采用1980—2000年的ERA-Interim再分析资料,计算北半球冬季各月(12月、1月、2月)行星波的Eliassen-Palm(EP)通量及其散度,并按冬季不同月份分析平流层整层温度和纬向风场的十年际变化特征与行星波活动变化的关系。结果表明,温度的十年际变化在高纬度中下平流层12月呈明显增温趋势,1月转为较弱的冷却趋势,2月为明显的冷却趋势。纬向风在中高纬平流层12月呈明显的减速变化,1月减速区与加速区相间分布但强度均较弱,而2月为明显的加速趋势。12月行星波沿低纬度波导向热带对流层顶的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播明显加强;1月沿两支波导的传播趋势未变但均较弱;而2月行星波沿低纬度波导的传播转为加强趋势,沿极地波导的传播转为减弱趋势。相应地,EP通量散度场的十年际变化形势沿两支波导在12月与2月相反,1月为过渡阶段。因此,北极平流层温度、纬向风、EP通量及其散度场的十年际变化在冬季内呈现一个从北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode,NAM)的负极趋势向正极趋势逐月演变的过程。

Using ERA-Interim reanalysis data from 1980 to 2000,this study calculates the Eliassen-Palm (EP) flux and its divergence of the planetary wave in the Northern Hemisphere winter (December—February).In the following sections,this study examines the characteristics of decadal changes in stratospheric temperature and zonal wind,as well as changes in planetary wave activity during different winter months.The results show that the changes for decadal temperature show a significant warming trend in the high-latitude mid-to-lower stratospheres in December,followed by a weak cooling trend in January,and an apparent cooling trend in February.Zones of significant deceleration in the mid-to-high latitude stratosphere in December deceleration and acceleration weak intensities in January,and significant acceleration in February,are alternately distributed in the stratosphere every month.Planetary waves propagating into the tropopause along with the low-latitude waveguide weaken in December,while those propagating along with the polar waveguide into the stratosphere strengthen.During January,both propagations along two waveguides are unchanged,but their intensities are declining.As for February,it turns into an evident strengthened tendency along the low-latitude waveguide and a noticeable weakened tendency along with the polar waveguide.In addition,December and February remain transitional months for EP flux divergence,while January is decadal.Therefore,the annual decadal changes of Arctic stratospheric temperature,zonal winds,and EP flux present an evolution from the NAM (Northern Hemisphere Annular Mode) index negative polarity tendency to positive polarity tendency throughout the winter.

平流层 ； 十年际变化 ； 温度 ； 纬向风 ； 行星波活动

stratosphere ； decadal changes ； temperature ； zonal wind ； planetary wave activity

平流层温度变化是全球气候变化研究的一个重要组成部分,平流层温度趋势在区分气候系统对自然和人为强迫的响应时具有指示作用(Thompson et al.,2012;Liu and Fu,2019)。观测和模拟研究显示,1979—1994年平流层总体呈降温趋势(Ramaswamy et al.,2001;Shine et al.,2003;Thompson et al.,2012),这主要与二氧化碳的增加及平流层臭氧减少有关。但平流层的温度分布取决于净辐射加热和由涡动产生的动力加热之间的平衡(Andrews et al.,1987;Ivy et al.,2016),尤其在北极冬春季节,从对流层向上传播到平流层的行星波活动可以通过改变平流层的平均经向环流(或剩余环流)来影响其温度变化(Newman et al.,2001;Hu et al.,2005)。然而,由于平-对流层耦合系统存在着相当大的年际变率,实际上难以准确计算由于动力加热变化引起的平流层温度变化趋势(Haynes,2005;Thompson et al.,2012;Bohlinger et al.,2014)。

Thompson and Wallace(2000)在发现环状模的同时,还指出它们在过去几十年有向正极或高指数极演变的趋势(Thompson et al.,2000),这在北半球1—3月即平流层行星波平均流相互作用的“活跃季节”尤为明显。但是,很快发现,北大西洋涛动、北极涛动指数以及多个场变量在12月的趋势明显与此不一致(Zhou et al.,2001)。Hu et al.(2005)利用NCEP/NCAR再分析资料研究发现在北半球热带外中低平流层,1979—2003年早冬(11—12月)和晚冬(2—3月)期间多个变量场十年尺度的变化呈现基本相反的趋势。Thompson and Solomon(2005)利用无线电探空资料初步证实了这一现象。刘仁强等(2018)使用ERA-Interim再分析1980—2000年的逐日资料获得了与此类似但更为清晰的在平流层整层的图像。上述研究分别从晚冬或早冬与晚冬对比讨论了北半球热带外平流层变量场的气候变化趋势,但仍然存在一个问题,即早冬趋势如何转变为迥然不同的晚冬趋势(Hu et al.,2005)。

利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)1980—2000年的ERA-Interim再分析资料,计算12月、1月和2月北半球行星波的EP通量及其散度,然后对冬季不同月份平流层整层温度和风场的十年际变化与行星波活动变化的关系进行分析,由此探讨北极平流层冬季不同月份温度和风场十年际变化形势逐月演变的特征及机制。

卫星遥感资料广泛应用于同化制作再分析数据集始于1979年,而人类活动所导致的二氧化碳增加和平流层臭氧减少在上世纪末二十年均接近单调变化,为简化问题和考虑结果的可靠性,选取ERA-Interim逐日再分析资料的1980—2000年时段进行研究,其水平分辨率为2.5°×2.5°,垂直方向有20个标准气压层(500~3hPa)。为了得到行星波的传播特征及其对平均环流的影响,首先对冬季不同月份的逐日温度场、风场资料进行纬向平均,利用相应的纬向偏差来计算逐日的EP通量及散度场。

在球面气压p坐标系和准地转近似下,EP通量矢量(Edmon et al.,1980;Andrews et al.,1987;施春华等,2015;刘仁强等,2018):

其中:F的两个分量F(φ)、F(p)分别表示由扰动引起的单位质量空气涡动角动量和涡动热量的经向输送;r 0、φ、f分别表示地球半径、纬度和Coriolis参数;u、v、θ分别表示纬向、经向速度和位温;上标“-”、“'”表示纬向平均和纬向偏差;下标“p”表示对气压求偏导;-θp¯是静力稳定度参数。

EP通量的散度:

再由变换的欧拉平均(Transformed EulerianMean,TEM)得到纬向动量方程:

其中: v-是变换所定义的剩余经圈环流的经向分量; ε-是摩擦项。可见EP通量的散度表示扰动的复合强迫作用,扰动角动量的沉积将同时影响平均纬向及经向环流并通过绝热下沉运动导致温度的变化。在实际绘制EP截面时用式(3)右端替换EP通量的散度,对EP通量则作了分量缩放和量纲统一处理(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/ep-flux/)。

在分析北半球冬季(12—2月)各物理量在1980—2000年的变化时,考虑到火山爆发会对趋势分析产生较大影响(徐菊艳等,2008;宋斌等,2015;赵立龙和徐建军,2015),其次较短的研究时段也使趋势难以准确计算(Garcia et al.,2007;Young et al.,2012);因此首先去除受火山爆发影响的1982—1984年和1991—1993年(Santer et al.,2000),再分别对1980—1990年和1990—2000年求平均近似得到前后两个气候学平均场,最后对两者做差得到十年际变化场。Liu and Fu(2019)已经验证在此时段北极低平流层冬季温度场及其动力与辐射贡献的十年际变化和趋势接近,以下为行文简洁有时也称其为趋势(Ramaswamy et al.,2001;Shine et al.,2003)。

图1给出了北半球热带外从20世纪80—90年代12月、1月及2月温度十年际变化的纬度高度剖面(1990s减去1980s)。可以看到,在中纬度平流层,12月、1月及2月温度的十年际变化基本呈冷却趋势。但在高纬度,图1a显示12月中下平流层和上对流层(300~10hPa)温度的十年际变化呈显著增暖趋势,特别在30hPa附近增温最大达3K/(10a);而图1c表明2月在相同的区域呈显著冷却趋势,降温趋势在下平流层(100~30hPa)最大达6K/(10a);图1b显示1月温度变化在上对流层为增暖趋势,在中下平流层为冷却趋势,但强度均不超过3K/(10a),说明1月北极中下平流层温度的十年际变化形势处于12月与2月之间的一种过渡状态。

图2给出了北半球热带外从20世纪80年代到90年代12月、1月及2月纬向平均的纬向风的十年际变化纬度-高度剖面。从图2a可以看出,12月纬向风的十年际变化在中高纬度平流层整层(50~75°N,100~3hPa)呈明显减速趋势,特别在中上平流层减速最大趋势达8m·s-1·(10a)-1。图2c显示与12月基本相反,2月纬向风在50°N以北的平流层整层有明显的加速趋势,特别在平流层中上层加速最大达12m·s-1·(10a)-1。图2b显示,1月纬向风的十年际变化形势与12月和2月均不相同,水平方向上,中高纬度中下平流层(50~87.5°N,100~10hPa)由南向北呈减速、加速和弱减速的分布;垂直方向上,中高纬度(60°N附近)平流层的上层与中下层分别呈加速和减速趋势。整体上1月中高纬度平流层整层减速区与加速区相间分布,且强度均不超过3m·s-1·(10a)-1,表明北极平流层纬向风的十年际变化在1月处于过渡状态。

图1 1980—2000年北半球热带外的12月(a)、1月(b)及2月(c)纬向平均温度的十年际(1990s减1980s)变化(冷暖色调分别表示负(冷却)和正(增暖)变化;单位:K/(10a);等值线间隔为0.5K/(10a);点状区域表示温度变化通过了置信度为90%的显著性检验)

Fig.1 For the period 1980—2000,there have been decadal changes(1990s minus 1980s) in zonal.mean temperatures during(a) December,(b) January,and(c) February in the Northern Hemisphere extratropics.Negative(coding) and positive(heating) changes are indicated by cold and warm tones,respectively(Units:K/(10a).The contour interval is 0.5K/(10a)).At the90%confidence level,stippled regions indicate statistically significant temperature changes

图2 1980—2000年北半球热带外12月(a)、1月(b)及2月(c)纬向平均纬向风的十年际变化(1990s减1980s)(冷暖色调分别表示负(减速)和正(加速)变化;单位:m·s-1·(10a)-1;等值线间隔为:1m·s-1·(10a)-1;点状区域表示纬向风变化通过了置信度为90%的显著性检验)

Fig.2 The zonal-mean zonal wind during(a) December,(b) January,and(c) February for the period 1980—2000displays steady decadal changes(1990s minus 1980s).Negative(decelerated) and positive(accelerated) changes are indicated by cold and warm tones,respectively(Units:m·s-1·(10a)-1.Contour interval is 1m·s-1·(10a)-1).Statistically significant wind changes in stippled regions correspond to the90%confidence level

观测和理论研究表明(Andrews et al.,1987;Newman et al.,2001),行星波的耗散及强迫作用对平流层的环流及温度场有较大影响。Hartmann et al.(2000)的研究表明,当NAM呈高(低)指数时,低纬度波导偏强(弱),极地波导偏弱(强),从而极涡偏强(弱),平流层偏冷(暖)。后来的研究发现这种关系在年际和年代际变化的时间尺度上均存在(Chen et al.,2003;陈文和黄荣辉,2005;陈文,2006;Wang et al.,2009)。

图3给出了北半球热带外从20世纪80年代到90年代12月、1月及2月EP通量及其散度场的十年际变化纬度-高度剖面。图3a显示,12月行星波沿低纬度波导向热带对流层顶的传播减弱,沿极地波导向平流层的传播明显增强。图3c显示与12月相反,2月行星波沿低纬度波导的传播加强,沿极地波导的传播明显减弱。图3b显示,1月行星波的传播沿低纬度波导仍为减弱趋势,沿极地波导仍为加强趋势,但与12月相比沿两支波导的变化强度均减弱。以下根据20世纪后20年气候平均态下的行星波传播路径(刘仁强等,2018)选取代表性区域:①中纬度上对流层(30~50°N,300~100hPa);②中高纬度中下平流层(60~75°N,50~20hPa);③中高纬度中上平流层(55~85°N,20~5hPa)来分析EP通量散度场的十年际变化特征。可以发现,12月(图3a)沿低纬度波导的传播在中纬度上对流层主要为辐散趋势,沿极地波导的传播在中高纬度中下平流层和高纬度上平流层均为辐合趋势且前者通过了显著性检验。而2月(图3c)在中纬度上对流层转为辐合趋势,在中高纬度中下平流层和中上平流层均为辐散趋势且在后者达到最大并通过了显著性检验。1月(图3b)散度场的变化形势在中纬度上对流层和中高纬度中下平流层与12月类似但强度和范围减小,在中高纬度平流层中上层则为与2月类似但强度较弱的辐散趋势。

结合图3和图1、图2,从80年代到90年代,12月行星波沿极地波导向平流层的传播明显增强且极区平流层主要由EP通量的辐合趋势控制,这种形势与北极平流层极涡的削弱(图2a)和增暖(图1a)相匹配。2月行星波沿极地波导向平流层的传播明显减弱且极区平流层主要由EP通量的辐散趋势控制,这种形势与北极平流层极涡的加强(图2c)和冷却(图1c)相匹配。而1月EP通量及其散度的变化处于12月与2月之间的一种过渡状态,从而对应的纬向风(图2b)和温度(图1b)的十年际变化也表现为早、晚冬之间的一种过渡状态。对比图1和图2还可发现,与纬向风变化相对应的温度场变化位置偏北且偏低,这与Newman et al.(2001)的观测分析类似,通过TEM方程组可以定性地解释该现象。以12月为例,根据纬向动量方程(3),当行星波沿极地波导向上传播并在极区平流层辐合,扰动角动量的沉积将一边导致平流层的纬向风减速,另一边通过科氏力的作用产生向极的经向风;再由连续性方程和向下控制原理(Haynes et al.,1991),增强的经向剩余环流将在极区引起下沉运动进而通过绝热压缩过程导致温度增加,因此温度场响应的位置应较纬向风变化偏北偏低。

图3 1980—2000年北半球热带外12月(a)、1月(b)及2月(c)行星波的EP通量(箭矢;单位:m2·s-2·(10a)-1)及其散度(填色;单位:m·s-1·d-1·(10a)-1;冷暖色调分别表示负(辐合)和正(辐散)变化)的十年际变化(1990s减1980s;点状区域表示EP通量的散度变化通过了置信度为90%的显著性检验)

Fig.3 A decadal change can be seen(1990s minus 1980s) in EP flux(vector;units:m2·s-2·(10a)-1) and EP flux divergence(color shading;units:m·s-1·d-1·(10a)-1;Cold tones indicate convergence and warm tones indicate divergence) of the planetary waves,respectively during(a) December,(b) January,(c) February for the period 1980—2000in the Northern Hemisphere extratropics.Statistically significant differences in EP flux divergence are indicated by stippled regions at a90%confidence level

利用1980—2000年的ERA-Interim再分析资料,计算了北半球冬季各月(12月、1月、2月)行星波的EP通量及其散度,并按冬季不同月份分析了平流层整层温度场和风场的十年际变化特征与行星波活动变化的关系。

结果表明,温度的十年际变化在高纬度中下平流层12月呈明显增温趋势,1月转为较弱的冷却趋势,而2月则为明显的冷却趋势。纬向风在中高纬度平流层12月呈明显的减速变化,1月减速区与加速区相间分布但强度均明显减弱,而2月则为明显的加速趋势。行星波在12月沿低纬度波导向热带对流层顶的传播减弱,沿极地波导向平流层整层的传播明显加强;1月沿两支波导的传播趋势未变但强度与12月相比均减弱;而2月行星波沿低纬度波导的传播转为加强趋势,沿极地波导的传播转为明显减弱趋势。EP通量散度场的十年际变化12月在中纬度上对流层主要为辐散趋势,在中高纬度中下平流层和高纬度上平流层均为辐合趋势且前者通过了显著性检验;1月在中纬度上对流层和中高纬度中下平流层与12月类似但强度和范围减小,在中高纬度上平流层呈辐散趋势;而2月形势与12月相反,其中在中高纬度中上平流层辐散趋势达到最大并通过了显著性检验。

综合来说,与前人指出的在整个“活跃季节”单一的趋势或早冬、晚冬基本相反的趋势结果不同(Thompson et al.,2000;Hu et al.,2005),本研究发现,20世纪后20a,北极平流层温度、纬向风、EP通量及其散度场的十年际变化形势在整个冬季(12—2月)呈现出一个从NAM的负极趋势到正极趋势逐月演变的过程,其中12月与2月的趋势完全相反,1月为过渡阶段。虽然通过分析各月之间波通量及其散度场变化的差异可以较好地解释冬季温度和风场十年际变化的逐月演变过程,未来还需要进一步研究造成这种差异的外强迫因素。例如海表温度的变化及平流层臭氧减少在12月、1月和2月可能有不同的趋势,原本很小的强迫差异也可能通过气候系统内部的动力-化学-辐射过程反馈而被放大。

致谢:感谢审稿人提出的修改意见;ECMWF提供了ERA-Interim资料的在线下载服务。