北极海冰变化对新疆冬季气温的影响研究.pdf
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1、研究论文第17 卷第5 期沙漠与绿洲气象2023年10 月Desert and Oasis Meteorology佟欣怡,吴秀兰,李元鹏,等.北极海冰变化对新疆冬季气温的影响研究J沙漠与绿洲气象,2 0 2 3.17(5):12 7-13 3.doi:10.12057/j.issn.1002-0799.2023.05.016开放科学(资源服务)标识码(OSID):北极海冰变化对新疆冬季气温的影响研究欣怡,吴秀兰,李元鹏,陈颖,贾孜拉拜山(新疆气候中心,新疆乌鲁木齐8 3 0 0 0 2)摘要:利用19 6 1年12 月一2 0 2 2 年2 月新疆冬季气温、北极海冰等资料,探讨北极海冰变化影响
2、新疆冬季气温的物理模态、影响机制。结果表明:北极海冰的变化与新疆大部冬季气温呈正相关,北极海冰变化通过改变北半球大气高低空配置进而影响新疆冬季气温。格陵兰海一丹麦海峡、拉普捷夫海一东西伯利亚海海冰异常偏多时,新疆大部冬季气温偏高。巴伦支海一喀拉海、鄂霍次克海一白令海峡、哈德孙湾一戴维斯海峡海冰异常偏多时,新疆大部冬季气温偏低。关键词:北极海冰;冬季气温;大气环流中图分类号:P461.6文献标识码:A文章编号:10 0 2-0 7 9 9(2 0 2 3)0 5-0 12 7-0 7在全球变暖的背景下,新疆冬季气温在2 0 世纪80年代发生由冷到暖的突变,受来自极地的冷空气影响,新疆冬季极端气温
3、事件整体呈增加趋势I-3。北极海冰作为极地冷源,其变化会导致北半球大气环流系统异常,对整个欧亚大陆冬季气温产生影响4-7。北极海冰消融会导致大气环流场的改变,西伯利亚高压强度增强,对流层乌拉尔山阻塞高压强度增强,经向风偏强,造成我国北方大部地区气温偏低8-16。同时,北极海冰作为外强迫因子,产生的气候效应也体现在北半球极涡、北极涛动和太平洋海温等气候要素强度和位相的改变。秋冬季北极海冰偏多年对应冬季北半球极涡面积偏大且北极涛动为正位相,中国冬季易出现暖冬116-18 。此外,部分海冰变化在局地以负反馈机制影响海气热通量,通过海温变化作用于气温9。已有研究基本围绕北极海冰变化对中国气温的收稿日期
4、:2 0 2 3-0 1-16:修回日期:2 0 2 3-0 4-11基金项目:新疆气象局创新发展专项面上项目(MS202302):新疆维吾尔自治区自然科学基金面上项目(2 0 2 1D01A149);新疆气象局科研课题项目(Q201909)作者简介:佟欣怡(19 9 4一),女(满族),助理工程师,主要从事气候监测、评价服务及相关研究。E-mail:t o n g x i n y i 45 6 16 3.c o m通信作者:陈颖(19 7 7 一),女,正高级工程师,主要从事气候预测研究。E-mail:影响,而对北极海冰和新疆冬季气温的关系研究甚少。本文重点分析北极海冰变化对冬季环流场的影响
5、以及它们与新疆冬季气温之间的关系,并探讨不同区域的北极海冰变化通过影响不同气候指数从而造成新疆冬季气温的变化,为监测评价新疆冬季天气气候事件提供科学依据。1资料和方法1.1资料本文利用19 6 1年12 月一2 0 2 2 年2 月新疆冬季(12 月一翌年2 月)平均气温数据、19 6 1年12月一2 0 2 2 年2 月Hadley中心空间分辨率为11的北极海冰密集度数据以及美国国家冰雪数据中心(NS I D C)海冰面积和海冰范围观测资料、19 6 1一2022年NCEP/NCAR再分析资料和国家气候中心气候系统监测指数。考虑气象数据的准确性以及连续性,新疆冬季平均气温单站分析使用10 0
6、 个国家气象站数据(不含阿克达拉、昌吉、白杨沟、十三间房、塔中站),区域平均值选取8 9 个国家气象站数据。1.2方法利用EOF经验正交函数分解法、Mann-Kendall检验、滑动t检验、累计距平和滑动平均分析北极海冰的变化趋势以及新疆冬季气温的年代际变化,在127研究论文一阶差相关分析基础上确定北极海冰和新疆冬季气温的关系。考虑到大气环流的滞后性,为直观准确分析北极海冰变化时冬季大气环流特征,定义去趋势后秋冬季北极海冰面积标准差 0.3 的年份为北极海冰偏多年,15%的实际总面积,北极海冰面积为观测面积与海冰密集度乘积。19 6 12 0 2 1年北极海冰范围和北极海冰面积均呈下降趋势,每
7、10 a分别减少0.6 x10%.0.2x10km。北极海冰范围和面积的最大值均出现在1992年,最小值均出现在2 0 16 年。北极海冰常年存在于北极圈内,分布具有季节性,夏、秋季分布型基本一致,冬、春季分布型基本一致。北极海冰范围和面积的季平均值为春季 冬季 夏季 秋季,其中冬、春季的季平均值约为夏、秋季的两倍,夏、秋季变化幅度较冬、春季明显。选取秋、冬季北极海冰进行经验正交函数分解以及M-K检验,结果表明秋季北极海冰的突变年为19 9 4年,19 9 4年后秋季北极海冰开始大面积减少且减少速率加快。冬季北极海冰的突变年为19 9 0 年,19 9 0 年前白令海峡以北的海冰减少,19 9
8、 0 年后新地岛一格陵兰岛的海冰减少,靠近极圈的海冰增多。2.2新疆冬季气温异常变化特征19612021年新疆冬季平均气温每10 年升高0.4。其中,有3 8 a冬季气温偏低,有2 3 a气温负距平 1.0,11a气温负距平 2.0;共2 1a冬季气温偏高,有9 a气温正距平 1.0;其余2 a与常年持平。19 8 9 年新疆冬季气温为-6.3,较常年偏高1.8,偏高幅度居冬季历史第一位;19 6 8 年新疆冬季气温为-12.7,较常年偏低4.6,偏低幅度居冬季历128沙漠与绿洲气象Desertand Oasis Meteorology史第一位。滑动t检验表明新疆冬季气温的突变年为19 8 5
9、 年。为了进一步了解新疆冬季气温升高的空间分布情况,选取10 0 个站的19 9 1一2 0 2 0 年新疆冬季气温常年值与19 6 1一19 9 0 年的进行相减,结果表明,新疆国家气象站温差均为正,全疆6 0%的测站温差 1其中,富蕴升温最显著,温差为3.1,霍尔果斯、察布查尔、巴里坤、吐鲁番和托里温差 2,库车和乌什温差最小(0.3)。3北极海冰与新疆冬季气温的关系通过北极海冰范围和面积与新疆冬季气温做一阶差相关分析,探讨北极海冰和新疆冬季气温在高频变化上的相关性,其相关系数分别为0.3 1和0.46,均通过0.0 5 的显著性检验。为了更直观地了解相关分布情况,选取新疆国家气象站对北极
10、海冰范围和面积进行相关分析,结果表明北极海冰范围和面积均与新疆大部冬季气温呈正相关(图la、1b),通过显著性检验的测站绝大部分位于正相关区域,且北极海冰面积的变化与新疆冬季气温正相关性更显著。同时,考虑北极海冰作为稳定的外强迫因子,其影响是滞后且持久的,故选取前期以及同期的秋、冬季北极海冰面积分别与新疆冬季气温作相关分析(图1c、1d),结果表明秋、冬季北极海冰面积变化分别与新疆大部冬季气温呈正相关。对比秋季北极海冰面积与冬季北极海冰面积对新疆冬季气温的影响,秋季北极海冰面积与新疆冬季气温呈正相关的区域通过显著性检验的测站更多。4北极海冰变化对冬季大气高低空配置的影响4.1海平面气压距平场秋
11、、冬季北极海冰偏多年和偏少年的冬季海平面气压距平场分布大体一致,秋季海冰偏多年的冬季海平面气压距平场(图2 a)正距平中心在地中海和白令海峡,负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气压距平场(图2 b)鄂霍茨克海的距平中心由负转正。秋、冬季海冰偏多年,新疆地区均以负距平为主,海平面气压偏低,西伯利亚高压偏弱,西伯利亚高压与北半球冬季气温呈现负相关,使得新疆冬季气温偏高。秋季海冰偏少年的冬季海平面气压距平场(图2 c)正距平基本分布在6 0 N以南地区,欧亚大陆和太平洋存在3 个正距平中心,冬季海冰偏少年,虽然正距平区的冬季海平面气压相比秋季海冰偏少年有所减弱(图2 d),但
12、西伯利亚高压系统仍偏强,有利于高纬度冷源向第17 卷第5 期2023年10 月佟欣怡:北极海冰变化对新疆冬季气温的影响研究低纬度发展,使新疆冬季气温偏低。图2 e和图2 f也证实了秋、冬季海冰偏少年,冬季西伯利亚高压偏强,新疆冬季气温偏低。4.2位势高度距平场由图3 可知,秋季北极海冰偏多年和偏少年的冬季5 0 0 hPa位势高度距平场(图3 a、3 c)区别在于西伯利亚上空的北极涡旋。秋季海冰偏少年,正距平50N基本在中高纬度地区,南伸至贝加尔湖,北极的升温造成北极涡旋不稳定,分裂成多股冷空气南下侵袭新疆,图3 e的差值图更直观,新疆处在正负距平交界南部,冷空气从西伯利亚南下,造成新疆冬季低
13、温。冬季北极海冰偏多年和海冰偏少年的5 0 0 hPa位势高度距平场(图3 b、3 d)区别在于乌拉尔山阻塞高压强弱,冬季阻塞高压对新疆冬季气温的影响十50Nb459N459N40N40N35N759E50FNF35N80PE90E9575E50Nd80E85E90E95E45N45N400N40N35N75E图1北极海冰范围(a)、北极海冰面积(b)、秋季北极海冰面积(c)、冬季北极海冰面积(d)与90N60N30NEQ90N60N30NEQ90Ne60N30NEQ35*N80E85E-0.450.35,0.25-0.15-0.050.050.150.250.350.450.550.65新疆
14、冬季气温的相关分布(通过0.0 5 的显著性检验的测站标注为红色)90N60N30NEQ90N60N30NEQ90N60N30NEQ60120E9PE180120W95E60W75E60E80PE120885E18090E120W95E60W032图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气压距平场和秋(e)、冬(f)季海冰偏少年减海冰偏多年的冬季海平面气压场差值(单位:hPa)15-2-15-1-0500.3152.5129研究论文分显著。冬季海冰偏多年,乌拉尔山至里海为负距平,乌拉尔山阻塞高压偏低。冬季海冰偏少年与之相反,槽脊系统的加强和经向环流有利于高纬
15、度的冷空气进入中纬度地区,且阻塞高压崩溃时冷平流不再维持在槽后,直接携带大量强冷空气人侵新疆。图3f也说明冬季海冰偏少年乌拉尔山阻塞高压强于冬季海冰偏多年,新疆冬季更易低温。4.3流场距平场秋季北极海冰偏多年,新疆冬季上空有从低纬度向中纬度输送的暖空气(图4a),而秋季北极海冰90N日60N30NEQ90N6030NEQ90N6.0N30NEQ-5040-30-20-10图3 秋(a)、冬(b)季海冰偏多年、秋(c)、冬(d)季海冰偏少年冬季5 0 0 hPa位势高度距平场和秋(e)、冬(f)季海冰偏少年减海冰偏多年的冬季位势高度场差值(单位:gpm)90N沙漠与绿洲气象Desert and
16、Oasis Meteorology偏少年(图4c),受北极涡旋影响,新疆处于西风带,源源不断的冷空气是新疆冬季气温偏低的原因。从冬季海冰偏多年的冬季8 5 0 hPa流场距平合成(图4b)可知,新疆位于气旋东侧,南部的暖空气推动北部冷空气,易被暖气团控制,新疆冬季气温易偏高。冬季海冰偏少年(图4d)新疆位于气旋西侧,北部的冷空气推动南部的暖空气,易被冷空气团控制,新疆冬季气温易偏低。从秋冬海冰偏少年减海冰偏多年的流场差值(图4e、4f)同样可证实,海冰偏少年更有利于冷空气南下造成新疆冬季气温偏低。90Nb60N30NEQ90N60N30NEQ90N60N30NEQ60E120B第17 卷第5
17、期2023年10 月180*120W102030405060W60E-25-20-151090N120E180120W1013202560W60N30NEQ90160N30NEQ9060N30NEQ90N60N30TDEQ图4秋(a)、冬(b)季海冰偏多年、秋(c)、冬(d))季海冰偏少年冬季8 5 0 hPa流场距平场和秋(e)、冬(f)季海冰偏少年减海冰偏多年的冬季流场差值(单位:m/s)13060N30EQ9060N30120E180E60E120EEQ6CEDEE60E120E180E120E60EOE佟欣怡:北极海冰变化对新疆冬季气温的影响研究5影响新疆冬季气温的不同海冰变化区除西伯
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