北大西洋地區氣候準20年周期的觀測和模擬分析

傅心雨,陶麗

摘要 北大西洋地區除了存在約70 a周期的AMO（Atlantic Multidecadal Oscillation，北大西洋年代際振蕩）之外，歷史長期氣候記錄中英格蘭溫度（Central England Temperature，CET）與格陵蘭冰芯凈雪累計率還存在顯著的20 a周期波動。本研究利用CCSM4（Community Climate System Model version 4）耦合模式工業革命前控制試驗（piControl）結果中的海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST），通過10～50 a帶通濾波與擴展經驗正交函數（Extended Empirical Orthogonal Function，EEOF）分解，得到在北大西洋副極地海區存在準20 a振蕩的逆時針旋轉模態。此周期與其臨近地區的CET、格陵蘭冰芯凈雪累計率的準20 a振蕩周期相吻合，說明這種北大西洋副極地海區準20 a振蕩的海洋模態與其臨近地區的大氣準20 a振蕩之間可能存在相應的聯系。進一步利用CAM4（the Community Atmosphere Model version4）大氣模式，以北大西洋副極地海區準20 a振蕩SST旋轉模態為強迫場進行敏感性試驗，進一步驗證了這種聯系。

關鍵詞 歷史長期記錄;SST;20 a;旋轉模態;敏感性試驗

海洋年代際變化研究最直觀就是對海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）進行研究（宋晗等，2021）。在大西洋中的眾多年代際信號中最顯著的信號之一就是北大西洋年代際振蕩（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）。AMO是地球系統中最重要的年代際氣候變率之一，它是整個北大西洋的海盆模態，周期為50～70 a，振幅約為0.4 ℃（Schlesinger and Ramankutty，1994;Enfield et al.，2001;Knight et al.，2005;李雙林等，2009）。AMO對巴西東部和非洲薩赫勒地區的降水、北大西洋地區的颶風、北美與歐洲的夏季降水以及東亞夏季風具有重要影響（Folland et al.，2001;McCabe et al.，2004;丁一匯等，2020）。AMO的形成可能與大西洋經向翻轉環流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC）的變化有關，與大西洋熱量經向輸送的變化相聯系（Folland et al.，2001），也有學者認為AMO是受到熱鹽環流的驅動而產生（李雙林等，2009;張福穎等，2012）。

Frankcombe et al.（2010）研究發現歷史長期氣候記錄英格蘭溫度（Central England Temperature，CET）與格陵蘭冰芯凈雪積累率顯示北大西洋地區不僅有準70 a的振蕩，還有顯著的準20 a的周期振蕩，并指出CET和格陵蘭冰芯凈雪積累率的年代際振蕩與北大西洋海洋模態的年代際振蕩關系密切。圖1為Frankcombe et al.（2010）工作的重現。Zorita and Frankignoul（1997）指出北大西洋海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）年代際變率除了周期為50～70 a的AMO之外，還存在周期為20～30 a的SST年代際模態。Timmermann et al.（1998）從多個環流模式（General Circulation Model，GCM）的北大西洋地區均提取出了20～30 a的SST信號。Frankcombe et al.（2010）結合GCM模式分析發現在北大西洋次表層海溫中也存在周期為20～30 a的振蕩。

迄今為止，許多學者對北大西洋副極地海區20～30 a的海溫波動機制進行了研究。Huck et al.（1999）發現溫度異常的傳播方向與背景場的經向溫度梯相垂直，與羅斯貝波傳播方向與背景場的位渦梯度垂直非常相似，因此提出了一個動力學框架并稱為“熱羅斯貝波模”。熱羅斯貝波模所體現的空間模態與北大西洋中所觀測到的溫度異常向西傳播均出現20～30 a的周期。teRaa and Dijkstra（2002）提出，這個準20 a的年代際振蕩機制的關鍵因素在于緯向與經向表面海水運動變化的位相差和北大西洋北部暖海溫異常的西傳。這個模態的時間尺度則由溫度異常跨海盆傳播的時間來決定。Frankcombe et al.（2010）在teRaa and Dijkstra（2002）的研究工作基礎上，提出了北大西洋副極地海區SST的20 a模態0—π位相的可能轉換機制：北大西洋地區的溫度分布背景場為南暖、北冷，當在北大西洋北部出現的暖海溫異常時，產生向北的海溫梯度，根據熱成風原理，在該暖海溫異常的南（北）部，表面海水向西（東）運動，即該暖海溫異常處會形成反氣旋的環流異常，這在暖海溫異常處的東（西）部出現冷（暖）海水向南（北）平流，使得該暖海溫異常向西傳播。當該異常傳播至海盆西邊界時，在緯向上則出現了向西的海溫梯度，由于熱成風原理，從而產生向南的經向流。該經向流導致了海盆北部冷水上翻，而南部與北大西洋流輻合，暖水下沉，出現了向南的海溫經向梯度，在北大西洋流的背景流下，產生向東的緯向運動。Kwon and Frankignoul（2014）使用CCSM3（Community Climate System Model version 3）資料提出該年代際波動是一種海洋動力學驅動的模態，是由北大西洋流（North Atlantic Current，NAC）與向赤道的深層流相互作用而形成的。Swingedouw et al.（2015）認為該20 a的SST模態可能與火山噴發有關。Lin et al.（2019）認為該20 a的SST旋轉模態可能是大西洋內部獨立模態，與太平洋地區的年代際變率無關。Sévellec and Huck（2015）進一步利用水平動量方程，在一定的假設條件下將海洋模式方程進行簡化，得到的方程特征根與海洋密度垂直分布有關，給出了北大西洋副極地海區20～30 a振蕩的理論模型。

北半球中高緯度地區主要是大氣影響海洋，但是海洋同樣可以通過海氣相互作用影響大氣。北太平洋中高緯度大氣主要是受到熱力作用與湍渦作用驅動的，并且大氣高度場異常在垂直方向具有“相當正壓分布結構”（朱益民等，2008a）。朱益民等（2008b）指出太平洋與大西洋SST異常與北半球大氣環流之間都出現了時空結構非常相似的年代際時間尺度的共變模態。由于北大西洋存在溫鹽環流（Thermo Haline Circulation，THC），跨赤道流向北輸送的大量熱量會對北半球的氣候產生顯著影響。從赤道向極地的強熱量輸送使得海洋在中高緯度地區向大氣釋放熱量，因此，海氣熱通量是維持氣候形態及驅動氣候變化的重要過程，而其中的湍流熱通量的量值及變化幅度在北大西洋海區尤為顯著（Gulev and Belyaev，2012;程軍和張瑾，2017）。洋流對局地的熱量收支會產生非常大的影響，其變動會被大氣捕捉到，使大氣產生相應的振蕩與環流（Bjerknes，1964;Gregory et al.，2005）。Wen et al.（2016）提出北大西洋副極地海區周期約為20 a的海洋模態會強迫大氣產生周期約為20 a、空間結構與NAO相似的模態。這意味著北大西洋中高緯度海區，海洋對大氣存在強迫作用。

截至目前，在前人的研究中，對北大西洋年代際變率的研究主要集中在對周期為50～70 a AMO的研究，對北大西洋20～30 a周期振蕩的空間特征及氣候影響只有少量的研究。本文首先利用耦合模式CCSM4 piControl結果中的SST，分析北大西洋副極地海區周期為20～30 a的SST模態空間特征，并進一步使用CAM4（the Community Atmosphere Model version 4）大氣模式進行敏感性試驗，分析歷史長期觀測資料CET和格陵蘭冰芯的20 a周期與該20～30 a的海洋模態是否有直接的因果關系。

1 資料與方法

采用資料主要包括1659—2015年英格蘭溫度CET、1738—2002年格陵蘭冰芯d4積雪累計率資料。其中格陵蘭冰芯積雪累計率d4資料是在格陵蘭地區的中西部采集的，采集位置為（43.9°W，71.4°N），采集海拔為2 730 m。

使用了CCSM4工業革命前控制試驗（piControl）的SST與表面溫度（Surface Air Temperature，SAT）。由于CCSM4耦合模式擁有良好的海洋動力學框架，使得該20 a本征模在此體現較完好。選取其800—1300年間的模擬SST與SAT為研究對象，為了便于進行分析，將其水平分辨率插值成1°×1°。選用CAM4大氣模式中的較粗網格版本（F1850_f19_g16）進行敏感性試驗。該模式在垂直方向有26層，水平分辨率約為1.9°×2.5°（經度×緯度），強迫場為工業革命前SST氣候場，并于北大西洋副極地地區疊加了準20 a振蕩的SST旋轉模態。

2 模式結果分析

2.1 CCSM4耦合模式結果分析

為了排除全球增暖對SST旋轉模態空間特征與動力學過程的可能影響，在一系列CMIP5（Fifth Coupled Models Intercomparison Project）模式資料中進行EEOF分析對比后選取模擬能力較好的CCSM4 piControl資料進行分析。piControl試驗為純動力學的結果，沒有全球增暖的外強迫影響，各強迫場均穩定在工業革命前的水平，可以更好地體現該模態的基本特征，因此選取CCSM4 piControl試驗結果中的800—1300年，共計500 a的SST和SAT場進行分析，首先對SST進行10～50 a的帶通濾波，然后進行EEOF分解。圖2a—c給出的是時間間隔為5 a的EEOF結果，由圖2a—c可以看出，5 a內該模態旋轉π/2位相，10 a內該模態旋轉π位相，周期約為20 a，其空間模態呈逆時針旋轉，這與前人的理論模型結果相吻合，周期也與歷史長期資料、前人的理論模型所揭示的周期相一致。

在CCSM4 piControl試驗結果的SAT數據中，選取了和CET、格陵蘭冰芯資料選址相近的格點（2.5°W，54.5°N）和（44°W，71.5°N），分別代表英格蘭區域和格陵蘭區域，并進行功率譜分析。圖2d功率譜結果顯示，CCSM4 piControl試驗結果在格陵蘭與英格蘭區域的SAT均存在約20 a的顯著周期。這與歷史長期氣候數據CET與格陵蘭冰芯資料存在20～30 a周期相吻合。

2.2 CAM4敏感性試驗分析

由于CCSM4為耦合模式，有顯著的海氣相互作用且包含復雜的物理過程，因此難以只靠CCSM4耦合模式的結果就能確定北大西洋副極地地區大氣的準20 a振蕩與該海區準20 a振蕩的海洋模態有直接聯系。因此，為了進一步明確兩者之間的聯系，進一步使用CAM4大氣模式進行敏感性試驗。

首先選取800—1300年的CCSM4 piControl SST月資料進行16—23 a（即192—276個月）的帶通濾波提取出不受數據邊界影響的20 a SST旋轉模態，為了分析此模態隨季節的變化，選取濾波后（48°W，44°N）格點上每個月的數據，分別計算1—12月此模態在此格點上的標準差，發現其標準差幾乎不隨季節變化。

再對1—12月每個月各自的20 a SST模態進行比較評估，提取帶通濾波后的月資料對1—12月分別進行EEOF分解，發現該SST模態的季節變化很小（圖略）。因此取1月的EEOF結果的空間模態乘以標準化后時間序列，再將其疊加到模式的SST氣候場中，得到前20 a的強迫場，并將其循環120 a，處理得到敏感性試驗中的SST強迫場，其特點是在北大西洋副極地地區逆時針旋轉，周期為20 a。圖3給出了疊加入敏感性試驗中前20 a年平均SST異常場的四個位相，其特點是在北大西洋副極地區呈逆時針旋轉，周期為20 a。

對疊加了上述20 a SST旋轉模態進行強迫的CAM4模式120 a敏感性試驗結果進行了分析。選取與耦合模式CCSM4 piControl結果分析中相同的格點（2.5°W，54.5°N）和（44°W，71.5°N），分別代表英格蘭地區與格陵蘭地區，對這兩個格點的SAT年平均序列進行10 a滑動平均后，再對其進行功率譜分析（圖4），可發現這兩個格點的SAT年平均序列與歷史長期氣候記錄CET、格陵蘭冰芯資料均存在20～30 a的周期（通過置信度為95%的顯著性檢驗），

且格陵蘭地區的SAT功率譜值遠大于英格蘭地區的SAT功率譜值，且有一定的位相差，這與歷史長期氣候記錄CET、格陵蘭冰芯資料的分析結果相符。敏感性試驗結果表明，格陵蘭與英格蘭地區SAT的20 a周期變率是由北大西洋副極地周期為20 a的SST旋轉模態激發得到的。

3 總結與討論

利用CCSM4 piControl試驗結果中的SST和SAT分析了北大西洋副極地地區的準20 a年代際振蕩，分析了SST準20 a振蕩的空間特征，結果與teRaaand Dijkstra（2002）提出的北大西洋副極地存在周期為20 a的SST旋轉模態的空間演變與周期結論相一致，且與Sévellecand Fedorov（2013）使用三層海洋環流模式（Oceanic General Circulation Model，OGCM）提出的周期為20～30 a的SST年代際變率的理論結果相一致。歷史長期氣候記錄CET與格陵蘭冰芯凈雪累計率所包含的20 a周期在耦合模式CCSM4中英格蘭與格陵蘭區域的SAT中同樣存在，說明該SST旋轉模態與大氣的準20 a周期之間可能存在相應的聯系。為了進一步揭示兩者的關系，使用大氣模式CAM4進行敏感性試驗，結果表明，北大西洋副極地海區準20 a的海洋模態會引起其臨近區域周期約20 a的氣候波動。

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Observation and simulation analysis on climatic variability with quasi-20-year period in subpolar North Atlantic

FU Xinyu1，3，TAO Li1，2

1School of Atmospheric Sciences， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China;

2Key Laboratory of Meteorological Disaster （NUIST），Ministry of Education， Nanjing 210044，China;

3Taizhou Meteorological Bureau， Taizhou 318000， China

Besides the well-known AMO （Atlantic Multidecadal Oscillation） with a period of 70 years in North Atlantic， longterm climatic records such as Central England Temperature （CET） and net snow accumulation from Greenland ice core also show a distinctive 20-year oscillation. The counterclockwise rotational mode of SST dipole in subpolar North Atlantic is obtained based on extended empirical orthogonal function （EEOF） method with 10-50-year bandpassed SST from piControl simulation of Community Climate System Model version 4 （CCSM4）. The rotational mode of SST dipole shows quasi-20-year period which is consistent with the period of the surface air temperature （SAT） over England and Greenland. It may be possible to infer that the rotational mode of SST dipole with 20-year period can affect the climatic variability in the vicinity. The realtionship is verified by the sensitive experiments with the community atmosphere model version 4 （CAM4） which is forced by the rotational mode of SST dipole with quasi-20-year period.

longterm historical observational data;SST;20 years;rotational mode;sensitive experiment

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190315002

（責任編輯：袁東敏）