纬向平均大气环流基本模态是大气环流的主要分量，并对全球的气候及其变化有着显著的影响^[1-2].最近，一些学者进一步研究了纬向平均气流变动的主要模态及其与全球增暖、北极涛动(AO)、南极涛动(AAO)和ENSO 的联系.Feldstein^[3]对纬向平均的相对角动量进行分析，表明南北半球的冬、夏季纬向指数(ZI)都存在明显的年际变化.张秀年等^[4]分析了全球变暖背景下全球温度的时空变化特征，朱锦红等^[5]和严华生等^[6]研究指出伴随着近年的全球气温的剧烈上升，低纬度高度场升高，高纬度高度场降低，两个半球中纬度西风显著加强成为全球大气环流变化的最主要特征.张韬等^[7]利用GOALS-5全球海-陆-气耦合模式研究了ENSO 暖事件和冷事件对纬向平均环流的影响，发现对于纬向平均资料来说，冷、暖事件中大气环流相关量在热带和副热带的反相变化特征非常清晰，而在中高纬度地区并不明显.严华生等^[8]对南北半球西风指数的研究表明，近50年来南北半球西风指数都存在显著的上升趋势，其中南半球西风指数上升幅度较北半球大.Thompson等^[9]研究指出1-3月北极地区位势高度降低和从地面到平流层低层的副极地西风的加强与AO 指数有很好的线性一致性.Codron^[10-11]分别分析了冬季和夏季的南半球环状模(SAM)与纬向平均的纬向风异常之间的关系，表明中纬度和副热带急流位置的纬度变动与SAM 联系紧密.白莹莹等^[12-13]研究指出北半球夏季纬向平均流的异常分布表现为两个主要模态，其中，EOF1反映了与AO 相对应的纬向平均流的分布，EOF2反映了与ENSO 相对应的纬向平均流的分布.南半球夏季纬向平均流的异常分布的主要模态(EOF1)既反映了AAO 的特征又与ENSO 有着显著的关系.Lu等^[14]研究指出尽管类El Niño事件增加了赤道中东太平洋地区的温度，但全球增暖对纬向平均流的影响与El Niño对纬向平均流的影响有显著区别，并讨论了可能的机制.Son 等^[15]利用一个带纬向对称下边界条件的数值模式研究了决定纬向平均流变化时间尺度的物理过程.Monahan等^[16]对南半球夏季的纬向平均流和纬向平均位势高度进行EOF分析发现两者既有联系又存在区别.但以往研究多集中考虑纬向平均流的演变，对全球纬向平均大气环流基本模态的演变规律尚不完全清楚.本文引入凝聚小波分析工具，针对全球纬向平均的温度、纬向平均位势高度和纬向平均流在年代际时间尺度上的演变规律及它们之间的关系开展研究，以期更好地认识全球纬向平均大气环流基本模态的变化及其对全球气候的影响.

本文采用由美国NOAA/OAR/ESRLPSD 提供的1871-2008年第二版20世纪逐月再分析大气环流资料^[17-18]；分析的时段取为1948-2008 年，样本数为732，水平分辨率为2°×2°，垂直方向取19层，分别为1000，950，900，850，800，750，700，650，600，550，500，450，400，350，300，250，200，150，100hPa, 包含温度、位势高度、纬向风速三个变量；分析中将逐月的温度、位势高度、纬向风速分别减去各自逐月的气候平均值以消去年变化.本文研究方法主要为经验正交分析(EOF)、凝聚小波、小波滤波等分析方法.其中小波分析计算方法及程序见文献^{[19， 20]}.

对消去年变化的逐月资料分别进行纬圈平均后，利用EOF分析易获得全球纬向平均温度 [T]、纬向平均位势高度[Hgt]、纬向平均流[u]异常的第一模态.由于其方差贡献率分别达到27.4%，25.8%和19.7%，可大致反映纬向平均大气环流的时空变化特征.

从图 1a 可以看出，全球纬向平均温度异常EOF1的空间分布除在45°S 以南300hPa以上和60°N以北300hPa以上的少数区域为负值以外，其余区域的均为正值.结合相应的时间系数可以看出(图 1b)，近60年来全球纬向平均温度有明显的整体上升趋势，其中20 世纪70 年代末以前时间系数绝大多数为负值，其后的时间系数多为正值.20 世纪70年代末以来全球显著增暖的趋势十分明显.

图 1

Fig. 1

图 1 消去年变化的全球纬向平均温度异常EOF分解的第一模态(a)及时间系数(b).图la中等值线分别为-0.6、-0.4、-0.2、0、0.2、0.4和0.6；虚线表示负值 Fig. 1 The leading EOF mode of the global zonal-mean temperature anomalies eliminated annual cycle, (a) denotes spatial pattern of EOF1，the interval of contour is 0.2，the dash line denotes negative value； (b) denotes time series of coefficients of EOF1

从图 2a可以看出南北半球高纬度纬向平均位势高度异常场与低纬度纬向平均位势高度异常场的空间分布具有反号分布的特点.这种特点在南半球极为显著，大致在60°S以南的整个对流层为连片的负值区，以北为连片的正值区.位于北半球高纬度的负值区域不如南半球明显，负值区只大致出现在60°N 以北的近地面区域和200hPa以上区域；北半球低纬度区域也为连片的正值区.结合图 2b可以看出，近60年来全球纬向平均位势高度在20世纪70年代末出现了一次调整.由于20 世纪70 年代末以前的时间系数绝大多数为负值，消去年变化的全球纬向平均位势高度场从南极到北极呈现“+-+"的空间分布趋势，而大致在20 世纪70 年代末以后随着绝大多数时间系数由负转正，全球纬向平均位势高度场从南极到北极呈现“-+-"的异常空间分布.

图 2

Fig. 2

图 2 消去年变化的全球纬向平均位势高度异常EOF分解的第一模态(a)及时间系数(b).图 2a中等值线的值分别为一 20、一 15、一 10、一 5、一 1、0、5、10、15和20；虚线表示负值 Fig. 2 The leading EOF mode of the global zonal-mean geopotential height anomalies eliminated annual cycle, (a) denotes spatial pattern of EOF1，the contour values are - 20，-15，-10，-5，-1，0，5，10，15 and 20，the dash line denotes negative value； (b) denotes time series of coefficients of EOF1

从图 3a 可以看出，全球纬向平均流异常的EOF1大致呈现“- + - + - + -"的空间分布，其中心分别位于南极、60°S 附近、30°S 附近、赤道附近、30°N 附近、60°N 附近区域和北极.南半球纬向平均流“-+-+"的分布特点比北半球明显，特别是在南北半球30°附近的对比更为强烈.结合图 3b可以看出，近60年全球纬向平均流在20世纪70年代末出现了一次调整.20 世纪70 年代末以前时间系数多为负值，消去年变化的纬向平均西风加速或东风减速的区域主要出现在极地和副热带；西风减速或东风加速的区域主要出现在中高纬和热带.20世纪70年代末后时间系数则多为正值，相应的全球纬向平均流与20世纪70年代末前的大致呈相反的空间分布，消去年变化的纬向平均西风加速或东风减速的区域主要出现在中高纬和热带；西风减速或东风加速的区域主要出现在极地和副热带.

图 3

Fig. 3

图 3 消去年变化全球纬向平均流异常EOF分解的第一模态(a)及时间系数(b).图 3a中等值线的值分别为 -2.0、-1.5、-1.0、-0.5、-0.05、0、0.5、1.0、1.5 和 2.0；虚线表示负值 Fig. 3 The leading EOF mode of the global zonal-mean flow anomalies eliminated annual cycle.(a) denotes spatial pattern of EOF1，the contour values are 一 2.0 ，-1.5，-1.0，一 0.5 ，一 0.05 ，0 ，0.5 ，1.0 ，1.5 and 2.0 ，the dash line denotes negative value； (b) denotes time series of coefticients of EOF1

为获得消去年变化的全球纬向平均温度[T]、纬向平均位势高度[Hgt]和纬向平均流 [u]在年代际时间尺度上的时间演变规律及它们之间的关系，对上述获得的各变量标准化的第一模态时间系数进行凝聚小波分析，易获得 [T]与 [Hgt]、[T]与[u]、[Hgt]与[u]第一模态时间系数间的共振周期.从图 4可以看出，尽管 [T]与[Hgt]第一模态时间系数间在10 年左右时间尺度上的共振周期也通过了α = 0.05 的显著性检验(图 4a)，但[T]与[u]、[Hgt]与[u]第一模态时间系数间通过显著性检验的共振周期仅出现在20 年左右的时间尺度上(图 4b和4c).因此，这里仅计算在大于20年的年代际时间尺度上各个变量间的凝聚位相(表 1)，以获得消去年变化的全球纬向平均温度[T]、纬向平均位势高度 [Hgt]和纬向平均流 [u]在20年左右的时间尺度上发生变化顺序.

图 4

Fig. 4

图 4 第一模态时间系数间的小波凝聚谱.(a)中的两变量为[了]与[ffer]；(b)中的两变量为[了]与[w]； (c)中的两变量为[Hgr]与[w] 实线表示通过〇.05显著性检验的临界值，细实线表示连续小波变换的数据边缘效应影响较大的区域；箭头由左指向右表示两个时间系数呈同位相变化，箭头竖直指向下表示前一个变量的变化滞后于后一个变量90° Fig. 4 The wavelet coherence spectra between the leading mode time series of the [T] and ^Hgt] (a) ， between that of [T] and [w] (b) ，and between that of [fgt] and [w] (c) The thick black contour designates the 5% significance level against red noise and the cone of influence (COI) where edge effects mightdistort the picture s shown as thin curve.The relative phase relationship s shown as arrows with rn-phase pointing right and anti-phasepointing lett.SSN leads TSI by 90° points straight down.

表 1(Table 1)

表 1 各变量间的凝聚位相 Table 1 The coherence phase among three EOF1 time series

表 1 各变量间的凝聚位相 Table 1 The coherence phase among three EOF1 time series

从表 1可以看出，所产生卷积误差的绝对值均小于或等于相应两变量间凝聚位相的绝对值，卷积误差总的来看未能改变相应 [T]与 [Hgt]、[T]与[u]、[Hgt]与[u]间凝聚位相的符号，表明上述所获得的三个凝聚位相关系大致是稳定的，可以进一步分析 [T]、[Hgt]和[u]在20年左右的年代际时间尺度上的位相关系.在时间尺度为20年左右的区域中，表示位相关系的箭头均由左指向右，表明在20年左右的年代际时间尺度上消去年变化的纬向平均温度 [T]、位势高度 [Hgt]和纬向平均流[u]均呈同位相变化.分析这三个位相关系可以发现，全球纬向平均温度 [T]既大致超前于纬向平均位势高度 [Hgt]2个月出现变化，也同时超前于纬向平均流 [u]大致10个月出现变化；纬向平均位势高度 [Hgt]的变化又大致超前于纬向平均流[u]8个月出现变化.这表明在20年左右的年代际时间尺度上，首先是消去年变化的全球纬向平均温度 [T]出现变化，其次是消去年变化的全球纬向平均位势高度 [Hgt]出现变化，最后是消去年变化的全球纬向平均流 [u]出现变化.结合图 1-3的全球大气环流基本态的空间分布可以获得:在20年左右的年代际时间尺度上，20 世纪70 年代末以后全球温度的显著上升将使60°S以南和60°N 以北高纬度区域的纬向平均位势高度异常降低，同时使60°S与60°N 之间中低纬度区域的纬向平均位势高度异常升高；纬向平均位势高度的这种变化又将使中高纬和热带的纬向平均西风加速或东风减速，同时使极地和副热带的西风减速或东风加速.

在年际变化时间尺度上，[T]与 [Hgt]、[T]与 [u]和 [Hgt]与 [u]在20世纪80年代出现了准5年的显著共振周期.它们之间的位相关系分别为:12.6°±15.9°、167.1°±13.8°和97.1°±16.5°.这表明在此时间尺度上，除 [T]与 [Hgt]为同位相关系以外，[T]与 [u]和 [Hgt]与 [u]均为反位相关系；[T]落后于 [Hgt]大致2个月出现变化，[T]超前于 [u]大致 2 个月出现变化，[Hgt]超前于 [u]大致13个月出现变化.但由于[T]与 [Hgt]凝聚小波分析的卷积误差较大，其位相关系存在较大的不确定性 (图 4).[T]与[Hgt]、[T]与[u]和 [Hgt]与[u]在20世纪90年代中期以来还出现了准7 年的显著共振周期.它们之间的位相关系分别为:28.4°±1.5°、61.9°±0.8°和37.7°±0.9°.这表明在此准7 年时间尺度上，消去年变化的 [T]、[Hgt]、[u]呈现同位相变化.与其在20年左右时间尺度上的超前/落后关系不同，在此时间尺度上，[u]的变化超前于[Hgt]大约9个月出现变化；[u]的变化超前于[T]大约14个月出现变化；[Hgt]的变化超前于[T]大约6个月出现变化.在年际时间尺度上消去年变化的纬向平均温度 [T]、纬向平均位势高度[Hgt]和纬向平均流 [u]间存在复杂的相互作用可能是导致三变量间位相关系不稳定的原因.

对消去年变化的全球纬向平均温度 [T]进行240-256月的小波滤波，并用其去拟合相应的观测序列，易获得它们之间的F检验值.从图 5 可以看出，除南半球高纬对流层低层和200hPa以上、北半球中高纬300hPa以上的小部分区域外，其余区域均通过了显著水平为α=0.05的F检验，有的F值甚至还通过了α =0.001的极显著F检验.这表明240—256月小波滤波序列可以较好地解释原序列[T]变化的方差.这从另一个方面表明，消去年变化的全球纬向平均温度 [T]确实存在较为明显的20年左右周期的年代际变化趋势，滤波序列能较好地反映出原序列的时空分布特征.

图 5

Fig. 5

图 5 240—256月小波滤波的全球纬向平均温度值与观测值间的F检验值分布阴影区为通过α = 0.05显著性检验的区域. Fig. 5 The F test between the global zonal-mean temperature anomalies and their 240—256-month filtered data The areas passing 5% significant test are shaded.

为寻找在20年左右的年代际时间尺度上全球纬向平均温度最先发生变化的源地，再分别绘制在100hPa、500hPa和850hPa等压面上及沿45°S、45°N处全球纬向平均温度 [T]小波滤波序列的时间剖面图(图 6).

从图 6可以看出，进行240—256月滤波后全球纬向平均温度的大振幅区主要集中在南、北纬30°—60°；在高纬度地区滤波后全球纬向平均温度也存在较大的振幅.在20年左右的年代际时间尺度上，滤波后100hPa和500hPa附近纬向平均温度异常有从极地向中纬度传播的趋势，但20°S—20°N的等值线几乎与横坐标平行，表明两半球对流层中高层平均温度的变化相对独立，一半球纬向平均温度的变化不能影响到另一半球纬向平均温度的变化(图 6a和图 6b).与图 6a和图 6b中20°S—20°N 的等值线分布不同，图 6c中20°S—20°N 的等值线与横坐标有一定的交角，表明在20年左右的年代际时间尺度上对流层低层的850hPa附近，一半球的纬向平均温度异常有传播到另一半球的趋势，引起另一半球纬向平均温度发生变化.沿45°S的纬向平均温度异常最先出现在对流层顶附近的100hPa, 其次出现在对流层低层.随着时间的推移对流层顶附近的温度异常逐渐向下传播到对流层中层；同时也有从对流层低层的平均温度异常向上传播到对流层中层(图 6d).沿45°N 的纬向平均温度异常几乎同时出现在对流层顶附近的100hPa和对流层低层.随着时间的推移再同时向下/向上传播到对流层中层(图 6e).值得注意的是，在20年左右的年代际变化时间尺度上，20 世纪70 年代末期南半球中纬度显著增暖的信号早在20世纪60年代末期就已在对流层顶附近的100hPa处出现；对流层低层温度正异常的信号出现得相对较晚，大致出现在20 世纪70年代中期；两处温度正异常信号均在20 世纪80年代到达对流层中层，使得200hPa以下大气出现整层增暖.20世纪70 年代末期以来北半球中纬度显著增暖的信号几乎同时出现在对流层低层和对流层顶附近，并在80 年代到达对流层中层，使得大气出现整层增暖.

图 6

Fig. 6

图 6 240—256 月滤波后 lOOhPa (a)、500 hPa (b)、850 hPa (c)、沿 45°S (d)、沿45°N (e)的纬向平均温度时间纬度剖面图 等值线分别为-0.5、-0.3、-0.l、0、0.l、0.3和0.5；虚线均表示负值. Fig. 6 The time-latitude section of 240—256-month filtered zonal-mean temperature anomalies on 100 hPa (a) ， 500 hPa (b) ，850 hPa (c) ， along 45°S (d) and 45°N (e) The contour values are -0.5，-0.3，一 0.1，0，0.1 ，0.3 and 0.5.Dash line denotes negative value.

通过对全球纬向平均大气环流基本模态的分析，可以得出以下结论:

(1) 全球纬向平均温度、纬向平均位势高度和纬向平均流可以用相应的EOF1 表征.61 年来，全球纬向平均温度增温趋势明显；两半球高纬度地区纬向平均位势高度场的变化趋势与中低纬地区的相反，高纬度地区纬向平均位势高度场有下降的趋势，而中低纬地区的有上升的趋势；两半球中高纬和热带地区的纬向平均西(东)风有加(减)速的趋势，极地和副热带地区有西(东)风减(加)速的趋势.

(2) 全球纬向平均大气环流基本模态有显著的20年左右周期的年代际变化趋势.在所研究的三个纬向平均变量中，全球纬向平均温度超前纬向平均位势高度8个月出现变化，全球纬向平均位势高度又超前纬向平均流2 个月出现变化.在此年代际变化时间尺度上，全球温度上升(下降)，将使高纬度的纬向平均位势高度降低(升高)，中低纬度的纬向平均位势高度升高(降低)；进而使得中高纬和热带的纬向平均西风加(减)速或东风减(加)速，同时使极地和副热带的西风减(加)速或东风加(减)速.

(3) 在小于10 年的年际变化时间尺度上，全球纬向平均温度、纬向平均位势高度和纬向平均流间也间隙性地存在显著共振周期，但凝聚位相关系不稳定.这三变量间存在复杂的相互作用、互为因果可能是导致其位相关系不稳定的主要原因.

(4)在20年左右的年代际变化时间尺度上，对流层顶附近和对流层低层的温度异常变化可以分别下传和上传导致整层温度的变化；一半球对流层低层的温度异常变化可以穿过赤道，影响到另一半球的温度变化.20 世纪70 年代末期全球显著增暖信号最早出现在20世纪60年代末期南半球对流层顶附近，其次出现在南半球对流层低层、北半球对流层顶附近和北半球对流层低层；并最终影响到整个对流层.

(5) 在凝聚小波分析结果中很少看到位相角为0°或180°，即全球纬向平均温度、纬向平均位势高度和纬向平均流间很少出现同时变化的现象.这可能是在消去年变化时，是将逐月的温度、位势高度、纬向风速分别减去各自逐月的气候平均值所致.