大气环流指数浅析.docx

本文发表在台风论坛，已获得作者同意大气环流指数（AO、AAO、PNA、NAO）浅析前言?本文尝试简单解释AO、AAO、NAO、PNA等四项日常分析中常用的环流指数，并剖析各指数与对流层大气环流的关系。由于作者水平有限，若有错误之处还请各位高手不吝赐教。在下愿以此文抛砖引玉，与诸君共同进步。本文用到的资料多来自美国气候预测中心（Climate Prediction Center, CPC）。?引子?众所周知，地球是太阳系内的第三颗行星，自身几乎所有的热能都是以短波辐射的形式从太阳而来。地球与太阳系内许多行星一样，都拥有一个厚厚的大气层。地球的自转轴与其运行轨道有一个大约是23.5°的夹角，而纬度越高，太阳入射光线与地表的夹角也越小。由于每单位面积上的太阳辐射强度，即太阳常数基本是保持不变的，所以太阳角越低，地表所得到的辐射强度也越低。综上所述，地球表面上的年总日射量（insolation）与纬度成反比。就一年的总辐射平衡（radiation budget）情况来说，大约在地球南北纬40°之间地区为能量盈余（energy surplus），而高于南北纬40°的地区则有能量亏欠（energy deficit）。这么一来，地球表面出现了受热不均的情况，并形成从极区指向赤道的温度梯度。这种不平衡就要通过大气层内的湍流、辐射、潜热输送、传导、对流等过程，将热能从能量盈余的赤道、中低纬地区输送热能到能量亏欠的中高纬、极地地区，以求达到能量收支平衡。?而在这个能量输送的过程中，大气环流就诞生了。通过气象学家们近300年的辛勤研究，现在被发现的大型环流系统有以下几种：三圈环流、沃克环流、亚澳非季风环流等等。而为了更好地理解和预测大气环流的动态与趋势，气象学家们又在上世纪定义了几项环流指数，以位势高度距平偶极来表示大气环流中经常在某些特定区域出现的震荡。这种震荡又被戏称大气环流内的“跷跷板”，即一处位势偏高，另一处则必定位势偏低。?现在就让我们进入正文吧，首先来关注一下什么叫北极震荡指数（AO Index）。自己先上个图吧，最近的北极涛动强负值3. 北极震荡指数（ArcticOscillation Index）?定义：在1000hPa上，将每日北半球20N以北的位势距平，在去除季节平均距平后的得到的一项环流指数。?3.1 概述?根据三圈环流(Tricellularmodel)的理论，20N位于副热带地区，处于延绵半球的副热带高压，也就是哈德来环流（Hadley Cell）下沉支的控制之下，1000hPa天气图上表现为一高压区。而20N以北地区则分别属于中纬度西风带以及高纬度东风带的控制之下，也就是费雷尔环流(Ferrel Cell)和极地环流(PolarCell)的势力范围。中纬度西风带地面上以各种冷暖高低压系统交替控制为其主要性质，而在60N附近则有一段不连续的极地低压带，对应费雷尔环流的上升支，又称极锋。在60N以北，极地盛行偏东风，地面上有一浅薄的冷高压。?在夏季，北半球行星风带北移，30N以南基本都为副高所控制，而西风带北撤，极地东风带范围缩小。由于夏季极地冷源势力微薄，地面冷高压势力减弱，相对于副高控制的中低纬度地区是一低压带。而在冬季，由于极地冷源势力加强，冷高压亦有所增强，但由于北极大部分都是洋面（故称北冰洋），所以冷源势力其实多集结于亚洲西伯利亚东北部，以及北美加拿大巴芬湾及格陵兰一带。如此一来，北半球中高纬地区在1000 hPa上的平均位势要较极地内高，即产生了极地内地面位势较低，中纬度位势较高的现象。这与500 hPa上位势高度自极地向外逐步升高是类似的。此所谓北极震荡（AO）的正常分布态势，即中性（neutral）态势。AO指数的变动幅度也是冬季较大，夏季较小。?跟其他大气环流震荡一样，北极震荡（AO）的一个很明显的特征就是，极地内的位势与中纬度地区的位势呈反相关。即：极地位势上升，中纬度位势就下降，反之亦然，从而形成了一个经向位势距平偶极。故气象学家们也很形象地称之为“跷跷板”，取其此上彼下之意是也。?3.2 正负相位描述?AO正位相：当500hPa北极极涡呈绕级分布的时候，冷源势力均集中于极地内，极地内位势偏低，中高纬地区位势较高。极锋急流（或北支急流）位于60N以北，急流走向平整。见2009年1月11日的北半球500hpa天气图，当天的AO指数是3.256。半球西风带呈纬向环流态势，中纬度地区强冷空气或寒潮爆发不频繁。反映到地面1000hPa上，就是极地内外位势梯度较平时要小，使得冷空气南下无力。中纬度地区通常有气温正距平，而高纬极地内则是气温负距平。?AO负位相：这个跟正位相正好相反，500hPa北极极涡偏离极地，南下中纬度地区，且多呈偏心或偶极分布。极地此时通常会被极高或高压脊控制，位势较高，而中纬度则受极涡和其带