北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅰ局地海气相互作用(可编辑)

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅰ局地海气相互作用(可编辑) 北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟?局地海气相 互作用 第 64 卷第 1 期 气 象 学 报 Vol. 64 , No. 1 2 0 0 6 年 2 月 ACTA METEOROLO GICA SIN ICA February 2006 北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟 ?: X 局地海气相互作用 1 1 2 ,3 3 周天军 宇如聪 郜永祺 Helge Drange 1 中国科学院大气物理研究所 LASG ,北京 , 100029 2 中国科学院大气物理研究所 NZC ,北京 , 100029 3 Nansen Environmental and Remote Sensing Center , Bergen , Norway 摘 要 检验了一个全球海气耦合模式对北大西洋年际气候变率的模拟 ,讨论了导致这种年际变率型的物理机制 ,并 分析了其对年代际变率的可能影响。北大西洋冬季 SST的主导变率模态 ,在经向上现为三核型 ,自北而南出现 “ - + - ” 的带状距平型 ;最大距平中心位于副极地大洋、 中纬度大洋 的西部以及热带海域 ,耦合模式较为真实地再 现了这一特征。与三核型 SST异常相对应的大气环流型表现为北大西洋涛动 ,具有显著的正压结构。上述异常型 主要发生在年际尺度 ,具有 3 ? 4 年的谱峰 ;在次年代际尺度上 ,也存在谱峰。分析表明 ,模式中三核型 SST异常的 产生 ,主要来自大气的强迫 ,NAO增强 ,中纬度大洋上的西风减弱 ,海洋感热和潜热通量损失减少 ,中纬度大洋得 到的净热通量增加 ,导致 SST出现正距平 ;在包括 Labrador海在内的副极地大洋 ,NAO 增强、 冰岛低压加深 , 气旋 性环流增强 ,来自高纬度的冷空气吹过洋面 ,海气温差加大 ,大洋的感热通量损失增加 ,SST 降低。热带地区东风 的增强 ,也是导致那里 SST降低的重要机制。三核型 SST异常对大气的反馈作用较弱 ,文中没有证据表明它能够 影响到北大西洋地区的年代际气候变率。 关键词 : 北大西洋涛动 , 年际气候变率 , 海气耦合模式 , 局地海气相互作用。 的证据表明北大西洋 SST 是随大气的变化而变化 1 引 言 [3 ] 的 。北大西洋冬季 SST 的主导性变率模态表现 大西洋是全球气候变化的敏感区域之一 ,表现 为“三核结构” ,自北而南 ,副极地区域为冷距平 ,中 出显著的多时间尺度变率特点 ,其变化在很大程度 纬度地区为暖距平 中心靠近北美大陆东岸的 Hat2 上受北大西洋涛动 NAO 的影响。所谓 NAO 实际 teras角 ,赤道与 30? N 之间的副热带海域为冷距 [425 ] 上是北半球大气质量在经圈方向上的“跷跷板型” 调 平 。SST的这种变率模态主要是大气强迫海洋 [627 ] 整 ,其活动中心分别位于冰岛和副热带北大西洋。 的结果。Cayan 最早通过分析 SST 和海洋测站 NAO活动的正位相对应有冰岛及北极部分地区海 资料 ,提出了海气热通量变化驱动 SST 变率的观 平面气压 SL P 偏低、 副热带北大西洋到南欧地区 点。随后 ,利用 O GCM 和海气耦合模式所开展的一 [8211 ] SL P偏高。NAO 活动呈正位相时 ,西风带增强 ,北 些模拟研究也支持这一观点 。本文的主要目的 大西洋的西北部冬季偏冷 ,欧洲、 西伯利亚和东亚地 是利用一个全球海气耦合模 ? ? ?卑尔根气候模式 [12 ] 区则为暖冬 ,冰岛到斯堪的纳维亚多雨 ,欧洲南部则 BCM ,来模拟北大西洋表层海温的年际变率 , [122 ] 偏干 。早期研究已经发现北大西洋表层海温 并进一步讨论导致这种年际变率的物理机制 ,特别 SST的变化是和 NAO的强度密切关联的 ,有确凿 是局地海气相互作用的特征。BCM 的特点是对北 X 初稿时间 :2005 年 7 月 18 日 ;修改稿时间 :2005 年 10 月 8 日。 资助课题 :国家重点基础研究专项经费资助的项目 2005CB321703 、 中国科学院创新团队国际合作伙伴“气候系统模式研发及应 用研究” 和国家自然科学基金项目40375029 ,40233031 。 作者简介 :周天军 ,男 ,1969 年生 ,博士 ,研究员。主要从事海气耦合模式的研制与应用、 海气相互作用和气候变率研究。1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 气 象 学 报 64 卷 2 大西洋、 北海 Nordic Seas 和北冰洋的描述比较细 2. 2 模拟北大西洋气候的有效化评估 致 ,这是促使作者利用该模式来检验局地海气相互 本文用英国气象局提供的 GISST Global Ice 作用和北大西洋 SST年际变率关系的原因之一。 and Sea Surface Temperature资料和 NCEP/ NACR 不管是在科学研究、 还是在业务应用领域 ,长期 再分析资料作为观测证 据来检验模式性能。GISST 以来一直存在争议的一个问题是关于中纬度地区的 资料的时间跨度为 1871 ? 1997 年 , NCEP/ NACR [27 ] SST异常对中纬度大气变率的调谐作用。有研究认 再分析资料取 1957 ? 1997 年的时间段 。对观测 为 ,持续的中纬度地区 SST异常能够改变北半球中纬 和模拟的年平均 SST 的比较表明 图略 ,尽管 [13218 ] 度地区的冬季大气环流 , 但也有研究表明热带 O GCM充其量仍属于中等水平分辨率的海洋模式 , 外的海气相互作用 ,主要表现为大气对海洋的强迫作 但它对 SST的模拟还是比较令人满意的 ,湾流的锋 [19222 ] 用 , 截止目前 ,在该问题上科学界尚未达成一致 面可以分辨出来。在年际差上 ,中高纬度特别 结论。最近 ,有研究指出三核型的 SST异常 ,能够随 是拉布拉多海区域 ,模拟结果和观测非常接近 ,只是 [23 ] 后在年代际尺度上对大气产生反馈作用 。事实是 模拟结果在量值上要偏大一些。不过在副热带大洋 否如此 ,这是本文所要探讨的另一问题。 和洋盆的东部 ,模拟与观测之间 的差别比较明显。 北大西洋气候研究的重点是冬季情况。对观测和模 2 模式概述及模拟北大西洋气候的有效化 拟的冬季 SST平均值的比较表明 ,模拟场非常接近 评估 观测 ,这不难理解 ,因为模式为保证真实再现气候平 2. 1 模式概述 均态而采用了通量调整技术。重要的是对变率的模 本文所用耦合模式为挪威的卑尔根气候模式 拟 ,和观测一样 ,拉布拉多海的年际变率较强 ,只是其 BCM 。BCM的海洋模式分量是迈阿密等密度坐标 强度较之观测要大至少 1/ 3。和年平均情况相比 ,模 [24 ] 海洋模式 MICOM OGCM ,并耦合了一个动力学海 拟的副热带和大洋东部的冬季 SST的标准差分布要 [25 ] 冰模式 ,大气模式是 ARPEGE/ IFS AGCM 。大气 更为接近实际一些 图略 。 [26 ] 北半球冬季大西洋地区的 SL P 形势与观测大 与海洋模式的耦合 ,是利用 Terray 等 发展的耦合 致相近 ,特别是北大西洋涛动的两个活动中心的位 器 OASIS来实现的。A GCM 的水平分辨率为 T42 , 采用简约高斯网格 ,垂直方向分为 31 层。O GCM 置 ,只是亚速尔高压的中 心强度较之观测要强约 采用非均匀网格 ,并且将模式的北极放在西伯利亚 , 3 hPa。不过 ,中纬度 SLP的年际变率在模式中显然 这样极大地方便了北冰洋的处理。海洋模式的水平 被低估了 ,模拟结果中 SLP 标准差的中心值为 分辨率大致是 2. 4?× 2. 4? ,但在经圈方向上 ,向赤道 3. 0 hPa、 而观测结果则为 12. 0 hPa 图略 ,这是许多 [28 ] 海气耦合模式的通病 。 逐渐增加到 0. 8?。模式在垂直方向上有 24 层 ,相对 σ σ 总体而言 ,BCM 对北大西洋地区海洋和大气基 于表层压力 ,等密度层的范围是 23. 54 到 28. 10。该模式由 BCM 研制课题组在 Bergen 完成 本气候态的模拟是比较理想的 ,也能够相对合理地 [12 ] 了 300 年的长期积分 。在耦合积分过程中 ,为了 再现大气和海洋年际变率方差极大值的中心分布 , 克服模式存在的气候漂移问题 ,根据模式耦合积分 这是我们进一步讨论的基础。 前“spin2up” 阶段的周平均的热通量和淡水通量 ,对 3 北大西洋年际变率特征的模拟 表层盐度 SSS 和表层海温 SST 进行了通量调整。 3. 1 北大西洋 SST变率 为便于讨论海气相互过程 ,本文将大气模式和海洋 模式输出的所有水平空间场都插值到 2. 5?×2. 5? 分 利用经验正交函数分解 EOF来揭示北大西洋 辨率的均匀网格上。其中大气模式资料由简约高斯 冬季 定义为当前年的 11 月到来年 3 月的平均 SST 网格向完全高斯网格的插值利用的是线性插值方 的主要变率模态。观测资料时间段取 1871? 1997 年 案、 由高斯网格向经纬网格的插值利用的是 NCEP 总计 126 年 ,分析的区域界定在 10?? 70? N 图 1a 。 再分析资料的插值。海洋模式资料由于是从高 这里的 EOF空间型是根据协方差矩阵将其表示为对 分辨率向低分辨率插值 ,故采用有效半径为 1. 5? 的 应的时间序列 主分量与 SST异常的相关系数 下 面积加权平均方案。 同 。该模态解释了总方差的 21. 9 % ,它在经向上表1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 1 期 周天军等 :北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟 I :局地海气相互作用 3 图 1 观测的冬季 SST的第一个 EOF模态 a 及其主分量 b Fig. 1 Spatial pattern of the first EOF mode of wintertime mean Nov2Mar observed SST anomalies a , and the corresponding normalized principal component b 现为三核型 ,其中自北而南出现“ - + - ”的带状距 振荡特征。 平型。最大距平中心位于副极地大洋、 中纬度海盆 对应的模式结果图 2a ,统计时段为整个 300年。 的西部以及热带海域。与 EOF1 对应的标准化的主 图 2a所示模态解释了总方差的 21. 2 % ,其空间型 分量 PC 图 1b ,它表现出年际和年代际尺度上的 和观测很是相像。例如 ,距平在纬向呈带状分布、 在 图 2 同图 1 ,但为 BCM模拟结果 Fig. 2 Same as Fig. 1 except for the BCM model results1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 气 象 学 报 64 卷 4 经向呈三核型。不过 ,二者间还是存在一定的差别。 3. 2 大气变率 观测中 ,最大正距平中心位于海盆的西部、 北美大陆 NAO是影响北大西洋及其邻近地区的天气和 沿岸。模式结果中 ,带状距平分布在纬向上伸展得 气候的一种主要的大尺度自然气候变率型 ,对北半 更宽、 最大正距平中心明显偏东。就距平的中心值 球冬季 定义为 11 月到次年 3 月的平均 的海平面 而言 ,模式在北美沿岸的极大值为 0. 6 ,观测结果为 气压 SL P作经验正交函数展开 ,以检验模式对这种 0. 2。45?? 60? N , 海盆东部 20? W的距平模式结果 主要气候变率型的模拟。图 4a给出了第一个模态 , 偏强 ,而观测结果则在海盆的中部 40? W 较强。在 它解释了总方差的 25. 0 %。该模态具有纬向对称 热带地区 ,模拟的副距平中心和观测较为匹配。总的 或“带状”结构 ,是典型的 NAO 特征 ,反映了亚速尔 说来 ,模式的最大偏差在于正距平的位置。不过 , 模 高压和冰岛低压这两个大气活动中心彼此间大气质 式 SST的第一个主导模态还是大致接近实际的 ,都表 量的反位相变化 ,这种纬向伸展的中纬度气压的振 现为三核型。尽管用于统计的模式样本数大约比观 荡主要位于但又不限于大西洋地区 ,在北太平洋地 测要长 2倍 300 年相对于 126 年 , 图 2a 所解释的 区同样存在一个正的中心。因此 ,为了把该模态与 方差比例依然接近实际 21. 2 %相对 21. 9 % , 意 仅对大西洋地区 SL P 进行分析得到的局地性更强 味着模式中的这种主导变率型是非常强劲的。对应 的模态进行区别 ,模仿南极涛动的概念 , Thompson [2 ] 的标准化主分量 图 2b ,其年际和年代际振荡特征 和 Wallace 把这种利用整个北半球 SL P 得到的变 同样很明显。 率型称为北极涛动 AO 。尽管称谓不同 , AO 和 同样 ,可以对 11 月到次年 3 月的逐月 SST 距 NAO本质上是同一种现 象 ,前者是从半球尺度上看 平做经验正交展开 ,这样总的时间序列长度为 1500 的 ,后者是从区域尺 度上看的。本文不拟对这两种 个月 即考虑冬半年的 5 个月 , 300 年总计 1500 个 称谓做过多的评判 , 只是简单地按照传统习惯称之 月 。得到的空间型和主分量 图 3a 和 3b 。比较 为“NAO”。相应的标准 化的主分量见图 4b。 之下 ,图 3a和图 2a近乎相同。图 3b 中所给出的主 NAO 指数最为直接 的定义 ,是利用标准化的亚 分量将用于下文的回归分析中。 速尔高压和冰岛低压之间的气压差来代表。 它所解 图 3 模拟的 11月到次年 3月的逐月 SST的第一个 EOF模态 a 及其主分 量 b Fig. 3 Spatial pattern of the first EOF mode a of monthly mean SST anomalies from November through March in the BCM model , and the corresponding normalized principal component b1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 1 期 周 天军等 :北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟 I :局地海气相互作用 5 图 4 模拟的北半球冬季 SL P的第一个 EOF模态 a及其主分量 b Fig. 4 Spatial pattern of the first EOF mode a of wintertime mean Nov2Mar SL P anomalies in the BCM model , and the corresponding normalized principal component b 释的北大西洋区域 SL P 变化的方差 ,较之图 4b 的 大西洋地区与 NAO 非常相似 ,伴随三核型 SST 异 PC1要高。因此 ,在讨论与 NAO 相关联的高纬度 常的出现 ,冰岛低压加深、 北大西洋副热带高压则增 海洋对流活动变化及其与热盐环流强度变化的关系 强。SL P异常和 500 hPa位势高度异常的形势非常 [29 ] 时 ,作者就使用了这种定义 而不是 PC1 。不 相似 ,表明这一模态具有正压结构。该形势在观测 [10 ,21 ,23 ] 过 ,由于模式模拟的高、 低压在位置上与实际情况可 和模拟研究中都已经有报道 ,因此 BCM 的 能有所出入 ,具体要通过寻找 SL P 具有最大反相关 结果是可信的。值得注意的是 ,除了北大西洋地区 的两组模式格点来代表模式中的高低压位置。得到 具有显著相关之外 ,北大西洋以外地区的大气环流 的 NAO 指数序列的演变特征与图 4b 非常相似 见 变化也具有显著相关区 ,特别是 ,跨越欧亚大陆西部 文献[29 ]的图 4b ,二者的同时相关系数是 0. 83。 到大西洋具有一哑铃型的环流异常。大西洋变率、 下文的 NAO指数 ,采用的就是这种定义。 NAO 或 AO 与东亚气候的关系是一很有吸引力的 研究课题。利用再分析资料所进行的诊断研究表 4 局地海气相互作用与年际气候变率 明 ,春季的 AO 活动与东亚夏季风、 季风降水存在一 [30 ] 图 2a 中三核型的 SST 距平为北大西洋年际变 定联系 ,但是其机制尚不清楚 。 率的主导模态 ,为揭示与该模态相对应的大气环流 上述 SST ,SL P异常型主要发生在年际尺度上 , 型 ,将图 2b中的主分量分别与各个模式格点上的冬 属于年际变率的范畴。这可以从各距平型所对应的 季 11 月到次年 3 月 平均 SL P 和 500 hPa 位势高 时间序列的谱特征上得到反映。SST , SL P 各自经 度距平求线性相关 图 5 。SL P 和 500 hPa 位势高 验正交函数展开的第一个模态所对应的主分量、 以 度距平在南北向都呈现出双核结构 ,这一形势在北 及 NAO指数序列的谱分布分别见图6。 相应的利1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 气 象 学 报 64 卷 6 图 5 图 2a所示的 SST EOF1的主分量与冬季 SL Pa和 500 hPa位势高度 距平 b的同时相关系数分布 Fig. 5 Correlation coefficients between the wintertime mean Nov2Mar SL P anomalies a ,500 hPa geopotential heights anomalies b and the time series of first EOF mode of model SST shown in Fig. 2a 图 6 冬季 SST EOF1的主分量 a 、 SL P EOF1的主分量 b和 NAO 指数序列 c 的谱分布 长虚线表示 95 %的信度水平 , X 轴的单位是 1/ a Fig. 6 Spectrum of the time series associated with the EOF1 pattern of winter time mean model SST anomalies a , model SL P anomalies b , and spectrum of wintertime mean model NAO index c The dashed lines represent the 95 % confidence limits about the red noise spectrum ; The unit of x2axis is 1/ a1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 1 期 周天军等 :北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟 I :局地海 气相互作用 7 用 Morlet 子波变换得到的局地子波功率谱见图 7。 年代际尺度上的峰值 都不显著。上述 3 个时间序列 SST EOF1 的主分量的谱特征表现为红噪声 ,在低 主要由年际变率主导这 一特点 ,从 Morlet 子波变换 [31 ] 频和高频段上其方差都很明显。在年际变率尺度 的结果中反映得也非常明显 。因此 ,NAO 的谱 上 ,具有 3 ? 4 年的谱峰 ,并且达到了 95 %的信度。 分布主要表现为白噪声。在近乎相同的次年代际尺 在年代际尺度上 ,8 ? 9 年和 12 年左右的谱峰也很 度上 ,3 个时间序列都存在谱峰 ;进行 Morlet 子波变 显著 ,但它们只是接近而没有达到 95 %的信度水 换所得到的局地子波功率谱的分布 ,揭示出这种次 ? 平。SL P EOF1 的主分量的谱分布很平直 ,方差没 年代际变率随时间的变化 。在第 70 到 120、 第 有在某一频段上增强。NAO指数的谱分布亦如此 , 250 到 290 模式年 ,这种周期性振荡最为显著。SST 只有 3 年左右的峰值达到了 5 %的显著性水平 ,另 EOF1的主分量、 NAO 指数序列在这一特征上彼此 外次年代际尺度上也有峰值达到 95 %的信度 ,但是 非常吻合。 图 7 同图 6 ,单位子波分解的结果 阴影区表示 98 %的信度水平 ; X 轴的单位是模式年 , Y 轴的单位是 a Fig. 7 Same as Fig. 6 except for the local Morlet wavelet power spectrum Shaded regions are above the 98 % confidence limits. The left axis is the Fourier period in a ; The bottom axis is time model year ?Morlet 子波变换的程序由 Torrence博士提供 ,可从网址 http :/ / paos. colorado. edu/ research/ wavelets/ software. 6>html 下载。1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 气 象 学 报 64 卷 8 观测研究早已表明 ,尽管表征 NAO 的指数有 位于 Gibraltar 和 Reykjavik 的气象观测站的标准化 [32233 ] 多种 ,但是这些指数都无一例外地表明 ,在整个统计 的气压差 。对 Jones 的原始的逐月 NAO 指数 时段上 ,其谱段很宽 ,几乎没有很强的主导性周期。 序列求 11 月到次年 3 月的平均 ,得到冬季的指数。 为便于比较 ,图 8 给出观测的冬季 NAO 指数的功 得到的 NAO指数的谱分布同样表现为白噪声 ,在 8 率谱和局地 Morlet 子波变换的结果。这里利用的 年左右也有一峰值。子波变换的结果表明 ,该年代 是 Jones的 NAO指数 ,它也是目前应用最为广泛的 际 尺度变率在1850到1930年、 1960年至今最为 NAO指数 ,被定义为亚速尔群岛、 冰岛上两处分别 明显。 图 8 观测的冬季 NAO指数序列的功率谱 a 及其子波分解 b 图 a中的虚线表示 95 %的信度 , X 轴的单位是 1/ a ; 图 b中的阴影区表示 95 %的信度 Fig. 8 Power spectrum a and the local Morlet wavelet spectrum b of the observational wintertime NAO index time series The dashed line of a represent the 95 % confidence limits ; Shaded regions of b are above the 95 % confidence limits ; The unit of x2axis is 1/ a in a 图 2a和 3a中所示的三核型 SST 异常的产生 , 的超前/滞后月数上的 回归系数分布 : - 3 , - 2 , 主要来自大气的强迫。为揭示 SST 距平演变和大 - 1 , 0 , + 1 , + 2个 月 ,其中的回归系数的大小 ,表示 气环流变化之间的关系 ,我们将每一个模式格点上 SST EOF1的主分量 PC 变化一个标准偏差时 ,SLP 的 SL P 距平的时间序列与图 3b 中所示的 SST 所发生的相应变化。图中 SLP 的变化明显超前于 EOF1 PC求超前/滞后回归。注意这里利用的是 11 SST ,SLP在滞后 - 1月 时达到最大距平。从滞后 - 3 月到次年 3 月的逐月的 SL P 距平资料。这种分析 个月到滞后 - 1 个 月 ,SL P 距平值逐渐增加。从滞 方法可以反映与三核型 SST 异常相伴的大气环流 后 0 月到滞后 + 1 月 ,SL P 距平则快速减少。在滞 异常的出现 ,到底是超前于还是落后于 SST 的变 后 + 2 月 ,SL P距平变 为零 ,即为正常态。这表明三 化 ,从而确定大气和海洋变化彼此间的因果关系。 核型 SST异常出现之 后 ,其对大气的反馈作用持续 图 9 给出 SL P 与 SST EOF1 的主分量在 6 个不同 不到一个月 , 换言 之 , 三核型 SST异常对大气的反1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 1 期 周天军等 :北大西洋年际变 率的海气耦合模式模拟 I :局地海气相互作用 9 图 9 图 3b所示 SST EOF1的主分量与 SL P的超前/滞后相关 滞后 - 1 + 1表示三核型 SST异常达到最强之前之后 1 个月的情况。单 位 :hPa/标准差。等值线间隔为 0. 3 a. - 3 月 ,b. - 2 月 , c. - 1 月 , d. 0 月 , e. + 1 月 , f+ 2 月 Fig. 9 Lagged regressions between the SL P anomalies and the EOF1 principal component time series for SST shown in Fig. 3b A lag of - 1 + 1 indicates conditions 1 month prior subsequent to a imum in the tri2polar SST pattern indicated in Fig. 3b. Contour interval is 0. 3. a Lag - 3 months , b lag - 2 months , c lag - 1 months , d lag 0 months , e lag + 1 months , and f lag + 2 months1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 气 象 学 报 64 卷 10 馈作用非常弱。从滞后 - 3 月到滞后 - 1 月 , SL P 列与 SST EOF1 的主分量求回归 ,其中净热通量的 的距平变化趋势反映了西风带的增强 ,在大气环流 分布型见图 10。净热通量距平的时间演变形势与 异常达到最强之后 1 个月 ,三核型的 SST 异常也达 大气环流异常非常吻合 ,从滞后 - 3 个月到滞后 - 1 到其鼎盛状态。这一关系有力地证明 ,北大西洋冬 个月 , 中纬度地区的净热通量正距平逐渐增加 ,在 季的年际变率 ,主要表现为大气对海洋的强迫。 滞后 - 1 个月达到最大 ,亦即在 SST 距平达到其最 为检验三核型 SST异常的持续性 ,将每一个模 暖状态之前 1 个月。热带和包括 Labrador 海的副 式格点上的 SST距平与 SST EOF1 的主分量 PC求 极地地区的负的热通量距平的时间演变形势 ,表现 滞后回归系数 ,考察不同滞后时间上的回归系数分 出类似的特征。 布图略 。从 SST 距平的大小和时间演变关系上 考察感热和潜热异常与 SST EOF1 的主分量在 发现 ,三核型 SST 异常在 0 滞后达到最强 ,但是其 不同滞后时间上的回归系数分布 图略 ,发现感热 正距平区在中纬度北大西洋可以持续数月之久 ,原 及潜热通量异常的演变 形势和净热通量非常相近。 因可归于海洋的热惯性。但是 ,由于该正距平的强 综合净热通量、 感热通 量、 潜热通量的演变形势可以 度毕竟很弱 ,其对大气的反馈作用很有限。 发现 ,和海平面气压一样 ,海 表热通量距平达到极大 通过海气热通量的变化 ,可以发现大气对海洋 的时间 ,要超前于 SST 距 平达到极大的时间 ,这再 的强迫作用。在不同的滞后时间上 ,将各个模式格 次证明 ,SST的年际变 率 ,主要源自大气的强迫 ,并 点上的海表净热通量、 感热通量和潜热通量时间序 且这种强迫作用 ,主要 是通过海气热力耦合的作用 - 2 图 10 同图 9 ,但为与净海表热通量的超前/滞后相关单位 Wm /标准偏 差 ; 等值线间隔为 0. 3 ;正值表示由大气向海洋的热通量增强 Fig. 10 Same as Fig. 9 but for the net sea surface heat flux - 2 Units are Wm per standard deviation. Contour interval is 0. 3. Positive values indicate the heat flux from the atmosphere into the ocean1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 1 期 周天军等 :北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟 I :局地海气相互作用 11 实现的。此外 ,感热通量、 潜热通量的演变特征与净 大气异常的强迫作用 ,在空间型上 ,该大气环流异常 热通量极度相似这一特点 ,也证明了这两项在海气 表现为 NAO。NAO 增强 ,则沿着 30?? 40? N 的中 相互作用的主导性地位 ,这同时也意味着 ,净短波辐 纬度大洋出现东风异常 ,西风减弱 ,导致海洋感热和 射和长波辐射的贡献是很微弱的。 潜热通量损失的减少 ,其最终效果是中纬度大洋得 另外 , 将各个模式格点上的 500 hPa 高度距平 到的净热通量增加 ,导致 SST 出现正距平。在包括 同样与 SST EOF1 的主分量在不同的滞后时间上求 Labrador海在内的副极地大洋 ,NAO 增强、 冰岛低 回归 图略 ,结果发现其形势和 SL P 非常相似 ,证 压加深 ,气旋性环流增强 ,来自高纬度的冷空气吹过 明导致 SST 异常的大气异常强迫具有很强的正压 洋面 ,海气温差加大 ,大洋的感热通量损失增加 , 结构。这是对图 5 所示的正压结构的又一佐证。 SST降低。同样 ,热带地区东风的增强 ,也是导致 至此 ,我们证明 BCM 模式中的北大西洋 SST SST降低的重要机制。 的主导性变率模态“三核型”异常的产生 ,主要来自 上述“大气强迫海洋” 的机制 ,可以用图 11 来作 图 11 SST EOF1的主分量与表层风场的回归系统矢量 图 a中的阴影区为 SST EOF1 的模态 ,图 b中的阴影区为 SST EOF1 的 主分量与海表净热通量的回归系数分布 ,等值线表示纬向风速的气候值 Fig. 11 Regression coefficients of the surface wind against the time series of SST EOF1 The regression coefficients for the zonal and the meridional wind components are shown as vectors. The coloring in Fig. 11a indicates the pattern of SST EOF1. The coloring in Fig. 11b dicates the regression coefficients of the net sea surface heat flux against the time series of SST EOF1. The climate mean conditions of the zonal wind are shown as contours in both figures1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 气 象 学 报 64 卷 12 一个总结 ,它是表层经向和纬向风异常与 SST 后 ,其正距平依然能够持续 若干月之久。那么 ,它在 EOF1的主分量的同时回归系数 ,被以矢量的形式 年际乃至更长时间尺度 上的持续性如何呢将各个 来表示。同时 ,图 11a 叠加了 SST EOF1 的空间模 模式格点上的冬季平均 SST 序列与冬季平均 SST 分布 ,图 11b 叠加了 SST EOF1 的主分量与海表净 EOFT1 的主分量 PC1 图 2b 在不同的滞后时间上 热通量的回归系数分布。气候平均的纬向风速也以 求回归 ,结果见图 12。注意与前文不同 ,这里的经 实线的形式叠加在其中。前文中所讨论的各种物理 验正交函数分解利用的是 11 月到次年 3 月的平均 量的协调变化 ,可以从这两张图中得到清楚的反映。 资料 ,因此相应的图 12 所表征的是年以上尺度的气 候变率。根据图 12 ,北大西洋中纬度地区的 SST暖 5 三核型 SST 异常对北大西洋年际气候变 异常 ,持续时间不会超过一年。在滞后 1 年时 ,SST 率的贡献 暖距平区只有若干个格点可以达到 5 %的显著性水 平。但副极地地区的冷距平则可以持续数年之久。 上文指出 ,在三核型 SST异常达到鼎盛状态之 图 12 冬季平均 SST EOF1的主分量与冬季平均 SST的超前/滞后回归 滞后 - 1 + 1 表示三核型 SST距平达到最强之前 之后 1 年的情况 ;等值线间隔 0. 1 ,阴影区表示 95 %的信度水平 ,单位为 ? /标准偏差 ;a. - 3 年 ,b. - 2 年 ,c. - 1 年 ,d. 0 年 ,e. + 1 年 ,f+ 2 年 Fig. 12 Lagged regressions between the anomalous wintertime Nov2Mar SST and the EOF1 principal component time series for SST A lag of - 1 + 1 indicates conditions 1 year prior subsequent to a imum in the tri2polar SST pattern. Contour interval is 0. 1. Shaded regions are above the 95 % confidence limits. Units are ?per standard deviation. a. Lag - 3 years , b. lag - 2 years , c. lag - 1 years , d. lag 0 years , e. lag + 1 years , and f. lag + 2 years1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 1 期 周天军等 :北大西洋 年际变率的海气耦合模式模拟 I :局地海气相互作用 13 类似图 12 ,对净热通量与 PC1 求滞后回归 图 异常的响应 ,将各格点 上的海平面气压 SL P 距平与 13 。在 30?? 45? N 附近的热通量距平 , 只在 - 1 , SST EOF1 的主分 量求回归 图 14 。对应的 500 0 , + 1 年是显著的。最大的回归系数发生在零滞 hPa高度距平的结果 图 略 和 SL P 非常相似 ,它们 [23 ] 后。和 Cheng 一致的是 ,中纬度地区的热通量距 的显著信号主要出现在大 气超前海洋。在滞后 - 1 平在零滞后变号。在滞后 - 1 年 ,北美沿岸出现正 年 即大气超前海洋 , 亚速尔高压增强、 冰岛低压加 距平 ;但在滞后 + 1 年 ,该海域则为负距平。而且 , 深 ,意味着中纬度地 区的西风带增强。在正的滞后 此刻的负距平强度大于滞后 - 1 年时的正距平。正 时间上 即海洋超前大气 , 大西洋地区的变化信 距平表示从大气进入海洋的热通量增多 ,因此 ,滞后 号不显著 ,表明海洋的反馈作用及大气的动力响应 [23 ] + 1 年时的负距平意味着热通量的作用是削弱此前 都很弱。但是在 Cheng 中 , 即使在 SST PC1 超 的 SST 正距平 ,表现为负反馈机制 ,也就是说 ,SST 前大气两年时 ,北大西洋地区依然出现类似 NAO 升高 ,随后向大气的热释放增多 ,海洋因失去热量而 的异常 尽管在统计上不显著 。而本文结果中 ,即 海温开始变低。该过程能够在一年之内完成 ,因而 使海洋超前大气仅仅一年 ,也没有发现显著的大气 属于年内尺度的变率。 响应 ,更不要说两年。因此 ,大气对中纬度地区的 为进一步检验可能存在的大气对中纬度 SST SST变化的响应 ,在很大程度上是因模式而异的。 图 13 同图 12 ,但为与冬季平均海表净热通量距平的回归系数 - 2 单位 :W? m /标准偏差 Fig. 13 Same as Fig. 12 but for the regressions between the anomalous wintertime Nov2Mar net heat flux and the EOF1 principal component time series for SST - 2 Units are Wm per standard deviation1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 气 象 学 报 64 卷 14 图 14 同图 12 ,但为与冬季平均 SL P距平的回归系数 单位为 hPa/标准偏差 Fig. 14 Same as Fig. 12 but for the regressions between the anomalous wintertime Nov2Mar SL P and the EOF1 principal component time series for SST Units are hPa per standard deviation1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd All rights reserved. 1 期 周天军等 : 北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟 I :局地海气相互作用 15 为给可能存在的大气和海洋在年际以上尺度上 6 结 论 对 SST异常的响应做一个定量的估价 ,根据 SST EOF1 的 PC时间序列 ,将其分为高指数状态和低指 检验了一个全球海气 耦合模式对北大西洋地区 数状态两类。标准化后的 PC 时间序列中 ,大于 1 大气和海洋年际变率特 征的模拟 ,在此基础上 ,讨论 个标准偏差的所有年 ,被列入三核型 SST 距平强的 了导致这种年际变率 型的物理机制 ,分析了其对年 年 ,小于 1 个标准偏差的所有年份 ,则被列入三核型 代际变率的可能影响 ,得到主要结论 : SST距平弱的年。在 300 年的耦合积分段里 ,有 48 1 北大西洋冬季 SST 的主导变率模态 ,在经 年属于高指数状态、 42 年处于低指数状态。将高指 向上表现为三核型 ,自北而南出现“ - + - ”的带状 数的 48 年平均值减去低指数的 42 年平均值 ,得到 距平型。距平中心分别位于副极地海域、 中纬度海 SST和净热通量的合成结果 图略 。在高低指数年 盆的西部以及热带海域。BCM 能够相对合理地再 之间 ,三核型 SST距平的 3个中心的值变化在 1. 0 ? 现这一“三核型”变率模态 ,尽管受模式分辨率的影 左右甚至更大 ,相应的净热通量变化在北美大陆东岸 响 ,其距平中心的位置和实际有所差别 ,特别是正距 2 为 + 70. 0 W/ m ,在包括拉布拉多海在内的副极地地 平的位置。北大西洋冬季 SL P 的主导变率模态 ,表 2 区则为 - 40. 0 W/ m 。与相应的 SLP和 500 hPa高度 现为北大西洋涛动 NAO 。BCM 模拟的 NAO 结 距平的合成结果 图略 做对比 ,对应大约最大 1. 0 ? 构与观测很相近。 的 SST异常 , SLP距平的极大值约为 6. 0 hPa、 位势 2 与三核型 SST异常相对应的大气环流型表 高度距平约为 80. 0 m。亚速尔高压的响应在强度上 现为北大西洋涛动 ,这种大气环流型具有显著的正 比冰岛低压要强 ,SL P 和 500 hPa 高度都如此。大 压结构。SST、 SL P 的上述异常型主要发生在年际 西洋以外地区的大气环流同样存在异常 ,例如北太 尺度 ,具有 3 ? 4 年的谱峰 ;在次年代际尺度上 ,也存 平洋和欧亚大陆。跨越北美大陆的哑铃型的环流异 在谱峰。基于观测资料的分析 ,证明这种变率特征 常在 500 hPa高度场再次出现。 实际的确是存在的。分析表明 , 三核型 SST异常的 综上所述 ,尽管三核型 SST 异常能够对大气产 产生 ,主要来自大气的强迫 : NAO 增强 ,30