冬季北大西洋濤動指數(shù)異常與西伯利亞高壓關(guān)系研究

冬季北大西洋濤動指數(shù)異常與西伯利亞高壓關(guān)系研究

1遙相關(guān)型結(jié)構(gòu)的存1923年，嬰兒注意到冰島高壓和亞速爾高壓同時增加或減弱。他首先定義了這一現(xiàn)象，然后稱之為北冰洋（nao）。自此以后,人們開始探索與NAO有關(guān)的研究,尤其是近年來提出的CLIVAR研究計劃,把NAO作為一個重要的研究項目。該計劃明確指出,NAO是影響海洋變化的大氣因素。因此,有關(guān)NAO的研究再次受到人們的關(guān)注。實際上,NAO在海平面氣壓場上表現(xiàn)為遙相關(guān)型結(jié)構(gòu),為了描述該遙相關(guān)型的強(qiáng)弱變化,人們定義了NAO指數(shù):一般用標(biāo)準(zhǔn)化的海平面氣壓之差[亞速爾群島的蓬塔德爾加達(dá)(PontaDelgada)和冰島的阿克雷里(Akureyri)]來表示。該遙相關(guān)型終年存在,尤其以冬季更為顯著。研究表明,其變化可以解釋北大西洋海平面氣壓場方差的1/3以上。不僅如此,NAO與許多氣候信號有關(guān),Hurrell認(rèn)為,除南方濤動外,NAO是氣候年際變化的主要源地,它與跨越大西洋進(jìn)入歐洲的表面風(fēng)場變化有密切的關(guān)系,并且,它對北半球氣溫變化有最大的貢獻(xiàn)。研究還表明,NAO與氣溫以及濕度的“蹺蹺板”式變化有密切的關(guān)系。冬季西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)變化是密切相關(guān)的,東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱變化不僅對西太平洋以及南海海溫有顯著的跨季度影響,而且,其變化與ENSO事件的發(fā)生有密切的關(guān)系。研究表明,強(qiáng)東亞冬季風(fēng)可以激發(fā)ENSO事件的發(fā)生。作為北半球大氣環(huán)流6個活動中心中的3個:亞速爾高壓、冰島低壓以及冬季西伯利亞高壓變化必然存在相互影響關(guān)系。因此,研究冬季NAO與冬季西伯利亞高壓以及東亞冬季風(fēng)變化之間1998-07-07收到,1998-08-25收到修改稿*本研究得到國家“九五”重中之重項目“96-908”資助的聯(lián)系,對于了解大氣環(huán)流以及東亞冬季風(fēng)異常變化是大有益處的。2u3000hpa的大氣溫度變化北半球1946～1979年月平均海平面氣壓資料是極射赤面投影的八邊形網(wǎng)格點資料,這里用16點貝塞爾插值方法將其內(nèi)插到5o×5o的網(wǎng)格上,1980～1996年月平均海平面氣壓以及1958～1996年月平均850hPa大氣溫度取自NCEP再分析資料集。冬季(12～2月)NAO指數(shù)定義為(40oN,10oW)與(65oN,25oW)的海平面氣壓之差。這種定義方法與Hurrell的定義非常相似,當(dāng)時,他用葡萄牙的里斯本(Lisbon,38.8oN,9.1oW)與冰島的斯蒂基斯霍爾米(Stykkisholmur,65.1oN,22.7oW)海平面氣壓之差來表示。原來定義NAO多用亞速爾群島的蓬塔德爾加達(dá)氣壓。正如后來Hurrell所指出的那樣:蓬塔德爾加達(dá)站氣壓對于描述春、夏季副熱帶高壓的西移是個比較理想的站點,但冬季用里斯本站氣壓更為合適。3結(jié)果分析3.1伯時期的來—冬季西伯利亞高壓范圍、東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度以及NAO指數(shù)隨時間演變東亞冬季風(fēng)變化主要取決于西伯利亞高壓和阿留申低壓變化,一般用110oE和160oE海平面氣壓之差的代數(shù)和來定義冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)。實際上,只用冬季西伯利亞高壓變化也可以來表征東亞冬季風(fēng)的變化,這里,我們定義一個冬季西伯利亞高壓范圍指數(shù),即用海平面氣壓大于1032hPa的平面網(wǎng)格點數(shù)來表示。冬季西伯利亞高壓范圍指數(shù)與東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)變化表明(圖1)(東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的計算方法參見文獻(xiàn)),兩者之間存在非常好的對應(yīng)關(guān)系:冬季風(fēng)強(qiáng)(弱)對應(yīng)冬季西伯利亞高壓范圍偏大(小),這兩條曲線所代表的時間序列的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.58,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了1%統(tǒng)計顯著性水平。而冬季NAO指數(shù)與冬季西伯利亞高壓范圍指數(shù)呈現(xiàn)相反的變化關(guān)系(圖2),同時相關(guān)可達(dá)-0.45(|R|0.01=0.34)。說明NAO指數(shù)偏高(低)時期,冬季西伯利亞高壓偏弱(強(qiáng)),因而東亞冬季風(fēng)也偏弱(強(qiáng))。為了進(jìn)一步分析NAO與東亞冬季風(fēng)變化之間的聯(lián)系,本文還進(jìn)行了以下分析。3.2東亞冬季nao異常變化為了清楚地展現(xiàn)冬季NAO異常變化對海平面氣壓以及850hPa溫度的影響,這里采用合成分析方法。從冬季NAO指數(shù)隨時間演變序列中分別選出5個最大和5個最小的冬季:NAO指數(shù)為最大的冬季依次是1988/1989,1994/1995,1989/1990,1948/1949,1983/1984年;指數(shù)為最小的冬季有1962/1963,1968/1969,1976/1977,1978/1979,1964/1965年。依據(jù)選出的個例,分別對海平面氣壓以及850hPa溫度進(jìn)行合成分析。冬季NAO指數(shù)異常偏高時期(圖3a),冰島低壓明顯加深,并且位置偏向東北,最大降壓中心位于冰島和斯瓦爾巴德群島之間,環(huán)繞北極的高緯度地區(qū)以及歐洲東北部、亞洲大陸的大部分地區(qū)都是降壓區(qū),在貝加爾湖的西南存在明顯的降壓中心。說明此時西伯利亞高壓偏弱。而50oN以南的中緯度地區(qū)(除亞洲大陸外)都是正距平區(qū),并且形成4個正距平中心,它們分別位于地中海、北美大陸西部、青藏高原以及西北太平洋,尤其以地中海區(qū)域氣壓升高最為明顯。亞洲大陸與西北太平洋氣壓距平分布必然使東亞冬季風(fēng)偏弱。而冬季NAO指數(shù)異常偏低時期(圖3b),北半球海平面氣壓累積距平分布與圖3中所示的近乎于完全相反,東亞冬季風(fēng)將偏強(qiáng)。從低層大氣溫度場累積距平的空間分布來看,冬季NAO異常偏高時期(圖4a),增溫最大的區(qū)域位于泰梅爾半島與貝加爾湖之間,其次是北歐地區(qū);而降溫最大的區(qū)域位于格陵蘭和加拿大的北極地區(qū),此外,北非也存在降溫中心。而冬季NAO異常偏低時期(圖4b),溫度累積距平分布完全相反,表明冬季NAO異常變化對東亞中、高緯度氣溫有明顯的影響。冬季NAO指數(shù)與850hPa溫度的相關(guān)系數(shù)分布(圖5),進(jìn)一步證實了這種對應(yīng)關(guān)系。3.3東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)弱采用與3.2節(jié)類似的分析方法,從冬季西伯利亞高壓范圍指數(shù)時間序列中,分別選出前5個西伯利亞高壓范圍是最大的冬季(1976/1977,1968/1969,1956/1957,1967/1968,1966/1967年)和最小的冬季(1948/1949,1989/1990,1986/1987,1978/1979,1991/1992年)。依據(jù)選出的個例,分別對海平面氣壓和850hPa溫度進(jìn)行合成分析。當(dāng)冬季西伯利亞高壓范圍異常偏大時(圖6a),整個亞洲大陸海平面均為正的累積距平;而北太平洋大部分海域以及北美洲西部海平面氣壓降低,尤其是北太平洋中部氣壓降低更為明顯,這表明東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)。而加拿大北部、格陵蘭和冰島附近區(qū)域海平面氣壓升高,導(dǎo)致冰島低渦減弱;同時,西歐大部分地區(qū)包括中緯度北大西洋是負(fù)的累積距平,因此,NAO處于低指數(shù)時期。這與3.2節(jié)的分析結(jié)果是一致。我們還注意到,在亞洲大陸上,最大的正距平中心并不是位于西伯利亞高壓經(jīng)常出現(xiàn)的位置,而是位于喀拉海及其以南地區(qū)。次大中心出現(xiàn)在(50oN,90oE)以東,并且范圍很小,這說明冬季西伯利亞高壓變化幅度并不是很大,下文將進(jìn)一步說明這個問題。當(dāng)冬季西伯利亞高壓范圍異常偏小時,海平面氣壓累積距平分布正相反(圖6b):亞洲大陸被氣壓負(fù)累積距平所覆蓋,冰島低渦加深,并且在地中海出現(xiàn)大范圍正累積距平區(qū),致使NAO指數(shù)偏高。此外,圖中再次表明,降壓最明顯的區(qū)域依然不在西伯利亞,而是在喀拉海、巴倫支海南部。從850hPa溫度累積距平分布來看,當(dāng)冬季西伯利亞高壓范圍異常偏大時(圖7a),在30～60oN的亞洲大陸上,存在以貝加爾湖為中心的降溫區(qū),而在喀拉海、巴倫支海附近以北則是正的溫度累積距平。在文獻(xiàn)中,我們分析了冬季喀拉海、巴倫支海海冰變化對東亞冬季風(fēng)的影響,研究發(fā)現(xiàn),冬季喀拉海、巴倫支海海冰偏少(多)時,東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)(弱)。而冬季喀拉海、巴倫支海海冰多少與氣溫變化必然存在密切的關(guān)系,海冰偏多,則850hPa氣溫偏低;反之,則氣溫偏高,與本文得到的結(jié)論是一致的。當(dāng)冬季西伯利亞高壓范圍異常偏小時(圖7b),氣溫累積距平分布與圖7a相反。與NAO異常對氣溫的影響相比,冬季西伯利亞高壓異常影響溫度的幅度、范圍均明顯偏弱、偏小,并且更具有“局地”特色。3.4中緯度地區(qū)、東部、沿海地區(qū)通過3.2、3.3節(jié)的合成分析,似乎可以得出這樣的結(jié)論:冬季NAO和冬季西伯利亞高壓的異常變化存在相互影響關(guān)系,尤其在海平面氣壓場的異常變化上。然而,僅憑以上分析,我們還不能得出兩者之中哪個影響更為顯著。對應(yīng)某一特征指數(shù)的極端變化(異常偏高和偏低),相應(yīng)的氣象要素場也存在兩種狀態(tài),這兩種狀態(tài)之間是否存在顯著的差異?在沒有從物理機(jī)制上揭示清楚影響關(guān)系之前,對這兩種狀態(tài)的差異進(jìn)行統(tǒng)計顯著性檢驗就成為判斷其是否具有顯著影響的途徑之一。圖8是NAO指數(shù)的兩種極端狀態(tài)的海平面氣壓之差(異常偏高減異常偏低)的統(tǒng)計顯著性分布。圖中表明,兩種狀態(tài)的海平面氣壓之差確實存在顯著的差異:在高緯度地區(qū)(60oN以北),從格陵蘭到喀拉海、巴倫支海,從泰梅爾半島經(jīng)加拿大北部到巴芬灣都是差異顯著的地區(qū);在中緯度地區(qū),以北非、歐洲南部以及北大西洋海域(50oN以南)差異最為顯著。此外,在亞洲大陸的中部以及東部部分地區(qū),海平面氣壓差異也是顯著的。不難看出,NAO異常變化對北美洲大陸的影響明顯強(qiáng)于對亞洲大陸的影響,在亞洲大陸,主要影響西伯利亞高壓。與圖8相比,冬季西伯利亞高壓異常變化的影響區(qū)域明顯偏小(圖9),主要影響區(qū)域位于35oN以北的亞洲大陸,另外一個受影響區(qū)域是位于其下游的40oN以南的中、西太平洋。從圖中看到,冬季西伯利亞高壓的異常變化對NAO的影響遠(yuǎn)沒有達(dá)到統(tǒng)計顯著性水平,這也表明,冬季西伯利亞高壓變化主要受NAO異常變化的影響。關(guān)于這一點,從冬季海平面氣壓年際變化的方差分布圖上也可以得到驗證,如圖10所示。從圖中看到,冬季海平面氣壓的方差大值區(qū)主要在北大西洋、北太平洋以及北歐和亞洲大陸北部,60oN以南亞洲大陸的方差大值區(qū)主要是西伯利亞高壓所在區(qū)域。與圖8對照可以看到,冬季NAO異常變化顯著影響西伯利亞高壓的區(qū)域與西伯利亞高壓年際變化的方差大值區(qū)近乎于重合。NAO異常變化顯著影響850hPa溫度的區(qū)域如圖11所示,加拿大北部以及格陵蘭、北美洲東部、中緯度北大西洋、西歐和北歐以及亞洲大陸北部(尤其東北亞)、北非,這些區(qū)域850hPa溫度存在顯著的差異。圖12顯示,除北美洲西北部的方差大值區(qū)外,亞洲大陸北部以及格陵蘭西部的方差大值中心與圖11中的影響顯著區(qū)域近乎于重合。與NAO異常變化對溫度的影響相比,冬季西伯利亞高壓異常變化的影響更具有區(qū)域特征(圖13),在北半球中、高緯度地區(qū),受其顯著影響的區(qū)域位于(30～60oN,60～180oE)范圍內(nèi)。此外,它對熱帶以及南半球氣溫的影響比NAO的影響更為顯著。這些區(qū)域包括南、北印度洋以及澳大利亞北部和菲律賓以西區(qū)域。從以上分析不難看出,冬季NAO異常變化對北半球海平面氣壓以及850hPa溫度的影響明顯強(qiáng)于西伯利亞高壓異常變化的影響。4對紅色原螯蝦和紅色系統(tǒng)和中、高緯度區(qū)域氣溫的影響從以上分析不難看到,冬季NAO與西伯利亞高壓以及東亞冬季風(fēng)變化存在較為密切的聯(lián)系,冬季NAO異常變化對北半球海平面氣壓以及850hPa溫度都有顯著的影響,它通過對西伯利亞高壓的影響而影響東亞冬季風(fēng);通過對850hPa溫度的影響進(jìn)而影響冬季亞洲大陸中、高緯度的氣溫。關(guān)于冬季NAO異常變化如何影響西伯利亞高壓的,我們推測很可能是通過大氣遙相關(guān)來實現(xiàn)的。在文獻(xiàn)中,我們發(fā)現(xiàn)冬季喀拉海、巴倫支海海冰變化通過影響EU遙相關(guān)型而進(jìn)一步影響東亞冬季風(fēng)。而冬季NAO指數(shù)與EU遙相關(guān)型時間系數(shù)相關(guān)達(dá)0.57(|R|0.01=0.34)。因此,很可能通過NAO影響EU遙相關(guān)型從而影響西伯利亞高壓。從溫度場分析不難看到,加拿大北部和格陵蘭以西的氣溫與貝加爾湖及其以東的中、高緯度亞洲大陸氣溫呈反向變化關(guān)系。冬季NAO對西北歐850hPa溫度的影響主要是把中緯度暖濕空氣向北輸送的結(jié)果,正如Hurrell所指出的那樣。但僅靠暖空氣平流輸送還無法解釋其對亞洲大陸中、高緯度氣溫的顯著影響。此外,我們還注意到,冬季西伯利亞高壓異常變化對850hPa溫度影響的合成圖中,在30oN以北的中、高緯度地區(qū),存在若干個正負(fù)相間的氣溫累積距平中心,但是,除了位于亞洲大陸30～60oN的溫度變化是顯著的外,北半球30oN以北多數(shù)地區(qū)的溫度變化都屬于不顯著變化。而在熱帶地區(qū),尤其是在赤道印度洋以及澳大利亞北部和菲律賓以西區(qū)域,從合成圖上看,溫度變化并不大,但是,這些區(qū)域的氣溫隨冬季西伯利亞高壓異常變化確實存在顯著的差異。這些都表明,在研究某種因素異常變化時,必須進(jìn)行統(tǒng)計顯著性檢驗,否則,許多并不顯著的變化可能被認(rèn)為是受影