北半球冬季纬向平均环流异常的结构与变率.doc

1北半球冬季纬向平均环流的结构与变率 *龚道溢 北京师范大学 教育部环境演变与自然灾害开放研究实验室 100875王绍武北京大学 地球物理系 100871摘要：对冬季对流层纬圈平均纬向风(u) 进行的经验正交函数分析显示，最主要的特征表现为两个相反符号的极值中心，一个在 30~35N 之间，另一个则在 55N与此相联系的纬圈平均高度场最突出的模态也是有两个相反符号的中心，一个在 40N 附近，另外一个则在65N 附近因此可以用 H40N-H65N，即 40N 和 65N 纬圈平均位势高度的差，来定义西风指数，反映温带地区西风的强弱西风指数高的年份，北半球气温通常也偏高，主要是中纬度大陆变暖明显，这可能与中高纬度西风强时，向北的经向热量输送也加强有关50 年代以前北半球偏暖的时期指数偏低，而偏冷的时期指数偏高但近 30 多年来，伴随全球加速变暖，西风指数也持续加强，这可能与温室效应的加强有关关键词: 西风指数, 变率, 气候变化1 前言 人们很早就注意到，大气环流的最基本的特征是大气大体上沿纬圈方向的绕极运动30 年代后期 Rossby[1]最早提出了西风指数(zonal index)的概念，即用 35N 和 55N 纬圈平均海平面气压的差反映北半球温带地区(35 -55N)西风的强弱，以此来作为定量描述大气运动基本状态的一个参数。

温带西风强时称为“高指数”环流，弱时则是“低指数”环流Willett 及 Namias[2]随后指出，西风极大值出现的位置也随西风指数的强弱有明显的经向移动，高指数时强西风位置偏北低指数时强西风位置偏南，多位于副热带，可达 30N 左右Namias(1950) [2]进一步提出了指数循环(the index cycle)的概念这些开创性的工作极大地推动了大气环流的研究当然，早期人们主要是从天气学的角度来研究西风指数的变化的，不过由于指数循环的时间尺度约 4~6 周，所以月平均西风强度的变化所反映的是时间尺度更长的西风变率王绍武 [3]在 1963 年利用 10 年的北半球 500hPa 月平均高度研究了西风指数的变化，指出有准两年振荡，但由于时间序列太短，不足以研究西风强度更长尺度的变率70 年代到 80 年代初，人们更多的是注重研究 ENSO 及其影响，对中纬度大气环流的变化有所忽略，西风指数的研究一度受到人们的冷落但近来大家逐渐认识到，西风指数的强弱，反映了中高纬大气环流的基本状态，这种状态对高纬与中低纬之间大气质量、动量及热量的交换，与半球及全球气候异常均有密切的联系Thompson 和 Wallace[4]指出北半球冬季海平面气压场最突出的模态具有纬向对称的结构，并称之为“北极涛动” 。

整个北半球对流层乃至到相邻的平流层低层，高度场的结构都是一种大致纬向对称的空间型 [5~7]在南半球纬向结构的特征更明显，称为“南极涛动” [8,9]两者实质上反映的都是中纬度西风强度但它们不仅与中高纬，与低纬风场及温度场也有密切的关系这些研究推动了对西风环流变率与气候变化关系的认识本文将分析北半球冬季西风环流的结构，以及与温度变化之间的关系2 纬向环流的结构* 由国家自然科学基金重点项目(49635190) 及国家重点基础研究发 展规划首批项目(G1998040900)资助2在 Rossby 的工作之后，Lorenz(1951) [10]曾指出，由于大气质量在不同纬度带间交换造成的气压变化，有两个地区有最好的一致性，一个地区在65N，另一个在 35N，这意味着用这两个纬度的海平面气压差来代表西风可能比用 55N 和 35N 更合理除此之外，后来人们也陆续使用过其它不同的纬圈组合来表示西风指数(如 40N 与 60N)一些研究发现，不管是对流层中层还是上层，纬向风(u)的异常在中纬度和高纬度表现出反号的特征 [11,12]，因此丁敏芳等 [13]曾用35N 和 55N 上纬向风的差值来代表西风指数(即 U35N-U55N)。

Thompson 和 Wallace[4]用海平面气压 EOF 分析的时间系数来反映纬向风那么，究竟纬向风异常的结构是怎样的，以及如何更好地表征西风指数仍需要具体分析a) 500hPa (b) 1000hPa图 2 500hPa(a)和 1000hPa(b)纬圈平均冬季纬向风(U)与位势高度(H)奇异值分解(SVD)的第一对模态. 纵坐标为无量纲值. 图 1 500hPa 纬向平均 u 的合成情况， (a)中实线是 5 个高指数年平均，虚线是 5 个低指数年的平均，5 个高、低指数年由 EOF 分析的时间系数来确定， (b)为高值年减低值年结果, 横线标出标准差大小.0*̰ 

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2I4Iⴰⴰ3利用 NCEP/NCAR 的1958~1998 再分析资料，分别对 500hPa 和 1000hPa 纬圈平均的纬向风( u)进行 EOF 分析，分析前对资料都进行了面积加权处理( cos())，这样处理后的风场能比较真实地反映大气动量。

后面的分析中对高度场也做了同样处理，以便更合理表示大气质量的相对多少纬向平均纬向风(u)的 EOF 分析第一个模态分别解释总方差的 45.6%和56.4%，且非常相似：都有两个相反符号的极值中心，一个在 30~35N 附近，另一个则在 50~55N这种结构可能说明了中纬最大西风中心的南北位置的移动当最大西风带位置偏北时，则中纬度偏南地区出现东风异常，高纬出现西风异常反之，如果强西风中心位置南移，则较低纬度地区出现西风异常图 1 是 500hPa 纬向平均 u 的合成情况，分别是其 EOF 分析时间系数的 5 个极大值和极小值年的平均，同时还给出了二者的差及一个标准差代表的变化范围5 个极大正值年里强的西风分布的纬度范围更宽，超过 10m/s 的纬度包括了 20~55N，中心在 40N 左右，但最大西风值稍低；5 个极大负值年里，最大西风带范围变窄，超过 10m/s 的纬度包括了20~45N，而且中心位置偏南 5~10 个纬度，可达 30N 左右,最大西风值偏高如果用高度场进行 EOF 分析，则最突出的模态也有两个相反符号的中心，一个在40N 附近，另外一个则在 65N 附近。

对高度场与纬向风做奇异值分解(SVD)，这种结构特征十分明显图 2(a)是 500hPa 纬圈平均高度距平与纬圈平均 u 距平的 SVD 分析第一对模态，图 2(b)是 1000hPa 的情况这一对模态分别解释了 500hPa 和 1000hPa 上高度和 u 协方差的 46.2％和 57.5％可见近地面和对流层中层的特点非常相似，对于高度场都是在40N 和 65N 分别出现性质相反的两个极值中心，与此向对应的 u 的两个相反性质的极值都是出现在 30~35N 及 50~55N 附近有趣的是高度场极值出现的两个纬度与南半球的南极涛动的两个极值纬度是完全一样的，这并非是偶然现象，而是反映了大气内部的固有结构特征而且不仅是这上面这两个层次上如此，用从 1000hPa 到 200hPa 共 10 层的 u 和高度场资料分别单独进行 EOF 分析或一起做 SVD 分析，都发现低层与高层，纬向风及高度场的特征有极大的相似性，而且二者间的关系也如此极值中心的位置上下都一致，反映出西风异常的正压性质因此，根据上面的分析可以得出结论，西风指数的强弱可以用 40N 和 65N 纬圈平均位势高度的差来表示，即 H40N-H65N。

根据 Rossby 和 Namias 等最早的研究，西风指数应该能尽可能好地描述温带地区的纬向西风的强弱本文前面的分析表明，与高度场的变化表 1 不同要素间的相关系数H40-H65 H40 H65U35-U55 -0.90 -0.87 0.85U35 -0.70 -0.71 0.64U55 0.96 0.90 -0.93U 表示 500hPa 纬向风，H 表示位势 高度图 3 500hPa 西风指数的比较 (U55 即 55N 纬圈平均纬向风; H40-H65 则为 40N 与 65N 纬圈平均高度的差)K 
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 0Kͧpͭ ⴰ5[ⴰ5[ C4相联系的风场，在 55N 有最大的相关在 500hPa 位势高度上西风指数 (H40N-H65N)与55N 西风 (U55N)间相关系数达 0.96用 35N 和 55N 上纬向风的差值来反映西风的变化，虽然在统计上与西风指数(H 40N-H65N)有很高的相关(-0.90)，但物理意义上显然不如后者清晰可见用 H40N-H65N 来代表西风指数从其代表性和物理意义上看的确是一个很好的指标。

见图 3 和表 1由于西风指数强调的是纬圈平均状况，因此很容易会认为与槽脊的变化没有什么关系但从最初定义西风指数时，就发现西风基本气流的强弱与大气环流的定常波有密切的联系图 4 和图 5 就可以很清楚地说明这一点图 4 是标准化的西风指数与 500hPa 位势高度间的回归系数，即当西风指数增强一个标准差时，对应的各格点高度变化可见在西风增强的情况下，东亚大槽变弱、高度增加 10~20gpm，北美大槽也存在同样量级的减弱因此，在高空西风气流更为平直Wallace 和 Hsu[14]曾对比西风指数强弱状况下的高空和地面环流差异，指出强西风时地面大气涛动（如北大西洋涛动）也增强，同时在高空一些大气遥相关也增强( 如东大西洋型、西大西洋型、西太平洋型 )这些特点在图 4 中也有体现同时在图 5 海平面气压与西风指数的关系中可以看到，除北大西洋涛动加强外，在亚洲大陆中高纬，西伯利亚高压的强度也减弱，中心区域的强度减弱 1~2hPa此外，图 4 和图 5 也进一步说明西风环流在地面与高空都有大体相似的结构，这反映了大尺度大气运动的正压性不过，在高空其纬向特征更为明显，而西风异常与 SLP 的关系受下垫面热力、物理状况差异的影响和限制更明显。

3 西风环流对温度的影响很早人们就发现高指数环流盛行的年份，北半球地面气温通常偏高Namias [2]认为，当西风指数强时，中纬加强的西风环流将会阻止高纬度和低纬度地区之间的热量交换，在极地及副极地由于辐射冷却，温度将会变得更低，而中纬度地区温度会升高但后来人们认识到情况没有这么简单实际上在南北向的热量输送过程中，包括较大尺度的定常波及天气尺度的瞬变波，都起着十分重要的作用 [15,16]而这些涡旋的活动与西风气流间也存在着紧密的联系前面的分析中曾指出，西风指数强时，55N 和 35N 的纬向风呈相反性质的变化，这相当于水平切变的增强，很容易理解这会有利于涡旋活动的产生和加强Limpasuvan 和 Hartmann[16]最近的模拟研究发现这些与西风环流有关的涡旋活动在北半球图 4 500hPa 高度与西风指数间的回归系数,即当西风指数增强一个标准差单位时相应的位势高度的变化量(gpm)图 5 海平面气 压(SLP)与西风指数间的回归系数,即当西风指数增强一个标准差单位时相应的海平面气压的变化量(hPa)5主要是定常波，南半球主要是天气尺度的瞬变波Robinson(1994) [15]在两层的简单大气环流模式中，人为地将西风指数加强或减弱，结果发现涡旋活动的动量输送与西风指数的强弱之间，是一个正反馈关系。

据我们计算，当西风指数强时，由定常波造成的向高纬度地区的热量输送也加强，中心在 40~50N，图略图 6 是西风指数与北半球地面气温或海面温度的回归系数，当西风指数。