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
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.
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.
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 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.
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 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和图 9所示.
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 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) |
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和图 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 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.
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:
(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.
[1] | Thompson D W J, Wallace J M. The Arctic Oscillation Signature in the wintertime geopotential height and temperature fields. Geophys. Res. Lett. , 1998, 25(3): 1297-1300. |
[2] | Baldwin M P, Dunkerton T J. Propagation of the Arctic Oscillation from the stratosphere to the troposphere. J. Geophys. Res. , 1999, 104(D24): 30937-30946. DOI:10.1029/1999JD900445 |
[3] | Li J P, Wang J X L. A modified zonal index and its physical sense. Geophys. Res. Lett. , 2003, 30(12): 16-32. |
[4] | 李建平.北极涛动的物理意义及其与东亚大气环流的关系.//俞永强, 陈文.海-气相互作用对我国气候变化的影响.北京:气象出版社, 2005:169-176. Li J P. Physical nature of t he Arctic Oscillation and it s relationship with East Asian atmospheric circulation.//Yu Y Q, Chen W eds. Air-Sea-Land Interactions in Asia Monsoon Region and Their Impact s on the Climate Variation in China (in Chinese). Beijing:China Meteorological Press, 2005:169-176. http://www.oalib.com/references/15764791 |
[5] | 李建平.海气耦合涛动与中国气候变化.//秦大河, 陈宜瑜.中国气候与环境演变(上卷).北京:气象出版社, 2005:324-333. Li J P. Coupled air-sea oscillations and climate variations in China.//Qin D H, Chen Y Y eds. Climate and Environmental Evolution in China (First Volume) (in Chinese). Beijing:China Meteorological Press, 2005:324-333. |
[6] | Thompson D W J, Wallace J M. Annular modes in the extratropical circulation. Part I:Month-to-month variability.J. Climate , 2000, 13(5): 1000-1016. |
[7] | Thompson D W J, Wallace J M. Regional climate impacts ofthe northern hemisphere annular mode. Science , 2001, 293(5527): 85-89. DOI:10.1126/science.1058958 |
[8] | 龚道溢, 王绍武. 近百年北极涛动对中国冬季气候的影响. 地理学报 , 2003, 58(4): 559–568. Gong D Y, Wang S W. Influence of Arctic Oscillation on winter climate over China. Acta Geographica Sinica (in Chinese) , 2003, 58(4): 559-568. |
[9] | 李晓峰, 李建平. 南、北半球环状模月内活动的主要时间尺度. 大气科学 , 2009, 33(2): 215–231. Li X F, Li J P. Main submonthly timescals of Northern and Southern hemispheres annual modes. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese) , 2009, 33(2): 215-231. |
[10] | 范丽军, 李建平, 韦志刚, 等. 北极涛动和南极涛动的年变化特征. 大气科学 , 2003, 27(3): 419–424. Fan L J, Li J P, Wei Z G, et al. Annual variations of the Arctic Oscillation and the Antarctic Oscillation. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese) , 2003, 27(3): 419-424. |
[11] | Deser C. On the teleconnectivity of the "Arctic Oscillation". Geophys. Res. Lett. , 2000, 27(6): 779-782. DOI:10.1029/1999GL010945 |
[12] | 胡跃文, 杨小怡. 北极涛动与北大西洋涛动的低频变化特征. 气象科学 , 2007, 27(3): 316–322. Hu Y W, Yang X Y. Low-frequency variability of AO and NAO. Scientia Meteorologica Sinica (in Chinese) , 2007, 27(3): 316-322. |
[13] | Bjerkness J. A possible response of the atmospheric Hadley circulation to equatorial anomalies of ocean temperature. Tellus , 1966, 18(4): 820-829. DOI:10.1111/tus.1966.18.issue-4 |
[14] | Kellogg W W. Climatic feedback mechanisms involving the polar regions.//Climate of the Arctic, Weller G, Bowling S A Eds. Geophysical Institute. Fairbanks:University of Alaska, 1975:111-116. |
[15] | 高登义, 郜永祺. 极地海-冰-气相互作用的观测和模拟研究进展. 北京: 科学出版社, 1995 : 157 -166. Gao D Y, Hao Y Q. Advances in the Observation and Simulation Research of Arctic Sea-Ice-Atmosphere Interaction (in Chinese). Beijing: Science Press, 1995 : 157 -166. |
[16] | 高登义, 武炳义. 北半球海-冰-气系统的10年振荡及其振源初探. 大气科学 , 1998, 22(2): 137–144. Gao D Y, Wu B Y. Preliminary study on decadal oscillation and its oscillation source of the sea-ice-air system in the Northern Hemisphere. Scientia Atmospherica Sinica (in Chinese) , 1998, 22(2): 137-144. |
[17] | 覃军. 北极涛动年际、年代际变化特征的诊断研究. 南京: 南京信息工程大学, 2005 . Qin J. Diagnostic studies on the inter-annual and inter-decadal variability characteristics of the Arctic Oscillation (in Chinese). Nanjing: Nanjing University of Information Science & Technology, 2005 . |
[18] | 肖栋, 李建平. 全球海表温度场中主要的年代际突变及其模态. 大气科学 , 2007, 31(5): 839–854. Xiao D, Li J P. Main decadal abrupt changes and decadal modes in global sea surface temperature field. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese) , 2007, 31(5): 839-854. |
[19] | 张天宇, 陈海山, 孙照渤. 欧亚秋季雪盖与北半球冬季大气环流的联系. 地理学报 , 2007, 62(7): 728–741. Zhang T Y, Chen H S, Sun Z B. The relationship between autumn-time Eurasian snow cover and winter-time NH circulation. Acta Geographica Sinica (in Chinese) , 2007, 62(7): 728-741. |
[20] | Yasunari T, Kitoh A, Tokioka T. Local and remote responses to excessive snow cover mass over Eurasia appearing in the northern spring and summer climate:A study with the MRI. GCM. J. Meteor. Soc. Japan , 1991, 69: 473-487. |
[21] | Foster J, Owe M, Rango A. Snow cover and temperature relationships in North America and Eurasia. J. Climate Appl. Meteor. , 1983, 22(3): 460-469. DOI:10.1175/1520-0450(1983)022<0460:SCATRI>2.0.CO;2 |
[22] | Barnett T P, Dümnil L, Schlese U, et al. The effect of Eurasian snow cover on global climate. Science , 1988, 239(4839): 504-507. DOI:10.1126/science.239.4839.504 |
[23] | Barnett T P, Dümnil L, Schlese U, et al. The effect of Eurasian snow cover on regional and global climate variation. J. Atmos. Sci. , 1989, 46(5): 661-685. DOI:10.1175/1520-0469(1989)046<0661:TEOESC>2.0.CO;2 |
[24] | 肖栋, 李建平. 皮纳图博火山爆发对20世纪90年代初平流层年代际变冷突变的影响机理. 科学通报 , 2011, 56(8): 772–780. Xiao D, Li J P. Mechanism of stratospheric decadal abrupt cooling in the early 1990s as influenced by the Pinatubo eruption. Chinese Sci. Bull. (in Chinese) , 2011, 56(8): 772-780. DOI:10.1007/s11434-010-4287-9 |
[25] | Mantua N J, Hare S R, Zhang Y, et al. A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production. Bull. Amer. Meteor. Soc. , 1997, 78(6): 1069-1079. DOI:10.1175/1520-0477(1997)078<1069:APICOW>2.0.CO;2 |
[26] | Zhang Y, Wallace J M, Battisti D S. ENSO-like interdecadal variability:1900293. J. Climate , 1997, 10(5): 1004-1020. DOI:10.1175/1520-0442(1997)010<1004:ELIV>2.0.CO;2 |
[27] | Torrence C, Compo G P. A practical guide to wavelet analysis. Bull. Amer. Met. Soc. , 1998, 79(1): 61-78. DOI:10.1175/1520-0477(1998)079<0061:APGTWA>2.0.CO;2 |
[28] | Grinsted A, Moore J C, Jevrejeva S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlin. Proc. Geophys. , 2004, 11(5-6): 561-566. |
[29] | Wu Z, Wang B, Li J, et al. An empirical seasonal prediction model of the East Asian summer monsoon using ENSO and NAO. J. Geophys. Res. , 2009, 114: D18120. DOI:10.1029/2009JD011733 |