气候正常与异常是人类生存和社会发展进程中极为重要的气象科学问题。我们的祖先早在两千多年前首先确定了以春分、夏至、秋分、冬至4个天文时间固定点的节气,又在两两天文节气之间等分内插出了20个时间点,最后得到了24节气。24节气描述的是我国中原地区的正常年循环气候,是指导人们生产生活的工具,也是可获得收成的预期。后来,人们又从24节气中内插出了每5 d平均的全年72候的地方正常年循环气候。无论是半月时间平均间隔的24节气气候,还是5 d时间平均间隔的72候气候,它们描述的是两个不同时间分辨率的正常年循环气候,或参考态。把古人从历史观测中总结出的24节气和72候季节年循环气候称为古代气候钟(杜钧和钱维宏,2014)。每5 d的实况天气或每半月的实况气候相对气候参考态是有偏差的。这样的偏差称为极端天气和异常气候,它们才是防御气象灾害的重要信息。

科学和技术发展到今天,气象部门积累了大量覆盖全球大气高时空分辨率的观测变量数据,这为人们建立更高时空分辨率的年循环气候提供了基础。近20 a来,国际上已经有了多套覆盖全球的大气再分析资料。利用任意一套多年的大气再分析资料都可以仿照我们祖先的做法,构造出一个时空分辨率达到逐小时,甚至逐分钟的瞬变气候。物理上,在确定的天文年循环日期和在确定日循环的太阳高度角时刻,地球大气中任一个固定空间点上的辐射强迫与下垫面环境之间达到了动力与热力平衡时的状态,反映的是一个时空点上的气候。这个天文上具有年的365 d循环和日的24 h循环的8 760个时次的状态称为瞬变气候(钱维宏,2012;Qian,2017)。那么,相对这种瞬变气候,每个未来时刻在每个空间点上观测到的大气变量,要么落在瞬变气候态上,要么与瞬变气候态之间有一个大小不等的正、负偏差。相同符号,但不同范围和不同持续时间的偏差可形成不同的极端天气或异常气候,它们才是需要检测分析和提前预报的。

由此可见,气象科学在中国的发展已经有了至少两千多年的历史,其重大的贡献是认识了气候参考态。气候参考态,简称为气候态,它是具有确定性的动力学依据的,并且是唯一存在的,即在已知的确定太阳辐射与已知的确定地球自转速度和下垫面海陆分布及地面物理特征分布下的大气变量分布形态。大气环流就是大气变量在风场上的运动形态。本文主要分为以下几个部分:1)用一个例子说明,瞬变气候态是定量区分天气扰动和气候异常包括季节内异常、年际异常和长期趋势(或年代际异常)的参考态(或参考大气);2)气候态中客观存在着大气经向剖面中的年平均四圈环流、水平空间上环流系统的季节变化和季节内准周期变化;3)通过多年空间变量的分析,综合对比南北半球气候长期趋势分布中的不对称性。

1 天气和气候的定义

什么是天气?什么是气候?在一般的气候研究中,人们常常用30 a的月、季或年平均的大气变量,如温度、降水、气压、风和湿度等作为平均气候(Peixoto et al.,1992;van den Dool,2007),而把实际的某月、某季或某年平均的变量相对多年平均气候的偏差作为气候异常,又把某月、某季或某年平均变量的趋势作为气候变化。为了研究天气尺度事件,人们提出了大气变量异常度的概念,即用一个时刻的大气变量观测减去多年该时刻的平均气候再除以该时刻该变量的方差(Grumm and Hart,2001;Hart and Grumm,2001)。异常度也称为相对异常,而直接用大气变量观测减去多年该时刻平均气候值的差称为绝对异常。一个天气尺度的极端降水和极端高温(低温)事件多对应于对流层至平流层中的一个确定的天气尺度扰动型,所以绝对异常在日常应用中更直观方便(Jiang et al.,2016)。

为了能够区分天气与气候,需要定义一个有物理意义的高时空分辨率的参考态,即瞬变气候。对某日d(365 d)的某个时刻t(24 h)的经纬度和气压层的空间点(λ,φ,p)上大气变量${\tilde{v}}_d$(λ,,p,t)做M年的平均

可得到这个空间点上天文时刻的瞬变气候,M可取大于10 a至50 a不等。公式(1)的目的是试图消除掉几十年中同一天文太阳高度角下正的和负的多尺度扰动,留下的平均值是逼近参考态的瞬变气候。那么,求得的这个瞬变气候值就是与太阳天文高度角和当地下垫面特征达到平衡时的大气状态,它是有物理意义的气候。瞬变气候在某日24 h内的日循环变化可以描述海陆风和山谷风环流,而365 d的年循环变化可以描述季风环流。它的异常值$v_{(d,y)}^{\mathrm{\text{'}}}(\lambda ,\varphi ,p,t)$可用观测值减去瞬变气候值得到。

用一个例子说明极端天气与异常气候的不同。图1是用辽宁本溪站1980—2019年40 a观测资料计算出的年循环逐日气候降水和年循环逐日气候最高气温与逐日气候最低气温。由于取用了日平均降水和日最高、最低气温,该站每天24 h的降水气候特征,如可能的气候夜雨现象,气温24 h循环的不对称分布等,在图1中都没有得到体现。图1中的降水反映出了气候季节变化,最大的峰值在7月,降水低值在1月底,而在4月有一个降水的次峰值。降水在7月前是逐渐增加的,但在8月中旬降水突然减小。这种有规律的降水峰、谷值和降水的渐变与突变是与气候态的大气环流变化联系在一起的。最高温度和最低温度的年循环气候变化在峰值与低值之间也不是对称的。每个站点上的气候年循环变化是客观存在的,是要认识的,并不需要预报。

取辽宁本溪站2010年1月1日—2019年12月31日的逐日观测最高温度,去除瞬变气候,得到的是最高温度距平或它的异常序列(图2a)。这条序列看上去非常混乱。对它做30 d的和180 d的滤波,其中可以分辨出强度不同的年际高温A、低温B事件。显然,年际事件出现的峰值时间和强度大小会因滤波的天数不同而不同,具有任意性。此外,序列中还存在着长期增暖的趋势0.33℃/(10 a)。这个趋势值依赖于所取资料的长度,它也许是多年代变化中的一个上升期阶段。

再取2019年2月1日—3月31日逐日观测最高温度,分析它的异常部分。图2b中,W1、W2、W3是三个相对瞬变气候的正的短期高温波动,与天气尺度大气扰动有联系。这三个波动又是同符号的,它们形成了一个接近20 d的季节内偏暖气候异常W事件,与大气中滑动平均的低频扰动有联系。2019年2月6—9日出现了一个与天气尺度扰动有联系的低温事件C。

从这个例子的分析看出,本溪站观测的最高温度序列中除了具有坚实物理含义的年循环逐日变化外,余留的部分是天气扰动和气候异常上的季节内异常、年际异常和长期趋势(或年代际异常)。天气扰动的时间尺度是几天。在气候异常的分析中,对包括季节内异常、年际异常和长期趋势三分量的分解并没有一套客观的方法,而很多一维时间序列正交展开的数学方法以及经验正交函数分解的数学方法得到的每个分量也不具有物理含义(Dommenget and Latif,2002)。实际上,没有必要把气候异常再人为地分解成没有物理意义的几项和多项。简单地,把观测变量分解成瞬变气候和瞬时扰动的两个分量,它们各自是有物理意义的。在瞬变气候中,气候温压风三者变量之间是满足静力平衡和地转平衡之间的动力学关系的。同样在瞬时扰动中,扰动温压风三者变量之间也是满足静力平衡和地转平衡之间的动力学关系的(Qian,2017)。很多例子表明,对流层大气的扰动强度与地面极端天气强度之间有着直接的联系(Chen et al.,2017;Shi et al.,2020)。

天气是人们直接看到的或感知到的瞬时大气表现,它由瞬变气候叠加瞬时扰动组成。气候是由一段时间内的瞬变气候叠加持续性的瞬时扰动构成的。天气预报W等于瞬变气候$\tilde{C}$加瞬时扰动A′,可用(2)式表达。气候预报C等于瞬变气候$\tilde{C}$加持续性扰动∑A′,可用(3)式表达。

预报员要做的是对瞬时扰动A′的预报。

2 气候态中的环流系统

气候态中的一种表现形式就是行星尺度的大气环流,即风的定向运动。气象学界对大气环流的认识是在不断发展中完善的。早在1686年和1735年,天文学家哈雷和气象学家哈德莱(Hadley,1735)分别提出了南北方向(经向)上的单圈环流模型,即赤道与极地之间热力差异驱动的直接环流。1855年,海洋学家莫里提出了一个经向两圈环流模型,一个闭合的环流在半球内的热带,另一个跨越热带外到极地。1856年,气象学家费雷尔考虑到了地球自转偏向力对行星尺度风系的影响,提出了经向三圈环流模型(Ferrel,1856),后来他又把中低纬度的两个环流改成了上下叠置的环流模型(Ferrel,1859),但现代被人们认可的仍然是1856年的原先模型。著名气象学家Lorenz(1967)回顾了此前的大气环流研究过程。1921年,气象学家皮叶克尼斯父子推测北半球存在经向四圈环流(Bjerknes,1921)。1982年,气象学教师阿伦斯在他多次再版的《现今天气学》教材中,根据地球自转偏向力随纬度增加而增大的动力学原理推测,一个位于南北纬60°的上升气流不可能像赤道上的上升气流那样跨越30个纬度后到极地才形成下沉气流(Ahrens,2012)。他怀疑高纬度的第三圈环流不可能到达北极。直至2015—2016年,这个经向四圈环流模型才被北京大学季风与环境研究组用多套再分析资料得到了证实(Qian et al.,2015,2016)。

现在地球表面的三分之二部分为海水覆盖,其他的部分为陆地,存在着海陆的不规则分布。在地球为水球的假定下,对流层大气中的基本运动形态是由垂直剖面上的经向环流和水平带状波动环流组成的。经向环流的数目与赤道与极地之间的热力对比和地球自转速度有关。当有南北走向的大陆带分隔水球海洋后,对流层垂直剖面中的洋盆尺度纬向环流就会形成。垂直剖面上的经向环流、纬向环流和水平带状波动环流,这三者是在确定的地球自转速度分布下太阳辐射与下垫面动力与热力达到平衡时的大气状态。即使在实际的海陆分布的地球大气中,丑纪范指导的博士研究生论文也早就给出过“大气环流三型分解”的描述,即中高纬地区的罗斯贝波、低纬度的哈德莱环流和沃克环流(徐明,2001;胡淑娟,2006;胡淑娟等,2020)。三维空间中的经向环流、纬向环流和水平带状波动环流反映的都是瞬变气候,而相对瞬变气候的异常或扰动才是极端天气和气候异常的直接制造者。在确定的大气外部强迫环境下,瞬变气候是要认识的,大气内部扰动及其形成的极端天气和异常气候才是需要预报的。

瞬变气候可以用包含年循环、半年循环、准双周振荡和日循环等不同周期特征的大气要素进行描述。瞬变气候中的年循环和半年循环与各地的太阳辐射季节变化有关:在极地的太阳辐射有一个最大值和一个最小值,表现为明显的年循环;在赤道上太阳辐射每年有两次最大值,表现为明显的半年循环。相对地理赤道,南北半球的海陆分布是不对称的,因此太阳辐射下的大气环流和气候分布也是不对称的。利用美国的再分析资料,计算得到的年平均经向环流(图3)也是相对赤道不对称的。热带上的最大上升气流并不在赤道上,而是在10°N附近。对称的是,南北半球各有四圈环流。北半球有哈德莱环流(Hadley cell)、费雷尔环流(Ferrel cell)、极区环流(Polar cell)和北极环流(Arctic cell)。南半球的第四圈环流称为南极环流(Antarctic cell)。南北半球的四圈环流对应的强度和位置不是对称的,热带地区和高纬度大气中的东西风在强度和位置上相对赤道也不是完全对称的。图3证实了皮叶克尼斯父子的推测和阿伦斯的怀疑。

现在认识的南北半球四圈环流,每个环流都凝聚了科学家的心血,也反映了气象科学的发展进程,更反映了观念的建立、打破和再建立的过程。推动气象科学发展的是那些对现状的怀疑论者,如教学并著书的阿伦斯教授。如果半球大气中是三圈环流,那么极地就应该是一支下沉气流对应的高压系统,在水平天气图上是一个反气旋式环流。可是,在每天使用的等压面天气图上是低压环流,称为极涡。极涡也受到不对称的海陆地形分布影响,位置和强度会发生相对地理上极地对称气候态的偏移。教科书上的三圈环流模型与实况天气图上极涡的矛盾也是值得人们在实际工作中怀疑的科学问题。

由于多尺度海陆分布对太阳辐射加热的重新分布,水平等压面上的环流系统和位势高度场就不是沿纬度带分布的了,而会出现相对纬度带平均的偏差。图4中分别给出的是第3候(北半球冬季)和第44候(北半球夏季)的1 000 hPa层气候风偏差和地面气压偏差分布。冬季的地面上(图4a),北半球中高纬度带有两个大陆高压中心和两个海洋低压中心,呈现的是沿纬度带的两波偏差结构。夏季的地面(图4b)上,北半球中高纬度仍然是沿纬度带的两波偏差结构,只是两个高压中心移动到了海洋上,而低压中心出现在了大陆上。这样的气压偏差两波形态是随季节逐日连续变化的,是北半球两个大陆和两个海洋热力对比随季节变化的结果。北半球夏季,南亚低压西侧、南侧和东侧出现了等压线上的小波动,是半岛海陆地形影响的结果。冬季和夏季南半球的那些高低压中心的形成也与海陆地形分布有关。这样的高低压偏差结构在北半球大气的对流层都以两波的结构存在,而到平流层成了一波结构。

大气中确定位置上的瞬变气候量可以大体再分解成:年循环分量+半年循环分量+准双周振荡(季内偏差)三个分量。前两个分量与太阳辐射到达地球表面的季节分布有关,而第三个分量与不同区域下垫面的热力对比随季节的变化有关。图5是气候上1月1—7日的准双周振荡中北半球300 hPa上高度偏差和温度偏差随时间的演变,其中的偏差中心是可以跟踪的。位势高度的高值中心(G)和低值中心(D)可以跟踪1—2周,它们的循环出现好似气候韵律。在没有扰动天气系统的时候,这些偏差系统也在逐日天气图上移动,但它们不是表达的极端天气(或异常气候)。西北太平洋副热带高压在次季节内的多次南北移动和我国东部气候降水的几个气候峰值反映的正是这样的气候特征(Qian et al.,2002),它们是要认识的,并不需要预报。

3 气候趋势

极端天气是实况天气中相对瞬变气候态的短时(或短期)内发生的严重偏离部分,气候异常是连续多日的实况天气偏离了瞬变气候态,也可以是年际的和长期趋势上的偏离。依据不同的再分析资料及其多年时间长度,图6分别给出了北半球北极环流、极区环流、费雷尔环流和哈德莱环流的年平均质量流函数序列。不同的再分析资料均表现出,哈德莱环流是长期增强的(图6d),这与早期的研究结果一致(Hu and Fu,2007)。图6还给出了北半球的其他三圈环流的强度具有不同的长期趋势和年际异常(Qian et al.,2016)。费雷尔环流在1989年前是长期增强的,但1990年以来强度几乎不变(图6c)。极区环流的强度在1989年之前变化不大,但之后是增强的(图6b)。北极环流在1989年前稍有增强,之后明显地减弱了(图6a)。对北半球的四圈环流强度,不同的再分析资料都表现出相同的年际异常。近20 a来,哈德莱环流的增强和费雷尔环流强度的不变,表明前者的宽度在增加。极区环流的持续增强和极地环流的持续减弱也发生在近20 a中,同样反映了极地环流遭受到了极区环流强度的挤压。

从北半球四圈环流的质量流函数看,1989年是一个转折年(图6)。图7给出1989—2015年,北半球纬圈年平均的和四个季节平均的位势高度趋势与温度趋势。近26 a来(图7a),北半球高纬度对流层出现了整层的位势高度增加的显著趋势,这导致了环北极高纬度地区对流层下部的显著增温,但增温的最大中心并不在地面上。与北极对流层大气中的温压场趋势相反,南半球的极地对流层顶有一个位势高度趋势的负值中心,其下的对流层为降温的趋势中心,降温的最大值也不在地面。北极高纬度地区位势高度增强和对流层整层增温的趋势可归因于图6b中极区环流的增强。同样,北半球副热带地区对流层上部位势高度的增加趋势和对应的副热带对流层大气增暖也与北半球哈德莱环流的增强有关(图6d)。

南北半球八圈环流的强度变化趋势是有季节差异的。南半球的秋季(图7b)和春季(图7d),高纬度位势高度趋势较小,对应低层大气中的降温趋势也弱。南半球的冬季(图7c),高纬度位势高度降低的趋势最大,对应的对流层降温趋势也最显著,南半球高纬度的夏季次之(图7e)。北半球对流层高纬度位势高度增加趋势最大的是在冬季,对应对流层下部的增暖也最强烈(图7e)。其次,北半球极地低层大气的增暖也出现在了秋季(图7d)。事实上,北半球高纬度各个季节的对流层低层大气都在增暖,而以冬季和秋季的增暖最强。北半球的四季中,副热带对流层位势高度增强与那里对流层大气温度的增加对应。北半球冬季中纬度对流层上层和低层大气中各有一个位势高度趋势的负值中心,其中低层的负值中心能否解释北半球极地外地区的冬季降温和雨雪冰冻天气的频发呢?

关注南北半球地表面的温度变化趋势。图8中给出了南北半球40°向极地区的地面温度趋势。图8a和图8b直接显示出了年平均地面温度在南北半球之间的相反变化趋势。北半球的增暖覆盖了60°N以北的高纬度地区,尤其以北极增暖最大,而在亚洲高纬度地区和北欧-北大西洋地区有降温的趋势。南半球除了南极大陆上有局部的增温趋势外,南半球广大边缘海地区是降温的。在四季的地面温度变化趋势中,最大的增暖是在北半球冬季的北冰洋地区(图8f),而欧亚,特别是亚洲有显著的降温,那里是冬季欧亚频繁发生低温和雨雪冰冻天气的地区。其次两个北极增暖的季节是秋季(图8e)和春季(图8c),夏季的增暖中心并不在北极,而是在北极外的格陵兰和西伯利亚北部(图8d)。在南半球的四季降温分布中,南半球冬季的降温范围最大,主要集中在边缘海附近(图8h)。其次,南半球两个边缘海降温的季节是春秋二季(图8i和图8g),并与南极大陆上的局部增暖形成了强烈对比。南半球的夏季,没有强烈的冷暖趋势对比中心,但地面温度是普遍偏低的(图8j)。

观测事实表明,在全球增暖的趋势中,北半球增暖大于南半球,北半球的冬季大于夏季,北极冬季增暖是最大的(Graversen et al.,2008;Richter-Menge et al.,2008)。北极冬季地面增暖的归因一直是气候变化研究中受到特别关注的问题。作为北冰洋上的气温增暖,可能的原因会自下而上,或自上而下。自下而上的原因是来自深海的海洋增暖、海冰融化和冰雪受到辐射影响的减少(Serreze and Barry,2011;Screen et al.,2012)。如果是自下而上的影响,那么地面温度应该比对流层低层的温度趋势值大。但是,实况如北半球冬季的图7e和其他的季节所示,北半球高纬度的大气增暖中心在850~925 hPa层,甚至北极上空的对流层大气中有多层增暖分布。南北半球的最大反对称特征是,南半球高纬度地面降温趋势上空的对流层大气也是气柱式的降温,并且最大的降温趋势中心在500~850 hPa。显然,这样的北半球地面增暖和南半球地面降温的趋势不能用来解释对流层中低层大气的增暖和降温趋势中心,因为它们之间出现了非梯度温度趋势层次。倒是反过来,后者的温度趋势可以顺梯度影响到地面的温度趋势。持续性的地面高温和低温异常事件也正是上部大气温度异常的直接影响(Qian,2017)。南北半球对流层大气中的增暖和降温趋势是满足温压场之间的静力平衡关系的,即可用高度趋势计算出温度趋势,表明与四圈环流的强度趋势有密切的联系。

近年来,北极增暖对应的北冰洋海冰浓度降低(海冰减少)与南半球环南极洲边缘海的海冰增多得到了气候变化研究者的广泛关注(Turner et al.,2009;Holland and Kwok,2012;National Academies of Sciences,Engineering,and Medicine,2017)。如图9中所示,1989—2015年期间北冰洋边缘海的海冰减少与南极洲边缘海的海冰增多形成了反对称的趋势分布。同样的问题是,南北半球海冰相反变化趋势的原因是什么呢?来自低层海洋的增暖作用?来自表层辐射变化作用?来自上部大气温度变化的作用?还是大陆架冰融化后的长距离漂移输送?注意到,在北美洲东部边缘海上,海冰减少发展到最南的季节是在冬季(图9f),对应的是地面温度增暖趋势最大和位置最南的季节也在冬季(图8f)。北冰洋边缘海海冰减少趋势最大的是在秋季(图9e),它与那里地面增暖也集中在秋季是完全一致的(图8e)。南半球海冰增多趋势最显著的是在南半球的秋季,特别集中在Ross海和Weddell海两个区域,并与Bellingshausen海和Amundsen海形成了相反的海冰浓度变化趋势。南半球边缘海的季节海冰浓度趋势,在强度、位置,甚至区域相反的趋势上,都与区域地面温度趋势有联系。

为了解释南极洲不同区域边缘海上的海冰浓度变化的相反趋势,给出了沿边缘海(60°~70°S)对流层位势高度趋势和温度趋势在年平均和南半球秋季平均的趋势分布(图10;Qian et al.,2019)。从年平均趋势(图10a)看,对流层低层大气中有一个最大的降温趋势中心和两个弱的降温趋势中心,只有一个增温的趋势中心。最大的降温趋势中心就在Ross海那里,对应地面上的降温(图8b中的RS)处和海冰增多(图9b中的RS)处。图10a中近地面的唯一增暖趋势中心的下方对应地面图8b的增暖AS处和图9b的海冰减少AS处。

由图10b可见,对流层下部有三个降温中心和一个增暖中心。但只有分别位于0°和180°E附近的两个大的降温中心能够到达地面,所以与图8d中WS和RS处的降温区,与图9d中WS和RS处的海冰增多区对应。图10b中唯一的一个增暖中心在120°W处,与图8d中AS处地面增暖和图8d中AS处海冰减少对应。这些关系说明,区域对流层大气中的温压场趋势也是满足静力平衡关系的。地面区域增暖(或降温)与区域海冰减少(或增多)是对流层大气温压场趋势的影响结果,反映的是局地大气环流的异常。

4 结语

在地球相对太阳的自转和公转过程中,大气所接受到的太阳辐射在不同时空点上的分布与地表特征的动力与热力耦合形成了具有24 h日循环和365 d年循环的瞬变气候。瞬变气候可以通过多年相同太阳天文高度角时刻的观测大气基本变量的平均得到,即平均掉了该时刻的正负扰动。瞬变气候中包括可用三维风场表示的经向垂直剖面内的环流、纬向垂直剖面内的环流和水平带状波动环流,以及半球尺度的季风环流、半岛尺度的局地环流、海陆交界处的海陆风环流和山谷风环流。瞬变气候中的基本气候量,风、压和温度是满足静力平衡和地转平衡动力学关系的。

在行星尺度上,瞬变气候态中的半球范围内的经向四圈环流是随季节发生强度和位置变化的,这种变化是可以认识的,并不需要预报。由瞬变气候做候平均、月平均、季平均和年平均的经向环流仍然存在(图3)。沿不同的纬度带上,由于海陆分布的差异,对流层大气中存在着随季节变化的纬向环流,在热带地区是所谓的沃克环流。在全球等压面上存在随季节和日循环变化的大气潮,在北半球中高纬度垂直剖面的对流层表现为两波结构(图4),也就是所谓的大气活动中心随季节的变化,在对流层上部和平流层上为一波结构。这些行星尺度的波动结构随季节的变化与太阳辐射强迫的年循环和半年循环有关。此外,半岛尺度海陆分布和大地形对太阳辐射的调整作用形成了大气中的次季节变化,类似逐日天气图上的高低压系统,但它们确实属于需要认识的气候部分(图5)。

相对于瞬变气候态中的北半球经向四圈环流、纬向瓦克环流和水平带状波动环流,它们的强度会出现季节内、年际和年代际的偏离瞬变气候态的多时间尺度异常变化,其中的长期趋势也属于异常变化(图6)。经向环流的数目与极-赤温差和地球自转速度大小有关。地球自转越快,气流运动受到的地转偏向力越大,经向环流数目会增多。在现今的极-赤温差和自转速度下,南北半球内的经向环流各有四个。只有南北半球的第四圈环流才能解释两极极涡的存在。在极锋以内的中低纬大气中存在哈德莱环流和费雷尔环流,在极锋以外的高纬度大气中存在极区环流和极地环流,它们形成了两对环流,由直接环流和间接环流组成。当直接环流明显增强的时候,间接环流范围会减弱。

全球八圈环流的强度和位置出现的年际和长期趋势会直接改变大气的温压场结构和强度趋势(图7)。近20 a年来,北极高纬度地区对流层大气中的位势高度出现了增强的趋势,于是大气温度,特别是对流层低层的大气温度出现了增暖的中心,比地面增暖的幅度还要大。相反的,南极洲边缘海附近的对流层大气位势高度出现了下降的趋势中心,其下方出现了比地面降温更强的趋势中心。这样就解释了南北半球高纬度地区反对称的地面温度变化趋势(图8)和南北半球边缘海上海冰浓度反对称的变化趋势(图9)。不仅如此,在不同的纬度带上,特别是北半球极地与极地外地区冬季的相反地面温度变化趋势,北极冬季的极大增暖与欧洲大陆冬季频繁发生的低温雨雪冰冻事件,它们也是大气环流异常反映到对流层温压场变化上的表现。

全球增暖是两个半球不同季节和不同纬度带上不同温度趋势的综合结果,也是不同纬度带上不同地区相反温度趋势的累加结果。在环南极洲大陆的边缘海上,大气降温趋势的范围和强度大于大气增暖的范围和强度,于是综合纬度带平均对流层低层以降温为主(图10)。这些大气降温和增暖的区域正是海冰增多和减少的海域。于是,研究全球气候异常必须把每个区域上的大气环流和温压场异常分布认识清楚。

致谢:感谢艾阳帮助绘制了图1和图2.

参考文献