冬季位势高度场和温度场的北极涛动特征外文翻译资料

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冬季位势高度场和温度场的北极涛动特征

David W. J. Thompson John M. Wallace

西雅图华盛顿大学大气科学系

摘要：比起北大西洋涛动（NAO），冬季海平面气压场的首要经验正交函数对亚洲大陆的表面气温波动的耦合要更加强烈。虽然在很多方面与NAO类似，但是，但是它活动中心主要在北极，呈纬向对称。与50hPa层面上的强烈波动在季节内年际和年代际时间尺度上耦合，这种“北极涛动”（AO）可以理解为极涡高空强度表征。据推测，纬向不对称表面空气温度和观察到的中部对流层环流异常可能是由海陆对比引起的继发斜压特征。同样的模式结构反映在冬季和春季地表气温、海平面压力与50hPa高度场过去30年明显的变化趋势：欧亚大陆部分地区升温约几度（K），平流层下部极涡中心降温几度（K）。这些趋势可能在大气的主导、可变性的天然存在的模式中的被解释为系统偏差的发展。

引言：

越来越多的证据表明平流层极涡在一些气候的年际和现代的变化在地球表面影响越来越多。 Baldwin等人 [1994]，Perlwitz与Graf [1995]，郑和Dunkerton [1995]，和Kitoh等人 [1996]都记录了50hPa近纬向对称的极夜急流强度与500hPa北大西洋涛动（NAO）的波状图案的耦合关系。Hurrell [1995]表明，NAO与欧亚大陆的冬季表面气温（SAT）、海平面气压（SLP）横跨北大西洋了冰岛异常增强的西风在50°N（NAO的正极性）和来自英国和斯堪的纳维亚半岛远到西伯利亚延伸的SAT异常有关。 Hurrell [1996]继续证明，在过去30年的NAO上升趋势很大地影响了SAT变暖的平均20°N地区与极地。Kodera 和Yamazaki [1994]，Graf等人 [1995]，Kodera and Koide [1997]猜想近期欧亚冬季变暖和极夜急流加强之间有动态关联。Robock 和毛 [1992]，Graf等人[1994]和Kodera [1994]援引火山爆发来解释冬天时观测到的欧亚正SAT异常。本文我们将提供表1中所列数据以及基于数据给出的关系分析和解释。

结果：

在本节中，我们构建了北半球地面以上冬季变化的主要模式的立体图像。在分析中的主要变量是SLP（帕），使用1000hPa面的相对高度近似表示近海平面气压，Z单位为米。

作为参考变量，我们使用冬季（11- 4月）在20°N地区月平均SLP异常场，占方差的22％ [1982年]。相关的加载向量或经验正交函数（EOF）示于如图右下。 1.首先Lorenz [1951]在纬向平均SLP数据识别，随后Kutzbach [1970]，Wallace和Gutzler [1981]和Trenberth和Paolino [1981]分析网格数据，这种模式涉及到北极盆地之间的跷跷板作用影响周边纬向环流部分。它是主导两个季节内（月与月之间）和年际变化在整个98年SLP记录，如图2中所展现。 2.在过去的30年太平洋中心部分的活动是由年代际趋势掩盖季节性平均数据（稍后讨论）。但是可以通过执行EOF分析（图2，右图）根据每个格点的线性趋势恢复数据。这种模式结合了许多NAO的特点，其大水平尺度和更高程度的纬向对称性使其更类似于南半球的SLP[Rogers 和van Loon，1982]，更像一个极涡高空表面特征。为了从更多区域区别图1的模式，我们将在这里把它称为北极涛动（AO），相关的主成分时间序列称为AO指数。这种微妙的区别，第一个由鲍德温等人 [1994提出]，对于预测联系强度非常重要，将会在下面的段落做出讨论。

图1左下显示了基于AO指数的冬季月平均SAT距平。类似于图3 Hurrell [1995]，但表2中的相关性表明AO比NAO占更多的北半球SAT的方差。

图1中也显示了冬季月平均位势高度场通过回归到标准化AO指数衍生模式，与冬季每月回归场与产生的“膨胀系数时间序列”。SLP和50hPa高度场特征非常相似，与其膨胀率时间序列密切相关，如表3中所示。50hPa图像显示了极涡强度的波动（图3）。这个50hPa高度回归图案几乎与图1所示的50hPa高度的首要EOF相同，如图4。实际上，SLP图案几乎相同于首要EOF图，见图1，可以用相反的方式进行，通过在50hPa高度首要主成分回归SLP。50hPa的位势高度异常是与此模式相关的1000高度场异常的近5倍强。由于两个级别的空间模式相似，它遵循的能量密度（密度和振幅平方的乘积）在此高度范围内几乎不变。根据SLP（未示出）的后继EOF回归模式，对流层到平流层未表现出任何的向上扩增。

表1 研究用数据

图1 左边六图：位势高度（Z）、对流层顶、1000到500hPa厚度与表面气温（SAT）异常，基于1947-1997冬季十一月至四月每月海平面气压异常（AO指数）。时间序列基于月度数据从1958年至19​​97年冬季（十一月至四月）季节性变化。相关统计列于表3。水平轴表示了1958年至19​​67年的多年状态。

图2 从左至右：冬季（十一月至四月）的首要EOF标准化SLP距平，1947-1997季节内异常（冬季月际变化），1919-1968季节平均，文中描述的1968-1997季节性平均趋势。

表2 1900-1995（十一月至四月月度值）NAO与AO的相关统计（r），r (NAO, AO) = 0.69

表3 AO指数（1958-1997十一月至四月）相关性

季节内和年际趋势变化（未显示）表现出几乎相同的垂直结构。50hPa高度和SLP场之间的耦合在季节内变异性（表3）不强，但由于自由度较大所以统计学上并没有那么重要。这两个季节内和年际变化表现出大幅上升。图5示出了AO指数，以及图1记录了1900-1997年更长时间的对应SAT场的膨胀率时间序列。AO和SAT场际尺度的时间序列耦合性很强，时间序列显示出过去30年的气候变暖趋势，北极SLP场降低西伯利亚变暖。趋势见图1。

三十年（1968年至19​​97年）的冬季平均SAT、SLP和50hPa高度（图6）线性趋势图强烈类似于图1所示的模式结构，但有一个值得注意的不同：30年SLP趋势在北极和北太平洋负，而在图1的模态结构中两个地区SLP异常符号相反。北太平洋的压力降低到足够大以抵消北太平洋的弱活动中心在季节性均值SLP领域的首要EOF，在此期间需要清除线性趋势恢复AO模态见图2。 ENSO年代际变化由Trenberth和Hurtell [1994]和张等人[1997]记录，为太平洋板块这种反常的情况作出了贡献。尽管SLP趋势和在图1中的EOF之间有着如此的差异，但是观察到近几年的欧亚冬季的冬季气候变暖和拉布拉多的冷却[IPCC,1995]、在波弗特涡流[Walsh,1996]持续的气旋性地面风异常、NAO高指数相关性增强[Hurrell，1995] 以及平流层极夜急流加强[Graf等人，1995; Kodera和Koide，1997]，都与从地球表面到低平流层极涡的深化有关。从对流层到50hPa位势高度异常的近五倍放大意味着北极上空平流层下部已经几度冷却。不仅是趋势与去年至今年的年际变化与关联的空间格局相似，图6中的三个场的趋势相对幅度也可以与图1中进行对比。在每种情况下的30年趋势相当于一个月至三个月的变异约1.25倍偏差。因此，观察到的趋势可以被看作是在一个月至一个月变性的月际模式偏压参照。

解释：

在冬季极涡深垂直耦合，如1977年1月的平流层气候变暖表明，这是伴随着一个强大的反气旋表面在北极[Quiroz，1977年]形成的。然而直到在引言部分的提到的近期研究、令人信服的统计数据耦合之前它都尚未得到证实。在上一节的分析中证明了存在深厚的垂直耦合在冬季极涡的存在及其在扩展（11- 4月），欧亚和西北大西洋冬季相对SAT异常。而Baldwin等人[1994]，Perlwitz与Graf[1995]，郑和Dunkerton [1995]和Kitoh等人 [1996]曾经对500-或850hPa高度场方面的对流层环流进行研究，这项研究强调了SLP场。已经表明，在平流层循环的强度波动可以影响SLP的先导EOF。这种深层垂直耦合显然是通过广泛的频率范围进行，它模拟了Kitoh等人[1996]最近的模拟研究，Kitoh [1996]，和Volodin与Galin [1998]。

图3（左）1958-1997年冬季（十一月至四月）50hPa高度场，等高距为150米

图4（右）1958-1997年冬季50hPa位势高度距平首要EOF分析场，占总方差50%。等高线间隔40米

图6 从左至右：SAT异常、SLP异常、50hPa高度异常的30年（1968年至1997年）变化趋势。所有图根据冬季平均数据（十一月至四月）绘制。

我们进一步推测，这些引发波动的对流层特征会纬向对称不是因为海陆差异的存在。更强的纬向气流平流输送更湿润的海洋空气进入大陆，大陆的寒冷大气在西部海洋上空，增加了大西洋飓风经过喀拉海的频率[Rogers和Thompson，1995]，从而诱导了如图1和图6所示的中部对流层行星波模式SAT距平。图1可以被认为是这些温度异常的静力特征，而它是否在与平流层耦合中起着至关重要的作用还有待进一步质疑。

参考文献：

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Hurtell, J. W., Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: Regional temperatures and precipitation, Science, 269, 676-679, 1995.

Hurtell, J. W., Influence of variations in extratropical wintertime teleconnections on Northern Hemisphere temperature, Geophys. Res. Len., 23, 665-668, 1996.

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IPCC, Climate Change 1995:

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