作为气候变化指标的大气环流变化raybet雷竞技最新
托马斯·赖赫利
犹他大学气象学系，犹他州盐湖城
1.简介
2.大气环流
3.热带环流的向极地扩张
3.1.基于观察的证据
3.2.基于模型的证据
4.热带环流强度的减弱
5.新兴机制5.1。热带对流层顶
高度
5.2.温带涡流
5.3.静态稳定
5.4.海温强迫的作用
6.与热带外环流变化的联系
7.突出问题与结论
致谢
附录:缩略语列表
参考文献
1.介绍
力量，方向和稳定性盛行风对气候至关重要raybet雷竞技最新与大气环流有关的风导致来自偏远地区的热量和水分的运输，从而改变了局部气候特征raybet雷竞技最新在重要的方面。具体名称，如热带外西风带、热带贸易带和赤道低迷提醒我们风对一个地区的气候和生活在其中的人类社会的重要性。raybet雷竞技最新
本章的目的是讨论近几十年来发生的大气环流结构及其相关风的变化。这些变化最好的描述是全球三维主要风和气压系统向极地的位移
raybet雷竞技最新气候变化:观测到的对地球的影响
版权所有©2009 Elsevier B.V.保留一切形式的复制权利。145
的气氛。相关趋势是气候变化的重要指标，可能对生态系统和社会产生深远影响。raybet雷竞技最新
这篇综述集中在两个重要的例子，这种变化:第一，热带环流变化有关的极地扩张哈得来环流圈(HC)和副热带环流变化，表现为中纬度西风高带向极移，也称为环形模态(AMs)的增强正相位。尽管这两种变化都与类似的向极位移有关，但这两种现象是否直接相关仍有待观察。
与气候变化的大多数方面一样，过去发生的环流变化仍raybet雷竞技最新然相对微妙，因此很难将它们与自然发生的变化区分开来。难以可靠地监测全球循环是另一个复杂问题。大气的长期记录只存在于少数几个地点，而地球的大多数地区都没有被观测到。利用气象再分析可以部分克服观测稀疏的问题，这代表了数值天气预报和现有观测的结合。然而，在目前的情况下，重新分析的作用有限，因为随着时间的推移，使用的观测数据的混合变化会在数据中产生虚假的趋势。
由于观测大气环流及其长期趋势的困难，本文将不仅依靠基于观测的证据，而且还将包括来自大气环流模式(gcm)的结果。gcm当然不是真实系统的完美代表，但在单靠观测不能提供足够信息的情况下，它们是极有价值的。例如，它们允许生成几乎任意长度、位置和数量的一致时间序列。气相色谱模型可用于对地球气候系统进行全面复杂的实际实验，这在实验室环境中是不可能完成的任务。raybet雷竞技最新这使得gcm成为不可或缺的研究工具，特别是在寻找人类对气候的影响方面。raybet雷竞技最新
关于大气环流和气候变化，最有趣的挑战是了解这种变化的本质是什么，对地表气候的后果是什么，以及潜在的原因和机制是什么。raybet雷竞技最新在这篇综述的开始，我们将对大气环流的性质有一些基本的了解，以便为本章的其余部分提供必要的信息。接下来，我将概述过去循环变化的观察和基于模型的证据。本讨论将主要集中在热带扩大现象。我将继续介绍文献中提出的一些机制来解释这种扩大。稍后，我将阐明与其他重要气候变化形式的关系，特别是与热带外环流变化的关系。raybet雷竞技最新最后，我将总结一些突出的研究问题，并强调大气环流变化对全球气候系统其他组成部分的可能影响。raybet雷竞技最新
2.大气环流:大气的一般环流
大气环流描述了大气风的全球三维结构。哈雷[2]可能是第一个意识到地球的球形和由此产生的太阳加热的空间不均匀分布是这种循环背后的基本驱动因素。热带地区吸收的太阳能大约是高纬度地区的两倍，在温度和势能上形成了经向梯度。部分势能转化为动能[3]，表现为风。然后，风在地球旋转的影响下偏转，形成了复杂的环流流动模式。
大气流动导致了地球气候系统内能量的系统传输和转换。raybet雷竞技最新所涉及的不同形式的能量感热，潜热势能和动能。通常，能量传输是针对空间梯度的，从而减少了地理区域之间的对比。例如，风将热带地区的暖空气输送到热带外地区，将冷空气输送到相反的方向，降低了低纬度地区和高纬度地区的温度差异。同样地，一般循环将水从海洋重新分配到大陆，并为陆地表面提供能带来生命的降水。换句话说，大气环流施加一个放缓的影响在气候raybet雷竞技最新和减少极端天气要素。大气风也有助于推动海洋，海洋反过来将热量从低纬度重新分配到高纬度，将营养物质从海洋内部重新分配到表面，将碳从大气重新分配到海洋。由于环流在气候系统内重新分配属性方面的重要作用，它也被称为“伟大的传播者”[4]。raybet雷竞技最新
热带和热带外地区的区别对于地球大气．在温带，大尺度的运动受准地转理论的支配，这是一个简单的框架，与地球和地球之间近乎完美的平衡有关压力梯度力和科里奥利力。热带外环流以气旋为主，也被称为风暴、涡流或简单地称为波浪。这些气旋是斜压不稳定的产物，这种不稳定在冬季由于强烈的极向气旋而特别强烈赤道的温度在那个季节梯度。太平洋和大西洋西部的风暴轨迹区域是这种系统发展的首选地点。
在热带地区，科里奥利力较弱，而其他影响如摩擦、非绝热等潜在的加热变得重要[5]。由此产生的热带环流与温带环流截然不同。HC[6]是最显著的热带环流特征。它贯穿对流层的整个深度，从赤道延伸到两个半球的亚热带(约30°纬度)(图1)热带辐合带(ITCZ)靠近赤道。潮湿的热带
纬向风指纬向风
-
- Eq 30N 60N 90N
子午质量流函数
图1北方夏季(6月、7月、8月)高纬面气候平均环流(JJA)。纵轴为大气压(单位hPa)、高度(单位km)，横轴为纬度(单位degrees)。连续的黑线表示热定义的对流层顶。(上)由国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析得出的纬向平均纬向风(单位m-s-1)。副热带急流和涡动急流的近似位置分别用SJ和EJ表示。(下)平均经向质量流函数(单位:kg-s-)，箭头表示与Hadley环流相关的纬向平均翻转的方向和强度，在SH有一个强烈的冬季环流，在NH有一个微弱的夏季环流。
图1北方夏季(6月、7月、8月)高纬面气候平均环流(JJA)。纵轴为大气压(单位hPa)、高度(单位km)，横轴为纬度(单位degrees)。连续的黑线表示热定义的对流层顶。(上)由国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析得出的纬向平均纬向风(单位m-s-1)。副热带急流和涡动急流的近似位置分别用SJ和EJ表示。(下)平均经向质量流函数(单位:kg-s-)，箭头表示与Hadley环流相关的纬向平均翻转的方向和强度，在SH有一个强烈的冬季环流，在NH有一个微弱的夏季环流。
空气变暖，变得有浮力，上升到对流层上层。上升的空气绝热冷却，导致凝结，释放潜热，产生云和强降水。在对流层上层，空气向两极发散，在亚热带下降。空气现在干燥而温暖，因为它失去了水分，但保留了上升过程中获得的大部分潜热。因此，HC降支下的气候以干燥和相对高raybet雷竞技最新压为特征。的
HC被表面的信风封闭，信风在汇聚到ITCZ之前带走了海洋中的水分。
沃克循环[7,8]是另一个重要的热带环流系统，代表了赤道太平洋上空东西向的翻转气流。它是由西部的低压和对流，东部的高压和下沉驱动的。横跨太平洋的压力差异是由于西部温暖的海面温度(sst)和东部相当凉爽的sst造成的。这些sst和Walker环流的变化与厄尔尼诺南方涛动(ENSO)现象密切相关，这是一种自然发生的大气-海洋耦合系统的不稳定性，对全球气候有影响[9]。raybet雷竞技最新
与HC相关的经向翻转对热带外环流也很重要。例如，HC的上分支向极地移动的空气倾向于保持角动量，在HC的下沉分支上方旋转出一个高纬向风区域。这是副热带急流(图1)。然而，急流并不完全是角动量守恒的，这主要是因为中纬度风暴[10]的搅拌作用。这种搅动产生了从急流到中纬度的纬向动量的净通量，这就是所谓的涡动量的发散和收敛。这些通量的结果是副热带急流的减缓和副热带急流向极地的另一个最大风速的产生。第二个高风速区域是由涡流驱动的或极锋急流[11]。这种急流经常与副热带急流合并在一起，形成了一个以纬度[12]^30°为中心的对流层急流。只有在南半球(SH)和冬季，这两个喷射系统是相当分开的。
气候变化如何影响大raybet雷竞技最新气环流?更改辐射平衡由于气候变化改变了区域温度和湿度结构。raybet雷竞技最新风对由此产生的梯度做出反应，并改变环流的强度和结构。在接下来的章节中，我将展示这种变化已经发生的证据，并讨论一些潜在的理论机制。
3.热带环流向极地的扩张
热带向极地边界的位置并不是用独特的和普遍接受的方式来定义的。这与在外热带和热带之间缺乏容易识别的边界有关。大气特性经历两个区域之间或多或少的逐渐过渡。因此，热带向极地的范围取决于热带宽度具体指标的定义。过去使用的指标大致可以分为两类。第一种包括动力指标，它侧重于热带外边缘大气环流的特征。例如HC向极地的边界，副热带急流核心的位置，或地表风由西风转为东风的纬度。第二种是物理指标，利用在热带边缘表现出相对明显梯度的大气的其他方面。这些包括的量发出的长波辐射、平流层臭氧的浓度、热定义的对流层顶的高度、空气的相对湿度，或地表降水和蒸发之间的差值。
3.1.基于证据的
Rosenlof[13]可能是第一个通过研究平流层低层Brewer Dobson环流上升分支的纬度范围来研究热带地区宽度的长期趋势的人。这种环流代表了一种缓慢的经向翻转对流层和平流层，热带地区为上升流，高纬度地区为下流流。Rosenlof将这一指标应用于重新分析，发现在1992年至2001年期间，热带地区的宽度每十年增加约3°纬度。这个比率相当大，可能包含相当大的观测不确定性。
继续Rosenlof的开创性工作，Reichler和Held的后续研究[14]将全球对流层顶的结构作为热带宽度的另一个指标。这一指标是基于众所周知的热带地区之间的区别对流层顶是这种方法的优点是对流层顶是一个相对较好观测的大气特征，可以很容易地从三维温度场中推导出来。利用无线电探空仪的数据(图2)和再分析(图3)发现，自1979年以来，热带地区以每十年0.4°纬度的速度扩张。同样的研究通过检查两个亚热带急流之间的分离距离得出了非常相似的结果。虽然新的扩大数字比之前[13]发现的要小得多，但它证实了热带正在扩张的原始结果。
最初的研究引发了一系列新的研究活动，旨在更好地理解这种新现象及其潜在原因。例如，Fu et al.[15]研究了卫星微波探测单元的长期数据(1979 - 2005)，发现对流层中全球变暖信号在亚热带(15 - 45°)最为明显。有人认为，增温是由副热带急流向极移引起的。Hudson et al.[16]根据热带和温带之间臭氧总量的特征分布确定了热带边缘的位置。他们检查了总臭氧测绘光谱仪仪器的总臭氧长期记录，发现北半球(NH)上方的区域臭氧浓度低，这是指示性的
90n 60n 30n 0
30年代60年代90年代
2001/1987
290 270 - 250 230 < - 210 190 170 150■130 110
120 e
120 w 60 w
2001/1987减去1972/1958
90n 60n 30n 0
30年代60年代90年代
图2对流层顶的压力由网格化探空数据HADRT V2.1[93]得到的北方冬季(12月，1月，2月)。(上)1987年至2001年平均对流层顶绝对气压(hPa)。(下)1987 - 2001年后期与1958 - 1972年早期对流层顶压力(hPa)的差异。蓝色网格点表示对流层顶压力正在减小对流层顶高度正在增加。澳大利亚南部和欧洲南部上空的蓝色带状结构表明了热带对流层顶条件的趋势，因此热带地区正在扩大。改编自[14]。
图2基于HADRT V2.1网格探空数据[93]的北方冬季(12月、1月、2月)对流层顶压力变化。(上)1987年至2001年平均对流层顶绝对气压(hPa)。(下)1987 - 2001年后期与1958 - 1972年早期对流层顶压力(hPa)的差异。蓝色网格点表示对流层顶压力在减小，对流层顶高度在增加。澳大利亚南部和欧洲南部上空的蓝色带状结构表明了热带对流层顶条件的趋势，因此热带地区正在扩大。改编自[14]。
对于热带地区来说，随着时间的推移而增加。Seidel和Randel[17]还利用对流层顶的判据来区分热带和热带外地区，并考察了亚热带对流层顶高度的双峰分布。将这一方法应用于探空仪和再分析数据，他们再次得出结论，热带地区一直在扩张。
表1提供了这些研究和其他相关研究的概述。个别扩大的估计范围在每十年0.3°至3°纬度之间
对流层顶高度的十年趋势
图3 NCEP/NCAR再分析得到的北方夏季对流层顶纬向平均剖面。所示为1958 - 1967年(黑色)和1992 - 2001年(深灰色)平均对流层顶压力(以hPa为左轴)。浅灰色阴影表示两个时期对流层顶位置的差异。虚线曲线表示对流层顶压力的差异(以hPa为单位，右轴)。横轴为纬度(单位:度)。改编自[14]。
图3 NCEP/NCAR再分析得到的北方夏季对流层顶纬向平均剖面。所示为1958 - 1967年(黑色)和1992 - 2001年(深灰色)平均对流层顶压力(以hPa为左轴)。浅灰色阴影表示两个时期对流层顶位置的差异。虚线曲线表示对流层顶压力的差异(以hPa为单位，右轴)。横轴为纬度(单位:度)。改编自[14]。
表1基于观测研究的热带扩大估计(以纬度为单位每十年) |
|||
研究 |
指示器 |
数据 |
不断扩大的 |
Rosenlof [13] |
热带上升流(60 hPa) |
分析 |
3．0 |
赖赫利和 |
对流层顶高度 |
无线电探空仪 |
0.4 |
举行[14] |
对流层顶高度 |
重新分析 |
0.7 |
傅等[15] |
对流层温度 |
密歇根州立大学 |
0.7 |
哈德森等[16] |
臭氧总量 |
汤姆斯 |
1.0(仅限NH) |
赛德尔和兰德尔 |
对流层顶高度 |
无线电探空仪,重新分析 |
1.8 - 3.1 |
胡和傅[59] |
发出的长波辐射 |
各种卫星传感器 |
1．5 |
平均经向循环 |
重新分析 |
1．0 |
|
阿彻和卡尔代拉[92] |
射流分离 |
重新分析 |
0.3 |
赛德尔等[23] |
射流分离 |
重新分析 |
1．0 |
共识扩大约1.4°。就观察不确定性和方法学差异而言，广泛的结果范围可能是可调和的。然而，有些估计数字可能大得不现实。例如，在过去30年里，气温持续升高3°或以上将导致尚未观测到的显著气候变化。raybet雷竞技最新因此，排除一些异常值，最可能的共识估计是，近几十年来，纬度每十年扩大近1°。
观测到的热带扩大的另一个重要方面是它的区域和季节结构。至少有两项研究表明，这种扩大趋势在各自半球的夏季最为强烈，而且这种趋势在东半球比在北半球更为明显。换句话说，在12月、1月和2月，热带扩张在东半球最大，而在北半球最小。
3.2.基于模型的证据
过去几十年观测到的强迫历史驱动的气候模式也再现了观测到的扩张。raybet雷竞技最新例如，政府间气候变化专门委员会(IPCC-AR4)第四次评估报告[18]在20世纪的大部分情景整合都再现了对流层顶[14]的扩大。raybet雷竞技最新在过去30年里，扩张最大的模式的扩大达到0.7°纬度每十年，这与观测结果一致。然而，其他模型模拟的速率要小得多，有些甚至是负的。当平均经向环流被用作热带边缘的指标时，所有模式的相同模拟平均显示1970 - 1999[19]期间每十年扩大0.2°纬度。
考虑到过去GCM模拟中看到的相对较小的扩张，人们可能会问，模型如何应对预计将在未来发生的更强的温室气体增长。Kushner等人[20]强迫GCM与每年增加^1%的CO2完全耦合，并发现在SH上空西风急流和几个相关动力场强烈的向极移动。IPCC-AR4项目的A2场景集成，这对应着一个强劲的未来温室气体增加，也重现了喷流[21]向极方向的强劲移动，在2000年至2100年期间的集合平均响应为每十年0.2°纬度[19,22](图4)。
上述研究表明，gcm以预期的方式响应人为强迫，即热带边缘和环流的其他方面向极地移动(图4)。然而，模式模拟的趋势似乎比观测结果要小。例如，在A2情景下的平均扩大率比过去明显观察到的要小大约5倍，尽管在A2情景下的增长强劲温室气体强迫在A2情形下。人们可能会得出这样的结论:模型在模拟全面扩大方面存在缺陷。Seidel等[23]，
模型模拟了热带地区的扩大
Hadley单元边界位移/纬度
图4不同gcm和情景下热带HC向极边界(x轴)和亚热带干区向极边界(y轴)的位移。红色代表NH，蓝色代表SH。圆圈、卦和三角形表示IPCC AR4模拟的A2、A1B和B1情景估计的变化(2081 2100 - 2001 2020，以纬度为单位)。开放符号表示多模型集成平均值。以每个圆为中心的十字表示使用学生t检验的95%置信区间。摘自参考文献[22]。
Hadley单元边界位移/纬度
图4不同gcm和情景下热带HC向极边界(x轴)和亚热带干区向极边界(y轴)的位移。红色代表NH，蓝色代表SH。圆圈、卦和三角形表示IPCC AR4模拟的A2、A1B和B1情景估计的变化(2081 2100 - 2001 2020，以纬度为单位)。开放符号表示多模型集成平均值。以每个圆为中心的十字表示使用学生t检验的95%置信区间。摘自参考文献[22]。
例如，提出了IPCC-AR4模式中平流层过程代表性差的可能性[24,25]可能是部分原因。
然而，也有一些原因可能有助于调和观测到的趋势和模拟趋势之间的差异。例如，热带地区的宽度可能在十年和更长的时间尺度上经历巨大的自然波动;虽然从模型推导出的这部分可变性估计似乎不支持这一解释[19]。此外，尽管温室气体增加，但由于平流层臭氧预期恢复[26]，未来的趋势可能比过去的趋势小。最后，鉴于难以进行长期一致的大气观测，观测到的趋势很可能包含很大的不确定性。基于这些限制，目前还不可能说真实的模型如何模拟过去和未来的扩大趋势。
4.热带环流强度的减弱
热带翻转环流的另一个重要方面是它的强度。理论考虑表明，全球变暖削弱了平均热带环流的强度[27,28]。这可以理解为，在一个更温暖的世界里，空气的持湿能力不断增加，而这并没有伴随着相应的水文循环的加强。为了弥补这种差异，血液循环速度减慢是必需的。
热带太平洋海平面压力的长期观测显示了纬向不对称Walker环流的减弱[29,30]，这与理论发现是一致的。模式模拟表明，这一下降趋势主要是由于人为强迫，并且这一趋势将在未来继续下去[28,31,32]。海温变暖似乎是[33]减弱的主要原因。
模式还表明，热带环流的减弱主要影响东西向的Walker环流，而不太影响纬向平均HC[22,28]。这一发现也得到了无线电探空数据[34]分析的支持。在这方面，大气再分析给出的情况有些复杂，一些表明强度增强，另一些则没有显示变化[34,35]。这个差异可能与再分析[1]众所周知的质量问题有关。总的来说，HC强度的相对稳定表明热带环流的强度变化对HC和其他环流元素的向极移动可能不那么重要。
5.新兴的机制
了解热带地区在气候变化下扩张的原因是一个活跃的研究领域。raybet雷竞技最新到目前为止，已经提出了几种单独或共同的观点，可能有助于解释这一现象。在这里，我将讨论文献中提出的三个主要机制:热带对流层顶高度的变化、热带外涡旋活动和静态稳定性。此外，我将解释最近和未来海温变化对热带宽度的作用。
5.1.热带对流层顶高地
无线电探空仪[36]的分析和再分析数据[37,38]表明，全球对流层顶高度在过去几十年有所增加，GCM实验表明，人为气候变化可能是造成[39]增加的原因。raybet雷竞技最新这种增加被认为是热带环流向极地扩张的一个可能原因。例如，由Held和Hou[40]提出的轴对称循环的几乎无粘理论表明，轴对称循环的子午范围哈德利环流随垂直深度的平方根成比例变化。然而，将这一比例应用于过去观测到的对流层顶高度增加约200 m[39]，导致热带地区每十年仅扩张0.1°纬度，这低于观测和大多数模式所建议的结果。对理想化的[41,42]和更复杂的气候模式[22,43]的分析也表明，Held和Hou理论不能raybet雷竞技最新很好地解释HC经向范围的完全参数依赖性。
其他研究表明，急流向极地方向的对流层顶高度变化是急流和热带边缘向极地移动的关键[21,44,45]。这些模拟研究的共同之处在于对流层顶的高度受对流层顶上方或下方外部施加的温度变化的控制。然而，这不仅影响对流层暂停的高度，而且还影响经向温度梯度、纬向风和垂直风切变通过热的风的关系。额外的环流变化使得很难明确地将热带变宽的原因归咎于对流层顶的上升。此外，上述研究均未提出对流层顶高度变化影响急流位置和热带边缘的令人信服的物理机制。
5.2.温带涡流
上述全球对流层顶高度的近期升高与对流层暂停[46]以下和以上的系统温度变化密切相关。对流层的温度一直在变暖，平流层的温度一直在变冷，这两者都被证明与人类活动有关[47 49]。副热带对流层上层和平流层下层区域的纬向风结构也受到增温和降温模式的影响。这与对流层顶的高度结构有关。在热带地区，对流层顶很高，全球变暖高达16公里。在热带外，对流层顶很低，温度只上升到^12公里，随后在上面的平流层冷却。因此，在UTLS区域的中间高度(~12 16 km)，热带温暖和热带外凉爽，导致经向温度梯度的增加，并通过热风关系，导致以上纬向风速的增加。
Chen和Held[50]提出了一种机制，在UTLS区域的变暖和变冷模式、相关的纬向风异常和急流向极地移动之间建立了联系。热带外对流层涡流在这一机制中起着核心作用。涡旋倾向于随着纬向流向东移动，并向赤道向亚热带移动，直到它们接近临界纬度，在那里它们的相位速度等于背景纬向流的速度。在那里，波的振幅增大，不可逆地断裂，并由于吸收了波的活动而使流动减速。理解这一机制的关键是UTLS区域的纬向风决定了热带外对流层波的向东相位速度。raybet雷竞技最新与气候变化相关的UTLS风的增加增加了海浪的速度。根据临界层理论，现在速度更快的波浪不能向赤道方向穿透到纬向风减弱的区域。这反过来又限制了涡驱动射流的区域，使其向极地方向移动，并导致AMs的状态更加积极。
在模型模拟和观测[50]中都确定了该机制的关键元素。后来，这一机制得到了扩展，认为亚热带涡驱动下沉的向极移动不仅影响了磁面，而且影响了与HC相关的下沉部分，这将使HC的边界向极移动，从而使热带边缘向极移动[51]。
5.3.静态稳定
垂直温度的变化大气结构为热带地区的扩大提供了另一种解释。这种变化与对流层全球变暖信号的垂直不均匀性有关。观测和模式实验表明，对流层上部的全球变暖信号比对流层下部强，在热带对流层上部的全球变暖信号最大[52,53]。对流层上层的放大是大气准潮湿绝热调整的一个明确结果，这导致热带[54,55]和热带外[56 58]的静态稳定性增加。
Held[10]提出的理论建立了静稳定性与热带宽度之间的联系。该理论假设HC向上向极移动的分支是角动量守恒的。向极地移动的空气增加其纬向风速，直到它变得斜压不稳定，并在不断增长的垂直风切变下分解。这标志着HC外部边界的纬度。与全球变暖相关的静态稳定性的增加推迟了大气变得气压不稳定的时间点。结果，HC向高纬度扩张。
最初的理论后来经过改进，认为HC的向极地运动与涡流驱动的喷流[51]密切相关。与全球变暖相关的涡驱动急流赤道侧斜压性的降低稳定了涡的增长，并使急流和相关的下沉向两极移动。HC紧随其后，因为在亚热带HC和涡流驱动射流都与下沉有关。
不管哪种解释是最好的，对理想化模型[41,43]和完整全球气候模型[22,51]的研究都证实，赫尔德[10]理论在模型模拟气候中相当适用。raybet雷竞技最新例如，在理想化的参数扫描实验中，强制与规定
SSTs, Frierson et al.[43]发现全球平均变暖是HC扩张的主要原因，经向温度梯度的增加只是次要原因。同样值得注意的是，与全球变暖相关的静态稳定性增加预计在夏季和SH[57]上空尤其强烈，这与观测到的热带扩大的区域和季节模式一致[14,59]。
5.4.海温强迫的作用
热带海洋的表面温度随着时间的推移而发生变化，这已被证明对海洋有重要的影响全球大气环流[61]。这些海表温度变化主要与自然ENSO现象和人为气候变化有关。raybet雷竞技最新与ENSO有关的海温波动具有周期性，主要影响赤道太平洋。此外，全球sst表现出与人为气候变化相关的显著长期趋势[62]。raybet雷竞技最新热带太平洋上空的趋势与海温模式相似ENSO的暖相，这与1976年至1977年的气候转变以及与之相关的raybet雷竞技最新海平面上升趋势有关太平洋年代际振荡(PDO)(63、64)。
各种研究表明，热带地区在ENSO暖期(El Niño)正在收缩，急流的赤道位移、风暴轨迹、涡旋动量散度和HC边缘都表明了这一点[33,51,65 68]。这种赤道漂移在SH上最为明显，但在nhh上也可以探测到。理解收缩的一种方式是，随着赤道sst变暖，热驱动的Hadley环流增强[69]。更强的HC导致其向极地移动分支的西风加速，从而加强副热带急流。引用前面类似的论点，这将使热带外波传播的关键纬度向赤道移动，使热带外涡比正常或冷ENSO条件下更深入热带。结果，环流的要素，包括热带边缘，向赤道移动。
对厄尔尼诺Niño期间热带地区收缩的另一种解释是，赤道加热的增加增加了极点到赤道的温度梯度，并将最大斜压带拉向赤道。因此，环流中由涡流驱动的部分向低纬度移动。也有证据表明，与El Niño相关的地表斜压城市的增加影响了非线性破波的类型和数量，这反过来可能改变急流的结构和位置[68,70]。
Lu等[71]发现，当GCM仅受到观测到的海温和海冰分布历史的强迫，但排除自然和人为来源造成的大气辐射效应时，热带地区也在收缩。这可以从赤道太平洋海温长期趋势中的类似厄尔尼诺的模式来理解，它导致了环流向赤道的偏移。这表明热带范围的扩大主要是辐射效应的结果(即温室气体增加和/或平流层臭氧耗损)，热带效应不如热带外效应重要。Lu等人[71]的发现也表明，与气候变化相关的环流变化是复杂的，不能仅从一种机制解释全面的响应。raybet雷竞技最新
6.与热带外环流变化的联系
正如观测和模式数据所揭示的那样，在气候变化下，热带外环流也经历了重要的转变。raybet雷竞技最新最突出的例子是AMs，它是大规模热带外变率的主要模态[72]。AMs是由高纬度和中纬度之间海平面压力的变化来定义的，这与纬向风、温度和等正压变化有关位势高度．AM变率与涡流驱动射流位置存在密切关系[65];换句话说，正的AM与涡流驱动射流的向极移动及其相关动量通量一致。
近几十年来，磁通量在两个半球都呈现出积极的趋势[73,74]。这与极地气压低于正常值有关，也与由涡流驱动的急流和地面西风带的经向转移有关。过去的趋势在SH上很强劲[15,74,75]，但在NH上有些模糊[7679]。raybet雷竞技最新气候变化模拟表明，这些趋势是由温室气体增加和平流层臭氧消耗引起的[20,80 83]。
热带外环流的变化与热带环流的趋势基本一致。例如，Previdi和Liepert[84]在IPCC-AR4模拟中发现AMs的变异性与HC宽度之间存在显著的联系:AM指数的增加伴随着HC向极地的移动，而AMs未来的上升趋势解释了热带未来扩张的一半原因。21世纪对IPCC-AR4[80]和其他模拟[85]的模拟表明，与更积极的AMs趋势一致温带风暴在全球变暖的作用下，最大地表西风带和航迹向极地移动，并变得更加强烈。
在气候变化下观测到的和预测的AM变化至少可以部分地用前面提到的涡旋机制来解释[86]:温室气体增加和raybet雷竞技最新/或平流层臭氧消耗导致对流层上部变暖，平流层下部变冷，从而增加了UTLS风和中纬度涡旋的相位速度。援引关键层的论据，这导致了中纬度涡旋动量通量收敛向极移(即，一个更正的AM)。同时，亚热带的涡驱动下沉也在向极地移动，这有助于解释AM和热带宽度之间的相位变异性。
平流层的气候变化似乎也与环流raybet雷竞技最新的扩大有关。过去温室气体和臭氧消耗物质的增加导致了平流层的大幅冷却，特别是在高纬度地区。由此产生的纬向风结构变化以及随后平流层和对流层之间的动力相互作用[87,88]可能会影响对流层气候[25]。raybet雷竞技最新最近SH上空AM指数的增加与南极上空平流层臭氧消耗有关[74,81,82]。在未来，温室气体的额外积聚预计将导致两个半球的AMs全年正向变化。在SH上空，这种积极的趋势与SH[26]上空平流层臭氧的预期恢复相反。模式模拟确实表明，臭氧恢复具有季节性效应，在夏季主导并逆转AM正向趋势[24,89]。
7.突出问题与结论
总之，有相当多的科学证据表明，在过去几十年里，大气环流的关键要素一直在向极地移动。目前的理论和模式实验表明，与温室气体增加和平流层臭氧消耗有关的人类活动是造成这种趋势的最有可能的原因。然而，不能排除这种可能性自然气候变化raybet雷竞技最新也扮演着重要的角色，这些转变还有许多其他方面还没有被很好地理解。
造成这种赤字最显著的原因是缺乏气候质量的观测数据。raybet雷竞技最新为了准确地描述变化的性质、验证气候模型和证伪理论，需要这样的观测。raybet雷竞技最新然而，正如热带扩大研究的广泛结果所表明的那样，观察这一现象的不确定性很大。还需要更好的观测来探索趋势的区域和季节特征，并确定观测到的变化有多少是由于自然低频变化造成的。在不久的将来，当基于卫星的观测记录足够长，可用于气候研究时，其中一些问题有望得到解决。raybet雷竞技最新其中一个记录可能来自全球定位系统无线电掩星(GPS-RO)技术，该技术在监测热带向极边缘方面具有巨大潜力[90]。
在某种程度上，模型模拟可以弥补观测的不足。但是，与观察结果一样，在当前这一代模型中，结果的分布仍然大得令人不满意。尽管大多数模型都表明过去的热带扩张，但有些模型实际上模拟了一次收缩。这些差异可能与强迫的差异有关，但重要的系统模式之间的差异也可能是造成这种差异的原因。理解为什么不同的模型得出了不同的答案，并调和这些差异，将极大地有助于理解扩大的根本原因和机制，并导致对未来扩大的更可靠的模拟。
我们对环流变化的理论认识有了显著的提高。在这篇综述中提出了三种重要的机制，但仍不清楚哪一种是正确的。如果涉及到几种机制，则需要了解它们的相对作用。有一个强有力的迹象表明，与较低的平流层温度变化有关的热带外涡的结构变化是某些趋势背后的原因。然而，在温暖的气候中增加的水蒸气量也可能改变涡旋结构，从而导致环流变化。raybet雷竞技最新到目前为止，这个问题还没有得到充分的解决。一个相关的问题是，热带外环流和热带环流趋势是否有共同的原因，它们是否与类似的机制有关。
一般流通的变化对其他的影响是什么地球成分raybet雷竞技最新气候系统?到目前为止，大气环流的基本结构保持不变，位置变化幅度不大。但是，HC、急流和风暴轨迹位置的微小变化也会通过改变风暴强度、温度和降水模式而对区域气候产生重要影响[85,91]。raybet雷竞技最新尤其敏感的是降水正态分布具有较大空间梯度的地区，如亚热带干旱区(图4)。在那里，即使是很小的趋势也决定了总体降雨是过剩还是不足。例如，HC的扩大可能导致包括地中海、美国西南部、澳大利亚南部和非洲南部[23]在内的亚热带半干旱区的干燥条件，据推测这一过程已经在进行[91]。大气环流的变化也可能改变洋流。由于海洋是气候的重要调节器，这可能会引发复杂而意外的反馈，这些反馈要么放大了变化的原始raybet雷竞技最新原因，要么缩小了变化的原始原因。
考虑到大气环流对气候的重要作用，其结构的任何变化都是值得关注的。raybet雷竞技最新它可能导致全球气候系统的其他部分发生深刻变化，对自然生态系统和人类社会产生潜在的重要影响。raybet雷竞技最新
致谢
我很感谢陆健与我们就这个问题和其他问题进行了多次讨论。我感谢Paul Staten审阅了我的手稿并提供了有益的建议。我非常感谢国家科学基金会在ATM 0532280下的财政支持。
附录:缩略语列表
AM环形模式
ENSO厄尔尼诺南方涛动
GCM环流模式
HC哈德利细胞
政府间气候变化专门委员会IPCC-AR4第四次评估报告raybet雷竞技最新
ITCZ热带辐合带
北半球北半球
太平洋年代际振荡
南半球
海温
UTLS对流层上部/平流层下部
参考文献
1.K.E. Trenberth, D.P. Stepaniak, J.W. Hurrell, M. Fiorino, J. Clim. 14(2001) 1499。
2.E.哈雷，菲洛斯。交易16 (1686)
4.D.L.哈特曼，全球物理气候学，第56卷，国际地球物理丛刊，美国圣地亚哥出版社，1994年。
5.雷希勒，J.O.路斯，J.克利姆，18(2005)619。
7.G.T.沃克，Mem。印度的流星。Dept. 24 (1924)
8.P.R.朱利安，R.M. Chervin, monwea。Rev. 106(1978) 1433。
9.K.E. Trenberth, G.W. bran定子，D. Karoly, A. Kumar, N.C. Lau, C. Ropelewski, J.地球物理学。海洋决议，103(1998)14291。
10.霍尔德，伍兹霍尔地球流体动力学项目，伍兹霍尔海洋研究所，伍兹霍尔，马萨诸塞州，2000年，54页。
11.G.K. Vallis，大气和海洋流体动力学:基础和大尺度环流，剑桥大学出版社，剑桥，2006年。
12.李珊珊，金港k, J. Atmos。科学通报60(2003)1490。
13.K.H.罗森洛夫，J.梅特罗尔。Soc。日本日文80(2002)831。
14.T. Reichler, I. Held，在AMS气候变率和变化会议上发表的论文，剑桥，马萨诸塞州，2005。raybet雷竞技最新
15.傅强，J. Wallace, T. Reichler，科学312(2006)1179。
16.R.D. Hudson, M.F. Andrade, M.B. Follette, ad . Frolov, Atmos。化学。物理学报6(2006)5183。
17.D.J.赛德尔，W.J.兰德尔，J.地球物理学。Res 112 (2007) doi:10.1029/2007JD008861。
18.IPCC，《raybet雷竞技最新2007年气候变化:自然科学基础，决策者摘要》。政府间气候变化专门委员会秘书处，世界气象组织，日内瓦，2raybet雷竞技最新007年。
19.傅志强，傅志强。气候研究，(2009)(已提交)。raybet雷竞技最新这篇论文仍在审核中，可能会在2009年(不是2008年)发表。
20.P.J.库什纳，I.M.赫尔德，T.L.德尔沃斯，J.克利姆。14(2001)2238。
21.D.J.洛伦兹，E.T.德韦弗，J.地球物理学家。第112(2007)号决议D10119。
22.陆杰，魏基，雷希勒，地球物理学。Res. 34 (2007) doi:10.1029/ 2006GL028443。
23.21. D.J. Seidel，付强，W.J. Randel, T. Reichler，美国地理科学1(2008)。
24.s.w. Son, L.M. Polvani, D.W. Waugh, H. Akiyoshi, R. Garcia, D. Kinnison, S. Pawson, E. Rozanov, T.G. Shepherd, K. Shibata，科学，320(2008)1486。
25.M.P. Baldwin, M. Dameris, T.G. Shepherd，科学316(2007)1576。
26.V. Eyring, D.W. Waugh, G.E. Bodeker, E. Cordero, H. Akiyoshi, J. Austin, S.R. Beagley, B. Boville, P. Braesicke, C. Brühl, N. Butchart, M.P. Chipperfield, M. Dameris, R. Deckert, M. Deushi, S.M. Frith, R.R. Garcia, A. Gettelman, M. Giorgetta, D.E. Kinnison, E. Mancini, E. Manzini, D.R. Marsh, S. Matthes, T. Nagashima, P.A. Newman, J.E. Nielsen, S. Pawson, G. Pitari, D.A. Plummer, E. Rozanov, M. Schraner, J.F. Scinocca, K. Semeniuk, T.G. Shepherd, K. Shibata, B. Steil, R. Stolarski, W. Tian，吉树，J.地球物理学家。Res. 112 (2007) doi:10.1029/2006JD008332。
27.李文华，李文华，李文华，8(1995)2181。
28.I.M. Held, B.J. Soden, J. Clim. 19(2006) 5686。
29.G.A. Vecchi等人，自然441(2006)。
30.张敏，宋宏，地球物理。Res. Lett. 33 (2006) doi:10.1029/ 2006GL025942。
31.韦琪，苏登，李志强，李志强。20(2007)433。
32.田中，石崎，田中，田中。
33.C. Deser, A.S.飞利浦，J.气候，(200raybet雷竞技最新9)出版。
34.C.M.米塔斯，A.克莱门特，地球物理学。Res. Lett. 33 (2006) doi:10.1029/ 2005GL024406。
35.C.米塔斯，A.克莱门特，地球物理学。Res. Lett. 32 (2005) doi:10.1029/ 2004GL021765。
36.D.J.赛德尔，W.J.兰德尔，J.地球物理学。第111号雷竞技csgo决议(2006)doi:10.1029/2006JD007363。
37.吴方锋，刘国强，刘国强。第105 (D12)(2000) 15509号决议。
38.R.索森，B.D.桑特，梅特罗尔。Z. 12 (2003)
39.B.D. Santer, M.F. Wehner, T.M.L. Wigley, R. Sausen, G.A. Meehl, K.E. Taylor, C. Ammann, J. Arblaster, W.M. Washington, J.S. Boyle, W. Briiggemann，科学，301(2003)479。
40.I.M. Held, A.Y. Hou, J. Atmos。科学37(1980)515。
41.C.C. Walker, T. Schneider, J. Atmos。科学通报63(2006)3333。
42.施耐德，阿努。地球行星。科学通报34(2006)655。
43.陆杰，陈国强，傅瑞森，地球物理。Res. Lett. 34 (2007) doi:10.1029/ 2007GL03雷竞技csgo1115。
44.黑格(J. d . Haigh)，布莱克本(M. Blackburn)，戴(R. Day)，克利姆(J. Clim)， 18(2005) 3672。
45.G.P.威廉姆斯，J. Atmos。科学63(2006)1954。
46.J.奥斯汀，T. Reichler, J.地球物理学。第113 (2008)D00B10号决议。
47.IPCC，气raybet雷竞技最新候变化2007:自然科学基础，第一工作组对政府间气候变化专门委员会第四次评估报告的贡献。所罗门等人，Eds。，剑桥大学出版社，剑桥，马萨诸塞州，2007年。
48.WMO，《臭氧损耗的科学评估:2006》世界气象组织，日内瓦，瑞士，2007年。
49.V. Ramaswamy, M.D. Schwarzkopf, W.J. Randel, B.D. Santer, B.J. Soden, G.L. Stenchikov，科学，311(2006)1138。
50.G. Chen, I.M. Held，地球物理学。Res. 34 (2007) doi:10.1029/ 2007GL031200。
51.吕俊杰，陈国强，傅瑞森，气候研究，21(2008):583 - 583。raybet雷竞技最新
52.T.R. Karl, S.J. Hassol, C.D. Miller, W.L. Murray，低层大气温度趋势:理解和协调分歧的步骤，美国，气候变化科学计划和全球变化研究小组委员会。raybet雷竞技最新国家海洋和大气管理局，国家气候数据中心，阿什维尔，北卡罗来纳州，2006。
53.b·d·桑特、p·w·索恩、l·海姆伯格、k·e·泰勒、t·m·l·维格利、j·r·兰赞特、s·所罗门、m·弗里、p·j·格列克勒、p·d·琼斯、t·r·卡尔、S.A.·克莱恩、c·米尔斯、d·尼奇卡、
G.A.施密特，S.C.舍伍德和F.J.温兹，Int。j . Climatol。， (2008) doi:10.1002/ joc.1756。
54.徐k.m.， K.A. Emanuel, Mon. Wea。Rev. 117(1989) 1471。
55.R.J.艾伦，S.C.舍伍德，美国地理科学，1(2008)399。
56.M.N. Juckes, J. Atmos。科学57(2000)3050。
57.D.M.W.弗里森，地球物理学家。Res. Lett. 33 (2006) doi:10.1029/ 2006GL027504。
58.D.M.W. Frierson, J. Atmos。科学。， 65(2008) 1049。
59.胡勇，傅强，Atmos。化学。物理学报7(2007)5229。
60.刘国强，李特玛，M.J. Nath, J. Clim. 19(2006) 3607。
61.M. Hoerling A. Kumar，科学299(2003)691。
62.T.P. Barnett, D.W. Pierce, K.M. AchutaRao, P.J. Gleckler, B.D. Santer, J.M. Gregory和W.M. Washington，科学，309(2005)284。
63.戴泽，李志强，胡瑞尔，李志强。中国科学，17(2004)369。
64.张玉玉，霍建华，巴提斯提，克利姆。10(1997)1004。
65.W.A. Robinson，见:T. Schneider, A. Sobel(编)，A"mo球体的全球循环，普林斯顿大学出版社，帕萨迪纳，2007年。
66.R.西格，N.哈尼克，Y.库什内尔，W.罗宾逊，J.米勒，J.克利姆。16(2003)2960。
67.W.A.罗宾逊，地球物理学家。第29号(2002)1190号决议。
68.I.奥兰斯基，J. Atmos。科学通报(2005)1367。
69.尤拉耶娃，J. m.华莱士，J.克利姆。7(1994)1719。
70.马格努斯多蒂尔。J.克利姆。19(2006)6139。
71.陆杰，戴泽，雷希勒，地球物理学。卷。， 36， (2009) doi:10.1029/2008GL036076。
72.汤姆逊，J.M.华莱士，J.克利姆。13(2000)1000。
73.d.w.j Thompson, J.M. Wallace, G.C. Hegerl, J. Clim. 13(2000) 1018。
74.D.W.J.汤普森，S.所罗门，科学296(2002)895。
76.J.马歇尔等人，Int。《气候》21(2001)1863。
77.柯恒，李志强，李志强。18(2005)498。
78.王敏，地球物理学。Res. Lett. 32 (2005) doi:10.1029/ 2004GL021752。
79.J.W. Hurrell, Y. Kushnir, M. Visbeck，科学291(2001)603。
80.尹俊华，地球物理学。第32号决议(2005)L18701。
81.杨文华，李志强，李志强。中国社会科学。19(2006)2896。
82.N.P.吉列特，D.W.J.汤普森，科学302(2003)273。
83.N.P.吉列，M.R.艾伦，K.D.威廉姆斯，夸特。j·罗伊。Meteorol。Soc. 129(2003) 947。
84.M. Previdi, B.G. Liepert，地球物理学。Res. Lett. 34 (2007) doi:10.1029/ 2007GL031243。
85.L. Bengtsson, K.I. Hodges, E. Roeckner, J. Clim. 19(2006) 3518。
86.陈国强，吕俊杰，陈国强。气候，21(2008)5942。raybet雷竞技最新
87.M.P. Baldwin, T.J. Dunkerton, J. geophysics。Res. Atmos. 104(1999) 30937。
88.L.M.波尔瓦尼，P.J.库什纳，地球物理公司。卷。， 29 (2002) doi:10.129/2001GL014284。
89.J. Perlwitz, S. Pawson, R.L. Fogt, J. e . Nielsen, W.D. Neff，地球物理学。Res. Lett. 35 (2008) doi:10.1029/2008GL033317。
90.史丹顿，赖希勒，地球物理学。第113号决议(2008)doi:10.1029/ 2008JD009886。
91.R. Seager, M. Ting, I. Held, Y. Kushnir, J. Lu, G. Vecchi, H. P. Huang, N. Harnik, A. Leetmaa, N. C. Lau, C. Li, J. Velez和N. Naik，科学，316(2007)1181。
92.C.L. Archer, K. Caldeira，地球物理学。Res. Lett. 35 (2008) doi:10.1029/ 2008GL033614。
93.D.E. Parker, M. Gordon, D. Cullum, D. Sexton, C. Folland和N. Rayner，地球物理学。卷。， 24(1997) 1499。
继续阅读:热带和中纬度地区的天气模式变化是全球变化的一个指标
这篇文章有用吗?