引用本文
李晓峰. 环状模概念. 30(3): 367-384
Li Xiaofeng. Advances in Earth Science, 30(3): 367-384  
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环状模概念
李晓峰
中国科学院大气物理研究所大气科学和流体力学数值模拟国家重点实验室,北京,100029

作者简介：李晓峰（1979-）,男,湖北宜昌人,助理研究员,主要从环状模动力学、海气相互作用及气候变化的相关研究. E-mail: lixiaofeng@mail.iap.ac.cn

基金:国家自然科学基金项目“月内尺度北半球环状模对中国冬季环流异常的影响及机制”（编号：40905040）; 国家行业公益专项项目“南、北半球环状模对东亚季节降水的影响机理及预测模型研究”（编号：GYHY201306031）资助
摘要

“环状模”（Annular Mode）是大气遥相关领域一个新兴的气候学概念,目前已被广泛接受并应用。它表征热带外地区中纬度和高纬度间大气质量的“跷跷板”现象,为热带外地区最主要的大气变率,影响包括我国在内的中高纬度地区、甚至部分热带地区的近地层气候。它对整个北半球气候的影响之大,从根本上改变了气候学家对北极气候模型的理解,也被称为“北极厄尔尼诺”。可见,“环状模”概念的提出具有重要的科学意义。

然而，“环状模”这一气候学概念的提出和推广过程并不平顺。多派学者曾围绕这一新兴概念，展开过近年来气候学领域内少有、激烈和精彩的辩论。而这场辩论是“环状模”概念提出和发展过程中的重要一环，它最终促使更多的学者了解并接受了“环状模”这一新兴的气候学概念。这场辩论的焦点主要围绕“‘环状模’是否真实存在”、“‘环状模’信号是否源自于平流层” 和“‘北半球环状模’与‘北大西洋涛动’究竟谁更适合于代表北半球热带外行星尺度扰动最主要的模态”等3个问题。辩论的具体过程，不仅展示了相关的学者们高超的研究水平和技巧，还折射出他们对真理不懈追求的科学精神；而辩论的最终结果，不但增强了人们对“环状模”概念的理解，还催生了人们对大气环流基本活动规律认识的突破。厘清这场辩论的主要思路和观点，不仅可以增强我们对“环状模”概念以及基本大气环流过程的理解，而且对分析和解决其他类似的科学问题同样具有重要的启示性作用。因此，力图通过综述的方式，围绕“环状模”概念的由来和争论，与读者一起回顾 “环状模”这一重要气候学概念的提出和推广过程。

关键词: 大气科学; 大气遥相关; 环状模; 北大西洋涛动; 争论
中图分类号:P46 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2015)03-0367-18
Li Xiaofeng
State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029,China
Abstract

Annular Mode is a newly-developed concept in atmospheric teleconnection, which is accepted and implemented widely by the climate community. Annular Mode is a “mass seesaw” between the middle and high latitudes, representing the primary atmospheric variability in extra-tropics, impacting the climate of near surface on both the tropics and the extra-tropics, including the East Asia and China. It is also called as the “The North’s ‘El Niño’”. Therefore, the Annular Mode is a very important concept in atmospheric science.

However, the introduction of the Annular Mode has elicited different reactions in different parts of the community. The arguments among them are not only exiting but also splendid, which are rarely happened in previous modern climate researches. These arguments or debates make the concept of Annular Mode well-known, which is an important step in popularizing the concept of Annular Mode. Three questions become the core topics of these debates, including “whether the Annular Mode is real or not?”, “Whether the signals of Annular Mode originate in stratospheric or not?”, “Whether the NAM paradigm or NAO paradigm is a better representation of the preferred mode of planetary-scale fluctuations in extra-tropics of Northern Hemisphere?” The processes of the debates on the Annular Mode are not only a resemblance of high levels and skills of research of relevant scientists, but also a resemblance of their spirits of seeking the truth. Review and clarification of the primary ideas and points of these debates are important, which would not only augment the existing knowledge for better understanding the general circulation, but also gave us some important enlightenment in the handling of similar questions. Thus, this review summarizes the introduction to the processes of Annular Mode, paying specially attention to the primary ideas and points about the debates on the Annular Modes.

Keyword: Atmospheric Science; Teleconnection; Annular Mode; NAO; Debate
1 引言

“ 环状模” （Annular Mode）是一个近十余年来新兴的气候学概念[1~3], 它是指存在于中高纬度大气环流中沿纬圈对称、具有半球尺度和准正压结构的、深厚的、高纬度与中纬度地区之间海平面气压（Sea Level Pressure, SLP）反相变化的大气遥相关现象, 在南、北2个半球均存在, 为所在半球热带外地区的主导性大气变率, 实质上代表了各自半球中纬度与高纬度地区之间一种大气质量“ 跷跷板” 现象（图1）。环状模属于大气内部变率[4, 5], 是可以在没有外强迫条件下自然生成的波流相互作用低频现象[4], 其本征时间尺度为10天左右[6~8], 具有明显的季节内、年际、年代际和多年代际等长时间尺度变化特征。环状模概念[1~3]的发现和提出被认为[2]是当今大气遥相关领域内继“ 三大涛动” [9~11]之后的又一重要发现。而“ 三大涛动” 则被认为[12]是20世纪气候理论研究十大成就之首, 分别指“ 北大西洋涛动” （Northern Atlantic Oscillation, NAO）, “ 北太平洋涛动” （Northern Pacific Oscillation, NPO）和“ 南方涛动” （Southern Oscillation, SO）。可见, “ 环状模” 概念的提出具有重要的气候学意义。

事实上, “ 环状模” 与“ 三大涛动” 最大的区别在于：后者主要是定义在基于“ 大气活动中心” （Atmospheric Centers of Action, ACA）[13]之间关联的区域性遥相关现象, 而前者是则基于“ 大气环状活动带” （Annular Belts of Action, ABAs）[14]之间关联的行星尺度遥相关现象。其中, “ 大气活动中心” 概念[13]由来已久, 指大气活动具有相似变动性的状态在空间上以点为中心分布的特征; 而“ 大气环状模活动带” 概念[14]则推广了“ 大气活动中心” 概念, 指大气环流（特别是中高纬大气环流）中具有相似变动性的状态在空间上呈现出沿纬圈带状分布的特征。因此, “ 环状模” 现象明显有别于传统基于“ 大气活动中心” 概念的遥相关现象, 更加强调沿纬圈方向对称的空间特征、覆盖整个半球的空间尺度和影响范围以及中纬度活动带与极地地区2个整体之间的遥相关性。

南、北半球环状模被认为与厄尔尼诺— 南方涛动（ENSO）一起, 掌管了全球热带和热带外地区大气环流最主要的变率[15]。南、北半球环状模作为热带外大气环流最基本的模态, 为大气环流变化提供背景场, 直接影响包括我国气候[16~19, 20, 21~23]在内的整个中高纬度天气和气候变率[15, 24~26]。其中, 北半球环状模对所在半球天气和气候影响之大, 从根本上改变了气候学家对北极气候模型的理解, 从而也被称为“ 北极厄尔尼诺” [15]。由此可知, 环状模概念的提出和发展不仅具有重要的科学意义, 也具有重要的实践价值。

然而, “ 环状模” 这一概念[1~3]的提出和推广过程并不平顺, 它引起了气候学家之间激烈的争论。这场辩论在客观上起到了推广“ 环状模” 概念的作用, 是“ 环状模” 概念提出和推广过程中的重要一环。争论中, 持不同观点的各方科学家纷纷撰文、各抒己见。著名的Science杂志曾予多次报道[15, 24, 27]。辩论的焦点主要为“ ‘ 环状模’ 是否真实存” 、“ ‘ 环状模’ 信号是否源自于平流层” 和“ ‘ 环状模’ 与‘ 北大西洋涛动’ 究竟谁更适合于代表北半球热带外行星尺度扰动最主要的模态” 等3个问题。围绕上述3个问题分别展开辩论的最初起因、中间进程和最终结果也非常不同、各有特点。目前为止, 关于一些观点的争论已基本告一段落, 产生不少共同的看法, 推进了学科向前发展, 但也有一些观点至今仍未达成完全统一。辩论的过程和结果不仅增强了人们对环状模概念的理解, 而且催生了人们对大气环流基本活动规律认识的突破：在“ 大气活动中心” 概念[13]基础上发展出了“ 大气环状活动带” 的新概念[14]。特别值得一提的是, 我国科学家在相关问题的讨论中也做出了不少非常优秀的工作, 为相关问题认识的提高做出了贡献, 赢得了国际同行们的认可与尊重。总体来讲, 这些科学争论不仅体现出相关科学家们高水平的专业能力和科学素养, 也体现出他们不懈追求真理的科学精神。争论中的一些科研思路和观点对我们如何分析和解决相似地问题具有极大的启示性意义。重新审视这些具有辩论性质的研究工作, 不仅对我们深入理解“ 环状模” 现象及大气遥相关概念具有重大意义, 也对其他领域甚至学科的研究工作同样具有重要参考价值。因此, 本文围绕环状模概念争论的起因、争论的焦点、主要的论据、争论的推进过程以及辩论达成的初步结果等几个方面, 对过去的工作进行了总结和归纳, 以综述的形式再次呈现, 由此带领读者一起重温这场大气科学领域里引人瞩目的、刚刚告一段落但尚未完全平息的“ 环状模之争” , 了解“ 环状模” 这一重要气候学概念跌宕的提出和推广过程。

2 “ 环状模” 的提出及命名

我们现在所提到的“ 环状模” 概念, 实际上就是之前提出的“ 南极涛动” 和“ 北极涛动” 概念。北极涛动（Arctic Oscillation, AO）概念由美国学者Thompson等[1]通过正交经验分解（Empirical Orthogonal Functions, EOF）方法首先提出, 用于描述北半球冬季（11~4月）热带外气候变率的主要模态（图1a）, 主要活跃在北半球冬季（11~4月）; 而南极涛动（Antarctic Oscillation, AAO）概念则由我国学者龚道溢等[2]率先引入, 他们将南半球热中高纬度地区（20° S以南）的海平面气压（SLP）EOF第一模态命名为南极涛动（Antarctic Oscillation, AAO）, 用来描述南半球全年热带外气候最主要的变率（图1b）, 全年均较活跃。

Limpasuvan等[28]与Thompson等[3]在随后的工作中则采用“ 南、北半球环状模” 这一命名方式来替代“ 南极涛动” 和“ 北极涛动” 。他们文中采用的英文名称为 “ Annular Mode” , 翻译成汉语就是“ 环状模” 。英文“ Annular” 可表述为“ 环形的、环状的” , 用来强调这一现象的空间形态表现为沿纬圈对称、带状分布特征; 而“ Mode” 为“ 模态” 的意思, 可理解为表征环状模是采用EOF方法分解SLP距平场得到的动力模态（dynamical mode）, 这种动力模态可代表大气基本过程的特征或印记, 例如平均流的不稳定性过程、大尺度海气相互作用或气候平均流与瞬变扰动之间相互作用等, 它对气候变率的表征往往要好于单站数据和球谐函数拟合数据[29]。

采用“ 环状模” （Annular Mode）这个名称来代替“ 南极涛动” 和“ 北极涛动” 的原因, 归纳起来主要有以下3点：①“ 环状模” 更加能够强调这一现象在空间上沿纬圈对称、带状分布的形态[28, 30]; ②“ 环状模” 强调了南、北2个半球的相似性[30], 即“ 南极涛动” 和“ 北极涛动” 均是“ 环状模” 现象, 只是地理位置不同, 分别为“ 南半球环状模” （Southern Hemisphere Annular Mode, SAM）和“ 北半球环状模” （Northern Hemisphere Annular Mode, NAM）; ③在“ 季节内振荡” （Madden-Julian Oscillation或Intraseasonal Oscillation）等概念被提出和推广之后, 继续使用“ Oscillation” 一词命名, 易给人以“ Arctic Oscillation” 和“ Antarctic Oscillation” 为强韵律性振荡的混淆, 因为前者（季节内振荡）表示大气内部30~60或10~90天准周期性振荡现象、韵律性很强, 而后两者（南、北极涛动）时间演变含有较多红噪音[6, 8, 31]、韵律性相对偏弱; “ mode” 一词则较为中性和客观, 可以避免上述问题。基于这几个原因, 国际上有较多工作使用“ 南、北半球环状模” 这个名称来代替“ 南、北极涛动” [3, 4, 7, 14, 28, 30, 32, 33]。由此, “ 南、北半球环状模” 成为较推荐的提法。

需要指出的是, 上面2种提法— — “ 南、北半球环状模” 与“ 南、北极涛动” — — 并无对误之分, 挑选哪一种提法取决于个人理解、上下文逻辑关系和研究目标。

图1 通过EOF分解热带外SLP场得到的(a)北半球环状模和(b)南半球环状模空间形态示意图[1, 2]Figure 1 The schematic diagrams of (a) NAM and (b) SAM represented by the leading EOF mode of extra-topical SLP[1, 2]

3 “ 环状模” 的真实存在性

由于环状模最初是采用EOF这一数学方法分解得到, 因此带来一个问题[34]：环状模究竟是由数学方法产生的虚假模态（artificial mode）, 还是自然世界中真实存在的物理现象?

3.1 关于“ 环状模” 真实存在性的质疑

Deser [35]首先对“ 北极涛动” /“ 北半球环状模” (AO/NAM) 概念提出质疑, 发现从“ 大气活动中心” 观点出发无法理解AO/NAM的遥相关特性。她指出, 既然AO/NAM最关键的特征是具有沿纬圈方向对称的特点, 且极地与中纬度活动中心之间存在反位相变化的关系, 那么, AO/NAM的活动中心之间的遥相关特性能否采用“ 交叉点相关” 的方式印证呢?她计算了1947— 1997年冬季月份（11~4月, 总样本数为255个月）的AO/NAM的极地活动中心（Arctic）、大西洋中纬度活动中心（Atlantic）和太平洋中纬度活动中心（Pacific）附近SLP场之间的交叉点相关系数：

r(Arctic, Atlantic) = -0.64 (-0.56)

r(Arctic, Pacific) = -0.22 (-0.27)

r(Atlantic, Pacific) = 0. 10 (0.16)

其中, 相关系数超过0.09便可以通过重新估算了有效自由度的95%置信度检验; 括号内的相关系数根据季节内尺度SLP求得。她发现, 虽然AO/NAM的在大西洋和太平洋上的活动中心均和极地中心紧密关联, 但是太平洋与大西洋活动中心之间的相关却很低, 仅刚刚通过显著性检验。若分别考虑这些活动中心的年际和年代际分量的交叉相关, 或者采用逐月资料替代冬季平均资料, 甚至使用热带外大西洋和太平洋SLP 场的区域EOF第一模态的时间系数分别做相关分析等, 都可得到大致类似的结果。Deser认为上述结果表明, AO/NAM太平洋活动中心与大西洋活动中心之间的遥相关较弱。相类似地, Deser还指出南半球环状模AAO/SAM在外圈结构上相距较远距离格点上SLP间（如南太平洋与南大西洋）也存在遥相关性弱的问题, Fan [36]也发现类似的问题。因此, AO/NAM和AAO/SAM是否为真实存在的“ 遥相关型” （teleconnection pattern）也就有待商榷了。

紧接着, Ambaum等[37]提出, NAM概念是通过对北半球海平面气压场的EOF分解得到, 而EOF方法本身存在明显的缺陷：其特征向量是通过数学方法构造的, 它满足特征向量间的相互正交性以及保证整场方差最大化, 所以采用EOF方法得到的模态是必须满足数学规则的统计模态, 并不能保证一定是具有物理意义的气候模态。进一步地, Ambaum et al. [37]认为NAM/AO没有直接对应的物理实体, 还猜测NAM/AO可能仅仅是由于北大西洋和北太平洋地区中纬度（35° N）与高纬度（55° N）之间纬向风存在反相关关系, 而导致的（虚假）统计模态或协方差结构。Monahan 等[38]则使用自己新设计的非线性主分量分解方法（Nonlinear Principal Component Analysis）重新分解北半球热带外SLP场, 质疑AO/NAM作为统计动力模态的独立性。

更加严峻的挑战来自于Dommenget等[39]的工作。他们通过设计理想人造正交向量的办法来验证EOF模态的代表性, 并证明了采用EOF方法确实可以产生不同于资料场中预先设定的真实模态的虚假模态。这一结果表明, 如果没有对应着清晰的物理实体, EOF方法得到的动力模态就很可能是虚假的模态。同样地, Dommenget等[39]采用单点回归方式, 也无法从太平洋或大西洋中心回归出NAM/AO的3个完整活动中心（类似于Deser [35]的工作）, 这进一步加深了他们对NAM/AO真实性的怀疑。

可见, 人们对环状模是否为真实的物理模态这个问题是存在疑虑的。

3.2 “ 环状模” 真实存在性的证实

那么, 环状模真的是由EOF方法这个数学方法计算得到的人造模态吗?围绕这个问题学者们展开了更为深入地研究。

图2 A点SLP与全球SLP场的总相关（a）及偏相关（b）[40]图（a）偏相关场为去除SLP的PC2之后的残余SLP场与A点 SLP的相关场。等值 线间隔为0.2, 虚线代表负值Fig.2 The correlation (a) and partial (b) correlation map between the SLP in point A and global SLP[40]The partical correlation map in （a） panel is the crrelation after the removal of signals of PC2. Contours interval is 0.2, dash line denote the negative correlation

针对关于AO/NAM太平洋与大西洋上活动中心遥相关弱的争议[35, 37], Wallace等[40]撰写了题为“ The Pacific Center of Action of the Northern Hemisphere Annular Mode: Real or Artifact?” 的论文专门予以澄清。他们文中的主要论点是, AO/NAM并非是北太平洋上唯一能够引起SLP变化的气候系统, 而叠加于AO/NAM之上的北美遥相关型(Pacific/ North American teleconnection pattern, PNA)是导致太平洋和大西洋活动中心SLP之间“ 交叉点相关” 偏弱甚至出现负值的原因。采用偏相关的办法, 剔除PNA信号之后, 太平洋和大西洋活动中心之SLP之间的“ 交叉点相关” 就变得非常显著了（图2）, 即AO/NAM位于外圈的2个活动中心之间的“ 遥相关性” 在去除区域性干扰后, 就可以得到很好的恢复。而关于导致AAO/SAM的外圈远距离活动中心之间“ 交叉点相关” 弱的原因, 近期越来越多的工作也表明主要是由于受到中太平洋海温[41]及ENSO信号[36, 42, 41]的影响导致。Wallace等[40]还进一步指出, 环状模主要强调中纬度大部分格点与极地地区格点作为2个整体之间存在SLP场上存在反位相变化的关系, 而并非强调中纬度格点之间SLP的关系。换句话说, 就是Wallace等[40]认为环状模外圈上遥远距离格点或活动中心间的“ 交叉点相关” 偏低是主要由叠加在环状模信号之上的局地性干扰导致, 祛除区域信号之后, 各中心之间的遥相关特性可得以恢复; 而环状模并不是强调外环格点SLP之间的遥相关性, 而是强调的极地地区格点SLP与中纬度大部分格点SLP作为2个整体之间的遥相关性。可见, 采用环状模活动中心之间的“ 交叉点相关” 办法并不能否认环状模的真实存在性, 并且也没有正确的理解定义环状模概念的本意。

Christiansen[43]则采用更加严格的统计检验和统计方法论证了“ 环状模” 的真实性。Christiansen指出, 虽然Monahan等[38]采用新的非线性主分量分解方法得到的前2个EOF模态是相互依赖的, 但是非线性主分量分解得到的前3个模态中只有一个模态是统计显著的, 并且这个显著模态其实是Monahan等[38]提到的PNA的正位相。言下之意, Monahan等[38]的新方法并没有抓住北半球热带外的AO/NAM信号, 因而其得出的结论也就不可信了。另外, Christiansen [43]还发现, 采用旋转EOF方法可成功在500 hPa高度场中分离AO/NAM和PNA型, 说明AO/NAM和PNA型具有相互独立性, 印证了Wallace 等[40]关于北太平洋上PNA叠加于AO/NAM之上并影响北太平洋地区SLP的观点。最后, Christiansen [43]还认为, AO/NAM其实对应有物理实体, 这个物理实体与平流层和对流层的耦合过程相联系（后面还会提到, 平对流层耦合仅仅是环状模物理图像的一部分）。由此, Christiansen的研究结果反驳了Monahan等[38]及Ambaum等[37]的一些质疑, 支持了关于AO/NAM是具有物理基础的模态而并非是一个由数学方法导致的虚假模态的观点。

如上所述, 关于“ 环状模” 真实性的质疑的回应, 归纳起来有如下3点：①使用“ 交叉点相关” 方法难以检测到环状模外圈遥远距离格点SLP之间强 “ 遥相关” 性的原因是, “ 交叉点相关” 受到叠加于环状模信号之上的局地信号干扰, 去除局地干扰之后这种“ 遥相关” 性便可得到恢复; 并且状模概念的本意是强调大部分中纬度格点与极地格点SLP之间的遥相关性, 并非强调中纬度外环结构上格点之间的遥相关性。②采用非线性主分量这一新方法质疑环状模作为EOF模态的独立性的研究, 由于自身的不严谨性导致其结果不可信。③环状模作为EOF统计模态, 对应有真实的物理实体（如平对流层信号的耦合, 稍后读者会看到平对流层耦合仅是环状模物理图像的一个部分）, 从而不能得出环状模是虚假的人造模态的结论。

3.3 “ 环状模” 的物理图像及初步动力学机制

虽然Wallace等[40]和Christiansen [43]的工作部分地打消了部分关于环状模真实性的疑虑, 但是并不能完全消除环状模作为EOF模态所具有的固有缺陷, 即虽然环状模是满足EOF方法数学规则的统计模态, 但并不能保证其一定为有意义的物理模态。话句话说, 没有较为完整的给出环状模的物理图像, 就很难最终确认环状模的真实存在性。更加重要的是, 如Wallace 等[40]所指出的, 环状模强调的是大部分中纬度格点与极区格点SLP之间的遥相关性, 并非强调中纬度外环结构上格点之间的遥相关特性, 而采用“ 交叉点相关” 方法检测中纬度外环结构上格点之间的相关性显然不符合环状模定义的初衷, 这进而引发了更加深层次的思考：“ 交叉点相关” 的方式及其所依赖的前提假设“ 大气活动中心” 是否适合于用来检查和理解“ 环状模” 这类具有明显纬向对称特征的行星尺度大气遥相关现象?而这些疑问和思考, 直接导致了“ 大气环状活动带” 概念的提出。

图3 北半球中高纬大气环状活动带示意图[34]Fig.3 The schemetic diagram of the Annular Belts of Action in middle and high latitudes[34]

图中2个环状活动带之间的空白窄带为过渡带

The wihte place between the two Annular Belts of Action is the transition belt

很早以前, 人们便在使用海平面气压图时便建立了“ 大气活动中心” （Atmospheric Centres of Action, ACA）的概念[13], 用来表征大气活动具有相似变动性的状态在空间上以点为中心分布的特征。某些大气活动中心之间存在“ 遥相呼应” 的联系, 例如全球三大涛动[9, 10, 11]及5大对流层遥相关型[44, 11]。Bjerknes[45]将这种远距离的大气环流变化间的“ 遥相呼应” 的联系称为遥相关（Teleconnection）。随着资料量的累计, 在检测 “ 大气活动中心” 之间的遥相关现象中, “ 交叉点相关” 成为常用的办法[44]。可见, 早期的“ 遥相关” 现象多是基于2个或多个遥远“ 大气活动中心” 之间的关联, 并可用“ 交叉点相关” 方法检测。

然而, 采用“ 大气活动中心” 的概念来解释“ 环状模” 现象存在较大的局限性。如上节所述, 采用基于“ 大气活动中心” 概念的“ 交叉点相关” 方法检测单个格点之间的相关, 主要强调以点为中心的区域性大气环流之间的关联。这种检测方法容易受区域性扰动（如PNA）的影响, 从而限制了其反映2个行星尺度活动带之间的整体遥相关性的能力[35, 37, 40]。实际上, 大气活动具有相似变动性的状态在空间上不仅可以点为中心分布（即大气活动中心）, 还可以沿纬圈呈现为带状分布特征, 即气象要素虽然具有随纬度和经度都变化, 但它们一般沿纬圈方向比南北方向上更为均匀, 作为一级近似, 可以提取要素场相对于旋转轴的纬向对称分布, 这与地球自转方向及日平均的入射太阳辐射分布相一致。例如, 早期的麻省理工学院及后来的Namias [46]在定义“ 指数循环” （Zonal Index Cycle）时考虑的就是大气运动的一级近似部分, 即大气纬向对称分量; 同样地, Starr等[47]在1954年设计大气环流空间分解方案时, 也将空间运动分解为纬向对称部分和纬向偏差部分等。Wallace [29]和Thompson 等[30]也认为, “ 环状模” 概念的提出正是对基于大气纬向对称分量间关联的“ 指数循环” 概念的再呈现（The Reemergence of the Zonal Index Paradigm）。综合上述情况, Li等[14]将大气活动中这种大气环流中具有相似变动性的状态在空间上呈现出沿纬圈带状分布的特征, 归纳为“ 大气环状活动带” （Annular Belts of Action, ABAs）, 用来解释 “ 环状模” 现象, 即中纬度和高纬度“ 大气环状活动带” 之间在SLP场上海存在的反位相变化就是环状模（图3）。可见, “ 大气环状模活动带” 是对“ 大气活动中心” 概念的发展, 是人们对大气环流基本运动规律的总结和扩展。

图4 北半球冬季平均SLP异常场与环状模指数的相关图(a) NAMI[14]和 (b) AO/NAM 指数[1]; 等值线间隔为0.1, 红（蓝）阴影指示通过99.9%置信度检验Figure 4. The correlation maps between the winter mean SLP anomalies and NAM indexes(a) is NAMI[14] and (b) is AO/NAM index [1]; The contour interval is 0.1, areas with significant trends at the 0.01 level are shaded in color (red/blue)

类似于采用“ 逐点交叉相关” 方法检验“ 大气活动中心” 之间的遥相关性, Li等[14]采用纬向平均大气变量（如SLP）之间的“ 交叉相关” 方法检验了北半球“ 大气环状活动带” SLP之间的遥相关性。他们发现中纬度与高纬度间的“ 大气环状活动带” 呈现反向变化, 最大负相关中心分别位于35° N和65° N, 相关系数可达到0.6以上; 而利用这2个纬度上的标准化纬向平均SLP之差构造出一个新的北极涛动/环状模指数, 该指数能够很好的反应包括北太平洋中心在内的AO/NAM所有3个活动中心的空间特征（图4）, 并且与Thompson 等[1, 3]采用EOF方法定义的环状模指数之间的相关系数最高可达0.91。相类似地, “ 大气环状活动带” 在南半球也存在, 采用中心位于中纬度和高纬度2个大气环状活动带SLP之差也可以构造指数, 很好的描述南半球环状模[2, 17]。可见, 环状模现象可以理解为基于“ 大气环状活动带” 之间关联的遥相关现象, 其极地与中纬度活动中心之间的遥相关性可以采用“ 大气环状活动带” 平均SLP之间的“ 交叉相关” 检测得到; 这同时也说明, 不采用EOF方法, 也能够寻找并定义出环状模现象, 这从根本上避免了关于环状模可能是由于EOF方法本身缺陷而导致的虚假统计模态的质疑[34]。

图5 环状模正位相时概念示意图(a)为AO/NAM [14], (b)为AAO/SAM[48]Fig. 5 The schemetic diagrams of the postive phases( a) AO/NAM [14]and AAO/SAM[48]

随后, 更加清晰和完整的环状模环状模物理图像(图5)被逐步给出[14, 49] 。由于SLP变化可表示海平面以上整层大气气柱总质量变化, 因此定义在SLP场上的环状模现象实质上代表了中纬度和高纬度“ 大气环状活动带” 上空整层大气质量之间的行星尺度“ 跷跷板” 变化[1~3, 14]; 这一行星尺度的大气质量“ 跷跷板” 的南北两端, 在纬向平均环流中正好由一个异常的费雷尔（Ferrel）环流的上升支和下沉支连接, 即一个增强的环状模在中纬度对应费雷尔（Ferrel）环流的异常下沉支, 而在高纬度对应Ferrel环流异常上升支[3, 14], 这意味着异常的Ferrel环流所代表的大气质量整层输送在环状模活动过程中起着关键性作用[14]; 进一步地, 由于Ferrel环流变化被证实超前于AO/NAM位相变化1~2天[49], 说明Ferrel环流在纬向平均环流中所代表的大气整层质量南北输送驱动了AO/NAM所代表的中高纬度间大气质量整层变化[49]; 而南北大气质量及气压的变化, 在中纬度对应着西风带的变化, 一个增强的环状模对应着中纬度地区增强的西风, 反之对应减弱的西风[1~3], 这与“ 指数循环” 十分类似[29, 14]; 此外, 环状模变化还对应着副热带急流变化、极夜急流的变化、Hadley环流上升支变化以及极地环流变化[3, 14, 49] ; 最后, 环状模还与平流层极涡活动存在明显的耦合关系, 平流层中层极涡变化可表征平流层环状模信号的变化, 各自半球的平流层环状模或极涡信号在北半球冬季（12~2月）和南半球春季（11, 12月）明显地超前于对流层环状模变化, 呈现为明显地环状模信号下传特征[50, 51, 52, 53, 54, 55]。

相应地, 环状模动力学机制的初步研究结果也支持了环状模的真实存在性。目前这方面的研究工作仍在进行中, 关于究竟是什么过程主导了环状模的振幅、经向尺度及纬向结构等, 尚无统一的认识[30]。但是, 比较一致的认识是环状模活动需要涡动驱动的动量传输[30]。考虑β 平面下准地转纬向平均动量方程[56, 30]：

ddtu=ddyu'v'+f0v+friction

其中u和v分别表示纬向和经向风, f为柯氏参数, “ [u]” 表示纬向平均, “ u'” 表示纬向偏差。上面方程式左端项可表示与环状模相联系的纬向平均气流的变化, 右端第一项代表纬向平均动量幅合幅散, 右端第二项代表经向风分量引起的柯氏力, 右端第三项为边界层摩擦力。若垂直积分上面式子, 柯氏力项接近零[30]。因此, 若忽略表层的摩擦, 垂直积分的热带外纬向平均风只要通过涡动动量的幅合与幅散来驱动[30]。例如, Limpasuvan等[4]就认为环状模属于大气内部变率, 与环状模相关的纬向对称的平均气流不需要外来驱动即可自维持, 这种自维持所需的能量主要来自于对流层内部的涡动通量输送, SAM/AAO主要受到高频瞬变涡动通量驱动, 而NAM/AO同时受到低频定常波和高频瞬变波驱动; Luo等[57, 58]则提出平均流在环状模生成过程中也有较为明显的作用; 等等。因此, 环状模对应有较为明确的物理图像和动力学过程, 这进一步印证了环状模的真实存在性。

由上所述, “ 大气环状活动带” 概念的提出及采用非EOF方法定义的环状模指数的出现进一步打消关于“ 环状模” 真实存在性的质疑。归纳起来有2点：①不采用EOF方法, 而采用高低纬度间纬向平均SLP之差这样简单定义的指数也能描述环状模现象, 这彻底避免了因为EOF方法本身缺陷而引起的质疑; ②较为完整的环状模物理图像和初步动力学机制的给出, 进一步证实了环状模对应有清晰的物理实体, 不是虚假的统计模态。

此后, 学者们逐渐接受了环状模的真实存在性, 转而将更多的精力放在与环状模相关的其它方面研究上, 如环状模的动力学机制[4, 28, 57~65]、气候学影响[16, 17, 23, 25, 33, 66~98]、中长期变率[7, 78, 99~103]以及数值模拟[4, 26, 104~107]等。

4 “ 环状模” 信号是否源于平流层

环状模概念提出之后, 推进了另外一个重要的气候学发现：环状模信号可由平流层向下传递到对流层低层, 并且平流层信号可作为新的预测因子来预测近地层短期气候变化。然而, 在研究过程中, 由于过于强调环状模的平流层信号下传过程, 也曾一度引发了关于“ 环状模信号究竟是否源于平流层” 的短暂争论。

环状模信号可由平流层下层下传到对流层下层的现象, 最先由Baldwin 等[50, 51]提出。胡永云[108]、孙兰涛等[109]和张恒德等[110]在各自综述中都已进行过详细总结。具体来讲, Baldwin等[50, 51]发现环状模信号不只存在于对流层, 也存在于平流层中和下层; 平流层中层的AO/NAM信号就代表了极涡（Polar vortex）的强弱; 虽然, 平— 对流层之间的环状模存在一定的独立性（有时出现相反变化）, 但当紧贴于对流层顶之上的平流层（约50 km）环状模信号较强（即超过某一阈值的极大或者极小值）时, 通常可以引起对流层环状模信号的随之改变, 且对流层环状模信号响应平流层信号的时间尺度大约为几周, 而这种响应信号到达近地层之后可持续约2个月左右[50~52, 111], 这就是所谓的环状模平流层信号突破对流层顶向下传递的现象（图6）。

图6 1998— 1999年北半球环状模逐日指数高度-时间剖面图[74]蓝色表示正值（强极涡）, 红色表示负值（极涡偏弱）。等值线间隔0.5, 绝对值小于0.5以下的等值线没有画出; 水平细实线表示平流层与对流层之间的大致位置Figure 6. TheTime-height development of the northern annular mode during the winter of 1998— 1999Blue corresponds to positive values (strong polar vortex), and red corresponds to negative values (weak polar vortex). The contour interval is 0.5, with values between 20.5 and 0.5 unshaded. The thin horizontal line indicates the approximate boundary between the troposphere and the stratosphere

这一平流层环状模信号下传现象的发现直接开启了将平流层环状模信号作为对流层环状模信号预测因子的研究[108]。Baldwin等[52]采用e折时间尺度的方法（“ e-folding-time” , 即超前滞后自相关系数衰减到 1/e的时间）研究发现, 北半球环状模的平流层信号时间尺度比对流层信号平均高出大约2倍以上, 而南半球环状模则可高出大约4倍以上, 说明平流层大气环流活动过程相对于对流层过程而言是一个慢变过程, 这也意味着平流层环状模信号“ 记忆性” 更强并可作为对流层环状模信号的预测因子。紧接着, 他们构造了一个简单的线性回归预测模型, 以当前t时刻平流层下层（150 hPa）的AO/NAM指数(N(t)), 预测10天后的月平均（30天平均）对流层下层（1 000 hPa）的AO/NAM指数（ A̅t+L）, 具体形式写为：

A̅t+L=β0+β1Nt+ε,

其中 L=10+302=25, Nt代表当前t时刻150 hPa的AO/NAM指数, A̅t+L代表以 t+L时刻为中心的月平均AO/NAM指数（即10天后定义在1 000 hPa位势高度场上的月平均环状模指数, 月平均起止时间为 t+L-15到 t+L+15）, β0和 β1为回归系数, ε为残差。预测的结果发现, 平流层AO/NAM信号对月平均对流层AO/NAM信号的预测技巧, 竟然要明显高于对流层环状模信号对自己的预测或记忆, 这证明了平流层环状模信号是继海温等已知因子之外的、新的“ 延伸期” （10天以上时间尺度）大气环流变化预测因子。上述工作对提高短期气候预测具有重要意义[53], 也成为促使随后CMIP大气环流和数值预报模式增加平流层垂直分辨率的重要原因之一。

那么, 上述关于环状模信号下传研究中环状模信号先出现在平流层出的事实是否意味着环状模的信号是源自于平流层呢?或者说, 这种首先出现的平流层环状模信号是否独立于后出现的对流层环状模信号?以上疑问由Polvani等[112]首先提出, 他们指出Baldwin等[51]和Thompson等[111]的研究中所强调的平流层AO/NAM极值（extreme stratospheric）最先出现在大约50 km的平流层, 但没有超前的或着同时的AO/NAM信号出现在对流层, 这一现象给人一种错觉, 让人误以为这种平流层的极值事件是源自于平流层中上层的。实际上, 这种“ 错觉” 也确实存在于一些研究工作中, 例如Ambaum等[37]就误认为Bald等 [50]的关于平对流层环流耦合的工作表明“ 独立的平流层变化（independent changes of stratospheric circulation）可以强迫出对流层的NAO或者AO响应” 。

进一步地, Polvani 等 [112]的研究发现, 100 hPa（对流层顶附近）出现强（弱）涡动热量输送变化总是超前于极涡变强（弱）, 这证明了平流层极值事件活动的源区仍然位于对流层, 而不是位于平流层; 同时, 他们还发现100 hPa涡动热量输送（40天平均）与10 hPa（平流层中层）AO/NAM信号的相关高达-0.8, 结合Baldwin等[50, 51]关于平流层AO/NAM信号下传到对流层、并可在近地层持续2个月的研究结果, 说明对流层的天气气候变化不只是可以追朔到平流层, 而是可以最终追朔到对流层本身的。Li等[31]的研究也表明, 在AO/NAM的逐日活动背景下, 可以检测到一组明显的存在于较短的NAM本征时间尺度上的平对流层耦合过程（a two-way stratosphere-troposphere coupling）：极地对流层纬向风场异常突破对流层顶上传到平流层中下层, 激发极涡变化, 引起位势高度场的自平流层到对流层低层的下传, 这进一步证实了环状模的信号确实并非源于平流层, 而是可以追溯到对流层的。

此外, Cai等[113]和李晓峰等[114, 115]还分别从极涡变化和NAM本征时间尺度变化2个视角展开研究, 结果发现除了明显较长时间尺度上的下传和较短时间尺度上的上传特征之外, NAM信号在平流层具有自热带向极地地区传播特征, 而在对流层则为自极区向热带传播特征; 同样, SAM也具有相类似的水平传播特征[114]。这表明环状模对应的信号传播具有较为复杂的路径和特征, 极区平流层环状模信号在垂直方向上不仅可以追朔到对流层, 在水平方向上还可以追朔到中低纬度地区。

针对Polvani等[112]（投稿于2003年6月）质疑, Baldwin等[53]（接收于2003年7月）很快予以回应。Baldwin等 [53]在论文中承认并澄清了环状模的信号并非源自于平流层这个事实, 认为平流层的AO/NAM变化主要是由于源自于对流层的行星波上传导致, 并且还以注释的形式特别标明“ 下传并不意味着低层的异常源自于上层” （Downward phase propagation does not in itself imply that anomalies at lower levels originate at upper levels）。可见, 双方意见已经很快达成一致。

因此, 关于环状模信号是否源于平流层的问题, 以双方达成一致意见而结束。

5 “ 环状模模型” 与“ 北大西洋涛动模型” 之争

关于环状模概念的大讨论中, 最激烈和精彩的当属“ 环状模模型” （NAM paradigm）与“ 北大西洋涛动模型” （NAO paradigm）之间的辩论。这场争论实质上起源于北半球环状模概念与NAO存在较大相似度和较小的区别性：Thompson等[1, 3]所提出的北半球环状模NAM和北大西洋涛动NAO时间序列变化接近, NAO和NAM在1900— 1954年的11~4月的逐月时间序列之间的相关系数到达0.69, 两者空间型也在北大西洋地区几乎重合; 而两者较为明显的区别仅在于他们的空间型在北太平洋的明显不同, 即NAO在北太平洋中纬度地区无活动中心, 而NAM有。关于如何看待NAM和NAO之间存在的较大的相似度和较小的区别性, 则产生出了2种截然不同的看法。Kerr [24]在报道中这样描述道：Wallace等提出NAM是北半球最重要的变率, 而NAO是NAM的在北太平洋区域性表现; 而另外一部分人则反对, 认为NAM实际上只是NAO的一些效应而已, NAM的特征可以用NAO概念来解释, 并且NAM不一定是真实的物理模态。可见, 本文第3节已经归纳的关于“ NAM是否真实存在” 的争论实际上是“ NAO模型和NAM模型之争” 的一个分支; 而 “ NAM是否为北半球热带外最主要的模态, 以及NAO是否为NAM的区域性表现” 则是“ NAO模型和NAM模型之争” 的另一个重要问题, 本节将着重讨论。

Deser [35]在质疑AO/NAM概念时, 最主要的观点是认为NAO与NAM不可区分, 因为她的计算表明AO/NAM和NAO逐月变化之间的相关系数可达0.95（1947— 1997年, 11~4月）。而她[35]对NAM作为遥相关型的真实存在性的怀疑（NAM外环上的北大西洋和北太平洋中心之间的弱相关甚至负相关）, 则进一步强化了她关于NAO与NAM不可区分的观点。正如Kerr [24] 在SCIENCE杂志上所报道的：Hurell等也认为“ AO/NAM很大程度上与NAO是一回事” , 而NAM可能只是NAO的一些效应而已。Rogers等[116]后来采用旋转EOF方法分析也认为AO/NAM和NAO在冬季不能区分, 仅在非冬季的其它季节可以区分, 部分支持了Deser [35]的观点。

表1 各种NAO指数及环状模指数之间的交叉相关系数矩阵[25] Table 1 Matrix of correlations between various indexes of the NAO [25]

针对上述情况, Wallace [29]以“ Northern Atlantic Oscillation/Annular mode: Two paradigms - one phenomenon” 为题单独撰文, 专门阐述了NAM与NAO 这2个概念的历史由来和两者之间的联系。他在文中指出, 随着NAM概念的提出, 究竟谁（NAM还是NAO）才是北半球热带外最重要的动力模态遭遇了身份危机：一部分人欢呼, 认为NAM的发现胜过了作为描述区域性大气/海洋变率的NAO; 而另外一部分人相信, NAO模型（NAO paradigm）能够轻松的用来涵盖NAM。接下来, Wallace [29]通过回顾NAO的研究历史, 发现原来Walker等[10]早年定义NAO的本意是假设它能够反映行星尺度波动的最主要模态（a preferred mode of planetary-scale fluctuation）, 这实际上和现在定义的NAM概念是一致的。Wallace [29]认为, 由于20世纪20~30年代稀疏的站点资料观测的限制, 使得Walker等[10]在采用有限站点资料（北美和欧洲）并经过仔细确定权重后定义的NAO指数去“ 猜测” （guess）这一模态时（行星尺度波动的最主要模态）, 得到的空间型不能反映北太平洋上的活动中心, 仅局限于北大西洋地区; 而在资料日渐丰富的现代, 当人们可以采用更加更加丰富的格点资料和更加客观的EOF方法提出这一模态时, 却又受制于当年Walker等[10]早年定义的站点NAO指数主要反映北大西洋地区变率的束缚, 强制将EOF分析的区域缩小在北大西洋地区, 得到现代意义上的NAO。同时, Wallace [29]还认为, 19世纪40年代麻省理工学院提出的“ 指数循环” （zonal-index cycle）, 实际上反应的也是北半球行星尺度波动的最主要模态, 即“ 指数循环” 与NAO的原始定义以及现在的NAM概念三者之间具有相同的物理实质（表1）。此外, Wallace [29]还相信, 如果Walker在当时能够获得像现在一样丰富的全球SLP资料, 那么Walker会认识到整个北极地区变率（包含北大西洋和北太平洋两侧）都显著的包括在他所谓的“ NAO” 模态中, 并且Walker也会在南半球发现SAM现象, 并认识到SAM与他所谓的“ NAO” 的相似性。因此, Wallace[29]认为NAO的原始定义与现在定义的NAM是用来描述同一个物理现象的两种不同的模型（paradigm）。最后, Wallace [29]还并召学者们展开更加深入的讨论, 来抉择“ 究竟是采用NAM模型还是采用NAO模型, 更加适合于描述北半球热带外行星尺度波动的最主要模态” 。

总而言之, 由于NAM和NAO存在较高相似度和较小的区别性, 引发了争论, 而Wallace [29]通过回顾NAO的研究历史, 发现NAO在20~30年代最初的定义居然和NAM概念的定义非常类似, 却和现在广泛接受的NAO定义有所不同。因此, Wallace [29]认为NAO的原始定义与现在定义的NAM是用来描述同一个物理现象的2种不同的模型（paradigm）。而Wallace文末关于在“ NAM模型” 和“ NAO模型” 之间进行抉择的号召, 意在推动采用他所提的NAM概念去涵盖现在的NAO概念, 即“ NAO是NAM的区域性表现” , 促使2个概念达成最终的统一。而Wallace的这一个号召也直接推动了NAM与NAO 这2种观点之间的辩论。

作为对Wallace号召的响应, Ambaum等[37]以“ Arctic Oscillation or North Atlantic Oscillation?” 为题撰文, 陈述自己的观点、加入了这场讨论。Ambaum等的观点与Thompson 等[1, 3]不同：他们认为NAO模型更加适合于描述北半球变率, 因为NAO模型比AO/NAM模型具有清晰的物理意义和更强的环流信号。他们的主要论据及观点为: ①NAO可以反应其两个活动中心间的相关关系, 而AO/NAM 不能（如前所述, AO/NAM的太平洋和大西洋中心之间点相关不高）; ②如果AO/NAM是一个强的动力模态, 它应当在所有大气变量场EOF中都存在, 但情况并非如此, 例如从850 hPa的流函数场的EOF分解来看, 前2个模态分别是PNA和NAO, 均不是AO/NAM; ③区域EOF分析表明, 大西洋— 欧亚大陆区域SLP第一模态是NAO, 而太平洋-北美区域SLP第一模态是PNA; ④AO/NAM在北大西洋上对应的西风带与北太平洋不在同一纬度, 不像是对一个统一的驱动做出的响应, 同时, 强AO/NAM对应北大西洋上空极夜急流（polar jet）增强, 而北太平洋上极夜急流减弱; ⑤太平洋上的极夜急流与PNA显著关联, 并且其扰动在热带和极地的位相相反, 250 hPa上纬向风变化呈现NAO型; ⑥NAO正位相, 北大西洋的副热带急流和极夜急流非常强, 且是分开的, 同时极夜急流与平流层极涡活动密切关联; ⑦PNA正位相时, 在北大西洋地区, 副热带急流和极夜急流仍然是分开的, 但是平流层极涡却没有相应变化, 而在太平洋地区, 副热带急流较PNA位相偏弱, 但其偏极地一侧有更强也更均匀的西风, 这些西风与平流层强的极涡环流相联系。最后, Ambaum et al. [37]还提出, 与其说是从NAO和AO/NAM之间选哪一个代表北半球热带外最主要变率问题, 倒不如说从NAO-PNA和NAO两者间做出作出选择更加恰当。

从Ambaum 等[37]的观点来看, 由于PNA在北太平洋地区的活跃导致了NAM在该区域信号的并非最主要变率, 以及NAO信号在北大西洋地区的主导性地位, 这2点引起了他们[37]针对NAM观点的一系列怀疑。而Ambaum 等[37]关于 “ 抉择NAO-PNA和NAO” 还是“ 抉择NAO和NAM” 的反问, 则将NAM与NAO之间的争论推向了高潮。

作为对Ambaum 等[37]以及更早的Deser [35]观点的回应, Wallace 等[40]以“ The pacific Center of Action of the Norhthern Hemisphere Annular Mode: Real or Atifact?” 为题撰文, 予以澄清。Wallace等[40]注意到, 导致Ambaum等[37]和Deser [35]持反对NAM观点的最主要论据归结起来其实是2点：“ AO/NAM的太平洋和大西洋中心之间点相关不高” , “ PNA在北太平洋是最主要变率而非NAM” 。而这2个问题在Wallace 等[40]看来, 实际上是一个问题的2个不同方面。首先, Wallace 等[40]证实将500 hPa位势高度场投影到SLP的EOF2模态（SLP的EOF1是NAM）时间序列上, 得到的空间型就是PNA型。由此, 他们认为SLP的EOF2模态就是PNA在SLP场的反映, 并与作为SLP的EOF1模态的NAM同时存在与SLP场中, 但相互正交; Christiansen [43]也从500 hPa资料场中印证了PNA和AO/NAM之间的独立性。进一步地, Wallace 等[40]还认为NAM的北大西洋与北太平洋活动中心之间的弱相关的原因, 是因为NAM在太平洋不是唯一能够引起SLP变化的遥相关型, 即 PNA的信号的干扰正是导致“ AO/NAM的太平洋和大西洋中心之间点相关不高” 的原因, 去掉PNA信号, AO/NAM的太平洋和大西洋2个中心之间的联系就变强了。最后, Wallace等[40]还承认Ambaum等[37]的所提的“ NAO-PNA” 观点也是反映北半球大气环流变率的正确观点, 只是“ NAO-PNA” 所强调的是不同海区（或洋盆）内部的风暴轴与背景流之间的关系（即NAO为大西洋地区最主要模态, 而PNA为太平洋地区最主要模态）; 但是, Wallace 等 [40]同时也强调, NAM观点[1, 3]强调的是半球尺度环流中纬向对称分量的角色, 揭示的是位势高度场中大西洋和太平洋之间的跨洋盆联系, 这与Ambaum等[37]的“ NAO-PNA” 观点明显不同。

2003年, NAM和NAO作为2种相近的观点同时出版在题为“ The North Atlantic Oscillation-Climatic Significance and Environmental Importance” 的书中, 由Hurrell等[117]和Thompson等[30]分别撰稿陈述。另外, 在美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 下属的国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction, NCEP）的官方网站上, 也将AO（NAM）和NAO作为2个相近的遥相关型分别列出和介绍, 并沿用至今。而另一些学者在工作中则采取同时引用两者的方式, 即“ NAO/AO” 或“ NAO/NAM” 等, 例如麻省理工学院的Cohen 和 Barlow [118]等, 这实际上也是对Wallace [29]提法的沿用。这表明, 相关学者和机构一方面已逐渐接受了环状模这一新兴的气候学概念, 但另一方面也对NAM和NAO之间的争论难以决断, 于是采用同时包容两种不同观点的方式来求同存异。

可见, 关于NAM和NAO之间的辩论还未达成统一认识。目前, 相关学者和机构在科学研究及业务工作中, 也难以抉择究竟是偏向NAM观点还是偏向于NAO观点。这只能根据研究者和业务人员的研究任务及工作目标来确定。这同时也说明, 虽然关于NAM和NAO的争论仍旧没有达成统一观点, 但并没有影响到环状模这一新兴的气候学概念在科学研究和业务工作中的推广和应用。

6 结语

本文主要总结和归纳了AO/NAM和AAO/SAM观点的提出过程及其所经历的主要争论。这些争论主要围绕3个问题展开, 包括“ 环状模是否真实存在的物理模态” , “ 环状模信号是否源于平流层” , “ 北半球环状模和北大西洋涛动究竟谁更适合于代表北半球热带外行星尺度扰动最主要的模态” 。关于这3个问题争论及主要结果总结如下：

（1）关于“ 环状模是否真实存在的物理模态” 的问题, 质疑者主要因为环状模太平活动中心与大西洋活动中心之间相关较弱而怀疑环状模作为大气遥相关型的真实性, 以及认为环状模由EOF数学方法计算得出而可能为人造模态。支持者认为环状模的外环上2个区域活动中心之间的弱相关主要原因是环状模并非太平洋上影响SLP的唯一因素, 例如PNA和ENSO等气候系统分别可对北半球和南半球太平洋地区SLP产生影响, 祛除这些区域影响后环状模的空间形态的纬向对称特征就可在太平洋地区得到恢复; 采用基于“ 大气活动中心” 观点的“ 交叉点相关” 来检查环状模的遥相关性存在明显的局限性, 因为环状模强调的是极区域中纬度活动带的2个整体之间的遥相关性; 而不采用EOF方法, 使用基于“ 大气环状活动带” 之间的交叉相关确定具有最大负相关的2个活动带之后, 直接使用两者之间SLP差定义的新指数, 就可以重新表征环状模的时间和空间特征, 从根本上避免了由于EOF方法本身而产生的质疑; 同时, 环状模还有较为明确的物理图像和动力学过程。目前, 多数学者倾向于接受环状模的真实性。

（2）关于“ 环状模信号是否源于平流层” 的观点, 质疑者认为强调环状模信号最先在平流层出现, 而在对流层没有发现同时或者超前信号, 可引起人们关于环状模信号起源于平流层的误解; 他们还指出环状模活动背景下可以检测到超前于平流层环状模异常的对流层信号。原作者承认并澄清, 虽然环状模平流层信号可以下传到对流层并影响近地层气候, 但平流层环状模信号的起源是可以追溯到对流层本身的。双方学者很快达成了一致的意见。

（3）而关于“ 北大西洋涛动和北大西洋环状模究竟谁更适合于代表北半球热带外行星尺度扰动最主要的模态” 的争论：NAM观点认为“ NAM模型” 与“ NAO模型” 的最初定义以及“ 指数循环” 3个不同的气候模型本质上是一致的, 现代定义的“ NAO” 仅是NAM的一个区域性表现, 采用NAM更加能够代表热带外行星尺度大气行星波最主要的模态; 并且还认为NAO-PNA模型强调各海盆内部的主导变率, 而NAM观点则主要强调跨海盆的主导变率。相反地, NAO观点则认为“ NAO 模型” 更加适合代表热带外行星尺度大气行星波最主要的模态, 因为NAO信号更强, 四季均存在, 在不同的变量场中均能检侧到, 且具有较好一致性; 由于太平洋地区的最主要模态是PNA, 而非NAM, 因此需要讨论的应该是NAO还是NAO-PNA模型可能更合适于表征热带外行星尺度大气环流波动最主要模态。总之, 双方观点尚未完全统一。

综上所述, 目前多数学者已接受了环状模是真实存在的物理现象的观点, 并认为其对应有清晰的物理图像; 认为平流层环状模信号可以下传到对流层, 但平流层环状模信号在垂直方向上可以追朔到对流层, 即环状模信号并非源于平流层; 另外, 虽然关于NAM和NAO的争论仍旧没有达成统一观点, 但并没有影响到环状模在相关的科学研究和业务工作中的应用。可见, 环状模概念已经被接受并成为当今气候学领域内一项重要研究进展; 而围绕环状模概念复杂、激烈和精彩的辩论, 则实际上起到了促进和推广环状模概念的作用。

从环状模概念的提出及争论过程中, 我们还可以看到, 多方学者以科学事实为依据, 以严谨和求实为态度, 积极地参与讨论和辩论, 使得一些有争议性的观点（例如“ 环状模为真实存在的物理模态” 和“ 环状模信号并非源自于平流层” 等）很快得到认识上的统一, 推进了学科的向前发展。而对一些尚未达成统一认识的观点也并不相互排斥, 求同存异, 并各自作为独立的观点完整的呈现给读者及后来的研究者们。正是这种科学和理性的辩论方式和相互包容的态度, 大大提升了大气遥相关研究的向前发展, 也深化了相关学者关于环状模观点及大气基本活动规律的认识。最后, 值得一提的是, 我国学者也在此次环状模的发现及推广过程中做出了不少卓越的贡献, 例如“ 南极涛动/南半球环状模” 的发现[2]以及“ 大气环状模活动带” 概念的提出[14]等, 这说明中国学者正在世界大气遥相关研究领域中发挥越来越重要的作用。

致谢：感谢美国阿拉斯加大学极地研究中心的Xiangdong Zhang教授、中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的郑菲博士、宋洁博士、刘洪波博士以及刘婷和周欣同学在初稿撰写及稿件修改过程中的有益讨论和帮助。感谢北京师范大学李建平教授, 他也指出称为“ 环状模” 更为合适。

The authors have declared that no competing interests exist.

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