海洋表面温度和大气的影响在北半球中纬度远程并置对比模式在中国北方冬天极冷事件

文摘

冬天极端冷事件的频率分布(ec)在华北和中纬度海洋表面温度异常的影响北半球(SSTAs)进行了研究。结果表明,(1)单站的频率ec (SSECEs)在冬季增加从东南到西北,与在2008年之前降低然后显著增加。这一趋势突变发生在冬天。(2)当北太平洋海温的显示了一个“El-Nino-like”异常在冬天,它触发-北极振荡(−AO),积极的太平洋北美(+机构),和积极的欧亚太平洋(+ EUP)大气对流层中远程并置对比模式。因此,贝加尔湖的脊南变得更强。北大西洋海温的同时,展示了一个“反C“负异常与北大西洋涛动(+ NAO)(+机构)式和(+ EUP)式模式,西南和脊贝加尔湖变得更强。此外,都导致西伯利亚高变得弱在北方在南方更强。较弱的东亚亚热带喷气和东亚冬季风更强,这些因素导致显著增加SSECE频率在中国北部。(3)当SSTA显示了一个“El Nino-like”发展模式在北太平洋从夏天到秋天,冬天SSECE频率会更高。(4)所谓的机制在中纬度SSTA和华北地区冬季SSECE频率如下:在北太平洋SSTA在夏季和秋季激发大气远程并置对比波火车,和大西洋商店这些异常信号。 In winter, the interaction between the SSTAs in the North Pacific and the North Atlantic enhances the Eurasian teleconnection wave train. With the upstream fluctuation energy dispersing downstream, the wave train centers move eastward with the season, resulting in an increase in the frequency of the SSECEs.

1。介绍

根据第六届特别报告政府间气候变化专门委员会(IPCC),全球平均地表温度的增加(公司)在2006年至2015年达到0.87°C (1]。全球变暖的背景下,极端冷事件(ec),如冰冻雨雪[2),极端低温(3- - - - - -5),和持续的低温(6),更加频繁,威胁人们的生命和财产安全。重要的是研究极端气候事件在中国北方农业经济发展的主要领域和中国一个重要的交通枢纽7,8]。

在中国北方冬天的频率和强度ec很容易冬季季风环流系统(9- - - - - -12]。丁(9]研究西伯利亚高的形成和传播及其与东亚冷波之间的关系。在冬天,乌拉尔阻塞高压的集约化和向北扩展和北大西洋风暴的正面经度异常跟踪可以加强西伯利亚和深化东亚槽高,导致东亚地区持续低温事件(5,10,11]。然而,冷波的频率并不增加单调的加强西伯利亚高(12]。ec发生在西伯利亚高压和阿留申低压都强(13)和相关的位置这两个系统(14]。此外,陶(15]寒潮入侵中国的路径分为西北路径,一个superpole寒潮路径,和向南入侵路径的冷空气从贝加尔湖以东。不同的冷空气路径对应于不同的大气系统的配置。此外,在2008年之前频率明显降低(16,17),虽然它是密切相关的削弱东亚冬季季风和低层冷空气堆栈的变暖,特别是在内蒙古、华北,江淮地区(4,12,18]。同时,东亚之间的交互亚热带和温带射流影响冬季电子商务在中国是一个重要的因素(19]。

ec也与大气远程并置对比,例如,北极涛动(AO)和北大西洋涛动(NAO) [20.- - - - - -26]。AO影响西伯利亚高调制似稳行星波。AO时在一个积极的阶段,东亚槽、西伯利亚高,东亚冬季风较弱,温度较高(在中国20.- - - - - -24]。在冬天,审计署在一个积极的阶段时,温度较高(在中国25,26]。此外,外部强迫异常如SSTAs冬季温度在中国也有着重要的影响。例如,厄尔尼诺-南方涛动(ENSO) [27,28],在印度洋热带SSTAs [29日],黑潮海域[30.),北太平洋(31日),和北大西洋31日所有与中国的冬天温度有很强的相关性。

总之,有很多研究大气环流和外部强迫的冬季气温异常影响中国或中国北方。近年来,冰冷的海浪的中纬度欧亚大陆频繁和持续32]。华北被冷空气南下影响最严重的地区之一,有必要进一步研究电子商务的新特点和可能的原因,比如冷波在中国北部。本文的时间和空间特征自1980年以来,中国北方冬季ECE频率进行了分析,和中纬度SSTA的影响及其在北半球大气远程并置对比模式强调ECE的年际异常,确定年际预测信号和华北地区短期气候预测提供参考。

2。数据和方法

2.1。数据和预处理

数据包括(1)提供的每日最低温度在2480站在中国国家气候中心;(2)NCEP / NCAR月海平面压力场,850 hPa温度和风力字段,200 hPa纬向风场和500 hPa位势高度场,分辨率为2.5×2.5 [33];美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和(3)、月度海温1×1的一项决议(34]。1980 - 2016年期间的数据。

中国北方被定义为研究区域(35°-42.5°N, 110°-120°E)。为了保证数据的连续性和完整性,车站的缺失数据每日最低温度不超过1%是保留。不高于2500米的高山站、421站终于选中。分布如图1。

2.2。方法

基于“冷空气水平”的规定(GB / T 20484 - 2017)和“寒潮”(GB / T 21987 - 2017)中国气象局国家气象中心发布的2017年,一个站极端冷事件(即。,a single station cold wave) is defined by a daily minimum air temperature lower than and equal to 4°C and either one of three conditions: a decrease by no less than 8°C within 24 hours, or a decrease by no less than 10°C within 48 hours, or a decrease by no less than 12°C within 72 hours. For convenience, an extremely cold event can be abbreviated as an ECE, with a single station ECE as a SSECE.

冬季ec的频率在某一年的总数是ec发生从十二月到第二年的2月。

本文统计分析方法包括相关性、综合分析和线性回归主要使用。学生的t以及方法用于确定统计学意义的相关系数和线性趋势。

3所示。的时空特征ECE频率在北中国的冬天

3.1。单站电子商务

3.1.1。空间分布

多年平均SSECE频率的计算在1980年到2016年期间(图2)。SSECEs频率的增加从东南到西北在冬天。超过4 SSECEs发生在内蒙古西部,山西北部,陕西、东北西北河北、辽宁北部,内蒙古西部的最大频率8(图2(一个))。(图12月SSECEs的频率分布2 (b)),(图1月2 (c))和(图2月2 (d))是类似于冬天。

3.1.2。时态的变化

区域SSECE频率的平均值在华北计算1980 - 2016年的冬天。根据统计结果,1.92 SSECEs发生冬季平均和最大(最小)值为3.4(0.8)2008年(2007年),在较大的年际差异。平均频率为0.64,0.66和0.62每年12月,1月和2月,最大(最小)值是1.94(0.16),1.31(0.09),和1.10(0.17),分别。

冬天SSECEs减少的频率从1980年到2007年(第一阶段)和显著增加,从2009年到2016年(二期)(图3(一个))。(图1月SSECEs的频率3 (c))和(图2月3 (d))显示了一个突然的趋势类似于冬天。然而,12月(图3 (b))是一个例外,频率在第二阶段仍然下降。因此,冬天SSECE中的突变频率主要由SSECEs在以后的冬天(1月和2月)。为什么是频率的趋势不同于12月在冬天?值得进一步研究。

图4进一步显示了区域分布的线性趋势SSECE频率。除了山西和陕西西南部的结,SSECEs的频率显著降低在中国北方大部分地区在冬天第一阶段(图4(一))。在第二阶段(图4 (e)),除了显著增加西南内蒙古交界处,山西、陕西中部和西部,大部分地区显示下降。的趋势(图12月SSECE频率4 (b)),(图1月4 (c))和(图2月4 (d))在第一阶段类似于那些在冬天,但这一趋势略有不同的重要领域。在第二阶段中,频率降低(图12月在整个地区4 (f)),但增加(图1月在大部分地区4 (g))和(图2月4 (h))。高价值区域位于山西中部和西部的结,陕西、内蒙古,表明SSECE频率的增加又一次冬天第二阶段是由那些在以后的冬天(1月和2月)。

4所示。中纬度SSTA的影响在中国北方冬季SSECE频率

先前的研究表明,在北半球中纬度SSTA在中国冬天的温度有显著影响(30.,31日]。如何在北半球中纬度地区海温的异常相关的频率SSECEs冬天在中国北方吗?此外,什么样的异常大气环流模式是由SSTA引起的吗?通过这些问题的研究,本文试图揭示的可能原因频繁ec在北中国。可能也找其年际预测信号,对华北地区短期气候预测提供参考。第一个问题将是研究部分4.1,第二部分将讨论4.2和4.3。

4.1。SSTA和SSECE频率之间的关系

图5显示动态关联性和同时代的相关系数之间的地区冬季的平均频率SSECEs(图3(一个))和SSTA在北半球春天,夏天,秋天,冬天,分别。根据图5在北太平洋,显著相关区域太小在春天,所以我们选择关键领域在夏天,秋天,冬天。北大西洋,地区平均水平之间的相关系数显著相关地区的SSTA春天(图5(一个))和中国北方地区冬季SSECEs的平均频率不是统计学意义,和显著相关地区在夏季和秋季太小,所以我们选择在冬天关键领域。为了方便起见,每个赛季的显著相关区域图5框标记表示的A、B和C是区域(°N, 8 - 15日145 - 175°E)、B (25-45°N, 180°-200°W),和C由三个分区(则高达55 -°N, 15-50°W), (30 - 50°N, 11日至20日°W)和(20 - 25°N, 20 - 50°W)。

区域之间的相关系数平均SSTA的上述显著相关区域冬季北太平洋海温指数和Nino3−0.52,代表在99%置信水平使用学生的统计学意义t以及。显著相关地区东部的是积极的和消极的北太平洋西部的图5 (d),这是类似于热带太平洋的厄尔尼诺现象。因为这两个模式出现在海洋的不同部分,在北太平洋SSTA模式如图6 (d)称为“El Nino-like”模式为方便起见,在夏季和秋季SSTA时统称为“发展中埃尔Nino-like”模式。

进一步了解相关SSECEs SSTA和频率之间的关系,北太平洋和北大西洋海温指数被定义为每个季节我_NP和我_ATL,分别。即区域的平均系列SSTA显著相关地区从1980年到2016年,然后计算标准化海温指数系列。如果显著相关区域包含两个或两个以上的分区,该分区将视为一相结合。这些指标之间的相关系数为每个季节和地区冬季的平均频率SSECEs计算,和那些有统计学意义的95%或99%置信水平表中列出1。当这些关键海域的海温反常地冷(暖)在相应的季节,在中国北部SSECEs往往在冬天更频繁(少)。北太平洋SSTA在关键领域的在夏季和秋季对华北地区冬季SSECEs预测意义。

SSTAs在北太平洋和北大西洋冬季关键领域都是冬季SSECE频率呈负相关。此外,计算它们之间的局部相关性,是否SSTAs两个关键领域的相互影响进行了分析。之间的偏相关系数我_NP,我_ATL和中国北方地区冬季SSECEs的平均频率−−0.29和0.41,分别。对应的表的相关系数1−−0.43和0.48,分别。因此,北大西洋海温变化的偏相关系数非常小,和他们对北太平洋SST的绝对值明显减少,但仍在95%置信水平显著。因此,可以得出结论,对海温的影响在两个关键领域在中国北方冬季SSECE频率相对独立,但有一定的综合效应。

为了进一步了解区域分布北太平洋海温指数之间的相关性和北大西洋冬季SSECE频率在华北,人物6显示了分配系数我_NP在夏天,秋天,冬天,我_ATL在冬天,在中国北方冬季SSECE频率。根据图6之间的显著的负相关我_NP和频率主要位于中国的中南部,北,即结地区河北、山西、河南、山东(数字6(一)- - - - - -6 (c))。的我_ATL显著负相关的频率不仅在上述地区还在华北中北部的部分(图6 (d))。

4.2。大气环流的北太平洋SSTA的响应

了解北太平洋SSTA和北大西洋影响大气环流异常和频率SSECEs在北中国的冬天,下一节将分析的线性回归系数我_NP在夏天,秋天和冬天(部分4.2),我_ATL冬天(部分4.3)冬天北半球大气环流因素,分别。

4.2.1。准备夏天

图7显示之间的线性回归系数我_NP在夏季和冬季大气环流变量。促进理解的环流异常时在关键领域对海温异常寒冷的冬天和SSECE频率在中国北部高,所有回归系数图7乘以−1,类似的处理数据吗8- - - - - -10。

见图7,当热带西北太平洋的海温在夏天是反常地冷(图5 (b)),海平面气压(SLP)在冬季(图7(一))可能会显示一个(ao)异常模式。欧亚大陆有一个异常压力梯度力,从极地到矮秆、纬度方向,加强经向环流和有利于在极地地区的冷空气向南运动。机构波列显示一个模式“−”“+”“−”“+”开始在北太平洋北美、欧亚大陆虽然在北大西洋,波列显示一个模式“+”“−−”“+”。亚热带大西洋西北部的两列波收敛和导致north-negative south-positive异常分布的欧亚矮秆、纬度(50 - 80°N)东南边的巴尔喀什湖,这是类似于经验正交函数(EOF)西伯利亚的年际异常高的第二模式由朱et al。35]。与阿留申低压的交互西南面的正常位置产生一个强大的东亚冬季季风(图7 (e))。

500 hPa位势高度场的环流模式(H_500年,图7 (b)(图)和SLP字段7(一))基本上矮秆、纬度quasi-barotropic结构。乌拉尔山脊是强,东亚槽向西部和南部。冷空气堆栈在850 hPa温度异常场(T_850年格陵兰岛附近),它提供了冷空气向南爆发的条件(图7 (c))。东亚温带和亚热带喷流在200 hPa纬向风场(U_200年)在中东青藏高原较弱(图7 (d)),有利于向南移动前的西北气流乌拉尔山脊东亚槽的背后,导致850 hPa低层冷空气(UV_850年)通过格陵兰华北、离贝加尔湖(图和西方的一面7 (e)),导致频繁SSECEs在北中国。

4.2.2。秋天

当负SSTA扩展从热带西北太平洋中央北太平洋在下降(图5 (c))、(−AO)、(+机构)式和(+ EUP)——quasi-barotropic远程并置对比模式或波列车在中间和低对流层(数字8(一个)和8 (b))更突出。南北跷跷板西伯利亚高的异常清晰(图8(一个)),岭以前位于乌拉尔(图7 (b))移动到巴尔喀什湖和贝加尔湖(图之间的关系8 (b)),以及格陵兰岛和北地群岛之间的冷空气堆栈是进一步加强(图8 (c)),是更强大的温带和亚热带疲软射流(图8 (d))。这些都是有利于中国北方的冷空气到达西欧,东欧平原,西部西伯利亚贝加尔湖以西和(图8 (e))。

4.2.3。冬天

在冬天,还有一种“El Nino-like”模式的形成在北太平洋(图5 (d)),大气环流异常(图9继续发展和在秋天(图非常相似8)。然而,系统的异常中心强,例如,(−AO),(+机构)和(+ EUP)远程并置对比模式或波火车(图9(一个)和9 (b)),导致强经向环流。与此同时,有强温带和弱东亚亚热带战机(图9 (d)),更低层冷空气栈Novaya群岛附近的(图9 (c)),进一步加强东亚冬季季风(图9 (e))。上述环流异常都是有利于从离冷空气入侵华北,东欧平原,里海,西伯利亚西部,贝加尔湖(图9 (e)),导致频繁的电子商务在中国北部。

4.3。大气环流的北大西洋SSTA的响应

(+ NAO除外),而不是(−AO),在太平洋环流异常,北美和欧亚大陆兴奋的“逆转C“负SSTA在北大西洋冬季(图10)非常类似于那些兴奋的“El Nino-like SSTA在北太平洋(图9)。大气环流显示“(+机构式”和“(+ EUP)——“quasi-barotropic远程并置对比波火车在对流层中(数据10 ()和10 (b))。西伯利亚高了南北跷跷板异常(图10 ())和一个脊位于巴尔喀什湖和贝加尔湖(图之间10 (b))。东亚温带更强和亚热带jet是弱(图10 (d))。维多利亚岛之间有冷空气堆栈和格陵兰海(图10 (c))。上下循环系统的配置有利于冷空气的到来从格陵兰海在北中国,东欧平原,西部西伯利亚贝加尔湖(图和西部10 (e)),导致频繁的电子商务。

5。结论和讨论

分析的特点SSECE频率在中国北方在冬天。此外,一个可能的方式SSTA在北部的中纬度地区影响SSECE频率。主要给出结论和讨论可能机制如下。(1)华北地区冬季SSECE频率从东南向西北逐渐增加,在2008年之前减少显著增加,这是由于在冬末SSECEs。(2)北太平洋SSTA和北大西洋影响华北地区冬季SSECE频率由激动人心的大气远程并置对比模式或波浪。当北太平洋海温的显示了一个“El Nino-like”异常在冬天,它触发−AO, +机构,+ EUP远程并置对比模式或波火车在对流层中。同时,当对海温在北大西洋显示了一个“反C“负异常在冬天,它触发+ NAO) + PNA-like, + EUP-like模式。在一起,两个深化乌拉尔槽脊和加强南或西南的贝加尔湖。因此,西伯利亚北部高弱和强在南方。随着弱亚热带飞机上对流层和东亚冬季风越强,这些因素导致冷空气入侵华北,导致频繁SSECEs在北中国。朱et al。35)表明,当西伯利亚高异常弱在北部和强在南方,东北的一部分东亚冷,反之亦然,这是符合我们的结论。本文进一步指出,西伯利亚的年际异常高秋千不仅AO,相关机构,和EUP远程并置对比电波引起ENSO-type北太平洋SSTA,而且NAO, PNA-type, EUP远程并置对比波引起的反c型SSTA在北大西洋。(3)当一个负SSTA发展从热带西北太平洋中央北太平洋从夏天到秋天和SSTA显示了一个“El Nino-like”发展趋势,在冬天SSECE频率会更高。(4)可能机制的影响北半球中纬度SSTA在中国北方冬季SSECE频率如下讨论和猜测。

先前的研究表明,年代际变化在北半球中纬度地区海气系统的可能的耦合机制“两个海洋和大气”36,37]。刘和歌曲31日]指出,积极(消极)SSTA在东部(中西部)北太平洋的一部分,引发了异常循环类似于图8 (b)在北方Pacific-North America-North大西洋在秋天,导致在北大西洋环流异常,然后大气强迫海洋,造成北大西洋存储在秋天这个异常信号。然后,Atlantic-Eurasian远程并置对比模式异常影响东亚地区循环通过上游和下游的能量色散波动在冬天38,39),从而影响中国的冬天温度(40]。

部分4.2和4.3表明SSTAs北太平洋和北大西洋的结合影响大气环流异常,共同影响SSECE频率在中国北部。结合上面的现有研究成果,中纬度SSTA北部的可能机制影响华北地区冬季SSECE频率是推测:负海温异常在中西部北太平洋的一部分激发此波列在北方Pacific-North America-North Atlantic-Eurasia在夏季和秋季,然后大气海洋力量,从而在北大西洋存储这些大气信号。在冬天,北太平洋海温异常持久和北大西洋相互作用,及其叠加增强了欧亚远程并置对比波列。上游波能量分散下游,波列中心向东移动从夏天到冬天,导致SSECEs频率的增加在中国北部。当然,更多的时间尺度分离(41),动态诊断,仿真验证需要支持这个猜测。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这项研究是由国家重点支持共同研发项目(2018 yfc1505602)和中国国家自然科学基金委(41790471)。作者承认美国国家环境预报中心/国家大气研究中心提供再分析数据。

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