近30 a來(lái)北半球?qū)α鲗哟髿庠戮h(huán)流的渦動(dòng)減弱現(xiàn)象

楊哲，管兆勇，蔡佳熙

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044;3.解放軍94833部隊(duì)氣象臺(tái)，江西向塘330201)

近30 a來(lái)北半球?qū)α鲗哟髿庠戮h(huán)流的渦動(dòng)減弱現(xiàn)象

楊哲1，2，3，管兆勇1，2，蔡佳熙1，2

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044;3.解放軍94833部隊(duì)氣象臺(tái)，江西向塘330201)

利用1980—2009年NCEP/NCAR月平均再分析資料，研究了在全球變暖背景下北半球?qū)α鲗哟髿鉁u動(dòng)減弱現(xiàn)象。結(jié)果表明:北半球渦度擬能30 a來(lái)整體呈減弱趨勢(shì)，在北太平洋地區(qū)和極地減弱尤為顯著，12.5～50°N為影響北半球大氣渦動(dòng)變化的關(guān)鍵區(qū)域。由于對(duì)流層200 hPa以下大氣的增暖，特別是中高緯地區(qū)顯著增暖，減弱了經(jīng)向溫度梯度，使得副熱帶西風(fēng)急流的強(qiáng)度亦呈減弱趨勢(shì)。這與渦度擬能的變化有顯著的正相關(guān)關(guān)系。分析了北半球正壓Rossby波動(dòng)診斷量E和熱量經(jīng)向渦動(dòng)通量的變化，表明中緯度波能傳播在不同地區(qū)有不同趨勢(shì)，而熱量的經(jīng)向渦動(dòng)輸送與渦度擬能的變化也呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，減弱明顯。研究結(jié)果對(duì)深刻認(rèn)識(shí)大氣環(huán)流變化規(guī)律和理解全球變暖的可能影響具有重要意義。

全球增暖;渦度擬能;副熱帶西風(fēng)急流;渦動(dòng)通量

0 引言

近百年來(lái)的全球變暖現(xiàn)象已是不爭(zhēng)的事實(shí)。歷史氣溫觀測(cè)資料分析證明，20世紀(jì)氣候存在變暖現(xiàn)象(王紹武和龔道溢，2001)。IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)第三次評(píng)估報(bào)告亦明確地指出“在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，全球平均氣溫上升了大約(0.6±0.2)℃。最近時(shí)間段(1976—1999年)的增暖幾乎是全球性的，但是最大的溫度增長(zhǎng)發(fā)生在北半球大陸的中高緯度”(IPCC，2001)。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告(IPCC，2007)進(jìn)一步指出，近100多年來(lái)全球平均溫度線性趨勢(shì)為0.74℃，全球和區(qū)域氣候發(fā)生了顯著的變化(Sutton et al.，2007;Whetton et al.，2007;Laine et al.，2009)。

全球溫度的非均勻變化將對(duì)大氣環(huán)流變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。大量研究表明，緯向基流及其經(jīng)向切變的變化與大氣加熱場(chǎng)有密切聯(lián)系，例如:Krishnamurti(1961，1979)發(fā)現(xiàn)三個(gè)熱帶加熱中心和冬季北半球的三個(gè)西風(fēng)急流中心存在明顯的聯(lián)系。Lau and Boyle(1987)發(fā)現(xiàn)熱帶中西太平洋海表加熱變化將導(dǎo)致全球大氣環(huán)流的顯著變化。在全球增暖的背景下，緯向平均的緯向基本氣流存在極地西風(fēng)減弱、副極地西風(fēng)加強(qiáng)、副熱帶西風(fēng)減弱、熱帶東風(fēng)加強(qiáng)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)(Zhang et al.，2006;白瑩瑩等，2009;蔡瓊瓊等，2011)，下墊面的加熱作用使得南極極渦強(qiáng)度發(fā)生變化(盧楚翰等，2010)，而氣溫的異常變化對(duì)我國(guó)東部環(huán)流變化存在重要影響(蔡佳熙等，2009)。

大氣中各種不同尺度運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生和發(fā)展與各種形式能量的儲(chǔ)存及相互轉(zhuǎn)換有關(guān)，研究大氣各種能量過(guò)程成為認(rèn)識(shí)大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有效途徑之一。渦度擬能是表征大氣渦旋運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的衡量因子，其增大或減小能直接反映流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的變化(伍榮生，1984)。渦度擬能的變化既是全球以及局部環(huán)流系統(tǒng)擾動(dòng)狀態(tài)的反映，也與區(qū)域天氣氣候甚至全球天氣氣候有著十分密切的聯(lián)系。Holopainen and Oort(1981)最早研究了大氣環(huán)流中瞬變渦動(dòng)對(duì)渦度擬能維持的作用。伍榮生(1984)給出了渦度擬能變化的公式，明確了影響渦度擬能變化的主要因子。黃昌興等(2001)分析了鄂霍次克海阻高發(fā)展過(guò)程，得出渦度擬能在阻高的醞釀階段呈現(xiàn)不穩(wěn)定增長(zhǎng)。朱乾根(2002)進(jìn)一步指出阻塞過(guò)程是正、斜壓渦度擬能相互作用的結(jié)果。這些工作均針對(duì)天氣時(shí)間尺度系統(tǒng)進(jìn)行，而更長(zhǎng)時(shí)間尺度的研究尚不多見(jiàn)。

在全球空間不均勻增暖的情況下，半球尺度上大氣渦度擬能如何變化將是一個(gè)很有趣的問(wèn)題。研究渦度擬能的變化規(guī)律，對(duì)于深刻理解大氣環(huán)流變化趨勢(shì)和認(rèn)識(shí)全球增暖的影響，有著十分重要的意義。本文擬通過(guò)分析30 a來(lái)北半球渦度擬能的變化特征，探索在全球增暖背景下北半球大氣旋轉(zhuǎn)程度的變化趨勢(shì)及渦動(dòng)輸送特征。

1 資料和方法

采用美國(guó)NCEP/NCAR的月平均再分析風(fēng)場(chǎng)、氣溫場(chǎng)及地面氣壓場(chǎng)等資料(Kalnay et al.，1996)，其空間分辨率為2.5°×2.5°，所有變量的時(shí)間序列長(zhǎng)度均為1980—2009年共30 a。

利用NCEP/NCAR的月平均再分析風(fēng)場(chǎng)、氣溫場(chǎng)及地面氣壓場(chǎng)等資料，計(jì)算了北半球渦度擬能場(chǎng)、動(dòng)量及熱量渦動(dòng)輸送場(chǎng)的分布。年平均擬能均是通過(guò)逐月計(jì)算結(jié)果后進(jìn)行年平均所得。針對(duì)某一月份，月平均渦度ζ可分解為該月月平均渦度的多年平均氣候值ζs及與此的偏差ζ'(相對(duì)于氣候平均值的擾動(dòng))之和。即

文中所涉及到的擾動(dòng)量(溫度T'、風(fēng)速v'等)均表示其與多年平均的偏差。以“—”表示某變量的年平均，可令:分別表示渦度擬能的年平均值、氣候平均的季節(jié)變化渦度的擬能的年平均值(其無(wú)年際變化)、年平均的擾動(dòng)渦度擬能，以及擾動(dòng)渦度擬能和氣候平均的季節(jié)變化擬能之間的相關(guān)項(xiàng)，則

另外，針對(duì)氣旋式渦動(dòng)，其相應(yīng)的擬能記為［〈Encc〉］，對(duì)于反氣旋式渦動(dòng)，則記為［〈EnAcc〉］。

200 hPa上副熱帶西風(fēng)急流以緯向風(fēng)速大于30 m·s－1的平均緯向風(fēng)來(lái)表示。通過(guò)線性傾向估計(jì)，將診斷30 a來(lái)北半球渦度擬能、副熱帶西風(fēng)急流、動(dòng)量及熱量經(jīng)向渦動(dòng)通量的變化趨勢(shì)。

2 北半球渦度擬能時(shí)空分布與渦動(dòng)減弱

1980—2009年30 a平均垂直積分的北半球平均渦度擬能包括3個(gè)部分，即〈Ens〉、〈End〉和〈Enc〉。氣候平均的渦度季節(jié)變化分量相應(yīng)的年平均分布(圖1a)顯示出北半球渦度擬能的大值區(qū)主要位于西太平洋地區(qū)，其值達(dá)1.8×10－9s－2。在非洲北部、大西洋地區(qū)也存在相對(duì)大值區(qū)，中心值分別達(dá)1.2×10－9s－2和1.0×10－9s－2。在我國(guó)中部地區(qū)亦存在大值中心?？梢?jiàn)，北半球渦度擬能大值區(qū)主要出現(xiàn)在中高緯洋面、非洲北部以及亞洲季風(fēng)區(qū)，而極地和赤道地區(qū)渦度擬能很小。這一現(xiàn)象與急流的逐月氣候平均分布有關(guān)。北半球擾動(dòng)渦度擬能的氣候平均(圖1b)顯示，北大西洋、北太平洋及極地地區(qū)存在大值中心，中心值分別達(dá)7.5×10－10s－2、6.5×10－10s－2和6.0×10－10s－2，表明渦旋擾動(dòng)在洋面上明顯強(qiáng)于陸地上空。擾動(dòng)渦度與渦度季節(jié)變化的相關(guān)或轉(zhuǎn)換項(xiàng)(圖1c)在北太平洋存在大值區(qū)，其值為6.0×10－12s－2，比〈Ens〉和〈End〉要小2～3個(gè)量級(jí)。

為了更好地反映不同區(qū)域渦度擬能的變化程度，進(jìn)一步分析了北半球垂直積分的擾動(dòng)渦度擬能(〈End〉)方差分布(圖1d)。北半球渦度擬能方差最大的區(qū)域位于極地地區(qū)，其最大值達(dá)1.0×10－19s－4，在東北太平洋及東北大西洋區(qū)域也存在較大的渦度擬能方差分布，中心值分別達(dá)7.0×10－20s－4和8.0×10－20s－4。與平均渦度擬能的分布(圖1b)相比，渦度擬能方差的大值區(qū)主要出現(xiàn)在渦旋擾動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域即中高緯的洋面上，其他區(qū)域尤其是赤道地區(qū)的方差很小。

北半球面積平均渦度擬能的年際(年代際)變化及趨勢(shì)由擾動(dòng)渦度擬能［〈End〉］和轉(zhuǎn)換項(xiàng)［〈Enc〉］決定(式(5))。圖2a顯示出了渦度擬能逐漸下降的長(zhǎng)期趨勢(shì)，表明北半球大氣渦動(dòng)明顯地逐漸減弱，減弱的速度為1.5×10－11s－2·(10 a)－1，這是十分有趣的現(xiàn)象。注意到盡管［〈Enc〉］的大小相對(duì)［〈End〉］的量值較小，但［〈Enc〉］的變化卻與［〈End〉］的變化幅度相當(dāng)，且［〈End〉］+［〈Enc〉］與［〈Enc〉］這兩條曲線的變化相當(dāng)一致，這說(shuō)明在30 a對(duì)流層大氣渦動(dòng)減弱過(guò)程中，渦度的季節(jié)變化與渦度年際異常分量之間存在較好的相關(guān)，且當(dāng)北半球渦動(dòng)強(qiáng)(弱)時(shí)，這種相關(guān)亦強(qiáng)(弱)。

圖1 1980—2009年北半球〈Ens〉(a)、〈End〉(b)、〈Enc〉(c)分布(單位:10－10s－2)以及〈End〉的方差分布(d;單位:10－20s－4)Fig.1 Distributions of(a)〈Ens〉，(b)〈End〉，(c)〈Enc〉(units:10－10s－2)，and(d)variance distribution(units:10－20s－4)of〈End〉in the Northern Hemisphere from 1980 to 2009

對(duì)1980—2009年北半球垂直積分的擾動(dòng)渦度擬能場(chǎng)進(jìn)行線性傾向估計(jì)，得出其趨勢(shì)系數(shù)分布(圖2b)。可見(jiàn)，30 a來(lái)北半球擾動(dòng)渦度擬能在大部分區(qū)域呈減少趨勢(shì)，北太平洋洋面和極地地區(qū)尤為明顯，大值區(qū)超過(guò)－1.5×10－10s－2·(10 a)－1。在少數(shù)地區(qū)也存在渦度擬能的增長(zhǎng)，但大多趨勢(shì)較弱。另外，分析了30 a來(lái)去除季節(jié)變化的渦度擬能變化趨勢(shì)，其趨勢(shì)系數(shù)分布與〈End〉基本一致(圖略)。

圖2 北半球1980—2009年［〈En－Ens〉］、［〈End〉］、［〈Enc〉］的年際變化(a;單位:10－10s－2)和擾動(dòng)渦度擬能〈End〉趨勢(shì)系數(shù)分布(b;單位:10－10s－2·(10 a)－1;白色實(shí)、虛線分別通過(guò)95%、90%的F檢驗(yàn))，以及1980—2009年北半球［〈Encc〉］和［〈EnAcc〉］的年際變化(c;單位:10－10s－2)以及1980—2009年北半球平均渦度擬能與緯向平均渦度擬能的相關(guān)系數(shù)和渦度擬能變率(單位:10－20s－4)的經(jīng)向分布(d)Fig.2 (a)Variations of［〈En-Ens〉］，［〈End〉］，［〈Enc〉］(units:10－10s－2)，(b)linear trends of〈End〉(units:10－10s－2·(10 a)－1;values above the 95%and 90%confidence levels using an F-test are circled by the white solid and dashed contours，respectively)，(c)variations of［〈Encc〉］and［〈EnAcc〉］(units:10－10 s－2)in the Northern Hemisphere from 1980 to 2009，and(d)the meridional distribution of the correlation of zonal mean enstrophy with hemispheric mean enstrophy and enstrophy variability(units:10－20s－4)in the Northern Hemisphere from 1980 to 2009

眾所周知，存在氣旋和反氣旋式的渦動(dòng)。為了進(jìn)一步對(duì)北半球近30 a來(lái)對(duì)流層大氣渦動(dòng)減弱的現(xiàn)象進(jìn)行分析，給出了北半球?qū)α鲗哟髿庵写怪狈e分的氣旋式渦動(dòng)的渦度擬能(［〈Encc〉］)和反氣旋式渦旋渦度擬能(［〈EnAcc〉］)的近30 a來(lái)的變化曲線(圖2c)。氣旋和反氣旋式渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)的渦度擬能均呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，并具有同位相變化特點(diǎn)，且減弱的速度大致相同，約為0.9×10－11s－2·(10 a)－1。氣旋和反氣旋式氣旋渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)的減弱共同導(dǎo)致了北半球近30 a來(lái)對(duì)流層大氣整體的渦動(dòng)減弱。

為了找出影響北半球渦度擬能變化的關(guān)鍵區(qū)域，將1980—2009年北半球面積平均的渦度擬能時(shí)間變化序列與緯向平均渦度擬能的時(shí)間變化序列進(jìn)行相關(guān)分析，并計(jì)算了北半球渦度擬能變率的經(jīng)向分布(圖2d)。北半球渦度擬能變率分布呈現(xiàn)出由低緯至高緯逐漸增大的趨勢(shì)，在中緯50°N附近達(dá)到極大值，極地地區(qū)變率最大。而除靠近極地以外的其他區(qū)域均呈現(xiàn)出與北半球渦度擬能變化的正相關(guān)，在12.5～50°N之間相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.36(通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))，也就是說(shuō)，這一區(qū)域渦度擬能的變化可能對(duì)半球平均渦度擬能的貢獻(xiàn)較大。因此可以認(rèn)為，這一區(qū)域?yàn)橛绊懕卑肭驕u度擬能變化的關(guān)鍵區(qū)域。如前所述，這一區(qū)域正是北半球渦度擬能分布的大值區(qū)(圖1a、b、c)，也是30 a來(lái)渦度擬能方差的大值區(qū)(圖1d)。因此，在研究北半球30 a來(lái)渦動(dòng)減弱現(xiàn)象時(shí)，這一區(qū)域是值得重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵區(qū)域。

3 北半球渦度擬能與副熱帶西風(fēng)急流

緯向基本氣流的變化與大氣加熱場(chǎng)關(guān)系密切，在全球增暖背景下，北半球大氣渦動(dòng)減弱明顯，它與緯向基本氣流有何聯(lián)系?

分析1980—2009年850 hPa(圖3a)、500 hPa(圖3b)、200 hPa(圖3c)北半球氣溫的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，30 a來(lái)北半球氣溫在中低層上升趨勢(shì)明顯，尤其在極地地區(qū)，850 hPa、500 hPa部分區(qū)域增溫幅度超過(guò)0.5℃·(10 a)－1。氣溫略有下降的區(qū)域主要是赤道太平洋，其他區(qū)域氣溫絕大部分均呈現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì)，這與許多研究的結(jié)果(Levitus et al.，2000)一致。結(jié)合圖2b可以發(fā)現(xiàn)，在升溫幅度較大的區(qū)域如極地地區(qū)、東北亞地區(qū)、非洲北部、西太平洋等，渦度擬能減弱趨勢(shì)亦非常明顯。緯向平均場(chǎng)上，200 hPa等壓面至地面各層，極地冷而熱帶暖，但在200 hPa高度以上則是極地暖而熱帶冷(圖略)。在200 hPa(圖3c)，北半球整體氣溫出現(xiàn)了略微下降的趨勢(shì)，這在中低緯度太平洋、大西洋洋面更為明顯。通常在對(duì)流層中下層氣溫隨緯度的增加逐漸降低，但這三層氣溫變化的趨勢(shì)顯示出一個(gè)共同的特性，隨著緯度升高升溫幅度增大或降溫幅度減小，異常溫度的梯度方向指向赤道，導(dǎo)致了半球范圍內(nèi)經(jīng)向溫度梯度減小，大氣的經(jīng)向切變減弱，這在一定程度上可能造成了大氣渦動(dòng)的減弱。

對(duì)30 a來(lái)北半球緯向風(fēng)進(jìn)行緯向平均處理，計(jì)算垂直剖面上的線性趨勢(shì)系數(shù)(圖3d)，可見(jiàn)北半球緯向風(fēng)自低層至高層整體呈減弱趨勢(shì)，尤其在中低緯副熱帶地區(qū)及高緯靠近極地的區(qū)域，這在500 hPa和100 hPa等壓面上尤為明顯。而在低緯及中緯，西風(fēng)增強(qiáng)，東風(fēng)減弱，其結(jié)果將導(dǎo)致副熱帶至45°N左右緯向平均風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)向切變減弱，最終部分地導(dǎo)致渦度擬能減少。

選取北半球1980—1989年與2001—2009年的200 hPa氣候平均緯向風(fēng)場(chǎng)，用后十年減去前十年的緯向風(fēng)場(chǎng)，得出兩個(gè)十年平均值的差值場(chǎng)(圖3e)?？梢?jiàn)，在太平洋洋面同時(shí)也是副熱帶西風(fēng)急流風(fēng)速大值區(qū)所在區(qū)域，緯向風(fēng)速出現(xiàn)了顯著的減小，中心值超過(guò)－3 m·s－1。而在大西洋洋面、非洲北部、西亞以及青藏高原西部區(qū)域，緯向風(fēng)速出現(xiàn)了略微的增大。比較這兩個(gè)十年間急流軸的平均位置(圖略)，變化不大，幾乎處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

如前所述，12.5～50°N為北半球渦度擬能減弱的關(guān)鍵區(qū)域，而這一區(qū)域正是副熱帶西風(fēng)急流所在區(qū)域。圖4a給出的是1980—2009年200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)的趨勢(shì)系數(shù)分布及30 a平均風(fēng)場(chǎng)。近30 a來(lái)，200 hPa緯向風(fēng)減弱趨勢(shì)較大的區(qū)域主要出現(xiàn)在太平洋區(qū)域和印度洋區(qū)域。但在赤道太平洋的熱帶和副熱帶地區(qū)，無(wú)論西風(fēng)或東風(fēng)均有所增強(qiáng)。氣候平均意義下200 hPa副熱帶西風(fēng)急流的急流軸主要位于30°N附近，最大風(fēng)速區(qū)出現(xiàn)在太平洋上，這一區(qū)域的緯向風(fēng)場(chǎng)30 a來(lái)呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)，而在整個(gè)急流軸區(qū)域，在大西洋洋面、非洲北部、西亞以及青藏高原西部區(qū)域，西風(fēng)有加強(qiáng)趨勢(shì)。為了進(jìn)一步了解副熱帶西風(fēng)急流與北半球渦度擬能變化的關(guān)系，選取25～45°N、85°E～170°W區(qū)域內(nèi)緯向風(fēng)來(lái)代表急流的強(qiáng)度(定義的標(biāo)準(zhǔn)參考1980—2009年200 hPa氣候平均緯向風(fēng)速大于30 m·s－1的區(qū)域)，急流強(qiáng)度30 a來(lái)呈明顯減弱趨勢(shì)(圖4b)。對(duì)急流強(qiáng)度變化的時(shí)間序列與北半球渦度擬能變化的時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)分析，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.56(通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn))，表示副熱帶西風(fēng)急流的變化與北半球渦度擬能的變化存在顯著的正相關(guān)。這除了說(shuō)明兩者年際振蕩的某些一致性之外，也部分地說(shuō)明副熱帶西風(fēng)急流的強(qiáng)度在北半球渦動(dòng)減弱的同時(shí)，也明顯減弱。

圖3 1980—2009年北半球850 hPa(a)、500 hPa(b)、200 hPa(c)氣溫(單位:℃·(10 a)－1)和垂直剖面上緯向平均緯向風(fēng)(d;單位:m·s－1·(10 a)－1)的趨勢(shì)系數(shù)分布，以及前后十年的200 hPa緯向風(fēng)差值場(chǎng)(e;單位:m·s－1)(圖d中黑色粗線為30 a平均緯向風(fēng)場(chǎng)，單位:m·s－1;圖a、b、c、d中白色實(shí)、虛線分別通過(guò)95%、90%的F檢驗(yàn);圖e中陰影區(qū)域通過(guò)95%的T檢驗(yàn))Fig.3 Linear trends of air temperature(units:℃·(10 a)－1)at(a)850 hPa，(b)500 hPa，(c)200 hPa and(d)averaged zonal wind(units:m·s－1·(10 a)－1)in vertical section，and(e)difference of zonal wind(units:m·s－1)between the first decade and the last decade in the Northern Hemisphere from 1980 to 2009(The black thick contours are climatological zonal wind with unit of m·s－1in(b).Values above the 95%and 90%confidence levels using an F-test are circled by the white solid and dashed contours in(a)，(b)，(c)and(d)，respectively.Shaded areas in(e)show values above 95%confidence level using a T-test)

以上分析表明，在全球增暖背景下，大氣經(jīng)向溫度梯度減小，副熱帶西風(fēng)急流呈現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在太平洋區(qū)域急流強(qiáng)度的減弱，這是引起北半球大氣渦動(dòng)減弱的一個(gè)重要原因。

圖4 1980—2009年北半球200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)趨勢(shì)系數(shù)分布(a;陰影表示趨勢(shì)系數(shù)，單位:m·s－1·(10 a)－1;白色實(shí)、虛線分別通過(guò)95%、90%的F檢驗(yàn);風(fēng)矢量表示30 a平均風(fēng)場(chǎng)，單位:m·s－1)和副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)度變化(b;單位:m·s－1;實(shí)線:線性回歸;虛線:均值)Fig.4 (a)Linear trends of zonal wind(Shadings，units:m·s－1·(10 a)－1.Values above the 95%and 90%confidence levels using an F-test are circled by the white solid and dashed contours，respectively.Wind vectors denote climatological wind，units:m·s－1)，and(b)interannual variation of subtropical westerly jet intensity(units:m·s－1;solid line:linear trend;dashed line:mean)at 200 hPa in the Northern Hemisphere from 1980 to 2009

4 北半球渦度擬能與南北向渦動(dòng)輸送

為了進(jìn)一步說(shuō)明北半球的渦動(dòng)減弱現(xiàn)象，分析了擾動(dòng)動(dòng)量通量與擾動(dòng)熱量通量的變化。由瞬變渦動(dòng)引起的動(dòng)量和熱量等的通量是影響大氣環(huán)流變化的重要因素，在全球增暖且西風(fēng)急流減弱的情況下，探討北半球大氣渦動(dòng)減弱與動(dòng)量和熱量通量輸送的關(guān)系亦具有意義。為此，首先使用E作為診斷量。E可用來(lái)診斷正壓Rossby波動(dòng)的活動(dòng)，其方向與大氣中固有Rossby波群速度方向存在對(duì)應(yīng)關(guān)系(Hoskins et al.，1983)。

E的表達(dá)式為

式中:u'、v'為瞬變擾動(dòng)(這里指與月平均的氣候值的偏差);分別為E的緯向分量和經(jīng)向分量。E與低頻Rossby波動(dòng)的固有群速度基本平行且能反映擾動(dòng)的水平結(jié)構(gòu)特征。若0，擾動(dòng)經(jīng)向伸長(zhǎng)或經(jīng)向度大;若，擾動(dòng)緯向伸長(zhǎng)，擾動(dòng)的經(jīng)向程度小。

分析了1980—2009年北半球＜E＞合成矢量的平均水平分布狀況(圖5a)及其緯向分量(圖5b)、經(jīng)向分量(圖5c)和＜E＞的變化趨勢(shì)(圖5d)。通常情況下，Rossby波動(dòng)的能量傳播具有向東的分量，擾動(dòng)經(jīng)向伸長(zhǎng)，但對(duì)于由月平均風(fēng)場(chǎng)所得的結(jié)果，在多數(shù)地區(qū)，扣除季節(jié)變化后，不考慮多普勒頻移，擾動(dòng)表現(xiàn)為緯向伸長(zhǎng)，波能存在向西的傳播分量。平均而言(圖5a)，在北太平洋區(qū)域，＜E＞緯向分量明顯較大，且為負(fù)值，經(jīng)向分量較小，表明固有Rossby波能量向西傳，此時(shí)，經(jīng)向波數(shù)大于緯向波數(shù)，這是因?yàn)楣逃蠷ossby波相對(duì)于基本氣流的緯向群速度，當(dāng)Cgx＜0時(shí)，l2＞k2。由于，擾動(dòng)緯向伸長(zhǎng)，而相對(duì)較小，將不利于大氣動(dòng)量、熱量的南北向交換。但是，進(jìn)一步分析＜E＞變化趨勢(shì)(圖5b、c、d)發(fā)現(xiàn)，在重點(diǎn)關(guān)注的北太平洋區(qū)域，＜E＞的緯向分量和經(jīng)向分量均顯著增強(qiáng)，＜E＞的變化趨勢(shì)與其30 a平均狀態(tài)方向相反，這意味著二維Rossby波的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這種變化可能在太平洋區(qū)域有利于南北交換的加強(qiáng)。

圖5 1980—2009年北半球＜E＞30 a平均合成矢量分布(a;單位:m2·s－2)以及緯向分量(b)、經(jīng)向分量(c)和＜E＞(d)的趨勢(shì)系數(shù)(單位:10 m2·s－2·(10 a)－1;圖b、c中白色實(shí)、虛線分別通過(guò)95%、90%的F檢驗(yàn))Fig.5 (a)Distribution of climatological＜E＞(units:m2·s－2)in the Northern Hemisphere from 1980 to 2009，and the linear trends of(b)zonal and(c)meridional components of＜E＞，and＜E＞(units:10 m2·s－2·(10 a)－1.Values above the 95%and 90%confidence levels using an F-test are circled by the white solid and dashed contours in(b)and(c)，respectively)

值得注意的是，熱量經(jīng)向渦動(dòng)輸送減弱的區(qū)域正是北半球渦度擬能(圖1a、b、c)和方差(圖1d)分布的大值區(qū)，也是影響北半球渦度擬能變化的關(guān)鍵區(qū)域(圖2c)。通過(guò)計(jì)算關(guān)鍵區(qū)(12.5～50°N)熱量經(jīng)向渦動(dòng)輸送30 a的變化(圖6c)發(fā)現(xiàn)，30 a來(lái)關(guān)鍵區(qū)內(nèi)熱量的經(jīng)向渦動(dòng)輸送呈現(xiàn)出顯著的減小趨勢(shì)。對(duì)北半球關(guān)鍵區(qū)域熱量經(jīng)向渦動(dòng)輸送變化的時(shí)間序列與北半球渦度擬能變化的時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.68(通過(guò)0.01信度的顯著性檢驗(yàn))，表明北半球關(guān)鍵區(qū)域熱量的經(jīng)向渦動(dòng)輸送與北半球渦度擬能的變化存在非常重要的聯(lián)系。

圖6 1980—2009年北半球熱量經(jīng)向渦動(dòng)通量(＜v'T'＞)的趨勢(shì)系數(shù)分布(a;陰影表示趨勢(shì)系數(shù)，單位:℃·m·s－1·(10 a)－1;白色實(shí)、虛線分別通過(guò)95%、90%的F檢驗(yàn))和緯向平均熱量經(jīng)向渦動(dòng)通量前后十年的差值場(chǎng)(b;單位:℃·m·s－1;陰影區(qū)域通過(guò)95%的T檢驗(yàn))，以及1980—2009年關(guān)鍵區(qū)(12.5～50°N)熱量經(jīng)向渦動(dòng)通量的年際變化(c;單位:℃·m·s－1;實(shí)線:線性回歸;虛線:均值)Fig.6 (a)Linear trends of＜＞(Shadings，units:℃·m·s－1·(10 a)－1.Values above the 95%and 90%confidence levels using an F-test are circled by the white solid and dashed contours，respectively)，(b)zonal mean meridional eddy heat flux difference between the first decade and the last decade(units:℃·m·s－1.The shaded areas show values above 95%confidence level using a T-test)in the Northern Hemisphere from 1980 to 2009，and(c)interannual variation of meridional eddy heat flux(units:℃·m·s－1;solid line:linear trend;dashed line:mean)in the key area(12.5—50°N)from 1980 to 2009

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)北半球渦度擬能、副熱帶西風(fēng)急流、E以及熱量經(jīng)向渦動(dòng)通量的研究，發(fā)現(xiàn):

1)1980—2009年北半球?qū)α鲗拥拇髿鉁u動(dòng)呈減弱趨勢(shì)，氣旋和反氣旋式渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擬能均明顯顯示渦動(dòng)減弱，減弱的區(qū)域主要位于北太平洋以及極地地區(qū)。12.5～50°N區(qū)域渦度擬能的減弱對(duì)北半球?qū)α鲗哟髿鉁u動(dòng)減弱有重要作用，是影響北半球?qū)α鲗哟髿鉁u動(dòng)變化的關(guān)鍵區(qū)域。

2)在全球增暖背景下，對(duì)流層大氣經(jīng)向溫度梯度減小，副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)度呈明顯減弱趨勢(shì)。急流的變化與北半球渦度擬能變化有顯著的正相關(guān)關(guān)系，是引起北半球大氣渦動(dòng)減弱的一個(gè)可能重要原因。

3)中緯度熱量的經(jīng)向渦動(dòng)輸送呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，與北半球渦度擬能變化同樣存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

需要說(shuō)明的是，本文結(jié)果均是由月平均資料得出，而由逐日資料所得結(jié)果如何，尚不明確;另外北半球?qū)α鲗哟髿獾臏u動(dòng)減弱現(xiàn)象與全球暖化趨勢(shì)之間的內(nèi)在聯(lián)系尚有疑問(wèn)，除了因緯向風(fēng)減弱之外，是否還有其他原因?qū)е聹u動(dòng)減弱尚不清楚;渦動(dòng)減弱是否會(huì)導(dǎo)致平均環(huán)流發(fā)生變化仍不明確;在不同季節(jié)，渦動(dòng)減弱的程度可能存在不同;再者，已有研究表明中國(guó)沙塵暴現(xiàn)象有所減少(Qian et al.，2002，2004)，但其與這里所揭示的渦動(dòng)減弱具體關(guān)系如何，尚不清楚。這些都需未來(lái)使用多種資料和模式進(jìn)行深入研究。

白瑩瑩，管兆勇，張焱.2009.南半球夏季緯向平均環(huán)流的垂直結(jié)構(gòu)異常及其與AAO和ENSO的聯(lián)系［J］.地球物理學(xué)報(bào)，52(11):2689-2697.

蔡佳熙，管兆勇，高慶九，等.2009.近50年長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季氣溫變化與東半球環(huán)流異常［J］.地理學(xué)報(bào)，64(3):289-302.

蔡瓊瓊，周天軍，吳波，等.2011.東亞副熱帶西風(fēng)急流及其年際變率的海氣耦合模式模擬［J］.海洋學(xué)報(bào)，33(4):38-48.

黃昌興，朱乾根，周偉燦.2001.鄂霍次克海阻高發(fā)展過(guò)程的正斜壓渦度和渦度擬能的演變特征［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，24(3):356-363.

盧楚翰，管兆勇，王盤興，等.2010.7月南半球500 hPa極渦異常的度量及其與極區(qū)增暖的聯(lián)系［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，33(2):174-179.

王紹武，龔道溢.2001.對(duì)氣候變暖問(wèn)題爭(zhēng)議的分析［J］.地理研究，20(5):153-160.

伍榮生.1984.論渦度擬能的變化［J］.科學(xué)通報(bào)，22(9):1384-1386.

朱乾根.2002.阻塞過(guò)程中正斜壓渦度擬能相互轉(zhuǎn)換機(jī)制的重要性［J］.山東氣象，22(3):3-5.

Holopainen E O，Oort A H.1981.On the role of large scale transient eddies in the maintenance of the vorticity and enstrophy of the timemean atmospheric flow［J］.J Atmos Sci，38:270-280.

Hoskins B J，James I N，White G H.1983.The shape，propagation and mean-flow interction of large scale weather system［J］.J Atmos Sci，40:1595-1612.

IPCC.2001.Climate Change 2001:The Scientific Basis［M］.Cambridge:Cambridge University Press.

IPCC.2007.Climate Change 2007:The physical science basis［M］.Cambridge，United Kingdom and New York，NY，USA:Cambridge University Press:748-845.

Kalnay E，Kanamistu M，Kistler R，et al.1996.NCEP/NCAR 40-year reanalysis project［J］.Bull Amer Meteor Soc，77(3):437-471.

Krishnamurti T N.1961.The subtropical jet stream of winter［J］.J Meteor，18:172-191.

Krishnamurti T N.1979.Compendium of Meteorology，Vol.2，Part 4:Tropical Meteorology，Rep 364［R］.Geneva:World Meteorological Organization.

Laine A，Kageyama M，Braconnot P，et al.2009.Impact of greenhouse gas concentration changes on surface energetics in IPSLCM4:Regional warming patterns，land-sea warming ratios，and glacial-interglacial differences［J］.J Climate，22:4621-4635.

Lau K M，Boyle J S.1987.Tropical and extratropical forcing of the large-scale circulation:A diagnostic study［J］.Mon Wea Rev，115:400-428.

Levitus S，Antonov J，Boyer T P.2000.Warming of world ocean［J］.Science，287(5461):2225-2229.

Qian W H，Quan L S，Shi S Y.2002.Variations of the dust storm in China and its climatic control［J］.J Climate，15(10):1216-1229.

Qian W H，Tang X，Quan L S.2004.Regional characteristics of dust storms in China［J］.Atmospheric Environments，38(29):4895-4907.

Sutton R T，Dong B，Gregory J M.2007.Land/sea warming ratio inresponse t o climate change:IPCC AR4 model results and comparison with observations［J］.Geophys Res Lett，34，L02701.doi:10.1029/2006GL028164.

Whetton P，Macadam I，Bathols J，et al.2007.Assessment of the use of current climate patterns to evaluate regional enhanced greenhouse response patterns of climate models［J］.Geophys Res Lett，34，L14701.doi:10.1029/2007GL030025.

Zhang Y，Kuang X，Guo W，et al.2006.Seasonal evolution of the uppertropospheric westerly jet core over East Asia［J］.Geophys Res Lett，33，L11708.doi:10.1029/2006GL0026377.

Weakening trends of tropospheric enstrophy of monthly mean circulation in the Northern Hemisphere in the past three decades

YANG Zhe1，2，3，GUAN Zhao-yong1，2，CAI Jia-xi1，2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，NUIST，Nanjing 210044，China;2.School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China;3.Meteorological Observatory of 94833 Unit of PLA，Xiangtang 330201，China)

Using the NCEP/NCAR monthly mean reanalysis data from 1980 to 2009，this paper investigates the weakening trends of enstrophy in troposphere of Northern Hemisphere under background of global warming.Results show that the enstrophy has a weakening trend in the Northern Hemisphere from 1980 to 2009，especially in the North Pacific and polar regions.The zone of 12.5—50°N is the key area of enstrophy change in the Northen Hemiphere.Changes of the subtropical westerly jet in association with the meridional gradient of air temperature show that the jet intensity has a weakening trend，which is in accordance with the enstrophy change.A vector E is employed to diagnose the Rossby wave propagations in the atmosphere，showing that the disturbances in the atmosphere elongate more meridional in the Northern Hemisphere except western Europe.The meridional eddy heat fluxes in the Northen Hemiphere have also been weakening in the past 30 years.These results are helpful for our better understanding the circulation changes and the influences of global warning.

global warming;enstrophy;subtropical westerly jet;eddy flux

P421.31

A

1674-7097(2012)06-0702-10

2012-02-10;改回日期:2012-05-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41105056;41175062)

楊哲(1986—)，男，江西九江人，碩士，研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)流與氣候動(dòng)力學(xué)理論，yznuist@sohu.com;管兆勇(通信作者)，教授，guanzy@nuist.edu.cn.

楊哲，管兆勇，蔡佳熙.2012.近30 a來(lái)北半球?qū)α鲗哟髿庠戮h(huán)流的渦動(dòng)減弱現(xiàn)象［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(6):702-711.

Yang Zhe，Guan Zhao-yong，Cai Jia-xi.2012.Weakening trends of tropospheric enstrophy of monthly mean circulation in the Northern Hemisphere in the past three decades［J］.Trans Atmos Sci，35(6):702-711.(in Chinese)

(責(zé)任編輯:倪東鴻)