第 6 期周须文等 : 年渤海海冰大气环流异常特征 131 检验, 分别对重冰年和轻冰年对应的各种场进行差值显著性检验 [10] 在相关分析中, 为了消除自然月的时间长度与天气过程的时间长度的不一致, 对高度场采取逐旬滚动的 30d 平均处理, 即对连续 3 个旬的高度场计算平均值

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轮亶邢
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1 第 31 卷第 6 期 2015 年 12 月气象与环境学报 JOURNALOFMETEOROLOGYANDENVIRONMENT Vol.31No.6 December2015 周须文, 史印山, 车少静, 等年渤海海冰大气环流异常特征 [J]. 气象与环境学报,2015,31(6): ZHOUXu wen,shiyin shan,cheshao jing,etal.characteristicsofanomalousatmosphericcirculationforseaiceinbohaisea from1960to2013[j].journalofmeteorologyandenvironment,2015,31(6): 年渤海海冰大气环流异常特征周须文史印山车少静向亮 ( 河北省气候中心, 河北石家庄 ) 摘要 : 利用年渤海冰情等级资料和 500hPa 的 NCEP 高度场再分析格点资料, 采用合成分析相关分析和 t 检验等方法, 分析渤海海冰等级的年际变化特征, 探讨了渤海海冰重冰年和轻冰年的大气环流特征, 寻找引起海冰异常的 500hPa 环流关键区结果表明 : 年渤海冰情等级有明显的阶段性变化, 其中 20 世纪 60 年代渤海海冰重冰年较多,80 90 年代海冰重冰年较少, 近几年渤海重冰年呈增多的趋势海冰重冰年冬季北半球 500hPa 环流有明显的异常特征, 主要表现在极涡偏向东半球, 极涡中心强度明显偏弱且极涡面积明显偏小, 东亚大槽强度偏强, 欧亚脊线位于乌拉尔山一带, 明显偏西 ; 而轻冰年与常冰年类似, 异常特征不明显渤海海冰等级与西太平洋副热带高压的面积强度和北界有较好的负相关关系 ; 在 500hPa 高度距平场上, 冬季欧亚地区重冰年为明显的南北向 -+ 距平分布, 轻冰年呈南北向 +- 距平分布, 环流型差异在 1 月最明显 ;500hPa 月高度场与渤海冰情等级存在 5 个较好相关区, 其中蒙古上空的相关区最好, 相关系数最大值达引言关键词 : 渤海海冰 ; 重冰年 ; 轻冰年 ; 环流异常 ; 相关分析中图分类号 :P434/P731 文献标识码 :A doi: /j.isn X 海冰是渤海地区常见的海洋灾害, 严重的冰情给涉海企业带来毁灭性的破坏, 素有白色杀手之称近年来由于环渤海经济圈的崛起, 海冰的危害日益凸显严重的海冰灾害给环渤海地区的海洋经济造成巨大损失, 引起各方高度重视, 也对渤海海冰的预报提出了更高的需求因此, 研究渤海海冰异常发生原因, 以提高渤海海冰的预报水平, 对渤海地区的防灾减灾具有非常重要的意义大气环流是影响渤海海冰的重要因子, 以往的研究着重研究气候变化与渤海冰情的关系 [1-2], 20 世纪年代渤海冰情偏轻年数逐年代增加, 是对全球气候变暖的响应在研究渤海冰情与大气环流的关系时, 主要从 74 个大气环流指数进行分 [3] 析, 刘钦政等认为影响渤海海冰冰情的主要因子 [4-6] 为西太平洋副热带高压耿淑琴等证明了副热带高压强 ( 弱 ) 极涡弱 ( 强 ), 从而渤海气温高 ( 低 ) [7] 海冰轻 ( 重 ) 的关系李剑等研究认为, 西太平洋副热带高压亚洲极涡及纬向环流是影响海冰生成与变化的直接因素 ; 黄渤海海冰海域的海温与印度洋副热带高压北美副热带高压及大西洋副热带高压的强弱存在显著的年代际相关关系迄今为止, 对引起渤海海冰异常的大气环流特征, 尚不十分清楚本文利用年渤海冰情等级资料及 NCEP 高度场再分析资料, 分析渤海发生重冰年和轻冰年的大气环流异常特征, 以期建立渤海重冰年和轻冰年的大气环流模型 1 资料与方法本文选取美国国家环境预报中心 (NationalCen tersforenvironmentalprediction,ncep) 提供的全球年 12 月至翌年 3 月的 500hPa 高度场再分析格点资料, 分辨率为海冰资料来自国家海洋预报中心文献 [8] 和年国家海洋局海洋灾害监测公报海冰冰情采用冰情等级作为指标, 冰情等级主要根据历年海冰卫星遥感海冰船舶调查海冰航空监测和海冰岸站监测的冰情资料, 以浮冰最大外缘线和海冰厚度为主要指标, 按照国家海洋局 1973 年制定的冰情等级标准制定 [9] 冰情等级的划分为, 等级为轻冰年, 等级为偏轻冰年,3 0 等级为常冰年, 等级为偏重冰年, 等级为重冰年海冰资料, 如 2010 年的冰情等级是指年冬季的冰情统计方法主要采用合成分析和相关分析合成分析中对距平场进行了标准化处理, 并使用了差值 t 收稿日期 : ; 修订日期 : 资助项目 : 河北省科技计划项目 ( D) 资助作者简介 : 周须文, 女,1963 年生, 副研级高级工程师, 主要从事短期气候预测研究,E mail: @qq com

2 第 6 期周须文等 : 年渤海海冰大气环流异常特征 131 检验, 分别对重冰年和轻冰年对应的各种场进行差值显著性检验 [10] 在相关分析中, 为了消除自然月的时间长度与天气过程的时间长度的不一致, 对高度场采取逐旬滚动的 30d 平均处理, 即对连续 3 个旬的高度场计算平均值, 称为逐旬滚动月高度场, 如 12 月 3 旬的月高度场为 12 月第 3 旬翌年 1 月第 1 旬和第 2 旬高度场的平均 2 结果分析 2 1 渤海海冰等级年变化渤海海冰生消与发展的全部过程在一个年度的冬季中进行从年渤海海冰逐年的冰情等级 ( 图 1) 可以看出,54a 中渤海冰情等级为 2 5 图年渤海海冰等级年变化 Fig.1 Variationofannualseaicelevelinthe BohaiSeafrom 1960to2013 级以下的轻冰年为 27a,3 0 级的常冰年为 15a,3 5 级以上的重冰年为 12a 渤海冰情变化具有明显的阶段性, 其中,20 世纪 60 年代冰情较重,10a 中出现 2 个重冰年和 3 个偏重冰年 ;80 90 年代冰情较轻, 20a 中只出现 2 个偏重冰年近几年渤海冰情呈加重的趋势 2 2 大气环流异常特征分析渤海重冰年和轻冰年的大气环流异常特征, 选取年的平均场作为常年值 ; 将冰情等级 4 0 的 5a(1967 年 1969 年 1977 年 2001 年和 2010 年 ) 的平均场作为强冰年环流场, 将冰情等级等于 1 的 5a(1965 年 1973 年 1995 年 2002 年和 2007 年 ) 的平均场作为弱冰年环流场 hPa 环流异常特征 hPa 极涡异常特征极涡是环绕极区的气旋式涡旋, 冬季极涡向低纬度扩张, 它的位置和强度影响环绕极涡的西风环流, 从而影响冷空气的路径和强度统计分析重冰年轻冰年和常年冬季各月北半球 ( 分为东半球和西半球 ) 的极涡个数中心值位置和面积 ( 表 1) 中心值为极涡 ( 或低值中心 ) 高度场的最小值, 面积是指环绕极涡 ( 或低值中心 ) 的 5100gpm 高度线所围区域的格点数表 1 重冰年轻冰年和常年冬季 (12 月至翌年 2 月 ) 东半球及西半球极涡状况 Table1 Descriptionofwinterpolarvortexintheeasternandwesternhemispheresintheyearswithheavyor lightseaiceandnormalyearsfrom DecembertonextFebruary 项目海冰年经度 / E 纬度 / N 中心值 /gpm 面积 / 格点数极涡个数 / 个重冰年月轻冰年常年东半球重冰年月轻冰年常年重冰年月轻冰年常年重冰年月轻冰年常年重冰年西半球 1 月轻冰年常年重冰年月轻冰年常年由表 1 可知,12 月重冰年北半球极涡为单极型, 极涡偏向东半球,12 月轻冰年北半球极涡为偶极型 1 2 月东半球极涡重冰年较轻冰年明显偏南偏东 ; 西半球极涡重冰年较轻冰年偏向极地显然, 重冰年冬季的极地冷空气明显偏向东半球从东西半球极涡中心 ( 或低值中心 ) 的中心值来看, 冬季各月无论是东半球还是西半球, 重冰年的中心值最大, 轻冰年的中心值最小, 说明在重冰年极涡较浅, 轻冰年极涡较深由极涡面积统计可见, 无论东半球还是西半球, 重冰年极涡面积明显偏小, 轻冰年极涡面积接近常年重冰年极涡较浅和面积偏小有利于冷空气向低纬度扩散 hPa 中纬度环流异常特征图 2 为 500hPa 中高纬西风带 (35 55 N) 多

3 132 气象与环境学报第 31 卷年平均及重冰年轻冰年的平均位势高度纬向剖面, 图 2 冬季 500hPa 中高纬西风带 (35 55 N) 平均高度纬向剖面图 Fig.2 Zonalcros sectionofmonthlyaverageheightof 500hPaalongwesterlyzoneofmiddle highlatitudes (35 55 N)inwinter 由图可以看出, 冬季欧亚大陆为一槽一脊, 常年欧亚大陆脊线位于青藏高原北部, 重冰年的脊线位于乌拉尔山一带, 位置明显偏西, 整个中国大陆为西风环流控制, 高度场明显低于常年从逐月槽脊的位置和强度可知 ( 表 2),1 2 月重冰年东亚大槽明显较表 2 东亚 500hPa 中高纬度西风带 (35 55 N) 槽脊位置和强度 Table2 Locationandintensityoftroughandridgealong westerlyzoneon500hpamiddle highlatitudes 月份海冰年 (35 55 N)intheEastAsia 东亚大槽位置 / E 强度 /gpm 欧亚大陆脊线位置 / E 强度 /gpm 重冰年月轻冰年常年重冰年月轻冰年常年重冰年月轻冰年常年深, 轻冰年东亚大槽则略浅,12 月相差不明显冬季各月重冰年欧亚大陆脊线位置均明显偏西, 脊线的强度相差较小 ; 轻冰年欧亚大陆脊线位置略偏东, 脊线的强度相差较小西太平洋副热带高压与重冰年和轻冰年的关系西太平洋副热带高压是影响东亚气候的重要天气系统为定量分析副热带高压对渤海海冰的影响, 统计渤海重冰年和轻冰年的副热带高压范围强度脊线西伸脊点及北边界等特征量, 并计算渤海海冰等级与副热带高压特征量的相关性 ( 表 3) 表 3 渤海重冰年和轻冰年同期 500hPa 副热带高压特征量 Table3 Characteristicvalueof500hPasubtropicalhigh intheyearscorrespondingtoheavyorlight seaiceinthebohaisea 面积强度西伸月份海冰年脊线北界指数指数脊点重冰年 N 17 6 N E 轻冰年 N 19 2 N E 12 月平均值 N 19 3 N E 相关系数重冰年 N 17 0 N E 轻冰年 N 14 6 N 97 0 E 1 月平均值 N 17 5 N E 相关系数重冰年 N 17 2 N E 轻冰年 N 16 8 N E 2 月平均值 N 16 8 N E 相关系数由表 3 可以看出, 渤海重冰年副热带高压面积偏小强度偏弱北界偏南且西伸脊点偏东 ; 轻冰年副热带高压特征量与常冰年相差较小渤海海冰与副热带高压的面积强度脊线和北界特征量均为负相关关系, 与副热带高压西伸脊点为正相关关系其中, 渤海海冰与副热带高压强度相关最好, 其次与副热带高压面积相关性较好, 相关最差的为副热带高压脊线从时间上来看,12 月的相关性最好, 与副热带高压强度相关系数为 -0 46, 通过了 α=0 001 的显著性检验 ;12 月与副热带高压面积相关系数为 -0 42, 通过了 α=0 01 的显著性检验 ;12 月与副热带高压北界相关系数为 -0 34,12 月与西伸脊点相关系数为 0 30, 均通过了 α=0 05 的显著性检验 1 月的相关性次之,1 月与副热带高压强度面积和西伸脊点的相关性, 均通过了 α=0 01 的显著性检验 2 月渤海海冰与副热带高压的相关性较差说明 12 月和 1 月副热带高压的变化对渤海海冰的生消有一定影响,2 月副热带高压与渤海海冰关系较小 hPa 高度距平场特征为了进一步了解渤海重冰年和轻冰年 500hPa 高度场的差异, 对 12 月至翌年 2 月渤海重冰年和轻冰年 500hPa 高度距平场进行合成, 并进行标准化处理, 对差值场进行 t 检验从图 3 可以看出, 重冰年冬季欧亚地区基本呈南北向 -+ 距平分布,60 N 以北的大部区域为正距平,60 N 以南为负距平, 这种环流型与文献 [11 12] 研究的东北地区冷冬 500hPa 高度距平场相似冬季逐月的正距平中心位置略有不同,12 月正距平位于泰梅尔半岛以西, 距平中心在新地岛及其西侧 ; 1 2 月 60 N 以北地区均为正距平, 距平中心位于

4 第 6 期周须文等 : 年渤海海冰大气环流异常特征 133 泰梅尔半岛一带冬季各月 60 N 以南的负距平位置相差较小, 负距平中心主要位于蒙古上空表明图 3 渤海重冰年 12 月 (a) 1 月 (b) 和 2 月 (c)500hpa 高度标准化距平场 Fig.3 Standardizedanomaliesfieldof500hPaheightinDecember(a),January(b)andFebruary(c)inthe yearswithheavyseaiceinthebohaisea 虽然渤海重冰年冬季各月冷空气源地有所不同, 但均经过蒙古到达渤海, 蒙古上空多冷槽存在欧亚地区正负距平场的分布表明, 重冰年 E N 区域等高线更密集, 梯度加大, 经向度加大,45 N 以北的强偏北气流将冷空气推入 E N 区域, 即渤海区域这种距平分布与寒潮天气爆发的天气形势一致 [13], 寒潮天气爆发的 500hPa 高度场乌拉尔山上空为稳定的高压脊, 贝加尔湖至蒙古上空为低槽从标准化距平值可以看出, 重冰年 1 月的正负距平值最大, 表明引起渤海海冰发生异常的关键时段为 1 月轻冰年 500hPa 高度标准化距平场上, 欧亚区域的距平值较小,1 月的距平场可清楚看出为南北向的 +- 分布, 与 1 月重冰年的距平场相反 ( 图略 ); 12 月和 2 月表现不明显这是由于常年值选取的年份为年, 该时段出现的轻冰年明显偏多为此, 对 12 月至翌年 2 月渤海重冰年和轻冰年 500hPa 高度差值场分别进行 t 检验 ( 图略 ),12 月新地岛西侧巴伦支海上空的正距平区和蒙古上空的负距平区均通过了 α=0 05 的显著性检验 ;1 月从北地群岛到新西伯利亚的正距平区通过了 α=0 01 的显著性检验, 蒙古上空的负距平区通过了 α=0 001 的显著性检验 ;2 月位于新地岛西侧正值区通过了 α= 0 01 的显著性检验, 蒙古负距平区通过了 α=0 001 的显著性检验 hPa 高度场相关区为了寻找渤海海冰与 500hPa 高度场的相关区域, 对年渤海冰情等级与 500hPa 逐旬滚动月高度场进行相关分析, 逐旬滚动的时间从 12 月第 1 旬开始至 3 月第 1 旬, 共 8 个时段, 图 4 为年渤海 12 月第 1 旬开始至 3 月第 1 旬 8 个时段高度场与海冰相关系数 0 35( 通过了 α= 0 01 的显著性检验 ) 的空间分布, 由图可以看出, 北冰洋上空为明显正相关区, 各时段正相关区的位置和范围略有不同 ; 在中纬度存在 3 个持续负相关区, 实线表示正相关 ; 虚线表示负相关图 4 500hPa 高度场相关区空间分布 Fig.4 Spatialdistributionofcorrelationarea on500hpaheightfield 分别位于北美大陆西部欧洲大陆和亚洲的蒙古一带 ; 在低纬度太平洋上空存在负相关区上述相关区中, 相关区域一致持续时间最长和相关最好的为蒙古上空的负相关区, 对该负相关区的范围 ( 相关系数的格点数 ) 和相关程度 ( 最大相关系数绝对值 ) 进行时间剖面 ( 图 5), 由图 5 可以看出, 从图 5 500hPa 高度场蒙古负相关区时间剖面 Fig.5 Timecros sectionofnegativecorrelationareaon 500hPaheightfieldoverMongolia

5 134 气象与环境学报第 31 卷 12 月 2 旬至 2 月 1 旬的月高度场上, 该区域的最大相关系数绝对值均在 0 5 以上, 其中, 相关最好的是 12 月 3 旬的月高度场 ( 即 12 月 21 日至 1 月 20 日 ), 最大相关系数绝对值为 0 71 相关区的范围与相关程度具有较好的一致性, 相关越好的时段, 相关区的范围越大表明蒙古上空区域的高度场变化直接影响渤海海冰的形成和发展 3 结论与讨论 (1) 渤海冰情等级有明显的阶段性变化,20 世纪 60 年代重冰年较多,80 90 年代重冰年较少, 近几年重冰年呈增多的趋势 (2) 重冰年北半球 500hPa 环流具有明显的异常特征, 重冰年极涡中心位置偏向东半球极涡较浅且面积较小 ; 重冰年东亚大槽强度在 1 2 月比常年偏强, 欧亚大陆脊线位于乌拉尔山一带, 较常年明显偏西 ; 重冰年西太平洋副热带高压指数面积偏小强度偏弱北界偏南且西伸脊点偏东轻冰年环流异常不明显渤海海冰等级与西太平洋副热带高压的面积强度和北界在 12 月和 1 月有较好的负相关关系 (3) 渤海重冰年冬季 500hPa 距平场, 欧亚地区为南北向 -+ 分布,60 N 以北的大部区域为正距平,60 N 以南为负距平轻冰年 1 月欧亚地区为较明显的南北向 +- 分布 1 月环流异常为影响渤海海冰的关键月份 (4)500hPa 月高度场上, 存在与渤海海冰相关较好的 5 个区域, 分别为格陵兰岛正相关区新西伯利亚正相关区东欧到大西洋上空负相关区蒙古负相关区和西太平洋上的负相关区 ; 其中蒙古区域的相关性最好, 持续时间最长, 表明蒙古上空的高度场变化影响渤海海冰的形成参考文献 [1] 张云吉, 金秉福, 冯雪. 近半个多世纪以来渤海冰情对全球气候变化的响应 [J]. 海洋通报,2007,26(6): [2] 白珊, 刘钦政, 吴辉碇, 等. 渤海北黄海海冰与气候变化的关系 [J]. 海洋学报,2001,22(5): [3] 刘钦政, 黄嘉佑, 白珊, 等. 渤海冬季海冰气候变异的成因分析 [J]. 海洋学报,2004,26(2): [4] 耿淑琴, 王旭. 拉尼娜持续年的渤海海冰 [J]. 海洋通报,2001,20(2):1-11. [5] 耿淑琴, 王旭年冬季黄渤海天气气候特征及对渤海海冰的影响 [J]. 海洋预报,2002,19(4): [6] 耿淑琴, 王咏亮, 白珊年冬季北半球大气环流变化对渤海气候及海冰的影响 [J]. 海洋预报, 2001,18(3): [7] 李剑, 黄嘉佑, 刘钦政. 黄渤海海冰长期变化特征分析 [J]. 海洋预报,2005,22(2): [8] 杨华庭, 田素珍, 叶琳, 等. 中国海洋灾害四十年资料汇编 ( )[M]. 北京 : 海洋出版社,1993: [9] 王相玉, 张惠滋, 严素, 等. 渤黄海北部海冰年代时空变化特征分析 [J]. 海洋预报,2007,24(2): [10] 贾小龙, 王谦谦. 东北地区汛期降水异常的大气环流特征分析 [J]. 高原气象,2006,25(2): [11] 任广成, 沈爱华. 中国东北南部地区冬季气温异常的海气背景分析 [J]. 气象与环境学报,2007,23(4):1-6. [12] 高峰, 隋波, 孙鸿雁, 等年东北地区冬季气温变化及环流场特征 [J]. 气象与环境学报,2011, 27(4): [13] 河北省气象局. 河北省天气预报手册 [M]. 北京 : 气象出版社,1987. Characteristicsofanomalousatmosphericcirculationforseaice inbohaiseafrom 1960to2013 ZHOUXu wen SHIYin shan CHEShao jing XIANGLiang (ClimateCenterinHebeiProvince,Shijiazhuang050021,China) Abstract:BasedonseaiceleveldataintheBohaiSeaandtheNCEP/NCARreanalysisgriddataof500hPageo potentialheightfrom1960to2013,characteristicsofinterannualseaicelevelsandatmosphericcirculationinayear withheavyandlightseaicewereanalyzedbymethodsofacompositionanalysis,acorelationanalysisandat test,inordertofindakeyareaof500hpacirculationcausingseaiceanomaly.theresultsindicatethatseaicelev elsinthebohaiseahaveasignificantstagechange.forexample,mostheavyseaiceoccursin1960sandseldom during1980sto1990s;thenumberofyearswithheavyseaiceisinanincreasingtrendinrecentyears.500hpa winteratmosphericcirculationinthenorthhemispherehassignificantanomalyintheyearswithheavyseaice,and itshowsthatpolarvortexinthenorthhemispherebiasestheeasternhemisphere;thestrengthofpolarvortexcenter isweakandareasofpolarvortexbecomessignificantlysmal;eastasiatroughisstrongerandeurasianridgeisbi asedwest,locatedintheeurasianarea.however,anomalycharacteristicsarenotsignificantintheyearswithlight seaiceandinthenormalyears.theseaicelevelsinthebohaiseaarenegativecorelationswithareasand strengthofthewesternpacificsubtropicalhigh(wpsh)aswelasitsnorthsideboundary.intheyearswith heavyseaice,500hpaheightanomalyfieldshowsthedistributionof"-+"fromnorthtosouthovereurasianre gioninwinter,whileitisoppositeintheyearswithlightseaiceandtheirdiferencesarethemostsignificantin January.Corelationsbetween500hPamonthlyaverageheightfieldandseaicelevelsintheBohaiSeaarebeter infiveareas,especialyoverthemongoliawiththemaximum corelationcoeficient(-0 71). Keywords:TheBohaiSeaice;Yearwithheavyseaice;Yearwithlightseaice;Circulationanomaly;Corelation analysis

南京气象学院学报第卷

南京气象学院学报第卷 Ò Ò 潘敖大孙照渤在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系并采用大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验结果表明赤道东太平洋区域的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响海温正异常时南支雨带旱北支雨带不明显海温负异常时南支雨带涝北支雨带旱前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布