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冬季西风环流指数的变率及其与北半球温度变化的关系研究* 本文档由【中文word文档库】提供，转载分发敬请保留本信息； 中文word文档库免费提供海量范文、教育、学习、政策、报告和经济类word文档。 龚道溢1) 王绍武2) 1)北京师范大学资源科学研究所 环境演变与自然灾害教育部重点实验室 100875 2)北京大学 地球物理系 100871 摘 要：用H40(N-H65(N，即40(N和65(N纬圈平均位势高度的差来定义西风指数，可以很好地反映温带地区西风的强弱。西风环流强的年份，北半球气温通常也偏高，主要是中纬度大陆变暖明显，这可能与中高纬度西风强时，向北的经向热量输送也加强有关。在长期变化的趋势来上，50年代以前北半球偏暖的时期指数偏低，而偏冷的时期指数偏高。但近30多年来，伴随全球加速变暖，西风指数也持续加强，这是否与温室效应的加强有关还有待深入研究。 关键词: 西风指数, 变率, 温度 1 前言 1930年代后期Rossby最早提出了西风指数(zonal index)的概念，并用35(N和55(N纬圈平均海平面气压的差代表北半球温带地区(35(-55(N)西风的强弱。Namias后来进一步提出了指数循环的概念。温带西风强时称为“高指数”环流，弱时则是“低指数”环流。早期人们主要是从天气学的角度来研究西风指数的变化的，由于指数循环的时间尺度约4~6周，所以月平均西风强度的变化所反映的是时间尺度更长的西风变率。不过，从1970年代到1980年代初，人们更多的是注重研究赤道海洋及大气的影响，对中纬度大气环流有所忽略，西风指数的研究一度受到人们的冷落。但近来大家逐渐认识到，西风环流指数的强弱，反映了中高纬大气环流的基本状态，这种状态对高纬与中低纬之间大气质量、动量及热量的交换，及与半球及全球气候异常均有密切的联系。如Thompson 和Wallace(1998)[1]基于北半球大气环流的分析，提出了北极涛动的概念，实际上也是反映的中纬度地区的西风变化，他们的研究表明北极涛动与北半球温度变化之间有密切的关系[2]。其他一些反映中纬度区域尺度纬向风的环流系统如北大西洋涛动等与北半球气候的关系也引起了重视[3,4]。本文将利用再分析资料，分析北半球冬季西风环流指数与海平面气压及500hPa位势高度的联系，并讨论其变率与北半球温度变化之间的关系。 2 西风环流指数与500hPa位势高度及海平面气压的关系 自Rossby的工作之后，人们提出过许多种西风环流指数的定义形式，如Lorenz(1951)[5]曾指出，由于大气质量在不同纬度带间交换造成的气压变化，有两个地区有最好的一致性，一个地区在65(N，另一个在35(N，建议用这两个纬度的气压差代表西风。后来也有使用40(N与60(N的。除此之外，一些作者更是直接使用纬向风。纬向风(u)的变化在中纬度和高纬度表现出反号的特征[6,7]，丁敏芳等[8]曾用35(N和55(N上纬向风的差值来代表西风指数(即U35(N-U55(N)。虽然这些西风指数形式上有变化，但并无本质上的差别。大尺度的纬向风基本上是地转风，与高度场之间关系密切。图1是北半球冬季纬圈平均500hPa位势高度与纬向风的奇异值分解(SVD)的第一对模态，可见西风指数的强弱用位势高度(H40(N-H65(N)或纬向风(U35(N-U55(N)都能较好表示，500hPa位势高度上这两种西风指数相关达-0.90。55(N西风与(H40(N-H65(N)相关系数达0.96。因此，本文分析中选择用H40(N-H65(N代表西风环流指数。 图2(图3)是标准化的西风指数与500hPa位势高度(海平面气压)间的回归系数，即当西风指数增强一个标准差时，对应的各格点高度(气压)变化。西风环流强的时候，极地及相邻的高纬度地区500hPa位势高度和海平面气压都下降，中纬度地区则上升。不过中纬度地区变化最突出的地区是北太平洋及北大西洋和邻近的部分大陆地区。由于西风指数强调的是纬圈平均状况，因此很容易会认为与槽脊的变化没有什么关系。但从最初定义西风指数时，就发现西风基本气流的强弱与大气环流的定常波有密切的联系。图2和图3就可以很清楚地说明这一点。在西风增强的情况下，东亚大槽变弱、高度增加10~20gpm，北美大槽也存在同样量级的减弱。因此，在高空西风气流更为平直。Wallace和Hsu[9]曾对比西风指数强弱状况下的高空和地面环流差异，指出强西风时地面大气涛动（如北大西洋涛动）也增强，同时在高空一些大气遥相关也增强(如东大西洋型、西大西洋型、西太平洋型)。这些特点在图2中也有体现。同时在图3海平面气压与西风指数的关系中可以看到，除北大西洋涛动加强外，在亚洲大陆中高纬，西伯利亚高压的强度也减弱，中心区域的强度减弱1~2hPa。此外，图2和图3