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观测到的北半球冬季行星波强迫的年际振荡

陈文

LASG，中国科学院大气物理研究所，北京，中国

汉斯-F 格拉夫

马克斯普朗克气象研究所，德国汉堡

Masaaki Takahashi

东京大学气候系统研究中心，日本东京

2002年8月6日收到; 2002年9月5日修订; 于2002年9月24日接受; 2002年11月29日公布

摘要：利用1958〜1998年的NCEP-NCAR再分析资料，在北半球冬季发现了由行星波（波数1〜3）引起的涡旋强迫的两个年际振荡，称为平流层年际振荡（SIO）和对流层年际振荡（TIO）。SIO和TIO之间的时间演变不同，表明了不同的动态机制。在正的TIO位相，行星波倾向于在对流层中向赤道方向弯曲，而在正的SIO阶段期间，在平流层中上层和上层。结果还表明，行星波向对流层顶的极地波导中上行传播与TIO密切相关。 进一步的回归和相关分析表明，TIO与北环模式（NAM）密切相关，而SIO与厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）密切相关。目录条款：3319气象和大气动力学：全球环流;3384海浪和潮汐;3362平流层/对流层相互作用;3334中大气动态（0341,0342）;1620全球变化：气候动态（3309）。引用：Chen，W.，Hans-FG和Masaaki T.，观测到北半球冬季行星波强迫的年际振荡，地球物理学报。RES。通讯，29（22），2073，doi：10.1029 / 2002GL016062,2002。

1、引言

越来越多的证据表明，中纬度纬向平均纬向风（u）中的偶极子模式是北半球冬季年际变率的重要模式[Dunkerton和Baldwin，1991;汤普森和华莱士，2000]。北半球u波动通常伴有大幅度的驻波。DeWeaver和Nigam [2000]指出了u波和静止波异常之间的协同动力学关系，其中每一个都是另一个的来源和响应。Limpasuvan和Hartmann [1999]表明北半球模式（NAM）的变化被称为中纬度地区近乎对称的北 - 南动量运动，主要由北半球对流层自由的驻波涡流通量强迫造成的。行星波被对流层中的地形和地形和海洋分布所产生的非绝热加热模式强迫[Andrews et al。，1987]。在冬季，行星波从对流层传播到平流层和相关的经向热流可以通过纬向平均流结构来改变[例如Chen和Huang，1999]。然而，关于行星波活动在气候变率方面的变化，只有很少的分析。因此，在这篇短文中研究了对流层和平流层中恒定行星波引起的涡流强迫的年际变化。

2、数据和方法

本研究基于美国国家环境预测中心 - 美国国家大气研究中心（NCEP-NCAR）再分析[Kalnay等，1996]的41年（1958 - 1998年）月平均气压数据。 季节均值由12月，1月和2月的平均值（DJF）构成，产生40个冬季场。(4)Eliassen-Palm通量（EP通量）被用作诊断工具，它是波活动传播的度量。EP通量散度表示纬向平均流的涡旋强迫[Andrews等，1987]。 通过将冬季位势高度场扩展为它们的纬向傅里叶谐波，纬向波数1到3的总和被用来表示固定的行星波活动。 球形几何中准地转形式的EP通量被用于计算行星波引起的散度[Edmon等，1980]。 对于回归和相关性研究，我们根据戴维斯[1976]的结果使用有效自由度数（EDOF）来检验统计显著性。

3、结果与讨论

根据气压数据计算由地带性波数1 - 3的超长行星波引起的40次冬季通量的偏差。为了识别可能表示行星波中常规振荡的一般的空间模式，我们计算了纬向气压场中EP通量散度中的遥相关性如图1所示。远距离传播性代表了当网格点与所有其他网格点相关时在网格点获得的最大反相关[Wallace and Gutzler，1981]。 很明显，在平流层和对流层都有大的遥相关。 遥相关模式的细节可以通过构建EP通量散度的单点相关图来阐明。 这些可以用30hPa，75°N（图2a），30hPa，57.5°N（图2b），500hPa，50°N（图2c）和300hPa，40°N （图2d）。

图1.由于行星波（波数1 - 3）导致的冬季EP通量散度的遥相关性。 明暗阴影区域分别表示绝对相关系数分别超过0.55和0.65

具有平流层参考点的图2a和图2b具有与南北偶极结构相似的形状。 大的相关值主要存在于平流层，而对流层只存在边际相关值。 对于参考点（30hPa，75°N）和（30hPa，57.5°N）的时间序列，EDOF为34，相关系数的99％显着性阈值为0.42。 这两个时间序列的相关性值为0.74，远远超过了99％的显着性水平。 虽然在20°N至25°N之间附近有次要的大相关值，这里不会考虑它们。有两个原因。 首先，自1979年以来卫星资料在NCEP再分析中的使用导致了热带地区的虚假变化[Pawson和Fiorino，1999]。 这些对主要围绕热带地区的趋势和变异性分析有很大的影响。其次，与中高纬度相比，热带 - 亚热带地区由于恒定行星波导致的EP通量散度值较小。 图2a-2b表示EP通量散度场中的平流层遥相关模式。

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随着对流层参考点（图2c和图2d）出现同样强烈的模式，但具有更复杂的结构。 这里的结构似乎与高低NAM指数之间的纬向波数1到3之间的复合EP通量差相似[参见Hartmann等人，2000的图3]。 它表明，基本上这个过程位于对流层，但对平流层有影响。 平流层高纬度极端对流层基本模式（图2c-2d）出现在纬度（65°N），其中基于平流层的模式具有最小值（图2a-2b）。 北半球的大相关值也有一个趋势，大致在250hPa高度上被抑制，这与高纬度地区的冬季对流层顶高度接近。 这可能是由于对流层上层极夜急流的行星波传播的折射。 线性波理论表明，行星波的向上传播通过在极地对流层顶附近的u的垂直切变折射到平流层的极地波导中[Chen and Robinson，1992]。 对于参考点（500hPa，50°N）和（300hPa，40°N）的时间序列，EDOF为38，这两个时间序列的互相关值为-0.66，超过了-0.40的99％显着性水平。 因此，图2c-2d表示另一个行星波主要在对流层强迫的遥相关模式。

图2. 40h冬季EP通量散度与30hPa，75°N（a）参考点的单点相关图。30hPa，57.5°N（b）;500hPa，50°N（c）; 300hPa，40°N（d）。

参考点分别用“”标记。 轮廓间隔为0.2，零轮廓线已被抑制。 对于相关系数2：0.4的绝对值，这些区域用阴影表示。

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我们根据冬季异常定义了一个平流层模态指数，即30hPa 上75°N与57.5°N之间的EP通量散度差异和500hPa 上50°N与300hPa 40°N之间的对流层模态指数。 因此，正向模态指数表示北极地区EP通量的异常分布和南半球地区的偏差; 负模态表示相反符号的异常。 图3显示了1959年到1998年这两个指数的时间序列。这里，1959年代表1958/1959年的冬季等。对流层模态指数与其正极性有明显的线性趋势，统计学意义在99％以上（图3b）。平流层模态指数略有增加，但无统计学意义（图3a）。这两个指数都有很大的年际变化。 下面，我们将这两个时间变化分别称为行星波强迫的平流层年际振荡（SIO）和对流层年际振荡（TIO）。图3中两个时间序列之间的相关性仅为0.2，这在统计学上并不显着，表明平流层和对流层振荡的不同原因。 虽然SIO主要局限于平流层，但TIO主要是对流层现象，仅包括平流层较低的部分。 因此，认为SIO在物理上独立于TIO是合理的。

线性回归和相关分析是为了评估行星波传播和与行星波强迫的年际变化相关的u异常。 在回归和相关分析之前，通过减去线性趋势来消除这两个指数。 EP通量分量的冬季异常，其偏差和u也通过减去局部线性趋势而趋于平缓。 图4a-4b中EP通量横截面分别显示了与SIO和TIO相关的那些异常。 就SIO指数而言，EP通量散度的南北偶极模式在中高层平流层高纬度地区演变（图图4a）。 当SIO为正值时，行星波倾向于向北弯曲，并与北部的EP通量散度和南部的汇合相关。 对于TIO指数，EP通量散度的偶极子出现在对流层中纬度（图4b）。 这个偶极子与对流层中行星波的异常经向传播有关。 极地波导中还有EP通量散度高于平流层，与正向TIO指数相关。 EP通量异常表明，在对流层顶横跨对流层顶的波活动向上传播到平流层中的极地波导中会减少，并且波在平流层下层的中纬度地区倾向于向对流层的中纬度方向弯曲。

图3b显示了TIO指数的一个重要趋势朝向其正极性。 这意味着近几十年来对流层中的赤道传播增加，并且减少向行星波的平流层传播。 这些观测结果与大气环流模型[Shindell等，1998]和耦合大气 - 海洋气候模型[Perlwitz等，2000]在温室气体强迫增加下的结果一致。

图5显示了u对SIO指数（图5a）和TIO指数（图5b）的回归（等值线）/相关（阴影）图。 结果表明，这两种振荡都与中纬度地区u异常的南北波动有关，但在不同的层次和不同的相关性中。 与SIO指数相对应，异常的空间格局在平流层中上层具有偶极结构。 然而，SIO指数与u异常之间的相关性并不高。 一个正的SIO指数状态对应于中平流层和中层平流层副热带西风异常的显着减弱。 与TIO指数相对应，u异常的结构是从对流层低层向平流层上层延伸的等效正压偶极子，在35°N时西风减弱，并在55°N附近西风增强（图5b）。 这种模式非常类似于标准NAM指数回归的纬向平均地转风[参见汤普森和华莱士的图1b，2000]。 此外，TIO指数与u异常之间的相关性非常大，最大值出现在35°N和55°N之间。 在35°N和55°N从地面到70hPa的绝对相关值超过0.6。 因此，可以得出结论，TIO与NAM密切相关。

图4.根据1959年至1998年的冬季资料，纬向波数1至3（矢量）及其散度（等值线）行星波的EP通量横截面在归一化SIO指数（a）和TIO指数（b）上回归。 EP通量按照空气密度的倒数进行缩放。 EP通量散度的单位是ms日。 轮廓间隔为1.0英寸

（a）和（b）中的0.4。 零轮廓线已被抑制，虚线表示负值。 通过减去线性趋势来减少指数和数据。

图五：u异常与归一化SIO指数之间的回归（等值线）/相关（阴影）模式（a）和TIO指数（b）的基础上，从1959年的冬季数据到1998年。这些指数和异常情况都是通过也减去线性趋势。 回归值以毫秒为单位，轮廓间隔为1.0。

事实上，利用NCAR的每月海表温度（SST）数据，我们发现我们的SIO与热带SST显著相关，主要是与SST异常类似的厄尔尼诺/南方涛动模式（ENSO）变率（图未显示）。 SIO与SIO和TIO的详细结果将在另一篇论文中介绍。

4、结论

观测分析u由于恒定行星波对波数1到3的40个冬季涡的强迫，表明两个振荡，一个在平流层（SIO），另一个在对流层（TIO）。 振荡表现为偶极子结构，其北部的EP通量辐散，南部趋于一致，反之亦然。 平流层和对流层的振荡时间演变是不同的，这表明了不同的动力学机制。 在正的TIO位相阶段，行星波往往会在对流层和平流层中向赤道方向弯曲，而在正的SIO阶段期间，平流层中上层和上层会发生行星波。 结果还表明行星波向对流层顶极地波导中的向上传播与对流层行星波的经向传播密切相关。 在正的TIO阶段期间，行星波倾向于更有效地被对流层俘获，而不是负TIO阶段。

线性回归分析显示，对于TIO指数，u异常的结构是从对流层低层向平流层上层延伸的等效正压偶极子。 表明TIO与NAM密切相关。 此外，基于EP通量散度的遥相关方法使我们的研究更接近异常发生的源头。 相关性/回归分析避免了使用EOF时面临的问题，而这些问题不一定需要基于物理结构[Ambaum et al。，2001]。 另一方面，我们的结果表明，中上层平流层大气的行为与ENSO有关。

致谢。 我们要感谢S. Miyahara教授，SK达卡博士和两位评论家对本手稿提供有用的评论。

W. Chen由Grant G1998040900（I）提供的国家重点基础科学发展计划资助。

参考文献

Ambaum, M. H. P., B. J. Hoskins, and D. B. Stephenson, Arctic Oscillation or North Atlantic Oscillation?, J. Climate, 14, 3495 – 3507, 2001.

Andrews, D. G., J. R. Holton, and C. B. Leovy, Middle atmosphere dy-namics, Academic Press, Orlando, pp. 489, 1987.

Chen, P., and W. A. Robinson, Propagation of planetary waves between the troposphere and stratosphere, J. Atmos. Sci., 49, 2533 – 2545, 1992.

Chen, W., and R.-H. Huang, The modulation of planetary wave propagation by the tropical QBO zonal winds and the associated effects in the residual meridional circulation, Contr. Atmos. Phys., 72, 187 – 204, 1999.

Davis, R. E., Pre

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