屈麗瑋,李春,馬浩

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋和海洋—大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室,山東青島 266100)

大氣環(huán)流對(duì)北大西洋灣流區(qū)海溫“再現(xiàn)”的響應(yīng)

屈麗瑋,李春,馬浩

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋和海洋—大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室,山東青島 266100)

利用全球海洋—大氣快速耦合模式(Fast Ocean-Atmosphere Model,FOAM),采用模式中的初值方法,研究了灣流區(qū)海溫再現(xiàn)過(guò)程及其對(duì)北半球大氣環(huán)流和氣候的影響。FOAM模式很好地模擬了北大西洋灣流區(qū)的海溫“再現(xiàn)”過(guò)程,模式中海面熱通量異常與SST異常表現(xiàn)出不同步的響應(yīng)特征。海面熱通量異常在初冬季節(jié)達(dá)到最大值,而SST異常滯后,在冬季晚期達(dá)到最大值,從而在初冬和晚冬對(duì)北半球大氣環(huán)流造成不同的影響。初冬季節(jié)北半球大氣環(huán)流主要受海洋熱通量異常的強(qiáng)迫,在北大西洋和北太平洋上空呈現(xiàn)相當(dāng)正壓的異常低壓槽響應(yīng),北極地區(qū)為異常高壓脊,類(lèi)似北極濤動(dòng)的負(fù)位相,可能造成歐洲南部和北非大陸氣溫偏高,亞洲大陸氣溫偏低。而晚冬季節(jié)北半球大氣環(huán)流主要受SST異常的驅(qū)動(dòng),在北大西洋和北太平洋上空表現(xiàn)為相當(dāng)正壓的異常高壓脊響應(yīng),北極地區(qū)為異常低壓槽,類(lèi)似北極濤動(dòng)的正位相,可能造成歐洲南部和北非大陸氣溫偏低,亞洲大陸氣溫偏高,中國(guó)東部降水異常偏多30%左右。北太平洋大氣環(huán)流的異常由北大西洋灣流區(qū)海洋熱通量和SST異常強(qiáng)迫下游大氣環(huán)流所激發(fā),進(jìn)一步通過(guò)Rossby駐波的能量頻散東傳至北太平洋而造成的。

大氣環(huán)流;灣流;海溫再現(xiàn);氣候響應(yīng)

0 引言

大氣環(huán)流對(duì)中緯度海洋變化的響應(yīng)在海洋—大氣相互作用領(lǐng)域是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。早期的研究表明,中緯度海表溫度(sea surface temperarure,SST)變異和大氣低頻變異都表現(xiàn)出較為明顯的大尺度特征[1-2]。在中緯度大洋上,月平均和季節(jié)平均的SST異常與其上的海表面氣溫異常的相關(guān)系數(shù)很高并強(qiáng)烈地依賴局地?！?dú)庀嗷プ饔肹3-4]。觀測(cè)資料的超前滯后相關(guān)分析和耦合模式的模擬結(jié)果表明,在中緯度地區(qū)以大氣驅(qū)動(dòng)海洋為主[2,5]。由于中緯度大氣具有較強(qiáng)的內(nèi)在變率以及受天氣尺度波的調(diào)制作用,大氣環(huán)流似乎對(duì)海溫的強(qiáng)迫并不敏感。但也有研究指出,熱帶外SST異常能夠作用于大氣環(huán)流,從而對(duì)短期氣候異常事件產(chǎn)生影響[6-9]。

海水的巨大熱容量使得海洋具有“記憶”效應(yīng),在西邊界流延伸體(包括黑潮延伸體和灣流延伸體)海區(qū),在冬季強(qiáng)勁西風(fēng)的混合作用下,SST異常能夠下傳到次表層并在次表層持續(xù)幾年[9],這種次表層海溫異常對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境和氣候系統(tǒng)有著怎樣的影響,近年來(lái)開(kāi)始受到氣候?qū)W界的廣泛關(guān)注[10-11]。在西邊界流延伸體海區(qū),混合層深度的季節(jié)變化使冬季的SST異常信號(hào)可以跨越夏季到次年冬季再次出現(xiàn)[12-13],這種現(xiàn)象被稱為海溫“再現(xiàn)”,其過(guò)程可以描述如下:冬季,大氣強(qiáng)迫和海洋放熱的共同作用形成SST異常,通過(guò)混合過(guò)程使得SST異常下傳至較深的次表層;春夏季,海洋混合層變淺使得保留在次表層的SST異常信號(hào)被封存在季節(jié)性溫躍層之下,秋冬季,隨著海洋混合層再次加深,海水的混合和卷夾作用使被封存在次表層的SST異常信號(hào)再次出現(xiàn)在表層?；谟^測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析為海溫再現(xiàn)的存在及其對(duì)大氣環(huán)流的影響提供了大量的依據(jù)。Namias[1,6-7,12]發(fā)現(xiàn)北太平洋同一年春秋兩季SST異常之間存在顯著的相關(guān),Alexander和Timlin[13]研究了北大西洋某幾個(gè)海區(qū)的海溫相關(guān)性,這兩份工作都揭示出冬季和早春的SST與夏季季節(jié)性混合層下方的海溫密切相關(guān),同時(shí)秋季和上一年的冬季SST在海洋表層也表現(xiàn)出較好的相關(guān)。Czaja和Frankignoul[14-15]研究了SST和500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常的超前滯后相關(guān),發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)上最為顯著的相關(guān)是冬季500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)與6個(gè)月前的SST之間的超前滯后相關(guān),從而提供了大氣對(duì)海溫異常再現(xiàn)響應(yīng)的觀測(cè)依據(jù),并首次揭示了晚夏SST異常對(duì)早冬大氣NAO(North Atlantic Oscillation,NAO)的可預(yù)報(bào)性。Cassou等[16]及Peng等[17]分別對(duì)晚夏的馬蹄形SST異常如何影響早冬北大西洋濤動(dòng)NAO的物理機(jī)制進(jìn)行了探討。

大氣環(huán)流對(duì)中緯度SST變化的響應(yīng)對(duì)于理解熱帶外氣候變化是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題,然而單純的統(tǒng)計(jì)分析并不能回答中緯度SST如何影響大氣環(huán)流,要揭示其中的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,必須借助數(shù)值模式。熱帶大氣對(duì)SST表現(xiàn)出很強(qiáng)的線性響應(yīng),然而熱帶外大氣對(duì)海溫異常的響應(yīng)較為復(fù)雜,其原因是中緯度大氣內(nèi)在變率很強(qiáng),天氣尺度波也在一定程度上起著調(diào)制作用。此前的許多研究采用大氣環(huán)流模式并基于AM IP(Atmospheric Model Intercomparison Project)方法[18-21]來(lái)研究這一問(wèn)題,即在模式中施加固定的SST異常來(lái)考察大氣環(huán)流的響應(yīng),得到的結(jié)果不盡相同,大致可分為以下幾類(lèi):(1)暖SST異常下游產(chǎn)生表層低壓,并激發(fā)線性斜壓響應(yīng);(2)暖SST異常下游激發(fā)相當(dāng)正壓高壓系統(tǒng)(暖—脊響應(yīng));(3)大氣響應(yīng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性;(4)對(duì)季節(jié)變化和符號(hào)變化都很敏感的其它響應(yīng)方式。AM IP方法的缺陷在于沒(méi)有考慮中緯度海洋對(duì)大氣作用的時(shí)間尺度。最近Liu等[21]利用NCEP/NCAR再分析資料和海氣完全耦合模式(FastOcean-Atmosphere Model,FOAM)相結(jié)合研究北太平洋黑潮延伸體海溫異常對(duì)大氣環(huán)流的影響,并指出在季節(jié)尺度上海洋對(duì)大氣的作用很弱,而在年際和更長(zhǎng)時(shí)間尺度上海洋對(duì)大氣環(huán)流的作用凸顯得很重要。灣流延伸體與黑潮延伸體區(qū)具有相似的海洋動(dòng)力結(jié)構(gòu),北大西洋灣流區(qū)(65～45°W、35～43°N)對(duì)西歐和北美的氣候有著顯著的影響,同時(shí)作為熱鹽環(huán)流上支的一部分,灣流區(qū)的海洋低頻變異對(duì)全球的氣候也具有潛在的調(diào)節(jié)作用,因此研究灣流區(qū)海溫“再現(xiàn)”對(duì)大氣環(huán)流的影響對(duì)理解氣候變異和短期氣候預(yù)測(cè)具有一定的理論和實(shí)際意義,而目前關(guān)于這一問(wèn)題的研究還相當(dāng)缺乏。

本文利用一個(gè)全球海洋—大氣完全耦合的數(shù)值模式,并采用Liu和Wu[22]在2004年提出的耦合模式初值實(shí)驗(yàn)方法模擬北大西洋灣流區(qū)海溫再現(xiàn)現(xiàn)象,進(jìn)一步利用統(tǒng)計(jì)方法研究海溫變化引起的大氣環(huán)流響應(yīng)并探討其氣候影響,以深化對(duì)中緯度?！?dú)庀到y(tǒng)年際變化機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

1 模式介紹與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模式介紹

模式是由美國(guó)Wisconsin大學(xué)研發(fā)的全球快速海氣耦合模式FOAM1.5[23]。它的大氣模塊是NCAR的CCM模式,其中保留了CCM2的動(dòng)力學(xué)框架并采用了CCM3的物理過(guò)程,模式分辨率是R15,垂直方向分為18層;海洋分量模塊類(lèi)似于GFDL的MOM,模式分辨率為2.8°×1.4°,垂直方向32層。模式還包含了海冰的熱力學(xué)過(guò)程,沒(méi)有采用通量訂正。模式積分超過(guò)2 000 a,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的氣候態(tài)漂移。FOAM能很好地再現(xiàn)氣候平均態(tài)的主要特征[23],以及北太平洋[24]和北大西洋[25]的氣候變化模態(tài)。同時(shí),FOAM的大氣模塊與其他大氣環(huán)流模式類(lèi)似,也能再現(xiàn)大氣對(duì)中緯度SST異常的響應(yīng)[22]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為了研究北大西洋灣流區(qū)海溫“再現(xiàn)”對(duì)北半球大氣環(huán)流的影響,采用耦合模式的初值方法,在9月底給灣流區(qū)海洋上層500 m加一個(gè)強(qiáng)度以正弦函數(shù)分布的橢圓形暖海溫異常,中心強(qiáng)度為+2℃,平均為+1℃(圖1)。每個(gè)初值試驗(yàn)運(yùn)行4 a,從控制試驗(yàn)中不同狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行200個(gè)初值試驗(yàn)(200個(gè)樣本)。將每個(gè)初值試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的差值作為對(duì)初值的響應(yīng),采用集合平均的方法,最終得到海氣耦合系統(tǒng)的演變過(guò)程。所加的暖海溫異常分布形狀與觀測(cè)相似,但強(qiáng)度大約是觀測(cè)的2倍,目的是提高模式結(jié)果的信噪比。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案(等值線為海溫,單位:℃)Fig.1 Experiment design(The contour is SST;units:℃)

2 灣流區(qū)海溫“再現(xiàn)”過(guò)程

圖2給出了灣流區(qū)海溫再現(xiàn)的過(guò)程。當(dāng)給海洋施加初始暖海溫異常時(shí),由于海氣溫差顯著,異常暖的海洋主要通過(guò)感熱向大氣放熱而使海溫下降。秋季溫躍層比較淺,海洋上層熱含量較小,海溫下降很快,在剛開(kāi)始的1—2月內(nèi)海溫異常為0.7℃,降低了60%左右。秋末冬初時(shí),大氣西風(fēng)急流和風(fēng)暴軸加強(qiáng),加強(qiáng)上層海洋混合,海洋混合層變深(可達(dá)400～450 m)。雖然海洋繼續(xù)加熱大氣并失去熱量并且海洋在12月份熱量損失最大(34 W/m2),但是SST仍然增加。這是由于海水混合和卷夾作用將封存在季節(jié)溫躍層下方的暖海溫異常信號(hào)帶到表層,增加上層海洋熱含量,使SST增暖。在年際尺度上,海表風(fēng)應(yīng)力的變化會(huì)引起海洋的的動(dòng)力響應(yīng)(即海洋溫躍層出現(xiàn)起伏),相應(yīng)地使混合層底上卷海水溫度出現(xiàn)變化,從而改變SST[26]。到晚冬季節(jié),大氣西風(fēng)急流和風(fēng)暴軸最強(qiáng)[27-28],海洋混合層達(dá)到最深,且海洋因加熱大氣而損失的熱量約為25W/m2,海洋上層熱含量也達(dá)到最大,由于海水的充分混合和卷夾使夏季被封存在季節(jié)溫躍層下方的異常暖海溫信號(hào)在海洋上層重現(xiàn),同時(shí)SST暖異常也達(dá)到最大(約1.2℃),至此完成一次海溫“再現(xiàn)”,與Timlin等[29]的研究一致。夏季,大氣西風(fēng)急流和風(fēng)暴軸很弱,上層海洋混合減弱,海洋混合變淺(約為40 m),從而暖海溫異常信號(hào)再次被封存在季節(jié)溫躍層下方,并在下一年冬季再次在海洋上層重現(xiàn)。由于暖海溫異常不斷地加熱大氣而損失熱量,使得海洋暖信號(hào)不斷減弱。如此反復(fù),海洋的異常信號(hào)可以在次表層持續(xù)幾年。這種海溫“再現(xiàn)”過(guò)程在上層海溫的垂直剖面(圖2c)上也表現(xiàn)得很清楚。

從圖2還可以看到:海洋表面熱通量的損失總是超前SST。滑動(dòng)相關(guān)分析表明海洋表面熱通量超前SST三個(gè)月的相關(guān)系數(shù)分別為0.64、0.77、0.76(通過(guò)99%置信水平檢驗(yàn))。海洋熱通量與SST的同期相關(guān)系數(shù)為0.74,然而SST超前海面熱通量一個(gè)月的相關(guān)系數(shù)為0.49(通過(guò)95%的置信水平檢驗(yàn)但未達(dá)到99%)。SST超前海面熱通量?jī)蓚€(gè)月的相關(guān)系數(shù)為0.19。這說(shuō)明灣流區(qū)海溫“再現(xiàn)”有兩個(gè)峰值:一個(gè)受熱通量驅(qū)動(dòng)而引起,另一個(gè)是SST的作用。Peng等[30]利用大氣環(huán)流模式研究大氣對(duì)西北大西洋SST異常的響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流在初冬和仲冬季節(jié)對(duì)異常SST強(qiáng)迫的響應(yīng)不同。Sutton和Mathieu[31]研究了海洋熱通量對(duì)大氣環(huán)流的影響。因此,灣流區(qū)海溫“再現(xiàn)”過(guò)程中海面湍流熱通量(潛熱和感熱)的峰值出現(xiàn)初冬季節(jié),而SST的峰值出現(xiàn)仲冬季節(jié),大氣環(huán)流對(duì)這兩個(gè)峰值響應(yīng)可能不同。

圖2 北大西洋SSTEOF第1模態(tài)的空間模態(tài)(a)、時(shí)間系數(shù)(b)及灣流區(qū)平均次表層海溫(c;單位:℃;箭頭表示海溫再現(xiàn)時(shí)間)和表面湍流熱通量EOF第1模態(tài)的空間模態(tài)(d)、時(shí)間系數(shù)(e)及SST與表面熱通量EOF第1模態(tài)時(shí)間系數(shù)的超前滯后相關(guān)(f;虛線和實(shí)線分別表示通過(guò)95%和99%的置信水平檢驗(yàn))Fig.2 (a)Spacial mode and(b)principal component of the first EOF mode of SST in the North Atlantic;(c)the sub-surface oceanic temperature anomaly averaged over 35—43°N,65—45°W in the Gulf Stream(℃,the vectors represent reemergence time).(d)Spacial mode and(e)principal component of the first EOF mode of heat flux in the North Atlantic;(f)the lead-lag correlation efficient between the first principal components of SST and heat flux in the North Atlantic(The dashed and solid horizontal lines denote 95%and 99%confidence level respectively int-test)

3 海溫“再現(xiàn)”對(duì)大氣環(huán)流的影響

已有研究結(jié)果表明,西北大西洋海溫異常對(duì)初冬季和晚冬季中緯度地區(qū)大氣環(huán)流具有不同的影響[30]。為了考察?！?dú)怦詈夏Ｊ街写髿猸h(huán)流對(duì)灣流海溫“再現(xiàn)”在初冬季和晚冬季的不同響應(yīng),給出了初冬季(10月—次年12月)和晚冬季(次年1—3月)的850 hPa和250 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的響應(yīng)(圖3)。

圖3 第1年初冬850 hPa(a)和250 hPa(b)位勢(shì)高度,第1年晚冬850 hPa(c)和250 hPa(d)位勢(shì)高度,第2年初冬850 hPa(e)和250 hPa(f)位勢(shì)高度(單位:gpm;陰影表示超過(guò)95%置信水平t-檢驗(yàn))Fig.3 Geopotential height response at(a)850hPa and(b)250hPa in the early w inter of the first year;geopotential height response at(c)850hPa and(d)250hPa in the late w inter of the first year;geopotential height response at(e)850hPa and(f)250hPa in the early w inter of the second year(units:gpm;Shaded areas denote the significance of95%confidence level in t-test)

第1年初冬,灣流區(qū)海面熱通量損失達(dá)到最大值(約30 W/m2),SST約為0.7℃(降低了60%)。但由于剛給海洋初始溫度異常,海洋—大氣處于調(diào)整期,中緯度大氣內(nèi)在變率很大,在季節(jié)內(nèi)尺度上海洋對(duì)大氣的影響不明顯[24],因此大氣環(huán)流并沒(méi)有明顯的響應(yīng)信號(hào)(圖3a,b)。在北太平洋和歐洲西部表現(xiàn)為相當(dāng)正壓的弱槽響應(yīng),而在亞洲大陸高層250 hPa上表現(xiàn)為脊的響應(yīng)。大陸表面氣溫和全球降水也沒(méi)有明顯的響應(yīng)(圖略)。第1年晚冬,海水混合和卷夾作用把夏季被封存在次表層的暖海溫異常信號(hào)帶到海表,使SST增加到1.2℃。大氣環(huán)流主要是對(duì)灣流區(qū)SST的響應(yīng),在灣流區(qū)下游大氣強(qiáng)迫出準(zhǔn)正壓的高壓脊異常,850 hPa高度場(chǎng)異常響應(yīng)為8 gpm,250 hPa高度場(chǎng)異常響應(yīng)為18 gpm(圖3c,d)。北大西洋中緯度表面風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為異常反氣旋式響應(yīng),從而減弱了中緯度西風(fēng),歐洲大陸上空出現(xiàn)東北風(fēng)異常,導(dǎo)致歐洲和北非大陸冬季氣溫偏低-0.3℃(圖4a)。降水的變化并不顯著,只是在灣流區(qū)局地有降水正異常、下游有降水負(fù)異常響應(yīng)(圖4b)。北太平洋大氣環(huán)流也表現(xiàn)出相當(dāng)正壓的高壓脊異常響應(yīng),與北大西洋上空高壓脊異常的強(qiáng)度和范圍相當(dāng),在850 hPa和250 hPa層上位勢(shì)高度場(chǎng)異常響應(yīng)分別為12和18 gpm,并且在對(duì)流層上層250 hPa上異常高壓脊一致西伸到亞洲西部,北極地區(qū)的異常低壓槽向南延伸到亞洲北部(圖3c,d)。同時(shí)表面風(fēng)場(chǎng)受異常反氣旋影響也出現(xiàn)了東風(fēng)異常,把西北太平洋和南海上空的暖濕氣流帶到亞洲大陸東部[32-33],使亞洲大陸中南北冬季氣溫異常偏高0.3℃左右(圖4a),我國(guó)東部中緯度降水增加0.45 mm/d,約占冬季降水的30%左右(圖4b)。第2年秋末冬初,灣流區(qū)SST異常很弱(約0.2℃),海洋熱通量依然很強(qiáng)(約12～18 W/m2),這個(gè)季節(jié)大氣環(huán)流主要是對(duì)海洋熱通量異常的響應(yīng)。與第1年晚冬不同的是,在灣流區(qū)下游,大氣環(huán)流對(duì)海洋熱通量的響應(yīng)表現(xiàn)為相當(dāng)正壓的異常低壓槽[34-35],并與第1年晚冬的異常高壓脊響應(yīng)在量值上相當(dāng),在850 hPa和250 hPa上位勢(shì)高度場(chǎng)異常響應(yīng)分別為-12和-21 gpm(圖3e,f)。灣流區(qū)下游表面風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為異常氣旋式響應(yīng),從而加強(qiáng)了北大西洋中緯度的西風(fēng),使海洋了更多的熱通量,把北大西洋中緯度暖濕空氣帶到歐洲和北非大陸,使歐洲南部和北非大陸初冬季節(jié)氣溫異常偏高0.3℃(圖4c),降水場(chǎng)僅在灣流區(qū)局地及其下游地區(qū)有正異常響應(yīng),灣流區(qū)南側(cè)的副熱帶北大西洋出現(xiàn)負(fù)降水異常(圖4d)。與第1年晚冬類(lèi)似,北太平洋也出現(xiàn)了相當(dāng)正壓的低壓槽響應(yīng),與北大西洋上空大氣環(huán)流異常的強(qiáng)度和范圍相當(dāng),在850 hPa和250 hPa上位勢(shì)高度場(chǎng)異常分別為-12和-18 gpm,并且在對(duì)流層上層250 hPa上異常低壓槽分成兩個(gè)中心,分布位于北太平洋西部和東部,亞洲大陸南部出現(xiàn)異常低壓槽,北極極區(qū)的異常高壓脊向南伸到亞洲北部(圖3c,d)。

圖4 第1年晚冬表面氣溫及風(fēng)場(chǎng)(a;單位:℃,m/s)和降水場(chǎng)(b;單位:mm/d),第2年初冬表面氣溫及風(fēng)場(chǎng)(c;單位:℃,m/s)和降水場(chǎng)(d;單位:mm/d)(陰影表示超過(guò)95%置信水平t-檢驗(yàn))Fig.4 (a)Surface air temperature(℃)and wind anomalies and(b)precipitation(m/s)in the late w inter of the first year;(c)surface air temperature(℃)and wind anomalies and(d)precipitation(m/s)in the early winter of the second year(Shaded areas denote the significance of95%confidence level in t-test)

第2年晚冬季節(jié),灣流區(qū)SST又得到加強(qiáng),比第1年晚冬季節(jié)SST異常弱40%。大氣環(huán)流的異常響應(yīng)與第1年晚冬季節(jié)相似,強(qiáng)度約減弱了一半(圖略)。

綜合上述分析,北大西洋灣流區(qū)海溫再現(xiàn)對(duì)北半球大氣環(huán)流和大陸表面氣溫及降水的影響在初冬季節(jié)和晚冬季節(jié)是不同的。初冬季節(jié),北大西洋局地大氣環(huán)流主要是對(duì)海洋熱通量異常的響應(yīng),而中晚冬季節(jié)則主要是對(duì)海洋SST異常的響應(yīng),進(jìn)一步通過(guò)Rossby波向東傳播,影響亞洲和北太平洋地區(qū)大氣環(huán)流和氣候異常。圖5表示按照Plum[36]方法計(jì)算得到的第1年晚冬250 hPa的Rossby波作用量的通量[37]。

圖5 第1年晚冬250 hPa高度Rossby波作用量的通量(單位:m2/s2)Fig.5 Wave activity fluxes at 250 hPa in the late winter of the first year(units:m2/s2)

4 結(jié)論與討論

利用全球海洋—大氣快速耦合模式FOAM,采用模式中的初值方法,在北大西洋灣流區(qū)海洋上層500 m施加正弦函數(shù)分布的理想暖海溫異常,研究了灣流區(qū)海溫再現(xiàn)過(guò)程及其對(duì)北半球大氣環(huán)流和氣候的影響,主要結(jié)論如下:

(1)FOAM模式很好地模擬了北大西洋灣流區(qū)的海溫“再現(xiàn)”過(guò)程,并且海面熱通量異常與SST異常表現(xiàn)出不同步的響應(yīng)特征。海面熱通量異常在初冬季節(jié)達(dá)到最大值,而SST異常滯后,在冬季中、晚期達(dá)到最大值,從而在初冬和晚冬對(duì)北半球大氣環(huán)流產(chǎn)生不同的影響。

(2)初冬季節(jié)北半球大氣環(huán)流主要是對(duì)海洋熱通量異常的響應(yīng),在北大西洋和北太平洋上空出現(xiàn)相當(dāng)正壓的異常低壓槽響應(yīng),北極地區(qū)則出現(xiàn)異常高壓脊,類(lèi)似北極濤動(dòng)的負(fù)位相,可能造成歐洲南部和北非大陸氣溫偏高,亞洲大陸氣溫偏低。而晚冬季節(jié)北半球大氣環(huán)流主要是對(duì)SST異常的響應(yīng),在北大西洋和北太平洋上空出現(xiàn)相當(dāng)正壓的異常高壓脊,北極地區(qū)出現(xiàn)異常低壓槽,類(lèi)似北極濤動(dòng)的正位相,可能造成歐洲南部和北非大陸氣溫偏低,亞洲大陸氣溫偏高,中國(guó)東部降水異常偏多30%左右。

(3)北太平洋大氣環(huán)流的異常是北大西洋灣流區(qū)海洋熱通量和SST異常強(qiáng)迫下游大氣環(huán)流異常,通過(guò)Rossby駐波的能量頻散效應(yīng)向東傳播到北太平洋造成的。

本文利用海氣耦合模式研究了北大西洋灣流區(qū)海溫“再現(xiàn)”對(duì)北半球大氣環(huán)流和氣候異常的影響,得到的初步結(jié)論與AM IP實(shí)驗(yàn)結(jié)果[32]不太一致,說(shuō)明海氣耦合在季節(jié)以上尺度對(duì)大氣環(huán)流異常有重要的作用,而大氣環(huán)流模式只能探討給定SST異常對(duì)大氣環(huán)流的影響,反過(guò)來(lái)大氣環(huán)流的變化無(wú)法改變SST異常,因此AMIP實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能不盡合理。此外,不同季節(jié)的大氣響應(yīng)和天氣尺度渦旋反饋的作用是相聯(lián)系的[38],渦旋反饋對(duì)于大氣環(huán)流演變的具體調(diào)制作用還需要進(jìn)一步的研究。熱帶地區(qū)的大氣內(nèi)在變率很小,主要是海洋強(qiáng)迫大氣,因此大氣環(huán)流對(duì)海溫變化很敏感。而中緯度地區(qū)大氣的內(nèi)在變率很大,主要是大氣強(qiáng)迫海洋。在季節(jié)尺度上,中緯度海洋對(duì)大氣的作用不到10%,但在季節(jié)以上尺度上,中緯度海洋對(duì)大氣環(huán)流的作用逐漸凸顯出來(lái)。因此,中緯度海氣相互作用的研究一直是一個(gè)難題。本文采用大量的初值試驗(yàn)集合來(lái)提高信噪比,并且將時(shí)間尺度鎖定在年際尺度。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)研究北大西洋中緯度地區(qū)的海氣相互作用至少需要80個(gè)集合試驗(yàn)[37],因此本文的結(jié)論是可信的,然而今后還需要進(jìn)一步對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行更為細(xì)致的研究。

致謝:中國(guó)海洋大學(xué)吳立新教授給出了建設(shè)性的建議,在此表示感謝。

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Response of Atmospheric General Circulation to Oceanic Temperature's Reemergence in the Gulf Stream in North Atlantic

QU Li-wei,LIChun,MA Hao

(Physical Oceanography Laboratory&Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

By using a global fast ocean-atmosphere coupled model(FOAM)and its initial value method,the paper studied the process of anomalous oceanic temperature reemergence over the Gulf Stream region in North Atlantic and its impact on atmospheric general circulation and climate variability.FOAM well simulates the oceanic temperature reemergence process in the Gulf Stream.The sea surface heat flux and SST anomalies are not synchronized and peak at different times in the model.The heat flux anomaly peaks in early winter,while SST anomaly peaks in mid-late winter.The difference exerts different influences on atmospheric general circulation in early and mid-later winter.In early winter,atmospheric general circulation anomalies present anomalous barotropic troughs over the North Atlantic and the North Pacific respectively,and anomalous barotropic ridges over the Arctic region,which is similar to negative phase of Arctic Oscillation(AO)forced by the surface oceanic heat flux anomaly,causing anomalous war ming in theSouth Europe and the North Africa and anomalous cooling in the Asia.In late winter,atmospheric general circulation anomalies display anomalous barotropic ridges over the North Atlantic and the North Pacific respectively,and anomalous barotropic troughs over the Arctic region,which is similar to positive phase of AO forced by SST anomaly,causing anomalous cooling in the South Europe and the North Africa and anomalous warming in the Asia.In addition,precipitation increases by 30 percent in East China.Atmospheric general circulation anomalies over the north Pacific are propagated by stationary Rossby Wave flux from the North Atlantic,where atmospheric circulation anomalies are primarily forced by surface heat flux and SST anomalies in the Gulf Stream.

atmospheric general circulation;Gulf Stream;oceanic temperature reemergence;climatic response

P732.6

A

1674-7097(2010)05-0527-09

2009-02-14;改回日期:2009-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40906003);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(40830106);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007CB411801)

屈麗瑋(1984—),女,陜西西安人,碩士,研究方向?yàn)楹Ｑ蟆髿庀嗷プ饔门c氣候動(dòng)力學(xué);李春(通信作者),博士,研究方向?yàn)楹Ｑ蟆髿庀嗷プ饔门c氣候變化,lichun7603@ouc.edu.cn.

屈麗瑋,李春,馬浩.大氣環(huán)流對(duì)北大西洋灣流區(qū)海溫“再現(xiàn)”的響應(yīng)[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(5):527-535.Qu Li-wei,Li Chun,Ma Hao.Response of atmospheric general circulation to oceanic temperature's reemergence in the gulf stream in North Atlantic[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):527-535.

(責(zé)任編輯:劉菲)