南半球中高纬大气环流的长期变化-GongDaoyiBiography.DOCVIP

南半球中高纬大气环流年代际变率的研究* 龚道溢 王绍武 （北京大学 地球物理系 100871） 摘要 利用近百年全球海平面气压图和再分析海平面气压等资料，建立了1871年以来1、4、7和10月份的南极涛动指数(AOI)序列。近百年来1月AOI有明显增强的趋势，7月AOI则有明显减弱的趋势。最近40多年来，1、4和10月AOI都有较强的上升趋势。四个月份的AOI都有20-30年左右的准周期波动，表现出显著的年代际尺度的变化。用1、4、7和10月的平均可以近似反映年平均南极涛动指数的变化。在年代际尺度上，年平均指数在1894-1901年、1910-1935年左右是强的负指数时期。1880-1893年、1936-1945年左右是较强的正指数时期，1980年代以来，强的正指数已经持续了近20年，且90年代以来还有加强的趋势。模拟结果的功率谱显示气候系统内部产生的低频变化主要体现在年际尺度变率上，年代际尺度变率的谱值则远远低于观测结果，但不排除在个别情况下，通过Hasselmann机制产生AOI年代际变率的可能性。 关键词 南半球中高纬 大气环流 年代际变率 1 前言 南半球中高纬地区在全球气候系统中有特殊的地位，这一地区大气环流、温度、海冰等气候系统诸要素普遍存在2年左右、4-5年及8-10年年际变率的事实已为许多研究所揭示[1,2]。除此之外，有证据表明南半球中高纬地区气候还存在更长时间尺度的年代际变化[3(5]，因此对这个地区大气环流年代际变率的研究逐渐引起大家的关注，1997年在南非召开了“第5届南半球气象学和海洋学国际会议”，H. van Loon教授所做的大会第一篇主题报告就是“南半球环流的年代际变化”[6]。不过由于缺乏长时间系统观测资料，给这个问题的研究带来很大困难。 本文将利用整编的近百年全球海平面气压图、综合海洋-大气资料集（COADS）和再分析（NCAR NCEP）海平面气压等资料，选择表征南半球中高纬大气环流的特征指标，建立近百年来1、4、7和10月份的环流指标变化序列，在此基础上对其年代际变率进行分析，并与大气环流数值模拟结果进行比较研究。 2 大气环流指标 最近几十年，人们定义和使用的南半球中高纬地区大气环流指标主要可以分为3类：1类表征的是大气活动中心的强度或位置，主要是南大西洋副热带高压[7]和南太平洋副热带高压[8,9]，2类表征的是近地面经向风或纬向风，如中纬度西风[10,11]、区域性的经向风和纬向风[12,13]，3类是遥相关[9,14,15]。见图1。在这些环流指标中，大部分都是区域性的，反映的尺度较小，且主要集中在新西兰、澳大利亚东南部及南极半岛和南美南端。大尺度环流指标中研究得比较多的是“贯极指数”（即Trans-Polar Index，缩写TPI）[9,16(18]，最早Pittock（1980）发现南大西洋的Stanley（52(S，58(W）气压与澳大利亚塔斯马尼亚岛的Hobart（42.88(S，147.33(E）气压存在反向变化的趋势，因此用Hobart与Stanley海平面气压距平的差来定义TPI。Carleton[16]将TPI指数从1961年延长到了1982年，Villalba等[18]则利用树木年轮资料重建了从公元1746年以来的夏季TPI，Karoly等[19]用多个测站气压EOF分析的第二时间系数代表TPI，并讨论过其年代际变化。 最近的研究表明南半球中高纬地区大尺度大气环流变化最突出的特征是南极涛动，即40(S-50(S纬度地带大部分区域与南极大陆及附近纬度气压的变化呈一种“翘翘板”形式的驻波性质关系，波节在55(S附近，计算纬圈平均海平面气压之间的相关，以40(S和65(S间负相关最显著，而且不管是对观测的、还是模拟的南半球及全球海平面气压场，进行经验正交函数分析南极涛动都是最显著的，解释的方差也最大1) ；因此，文献[15]用40(S和65(S纬圈平均海平面气压的差来定义南极涛动指数（即Antarctic Oscillation Index, 缩写AOI），对60(S到90(S的高纬地区，南极涛动指数平均可以解释海平面气压总方差的37.6%，而且南极涛动指数对南半球中、高纬地区气温和降水的变化有重要的影响[15]。因此，南极涛动指数能很好地刻划南半球中高纬近地面大气环流的特征。 比较“贯极指数”和“南极涛动指数”的定义可以发现，从纬度位置上看，Hobart接近40(S，而Stanley则介于40(S和65(S之间，所以Hobart和Stanley间海平面气压变化的显著负相关关系并不稳定，如1931-1960年间相关系数为-0.68，但1951-1982年期间则仅为-0.12（Carleton 1989）[16]，但是如果不用Stanley而用比它位置更偏南的Or