海气耦合涛动与中国气候变化

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1、324 上卷：气候与环境的演变及预测 李建平，海气耦合涛动与中国气候变化，中国气候与环境演变（上卷） （秦大河主编） ， 北京：气象出版社，2005，324-333. 6. 2 海气耦合涛动与中国气候变化海气耦合涛动与中国气候变化 6. 2. 1 北大西洋涛动 北大西洋涛动 （NAO） 是北大西洋地区副热带高压 （亚速尔高压） 和副极地低压 （冰 岛低压） 之间大气质量变化的一种大尺度跷跷板结构 （Walker， 1924； Wallace and Gutzler， 1981） 。它是北大西洋地区大尺度大气环流变化的一个主要模态。图 6.4 给出近 130 年来 年平均、冬季和夏季的 NAO

2、指数的变化序列（Li and Wang，2003a） ，这个 NAO 指数定 义为两个代表纬度35N和65N上80W30E 范围内区域纬向平均的标准化海平面气 压差。这两个代表纬度上 80W30E 范围内区域纬向平均的海平面气压分别代表了亚 速尔高压和冰岛低压的强度，研究比较表明这是一个最优的 NAO 指数（Li and Wang， 2003a） ，可以很好地反映与 NAO 有关的大气环流变率。这个 NAO 指数实质上是北大西 洋地区的一个区域环流指数，它度量了通过中北大西洋上空的平均西风强度。在 NAO 指数处于正位相时，亚速尔高压加强，冰岛低压加深，南北气压差增加，结果北大西洋 上空的西风

3、增强，在冬季，这种情况可以导致加拿大东北部和格林兰地区气候冷而干， 西欧地区暖而湿，以及美国东部暖和湿。在 NAO 指数处于负位相时，正好相反。NAO 全 年 都 存 在 ， 不 过 ， 冬 季 最 强 ， 夏 季 最 弱 ； 而 且 ， 不 同 季 节 的 年 际 a b 图 6.4 NAO 指数序列（Li and Wang, 2003a） a. 年平均（18732000） ；b. 冬季（123 月） （18721999） 。图中的红线是 7 年高斯型滤波曲线 第 6 章 海洋和陆面过程在中国气候变化中的作用 325 变化也是如此（Li and Wang，2003a） 。 从图 6.4 可以

4、看出，除了有明显的年际变化外，NAO 指数还表现出显著的年代际变 化特征。冬季 NAO 指数和年的 NAO 指数的变化有很好的一致性，无论是冬季还是年平 均，1900 年以前 NAO 指数为相对弱期，19001930 年为强的正位相期，19301970 年为持续减弱期，20 世纪 60 年代 NAO 指数为近一个多世纪以来的最低值。近 30 年来 NAO 指数的一个突出特征是呈现一个强的上升趋势，且近 20 多年来处于强的正位相时 期。这表明在最近 20 多年来，亚速尔高压和冰岛低压异常加强，北大西洋上空的西风增 强，西欧地区及美国东部呈暖湿冬季，加拿大东北部和格林兰地区为冷干冬季。 功率谱分

5、析的结果表明（图略） ，冬季 NAO 指数有一个显著的 10 年左右的周期振 荡，此外，在 5070 年的尺度上也存在一个谱峰。而 5070 年的周期在年的 NAO 指 数是最显著的。这个周期在春季、秋季、夏季的 NAO 指数中也同样存在（图略） ，表明 5070 年的周期是不同季节 NAO 指数所共有的一个特征。这些都是 NAO 指数存在明 显年代际变化的证据。 此外， 5070 年的周期可能是全球气候系统变化的一个普遍现象， 因为在其它许多气候要素中也同样存在（Schlesinger and Ramankutty, 1994；Mann et al., 1995；Enfield et al.

6、, 2001；龚道溢，2001）。NAO 指数的高频变化，在冬季集中在 23 年的周期，在年 NAO 指数上集中在 25 年的周期上。 NAO 的年代际变化对中国气候有重要的影响。 东亚冬季风的年际和年代际变化与冬 季 NAO 有密切关系（Li, Li, 2000；武炳义, 黄荣辉，1999；李崇银等，2002） 。冬季 NAO 可以通过影响冬季西伯利亚冷高压和东亚大槽来影响东亚冬季风，从而对中国冬季气候 发生作用。图 6.5a 和 b 给出了冬季 NAO 指数与北半球海平面气压场和地面气温的相关 分布，由图 6.5a 可见，相关场除了在北大西洋地区所反映出的与 NAO 相关联的 a b图 6

7、.5 冬季（123 月）NAO 指数与北半球海平面气压场（a）和地面气温场（b）的相关分布（19582000） 。图中阴影区达到 95%的显著性水平 326 上卷：气候与环境的演变及预测 固有结构外， NAO 指数与东亚地区是显著的正相关， 与贝加尔湖附近及以北是显著的 负相关。这表明当强的 NAO 冬季，西伯利亚冷高压偏弱，东亚大槽也偏弱，因此， 其在东亚地区的气压南北梯度减弱，东亚冬季风偏弱，中国北方冬季气温偏高（图 6.5b） 。夏季的 NAO 似乎与东亚气候的关系不很明显，只是夏季 NAO 指数与江淮流 域气温呈正相关，与华北地区气温呈负相关（图略） 。此外，冬季的 NAO 似乎与夏季

8、 的中国气候也有一定的关系（王永波、施能，2001） ，但并不很显著且其中的影响机理 也不清楚。 6. 2. 2 北极涛动 北极涛动 （AO） 是北半球中纬度和高纬度大气质量变化的一种全球尺度的跷跷板 结构。Lorenz（1951）最早指出北半球纬向平均海平面气压变化存在这样一种涛动， 但 Thompson 和 Wallace（1998）重新进行了研究并命名它为北极涛动。目前 AO 已成 为国际上大气科学领域中的一个前沿热点问题。但是，Thompson 和 Wallace（1998） 是用自然正交函数分解（EOF）方法提出 AO 的，由于 EOF 方法本身的缺陷，国际上 对此存在很大争议，认为

9、它是由 EOF 这种数学方法认为构造出来的，而不是真实存在 的现象， 因此， 北极涛动的真实性被置疑 （Ambaum and Hoskins， 2001； Dommenget and Latif, 2002；Kerr，1999） 。Li 和 Wang（2003b）对 AO 的真实性及其物理本质进行了 研究，通过分析他们提出大气环状活动带的概念，这是大气活动中心概念的推广。北 半球热带外大气环流存在两个环状活动带，一个位于副热带和中纬度地区，一个位于 高纬度地区，这两个环状活动带的中心分别位于 35N 和 65N。研究表明：这两个环 状活动带之间的海平面气压变化存在“跷跷板”结构，这种结构正是

10、AO 现象。由此， 利用这两个环状活动带中心纬度35N和65N上的标准化纬向平均海平面气压差来构 造一个新的 AO 指数，其物理意义十分清楚，它是发生在北半球中、高纬度环状活动 带之间大气质量变化的半球范围涛动的一种度量。 通过与由 EOF 方法定义的旧指数的 比较表明（图 6.6） ，新指数在表征北极涛动的时空特征方面显著地好于旧指数，而且 新指数从根本不依赖于 EOF 方法，所以也避免了来自这种数学方法地混淆和争议。 当 AO 处于正位相时，副热带高压带异常加强，副极地低压带异常也加强，从而 在中纬度地区产生强的西风异常，即盛行纬向环流；副热带急流异常减弱，极地急流 异常加强；副热带和中纬

11、度地区的大气环流活动带为异常下沉气流控制，高纬度地区 的大气环流活动带为异常上升气流，Ferrel 环流异常增强，使得在对流层低层产生强 的南风异常， 将暖空气从较低的纬度输送到较高的纬度， 导致中高纬度地面气温升高； 此外， 极锋活动加强， 因此， 在高纬地区是温暖湿润多雨 （图 6.7， Li and Wang， 2003） 。 当 AO 负位相时环流状态相反。AO 有明显的季节变化，冬季强，夏季弱（范丽军等， 2003） 。 图 6.8 给出冬季、夏季和年平均的 AO 指数的变化序列（Li and Wang，2003b） 。 可见，AO 指数既有明显的年际变化也有显著的低频变化特征。近

12、130 年来的冬季 AO 指数（图 6.8a）表明，18801930 年是强的冬季 AO 正位相时期，持续时间长达 50 余年，是一个突出的特征；19351980 年是强的冬季 AO 负位相时期；自 1970 年以 来冬季 AO 指数一直呈现持续增长趋势，且近 20 多年来处于强的冬季 AO 正位相期， 这也是一个显著特点。夏季 AO 指数（图 6.8b）表现出一个大的低频变化特征，在过 第 6 章 海洋和陆面过程在中国气候变化中的作用 327 a b 图 6.6 北半球逐月海平面气压场与（a）新 AO 指数（Li and Wang，2003b）和（b）来 自 EOF 的旧 AO 指数（Tho

13、mpson and Wallace, 1998）的相关分布（19582000） 。图中阴 影区达到 95%的显著性水平 图 6.7 当冬季 AO 正位相时北半球垂直、水平异常环流型概念图（Li and Wang，2003b） 328 上卷：气候与环境的演变及预测 a b c 图 6.8 AO 指数序列（Li and Wang, 2003b） （a） 冬季 （122 月） （18722001） ； （b） 夏季 （68 月） （18732001） ； （c） 全年 （18732001） 。图中的红线是 7 年高斯型滤波曲线 去一个多世纪以来呈现出一个长期上升趋势，这种上升趋势可能与全球变暖有一定

14、的 联系；在 1975 年以前的一百多年里，夏季 AO 指数基本上处于负位相时期，在 1880 年1890 年间达到最低值。近 30 年来夏季 AO 指数处于持续的正位相期，且是过去 一百多年来最强的时期。年的 AO 指数的年代际变化似乎比冬、夏 AO 指数的更清楚 （这一点也可从下面的功率谱分析中看到） ， 从 1870 年代到 1910 年年的 AO 指数表现 为持续上升，1910 年到 1970 年持续下降，之后至今又持续上升，呈现一个 5070 年 的振荡周期。年的 AO 指数在 1900 年以前和 1930 年代末期1970 年代中期为负位相 期，1900 年1930 年代初期和最近

15、 30 年是正位相期。无论是冬季、夏季还是年平均 的 AO 指数， 一个共同的特征是在最近 20 多年里均处于强的正位相时期， 表明北半球 中纬度地区西风环流异常是加强的，异常 Ferrel 环流增强，中高纬地区呈现暖湿气候。 第 6 章 海洋和陆面过程在中国气候变化中的作用 329 冬季、夏季和年的 AO 指数的功率谱分析表明（图略） ，冬季和夏季的 AO 指数的 谱结构比较相似， 它们在年代际尺度上均有两个谱峰， 分别是 10 年左右和 5070 年。 年的 AO 指数在 5070 年尺度上的周期是显著的。 这个周期在春季和秋季的 AO 指数 中也是显著的，看来与 NAO 指数一样（见上节

16、） ，5070 年的周期也是不同季节 AO 指数所具有的一个共同特征。 所不同的是， 在年的 AO 指数中还存在一个 20 年左右的 周期（图略） ，这是其它季节所不具有的。此外，AO 指数的高频变化，在冬季和年的 AO 指数上集中在 23 年以及 4 年左右的振荡，在夏季除了在 23 年外，45 年的 周期是显著的。 北极涛动对中国气候的年际和年代际变化都有非常重要的影响。彩图 26 给出了 四个季节 AO 指数与北半球地面气温场的相关分布，可见，冬、春、秋三季 AO 指数 与中国大部分地区气温呈正相关关系，其中冬季最为显著，而春、秋季 AO 指数与中 国北方气温相关是显著的，在夏季 AO 指数与中国气温的相