近百年北极涛动对中国冬季气候的影响_
近百年北极涛动对中国冬季气候的影响*
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 北京 100875; 2.北京大学大气科学系  北京 100871)
摘要: 北极涛动(AO)是北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态，对北半球及区域气候有重要影响。本文利用中国近50年和近百年气温和降水资料分析了北极涛动对我国冬季气候的影响。当AO指数偏强时，我国大部分地区冬季气温偏高，同时降水也偏多。AO和西伯利亚高压对我国冬季气候的影响在年际和年代际尺度上有不同的特征， 在年际尺度上西伯利亚高压对我国气温的影响要远强于AO，而AO对我国降水的影响则比西伯利亚高压的影响要显著。这种关系也可以通过比较分析对流层低层和中高层环流形式在AO不同位相时的变化得到进一步验证。这说明AO对我国冬季气温和降水影响的机制是不一样的。在年代际尺度上，AO对气温和降水都有显著的影响。AO和西伯利亚高压一起能解释近百年来我国冬季温度和降水方差的35%和11%。对于区域尺度的气候变化，除了行星尺度的AO和大陆尺度的西伯利亚高压之外，其它一些环流系统也有较大影响。如果要更好地理解近百年来我国冬季气候变化的特征及原因，还需要同时考虑这些因子的作用。
关 键 词: 北极涛动(AO) 气候 中国
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1 引 言
  大量研究指出近几十年来北半球中高纬度近地面气候变化与大气环流系统的变化有非常密切的关系[1~3]。 Thompson 和Wallace[4]发现北半球热带外(20?N以北)海平面气压场的变化中最突出的模态与北大西洋涛动(NAO)很相似，不过其纬向对称的特征更明显。这种模态从近地面到平流层低层都是存在的，接近正压结构。此模态被命名为环状模态(annular mode)或北极涛动(AO: 即Arctic Oscillation)。南、北半球的环状模态分别是两个半球中高纬度行星尺度大气环流的第一个模态 [5~7]。而NAO则被认为是AO在北大西洋区域的一种表现形式，尽管两者有较大的相似性但NAO只是AO的一个部分 (Wallace 2000, Kerr 1999)[8,9]。 AO的强弱直接导致北半球中纬度地区与北极地区之间气压和大气质量反向性质的波动，AO为正异常时，中纬度气压上升而极地下降，AO为负异常时，环流形势则与此相反。
  因此行星尺度的AO的变化，对近地面气候有显著影响。特别值得注意的是越来越多的研究发现AO对北美、欧亚大陆中高纬度气温、降水有显著相关[4, 10~12] 。如Cutlip[13]发现当AO处于正位相时，阿拉斯加、斯堪的那维亚等地区气候偏湿，而加利福尼亚，西班牙，中东等地区则偏干。Cavazos[14]指出巴尔
干地区冬季造成极端降水事件的环流形势也受AO的影响。Wang和Ikeda[15]的研究表明北冰洋及副极地地区海冰受AO显著影响。北冰洋及邻近地区的气温变化有很大部分由AO控制，阿拉斯加、欧亚大陆及北冰洋东部等地区近二十多年来气温变化方差的一半多可归结于AO[16]。AO还与一些区域性的大气环流系统如阿留申低压[17]、西伯利亚高压[3]、东亚季风[18~20]等有密切联系。
  本文的研究目的是分析AO对中国的气候影响，因为冬季是AO模态最显著、变率最强的季节，所以本文的研究时间选择为冬季。分析的时段包括两段， 一段是1951年以来的近50年，偏重于年际尺度的变化。另外一段是从1899年以来，偏重长期变化。
2 资 料
使用的资料包括中国气象局提供的全国160站月平均气温和月降水量资料，从1951年开始。美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析北半球月平均海平面气压及500hPa高度场资料[21]。 北极涛动指数定义为对北半球热带外海平面气压距平经验正交函数分析(EOF)第一模态的时间系数，近百年所有月份海平面气压连续序列EOF第一模态解释方差20％左右，冬季的解释率更高。AO指数由David Thompson提供，其时间序列有2种，一种是根据NCEP/NCAR再分析海平面气压资料计算的，从1958年以来；另外一种是根据NCAR观测的海平面气压资料计算的，从1899年到1997年。两种资料都可以由互联网获得，其网址是"lostate.edu/ao/"。 两条AO指数序列
在1958－1997共同时段内变化有很高的一致性，四季的相关都在0.99以上，所以分析近百年来变化时，将NCAR资料计算的AO指数1997年以后的数据由再分析资料补充。因为AO分析的季节是冬季，所以本文所有的资料都处理为冬季(12月－2月)平均(AO指数，气温，气压等)或者总量(降水)。
3 近50年AO与中国气候的关系
3.1 温度和降水
  图1(a)给出了我国160站冬季平均气温与同期AO指数的相关系数(1958/59~1998/99)。很明显整体看是以正为主，只有青藏高原东南部分地区个别地方相关为负，相关系数在0到-0.2左右，除此之外我国大部分地区气温与AO变化之间都是正的相关。相关最显著的地区主要是在30o~40oN以北，即新疆北部、东北、华北以及山东等地区，这些地区的相关系数都在0.3以上，说明AO指数的变化能解释这些地区温度变化方差的16%~36%。Thompson和Wallace[4,5]曾经计算过1~3月标准化AO指数与北半球各地气温的回归关系，他们的结果显示正的AO位相时整个欧亚大陆高纬度地区为正的温度距平。在中国部分他们的回归系数的数值在0.25~0.5K。这与图1中显示的特征基本一致，不过图1中因为使用的是站点资料，所以
特征更细致。温度相关分布的这种特征反应了AO可能会影响冬季风进而对影响我国的寒潮及其路径的活动造成影响，因为从图1中可以发现显著相关的地区与寒潮的西北路径和北方路径比较一致。具体
细节和过程还需要进一步的分析。所有160站平均气温序列与AO指数相关为0.43，超过了95％的信度水平。生成两种沉淀的复分解反应
图1. AO指数与冬季气温(a)以及冬季降水量(b)的相关系数(1958/59-1998/99). 通过95%信度水平的地区用阴影标出.
Fig. 1. Correlation between AO index and temperature (a) and precipitation (b) for winter (1958/59-1998/99). Areas above 95% significance level are shaded. Negative contours are shown as dashed lines.
  图1(b)是AO指数与同期各站冬季降水量的相关系数。当AO处于正位相时，我国大部分地区降水也是偏多的。只有极少数地区例外， 如西北个别站。最显著的相关出现在两个地区，一个是大约100?E以东30?~40?N之间的地区；另外一个相对较小的地区出现在华南。这些显著的地区相关系数在0.3~0.4左右。这说明这些最显著的地区冬季降水年际波动的10%~15%与AO有关。中国大陆上所有的站平均，得到的平均降水量序列与AO指数之间的相关系数达到0.47，也超过了95％的信度水平。
  值得注意的是全国160站平均的温度序列和降水序列与AO指数的相关，都要明显高于单站资料计算的结果，这应该与单站气候要素受多种局地环境要素及天气因子等的影响有关，这些高频变化信号通常较强。而区域平均处理以后，可以有效地削弱这些干扰的影响而突出大尺度的低频气候信号。因此，
如果AO的气候影响是存在的而且这些站之间的影响性质比较一致的话，则区域平均的温度与降水与AO指数之间应该得到比单站要高的相关。
3.2 AO与西伯利亚高压
  过去有许多研究指出影响我国冬季气候的最重要的一个环流系统是西伯利亚高压[22~25]。文献[25]曾指出西伯利亚高压能解释中国冬季气温变化方差的43.6%。图2给出了全国160站冬季平均气温与同期北半球海平面气压的相关系数(1951/52~1998/99)。很明显中国的冬季气温受欧亚大陆高纬度环流的强烈影响。西伯利亚地区是显著的负相关，中心区的相关系数低于-0.6。过去的一些研究表明[4,10]当AO处于正位相时北极地区及欧亚大陆的大部分地区地面气压是偏低的。当AO偏强一个标准差时，西伯利亚地区的海平面气压比正常状况要偏低1~3hPa，即AO强时西伯利亚高压是偏弱的。图3给出了AO与海平面气压的相关，根据图中显示的特征看西伯利亚高压中心区的气压与AO也是相反的变化性质。AO与西伯利亚高压之间的联系可能与它们之间的动力联系有关，当AO正异常时西风环流
强而平直，东亚大槽减弱，槽后的辐合下沉减弱，因此地面的西伯利亚高压也相应减弱[18]。
图2. 160站冬季平均气温与与北半球冬季海平面气压的相关系数(1951/52-1998/99). 通过95%信度水平的地区用阴影标出.
Fig 2. Correlation between 160-station average temperature in China and sea level pressure over the Northern Hemisphere in winter (1951/52-98/99). Areas above 95% significance level are shaded. Negative contours are shown as dashed lines. 图3. AO指数与北半球冬季海平面气压的相关系数(1958/59-1998/99). 通过95%信度水平的地区用阴影标出
Fig 3. Correlation coefficient between AO and winter sea level pressure over the Northern Hemisphere (1958-98/99). Areas above 95% significance level are shaded. Negative contours are shown as dashed lines.  　
  图4同时给出了AO指数，西伯利亚高压强度，以及160站平均气温的时间序列。这里的西伯利亚高压强度定义为亚洲大陆中高纬度地区(30?~70?N，60?~130?E范围)海平面气压高于1028hPa所有格点气压的面积加权平均值，即表征高压中心地区单位面积上堆积的冷空气质量的多少[25]，为方便比较所有三个序列都参考1961~1990年时段进行了标准化。从图4中可以直观地看出AO指数和西伯利亚高压强度指数都与温度有很好的相关：AO指数与温度有相似的趋势；温度与西伯利亚高压之间有明显的反向性质的变化特征。而AO指数与西伯利亚高压强度指数之间的反向变化关系也很明显，二者之间的相关系数为-0.51，超过95％的信度水平。
  因此，上一节计算的AO指数与我国温度和降水的相关是包含了西伯利亚高压的影响了的，并不完全
是AO的独立贡献。统计上为了分析两种因子之间的真正相关，排除第三种或其它因子的影响，一般可以采用计算偏相关系数的方法。排除了要素c的影响后，要素a和要素b 之间的偏相关系数为[26]：
开学第一课作文400字Rab·c=                          (1)
式(1)中Rab·c是a和b的偏相关系数，Rab是a和b的相关系数，Rac是a和c的相关系数，Rbc是b和c的相关系数。根据这个公式，我们计算了AO指数与我国冬季平均温度和平均降水的偏相关系数(表1)。
表1. AO指数与我国冬季气温及降水的相关系数统计(资料1958/59~1994/95)，显著水平超过95%的值以黑体标出.
Table 1. Correlation statistics for the AO, the intensity of Siberian High and wintertime climate in China. The considered epoch is 1958/59-1994/95. Correlation coefficients above the significant at the 95% confidence level are bold.
AO指数 西伯利亚高压强度 气 温  相关系数 +0.43 -0.67 偏相关系数 +0.14 -0.58 降 水  相关系数 +0.47 -0.36 偏相关系数 +0.36 -0.16 R(AO, 西伯利亚高压) = -0.51
图4. AO指数，西伯利亚高压强度及160站平均气温的时间
序列. 为方便比较都已对1961~1990时段标准化.
Fig 4. Time series of AO, the intensity of Siberian High and the mean surface air temperature of 160-station in China during wintertime. To facilitate comparison all series are standardized regarding to 1961-90.
图5. (a)中国冬季平均降水与500hPa高度的相关(1951/52-1998/99)，(b)冬季AO指数与500hPa高度的相关(1958/59-1998/99). 阴影区达95%信度水平.
Fig 5. (a) Correlation coefficients between China mean precipitation and winter 500hPa geopotential heights(1951/52-1998/99). (b) Correlation between AO and winter 500 hPa geopotential heights (1958/59-1998/99). Areas above 95% significance level are shaded.
  结果发现当西伯利亚高压的影响排除了以后，AO指数与我国平均气温的偏相关系数只有0.14，达不到显著信度水平。如果把AO的影响排除掉以后，西伯利亚高压与我国平均气温之间的偏相关系数高达-0.58。这说明西伯利亚高压对我国冬季气温的年际变化影响的确是非常重要的，与AO相比较其影响要强得多。不过AO与降水的关系却明显不同：当西伯利亚高压的影响排除了以后AO指数与160站平均降水的偏相关系数仍然有0.36，而当AO的影响排除了以后西伯利亚高压与降水的偏相关系数却只有-0.16。这说明AO对我国冬季降水的影响要强于西伯利亚。西伯利亚是一个浅薄系统，主要表现在近地面1~2km高度最明显。而AO对整个北半球从对流层到平流层低层的大气环流都有显著影响的，我
国冬季降水的相当一部分与高空环流系统的变化特别是对流层中层槽脊活动、东亚西风急流的变化及切变活动等有关。所以AO与我国气温的弱相关及与降水的强相关可能说明AO对温度和降水影响的途径不同。上述关系也可以通过比较分析对流层中高层环流形式在AO不同位相时的变化得到进一步验证。分别计算500hPa高度场与AO指数、与我国平均气温和与我国平均降水的相关，发现AO和降水与500hPa环流形式的相关有很大的相似性，在东北亚地区是一个正的异常中心而在极地和中亚为负的相关中心(图5)。而气温与500hPa的相关特征则与此有显著差别：在我国北方上空为正的相关中心，在乌拉尔山以东地区为负的相关中心（图略）。这些都说明AO对我国冬季气温和降水的影响的方式是不一样的。
图6. 我国东部冬季平均降水和气温的长时间序列. 光滑线为10~40年带通滤波处理的结果. 均已经标准化处理.
Fig 6. Long-term variation of winter precipitation and temperature. Low frequent variations filtered by 10-40yr band-pass-filter are shown as smooth lines. Both time series are normalized.离婚起诉流程怎么走
图7. AO指数，平均气温及平均降水序列的年代际尺度变化分量.10－40年尺度带通滤波结果.
Fig 7. The filtered results of inte

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