北大西洋涛动指数的比较及其变率

1北大西洋涛动(NAO)指数的比较及其年代际变率*龚道溢王绍武（北京大学地球物理系北京100871）摘要首先对各种北大西洋涛动指数的定义进行了比较。发现冬季和夏季NAO的涛动中心有显著的差异，所以分别进行定义，定义时的中心由EOF分析及相关分析确定，新的定义能解释更多的海平面气压方差。在此基础上建立了1873年以来的冬、夏NAO指数序列。近百年来的NAO指数最突出的年代际变化是，夏季在1910-1920年期间的突变性质的增强，以及冬季近20多年来的持续加强。最后还对NAO年代际变化产生的可能原因进行了分析。关键词北大西洋涛动，指数，年代际变率1前言北大西洋涛动(NAO)不仅直接影响北大西洋及附近地区的气候，甚至对整个北半球温度都有重要影响，可以解释最近北半球冬季平均气温方差的31%[1,2]。因此，气候变率及可预报性研究计划(CLIVAR)中，专门将对NAO的研究列为年代-世纪尺度变率5个研究重点的第一个(即D1)[3]，NAO的研究也是今后至少15年内国际气候学研究的主要课题之一。NAO的定量表征指标就是NAO指数，目前NAO指数的定义有很多种。30年代初Walker和Bliss最早定义的NAO指数很复杂，包括5个站的气温和4个站的气压，这个定义过于繁琐,而且定义中同时使用气温和气压，混淆了二者间的因果关系，所以后来逐渐被一些简洁的定义所代替[4]，见表1。表1各种NAO指数的定义与序列编号NAO指数定义开始时间季节文献1PontaDelgada-Akureyri,气压1879年冬季[5],[6]2PontaDelgada-Stykkisholmur,气压1867年1月[7]3Lisbon-Stykkisholmur,气压1864年12-3月[8]4Gibraltar-Reykjavik,气压1825年1-12月[9]5700hPa,RPCA1950年1-12月[10]第5种用700hPa高度场旋转主分量分析的时间系数来代表NAO的变化，从物理概念上看不如其他4种直截了当，即NAO反应的是亚速尔高压和冰岛低压间气压的“翘翘板”(seesaw)关系。但是，这些定义最主要的问题在于其季节性，因为前4种定义都是使用固定站的气压，而实际上大气活动中心不仅强度在变化，冬季和夏季其位置更是有极大的差异[2]，所以前4种定义只是反映了冬季NAO的状况。第4种定义给出了全年各月的NAO指数，但Jones等[9]自己也声明这个序列只适用于冬半年。一些研究表明，NAO在夏季也是存在的[10,11]，需要单独对其定义。本文首先对夏季和冬季NAO的定义进行比较和确认，进而分析其年代际变率的特点及可能形成原因。2冬季与夏季NAO指数的不同定义利用经验正交函数(EOF)分析和相关分析来可以对冬季和夏季NAO的强度及形态进行确认。对北大西洋地区(70W~30E，0~90N)冬季和夏季海平面气压分别进行EOF分析，资料为美国环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析气压（1958年1月-1998年2月），分析前进行了面积加权处理(cos)及对1961-1990年求距平。与所有工作的结论一样，冬季NAO是最主要的模态，EOF1能解释总方差的48.1%。不过夏季气压的EOF1并不是NAO，第一模态反映是大陆与海洋的热力差别，但EOF2的NAO特征非常明显，*本研究由国家自然科学基金重点项目“49635190”及“中国博士后基金”资助。2EOF2解释的方差也能达到17.1%，因此，在夏季虽然NAO并非最突出的模态，但也是存在的，而且非常重要和显著。气压变率最大的地方，并不一定位于大气活动中心的中心位置，通常是在大气活动中心的边缘地区气压的变化最为显著。所以如果选择亚速尔群岛，则夏季位置太偏东了。-80-60-40-200204001020304050607080图1夏季北大西洋地区海平面气压EOF分析第2特征向量分布-80-60-40-200204010305070a-80-60-40-200204010305070b图2北大西洋地区海平面气压的相关系数分布(a:冬季，b:夏季；都是与65N，10~30W三个格点平均气压间的相关)根据以上分析，对夏季和冬季分别定义NAO指数(NAOI)为夏季:NAOI=p*(45N，40~60W)-p*(65N，10~30W)；冬季:NAOI=p*(35N，10W~10E)-p*(65N，10~30W)；其中p表示海平面气压，*表示标准化，即高压区和低压区各取3个点的平均，用它们标准化的差来代表NAO。这种定义代表性如何呢，可以做一些比较。见表2，表中1-5分别表示表1中的5种定义，6为新的定义。第1和第3种定义因缺夏季资料未计算。很显然，对北大西洋地区的海平面气压场来说，在冬季新的定义能解释的方差平均为39.9%，比其它5种都要高。在夏季，基于海平面气压的3种定义之中，新定义对海平面气压方差的解释率也是最高的，是第2、第4种定义的3倍多。这说明，上述分夏季和冬季的不同而定义的NAO指数，代表性有更好的提高。表2不同NAO指数对北大西洋地区SLP的解释率123456冬季37.3%37.0%35.3%36.8%27.8%39.9%夏季/3.8%/6.8%22.3%18.7%3NAO指数的年代际变率使用东英吉利大学(CRU)提供的北半球5纬度10经度海平面气压资料，计算了1873年以来冬、夏季的NAO指数，原始资料到1995年，以后由再分析资料补充。见图3。为检测在年代之间的可能显著变化，应用了滑动t检验。即对任意一年，取其前和后相邻的10年的指数值，计算t值。超过95％信度的显著变化发生的时间冬季：1901、1927、31961、1971和1985年前后；夏季：1912、1932、1965和1979年。从上述前后10年的NAO指数的差值变化看，冬季1985年t值是-3.1，在所有年代之间的t值中最突出，说明20世纪80年代中期到90年代初期比相邻的前10年有最显著的增强，而且，这种增强从60年代中期就开始了，一直持续了近20多年。这在近百年的记录中是前所未有的。对于夏季，则是以20世纪10年代到20年代的突变性质的增强最为显著，1912年的t值高达-3.9，是所有计算值中绝对值最高的。这在图3中非常清楚。18701880189019001910192019301940195019601970198019902000-4-2024-4-2024ab图3夏季(a)与冬季(b)的NAO指数（1873-1997）4年代际变率的可能机制很多研究认为NAO年代际变率的产生可能与北大西洋地区的海气相互作用有关。Deser和Blackmon曾发现在年代际尺度上大气的变率与海表温度有较好的一直性[12]。一些耦合模式的模拟结果也显示，当温盐环流(THC)加强时，造成北大西洋正的SST距平，增加的感热及水汽通量可使大气环流发生相应变化[13]。不过最近Osborn等利用HADCM2耦合模式1400年控制积分的结果，发现虽然温盐环流有明显的年代际变化，但NAO并未表现出相应的显著变化[14]。目前，温盐环流在年代际尺度上的变率有多大，以及又在多大程度上影响着NAO，仍未有定论。另外，近百年来全球温度变暖在两个时期非常突出，一个是20世纪10年代到20年代，另外就是80年代以来的这次。而这两次全球温度的显著增加，分别与夏季NAO指数在10年代的突然加强及冬季NAO指数最近20多年来的持续增加相吻合。一种观点认为，全球变暖可加强高纬与赤道地区高度场之间的梯度，以此来解释最近冬季NAO的持续增强。不过全球温度的变化与大气环流之间是相互影响、相互作用互为因果的关系，而且上述解释也不能很好说明夏季NAO的显著年代际变化。因此，全球变暖与NAO年代际变率的可能联系也还有待进一步研究。有证据表明，NAO的年代际变率也可能与大尺度大气环流系统的变化有关。从形式上看，NAO是一个区域大气环流现象，NAO指数反映的是北大西洋地区的纬向风强弱，但同时，还是北半球西风环流的一部分，只是后者是行星尺度系统，而NAO受海陆分布特征、海洋的热力和动力变化等的影响，更多地表现出区域特征。根据最近的57年资料计算，冬季NAO指数和北半球西风指数间相关系数达0.61。从高低西风指数海平面气压合成图来看，高、低指数的循环的确在北大西洋表现为NAO，同时在北太平洋则表现为北太平洋涛动(NPO)，见图4。这也为许多研究所证实[15,16]。因此，区域尺度的NAO也必然受行星尺度西风环流变化的影响，尤其是在年代际时间尺度上。而西风指数从70年代开始以来，也一直呈强烈的增强趋势，因此，冬季NAO指数近20多年来的加强，其中可能有很大一部分4是由北半球西风环流系统的年代际变化造成的。图4高指数年与低指数年冬季海平面气压的合成图(负值用虚线表示，单位为hPa;阴影区为t检验95%信度水平显著区，高指数年为1940年以来最强的5年:1989,1988,1945,1982和1991年；低指数年为最弱的5年:1968,1962,1955,1946和1967年)5结论由于大气活动中心的强度和位置在不同季节都有显著的变化，所以NAO指数在冬季和夏季必须分别进行定义。而且在定义时使用多个格点的平均气压，可以较好地克服使用单站资料可能受到小尺度扰动的影响和资料误差。近百年来冬季和夏季的NAO指数序列都表现出显著的年代际尺度的变率，其中最突出的年代际变化是，夏季在20世纪10到20年代的突变性质的加强以及冬季近20多年来的持续增强。NAO的年代际变率的产生可能与多种因素有关，这些因素包括北大西洋地区的温盐环流、海温变化、全球变暖及北半球的西风环流等。具体形成机制还需要进行更深入研究。参考文献1HurrellJW.Influenceofvariationsinextratropicalwintertimeteleconnectionsonnorthernhemispheretemperature.Geophy.Res.Lett.,1996,23:655-6682HurrellJW,vanLoonH.DecadalvariationsinclimateassociatedwiththeNorthAtlanticOscillation.ClimaticChange,1997,36:301-3263WMO.CLIVAR:Aresearchprogramonclimatevariabilityandpredictabilityforthe21stcentury.WCRPNo.101,WMO/TDNo.853,ICPONo.10,UNESCO,1997,1-484MontgomeryRB.ReportontheworkofG.T.Walker.Mon.Wea.Rev.,Supp.No.39,1940,1-225RogersJC.TheassociationbetweentheNorthAtlanticOscillationandtheSouthernOscillationinthenorthernhemisphere.Mon.Wea.Rev.,1984,112:1999-20156KoslowskiG,LoeweP.ThewesternBalticseaiceseasonintermsofamass-relatedseverityindex1879-1992,partI:temporalvariabilityandassociationwiththeNorthAtlanticOscillation.Tellus,1994,46A:66-747MosesT,KiladisGN，DiazHF,BarryRG.CharacteristicandfrequencyofreversalsinmeansealevelpressureinthenorthAtlanticsectorandtheirrelationshiptolong-termtemperature