北大西洋地区气候准20年周期的观测和模拟分析

傅心雨,陶丽

摘要 北大西洋地区除了存在约70 a周期的AMO（Atlantic Multidecadal Oscillation，北大西洋年代际振荡）之外，历史长期气候记录中英格兰温度（Central England Temperature，CET）与格陵兰冰芯净雪累计率还存在显著的20 a周期波动。本研究利用CCSM4（Community Climate System Model version 4）耦合模式工业革命前控制试验（piControl）结果中的海表面温度（Sea Surface Temperature，SST），通过10～50 a带通滤波与扩展经验正交函数（Extended Empirical Orthogonal Function，EEOF）分解，得到在北大西洋副极地海区存在准20 a振荡的逆时针旋转模态。此周期与其临近地区的CET、格陵兰冰芯净雪累计率的准20 a振荡周期相吻合，说明这种北大西洋副极地海区准20 a振荡的海洋模态与其临近地区的大气准20 a振荡之间可能存在相应的联系。进一步利用CAM4（the Community Atmosphere Model version4）大气模式，以北大西洋副极地海区准20 a振荡SST旋转模态为强迫场进行敏感性试验，进一步验证了这种联系。

关键词 历史长期记录;SST;20 a;旋转模态;敏感性试验

海洋年代际变化研究最直观就是对海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）进行研究（宋晗等，2021）。在大西洋中的众多年代际信号中最显著的信号之一就是北大西洋年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO）。AMO是地球系统中最重要的年代际气候变率之一，它是整个北大西洋的海盆模态，周期为50～70 a，振幅约为0.4 ℃（Schlesinger and Ramankutty，1994;Enfield et al.，2001;Knight et al.，2005;李双林等，2009）。AMO对巴西东部和非洲萨赫勒地区的降水、北大西洋地区的飓风、北美与欧洲的夏季降水以及东亚夏季风具有重要影响（Folland et al.，2001;McCabe et al.，2004;丁一汇等，2020）。AMO的形成可能与大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC）的變化有关，与大西洋热量经向输送的变化相联系（Folland et al.，2001），也有学者认为AMO是受到热盐环流的驱动而产生（李双林等，2009;张福颖等，2012）。

Frankcombe et al.（2010）研究发现历史长期气候记录英格兰温度（Central England Temperature，CET）与格陵兰冰芯净雪积累率显示北大西洋地区不仅有准70 a的振荡，还有显著的准20 a的周期振荡，并指出CET和格陵兰冰芯净雪积累率的年代际振荡与北大西洋海洋模态的年代际振荡关系密切。图1为Frankcombe et al.（2010）工作的重现。Zorita and Frankignoul（1997）指出北大西洋海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）年代际变率除了周期为50～70 a的AMO之外，还存在周期为20～30 a的SST年代际模态。Timmermann et al.（1998）从多个环流模式（General Circulation Model，GCM）的北大西洋地区均提取出了20～30 a的SST信号。Frankcombe et al.（2010）结合GCM模式分析发现在北大西洋次表层海温中也存在周期为20～30 a的振荡。

迄今为止，许多学者对北大西洋副极地海区20～30 a的海温波动机制进行了研究。Huck et al.（1999）发现温度异常的传播方向与背景场的经向温度梯相垂直，与罗斯贝波传播方向与背景场的位涡梯度垂直非常相似，因此提出了一个动力学框架并称为“热罗斯贝波模”。热罗斯贝波模所体现的空间模态与北大西洋中所观测到的温度异常向西传播均出现20～30 a的周期。teRaa and Dijkstra（2002）提出，这个准20 a的年代际振荡机制的关键因素在于纬向与经向表面海水运动变化的位相差和北大西洋北部暖海温异常的西传。这个模态的时间尺度则由温度异常跨海盆传播的时间来决定。Frankcombe et al.（2010）在teRaa and Dijkstra（2002）的研究工作基础上，提出了北大西洋副极地海区SST的20 a模态0—π位相的可能转换机制：北大西洋地区的温度分布背景场为南暖、北冷，当在北大西洋北部出现的暖海温异常时，产生向北的海温梯度，根据热成风原理，在该暖海温异常的南（北）部，表面海水向西（东）运动，即该暖海温异常处会形成反气旋的环流异常，这在暖海温异常处的东（西）部出现冷（暖）海水向南（北）平流，使得该暖海温异常向西传播。当该异常传播至海盆西边界时，在纬向上则出现了向西的海温梯度，由于热成风原理，从而产生向南的经向流。该经向流导致了海盆北部冷水上翻，而南部与北大西洋流辐合，暖水下沉，出现了向南的海温经向梯度，在北大西洋流的背景流下，产生向东的纬向运动。Kwon and Frankignoul（2014）使用CCSM3（Community Climate System Model version 3）资料提出该年代际波动是一种海洋动力学驱动的模态，是由北大西洋流（North Atlantic Current，NAC）与向赤道的深层流相互作用而形成的。Swingedouw et al.（2015）认为该20 a的SST模态可能与火山喷发有关。Lin et al.（2019）认为该20 a的SST旋转模态可能是大西洋内部独立模态，与太平洋地区的年代际变率无关。Sévellec and Huck（2015）进一步利用水平动量方程，在一定的假设条件下将海洋模式方程进行简化，得到的方程特征根与海洋密度垂直分布有关，给出了北大西洋副极地海区20～30 a振荡的理论模型。

北半球中高纬度地区主要是大气影响海洋，但是海洋同样可以通过海气相互作用影响大气。北太平洋中高纬度大气主要是受到热力作用与湍涡作用驱动的，并且大气高度场异常在垂直方向具有“相当正压分布結构”（朱益民等，2008a）。朱益民等（2008b）指出太平洋与大西洋SST异常与北半球大气环流之间都出现了时空结构非常相似的年代际时间尺度的共变模态。由于北大西洋存在温盐环流（Thermo Haline Circulation，THC），跨赤道流向北输送的大量热量会对北半球的气候产生显著影响。从赤道向极地的强热量输送使得海洋在中高纬度地区向大气释放热量，因此，海气热通量是维持气候形态及驱动气候变化的重要过程，而其中的湍流热通量的量值及变化幅度在北大西洋海区尤为显著（Gulev and Belyaev，2012;程军和张瑾，2017）。洋流对局地的热量收支会产生非常大的影响，其变动会被大气捕捉到，使大气产生相应的振荡与环流（Bjerknes，1964;Gregory et al.，2005）。Wen et al.（2016）提出北大西洋副极地海区周期约为20 a的海洋模态会强迫大气产生周期约为20 a、空间结构与NAO相似的模态。这意味着北大西洋中高纬度海区，海洋对大气存在强迫作用。

截至目前，在前人的研究中，对北大西洋年代际变率的研究主要集中在对周期为50～70 a AMO的研究，对北大西洋20～30 a周期振荡的空间特征及气候影响只有少量的研究。本文首先利用耦合模式CCSM4 piControl结果中的SST，分析北大西洋副极地海区周期为20～30 a的SST模态空间特征，并进一步使用CAM4（the Community Atmosphere Model version 4）大气模式进行敏感性试验，分析历史长期观测资料CET和格陵兰冰芯的20 a周期与该20～30 a的海洋模态是否有直接的因果关系。

1 资料与方法

采用资料主要包括1659—2015年英格兰温度CET、1738—2002年格陵兰冰芯d4积雪累计率资料。其中格陵兰冰芯积雪累计率d4资料是在格陵兰地区的中西部采集的，采集位置为（43.9°W，71.4°N），采集海拔为2 730 m。

使用了CCSM4工业革命前控制试验（piControl）的SST与表面温度（Surface Air Temperature，SAT）。由于CCSM4耦合模式拥有良好的海洋动力学框架，使得该20 a本征模在此体现较完好。选取其800—1300年间的模拟SST与SAT为研究对象，为了便于进行分析，将其水平分辨率插值成1°×1°。选用CAM4大气模式中的较粗网格版本（F1850_f19_g16）进行敏感性试验。该模式在垂直方向有26层，水平分辨率约为1.9°×2.5°（经度×纬度），强迫场为工业革命前SST气候场，并于北大西洋副极地地区叠加了准20 a振荡的SST旋转模态。

2 模式结果分析

2.1 CCSM4耦合模式结果分析

为了排除全球增暖对SST旋转模态空间特征与动力学过程的可能影响，在一系列CMIP5（Fifth Coupled Models Intercomparison Project）模式资料中进行EEOF分析对比后选取模拟能力较好的CCSM4 piControl资料进行分析。piControl试验为纯动力学的结果，没有全球增暖的外强迫影响，各强迫场均稳定在工业革命前的水平，可以更好地体现该模态的基本特征，因此选取CCSM4 piControl试验结果中的800—1300年，共计500 a的SST和SAT场进行分析，首先对SST进行10～50 a的带通滤波，然后进行EEOF分解。图2a—c给出的是时间间隔为5 a的EEOF结果，由图2a—c可以看出，5 a内该模态旋转π/2位相，10 a内该模态旋转π位相，周期约为20 a，其空间模态呈逆时针旋转，这与前人的理论模型结果相吻合，周期也与历史长期资料、前人的理论模型所揭示的周期相一致。

在CCSM4 piControl试验结果的SAT数据中，选取了和CET、格陵兰冰芯资料选址相近的格点（2.5°W，54.5°N）和（44°W，71.5°N），分别代表英格兰区域和格陵兰区域，并进行功率谱分析。图2d功率谱结果显示，CCSM4 piControl试验结果在格陵兰与英格兰区域的SAT均存在约20 a的显著周期。这与历史长期气候数据CET与格陵兰冰芯资料存在20～30 a周期相吻合。

2.2 CAM4敏感性试验分析

由于CCSM4为耦合模式，有显著的海气相互作用且包含复杂的物理过程，因此难以只靠CCSM4耦合模式的结果就能确定北大西洋副极地地区大气的准20 a振荡与该海区准20 a振荡的海洋模态有直接联系。因此，为了进一步明确两者之间的联系，进一步使用CAM4大气模式进行敏感性试验。

首先选取800—1300年的CCSM4 piControl SST月资料进行16—23 a（即192—276个月）的带通滤波提取出不受数据边界影响的20 a SST旋转模态，为了分析此模态随季节的变化，选取滤波后（48°W，44°N）格点上每个月的数据，分别计算1—12月此模态在此格点上的标准差，发现其标准差几乎不随季节变化。

再对1—12月每个月各自的20 a SST模态进行比较评估，提取带通滤波后的月资料对1—12月分别进行EEOF分解，发现该SST模态的季节变化很小（图略）。因此取1月的EEOF结果的空间模态乘以标准化后时间序列，再将其叠加到模式的SST气候场中，得到前20 a的强迫场，并将其循环120 a，处理得到敏感性试验中的SST强迫场，其特点是在北大西洋副极地地区逆时针旋转，周期为20 a。图3给出了叠加入敏感性试验中前20 a年平均SST异常场的四个位相，其特点是在北大西洋副极地区呈逆时针旋转，周期为20 a。

对叠加了上述20 a SST旋转模态进行强迫的CAM4模式120 a敏感性试验结果进行了分析。选取与耦合模式CCSM4 piControl结果分析中相同的格点（2.5°W，54.5°N）和（44°W，71.5°N），分別代表英格兰地区与格陵兰地区，对这两个格点的SAT年平均序列进行10 a滑动平均后，再对其进行功率谱分析（图4），可发现这两个格点的SAT年平均序列与历史长期气候记录CET、格陵兰冰芯资料均存在20～30 a的周期（通过置信度为95%的显著性检验），

且格陵兰地区的SAT功率谱值远大于英格兰地区的SAT功率谱值，且有一定的位相差，这与历史长期气候记录CET、格陵兰冰芯资料的分析结果相符。敏感性试验结果表明，格陵兰与英格兰地区SAT的20 a周期变率是由北大西洋副极地周期为20 a的SST旋转模态激发得到的。

3 总结与讨论

利用CCSM4 piControl试验结果中的SST和SAT分析了北大西洋副极地地区的准20 a年代际振荡，分析了SST准20 a振荡的空间特征，结果与teRaaand Dijkstra（2002）提出的北大西洋副极地存在周期为20 a的SST旋转模态的空间演变与周期结论相一致，且与Sévellecand Fedorov（2013）使用三层海洋环流模式（Oceanic General Circulation Model，OGCM）提出的周期为20～30 a的SST年代际变率的理论结果相一致。历史长期气候记录CET与格陵兰冰芯净雪累计率所包含的20 a周期在耦合模式CCSM4中英格兰与格陵兰区域的SAT中同样存在，说明该SST旋转模态与大气的准20 a周期之间可能存在相应的联系。为了进一步揭示两者的关系，使用大气模式CAM4进行敏感性试验，结果表明，北大西洋副极地海区准20 a的海洋模态会引起其临近区域周期约20 a的气候波动。

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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

（责任编辑：袁东敏）