欧亚雪深与北极秋季海冰异常的联系及其对东亚夏季气候的可能影响

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海冰及其异常变化对气候具有十分重要的影响,尤其是在全球变暖大背景下,海冰消融及其气候效应成为了气候变化研究领域的热点问题。关于前期海冰对后期大气环流和气候的影响,已经开展了大量的研究。然而,前期海冰异常到底通过何种途径影响后期的大气环流和气候,相关的机理还没有形成较为一致的认识。秋季北极海冰的年际变率显著,其异常变化对冬季温度和大气环流的影响都至关重要。秋季海冰异常能在一定程度上影响欧亚大陆的陆地气候状态,进而影响积雪的异常变化;而欧亚大陆积雪异常变化能显著的改变地表下垫面状况,并对后期的气候特别是区域气候产生重要影响。本文首先评估了欧亚大陆积雪资料的可靠性及适用性;在此基础上,试图以冬春季欧亚积雪作为纽带,深入探讨欧亚积雪对秋季北极海冰异常的响应以及冬春积雪对东亚夏季风系统和气候的影响,试图为深入理解海冰异常变化影响我国夏季气候的机理提供一个新的视角。主要结果如下:(1)通过对卫星遥感资料及再分析资料的评估及对比分析,发现芬兰气象研究所提供的Glob Snow雪水当量数据集(SWEGS)和日本气象厅提供的全球大气再分析资料(JRA-55)与观测事实最为接近,能较好揭示欧亚中高纬雪深变化的空间分布特征,反映雪深的长期变化趋势。进一步分析显示,美国国家冰雪数据中心(NSIDC;SWENSIDC)提供的卫星遥感反演雪水当量数据相对于SWEGS,在欧亚大陆北部与前苏联站点资料(SDHSDSD)具有较大差异:SWENSIDC在北欧和西伯利亚西部地区的年际变化与SWEGS和SDHSDSD的变化表现为显著的负相关,这表明SWENSIDC在该区域可能存在问题。考虑到卫星资料的不确定性,本文还进一步评估了美国国家大气海洋局的20世纪再分析资料(NCAR-20th Century Reanalysis)、欧洲中期天气预报中心的再分析数据集(ERA-Interim)及日本气象厅提供的全球大气再分析资料(JRA-55)再分析雪深资料,结果表明:三套再分析资料对积雪的时空变化均具有一定的描述能力;其中,JRA-55与对观测资料的重现较好,JRA-55资料揭示的欧亚雪深与169站观测资料的变化一致性达到90%左右,20世纪再分析资料为76%,ERA-Interim为50%左右。在区域尺度上,JRA-55资料中欧洲、西伯利亚南部地区雪深在1961-1990年的变化与观测资料的相关系数分别达到0.91、0.87,而20世纪再分析仅为0.77、0.32。(2)欧亚大陆冬季雪深对秋末北极海冰的响应存在显著的区域性差异,这主要是由于秋季北极海冰引起的大气环流显著的空间差异及影响降雪形成的各种控制因素的异常变化(如:温度、降水)所致。随着巴伦支海和喀拉海(BKS,30-100°E,75-85°N)海冰的减少,雪深变化表现出明显的区域差异,主要表现为欧亚大陆北部(60°N以北)冬季雪深的减少和中欧地区冬季雪深的增加。进一步分析表明,北极涛动(AO)是联系BKS海冰与冬季雪深异常的重要桥梁,它通过影响欧亚大陆冬季的温度和降水,进而影响到冬季雪深。在欧亚大陆高纬度地区,水汽输送是影响冬季雪深(冬季降雪)的决定性因素。正(负)BKS海冰异常通常会导致正(负)AO遥相关,同时增强(减弱)水平风场,增加(减少)了大西洋向欧亚大陆高纬度的水汽输送,导致冬季雪深的增加(减少)。而在欧洲地区,温度是影响冬季雪深(降雪)的决定性因素。正(负)BKS海冰异常伴随AO遥相关正(负)位相的发生,增强(减弱)了大西洋输送的温度平流,从而导致欧洲温度升高(降低),最终导致冬季雪深异常减少(增加)。(3)定义了欧亚大陆春季融雪指数,发现欧亚大陆春季融雪量与东亚夏季风强度以及中国东部夏季降水的经向偶极子型异常模态存在密切关系。当春季融雪偏多时,我国东北、华北、长江中下游至江南地区出现东北风(或者偏北风)异常,夏季风活动整体偏弱,中国夏季降水大致呈现“南涝北旱”的分布形式。反之,夏季风活动整体偏强,降水异常形势相反。其中,积雪水文效应起着重要作用:当欧亚春季融雪偏多,融雪导致土壤湿度异常偏高,并且持续至夏季,能显著降低西伯利亚平原夏季气温。这些情况导致欧亚北部和北冰洋之间的温度梯度下降,大气斜压性减弱,瞬变强迫作用使得欧亚北部的对流层高层大气位势高度出现负异常,而下游贝加尔湖和中国南方地区的高度场分别为正、负异常。对应风场,环贝加尔湖地区受异常的反气旋环流控制,中国大陆30°N以南为一个弱气旋性环流,东亚夏季风整体偏弱。反之,当西伯利亚春季融雪偏少时,东亚夏季风活动偏强。
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