冬季, 在欧亚大陆中北部常有世界上最强大的大陆地面冷高压, 位置在西西伯利亚、中西伯利亚和蒙古高原一带, 即西伯利亚高压(Siberian High, SH), SH的形成原因主要是海陆热力差异。冬季西伯利亚冷高压是入侵中国冷空气的发展源地, 每一次冷高压的发展和向南活动都会引起一次冷空气过程。当冷高压强大到一定程度, 或者南下活动特别强烈, 就会造成我国的一次寒潮过程, 当然也就把西伯利亚冷高压当成极重要的预报因素, 称为寒潮控制系统(丁一汇等, 1991; 王遵娅等, 2006)。SH是影响北半球冬季大气环流的重要一员, 是东亚冬季风系统的主要成员之一(丁一汇等, 1991; 贺圣平等, 2012; Chen et al, 2000; Wang et al, 2016), 对北半球冬季的大气环流、气候的变化有重要作用(王绍武, 1962; 龚道溢等, 1999, 2002), 当SH偏强时, 一般中国大部分地区冬季气温都偏低(郭其蕴, 2002; 王遵娅等, 2006)。

SH的变化受到北极涛动(Arctic Oscillation, AO)、北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)等大气环流因子的影响以及海温、海冰、积雪等外强迫因子影响(陈文等, 2006, 2013; 侯亚红, 2008; Wu et al, 2002; 武炳义, 2011; 李栋梁等, 2017; Cohen et al, 2011)。北极涛动(AO)通过调制准定常行星波影响西伯利亚高压, 当AO处于正位相时, 西伯利亚高压偏弱, 冬季风偏弱, 东亚北部偏暖, 反之, 当AO处于负位相时, 西伯利亚高压偏强, 冬季风偏强, 东亚北部偏冷(Chen et al, 2005; Wang et al, 2009; 陈文等, 2006, 2013)。武炳义(1999)研究发现冬季北大西洋涛动(NAO)则可能通过大气遥相关影响西伯利亚高压而影响到东亚冬季风, 进而影响冬季亚洲中高纬的气候。武炳义等(2011)发现秋冬季的北极海冰密集度与同期海表温度异常可导致冬季西伯利亚高压异常, 但秋冬季海冰和海温影响西伯利亚高压的精确机制及两者的相对贡献多少仍需进一步研究, 许多学者认为大气-海洋-海冰系统的变化对全球的大气环流有重要影响。侯亚红等(2008)发现海温异常影响西伯利亚高压的主要区域有副热带南印度洋、中高纬北太平洋、大西洋北部、热带南太平洋、大西洋西南部。Cohen et al(2011)发现积雪较厚时, 较低的气温将导致西伯利亚高压的异常或增强。

有学者发现SH存在明显的年代际变化特征和年际变化的特征(Hasanean et al, 2013), 同时也发现冬季SH的年代际和年际变化特征是影响东亚气温的重要因素(郭其蕴, 1994; Wang et al, 2014), 因此研究冬季SH的年际变化特征对预测东亚气候具有指示意义。

前人主要关注SH强度的变化(侯亚红, 2007, 2008; 武炳义, 1999, 2011), 对其自身变化模态的研究不多。一些学者关注SH的年际变化特征对中国气温的影响(侯亚红, 2007, 2008; 蓝柳茹等, 2016), 但未具体分析SH有几种年际变化模态和变化特征, 其主要的年际变化模态与何种因素有关？及其通过什么物理机制影响东亚气温？因此着重分析SH的年际变化模态和变化特征及其相关因素, 以及影响东亚气温的物理机制, 这对东亚冬季气温的预测具有指导意义。

利用NECP/NCAR的再分析月均资料从1979年1月到2017年10月, 共38年资料, 包括月均海平面气压资料(Sea Level Pressure, SLP), 近地面气温, 500 hPa位势高度场, 200 hPa纬向风场(U), 水平分辨率2.5°×2.5°。本文冬季为12月至次年2月, 如1979年12月、1980年1月、1980年2月定为1979年冬季, 以此类推。

图 1为0°—70°N, 10°E—150°E冬季海平面气压的气候平均值, 冬季西伯利亚地区被强大的反气旋控制, 东亚地区基本都在高压的外围影响区域。定义冬季40°N—60°N, 80°E—120°E为西伯利亚高压的主要活动区域, 可以看到此区域即为反气旋活动的主要区域, 能很好的反应SH的变化。

图 1(Fig. 1)

图 1 1979—2016年冬季海平面气压资料(SLP)的气候平均场(单位: hPa) Fig. 1 Climatic mean field of winter sea level pressure data (SLP) from 1979 to 2016. Unit: hPa

采用经验正交函数(EOF)分解将SH分解为3个模态, 通过高通滤波提取SH特征量的时间序列和冬季气温资料的年际分量(周期 < 8年的部分), 再利用线性回归, 合成分析, 相关分析, 显著性检验, 来寻找SH的主要年际变化模态及其对东亚气温的影响。

为了分析SH的主要变化模态及其变化特征, 对从1979—2017年冬季西伯利亚高压主要活动区域的SLP进行EOF分解, 得到空间的主要变化模态和相应的时间序列。其中EOF分解的第1个模态、第2个模态、第3个模态分别解释了总方差的68.9%, 14.9%和7.6%, 经过North检验, EOF分解的3个模态是有独立特征的模态, 各个模态之间相互独立。从冬季SH的EOF分析的3个模态及其对应的时间序列(图 2)可以看出, EOF1的空间分布特征表现为: SH主要表现为全区一致的变化, 表示SH主要表现为全区一致的增强或减弱。EOF2的空间分布特征表现为:南北气压的反相变化关系, 即当SH北部地区增强时, 对应南部减弱。EOF3的空间分布特征表现为:东西部气压的反相变化关系, 即当SH东部增强时, 对应西部减弱。3个模态的时间序列都表现出明显的年际变化特征, 因此本文分析SH的年际变化特征即抓住了SH变化的主要特征。

图 2(Fig. 2)

图 2 1979—2016年冬季西伯利亚高压(SH)EOF分解的空间分布型(a, 单位: hPa)与标准化时间序列(直方条)和年际分量(虚线)(b) Fig. 2 EOF decomposition of spatial mode (a, unit: hPa), standardized time series (straight square) and interannual component (dashed line) (b) of Siberian High (SH) in winter from 1979 to 2016

冬季风是东亚冬季最主要的影响系统, SH作为冬季风的主要成员之一, 选取500 hPa位势高度场、200 hPa纬向风场(U)和海平面气压(SLP), 用这些代表冬季风变化的主要场的年际信号分别与EOF的3个模态的时间序列(PC1、PC2和PC3)的年际信号做回归分析, 来研究SH的年际变化模态与大气环流的关系。

从PC1的年际变化尺度上与SH呈一致变化时相联系的大气环流场[图 3, 其中, 图 3(a)为PC1的年际变化与海平面气压场的年际变化的回归分析, 图 3(b)为PC1的年际变化与500 hPa位势高度场的年际变化的回归分析, 图 3(c)为PC1的年际变化与200 hPa纬向风场的年际变化的回归分析]可以看出, 当SH表现为全区一致减弱时, 从西伯利亚地区到我国东部沿海地区的气压值是降低的, 北太平洋的气压值是增强的。东亚地区上空的500 hPa高度上, 位势高度在东亚上空(45°N以南)增加, 而在45°N以北则减弱, PC1与东亚大槽强度相关系数为0.49(表 1), 通过99%的信度检验, 即SH位相与东亚大槽强度呈正相关关系, 当SH偏弱时, 东亚大槽强度也偏弱。200 hPa纬向风场上温带(极锋)急流增强, 而副热带急流减弱, 这些环流的异常变化在东亚地区都超过95%的信度检验。在年际变化尺度上, SH表现为负位相时, 500 hPa的东亚大槽的强度减弱, 温带急流增强, 副热带急流减弱。相反, 当SH表现为正位相时, 东亚大槽强度增强, 温带急流减弱, 副热带急流增强。以上分析说明, SH的EOF的第1模态的年际变化特征与大气环流的关系在地面表现为海陆气压差的改变, 500 hPa高度场上表现为东亚大槽强度的变化, 200 hPa纬向风场上表现为温带急流和副热带急流强度的变化。

图 3(Fig. 3)

图 3 1979—2016年PC1的年际变化与海平面气压场(a)、500 hPa位势高度场(b)及200 hPa纬向风场(c)的相关分析 打点区域表示通过95%的信度检验 Fig. 3 Correlation analysis of PC1 interannual variation with sea level pressure field (a), potential height field at 500 hPa (b) and zonal wind field at 200 hPa (c) from 1979 to 2016. The dotted area indicates the test have passed 95% confidence level

表 1(Table 1)

表 1 冬季SH EOF 3个模态的年际变化及其与相应系统的相关系数 Table 1 Interannual variation of three modes of SH EOF decomposition in winter and its correlation coefficient with corresponding systems 模态 与环流系统相关系数 EAT AO NAO PC1 0.49*** 0.21 -0.09 PC2 -0.08 -0.39*** -0.41*** PC3 0.11 0.36* 0.28* *和***分别表示通过95%和99%的信度检验; EAT指数由500 hPa位势高度求区域(25°N—45°N, 110°E—145°E)平均; AO、NAO指数由http://www.cpc.ncep.noaa.gov提供

表 1 冬季SH EOF 3个模态的年际变化及其与相应系统的相关系数 Table 1 Interannual variation of three modes of SH EOF decomposition in winter and its correlation coefficient with corresponding systems

从PC2在年际变化尺度上与SH南北气压反相变化型相联系的大气环流场(图 4)可以看出, 当SH北部偏强, 南部偏弱时, 北极地区的海平面气压值[图 4(a)]是增强的, 而北太平洋北部和北大西洋北部的气压值是降低的, 这一空间分布型与半球尺度的北极涛动(AO)的模态较为相似。500 hPa的位势高度场[图 4(b)]也表现出类似AO的形势, 表现为极区的位势高度增加, 围绕极区的中高纬地区的位势高度减弱, 在高度场上表现为一个准正压的南北环状模态。在200 hPa的纬向风场[图 4(c)]上, 近极地的高纬度地区风速减弱, 而中纬度西风加强, 温带急流增强。以上分析说明, 与SH气压的南北反相变化相联系的大气环流异常呈现出类似于AO的模态, 这与陈文等(2006)的研究结果相同, AO通过准定常行星波影响。SH PC2与AO的相关系数为-0.39(表 1), 通过99%的信度检验, SH呈南北气压反相变化时与AO位相呈负相关关系, 当SH北强南弱时, 对应AO正位相。同时, 发现其也呈现北大西洋涛动(NAO)的模态, 当SH北部偏强, 南部偏弱时, 冰岛低压和亚速尔高压同时减弱。500 hPa位势高度场上, 中纬度位势场偏弱, 高纬度位势场偏强。200 hPa纬向风场上, 高纬度纬向风偏弱, 中纬度纬向风偏强, 这与武炳义等(1999)得出的结论一致, NAO可能通过大气遥相关影响SH。PC2与NAO的相关系数为-0.41(表 1), 通过99%的信度检验。相反, 当SH高压北部偏弱, 南部偏强时, 北极地区的海平面气压减弱, 北太平洋北部和北大西洋北部的气压升高, 类似于AO的负位相, 冰岛低压和亚速尔高压同时增强。以上分析说明, SH的第2模态与AO和北NAO密切相关, SH的变化受这两者影响, 这与陈文等(2006)和武炳义等(1999)的结论相一致。

图 4(Fig. 4)

图 4 1979—2016年PC2的年际变化与海平面气压场(a)、500 hPa位势高度场(b)及200 hPa纬向风场(c)的相关分析 打点区域表示通过95%的信度检验 Fig. 4 Correlation analysis of PC2 interannual variation with sea level pressure field (a), potential height field at 500 hPa (b) and zonal wind field at 200 hPa (c) from 1979 to 2016. The dotted area indicate the test have passed 95% confidence level

从PC3年际变化尺度上与SH东西气压反相变化型相联系的大气环流场(图 5)可以看出, 当SH呈东强西弱时, 海平面压场[图 5(a)]表现为极地的负中心, 和围绕极地的中高纬的正中心, 500 hPa高度场[图 5(b)]表现出较明显的区域特征, 200 hPa纬向风场上[图 5(c)]表现为中高纬的正中心, 也有明显的区域特征。SH的第3模态相联系的大气环流主要出现在欧亚大陆局部区域。PC3在年际时间尺度上也与NAO有一定的关联, SH东西部气压反相变化时, 海平面气压场上, 冰岛低压增强, 亚速尔高压也同时增强, 即在气压场上表现为冰岛低压和亚速尔高压同时增强或减弱的现象。以上分析说明, 与SH第3模态的年际变化特征相联系的大气环流场主要表现为欧亚大陆区域特征, 与北大西洋涛动NAO也有一定的关联。PC3与NAO的相关系数为0.28(表 1), 通过了95%的信度检验。

图 5(Fig. 5)

图 5 1979—2016年PC3的年际变化与海平面气压场(a)、500 hPa位势高度场(b)及200 hPa纬向风场(c)的相关分析 打点区域表示通过95%的信度检验 Fig. 5 Correlation analysis of PC3 interannual variation with sea level pressure field (a), potential height field at 500 hPa (b) and zonal wind field at 200 hPa (c) from 1979 to 2016. The dotted area indicate the test have passed 95% confidence level

为了找出SH的3种年际变化模态对东亚冬季气温的影响, 用SH 3个模态的时间序列在年际尺度上回归到东亚地区同期各格点年际尺度上气温的线性回归系数(图 6), 既能看到关系的正负性, 又能看到相应温度变化的数量大小(龚道溢等, 2002)。当SH表现为全区一致减弱时, 对应东亚大部分地区偏暖。当SH表现为北强南弱时, 东亚东北部偏暖。当SH表现为东强西弱时, 东亚北部偏暖, 西南部偏冷。相反, 当SH表现为全区一致增强时, 东亚偏冷, 当SH表现为北弱南强时, 东亚东北部偏冷, 当SH表现为东弱西强时, 东亚北部偏冷, 西南部偏暖。

图 6(Fig. 6)

图 6 SH的3个模态的时间序列PC1(a)、PC2(b)和PC3(c)在年际尺度上回归到东亚同期各格点年际尺度上气温的系数 打点区域表示通过95%的信度检验 Fig. 6 The time series PC1 (a), PC2 (b), and PC3 (c) of three modes of SH, the coefficient of temperature on the interannual scale of each point in the same period of East Asia is returned to the interannual scale. The dotted area indicate the test have passed 95% confidence level

东亚冬季气温主要受冬季风影响, SH是影响北半球冬季大气环流和东亚冬季风的重要成员(丁一汇等, 1991; 王遵娅等, 2006; 贾丹等, 2015)。选取影响东亚冬季的主要系统500 hPa位势高度场、200 hPa纬向风场(U), 用这些变量场的年际变化部分分别与SH的3个模态的年际信号做回归分析, 从大气环流场上寻找SH的年际变化特征对东亚气温的影响。图 3~5已分别分析了在年际变化尺度上SH 3个模态与500 hPa高度场、200 hPa纬向风场的关系。

年际变化尺度上, PC1回归到高度场上[见图 3(b)], 45°N以北高度场偏弱, 45°N以南高度场偏强, 东亚大槽强度偏弱; 在纬向风场上[见图 3(c)], 温带急流(45°N)增强, 而副热带急流(45°N)减弱, 冬季西风急流强度和位置的变化影响我国冬季气温(毛睿等, 2007; 康丽华等, 2009), 温带急流和副热带急流的协同变化与亚洲季风爆发有关系, 进而影响到东亚的气温(张耀存等, 2008; 贾丹等, 2015)。即当SH偏弱时, 东亚大槽强度也偏弱, 温带急流增强和副热带急流减弱的协同变化导致东亚偏暖。当SH呈北强南弱时, 在高度场上[见图 4(b)], 表现为极区的位势高度增加, 围绕极区的中高纬地区的位势高度减弱, 为一个准正压的南北环状模态, 在纬向风场上[见图 4(c)], 东亚西部副热带急流增强, 东亚北部温带急流减弱。即当SH为北强南弱时, 对应AO正位相, 温带急流减弱, 东亚东北部偏暖。当SH呈东强西弱时, 在高度场[见图 5(b)]和纬向风场[见图 5(c)]上, 其相应的大气环流特征出现在欧亚大陆的局部区域, 对应东亚北部偏暖, 西南部偏冷。相反, 当SH一致偏强时, 东亚大槽强度偏强, 温带急流减弱, 副热带急流增强, 东亚偏冷。当SH北弱南强时, 对应AO负位相, 温带急流增强, 东亚东北部偏冷。当SH东弱西弱时, 东亚北部偏冷, 西南部偏暖。

通过对西伯利亚高压的主要活动区域38个冬季的SLP进行EOF分析, 得到其主要的3个年际变化模态, 进一步对相关的大气环流和东亚气温的异常分析, 得到以下主要结论:

(1) 通过对SH主要活动区域进行EOF分解, 得到SH存在3个主要的变化模态。第1模态表现为全区一致的变化, 表示SH的主要变化是全区一致的增强或减弱; 第2模态表现为气压南北反相变化的关系, 即当SH北部偏强时, 南部偏弱, 反之, 当SH北部偏弱时, 南部偏强; 第3模态表现为气压东西反相变化的关系, 即当SH东部偏强时, 西部偏弱, 反之, 当SH东部偏弱时, 西部偏强; 并且, 3个模态的时间序列都存在明显的年际变化特征。

(2) 年际尺度上, 与第1模态相联系的大气环流表现为海陆气压差的改变以及与此相关的东亚大槽强度的变化和的温带急流、副热带急流强度的改变; 第2模态与北极涛动(AO)和北大西洋涛动(NAO)的变化有密切关系, 在高度场上表现为一个准正压的南北环状模态, 与温带急流强度变化有关; 而与第3模态相联系的大气环流主要出现在欧亚大陆局部区域, 与北大西洋涛动(NAO)也存在一定的关联。

(3) 年际尺度上, 当SH一致减弱时, 东亚大槽强度也偏弱, 温带急流增强和副热带急流减弱协同变化导致东亚偏暖。反之, 当SH一致增强时, 东亚偏冷。当SH北强南弱时, 高度场上表现为南北正压的环状结构, 对应AO正位相, 温带急流减弱, 东亚东北部偏暖。反之, 当SH北弱南强时, 东亚东北部偏冷。当SH东强西弱时, 其相应的大气环流特征出现在欧亚大陆局部区域, 东亚北部偏暖, 西南部偏冷。相反, SH东弱西强时, 东亚北部偏冷, 西南部偏暖。