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中国冬季积雪特征及欧亚大陆积雪对中国气候影响

张人禾 张若楠 左志燕

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中国冬季积雪特征及欧亚大陆积雪对中国气候影响

An Overview of Wintertime Snow Cover Characteristics over China and the Impact of Eurasian Snow Cover on Chinese Climate

  • 摘要: 该文首先回顾了有关中国冬季积雪的研究进展,包括中国冬季积雪的空间分布气候特征以及季节、年际和年代际变化,中国冬季降雪特征,气象因子对中国冬季积雪水量平衡的影响,外强迫和大气环流系统在积雪形成中的作用等。冬春季欧亚大陆积雪对同期和后期中国气候影响的相关研究说明与欧亚大陆积雪异常相关联的中国气候异常以及积雪通过改变土壤湿度、表面温度和辐射分布,引起大气环流异常,进而对中国气候产生影响的物理过程。应用美国环境预测中心 (NCEP) 第2版气候预测系统 (CFSv2) 的回报试验结果,对CFSv2在欧亚大陆积雪变化及其与中国气候关系的可预报性方面的分析表明,CFSv2能够较好地回报出春季欧亚积雪的年际和年代际变异及其与中国夏季降水之间的联系。文章最后提出了在积雪及其气候效应研究方面一些有待解决的问题。
  • 图 1  中国冬季雪量平衡各项在1979-2010年的气候平均值[44]

    (a) 冬季雪水当量,(b) 秋末雪水当量,(c) 冬季降雪,(d) 积雪蒸发,(e) 积雪升华,(f) 积雪融化

    Fig.1  Climatological winter snow water equivalent (a), November snow water equivalent (b), winter snowfall (c), winter snow evaporation (d), winter snow sublimation (e) and winter snow melting (f) over China for 1979-2010(from reference [44])

    图 2  1979—2004年春季欧亚大陆雪水当量与中国夏季降水奇异值分解 (SVD) 第1模态的左场 (a)、右场 (b) 和相应的标准化时间系数 (c) 及春季积雪时间序列回归得到的春季 (d) 和夏季 (e)500 hPa高度场 (单位:gpm)

    (图 2d图 2e中黄色和蓝色分别代表达到0.01和0.05显著性水平)[23]

    Fig.2  The leading SVD modes of spring Eurasian snow water equivalent (a), summer rainfall over China (b), and their normalized time series (c) for 1979-2004 with regressed 500 hPa geopotential height anomalies (unit:gpm) in spring (d) and summer (e) against the SVD time series of spring snow water equivalent, respectively

    (yellow and blue areas in Fig. 2d, Fig. 2e represent anomalies exceeding 0.01 and 0.05 levels)(from reference [23])

    图 3  1979—2004年中国春季降水 (a)、欧亚大陆春季雪水当量 (b) 的SVD第1模态和相应的标准化时间系数 (c) 以及由标准化的西伯利亚区域 (40°~50°N, 75°~96°E) 雪水当量回归得到的500 hPa位势高度 (d)、850 hPa位势高度 (等值线,单位:gpm) 和风场 (矢量)(e)

    (阴影区表示相关系数和位势高度异常达到0.05显著性水平)[70]

    Fig.3  The leading SVD modes of the spring rainfall over China (a) and Eurasian snow water equivalent (b) as well as their normalized SVD (c) for 1979-2004 with regressed spring 500 hPa geopotential height anomalies (d) and 850 hPa geopotential height anomalies (the contour, unit:gpm) and wind anomalies (the vector)(e) against the normalized spring snow water equivalent time series averaged over Siberia area (40°-50°N, 75°-96°E), respectively

    (dark areas in represent correlation coefficients and height anomalies exceeding 0.05 level)(from reference [70])

    图 4  标准化的冬季 (1—3月) 欧亚大陆中高纬度地区 (55°~70°N, 0°~180°) 雪水当量时间序列 (a)、冬季雪水当量 (b)、700 hPa环流场 (c)、降水率 (d) 在积雪低指数年 (1999—2010年) 和高指数年 (1979—1998年) 的合成差[94]

    Fig.4  Time series of normalized Jan-Mar snow water equivalent averaged over high-latitude Eurasia (55°-70°N, 0°-180°E)(a) with differences in snow water equivalent (b), 700 hPa wind (c) and precipitation (d) between composites of low snow cover years of 1999-2010 and high snow cover years of 1979-1998(from reference [94])

    图 5  欧亚大陆积雪对中国气候影响概念图

    (a) 春季欧亚积雪对夏季中国气候影响,(b) 春季欧亚积雪对同期中国气候影响,(c) 冬季欧亚积雪对同期中国气候影响

    Fig.5  Schematic diagrams on effects of spring Eurasian snow cover upon summer climate (a), spring Eurasian snow cover upon synchronous climate (b) and winter Eurasian snow cover upon synchronous climate (c) over China

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-06-27
  • 修回日期:  2016-07-12
  • 刊出日期:  2016-09-30

中国冬季积雪特征及欧亚大陆积雪对中国气候影响

  • 1. 中国气象科学研究院,北京 100081
  • 2. 国家气候中心,北京100081

摘要: 该文首先回顾了有关中国冬季积雪的研究进展,包括中国冬季积雪的空间分布气候特征以及季节、年际和年代际变化,中国冬季降雪特征,气象因子对中国冬季积雪水量平衡的影响,外强迫和大气环流系统在积雪形成中的作用等。冬春季欧亚大陆积雪对同期和后期中国气候影响的相关研究说明与欧亚大陆积雪异常相关联的中国气候异常以及积雪通过改变土壤湿度、表面温度和辐射分布,引起大气环流异常,进而对中国气候产生影响的物理过程。应用美国环境预测中心 (NCEP) 第2版气候预测系统 (CFSv2) 的回报试验结果,对CFSv2在欧亚大陆积雪变化及其与中国气候关系的可预报性方面的分析表明,CFSv2能够较好地回报出春季欧亚积雪的年际和年代际变异及其与中国夏季降水之间的联系。文章最后提出了在积雪及其气候效应研究方面一些有待解决的问题。

English Abstract

    • 积雪作为气候系统五大圈层中冰冻圈的一部分,在气候变异中占重要地位。积雪与大气环流之间的相互作用一直为人们所关注,积雪一方面受到前期和同期大气环流的显著影响,另一方面对后期气候有明显的反馈作用。研究表明,温度和大气环流变化是造成冬季积雪异常的主要原因[1]。中国冬季积雪的分布与前期及同期东亚地区甚至全球尺度的外强迫和大气环流系统有直接联系,如北极涛动 (AO)、西伯利亚高压[2-7]、东亚冬季风[8-9]、北极海冰[10-12]以及海温[13-16]等。

      一般认为,积雪的高反射率和隔绝热量交换特性以及消融引起的水文效应,可通过改变地表能量平衡、水循环和大气环流进而对同期和后期气候系统产生重要影响。国内外许多学者从多种角度研究了欧亚大陆积雪对中国气候的影响,并取得了大量研究成果[17-26]。事实上,自20世纪80年代以来,在全球气候变暖背景下,各种极端天气气候事件在我国造成了严重的经济损失和人员伤亡。因此, 欧亚大陆积雪对中国天气气候的影响及其可预报性问题得到了越来越多的关注。本文对中国冬季积雪的时空分布特征和变异等方面的研究进行了回顾,总结了欧亚大陆积雪对中国气候影响的研究进展,并提出一些有待解决的问题。

    • 中国地区积雪监测的手段主要有地面常规观测、卫星可见光遥感和微波遥感3类,积雪参数主要有雪深、雪日、积雪覆盖率和雪水当量4类[27-30]。针对这些积雪资料和参数的特性、不足及资料之间的对比验证已取得很多成果[31-33]

      受局地气候和地形影响,中国积雪的分布和变化十分复杂[34]。在空间气候分布上,中国冬季积雪和方差大值区主要位于新疆、东北和青藏高原这三大稳定积雪区。中国积雪具有明显的季节、年际和年代际尺度的时间变化。冬季中国积雪经验正交函数分解 (EOF) 的第1模态表现为南、北方反位相的年际变化特征,即当新疆和东北—内蒙古地区积雪偏多 (少) 时,青藏高原和南方地区积雪偏少 (多)[33, 35]。青藏高原东、西部积雪的年际波动也呈反位相关系[36]

      积雪的季节变化受气温和降雪影响显著,青藏高原地区春季积雪最多,冬季积雪较少[37],但各地区的峰值月份并不相同;中国其他地区则冬季积雪最多。青藏高原积雪季节变化有两大特点:一是积雪季节长,最大值出现早,结束却迟2~3个月;二是积雪出现迅速,消退缓慢[38],但很难持续到春末夏初。从趋势分析看,1979—2006年新疆和东北—内蒙古大部分地区积雪有增多趋势[32, 39],东北小部分地区积雪有减少趋势;南方地区积雪表现出减少趋势。青藏高原积雪呈年代际变化特征,对1951—1997年青藏高原积雪资料的分析表明,1957—1992年青藏高原积雪普遍增加[40];而利用1960—2004年青藏高原积雪资料发现,青藏高原在1977年之后积雪明显增加[41],即20世纪70年代末之前青藏高原积雪偏少、之后偏多[42];90年代末开始,积雪开始变少[41, 43]。但从1979—2010年整个时段看,青藏高原积雪呈较弱的减少趋势[33]

      降雪是我国大部分地区冬季降水主要形式,冬季降雪对积雪的形成具有重要作用[44]。冬季雪深与降雪量呈正比,在我国该比值大约为0.75 cm/mm,且随着气温的上升而减小[45]。我国冬季降雪的空间分布反映了积雪的主要特征,即高纬度地区、高山地区降雪较多,江淮流域降雪较为集中[46-47],且在空间模态上大约以黄河为界南、北反位相变化[48]。随着北半球中高纬度地区变暖,我国主要降雪区域的年降雪量有增加的趋势[49-50],但在20世纪80年代中期之后,大部分地区降雪有减弱趋势[47]

    • 积雪水当量及其时间变化等信息是水资源管理的重要依据,还具有指示气候变化的科学价值。积雪水文过程和积雪水量平衡研究已成为气候变化研究的热点之一[51]。中国冬季积雪水量平衡与局地气象条件密切相关,降雪是影响积雪深度的首要局地气象条件,积雪蒸发、升华和融化等损耗过程是影响积雪区域水量平衡的重要分量。冬季雪量平衡 (ESW)[44]可简单概括为

      (1)

      式 (1) 中,ESWA表示秋末积雪,FS表示冬季降雪, E表示积雪蒸发, QS表示积雪升华, M表示积雪融化。

      国内外许多观测和水文模拟研究分析了积雪损耗项的特性,指出积雪蒸发是水面蒸发的特殊情况,当积雪上空水汽压小于当时温度下的饱和水汽压时,积雪蒸发就会发生。乌鲁木齐河流域冬季积雪表面蒸发主要取决于热量条件[52]。积雪升华包含雪面升华和风吹雪升华两个部分。风吹雪升华在积雪质能平衡中占有相当比例,因之而产生的积雪重分布对冬季积雪积累以及来年春季径流等有很大影响,它与风速、雪面状态和气温等要素有关[53]。有学者考虑了利用地面以上不同高度的吹雪密度风计算吹雪升华,风吹雪的发生条件需要临界风速和气温,发生概率分布类似于累计正态分布[54]。祁连山区冬季风吹雪升华可占积雪升华的41.5%[55]。也有学者采用梯度廓线方法计算雪面升华[56-57]。青藏高原地区大约有50%的积雪损耗于升华作用[39]。积雪融化过程与局地气温和辐射紧密相关[58]

      针对我国及各分区雪量平衡年际变化 (图 1)[44]的研究表明,冬季积雪与降雪在全国范围内变化一致;秋季积雪对冬季积雪的贡献限制在大约42°N以北;积雪蒸发和升华项的贡献主要出现在东北、西北和青藏高原东部地区;积雪融化项在黄淮流域有重要贡献。在东北和西北地区,积雪蒸发与升华具有相同的量级;在青藏高原和江淮地区,积雪升华约是蒸发的两倍。针对其影响因子的进一步研究指出,在不同积雪区域积雪损耗项受不同的气象因子影响,积雪蒸发在西北地区主要受饱和水汽压差影响,在东北和青藏高原地区主要受风速影响。积雪升华在西北地区主要受气温控制,在东北地区受风速控制,在江淮地区受饱和水汽压差控制。在青藏高原地区,气温、气压和饱和水汽压差均是积雪升华的重要影响因子。积雪融化在青藏高原地区主要取决于气温,在江淮流域与净辐射有更好的联系。

      图  1  中国冬季雪量平衡各项在1979-2010年的气候平均值[44]

      Figure 1.  Climatological winter snow water equivalent (a), November snow water equivalent (b), winter snowfall (c), winter snow evaporation (d), winter snow sublimation (e) and winter snow melting (f) over China for 1979-2010(from reference [44])

    • 冬季积雪的变异与外强迫和大气环流系统等影响因素紧密相关,现有研究表明,AO、西伯利亚高压、东亚冬季风、北极海冰以及太平洋和大西洋海温对中国冬季积雪变异有重要影响。

      AO是冬季热带外行星尺度大气环流的一个重要模态,与其相关联的大气环流通过影响降雪和气温分布,进而对积雪产生影响。许多研究指出,冬季AO与中国冬、春季积雪相关最显著[4]。当冬季AO处于负位相时,东亚地区200 hPa的急流明显南移,西伯利亚高压增强,东亚大槽显著增强[7]。500 hPa等压面上,大约在40°N以北, 存在中心位于贝加尔湖附近的异常气旋环流;而大约在40°N以南,存在中心位于中国西南的异常反气旋性环流,中国北方和南方地区分别受异常气旋和反气旋的控制。在北方异常气旋控制下,出现降雪增多、表面气温降低,导致积雪增多;而在南方异常反气旋控制下,青藏高原东部和西南地区降雪减少、表面气温增高,导致积雪减少[33]。因此,AO可能是导致中国积雪南北反相年际变化的重要原因。另外,AO与冬春欧亚大陆积雪的相关关系存在年代际变化,且在20世纪80年代之后二者关系变得更密切[6]。AO和西伯利亚高压为反相关关系,二者分别可以解释我国冬季温度和降水方差的35%和11%;在年际时间尺度上,AO对我国降水的影响比西伯利亚高压的影响更为显著,但西伯利亚高压对我国气温的影响比AO的影响更为显著[2-3, 5]

      东亚冬季风是影响欧亚大陆尤其是我国冬季气候的重要大气环流系统。研究指出,东亚冬季风异常与中国降水和气温场有很好的对应关系,在强冬季风年,中国大部分地区降水偏少,尤其是黄河下游地区偏少50%,气温偏低;而在弱冬季风年,中国大部分地区降水偏多,华北东部降水偏多100%,气温偏高[8-9]

      近年来,随着北极海冰的减少,秋、冬季北极气温增幅明显。随之而来的是中纬度地区极端天气的频发和气候异常加剧,主要表现为欧亚大陆严冬频发、阻塞高压活跃、中纬度地区冬季降雪和积雪增多,其中中国北方和中部地区积雪明显增多[11-12]

      厄尔尼诺/南方涛动 (ENSO) 作为海温年际变化最明显的信号,可以通过环流调整或者大气准静止Rossby波列对中国积雪产生显著影响[15, 59]。厄尔尼诺年,在赤道中太平洋的准静止Rossby波作用下,冬季北半球积雪范围增加,欧亚地区积雪面积和质量增加[13-14, 60];青藏高原地区风暴活动增强、积雪增加[15]。事实上,厄尔尼诺冬季东亚冬季风减弱[61],我国南方降水显著增多[62-63]。在拉尼娜年,亚洲高纬度地区可出现阻塞形势,南亚地区南支槽加强,影响了2008年初我国南方雨雪冰冻灾害[64]。除热带东太平洋外,北大西洋海温异常通过中西伯利亚阻塞高压的形成,黑潮区海温异常通过副热带高压的北移,均为2008年初我国南方雨雪冰冻灾害提供了冷空气和水汽条件[65]

    • 很早就有研究指出,欧亚高纬度地区大面积积雪是短期气候预测的有效物理因子[66]。随着积雪资料的丰富和数值模式的发展,大量研究分析了欧亚大陆积雪与东亚季风和后期中国降水之间的联系[22-26, 67-71]。积雪反照率和水文效应在其中起了重要作用,春季反照率影响在低纬度地区占主要地位,尤其是青藏高原,夏季积雪水文效应起主要作用[72]。值得注意的是,青藏高原地形和位置的特殊性,海拔较高、积雪持续时间长,因此,青藏高原积雪与欧亚大陆主体积雪对中国气候的影响及其机理有较大差异,在江淮流域甚至影响相反[67-68]。以下将说明欧亚大陆积雪对同期和后期中国气候的影响。

    • 自从早期研究指出喜马拉雅山积雪通过地表热力状况对印度夏季风降水产生影响[73]以来,大量学者利用观测分析和数值模拟研究了春季欧亚大陆积雪与中国夏季气候之间的联系。图 2给出了春季欧亚大陆积雪与中国夏季降水奇异值分解 (SVD) 第1模态以及与春季积雪相联系的500 hPa高度场异常[23]。春季欧亚大陆积雪除了青藏高原和东亚少部分地区外,其主体地区具有一致性变化,对应中国东部北方降水与南方相反。该模态反映了叠加在年代际信号上的较强的年际信号。事实上,中国东部夏季气候在20世纪80年代末出现了一次明显的年代际气候转型[22],转型后中国东部南方地区降水明显增多、西太平洋副热带高压 (简称副高) 西伸且南北范围加强、西北太平洋上空低层反气旋加强,这与春季欧亚大陆积雪的年代际变化存在密切联系。5月西伯利亚地区积雪偏多往往对应于夏季中国华北、华南、东北部分地区降水偏少,而江淮流域、内蒙古、青藏高原以北、青藏高原东南部地区降水偏多[74]。除了SVD第1模态以外,春季欧亚大陆积雪与中国夏季降水SVD第2模态反映了春季欧亚大陆积雪东西反相变化、青藏高原积雪与东亚积雪同相变化特征,当欧亚大陆积雪西少东多、青藏高原积雪偏多时,对应于中国北方地区夏季降水减少[23]。另外,针对青藏高原积雪影响的研究普遍认为冬春季 (11月—次年3月) 青藏高原多雪会导致东亚夏季风偏弱。当青藏高原积雪偏多时,印度季风减弱、东南季风加强,夏季长江流域降水偏多,华南和华北地区降水偏少[69, 75-78],西北干旱区降水有弱的减少[79]。在年代际尺度上,青藏高原春季积雪深度与东亚夏季风之间也存在较好的联系[80],青藏高原积雪异常可能是引起20世纪80年代至90年代末我国夏季长江流域多雨、华北少雨这种南涝北旱雨带分布的重要原因之一[41-42]

      图  2  1979—2004年春季欧亚大陆雪水当量与中国夏季降水奇异值分解 (SVD) 第1模态的左场 (a)、右场 (b) 和相应的标准化时间系数 (c) 及春季积雪时间序列回归得到的春季 (d) 和夏季 (e)500 hPa高度场 (单位:gpm)

      Figure 2.  The leading SVD modes of spring Eurasian snow water equivalent (a), summer rainfall over China (b), and their normalized time series (c) for 1979-2004 with regressed 500 hPa geopotential height anomalies (unit:gpm) in spring (d) and summer (e) against the SVD time series of spring snow water equivalent, respectively

      机理分析表明,春季欧亚大陆积雪一方面能够在500 hPa激发出大气中的遥相关波列,且该波列从春季一直持续到夏季, 造成中国北方为高压控制, 南方为弱低压控制, 导致降水出现在中国南方[22-23, 81];另一方面,春季积雪异常可以通过改变后期土壤湿度、温度分布及辐射状况,促进陆气相互作用,激发夏季遥相关波列的产生[82-84]或影响亚洲夏季风的爆发[85-86],进而对中国夏季气候产生影响。

    • 春季欧亚大陆积雪在20世纪80年代末的年代际转型不仅与中国东部夏季气候的年代际气候转型有关[22],也与中国南方和东部春季降水在80年代末出现的年代际气候转型联系密切[25]。除了年代际尺度外,春季欧亚大陆积雪与中国春季降水在年际时间尺度上也有联系[25, 70, 87]。就整个中国而言,春季降水EOF第1模态反映了中国东部中纬度地区降水的变化特征,其与春季欧亚大陆楚科齐半岛和青藏高原积雪有显著的正相关关系、与贝加尔湖到中国东北地区的积雪有显著的负相关关系[25]。另外,春季欧亚大陆积雪与中国东部和西部降水具有相反的关系,即当欧亚大陆积雪偏少时,中国东南和东北地区春季降水减少、西南和西北地区春季降水增多,两者之间的这种联系依赖于高纬度地区积雪对大气环流的反馈作用[26]。就中国南方地区而言,春季西伯利亚西部和青藏高原积雪是影响南方春季降水的关键区[88]。西伯利亚地区积雪与中国东南地区降水有显著的正相关关系、与西南地区降水有显著的负相关关系,在经历20世纪80年代末气候转型后,西伯利亚地区积雪显著减少,对应我国东南地区降水减少、西南地区降水增多。伴随着这次转型,欧亚大陆上空对流层中低层位势高度增强、对流层低层中国东部北风增强,从而导致了中国南方东南和西南地区降水的反相变化特征[67]。为了说明这种联系,图 3给出了西伯利亚积雪与中国南方地区降水的SVD第1模态以及相对应的500 hPa和850 hPa环流场[70]。针对青藏高原春季积雪影响的研究表明,当青藏高原前冬春积雪偏多时,春季东亚冬季风偏强、夏季风爆发较晚,有利于江南和华南前汛期降水的增多[75-78, 89],以及春季江南地区降水的增多[82]

      图  3  1979—2004年中国春季降水 (a)、欧亚大陆春季雪水当量 (b) 的SVD第1模态和相应的标准化时间系数 (c) 以及由标准化的西伯利亚区域 (40°~50°N, 75°~96°E) 雪水当量回归得到的500 hPa位势高度 (d)、850 hPa位势高度 (等值线,单位:gpm) 和风场 (矢量)(e)

      Figure 3.  The leading SVD modes of the spring rainfall over China (a) and Eurasian snow water equivalent (b) as well as their normalized SVD (c) for 1979-2004 with regressed spring 500 hPa geopotential height anomalies (d) and 850 hPa geopotential height anomalies (the contour, unit:gpm) and wind anomalies (the vector)(e) against the normalized spring snow water equivalent time series averaged over Siberia area (40°-50°N, 75°-96°E), respectively

      机理分析表明,欧亚大陆春季积雪异常可以在欧亚大陆中高纬度大气中激发出异常遥相关波列[23],东亚地区上空对流层出现反气旋环流异常[90],进而影响中国春季降水。再者,欧亚积雪可以引发向上和向极的波活动通量异常,导致极地与中高纬度西伯利亚地区高度场的相反变化,同时,西太平洋副热带高压减弱或加强,进而对中国东、西部降水反相变化产生影响[26]

    • 冬季欧亚大陆60%的地区被积雪覆盖[91],自20世纪60年代以来,欧亚大陆冬季积雪以及积雪持续时间经历了显著的减少趋势[1, 92]。大量研究指出,冬季欧亚大陆积雪异常对同期大气环流有显著影响。利用积雪深度资料的研究指出,当冬季 (12月—次年2月) 欧亚积雪面积偏大时,对应着积雪深度典型的异常空间分布型,即欧洲西部多雪、欧洲中高纬度及西亚少雪、青藏高原附近地区多雪。这种积雪分布型与冬季欧亚大陆大气环流存在耦合关系,500 hPa高度场表现为正的欧亚—太平洋 (EUP) 遥相关型,西伯利亚反气旋加强,东亚大槽加深,东亚冬季风活动偏强,导致中国北方地区气温偏低、南方地区气温偏高[18-19]。除欧亚大陆中高纬度地区外,青藏高原冬季积雪与东亚冬季风也有联系。当青藏高原多雪时,其地面感热热源减弱,导致东亚冬季风偏强,进而影响到中国华南和西南地区气候[93]。利用雪水当量再分析资料的研究指出,冬季 (1—3月) 欧亚大陆中高纬度地区积雪与同期中国降水在年际和年代际尺度上均有较好的联系[94]。在经历90年代末的年代际转型后,欧亚大陆积雪减少,中国东南地区东北风加强,导致了该地区冬季降水的减少。美国环境预测中心 (NCEP) 第2版气候预测系统 (CFSv2) 能够较好地模拟出冬季欧亚积雪的年际和年代际变率及其与中国东南地区冬季降水之间的联系[94]图 4给出了冬季欧亚大陆中高纬度地区积雪与同期中国降水之间的联系。

      图  4  标准化的冬季 (1—3月) 欧亚大陆中高纬度地区 (55°~70°N, 0°~180°) 雪水当量时间序列 (a)、冬季雪水当量 (b)、700 hPa环流场 (c)、降水率 (d) 在积雪低指数年 (1999—2010年) 和高指数年 (1979—1998年) 的合成差[94]

      Figure 4.  Time series of normalized Jan-Mar snow water equivalent averaged over high-latitude Eurasia (55°-70°N, 0°-180°E)(a) with differences in snow water equivalent (b), 700 hPa wind (c) and precipitation (d) between composites of low snow cover years of 1999-2010 and high snow cover years of 1979-1998(from reference [94])

      需要指出的是,欧亚大陆积雪与中国降水之间的联系可能存在其他因子的作用。当去除ENSO信号后,春季欧亚大陆积雪与中国降水之间的关系并不显著[25, 88, 95];也有研究认为, 积雪-东亚夏季风之间的联系可能独立于ENSO[59]。另外,北大西洋涛动 (NAO) 对积雪与亚洲夏季风之间关系也有一定影响[96]图 5总结了以上机理研究成果的概念图。

      图  5  欧亚大陆积雪对中国气候影响概念图

      Figure 5.  Schematic diagrams on effects of spring Eurasian snow cover upon summer climate (a), spring Eurasian snow cover upon synchronous climate (b) and winter Eurasian snow cover upon synchronous climate (c) over China

    • 利用气候模式进行短期气候预测已取得了很大进展[97-102]。NCEP发展了新的全球耦合再分析资料和气候预测系统CFSv2,并用CFSv2进行了季节后报预测[103]。随着4层土壤模式的改进[104],CFSv2对欧亚大陆积雪及其相关物理过程的模拟能力得到提高。因此,一些研究应用CFSv2的回报结果对欧亚大陆积雪及其对中国气候影响的可预报性进行了讨论[74, 94, 105-106]

      当超前1个月时,CFSv2可成功回报冬季欧亚大陆雪水当量在年际和年代际尺度上的变率以及相关的动力过程及对中国气候的影响[94]。除冬季外,春季西伯利亚地区雪水当量的变化特征及其对中国夏季降水的影响也在回报结果中得到了较好体现。但这种回报预测强烈依赖于积雪初值,当初值选择4月时,可成功再现5月的积雪型以及相应的夏季中国降水型, 模式可较好地回报出5月欧亚大陆积雪偏多时华南和华北降水减少、江淮区域降水偏多[74, 105]。CFSv2还可以再现欧亚大陆积雪覆盖率的季节循环和气候平均值,准确预测消融期积雪的年际变化、长期趋势及EOF第1模态,但在预测积雪累积期出现了较大误差,即严重低估了累积期积雪的年际变率,且未能模拟出累积期积雪的上升趋势,这可能源于模式对对流层低层温度和降水的模拟偏差[106]

    • 资料分析和数值模拟研究表明,欧亚大陆积雪与大气环流之间存在相互作用,积雪一方面受到前期和同期大气环流的显著影响,另一方面对同期和后期气候也有明显的反馈作用。因此,欧亚大陆积雪变异及其对气候的影响一直是国际大气科学领域的一个研究热点,并取得了很多成果。本文主要回顾了中国冬季积雪的时空特征及其成因的研究进展,评述了欧亚大陆冬春季积雪对同期和后期中国气候影响及其可预报性的相关工作,得到以下主要结论:

      1) 中国冬季积雪的空间分布和时间变化十分复杂。积雪及其变异的大值区主要位于新疆、东北和青藏高原这三大稳定积雪区,且具有显著的季节、年际和年代际变化。青藏高原地区春季积雪最多,中国其他地区则冬季积雪最多。在年际时间尺度上,积雪表现为大概以黄河为界的南、北方反相变化。新疆和东北—内蒙古大部分地区积雪有增多趋势,南方和东北小部分地区积雪表现出减少趋势。

      2) 中国冬季积雪的变异与外强迫和大气环流系统等影响因素紧密相关。AO、西伯利亚高压、东亚冬季风、北极海冰以及太平洋和大西洋海温等,通过引起欧亚大陆区域的大气环流异常,造成中国区域的降水和气温异常,进而对中国冬季积雪变异产生影响。中国冬季积雪水量平衡与局地气象条件密切相关,冬季降雪、秋末积雪、冬季积雪蒸发、升华和融化均是积雪水量平衡的重要分量。冬季积雪与降雪在全国范围内变化一致,秋季积雪对冬季积雪的贡献主要在大约42°N以北。积雪损耗项 (蒸发、升华和融化) 取决于气温、气压、饱和水汽压差和净辐射通量等气象要素,在中国不同的积雪区域,这些气象要素对积雪损耗项所起的作用有很大差异。

      3) 目前,针对欧亚大陆积雪在年际和年代际尺度上对中国气候影响的问题已得到较为系统的认识。春季楚科齐半岛和青藏高原积雪以及贝加尔湖到中国东北地区积雪可以影响同期中国东部中纬度地区降水。春季欧亚大陆主体部分积雪对中国东部春季南、北方降水的反位相变化有重要影响;欧亚大陆春季东、西部积雪反相变化可以影响中国春季北方地区降水。冬、春季青藏高原对汛期降水以及夏季长江流域降水也有显著影响。冬季欧亚大陆积雪可以影响同期东亚冬季风以及中国地区气温和降水。对以上过程的机制分析表明,积雪通过激发大气遥相关型以及通过影响土壤湿度、温度分布及辐射状况,进而对同期和后期大气环流型和东亚夏季风产生影响。

      4) CFSv2在欧亚大陆积雪及其对后期气候影响的后报预测方面具有较好性能,可在较大程度上预测冬季、春季及积雪消融期欧亚大陆积雪在年际和年代际尺度上变异及其对中国气候的影响,但在积雪累积期存在较大的回报偏差。

      虽然目前关于欧亚大陆积雪变异及其对中国气候影响的研究已得到了比较丰硕的成果,但仍存在着许多问题有待进一步研究。具体包括:

      ① 欧亚大陆各地区积雪尤其是青藏高原积雪对我国气候影响的研究结果尚存在不一致性,这可能与不同研究所关注的区域、积雪产品、积雪变量不一致有关。事实上,北半球尺度的积雪资料相对有限,且有些资料已停止更新[107],有些资料在青藏高原地区有所缺失[30],不同积雪参数反映出不同的变化特性[33],这些限制为理解积雪变化的基本事实及其气候效应增加了难度,因此,进一步寻求和建立更丰富、长时段、高精度、经过严格订正的积雪资料是非常必要的。

      ② 有些研究表明:在气候变暖背景下,欧亚大陆积雪与中国气候的关系会发生年代际变化[108-109],不同地区积雪的影响效力也相应改变。这种变化增加了欧亚大陆积雪与中国气候关系的复杂性,也为欧亚大陆积雪及其对中国气候影响的可预报性增加了不确定性因素,如何考虑这种年代际变化特征及影响值得深入探索。另外,对导致这种影响关系年代际变异的成因了解相对较少,仍需进一步探讨。

      ③ 青藏高原和欧亚大陆主体地区积雪往往具有相反的气候影响,二者均在20世纪70—90年代发生年代际转变,主要表现为欧亚大陆主体地区积雪的增长趋势以及青藏高原积雪的减少趋势,二者之间的关系及其与亚洲季风的关系有可能趋于同相,如何认识这两部分积雪不同配置对中国气候的影响,是下一步亟待解决的科学问题。

      ④ 目前关于积雪和积雪气候效应的研究基本上分别进行。事实上,积雪和气候之间存在着相互影响,目前对它们之间相互作用的研究还很缺乏,对积雪及其气候影响的深入认识有待于对二者之间相互作用的深入认识。

      ⑤ 虽然现有的研究表明:积雪对中国气候具有重要的影响,但积雪的影响可以和其他强迫因子同时发生作用,如欧亚大陆积雪和海温[22]、北极海冰[81]会产生共同影响。另外,气候系统五大圈层中的其他自然因子以及人类活动等都会对中国气候产生影响[71, 110-112],与其他因子相比较,积雪对中国气候影响的相对重要性也是有待于解决的一个重要问题。

参考文献 (112)

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