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NAO与北半球气候变率不断变化的关系

Jian Lu and Richard J. Greatbatch


Department of Oceanography, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Canada

[1]海峡两岸海平面压力（SLP）差异被用作海峡冰块出口的代用品，以证实NAO和Fram海峡冰块出口之间的联系的长期变化发生在1980年左右，变化是与NAO相关联的SLP模式向东移动。20世纪五六十年代，西伯利亚冬季气温和北大西洋风暴活动指数的两个附加变量也被发现与冰出口代理不相关，在1980年代和90年代与高度相关，这表明出现了与NAO有关的新气候制度。我们认为，这个新的气候制度的建立与整个20世纪的NAO指数与罗杰斯第一次北大西洋风暴活动模式之间的相互关系呈上升趋势。索引条款：1610全球变化：大气（0315，0325）; 1620全球变化：气候变化（3309）; 3319气象与大气动力学：一般流通。

一、介绍

[2]北大西洋涛动（NAO）指亚极和亚热带纬度之间大气质量的子午线变化，Hurrell [1996]将NAO指数定义为正常冬季海平面压力（SLP）异常的差异 里斯本，葡萄牙和冰岛的Stykkisholmur之间。 NAO是北半球冬季大气环流中最重要的变异模式，与被称为北极涛动（AO）的半球变异模式密切相关[Thompson和Wallace，1998]，约占三分之一 20°N以北冬季（DJFM）表面大气温度的总方差[Hurrell，1996]。自1980年以来，NAO的行动中心向东转移。 Hilmer和Jung [2000]（以下简称HJ2000）首先注意到这一转变，他指出，使用建模和观察数据的组合，在1958年至1977年和1978至19997年之间，通过Fram Strait的NAO指数与冰出口之间的相关性急剧增加，在1978 - 1997年期间，当NAO指数为正（负）时，向东偏移导致Fram海峡北部（南）风，意味着冰出口增加（减少），这一关系在1958 - 1977年期间并未持平。NAO的行动中心的东移似乎在二十世纪[Jung和Hilmer，2001]（以下简称JH2001）中是前所未有的，并导致NAO相关年际变率（如近地表气温）的显着变化，以及 北大西洋的净表面热通量[Jung 等，2001]。

[3]鉴于NAO对北半球（特别是欧洲）气候变率的重要性[Kushnir，1999; Greatbatch

，2000年]，以及人为气候变化可能涉及的可能性[HJ2000]，重要的是要了解导致东移的原因。目前，Jung及其同事的论文中还没有人知道这一转移。我们知道与天气风暴相关联的极端涡流的动量对于维持NAO的不同阶段很重要[Limpasuvan和Hartmann，1999; Greatbatch，2000]。 这促使我们考察NAO与北大西洋风暴活动之间的关系，看看这种关系是否能够向东移动。我们的起点是Rogers [1997]的工作，他们使用组合主成分分析（CPCA）来探索高通SLP变异性（代表风暴活动）的均方根与月平均SLP的低频变异性之间的联系。罗杰斯发现与第一次旋转的经验正交函数（REOF）风暴活动相关的低频SLP变异性的偶极子结构与NAO具有一些相似性。罗杰斯没有将这种SLP模式识别为NAO，因为它与NAO原型相比，它的作用中心更向东偏移。1978年至97年期间，这种SLP模式（参见Rogers [1997]图6）与NAO模式非常相似（见HJ2000图4b），在比斯开湾有一个行动中心，其他北部的斯堪的纳维亚和巴伦支海。 同时，1980年代温和的西伯利亚冬季则由罗杰斯和莫斯利 - 汤普森[1995]归因于东北大西洋和北极海洋的气旋活动增加。这些地区的旋风活动是罗杰斯[1997]发现的第一次风暴活动REOF的积极阶段的特征，并且在上文中提到。 此外，罗杰斯和莫斯利 - 汤普森[1995]图2c所示的西伯利亚极端寒冷和寒冷的西伯利亚冬季之间的SLP差异与HJ2000中的图4c非常相似，显示了通过Fram Strait出冰的SLP模式。 因此，虽然精确的关系不清楚，但通过肋海峡，西伯利亚的冬季温度（SWT）和高纬度北大西洋的气旋活动都与NAO及其东移有一定的联系。在这里我们使用互相关分析来澄清关系。 我们发现，所有这四个变量在NAO向东移动的同时（即大约在1980年左右）变为锁定在一致的变异模式。 我们认为，这种模式的出现与NAO指数与罗杰斯第一次风暴活动模式之间20年互补相关的一个世纪长期增长有关。

二、数据

图1：（a）冰流代理IF的冬季平均（DJF）时间序列，NAO指数NAO，风暴指数ST和西伯利亚冬季温度指数SWT。 注意绘图目的的索引之间的3个单位的垂直偏移。（b）（a）中每两个时间序列之间运行互相关函数（20年窗口）。1％置信度（虚线）表示与零显着不同的相关系数。

[4]这里使用的基本数据集是NCEP / NCAR再分析的47年（1953-1999）[Kalnay等，1996]。 只考虑冬季（12月，1月和2月; DJF）。 Kwok和Rothrock [1999]和Kwok [2000]已经证明了通过Fram海峡的冰面积通量与海峡两岸SLP平均月度梯度之间的高度相关（r = 0.89）。 因此，我们使用海峡两岸[（81°N，15°W）减（80°N，10°E）]之间的冬季平均（DJF）SLP差异，相对于其自己的标准偏差归一化，作为冰的代表 导出（由IF表示）。 NAO指数（由NAO表示）按照Hurrell [1996]计算，除了我们在冬季使用DJF。西伯利亚冬季温度指数（SWT）仅仅是西伯利亚地区55°-70°N，70°-100°E的平均表面温度的归一化时间序列。 通过使用NCEP / NCAR再分析数据的月平均1000 mb温度计算。为了计算风暴指数，我们按照Rogers [1997]的程序，应用于NCEP / NCAR数据集中的每日12z SLP数据，范围是从1953-1954年到1998-1999年12月1日至28日/ 29日。 使用二项式滤波器对数据进行高通滤波。西伯利亚横跨55°-70°N，70°-100°E。通过使用NCEP / NCAR再分析数据的月平均1000 mb温度计算。为了计算风暴指数，我们按照Rogers [1997]的程序，应用于NCEP / NCAR数据集中的每日12z SLP数据，范围是从1953-1954年到1998-1999年12月1日至28日/ 29日。使用二项式滤波器对数据进行高通滤波。过滤器在2-8天的周期范围内具有最大响应，通常对应于天气系统的通过。对20°至80°N，80°W至60°E延伸的高通滤波数据的月均值执行varimax旋转主成分分析（RPCA）。第一个组成模式是位于东北大西洋和挪威海以及葡萄牙周围东部大西洋的偶极子。正是这种风暴活动模式与罗杰斯[1997]图6所示的SLP模式相关，并且类似于1978 - 1997年期间转移的NAO模式。我们通过平均主成分时间获得冬季风暴指数ST 系列为三个冬季，正常化，以符合罗杰斯指数。罗杰斯指数跨越1900年至1992年的冬季。在重叠期（1954 - 1992年）期间，他的冬季指数与ST之间的相关系数为0.94，与1的相关系数的差异归因于不同的数据集 罗杰斯 这个验证允许我们重建更长的风暴指数，如图2a所示，将我们的1954-1999年指数连接到罗切斯指数在1954年之后截断。所有四个气候指数都显示在图1a中的1954年至99年期间。

[5]我们还利用了英国东安格利亚大学（UEA）气候研究单位的月平均SLP数据。这个SLP记录长达123年，从1873年到1995年，在10°经度的5°纬度网格上可用。然而，由于在欧洲大陆缺乏数据覆盖的早期记录，我们仅在1940年之后才使用数据。

三、结果

[6]使用窗口长度为20年的索引对之间的运行互相关显示在图1b中（选择15或25年的窗口长度不会显着改变结果）。 冰通量代理与其他三个指标的相关性由实线曲线描绘。所有三条实线曲线显示，1960年左右的头20年的近零相关性迅速上升，高于1980年左右的1％显着水平的高度相关性。与JH2001图10相比，模型冰体出口通过肋海峡与NAO指数。 所有三个实线曲线所示的相关性的跳跃表明，建立了一个新的气候制度，其中Fram海峡冰川出口突然变得与NAO，风暴指数和西伯利亚冬季气温相位锁定，以前没有与任何这些 变量。

[7]除了具有冰通量的相关性之外，相关性在记录期间逐渐增加，尽管在所有情况下，使用学生t检验确定，在10％的水平上，增加是显着的。请注意，NAO与风暴指数最相关。 然而，有趣的是，NAO与这种特定的风暴活动模式之间的联系（第一次旋转的均方根高频差异的EOF）在本世纪初没有落伍。图2b显示了相同的运行互相关，但是在1900年至1999年期间，100年延长的风暴指数（使用罗杰斯在1954年之前的数据）和Hurrell的冬季（DJF）NAO指数之间的时间，使用罗杰斯数据的虚线 在20世纪20年代，长期以来一直呈上升趋势，仅在20世纪60年代初之后，这种风暴活动与NAO呈显着联系（1％的水平）。事实上，在本世纪初，联系薄弱。图3a显示了使用1940年至1995年的数据，回归UEA冬季平均SLP风暴指数的结果。这种模式与从CPCA获得的罗杰斯[1997] SLP模式非常相似（他的图6）。特别是北斯堪的纳维亚和巴伦支海的北部中心，以及Fram海峡的（弱）异常的南北风。 鉴于20世纪80年代和90年代风暴指数与NAO指数之间的高度相关性（0.8以上），图3a中的模式也与图3b所示的NAO模式相似，这并不奇怪。以这种方式看，NAO的东移可以解释为本世纪长时间增长的结果，即NAO指数与进入东北大西洋极端气旋的旋风频率增加之间的相关性（如图2b所示） 巴伦支船和卡拉海沿着大范围的旋风暖暖部门带来西西里的强劲西风。

图2：（a）通过将罗杰斯1900-1953时间序列与1954年至1999年的NCAR / NCEP 12z SLP计算出的指数相连，重建了1900年至1999年的风暴指数。虚线曲线是罗杰斯指数（1954-1992）的后半部分。（b）在1900年至1999年期间，风暴指数与Hurrell冬季（DJF）NAO指数之间运行互相关函数（20年窗口）。虚拟互相关函数来自（a）中罗杰斯风暴指数的虚线部分。直线点划线为1％的置信度。

图3：（a）通过回归UEA冬季（DJF）获得的模式使用1940 - 1995年的数据表示SLP对重建的风暴指数。（b）使用1978 - 1997年数据，通过回归NCAR / NCEP冬季获得的模式对NAO指数意味着SLP。轮廓间隔为1 hPa。

罗杰斯第一轮旋转EOF的主要组成部分是均方根高度变化。

[8] 我们现在讨论图1b所示的其他两个虚拟互相关曲线，SWT-ST和NAO-SWT。罗杰斯和莫斯利汤普森[1995]解决了旋风活动与西伯利亚冬季气温之间的联系。这些作者认为，1980年代温和的西伯利亚冬季，进入极端东北大西洋并横穿巴伦支线和卡拉海的气旋频率增加，带来西西里强劲的西风与广泛的旋风暖气部门。自20世纪70年代中期以来，风暴指数和SWT之间的高度相关性（大于0.7）同意这一观点。 由于他们没有意识到NAO的转变，罗杰斯和莫斯利汤普森并没有将温和的西伯利亚冬季气温与NAO相关联。曲线SWT-NAO表示SWT与NAO指数之间的相关性，表明20世纪70年代的20年相关性与零（1％水平）有显着差异，NAO占到了60％ SWT近几十年的差异。

[9]我们可以将整个故事总结如下。 自20世纪50年代中期以来，第一个rms高通SLP变异性的REOF在NAO方面已经变得越来越多，结果是与NAO相关的低频SLP变异性的模式越来越像SLP模式相关联 这种风暴活动的模式。 20世纪70年代后期，当NAO模式发生变化时，NAO指数，风暴活动模式，Fram Strait冰通量代谢和西伯利亚冬季气温都开始显着相关。 这表明在二十世纪的最后几十年，出现了一个新的，空间一致的气候制度。

四、结语

[10]自然地问，上面提到的气候变率的新模式是气候系统的自然变率的一部分还是由于人为强迫的结果？ 我们知道，在二十世纪四十年代，NAO指数呈现强劲的上升态势，与NAO的行动中心向东转移一致。与东向不同，上升趋势一直是重点关注的焦点。有人提出，趋势可能与冬季AO / NAO与平流层之间的联系（Shindell等，1999，Hartmann等，2000年）与热带海洋影响[Hoerling等，2001]，或者它可能只是气候系统中自然，内部变异性的一部分[Wunsch，1999]。 东向偏移存在类似的不确定性。

[11]罗杰斯第一次风暴活动指数与图2b所示的NAO指数之间日益增加的相关性，暗示了NAO转变中风暴轨迹发挥的特殊作用。在一个耦合的GCM模拟中，Ulbrich和Christoph [1999]发现，西北欧地区的风暴活动有所增加，模型的NAO在温室气体强制增加的情况下向东转移，在固定温室控制下没有发现这种行为 气体强迫。同时，风暴轨迹活动的增加以及风暴轨迹下游尾部的平均表面压力的下降是许多不同的CGCM模拟在不断增加的温室气体强迫下的场景运行中的常见特征[Ulbrich和Christoph，1999]。因此，可以认为人为气候变化可能对我们在NAO和北大西洋风暴活动之间记录的不断变化的关系负责，从而导致东移。此外，正如JH2001所指出的那样，东方的转变似乎在工具记录中是前所未有的。然而，东偏移仍然可能仅仅是气候系统的自然，低频（世纪时间尺度）变率的一部分[Wunsch，1999]。 可能需要进一步的工作，特别是使用可运行数百年的联合海洋大气模型来解决这个问题。

致谢

[12]我们感谢NSERC，CFCAS和CICS的资助，以支持加

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