冬季西风环流指数的变率及其与北半球温度变化的关系研究

冬季西风环流指数的变率及其与北半球温度变化的关系研究 冬季西风环流指数的变率及其与北半球温 度变化的关系研究 第18卷第2期热带气象学报2002年5月JOURNALOFTROPICALMETEOROLOGYvoll18.No2 blay,2002 文章编号:1004—4965(2002)02—0104—07 冬季西风环流指数的变率及其与北半球 温度变化的关系研究 龚道溢,王绍武 1北京师范大学资神科学研究所耳境演娈与目然灾害教育部重点实验室.北京100875 2北京大学大气科学系,JE京10087I) 摘要 用雇,即40.和65.K纬圈平均位势高度的差来定义西风指数,可以很好地 反映温带地区西风的强弱.西风环流强的年份北半球气温通常偏高.主要是中纬度大陆 变暖明显,这可能与中高纬度西风强时.向北的经向热量输送也加强有关.在长期变化的 趋势上.1950年代以前北半球偏暖时期的指数偏低,而偏冷时期的指数偏高.但近3O多 年柬,伴随仝球加速变暖,西风指数也持续加强,这是否与温室敬应的加强有关还有待深 入研究 关键词:西风指数:变率:温度 中图分类号:P423文献标识码:A 1引言 1930年代后期Rossby最早提出西风指数(zonalindex)的概念,并用35.N和55.N 纬圈平均海平面气压差代表北半球温带地区(35--55.N)西风的强弱,Namias后来进一 步提出指数循环的概念,温带西风强时称为”高指数”环流,弱时则称”低指数”环流. 早期人们主要是从天气学的角度来研究西风指数的变化的,由于指数循环的时间尺度约 4--6周,所以月平均西风强度的变化所反映的是时间尺度更长的西风变率.不过,从 1970年代到1980年代初,人们更多注重研究赤道海洋及大气的影响,对中纬度大气环 流有所忽略,两风研究105 量及热量的交换,及与半球及全球气候异常均有密切的联系.如Thompson等(1998)” 基于北半球大气环流的,提出了北极涛动的概念,实际上也是反映中纬度地区的西 风变化,他们的研究表明北极涛动与北半球温度变化之间有密切关系.其他一些反映 中纬度区域尺度纬向风的环流系统,如北大西洋涛动等与北半球气候的关系也引起重视 . .本文将利用再分析资料,分析北半球冬季西风环流指数与海平面气压及500hPa 位势高度的联系,并讨论其变率与北半球温度变化之间的关系. 2西风环流指数与500hPa位势高度及海平面气压的关系 白Rossby的1作之后,人们提出过多种 西风环流指数的定义形式.如 Lorenz(1951)指出的:由于大气质量在不 同纬度带问交换造成的气压变化,在65.N 和35.N这两个地区有最好的一致性,建议 用这两个纬度的气压差代表西风.后来也有 用40.N与60.来代表.此外,一些作者 更是直接使用纬向风纬向风(的变化在中 纬度和高纬度表现出反号的特征..丁敏芳 等曾用35.N和55.N上纬向风的差值来代 表西风指数(即阮)虽然这些西风指 数形式上有变化,但并无本质上差别大尺 度的纬向风基本上是地转风,与高度场之间 关系密切图l是北半球冬季纬圈平均500 hPa位势高度与纬向风的奇异值分解(SVD) 的第一对模态,可见西风指数的强弱用位势 !!.!. ;/一 ?…0?-? … 一H—.…_?_?… /ii\0一 i 图1500hPa纬圈平均冬季纬向风(砷 与位势高度(脚奇异值分解(SgD) 的第一对模态纵坐标为无量荆值 FiglPredominantmodeincovariability betweenthezonal—r~ean50ohPa hei曲t(闭andwind(?,shown aSVT) 高度(如矗,)或纬向风(如o0都能较好表示,500hPa位势高度上的这两种西风 指数相关达一0.90.55.N西风与(.层…)相关系数达096.因此,本文分析中选择 用…一鼠一代表西风环流指数 2(图3)是标准化的西风指数与500hPa位势高度(海平面气压)间的回归系数, 即当西风指数增加一个标准差叫,对应的各格点高度(气压)变化.西风环流强的时候 极地及卡目邻的高纬度地区500hPa位势高度和海平面气压都下降中纬度地区则上升. 过中纬度变化最突出的地区是北太平洋及北大西洋和邻近的部分大陆地【x.由于两风 指数强调的是纬嘲平均状况,此很容易认为它与槽脊的变化没有关系.但从最韧定义 两风指数时就发现西风本气流的强弱与大气环流的定常波有密切联系图2『3 就可以清楚地说明这一点.在西风增强的情况F,东亚大槽变弱,高度增加l0,20gpm, 北美大槽也存存同样量级的减弱.因此,在高空西风气流更为平直wallace等曾对 比西风指数强弱状况下的高空与地面环流差异指出:强西风时地面大气涛动(如北大西 洋涛动)增强,同时在高空一些大气遥相关也增强(如东大西洋型,西大西洋型西太 热带气象学报I8卷 平洋型).这些特点在图2中也有体现,同时在图3海平面气压与西风指数的关系中可 以看到,除北大西洋涛动加强外,在亚洲大陆中高纬西伯利亚高压的强度减弱,中心区 域的强度减弱1,2hPa.此外,图2和图3进一步说明西风环流在地面与高空都有大体 相似的结构,这反映了大尺度大气运动的正压性.不过,高空环流的纬向特征更为明显, 而海平面气压的变化受下垫面差异的影响和限制,区域性更明显 图2500hPa高度与西风指数间的回归系数,即图3海平面气压(s】P)与西胤指数间的 当西风指数加强,个标准着单位时相应的位回归系数,BU当西风指数增加一个 势高度的变化量(gpra)(1958--1998年)标准差单位时相廊的海平面气压 的变化量(hPa)(1958~1998年) Fig2Regressioncoefficientsbetween500hPaFig.3SameasFig2butforsealevel heightandwesterlyindexinassociationwithpressureandinunitofhPa zoilalindexchangesbyunitstandard deviationsingpm(1958,l998). 3西风环流与北半球温度变化的关系 很早人们就发现,商指数环流盛行的年份北半球地面气温通常偏高.图4是西风指 数与北半球地面气温或海面温度的回归系数.当西风指数增加一个标准差时,欧亚大陆 的大部分地区气温都偏高0.25.c以上,而大陆腹地则高达0.75.C以上.北美大陆的 东南部,也偏高O.25.c上.负的区域主要在北美东北部及格陵兰,温度下降幅度超 过0.25.C上,但温度偏低的区域范围远比偏高的范围小.因此,总的来看当西风环 流强时,北半球地面气温偏高. Namias曾经认为,当西风指数高时,中纬加强的西风环流将会阻止高纬度和低纬度 地区之间的热量交换,在极地及副极地由于辐射冷却,温度将会变得更低,而中纬度地 区温度会升高.但后来人们认识到睛况没有这么简单实际上在南北向的热量输送过程 中,包括较大尺度的定常波及天气尺度的瞬变波,都起着十分重要的作用”.而这些 涡旋的活动与西风气流间也存在紧密的联系.Linlpasuvan等最近的模拟研究发现: 与西风环流有关的涡旋活动在北半球主要是定常波,在南半球主要是天气尺度的瞬变 波.Robinson(1994)…在简单的两层大气环流模式中,人为地将西风指数加强或减弱, 2期龚道溢等冬季西风环流指数的变率及其与北半球温度变化的关系研究107 结果发现涡旋活动的动量输送与西风指数的强弱之间,是一个正反馈关系.据计算,当 西风指数强时,由定常波造成的向高纬度地区的热量输送也加强,中心在40--50.N. 因此,当西风指数加强时,与之相伴随的经向热量输送也加强,由于输送的极大值在40-- 5O.N,很显然由此必然造成相邻的50”-60地区的气温比其它纬度升高更显着.因 此,高纬与中低纬度问的温度距平梯度会加大.统计表明,高纬(50~60.N)与中纬度 (30”-40.)问温度距平的梯度与北半球平均温度距平的相关系数达069,这相当于温 度距平梯度变化1个标准差时,与之相应的北半球平均温度的变化可达012.C,即当 温度距平梯度增加1.C时,北半球平均温度偏高O.17.C,反之亦然. 温度与西风环流的上述关系在更 长时间尺度上是否也存在呢?通常人 们认为在气候偏暖时期赤道与极地之 间的温差变小.那么中,高纬地区对流 层西风会减弱.近个世纪以来,北半 球及全球温度除有线性的变暖趋势 外,还有显着的年代际的波动北半球 在1940--1950年代是一个比较温暖的 时期,从1980,1990年代更是加速变 暖:而在1920年代及以前,1960,1970 年代则是较偏冷的时期.与温度的这种 低频冷暖波动相对应,实际观测的纬向 环流的变化是怎样的? 1950年代以前困为缺乏高空资料 考虑用近地面气压来代替.分析表明 1OOOhPa纬向环流的变化与高空的变 圈4地面气温或海面温度与骶风指数问的回归 系数.即当西风指数增加一个标准差单位时 相应温度的变化量t.c)(1958--1998年) Fig4SameaSFig2butforsurfaretemperaturein unitof.C 化有根好的致性,40oN与65.N海平面气压的差,与500hPa西风指数的相关达到 O.88(41年资料).所以用40.N与65.N海平面气压的差序列能较好反映近百年来的近 地面西风指数的变化.所用海平面气压资料(1873--1995年,北半球5.纬度xlO.经度) 由英国东英吉利大学气候研究组(UEA/CRU)提供,1995年以后由再分析资料续补.闺5(实 线)是其21年滑动平均序列,显然20世纪以来西风指数的低频特征具有非常明显的阶 段性,在1930年代初以前是一个较强的时期,而从1930年代中期开始到1960年代是 较弱的时期,从1970年代开始则是强烈的增强阶段.比较一下西风指数的长期变化与 北半球温度的低频变化,可以很清楚发现二者之问的关系也可以分为两个阶段在1950 年代以前,二者的低频变化基本上是反位相的,即气温偏冷的阶段,西风环流偏强,而 气温偏暖的时期,西风环流则偏弱在1950年代以后二者的低频变化有很好的一致性, 尤其是1970年代以来,二者都有强烈的上升趋势(图5).这说明温度与西风环流在年 代际尺度E的关系发生了变化. 特别值得注意的是最近三十多年来的观测事实显示,随着全球气温加速变暖.北半 球中,高纬冬季西风指数也同样呈显着增强趋势,从1958到1998年的4】个冬季资料 108热带气象学报18卷 图5北半球冬季地面气温(虚线)及40.与65.N 海平面气压差(实线)的21年滑动平均序列 Fig.5Temperature(a)andSLP(b)difference between40.Nand65.N,shownasthe resultsof21一yearrunningaverage. 显示西风指数趋势为4.3%/10 a,信度水平达99%.当然可能 是大气环流本身的年代际变 化,也可能由于全球温室效应加 强造成变暖引起,还可能与其它 外部强迫如太阳活动的作用有 关,也可能是这些因素共同作用 的结果.但是考虑到大气环流的 内部变率及太阳活动等在20世 纪中都是存在的,如果没有其它 因子的话,西风指数与温度的这 种关系应该仍然保持稳定才 对.因此,有理由把关注的重点 放在温室效应的加强方面.图6 是冬季纬圈平均高度与纬向风 在最近的暖期(1980/1981, 1998/1999共19年平均)与冷期(1960/1961,1979/1980共20年平均)间的差异,可见 1980年代以来温带地区与高纬高度场之间的梯度加大,与此对应的是50~60.N地区纬 向西风的增强.Fyfe等.=利用加拿大气候模拟与分析中心的耦合环流模式(CCCma)进行 了全球变暖的瞬变模拟,结果发现在全球变暖的情况下,北极涛动和南极涛动更多出现 正的位相,这意味着中,高纬西风也将随之增强.虽然目前并不能完全排除其它因素对 … 《……… \?\, :_=_?==_ 一一 厂『……, 图6冬季纬圈平均高度(aj与纬向风(b)在 暖年期与冷期间的差异,暖期取1980 , 1998年其19个冬季平均,冷期取 l960--1979年2O个冬季平均 Fig6Differenceofgeopotentialheightra]and zonalwindfb)betweenthewarrllandthe coldperiod.Warmperiodis1980~1998 andthecoldperiodis1960,1979 西风环流的影响,但有的研究表明,温室 效应很可能是导致近3O年来西风指数持 续加强的一个主要因子. 当然,西风环流与温度的关系实际上 是相互制约的,大尺度平均环流满足热成 风关系,因此风的变化主要与温度的经向 梯度有关.IPCC的报告(1998)中曾指 出,全球纬圈平均看,温度的变暖在不同 时段有明显不同的结构特征,1950年代 以前中纬度地区温度变暖不明显,很多时 候是负距平;但从1950年代开始中纬度 明显增暖,而从1970年代后期,特别是 1980年代以来,则是从高纬到低纬度同 时增暖.Gitelman等曾计算了50~55 .N和30,35.N纬圈平均地面温度,发现 虽然单独看这两个纬度带的温度都有很 相似的变化特征,但二者的差表现出显着 2期裴道溢等:冬季西风l蚪流指数的变率及其与北半球温度变化的关系研究1O9 的趋势变化,从20世纪初到1950年代中期呈下降趋势,而从1950年代后期以来呈强 烈的上升趋势.这种变化与西风指数的变化是,致的.因此,研究全球变暖等各种强迫 下,热量在不同纬度间如何重新分配和改变,对于我们了解西风环流异常,进而了解相 关的域气候响应特征非常重要. 4结论与讨论 用NcEP/NCAR再分析资料对500hPa纬圈平均的纬向风(u]及位势高度进行的奇异 值分解分析表明,用位势高度(矗.一.)或纬向风(缘如.)都能较好表示西风指数 的强弱.近来比较强调的北极涛动也能比较好地反映西风强度,1958到1998年期间, 两风指数与北极涛动指数间能相互解释65,5%的方差.不过,一些研究也指出,北极涛 动可能最主要的还是反映北大西洋涛动的变化”.因此,从物理意义上看,西风指数更 清晰而且代表的,宁u]尺度也更大. 两风指数北半球温度的回归分析表明,当西风指数加强一个标准着时.欧弧大陆 的大部分地区气温都要偏高0.25.c以上,大陆腹地则高达0.75.c以上.北美大陆的 东南部也偏高0.25.C以上.负的区域主要在北美东北部及格陵兰,温度下降幅度超过 0.25.C以上,但温度偏低的区域范围远比偏高的范围小西风指数强的年份,北半球 平均气温也偏高,主要是中纬度大陆变暖明显,这可能与中高纬度西风强时t向北的经 向热量输送加强有关. 在1950年代以前,西风指数与北半球温度的低频变化基本上是反位相的,气温偏 冷的阶段西风环流偏强,而气温偏暖的时期西风环流则偏弱.但近3O多年来,伴随全 球加速变暖,两风指数也持续加强,这是否与温室效应的加强有关还需更深入研究 参考文献 llTHOMPSONDWjWALLACEJM1”heArcticOseillatimx蚺urctnthe【engeopalentialheightaadterapeealure fields[J1Geophi,sica1998.25:1297—1300 21THOMPSONDWJWALLACEJMAnrtulaemodesintheextmtroplcalcircuLation,partI:monthto monthvariabiLity… Cm2000.13:l0OO一1016. [31HURRELL1wDecadaltrendaintheNorthatlanticoscillation:regionaltemperatures,andprectpital ionl3]Scieat.1995, 269676一79 41HURRELLJwLnfluenceofvariationsinextraimpicalwthlertime~leconnec0onsonnorthernhemis phere[J]GeophyRes Le,1996.23.665--668 [5】LORENZESe~xmalandirregularvarialgmsofthenorthernhemispheresea-levelPsp~file[J],Meteorolo gy195l, B:52—59 [61BRANSTATORGTherelationshipbet,~~enzonalnflowandquasi—stationary?wave~intheraidtr opo~hpere[J]JAtmos o.【984.41:2l6卜一2178 [7JKIDSONJ?lndexcyclesintheno~hernhemisphereduringtheglobalcacherexperimeflt[I]MlYear{】985- 113:6叽一623 『81TINGM.HOERLINGMP,XUTY.elalnorthernhemisphereteleconnectlonpatte~sduringexlTcmephasesofthezonal— n1encirculationLIIJ(„limate1996,9:261}一2?.{ 『9】WALLACEJMHSUHAnotherlookatlhewcleindex[J]Tellus.I985,37A:478-,61:25532562 【【2】 WILLEIq”HCLong-periodfluctuationsofthegeneralcirculationoftheatmosphere[J].JMeleor.1949.6:345O 【13】SHIND]LLD,RINDDBALACHANDRANN,eda】 Solarcyclevariabilityozoneandclimate[J1Science.1999. 284(54l2)3O3O8 【l4】 FYFEJC.BOERGJ.FLATOGMThearcticandantarcticosc…ationsandtheirprojecledchangesunderglohal warming[J1Ge~q*hrrica1L19992S2601—1604 【l5】 HOUGHTONJTNIEIRAFFGT.CALLANDER13A.elalClimatechangel995:thcscienceofclimatechange[M] CambridgeUnix,press.Cambridge.UK.1996145 【l6】 GITEMANAI.RISBEYJSKASSRE,edsTrendsinthesurfacemerid[oaaltemperaturegradlent[J]GeophyLerr. 199724l2431246 【IJDESERCOnthekk?nnect?Lyofthe”A~tico~9]adon?[JlGeophy2000.27.77782 ,RIABILITY0FTHEWINTERZ0NALINDEXANDITS ASS0CLATIoNWITHTHEN0rHERN HEMISPHERICTEMPERATURE CHANGES GONGDao—yi.,WANGShao—wu (1KeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandNaturalDisaster,BeijingNormalUniversity.Beijing 100875China;2DepartmentofAtmosphericSciences,PekingUnversity,Beijing100871,China) Abstract Thedominantmodesofnorthernhemisphericzonally.meanwind(“)and500hPa geopotentialheightinwinterdemonstratetwocenterswithoppositesignThusthezonal indexcanbedefinedas.cH一or一U*,ie.,thediffemneeingeopotentialheight (orzonalwind1between40.Nand65.N(orbetween35.Nand55.N).Inthispaper血e zonalindex0f?.一凰5.isapplied.Thiskindofzona?ndexcorrelatewi血westerlyof55 NatO96.Theanomalousvariationofthewesterlycanimpactthewintersurface temperatumsignificantly.Duringthehigh—indexyears,thenortherncontinentbecomes warinerandduringthe1ow—indexyearsbecomecolder.Thechangesintemperaturearemore significantoverthemiddlehigh1atitudesCon?elationbetweenthezonalindexandthe metidionalheatfluxshowthatthemaremoreheattransportingtothehigherlatitudesthrough theintensifiededdiesactivitywiththestrongerwesterlies.Ontheinterdecadaltimescale,the temperatureandzona1indexvacillateoutofphasebeforethel950s,i.e.,thelow—index associatewi血warn~erperiodsandhigh—indexwithcoldel”periods.Butduringthe1astthree decades.boththenorthernhemisphericmeanternperatureandzona1indexdemonstrate significantupwardtrends.Analysisindicatestheincreasinggreenhouseeffectmaytriggerthe recentpositivetrendinzonalindex. Keywords:zonalindex;variability;temperature