AO與冬季溫度場和風(fēng)場的相關(guān)特征分析

宋磊 蘇莉莉 秦瑜蓬

摘要 利用1958—2007年NCEP/NCAR再分析資料，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，從對溫度場與風(fēng)場的考查角度入手，分別以1958—2007年冬季氣候態(tài)、1983—2007年與1958—1982年的年代際氣候態(tài)差異、1958—2007年前后25年的北極濤動(dòng)（AO）與溫度場和風(fēng)場的相關(guān)的角度，結(jié)合AO冬季的10年滑動(dòng)均方差和線性趨勢研究1958—2007年冬季AO與全球溫度場和風(fēng)場對流層低層、中層、高層年代際氣候態(tài)變化，年代際的相關(guān)系數(shù)的變化特征。結(jié)果表明，以不同角度來看，各層冬季溫度場和風(fēng)場在50年間年代際的變化趨勢與AO的變化趨勢的配合能對50年間冬季溫度場和風(fēng)場與AO的年代際的相關(guān)產(chǎn)生影響，相關(guān)性存在年代際差異，相關(guān)性增強(qiáng)，這為進(jìn)一步研究近幾十年來冬季氣候變化提供了更加客觀的依據(jù)。

關(guān)鍵詞 溫度場;風(fēng)場;北極濤動(dòng)（AO）;相關(guān)

中圖分類號 P467文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）19-0227-05

Abstract Using the NCEP/NCAR reanalysis data from 1958 to 2007， using statistical methods， starting from the perspectives of temperature field and wind field，respectively， the climatic states of winter from 1958 to 2007， the interdecadal climatic differences between 1983-2007 and 1958-1982， and the correlation between the Arctic oscillation （AO） and the temperature and wind fields from 1958 to 2007，combined with the 10year sliding mean square error and linear trend of AO in winter， the variation characteristics of interdecadal climatic state of AO and global temperature field and wind field tropospheric lowlevel， middlelevel and highlevel，and interdecadal correlation coefficient were studied.The results showed that from different angles， the interdecadal variation trend of winter temperature field and wind field in each layer and the change trend of AO in 50 years had an impact on the interdecadal correlation between winter temperature field and wind field and AO in 50 years，there were interdecadal differences in correlation and increased correlation， which provides a more objective basis for further research on winter climate change in recent decades.

Key words Temperature field;Wind field;Arctic Oscillation （AO）;Correlation

北極濤動(dòng)（AO）是北半球冬季熱帶外行星尺度大氣環(huán)流最重要的一個(gè)模態(tài)[1-3]，伴隨北極濤動(dòng)的強(qiáng)弱變化，北半球中緯度地區(qū)與北極地區(qū)之間氣壓和大氣質(zhì)量呈蹺蹺板式準(zhǔn)正壓性的反向變化，當(dāng)北極濤動(dòng)處于正位相時(shí)，中緯度地區(qū)氣壓上升而極地下降，中緯度盛行緯向環(huán)流;反之，處于負(fù)位相時(shí)盛行經(jīng)向環(huán)流。北極濤動(dòng)的變化影響北半球甚至全球的氣候。許多氣象學(xué)家已經(jīng)從各種角度研究了北極濤動(dòng)對氣候的影響，如北極濤動(dòng)影響北半球太平洋大西洋對流活動(dòng)[4]、降水[5-7]、極端氣溫[8]、氣溫增暖[9]、冬季溫度[10-11]、中國冬季氣候[12]。這些研究大都是對區(qū)域氣候或氣候要素的研究，而且沒有結(jié)合風(fēng)場進(jìn)行研究。

冬季是AO模態(tài)最顯著、變率最強(qiáng)的季節(jié)。從20世紀(jì)中期到21世紀(jì)初，這段時(shí)間的前期與后期的冬季溫度場與風(fēng)場變化是最明顯的，其中很多地區(qū)的改變與AO的變化，與AO及其相關(guān)的變化是緊密聯(lián)系的。冬季溫度場與風(fēng)場的改變會(huì)對全球?qū)|亞氣溫降水等造成影響，筆者通過研究溫度場和風(fēng)場氣候態(tài)、年代際差、1958—2007年前后25年相關(guān)圖以及AO隨時(shí)間變化趨勢圖分析氣候態(tài)年代際變化、AO與溫度場風(fēng)場相關(guān)前后年代際的變化，AO趨勢之間的聯(lián)系和影響。

1 資料與方法

1.1 資料選取

采用的資料是NCEP/NCAR提供的全球范圍內(nèi)共17層的高度場的月平均網(wǎng)格點(diǎn)資料，格距為2.5°×2.5°，資料長度為1948年1月迄今。溫度場資料，u方向風(fēng)場資料，v方向風(fēng)場資料。

1.2 方法

將初始數(shù)據(jù)資料進(jìn)行提取，提取的時(shí)間范圍為1958—2007年的12月和1月、2月以及2008年1月和2月的月平均溫度場資料，u方向風(fēng)場資料以及v方向風(fēng)場資料，空間范圍為180°W～180°E，90°S～90°N。

（1）氣候態(tài)。對提取的資料的每年12月、1月和2月溫度場和風(fēng)場值逐一求平均值后，再做50年的平均：

式中，x表示時(shí)間，y表示要素逐年值，a為常數(shù)，b是回歸系數(shù)。當(dāng)b為正（負(fù)）值時(shí)，表示要素在計(jì)算的時(shí)間段內(nèi)線性增加（減弱）;b又稱為氣候傾向率[13-15]。當(dāng)b<0時(shí)表示AO系數(shù)隨時(shí)間的變化有降低趨勢;當(dāng)b>0時(shí)表示AO系數(shù)隨時(shí)間的變化有升高的趨勢。

2 冬季溫度場與風(fēng)場的演變及相關(guān)性演變特征

2.1 冬季溫度場低層、中層、高層的溫度演變及相關(guān)演變特征

2.1.1 低層。850 hPa處于對流層低層，對該層的分析可以較好地反映出對流層下部溫度場的年代際變化及其與AO相關(guān)的變化。圖1a為850 hPa溫度場上的氣候態(tài)圖，反映了冬季該層全球溫度場上的平均狀況。從圖中可見，溫度隨著緯度的升高而遞減，大致呈緯向分布;就50年來全球冬季850 hPa溫度場的氣候態(tài)而言，陸地溫度極為突出，北半球冷中心，南半球暖中心，且溫度隨緯度的升高而降低。由1958—2007年冬季850 hPa層后25年平均溫度與前25年平均溫度的差值（圖1b）可見，全球主要地區(qū)溫度上升，只有部分地區(qū)溫度下降。其中有幾個(gè)變化極其明顯的地區(qū)，東西伯利亞最高上升2 ℃，加拿大西部最高上升3 ℃，南大洋尤其是南美洲西部上升明顯，最高達(dá)2 ℃，說明這些地區(qū)近25年溫度較前25年大大增加。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季850 hPa溫度場與AO的相關(guān)系數(shù)（圖1c、1d）發(fā)現(xiàn)，后25年通過t檢驗(yàn)的正相關(guān)區(qū)域或負(fù)相關(guān)區(qū)域變多變大變強(qiáng)。

2.1.2

中層。500 hPa處于對流層的中間位置，它受地面的影響比低層要小得多，對該層進(jìn)行分析便于了解冬季對流層中層的溫度場變化情況以及相關(guān)變化情況。從500 hPa高度場上的氣候態(tài)圖（圖2a）可以看出，0°～30°N的低緯地區(qū)溫度較高，最高值可達(dá)-5 ℃;30°～60°N的中緯地區(qū)溫度相對較低，最低值達(dá)-40 ℃。由1958—2007年500 hPa后25年平均溫度與前25年平均溫度的差值（圖2b）可見，北冰洋上空為正值區(qū)，最高上升0.5～1.0 ℃，北美大陸一直延伸到西歐的正值區(qū)，最高上升1.0 ℃以上，亞洲部分地區(qū)最高上升0.5～1.0 ℃，南半球30°～60°S連成一片的區(qū)域增溫明顯，最高增溫1.5 ℃;降溫地區(qū)包括阿留申地區(qū)，下降1.0 ℃，格陵蘭地區(qū)下降1.0 ℃左右，以及靠印度洋的南極洲地區(qū)降溫明顯，最高下降-2.5 ℃。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季500 hPa溫度場與AO的相關(guān)系數(shù)（圖2c、2d）發(fā)現(xiàn)，后25年通過t檢驗(yàn)的地區(qū)主要分布在北半球，但是南半球的相關(guān)區(qū)域變多，而且南半球不僅正值區(qū)域變多，相關(guān)變強(qiáng)，而且負(fù)值區(qū)域也變多變大，相關(guān)性變強(qiáng)。

2.1.3 高層。由200 hPa高度場上的氣候態(tài)（圖3a）可見，溫度隨著緯度的升高而遞減，大致呈緯向分布。1958—2007年

200 hPa層后25年平均溫度與前25年平均溫度的差值（圖3b）顯示，全球溫帶地區(qū)溫度上升，高緯度地區(qū)溫度下降，增溫降溫區(qū)域幾乎連成一片。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季200 hPa溫度場與AO的相關(guān)系數(shù)（圖3c、3d）發(fā)現(xiàn)，200 hPa后25年通過t檢驗(yàn)的相關(guān)區(qū)域也變多變強(qiáng)。

2.2 冬季風(fēng)場低層、中層、高層的風(fēng)場演變及相關(guān)演變特征

2.2.1 低層。1958—2007年850 hPa冬季風(fēng)場氣候態(tài)（圖4a）顯示，阿留申低壓與冰島低壓十分明顯。從1958—2007年850 hPa層后25年風(fēng)場與前25年平均風(fēng)場的差值（圖4b）可以看出，阿留申低壓在后25年里其北部增強(qiáng)、南部減弱，低壓北移;冰島低壓減弱;西風(fēng)急流減弱，大西洋對東亞的水汽輸送減弱。1958—2007年前25年和后25年全球冬季850 hPa風(fēng)場與AO的相關(guān)系數(shù)（圖4c、4d）顯示，后25年全球的相關(guān)性明顯增強(qiáng)，阿留申地區(qū)是負(fù)相關(guān);冰島低壓南部是正相關(guān)減弱。

2.2.2 中層。從1958—2007年500 hPa冬季風(fēng)場氣候態(tài)（圖5a）能更清楚辨認(rèn)出西風(fēng)急流，地面系統(tǒng)變得不明顯，但仍能辨認(rèn)出阿留申低壓與冰島低壓的位置。從1958—2007年500 hPa層后25年風(fēng)場與前25年平均風(fēng)場的差值（圖5b）可以看出，阿留申低壓在后25年里其北部增強(qiáng)南部減弱，低壓北移;冰島低壓南部減弱，北部加強(qiáng);西風(fēng)急流減弱，大西洋對東亞的水汽輸送減弱。分析1958—2007年前25年和后25年全球冬季500 hPa風(fēng)場與AO的相關(guān)系數(shù)（圖5c、5d）發(fā)現(xiàn)，后25年全球的相關(guān)性明顯增強(qiáng)，阿留申地區(qū)是負(fù)相關(guān);冰島低壓南部是正相關(guān)減弱。

2.2.3 高層。從1958—2007年200 hPa冬季風(fēng)場氣候態(tài)（圖6a）能更清楚辨認(rèn)出西風(fēng)急流，地面系統(tǒng)變得不明顯，但仍能辨認(rèn)出阿留申低壓與冰島低壓的位置。從1958—2007年200 hPa層后25年風(fēng)場與前25年平均風(fēng)場的差值（圖6b）可以看出，阿留申低壓在后25年里其北部增強(qiáng)南部減弱，低壓北移;冰島低壓南部減弱，北部加強(qiáng);西風(fēng)急流北部減弱，南部加強(qiáng)，急流北移。分析1958—2007年前25年和后25年的全球冬季200 hPa風(fēng)場與AO的相關(guān)系數(shù)（圖6c、6d）發(fā)現(xiàn)，前25年與AO相關(guān)較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在北半球，冰島低壓地區(qū)與西歐地區(qū)相關(guān)性很強(qiáng);后25年全球的相關(guān)性明顯增強(qiáng)，阿留申地區(qū)是負(fù)相關(guān);冰島低壓南部是正相關(guān)減弱。

2.3 AO冬季平均趨勢分析與均方差分析

從1958—2007年冬季平均、10年滑動(dòng)均方差以及線性趨勢（圖7）可以看出，1958—2007年AO冬季平均隨時(shí)間是逐年增長的趨勢，并能看出AO冬季平均的波動(dòng)狀況隨時(shí)間的變化。

3 結(jié)論

趨勢，結(jié)果表明，1958—2007年冬季AO是一個(gè)隨時(shí)間增長的趨勢。就溫度場來看，850、500和200 hPa 1958—2007年冬季后25年溫度場與前25年平均溫度場的差值圖顯示，溫帶大陸是升溫趨勢。通過分析3個(gè)高度上AO與溫度場相關(guān)系數(shù)年代際變化，北極濤動(dòng)與溫度場正相關(guān)區(qū)域面積增大、相關(guān)性增強(qiáng)，主要集中地區(qū)為溫帶大陸，其他負(fù)相關(guān)地區(qū)面積也增大，相關(guān)性增強(qiáng)，所以AO與冬季溫度場相關(guān)性增強(qiáng)。就風(fēng)場而言，北極濤動(dòng)與風(fēng)場的相關(guān)性存在年代際變化，后25年相關(guān)性明顯強(qiáng)于前25年，說明北極濤動(dòng)對風(fēng)場的影響越來越大。

該研究初步從AO與冬季溫度場和風(fēng)場相關(guān)性方面進(jìn)行了研究，然而冬季溫度場、風(fēng)場變化的原因是非常復(fù)雜的，尚需進(jìn)一步研究。

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