地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (2): 409-421   PDF    
北半球环状模周期变化和突变研究
袁俊鹏 , 曹杰     
云南大学资源环境与地球科学学院大气科学系, 昆明 650091
摘要: 利用NOAA提供的1871-2008年月平均海平面气压场、雪盖、海冰等再分析资料、NASA提供的地表温度场资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数, 采用小波分析、带通滤波和凝聚谱分析等方法, 研究了北半球环状模(NAM)周期变化及其影响因子.研究结果表明NAM在20世纪60年代前后发生了显著的年代际尺度周期突变, NAM在1895-1955年存在显著的准35年周期振荡, 而在1971-2008年则主要以准15年周期振荡为主.NAM年代际尺度周期突变与外强迫源振荡周期变化有关, 但突变前后与NAM周期振荡密切相关的外强迫因子并不尽相同.在1960年代之前, PDO、ATM、北美雪盖以及南极海冰涛动等外源强迫因子与NAM在准35年尺度上关系密切; 而在1960年之后, NAM准15年振荡则与ATM和欧洲雪盖、南极海冰涛动等因素有关.
关键词: 北半球环状模      周期突变      外源强迫      凝聚谱分析     
Research on the northern annular mode cycle variation and mutation
YUAN Jun-Peng, CAO Jie     
Department of Atmospheric Science, Yunnan University, Kunming 650091, China
Abstract: Using the NOAA monthly reanalysis sea level pressure, surface temperature, snow cover and sea ice data from 1871 to 2008, and the Pacific decadal oscillation (PDO) index from 1900 to 2008, the northern annular mode (NAM) index cycle variation and mutation were studied with wavelet analysis method, band pass filter method and coherence wavelet analysis method. The results indicated that the decadal cycle of the northern annular mode index has mutated at 1960s. NAM presents significant quasi-periodic oscillation of 35-years in 1895-1955, and 15-years in 1971-2008. The decadal cycle mutation of NAM was owing to the oscillation cycle variation of the external forcing, and the external forcing factors before and after the mutation of NAM periodic oscillations were not exactly the same. Before the 1960s, the external forcing, such as PDO, ATM, North America snow cover and the Antarctic sea-ice oscillation(ASIO) contributed greatly to the NAM quasi-35-years-periodic oscillation. However, the main factors for NAM quasi-15-years-periodic oscillation after 1960s were ATM, the European snow cover, and ASIO..
Key words: The northern annular mode      Decadal cycle mutation      External forcing      Wavelet coherence spectrum     
1 引言

北半球环状模(the Northern Annular Mode, NAM)/北极涛动(the Arctic Oscillation, AO)被认为是北半球环流低频变率的支配性模态, 存在于自对流层到平流层中所有的层面中[1-2].李建平等[3-5]发现中高纬大气活动具有纬向带状分布的特点, 由此提出大气环状活动带的概念, 而中纬度和高纬度大气环状活动带存在显著的负相关现象, 这实际就是NAM/AO现象. NAM对北半球气候的变化具有重要而广泛的影响[6-8].近年来NAM/AO成为科学界关注的热点问题, 李晓峰等[9]的研究表明NAM的月内活动的主要时间尺度以准1周和准2周为主.范丽军等[10]考察了北极涛动的年变化特征, 发现AO在北半球冬季较强.此外, NAM/AO还具有显著的年代际变化特征[3, 11].胡跃文和杨小怡[12]分析了1950-2000年北极涛动的低频变化特征, 指出AO在1975年之后有准8年和准16年周期振荡.

针对北半球大气环流低频变化的影响机制, Bjerkness[13]早在1966年就指出, 准定常热源是激发产生对流层大气环流遥相关型的主要原因之一. Kellogg [14]认为, 大气响应太快且不可能靠其自身变化产生10年以上尺度的振荡, 因此其年代际变化的反馈机制应当包含在海洋、海冰等外强迫中.高登义等[15-16]的研究表明大气年代际周期性变化的振荡源分布与某一海洋区域有关, 大气年代际变化是对海洋、海冰变化的响应.北极涛动虽然是大气的内部变率, 但外强迫如海温异常和温室气体增加等可以影响NAM/AO不同位相的持续性[17].肖栋和李建平[18]的研究指出, PDO是全球海表温度场年代际突变的重要成员之一.张天宇等[19]的研究表明欧亚雪盖可能是导致北半球大气环流变化的一个主要强迫因子.积雪的异常可以引起下垫面能量和水分的异常, 改变地表和大气之间的热量、水汽交换.雪盖异常的局地效应通过大气对它的响应以及大气环流的调整, 还可以引起大气异常的遥响应对更大范围乃至全球气候产生影响[20-23].此外, 火山活动、太阳活动和温室气体都是气候变化中重要的外强迫因子[24].

年代际是具有重要承上启下作用的时间尺度, 一方面它作为年际尺度的背景, 可能对年际尺度的气候变率有重要的影响, 另一方面, 对于世纪尺度的气候变化, 它又是极为重要的扰动[25-26].但是以往研究往往局限于较短的时段, 对于"近百年来北半球环状模低频周期变化及其主要因子是什么? "等问题尚有待研究.本文拟使用较长时间的资料考察北半球环状模周期变化和突变特征, 并从海温、海冰、雪盖等外源强迫角度研究影响NAM周期变化的因子.

2 资料和方法

本文采用由美国NOAA/OAR/ESRL PSD提供的1871-2008年第二版20世纪全球月平均再分析资料, 要素场包括:海平面气压场, 地表气温资料(包含陆地和海洋), 水平分辨率为2°×2°; 雪盖资料和海冰资料, 均为高斯格点资料; NASA/GISS提供的海陆表面温度资料, 水平分辨率为2°×2°; 1900-2008年太平洋年代际振荡(PDO)指数[25-26](http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest).

在本文中采用了Li和Wang [3]对北半球环状模(NAM; AO)指数的定义:

(1)

其中分别为35°N和65°N纬向平均海平面气压的月平均标准化序列.并使用Butterworth带通滤波, Morlet小波分析、凝聚小波分析[27-28]等方法研究了NAMI周期变化特征及其影响因子.

3 结果分析 3.1 北半球环状模年代际周期突变

应用公式(1)计算出NAMI, 对其做小波分析(图 1), 可以发现, Morlet小波分析结果实部的振幅在1895-1955年和准35年的周期频段上为一显著的大值区, 振幅大致在±3之间, 且通过了98%的显著性检验.这表明在1895-1955年期间北半球环状模存在显著的准35年振荡周期; 而在1971-2008年Morlet小波分析结果显示实部的大振幅区则主要出现在准15年的周期频段上, 振幅大致在±2之间, 也通过了98%的显著性检验.表明在1971-2008年期间北半球环状模有显著的准15年振荡周期.

图 1 北半球环状模指数(NAMI)小波分析图中细实线和粗实线分别表示0. 95、0. 98信度检验临界值, 虚线为小波变换的边界效应区域, 色标表示小波变化振幅. Fig. 1 NAMI wavelet analysis, the thick (thin) solid lines indicate the 0. 05 (0.02) significance level and the cone of influence (COI) where edge effects might distort the picture is shown as dotted curve. The color bar shows the wave amplitude

对NAMI标准化时间序列进行滤波分析, 图 2中红色线段是经过带通滤波后保留31~41年的波动, 可以发现NAMI准35年振荡在1895-1955年间振幅最大, 计算1895-1955年与1960-2008年NAMI准35年波动振幅的方差之比为4. 86, 通过了99%信度的F显著性检验.表明NAMI准35年振荡在1960年前后发生了突变, 1960年之前有显著的准35年强振荡, 而1960年之后NAMI准35年振荡变弱; 图 2中蓝色线段是经过带通滤波后保留11~21年的准15年周期波动, 可以看出NAMI准15年周期振荡在1971-2008年的振幅较大, 其在1971-2008年与1871-1960年的振幅方差之比为2. 42, 也通过了99%的显著性检验.表明在准15年周期上, NAMI波动由1960年之前弱振荡突变为1960年之后强振荡.

图 2 NAMI标准化时间序列(浅色柱状标示)红、蓝线分别为经过带通滤波后的准35、15年周期振荡. Fig. 2 The standard time series of NAMI (light color columnar), red (blue) line indicates the NAMI qusi-35-years (qusi-15-years) oscillation after Butterworth band-pass filter

可见, 北半球环状模在20世纪60年代发生了显著的周期突变, 振荡周期从1895-1955年期间的准35年突变到1971-2008年期间的准15年.

3.2 北半球环状模周期突变影响因子分析

由于大气响应过程很快且不可能靠其自身变化产生10年以上尺度的振荡, 其年代际变化的反馈机制应当包含在海洋、海冰等外强迫中[14].因此, 这里着重考察海温、海冰以及雪盖等外源强迫对北半球环状模周期突变的贡献.

图 3中给出了用1871-2008年NAM指数回归得到的全球地、海表温度场, 海洋部分在太平洋上表现为显著的PDO模态, 在北大西洋上则表现为显著的三极型异常海温模态(the triple mode of North Atlantic sea surface temperature anomaly, ATM), 而陆地部分则主要表现为与亚欧大陆和北美地表温度显著的正相关.因此, 有必要进一步考察PDO、ATM指数与NAMI的关系. ATM指数参考Wu等[29]对北大西洋三极型海温模态的定义, 选取图 3中NAMI与北大西洋海温显著相关的三个区域A1 (30°W-45°W, 50°N-60°N), A2(60°W-70°W, 30°N-40°N), A3(25°W-50°W, 10°N-20°N)得到ATM指数, 如公式(2)中所示:

(2)

图 3 NAMI回归得到的全球地、海表温度场(1871-2008年)红(蓝)填色部分分别表示通过正(负)0. 95信度检验. Fig. 3 Global surface temperature regressed by NAMI (1871-2008), red (blue) shaded part indicate through the positive (negative) 0. 05 significant test

图 4a中所示为PDO指数的标准化时间序列, 经过带通滤波后可以发现其准35年振荡在1955年以前振幅较大, 其波动振幅在1895-1955年与1960-2008年的方差之比为1. 4, 通过了95%信度的F显著性检验, 表明PDO准35年振荡在1960年前后发生了显著突变; 而其准15年振荡在1920到1950年间振幅最大, 在1975-1990年间次大. 图 4b所示为PDO与NAMI的凝聚小波分析, 可以看出在10年以上尺度PDO与NAM指数均为反位相变化关系.在1950年代以前的准35年周期上PDO与NAMI凝聚位相角为-8°±0. 35°, 表明1950年代以前在准35年尺度上PDO指数有超前于NAM指数约0. 7年的变化.其中±0. 35°为位相角计算中产生的卷积误差, 由于所产生的卷积误差未能改变两者凝聚位相的符号, 因此, PDO超前于NAMI约0. 7年变化的位相关系是稳定的.而在1950年代以后, PDO在准15年尺度周期上的变化则滞后于NAMI变化约为0. 56年.分别对图 2中NAM指数准35年、准15年周期振荡振幅较大的ID1(1885-1955年)、ID2(1971-2008年)时期使用NAMI准35年、准15年振荡回归得到地表温度场(图 6), 可以看出在准35年变化尺度上, ID1时期与NAMI显著相关的海温在太平洋上表现为显著的PDO负位相模态; 而在准15年变化尺度上, ID2时期与NAMI显著相关的海温在太平洋上表现的PDO模态并不十分清晰.这些结果说明, 1960年以前在准35年周期上PDO有超前于NAMI约0. 7年的变化, 且PDO与NAMI呈现反位相关系. PDO可能是1960年以前NAM准35年周期振荡的原因之一, 但PDO可能不是导致NAM在1960年以后振荡周期改变为准15年的原因.

图 4 PDO标准化时间序列(a)和PDO与NAMI的凝聚小波分析(b)浅色柱状标示PDO标准化时间序列, 红、蓝线分别为经过带通滤波后准35、15年周期振荡; 粗实线表示通过95%显著性检验的临界值, 细虚线表示连续小波变换的数据边缘效应影响较大的区域, 色标表示凝聚小波变化能量; 箭头由左指向右表示两个变量呈同位相变化, 箭头竖直指向下表示前一个变量的变化超前于后一个变量90°. Fig. 4 The standard time series of PDO index (a), red (blue) line indicates the PDO qusi-35-years (qusi-15-years) oscillation after Butterworth band-pass filter. The coherence wavelet analysis between PDO mdex and NAMI (b), the thick solid lines indicate the 0. 05 significance level and the cone of influence (COI) where edge effects might distort the picture is shown as dotted curve. The relative phase relationship is shown as arrows with in -phase pointing right and anti -phase pointing lett. The phase arrow pointing down means the first variable leads the second one by 90°
图 6 带通滤波后的NAMI回归得到的地、海表温度场(图中填色部分通过0. 95的信度检验) (a)准35年, 1895-1955年; (b)准15年, 1971-2008年. Fig. 6 The surface temperature regressed by NAMI after Butterworth band-pass filter for (a) qusi-35-year oscillation, 1895-1955; (b) quti-15-year oscillation, 1971-2008. The shaded part indicate through 0. 05 significant test

北大西洋ATM准35年振荡在1915-1965年振幅均较大, 而其准15年周期振荡振幅的极大值则位于1965-1995年(图 5a).经计算ATM指数准35年(准15年)周期振荡在ID1(ID2)时期与1960-2008年(1871-1960年)的振幅方差之比为2. 3 (3. 42), 均通过了95%信度F显著性检验.说明ATM在1965年前后也发生了周期突变, 在年代际尺度上ATM由1965年之前显著的准35年振荡突变为1965年之后的准15年振荡. ATM指数和NAMI凝聚小波分析结果显示(图 5b), 在10年以上周期变化尺度上, ATM与NAMI主要呈反位相变化关系. 1960年代以后, ATM变化与NAMI在准15年尺度上有显著的反位相变化关系, 且ATM超前于NAMI的变化, 两者凝聚位相为-40. 6°±7. 6°, 表示在准15年尺度上ATM指数超前于NAM指数变化约1. 4~2年.由于所产生的卷积误差未能改变两者凝聚位相的符号, 因此, 在准15年周期上, ATM超前于NAMI变化的位相关系是稳定的.在1960年代以前, ATM变化与NAMI在准35年尺度上也有显著的反位相变化关系, 且ATM超前于NAM变化约为3年.此外, 图 6中分别使用准35年、准15年的NAMI变化回归得到的地表温度场在ID1、ID2两个时期北大西洋上也均表现为显著的ATM负位相模态.由此可见, 北半球环状模在1960年前后发生年代际周期突变可能与北大西洋ATM振荡周期变化有密切关系.

图 5 北大西洋ATM指数标准化时间序列(a)和ATM指数与NAMI的凝聚小波分析(b)(图例说明与图 4一致) Fig. 5 Same as Fig. 4, but for ATM index (a), the coherence wavelet analysis between ATM index and NAMI(b)

图 7为使用1871-2008年的NAM指数进行回归分析得到的全球雪盖场, 结果表明, NAM指数与欧洲和北美地区的雪盖有显著的负相关关系.因此, 选取欧洲区域(0-30°E, 45-65°N)和北美区域(100-75°W, 35-45°N)为关键区, 定义两个区域的月平均雪盖指数分别为ESI(Europe Snow cover Index)和NASI(North American Snow cover Index), 进一步考察ESI和NASI与NAM指数年代际周期变化的关系, 结果如图 8图 9所示.

图 7 NAMI回归得到的全球雪盖场(1871-2008年)(红、蓝填色部分分别表示通过正、负95%显著性检验) Fig. 7 Same as Fig. 3, but for global snow cover
图 8 欧洲雪盖ESI标准化时间序列(a)和ESI与NAMI的凝聚小波分析(b)(图例说明与图 4一致) Fig. 8 Same as Fig. 4, but for ESI (a), the coherence wavelet ana lysis between ESI and NAMI(b)
图 9 北美雪盖NASI标准化时间序列(a)和NASI与NAMI的凝聚小波分析(b)(图例说明与图 4一致) Fig. 9 Same as Fig. 4, but for NASI(a), the coherence wavelet analysis between NASI and NAMI(b)

欧洲雪盖指数准35年和准15年周期振荡较强的时期均在1950年以后, ESI与NAMI的凝聚小波分析结果(图 8b)显示两者在1960年以后有准15年的反位相共变周期, 且ESI变化超前于NAMI变化, 两者凝聚位相为-25. 2°±21. 7°, 表示在准15年的尺度上ESI超前于NAM指数变化0. 12~1. 96年.由于所产生的卷积误差未能改变两者凝聚位相的符号, 因此, 在准15年周期上, ESI超前于NAM指数0. 12~1. 96年变化的位相关系是稳定的. 图 9结果显示, 北美雪盖(NASI)与NAMI变化主要表现为在1970年代之前的准35年的同位相共振周期, 两者凝聚位相为-33. 8°±26. 1°, 表示在准35年周期上NASI超前于NAMI变化约0. 7~5年.由于所产生的卷积误差未能改变两者凝聚位相的符号, 因此, 在准35年周期上, NASI超前于NAMI变化的位相关系也是稳定的.

此外, 对ID1(1895-1955年)时期使用NAMI准35年振荡回归得到的北半球雪盖场(图 10a), 也主要表现为在准35年变化尺度上, NAMI与北美区域雪盖显著正相关; 而对ID2(1971-2008年)时期使用NAM准15年振荡回归得到的北半球雪盖场(图 10b), 则主要表现为在准15年变化尺度上NAMI与欧洲地区雪盖有显著的负相关. 图 10的结果进一步印证了北美雪盖和欧洲雪盖分别与NAM在1960年之前准35年和1960年之后准15年周期振荡有密切关系.可见, 北半球环状模周期年代际突变与北半球雪盖变化有关, 且不同区域雪盖变化与大气环流周期变化的关系不尽相同.

图 10 滤波后的NAMI回归得到的北半球雪盖场(图中填色部分通过0. 95的信度检验)(a)准35年, 1895-1955年; (b)准15年, 1971-2008年. Fig. 10 Same as Fig. 6, but for the north hemisphere snow cover

图 11为1871-2008年NAMI回归得到的全球海冰场, 可以看出NAMI与北半球海冰密集度(theNorthHemisphereSea-iceConcentration, NSIC)主要表现为负相关; 与南半球海冰在别林晋斯海表现为正相关, 在威德尔海表现为显著负相关, 这样的形式与南极海冰涛动形态类似, 因此分别选取别林晋斯海(B1: 66°S-72°S, 120°W-90°W)和威德尔海(B2: 60°S-63°S, 20°W-40°E)的海冰得到南极海冰涛动指数(the Antarctic sea-ice oscillation, ASIO)如公式(3)所示:

(3)

图 11 NAMI回归得到的全球海冰场(1871-2008年)(红、蓝填色部分分别表示通过正、负0. 95信度检验) Fig. 11 Same as Fig. 3, but for global sea ice

进一步研究北半球海冰密集度、南半球海冰涛动指数准35年和准15年周期振荡、以及其与NAMI凝聚谱的分析结果见图 12图 13.由图 12可见, 北半球海冰与NAM指数变化在准35年尺度上存在同位相变化关系, 但未通过Metclro95%显著性检验.两者凝聚位相为29. 23°±62. 8°, 表示在准35年周期上北半球海冰变化超前于NAMI指数变化, 但是由于所产生的卷积误差可能会改变两者凝聚位相的符号, 因此, 在准35年周期上, 北半球海冰变化超前于NAMI变化的位相关系是不稳定的.

图 12 北半球海冰密集度(NSIC)标准化时间序列(a)北半球海冰密集度与NAMI的凝聚小波分析(b)(图例说明与图 4一致) Fig. 12 Same as Fig. 4, but for NSIC (a), the coherence wavelet analysis between NSIC and NAMI(b)

图 13a则显示南极海冰涛动指数(ASIO)准35年振荡振幅极大值位于1920-1970年, ASIO与NAMI的凝聚小波分析结果显示, 在准35年尺度上两者有显著的同位相变化关系, 两者凝聚位相为23. 8°±18. 4°, 表示在准35年周期上ASIO指数超前于NAM指数变化约0. 45~3. 5年.由于所产生的卷积误差未能改变两者凝聚位相的符号, 因此, 在准35年周期上, ASIO超前于NAMI约0. 45~3. 5年变化的位相关系是稳定的; 在准15年变化尺度上, ASIO的强振荡时期分别为1930-1950年和1970-2008年间. 图 13b凝聚小波结果表明, 在1970-2008年间ASIO与NAMI有显著的同位相变化关系, 且南极海冰涛动超前于NAMI变化约为2. 6年, 两者凝聚位相为61. 7°±24. 6°, 卷积误差未能改变两者凝聚位相的符号说明在准15年变化尺度上所得到的两者关系是稳定的.因此, 南极海冰涛动与北半球环状模在1960年前后发生年代际周期突变也有一定的联系.

图 13 南极海冰涛动ASIO 时间序列(a)和ASIO、NAMI的凝聚小波分析(b)(图例说明与图 4一致) Fig. 13 Same as Fig. 4, but for ASIO (a), the coherence wavelet analysis between ASIO and NAMI(b)
4 结论

北半球环状模在20世纪60年代前后发生了显著的年代际尺度周期突变. NAMI在1895-1955年存在显著的准35年周期振荡, 而在1971-2008年则存在显著的准15年周期振荡.本文还考察了海温、海冰以及雪盖等外源强迫与北半球环状模年代际周期突变之间的关系, 外源强迫因子与NAM变化的凝聚谱分析结果总结如表 1所示, 得到的主要结论如下:

表 1 外源强迫与NAMI凝聚小波分析结果 Table 1 Results of the wavelet coherence analysis of external forcing and NAMI

(1) PDO可能是1960年以前NAM准35年振荡的原因之一, PDO超前NAMI约0. 7年的变化, 且PDO与NAMI呈现反位相关系; 但PDO并非NAM在1960年以后准15年周期的变化原因.

(2) 北大西洋ATM作为外源强迫, 其振荡周期的变化可能是引起北半球环状模在1960年前后发生年代际周期突变的原因之一.在1960年之前(后)的准35(15)年尺度上, ATM有显著超前于NAM约3年(1. 7年)的反位相变化关系.

(3) 北半球环状模周期年代际振荡与北半球雪盖变化有关, 且不同区域雪盖变化与大气环流周期变化的关系不尽相同.在1960年之前(后), NAM周期振荡分别与北美(欧洲)区域雪盖在准35(15)年尺度上有密切关系.

(4) 南极海冰涛动与北半球环状模年代际周期突变也有一定联系.在10年以上变化尺度上, 南极海冰涛动有显著超前于NAM的同位相变化关系.

综上所述, 北半球环状模在1960年前后发生年代际周期突变与外强迫源振荡周期变化有关, 突变前后与NAM周期振荡密切相关的外强迫因子并不尽相同.在1960年代之前, PDO、ATM、北美雪盖以及南极海冰涛动等外源强迫因子与NAM在准35年尺度上有密切关系; 而在1960年之后, NAM准15年振荡则与ATM、欧洲雪盖和南极海冰涛动等因素有关.

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