北大西洋濤動指數(shù)的比較及其變率

1、大尺度大氣環(huán)流變化對北半球冬季溫度的影響龔道溢（北京大學(xué) 地球物理系 北京 100871）摘要 行星尺度的大氣環(huán)流的變化對北半球冬季溫度有很重要的影響，NAO和NPO都是行星尺度大氣環(huán)流在區(qū)域的特殊表現(xiàn)形式。當(dāng)處于高指數(shù)時期時，則溫度偏高，當(dāng)處于低指數(shù)時期時，則溫度偏低。西風(fēng)強(qiáng)度及NAO和NPO能解釋近50年來北半球冬季溫度變化方差的27.2%。關(guān)鍵詞 大氣環(huán)流 北半球 溫度1 前言全球氣候變化及其區(qū)域特征與大氣環(huán)流的作用有密切的關(guān)系。近來人們認(rèn)識到，要更好地理解氣候變率及其區(qū)域特點(diǎn)，必須要首先了解大氣環(huán)流變化的特征及其對全球氣候的影響。北大西洋濤動(NAO)和北太平洋濤動(NPO)，是北半球

2、中高緯地區(qū)最為突出的大尺度大氣環(huán)流因子，所以受到高度關(guān)注。Hurrell和van Loon1及Hurrell2認(rèn)為最近北大西洋海表溫度的變冷及亞歐大陸的變暖很大一部分可由NAO的變化得到解釋。但是，NPO和NAO都是一個區(qū)域性的大氣現(xiàn)象，如NAO對北大西洋及鄰近的大陸地區(qū)氣候異常有直接的控制作用，這是早為人們所認(rèn)識的事實3，但區(qū)域性的NAO如何顯著影響亞歐大陸及北半球平均溫度的呢？并未有滿意的解釋。近半個世紀(jì)來的全球溫度的變化表現(xiàn)出有很大的空間尺度，其尺度遠(yuǎn)大于NAO和NPO，那么全球或北半球的溫度變化是否與與之相匹配的行星尺度大氣環(huán)流的異常有關(guān)呢？很早人們就發(fā)現(xiàn)，北半球近地面大氣環(huán)流變化最基

3、本的特征是中緯度和高緯海平面氣壓的反向變化，這本質(zhì)上反映了中、高緯度之間大氣質(zhì)量的交換4,5，這種大氣質(zhì)量間的交換及其相應(yīng)的熱量的傳輸與交換，對行星尺度的氣候異常有直接的控制作用。因此人們用35°N與55°N(或40°N與60°N)間緯圈平均SLP或位勢高度差定義西風(fēng)指數(shù)來反映緯向風(fēng)的強(qiáng)弱，西風(fēng)指數(shù)高的時候為高指數(shù)狀況，反之為低指數(shù)狀況。高低指數(shù)的循環(huán)的結(jié)果就表現(xiàn)為中緯度和高緯度海平面氣壓的反向關(guān)系，不管是南半球還是北半球，這種關(guān)系在中高緯表現(xiàn)出明顯的緯向?qū)ΨQ性，其變化對半球的氣候有重要意義58。因此，本文首先將分析北半球的西風(fēng)指數(shù)所反映的行星尺度大氣環(huán)

4、流與北半球溫度變化的關(guān)系，其次對其與NAO及NPO的關(guān)系進(jìn)行分析。2 資料與指標(biāo)考慮到溫度和氣壓資料的覆蓋面及可靠性，本文中使用的資料都只用到1940年以來的50多年，不過考慮到這段時期中既包括了1980年代以來的暖期也包括了1960-70年代的相對冷期，所以也有一定的代表性。這些資料包括全球5°緯度´5°經(jīng)度格點(diǎn)溫度，來源見Jones(1994) 9和Parker等(1995) 10的詳細(xì)說明,最新補(bǔ)充到到1997年。北半球5°緯度´10°經(jīng)度海平面氣壓，由英國東安格利亞大學(xué)氣候研究中心(CRU/UEA)提供，原始資料到1995年，

5、以后由NCEP/NCAR再分析資料補(bǔ)充。西風(fēng)指數(shù)（IW）用35°N與55°N緯圈平均海平面氣壓差表示，即IW=P35°N-P55°N。因為要比較西風(fēng)指數(shù)與NAO和NPO的關(guān)系，而目前NAO和NPO又沒有統(tǒng)一的定義，所以本文還根據(jù)EOF分析1) EOF分析范圍為：北太平洋地區(qū)(130°E130°W，090°N)，北大西洋地區(qū)(70°W30°E，090°N)。北太平洋地區(qū)EOF1即NPO，解釋方差為47.0%；北大西洋地區(qū)EOF1即NAO，解釋方差為48.1%，圖略。以及相關(guān)分析（見圖1），確定NA

6、O和NPO的變化中心，再定義冬季NAO和NPO指數(shù)，NAO指數(shù)=P*(35°N，10°W10°E)-P*(65°N，10°30°W)；NPO指數(shù)=P*(20°N，180°160°W)-P* (60°N，180°160°W)，其中P表示海平面氣壓，*表示標(biāo)準(zhǔn)化。這些環(huán)流指數(shù)及北半球溫度都統(tǒng)一取自1940/41年到1996/97年冬季，對1961-1990年求距平。圖1北大西洋地區(qū)及北太平洋地區(qū)冬季海平面氣壓的相關(guān)系數(shù)分布(北大西洋地區(qū)是與65°N，10°30

7、°W三個格點(diǎn)平均氣壓間的相關(guān)；北太平洋地區(qū)是與65°N，180°160°W三個格點(diǎn)平均氣壓間的相關(guān)；資料為NCEP/NCAR再分析SLP，從1958年冬到1997年冬；圖中相關(guān)系數(shù)都已乘100)圖2 Iw(a)、北半球冬季平均溫度(b)及用NAO、NPO和Iw擬合的北半球冬季溫度(c)3 結(jié)果與討論根據(jù)1940年以來的57個冬季資料，計算IW與北半球平均溫度的相關(guān)系數(shù)，為0.45，而北半球平均溫度與NAO和NPO的相關(guān)分別為0.40和0.35，這說明如果考慮西風(fēng)指數(shù)這一個因子，則能解釋北半球冬季溫度變化方差的20.3%，比單獨(dú)用NAO或NPO所能解釋的方

8、差都要多。IW是如何影響溫度的呢？西風(fēng)指數(shù)的強(qiáng)弱變化直接影響低緯度地區(qū)與高緯度地區(qū)的熱量交換4，因此影響中、高緯度溫度及溫度梯度的變化。IW與30°N-40°N平均溫度的相關(guān)系數(shù)為0.38，與50°N-60°N平均溫度的相關(guān)系數(shù)為0.50，這說明高緯度地區(qū)在強(qiáng)西風(fēng)指數(shù)時的增溫及弱西風(fēng)指數(shù)時的降溫比中緯地區(qū)更為顯著，變化幅度也更大。如果以30°N-40°N平均溫度與50°N-60°N平均溫度的差來表示這種溫度梯度，則溫度梯度與I W的相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.41，也非常顯著。而統(tǒng)計表明，中、高緯間溫度梯度與北半球平均溫度間相

9、關(guān)達(dá)-0.69，相當(dāng)于溫度梯度變化1個標(biāo)準(zhǔn)差時，可以造成北半球平均溫度發(fā)生相應(yīng)變化幅度為0.12°C，即當(dāng)溫度梯度減小1°C時，則北半球平均溫度升高0.17°C，反之亦然。圖3 中高緯溫度梯度與北半球平均溫度的關(guān)系與IW相聯(lián)系的溫度變化的空間分布格局是，歐亞大陸及北美大陸中高緯地區(qū)溫度與IW 是顯著的正相關(guān)，北大西洋高緯地區(qū)及格陵蘭、北太平洋高緯地區(qū)為顯著負(fù)相關(guān)。這在高西風(fēng)指數(shù)與低西風(fēng)指數(shù)年冬季溫度的合成圖上也很清楚。圖4a是5個最高指數(shù)年與5個最低指數(shù)年平均冬季溫度的差。IW最強(qiáng)的5年依次為1989年，1988年，1945年，1982年和1991年；最的弱5年依

10、次為1968年，1962年，1955年，1946年和1967年。IW影響溫度的空間特征，同其他作者發(fā)現(xiàn)的NAO與溫度的相關(guān)關(guān)系的分布很相似（參照文獻(xiàn)1的圖6），我們認(rèn)為這與NAO同西風(fēng)指數(shù)的密切統(tǒng)計關(guān)系有關(guān)。IW、NAO和NPO反映的都是緯向風(fēng)，只不過IW反映的尺度是行星尺度；而NAO和NPO一方面也是西風(fēng)環(huán)流的一部分，所以NAO和NPO都與IW有較高的相關(guān)（分別為0.61和0.51），同時由于受局地海陸分布等的影響，NAO和NPO更多地表現(xiàn)出區(qū)域特征，所以NAO和NPO之間相關(guān)僅為0.08。圖4b中是5個強(qiáng)西風(fēng)指數(shù)冬季和5個弱西風(fēng)指數(shù)冬季海平面氣壓差值的分布，圖中NAO和NPO非常清楚，而且

11、不僅如此，在對流層中上層大氣遙相關(guān)的變化也與指數(shù)循環(huán)的強(qiáng)弱有關(guān)11。因此，亞歐大陸廣大地區(qū)（特別是亞洲大陸中高緯度地區(qū)）溫度與NAO的高相關(guān)，可能并不說明NAO對這些地區(qū)有直接的控制，而實際上反映的是西風(fēng)指數(shù)強(qiáng)弱變化對大尺度范圍溫度變化的影響。因此，用行星尺度的西風(fēng)指數(shù)來反映整個北半球溫度的變化更為合理，當(dāng)然，區(qū)域性尺度的NAO和NPO對溫度的變化也有一定的貢獻(xiàn)?？紤]到三個環(huán)流指標(biāo)相互間并不獨(dú)立，所以刨除其共同的貢獻(xiàn)，則IW與NAO和NPO三者加起來能解釋北半球平均溫度方差的27.2%，用IW、NAO和NPO對溫度進(jìn)行擬合的結(jié)果見圖2c。這些解釋的方差主要是在年際尺度上，另外，從1940年代到

12、1970年代初溫度的下將，及以后的增溫的趨勢也都擬合出來了。不過擬合的趨勢及低頻變率比觀測值要弱，這與沒有考慮到其它因子如ENSO、火山活動、人類活動及西伯利亞高壓等的影響有關(guān)。需要指出的是，大氣環(huán)流能影響溫度，而溫度的改變同樣會對大氣環(huán)流產(chǎn)生影響，因此大氣環(huán)流與溫度的關(guān)系可能存在非線性的相互作用，本文只是從大氣環(huán)流這一個側(cè)面來考察溫度的可能響應(yīng)，而要真正分析環(huán)流與溫度的相互關(guān)系及各自影響的程度，還必須借助各種氣候模式進(jìn)行更深入的研究。圖4 高指數(shù)年與低指數(shù)年冬季溫度(a)及SLP(b)的合成圖(負(fù)值用虛線表示，(a)單位為°C，(b)單位為hPa;陰影區(qū)為t檢驗95%信度水平顯著區(qū)

13、，(a)中75°N以北地區(qū)及15°N以南地區(qū)資料較少，未參與統(tǒng)計)致謝 本研究得到國家自然科學(xué)基金(49635190)及“我國重大氣候災(zāi)害的機(jī)理和預(yù)測理論研究”資助。參 考 文 獻(xiàn)1 Hurrell J W, van Loon H. Decadal variations in climate associated with the North Atlantic Oscillation. Climte Change,1997,36:301-3262 Hurrell J W. Influence of variations in extratropical wintertime

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18、ern HemisphereGong Daoyi Department of Geophysics, Peking University, 100871 BeijingAbstract: Large-scale atmospheric circulation plays very important role in the northern hemispheric winter temperature variation. Index cycle is the most important monitor index that measures the basic atmospheric circulation status.