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來源：互聯網

北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO），全球三大氣象濤動之一，是海、氣相互作用的產物，指發生在北大西洋地區海平面氣壓場（冰島低壓和亞速爾高壓）上南北方向持續反向振動的現象，通常用北大西洋濤動指數（NAOI）來表示其強度，20世紀20年代由英國科學家吉爾伯特·沃克（Gilbert Walke）首次提出。

受大氣環流、海陸分布等因素綜合影響，北大西洋海域極圈冰島附近通常形成低壓區，赤道亞速爾群島附多為高壓區。當冰島低壓加深時，亞速爾高壓加強，或冰島低壓填塞時，亞速爾高壓減弱。當北大西洋濤動為正位相時，氣壓場表現為較強的副熱帶高壓中心和較深的冰島低壓；負位相時，氣壓場表現為較弱的副熱帶高壓和較弱的冰島低壓。學者們尚未明確北大西洋濤動的成因機制，已知其變化不僅與氣候的自然變率有關，也與一些外部因素如太陽輻射、溫室氣體（主要為CO2）的增加、天文等有關。

在全球氣候系統中，北大西洋濤動占有重要位置。其產生的波動可以擾亂北半球冬天的天氣狀況，令北半球的大部分地區更加寒冷；也可以將風暴引向北方，左右北歐和歐亞大陸的氣溫和降水模式；甚至，使得遠離大西洋的東亞地區（如中國、韓國等）也遭到嚴寒天氣的侵襲。

定義

北大西洋濤動是全球三大氣象濤動之一，是北大西洋對流層大氣環流變化最顯著的海氣耦合模態。

北大西洋濤動是指發生在北大西洋地區海平面氣壓場（冰島低壓和亞速爾高壓）上南北方向持續反向振動的現象，當北大西洋高壓偏強（即氣壓升高）時，其北側的冰島低壓也偏強（即氣壓下降）；反之，當北大西洋高壓偏弱時（即氣壓下降），冰島低壓也偏弱（即氣壓上升）。

研究歷程

17世紀70年代，丹麥神父兼傳教士漢斯·埃格德·薩巴耶（Hans Egede Saabye）首次觀測到北大西洋濤動的現象。

隨著19世紀后期月平均地平線氣壓圖的使用，氣象學家提出了大氣活動中心的概念。大氣活動中心的變化按它們之間的關系可以分成兩類：一類是某些大氣活動中心的活動有很強的獨立性；另一類是相鄰的兩個大氣活動中心之間存在很強的聯系，表現為氣壓變化的反向相關。氣壓的這種“蹺蹺板”式的變化，稱為大氣濤動。

19世紀后期到20世紀初，歐洲科學家萊昂·泰瑟倫·德·博爾特（Léon Teisserenc de Bort）、雨果·希爾德布蘭德·希爾德布蘭德松（Hugo Hildebrand Hildebrandsson）、?？怂辜{（Exner）等注意到，北大西洋中緯度和高緯度近地面氣壓變化存在明顯的關聯。

20世紀20年代，英國科學家吉爾伯特·沃克進一步發展了大氣活動中心的理論，提出了三大濤動，分別為北大西洋濤動、北太平洋濤動和南方濤動。

大氣濤動把大氣活動中心和局地的氣候綜合在一起，在天氣氣候學的研究中具有重要意義。20世紀30年代，中原地區氣象學家涂長望系統地研究了包括北大西洋濤動在內的大氣濤動同中國氣候的關系。自20世紀90年代以來，世界各國學者揭示了北大西洋濤動與東亞氣候聯系的事實和機理，表明北大西洋濤動是影響東亞冬季風、夏季風以及極端天氣氣候事件的重要大氣環流因子。

成因機制

學者們試圖解開北大西洋濤動的相關謎團，但尚未明確其成因機制。北大西洋濤動的變化不僅與氣候的自然變率有關，也與一些外部因素如太陽輻射、溫室氣體（主要為CO2）的增加有關系。模式模擬研究也表明，1960年~2000年冬季北大西洋濤動強正位相的趨勢更可能是自然變化而不是人為的影響。

若阿金·G·平托（Joaquim G·Pinto）與克里斯托夫·C·賴布勒（Christoph C·Raible）的研究表明，北大西洋濤動的物理機制假設不僅包括熱帶大氣環流、平流層極地渦旋的強度、外部強迫（如太陽日照、積雪擴展、海洋表面溫度和海冰異常），還包括內部動態大氣過程。然而，北大西洋濤動指數長期變化的具體機制仍未明確。

阿迪利安奴·馬扎雷拉（Adriano Mazzarella）與妮古拉·斯卡菲塔（Nicola Scafetta）的研究發現，自1650年以來，北大西洋濤動存在以60年周期的主導振蕩這一特征。通過北大西洋濤動變化、時間及溫度的記錄進行比較發現，“綜合北大西洋濤動”（INAO）與1650年以來的日長（LOD）和1850年以來全球地表海洋溫度記錄（SST）有很大的相關性。研究同時發現，“綜合北大西洋濤動”的60年振蕩與歐洲極光記錄中發現的1700年以來的“60年振蕩”也有很大相關性，表明北大西洋濤動受太陽、天文的影響。

羅德海研究團隊的研究顯示，北大西洋濤動和大氣阻塞都是由行星尺度波與天氣尺度波非線性相互作用產生的，研究理論解釋了北大西洋濤動和大氣阻塞的平均狀態，但無法解釋北大西洋濤動和大氣阻塞的生命過程及其動力學機制。

主要特征

氣壓差

北大西洋濤動存在南北氣壓差，低壓區域在冰島附近，高壓區域在亞赤道的亞速爾群島。當冰島低壓加深時，亞速爾高壓加強；冰島低壓填塞時，亞速爾高壓減弱。北大西洋濤動強時，表明兩個活動中心之間的氣壓差大，北大西洋中緯度的西風強，為高指數環流；當北大西洋濤動弱時，表明兩個活動中心之間的氣壓差比較小，北大西洋上西風減弱，為低指數環流。

北大西洋濤動會在正、負指數之間波動。伴隨此變化，相關的大氣活動中心關聯區域的溫度、風場、降水等會出現系統性、協調的變化。

正位相是指北大西洋濤動指數為正數，氣壓場表現為較強的副熱帶高壓中心和較深的冰島低壓，兩地之間的氣壓差變大。氣壓差的增大導致冬季風暴更多更強，且從更北的位置穿過大西洋。這導致北歐、美國東南部氣溫偏高、降水增加，北美大陸東北部及南歐地區氣溫偏低、降水偏少，北大西洋中高緯度區域海表溫度（SST）呈現三極子型異常分布；同時，亞洲大陸中高緯度地區同期氣溫也顯著偏暖。

負位相是指北大西洋濤動指數為負數，氣壓場表現為較弱的副熱帶高壓和較弱的冰島低壓，兩地之間的氣壓差縮小。冬季氣壓梯度的降低導致風暴偏少偏弱，主要以偏南且自西向東的路徑穿過大西洋，把濕潤的大氣帶到地中海，把冷空氣送到歐洲北部。美國東海岸的冬季則會較為寒冷，降雪也較多，而格陵蘭島的氣溫更溫和。

季節變化

北大西洋濤動具有明顯的季節變化，冬季特征更為顯著。1990年~1930年主要為正位相，1931年至20世紀70年代中期為負位相，50年代至90年代北半球西風和北大西洋濤動指數的上升，以及19世紀末至90年代太平洋沃克環流的減弱，基本上已被近期的變化所抵消。自20世紀以來觀測到的北大西洋濤動冬季振蕩指數的年代際和多年代際變化具有很高的置信度，在過去500年的歷史背景下有過先例。

北大西洋濤動指數

北大西洋濤動指數（NAOI）是表示北大西洋濤動強度的標準化指標，是北大西洋濤動的定量表征指標。

最傳統的北大西洋濤動指數是基于亞速爾地區和冰島地區的站點資料建立的，使用站點之間的氣壓差來表征北大西洋濤動變化。也有研究將北大西洋濤動指數定義為直布羅陀海峽與冰島西南部海面氣壓距平之差，后來隨著觀測資料和氣象分析方法的發展，人們逐漸開始使用再分析資料來計算北大西洋濤動指數。較常用的是針對大西洋海區的地平線氣壓距平進行正交分解法（EOF），第一模態得出的即是北大西洋濤動的空間模態，其對應的時間序列即為北大西洋濤動指數。由于氣壓場觀測資料時間的局限性，人們開始利用樹木年輪、冰心等各種代用資料以盡可能地往前延長北大西洋濤動的時間序列。

其中，第5種用700 hPa高度場旋轉主分量分析的時間系數來代表北大西洋濤動的變化，從物理概念上看不如其他4種直截了當的反應了氣壓的“翹翹板”關系，但是其反應了北大西洋濤動全年的變化情況，而1~4種定義最主要的問題都是使用固定站的氣壓，且只反映了冬季北大西洋濤動的狀況，而實際上大氣活動中心不僅強度在變化，冬季和夏季其位置更是有極大的差異。

主要影響

北大西洋濤動主要影響的區域是北大西洋相鄰地區，對海洋和陸地氣候系統有較大的影響，氣壓的變化會引起歐洲、北美和北非的降雨和冬季氣溫變化。

氣候影響

在全球氣候系統中，北大西洋濤動占有重要的位置，其擾亂了北半球冬天的天氣狀況，對北大西洋和周邊地區的溫度、降水、風暴活動等均有重要影響。北大西洋濤動在大尺度上調制了北美、北大西洋以及歐洲地區的與緯向和經向熱濕輸送，從而常導致從美國東部延伸到西歐和中歐的溫度和降水模式的變化，從而對北美、北大西洋地區和歐洲地區的天氣、氣候產生重要影響。當北大西洋濤動指數為負數時會把急流（大氣中的強風帶）吹向更偏南處，并帶走了溫暖潮濕的天氣，從而令北半球的大部分地區更加寒冷。

與此同時，高氣壓的南部邊緣會推動非洲的沙塵向美洲移動。來自印度洋不斷上升的高溫擾亂了“北大西洋濤動的規律，進而影響了全球大氣系統的年度行為模式。熱帶海域升溫后，會帶來更多的降水。這一過程會消耗大氣中的許多熱量，從而對下游幾千千米之外的大氣流動產生巨大影響，并為“北大西洋濤動”提供更多能量，把撒哈拉沙漠的沙塵帶至美洲。

冬季，北大西洋濤動與北半球環流異常及區域氣候變化之間存在密切關系，北大西洋濤動是影響環流變化的主要低頻變化形式。春、夏、秋季北大西洋濤動仍然存在，只是強度較冬季有所減弱。

北大西洋濤動異常還可以影響歐亞大陸和東亞地區的天氣和氣候。北大西洋濤動的正負位相不僅可以影響到北美大陸東部和歐洲中西部的溫度變化，還存在一個明顯的與北大西洋濤動相關的地表溫度異常，橫跨歐亞大陸，從大西洋延伸到太平洋，造成東亞冬季風的年際及年代際變率以及亞洲大陸北部氣溫異常變化，其使得東亞地區（如中國、韓國等）也遭到嚴寒天氣的侵襲。

北大西洋濤動的變化與中國冬、夏季天氣和氣候關系密切，中原地區處于與北大西洋濤動相關的環流系統下游，隨著北大西洋濤動的增強和減弱，氣溫表現出冷暖異常。強北大西洋濤動指數年，副高偏強偏北，中國西南地區降水偏少，易出現一類和二類雨型，夏季中國絕大部分地區氣溫偏高。弱北大西洋濤動指數年則相反。但由于北大西洋濤動有很強的區域性，它與中國冬季氣候變率關系尚存在很大的不確定性。

北大西洋濤動也會影響印度夏季風雨，大西洋風帶強度的變化可以通過高、低環流指數交替變化，聯系到亞洲阻塞高壓的強度和位置，從而影響印度夏季風降水。

生態效應

北大西洋濤動對動物種群影響具有廣泛性，涉及鳥、獸、兩爬和昆蟲等類群，且遍布全球各大洲。在類群上，北大西洋濤動正位相時更多鳥類種群有增多趨勢。在作用強度上，北大西洋濤動正、負位相分別對獸類、昆蟲的影響顯著，有81種動物種群與北大西洋濤動存在兼具正負作用的非單調關系。在地域上，北大西洋濤動對動物種群的影響局限在北美和西歐。

北大西洋濤動帶來一系列海洋大氣過程變化。比如，西風加強可以給歐洲帶來溫暖濕潤的冬季，利于農作物生長，在北大西洋指數變化過程中，這種蹺蹺板式的變化過程會對農業產生重要影響。在1961至2010年間，全球三分之二耕地的作物生產力至少受到一次大規模氣候振蕩的明顯影響，而北大西洋濤動主要對歐洲大部、北非和中東等地區的糧食生產具有顯著影響。當大西洋的氣壓差異很大時，歐洲的農作物生產力較平均水平降低2％。其中西班牙和巴爾干半島地區受到的影響尤其大，作物產量下降幅度高達10％。北非和中東地區的作物生產力下降6％。在北大西洋濤動的另一相位，當氣壓差較小時，同一地區的作物產量有所提升。同時，西北大西洋的整個氣候在來自北極的干冷空氣影響下，氣候變冷，在北美隨之產生暴風雪和凍雨等自然災害，導致交通癱瘓、電力中斷等問題。

監測與研究

監測

北大西洋濤動具有明顯的季節性和年際變化，正負位相模式持續較長期（幾個月）很常見。冬季北大西洋濤動也表現出顯著的幾十年變化性，例如，從20世紀50年代中期到1978/79年冬季，在這期間有四個顯著的時期（每個時期至少三年），負位相占主導地位，而正位相不明顯。在季節平均值中只觀察到三次正位相，而且它從未連續兩年出現。

隨后在1979/80年冬季，北大西洋濤動突然過渡到反復出現的正位相，至1994/95年冬季一直保持這種模式。在此期間，負位相只出現了兩次（1984/85年和1985/86年的冬季）。然而，1995年11月至1996年2月，北大西洋濤動又回歸到強負位相。

美國氣候預報中心（CPC）北大西洋濤動進行了監測并公布北大西洋濤動指數，該指數是對500 hPa月平均位勢高度場旋轉經驗正交函數分解（REOF）得到，主模態對應的時間序列作為北大西洋濤動指數。美國氣候預報中心公布的逐月北大西洋濤動指數，每一天的數值都是根據1950年至2000年期間每月北大西洋濤動指數的標準差進行標準化而得出的數值。其中，2022年，北大西洋濤動指數在冬季為正位相，在春季和夏季均維持正位相，秋季轉為弱的負位相。

研究

與北極濤動的關系

1998年，美國氣象學家D·W·J·湯普森（D·W·J·Thompson）和J·M·華菜士（John M·Wallace）對北半球熱帶外大氣環流的分析發現，冬季大氣環流最主要的模態表現為整個中緯度與高緯度之間氣壓的反向變化，從地面到平流層低層都是顯著的，呈準正壓結構。此模態在高緯度地區的中心主要在北極地區，因此稱為北極濤動（Arctic Oscillation，AO），即發生在極區和中緯度地區大氣壓波動的正負蹺蹺板現象，這種變化會廣泛影響北半球的天氣。

關于北極濤動與北大西洋濤動是否獨立，學術界存在不同的觀點。以華菜士為代表的一些學者認為，北極濤動與北大西洋濤動是同一事物在不同側面的兩種表現，實際上反映大氣質量在不同緯度帶的再分配及中緯西風的強弱，是一個行星尺度的現象。只不過北極濤動的空間尺度更大，而北大西洋濤動是其在北大西洋區域的表現。它們的位相和強弱，是表征大氣基本環流形勢的重要的判據和指標。北大西洋濤動指數與北極濤動指數的時間序列有很高的相似性，因此北大西洋濤動、北極濤動及北半球環狀模的名稱和指數時間序列常常相互混用。

其他研究

北大西洋濤動與大西洋-歐洲阻塞對局地甚至整個北半球的氣候都有非常顯著的調節作用（如極冷事件和熱浪事件），相關研究從準兩周尺度上詳細揭示了北大西洋濤動的位相對歐洲阻塞時空分布的影響，同時解釋了北大西洋濤動對歐洲阻塞年代際分布變化的貢獻，并通過弱非線性北大西洋濤動和阻塞的理論模型從數值模擬上給予了證明。

相關研究指出熱帶北大西洋海溫與厄爾尼諾暖流南方濤動（ENSO）關系的多年代際變化主要受北大西洋濤動調制。該研究將熱帶北大西洋海溫與ENSO關系的多年代際變化歸因于北大西洋濤動的多年代際變化，而不是北大西洋多年代際濤動（AMO）或大西洋長期變暖趨勢，使人們能更好地了解大西洋和太平洋之間的跨海盆間相互作用。

研究人員研究了北大西洋濤動如何影響大西洋經向翻轉環流和海洋熱量輸送，及這種影響在北半球氣候快速變化中的作用。氣候模式顯示，北大西洋濤動的年代際變化可引起大西洋經向翻轉環流和大西洋極地海洋熱量輸送的年代際變化，且可一直延伸至北極。該研究表明，這些變化已經造成了北冰洋冰快速消融以及北半球氣候變暖，并改變了大西洋熱帶風暴活動，尤其是在20世紀90年代末和21世紀初。這些年代際變化再加之長期的人為強迫趨勢，是北極海冰長期損失和北半球變暖的主要因素。

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