2003年與2002年冬季異常環(huán)流事件的衛(wèi)星觀測(cè)

2003年與2002年冬季異常環(huán)流事件的衛(wèi)星觀測(cè)

王少武、朱乾根等21歲。此外，許多工作從氣候?qū)W的角度分析了中國(guó)冬季溫度的年變化與氣候變化之間的關(guān)系。龔道陽研究了世界上最大的氣候變化與北半球冬季溫度的關(guān)系。在過去50年的冬季，北半球溫度變化的差異中，西方因素、北太平洋因素和北太平洋因素的變化可以解釋。耿書琴等人認(rèn)為，烏拉爾山和北太平洋的高血壓變化會(huì)導(dǎo)致亞洲極軸和東亞大陸槽的形成。李崇銀、陶世燕等人認(rèn)為，東亞冬季風(fēng)的加強(qiáng)（減弱）與夏季風(fēng)的形成有關(guān)。東亞冬季風(fēng)的加強(qiáng)（減弱）意味著東亞冬季溫度的降低（高）。自20世紀(jì)80年代開始,由于全球變暖趨勢(shì)的加強(qiáng),我國(guó)的氣溫也顯著升高,夏季大氣環(huán)流和氣候出現(xiàn)了很大的年代際變化.同時(shí).近20多年來,大部分的冬季都是顯著的暖冬.而2002年初的冬季我國(guó)北方和整個(gè)亞洲北部又是一個(gè)超強(qiáng)的暖冬,研究表明年際變化是造成這個(gè)超強(qiáng)暖冬事件的主要原因.而剛剛過去的冬季則是一個(gè)冷冬.因此,本工作的目標(biāo)就是了解這樣的大幅度冬季溫度異常突然變化的特殊成因,特別是著眼于大氣環(huán)流異常變化的主要特征和物理機(jī)制.本工作采用的是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣科學(xué)研究中心的再分析月平均數(shù)據(jù).1溫度點(diǎn)并無變化的特征對(duì)于2002年初的冬季(2002年1月和2月及2001年12月的平均)而言,亞洲北部對(duì)流層低層是一個(gè)超強(qiáng)暖冬的年份,實(shí)際上,這一冬季北美大陸的中東部地區(qū)也是一個(gè)超強(qiáng)暖冬年份.而北太平洋地區(qū)和澳大利亞南部地區(qū)則是顯著的冷異常區(qū)域.這個(gè)事件的大氣環(huán)流異常主要是年際變化部分,而年代際變化部分只起了很小的作用.年際變化和年代際變化在這一年中是同號(hào)的.而2003年初的冬季(2003年1月和2月及2002年12月的平均)整個(gè)歐亞大陸高緯區(qū)和北美大部地區(qū)在1000hPa上都是一個(gè)很顯著的溫度負(fù)異常區(qū),最大值區(qū)域在歐洲及其北部和北美東部(幅度超過4℃),亞洲北部的溫度異常幅度要小一些.同時(shí),太平洋北部以白令海峽為中心的大范圍區(qū)域是正溫度異常區(qū).中心溫度距平達(dá)4℃以上.而這些區(qū)域的前一個(gè)冬季溫度距平都恰好相反.另外,與2003年的情況截然相反的是,年際變化和年代際變化的作用正好相反.因此,這兩個(gè)連續(xù)的冬季在歐亞大陸北部、北美大部和太平洋北部等地發(fā)生了一次大幅度溫度異常反轉(zhuǎn)(簡(jiǎn)稱LTAR),即,2002年冬季歐亞大陸北部和北美大部超常暖、北太平洋和澳大利亞南部超常冷:而2003年正相反,并且異常幅度都很大.如果把兩個(gè)年份對(duì)比則反轉(zhuǎn)的幅度更加不同尋常,歷史上是罕見的,特別是在全球變暖的大背景下出現(xiàn)更是一次特殊氣候事件,需要我們深入分析和研究,以便發(fā)現(xiàn)規(guī)律、尋找物理成因.圖1給出了2003年與2002年冬季1000hPa氣溫的差值分布,我們可以清楚地看到這次反轉(zhuǎn)事件的主要特征.2003年與2002年冬季相比歐亞大陸顯著地為冷,中心區(qū)域在歐洲和北美東部,最大幅度超過5℃,亞洲北部也可達(dá)到-3℃之大,在斯堪的那維亞地區(qū)也有-3℃的溫度差值.同時(shí),在白令海峽地區(qū)和阿拉斯加及其以北則是中心幅度達(dá)4℃以上的正差值區(qū).另外,在澳大利亞南部和格陵蘭地區(qū)為顯著的正差值區(qū).全球其他區(qū)域的溫度差值相比之下都很小.通過分析,我們還發(fā)現(xiàn),在500hPa溫度差值的分布特點(diǎn)與1000hPa上的分布特點(diǎn)大抵相似,但幅度已大大減弱了,特別是在歐亞大陸區(qū)(圖略).因此,這次在歐亞大陸、北美大陸和北太平洋等地同時(shí)發(fā)生的大幅度溫度異常反轉(zhuǎn)事件主要發(fā)生在對(duì)流層低層,是一個(gè)極特殊的事件.到底其中的大氣環(huán)流發(fā)生了什么變化?這正是下文要著重分析和研究的.2大氣環(huán)流特征首先,我們分析近地面層大氣環(huán)流的變化,圖2給出了1000hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)2003年與2002年冬季平均的差值分布.在1000hPa上,北半球的兩個(gè)主要流型分別發(fā)生在歐洲北部和北太平洋地區(qū),并且兩個(gè)區(qū)域的異常符號(hào)相反,這表明在歐洲北部是一個(gè)異常反氣旋式流型,冷空氣異常強(qiáng)盛;而在北太平洋則是氣旋式異常流型.由于冬季的近地面盛行風(fēng)所致,歐洲北部的強(qiáng)冷空氣將向廣大的歐亞大陸北部平流,造成那里由暖向冷的溫度異常反轉(zhuǎn);而在北太平洋特別是其東部將形成向北的暖平流,從而造成白令海峽附近由冷向暖的溫度異常反轉(zhuǎn).因此,這次溫度異常反轉(zhuǎn)事件LTAR的主要大氣環(huán)流因子在歐洲北部和北太平洋區(qū)域.在500hPa等壓面上,與1000hPa環(huán)流型相對(duì)應(yīng)的是歐亞大陸東西向的異常型以及北太平洋南北向的異常型,分別是歐亞遙相關(guān)型和太平洋-日本波列PJ和太平洋-北美波列PNA的反映.當(dāng)然,兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)的異常也與北大西洋濤動(dòng)和北太平洋濤動(dòng)有關(guān).上文提到的兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)(即,歐洲北部和北太平洋區(qū))還可以得到進(jìn)一步的印證.如果分析1000hPa等壓面上高度場(chǎng)的年際變率(圖略),則北半球兩個(gè)最大的年際變率中心分別在歐洲北部和北太平洋區(qū),歐洲北部的大變率中心與極渦的年際變化相聯(lián)系.這兩個(gè)中心就是北半球的北太平洋高壓系統(tǒng)和北大西洋高壓系統(tǒng).另外一個(gè)大變率區(qū)在南極,其中心偏向太平洋一邊.事實(shí)上,這樣的分布特征在整個(gè)對(duì)流層都大抵存在,只不過,到了對(duì)流層上層還存在另外一個(gè)大變率區(qū)即熱帶中部太平洋大變率區(qū).進(jìn)一步分析這次LTAR中的大氣環(huán)流變化很有意義.圖2顯示,與歐洲北部高度場(chǎng)異常相對(duì)應(yīng)的是南北向和東西向都有的異常波列,而與北太平洋的高度場(chǎng)異常相對(duì)應(yīng)的主要是南北向分布的異常波列.另外,在澳大利亞以南區(qū)域的高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)異常分布上均存在正的反轉(zhuǎn),而且,該異常反轉(zhuǎn)與北太平洋區(qū)的異常反轉(zhuǎn)是有關(guān)系的.為了證實(shí)這一點(diǎn),我們分析了1000hPa上高度場(chǎng)的遙相關(guān)分布(見圖4),分別選兩個(gè)基點(diǎn),即北太平洋區(qū)的(160°W.45°N)和澳大利亞以南的(140°E,50°S).結(jié)果顯示,北太平洋基點(diǎn)的相關(guān)分布圖上北太平洋-西太平洋-澳大利亞異常波列很清楚,特別是北太平洋-西太平洋遙相關(guān)型十分顯著.澳大利亞以南基點(diǎn)的相關(guān)分布圖上,澳大利亞-西太平洋-北太平洋異常波列也很清楚,尤其是澳大利亞-西太平洋遙相關(guān)型甚為明顯.因此,綜合起來可以用北太平洋-西太平洋-澳大利亞異常波列(NPWPA)來概括這一遙相關(guān)波列.而且,NPWPA存在于整個(gè)對(duì)流層中,只不過在高層更加體現(xiàn)出緯向平均的南北向帶狀波列特征.從物理內(nèi)涵上分析,這反映了跨兩個(gè)半球的Hadley環(huán)流圈的年際變化主特征,澳大利亞以南的溫度變化還通過南半球高緯區(qū)的遙相關(guān)而與南極區(qū)的溫度變化相關(guān)(是正相關(guān),見圖3).3全球變色事件的探討研究發(fā)現(xiàn),在剛剛過去的兩個(gè)冬季,歐亞大陸、北美大陸、北太平洋和澳大利亞南部等地發(fā)生了一次大幅度的溫度異常反轉(zhuǎn)事件,稱為L(zhǎng)TAR事件.而其中的關(guān)鍵大氣環(huán)流異常出現(xiàn)在北太平洋區(qū)和歐洲北部,分別表現(xiàn)為氣旋式和反氣旋式異常環(huán)流系統(tǒng).特別值得說明的是,這次LTAR事件是歐洲北部和北太平洋區(qū)域環(huán)流系統(tǒng)異常變化的耦合反映,也就是說,雖然這兩個(gè)異常環(huán)流系統(tǒng)之間的變化并沒有什么確切聯(lián)系,但是大幅度的北太平洋的氣旋式異常流型和歐洲北部的反氣旋式異常流型同時(shí)出現(xiàn)才造就了這次LTAR事件.如果兩者同為氣旋式或同為反氣旋式異常流型,溫度異常則遠(yuǎn)不會(huì)如此強(qiáng)烈,也就不會(huì)出現(xiàn)LTAR了.為了進(jìn)一步說明這一點(diǎn),作者普查了近20多年來全球變暖背景下的全球溫度變化情況.確實(shí)類似于LTAR的事件非常少見,近20多年來也僅有2001/2000年一次.圖5給出了這兩個(gè)年份冬季1000hPa氣溫差異和500hPa高度場(chǎng)差異的全球分布,不論是溫度場(chǎng)差異還是高度場(chǎng)差異都十分類似于2003/2002的LTAR事件,也是歐洲北部和北太平洋的異常環(huán)流同時(shí)出現(xiàn)并相互耦合,而且在南半球高緯區(qū)的環(huán)流異常變化也甚為相似.本文的研究說明,在全球變暖的