应用气象学报  2007, 18 (4): 568-572   PDF    
引用本文
马丽娟, 陆龙骅, 卞林根. 南极海冰北界涛动指数及其与我国夏季天气气候的关系[J]. 应用气象学报, 2007, 18(4): 568-572.
Ma Lijuan, Lu Longhua, Bian Lingen. Antarctic Sea-ice Extent Oscillation Index with the Relationship Between ASEOI and Synoptic Climate in Summer of China[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2007, 18(4): 568-572  
南极海冰北界涛动指数及其与我国夏季天气气候的关系
马丽娟, 陆龙骅, 卞林根     
中国气象科学研究院, 北京 100081
2006-02-25 收到, 2007-01-25 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40575033, 40333032) 和国家科技支撑计划“极地科学研究”项目共同资助    
摘要: 南极海冰的变化和全球大气环流关系密切。南极各区海冰的不同变化, 对南北半球大气环流有着不同的影响。文中基于对南极海冰变化的客观分区, 定义了南极海冰北界涛动指数 (ASEOI), 并结合中央气象台提供的南方涛动指数、北半球500 hPa和100 hPa高度场资料以及我国160站降水、温度资料, 利用诊断分析方法, 对ASEOI与我国夏季天气气候的关系进行了研究。研究表明：ASEOI对我国长江中下游降水及全国大部分地区温度具有指示意义。若前一年10月ASEOI偏低, 则当年7月我国长江中下游降水偏多, 引发洪涝灾害的可能性很大; 温度场上, 我国北方气温偏高, 南方气温偏低, 而高温往往伴随着少雨, 这无疑会加剧华北本就严重的旱情。
关键词: 南极海冰    涛动    遥相关    全球变化    
Antarctic Sea-ice Extent Oscillation Index with the Relationship Between ASEOI and Synoptic Climate in Summer of China
Ma Lijuan, Lu Longhua, Bian Lingen     
Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
Abstract: Sea ice is an important part of climate system and its change will influence local and regional circulation, even global climate change. Recently, Arctic Oscillation (AO) and Antarctic Oscillation (AAO) and their impacts on East Asia and global climate draw more attention of meteorologists. Cheng et al. find a teetertotter characteristic of sea ice concentration between the peripheries of Ross Sea and Bellingshausen Sea, and define the differences between them as the Antarctic Sea-ice Oscillation Index (ASOI). However, it's hard to define the scopes of these two regions exactly. In this study, a new index, ASEOI is built, as the difference of sea ice extent between Ross Sea Region and Antarctic Peninsula Region. Higher ASEOI represents less sea ice in Ross Sea Region and more sea ice in Antarctic Peninsula Region. Results indicate that this new index can well account for the impacts of prophasic sea-ice variations on atmospheric circulation and synoptic climate. The correlation analysis between ASEOI and SOI indicates that lower ASEOI in the previous spring of Southern Hemisphere (SH) will cause stronger Southern Oscillation (SO); lower ASEOI in the previous autumn of SH will lead to weaker SO from June to September. ASEOI can be used as an indicator of precipitation in the lower and middle reaches of Yangtze River and temperature in North China and South China. Taking ASEOI in October as examples, if ASEOI in the preceding October is below normal, the precipitation in the middle and lower reaches of Yangtze River in July would be more and the flood would be easy to build there, while the temperature would be higher in most part of North China and lower in South China. As it is known, less precipitation usually comes with the hot weather, and this would undoubtedly intensify drought in North China. This research helps the better understanding of interaction between Antarctica sea ice and atmospheric circulation and cognize the physical processes of sea-ice-air interaction in Antarctica, and offers helpful reference for further discussing the relationship between the variations of Antarctic sea ice and atmospheric circulation or synoptic climate. At the same time, it helps develop the correlative numerical simulation and seek the strong prognosis signals of Antarctica to the short-term climate influence on China.
Key words: Antarctic sea ice     oscillation     teleconnection     global change    
引言

海冰是南北极季节变化最大、备受大气科学家关心的下垫面特征, 与温度一样, 极地海冰变化也存在明显的区域性变化特征[1]。虽然南极的海陆分布相对北极比较均匀, 但由于各区域大气环流和洋流特征的差异, 南极各区海冰对北半球大气环流的影响有较大的空间差异和季节差异。一方面各区海冰影响的环流系统有差异, 如有的主要影响西半球, 有的则影响东半球; 另一方面, 最显著影响的滞后时间不一致, 但一般为2~3个季节[2-4]。总体来看, 当南极海冰面积偏大时, 南极大气冷源强, 同期南半球经向环流弱, 导致向南极的热量输送减少, 南极大气冷源更强, 海冰面积更大, 这是一个正反馈过程。此外, 还存在一个负反馈过程, 南极海冰面积偏大时, 滞后一个时期的北半球大气经向环流减弱, 而南半球大气经向环流相应增强, 有利于补偿南极大气的热量损失, 使海冰和大气系统恢复正常。这可能就是南极海冰与滞后的北半球大气环流存在联系的原因。

很多研究表明, 南极海冰对我国, 特别是对我国东部沿海多数地区的汛期降水有密切联系[2-6]。南极关键区海冰异常对我国汛期降水的可能影响过程, 主要在于南半球长波对海冰的异常响应, 引起南印度洋、澳洲冷空气活动异常, 并由此产生南半球越赤道气流变化, 导致赤道辐合带和Hadley环流变化, 从而影响我国东部沿海地区汛期出现暴雨的环流背景 (行星尺度长波系统) 及直接产生暴雨的天气尺度系统和水汽通道等, 出现一系列滞后响应的综合结果。多年来, 我国学者对南极海冰各区对我国天气气候的影响做了很多研究。程彦杰等[7]曾定义了南极海冰涛动指数 (Antarctica Sea-ice Oscillation Index, ASOI), 以此分析影响我国夏季天气气候的关键指标。本文定义了南极海冰北界涛动指数 (Antarctic Sea-ice Extent Oscillation Index, ASEOI), 用以表征南极海冰北界的变化特征, 并分析其通过影响北半球大气环流进而对我国夏季天气气候的影响。

1 资料及处理方法

英国Hadley中心的全球月平均海冰密集度资料①, 处理方法与文献[8]相同。

① http://badc.nerc.ac.uk/cgi-bin/data_browser/data_browser/badc/ukmo-gosta/data/gice.

北半球大气环流及我国160站降水、温度资料由中央气象台提供, 包括:1951年1月—2002年12月52年全球平均大气环流指数资料, 分别是西北太平洋副热带高压强度 (110°E~180°)、西伸脊点 (95°E以东) 位置, 登陆台风和南方涛动指数; 1951年1月—2002年12月北半球500 hPa月平均高度场资料; 1956年1月—2002年12月北半球100 hPa月平均高度场资料; 1951年1月—2002年12月我国160站月降水及平均温度资料。本文使用的方法主要为天气学相关分析法[9], 分析南极海冰与某一环流特征 (500 hPa, 100 hPa) 或气象要素 (如降水、温度) 的相关, 在相关图上, 将大于临界相关系数的区域划出, 表示为显著相关区, 然后利用同时相关或后延相关的分布情况找出前期的环流特征与后期天气要素的关系, 进而得出天气统计规律。显著相关区经常是成片出现的, 往往在该天气形势的多年平均图上能找出所对应的天气系统, 与相应天气条件下的天气形势的合成图也很相似。因此, 这样的显著相关区不仅有统计意义, 而且有助于寻找天气或环流系统与某要素的关系。

2 南极海冰北界涛动指数

近年来, 北极涛动 (AO)[10]和南极涛动 (AAO)[11]及其对全球和东亚天气气候的影响受到了大气科学家的广泛注意[12-15]。AO和AAO指数都是据月平均海平面气压EOF第一模态的主成分来定义的。AO与北大西洋涛动 (NAO), AAO与南方涛动 (SO) 或厄尔尼诺与南方涛动 (ENSO) 都有密切关系。这些涛动与东亚天气气候变化[13-15]及极区海冰变化都有一定的关系[16-18]。南极海冰也存在着具有涛动特征的变化区域。程彦杰等[7]曾利用南极海冰密集度资料进行EOF分析和SVD分析, 发现南极地区在罗斯海外围和别林斯高晋海的海冰密集度场存在着“翘翘板”的变化特征, 并定义两个海冰关键区的差值为南极海冰涛动指数 (ASOI)。由此定义的ASOI与SOI及Nino3指数的变化有密切关系[7,19], 可用来讨论南极海冰状况及海冰关键区的活动。ASOI中, 罗斯海外围和别林斯高晋海分别定义为61°~63°S, 138°~144°W和61°~63°S, 60°~66°W, 然而存在“跷跷板”特征的这两个区域的范围很难准确确定。为此, 寻找另外一个能够代替ASOI的新指数———南极海冰北界涛动指数。研究表明, 这个新指数可以很好地说明前期海冰变化对大气环流及天气气候产生的影响。

2.1 南极海冰北界涛动指数的定义

对海冰北界月平均变化距平序列的聚类分析结果表明, 南极海冰可以划分成5个短期气候变化相似的区域, 此种区域的划分, 在方法上是客观的, 在时间上是稳定的, 海冰资料长短并不影响对区域的划分结果[20,8], 其总体结果也与对海冰密集度的EOF分析结果一致。在南极海冰北界变化的分区中, 南极Ⅰ区, 即罗斯海区近35年来海冰增加最明显, Ⅱ区, 即南极半岛地区海冰减少最明显, 因此用所划分的南极海冰Ⅰ区平均北界减去Ⅱ区平均北界, 得到ASEOI, 高 (低) 指数对应Ⅰ区海冰偏少 (偏多), Ⅱ区海冰偏多 (偏少)。ASEOI应用起来更简单、方便, 且与ASOI有很高的正相关, 相关系数达0.77。以下分析将建立在该新指数之上, 并试图寻找ASEOI与东亚大气环流及我国夏季天气气候的相关关系。

由ASEOI逐月变差 (当月ASEOI减去上月ASEOI) 的分析 (图略) 发现, 冬季ASEOI逐月变差为负, 说明该指数在冬季逐渐减弱, 意味着Ⅰ区海冰逐渐减少, 而Ⅱ区海冰逐渐增多, 其他月份正相反, ASEOI逐月变差为正, 说明该指数在这些月份会逐渐加强, 对应的Ⅰ区海冰逐渐增多, 而Ⅱ区海冰逐渐减少。此外, 前一年12月到当年5月指数变化较大, 即南极夏季到秋季整个过程中南极海冰Ⅰ区和Ⅱ区之间对应月份变化的差异最大, 其中又以1月、2月和4月变化最为显著。ASEOI的这种变化特征与滞后一定时段的东亚大气环流乃至我国夏季降水、温度之间必然存在着某种联系。

2.2 南极海冰北界涛动指数与南方涛动指数关系

有很多人研究过南极海冰与南方涛动指数 (SOI) 的关系[7,16,17]。本文研究表明, 前期ASEOI变化与后期SOI有显著相关。图 1为前期ASEOI与后期SOI之间的相关分布曲线。总体来看, 前一年南半球秋季4月的ASEOI与当年的SOI有显著正相关, 其中6月的相关最大, 相关系数0.46, 置信水平达99%以上; 而前一年春季的11月的ASEOI与当年SOI有明显负相关, 最大负相关出现在9月, 相关系数-0.38, 置信水平达到98%。也就是说, 若南极前一年秋季ASEOI偏高, 那么当年6—9月南方涛动就会偏强; 若南极上一年春季ASEOI偏高, 那么当年6—9月南方涛动就会偏弱。

图 1. 前期ASEOI与后期6—9月SOI的相关分布曲线 Fig 1. Correlation between ASEOI in preceding months and SOI from June to September

2.3 南极海冰北界涛动指数与北半球夏季大气环流

为了更好地了解前期ASEOI变化与北半球夏季环流系统的关系, 分别制作了前期ASEOI偏高 (低) 时, 6月、7月北半球环流场情况及高 (低) 指数与环流场的相关关系叠加图 (图略)。合成分析表明:高指数时, 500 hPa印度低压较平均状况相对偏弱, 而青藏高原上空100 hPa高压与平均状况相比, 有向西加强趋势, 即此时的青藏高压偏弱, 而且这种变化与各自相应的相关场是吻合的。以前一年10月ASEOI偏高时, 7月500 hPa和100 hPa高度场的分布情况及高指数与环流场的相关关系为例 (图 2), 500 hPa印度低压附近的显著负相关与变弱了的低压吻合, 同样, 100 hPa青藏高压附近的显著负相关与变弱了的青藏高压相吻合。这种高低空场配置, 有利于高原雨季的出现。

图 2. 前一年10月ASEOI偏高时当年7月500 hPa (a) 和100 hPa (b) 高度场分布 (实线, 单位:dagpm) 及该时期二者的相关场 (阴影) 叠加图 Fig 2. Geopotential height field (solid line, unit:dagpm) at 500 hPa (a) and 100 hPa (b) in July of higher ASEOI in the preceding October, and the correlation (shade area) between ASEOI and geopotential height for the same period

2.4 南极海冰北界涛动指数与我国夏季天气气候

数值模拟表明[2,21], 南极地区海温、海冰等大气环境特征异常, 可以通过赤道环流异常, 在西太平洋自南向北激发出一串涡列, 影响我国的天气气候。这也可能是ASEOI异常影响东亚夏季环流的遥相关机理。图 3给出了前一年10月高低ASEOI差异带来的当年7月我国降水、温度场的差异 (阴影区域, 深色代表降水偏多, 浅色代表降水偏少), 以及指数差异与降水或温度差异的相关关系。由图 3a可以看出, 前一年10月ASEOI差异与当年7月我国长江中下游流域有成片负相关。也就是说, 前一年10月 (南极春季) ASEOI偏高时, 当年7月 (北半球夏季) 我国长江中下游流域降水普遍偏少; 其他地区虽没有成片的显著相关出现, 但在降水场上也有一定的表现：华北南部和东北东部降水偏多, 华南大部分地区降水偏少。由图 3b可以看到, 北方大范围的负相关区说明ASEOI偏高时, 那里的温度会偏低, 华南大范围的正相关区说明ASEOI偏高时, 那里的温度也会偏高。这也正是温度场所表现出的变化:前一年10月的高ASEOI使当年7月我国北方气温具有负异常, 而给南方气温具有正异常。

图 3. 前一年10月高低ASEOI差值 (高指数-低指数) 引起的160站降水 (a) 和温度 (b) 差异 (阴影) 以及该时期ASEOI差异分别与降水和温度差异的相关关系 (实线) 叠加图 Fig 3. Differences of precipitation (a) and air temperature (b) (shaded area) over 160 meteorolgical stations caused by the differences between higher and lower ASEOI (high-low) in the preceding October and the correlation (solid line) of ASEOI differences to precipitaiton or air temperature differences

因此, 从相关场上来看, ASEOI对我国夏季长江中下游降水和北方及华南温度变化都具有指示意义。根据前文对ASEOI的定义, ASEOI高指数代表罗斯海区海冰偏少, 南极半岛地区海冰偏多, 而从其各自的年际变化趋势看正相反, 因此更关心ASEOI偏低时的情况。前一年10月ASEOI偏低时, 则当年夏季7月我国长江中下游降水偏多, 易引发那里的洪涝灾害; 我国北方大部分地区气温偏高, 华南则相反, 气温偏低。

3 小结

本文以南极罗斯海区 (Ⅰ区) 平均海冰北界减去南极半岛地区 (Ⅱ区) 平均海冰北界, 定义为南极海冰北界涛动指数 (ASEOI), 高指数代表罗斯海区海冰偏少, 南极半岛地区海冰偏多。从各区海冰的年际变化趋势[8]看, ASEOI偏低时的情况更值得关注。对ASEOI与SOI的相关分析表明, 若前一年南半球春季ASEOI偏低, 那么当年6—9月南方涛动就会偏强, 西北太平洋副热带高压强度偏弱; 若前一年南半球秋季ASEOI偏低, 那么当年6—9月南方涛动偏低。总体来说, ASEOI主要对我国长江中下游降水及全国温度变化具有指示意义, 前一年10月ASEOI偏低, 则当年7月我国长江中下游降水偏多, 容易引发那里的洪涝灾害, 温度场上, 我国北方气温偏高, 南方气温偏低, 而高温往往伴随着少雨, 这无疑会加剧华北本就严重的旱情。

本文用天气学相关分析的统计方法, 指出了前期南极海冰北界涛动指数与我国夏季天气气候存在着遥相关关系, 为寻找南极对我国短期气候影响的强预测信号提供了有用信息, 这种遥相关关系的物理机理, 尚有待于通过数值模拟的方法来作进一步研究。

致谢 中国气象科学研究院效存德研究员及武炳义研究员对本工作给予了很多有益的建议, 特此致谢。
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