北大西洋涛动研究进展.docx

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北大西洋涛动研究进展

北大西洋涛动变率研究进展*

龚道溢1）周天军2）王绍武3）

1）北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室北京100875

2）中国科学院大气物理研究所LASG北京100029

3）北京大学地球物理系北京100871

摘要：

本文介绍了近年来北大西洋涛动研究的最新进展。

NAO指数序列的建立取得了很多成果，包括一些观测气象记录的序列；以及利用树木年轮，冰芯等代用资料建立的近三百多年的序列，这些长的序列显示NAO不仅有突出的年际变率，也有显著的年代际变率。

NAO的气候影响研究也在时空尺度及要素上得到了进一步的拓展。

NAO变率的原因和机制也得到了一些有意义的结果，海洋的作用（特别是温盐环流的作用）得到了的进一步的肯定，而全球气候变暖也可能是影响NAO变率的一个不可忽视的因素。

关建词：

北大西洋涛动变率进展

北大西洋涛动（NAO:

NorthAtlanticOscillation）指亚速尔高压和冰岛低压之间气压的反向变化关系，即当亚速尔地区气压偏高时，冰岛地区气压偏低，反之亦然。

NAO是北大西洋地区大气最显著的模态。

其气候影响最突出的主要是北美及欧洲，但也可能与其它地区如亚洲的气候变化有关[1~3]。

Thompson和Wallace（1998）[4]基于北半球大气环流的分析，提出了北极涛动（AO：

ArcticOscillation）的概念，根据计算1900－1995年11－4月的NAO和AO相关达0.69。

Wallace[5]最近指出，AO与NAO二者本质上是一致的，是同一事物在不同侧面的两种表现，实际上反映的都是中纬西风的强弱；只不过AO尺度更大，而NAO是其在北大西洋区域的表现[6~8]。

因此，从这个角度看，NAO不仅仅是一个区域性的现象，研究其变率及机制，对了解全球气候系统的变化规律及异常，都有着重要的现实意义。

NAO变率的研究也是国际“气候变率及可预报性研究（CLIVAR）”计划的一个重点对象（WCRP1998）[9]，也是目前的热门问题。

本文主要介绍NAO序列的建立，气候影响及其变率的机制等方面的研究现状和进展。

1北大西洋涛动指数序列

要分析NAO的变率离不开长的NAO指数序列。

目前公开发表的NAO指数有很多种，根据资料来源可分为两类：

一类是用观测资料建立的序列，一类是代用资料建立的序列。

1.1观测序列

从80年代开始，人们摒弃Walker和Bliss的复杂定义，多用两个测站，即亚速尔地区和冰岛地区各取一个，用其气压的差来建立NAO序列。

用单个测站的气压来定义NAO虽然从形式上简洁，也更方便使用，但也还是存在一定的不足。

因为伴随NAO强弱的变化，相应的海平面气压的年际差异非常大，这其中必然包含局地的和小尺度的因素，而且大气活动中心随季节其位置也会发生变化，只用两个固定的测站肯定会有误差，并不能完全反映NAO。

所以Hurrell和vanLoon（1997）[10]曾使用信噪比来判断NAO的信号是否显著。

为克服上述弊端，可以使用气压场或高度场进行经验正交函数展开（或主分量分析），以获取稳定的NAO模态，取其中与NAO模态相对应的时间系数作为NAO指数[11，12]。

美国气候预测中心每个月在其“气候诊断公报”上发布的NAO指数，就是700hPa高度场旋转主分量分析的时间系数[12]。

文献[13]则是利用格点海平面气压场资料，对不同季节进行经验正交函数分析，确定NAO在不同季节的中心位置，取中心多个格点平均气压来建立NAO指数。

表1中列出了一些近来有代表性的几种基于观测资料的NAO指数序列。

这些观测序列的分析表明NAO存在显著的年际变率，主要集中在2~3a及7~8a左右[10]，而年代际变率不突出，这可能与资料长度偏短有关。

最近的三十多年间，冬季NAO一直呈强烈的增强趋势，这是否与低频的年代际或更长尺度的变化有关呢？

因为观测序列最长的也就一百七十多年，并不足以说明1960年代以来的变化是否异常。

表1.基于观测资料的NAO指数序列

Table1.NAOindicesbasedontheinstrumentalrecords.

指标

起始年

作者

文献

PontaDelgada-Akureyri，SLP

1879

Rogers，1984

[14]

PontaDelgada-Stykkisholmur，SLP

1867

Mosesetal1987

[15]

Lisbon-Stykkisholmur，SLP

1864

Hurrell，1995

[2]

Gibraltar-Reykjavik，SLP

1825

Joneetal，1997

[16]

700hPa高度场，RPCA

1950

Barnston&Livezey，1987

[12]

Jakobshavn-Oslo，气温

1860

vanLoon&Rogers，1978

[17]

SST

1856

Cullen&DeMenocal，2000

[18]

海平面气压（SLP）场，RPCA

1950

Barnston&He，1996

[11]

SLP，格点平均

1873

龚道溢和王绍武，2000

[13]

1.2代用资料序列

因此，近几年人们投入了很大力量利用各种代用资料，尽可能地往前延长NAO序列。

表2中列出了几个有代表性的工作。

使用的代用资料中用得最多的是树木年轮。

Cook等（1998）[19]从分布在北美及欧洲的102个年表中挑出了与NAO关系最好的10个序列，重建的冬季NAO指数往前延长到了1701年。

瑞士伯尔尼大学地理研究所的Luterbacher等人[20]用典型相关（CCA）建立树木年轮与气压指标间的统计关系，然后，利用建立的关系重建了1675年以来的月分辨率的NAO序列。

除了树木年轮外，格陵兰的冰芯资料也能提供大量的信息（Barlowetal1993）[21]。

Appenzeller等（1998）[22]根据NASA-U钻孔的冰雪累积量，将年平均NAO序列往前延长了近350年。

当然，任何一种代用资料都有其局限性。

树木年轮受生长季气候变化的影响大，用它来反映冬季NAO可能是不恰当的，因此Cook等[19]的重建从大量的年表中仅仅能挑出不到1/10的可用序列。

此外，树木年轮还可能存在的一个问题是通常做了生长趋势拟合后，有时很可能人为地把真正的气候长期变化或低频部分也消除掉了。

一些纬度偏南的地区如地中海和北非，冬季树木生长受气候变化的影响较大，用这些地区的树木年轮来重建可望能得到更好的结果。

冰芯资料的年际变化很大，这可能与降雪局地因素如风的作用等有关，此外冰芯定年也可能带来一定误差，所以冰芯反应低频变化应该更合适些。

另外冰芯同位素记录虽然与大尺度的海平面气压气压变化关系很好，但是同时还与其他因素有更密切的关系，如降水的来源地、气旋活动的特点、高空环流的异常等，都能够影响到格陵兰冰雪中同位素的含量[23]。

White等（1997）[24]指出，NAO与格陵兰气温、海表温度、太阳辐射等5个要素的贡献加起来，才能解释同位素记录方差的50%。

因此，有时不同重建结果存在较明显的差异。

例如虽然Luterbacher等[20]的重建序列与观测序列有很好关系，能解释标定时期冬季观测NAO方差的25-40%，Cook等（1998）[19]的序列能解释41%，Appenzeller等（1998）[22]的序列能解释32%（年）及27%（冬季），但是Luterbacher等[20]的重建序列与后两者关系却不太好。

这可能是重建工作中普遍存在的一个问题，即重建的序列与观测序列都能有较高的相关，但代用资料重建的序列之间却不能保持稳定的显著相关[25]。

因此，考虑到不同代用资料的特点，将各个单独的代用资料的重建序列合成一个来代表NAO，可能代表性更好些，称“多代用资料重建”（Multiproxyreconstruction）。

Cullen等[26]同时将树木年轮、冰芯及海温重建的NAO指数进行滤波处理，将得到的低通和高通序列作主成分分析，提出最主要的分量对观测序列进行标定，得到回归关系后再将前面的时段转换得到NAO指数。

结果发现效果有一定的改善，用多代用资料方法重建的NAO序列能解释56％的方差，比上述几种独立代用资料的效果都要好。

图1中给出了几条重建序列，其中“L1”和“L2”是Luterbach等[20]树木年轮重建序列，“C”为Cook等[19]的树木年轮重建序列，“A”为冰芯重建序列[22]，“SG”为Stockton和Glueck（1999）[27]利用冰芯和树轮的重建序列。

表2.基于代用资料的NAO指数序列

Table2.NAOindicesbasedontheproxyormultiproxyreconstructions.

代用资料

起始年

作者

文献

冰芯

1650

Appenzelleretal.1998

[22]

树轮

1675

Luterbacheretal.1999

[20]

冰芯+树轮+器测

1750

C

[26]

冰芯+树轮+器测

1701

C

[26]

树轮

1701

Cooketal1998

[19]

冰芯+树轮

1429

Stockton&Glueck，1999

[27]

图1重建的NAO指数，标注见文中说明（取自文献[25]）

Figure1.NAOindexreconstructions，seetextfordetails.（TakenfromRef.25）

分析表明，这些重建的NAO序列除了显著的年际变率之外，还有明显的年代际尺度变率，包括20年左右的周期及50～70年左右的周期，特别是后一个频率段的变化在其它的气候要素中也存在[28，29]，这可能是气候系统内部的普遍现象。

2北大西洋涛动的气候影响

2.1温度和降水

最近一段时期，NAO对地面气候要素的影响引起了人们密切关注。

特别是最近30多年来全球温度与NAO都呈显著的上升趋势，北大西洋及邻近的北美东部，北非和欧洲地区的气温降水与NAO的年际尺度及年代际尺度上的变化也是非常显著的，通常NAO强，格陵兰以西及北美洲的东北部、北非和地中海地区偏冷，欧洲北部和美国东部偏暖；欧洲北部降水偏多，而地中海地区则降水偏少；反之亦然[2]。

其它要素如波罗的海、拉布拉多海和格陵兰海的海冰受NAO影响也很明显[30,31]，NAO指数与冬季波罗的海海冰相关系数达-0.49（1879-1992年）[30]。

与此相对应，观测和模拟的通过Fram海峡进入大西洋的北极海冰近20多年都是增强的，与NAO的相关系数达0.7（1978－1997年），Hilmer和Jung[32]认为这与近20年NAO中心位置偏东造成的经向风异常有关。

不仅是北大西洋地区，Hurrell还分析了NAO及南方涛动对北半球冬季气温变化的贡献，发现NAO能解释北半球热带外地区（20︒N以北）1935－1996年62个冬季平均气温方差的34％[3]。

龚道溢和王绍武[8]利用更长的资料（1873－1993年）分析，发现NAO对120年来热带外冬季气温贡献也是显著的，达17.0％，夏季较低仅为2.9%。

2.2北大西洋飓风

佛罗里达大学Elsner等人的研究显示，NAO可能影响飓风的路径。

根据150年来的飓风登陆资料统计，当NAO强时北大西洋高压强度加强，北大西洋中部为强的高压脊控制，向西移动的飓风容易沿高压脊线转向偏北，因此在美国东海岸登陆的个例多。

反之NAO弱时，北大西洋高压强度减弱，中心位置偏西，因此，飓风多经过加勒比海地区进入墨西哥湾[33]。

当然，NAO还可能通过改变海洋表层温度（SST）影响飓风，例如对1960年代墨西哥湾飓风增多的一个解释，就是因为弱NAO导致了北美发生冷冬，雪盖增加，海陆间的温度梯度增加，斜压效应增加。

Cayan（1992）[34]指出冬季北大西洋地区的海气相互作用，主要表现为大气对海洋的强迫，而且这种强迫作用在很大程度上受到NAO活动的影响，SST方差的10－40％与NAO有关的风、感热和潜热通量的变化有关。

2.3北半球臭氧

近年来北半球的臭氧损耗问题也逐渐引起人们的注意，90年代以来北极地区臭氧持续减少，多次出现类似南极上空的“臭氧洞”，1999/2000冬季北极上空（18km）的臭氧含量下降60%左右。

当NAO（或AO）强时，纬向环流加强，通常平流层极涡加深，气温降低，因此有利于臭氧的损耗。

Appenzeller等[35]最近发现欧洲臭氧总量与NAO有较好的关系，瑞士Arosa站观测显示，近几十年来12－3月臭氧的变化中的70％与人类排放的有害化学成分、火山喷发带来的气溶胶、NAO及太阳辐射等有关，其中NAO的贡献达23％，图2中显示当NAO强时，Arosa臭氧总量低，自70年代以来NAO和臭氧都有非常突出的线性变化趋势。

根据30年资料的分析，Thompson和Wallace[7]也发现，北极涛动（AO）能解释3月40︒N以北臭氧总量40％的变化，夏季为50％。

不过臭氧含量与气溶胶，辐射，大气成分等许多因素有关，其变化是大气动力过程及光化学反应等的非线性作用的综合结果，大气环流如NAO或AO的作用还有待于观测与模拟的进一步的研究证实。

图212－3月瑞士Arosa站臭氧总量（实线）与NAO指数（虚线）（取自文献[34]）

Figure2.Totalozone（solidline，DJFMmean，inDobsonunits）overArosaandnormalizedNAOindex（dashedline）（TakenfromRef.34）.

3NAO低频变率的机制

目前NAO变率机制的研究主要涉及四个方面。

一是大气内部的动力过程；二是海洋的作用；三是海洋－大气系统相互作用；四是外部强迫。

3.1气候系统的作用

许多大气环流模式[36，37]及耦合模式[38，39]，都能较好地模拟出NAO及其空间结构特征，不过如果仅仅揭示其空间形态，只能说是从某些方面验证了NAO是气候系统固有的现象，而我们更关心的是其时间特征上的变率。

Stephenson等（2000）[40]认为即使是简单的随机模型也能表现出明显年代际或趋势变化，观测到的NAO的低频趋势也可能是其自然变率的一种表现[41]。

Rodwell等（1999）[42]用观测的海温和海冰强迫大气环流模式，很好地模拟出了1947年以来的NAO年际、年代际的变化，特别是近30多年来的强烈增强趋势，50％都被模拟了出来。

另外，大陆雪盖对NAO年代际变化也可能有贡献[43]。

目前比较统一的观点认为，NAO作为一种大气内部现象，利用大气环流模式就可以较好地模拟出来，但是要模拟出其细节特征及其变率特点，还需要考虑气候系统其他要素[44]。

由于海洋的慢变性质，因此许多研究把重点放在海洋上。

利用海洋环流模式（OGCM）和海气耦合模式的数值模拟研究都表明，在海洋内部，海洋环流存在显著的年代际变率[45~48]。

对于北大西洋表层海温与气候变率的联系，Bjerknes（1964）[49]首先注意到了海气耦合系统在年际到年代际尺度上的相互作用。

早期研究证实，北大西洋高纬地区的年际变率，表现为在SST和风速之间存在负相关。

但是，通过对SST和SLP变率的研究，Bjerknes发现以1920年为中心，50

以南的大西洋SST存在变暖的趋势，同时在30

处（即亚速尔高压处），SLP出现正距平，而50

以北（冰岛低压处），则出现负距平（这种气压型即经典的NAO图像）。

这意味着SST的变暖，伴有西风的加强，它显然与年际变率特征不符。

因此，Bjerknes推测，这可能是一种年代际的变率特征，与洋流变化相联系。

即由海洋过程决定的SST年代际变暖，与伴随着亚速尔高压的增强、北大西洋暖流的缓慢增强相联系。

年际变率是混合层海洋与大气发生局地热交换的结果，由大气的扰动驱动。

年代际的SST变暖伴有西风带的加强（该过程由海洋主导），而年际的变暖则伴有西风带的减弱（该过程由大气主导）。

一些研究发现不仅北大西洋的海温对NAO有显著影响，热带大西洋海温也可能有重要作用[50]。

近来的研究发现，北大西洋海气相互作用存在至少两种不同的模态：

⑴在年际尺度上，SST距平与表层洋流局地相关性较强；⑵在年代际尺度上，SST距平表现出一种动力性的、海盆宽尺度的特征，预示着大尺度海洋环流的变化[51]。

周天军等[52,53]利用海气耦合模式的模拟研究表明，北大西洋SST的变化，是受大气和海洋过程双重影响的结果，NAO强度与SST的距平相关，自北而南呈现出“－＋－”的三核结构，该特征在观测资料中得到证实[53]，具体如图3所示；而北大西洋温盐环流强度指数与SST的距平相关，如图4所示，则呈现出东、西反对称的偶极子结构。

图3　实际观测资料中NAO与SST距平的相关系数分布[53]

Figure3.CorrelationbetweentheobservedNAOandSSTanomaly（TakenfromRef.53）.

图4　海气耦合模式模拟的北大西洋温盐环流强度指数与SST距平的相关分布[52]

Figure4.CorrelationbetweenthethermohalinecirculationindexandSSTanomalyinCGCM（TakenfromRef.52）.

因此，关于温盐环流与NAO及气候变化的联系，已引起高度重视[54]。

Osborn等（1999）[55]分析了HadCM2耦合模式控制积分结果，模式中的温盐环流也显示有年代际及世纪尺度的变化，如模式2680年气候温盐环流差异明显，之前与之后各取150年平均，强度由20.7Sv增加到22.3Sv，增强了8％。

伴随这种强烈变化，拉布拉多海地区的对流更活跃，而Dickson等曾指出NAO强时异常的北风会使拉布拉多海的对流加强，同时格陵兰海的深对流减弱，拉布拉多海和格陵兰海对流变化的这种反位相关系，被人形象地称之为“海洋NAO”[56]。

Timmermann等（1998）[57]的模拟研究也提出了一种温盐环流年代际变率的一种机制，如果温盐环流强，向北热量输送加强，北大西洋SST为正距平，大气的响应结果使NAO加强，纽芬兰海和格陵兰海出现异常的淡水通量和Ekman输送，盐度下降，对流减弱，结果温盐环流减弱，向北的热量输送随之减弱，北大西洋SST出现负距平，这有利于海洋中对流的发生，其结果是再一次使THC加强。

这样一个循环过程具有年代际时间尺度。

周天军等[52,53]利用海气耦合模式发现，模式中北大西洋温盐环流存在着周期为22年左右的年代际振荡；北大西洋涛动指数与北大西洋温盐环流下沉支的强度变化，呈现出显著的负相关。

Gray（1997）[58]也强调温盐环流与NAO及其它气候要素的联系。

不过，有关温盐环流及其气候影响的工作，大多是基于数值模式的，这尚有待坚实的观测资料来证实。

3.2外强迫

一些研究强调环流对地面气温和降水的影响，但热力状况的变化对环流的影响也是值得研究的问题。

60年代以来的NAO增强是否与日益加强的温室效应有关呢？

Hartmann等（2000）[59]指出，臭氧的损耗与温室变暖都有利于加强热带外地区对流层上层和平流层低层温度的经向梯度，大气环流也会有相应的变化。

Osborn等[55]根据1400年模拟的结果发现，最近30年来NAO的强烈增强趋势，的确是超出了自然变率（模拟变率）范围；他将其结果与Hurrel（1996）[2]的结果相联系，认为全球变暖造成NAO活动加强。

Paeth和Hense（1999）[60]用耦合模式（ECHAM-3/LSG）4组试验集合，1985年以前用观测CO2浓度，以后采用IPCC（1990）的A排放方案，结果发现70年代以后CO2的贡献占很大部分，达15％左右，1990－2010达20％左右。

其它一些气候模式在温室气体强迫下的也较好模拟出了近期观测到的海平面气压场上反应出的环流的增强变化，即大气环流纬向性更强，中纬西风加强。

不过，不同模式对温室气体强迫下NAO响应的趋势模拟，也还存在出入，总的看以增强结果居多[61]。

冬季当平流层极涡增强时，NAO和AO的增强基本是同位相的，该事实意味着，对流层与平流层之间可能存在耦合作用，或是平流层能够向下影响到平流层[62]。

因此，除了温室效应外[63]，能够影响平流层极涡活动的一些因子，包括臭氧和热带火山爆发[64,65]等都可能是近期NAO或AO变率的贡献因子。

不过由于对流层和平流层大气质量差异悬殊，平流层如何影响对流层，以及影响程度有多大等问题都还需要深入研究。

4有关NAO研究的部分网址

www.cineca.it/~apv0/cmip.html

主要参考文献

1DugamSS，KakadeSB，VermaRK.Interannualandlong-termvariabilityintheNorthAtlanticOscillationandIndianSummermonsoonrainfall.Theor.Appl.Climato.，1997，58（1-2）:

21~29

2HurrellJW.DecadaltrendsintheNorthAtlanticOscillation:

regionaltemperaturesandprecipitation.Science，1995，269:

676~679

3HurrellJW.InfluenceofVariationsinExtratropicalWintertimeTeleconnectionsonNorthernHemisphere.Geophy.Res.Lett.，1996，23:

665~668.

4ThompsonDWJ，WallaceJM.TheArcticOscillationsignatureinthewintertimegeopotentialheightandtemperaturefields.GeophysicalRes.Lett.，1998，25，1297~1300

5WallaceJM.NorthAtlanticOscillation/AnnularMode:

twoparadigms-onephenomenon.Quart.JRoyalMet.Soc，2000，126（564）:

791~805

6ThompsonDWJ，WallaceJM.Annularmodesint-heextratropicalcirculation，PartI:

Month-to-Monthvariability.J.Climate，2000，13（5）:

1000~1016

7ThompsonDWJ，WallaceJM.Annularmodesintheextratropicalcirculation，PartII:

Trends.J.Climate，2000，13（5）:

1018~1036

8龚道溢，王绍武.大气环流因子对北半球气温变化影响的研究.地理研究，1999，18

（1）:

31~38

9WCRP（WorldClimateResearchProgram），CLIVAR