北半球冬季纬向平均环流异常的结构与变率

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1、北半球冬季纬向平均环流的结构与变率*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

2、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(zonalindex)的概念，即用35°N和55°N纬圈平均海平面气压的差反映北

3、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(theindexcycle)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

4、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

5、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8图1500hPa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

6、值年结果,横线标出标准差大小.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-U5

7、5°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2500hPa(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.表1不同要素间的相关系数H40-H65H40H65U35-U55-0.90-0.870.85U35-0.70-0.710.64U550.960.90-0.93U表示500hPa纬向风，H表示位势高度图3500hPa西风指数

8、的比较(U55即55°N