大气环流指数浅析.doc

.本文发表在台风论坛，已获得作者同意大气环流指数（AO、AAO、PNA、NAO）浅析1. 前言本文尝试简单解释AO、AAO、NAO、PNA等四项日常分析中常用的环流指数，并剖析各指数与对流层大气环流的关系。由于作者水平有限，若有错误之处还请各位高手不吝赐教。在下愿以此文抛砖引玉，与诸君共同进步。本文用到的资料多来自美国气候预测中心（Climate Prediction Center, CPC）。2. 引子众所周知，地球是太阳系内的第三颗行星，自身几乎所有的热能都是以短波辐射的形式从太阳而来。地球与太阳系内许多行星一样，都拥有一个厚厚的大气层。地球的自转轴与其运行轨道有一个大约是23.5的夹角，而纬度越高，太阳入射光线与地表的夹角也越小。由于每单位面积上的太阳辐射强度，即太阳常数基本是保持不变的，所以太阳角越低，地表所得到的辐射强度也越低。综上所述，地球表面上的年总日射量（insolation）与纬度成反比。就一年的总辐射平衡（radiation budget）情况来说，大约在地球南北纬40之间地区为能量盈余（energy surplus），而高于南北纬40的地区则有能量亏欠（energy deficit）。这么一来，地球表面出现了受热不均的情况，并形成从极区指向赤道的温度梯度。这种不平衡就要通过大气层内的湍流、辐射、潜热输送、传导、对流等过程，将热能从能量盈余的赤道、中低纬地区输送热能到能量亏欠的中高纬、极地地区，以求达到能量收支平衡。而在这个能量输送的过程中，大气环流就诞生了。通过气象学家们近300年的辛勤研究，现在被发现的大型环流系统有以下几种：三圈环流、沃克环流、亚澳非季风环流等等。而为了更好地理解和预测大气环流的动态与趋势，气象学家们又在上世纪定义了几项环流指数，以位势高度距平偶极来表示大气环流中经常在某些特定区域出现的震荡。这种震荡又被戏称大气环流内的“跷跷板”，即一处位势偏高，另一处则必定位势偏低。现在就让我们进入正文吧，首先来关注一下什么叫北极震荡指数（AO Index）。自己先上个图吧，最近的北极涛动强负值3. 北极震荡指数（ArcticOscillation Index）定义：在1000hPa上，将每日北半球20N以北的位势距平，在去除季节平均距平后的得到的一项环流指数。3.1 概述根据三圈环流(Tricellularmodel)的理论，20N位于副热带地区，处于延绵半球的副热带高压，也就是哈德来环流（Hadley Cell）下沉支的控制之下，1000hPa天气图上表现为一高压区。而20N以北地区则分别属于中纬度西风带以及高纬度东风带的控制之下，也就是费雷尔环流(Ferrel Cell)和极地环流(PolarCell)的势力范围。中纬度西风带地面上以各种冷暖高低压系统交替控制为其主要性质，而在60N附近则有一段不连续的极地低压带，对应费雷尔环流的上升支，又称极锋。在60N以北，极地盛行偏东风，地面上有一浅薄的冷高压。在夏季，北半球行星风带北移，30N以南基本都为副高所控制，而西风带北撤，极地东风带范围缩小。由于夏季极地冷源势力微薄，地面冷高压势力减弱，相对于副高控制的中低纬度地区是一低压带。而在冬季，由于极地冷源势力加强，冷高压亦有所增强，但由于北极大部分都是洋面（故称北冰洋），所以冷源势力其实多集结于亚洲西伯利亚东北部，以及北美加拿大巴芬湾及格陵兰一带。如此一来，北半球中高纬地区在1000 hPa上的平均位势要较极地内高，即产生了极地内地面位势较低，中纬度位势较高的现象。这与500 hPa上位势高度自极地向外逐步升高是类似的。此所谓北极震荡（AO）的正常分布态势，即中性（neutral）态势。AO指数的变动幅度也是冬季较大，夏季较小。跟其他大气环流震荡一样，北极震荡（AO）的一个很明显的特征就是，极地内的位势与中纬度地区的位势呈反相关。即：极地位势上升，中纬度位势就下降，反之亦然，从而形成了一个经向位势距平偶极。故气象学家们也很形象地称之为“跷跷板”，取其此上彼下之意是也。3.2 正负相位描述AO正位相：当500hPa北极极涡呈绕级分布的时候，冷源势力均集中于极地内，极地内位势偏低，中高纬地区位势较高。极锋急流（或北支急流）位于60N以北，急流走向平整。见2009年1月11日的北半球500hpa天气图，当天的AO指数是3.256。半球西风带呈纬向环流态势，中纬度地区强冷空气或寒潮爆发不频繁。反映到地面1000hPa上，就是极地内外位势梯度较平时要小，使得冷空气南下无力。中纬度地区通常有气温正距平，而高纬极地内则是气温负距平。AO负位相：这个跟正位相正好相反，500hPa北极极涡偏离极地，南下中纬度地区，且多呈偏心或偶极分布。极地此时通常会被极高或高压脊控制，位势较高，而中纬度则受极涡和其带来的旋转槽的影响，位势较低。极锋急流位置偏南，经向度也更高。见2010年12月18日的500hPa天气图，当天的AO指数达到了-5.265。对流层中部的环流形势反映在1000hPa上也呈现出了基本相同的趋势，即极地内高压强盛，而中纬度地区低压（通常是温带气旋）盛行，风雪连天。气温距平方面与AO正相位也正好相反。4. 北极震荡指数（ArcticOscillation Index）定义：在1000hPa上，将每日北半球20N以北的位势距平，在去除季节平均距平后的得到的一项环流指数。3.1 概述根据三圈环流(Tricellularmodel)的理论，20N位于副热带地区，处于延绵半球的副热带高压，也就是哈德来环流（Hadley Cell）下沉支的控制之下，1000hPa天气图上表现为一高压区。而20N以北地区则分别属于中纬度西风带以及高纬度东风带的控制之下，也就是费雷尔环流(Ferrel Cell)和极地环流(PolarCell)的势力范围。中纬度西风带地面上以各种冷暖高低压系统交替控制为其主要性质，而在60N附近则有一段不连续的极地低压带，对应费雷尔环流的上升支，又称极锋。在60N以北，极地盛行偏东风，地面上有一浅薄的冷高压。在夏季，北半球行星风带北移，30N以南基本都为副高所控制，而西风带北撤，极地东风带范围缩小。由于夏季极地冷源势力微薄，地面冷高压势力减弱，相对于副高控制的中低纬度地区是一低压带。而在冬季，由于极地冷源势力加强，冷高压亦有所增强，但由于北极大部分都是洋面（故称北冰洋），所以冷源势力其实多集结于亚洲西伯利亚东北部，以及北美加拿大巴芬湾及格陵兰一带。如此一来，北半球中高纬地区在1000 hPa上的平均位势要较极地内高，即产生了极地内地面位势较低，中纬度位势较高的现象。这与500 hPa上位势高度自极地向外逐步升高是类似的。此所谓北极震荡（AO）的正常分布态势，即中性（neutral）态势。AO指数的变动幅度也是冬季较大，夏季较小。跟其他大气环流震荡一样，北极震荡（AO）的一个很明显的特征就是，极地内的位势与中纬度地区的位势呈反相关。即：极地位势上升，中纬度位势就下降，反之亦然，从而形成了一个经向位势距平偶极。故气象学家们也很形象地称之为“跷跷板”，取其此上彼下之意是也。3.2 正负相位描述AO正位相：当500hPa北极极涡呈绕级分布的时候，冷源势力均集中于极地内，极地内位势偏低，中高纬地区位势较高。极锋急流（或北支急流）位于60N以北，急流走向平整。见2009年1月11日的北半球500hpa天气图，当天的AO指数是3.256。半球西风带呈纬向环流态势，中纬度地区强冷空气或寒潮爆发不频繁。反映到地面1000hPa上，就是极地内外位势梯度较平时要小，使得冷空气南下无力。中纬度地区通常有气温正距平，而高纬极地内则是气温负距平。AO负位相：这个跟正位相正好相反，500hPa北极极涡偏离极地，南下中纬度地区，且多呈偏心或偶极分布。极地此时通常会被极高或高压脊控制，位势较高，而中纬度则受极涡和其带来的旋转槽的影响，位势较低。极锋急流位置偏南，经向度也更高。见2010年12月18日的500hPa天气图，当天的AO指数达到了-5.265。对流层中部的环流形势反映在1000hPa上也呈现出了基本相同的趋势，即极地内高压强盛，而中纬度地区低压（通常是温带气旋）盛行，风雪连天。气温距平方面与AO正相位也正好相反。4. 南极震荡指数（AntarcticOscillation Index）定义：在南半球700hPa上，将每日20S以南地区的位势距平，去除季节平均距平后所得到的一项环流指数。4.1 概述南极震荡（AAO）的概念跟北极震荡几乎如出一辙，都是描述极地内和中纬度地区的位势距平偶极的。但细心的读者可能发现了，为什么在南极震荡的定义中选用了700hPa等压面，而不是北半球的1000hPa等压面呢？其实答案非常简单：因为南极大陆上本身地势就高，再加上那里堆积了3公里多厚的冰盖，使得1000hPa等压面在60S以南的南极大陆上根本不存在。如此一来，定义时就只能采用离南极冰盖表面最近的700hPa等压面了。南极震荡的基本概念跟北极震荡是一样的，都可以用来评估目前半球内冷空气的活跃程度，以及西风的经向度。但是由于南极是大陆，而北极是海洋，南极大陆上的稳压结构相比北极而言更加对称，也更加接近正压结构。这么一来，南极极涡的势力、位置都非常稳定，很少出现像北极极涡一样的位移和分裂现象。所以，AAO指数的波动幅度一般不会像AO指数那么剧烈，基本上都在-3.0至3.0之间的范围徘徊。4.2 主要影响南极震荡（AAO）对北半球的影响主要体现在夏半年（北半球），如果AAO值为负的话，那么就对应南半球中纬度冷空气活动活跃，索马里急流、印度洋、太平洋越赤道气流都会比较强盛。这就使得亚澳非地区的季风环流也就较为强盛。西太季风槽内的对流活动也会受到南半球西南季风的激发而变得活跃起来，这对热带气旋的生成是非常有利的。例子：自2011年7月上旬以来，AAO就转入了负值，并且在月中小幅回弹至-1附近后，于7月20日起跳水下跌至-4，并一度破表达5天左右。而这段时间里，西太先后诞生了1106超强台风“马鞍”、1107台风“蝎虎”、1108强热带风暴“洛坦”和1109超强台风“梅花”等四个达到热带风暴级别或以上的TC（tropical cyclone）。AAO对北半球夏季的影响可见一斑。5. 大西洋震荡指数（NorthAtlantic Oscillation Index）定义：北大西洋震荡指数是一个位势距平偶极子的强度指数，距平中心分别位于格陵兰岛与亚速尔群岛的500hPa等压面上。5.1 概述在对流层中部的北大西洋上空，以亚速尔群岛（AzoresIsland）为代表的中纬度地区和以格陵兰岛（Greenland）为代表的高纬度地区之间经常存在着由南指向北的位势梯度。格陵兰岛上空的低位势多为极涡、冷涡和短波槽一类的西风系统所造成的；而亚速尔群岛上空的高位势则主要是大西洋副高和洋中脊所造成的。这个位势梯度全年存在，是以北大西洋500hPa上盛行西风气流，风速不低，并且副热带急流也经常在这30N至40N的洋面上穿行。这也是北大西洋的背景环流场，是NAO呈中性时的一般情况。NAO指数中性案例：2010年9月29日的北半球500hPa天气图。图上可见格陵兰上空有一中心位势达到5249 gpm的副极涡，而大西洋副热带洋面上副高盘踞，强度不弱。北大西洋上空盛行西风，环流平直，副热带急流从中传流而过。（这点可以从密集的等高线中看出）5.2 NAO正负相位描述当北大西洋正常的南高北低位势分布由于种种原因被破坏（或加强）后，北大西洋上空的西风强度就会减弱（加强），西风环流经向度亦有增强（减弱），从而主要影响北大西洋及其上下游的天气情况。下面几张图分别是500hPa等压面上的1月（冬）、4月（春）、7月（夏）以及10月（秋）位势、气温以及降水量与NAO指数的相关性。冬、春两季。当NAO呈正值（负值）时，北美巴芬湾、格陵兰南部以及冰岛上空有一个达到0.45以上的强负（正）相关中心存在。与此同时，北美落基山脉以东、北大西洋35N至40N的副热带洋区、以及西欧大西洋沿岸亦有0.45以上的强正（负）相关中心存在。如此一来，北太平洋上空原本的西风强度就会加强（减弱），从而导致南北两支急流位置北移（南压），强度增强（减弱），西风环流以纬向型（经向性）为主。而大家也知道，西风环流纬向不利于高低纬之间的热量、涡度以及角动量交换，所以NAO正值（负值）时北美大槽槽底偏北（偏南），槽线偏东（偏西），大西洋洋中脊偏弱（偏强）。北美东南部至中部、欧洲大部冬季时寒潮、冷空气活动不明显（明显）。但由于格陵兰附近的槽位加深（减弱），格陵兰以东至欧洲北部处于槽前（大西洋洋中脊前）控制，大西洋上空的水汽通道畅通无阻（被切断），降水量明显偏多（偏少）。而同理，大西洋35N至45N地区以及欧洲南部由于脊位更加明显，使得这里处于脊前控制，降水明显偏少。北美一带在降水方面与NAO无明显相关性。春季的情况与冬季大同小异，不过位势与NAO指数的正（负）相关中心从大西洋中部西移至北美中西部以及大西洋西部，负（正）相关中心位置维持不变。有鉴于此，美国大部气温偏高（偏低），而西欧的偏高（偏低）程度略有下降。除了大西洋区域外，冬季NAO正（负）相位时，东亚东部沿海至日本及其以南太平洋地区皆有不怎么可信的正（负）相关中心。这对应东亚大槽位置偏西（偏东），槽底偏北（偏南），这对我国及东亚大部地区出现强冷空气或寒潮天气是不利（有利）的。夏、秋两季。进入夏季后，由于北半球500hPa上空高低纬之间的位势梯度减弱，NAO的波动也变得较为平和，少了冬、春两季里的那种激烈。具体来说，夏季NAO若是正（负）位相的话，北美中部和东北部沿海都有正（负）相关中心，其中北美东北部的正（负）相关中心更可信。与此同时，美国东南部、墨西哥湾至大西洋西南部都有不甚可信的负相关中心，而格陵兰岛上空的负（正）相关中心依旧维持，可信度较高。欧洲的情况与冬、春季类似，只是可信度略低了一些。所以在NAO正（负）相位的时候，大西洋副高偏弱（偏强）偏北（偏南），而格陵兰附近的洋中槽加强（减弱）。对天气的影响方面，NAO正（负）相位时北美东南部受TC和对流降水偏强（偏弱）的情况下降水偏多（偏少），气温偏低（偏高）。而西欧则是由于东欧脊位偏东偏强，使得气温偏高（偏低）、降水偏少（偏多）。秋季的情况则与夏季相差无几，只是北美东部至大西洋西部一带的正（负）相关中心可信度减小，而美国东南、墨西哥湾一带的负（正）相关中心消失不见。北美大槽的建立较气候平均值偏晚（偏早），槽线位置偏西（偏东），槽底偏北（偏南）。这对大西洋上下游的天气影响可以参考上图。在影响大西洋区域之外，夏秋两季NAO正（负）位相会在鄂海和勘察加半岛以西附近诱生一个可信度不高的距平偶极子，位势距平分布为南高北低（南低北高）。在夏季，NAO的正（负）位相有利于太平洋洋中槽西移（东移），而鄂海阻高更加强势（弱势），这对东亚中纬度的梅雨有轻微的加强（减弱）作用。在秋季，500hPa位势与NAO指数的正（负）相关中心范围扩大至日本南部，而负（正）相关中心则东移至勘察加半岛以东。这对应西太副高脊线偏北（偏南），强度偏弱（偏强），使得西太热带气旋（TC）多取（少走）华东近海转向或登陆型路径。总体来说，由于NAO和AO两个环流指数所参考的环流因子（如北极极涡的漂移程度）有许多相似之处，是以NAO和AO之间经常有正相关关系。但两者之间的具体关系笔者尚不清楚，就不在此误人子弟了。6. 太平洋北美震荡指数（PacificNorth American Oscillation Index）定义：太平洋一北美震荡通常是由一对500hPa上空的位势偶极，以及同高度的一组位势震荡序列来定义的。位势偶极位于30N以南（以夏威夷岛为中心）、和40N以北（以阿留申群岛以南为中心）的太平洋海面上。而位势序列中心由西至东分别在阿留申群岛以南、北美西部、以及北美东南部。6.1 东亚、太平洋及北美冬夏平均环流概述PNA震荡跟NAO和AO一样，都是在北半球冬季表现得比较明显，波动也较为剧烈。其中的原因在上文NAO的描述中也交代清楚了，这里就不再赘述。在讨论PNA及其正负相位对天气的影响之前，我们先来看一看太平洋至北美一带的冬春、以及夏秋两季的平均500hPa环流态势。这对我们深入了解PNA有着很大的帮助。在冬季，北半球中纬度地区盛行三个主要槽区。由于陆地比热容远较海洋小，所以陆地上相对于海洋上是一个冷源。这就对应北半球大陆上低层受冷高压控制，中高层则是冷低压的天下。海洋正好相反，低层是暖低压，中高层为暖高压。在500hPa天气图上，这就表现为东亚沿海深邃的槽位，槽线自鄂海起向西南方的日本、中国东海附近倾斜。这是人尽皆知的东亚大槽，它也是三槽中重要的一员，槽底可达25N以南。而东亚大槽槽前是暖心的北大西洋洋中脊，它主要控制俄罗斯远东、白令海峡、北美阿拉斯加至北美西部，脊线呈东南西北走势。在北太平洋洋中脊的南部还有一个平均槽维持，并与其形成偶极子态势，墨西哥、北美大陆西南部都在槽前。而继续向东的话，我们就能看到一同构成北半球三槽形势的北美大槽，其槽线自北美大湖区向西南方的北美东南部沿岸倾斜。北半球上述的三槽环流每年自深秋（10月）开始，可一直维持至晚春（5月）。而在夏季，由于海陆受热速度的差异，而使得夏季的热力场与冬季正好相反。北半球夏季500hPa天气图上的等高线间距也由于温度梯度的减小而变稀，西风带北收明显。由此一来，除北美大槽位置基本不变外，东亚大槽东移至勘察加半岛一带；北太平洋洋中脊消失，转而被洋中槽取代。阿拉斯加附近的高压脊强度减弱，并东移至北美中西部一带。北美南部的槽位也被北移的大西洋副高取代。6.2 正负相位概述如果各位觉得上面写的PNA定义没看懂的话，没关系，看下图即可。千言万语，尽在此图中：PNA指数分别与500hPa等压面1月、4月、7月及10月的位势高度、气温、降水量的相关性。冬、春两季分析。从500hPa等压面位势相关性图中明显可以看出，当PNA指数处于正（负）相位时，太平洋位势距平偶极呈现南高（低）北低（高）的趋势，可信度较高。而北太北美位势距平序列上，阿拉斯加及北美西部正（负）相关，北美东南负（正）相关。其中，冬春两季的位势相关度要高于秋季，显示PNA指数对天气的影响主要体现在冬春两季。在冬春两季，当PNA处于正（负）相位时，北太平洋洋中脊强度减弱（增强），位置偏东（偏西）。这直接导致北美西部的高压脊振幅加大（减小），通过西风带罗斯贝波的上下游效应（即能量频散）反馈于北美大槽，使其槽底南伸（北撤），强度增强（减弱）。如此一来，巴芬湾上空的极涡就更容易（更不易）俯冲北美东南部，使得该地冬季气温与降水皆偏低（偏高），春季则关系不大。而作为上游的北美西部地区，由于该地脊位较常年偏强（偏弱），气温偏高（偏低）。降水量关系不大，但是偏少（偏多）的几率稍微要大一些。2. 而太平洋上的位势距平偶极与PNA的相关性相当大，总而言之，位势正相关的北太平洋区域在PNA正（负）相位时环流多经向型（纬向型），且时常会（较少会）有冷涡盘踞在白令海峡上空。北太平洋由于温带气旋活动较频繁（不频繁），所以降水偏高（偏低），气温偏低（偏高）。而太平洋副热带地区则