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大气遥相关是指地球上相距较远地域之间大气环流异常的相关性,是几周至季节尺度的大气环流低频变化的空间模态,与行星尺度定常波以及纬向非线性相互作用有关,显著地影响局地及远程的天气、气候变化。本文基于ERA-Interim和JRA-55大气环流再分析资料,针对北半球冬季大气遥相关型属性进行了研究。通过遥相关度-方差分离融合的新算法,将北半球冬季6种遥相关型按其受主导的时间变率区分为季节内型、慢变型和共有型三类。基于再分析资料的诊断事实,评估了CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase6)模式对不同类型遥相关的模拟能力;此外,对北亚(northern Asian,NA)型遥相关的特征及其与北大西洋地区环流异常的联系进行了研究,并分析了产生这种联系的可能机理,得到以下主要结论:
(1)在500-hPa位势高度场上,北半球冬季的大气遥相关可按其受主导的时间变率分为三类:季节内型遥相关、慢变型遥相关和共有型遥相关。其中,东大西洋(eastern Atlantic,EA)型和西大西洋(western Atlantic,WA)型遥相关属于季节内型遥相关,主要受季节内的时间变率主导;类北极涛动(Pseud-Arctic Oscillation,P-AO)型和太平洋-北美(Pacific/North American,PNA)型遥相关属于慢变型遥相关,主要受年际的时间变率主导;NA型和西太平洋(western Pacifc,WP)型遥相关属于共有型遥相关,这类遥相关不仅受季节内的时间变率影响而且与年际的时间变率联系密切。在海平面气压场上,北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)属于季节内型遥相关,受季节内尺度扰动影响;而北极涛动(Arctic Oscillation,AO)属于慢变型遥相关,主要受年际时间尺度的物理过程影响,表明二者存在明显区别。
(2)揭示了NA型遥相关的时空特征及其与“暖北极-冷大陆”异常现象的联系。年际时间尺度上,NA型遥相关具有3-5年的周期,为明显年际变化。年代际时间尺度上,NA型遥相关的强度变化趋势在1970和1998年前后分别发生改变。水平结构上,NA型遥相关在对流层中上层呈现极地与蒙古地区的偶极分布,而在对流层下层为位于西西伯利亚地区的单中心结构。垂直结构上,NA型遥相关在对流层中上层呈现相当正压结构而在对流层下层为斜压结构。此外,NA型遥相关与“暖北极-冷大陆”的异常现象有密切的联系。正位相NA型遥相关对应着北极变冷而欧亚大陆增暖的温度异常分布特征,负位相NA型遥相关则与之相反。而且,在负位相NA型遥相关的情形下,北极地区的暖异常很快消散,而欧亚大陆的冷异常有更长时间的维持。
(3)揭示了NA型遥相关与北大西洋地区位势高度异常的联系及其可能机理。在正位相NA型遥相关的情形下,中纬地区的高空西风异常导致上游出现负的位势高度异常中心,同时位于太平洋-北美地区的波列在北大西洋西部地区形成负的位势高度异常中心,最终两个中心在北大西洋地区合并成稳定的位势高度负异常中心;负位相NA型遥相关的情形大致相反,不过在负位相NA型遥相关的情形下,存在一种位势高度场与风场的正反馈作用导致NA型遥相关的北中心发生明显西移,使得在北大西洋地区形成的环流异常中心相较于正位相更加显著。
(4)评估了CMIP6模式对北半球冬季各类遥相关的模拟能力。比较了5个CMIP6模式的历史试验结果发现,在评估的耦合模式中,FGOALS-g3耦合模式对各类遥相关的模拟效果最好;在评估的大气模式中,FGOALS-f3-L大气模式的模拟效果最好。它们不仅能模拟出大气遥相关的空间分布特征,而且也能模拟出不同时间变率对它们的影响。在不同辐射强迫情景下的未来百年,P-AO型遥相关和NA型遥相关的特征不发生明显变化。此外,对比耦合模式和大气模式的结果发现,相较于耦合模式,大气模式中PNA型遥相关的特征更加显著。
(1)在500-hPa位势高度场上,北半球冬季的大气遥相关可按其受主导的时间变率分为三类:季节内型遥相关、慢变型遥相关和共有型遥相关。其中,东大西洋(eastern Atlantic,EA)型和西大西洋(western Atlantic,WA)型遥相关属于季节内型遥相关,主要受季节内的时间变率主导;类北极涛动(Pseud-Arctic Oscillation,P-AO)型和太平洋-北美(Pacific/North American,PNA)型遥相关属于慢变型遥相关,主要受年际的时间变率主导;NA型和西太平洋(western Pacifc,WP)型遥相关属于共有型遥相关,这类遥相关不仅受季节内的时间变率影响而且与年际的时间变率联系密切。在海平面气压场上,北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)属于季节内型遥相关,受季节内尺度扰动影响;而北极涛动(Arctic Oscillation,AO)属于慢变型遥相关,主要受年际时间尺度的物理过程影响,表明二者存在明显区别。
(2)揭示了NA型遥相关的时空特征及其与“暖北极-冷大陆”异常现象的联系。年际时间尺度上,NA型遥相关具有3-5年的周期,为明显年际变化。年代际时间尺度上,NA型遥相关的强度变化趋势在1970和1998年前后分别发生改变。水平结构上,NA型遥相关在对流层中上层呈现极地与蒙古地区的偶极分布,而在对流层下层为位于西西伯利亚地区的单中心结构。垂直结构上,NA型遥相关在对流层中上层呈现相当正压结构而在对流层下层为斜压结构。此外,NA型遥相关与“暖北极-冷大陆”的异常现象有密切的联系。正位相NA型遥相关对应着北极变冷而欧亚大陆增暖的温度异常分布特征,负位相NA型遥相关则与之相反。而且,在负位相NA型遥相关的情形下,北极地区的暖异常很快消散,而欧亚大陆的冷异常有更长时间的维持。
(3)揭示了NA型遥相关与北大西洋地区位势高度异常的联系及其可能机理。在正位相NA型遥相关的情形下,中纬地区的高空西风异常导致上游出现负的位势高度异常中心,同时位于太平洋-北美地区的波列在北大西洋西部地区形成负的位势高度异常中心,最终两个中心在北大西洋地区合并成稳定的位势高度负异常中心;负位相NA型遥相关的情形大致相反,不过在负位相NA型遥相关的情形下,存在一种位势高度场与风场的正反馈作用导致NA型遥相关的北中心发生明显西移,使得在北大西洋地区形成的环流异常中心相较于正位相更加显著。
(4)评估了CMIP6模式对北半球冬季各类遥相关的模拟能力。比较了5个CMIP6模式的历史试验结果发现,在评估的耦合模式中,FGOALS-g3耦合模式对各类遥相关的模拟效果最好;在评估的大气模式中,FGOALS-f3-L大气模式的模拟效果最好。它们不仅能模拟出大气遥相关的空间分布特征,而且也能模拟出不同时间变率对它们的影响。在不同辐射强迫情景下的未来百年,P-AO型遥相关和NA型遥相关的特征不发生明显变化。此外,对比耦合模式和大气模式的结果发现,相较于耦合模式,大气模式中PNA型遥相关的特征更加显著。