北大西洋涛动指数的比较及其变率 - 龚道溢.doc

北大西洋涛动(NAO)指数的比较及其年代际变率* 龚道溢 王绍武 （北京大学 地球物理系 北京 100871） 摘要 首先对各种北大西洋涛动指数的定义进行了比较。发现冬季和夏季NAO的涛动中心有显著的差异，所以分别进行定义，定义时的中心由EOF分析及相关分析确定，新的定义能解释更多的海平面气压方差。在此基础上建立了1873年以来的冬、夏NAO指数序列。近百年来的NAO指数最突出的年代际变化是，夏季在1910-1920年期间的突变性质的增强，以及冬季近20多年来的持续加强。最后还对NAO年代际变化产生的可能原因进行了分析。 关键词 北大西洋涛动， 指数， 年代际变率 1 前言 北大西洋涛动(NAO)不仅直接影响北大西洋及附近地区的气候，甚至对整个北半球温度都有重要影响，可以解释最近北半球冬季平均气温方差的31%[1,2]。因此，气候变率及可预报性研究计划(CLIVAR)中，专门将对NAO的研究列为年代-世纪尺度变率5个研究重点的第一个(即D1)[3]，NAO的研究也是今后至少15年内国际气候学研究的主要课题之一。 NAO的定量表征指标就是NAO指数，目前NAO指数的定义有很多种。30年代初Walker和Bliss最早定义的NAO指数很复杂，包括5个站的气温和4个站的气压，这个定义过于繁琐,而且定义中同时使用气温和气压，混淆了二者间的因果关系，所以后来逐渐被一些简洁的定义所代替[4]，见表1。 表1 各种NAO指数的定义与序列 编号 NAO指数定义 开始时间 季节 文献 1 Ponta Delgada-Akureyri,气压 1879年 冬季 [5],[6] 2 Ponta Delgada-Stykkisholmur,气压 1867年 1月 [7] 3 Lisbon-Stykkisholmur,气压 1864年 12-3月 [8] 4 Gibraltar-Reykjavik,气压 1825年 1-12月 [9] 5 700hPa, RPCA 1950年 1-12月 [10] 第5种用700hPa高度场旋转主分量分析的时间系数来代表NAO的变化，从物理概念上看不如其他4种直截了当，即NAO反应的是亚速尔高压和冰岛低压间气压的“翘翘板”(seesaw)关系。但是，这些定义最主要的问题在于其季节性，因为前4种定义都是使用固定站的气压，而实际上大气活动中心不仅强度在变化，冬季和夏季其位置更是有极大的差异[2]，所以前4种定义只是反映了冬季NAO的状况。第4种定义给出了全年各月的NAO指数，但Jones等[9]自己也声明这个序列只适用于冬半年。一些研究表明，NAO在夏季也是存在的[10,11]，需要单独对其定义。本文首先对夏季和冬季NAO的定义进行比较和确认，进而分析其年代际变率的特点及可能形成原因。 2 冬季与夏季NAO指数的不同定义 利用经验正交函数(EOF)分析和相关分析来可以对冬季和夏季NAO的强度及形态进行确认。对北大西洋地区(70(W~30(E，0~90(N)冬季和夏季海平面气压分别进行EOF分析，资料为美国环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析气压（1958年1月-1998年2月），分析前进行了面积加权处理((cos()及对1961-1990年求距平。与所有工作的结论一样，冬季NAO是最主要的模态，EOF1能解释总方差的48.1%。不过夏季气压的EOF1并不是NAO，第一模态反映是大陆与海洋的热力差别，但EOF2的NAO特征非常明显，EOF2解释的方差也能达到17.1%，因此，在夏季虽然NAO并非最突出的模态，但也是存在的，而且非常重要和显著。气压变率最大的地方，并不一定位于大气活动中心的中心位置，通常是在大气活动中心的边缘地区气压的变化最为显著。所以如果选择亚速尔群岛，则夏季位置太偏东了。 图1 夏季北大西洋地区海平面气压EOF分析第2特征向量分布 图2北大西洋地区海平面气压的相关系数分布 (a:冬季，b:夏季；都是与65(N，10(~30(W三个格点平均气压间的相关) 根据以上分析，对夏季和冬季分别定义NAO指数(NAOI)为 夏季: NAOI=p*(45(N，40(~60(W)- p *(65(N，10(~30(W)； 冬季: NAOI= p *(35(N，10(W~10(E)- p *(65(N，10(~30(W)； 其中p 表示海平面气压，*表示标准化，即高压区和低压区各取3个点的平均，用它们标准化的差来代表NAO。这种定义代表性如何呢，可以做一些比较。见表2，表中1-5分别表示表1中的5种定义，6为新的定义。第1和第3种定义因缺夏季资料未计算。很显然，对北大西洋地区的海平面气压场来说，在冬季新的定义能解释的方差平均为39.9%，比其它5种都要高。在夏季，基于海平面气压的3种定