综述：当山脉不再为平原增温：加拿大阿尔伯塔省东南部冬季与春季异常降温与奇努克（Chinook）活动减少的关联

《Atmosphere-Ocean》：When the Mountains Stop Warming the Plains: Anomalous Winter and Spring Cooling in Southeastern Alberta Linked to Reduced Chinook Activity

　　

摘要：过去75余年间，北美冬季和春季地表气温在站点观测和再分析数据集中均表现出近乎普遍一致的增温趋势。然而，在这一大范围增温格局中，阿尔伯塔省东南部约220,000 km2的区域却呈现出持续的春季降温以及程度较轻的冬季降温和/或增温停滞，构成北美大陆少数几个多年代际冷异常区之一。研究人员整合了多条证据链，包括ERA5和ERA5-Land再分析资料、加拿大环境和气候变化部（ECCC）的站点观测数据，以及一个基于物理过程的奇努克（焚风，f?hn）检测算法（应用于ERA5-Land逐小时地表气温场），以检验奇努克频率和增温信号的长期变化是否与该冷异常相关。冷却异常特征刻画、站点与再分析资料的对比、雪水当量趋势分析以及高空诊断共同揭示出一致的多年代际信号。尽管1950–2025年期间存在明显的长期增温，但1980–2025年期间，阿尔伯塔省东南部显示出最高达?0.29°C十年?1的春季降温，以及较弱的冬季信号（?0.09°C十年?1）。ERA5-Land奇努克统计表明，冬季奇努克频率出现统计学上显著的下降（?1.13%奇努克小时数十年?1），同时奇努克增温幅度出现小幅减弱（?0.017°C十年?1）。高空诊断揭示出自1950年以来西风减弱、经向环流增强以及冬季阻塞频率增加，这与北极增暖相关的环流演变格局相一致。综合来看，结果表明奇努克动力学在观测到的区域降温中发挥作用，并与不断演变的积雪状况和更广泛的环流变化共同作用。与北极放大相关的经向温度梯度（斜压性）减小可能削弱纬向环流，进而调节冷季奇努克频率。这些发现凸显了中尺度奇努克（焚风）过程在塑造区域气候表现中的作用，并强调了将演变中的风况纳入区域气候变率和归因分析的重要性。

1 引言
全球地表气温（SAT）自20世纪中叶以来因温室气体浓度上升而升高超过1.1°C，北美普遍出现多年代际增温，尤其在高纬度和冬季（DJF）。然而，区域温度趋势在幅度、季节性和符号上可能显著偏离全球均值。近期研究在加拿大西南部大草原地区识别出一个多年代际春季（MAM）降温趋势，与北美大部增温形成鲜明对比。该降温异常的成因尚不明确，可能涉及自然变率或特定机制过程。区域气候受地形、气团演变、土地利用以及太平洋（西风）与北极（偏北风）气团频率和持续性的共同影响。落基山脉邻近性意味着区域气候还受地形诱发的中尺度过程调制，奇努克风是其中尤为重要的因素。

奇努克风是暖干的下坡风，由西风或西南风气流翻越落基山脉时产生，属焚风类型。其可在数小时内使SAT升高10–20°C，显著降低相对湿度，并通过融化、压实和升华侵蚀雪盖。由于奇努克风是强西风条件下的中尺度事件，其对长期SAT趋势的影响难以在粗分辨率或气候学分析中直接显现。奇努克动力学与对流层中层环流密切相关，北极放大（AA）可能导致经向温度梯度减弱，从而削弱纬向气流并增强经向环流，进而改变奇努克生成的流型。奇努克活动与积雪状况（常用雪水当量，SWE表征）之间存在反馈。本研究聚焦评估奇努克动力学在阿尔伯塔省东南部冷异常中的作用，提出假设：该冷异常可能由奇努克动力学变化驱动，而后者可能响应于高空环流从纬向向经向的转变。研究整合ECCC站点观测、ERA5和ERA5-Land再分析及奇努克检测算法，回答三个相互关联的问题：Q1 1950–2025和1980–2025期间SAT和SWE的趋势；Q2 奇努克频率和强度如何变化；Q3 奇努克动力学变化是否受高空环流变化影响。

2 研究区域与数据
a 研究区域
研究区域涵盖阿尔伯塔省东南部奇努克带（chinook belt），从落基山脉东坡山麓（卡尔加里、莱斯布里奇附近）向东延伸至布鲁克斯、梅迪辛哈特和梅普尔克里克附近的草原区。区域海拔从约1500 m降至700–900 m，奇努克频率、积雪和SAT梯度显著。冬季频繁的西风事件在山麓和邻近平原生成奇努克，并与北极冷气团侵入交替。区域为半干旱气候，1991–2020年平均年降水量383 mm，其中雪量111 cm。

b ECCC站点数据
选取五个长期ECCC气象站：卡尔加里、莱斯布里奇、布鲁克斯、梅迪辛哈特和梅普尔克里克。各站SAT记录可追溯至19世纪末或20世纪初。对布鲁克斯站搬迁造成的资料不连续采用重叠期月偏差调整。计算1950–2025年月、季、年SAT。SWE使用ECCC集成再分析、卫星观测和站点约束的产品（1981–2020）及CanSWE数据库（1928–2024）。趋势采用Theil–Sen估计。

c ERA5与ERA5-Land再分析
ERA5（0.25°×0.25°，月聚合）和ERA5-Land（0.1°×0.1°，小时聚合）数据来自哥白尼气候数据存储（C3S）。ERA5同化站点温度记录，而ERA5-Land中地表和2-m温度为陆地表面模型的预报量。研究使用逐小时2-m气温（T）、露点温度（T_d）、10-m风分量（u、v），计算相对湿度（Rh）、风速风向。同时获取ERA5-Land逐日降雪量和SWE。高空条件由ERA5 700和500-hPa位势高度、温度、比湿和风况表征，区域平均为49–51°N、114–109°W。

3 方法
a 概述
方法策略包括：（a）ECCC站点和ERA5中SAT和SWE趋势分析；（b）从逐小时ERA5数据定量检测奇努克事件；（c）推导奇努克指标；（d）分析高空环流诊断。对每个网格单元计算Theil–Sen趋势，显著性用Mann-Kendall检验（p < 0.05）。分析时段为1950–2025和1980–2025。SAT趋势单位为°C十年?1，SWE趋势为mm十年?1。

b 奇努克特征描述
采用Nkemdirim（1996）的定量定义检测奇努克事件：（i）地面风具有强西南分量，风向210°–280°；（ii）逐小时风速超过4.5 m s?1；（iii）气温急剧上升（SAT绝对值的逐小时增幅至少5%），且当日最高气温超过当日正常最高值；（iv）相对湿度显著下降（Rh逐小时下降5%）；（v）条件（ii）至（iv）均与风向转为（i）中规定的西风位置相关。奇努克频率F_c为单位时间内区域/地点的事件计数。奇努克强度S_c为事件期间最高SAT与当日正常最高SAT之差。文中给出区域平均奇努克强度公式（1）。计算F_c和S_c基于内核心和外核心两个区域，内核心面积约20,000 km2，外核心为内核心周围150 km缓冲区，总面积约100,000 km2。从ERA5-Land提取逐小时温度，计算1950–2025年DJF时段满足定量定义的小时数，条件需持续至少两小时。

4 结果
a 1950–2025和1980–2025年站点数据和ERA5-Land SAT趋势
1950–2025年，五个站点年SAT均上升，趋势范围+0.12至+0.32°C十年?1，冬季和春季增温最强。1980–2025年，夏秋季显著增温，但冬季和春季信号混合，区域出现明显春季降温和弱冬季降温。ERA5-Land与站点资料高度相关（r=0.95），但存在暖偏差。ERA5-Land趋势自1980年以来更负，放大了春季降温信号约?0.5°C。

b ERA5-Land SAT趋势 1950–2025和1980–2025
ERA5-Land的SAT趋势与站点趋势在符号和量级上总体一致。1980–2025年ERA5-Land年均和MAM趋势较站点偏低（?0.10°C十年?1和?0.12°C十年?1）。1950–2025年北美SAT趋势图显示春季大范围降温，但阿尔伯塔省东南部内核心区域在1980–2025年呈现显著的春季降温，是北美唯一统计显著的春季降温区。

c SWE趋势与积雪行为
1950–2025年，所有站点降雪量和SWE长期下降，尤其MAM SWE降幅约?12%十年?1。1980–2025年，降雪量在DJF和年均略有增加（+0.8%十年?1），但MAM降雪量继续下降（?2.9%十年?1），而地面雪（SWE）在DJF和MAM分别增加4.6%和12.5%十年?1。这表明降雪与SWE脱钩，降温导致融雪减少，从而SWE增加，以3月和4月最明显。

d 奇努克频率与增温信号
1950–2025年，内核心和外核心的DJF F_c均呈统计显著下降趋势（内核心：?9.13 h十年?1，p=0.0002；外核心：?15.31 h十年?1，p=0.0001）。S_c同期呈非显著增加趋势。1980–2025年，F_c下降趋势减弱且不显著，S_c趋势反转，内核心无趋势，外核心呈非显著下降。F_c与S_c的决定系数很低（R2≈0.03–0.07），表明二者关系微弱。

e 高空环流型
1950–2025年，500 hPa和700 hPa位势高度、温度和比湿在全年均显著增加，与增温一致。但1980–2025年，DJF和MAM对流层中层温度趋势反转，MAM在700 hPa降温?0.14°C十年?1，500 hPa降温?0.10°C十年?1。区域平均DJF u₅₀₀从历史平均14.4 m s?1下降?0.21 m s?1十年?1（75年减缓1.6 m s?1，?11%），同时v₅₀₀增加0.21 m s?1十年?1，偏北风频率和强度增加。强西风日数（90百分位，>27.1 m s?1）在1950–2025年减少?0.47%十年?1，1980–2025年减少?0.83%十年?1，对应从每冬10.6天降至7.4天。强西风减少与奇努克频率下降一致。

5 总结与讨论
a 区域降温信号
1950–2025年长期增温在各季节均存在，但1980–2025年冬春季变化逆转，春季平均降温?0.21°C十年?1。该冷异常在区域尺度上连贯，是北美仅有的年代际“冷岛”之一。伴随SWE增加，尤其在早春。降雪并无增加，表明温度（融雪减少）是春季SWE增加的主要驱动。高空700和500 hPa的降温表明异常不限于地表边界层。

b 区域降温的潜在驱动
奇努克活动与高空西风密切相关。强西风减少导致奇努克频率和强度下降。西风减弱伴随偏北气流增强，但偏北气流影响范围较大，而冷异常核心局限于奇努克带，说明奇努克动力学与偏北气团共同作用。环流变化可能与北极放大导致的中纬度环流调整有关，但归属分析超出本研究范围。奇努克减少导致冬季融雪和升华减少，春季积雪持续，通过雪反照率反馈加强降温。灌溉扩展可能仅起次要局地增强作用。

c 进一步研究
未来工作应更明确地检验事件尺度能量收支，采用高分辨率模拟或观测活动验证再分析奇努克检测，并与独立站点指标交叉比较。需更密集观测网络和更高频测量以解析奇努克动力学、积雪演化和陆气相互作用。

6 结论
阿尔伯塔省东南部约220,000 km2区域存在异常温度趋势：1980–2025年显著春季降温和弱冬季降温。该异常与冬季奇努克频率长期下降（?1.13%十年?1）和强度减弱（?0.017°C十年?1）相关，可能由区域西风减弱和偏北气流增多驱动。这些变化伴随春季SWE增加（1980–2025），逆转1950–2025趋势。高空诊断支持地表观测，弱西风不利于奇努克生成。研究提出机制假说：奇努克有利西风减少、偏北风增强及相关积雪反馈，削弱了奇努克正常的冬季增温作用，导致区域冬春季冷异常。较少奇努克导致冷季融雪和升华减少，春季SWE增加，通过反照率反馈进一步降低SAT。