（气象学专业论文）北极区域海冰异常变化与华北夏季降水的年际关系及其年代际变化.pdf

中文摘要 选用英国h a d l e y 气候研究中心的u k g i s s t 海冰面积指数资料集、 n c e p , r n c a r 逐月再分析资料5 0 0 h p a 位势高度场资料和中国1 6 0 站降水资料， 分析了冬季戴维斯海峡海冰面积变化与华北夏季降水年际关系及其年代际变 化。结果表明： 冬季北极海冰面积有明显的年际、年代际变化特点，冬季北极海冰面积变 化近5 0 年来有趋势性减少特征。 冬季戴维斯海峡海冰面积与华北7 月降水在年际变化尺度上有明显的反相 关关系。冬季戴维斯海峡的海冰面积增多( 少) ，同年华北7 月降水偏少( 多) 。 冬季戴维斯海峡海冰是影响华北7 月降水的“强信号”。 冬季戴维斯海峡海冰面积与华北夏季及7 、8 月降水年际关系有明显的年代 际变化特征：其与夏季总降水的年际关系由1 9 7 4 年前较好的负相关在1 9 7 4 年 后变差，与7 月降水的年际关系由1 9 7 4 年前较好的负相关在1 9 7 4 年后变弱， 与8 月降水的年际关系由1 9 7 4 年前较好的负相关在1 9 7 4 年后变差；另一方面， 其与中国1 6 0 站夏季及7 、8 月降水的年际关系在1 9 7 4 年前后发生变化的主要 特征是：与夏季总降水、7 月、8 月降水的年际关系由1 9 7 4 年前的相关系数分 布呈“东西型”变为1 9 7 4 年后相关系数分布呈“一+ 一”的“南北型”。 冬季戴维斯海峡海冰面积和北半球夏季、7 月5 0 0 h p a 位势高度场年际关系 的年代际变化主要是相关系数分布型的变化：1 9 7 4 年前，相关系数分布型呈一 个自新地岛开始经巴尔喀什湖到日本海的“一+ 一”型，该型和同期华北降水 的反相关较好；1 9 7 4 年后，相关系数分布型变为呈自乌拉尔山开始经贝加尔湖 到河套的“+ 一”型，该型和同期华北降水相关差。1 9 7 4 年前，冬季戴维斯海 峡海冰面积和北半球8 月5 0 0 h p a 位势高度场的相关系数呈一个自乌拉尔山开 始到鄂霍次克海以北分布的“+ 一+ ”型，该型和8 月华北降水的反相关较好； 1 9 7 4 年后，相关在欧亚大陆地区变差，没有明显的相关型，冬季戴维斯海峡海 冰面积和8 月华北降水关系变差。 关键词：海冰夏季降水年际关系年代际变化 a b s t r a c t t h ef e a t u r e so ft h ei n t e r a n n u a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n t e rs e a - i c ee x t e n to f d a v i ss t r a i ta n dr a i n f a l io fn o r t hc h i n aa n d 出ei n t e r d e c a d a l v a r i a b i l i t yo fi t s i n t e r a n n u a l r e l a t i o n s h i p a r e a n a l y z e db yu s m gu k g i s s t s e a i c ed a t a - s e to f h a d l e y m o n t h l y5 0 0 h p ah e i g h tf i e l do f n c e p ，n c a rr e a n a l y s i sd a t aa n dm o m m y m i n f a l ld a mf r o m1 6 0s t a t i o n si nc h i n a t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： n l ee x t e n to fa r c t i cs e a - i c eh a s a p p a r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r a n n u a l i n t e r d e c a d a lv a r i a b i l i t ya n d d e c r e a s i n gt r e n dd u r i n g t h el a s t5 0y e a r si nw i n t e r w i n t e rs e a - i c ee x t e n to fd a v i ss t r a i tw h i c hi s s t r o n gi n f o r m a t i o nf o rj u l y r a i n f a l lo fn o r t hc h i n ai sn e g a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hj u l yr a i n f a l lo fn o r t hc h i n a w h e nw i n t e rs e a - i c ee x t e n to fd a v i ss t r a i t i n c r e a s e s ( d e c r e a s e s ) ，j u l yr a i n f a l l o f n o r t hc h i n a d e c r e a s e s ( i n c r e a s e s ) 髓e a p p a r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r d e c a d a l v a r i a b i l i t y o fi m e r a r m u a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n t e rs e a i c ee x t e n to fd a v i ss t r a i ta n ds u m m e r , j u l ya n d a u g u s tr a i n f a l lo f n o r t hc h i n aa r e ：t h es t r o n g l yn e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nw i n t e r s e a - i c ee x t e n to fd a v i ss t r a i ta n ds u m m e rr a i n f a l lo fn o r t hc h i n at u r n si n t ob a d c o r r e l a t i o n n l es t r o n g l y n e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nw i n t e rs e a - i c ee x t e n to f d a v i s s t r a i ta n dj u l yr a i n f a l lo fn o r t hc h i n at u r n si n t ow e a k e rc o r r e l a t i o n t h es t r o n g l y n e g a t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nw i n t e rs e a - i c ee x t e n to fd a v i ss t r a i ta n da u g u s t r a i n f a l lo fn o r t hc h i n at u r n si n t ob a dc o r r e l a t i o n a 1 lt h et u r n - p o i n ty e a ri sa r o u n d 1 9 7 4 a n o t h e rf e a t u r eo fi n t e r d e c a d a lv a r i a b i l i t yo fi n t e r a n n u a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n w i n t e rs e a - i c ee x t e n to fd a v i ss t r a i ta n ds u m m e r , j u l ya n da u g u s tr a i n f a l lo f16 0 s t a t i o n si st h a tt h ei n t e r a n n u a lc o r r e l a t i o np a t t e mh a v ec h a n g e df r o me a s t - w e s t p a t t e mt o “+ - + ”n o r t h - s o u t hp a t t e r na r o u n d1 9 7 4 t h ei n t e r d e c a d a lc h a r a e t e r i s t i e so fc o r r e l a t i o nd i s t r i b u t i o n p a t t e m o f i n t e r a n n u a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n t e rs e a - i c ee x t e n to fd a v i ss t r a i ta n ds u m m e r , u l y5 0 0 h p ah e i g h to f n o r t h e r n h e m i s p h e r ea r e “一+ 一p a t t e r nf r o m t h eb e g i n n i n go f n o v o y az e m l y ai s l a n d ，b yw a yo fb a i k h a s hl a k et oj a p a ns e aw h i c hi ss t r o n g l y n e g a t i v e l y c o r r e l a t e dw i t ht h er a i n f a l lo f n o r t hc h i n aa tt h es a m e p e r i o db e f o r e1 9 7 4 a n d 十一”p a r e mf r o mt h eb e g i n n i n go fu r a lm o u n t a i n s b yw a yo fb u j rl a k et o h c t a ob a s i nw h i e l li sb a d l yc o r r e l a t e dw i 也t h er a i n f a l lo fn o r t hc h i n aa tt h es a m e p e r i o d a r e r1 9 7 4 t h ei n t e r d e c a d a l c h a r a c t e r i s t i c so fc o r r e l a t i o n p a r e m o f i n t e r a n n u a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n t e rs e a - i c ee x t e n to fd a v i ss t r a i ta n da u g u s t 5 0 0 h p ah e i g h to f n o r t h e r nh e m i s p h e r ei s “+ - + p a t t e r nf r o m u r a lm o u n t a i n st on o r t h o fs e ao fo k h o t s kw h i c hi ss t r o n g l y n e g a t i v e l yc o r r e l a t e dw i t h t h ea u g u s tr a i n f a l lo f n o r t hc h i n ab e f o r e1 9 7 4 ，a n di th a sn o ta p p a r e n tc o r r e l a t i o np a r e mi ne u r o p e a s i a c o n t i n e n ta f t e r19 7 4 k e yw o r d s ：s e a - i c e ；r a i n f m l o f n o r t h - c h i n a ；i n t e r a n n u a l r e l a t i o n s h i p ； i n t e r d e c a d a lv a r i a b i l i t y 第一章引言 1 1 研究目的及意义 大气环流形成和维持的根本原因之一在于太阳辐射随纬度的不均匀性1 1 j 。 作为极赤热机热汇的北极对大气环流的形成和发展有着重要的作用。海冰作为 北冰洋的重要组成部分，先影响极地天气、气候，再通过大气的相互作用影响 中低纬甚至南半球的大气圆，加之北极海冰由于对温室气体的敏感( 对南极而言) 正按每十年2 9 的速率在递减1 3 | 4 1 ，这必然引起人们的极大关注。海冰较之海 水、陆地而言，有其自身特性【5 l ：海冰有比地表高出至少6 0 的反照率，大 大减少了地表或海洋对太阳辐射的吸收：海冰的融化会吸收大量的热能( 约 8 0 卡，克) ，稀释海水的盐度海冰覆盖大大削弱了海洋与大气的热交换。海冰 阻止了海水的蒸发，使大气不可能得到向赤道那样的巨大潜热。海冰是很好 的热绝缘体，大大抑制了热容量很大的海水对大气的感热输送。与东亚夏季风 有密切联系的中国降水系统它不但受热带季风环流和副热带季风环流的影响， 而且还受中高纬度环流及其联系的冷空气的影响 6 1 。黄士松【7 垤出：冬季北极海 冰异常和赤道海温异常对大气环流有着同等重要的作用，前者的影响甚至超过 后者，应引起足够的重视。探讨北极海冰面积变化和中国降水的年际关系及其 年代际变化必然具有一定的理论和现实意义。 1 2 北极海冰研究现状与进展 1 2 1 北极海冰的时空特征 北极海冰空间分布特征：北极海冰( 不仅限于北极) 面积的变化具有较强 的地域性。北极海冰的面积变化有随经度变化的特性【5 ，8 ，9 10 】；夏季北极海冰冰界 的年际变化在多数经度超过5 纬度【1 0 】；文献 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】都发现冬季大西洋海盆北 极海冰面积变化和太平洋海盆北极海冰面积变化呈反位相分布；北极海冰的地 域性变化特征提示我们要因地而异地选择对我国天气气候有影响的区域。 北极海冰时间演变特征：w 酊s h i l 6 , 1 1 1 等人指出：热力过程的主要作用在于产 生年循环，动力过程的主要作用在于产生年际振荡。海冰的变化周期从数月到 数年，季节变化最为明显，2 3 月最大，8 - 9 月最j x 5 , 1 0 , 1 7 , 1 8 1 。汪代维等对此作了 分析，提出了适合北极季节变化的四季划分【1 9 】。人们更多地对北极海冰的年际 和年代际变化进行了研究。l a w r e n c ea m y s a ke ta 1 2 0 1 9 9 0 发现一个相当好的 1 0 年循环：格陵兰岛巴伦支海的海冰首先产生异常，然后逐年地在北极海盆内 按顺时针方向频散，完成一个l o 年振荡。海冰变化对同一地点因时而异，同一 时间因地而异。在7 0 。e l l o 。w 区域的海冰存在3 4 年的振荡【2 1 l ；冬季格 陵兰海冰有6 年变化周期，而春季格陵兰海冰明显存在1 2 年变化周期，另外还 有9 年和2 年的变化周期【2 。 1 2 2 北极海冰与大气的相互作用 大气对北极海冰的影响：海冰与大气的相互作用是一个问题的两个方面。 有人认为1 3 矧海冰面积的年际变化是由大尺度的大气环流所造成，这主要有由 北极的气温和风异常观察事实证实，海冰是大气持久作用的产物，目前这一结 论基本上为大家所接受。诺贝尔和平奖获得者f r i d t i j o fn a n s e n ( 1 8 6 1 1 9 3 0 ) 是 最早从事北极研究的科学家，提出风和洋流使得海冰在北极陆地，以及从北极的 西伯利亚到东格陵兰岛移动【2 4 。w a l s l l 【5 , 1 2 , 1 3 , 1 6 等研究表明北极地区的月平均气 温对北极海冰有持续性影响，而且海冰面积的年循环一般比大气的年循环滞后 1 2 个月。c l a r ad e s e r 掣1 2 】研究表明：冬季海冰变化的主要形式是和大尺度的 正的北大西洋涛动( n a o ) ，北极涛动( a o ) 的海平面气压( s l p ) 改变相联系 的；m y s a k 等【2 5 】分析1 9 7 2 7 3 ，1 9 8 2 8 3 ，1 9 9 1 9 2 三个北大西洋涛动( n a o ) 。e n s o 年认为：由于大气环流的改变造成持续几个月的冷的表面大气温度( s a t ) 异常， 使得哈得孙湾和拉布拉多海海区都有较大的海冰面积异常。 海冰对大气的影响：海冰作为冰雪圈的主要组成部分与短期气候( 年内， 年际，年代际) 变化存在十分重要的关系 5 1 。海冰影响全球大气的主要途径有 两个【1 4 0 6 0 7 】：一是通过大气环流调整的快变过程；另一是通过海洋调整的慢变 过程。海冰影响大气首先主要是使大气温度和海平面气压产生明显变化，然后 通过大气之间的相互作用影响中低纬甚至南半球地区【2 8 】。1 9 0 4b r e n n e k e 1 9 0 6 m e i n a r d u s r 2 9 就发现冰岛及格陵南海冰偏多( 重冰年) 时，冰岛及挪威海及挪威北 部气压低。反之亦然。目前的研究主要是以下几个方面： 基于遥相关型的研究： b j e r k n e s s 3 0 于1 9 6 6 年指出，大气对外源强迫可以产生一定的响应趋势。 r o g e r s 和v a n l o o n 【l 剐发现海冰影响对流层中上层的行星波，指出大尺度海冰异 常的位置与对流层中上层的大尺度行星波变动的年际变化一致。w a l l a c e 等【3 1 1 2 通过位势高度场的一点相关成功地证实了北半球典型大气遥相关型的存在事 实。h o s k i n s 3 2 1 等考虑二维球面运动中大气行星波的能量频散特征，较好地对遥 相关和遥响应的波列路径给予解释，提出了“大圆理论”。方之芳j 等的研究表 明：夏季极冰冷源的存在，可以激发一个具有相当正压结构的二维r o s s b y 波， 进而影响北美的天气气候。蒋全荣口1 埘】等也指出，北极区域海冰的异常可激发 出东大西洋( e a ) ，欧亚一太平洋( e u p ) 或类似于西太平洋( w p ) 的大气遥 相关型。朱乾根f l u 等讨论了海冰异常空间分布与后期5 0 0 h p a 大气遥相关和中 国气温的关系，指出，北极海冰面积异常的空间第一模态可以在北半球激发 b s m i 型遥相关( 经蒙古至印缅地区的波列) 并对我国后期气温产生影喻。 基于三大涛动的研究： w a l l g 3 5 】等研究了北美哈德孙湾，巴芬湾和拉布拉多海海冰与南方涛动( s 0 ) 负相关关系。文献川指出：北极海冰春，夏，秋，东四季对北极涛动( a o ) 有 很好的晌应，而对北大西洋涛动( n a o ) 仅在春，冬。欷明显，夏天较弱。m e i j i h o n d a 3 7 】分析了阿留申低压和冰岛低压的年际跷跷板变化。m y s a k 2 5 1 等利用互相 关系数分析方法认为：冬季北极( 3 ，4 区) 的大气温度( s a t ) 和夏秋两季的 南方涛动( s o ) 有显著相关，和北大西洋涛动( n a 0 ) 秋季相关。钱步东【3 8 】 等研究了不同区域的海冰与e l n i n o 的关系在时间和空间存在很大差异。 基于季风系统的研究： 杨修群吲等( 1 9 9 5 ) 研究了夏季北极海冰异常对大气环流和亚洲季风的影 响，发现北极冰偏多和赤道中东太平洋增暖对夏季北半球大气环流具有同等效 应，在某些情况下海冰的影响还可超过海温的影响。吴炳义4 0 l 等研究表明，冬 季巴伦支海，喀拉海海冰面积偏大，则亚洲太陆的冷高压减弱，使得东亚冬季 风偏弱及2 月份侵入我国的冷空气减少。数值试验指出( 4 f j ：北极海冰异常偏大， 则我国夏季风偏弱。许多学者也对海冰与东亚季风各系统的相互联系进行了研 究：方之芳f 4 2 l 的研究发现：月北极海冰面积偏多年份，太平洋副热带高压偏 南。文献 2 6 1 表明，冬季( 1 2 。, 2 月) 咯拉海、巴伦支海海冰面积变化与西伯利 亚高压强度指数、东亚冬季风强度指数均呈现相反的变化趋势，海冰偏多( 少) ， 则西伯利亚高压偏弱( 强) 东亚冬季风也偏弱( 强) 。彭公炳【5 】等研究了北极 海冰与我国长江上中游汛期降水间的关系，发现我国长江上中游汛期降水量与 北极海冰面积有滞后6 个月左右的负相关关系。 基于冰海气耦合系统的研究 m y s a k 等鲫认为北大西洋海水“大的盐度异常事件”( g r e a ts a l i n i t y a n o m a l y ) 是仅次于e n s o 事件的第二大海洋异常信号。冬季与北大西洋接壤 的北极海冰面积变化与北大西洋区域气候有着非常密切的联系，北大西洋涛动 指数处于异常偏高( 低) 时期，冰岛低涡加深( 减弱) ，位置偏北，北大西洋副 热带高压也偏强( 弱) ，受其影响中纬度北大西洋海温升高( 降低) ，因而增强 ( 减弱) 暖洋流向高纬度地区输送，注入巴伦支海的北大西洋海水增多( 减少) ， 致使巴伦支海南部混合层水温偏高( 偏低) 【4 3 1 。周天军【“】等发现热盐环流强度 的变化与北大西洋涛动呈显著负相关，大陆冰盖迸退引起的北大匿洋的水文循 环和热盐环流的变化以及导致的气候变化更触目惊心。北大西洋气候变化的 时间尺度冷暖时段出现和结束的突然性都是热盐环流引起的 1 7 。 1 3 本文拟解决的问题 已有研究表明，海冰对大气的反馈机制目前还存在很大争议。一方面肯定 海冰异常变化对大气环流及气候变化有着重要影响：另一方面，对海冰影响大 气的物理机制和物理过程都还有好多未知之处。海冰与季风系统的关系大都是 同期相关和滞后数月的相关，与降水的年际关系以及年际关系的年代际变化研 究较少。从理论和现实的要求出发，本文拟作以下工作： 1 ) 研究和分析冬季北极海冰面积变化的时空变化特征。 2 ) 研究和分析冬季北极海冰面积年际变化的时空特征。 3 ) 研究和分析影响华北夏季降水的北极海冰“强信号”区域。 4 ) 研究和分析冬季北极海冰“强信号”区海冰面积变化与华北夏季降水的年 际关系。 5 ) 研究和分析冬季北极海冰“强信号”区海冰面积变化与华北夏季降水年际 关系的年代际变化。 6 ) 研究和分析冬季北极海冰“强信号”区海冰面积变化与华北夏季降水年际 关系的年代际交化与大气环流的关系。 4 第二章资料说明和方法 2 1 资料说明 1 海冰资料：取自英国h a d l e y 气候研究中心的u k g i s s t 资料集，时间 从1 9 0 3 年1 月至2 0 0 1 年1 2 月。海冰面积指数值从0 1 0 ( 网格点范围无海冰) 到 1 0 1 0 ( 网格点范围全为海冰) 分1 0 个级别来表示，分辨率为l 。x 1 。( 经度纬度) ， 它反映了海冰面积大小。按照文献【1 2 】的描述，1 9 5 3 年前海冰资料可信度较差， 结合中国1 6 0 站降水资料的年限，海冰资料也从1 9 5 3 年开始，2 0 0 0 年结束。 2 1 9 5 3 2 0 0 0 年n c e p n c a r2 5 。x 2 5 。经纬网格逐月5 0 0 1 - 1 p a 位势高度 场再分析资料。 3 1 9 5 3 2 0 0 0 年国家气候中心整编的中国1 6 0 站夏季( 6 8 月) 逐月降 水量。 2 2 方法简介 1 ) 相关分析 用以描述两个时间序列之间相互关系的方法，主要用相关系数r 表示，绝 对值r 越大表示两者之间关系越密切。一般用t 检验来判断其相关的可信程度。 假设两个时间序列x 、y ，其样本长度均为n ，其中必须有一个一维时间序列( 设 为x ) ，那么，相关系数表达式为： o 。一- ) 。一- ) 2 ) 经验正交函数展开( e o f 分析) 功能：从一个气象场多次观测资料中识别出主要空间型及其时间演变规律 即是把原变量场分解为正交函数的线性组合，构成为数很少的不相关典型模态 代替原始变量场，每个典型模态都含有尽量多的原始场信息的一种方法。 方法：将某气候变量场以矩阵表示 x = x l lx 2x 1 j x 2 1x 2 2 。x 2 j x i lx i 2 x 口 x m ix m 2 x m f 作e o f 展开，将上式分解成空间函数和时间函数两部分的乘积之和 x = v t 其中v 、t 分别称为空间函数矩阵和时间函数矩阵。且根据正交性，v 、t 应 该满足以下条件 v mv “= 1 r 茸f 口= 0 当k = ，时 当k z 时 其显著性检验可采用n o r t h 4 5 等人提出的计算特征值误差范围的方法。 特征值旯= 的误差范围是： e ，= 兄，囟乃， n 为样本量。 。 。冗 当相邻的特征值丑川满足以一+ 口j 时，就认为这两个特征值所对应的经验正 交函数是可分离的，为有价值的信号。 3 ) 滑动平均 滑动平均相当于低通滤波器，用确定时间序列的平滑值来显示变化趋势。 对样本为n 的序列x ，其滑动平均序列表示为： 1 工 x j = 。 k x i + 一1 ( j = l ，2 ，n - k + 1 ) 6 靠 式中k 为滑动长度，通常取作奇数。通过滑动平均后，序列中短于滑动长度的 周期大大削弱，显现出变化趋势。 4 ) 滑动相关分析： 为了反映相关的年代际变化，采用了滑动相关的计算方法。滑动相关系数 可表示为： t o 一+ n 【x ( f ) 一i ( ，o ) 【_ y o ) 一y ( t o ) 】 1t o + n 这里牙) = x ( r ) ，l = 2 n + l 为滑动窗口长度。 ，爿1 一n 第三章冬季北极海冰面积变化特征分析。 3 1 冬季北极海冰面积变化时空特征 根据文献【1 9 】提出的北极海冰面积变化的四季划分，选择2 4 月为北极海冰 面积变化的冬季( 2 月、3 月、4 月三个月的平均) 。对冬季北极海冰面积进行 e o f 分析，再用n o r t h 4 5 】准则对分解结果进行检验。前1 0 个特征向量占总方差 的7 6 1 ，基本上能反映出冬季北极海冰的时空变化特征。限于篇幅，仅给出第 一个模态的特征情况。 图3 1 1 冬季北极海冰面积指数距平e o f 第特征向量( 1 9 5 3 2 0 0 0 ) ( 扩大1 0 0 倍) ( a ) 和相应的时间系数( b ) 图3 1 1 a 为冬季北极海冰面积距平e o f 分解第一特征向量分布图( 第一特 征向量占总方差百分比2 7 7 ) 。第一模态表明冬季北极海冰面积距平分布主要 有三个正中心：一个在格陵兰海，呈南北向椭圆状，另一个在巴伦支海，呈东 西向带状分布，这两个正的中心从格陵兰岛以东至新地岛以西紧密相连，第三 个弱的正中心位于舍利霍夫湾附近；负的距平中心主要位于戴维斯海峡附近， 格陵兰岛东西向海冰面积变化呈反位相变化，另一个负的中心位于鄂霍次克海 附近。说明这些海区海冰面积异常变化最强。北大西洋部分海冰面积变化和太 平洋部分海冰面积变化呈反位相的变化特征。文献 1 2 , 1 3 , 1 4 , 4 6 , 4 7 1 也得到类似的结 果。 图3 1 1 b 为冬季北极海冰面积距平e o f 第一模态对应的时间系数分布图。 其年际、年代际变化特点明显，而且有明显的趋势性下降。1 9 7 4 年前冬季北极 海冰第一特征向量对应的时间系数值基本为正，这表明1 9 7 4 年前冬季北极海冰 大都为图3 。1 1 a 的模态分布，1 9 8 9 年后该时间系数值为负，说明1 9 8 9 年后冬 季北极海冰为图3 1 1 a 的反位相状态。1 9 7 4 年一1 9 8 9 年冬季北极海冰面积距平 e o f 第一模态对应的时间系数值在0 线附近作正负振荡，说明图3 1 1 a 的模态 及其反位相模态都不时的出现，1 9 7 4 年后冬季北极海冰面积距平e o f 第一模 态具有明显的年代际变化特征。 综上所述：冬季北极海冰的面积变化具有明显的地理分布特征，主要面积 变化区域位于格陵兰海，巴伦支海、戴维斯海峡、鄂霍次克海。其变化有明显 的年际、年代际特点，冬季北极海冰面积变化近5 0 年来有趋势性减少特征”毗。 3 2 冬季北极海冰面积年际变化时空特征 由上分析可知，冬季北极海冰面积变化有明显的年际、年代际变化特点。 参照文献 4 8 的方法，原始资料减去1 1 a 滑动平均滤波后的时间序列作为年际 尺度的变化场，并都以1 1 a 滑动平均后的时间序列长度作为年际变化尺度时间 长度。 图3 2 1 冬季北极海冰年际变化( 1 9 5 8 1 9 9 5 ) 面积指数距平e o f 第一特征 向量场( 扩大1 0 0 倍) ( a ) 和相应的时间系数( b ) 图3 2 1 a 为冬季北极海冰在年际变化尺度上面积距平e o f 分解第一特征向 量分布图( 第一特征向量占总方差百分比2 4 4 ，前l o 个特征向量占总方差 百分比7 2 9 ) 。图3 2 1 a 在北大西洋区域海冰面积年际变化区域的地理位置 虽然和图3 1 1 a 大致一样，但是，从格陵兰岛以东至新地岛以西分成两个独立 的正的距平中心，而不是紧密相连，位于戴维期海峡附近负的中心区域要比图 3 1 1 a 的区域大。在北太平洋区域，负的海冰面积距平中心区域主要位于白令 海峡，呈东西向带状分布而不是位于鄂霍次克海附近。北大西洋部分海冰面积 变化和太平洋部分海冰面积变化虽也呈相反的变化特征，但是区域和地理位置 却发生了很大变化。 图3 2 1 b 为冬季北极海冰面积在年际变化尺度上面积距乎第一模态对应 的时间系数分布图。比较图3 2 1 b 和图3 1 1 b 可知，北极海冰的面积变化近 5 0 年来趋势性减少的变化特征基本被消除，高频的年际变化特征较明显。 综上所述：冬季北极海冰面积的年际变化有其自身特点，从格陵兰岛以东 至新地岛以西分成两个独立的正的距平中心，戴维斯海峡附近有负的距平中心。 在北太平洋海域，负的海冰面积距平中心区域主要位于自令海峡，北大西洋部 分海冰面积变化和太平洋部分海冰面积变化也呈相反的变化特征。 9 第四章影响华北夏季降水的北极海冰“强信号”区域 4 1 影响华北夏季降水的北极海冰“强信号”区域的选择 气候系统取代了经典气候概念被王绍武称为是气候学的一次革命“”。在年 际时间尺度气候变化的研究中，人们特别注意气候系统中的“强信号”啪1 。海 冰作为冰雪圈的主要组成部分与气候变化存在十分重要的关系5 3 。黄士松等”1 指出：冬季北极海冰异常和赤道海温异常对大气环流有着同等重要作用，前者 影响甚至超过后者。柏晶瑜等。”揭示了北极海冰“强信号”区与中国区域夏季 降水的相关分布。 影响中国汛期夏季降水的因素多，也非常复杂溆3 。取承德，北京，天津， 石家庄，德州，邢台，安阳，烟台，青岛，潍坊，济南，临沂，菏泽，郑州， 长治，太原，临汾1 7 站降水平均值作为华北降水，这与“九五”重中之重项目 执行组所提出的该地区代表站是一致的，将其标准化作华北降水指数。由上分 析可知北极海冰面积变化存在明显的年代际变率。文献 5 3 指出华北夏季降水 存在明显的年代际变率，因此计算了去除年代际变率的华北夏季总降水指数及 夏季各月( 6 ，7 ，8 月) 降水指数与北极海冰面积指数的相关系数，寻找在年 际时间尺度上影响华北夏季总降水及夏季各月的北极海冰面积变化“强信号” 区。 图4 1 ，1 华北夏季总降水指数与前期冬季北极海冰面积指数的年际变化的相 关系数分布圈( 阴影区通过0 0 5 的显著性水平检验) 图4 1 1 为华北夏季总降水指数与冬季北极海冰面积的年际变化相关场。 由图可见，影响华北夏季总降水的区域较多。哈得孙湾附近有- - , j , 块负中心； 在和北大西洋接壤的海域中，从戴维斯海峡经迪斯科岛到巴芬湾附近有一狭长 的负相关区，格陵兰岛东南角出现一个明显的负相关区，冰岛以北的格陵兰海 南部海域是一负相关区，格陵兰海以东至斯瓦尔巴群岛里南北分布的负相关区， 从巴伦支海到新地岛附近有两个负的相关区。 图4 1 2 为华北6 月降水指数与冬季北极海冰面积指数的年际变化相关场。 l o 圈4 1 2 华北6 月降水指数与前期冬季北极海冰面积指数的年际变化尺 度相关系数分布图( 阴影区通过0 0 5 的显著性水平检验) 由图可见，北极海冰面积变化和华北6 月降水的相关系数大都是负值，“强 信号”区主要是格陵兰海以东至斯瓦尔巴群岛和白令海峡以北的海域( 通过0 0 5 显著性检验的区域) 。总体而言，影响华北6 月降水的北极海冰“强信号”区域 范围不大而且不多。 图4 1 3 华北7 月降水指数与前期冬季北极海冰面积指数的年际变化尺 度相关系数分布图( 阴影区通过o 0 5 的显著性水平检验) 图4 1 3 为华北7 月降水指数与冬季北极海冰面积指数的年际变化相关场， 影响华北7 月降水的“强信号”区域要比6 月多。格陵兰海以东至斯瓦尔巴群 的负相关中心仍然存在，只是范围有所缩小( 和6 月相比) 。而新地岛，冰岛以 北的格陵兰海南部，戴维斯海峡至巴芬湾这3 个地方则呈现出明显的负相关。 白令海峡以北的区域要比6 月的区域小。 图4 1 4 华北8 月降水指数与前期冬季北极海冰面积指数的年际变化尺度 的相关系数分布图( 阴影区通过0 0 5 的显著性水平检验) 图4 1 4 为华北8 月年际降水指数与冬季北极海冰面积指数的年际变化相关 场。和6 月、7 月相比，影响华北8 月的“强信号”区域多而且范围大。新地岛 附近海域和7 月负的相关区域相差不大，格陵兰海以东至斯瓦尔巴群岛的范围也 比7 月的面积大许多。冰岛以北的格陵兰海南部海域要比7 月海域范围小，在格 陵兰岛东南角出现一个明显的负相关区。在格陵兰岛以东海域，8 月的相关区域 要比7 月偏北，大致位于巴芬湾附近。白令海峡以北的海域没有出现达到信度的 相关区域。 综上所述：影响华北夏季总降水及夏季各月年际变化尺度上的北极海冰“强 信号”区除6 月有明显不同外，7 月、8 月和夏季的北极海冰“强信号”区域大 同小异。主要的“强信号”区位于戴维斯海峡，格陵兰海、巴伦支海这三个区 域。 4 2 影响华北夏季降水的北极海冰“强信号”区的确定 冬季北极海冰确有影响华北夏季各月年际降水的“强信号”区。为进一步 分析冬季北极海冰“强信号”与中国华北夏季降水的年际关系及其年代际变化， 选取华北夏季7 月份与戴维斯海峡中相关值较大区即大致( 一5 7 5 一5 1 5 。w 。6 3 5 6 9 5 。n ) 作为研究对象( 文献 5 1 对影响华北夏季降水北极海 冰的“强信号”区作了较好的分析，7 月是华北夏季雨季的主要月份之一呻1 ) ， 并将该区域的海冰面积指数作面积平均再标准化，作为冬季戴维斯海峡海冰面 积指数，并参照文献 4 8 的方法得到冬季戴维斯海峡海冰面积年际变化指数， 得一时间序列。 第五章冬季戴维斯海峡海冰面积变化与华北汛期降水的年际 关系及其年代际变化 5 1 冬季戴维斯海峡海冰面积变化与华北汛期降水的年际关系 图5 1 3 冬季戴维斯海峡海冰面积指数( 实线) 与华北7 月降水指数( x - 线) c e 图5 1 4 冬季戴维斯海峡海冰面积指数( 实线) 与华北8 月降水指数( 虚线) 值 图5 1 1 至图5 1 4 分别为冬季戴维斯海峡海冰面积指数和华北夏季总降 水、6 月、7 月、8 月降水指数年际变化时序曲线，可见相关关系在不同的月份 明显不同，月季差异较大。冬季戴维斯海峡海冰面积和夏季总降水的相关系数 为一o 2 5 ，与6 月降水的相关系数为0 ，0 5 ，均达不到0 0 5 的显著性水平检验， 7 月份的相关系数为一o 3 3 ，达到了0 0 5 的显著性水平检验，8 月份的相关系 数为一o 1 4 ，也达不到0 0 5 的显著性水平检验，这和上面分析的结果基本符合。 这是因为所选的戴维斯海峡区域，是以该区域海冰面积和华北7 月降水的相关 系数大值区为主，这也从另一方面说明了华北夏季年际降水对北极海冰的区域 的选择十分敏感。在年际变化尺度上冬季戴维斯海峡海冰面积与华北7 月降水 有显著的反相关关系，冬季戴维斯海峡海冰面积偏多( 少) 时，华北7 月降水 偏少( 多) 。 圈5 1 5 冬季戴维斯海峡海冰面积指数与夏季中国1 6 0 站降水的年际相关 分布( 阴影区通过0 0 5 的显著性水平) 图5 1 6 冬季戴维斯海峡海冰面积指数与6 月中国1 6 0 站降水的年际相关 分布( 阴影区通过o 0 5 的显著性水平) 图5 】7 冬季戴维斯海峡海冰面积指数与7 月中国1 6 0 站降水的年际相关 分布( 阴影区通过o 0 5 的显著性水平) 图5 i 8 冬季戴维斯海峡海冰面积指数与8 月中国i6 0 站降水的年际相关 分布( 阴影区通过o 0 5 的显著性水平) 为了进一步分析冬季戴维斯海峡海冰面积变化与中国华北夏季降水的年际 关系，计算了冬季戴维斯海峡海冰面积变化与中国1 6 0 站的年际变化尺度上的 相关。由图5 i 5 看出，冬季戴维斯海峡海冰面积变化对中国夏季降水的影响 区域主要位于东北和华北北部。石家庄附近有一东西向的负的相关中心，所选 的华北区域中的山东半岛大部相关系数处于零值区，且未通过0 0 5 的显著性水 平检验，因而冬季戴维斯海峡海冰面积变化对华北夏季降水影响也不太显著， 这和上面的结果基本一致。在6 月的相关图中，冬季戴维斯海峡海冰面积变化 对中国6 月降水的影响区域不是很多，所选的华北降水区相关系数大部为正值 ( 未通过0 0 5 的显著性水平检验) ，这和上文所得结果是一致的。而7 月的相 关图上，河套以东和渤海湾存在两个负相关中心( 通过0 0 5 的显著性水平检 验) ，华北降水区域大部处于负的相关系数区。冬季戴维斯海峡海冰的确是影响 华北7 月降水的“强信号”。8 月的相关系数分布图上，虽然石家庄附近有一负 的相关中心，但是黄河以东自山东半岛的大部区域相关系数处于正值区，所以 冬季戴维斯海峡海冰面积和8 月华北降水相关也不好。 综上所述：冬季戴维斯海峡海冰面积变化与华北夏季降水的年际关系月季 变化较大，其与华北7 月降水在年际变化上有明显的反相关关系。冬季戴维斯 海峡的海冰面积增多，同年华北7 月降水偏少，反之亦然。冬季戴维斯海峡海 冰是影响华北7 月降水的“强信号”。 5 2 华北夏季降水与冬季戴维斯海峡海冰面积变化的年际关系的年 代际变化 2 0 世纪9 0 年代中期，年代际气候变率成为国际气候学研究的热门问题田1 。 k u m a r 等”1 利用1 4 0 a 的历史资料分析了e n s o 和印度夏季风的负相关关系，认 为这种关系在1 9 8 0 年代后变弱。g r a h a m 等“对2 0 世纪7 0 年代北太平洋发生 的气候突变作了总结：以1 9 7 6 1 9 7 7 年冬季为界，在此之后阿留申低压加深， 北太平洋中部s s t 下降。 图5 2 1 冬季戴维斯海峡海冰年际变化面积指数与华北夏季总降水年际 变化指数的1 l a 滑动相关 图5 2 2 冬季戴维斯海峡海冰年际变化面积指数与华北6 月年际变化降水 指数的1 l a 滑动相关 图5 2 3 冬季戴维斯海峡海冰年际变化面积指数与华北7 月年际变化降水 指数的l l a 滑动相关 图5 2 4 冬季戴维斯海峡海冰年际变化面积指数与华北8 月年际变化降水 指数的l i a 滑动相关 冬季戴维斯海峡海冰面积变化和中国华北夏季降水从1 9 5 8 年至1 9 9 5 年除7 月份反相关明显外，其他月份并不明显，那么冬季戴维斯海峡海冰面积变化与 华北夏季总降水及夏季各月降水在年际变化上的相关关系是否一成不变，是否 存在某一年代际阶段相关较好，两另一年代际阶段相关不好，为此，作a 滑 动相关分析。 由图5 2 1 可见，冬季戴维斯海峡海冰面积变化与华北夏季总降水的年际 关系从1 9 6 3 年至1 9 9 0 年的相关关系存在明显的年代际阶段特征，1 9 7 4 年前两 者的相关系数为一致为负值，而且1 9 7 4 年前大多数的相关系数都通过了0 1 的 显著性水平检验，1 9 7 4 年后两者的相关系数既有正值也有负值( 都未通过0 1 的显著性水平检验) ，在年际变化尺度上冬季戴维斯海峡海冰面积变化与华北夏 季总降水的相关关系在1 9 7 4 年以后变差，两者的关系存在显著的年代际阶段 性。冬季戴维斯海峡海冰面积变化与华北6 月降水的年际关系( 图5 2 2 ) 从 1 9 6 3 年至1 9 9 0 年均表现为不太好的相关关系，表现为两者的相关系数都没有 达到0 1 的显著性水平检验( 因此下文不再对冬季戴维斯海峡海冰面积和华j b 6 月降水的关系作进一步的分析) 。图5 2 3 冬季戴维斯海峡海冰面积变化与华 北7 月降水的相关系数值从1 9 6 3 年至1 9 9 0 年均表现为一致的负值，更为重要 的是t 9 7 4 年后两者的负相关系数值明显地减小，1 9 7 4 年前两者的相关系数值 都通过了0 0 5 的显著性水平检验，1 9 7 4 年后两者之间的相关系数值都通过不 了