1、第第7 7章章 大气低频变化、遥相关和大大气低频变化、遥相关和大气涛动气涛动1-2天天+2天天1 南方涛动南方涛动南方涛动：南方涛动： 是指热带太平洋、印度洋之间大气质量的一种大是指热带太平洋、印度洋之间大气质量的一种大尺度起伏振荡。主要表现为赤道太平洋东、西部的两个中心尺度起伏振荡。主要表现为赤道太平洋东、西部的两个中心海平面气压距平呈现出的跷跷板式的上下振动的现象。作用海平面气压距平呈现出的跷跷板式的上下振动的现象。作用中心一个位于热带西太平洋和东印度洋，另一个位于热带东中心一个位于热带西太平洋和东印度洋，另一个位于热带东南太平洋。南太平洋。1.南方涛动指数南方涛动指数SOI(1)指数定义
2、指数定义1：SOI=PT-PD其中，其中，PT赤道东太平洋赤道东太平洋SST，PD印度尼西亚印度尼西亚SST(2)指数定义指数定义2：SOI=SLP(Tahiti-Darwin) 即，用即，用Tahiti（17.5S、149.6W）和）和Darwin（12.4S、130.9E）两个测站的标准化海平面气压距平的差来表示。）两个测站的标准化海平面气压距平的差来表示。 南方涛动的两个作用中心的海平面气压的变化不是同时发生的，南方涛动的两个作用中心的海平面气压的变化不是同时发生的，通常热带东南太平洋的高压的减弱要比热带西太平洋和东印度洋通常热带东南太平洋的高压的减弱要比热带西太平洋和东印度洋低压的上升
3、早低压的上升早12个月。个月。 南方涛动实际反映了具有行星尺度的热带大气系统在季节时间尺南方涛动实际反映了具有行星尺度的热带大气系统在季节时间尺度上的振荡。这种振荡是对赤道太平洋海温冷暖交替变化所造成度上的振荡。这种振荡是对赤道太平洋海温冷暖交替变化所造成的下垫面的热力强迫的响应。另一种观点则认为海温的异常是由的下垫面的热力强迫的响应。另一种观点则认为海温的异常是由于大气环流的异常引起的。目前还没有一致的观点。于大气环流的异常引起的。目前还没有一致的观点。 南方涛动指数代表了东西方向上两个作用中心之间的气压南方涛动指数代表了东西方向上两个作用中心之间的气压梯度。梯度。当当SOISOI为正，即强
4、指数时，东西方向上气压梯度大，为正，即强指数时，东西方向上气压梯度大，热带西太平洋和东印度洋的低压与东南太平洋的高压都比热带西太平洋和东印度洋的低压与东南太平洋的高压都比较强，此时南太平洋有较强的东南信风和赤道东风。反之，较强，此时南太平洋有较强的东南信风和赤道东风。反之，南方涛动指数为负时，南太平洋东南信风减弱，赤道东风南方涛动指数为负时，南太平洋东南信风减弱，赤道东风也减弱，甚至出现西风也减弱，甚至出现西风。 南方涛动是发生在大气中的现象，而厄尔尼诺是发生在海南方涛动是发生在大气中的现象，而厄尔尼诺是发生在海洋中的现象。洋中的现象。Walker环流反映了海洋和大气的相互作用环流反映了海洋和
5、大气的相互作用的密切关系。目前的研究认识到南方涛动与厄尔尼诺是一的密切关系。目前的研究认识到南方涛动与厄尔尼诺是一个有机整体，在实际中统称为个有机整体，在实际中统称为ENSO。 受受walker环流的影响，太平洋低纬盛行偏东信风，在其作环流的影响，太平洋低纬盛行偏东信风，在其作用下，表层暖水在太平洋海盆的西缘堆积，因此东太平洋用下，表层暖水在太平洋海盆的西缘堆积，因此东太平洋的海表面高度较西太平洋低几十厘米，相应地，赤道东太的海表面高度较西太平洋低几十厘米，相应地，赤道东太平洋的温跃层相对于西太平洋的温跃层来说较浅，即赤道平洋的温跃层相对于西太平洋的温跃层来说较浅，即赤道太平洋的海表面高度（太
6、平洋的海表面高度（SSH）和温跃层都是倾斜的。）和温跃层都是倾斜的。2 南极涛动（南极涛动（AAO）1）南极涛动）南极涛动 (Antarctic Oscillation , 简称简称AAO)，又称南半球环，又称南半球环状模状模( Southern Annular Mode , 简称简称SAM)，是南半球热带外，是南半球热带外地区在半球尺度上最显著的大气环流变化模态。它具有以位于地区在半球尺度上最显著的大气环流变化模态。它具有以位于极区极区(60S 以南以南)与环绕极区与环绕极区(45S) 的位势高度场和气压场异的位势高度场和气压场异常反向变化的特点常反向变化的特点, 在空间分布上具有较好的纬向
7、对称性。在空间分布上具有较好的纬向对称性。2) AAOI指数定义之一：指数定义之一： AAOI =P40S - P65 其中，其中，P40S 和和 P65分别是各月分别是各月40S和和 65S 纬圈平纬圈平均均SLP对该月多年平均值的距平。对该月多年平均值的距平。 3) AAOI指数定义之二：指数定义之二： 对南半球做了适当面积权重的对流层低层对南半球做了适当面积权重的对流层低层(例如例如700 hPa) 位势位势高度异常场进行高度异常场进行EOF分解分解,将第一主成分将第一主成分(简称简称PC1)做标准化处做标准化处理后理后, 作为南极涛动指数。作为南极涛动指数。 一般规定正一般规定正(负负
8、) 指数时，对应极区位势高度偏低指数时，对应极区位势高度偏低(高高) , 中中纬度位势高度偏高纬度位势高度偏高(低低) , 中纬度急流南中纬度急流南(北北) 移。移。 3 北大西洋涛动北大西洋涛动 1 1）北大西洋涛动（北大西洋涛动（NAONAO）: : 北大西洋地区的气压变化存在一北大西洋地区的气压变化存在一种南北向翘翘板现象种南北向翘翘板现象,即当格林兰地区气压升高时即当格林兰地区气压升高时,北大西北大西洋副热带地区气压便降低洋副热带地区气压便降低,反之亦然。这种现象被称为北反之亦然。这种现象被称为北大西洋涛动大西洋涛动,简称简称NAO ,它直接同大气半永久性活动中心冰它直接同大气半永久性
9、活动中心冰岛低压和亚速尔高压的活动有关。岛低压和亚速尔高压的活动有关。2）北大西洋涛动指数（北大西洋涛动指数（NAONAO）的定义）的定义 NAO 指数是定量表征指数是定量表征NAO强弱的指标。强弱的指标。NAO 指数的定指数的定义有很多种，主要是用海平面气压来定义，也有人用温度义有很多种，主要是用海平面气压来定义，也有人用温度和高度场来定义。由于大气活动中心位置存在季节差异，和高度场来定义。由于大气活动中心位置存在季节差异，因此对冬季和夏季的因此对冬季和夏季的NAO指数的定义也稍有不同。指数的定义也稍有不同。 龚道溢和王绍武用龚道溢和王绍武用EOF方法分析冬夏季海平面气压距方法分析冬夏季海平
10、面气压距平空间分布特征，并据此分别定义平空间分布特征，并据此分别定义NAO指数。指数。EOF结果结果表明表明冬季冬季NAONAO是最主要的模态，夏季虽然是最主要的模态，夏季虽然NAO NAO 并非最突出并非最突出的模态的模态, ,但也是存在的但也是存在的, ,而且非常重要和显著。夏季气压第而且非常重要和显著。夏季气压第一模态反映的是大陆与海洋的热力差别。一模态反映的是大陆与海洋的热力差别。 龚和王分别对冬夏季的龚和王分别对冬夏季的NAO指数进行如下定义：指数进行如下定义： 夏季夏季： 冬季冬季：其中其中P*表示标准化的海平面气压，高压区和低压区各取表示标准化的海平面气压，高压区和低压区各取3个
11、个点的平均点的平均,用它们标准化的差来代表用它们标准化的差来代表NAO。这个新定义的。这个新定义的NAO指数对冬夏季海平面气压方差的解释方差分别为指数对冬夏季海平面气压方差的解释方差分别为39.9%和和18.7%，相对于之前，相对于之前5种种NAO指数定义，龚和王指数定义，龚和王分夏季和冬季的不同而定义的分夏季和冬季的不同而定义的NAO指数具有更好的代表指数具有更好的代表性。性。 美国海洋及大气管理局美国海洋及大气管理局(NOAA) 气候预测中心整理的逐气候预测中心整理的逐月北大西洋涛动指数月北大西洋涛动指数( ht tp :www. cpc. ncep . noaa.gov/ product
12、s/ precip/ CWlink/ pna/ norm1nao1monthly.b50011current1ascii1 table) , 该该指数是运用指数是运用500 hPa高度场来计算的高度场来计算的, 当指数正异常时对当指数正异常时对应北大西洋亚速尔高压和冰岛低压同时偏强。应北大西洋亚速尔高压和冰岛低压同时偏强。 4 北太平洋涛动北太平洋涛动 1 1）北太平洋涛动北太平洋涛动( North Pacific Oscillation ，NPO) 是北是北太平洋地区太平洋地区SLP 场年际变化的第二模态，在地面表现为场年际变化的第二模态，在地面表现为阿留申群岛和夏威夷群岛西北部附近南北气压
13、差的反相变阿留申群岛和夏威夷群岛西北部附近南北气压差的反相变化化，而在对流层中层表现为类似西太平洋型遥相关的结构。，而在对流层中层表现为类似西太平洋型遥相关的结构。NPO是最早被记载的全球三大涛动之一。是最早被记载的全球三大涛动之一。NPO在各个季在各个季节均具有明显的年际变化特征节均具有明显的年际变化特征, 其中冬季的年际变化幅度其中冬季的年际变化幅度最强最强,夏季最弱夏季最弱(标准差为标准差为0.33)。随着季节的变化。随着季节的变化NPO 两两个中心的位置有一定的移动个中心的位置有一定的移动, 冬季略有南移冬季略有南移, 而夏季略有北而夏季略有北移移, 其中南部中心在东西方向的移动较明显
14、其中南部中心在东西方向的移动较明显, 而北部中心在而北部中心在南北方向的移动较明显。南北方向的移动较明显。 2 2）NPONPO指数的定义：指数的定义：有很多种定义方法，主要包括：有很多种定义方法，主要包括：（1）用两个点）用两个点(65N, 170E)和和(25N, 165E)之间的之间的气压差的标准化值气压差的标准化值(Wallace and Gutzler, 1981) 、两个、两个纬度上纬向平均纬度上纬向平均( 龚道溢龚道溢,2000；龚道溢和王绍武；龚道溢和王绍武,1999；周波涛等周波涛等,2008)；（2）用两个区域）用两个区域(2540N ,130170E) 和和(5065N
15、,130170E) 区域平均的海平面气压差表示区域平均的海平面气压差表示（李崇银，李桂龙，（李崇银，李桂龙，1999）；）；（3）用两个点间地面气温之差来定义的方法）用两个点间地面气温之差来定义的方法(Rogers, 1981) ；（4）对北太平洋）对北太平洋SLP场做场做EOF分解后用第二模态的时间系分解后用第二模态的时间系数来定义的方法数来定义的方法( Wang et al.,2007；Linkin and Nigam,2008)。（5）对北太平洋区域月平均的）对北太平洋区域月平均的SLP场做场做EOF分解来得到分解来得到NPO 的空间模态和月平均的的空间模态和月平均的NPO 指数。其中，
16、指数。其中，EOF的区的区域为域为( 0 85N，120E 120W) 。在做。在做EOF时考虑时考虑了格点面积随纬度的变化了格点面积随纬度的变化( North et al.，1982b)。将。将EOF得到的月平均得到的月平均NPO指数作季节平均指数作季节平均, 便得到各个季节的便得到各个季节的NPO指数（王林指数（王林 等，等，2011）。）。 5 北极涛动北极涛动 1 1）北极涛动（北极涛动（Arctic OscillationArctic Oscillation，AOAO）：是指北半球冬季是指北半球冬季（11 月月次年次年4 月）热带外地区（月）热带外地区（20N 以北）海平面气压以北）
17、海平面气压（Sea Level Pressure，SLP）距平场）距平场EOF第一特征向量呈现第一特征向量呈现中纬度和极区反位相变化的南北振荡形式。其特征表现为冬季中纬度和极区反位相变化的南北振荡形式。其特征表现为冬季海平面气压场上北极地区与其周围环状地区之间气压的跷跷板海平面气压场上北极地区与其周围环状地区之间气压的跷跷板式分布。式分布。 AO在中纬度北大西洋地区表现出与北大西洋涛动（在中纬度北大西洋地区表现出与北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation，NAO）类似的空间型，但与）类似的空间型，但与NAO 相比相比其南北两个中心都更偏向东半球的欧洲大陆地区，并且由于
18、同其南北两个中心都更偏向东半球的欧洲大陆地区，并且由于同纬度带存在与北大西洋中心同位相变化的北太平洋活动中心，纬度带存在与北大西洋中心同位相变化的北太平洋活动中心，因而呈现更强的纬向对称性，因而呈现更强的纬向对称性，AO主要的活动中心位于北极地主要的活动中心位于北极地区，并且从区，并且从对流层到平流层低层，各层位势高度场对对流层到平流层低层，各层位势高度场对AO指数指数的回归形式都呈现出大致的纬向对称结构和明显的相当正压结的回归形式都呈现出大致的纬向对称结构和明显的相当正压结构构。所以有时又把地面以上各高度上的这种振荡称为北半球环。所以有时又把地面以上各高度上的这种振荡称为北半球环状模态（状模
19、态（North Annular Mode，NAM）。）。 2)北极涛动指数北极涛动指数AOIAOI的定义的定义： 北半球（北半球（20N以北）冬半年以北）冬半年( 11 月月 4 月月) 海平面气压海平面气压场距平进行经验正交函数分解场距平进行经验正交函数分解(EOF) 得到的海平面气压的得到的海平面气压的第一特征向量对应的时间系数（第一特征向量对应的时间系数（PC1）。）。 (1.http: / /www.cpc.ncep. noaa.gov 2.http:/horizon.atmos.colostate.edu/ao/(有观测和再分析两种资料计算的有观测和再分析两种资料计算的指数指数) 6
20、 太平洋年代际振荡太平洋年代际振荡PDO 1 1）太平洋年代际振荡太平洋年代际振荡(PDO)(PDO) ：是指周期为：是指周期为10 年以上的整个年以上的整个太平洋太平洋SST 的变化的变化, 其主要周期大约为其主要周期大约为1020 年或更长。年或更长。PDO 可分为冷、暖位相可分为冷、暖位相(或称为或称为PDO 冷、暖冷、暖“事件事件”)。在在PDO 暖位相时暖位相时, 热带中东太平洋异常暖热带中东太平洋异常暖, 北太平洋中部北太平洋中部异常冷异常冷, 而沿北美西岸却异常暖而沿北美西岸却异常暖; 反之反之, 则为则为PDO 冷位相。冷位相。 太平洋年代际信号和年际信号具有相似空间结构太平洋
21、年代际信号和年际信号具有相似空间结构, 即热即热带中东太平洋和北太平洋中纬度带中东太平洋和北太平洋中纬度SST 异常符号相反异常符号相反, 大气大气异常表现为异常表现为PNA 结构结构; 但两者的差别是但两者的差别是,年际变率优势区年际变率优势区位于热带太平洋位于热带太平洋, 而年代际变率优势区位于中纬北太平洋而年代际变率优势区位于中纬北太平洋, 最大振幅在最大振幅在KOE 区及北太平洋风暴轴附近区及北太平洋风暴轴附近, 且与且与PNA 型型年代际变化密切相关年代际变化密切相关. 2) PDO指数的定义：指数的定义： 20N 以北北太平洋以北北太平洋SST 异常第一主分量被定义为异常第一主分量
22、被定义为PDO 指数指数网络资料：网络资料：http:/jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest （来自：（来自：美国华盛顿大学）美国华盛顿大学） PDO 为为ENSO 循环提供了一个年代际气候背景循环提供了一个年代际气候背景, 在在PDO 的暖位相时期的暖位相时期, El Nino 事件发生的频率较高事件发生的频率较高, 强度较强；强度较强； 反之反之, 在在PDO 的冷位相时期的冷位相时期, La Nina 事件发生的频率较事件发生的频率较高高,强度较强。而且在不同的太平洋年代际振荡背景下强度较强。而且在不同的太平洋年代际振荡背景下, ENSO 循环表现出不同
23、的特征。在循环表现出不同的特征。在PDO 冷位相时期冷位相时期, 发生发生El Nino (La Nina) 事件时事件时, 正正(负负) 的的SOTA 从西太平洋沿从西太平洋沿温跃层向东传播温跃层向东传播, 正正(负负) 的的SSTA 从赤道东太平洋向西扩展从赤道东太平洋向西扩展到中太平洋到中太平洋, ENSO 事件先在赤道东太平洋爆发。在事件先在赤道东太平洋爆发。在PDO 的暖位相时期的暖位相时期, 发生发生El Nino (La Nina) 事件时事件时, 正正(负负) 的的SOTA 首先出现在赤道中太平洋首先出现在赤道中太平洋, 然后沿温跃层向东传播然后沿温跃层向东传播, 正正(负负)
24、 的的SSTA 从赤道中太平洋向东扩展到东太平洋从赤道中太平洋向东扩展到东太平洋, ENSO 事件首先在中太平洋爆发。（吕俊梅，琚建华，事件首先在中太平洋爆发。（吕俊梅，琚建华，2005） 7 亚洲亚洲-太平洋振荡（太平洋振荡（APO） 1 1）亚洲亚洲- -太平洋振荡太平洋振荡(Asia-Pacific Oscillation , (Asia-Pacific Oscillation , APO)APO)： 亚洲和太平洋中纬度对流层扰动温度之间亚洲和太平洋中纬度对流层扰动温度之间存在着存在着“跷跷板跷跷板”现象现象(即即APO) ,当亚洲大陆中纬当亚洲大陆中纬度对流层偏冷时度对流层偏冷时,中、
25、东太平洋中纬度对流层偏暖；中、东太平洋中纬度对流层偏暖；反之亦然。平流层中也存在这种反之亦然。平流层中也存在这种“跷跷板跷跷板”现象。现象。只是其位相与对流层的相反只是其位相与对流层的相反。 APO反映的是热带外亚洲和太平洋区域上空反映的是热带外亚洲和太平洋区域上空大气环流的一种遥相关特征大气环流的一种遥相关特征, 这种涛动特征在夏这种涛动特征在夏季季500200 hPa 垂直积分的扰动温度垂直积分的扰动温度(T)气候场气候场上主要表现为上主要表现为: 欧亚大陆上空欧亚大陆上空T为正值为正值, 北太平洋北太平洋上空上空T为负值为负值, 呈现一种跷跷板式的振荡。呈现一种跷跷板式的振荡。 2) APO指数定义：指数定义：用用(60120E,1550N)和和(180120W, 1550N)两个区域平均的两个区域平均的T差作为差作为APO 指数指数(APOI), 即即 ：
