周群,魏立新,黃煥卿

（1 .國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京100081）

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秋季巴倫支海海溫異常對(duì)冬季我國渤海冰情的可能影響

周群1,魏立新1,黃煥卿1

（1 .國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京100081）

摘要:本文利用美國N CEP/N C A R逐月的再分析資料、HadISST海溫、中國160臺(tái)站氣溫和反映渤海冰情輕重的渤海冰情等級(jí)資料,研究了前秋巴倫支海海溫異常對(duì)后期渤海冰情和東亞冬季風(fēng)的影響,并對(duì)相關(guān)的物理過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明,前秋巴倫支海關(guān)鍵區(qū)海溫與該區(qū)域海冰密集度呈顯著的負(fù)相關(guān),且具有較好的持續(xù)性,通過調(diào)節(jié)隨后冬季向大氣釋放的熱通量,引起后期環(huán)流變化。偏高（偏低）年冬季亞洲緯向環(huán)流偏弱（偏強(qiáng)）,東亞大槽加深（減弱）,東亞冬季風(fēng)加強(qiáng)（減弱）,我國東北、華北及西北地區(qū)地區(qū)顯著偏冷（偏暖）,這與冬季渤海海冰異常的強(qiáng)度和范圍都偏大（?。┘芭c之相聯(lián)系的環(huán)流異常相一致。進(jìn)一步的分析揭示了聯(lián)系上游關(guān)鍵區(qū)海溫變化與后期東亞地區(qū)氣候異常的重要途徑,前秋巴倫支海海溫偏高會(huì)導(dǎo)致200 hPa高度場(chǎng)形成一個(gè)自西向東的波列形式,在東亞局地Hadley環(huán)流異常的作用下,加強(qiáng)了我國北方地區(qū)地表的北風(fēng)異常。因此,前秋巴倫支海海溫異?？梢宰鳛槎静澈１榈念A(yù)報(bào)因子。

關(guān)鍵詞:海溫異常；渤海海冰；大氣環(huán)流異常；短期氣候預(yù)測(cè)

1 引言

渤海位于37°07′～41°0′N,117°35′～121°10′E,每年冬天都會(huì)發(fā)生海水結(jié)冰現(xiàn)象。渤海海冰嚴(yán)重制約著冬季沿海港口的航運(yùn)以及海上石油開發(fā)等,是我國重要的海洋災(zāi)害之一［1—2］。由于渤海是一個(gè)半封閉的內(nèi)陸海,受外海的影響相對(duì)較小,其特殊的地理位置使得渤海海冰的變化與大氣環(huán)流的關(guān)系極為密切。人們很早就注意到海冰預(yù)報(bào)中氣象條件是一個(gè)重要的影響因素［3］。從長期變化趨勢(shì)看,由于全球變暖的氣候背景影響,渤海海域冰情在近幾十年持續(xù)偏輕［4—5］。針對(duì)渤海海冰及其對(duì)大氣環(huán)流的響應(yīng),我國學(xué)者也積極開展了許多研究,從不同角度分析了渤海冬海冰冰情變化的成因［6—8］。多數(shù)研究指出影響渤海海冰冰情變化的主要因子是太平洋副熱帶高壓,并就相關(guān)的氣象要素場(chǎng)進(jìn)行了分析。資料診斷結(jié)合海冰模式的發(fā)展,已經(jīng)共同應(yīng)用于渤海海冰的數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)化運(yùn)行中［9］。然而,聯(lián)系東亞大氣環(huán)流異常與冬季我國渤海海冰之間的物理機(jī)制目前尚不完全清楚,渤海海冰的短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)仍有許多潛在的預(yù)報(bào)因子亟待深入探討。

另一方面,前人利用模式模擬指出前期巴倫支海海冰異常不但可以在局地引起較大的環(huán)流變化,還可以通過兩條波列影響中低緯度地區(qū)［10］。一條傳向北大西洋,另一條經(jīng)東西伯利亞到太平洋,從而影響后期東亞環(huán)流異常。之后的一系列研究認(rèn)為冬季巴倫支海是海-氣相互作用的關(guān)鍵區(qū)域,其海冰面積變化通過影響大氣遙相關(guān)型和冷空氣的活動(dòng)進(jìn)而影響東亞冬季風(fēng)和后期北太平洋海溫異常［11—13］。一般來說,冬季該關(guān)鍵區(qū)海冰面積異常偏多,東亞冬季風(fēng)偏弱,北太平洋中部海溫偏低。由于秋冬季巴倫支海和喀拉海的海冰變化存在較好持續(xù)性［14］,所以近期很多研究側(cè)重于秋季該關(guān)鍵區(qū)海冰（海溫）對(duì)東亞冬季氣候的預(yù)測(cè)意義。觀測(cè)事實(shí)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果均已表明,秋季北極地區(qū)海冰偏少/巴倫支海海溫偏高,冬季冷空氣較為活躍,東亞地區(qū)冬季明顯偏冷,極端冷事件頻發(fā)［15—17］。就其中涉及的物理過程,W u等著重考察了850 hPa風(fēng)場(chǎng)三極型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用［16］,而H onda等則強(qiáng)調(diào)了250 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)緯向波列的重要影響［15］。由以上的研究不難發(fā)現(xiàn),作為海-氣作用的關(guān)鍵區(qū)巴倫支海對(duì)東亞乃至太平洋地區(qū)的滯后影響已經(jīng)得到證實(shí),關(guān)鍵區(qū)海溫和海冰變化的持續(xù)性也分別得以驗(yàn)證,那么該關(guān)鍵區(qū)海溫異常與海冰變化之間的關(guān)系是怎樣的,冬季東亞地區(qū)對(duì)流層高、低層之間的動(dòng)力響應(yīng)通過怎樣的途徑相聯(lián)系,特別是冬季我國渤海海冰對(duì)此會(huì)有怎樣的響應(yīng),之前的研究還沒有涉及過。為此,本文將首先分析渤海海冰異常對(duì)應(yīng)的東亞大氣環(huán)流差異,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析秋季巴倫支海海溫異常對(duì)冬季渤海海冰的影響與其中涉及的可能的物理過程。

2 資料與方法

文中所使用的數(shù)據(jù)資料包括:（1）美國國家大氣研究中心（N CEP/N C A R）提供的月平均500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)資料、月平均200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)資料、12層月平均垂直速度資料、10 m月平均風(fēng)場(chǎng)資料、月平均地表感熱、潛熱通量資料以及月平均海平面氣壓場(chǎng)資料［18］,其水平分辨率是2.5°×2.5°；（2）中國氣象局提供的中國160個(gè)臺(tái)站的月平均氣溫資料,資料時(shí)段為1951年1月至今；（3）英國氣象局哈德萊中心（M et Office Hadley Center）的海溫?cái)?shù)據(jù)集及海冰密集度資料,水平分辨率為1°×1°；（4）渤海海冰冰情是根據(jù)國家海洋局1973年制定的《中國海冰情預(yù)報(bào)等級(jí)》,共劃分5個(gè)等級(jí),從小到大依次為輕、偏輕、正常、偏重、重年,該資料能夠很好的反映渤海地區(qū)12月至翌年3月海冰異常的強(qiáng)度和范圍。

本研究選用1980 - 2012年共計(jì)33年的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用的方法主要是合成分析、線性回歸和相關(guān)分析,并利用t檢驗(yàn)來驗(yàn)證其顯著性。季節(jié)劃分按慣例,12月、1月和2月為冬季。

本文選取前秋（9、10月平均）的區(qū)域（70°～80°N, 30°～60°E）平均海溫異常作為反映巴倫支海海溫變化的指數(shù)。亞洲緯向環(huán)流指數(shù)由國家氣候中心提供,表征60°～150°E之間的緯向環(huán)流異常情況。

3 渤海冰情偏重、偏輕年東亞大氣環(huán)流形勢(shì)的差異分析

圖1a給出了1980 - 2012年渤海冰情等級(jí)指數(shù)的時(shí)間序列。1980年指的是1979 - 1980年冬季?，F(xiàn)有的研究指出,以1972年為分界可以將1932 - 2000年時(shí)期的渤海冰情變化分為兩個(gè)階段,前一時(shí)段為重冰情多發(fā)階段,后一時(shí)段為輕冰情時(shí)段［7］。然而,我們注意到即使是輕冰情時(shí)段,渤海冰情依然存在著明顯的年際變化（圖1a）。這里選取冰情大于等于3.5級(jí)（小于等于1.0級(jí)）為典型的渤海冰情偏重（偏輕）年,得到1980 - 2012年期間冰情偏重年3年,分別為1985、2001、2010年,冰情偏輕年4年,分別為1995、1999、2002、2007年。

圖1 1980 - 2012年渤海冰情指數(shù)（a）和標(biāo)準(zhǔn)化的前秋巴倫支海海溫異常（黑色實(shí)線）以及冬季平均的亞洲緯向環(huán)流指數(shù)（淺灰色陰影）（b）年際變化序列Eig .1 Time series of the Bohai sea ice index（a）,and normalized time series of the former SO（Sep - Oct）mean Barents Sea SST index（black lines）and the DJE mean Asian zonalcirculation index（light grey shadings）（b）during 1980 to 2012

對(duì)重、輕冰年對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流的各個(gè)要素場(chǎng)進(jìn)行合成分析。圖2為冬季中國160臺(tái)站地面溫度場(chǎng)的合成結(jié)果,深、淺色陰影分別表示通過99 %、95 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域。由圖看出,當(dāng)渤海冰情較重時(shí),我國華北、東北地區(qū)以及西北地區(qū)北部冬季氣溫明顯降低；反之,當(dāng)渤海冰情較輕時(shí),我國北方大部分地區(qū)明顯偏暖。早在20世紀(jì)80年代,就有研究指出氣溫對(duì)渤海海冰的形成與變化起著重要作用［3］。本研究結(jié)果與前人的研究一致,表明渤海冰情加重（減輕）與冬季北方地區(qū)偏冷（偏暖）密切相聯(lián)系。

圖2 1980 - 2012年冬季渤海冰情偏重偏輕年合成的冬季平均的中國160臺(tái)站地面溫度場(chǎng)之差Eig .2 Difference of the DJE mean air temperature of 160 Chinese observation stations between the heavy and the lightice condition of Bohai Sea during 1980 to 2012圖中零等值線已略去,等值線間隔為1℃,虛線表示負(fù)值,深淺色陰影分別表示通過99 %和95 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域Zero contour lines are omitted,contourintervalis 1℃and dashed lines indicate negative values . Dark and light shadings indicate the 99 % and 95 % confidence levels,respectively

合成分析在東亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)則表現(xiàn)為中緯度地區(qū)為顯著的負(fù)值帶,在其北部是一條正值中心帶（圖3a）,也即重冰年東亞-北太平洋地區(qū)東亞大槽地區(qū)位勢(shì)高度顯著降低,而北極地區(qū)是顯著升高的,且這種變化在絕大多數(shù)地區(qū)超過了95 %的信度檢驗(yàn)。這意味著重冰年500 hPa東亞大槽加深,從而易于冬季冷空氣的爆發(fā),這與我國北方地區(qū)冬季普遍降溫在物理上是相統(tǒng)一的［3］。近來的研究證實(shí)渤海冬季氣溫變化直接受同期東亞大氣環(huán)流制約,并強(qiáng)調(diào)了烏拉爾山高壓脊的重要作用［8］。因此,有必要考察對(duì)流層低層的環(huán)流特征,從圖3b中可以看出,烏拉爾山到西西伯利亞平原地區(qū)有顯著的正海平面氣壓（SLP）異常,而以35°N,100°E為中心的地區(qū)有顯著的負(fù)SLP異常,呈現(xiàn)出整個(gè)歐亞大陸地區(qū)以40°N左右為界北高南低的位勢(shì)分布。也就是說,與輕冰年相比,重冰年冬季烏拉爾山阻塞高壓加強(qiáng),環(huán)渤海地區(qū)在北高南低的氣壓梯度下,產(chǎn)生明顯的北風(fēng)異常,東亞冬季風(fēng)加強(qiáng),造成氣溫明顯偏低,這與前人的研究結(jié)果相一致［8］。

對(duì)流層高層?xùn)|亞急流可以作為東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱變化的一個(gè)重要指標(biāo)。一般而言,東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng), 200 hPa東亞地區(qū)急流顯著加強(qiáng)。為進(jìn)一步研究重、輕冰年冬季東亞環(huán)流形勢(shì)的差異,我們計(jì)算了200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)的差值（圖4）。由圖4可見,重冰年東亞急流加強(qiáng),相反,輕冰年東亞急流減弱。這與重（輕）冰年東亞冬季風(fēng)加強(qiáng)（減弱）的結(jié)論互相呼應(yīng)。值得注意的一點(diǎn)是,200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)距平分布隱約可以看到一個(gè)西北-東南走向的波列形態(tài),上游兩個(gè)較強(qiáng)的正、負(fù)值中心分別位于60°E以西、60° N以北的高緯度巴倫支海地區(qū)附近以及30°～60°N之間的歐亞大陸中東部地區(qū),下游兩個(gè)較弱的正、負(fù)值中心分別位于30°N以南的低緯地區(qū)以及北太平洋中部地區(qū)。這就啟發(fā)我們是否可以從上游找到渤海冰情預(yù)測(cè)的信號(hào)呢？下文將展開詳細(xì)討論。

圖3 1980 - 2012年冬季渤海冰情偏重偏輕年合成的冬季平均的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（a）和海平面氣壓場(chǎng)之差（b）（等值線間隔分別為20 gpm（a）和2 hPa（b））Eig .3 Difference of the DJE mean 500 hPa geopotential height（a）and sea level pressure（b）between the heavy and the lightice condition of Bohai Sea during 1980 to 2012（contour interval is 20 gpm in（a）and 2 hPa in（b）,respectively）

圖4 1980 - 2012年冬季渤海冰情偏重偏輕年合成的冬季平均的200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線,間隔: 20 gpm）和風(fēng)場(chǎng)（矢量,單位:m/s）之差（圖中陰影表示風(fēng)場(chǎng)通過95 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域）Eig .4 Difference of the DJE mean 200 hPa geopotential height（contours,interval:20 gpm）and winds （vectors,unit:m/s）between the heavy and thelightice condition of Bohai Sea during 1980 to 2012（shadings indicate the 95 % confidence level of the winds according to a two-tailed Student'sttest）

4 前秋巴倫支海海溫對(duì)冬季渤海冰情的影響

圖1b為1980 - 2012年秋季巴倫支海海溫指數(shù)和冬季亞洲緯向環(huán)流指數(shù)的時(shí)間序列。對(duì)比圖1a,對(duì)應(yīng)前秋巴倫支海海溫指數(shù)的正位相,渤海海冰冰級(jí)升高,而冬季亞洲緯向環(huán)流指數(shù)則為負(fù)位相。實(shí)際上,通過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)1980 - 2012年期間巴倫支海海溫指數(shù)與渤海冰情等級(jí)指數(shù)、亞洲緯向環(huán)流指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.50、- 0.46,均能通過95 %信度檢驗(yàn)。也就是說,前秋巴倫支海偏暖年,冬季亞洲緯向環(huán)流偏弱,冬季渤海冰情加重；前秋巴倫支海偏冷年,情況與之相反。

雖然近來的研究分別闡述了秋冬季節(jié)的巴倫支海海冰變化、海溫變化的持續(xù)性［14,17］,但海溫與海冰變化二者之間有何聯(lián)系,前人的研究還未涉及。考察秋季巴倫支海海溫指數(shù)與兩個(gè)月滑動(dòng)平均的該區(qū)海冰變化的滯后/超前相關(guān),注意到從前冬一直到同期秋季,也即關(guān)鍵區(qū)海溫指數(shù)滯后于海冰密集度變化時(shí),二者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)；此后,一直延續(xù)到翌年夏季,也即海溫指數(shù)超前于海冰密集度變化時(shí),二者仍維持顯著負(fù)相關(guān)；尤其是從前冬到翌年春天,二者的滯后/超前相關(guān)系數(shù)基本能通過99 %的信度檢驗(yàn)（圖5）。因此,秋季巴倫支海關(guān)鍵區(qū)海溫偏高對(duì)應(yīng)該區(qū)海冰持續(xù)偏少。

那么,秋季巴倫支海海溫異常是如何驅(qū)動(dòng)后期大氣環(huán)流的呢？早前的觀測(cè)結(jié)果揭示了冬季從巴倫支海附近地區(qū)向大氣輸送大量的湍流熱通量［19］,這主要?dú)w因于局地的海-氣相互作用。其中,海冰作為大氣的下墊面,通過隔絕海洋釋放的潛熱通量同時(shí)吸取大氣釋放的感熱通量,發(fā)揮了關(guān)鍵的熱源作用［11 - 12］。湍流熱通量是潛熱通量和感熱通量的和,利用再分析資料計(jì)算冬季巴倫支海區(qū)域平均的湍流熱通量為96.0 W/m2,顯示出冬季海洋向大氣強(qiáng)烈的熱量輸送,是夏季（0.37 W/m2）熱量輸送的近260倍。由以上的分析可知,當(dāng)秋季巴倫支海偏暖對(duì)應(yīng)海冰密集度持續(xù)偏低,通過湍流熱通量的熱力作用,引起大氣環(huán)流改變,這與H onda等通過模式模擬得到的結(jié)論相一致［15］。

圖5 秋季巴倫支海海溫指數(shù)（9、10月平均）與該區(qū)域（70°～80°N,30°～60°E）平均的海冰密集度數(shù)據(jù)的滯后/超前相關(guān)系數(shù)序列Eig .5 Lag or lead correlations between the Barents Sea（key region）SST index and the sea-ice concentration anomalies over the key region（70°～80°N,30°～60°E）海冰資料經(jīng)過計(jì)算相鄰兩月滑動(dòng)平均得到,圖中JA N表示1、2月平均,以此類推。圖中SEP表示同期相關(guān)系數(shù),SEP左側(cè)（右側(cè)）表示秋季海溫滯后（超前）于海冰的相關(guān)系數(shù)。點(diǎn)線和虛線分別表示95 %和99 %信度檢驗(yàn)水平The data are smoothed by two-month running means . The JA N indicates the Jan - Eeb mean,and so on . The SEP denotes the contemporary correlation while the left（right）values are the lag（lead）correlations between the Barents Sea SST index and the sea-ice concentration anomalies . The dotted line and the dashed line indicate the 95 % and the 99 % confidence levels,respectively

巴倫支海海溫異常對(duì)渤海冰情的滯后影響可以通過我國160臺(tái)站氣溫觀測(cè)資料得以證實(shí)（圖6）。從圖6可以看出,在環(huán)渤海地區(qū)以至我國整個(gè)北方地區(qū)存在負(fù)相關(guān)顯著區(qū)（圖中陰影所示范圍表示通過95 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域）。巴倫支海海溫異常偏暖時(shí),除西南地區(qū)冬季氣溫偏高外,我國北方大部地區(qū)冬季氣溫偏低,其中主要的冷中心位于我國東北、華北和西北地區(qū)；而巴倫支海海溫異常偏冷時(shí),隨后冬季我國北方大部分地區(qū)氣溫偏高。這里的結(jié)果表明前期巴倫支海關(guān)鍵區(qū)的海溫變化顯著影響東亞冬季風(fēng),并且與渤海重、輕冰年的氣溫差值形勢(shì)吻合（圖2）。

許多研究表明東亞冬季風(fēng)與東亞大槽的變化密切相關(guān)［20］。前秋巴倫支海海溫指數(shù)與冬季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的相關(guān)形勢(shì)如圖7所示。冬季東亞地區(qū)熱帶外對(duì)流層中層主要受沿著東亞沿岸的大槽控制。整個(gè)東亞地區(qū)被顯著負(fù)相關(guān)覆蓋,而極區(qū)附近可以看到顯著的正相關(guān)（圖7）。這些結(jié)果表明巴倫支海偏暖能引起500 hPa東亞大槽加深,極區(qū)位勢(shì)高度升高。東亞大槽加深意味著從寒冷大陸向東、向南入侵的冷空氣更加活躍,東亞冬季風(fēng)增強(qiáng),整個(gè)東亞地區(qū)冬季氣溫偏低。聯(lián)系輕、重冰年東亞冬季大氣環(huán)流異常的分布,渤海冰情加重以及我國北方地區(qū)降溫很可能是由與前秋巴倫支海正海溫異常相聯(lián)系的東亞大槽加深所導(dǎo)致。

5 前秋巴倫支海海溫影響渤海冰情的物理過程

早在20世紀(jì)50年代,有研究指出東亞地區(qū)冬季寒潮爆發(fā)與上游烏拉爾山地區(qū)的大氣環(huán)流異常尤其是阻塞的建立和崩潰密切相關(guān)［21］。為了進(jìn)一步研究巴倫支海海溫異常影響渤海海冰的過程,有必要對(duì)烏拉爾山阻塞高壓進(jìn)行考察。圖8給出的是將冬季平均海平面氣壓場(chǎng)（SLP）和10 m風(fēng)場(chǎng)回歸到前秋巴倫支海海溫指數(shù)的分布情況。由圖8可以清楚地看出,烏拉爾山及西伯利亞地區(qū)為顯著的正異常,青藏高原、北太平洋地區(qū)以及整個(gè)35°N以南地區(qū)為顯著的負(fù)異常。這與烏拉爾山阻高在SLP場(chǎng)上的表現(xiàn)形式相吻合［20］。由此可知,前秋巴倫支海正的海溫異常能夠引起冬季烏拉爾山阻高形勢(shì)加強(qiáng),東亞地區(qū)南低北高的氣壓梯度分布,造成我國北方地區(qū)地表西北風(fēng)異常,從而能很好地解釋我國北方地區(qū)出現(xiàn)大范圍明顯降溫,也與重冰年的SLP異常分布形勢(shì)相似。

圖6 秋季巴倫支海海溫指數(shù)與冬季平均中國160臺(tái)站氣溫的相關(guān)分布圖Eig .6 Correlation patterns between the SO mean Barents Sea SST index and the DJE mean air temperature of 160 Chinese observation stations圖中零等值線已略去,淺色和深色陰影分別表示負(fù)值和正值通過95 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域Zero contour lines are omitted,light and dark shadings indicate the areas with negative and positive values at the 95 % confidence level by using student'sttest,respectively

圖7 秋季平均的巴倫支海海溫指數(shù)與冬季平均500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的相關(guān)分布Eig .7 The correlation between the DJE mean geopotential height at 500 hPa and the SO mean Barents Sea SST index淺、深色陰影分別表示通過95 %、99 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域Heavy and light shading indicate the correlations exceeding the 99 % and 95 % confidence levels according to Student'st test,respectively

烏拉爾山阻高在對(duì)流層高層也有所體現(xiàn),呈現(xiàn)出準(zhǔn)正壓的形態(tài)（圖9）。與巴倫支海偏暖相伴隨,200 hPa高度場(chǎng)存在一個(gè)從巴倫支海關(guān)鍵區(qū)向東亞地區(qū)的波列。高低壓中心依次位于烏拉爾山、天山山脈、長江流域以及日本以東洋面；以此同時(shí),200 hPa日本南部為西風(fēng)異常,也即東亞急流加強(qiáng),這與東亞冬季風(fēng)加強(qiáng)在物理上一致,且風(fēng)場(chǎng)的回歸分布也呈現(xiàn)出從關(guān)鍵區(qū)向東亞地區(qū)的波列形態(tài)。這一形態(tài)與重冰年冬季高空的遙相關(guān)形態(tài)十分相似（圖4）。前人的研究指出,巴倫支海海冰異常正是通過波列影響同期或后期下游地區(qū)大氣環(huán)流異常［10,12］。因此,我們推測(cè)巴倫支海關(guān)鍵區(qū)海溫異常與東亞冬季風(fēng)以及渤海冰情的關(guān)系可能是通過激發(fā)200 hPa與東亞急流相聯(lián)系的遙相關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。將冬季90°～150°E緯向平均的垂直速度與秋季巴倫支海海溫指數(shù)計(jì)算相關(guān),可以清楚地反映東亞地區(qū)經(jīng)向環(huán)流的異常分布。結(jié)果顯示,伴隨前秋巴倫支海偏暖,東亞地區(qū)冬季局地Hadley環(huán)流加強(qiáng),上升支依次位于低緯0°～5°N、中緯30°N附近以及較高緯（50°～60°N）地區(qū)（圖10）。值得注意的是,一方面最大的環(huán)流異常出現(xiàn)在對(duì)流層高層,這可能與海溫異常導(dǎo)致的東西向高空波列密切相關(guān)；另一方面,40°N附近的強(qiáng)烈下沉貫穿整個(gè)對(duì)流層,在地表引起向低緯的北風(fēng)異常,加劇了渤海的冰情。因此,前秋巴倫支海海溫異常偏暖,冬季烏拉爾山阻塞高壓加強(qiáng),在緯向高空波列的影響下,200 hPa東亞急流加強(qiáng),東亞大槽的位置及強(qiáng)度發(fā)生變化,進(jìn)一步在經(jīng)向Hadley環(huán)流的作用下,引起了冬季對(duì)流層低層的環(huán)流變化,加強(qiáng)了東亞冬季風(fēng),在我國北方地區(qū)地表帶來北風(fēng)異常并引起大范圍降溫,因而造成渤海海冰的范圍和強(qiáng)度均有所增大。

6 結(jié)論與討論

本文在討論了渤海冰情偏重、偏輕年東亞大氣環(huán)流形勢(shì)差異的基礎(chǔ)之上,著重分析了巴倫支海關(guān)鍵區(qū)海溫異常變化對(duì)東亞冬季風(fēng)及渤海冰情的可能影響,并對(duì)相關(guān)的物理過程作了研究。得到的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn):

（1）渤海冰情偏重（輕）年,冬季東亞大槽加深（變淺）,200 hPa東亞急流加強(qiáng)（減弱）,對(duì)流層低層烏拉爾山阻塞高壓加強(qiáng)（減弱）,而東亞中低緯地區(qū)海平面氣壓偏低（偏高）,二者之間的氣壓梯度造成環(huán)渤海地區(qū)的北風(fēng)異常（南風(fēng)異常）,加劇（削弱）了東亞冬季風(fēng),造成我國北方大部分地區(qū)氣溫顯著偏低（偏高）。

圖8 將冬季平均10 m風(fēng)場(chǎng)（矢量,單位:m/s）和海平面氣壓場(chǎng)（等值線,間隔:2 hPa）回歸到秋季巴倫支海海溫指數(shù)的分布形勢(shì)Eig .8 Regression patterns of the wintertime 10 m winds （vectors,unit:m/s）and the Sea Level Pressure fields（contours,interval:2 hPa）with respect to the SO mean Barents Sea SST index淺色和深色陰影分別表示海平面氣壓場(chǎng)回歸結(jié)果通過90 %和95 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域Light and dark shadingsindicate the 90 % and 95 % confidence level of the SLP field regression results according to Student'sttest,respectively

圖9 將冬季平均的200 hPa風(fēng)場(chǎng)（矢量；單位:m/s）和位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線；單位:位勢(shì)米gpm；間隔:5gpm）回歸到秋季巴倫支海海溫指數(shù)的分布形勢(shì)。淺色和深色陰影分別表示風(fēng)場(chǎng)回歸結(jié)果通過90 %和95 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域Eig .9 Regression patterns of the 200 - hPa winds（vectors；unit:m/s）and the geographical height fields（contours；interval:5gpm）with respect to the SO mean Barents Sea SST index . Light and dark shadings indicate the 90 % and 95 % confidence level of the wind field regression results according to Student'sttest,respectively

圖10 秋季平均的巴倫支海海溫指數(shù)與冬季平均冬季東亞地區(qū)（100°～150°E）緯向平均的垂直速度場(chǎng)的相關(guān)分布圖。等值線間隔0.15。虛線表示負(fù)值。深色和淺色陰影分別表示正相關(guān)和負(fù)相關(guān)結(jié)果通過95 %信度檢驗(yàn)的區(qū)域Eig .10 The correlation between the DJE mean vertical motion over East Asian（100°E - 150°E）and the SO mean Barents Sea SST . Contour interval is 0.15 and dashed lines indicate negative values . Heavy and light shading indicate the positive and negative correlations exceeding the 95 % confidence levels,respectively

（2）前秋巴倫支海海溫與秋冬季節(jié)該區(qū)域海冰密集度存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,海溫越低,海冰密集度越高,通過影響冬季海洋流向大氣的湍流熱通量,導(dǎo)致冬季大氣環(huán)流異常。因此,巴倫支海關(guān)鍵區(qū)海溫異常在短期氣候預(yù)測(cè)方面具有一定的意義。

（3）前秋巴倫支海海溫指數(shù)與冬季渤海冰情（亞洲緯向環(huán)流）指數(shù)為顯著正（負(fù)）相關(guān)關(guān)系。當(dāng)前秋關(guān)鍵區(qū)海溫偏高,冬季60°～150°E之間的緯向環(huán)流偏弱,渤海海冰偏重。此時(shí),500 hPa東亞大槽顯著加深,影響我國的冷空氣活動(dòng)更加頻繁,東亞冬季風(fēng)加強(qiáng),我國大部分地區(qū)冬季氣溫偏低,特別是東北、華北及西北地區(qū)。

（4）進(jìn)一步的分析表明,對(duì)應(yīng)前秋巴倫支海海溫偏高,冬季烏拉爾山阻塞形勢(shì)加強(qiáng)并呈現(xiàn)出準(zhǔn)正壓的形態(tài),在對(duì)流層低層和高層均有所體現(xiàn)。特別地,在200 hPa高度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自西向東、貫穿歐亞大陸的高空波列,并引起90°～150°E之間的經(jīng)向Hadley環(huán)流異常,這是關(guān)鍵區(qū)海溫影響下游東亞冬季風(fēng)以及與此密切相關(guān)的渤海海冰冰情變化的重要環(huán)節(jié)。在地表造成我國北方地區(qū)的北風(fēng)異常,與此時(shí)我國北方地區(qū)氣溫較低及渤海冰情加重在物理上相互呼應(yīng)。因此,前秋巴倫支海海溫異常可以作為對(duì)我國冬季渤海海冰冰情的預(yù)測(cè)因子。

眾所周知,在嚴(yán)寒的冬季,渤海海冰會(huì)造成嚴(yán)重災(zāi)害。本研究只是從統(tǒng)計(jì)角度出發(fā)分析了前期上游巴倫支海關(guān)鍵區(qū)海溫異常以及與之相聯(lián)系的冬季東亞大氣環(huán)流的改變。事實(shí)上,除了氣象條件之外,影響渤海海冰變化的因子還有很多,如水溫、鹽度、潮汐和太陽活動(dòng)等,各因素之間也具有一定的調(diào)制作用,因此在渤海海冰預(yù)測(cè)今后還需要進(jìn)一步加以研究。

參考文獻(xiàn):

［1］ 陸欽年.我國渤海海域的海冰災(zāi)害及其防御對(duì)策［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào),1993,2（4）:53 - 59 . Lu Qinnian .Sea ice disastere and its countermeasures of the Bohaiin China［J］.Journal of Natural Disasters,1993,2（4）:53 - 59 .

［2］ 白珊,劉欽政,李梅,等.渤海的海冰［J］.海洋預(yù)報(bào),1999,16（3）:1 - 8 . Bai Shan,Liu Qinzheng,Li M ei,et al.Sea ice in the Bohai Sea of China［J］. M arine Eorecasts,1999,16（3）:1 - 8 .

［3］ 張啟文.渤海海冰變化與氣象條件的關(guān)系［J］.海洋預(yù)報(bào),1986,3（1）:49 - 54 . Zhang Qiwen . The relationship between variation in the Bohai Sea ice and its meterological conditions［J］. M arine Eorecasts,1986,3（1）:49 - 54 .

［4］ 白珊,劉欽政,吳輝碇,等.渤海、北黃海海冰與氣候變化的關(guān)系［J］.海洋學(xué)報(bào),2001,23（5）:33 - 41 . Bai Shan,Liu Qinzheng,W u H uiding,et al. Relation ofice conditions with climate changein the Bohai Sea and northern H uanghai Sea［J］. Haiyang Xuebao,2001,23（5）:33 - 41 .

［5］ 李劍,黃嘉佑,劉欽政.黃、渤海海冰長期變化特征分析［J］.海洋預(yù)報(bào),2005,22（2）:22 - 32 . Li Jian,H uang Jiayou,Liu Qinzheng . The long-term variation characteristics of sea ice in the Bohai Sea and the north H uanghai Sea［J］. M arine Eorecasts,2005,22（2）:22 - 32 .

［6］ 解思梅,包澄瀾,韋定英.太平洋海溫和渤海海冰［J］.海洋學(xué)報(bào),1991,13（3）:339 - 347 . Xie Simei,Bao Chenglan,W ei Dingying . The sea temperature of Pacific Ocean and the sea ice in Bohai Sea［J］. Haiyang Xuebao,1991,13（3）:339 - 347 .

［7］ 劉欽政,黃嘉佑,白珊,等.渤海冬季海冰氣候變異的成因分析［J］.海洋學(xué)報(bào),2004,26（2）:11 - 19 . Liu Qinzheng,H uang Jiayou,Bai Shan,et al.Studies on the causation of sea iec decadal variation in the Bohai Sea of China［J］. Haiyang Xuebao, 2004,26（2）:11 - 19 .

［8］ 劉煜,劉欽政,隋俊鵬,等.渤、黃海冬季海冰對(duì)大氣環(huán)流及氣候變化的響應(yīng)［J］.海洋學(xué)報(bào),2013,35（3）:18 - 27 . Liu Yu,Liu Qinzheng,Sui Junpeng,et al. The respond ofice for the Bohai Sea and the H uanghai Sea with the general circulation and the climate change in winters［J］. Haiyang Xuebao,2013,35（3）:18 - 27 .

［9］ 白珊,吳輝碇.渤海的海冰數(shù)值預(yù)報(bào)［J］.氣象學(xué)報(bào),1998,56（2）:139 - 153 . Bai Shan,W u H uiding . Nu merical sea ice forecast for the Bohai Sea［J］. Acta M eterological Sinica,1998,56（2）:139 - 153 .

［10］ 鄭慶林,王云恒.巴倫支海海冰異常對(duì)初夏大氣環(huán)流和東亞天氣影響的數(shù)值研究［J］.海洋預(yù)報(bào),1996,13（2）:6 - 16 . Zheng Qinglin,W ang Yunheng . Nu mericalstudy on theinfluence ofthe anomaly of seaicein Barents Sea on the generalcirculation and the weather in East Asia during the early su m mer［J］. M arine Eorecasts,1996,13（2）:6 - 16 .

［11］ 武炳義,黃榮輝,高登義.冬季北極喀拉海、巴倫支海海冰面積變化對(duì)東亞冬季風(fēng)的影響［J］.大氣科學(xué),1999,23（3）:267 - 275 . W u Bingyi,H uang Ronghui,Gao Dengyi. The impact of variation of sea-ice extent in the Kara Sea and the Barents Seas in winter on the winter monsoon ove East Asia［J］. Chinese Journal of Atmospheric Sciences,1999,23（3）:267 - 275 .

［12］ 武炳義,黃榮輝,高登義.冬季喀拉海、巴倫支海海冰面積變化對(duì)后期北太平洋海溫的影響［J］.氣候與環(huán)境研究,1999,4（2）:165 - 175 . W u Bingyi,H uang Ronghui,Gao Dengyi. The effect of variation of sea-ice extentin the Kara and Barents Seas in winter on SST in the northern Pacific in the later period［J］. Climate and Enviromental Research,1999,4（2）:165 - 175 .

［13］ Petoukhov V,Semenov V . A link between reduced Barents - Kara sea ice and cold winter extremes over northern continents［J］.Journal of Geophysical Research,2010,115（D21）:6128 - 6128 .

［14］ W u B,Su J,Zhang R .Effects of autu mn - winter Arctic seaice on winter Siberian High［J］.Chinese Science Bulletin,2011,56（30）:3220 - 3228 .

［15］ H onda M ,Inoue J,Yamane S .Influence of low Arctic sea-ice minima on anomalously cold Eurasian winters［J］. Geophysical Research Letters, 2009,36（8）:262 - 275 .

［16］ W u B,Handorf D,Dethloff K,et al. Winter weather patterns over Nrothern Eurasia and Arctic Sea ice loss［J］. M onthli W eather Review,2013, 141（11）:3786 - 3800 .

［17］ 時(shí)曉曚.中高緯海洋對(duì)中國東北部氣候變化影響的研究［D］.青島:中國海洋大學(xué),2014:23 - 44 . Shi Xiaomeng . The impact of the mid-high latitude oceans on climate change over North and Northeast China［D］. Qingdao:Ocean U niversity of China,2014:23 - 44 .

［18］ Kalnay E,Kananitsu M ,Kistler R,et al. The N CEP/N C A R 40-year reanalysis project［J］.Bulletion ofthe A merican M eteoroligical Society,1996, 77（3）:437 - 471 .

［19］ Aleksandr P M . The heat budget of Arctic ice in the winter［J］. Arctic and Anarctic Reaserch Institute,1984,46（11）:3786 - 3800 .

［20］ W ang L,Chen W ,Zhou W ,et al.Effect ofthe climate shift around mid 1970s on the relationship between wintertime Ural blocking circulation and East Asian climate［J］.International Journal of Climatology,2010,30:153 - 158 .

［21］ 陶詩言.阻塞形勢(shì)破壞時(shí)期的東亞一次寒潮過程［J］.氣象學(xué)報(bào),1957（1）:63 - 74 . Dao Shinyan . A synoptic and aerologicalstudy on a cold wavein the far east during the period ofthe break down ofthe blocking situation over Euroasia and Atlantic［J］. Acta M eterological Sinica,1957（1）:63 - 74 .

中圖分類號(hào):P731.11；P731.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-4193（2016）03-0040-09

收稿日期:2015-01-21；

修訂日期:2015-09-01。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41206186）；海洋國際合作及履約《中芬海冰與北極氣候變化合作研究》；極地專項(xiàng)《南極周邊海域氣象環(huán)境綜合分析與評(píng)價(jià)》（C HIN A E R 2013-04-01）。

作者簡(jiǎn)介:周群（1986—）,女,山東省青島市人,博士,主要從事氣候動(dòng)力學(xué)方面的研究。E-mail:zhouqun1224 @ 163 .com

周群,魏立新,黃煥卿.秋季巴倫支海海溫異常對(duì)冬季我國渤海冰情的可能影響［J］.海洋學(xué)報(bào),2016,38（3）:40 - 48,doi: 10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.004

Zhou Qun,W ei Lixin,H uang H uanqing . Possible effect of SSTa in the Barents Sea in fall on the variations of Bohai Sea ice in the following winter［J］. Haiyang Xuebao,2016,38（3）:40 - 48,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.004

Possible effect of SSTa in the Barents Sea in fall on the variations of Bohai Sea ice in the following winter

Zhou Qun1,W ei Lixin1,H uang H uanqing1
（1 .NationalCenter for Marine Environment Eorecast,Beijing 100081,China）

Abstract:By using N CEP/N C A R reanalysis data,the SST,the air temperature of 160 Chinese stations and the ice grade for Bohai Sea which indicates theice conditionsin Bohai Sea,theimpacts of Barents Sea SST anomalies on the variations oftheice condition in Bohai Sea during thelater period areinvestigated in this paper . The resultsindicate that the variation ofthe fall SST in the key region is negatively correlated to the sea-ice concentration from the preceding winter to the next su m mer,leading to the variations ofthe turbulent heatflux during the winter . During the warmer（colder）Barents Sea years,the Asian zonal circulations are evidently weakened（strengthened）accompanied by a deeper（reduced）East Asian trough and the East Asian Winter M onsoon is significantly stronger（weaker）accompany with much lower（higher）observed temperature anomalies in north China . These characteristics consistent with theincrease（decrease）oftheintensity and scope ofthe Bohai Sea Ice anomalies and the related circulation differences in the winter .Eurtherinvestigation seems to suggest thatin the 200 hPa wind field thereis an apparent wave train from westto east related to the Barents Sea SST index and the wave train is an important way conveying the impact of the Barents Sea SST anomaliesin the upstream to the East Asian area . M oreover,the circulation anomalies in the lower troposphere can be attributed to the variations of the local Hadley circulation . Therefore,the Barents Sea SST anomalies ofthe fallcan be used as a predictor oftheice conditionsin the Bohai Sea during the following winter .

Key words:SST anomalies；Bohai Sea ice；atmospheric circulation anomalies；short-term climate prediction