冬季北極濤動(dòng)與行星波活動(dòng)的關(guān)系

熊光明, 陳權(quán)亮,2, 蔣 王月, 羅 娟

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225;2.中科院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029)

0 引言

北極濤動(dòng)(Arctic Oscillation,AO)是北半球冬季熱帶外行星尺度大氣環(huán)流的重要模態(tài)之一,反映了北半球海平面氣壓場(chǎng)在極地和中高緯度地區(qū)之間存在反相的“蹺蹺板”的振蕩空間分布形式,這種振蕩由近地面一直延伸到平流層下層[1]。當(dāng)AO為正異常時(shí),中緯度地區(qū)氣壓偏高,而極地偏低;而在AO為負(fù)異常時(shí),極地與中緯度氣壓變化正好相反。近年來(lái),越來(lái)越多的研究表明,強(qiáng)的AO異常通常先在平流層發(fā)生然后下傳到對(duì)流層,從而引起對(duì)流層大氣環(huán)流的改變并影響對(duì)流層氣候的變化,平流層AO異常的信號(hào)先于對(duì)流層天氣氣候的改變,有助于提高天氣預(yù)報(bào)的時(shí)效[2-4]。

正因?yàn)锳O氣候效應(yīng)的重要性,其關(guān)注程度也越來(lái)越高,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者從不同角度在AO對(duì)中國(guó)天氣氣候的變化影響方面做了大量研究。琚建華等[5]、李春等[6]研究發(fā)現(xiàn)AO對(duì)東亞冬季風(fēng)的影響越來(lái)越顯著,進(jìn)而影響中國(guó)東北地區(qū)冬季溫度異常。所玲玲等[7]認(rèn)為AO指數(shù)的正負(fù)極端異常年份,對(duì)中國(guó)冬季最高和最低氣溫的影響十分明顯。龔道溢[8]分析了AO與西伯利亞高壓對(duì)中國(guó)冬季氣候的影響在年際和年代際尺度上的不同特征,認(rèn)為在年際尺度上西伯利亞對(duì)中國(guó)氣溫的影響要超過(guò)AO,而AO對(duì)中國(guó)降水的影響比對(duì)西伯利亞的影響更顯著。李崇銀等[9]研究表明,中國(guó)的梅雨異?？赡苁艿狡搅鲗哟髿猸h(huán)流異常的影響,而這種影響通過(guò)AO的變化實(shí)現(xiàn)。楊輝等[10]系統(tǒng)地分析了AO異常時(shí)的環(huán)流背景及其對(duì)中國(guó)降水的影響。陳永仁等[11]、龔道溢等[12]認(rèn)為AO對(duì)東亞夏季年降水異常也有一定的預(yù)測(cè)意義。

又有研究表明,AO異常與行星波活動(dòng)有著非常密切的聯(lián)系,平流層極區(qū)環(huán)流異常源于對(duì)流層行星波的活動(dòng),強(qiáng)的對(duì)流層行星波可以導(dǎo)致負(fù)的平流層AO異常,而弱的對(duì)流層行星波對(duì)應(yīng)于正的平流層AO異常[13]。陳文等[14-15]發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)定常行星波兩支波導(dǎo)的年際振蕩直接影響著AO,行星波指數(shù)與AO指數(shù)的變化在年際、年代際時(shí)間尺度上有很好的一致性。因?yàn)锳O與行星波活動(dòng)有密切的聯(lián)系,文中著重分析了AO變化與行星波活動(dòng)之間的關(guān)系,對(duì)于進(jìn)一步研究AO的變化有一定指示意義。

1 資料和方法

使用的資料是月平均的NCEP/NCAR全球再分析資料,選取時(shí)間從1960～2010年共51年。包括海平面氣壓場(chǎng) SLP、位勢(shì)高度H、溫度 T、緯向風(fēng)U、經(jīng)向風(fēng) V。數(shù)據(jù)的空間分辨率為2.5°×2.5°,垂直方向從1000hPa到10hPa共17個(gè)氣壓層。

借助滑動(dòng)平均和小波分析討論了AO指數(shù)的年際、年代際變化特征,通過(guò)挑選出的AO指數(shù)強(qiáng)值年、弱值年,并結(jié)合合成差值分析、諧波分析、相關(guān)分析等分析方法,對(duì)冬季AO指數(shù)與行星波活動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了深入的分析研究。根據(jù)Thompson的定義,將北半球熱帶外(20°N～90°N)海平面氣壓場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分析的第一時(shí)間系數(shù)定義為北極濤動(dòng)(AO)指數(shù)[1]。文中的冬季指的是前一年的12月和當(dāng)年的1月和2月。

2 北極濤動(dòng)變化特征

北極濤動(dòng)作為北半球冬季熱帶外行星尺度大氣環(huán)流的重要模態(tài)之一,對(duì)中國(guó)的天氣氣候變化有著非常重要的影響。因此,非常有必要先對(duì)北極濤動(dòng)(AO)指數(shù)的年際、年代際變化特征進(jìn)行分析研究。圖1給出了冬季AO指數(shù)的時(shí)間變化序列及9a滑動(dòng)平均時(shí)間序列,可以清楚地看到,AO指數(shù)具有非常明顯的年際和年代際變化特征。20世紀(jì)80年代中期之前,AO指數(shù)以負(fù)值為主,即主要處于負(fù)位相階

段,僅在70年代中期到80年代初有個(gè)較短時(shí)間的正位相,并且正值異常偏小;從80年代中期往后到21世紀(jì)初,AO指數(shù)主要表現(xiàn)為正位相,90年代前后正位相最為明顯。從總體上看,AO指數(shù)在90年代之前主要為上升階段,僅僅在70年代中期到80年代初有個(gè)很短時(shí)間的下降變化,之后很快又轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?shì),而從90年代往后到21世紀(jì)主要為下降階段。

分析發(fā)現(xiàn),AO指數(shù)的年際、年代際周期變化非常明顯,利用Morlet小波對(duì)北半球冬季AO強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行周期分析,如圖2所示。從圖中可以看出,AO指數(shù)主要存在準(zhǔn)8～9a和準(zhǔn)16a的年代際振蕩周期,20世紀(jì)70年代到90年代周期信號(hào)最強(qiáng)。此外,80年代以前AO指數(shù)還存在信號(hào)較弱的準(zhǔn)3a振蕩周期,90年代初到21世紀(jì)初AO指數(shù)還存在信號(hào)較弱的準(zhǔn)3～4a振蕩周期。

圖1 冬季AO指數(shù)的時(shí)間序列(實(shí)線)和9a滑動(dòng)平均(虛線)

圖2 冬季AO指數(shù)的M orlet小波分析

3 AO指數(shù)與行星波活動(dòng)的關(guān)系

為了清楚北極濤動(dòng)正、負(fù)異常情況下行星波活動(dòng)的變化特征,首先挑選AO指數(shù)強(qiáng)值年和AO指數(shù)弱值年,對(duì)應(yīng)北極濤動(dòng)的正、負(fù)異常發(fā)生時(shí)間。在挑選AO指數(shù)強(qiáng)、弱年時(shí),先利用原始AO指數(shù)時(shí)間序列減去9a滑動(dòng)平均時(shí)間序列,得到新AO指數(shù)時(shí)間序列濾除了AO指數(shù)的年代際變化,更加突出年際變化特征。將新AO指數(shù)序列中IAO＞(IAO+σ)的年份定義為AO指數(shù)強(qiáng)值年,把IAO＜(IAO-σ)的年份定義為AO指數(shù)弱值年,其中 IAO為新AO指數(shù)時(shí)間序列的平均值,σ為新AO指數(shù)時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)計(jì)算 IAO=-0.01,σ=0.83,統(tǒng)計(jì)得到8個(gè)AO指數(shù)強(qiáng)值年和8個(gè)AO指數(shù)弱值年,如表1所示。

表1 冬季AO指數(shù)的強(qiáng)值年和弱值年

在平流層,大氣運(yùn)動(dòng)主要受緯向平均環(huán)流和行星波控制。準(zhǔn)定常行星波在對(duì)流層生成向上傳播的過(guò)程中,一方面受緯向平均流的影響,另一方面通過(guò)其輻合和輻散反作用于緯向平均流,北極濤動(dòng)作為北半球冬季從地面延伸到平流層的一個(gè)深厚系統(tǒng),與緯向平均氣流和行星波活動(dòng)都有非常密切的聯(lián)系,因而對(duì)緯向平均流進(jìn)行分析研究是非常有必要的。

圖3給出了冬季AO指數(shù)強(qiáng)值年、弱值年以及強(qiáng)、弱值年差值的緯向平均風(fēng)場(chǎng)分布。從圖3(a)與圖3(b)可以看出無(wú)論AO指數(shù)處于強(qiáng)值年還是弱值年,其緯向平均風(fēng)場(chǎng)在整個(gè)北半球都存在兩個(gè)最大值中心,一個(gè)最大值中心位于中低緯度對(duì)流層上層200hPa高度,稱為極鋒急流;另一個(gè)最大值中心位于中高緯度平流層中層10hPa高度附近,稱為極夜急流;此外在赤道低緯度平流層還存在一個(gè)較弱的東風(fēng)環(huán)流。但從圖3(c)分析可以知道,緯向平均氣流在冬季AO指數(shù)強(qiáng)、弱值年有著明顯的差異,中高緯度50°N～90°N從對(duì)流層延伸到平流層的大面積區(qū)域都變?yōu)檎牟钪捣植?并且都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了0.01的信度檢驗(yàn),而對(duì)于中緯度35°N～45°N區(qū)域從對(duì)流層到平流層低層主要為負(fù)的差值分布,大部分區(qū)域也都超過(guò)了0.01的信度檢驗(yàn),緯向風(fēng)的深厚系統(tǒng)與行星波的向上傳播有著非常密切的聯(lián)系。此外,在平流層低層赤道低緯度也存在一個(gè)正的差值中心,但很少通過(guò)顯著性信度檢驗(yàn)?？偟膩?lái)說(shuō),在AO指數(shù)強(qiáng)(弱)值年,從對(duì)流層到平流層緯向平均風(fēng)場(chǎng)在中緯度明顯減小(增大),而在中高緯度顯著性增大(減小)。

圖3 冬季AO指數(shù)強(qiáng)值年、弱值年以及強(qiáng)、弱值年差值的緯向平均風(fēng)場(chǎng)分布(單位:m/s,深、淺陰影分別表示通過(guò)0.01和0.05信度區(qū)域)

AO指數(shù)與行星波活動(dòng)指數(shù)在年際、年代際時(shí)間尺度上都有著很好的一致性,北極濤動(dòng)的變化與準(zhǔn)定常行星波的活動(dòng)情況有著密切聯(lián)系。圖4給出冬季AO指數(shù)強(qiáng)、弱值年差值的行星波1波和2波振幅分布。從圖4(a)的1波振幅差異可以看到,整個(gè)區(qū)域存在兩個(gè)顯著的正差值中心和一個(gè)負(fù)差值中心,正差值中心分別位于對(duì)流層頂200hPa高度的低緯度20°N～30°N區(qū)域范圍和平流層10hPa高度的中緯度30°N～50°N范圍,而負(fù)差值中心位于平流層低層30hPa高度的高緯度70°N～90°N范圍。綜合分析可知,在AO指數(shù)強(qiáng)(弱)值年,1波振幅在低緯度從對(duì)流層中層到對(duì)流層頂附近和中緯度的平流層中層明顯增大(減小),在高緯度從對(duì)流層頂?shù)狡搅鲗用黠@減小(增大),最大中心減小(增大)約100m。

從AO指數(shù)強(qiáng)、弱值年2波振幅的差值分布圖4(b)可知,顯著的差值中心與1波有很大的差異。存在一個(gè)顯著的負(fù)差值中心和一個(gè)正差值中心,正差值中心大多沒(méi)有通過(guò)顯著性信度檢驗(yàn),負(fù)差值區(qū)域主要位于中緯度40°N～60°N區(qū)域內(nèi),并且從地面向上延伸到對(duì)流層頂,差值中心在對(duì)流層高層300hPa高度附近,正差值位于高緯度60°N～70°N范圍,從對(duì)流層的高層延伸到平流層,差值中心位于20hPa高度。也就是說(shuō),在AO指數(shù)強(qiáng)(弱)值年,2波振幅在中緯度從地面到對(duì)流層頂明顯減小(增大),在高緯度從對(duì)流層高層到平流層有所增大(減小)。

行星波的垂直傳播主要是沿緯向平均西風(fēng)急流軸向上傳播,所以緯向平流西風(fēng)急流軸稱之為行星波向上傳播的波導(dǎo)。通過(guò)E-P通量的分布可以看到行星波向上傳播有兩支波導(dǎo)的存在,分別是由中高緯度的對(duì)流層下層穿過(guò)對(duì)流層向低緯的對(duì)流層頂附近傳播的低緯度波導(dǎo)和由中高緯度向上傳播折向高緯度上傳到平流層的極地波導(dǎo)。陳文[15]認(rèn)為準(zhǔn)定常行星波向上傳播的兩個(gè)波導(dǎo)之間的振蕩與北極濤動(dòng)密不可分。為了能夠清楚地看到北極濤動(dòng)正、負(fù)異常情況下行星波的兩支波導(dǎo)的變化特征,圖5給出冬季AO指數(shù)強(qiáng)、減弱值年差值的行星波1波和2波E-P通量分布。從圖5(a)行星波1波的E-P通量的強(qiáng)、弱年差值看,在對(duì)流層從低緯度到中高緯度主要為顯著的向上向低緯度傳播,40°N～70°N區(qū)域最為明顯,在平流層高緯度為顯著的向下向低緯度傳播。說(shuō)明在AO強(qiáng)(弱)值年,行星波1波在中高緯度從地面向上傳播顯著增強(qiáng)(減弱),低緯度波導(dǎo)顯著增強(qiáng)(減弱),極地波導(dǎo)顯著減弱(增強(qiáng))。此外,還存在一個(gè)顯著的向上向低緯度傳播區(qū)域分布在中低緯度20°N～40°N的平流層。

圖4 冬季AO指數(shù)強(qiáng)、弱值年差值的行星波1波和2波振幅分布(單位:m,深、淺陰影分別表示通過(guò)0.01和0.05信度區(qū)域)

由圖5(b)可以看到,在中高緯度40°N～70°N在對(duì)流層主要表現(xiàn)為顯著的向下向低緯度傳播,但在平流層的向下傳播不明顯,主要表現(xiàn)為向低緯度傳播。從中高緯度對(duì)流層向低緯度傳播變化也不明顯。所以,對(duì)于2波而言,在AO指數(shù)強(qiáng)(弱)值年,行星波在中高緯度從地面向上傳播顯著減弱(增強(qiáng)),與1波變化正好相反。而低緯度波導(dǎo)和極地波導(dǎo)變化不明顯。

圖5 冬季AO指數(shù)強(qiáng)、減弱值年差值的行星波1波和2波E-P通量分布(單位:kg/s2,深、淺陰影分別表示通過(guò)0.01和0.05信度區(qū)域)

分析知道北極濤動(dòng)的異常變化與行星波的振幅有著非常密切的聯(lián)系,為了深入地分析探討兩者之間的關(guān)系,結(jié)合行星波活動(dòng)的兩個(gè)主要區(qū)域,即中低緯度對(duì)流層低緯度波導(dǎo)活動(dòng)范圍和中高緯度平流層極地波導(dǎo)活動(dòng)范圍。從圖4和圖5都可以清楚地看到,這兩個(gè)區(qū)域的差異性最為明顯。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),對(duì)于1波,AO指數(shù)與200hPa、30°N的波動(dòng)振幅及 30hPa、80°N波動(dòng)振幅有著較好的相關(guān)性;而對(duì)于2波,AO指數(shù)與300hPa、40°N的波動(dòng)振幅及30hPa、65°N波動(dòng)振幅同樣有著較好的相關(guān)性。圖6與圖7分別給出冬季AO指數(shù)與行星波1波波動(dòng)振幅的時(shí)間序列及與行星波2波波動(dòng)振幅的時(shí)間序列。從圖6可以看出,AO指數(shù)與行星波1波在200hPa、30°N的波動(dòng)振幅有著很好的一致性,兩者之間的波峰位置較為吻合,就是說(shuō)當(dāng)AO指數(shù)較強(qiáng)的時(shí)候,200hPa、30°N的1波振幅也比較大;而AO指數(shù)與行星波1波在30hPa、80°N波動(dòng)振幅恰好呈相反的變化趨勢(shì),即當(dāng)AO指數(shù)較強(qiáng)的時(shí)候,1波振幅反而相對(duì)較小。對(duì)于2波而言(圖7),AO指數(shù)與在300hPa、40°N的波動(dòng)振幅呈相反的變化趨勢(shì),而與在30hPa、65°N波動(dòng)振幅的時(shí)間變化趨勢(shì)上比較一致。由此可見(jiàn),北極濤動(dòng)的變化與行星波的活動(dòng)有著非常緊密的聯(lián)系。

圖6 冬季AO指數(shù)與行星波1波波動(dòng)振幅的時(shí)間序列

圖7 冬季AO指數(shù)與行星波2波波動(dòng)振幅的時(shí)間序列

通過(guò)對(duì)AO指數(shù)與行星波1波和2波振幅之間的相關(guān)關(guān)系(表2),結(jié)果發(fā)現(xiàn),AO指數(shù)與行星波1波在200hPa、30°N的波動(dòng)振幅的相關(guān)性最好,正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.59,而與在30hPa、80°N的波動(dòng)振幅之間呈負(fù)的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)也達(dá)到-0.50,而0.01信度檢驗(yàn)的臨界相關(guān)系數(shù)為0.36,兩者之間的相關(guān)系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了α=0.01顯著性水平檢驗(yàn);AO指數(shù)與2波的兩個(gè)位置波動(dòng)振幅的相關(guān)系數(shù)均較好,與300hPa、40°N的波動(dòng)振幅的正相關(guān)系數(shù)為-0.57,與30hPa、65°N的波動(dòng)振幅的負(fù)相關(guān)系數(shù)為0.56。均通過(guò)了 α=0.01的顯著性信度檢驗(yàn)。

表2 AO指數(shù)與1波、2波波動(dòng)振幅之間的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論和討論

利用小波分析、差值合成分析及相關(guān)分析等方法討論了AO指數(shù)的年際、年代際變化,分析了AO指數(shù)與行星波活動(dòng)之間的關(guān)系。得到以下主要結(jié)論:

(1)AO指數(shù)主要存在準(zhǔn)8～9a和準(zhǔn)16a的年代際振蕩周期,20

世紀(jì)70年代到90年代周期信號(hào)最強(qiáng),80年代中期之前主要以負(fù)位相為主,80年代中期之后主要表現(xiàn)為正位相。

(2)在AO指數(shù)強(qiáng)(弱)值年,從對(duì)流層到平流層緯向平均風(fēng)場(chǎng)在中緯度明顯減小(增大),在中高緯度明顯增大(減小);行星波1波振幅在低緯度從對(duì)流層中層到對(duì)流層頂附近和中緯度的平流層中層明顯增大(減小),在高緯度從對(duì)流層頂?shù)狡搅鲗用黠@減小(增大);2波振幅在中緯度從地面到對(duì)流層頂明顯減小(增大),在高緯度從對(duì)流層高層到平流層有所增大(減小)。

(3)從E-P通量的差異性分布看,在AO強(qiáng)(弱)值年,行星波1波在中高緯度從地面向上傳播顯著增強(qiáng)(減弱),低緯度波導(dǎo)顯著增強(qiáng)(減弱),極地波導(dǎo)顯著減弱(增強(qiáng));行星波2波在中高緯度從地面向上傳播顯著減弱(增強(qiáng)),低緯度波導(dǎo)和極地波導(dǎo)變化不明顯。

(4)AO指數(shù)與200hPa、30°N的1波振幅和30hPa、65°N的2波振幅有著較為一致的正相關(guān)關(guān)系,與 30hPa、80°N的1波振幅和300hPa、40°N的2波振幅呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且上述的正、負(fù)相關(guān)系數(shù)都超過(guò)了0.01的信度性檢驗(yàn)。

值得注意的是,北極濤動(dòng)作為一個(gè)永久的深厚系統(tǒng),其強(qiáng)度和位置的變化對(duì)全球的天氣氣候都有著非常重要的影響,初步對(duì)北極濤動(dòng)和行星波之間做了相關(guān)的分析研究,深刻的認(rèn)識(shí)北極濤動(dòng)與行星波之間的關(guān)系及相互影響的機(jī)理,還需要更加深入全面開(kāi)展研究及數(shù)值模擬工作。

致謝:感謝成都信息工程學(xué)院發(fā)展基金(CSRF20102)對(duì)本文的資助。

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