秋天的环比变化海冰在巴伦支海和喀拉海和它在中国冬季气温的关系

文摘

秋天北极海冰的变化是一个关键的指标在欧亚大陆冬季温度异常。北极海冰的秋天通常伴随着负异常冬季气温在欧亚大陆和北美大陆。然而,这样的海冰温度从每月联系明显变化。秋天的北极海冰面积的变化和环比海冰之间的关系,中国的冬天温度异常调查使用哈德利中心的海冰数据集(HadiSST)和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据集(ERA-Interim) 1979 - 2018。我们提出以下结果:海冰的巴伦支海和喀拉海(BK)在秋冬季节显示明显的低频变化。海冰的消退BK从9月到11月是显著相关的负温度异常在接下来的冬天在中国。然而,BK的海冰之间的联系和冬季气温比9月10月和11月。异常积极的表面压力是在欧亚大陆的西北部分展出在冬季海冰与减少在汉堡王在前面的9月。这个表面压力倾向于坚持和强化天气扰动,如阻塞高点和表面冷高位,以及西伯利亚高的集约化和东亚冬季季风。这些有利条件最终导致大规模在中国冬天寒冷异常的形成。 Compared to low sea ice cover in October and November, a more oceanic heat storage in the upper BK induced by low sea ice cover in the BK leads to a larger heat release to tropospheric atmosphere in winter by surface heat flux and upward longwave radiation in the BK. This regional tropospheric warming results in a higher barotropic positive height anomaly over the Ural Mountains, and then more active cold advection from the high latitude affects East Asia.

1。介绍

北极海冰是全球气候变化的一个重要指标。大量冰和更高的损失在北极变暖速度已经观察到在近几十年来,这一现象被称为北极放大,全球气温不断增加(1]。大雪严寒事件和反常地经常影响北半球的大多数中间纬度地区(NH),包括主要工业中心(2,3]。随着这场突如其来的降温趋势NH中间纬度地区,寒冷的西伯利亚高和东亚冬季风表现出实质性的年代际加剧,导致更积极的冷空气爆发在中国(4,5]。最近的研究证明,可能会有一些减少之间的物理联系最近在北冰洋的冰和冷却的中间纬度大洲NH通过海冰损失的大气环流异常的响应(6]。例如,北极海冰的减少通常伴随着大量削弱了经向温度梯度的变暖。这将减速西风带在情理之中,导致大气斜压性和减少更波浪循环(7,8]。平流层与对流层中的直接反应相比,应对海冰迫使也扮演了一个健壮的作用在寒冷条件下的发展中间纬度大洲的NH (9]。仍有争论关于北极海冰变化之间的物理连接和行星波的观测活动10]。温带的主导模式循环的变化也可能与最近的降温趋势密切联系(11- - - - - -13]。

之前的研究表明,热带以外的影响高度依赖的地区结构异常北极气候状态(14]。例如,BK地区变暖会导致东亚冷却,而北美洲北部冷却密切相关,在东西伯利亚Sea-Chukchi海洋变暖地区(14]。海冰在BK的减少也对欧洲区域冷却效果更引起阻塞的相关损失的海冰BK (15]。然而,BK的海冰变化的大气响应随背景大气状态和季节。最近的一项研究指出,BK的海冰损失与弱势SH 11月11月,而强SH(12月16]。

许多以前的研究都集中在北极海冰变化之间的关系和大气环流模式和相关的异常气候。谢和黄17)报道,北极海冰的变化和海表面温度(SST)异常的中部和东部赤道太平洋环流中扮演重要角色并暗示可能会有它们之间的物理连接。吴et al。18)证实,该变异领域的海冰在格陵兰海和BK与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的发生,3年海冰异常的主要信号显示与北半球大气环流密切联系。数值模拟还表明,北极海冰的变化是最重要的指标之一的东亚夏季季风气候异常(19]。施等。20.]记录之间存在正相关的区域温度梯度北冰洋巴伦支海之间的位势高度梯度和东西伯利亚海500 hPa,相关的异常环流联系在中国东北夏季降水异常。王等人。21)也报告说,前面的秋天失去北极海冰倾向于向北移的气旋路线在中国的削弱罗斯比波在南部地区的40°N在中国东部,导致阴霾天气的强化。

北极海冰变化的影响在中国冬季气温的背景下北极放大近年来引起了学者们的广泛关注。一系列的研究表明,北极海冰减少前的秋天,如减少发生北冰洋东部和BK,与大量的表面变暖有关。削弱极地/中间纬度温度梯度导致欧亚(欧盟)模式反应,促进加强西伯利亚高和东亚冬季风,带来大量的冷却和更极端的低事件在东亚(22- - - - - -24]。李等人。25)记录了当地反应温度在东亚的海冰变化在不同的地区。他们报告说,海冰的消退BK诱发一个强化的西伯利亚北部地区的温度高,降低了东亚,同时增加在鄂霍次克海海海冰形成射流的北移,在东亚地区对流层上层大幅升温东亚南部的地区。BK的海冰的变化与北极涛动(北极偶极子模式)诱导cross-Arctic-like(欧亚)远程并置对比波模式,导致一个强化的冷空气的活动在中国(26]。对海温异常在NH和北极海冰的变化参与了年代际变化在冬季表面空气温度(坐)在东亚发生大约在1990年代中期(4,27]。

值得注意的是,海冰覆盖的变化显示了明显的季节性和地区性的依赖关系(28),尽管北极海冰的减少趋势。此外,冬季坐在异常之间的关系在中国和海冰变化在不同的时间尺度或地区也显示显著的多样性23,29日]。因此,我们将研究协会的环比变化的地区北极海冰覆盖前面的秋天与SAT异常及其可能的连接通路。

2。数据和方法

2.1。数据

在这项研究中使用的数据包括以下几点:(1)欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据集(ERA-Interim)从1979年到2018年是用于派生数据每日和每月空气温度升高,海平面压力、位势高度和水平风2.5°×2.5°水平分辨率(30.];(2)月度海冰浓度是源自英国气象局哈德利中心的海冰和海洋表面温度(1.1 HadiSST)数据集(31日];(3)每月平均热内容来源于垂直潜在的平均温度(109.8米以上;11)从海洋ECMWF再分析系统ORAS4[水平32];和(4)观察到每月平均地表气温(sat)来自中国的国家气候中心,包括160个车站。

2.2。环流指数

环流指数的定义如下:西风指数定义为不同的位势高度40°N和65°N之间0°、122°E [33]。阻隔高频来源于500 hPa中间纬度位势高度异常34]。反气旋强度在欧亚大陆的季节意味着每个表面的中心压力高6小时冬季海平面气压场(2]。区域的均值SLP 40°N-60°N, 70°E - 120°E)代表了寒冷的西伯利亚高强度(33),东亚冬季风指数近年由中间纬度定义压力差异110°E和160°E [35]。此外,每月的北极涛动(AO)指数(http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml)可以下载从美国国家海洋和大气管理局气候预测中心(CPC)。

3所示。可变性和北极海冰的线性趋势

显示北极海冰的水平分布的标准偏差( )海冰的浓度从1979年到2018年9月至12月的数据显示在图1。大值区一般从室内扩展北极高纬度海洋NH和建议大型年际变化的海冰覆盖的北极海冰的边缘地区。然而,明确地方特色显示在上面的大值区域。特别是大型海冰的变化发生在70°N - 80°N巴伦支海的地区,卡拉和波弗特海在9月和10月(数字1和1(b))。西北海岸的加拿大和格陵兰岛的东海岸也显示高值。作为一个连续冰盖的向南扩张,高的地区从前面拉普帖夫海和波弗特海白令海和加拿大在11月(数据的东北海岸1(c)和1(d))。应该注意的是,有一个连续变化大的汉堡王从9月到12月。因为强大的海的海冰变化结果ice-atmosphere耦合、高BK中的值表明,该地区海冰年际和年代际变化可能与大气和海洋相互作用显著变化的背景下北极放大(36]。此外,BK的海冰的变化是一个很好的指示器的东亚冬季风24]。理解海冰变化的影响在中国冬季气温变化,我们使用了时间序列的海冰覆盖面积在BK(框区域图1)作为海冰指数(BKI)在这个关键地区。

原始和BKI去趋势时间序列,以下称为OBKI DBKI,分别在September-October-November(儿子)从1979年到2018年呈现在图2。的明显的秋天海冰的BK在过去40年OBKI表示的数据1(一)-1(c)−0.81×10的值⁵公里²·10年⁻¹(9月),−1.36×10⁵公里²·10年⁻¹(10月),−1.19×10⁵公里²·10年⁻¹(11月)都显著超过0.01。在秋天的不同递减趋势BKI可能是因为北极海冰区域在不同月份对应不同的总发行量34]。卓越的秋天海冰的BK是明显的2005年之后,这是符合加速北极海冰的面积减少,在过去的十年里(35]。此外,同时相关系数的OBKI北极海冰面积指数(ASI(从NSIDC下载(http://nsidc.org/data/g02135.html)))9月、10月和11月是0.43,0.55,和0.47,分别与意义显著超过0.05。这些显著的相关性提示之间的低频海冰变化的一致性定义BK地区和北极。DBKI时间序列显示明显的差异从OBKI时间序列在重型和轻型冰盖年(定义为0.75 ),在数据显示2 (d)- - - - - -2 (f)。额外的重型(光)冰盖年发生前(后)的1990年代中期OBKI时间序列,减少的一个重要特征。进一步讨论不同的关联OBKI和DBKI提出了以下部分。

4所示。海冰和空气温度之间的关系

OBKI和DBKI表现出正相关性的冬季异常坐在中国的大部分地区,如图3,尽管他们不一致的时间演进。在数据记录3(一)-3(c)之间存在显著的正相关性OBKI和坐在中国北方。这是由一个寒冷异常表示可能紧随其后的是秋季前海冰损失BK,与之前的研究结果相一致的吴et al。22,24]。然而,协会的程度减少从9月到11月。特别是,可以观察到显著的相关性在新疆和东北;最大的区域观察到9月,后逐渐萎缩10月和11月。坐的综合差异之间的低和高OBKI年也显示相关的一致性。9月,低海冰有可能诱发减少坐在华北,最大限度减少发生尤其是−1.6°C以下。此外,轻微的冷却同样明显的是在中国西南部。10月和11月的关联模式类似于9月有小幅减少车站的统计学意义。

强关联的DBKI坐在中国的秋天是观察到的数据3(d) -3(f),环比相关性变化也减少类似的协会OBKI坐。今年9月,明显的区域更大的意义是观察中国的大部分与OBKI相比(73.8%站与意义超过0.05),除了青藏高原及其附近(图3(d))。复合差异之间的低和高坐在DBKI年通常−0.8°C的重要地区。上面描述的重要成果表示准确的BK的海冰的变化相比,9月坐在中国在接下来的冬天。10月,重大异常区域观察到在新疆,东北、华北、Changjiang-Huaihe河流域,减少11月在大小类似于东北。

进一步研究海冰和坐在之间的关系,我们进行了一次经验正交函数(EOF)分析车站坐冬天异常。第一两种模式方差贡献率分别为50.7%和19.3%,可根据提出的标准定义良好的北et al。37]。空间分布的主要模式(EOF1)及其相应的时间序列(PC1)所示的数据4(一)和4(c)。EOF1模式显示了一个一致的模式正坐在中国的大部分离职(除青藏高原外),南北坐值下降。这表明一致的冷却或一致的中国在冬天变暖。综合分析使用EOF1和PC1表明一个占主导地位的降温趋势出现在1980年代中期和2010年之后,当著名的变暖趋势主要在1980年代末和2000年代与更大的离职振幅坐在中国的北部。此外,可以观察到明显的年际波动自1990年代末以来,证实了小波分析,显示了一个实质性的2 - 4波动自21世纪初(图未显示)。

进一步评估坐主成分之间的相关性和海冰变异,之间的相关系数环比OBKI, DBKI, ASI,和PC1 PC2计算,结果记录在表1。之间的差异环比OBKI超过0.01和DBKI显著意义。此外,OBKI之间存在显著的正相关性,DBKI, PC1显而易见,之间的相关性DBKI PC1显然高于OBKI和PC1之间。一个显著的相关性明显减少,从9月到11月。特别是在9月和PC1 DBKI之间的相关系数是0.48意义超过0.01,而DBKI之间的相关性和PC1 11月降低至0.19。BK的海冰之间的显著相关性,PC1进一步表明,海冰的变化在汉堡王在秋天可以利用作为一个熟练的预测冬天坐在异常在中国,特别是在9月份DBKI。然而,类似的减少之间的相关性ASI和PC1是明显的,和原来的ASI也显示了较低的比去趋势ASI与坐正相关。相对,ASI和之间的相关性明显低于BKI和PC1之间的相关性。这意味着BK是关键地区的北极海冰覆盖的变化可能发挥重要作用在冬天在中国坐异常。

EOF2特点是相反的变化在中国东北地区与其他地区之间(图4(b))。PC2表明寒冷异常的持续的积极的价值在中国的西部和南部地区在1990年代末之前,导致在这些领域更温暖的环境。然而,中性的正相关性表明PC2和北极海冰覆盖在BK和11月BKI除外。

上述结果表明减少BKI的环比变化之间的关系和冬天坐在中国,这表明更要注意前面的9月海冰覆盖的BK的信号在10月和11月,当我们专注于季节性预测的冬天在中国坐异常。此外,去趋势BKI相关时间序列提出了一种高于原始时间序列,这意味着海冰覆盖的年际变化可能发挥更重要作用与坐在中国的协会与它的线性趋势分量。

5。海冰损失循环

解释前面的海冰变化诱发的冬季异常坐在中国复合海平面压力之间的差异(SLP)和850 hPa流基于低OBKI (DBKI)发表在9月的数据值5(一个)和5 (c)。不同领域显示了积极的冬季异常压力系统的欧亚大陆的西北部分暗示西北方的扩张和强化后的寒冷的西伯利亚高前BK的海冰损失。相应地,大规模反气旋的低对流层存在叠加在高压系统。这个异常环流模式促进冷空气的入侵从高纬度地区、东亚和温暖的弱化中间纬度西风带的北大西洋乐器的冷平流。这对应于情理之中的大面积寒冷异常欧亚大陆以及东亚(数字5 (b)和5 (d))。坐的比较,显著的区域之间的低DBKI在图9月5 (d)扩展更多的偏西风东部的中国,朝鲜半岛、日本和西北太平洋DBKI图5 (b)。大量积极的高压系统伴随着低压系统在西北太平洋近年加剧的压力梯度。北组件相应地区盛行在欧亚大陆东部的100°E,导致东亚冬季季风的加强。然而,低的北端的组件OBKI主要出现在欧亚大陆的东北部。相关的反应加剧东亚冬季风的低DBKI有助于中国更冷的气候条件与应对OBKI 9月。因此,下面的分析主要是基于DBKI 9月。

探索欧亚大陆冬季大气响应在海冰的变化之前,我们计算DBKI之间的相关系数和循环指数9月在冬天。如表所示2,大多数的环流指数与意义密切有关9月DBKI超过0.01除了AO指数。特别是DBKI和西风指数关联彼此积极为0.42,表明良好的西风减弱条件和经向环流模式后,BK的海冰损失。阻塞之间的重大anticorrelation频率、反气旋强度,和西伯利亚高指数和DBKI表明撤退的海冰覆盖有利于维护和强化的天气波动,如阻塞高点和表面冷高位,导致暂时的西伯利亚的一个积累加强高。相应地,近年压力梯度的增加在东亚建议一个加剧东亚季风导致大规模在中国寒冷异常。相反,尽管AO代表中间纬度西风带的纬向平均状态(38),西风指数的关系与DBKI特别是接近AO和DBKI之间的关系。这意味着一个本地连接前海冰的BK中间纬度气候异常。Kug et al。14]也记录了不同的当地响应变化的海冰覆盖的BK在东西伯利亚和楚科奇海;BK的海冰覆盖的变化相关联的冬天坐在异常在欧亚大陆,而变异的海冰覆盖的东西伯利亚和楚科奇海主要在北美与SAT异常。

海冰的减少有直接连接到空气的变暖列并修改子午厚度梯度在中期到高纬度地区,导致观测天气的变化(8,12]。检查连杆海冰损失和中间纬度之间循环,该地区的气温资料在BK (30°E - 100°E, 75°N - 85°N,称为北地区(NR))和欧亚大陆的情理之中(30°E - 100°E, 40°N-50°N,称为南地区(SR))计算,及其复合低海冰年之间的差异在图所示6。持续变暖NR(0年)9月2月(+ 1岁)表示在对流层较低,但它随高度的增加而减小(图6(a))。低对流层温度通常是由从广阔的海洋热通量的释放到大气中由于海冰的减少(39]。变暖的NR有着明显的差别是深秋和冬季之间观察到。在10月和11月,异常气候变暖主要是显示低于850 hPa低的意义,和弱冷却还可以发现在11月高空。然而,大量的深变暖发生在冬天midtroposphere和低对流层最大值为3.2°C在地表附近。此外,老主导冷却是显而易见的,尤其是在1月和2月(图6(b))。此外,9月DBKI关联更紧密地与中间纬度变化坐在比秋天冬天。此外,糖尿病加热的综合差异在NR (SR)(0年)12月到2月之间(+ 1岁)低海冰年是39.46 (9.04)w·m⁻²34.14 (−9.55)w·m⁻²和29.74−7.68 w·m⁻²,分别。这表明撤退的海冰BK在秋天喜欢中期和lower-tropospheric变暖,从而削弱了经向高纬度和中间纬度之间的温度。BK的热条件可能发挥推动作用在经向温度梯度的变化和相关的厚度梯度。

6。海洋储热环比对比和随后的变暖有关

在本节中,我们将讨论的原因DBKI 9月可能是一个更好的指标异常在中国相比DBKI坐在下面的10月和11月。正如上面所讨论的,BK显示明显的低对流层气温持续变暖从9月到2月,可能导致减少经向温度梯度的冬天。巧合的是,秋天的上层海洋热含量BK明显呈现出温暖的低和高DBKI(数字的区别7(一)-7(c))。此外,稍微温暖的条件是由低9月DBKI (S-DBKI)相比,10月DBKI (O-DBKI)和海洋变暖的对比更加清晰S-DBKI和11月DBKI (N-DBKI)。季节性海冰融化从5月到9月打开北冰洋的很大一部分,让它吸收阳光在温暖的季节(40]。因此,秋季海冰的覆盖的BK的同事有更多的热量存储上BK,特别是在9月。相应地,随后辛普森的意思是表面合理+潜热通量和向上长波辐射增加显示了BK(数字7(d) -7(f))。正异常ocean-to-atmosphere能量显示额外的海洋储热释放BK的大气与秋天的海冰覆盖前面的低。冬季热异常BK和周围环境最明显与S-DBKI O-DBKI相比,N-DBKI。

图8显示了辛普森复合差异意味着500 hPa位势高度(Z500)和850 hPa流(V850)基于低DBKI值从9月到11月。明显的高Z500中心所示BK和向南延伸至乌拉尔山脉与低S-DBKI(图有关8(a))。类似Z500异常模式也存在通过与正压整个对流层垂直结构(图中没有显示),并与放大对流层变暖海冰引起的损失。此外,异常向南大西洋北部高纬度地区的暖平流开车到BK,促进进一步放大变暖。BK的变暖与海洋储热的释放到大气中的和相关异常暖平流在巴伦支海和冷平流在欧亚大陆的中间纬度。汉堡王之间的明显的温差和欧亚大陆的观测结果的显著削弱了经向温度梯度。这减慢西风带和导致更积极的表面反气旋和阻塞(表2)和反气旋涡旋迫使北41]。相应地,大规模的反气旋环流在欧亚大陆的西北部。作为讨论的部分5,异常反气旋环流在乌拉尔山脉和BK导致更多的乌拉尔阻塞,更深层次的东亚槽,更强烈的冷空气入侵到东亚地区。相比之下,低O-DBKI N-DBKI Z500相关异常显示northwestward-displaced积极在格陵兰岛的西部(数据中心8(b)和8(c))。冷平流从东西伯利亚北极的部门是弱而S-DBKI-associated Z500异常(图8(a))。因此,S-DBKI显示了一个与中国冬季异常坐在较高的相关性。

7所示。结论

秋天的北极海冰面积的变化和环比海冰之间的关系,中国的冬天温度异常调查在这个研究。结论的基础上,主要结果如下:(1)BK的海冰覆盖在秋天季节显示大幅减少在过去的三十年。自2005年以来该地区加速海冰减少同意与北极叠加年际变化大。(2)BK的秋天海冰的明显与大规模的负温度异常在接下来的冬天在中国,这撤退关联与主导sign-consistent坐在模式(EOF1)在中国,除了青藏高原。然而,ice-SAT滞后相关显示了一个引人注目的环比多样性之间的联系BK的海冰和冬季温度比9月,10月和11月。此外,去趋势海冰覆盖的汉堡王作为一个潜在的预测关联更紧密地与中国坐比原来的海冰覆盖的BK。(3)异常积极的表面压力是在欧亚大陆的西北部分展出的冬季海冰减少有关BK地区9月前。这个表面压力倾向于坚持和强化天气扰动,如阻塞高点和表面冷高位,以及强化的西伯利亚和东亚冬季风高。这些有利条件最终导致大规模在中国冬天寒冷异常的形成。(4)低O-DBKI N-DBKI相比,更引起的海洋上BK蓄热是低S-DBKI导致一个更大的热量释放到对流层大气表面热通量在BK。这个地区对流层变暖导致更高的正压在乌拉尔山脉积极的高程异常,因此,更积极的从高纬度冷平流影响东亚。

数据可用性

数据用于支持本研究的结果中包括文章:(1)欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据集(ERA-Interim)从1979年到2018年是用于派生数据每日和每月空气温度升高,海平面压力、位势高度和水平风;(2)月度海冰浓度是源自英国气象局哈德利中心的海冰和海水表面温度(1.1 HadiSST)数据集;(3)每月平均热内容来源于垂直潜在的平均温度(109.8米以上;11个水平)从海洋ECMWF再分析系统ORAS4;和(4)观察到每月平均地表气温(sat)来自中国的国家气候中心,包括160个车站。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持由中国国家基础研究项目(批准号2015 cb953904)和中国国家自然科学基金(批准号。41975073,41975073,41741005)。

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