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南欧地区NAO与冬季气温变化性的联系

本文中我们将讨论南欧地区NAO与气温的联系，采用NCEP/NCAR再分析资料，研究与不同阶段和强度NAO以及气温异常相联系的天气现象。结果表明，南欧地区气温不仅与NAO阶段有关，并且与NAO发生中心的准确位置有着敏锐的联系。相似地，相对温度距平值被认为也与NAO指数值相联系，从而导致在这个指数和温度序列之间的线性相关系数趋于零。这并不一定意味着NAO对南欧气温的影响微不足道，而是表明了一种复杂的非线性的关系，所以不能用简单的NAO指数充分地表现。我们认为在南欧没有任何关于NAO中心位置的敏感信息被发现，这种NAO与气温大体上的联系与欧洲中部和北部是不同的。

索引词：3309气象和大气动力学：气候学（1620）；3319气象和大气动力学：大气环流；3334气象和大气动力学：中尺度大气动力学（0341,0342）;3399气象和大气动力学：一般和混杂项

1. 简介

在几种不同的北半球位势高度低频变化模式中，最重要的一种即NAO(North Atlantic Oscillation)[Barnston and Livezey,1987].它的特点是南北偶极模式的气压异常，同时伴随一个位于爱尔兰的北方偶极中心和位于亚速尔群岛附近的南方偶极中心。NAO模式在强度和冬季区域范围方面都是显著的，同时呈现出两个阶段：在北大西洋高纬地区，低于平均值，表现为正相位；负相位有着相反的模式。

今年来，北大西洋NAO的气候效应已被广泛研究，研究表明，它是欧洲气候变化的最重要的影响因子[Hurrell,1995; Osborn et al., 1999]。特别地，在欧洲中部和北部地区的年际气温变化实质上是由NAO中的变化所引起的。同时，在非洲北部，也曾报道过NAO对于气温[Rogers, 1997] 和沙尘暴[Moulin et al., 1997] 的影响。然而，NAO对于南欧气候的影响还不清楚，一些研究也明确地指出南欧地区NAO对于降水的影响[Lamb and Peppler, 1987; Rodoacute;et al., 1997; Hurrell and van Loon, 1997;Rodrigo et al., 2001; Esteban-Parra et al., 1998]，但是关于气温的却很少[Hurrell and van Loon, 1997; Osborn et al., 1999]。为了探究南欧的明显特征，我们研究了NAO和气温的联系，并且比较了不同模式以及由不同气温异常所导致的NAO强度不同情况下的天气形势。

1. 资料及先前研究结果分析

前人已经分析过北大西洋陆地地区，包括欧洲西部、中部、南部地区，斯堪的纳维亚南部以及非洲北部（10W~20E,35N~60N）的1852—1997年冬季气温格点资料。本文采用的是由CRU, Univ. of East Anglia, U.K.提供的，水平分辨率为5times;5，表示为1961–90 [Jones, 1994]相应月平均中的异常。冬季气温由相应的月平均值确定。

相对于1951—1980年间监控NAO的指标，一个由直布罗陀和爱尔兰的气压资料所计算的冬季指标，相对来讲更为标准。而关于这个指标的建立、引用这个特殊指标的原因以及它的主要特征在Pozo-Vaacute;zquez et al.[2000]里有详细讨论。

在之前的研究中[Pozo-Vaacute;zquez et al., 2001]，运用1852—1997年间基本资料，分析欧洲冬季气温变化性的时间、空间模式与NAO的联系。PCA显示最重要的冬季气温的空间变化模式即为NAO。这种模式主要体现了欧洲的中、西部，北斯堪的纳维亚以及不列颠群岛变化。图1上表示了负载系数。NAO指数和相应PC系列的相关系数为0.8（显著性为95%）。因此，可以表明欧洲中部、北部地区的气候同NAO有着显著的联系。南欧气温变化性由第二模态表示，在图1下中体现。NAO指数和PC系列的相关系数为0.06（不显著）。

同时，文章里也用到30N~80N, 60W~40E地区的SLP和uv风场的NCEP/NCAR再分析资料。分辨率为2.5times;2.5的网格距结果缩减为纬度5times;经度10。采用的时间段为1959—1997，与1961–90相联系的资料表现为异常。冬季平均异常通过气温资料的逐月异常平均取得。

图1 对1852—1997年冬季气温REOF分析后的第一（上）、第二（下）模态场

1. 分析与讨论

首先，我们比较了与NAO和气温相联系的海平面气压模式。图2显示了南欧冬季PC气温异常序列和北大西洋海平面气压图（下图），和NAO和海平面气压图（上图）之间的样本联系。所分析的时段为1959—1997。

这种空间相关模式显示出了不同的地方：图2上图显示了众所周知的两级结构的NAO，而下图则显示了与南欧气温变化性相联系的海平面气压的一种不同于往常的结构。这显示了在北大西洋中部地区的一种与海平面气压的负相关性。在爱尔兰南部的核心地带，这种相关模式存在一种循环结构，其相关性达到了-0.7。与负海平面气压异常相联系的正温度距平，产生了相应的由大西洋到南欧的海洋暖气团。另一方面，负温度距平也与正海平面气压距平相联系，从而引起了南欧地区的东北风异常。

值得注意的是，在图2下图中相关模式核心的区域正好与图2上图中梯度相关最大的区域对应，因此它将正负相关的区域都包含在了其中。进而NAO中心的移动会导致爱尔兰南部的海平面气压距平发生显著变化，相应的指标也会改变。由于NAO中心的很小的变化也会导致爱尔兰南部不同的海平面气压异常，因此会使南欧的气温距平加大，这种分析解释了南欧气温和NAO之前的不显著关系。

图2 上图为NAO指数与海平面气压场的相关性，实现表示相关性为零或正相关，虚线表负相关；下图为南欧PC气温序列与北大西洋海平面气压场的相关系数（假定标准误差为0.16）

为了深入研究，我们又进行了一组分析去研究一些特殊的个例。图3显示了1950—1997年间与南欧相一致的NAO指数和PC序列。我们选取了六个特殊年份的冬季，因为他们都可以代表具有争议的南欧地区的NAO指数和气温的关系。图4表示了与选取个例相联系的海平面气压和地表风异常。A) 1963, B) 1965, C) 1979, D) 1981, E) 1990， F) 1995。

图3 冬季NAO指数（虚线）以及南欧地区REOF分析出的PC序列（实线），单位为摄氏度，时间段为1950—1997，垂直实线所指示的为选取个例年份

在1963年冬季可以看出存在NAO的极端负相位（NAO指数为-2.2）。南欧东北风异常与偶极NAO阶段模式很相似。负温度异常作为这种循环异常的结果，会发生在这个地区；特别的，PC气温序列的异常是-1摄氏度。图4B显示了1965年冬季的天气形势。同样的，也发生了NAO的负相位阶段（NAO指数为-1.4）。风场和海平面气压场模式显示了一种不同的结构，与先前的个例相比，NAO偶极结构并没有以前明显。北方的正距平中心较之前的个例偏南，而南方的中心较弱。这种模式再一次导致了南欧的东北风异常。与其相关的PC温度局评为-1.3摄氏度。图4C中的模式显示了1979年冬季的天气形势。同样的，存在一个负NAO指数值，为-2.0。风场和海平面气压场距平又一次与NAO负相位有明显的相似。然而，使北部发生过程的南部中心的位置与先前个例的偏差越大，导致的西南风异常越强，而西南风可将暖空气带入南欧，这使得南欧地区出现高温，因此存在一个1.8摄氏度的PC气温序列正距平。

我们也做了一个对于NAO正距平的相似的分析。图4D表明1981年冬季的天气形势，其NAO指数为 1.2。地表风场和海平面气压距平场显示了在爱尔兰一个海平面气压正距平最值处，这会导致南欧地区的东北风异常。PC温度距平序列显示了一个-0.8摄氏度的值。同样在1990年冬季（图4E）也出现了正相位的NAO指数（指数值为 2.1）。位于冰岛的海平面气压负距平以及爱尔兰和伊比利亚半岛之间的海平面气压梯度极大值的剧烈增大，引起了强烈的西南风携带暖空气经过南欧。因此，PC温度序列距平表明，与先前的个例相反，呈现了一个很大的正值，即 2.2摄氏度。最后，图4F显示了1995年冬季的天气形势。出现了一个很强的正相位阶段的NAO（其指数值为 2.9）。风场和海平面距平场清楚地表明了NAO的偶极模式。活动中心的位置引起了南欧上空弱的西南风。PC表现为正距平，其值为2摄氏度

总体上看，在相同相位（正/负）阶段的NAO过程中，南欧气温对NAO活动中心具有很强的敏感性。正或负气温距平与NAO的正负相位相联系，但不仅仅取决于相位，还取决于NAO活动中心的位置。

另一方面，在欧洲中部，特别是北部，没有这样的敏感性存在。图4D，4E，4F表明，在这些地区，风场西向的组成在NAO呈正相位时往往是暂时的，引起了温度正距平，同时在NAO呈现正相位的阶段（图4A，4B,4C）主导的环流由大陆带来冷空气，使气温出现负距平。

如上文所提到的，NAO对于南欧地区降水和气温的影响是不同的。另外一份研究用伊比利亚半岛的降水距平揭示出降水的变化性相比气温变化性来讲，更可能是受与NAO联系的环流控制，这可能是因为气温就像辐射一样，也是由其他的变化所引起的。

图4 冬季北大西洋地区地表风场以及海平面气压距平场，A)1963，B)1965，C)1979，D)1981，E)1990，F)1995。气压场单位为毫巴，等值线间距为1。实线表示正距平及距平为零，虚线表示负距平。风场单位为m/s，右下角为最大风速的10倍量。

1. 结论

在南欧地区，NAO对于气温变化性的影响相比欧洲中部和北部是更为复杂的，NAO对海平面距平中心的位置具有很强的敏感性。欧洲中部和北部的海平面气梯度很强，由于地理位置的关系，NAO不具有这样的敏感性。由于这种海平面气压梯度主要由一种简单的NAO指数表示，在欧洲中部和北部，这种指数和气温之间的联系表现为很明显的正相关。另一方面，对于南欧，影响NAO的不仅是梯度值，活动中心的位置也会对NAO产生影响，简单的NAO指数表明线性相关系数趋于零。但这不能表明NAO对于南欧气温没有影响，只能说它们的联系较欧洲中部和北部更为复杂，一个简单的指数不能在各个方面表征NAO的性质。此外，NAO活动中心的位置似乎每年都在发生着改变 [Mauml;chel et al., 1998; Davis et al., 1997]。这导致相对于欧洲中部和北部来说，南欧的气温在NAO变化的时间尺度上有着不同的表现形式。

感谢：西班牙CICYT CLI98-0930-CO2-01工程资助本研究项目。感谢东安格利亚大学气候研究中心提供的再分析资料。

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