北大西洋涛动指数的比较及其变率

66 大尺度大气环流变化对北半球冬季温度的影响 龚道溢 北京大学 地球物理系 北京 摘要摘要 行星尺度的大气环流的变化对北半球冬季温度有很重要的影响 NAO和 NPO 都是行 星尺度大气环流在区域的特殊表现形式 当处于高指数时期时 则温度偏高 当处于低指数 时期时 则温度偏低 西风强度及NAO 和 NPO 能解释近 50 年来北半球冬季温度变化方差 的 27 2 关键词关键词 大气环流 北半球 温度 1 前言前言 全球气候变化及其区域特征与大气环流的作用有密切的关系 近来人们认识到 要更 好地理解气候变率及其区域特点 必须要首先了解大气环流变化的特征及其对全球气候的 影响 北大西洋涛动 NAO 和北太平洋涛动 NPO 是北半球中高纬地区最为突出的大尺度 大气环流因子 所以受到高度关注 Hurrell 和 van Loon 1 及 Hurrell 2 认为最近北大西洋海 表温度的变冷及亚欧大陆的变暖很大一部分可由 NAO 的变化得到解释 但是 NPO 和 NAO 都是一个区域性的大气现象 如 NAO 对北大西洋及邻近的大陆地区气候异常有直接 的控制作用 这是早为人们所认识的事实 3 但区域性的 NAO 如何显著影响亚欧大陆及北 半球平均温度的呢 并未有满意的解释 近半个世纪来的全球温度的变化表现出有很大的空间尺度 其尺度远大于 NAO 和 NPO 那么全球或北半球的温度变化是否与与之相匹配的行星尺度大气环流的异常有关呢 很早人们就发现 北半球近地面大气环流变化最基本的特征是中纬度和高纬海平面气压的 反向变化 这本质上反映了中 高纬度之间大气质量的交换 4 5 这种大气质量间的交换及 其相应的热量的传输与交换 对行星尺度的气候异常有直接的控制作用 因此人们用 35 N 与 55 N 或 40 N 与 60 N 间纬圈平均 SLP 或位势高度差定义西风指数来反映纬向风的 强弱 西风指数高的时候为高指数状况 反之为低指数状况 高低指数的循环的结果就表 现为中纬度和高纬度海平面气压的反向关系 不管是南半球还是北半球 这种关系在中高 纬表现出明显的纬向对称性 其变化对半球的气候有重要意义 5 8 因此 本文首先将分析北半球的西风指数所反映的行星尺度大气环流与北半球温度变 化的关系 其次对其与 NAO 及 NPO 的关系进行分析 2 资料与指标资料与指标 考虑到温度和气压资料的覆盖面及可靠性 本文中使用的资料都只用到 1940 年以来的 50 多年 不过考虑到这段时期中既包括了 1980 年代以来的暖期也包括了 1960 70 年代的相 对冷期 所以也有一定的代表性 这些资料包括全球 5 纬度 5 经度格点温度 来源见 Jones 1994 9 和 Parker 等 1995 10 的详细说明 最新补充到到 1997 年 北半球 5 纬度 10 经度海平面气压 由英国东安格利亚大学气候研究中心 CRU UEA 提供 原始资料到 1995 年 以后由 NCEP NCAR 再分析资料补充 西风指数 IW 用 35 N 与 55 N 纬圈平均海平面气压差表示 即 IW P35 N P55 N 因为 要比较西风指数与 NAO 和 NPO 的关系 而目前 NAO 和 NPO 又没有统一的定义 所以本 文还根据 EOF 分析 1 以及相关分析 见图 1 确定 NAO 和 NPO 的变化中心 再定义冬 67 季 NAO 和 NPO 指数 NAO 指数 P 35 N 10 W 10 E P 65 N 10 30 W NPO 指数 P 20 N 180 160 W P 60 N 180 160 W 其中 P 表示海平面气压 表示标准化 这些环流指数 及北半球温度都统一取自 1940 41 年到 1996 97 年冬季 对 1961 1990 年求距平 图 1 北大西洋地区及北太平洋地区冬季海平面气压的相关系数分布 北大西洋地区是与65 N 10 30 W 三个格点平均气压间的相关 北太平洋地区是与 65 N 180 160 W 三个格点平均气压间的相关 资料为 NCEP NCAR 再分析 SLP 从 1958 年冬到 1997 年冬 图中相关系数都已乘100 1940195019601970198019902000 0 5 0 0 0 5 0 5 0 0 0 5 3 0 3 B T A Iw C T 图 2 Iw a 北半球冬季平均温度 b 及用NAO NPO 和 Iw 拟合的北半球冬季温度 c 1 EOF分析范围为 北太平洋地区 130 E 130 W 0 90 N 北大西洋地区 70 W 30 E 0 90 N 北太平洋地区 EOF1 即 NPO 解释方差为 47 0 北大西洋地区 EOF1 即 NAO 解释方差为 48 1 图略 68 3 结果与讨论结果与讨论 根据 1940 年以来的 57 个冬季资料 计算 IW与北半球平均温度的相关系数 为 0 45 而北半球平均温度与 NAO 和 NPO 的相关分别为 0 40 和 0 35 这说明如果考虑西风指数这 一个因子 则能解释北半球冬季温度变化方差的 20 3 比单独用 NAO 或 NPO 所能解释 的方差都要多 IW是如何影响温度的呢 西风指数的强弱变化直接影响低纬度地区与高纬度地区的热 量交换 4 因此影响中 高纬度温度及温度梯度的变化 IW与 30 N 40 N 平均温度的相关 系数为 0 38 与 50 N 60 N 平均温度的相关系数为 0 50 这说明高纬度地区在强西风指数 时的增温及弱西风指数时的降温比中纬地区更为显著 变化幅度也更大 如果以 30 N 40 N 平均温度与 50 N 60 N 平均温度的差来表示这种温度梯度 则温度梯度与 I W的相关 系数达 0 41 也非常显著 而统计表明 中 高纬间温度梯度与北半球平均温度间相关达 0 69 相当于温度梯度变化 1 个标准差时 可以造成北半球平均温度发生相应变化幅度为 0 12 C 即当温度梯度减小 1 C 时 则北半球平均温度升高 0 17 C 反之亦然 2 1012 0 4 0 0 0 4 0 8 图 3 中高纬温度梯度与北半球平均温度的关系 与 IW相联系的温度变化的空间分布格局是 欧亚大陆及北美大陆中高纬地区温度与 IW 是显著的正相关 北大西洋高纬地区及格陵兰 北太平洋高纬地区为显著负相关 这在 高西风指数与低西风指数年冬季温度的合成图上也很清楚 图 4a 是 5 个最高指数年与 5 个 最低指数年平均冬季温度的差 IW最强的 5 年依次为 1989 年 1988 年 1945 年 1982 年 和 1991 年 最的弱 5 年依次为 1968 年 1962 年 1955 年 1946 年和 1967 年 IW影响温度的空间特征 同其他作者发现的 NAO 与温度的相关关系的分布很相似 参照文献 1 的图 6 我们认为这与 NAO 同西风指数的密切统计关系有关 IW NAO 和 NPO 反映的都是纬向风 只不过 IW反映的尺度是行星尺度 而 NAO 和 NPO 一方面也 是西风环流的一部分 所以 NAO 和 NPO 都与 IW有较高的相关 分别为 0 61 和 0 51 同 时由于受局地海陆分布等的影响 NAO 和 NPO 更多地表现出区域特征 所以 NAO 和 NPO 之间相关仅为 0 08 图 4b 中是 5 个强西风指数冬季和 5 个弱西风指数冬季海平面气 压差值的分布 图中 NAO 和 NPO 非常清楚 而且不仅如此 在对流层中上层大气遥相关 的变化也与指数循环的强弱有关 11 因此 亚欧大陆广大地区 特别是亚洲大陆中高纬度 地区 温度与 NAO 的高相关 可能并不说明 NAO 对这些地区有直接的控制 而实际上反 69 映的是西风指数强弱变化对大尺度范围温度变化的影响 因此 用行星尺度的西风指数来反映整个北半球温度的变化更为合理 当然 区域性 尺度的 NAO 和 NPO 对温度的变化也有一定的贡献 考虑到三个环流指标相互间并不独立 所以刨除其共同的贡献 则 IW与 NAO 和 NPO 三者加起来能解释北半球平均温度方差的 27 2 用 IW NAO 和 NPO 对温度进行拟合的结果见图 2c 这些解释的方差主要是在年 际尺度上 另外 从 1940 年代到 1970 年代初温度的下将 及以后的增温的趋势也都拟合 出来了 不过拟合的趋势及低频变率比观测值要弱 这与没有考虑到其它因子如 ENSO 火山活动 人类活动及西伯利亚高压等的影响有关 需要指出的是 大气环流能影响温度 而温度的改变同样会对大气环流产生影响 因 此大气环流与温度的关系可能存在非线性的相互作用 本文只是从大气环流这一个侧面来 考察温度的可能响应 而要真正分析环流与温度的相互关系及各自影响的程度 还必须借 助各种气候模式进行更深入的研究 图 4 高指数年与低指数年冬季温度 a 及SLP b 的合成图 负值用虚线表示 a 单位为 C b 单位为 hPa 阴影区为t 检验 95 信度水平显著区 a 中 75 N 以北地区及 15 N 以南地区资料较少 未参与统计 致谢致谢 本研究得到国家自然科学基金 及 我国重大气候灾害的机理和预测理论研究 资助 参 考 文 献 1 Hurrell J W van Loon H Decadal variations in climate associated with the North Atlantic Oscillation Climte Change 1997 36 301 326 2 Hurrell J W Influence of variations in extratropical wintertime teleconnections on northern hemisphere temperature Geophy Res Lett 1996 23 655 668 3 Hurrell J W Decadal trends in the North Atlantic Oscillation regional temperatures and precipitation Science 1995 269 676 679 4 Namias J The Index Cycle and its rule in the general circulation J Meteor 1950 7 130 139 5 Lorenz E N Seasonal and irregular variations of the northern hemisphere sea level pressure profile J Meteor 1951 8 52 59 6 Kutzbach J E Large scale features of monthly mean northern hemisphere anomaly maps of sea level pressure Mon Wea Rev 1970 98 708 716 a 形 70 7 Thompson D W J Wallace J M The Arctic Oscillation signature in the wintertime geopotential height and temperature fields Geoph Res Lett 1998 25 9 1297 1300 8 龚道溢 王绍武 南极涛动 科学通报 1998 43 3 296 301 9 Jones P D Hemispheric surface air temperature variations A reanalysis and update to 1993 J Climate 1994 7 1794 1802 10 Parker D E Folland C K Jackson M Marine surface temperature observed variations and data requirements Climatic Change 1995 31 559 600 11 Wallace J M Hsu H H Another look at index cycle Tellus 1985 37A 478 486 Large scale Atmospheric Circulation and Winter Temperature in the Northern Hemisphere Gong Daoyi Department of Geophysics Peking University Beijing Abstract Large scale atmospheric circulation plays very important role in the northern hemispheric winter temperature variation Index cycle is the most important monitor index that measure