全球大气环流:模态与变率

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内容摘要：

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全球大气环流:模态与变率
3.1近近近地地地面面面大大大气气气环环环流流流平平平均均均状状状况况况
大气环流的运动和变化是直接影响世界各地气温,降水,风等候要素的主要因子之
一.近地面的环流状况更是与人们生活息息相关,因此,海平面气压很早就为人们所重
视和研究.海平面气压图的使用使人们建立了大气活动中心的概念,这是对大气环流认识
的一大进步,因为大气活动中心控制和影响的区域很大,它所揭示的大气与规律是
某个台站观测无法想象的.
在月和季平均近地面高度场或者海平面气压分布图上,随季节的变化,出现性质不同
的高,低气压中心.图3.1以1,4,7,10共4个月份分别代表冬,春,夏,秋四季的多年
平均海平面气压分布.一些大气活动中心一年四季都有,称为永久性活动中心;另外一
些则只是在某些季 节出现,称为半永久性活动中心.北半球冬季(南半球的夏季)大气活动
中心包括北半球的冰岛低压,阿留申低压,北大西洋高压,西伯利亚高压,北太平洋高
压和北美高压,以及南半球的澳大利亚低压,绕南极低压,印度洋高压,南太平洋高压
及南大西洋高压.北半球夏季(南半球的冬季)大气活动中心包括北半球的印度低压,北大
西洋高压和北太平洋高压,以及南半球的绕南极低压,印度洋高压,南太平洋高压,南
大西洋高压和澳大利亚高压.永久性活动中心都位于海洋上,两个半球中纬度海洋上常
年维持高压带,而陆地上则是半永久性活动中心,冬半年为高压;夏半年为低压.在过
渡季节里,这些大气活动中 可以同时存在.
大气活动中心之间的关系可以分成两类:第一类是某些季节性的大气活动中心,只在
某些季节出现,而且其活动表现出很强的独立性,而与其它的大气活动中心没有显著的
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联系,如北半球冬季的西伯利亚高压和夏季的印度低压,就是这一类.第二类是相邻的
两个活动中心的活动,存在很强的相关,表现为气压变化上的\翘翘板"现象,即大气涛
动.如北大西洋高压与冰岛低压间的变化关系就是这样:当冰岛低压加深时,北大西洋高
压也加强.反之,当冰岛低压中心气压增加时,北大西洋高压气压下降.
3.2北北北大大大西西西洋洋洋涛涛涛动动动
定定定义义义与与与序序序列列列
英国数学家和气象学家G. T. Walker对大气科学
Gilbert Thomas Walker(1868-1958)
上述定义使用起来很不方便,而且同时使用温度和气压也混淆了二者之间的因果关
系.后来人们摒弃Walker和Bliss的复杂定义,而多用两个测站即亚速尔地区和冰岛地区
各取一个,用其气压的差来建立NAO序列.用单个测站的气压来定义NAO虽然从形式
上简洁,也更方便使用,但也还是存在一定的不足.因为伴随NAO强弱的变化,相应
的海平面气压的年际差异非常大,这其中必然包含局地的和小尺度的因素,而且大气活
动中心随季节其位置也会发生变化,只用两个固定的测站肯定会有误差,并不能完全反
映NAO.所以Hurrell和vanLoon(1997)曾使用信噪比来判断NAO的信号是否显著.为克
服上述弊端,可以使用气压场或高度场进行经验正交函数展开(或主成份分析),以获取稳
定的NAO模态,取其中与鈒模态相对应的时间系数作为NAO指数.美国气候预测中心
每个月在其\气候诊断公报"上发布的NAO指数,就是700hPa高度场旋转主分量分析的时
间系数.为克服站点分布不均匀的缺点,也可以利用规则格点海平面气压场资料,对不
同季节进行经验正交函数分析,确定NAO在不同季节的中心位置,取中心多个格点平均
气压来建立NAO指数.表3.1中列出了一些近来有代表性的几种基于观测资料的NAO指数
序列.图3.2是站点观测的冬季平均NAO指数,用葡萄牙里斯本和冰岛标准化SLP的差表
示.
这些观测序列的分析表明NAO存在显著的年际变率,主要集中2 3及7 8年左
右.最近的30多年间(见图3.2),冬季NAO一直呈强烈的增强趋势,这是否异常还是属
于自然变率现象,需要从更长时间变化过程来判断.而最长的观测序列也就仅仅170多
年,并不足以说明1960年代以来的变化是否异常.因此,近几年人们投入了很大力量
利用各种代用资料,尽可能地往前延长NAO序列.使用的代用资料中用得最多的是
树木年轮.Cook等(1998)从分布在北美及欧洲的102个年表中挑出了与NAO关系最好
的10个序列,重建的冬季NAO指数往前延长到了1701年.瑞士伯尔尼大学地理研究所
的Luterbacher等(1999)用典型相关(CCA)建立树木年轮与气压指标间的统计关系,然
后,利用建立的关系重建了1675年以来的月分辨率的NAO序列.除了树木年轮外,格陵
兰的冰芯资料也能提供大量的信息.Appenzeller等(1998)根据NASA-U钻孔的冰雪累积
量,将年平均NAO序列往前延长了近350年.表3.2中列出了几个有代表性的NAO序列重
建工作.当然任何一种代用资料都有其局限性.树木年轮受生长季气候变化的影响大,用它
来反映冬季NAO可能是不恰当的,因此Cook等(1998)进行重建时,从大量的年表中仅仅
能挑出不到1/10 可用序列.此外,树木年轮还可能存在的一个问题是通常做了生长趋
势拟合后,有时很可能人为地把真正的气候长期变化或低频部分也消除掉了.一些纬度
偏南的地区如地中海和北非,冬季树木生长受气候变化的影响较大,用这些地区的树木
年轮来重建可望能得到更好的结果.冰芯资料的年际变化很大,这可能与降雪局地因素
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表3.1:基于观测资料的NAO指数序列
指标起始年作者
Ponta Delgada-Akureyri,SLP 1879 Rogers,1984
PontaDelgada-Stykkisholmur,SLP1867Moses等,1987
Lisbon-Stykkisholmur,SLP1864Hurrell,1995
Gibraltar-Reykjavik,SLP 1825 Jones等,1
700hPa高度场,RPCA1950Barnston和Livezey,1987
Jakobshavn-Oslo,气温1860 van Loon和Rogers,1978
SST1856Cullen和DeMenocal,2000
海平面气压(SLP)场,RPCA 1950 Barnston和He,1996
SLP差,格点平均1873龚道溢和王绍武,2000
如风的作用等有关,此外冰芯定年也可能带来一定误差,所以冰芯反应低频变化应该更
合适些.另外冰芯同位素记录虽然与大尺度的海平面气压变化关系很好,但是同时还与
其他因素有更密切的关系,如降水的来源地,气旋活动的特点,高空环流的异常等,都
能够影Y到格陵兰冰雪中同位素的含量.White等(1997)指出,NAO与格陵兰气温,海表
温度,太阳辐射等5个要素的贡献加起来,才能解释同位素记录方差的50%.
因此有时不同重建结果存在明显的差异.例如虽然Luterbacher等(1999)的重建序列
与观测序列有很好关系,能解释标定时期冬季观测NAO方差的25{40%,Cook等(1998)的
序列能解释41%,Appenzeller等(1998)的序列能解释32%(年)及27%(冬季),但是值得注
意的是Luterbacher等(1999)的重建序列与后两者关系却不太好.这可能是重建工作中
普遍存在的一个问题,即重建的序列与观测序列都能有较高的相关,但代用资料重建
的序列之间却不能保持稳定的显著相关.因此,考虑到不同代用资料的特点,将各个
单独的代用资料的重建序列合成一个来代表NAO,可能代表性更好些,称
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表3.2:重建的NAO指数序列
代用资料起始年作者
冰芯1650 Appenzeller等,1998
树轮1701 Cook等,1998
树轮1675 Luterbacher等,1999
冰芯+树轮1429Stockton和Glueck,1999
冰芯+树轮+器测1750; 1701 Cullen等,2000
石笋1501 Proctor等, 2000
树轮+冰芯1400 Cook等,2001
史料1501 Rodrigo等, 2001
NAO与与与北北北极极极涛涛涛动动动
Thompson和Wallace(1998)对北半球冬季SLP距平进行按面积加权处理后,进行EOF分
析.第一个模态表现为北大西洋和北太平洋中纬度为正异常时,北极地区和冰岛附
近地区为负异常.他们将这种模态命名为北极涛动(ArcticOscillation,即AO).并且
用EOF1的时间系数(主成份)表示北极涛动指数.他们后来的分析(Thompson和Wallace,
2000)表明北半球AO模态在地面及平流层下层都很明显(见图3.3).全年各季节都存在,而
尤其以11 3月最活跃.AO本质上是一个中纬度地区和极地大气质量之间的反向变化,
具有明显的纬带性,所以通常也称环状模态(annularmode).
NAO指数和AO指数有非常高的相关,二者时间序列几乎一样.因此二者常被当做一
个现象.多数学者认为NAO是北极涛动在北大西洋地区近地面气压中的一种表现形式.
不过,也有观点认为二者是不同的.请比较图3.2(下)和图3.3(a).NAO和AO的关系
目前有一定的争议.可以参考以下相关文献.
Wallace JM, Thompson DWJ. The Paci c center of action of the northern hemisphere Annular
Mode:Realorartifate JournalofClimate,2002,15(14),1987-1991
Wallace JM. North Atlantic Oscillation/annular mode: Two paradigms one phenomenon.
QuarterlyJournalofRoyalMeteorologicalSociety,2000,126,791-805
Ambaum MHP, Hoskins BJ, Stephenson DB. Arctic Oscillation or North Atlantic Oscillation
JournalofClimate,2001,14,3495-3507.
Itoh H. True versus apparent arctic oscillation. Geophysical Research Letters, 2002, 29(8),
doi:10.1029/2001GL013978.
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东部偏暖;欧洲北部降水偏多,而地中海地区则降水偏少;反之亦然(见图3.4和图3.5).
其它要素如波罗的海,拉布拉多海和格陵兰海的海冰受NAO影响也很明显,NAO指
数与冬季波罗的海海冰相关系数达 0:49(1879 1992年).与此相对应,观测和模
拟的通过Fram海峡进入大西洋的北极海冰近20多年都是增强的,与NAO的相关系数
达0:7(1978 1997年),Hilmer和Jung(2000)认为这与近20年NAO中心位置偏东造成的经
向风异常有关.不仅是北大西洋地区,Hurrell(1996)还分析了NAO及南方涛动对北半球
冬季气温变化的贡献,发现NAO能解释北半球热带外地区(20-N以北) 1935 1996年62个
冬季平均气温方差的34%.龚道溢和王绍武(1999)利用更长的资料(1873 1993年)分析,
发现NAO对120年来热带外冬季气温贡献也是显著的,达17.0%,夏季较低,仅为2.9%.
佛罗里达大学Elsner等人的研究显示,NAO可能影响飓风的路径.根据150年来的飓
风登陆资料统计,当NAO强时北西洋高压强度加强,北大西洋中部为强的高压脊控
制,向西移动的飓风容易沿高压脊线转向偏北,因此在美国东海岸登陆的个例多.反之NAO弱时,北大
进入墨西哥湾.当然
代墨西哥湾飓风增
陆间的温度梯度增
用,主要表现为大
响,SST方差的10%
对气候极值的影响.NAO/AO 强弱对北美及我国天气变率与极值都有显著影
响.(Thompsonetal.Science,2001)
变变变率率率机机机制制制
许多大气环流模式及耦合模式都能较好地模拟出NAO及其空间结构特征,不过如果仅
仅揭示其空间形态,"能说是从某些方面验证了NAO是气候系统固有的现象,而我们
更关心的是其时间特征上的变率.Stephenson等(2000)认为即使是简单的随机模型也能
表现出明显年代际或趋势变化,观测到的NAO的低频趋势也可能是其自然变率的一种
表现.Rodwell等(1999)用观测的海温和海冰强迫大气环流模式,很好地模拟出了1947年
以来的NAO年际,年代际的变化,特别是近30多年来的强烈增强趋势,50%都被模拟
了出来.另外,大陆雪盖对NAO年代际变化也可能有贡献.目前比较统一的观点认
为,NAO作为一种大气内部现象,利用大气环流模式就可以较好地模拟出来,但是要模
拟出其细节特征及其变率特点,还需要考虑气候系统其他要素.
由于海洋的慢变性质,因此许多研究把重点放在海洋上.利用海洋环流模式
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(OGCM)和海气耦合模式的数值模拟研究都表明,在海洋内部,海洋环流存在显
著的年代际变率.对于北大西洋表层海温与气候变率的联系,Bjerknes (1964)首先注
意到了海气耦合系统在年际到年代际尺度上的相互作用.早期研究证实,北大西洋高
纬地区的年际变率,表现为在SST和风速之间存在负相关.但是通过对SST和SLP变率
的研究,Bjerknes发现以1920年为中心,50-N以南的大西洋SST存在变暖的趋势,同时
在30-N处(即亚速尔高压处),SLP出现正距平,而50-N以北(冰岛低压处),则出现
负距平(这种气压型即经典的NAO特征).这意味着SST的变暖,伴有西风的加强,它
显然与年际变率特征不符.因此,Bjerknes推测,这可能是一种年代际的变率特征,与洋
流变化相联系.即由海洋过程决定的SST年代际变暖,与伴随着亚速尔高压的增强,北大
西洋暖流的缓慢增强相联系.年际变率是混合层海洋与大气发生局地热交换的结果,由
大气的扰动驱动.年代际的SST变暖伴有西风带的加强(该过程由海洋主导),而年际
的变暖则伴有西风带的减弱(该过程由大气主导).一些研究发现不仅北大西洋的海温
对NAO有显著影响,热带大西洋海温也可能有重要作用.
近来的研究发现,北大西洋海气M互作用存在至少两种不同的模态:(1)年际尺度
上,SST距平与表层洋流局地相关性较强;(2)在年代际尺度上,SST距平表现出一种动
力性的,海盆宽尺度的特征,预示着大尺度海洋环流的变化.周天军等(2000)利用海气
耦合模式的模拟研究表明,北大西洋SST的变化,是受大气和海洋过程双重影响的结
果,NAO强度与SST的距平相关,自北而南呈现出\ + "的三核结构,该特征在观测资
料中得到证实;而北大西洋温盐环流强度指数与SST的距平相关,则呈现出东,西反对称
的偶极子结构.
因此,关于温盐环流与NAO及气候变化的联系,已引起高度重视.Osborn等(1998)分
析了HadCM2耦合模式控制积分结果,模式中的温盐环流也显示有年代际及世纪尺
度的变化,如模式2680年气候温盐环流差异明显,之前与之后各取150年平均,强
度由20.7Sv1增加到22.3Sv,增强了8%.伴随这种强烈变化,拉布拉多海地区的对流
更活跃,而Dickson等曾指出NAO<时异常的北风会使拉布拉多海的对流加强,同
时格陵兰海的深对流减弱,因此拉布拉多海和格陵兰海对流之间表现出反位相关
系.Timmermann等(1998)的模拟研究也提出了一种温盐环流(THC)年代际变率的一种
机制,如果温盐环流强,向北热量输送加强,北大西洋SST为正距平,大气的响应结果
使NAO加强,纽芬兰海和格陵兰海出现异常的淡水通量和Ekman输送,盐度下降,对流
减弱,结果温盐环流减弱,向北的热量输送随之减弱,北大西洋SST出现负距平,这有
利于海洋中对流的发生,其结果是再一次使THC加强.这样一个循环过程具有年代际时
间尺度.周天军'(2000)利用海气耦合模式发现,模式中北大西洋温盐环流存在着周期
1Sv:Sverdrup;流函数单位.1Sv=106m3s 1
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为22年左右的年代际振荡;北大西洋涛动指数与北大西洋温盐环流下沉支的强度变化,
呈现出显著的负相关.Gray (1997)也强调温盐环流与NAO及其它气候要素的联系.不
过,有关温盐环流及其气候影响的工作,大多是基于数值模式的,这尚有待坚实的观测
资料来证实.
20世纪60年代以来的NAO增强是否与日益加强的温室效应有关呢 Hartmann等(2000)指
出,臭氧的损耗与温室变暖都有利于加强热带外地区对流层上层和平流层低层温度的经
向梯度,大气环流也会有相应的变化.Osborn等(1998)根据1400年模拟的结果发现,最
近30年来NAO的强烈增强趋势,的确是 了自然变率(模拟变率)范围,认为是全球变
暖造成了最近NAO活动的加强.Paeth和Hense(1999)用耦合模式(ECHAM-3/LSG)4F
试验集合,1985年以前用观测CO2浓度,以后采用IPCC(1990)的A排放方案,结果发
现70年代以后CO2的贡献占很大部分,达15%左右,1990 2010年达20%左右.其它一
些气候模式在温室气体强迫下的积分试验,也较好模拟出了近期观测到的近地面大气环
流的变化趋势,即大气环流纬向性和中纬西风的加强.不过,不同模式对温室气体强迫
下NAO响应的趋势模拟,也还存在一些出入,总的看以出现增强结果的居多.
冬季当平流层极涡增强时,NAO和AO的增强基本是同位相的,该事实意味着,对流
层与平流层之间可能存在耦合作用,或是平流层能够向下影响到对流层(图3.15).因此,
除了温室效应外,能够影响平流层极涡活动的一些因子,包括臭氧和热带火山爆发等都
可能是近期NAO或AO变率的贡献因子.不过由于对流层和平流层大气质量差异悬殊,平
流层如何影响对流层,以及影响程度有多大等问题都还需要深入研究.
3.3北北北太太太平平平洋洋洋涛涛涛动动动
Walker和Bliss发现北 平洋也存在与NAO相似的高纬度和中纬度南北方向SLP变化的\翘
翘板"现象.高纬度区域包括西伯利亚东部到加拿大西部,中纬度区域则包括了从副热带
一直到大约40-N附近的广大地区.北太平洋涛动(NPO)就指这两大区域气压变化的反向
关系.他们给出的冬季NPO定义是:
鈨=PHonolulu+
TQu'Appelle+TCalgary+TP rince Albert
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(P
Sitka;Fort或Juneau
+PDawson+PNome) TDutch
考虑站点问距离远近及独立性,故乘上权重系数l/3 2/3b这里Walker和Bliss考虑
了10个站点,采用8个指标,这些指标包括4个站气压,4个站气温,他们的本意是想
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