for 2012 winter

2008年和2012年冬季都是处于拉尼娜背景之下,但2008年冬季拉尼娜较强,而2012年较2008年弱(图 4).在热带印度洋,2008年冬季海温异常呈略偏暖状态,2012年冬季也为偏暖海温异常,且强于2008年,尤其是前期12月份(图 4a,4b).在热带外,2008年和2012年在北太平洋地区差异较小,异常相关系数为0.6;在北大西洋,两者差异较大,异常相关系数仅为0.18.2008年,整个北大西洋海盆呈偏暖状态,其中2007年12月最强,局部区域达到标准差的3~4倍(付建建等,2008).但是在2012年冬季,尤其是前期12月,北大西洋中部地区存在一处非常强的冷海温异常,达到标准差的2倍以上,在随后的1月和2月冷异常虽然变弱,但仍然存在,且北大西洋海温还是维持中间冷、两侧暖的分布形势(图 4d).在热带外,尽管大气对海温有重要影响,但海温能够对大气产生反馈,尤其是在冬季(Kushnir et al.,2002).图 5是海表热通量异常,其能反映海气的相互作用情况,这两年热带外海气相互作用最活跃的地区主要位于北大西洋,而北太平洋的海气相互作用相对北大西洋要弱一些,同时热带外北太平洋海温异常在这两年的差异相对北大西洋要小,因此本文主要研究热带海温和热带外北大西洋海温异常对大气的影响.

图 4 (a)2007年12月和(b)2011年12月的海表温度异常(℃);(c,d)同(a,b),但为2008年和2012年1月和2月的平均 Fig.4 (a) The sea surface temperature anomalies (℃) in December 2007 (a) and 2011 (b); (c, d) Same as (a, b), but for the average of January and February in 2008 and 2012

图 5图 4,但为海表热通量异常(感热和潜热通量异常之和,W/m2) Fig.5 Same as Fig.4, but for the sea surface heat flux anomalies

(the sum of sensible and latent heat flux anomalies, W/m2)

图 6是SIC的异常分布,其在前期12月份差异较大(图 6a,6b),但是差异在随后的1月和2月变小(图 6c,6d).相对于气候态,这两年海冰变化最明显的地方位于新地岛周围的B-K海.根据以前的研究(武炳义,19992011Petoukhov and Semenov,2010Liu et al., 2012Inoue et al., 2012Yang and Christensen,2012Cohen et al., 2012),北极海冰偏少有利于欧亚高纬出现正高度异常,使得欧亚中高纬偏冷,部分解释了2008年和2012年冬季欧亚高纬出现的正高度异常(图 3a,3b),和2012年的低温异常(图 1b).本文只针对(0°—90°E, 60°N—90°N)区域的海冰异常进行了数值试验,一是因为整个冬季此处海冰都保持异常偏少,变化较小;二是因为海冰异常在此处最强.尽管试验中选取区域的海冰在2007年和2011年12月都是异常偏少,但是异常的分布和强度略有差异,而大气响应与海冰变 化的强度可能并不成正比(Petoukhov and Semenov,2010武炳义等,2011Liu et al., 2012Inoue et al., 2012Yang and Christensen,2012),作为海气相互作用的一方面,这种非线性是可能的,需要通过试验进一步检验.

图 6图 4,但为海冰覆盖率异常(%) Fig.6 Same as Fig.4, but for sea ice concentration anomalies (%)

4 模拟分析

图 7a是冬季大气对2007年12月热带海温异常持续至次年的响应,在北大西洋大气环流异常呈NAO负位相,与观测中2008年冬季的正位相NAO相反,表明热带海温异常对2008年冬季欧洲气候异常的贡献为负(图 8a).图 7b反映了2011年热带海温异常试验与参照试验之间的差异,和观测类似,在北大西洋上空存在一处正异常,有利于北大西洋阻塞的发生和维持,使得欧洲大部分区域气温偏低(图 8b),偏暖异常与模拟的正高度异常相对于观测偏南有关.

图 7 模拟的1、2月份平均500 hPa位势高度场异常场(gpm),(a)对2007年12月热带海温异常(30°S—30°N)的响应, (b)同(a),但为对2011年12月的响应,(c)对2007年12月北大西洋海温异常(90°W—0°,10°N—60°N)的响应,(d)同(c),但为对2011年12月的响应.阴影区为通过90%显著性检验的区域 Fig.7 The simulated 500 hPa geopotential height anomalies (gpm), (a) the atmospheric response to the tropical sea surface temperature anomalies (SSTAs, 30°S—30°N) in December 2007, (b) same as (a), but for December 2011, (c) the atmospheric response to the North Atlantic SSTAs (90°W—0°,10°N—60°N) in December 2007, (d) same as (c), but for December 2011. Shading areas are above 90% significance level

图 8图 7,但为表面气温异常(℃), 阴影区为通过90%显著性检验的区域 Fig.8 Same as Fig.7, but for the surface temperature anomalies (℃). Shading areas are above 90% significance level

图 7c反映了2007年北大西洋海温异常试验与参照试验之间的差异.在500 hPa位势高度场上,模拟与观测在北大西洋中低纬存在一定相似性,在中高纬存在较大差异,观测中格陵兰岛南部的负异常未能被模拟出来(图 3a).模拟的表面气温场上,欧洲的西部偏暖(图 8c),与观测存在较大一致性,说明北大西洋海温异常有利于2008年冬季西欧偏暖.

鉴于NAO未能被较好模拟的情况,通过分析局地海气相互作用来进一步探讨其产生的可能原因.很多研究表明受NAO影响的北大西洋“三极子”型海温异常能够对大气产生正的反馈,即大气有NAO型环流异常响应( Watanabe and Kimoto,2000Czaja and Frankignoul,2002Peng et al.,2003),也就是说对于北大西洋局地,能产生明显NAO响应的海温型呈“三极子”结构,其与2007年12月的海温异常存在比较明显的差异.海表热通量异常能够反映海气的相互作用情况,通过比较模拟和观测,可以分析海洋对大气的影响是正还是负.图 9a是模拟的冬季海表热通量异常,在2008年冬季,北大西洋主要表现为从海洋向大气输送热量,其与观测的一致性较小,区域(90°W—0°,10°N—60°N)内的相关系数为0.14,说明局地海洋强迫对大气产生的正贡献较小,在一定程度上解释了大气响应与观测不能较好对应的原因.

图 9图 7c,7d,但为海表热通量异常(感热和潜热通量异常之和,W/m2), 阴影区为通过90%显著性检验的区域 Fig.9 Same as Fig.7c,7d, but for the sea surface heat flux anomalies (the sum of sensible and latent heat flux anomalies, W/m2).Shading areas are above 90% significance level

图 7d是2011年北大西洋海温异常试验与参照试验之间的差异,在北大西洋上空存在正的位势高度异常响应,与观测类似.在正异常东南侧的欧洲西南部存在负异常响应,东西的梯度差有利于北风的增强,使得西欧气温偏冷(图 8d).相对于2007年的北大西洋海温异常试验,本试验结果与观测更接近,那么在此试验中局地海气相互作用是否被更好地刻画呢?图 9b是模拟的海表热通量异常,其与观测存在较大的相似性,相关系数达0.51,表明海洋对大气的正反馈非常重要,这也是模拟结果在局地与观测比较一致的原因.

图 10是大气对SIC异常的响应.在2008年冬季,500 hPa位势高度场上欧亚大陆中高纬为正高度异常,有利于冷空气从欧洲东部入侵,使得欧洲大部偏冷,这与观测并不一致,主要是因为北大西洋上空的环流异常没有被模拟出来,而在欧洲西南部,模拟与观测的环流异常一致,所以暖异常也能被模拟出来.在2012年冬季,大气响应与2008年冬季类似,不同的是欧洲西南部的负异常相对较强.与2008年类似,欧亚中高纬的正高度异常有利于欧洲偏冷,欧洲西北部由于负高度异常的存在,气温偏低,与观测一致.对比2007年和2011年12月的海冰异常试验,大气环流的响应在欧亚中高纬基本一致,但是在北大西洋上空存在一定差异,这种差异产生的原因有待于进一步研究.

图 10 (a, b)同图 7(a, b),(c, d)同图 8(c, d),但为对2007年(a, c)和2011年(b, d)12月海冰覆盖面积异常的响应,阴影区为通过90%显著性检验的区域 Fig.11 (a, b) Same as Fig.7(a, b), (c, d) same as Fig.8 (c, d), but for the atmospheric response to sea ice concentration anomalies in December 2007 (a, c) and 2011 (b, d). Shading areas are above 90% significance level

5 结论与讨论

2008年和2012年冬季(1和2月)欧洲气候存在较大差异,其直接原因是大气环流异常的不同.2008年正位相的北大西洋涛动(NAO)有利于欧洲气温偏暖,2012年北大西洋和欧亚大陆高纬阻塞的维持有利于冷空气侵袭欧洲.海表温度异常在2008年和2012年冬季及前期12月存在明显差异.2008年冬季拉尼娜事件偏强,印度洋暖异常较弱,赤道大西洋偏暖;2012年冬季拉尼娜为中等强度,印度洋暖异常较强,赤道大西洋偏冷.在热带外,北大西洋海温也存在较大差异,在2008年冬季及前期12月为大范围的暖海温异常,存在向上的海表热通量异常;而2012年冬季及前期12月为中间冷、两侧暖的分布形势,且在冷海温处存在向下的海表热通量异常.海冰覆盖面积异常的分布形势在这两年差异较小,喀拉海和巴伦支海海冰均异常偏少.

针对前期海洋热状况所开展的数值试验表明:2008年冬季,前期的热带海温并不能模拟出观测中北大西洋上空的环流异常;2012年冬季,前期的热带海温异常能够部分模拟出观测中的大气环流异常,中心位置略微偏西偏南,对应的表面温度场表现 为欧洲大部分区域偏冷.2008年,前期北大西洋海温异常强迫的大气环流异常在北大西洋至欧洲之间与观测存在部分相似,与前人(宗海锋等,2008刘少峰等,2008)的研究存在一定差异,其中宗海锋等(2008)的模拟表明1月中下旬的响应呈现非常明显的NAO正位相.不同模式之间的模拟结果存在差异,这可能是由于海温异常强迫的区域和研究时间不同造成,也有可能是模式本身模拟能力的问题,这些都需要进一步的研究.另外,本文的分析表明由于前期北大西洋海温异常造成的表面热通量响应与观测相似度低,导致了模拟与观测的大气环流异常存在一定差异.2012年,前期北大西洋海温异常导致的大气环流异常在北大西洋至西欧之间与观测较为一致,并且能够模拟出西欧和东欧北部区域的低温异常.大气对热带外海温的响应与局地海气相互作用存在密切关系,试验结果表明,如果观测的海表热通量异常能够被较好地模拟,那么海温异常能够强迫出与观测相似的局地大气环流异常.

从数值试验的结果来看,2008年冬季欧洲气温异常与海冰试验的模拟是相反的,而与北大西洋海温异常试验的模拟存在较大一致性;在2012年冬季,海温和海冰异常都对欧洲低温异常起正的贡献.由于2012年不同区域的海温及海冰贡献比较一致,所以有利于做出正确的预测;而2008年冬季,不同区域的海温和海冰所起的作用并不完全相同,有些区域甚至相反,不利于提前做出预测,所以如何考虑海温和海冰的共同作用,提高短期气候预测水平,仍有待于深入研究.在未来全球变暖趋势下,北极海冰将逐渐减少,那么这种减少趋势能否对欧洲气候起到主导作用,也是值得进一步研究的问题.如果仅考虑海冰的影响,尽管全球是处在变暖之下,但是由于海冰偏少造成欧亚大陆出现极端冷异常的情况仍有可能存在.

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