1980S末欧亚积雪、地表温度和大气环流的年代际变化外文翻译资料

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1980S末欧亚积雪、地表温度和大气环流的年代际变化

叶坤辉，吴仁广，刘勇

1香港中文大学太空与地球信息科学研究所，香港

2 中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心，中国 北京

摘要：北方冬春季欧亚雪盖面积和雪水当量在1980S末显著减少，观测发现，北大西洋和欧亚表面均在增暖。本次研究阐述了积雪、地表温度和风场三者间年代际变化的关系，以及这种变化的可能原因。分析表明，仅在一些有限区域中，积雪减少会导致气温增加，而地表增暖更多地是与大气环流的变化相关。研究发现，大气环流变化通过风引起的温度平流变化和云-辐射变化对地表增暖产生影响。在北大西洋和欧亚的风场变化中，可以辨别出一个波列，在欧洲上空为异常反气旋，而在东欧和亚洲中纬为异常南风。异常南风从低纬输送暖空气使得地表增暖，而异常反气旋也可通过带来海上的暖空气产生异常暖平流，以及通过抑制上升运动而增强向下短波辐射导致欧洲地区增暖。这种波的分布型可能与赤道大西洋的增暖有关，赤道大西洋的海表温度（SST）的升高会增强对流活动，并引发SST变暖的西北部低层产生异常气旋。北大西洋赤道地区SST增加对欧亚波列形成的这种作用通过大气环流模式的数值试验也得到了证实。

1. 引言

一个多世纪前，Blanford[1884]发现印度夏季风（ISM）的变化与喜马拉雅山脉积雪存在一定的联系。自此以后，出现了许多关于积雪与气候，特别是与季风联系的研究。积雪通过其两种主要效应对气候变化的产生影响：（1）通过积雪的高反照率以及融雪吸热来调制地表能量平衡，以及（2）积雪融化湿润土壤——水文效应[Barnett et al.，1989；Yasunari et al.，1991]。已有许多实质性工作致力于理解欧亚积雪对东亚季风变化的影响。欧亚和喜马拉雅山冬春积雪与ISM的负相关关系得到广泛认可[例如，Walker，1910；Hahn and Shukla，1976；Kripalani et al.，1996，2003a；Kripalani and Kulkarni，1999；Fasullo，2004；Dash et al.，2005；Singh and Oh，2005]，这种关系在模式模拟中也得到了再现[例如，Barnett et al.，1989；Yasunari et al.，1991；Watanabe and Nitta，1998；Dash et al.，2006]。研究还发现，欧亚和青藏高原积雪变化可以影响东亚地区春夏降水[例如，Yang and Xu，1994；Chen and Wu，2000；Kripalani et al.，2002；Wu and Qian，2003；Zhang et al.，2004；Wu and Kirtman，2007；B. Wu et al.，2009；Zuo et al.，2012a]，如西西伯利亚春季雪盖与中国南部春季降水存在正相关关系[Wu and Kirtman，2007]。

之前的研究表明，积雪存在年代际变化。通过对欧亚西部积雪深度的探测发现，1980S之后积雪呈增加趋势[Kripalani et al.，2003a，2003b]。欧亚地区三月和四月的雪盖面积（SCE）在过去约90年中减少，并且在过去的40年里其减少的速度在不断加快[Brown and Robinson，2011]。在1980s末，欧亚北部春季SCE[Watanabe and Nitta，1999；Yim et al.，2010]与积雪水当量（SWE）[B. Wu et al.，2009；Z. Wu et al.，2009；Zuo et al.，2012a，2012b]均存在年代际增加，这种SWE的年代际转变可以导致中国南部春季降水减少[Zuo et al.，2012a，2012b]。

Zuo et al. [2012a，2012b]将SWE与中国南方1980s末降水的变化这二者间的联系归因于通过积雪调制地表热通量进而造成的大气环流的变化。然而值得注意的是，积雪与大气间存在相互作用。在积雪变化通过其反照率效应及融化吸热来影响地表气温（SAT）的同时，SAT也可为降雪和雪的累积提供背景环境。此外，SAT的变化也可能与大气进程存在联系。然而，是什么原因造成1980s末积雪的年代际变化，这一问题还未得到解决。本次研究将证明1980s末欧亚积雪、SAT和大气环流的年代际变化，并探讨这些不同变量年代际变化间的关系，旨在阐明这些年代际变化的可能原因。

本文的结构组成如下：第2部分为本文所用到的数据和方法；第3部分介绍了欧亚SCE和SWE的年代际变化；而SAT和地表风场的年代际变化则在第4部分呈现；第5部分通过对地表热通量变化的分析讨论了积雪变化对SAT变化的贡献；对流层大气环流的变化、以及北大西洋SST变化的作用则在第6部分阐述；最后，在第7部分对研究结果进行总结。

2. 资料和方法

本研究使用来自美国冰雪资料中心（NSIDC）提供的北半球等面积可扩展地球格点（EASE-Grid）2.0逐周雪盖和海冰面积（v4）资料[Brodzik and Amstrong，2013]，该资料的时间范围为1966-2011年，空间分辨率为25km。在本研究中将原始的逐周数据资料处理成11的逐月数据，同时也使用来自NSIDC的1979-2007年卫星反演逐月EASE-Grid积雪水当量，格点分辨率为25km，并将其插值呈11的等经纬格点数据。

海表温度（SST）资料采用英国国家气象局哈德利中心的11等经纬格点数据[Rayner et al.，2003]，时间从1850年至今，更多关于SST资料的信息可以在http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/上获取。东英吉利大学气候研究中心（CRU）提供的CRU TS 3.21资料也用于本次研究中，该资料包含全球地表0.5°分辨率的地表气温（SAT）数据，为，时间从1901至2012年。

本文使用NOAA国家环境预报中心（NCEP）与国家大气研究中心（NCAR）的地表（10m）、850hPa和250hPa风场，以及地表热通量的再分析资料[Kalnay et al.，1996]，时间从1966至2011年。其中，地表风场和地表热通量资料在T62高斯格点上，850hPa和250hPa风场资料在2.5等经纬度网格点上。日本55年（JRA-55）再分析的地表热通量、500hPa垂直速度和总云量（TCC）资料[Kobayashi et al.，2015]也用于此次研究。此外，我们还使用JRA-55的地表（10m）、850hPa和250hPa风场资料。JRA-55由日本气象厅提供，时间范围为1966-2011年，空间分辨率为1.25等经纬格点。在本研究中，约定地表热通量向下为负。我们对来自NCEP-NCAR和JAR-55再分析资料的以上所有变量均进行了分析，但只选用了来自NCEP-NCAR的风场再分析资料，以及JAR-55的地表热通量、垂直速度和总云量再分析资料，基于这两种数据源所得到结果的一致性和差异性（本文略去）也将在今后进行讨论。

利用经验正交函数（EOF）分析来辨认欧亚春季与冬季的SCE和SWE年代际变化主模态，并通过谐波分析移除这些资料9年以内的变化，以便着重关注年代际尺度的变化。

3. SCE与SWE的年代际变化

春季SCE和SWE年代际尺度变化的EOF主模态如图1所示，该模态分别解释了SCE和SWE年代际变化方差的39%和59%，根据North et al.[1982]，其可以与其余的EOF模态分离，二者在欧亚北部大范围区域中均表现出相同的信号（图1a和1b）。SCE的空间模型在欧洲中部和北部、西西伯利亚北部，以及贝加尔湖附近从90E向东至120E的带状区域表现出较大异常（图1a）。SWE的空间模型在60N向极的大范围区域均存在大的异常区（图1b）。相比之下，SCE的异常大值区较SWE而言位于更低纬度。相应的主成分图（PC1）反映出在1989年存在转变（图1c和1d），这种年代际转变造成了SCE（SWE）在1989-2011（1989-2007）年的显著减少。即便本研究的EOF分析使用了最新资料且研究区域有所差别，但上述的SWE特点仍与Zuo et al.[2012a]的研究一致。

图1 （a和c）1967-2011年期间北方春季雪盖面积和（b和d）1979-2007年期间北方春季雪水当量的EOF主模态与相关主成分。利用谐波分析移除了数据中9年以下的变化，雪盖面积的主EOF模态的主成分单位为%，雪水当量的为毫米，EOF主模态解释方差的百分比显示在1c和1d上方

春季SCE和SWE的年代际减少在差值场分析中也得到了证实，利用1989-2011（1989-2007）与1967-1988（1979-1988）时间段求得的SCE（SWE）差值场如图2所示，所得结果与EOF分析的结果基本一致。总体而言，SCE与SWE在欧亚北部大部均表现出减少情况（图2a和2b）。SCE的显著减少区域位于欧洲北部、里海的西北部、贝加尔湖附近的从约100E向东至120°E的区域，以及西伯利亚北部地区（图2a），而SWE的显著减少区域主要在55N以北地区（图2b）。与SCE减少区域相比，SWE的减少区域位于更高纬度，这种SWE的差异与Zuo et al.[2012a]的研究一致。

图2 北方春季（a）1989-2011和1967-1988年之间雪盖面积与（b）1989-2007和1979-1988年之间积雪水当量的差值图。雪盖面积差异的单位为%，积雪水当量差异的单位为100mm，通过0.05显著性水平检验的差值显著区已打点

同样，也对冬季的SCE与SWE在年代际尺度上的变化进行了EOF分析，发现其具有相同的转变（图略），SCE（SWE）在1989年左右减少。值得一提的是，SCE的主空间模态受欧洲大范围地区的主导，而SWE的主空间模态与相应的春季分布大致相同，在图3相应的差值场中也可以清晰地看出这种特点。从中欧向东南至里海东部的这片区域中，SCE显著减少（图3a），而SWE的显著减少区域主要从欧洲北部向东延伸至东西伯利亚南部地区（图3b）。比较之下可以看出，SCE减少区域在低纬，而SWE减少区域主要在50N以北。相比春季，冬季SCE和SWE减少的范围较小。

图3 与图2相同，但为北方冬季

4. SAT与地表风场的年代际变化

在此部分，1989-2011和1967-1988年分别对应低于正常值和高于正常值的SCE时间段，我们利用这两段时间建立SAT和大气风场的差值场，旨在识别SAT和大气环流是否存在与积雪变化一致的年代际变化。

图4 基于CRU数据集的（a）北方冬季和（b）北方春季1989-2010和1966-1988年之间地表气温的差值图。单位为C，通过0.05显著性水平检验的差值显著区已打点，未填充方框的含义将在本文（第5部分）给出

SAT的显著增加与积雪的年代际减少相对应，图4所示为北方冬季和夏季的SAT差值场。冬季，从北欧向东延伸至东西伯利亚的带状区域为一高于1C的明显暖区（图4a），一些地区增暖可达2C左右（如北欧），而在西西伯利亚北部地区还存在一些相对比较小的不显著增温区。春季温度的变化主要表现出在欧洲和西伯利亚地区为超1℃的增暖区（图4b），而东欧与西俄的变化相对较小。

研究发现，地面风也表现出相应的显著变化，由NCEP-NCAR再分析得到的冬季与夏季的地面风差值如图5所示。在北方冬季，欧亚地区存在显著的大范围地面风的变化（图5a），从北大西洋东部经欧洲南部至西亚，此范围上空为一大型反气旋环流；欧亚高纬的大部地区受气旋影响，同时中纬度地区受南风与东南风控制；而在蒙古上空存在一个反气旋。欧亚春季的地面风与其冬季的风场较为相似（图5b），这种一致性表明地面风的变化可以从冬季持续至春季。在基于JRA-55再分析所得的地面风差值图中也有相似的特点（图略），但蒙古地区的反气旋存在明显的差异，相比于NCEP-NCAR的再分析，其在JRA-55再分析中更弱且向北偏移。

图5 与图4相同，但为基于NCEP-NCAR再分析资料的地面风（10m）。粗箭头表示风的差值通过了0.05的显著性水平检验

通过对比地面风与地表温度变化的分布图可知，二者在冬季存在良好的对应性（图5a vs.图4a）。西欧地区盛行的西南或西风气流表明来自北大西洋的暖空气被带到了欧洲北部，造成该地区地面增温。而欧亚中纬的南风或西南风可以带来低纬的暖空气，使得该地区地表增暖。此外，欧洲南部的反气旋可能会通过抑制垂直上升运动与减少云量而导致向下短波辐射的减少。西西伯利亚相对较小的温度变化可能与气旋的存在有部分相关，这种气旋式风场可能会伴随着垂直上升运动的增强与云量的增多，导致到达地面的短波辐射减少，这可以补偿积雪减少所带来的增温，使得该地的温度变化比较小。同样，也将春季风对地表增暖的影响进行了推测（图5b vs.图4b），东欧和西俄地区的气旋与该地较小的温度变化相对应这一特征值得注意，这可能说明气旋所导致的温度减少可以补偿积雪减少所带来的增温影响。相比冬季，春季温度显著增加的区域在西伯利亚呈现出整体北移的情况（图4），这或许与大的经向温度梯度区随季节的北移存在一定的联系，而温度梯度大值区的北移又会通过异常风造成热平流向高纬的转变。而地表热通量异常的变化可能也是造成这种差异的一个影响因子，将在下一部分对此进行讨论。

5. 积雪变化对地表增暖的作用

在本部分，为了理解积雪变化对地表变暖的作用，我们首先将1989-2011与1967-1988年间地表温度差值与SCE和SWE差值的空间型进行对比，然后对地表热通量的变化进行分析，以此来识别积雪效应。

积雪与地表气温在一些地区存在一

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