全球大氣濤動與氣候變化

1、龔道溢，王紹武.大氣環(huán)流因子對北半球氣溫變化影響的研究.地理研究，1999, 18(1):31-38大氣環(huán)流因子對北半球氣溫變化影響的研究國家自然科學(xué)基金資助重點項目二十世紀中國與全球氣候變率研究(49635190)成果龔道溢王紹武(北京大學(xué)地球物理系100871 )摘要大氣濤動很好地表現(xiàn)了近地面大尺度大氣環(huán)流的基本特征，對廣大區(qū)域氣候要素 有重要影響。首先分析了北大西洋濤動(NAO)、北太平洋濤動(NPO)和南方濤動(SO)對 北半球氣溫影響的空間分布特征。冬季大氣濤動對溫度方差貢獻主要是在低緯和中高緯 大陸地區(qū)及北太平洋部分區(qū)域，40 N以北大部分陸地總的貢獻率達30%以上，熱帶3/4 地

2、區(qū)也在30%以上。近百年氣溫和大氣濤動關(guān)系表明，三個濤動對北半球冬季、夏季 和年平均氣溫的變化貢獻分別達31.8%、2.6%和12.8%，也是以冬季影響最大。用大氣 濤動可以解釋近20多年來氣溫上升的很大一部分方差，這說明可能在原有氣溫上升的 趨勢上，由于疊加了近期大氣濤動引起的氣溫變化，所以才形成了 70年代末以來的加 速變暖現(xiàn)象。關(guān)鍵詞大氣環(huán)流氣溫北半球1前言最近一個世紀以來，全球氣候有增暖的趨勢，尤其是70年代末期到現(xiàn)在，全球變 暖有加速增強的跡象1。全球變暖一個很顯著的特點是區(qū)域的不一致性，有些地方溫度 上升，而有些地方則下降。這種變化表現(xiàn)出一定的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)與大氣環(huán)流的 變化

3、是密切相關(guān)的，因此要更好地理解全球變暖現(xiàn)象，必須要了解大氣環(huán)流與氣候變化 的關(guān)系，尤其是近地面大氣環(huán)流因為對區(qū)域氣候要素的變化有直接和重要的影響，所以 更受重視?；诤Ｆ矫鏆鈮悍治龆x的大氣濤動，可以很好地反映近地面大尺度大氣 環(huán)流的本質(zhì)特征，是表征對流層下部大氣環(huán)流的基本指標之一。許多研究指出大氣濤動 對全球氣候變化有著重要作用：Hurrell和van Loon，Hurrel3等指出最近北大西洋海 表溫度(SST)的變冷及歐亞大陸的變暖，幾乎全可由北大西洋濤動的變化解釋，而北半 球中高緯地區(qū)年平均氣溫的年際變率的近三分之一也可由北大西洋濤動的變化得到解 釋;Yulaeva和Wallace4

4、發(fā)現(xiàn)全球低緯和中高緯對流層溫度都與ENSO(El Nino/Southern Oscillation)有很好的對應(yīng)關(guān)系，只是氣溫響應(yīng)時間比ENSO約落后3個月，而且低緯響 應(yīng)幅度大，中高緯響應(yīng)幅度小。Wallace等5問認為IPCC所評估的最近的加速增暖部分 幾乎全都是由ENSO和北大西洋濤動的年代際變化分量所造成的，因此加速增暖必然 不能持久。如果ENSO和北大西洋濤動的位相在下一個年代反過來，即使是目前中等 強度的全球增暖趨勢都將被抵消，高緯大陸冬季氣溫將下降。不僅是北半球，最近的工 作也表明南半球中高緯地區(qū)的氣溫變化與南極濤動有密切的關(guān)系刀。本文將對影響北半球的三個大氣濤動(即北大西洋濤

5、動(NAO)、北太平洋濤動 (NPO)和南方濤動(SO)對北半球氣溫變化影響的區(qū)域差異，以及在近百年氣溫 變化中大氣濤動的作用進行分析。2方法一個特定地區(qū)氣溫的變化可能同時與多個大氣濤動有關(guān)，而各個不同的濤動影響區(qū) 域氣溫的方式和途徑又不相同。因此，既要研究各個大氣濤動總的影響效果，又有必要 研究各個大氣濤動的獨立貢獻。以往的研究，多是利用合成圖方法來同時討論多個濤動 的可能影響，即通過對比不同濤動在極端情況下氣溫變化異常區(qū)的范圍和強度，以此來 發(fā)現(xiàn)受不同濤動影響的共同響應(yīng)和不同響應(yīng)區(qū)域。如果同時考慮多個大氣濤動，用合成 圖方法將是一件十分煩瑣的事情，而且，也并不能保證將各個濤動的影響相互區(qū)分

6、開。 這里我們用多元線性回歸分析方法同時考慮三個大氣濤動對北半球平均氣溫的影響。對于某一格點，有標準化序列Y.（代表氣溫），Xj（NAOI），X2.（NPOI），X3.（SO I），根據(jù)多元回歸理論建立多元線性回歸方程：1110 i 1心汕為式中i=1,n,為時間長度，b、b2和b3為回歸系數(shù)。可以證明：c2=br+br+br1 12 23 3rrr2和r3分別為氣溫與NAOI、NPOI和SOI的相關(guān)系數(shù)，c為復(fù)相關(guān)系數(shù)。此式左 端代表三個大氣濤動對此格點氣溫方差的總貢獻，右端第一到第三項分別為NAO、NPO 和SO對此格點氣溫方差的解釋率，此法消除了它們之間對氣溫可能存在的共同影響， 是各個

7、濤動對氣溫方差的獨立貢獻。3大氣環(huán)流對對流層下部氣溫的影響本節(jié)分析所用資料都使用再分析資料（NCEP NCAR CDAS-1 ），包括月平均海平 面氣壓（MSLP），1000hPa高度和500hPa高度，都取10。經(jīng)度X5。緯度格式。時間從 1974年1月到1996年12月。再分析資料為全球氣候變化的研究提供一套較為可靠、 系統(tǒng)和完整的資料，目前“再分析”資料已經(jīng)得到普遍的認可和廣泛的應(yīng)用兇。北大西洋濤動指數(shù)（NAOI）和北太平洋濤動指數(shù)（NPOI）都按季節(jié)不同，根據(jù)再 分析的MSLP，選擇氣壓變化方差最大的中心，使用相應(yīng)兩個中心附近多個格點平均 海平面氣壓的差來定義1）。南方濤動指數(shù)（SOI

8、）為美國氣候預(yù)測中心（Climate Prediction Center，縮寫CPC）每 月在“氣候預(yù)測公報”上公布的數(shù)據(jù)。Fig.1 Atmospheric oscillation indices（a:SOI，b:NAOI, c:NPOI）由于氣壓場和高度場的空間連續(xù)性好，利用500 1000hPa的厚度來代表對流層下 部的平均氣溫，可以彌補地面站點氣溫受局地因素影響過大，以及海洋上資料不足等不 利因素，對較大尺度范圍和對流層下部整體的氣溫變化代表性更合理。所以，首先分別計算三個大氣濤動指數(shù)與各格點500 1000hPa厚度的相關(guān)，再利 用多元回歸方法計算各格點500 1000hPa厚度變化

9、方差中各個大氣濤動的獨立貢獻。 由于NAO和NPO的定義中使用的格點位置是隨大氣活動中心的變化在冬半年和夏半 年有差別，所以這里也分別對冬季和夏季進行分析。冬季，當NAO強時，加拿大東北 及格陵蘭地區(qū)氣溫將下降，而從美國中部向東到東歐及西伯利亞廣大地區(qū)氣溫都將上 升，而北非也將下降。這種相關(guān)分布型與NAO對溫度方差的獨立貢獻分布是一致的， 這說明這些地區(qū)溫度的上升或下降的環(huán)流因子中主要是受NAO的影響。圖2冬季北半球500-1000hPa厚度場與(a)NAOI，(c)NPOI和(e)SOI的相關(guān)系數(shù)，以及(b)NAOI，(d)NPOI和(f)SOI分別對厚度場方差的獨立貢獻百分率(a,c中大于

10、0.4, e中小于-0.4的區(qū)域陰影標識；負值用虛線表示)Fig.2 Correlation coefficients between winter 500-1000hPa heights and (a)NAOI， (c)NPOI and (e)SOI;variance explained by (b)NAOI, (d)NPOI and (f)SOI also contoured in percentage.冬季NPO和SOI同500 1000hPa厚度的相關(guān)分布特征很相似，太平洋一北美區(qū)主 要的相關(guān)高值中心位置比較一致，且都呈PNA型，而在熱帶印度洋及非洲也是相關(guān)高 值區(qū)；二者與溫度關(guān)系所不

11、同的是各自相關(guān)中心的符號相反。這說明NPO和SOI并不 是完全獨立的，二者之間存在一定的負相關(guān)。但是，從它們各自對溫度的獨立貢獻來看， 二者影響的區(qū)域相差很大。從圖2中可以很清楚看出，NPO主要的貢獻區(qū)在北美西部 及北太平洋；而SOI的貢獻則主要在20ON以南的低緯區(qū)，見圖2。圖3 NAOI、NPOI和SOI對500-1000hPa厚度場的總方差貢獻百分率(a:冬季,b:夏季)Fig.3 Total variance explained by all NAO, NPOI and SOI for northern hemispheric 500-1000hPaheights(a:winter,

12、b:summer).夏季情況則與冬季有很大不同。三個濤動對溫度的貢獻的區(qū)域性更加明顯，NAO 主要對北美和西歐、北非的個別地區(qū)；NPO主要對北太平洋和北美個別地區(qū)；SOI主 要對太平洋熱帶地區(qū)的溫度產(chǎn)生影響。從空間尺度看，NAO和NPO大大小于冬季。不 過SOI的貢獻分布型及范圍則大致與冬季相似。三個大氣濤動的總貢獻，冬季高值區(qū)主要集中在低緯地區(qū)、中高緯大陸及北太平洋 部分區(qū)域，40響以北大部分大陸地區(qū)總解釋率都在30%以上，20響以南近3/4地區(qū)解 釋率也都在30%以上。夏季除熱帶太平洋區(qū)域有較高解釋率外，大氣濤動對熱帶外地 區(qū)溫度方差的解釋率都很低，僅僅有分散的個別區(qū)域如北美東北等解釋率較

13、高，有30 %左右，見圖3。因此，從半球大尺度來看，大氣濤動對北半球?qū)α鲗酉聦託鉁氐挠绊?，主要在冬?低緯和中高緯的大陸。夏季僅僅是對熱帶太平洋地區(qū)有一定影響。4大氣環(huán)流對地面氣溫長期變化的影響上節(jié)分析表明大氣濤動對北半球氣溫的影響有明顯的地區(qū)差異，對近百年來北半球 平均氣溫的變化又有多大貢獻呢？研究這個問題首先需要長的氣溫和濤動指數(shù)序列。美國國家氣候數(shù)據(jù)中心全球氣候 實驗室與環(huán)境研究實驗室氣候分析中心，利用全球歷史氣候網(wǎng)(GHCN)站點資料9，聯(lián) 合整編了全球格點氣溫資料，格式為5。經(jīng)度X5。緯度，時間從1851年1月到1993年 12月10。因此，由這套資料計算得到近百年北半球及各緯圈平均

14、氣溫序列。濤動指數(shù) 包括1873年以來的NAOI和NPOID,及文獻11的SOI序列。對北半球平均氣溫及大氣濤動指數(shù)進行多元回歸分析，結(jié)果表明季節(jié)間也有很大不 同。對氣溫方差的貢獻主要是在冬季。三個大氣濤動可以解釋近百年來北半球冬季平均 氣溫變化方差的31.8%，其中NAOI和SOI貢獻最大，分別占16.1%和14.5%；而年平 均氣溫則只能解釋12.8%；夏季僅為2.6%，見表1。當然，如上節(jié)分析的結(jié)果一樣，SOI 對熱帶地區(qū)的突出貢獻在近百年的長序列中也表現(xiàn)得很清楚，SOI對0-20ON冬季、夏 季及年平均氣溫方差的貢獻率分別為25.2%、11.8%和28.4%，說明SOI對熱帶地區(qū)氣 溫

15、的影響在全年都是比較顯著和穩(wěn)定的。不僅如此，SOI對熱帶外區(qū)域氣溫的影響也是 不容忽視的，如冬季可解釋20ON-90ON平均氣溫方差的12.0%，占3個大氣濤動總解釋 率的39.6%。因為大氣濤動對冬季氣溫的貢獻最顯著，所以用三個大氣濤動對0-20ON、20ON-90ON及0-90響的平均氣溫進行擬合，見圖4,觀測氣溫近百年氣溫的上升趨勢明 顯，北半球平均上升率為0.40OC/100年，而擬合的氣溫上升趨勢僅僅為0.14OC/100年。 而且，觀測氣溫從19世紀末期到20世紀50年代及20世紀70年代以來都是持續(xù)的增 溫趨勢，1960年代略有下降，而擬合的氣溫，1920年代的升溫并不明顯，從2

16、0世紀初 到1960年代還有較弱的下降趨勢。這說明，近百年來氣溫的上升趨勢還受其它的一些 因素的影響。表1大氣濤動對北半球氣溫的貢獻(1873-1993年)Tab.1 Variance contribution of atmospheric oscillations to the northern hemispheric air temperature (1873-1993).區(qū)域季節(jié)對氣溫方差貢獻率（）NAOINPOISOI合計冬季0.33.225.228.70-20ON夏季1.70.111.813.6年1.20.228.429.8冬季17.01.312.030.320ON-90ON夏季2.

17、90.01.24.1年6.10.34.611.0冬季16.11.214.531.80-90ON夏季2.30.00.32.6年5.50.56.812.8其次，可以看出，大氣濤動擬合的氣溫雖然也存在年代際的變化，但與觀測值比較 有些時期解釋率還較低，說明大氣濤動的年代際變化對氣溫有一定的貢獻，但并不能對 氣溫的年代際變化有很高的貢獻率，而三個大氣濤動對北半球冬季平均氣溫變化的總貢 獻有31.8%，這主要是年際時間尺度上的貢獻。此外，從70年代后期以來，全球氣溫有加速變暖的趨勢，而用大氣濤動的確能解 釋很大一部分的氣溫上升，特別是在北半球，這在圖中很明顯，這可能說明全球氣溫在 原有的上升趨勢之上，疊

18、加了近期由于大氣濤動年代際變化造成的氣溫上升，所以才形 成自70年代以來有加速變暖的現(xiàn)象，因為，80年代SOI持續(xù)低值，必然伴隨低緯地區(qū) 氣溫的偏高，而80年代冬季NAOI和NPOI則持續(xù)偏高，由上節(jié)分析可知，這都會使 中高緯大陸大面積地區(qū)氣溫增加。不過，1995/1996年冬季NAOI和NPOI都由正位相 反轉(zhuǎn)到負的位相，有跡象顯示可能這兩個濤動的另一個年代際尺度的負位相時期即將開 始12，那么，果真如此的話，至少今后一段時期內(nèi)全球增暖的趨勢將會有所減緩。5討論本文初步分析了大氣濤動對氣溫變化的可能影響，不過大氣環(huán)流影響氣溫的方式可 能是多樣的，季節(jié)性的大氣活動中心如西伯利亞高壓、印度低壓等

19、對廣大區(qū)域的氣候有 重要的影響MI，如果除大氣濤動外還同時考慮到這些大氣活動中心的作用，那么對氣 溫變化的方差貢獻還可能進一步提高。當然，一方面中高緯地區(qū)大氣濤動的強弱對應(yīng)高低指數(shù)環(huán)流形式，即緯向性或經(jīng)向 性環(huán)流盛行，造成不同緯度間熱量的交換，還可以使熱量在海洋與大陸間重新分配，從 而對氣溫產(chǎn)生影響15。另一方面，大氣濤動與氣溫間可能存在更為復(fù)雜的非線性作用和 反饋過程，因為大氣濤動可以造成海陸間熱力梯度性質(zhì)發(fā)生變化，海陸間熱力對比的變 化必然會引起大氣活動中心強度和位置的改變16，從而又對大氣環(huán)流產(chǎn)生反饋。分析中 僅用線性多元回歸分析方法，用線性的統(tǒng)計方法無法全面反映這種非線性的動力過程，

20、所以，大氣濤動與氣溫變化的可能存在的動力聯(lián)系機制還需更深入的研究。1.00.0-1.01.00.0-1.00.50.0-0.51870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990圖4大氣濤動對0-90咽儉)、20-90oN(b)和0-20oN(c)冬季平均氣溫的擬合(虛線為觀測氣溫，實線為擬合值，光滑曲線為擬合氣溫的低通濾波值)Fig.4 Simulated winter temperature of (a)0-90N,(b)20-90N and (c)0-20N by atmospheric oscillations

21、 (The dashed lines are observations, the bold lines are simulations and smoothed using Gaussian filter)參考文獻IPCC : Climate Change 1995: the science of climate change. J. T. Houghton, F. GT. Meira Filho, B. A.Callander, K Maskell, Eds., Cambridge Univ. Press, Cambridge, U.K. 1996Hurrell, J.W., H. van

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24、cience, 1995, 270, 780-783Wallace J M, Y Zhang and L Bajuk Interpretation of interdecadal trends in Northern Hemisphere surfaceair temperature. J. Climate, 1996, 9, 249-2597龔道溢，王紹武.南極濤動.科學(xué)通報，1998,43(3):296-301Kalnay, E, M Kanamitsu, R Kistler et al The NCEP/NCAR 40-year Reanalysis Project. Bull. Am.

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29、i-permanent centers of action. J. Marine Res., 1939, 2,38-55Influence of Atmospheric Oscillations on Northern Hemispheric TemperatureGong Daoyi(Department of Geophysics, Beijing University, 100871)AbstractGlobal warming has become a major scientific and political issue during the past 2 decades. Evi

30、dences show that the change of surface temperature is not uniform. The temperature is increased dramatically over northern continents in middle and high latitudes, but dropped obviously in northern Atlantic and northern Pacific. So the variation of temperature demonstrate some inherent structure. At

31、mospheric circulation is the most dominant factor controlling the surface climate changes.And atmospheric oscillations play important role in the general atmospheric circulation, and affect regional or planetary scale climate change. Variance contribution of three atmospheric oscillations, say NAO(North Atlantic Oscillation), NPO(North Pacific Oscillation) and SO(Southern Oscillation), to north h