北半球大氣遙相關(guān)型與區(qū)域尺度大氣擾動(dòng)

錢維宏，梁浩原

北京大學(xué)大氣海洋科學(xué)系，北京 100871

北半球大氣遙相關(guān)型與區(qū)域尺度大氣擾動(dòng)

錢維宏，梁浩原

北京大學(xué)大氣海洋科學(xué)系，北京 100871

北極濤動(dòng)（AO）、北大西洋濤動(dòng)（NAO）和太平洋—北美型（PNA）等北半球大氣遙相關(guān)型，可以用大氣位勢(shì)高度的物理分解擾動(dòng)分量解釋.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AO反映的是北極地區(qū)行星尺度緯圈平均擾動(dòng)分量的變化，PNA與持續(xù)性天氣尺度擾動(dòng)分量相聯(lián)系，NAO是行星尺度緯圈平均擾動(dòng)與天氣尺度擾動(dòng)共同作用的結(jié)果.對(duì)行星尺度緯圈平均擾動(dòng)分量和天氣尺度擾動(dòng)分量用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（REOF）展開，不但可以證實(shí)人們已經(jīng)命名的區(qū)域性大氣濤動(dòng)，還新發(fā)現(xiàn)了北極地區(qū)的兩對(duì)偶極濤動(dòng)、歐亞濤動(dòng)（EAO）和“大西洋—?dú)W亞型”（AEA）波列.這些濤動(dòng)連接了相鄰地區(qū)的異常天氣和異常氣候.

大氣遙相關(guān)，物理分解，北極濤動(dòng)，北大西洋濤動(dòng)，太平洋—北美遙相關(guān)型

1 引 言

在氣候?qū)W的發(fā)展過(guò)程中，1970—1980年代具有重要里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，研究者提出了大氣中的低頻40～50d振蕩［1－2］和大氣遙相關(guān)型［3］.用大氣變量四部分物理分解中的第三部分可得到來(lái)自赤道對(duì)流層頂?shù)男行浅叨任黠L(fēng)季節(jié)內(nèi)（40～60d）振蕩，并可以向赤道外傳播到副熱帶和中－高緯度地區(qū)［4］.這一向赤道外傳播的行星尺度季節(jié)內(nèi)振蕩不同于Madden和Julian［1－2］在1970年代初提出的熱帶大氣中向東傳播的低頻振蕩.Madden和Julian在熱帶大氣中發(fā)現(xiàn)的低頻40～50d振蕩實(shí)際上是天氣尺度擾動(dòng).1981年，Wallace和Gutzler在總結(jié)了前人的工作之后，利用北半球冬季500hPa位勢(shì)高度計(jì)算點(diǎn)相關(guān)，發(fā)現(xiàn)了5種遙相關(guān)型，即東大西洋型（EA）、西大西洋型（WA）、西太平洋型（WP）、太平洋—北美型（PNA）和歐亞太平洋型（EUP）.此外，在1986—1989年期間，Nitta考慮夏季熱帶西太平洋對(duì)流活動(dòng)激發(fā)的擾動(dòng)對(duì)日本天氣氣候的影響，提出了太平洋—日本濤動(dòng)（PJO）［5－7］.與Wallace和Gutzler［3］用冬季500hPa位勢(shì)高度計(jì)算北半球遙相關(guān)不同，PJO指數(shù)用的是850hPa位勢(shì)高度［8］.

顯然，這些大氣遙相關(guān)型的出現(xiàn)會(huì)連接著不同地區(qū)的異常天氣和異常氣候.大氣的運(yùn)動(dòng)受到海洋和地形等的緩慢強(qiáng)迫作用及大氣內(nèi)部的非線性相互作用，必然會(huì)出現(xiàn)比較穩(wěn)定的遙相關(guān)型.就像阻塞形勢(shì)中的高壓與低壓的排列出現(xiàn)，也對(duì)應(yīng)著相鄰地區(qū)的異常天氣和異常氣候.因此，人們還會(huì)不斷地提出一些大氣遙相關(guān)型.遙相關(guān)型形成的物理本質(zhì)以及不同遙相關(guān)型之間的關(guān)系仍然存在爭(zhēng)議［9－10］.那么，大氣遙相關(guān)型的物理意義是什么？北半球大氣中可能存在多少個(gè)穩(wěn)定的遙相關(guān)型？我們將用行星尺度緯圈瞬變擾動(dòng)和天氣尺度瞬變擾動(dòng)給予物理分解的解釋.

2 資料和方法

本文主要采用的大氣變量是全球范圍的850hPa、500和200hPa層的位勢(shì)高度，資料來(lái)源于NCEP／NCAR Reanalysis 1的2.5°×2.5°格點(diǎn)資料［11］，經(jīng)度范圍0°—360°，緯度范圍90°S—90°N，時(shí)間為1980—2011年5月的逐日資料.北極濤動(dòng)（AO）、北大西洋濤動(dòng)（NAO）、太平洋—北美型（PNA）遙相關(guān)波列的月平均時(shí)間序列取自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）網(wǎng)站（http：／／www.cpc.ncep.noaa.gov／data／teledoc／telecontents.shtml）.

全球大氣變量可以分解成緯圈－時(shí)間平均的氣候?qū)ΨQ部分、時(shí)間平均的氣候非對(duì)稱部分、緯圈平均的瞬時(shí)對(duì)稱擾動(dòng)和瞬時(shí)非對(duì)稱擾動(dòng)等四個(gè)部分［12］.前兩個(gè)部分分別由太陽(yáng)輻射和海陸分布熱力調(diào)節(jié)的季節(jié)變化引起，并形成規(guī)則的逐日氣候.第三部分是由極地與赤道熱力強(qiáng)迫引起，可形成大氣變量的行星尺度指數(shù)循環(huán).第四部分是一些復(fù)雜的天氣尺度瞬變波.我們關(guān)注第三和第四部分，也就是大氣中的行星尺度緯圈平均擾動(dòng)和天氣尺度擾動(dòng)分量的分離.具體的分離思路是，用歷史觀測(cè)的或當(dāng)日觀測(cè)的大氣變量減去氣候變化的逐日分量.以任一氣壓層的位勢(shì)高度為例，第Y年第t日的緯圈擾動(dòng)分量是

天氣尺度擾動(dòng)在第Y年第t日的分量為

該分量可以預(yù)示極端天氣或異常氣候事件.這一擾動(dòng)分量的形成原因與多尺度地形和熱力強(qiáng)迫以及大氣中波動(dòng)的非線性相互作用有關(guān).

式（1）和（2）中，H（λ，φ，t）Y是第Y年從1月1日起算第t日隨經(jīng)度λ和緯度φ變化的歷史的或當(dāng)前的氣象觀測(cè)在空間上的位勢(shì)高度.

該分量是太陽(yáng)輻射季節(jié)變化確定的逐日氣候變量，τ是第t日所用歷史資料的年份（從第1年至第N年），λ是緯圈等距格點(diǎn)序號(hào)（從第1點(diǎn)至最后第P點(diǎn)）.

該分量是海陸分布地形差異季節(jié)調(diào)節(jié)的逐日高度變化場(chǎng)，N取為30年（1981—2010年）.

行星尺度緯圈平均擾動(dòng)和天氣尺度擾動(dòng)還可以再做時(shí)間平均.當(dāng)它們做3天、5天、7天、9天甚至一個(gè)月的時(shí)間平均后，存在的高度擾動(dòng)就是穩(wěn)定的大氣異常環(huán)流，并在異常環(huán)流的不同部位出現(xiàn)異常天氣和異常氣候.為了得到不同地區(qū)上擾動(dòng)之間的遙相關(guān)型，我們用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（REOF）展開的方法對(duì)月平均高度行星尺度緯圈平均擾動(dòng)和月平均高度天氣尺度擾動(dòng)做分解.經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）展開的作用，是把一個(gè)隨時(shí)間變化的二維要素場(chǎng)分解成了若干個(gè)正交模態(tài)振幅隨時(shí)間系數(shù)的演變.但EOF模態(tài)的結(jié)構(gòu)依賴于選擇的區(qū)域［13］.在本文的計(jì)算中，除了赤道地區(qū)和北極點(diǎn)外，在北半球緯圈方向上無(wú)邊界，REOF的南北范圍取為20°N—87.5°N（或赤道至87.5°N）.與EOF比較，REOF的優(yōu)點(diǎn)是其分解的分量能夠反映出局地?cái)_動(dòng)的信息.大氣中的擾動(dòng)波列常常是在相鄰地區(qū)出現(xiàn)相反的擾動(dòng)趨勢(shì)，REOF正好可以揭示這一特征.

3 遙相關(guān)型與天氣擾動(dòng)正交模態(tài)

先給出Wallace和Gutzler［3］計(jì)算北半球冬季500hPa位勢(shì)高度5種遙相關(guān)型中的各個(gè)表達(dá)式.PNA遙相關(guān)型是人們最熟悉和研究得最多的大氣遙相關(guān)型，其計(jì)算或定義式為

這里，Z是四個(gè)不同位置上的標(biāo)準(zhǔn)化500hPa位勢(shì)高度值.

西大西洋遙相關(guān)型（WA）、東大西洋遙相關(guān)型（WA）、西太平洋遙相關(guān)型（WP）和歐亞—太平洋遙相關(guān)型（EUP）的指數(shù)定義分別為

最初的5個(gè)大氣遙相關(guān)型是用冬季500hPa高度定義和計(jì)算的，而后Barnston和Livezey［14］對(duì)月平均的高度場(chǎng)使用旋轉(zhuǎn)主分量方法分析其主要模態(tài)的年際變化，進(jìn)而PNA、AO和NAO等指數(shù)序列也用月平均序列表達(dá).利用1981—2010年的逐月北半球500hPa位勢(shì)高度，表1給出了根據(jù)上述定義計(jì)算的5種大氣遙相關(guān)指數(shù)序列，與同期500hPa高度天氣尺度擾動(dòng)計(jì)算的REOF時(shí)間序列之間的相關(guān)值.表1中還給出了同期NOAA網(wǎng)頁(yè)上AO、NAO、PNA三個(gè)指數(shù)序列與500hPa高度天氣尺度擾動(dòng)REOF時(shí)間序列的相關(guān)值.

500hPa高度天氣尺度擾動(dòng)的REOF第1和第2模態(tài)的空間分布如圖1所示.這兩個(gè)模態(tài)的方差百分比貢獻(xiàn)分別為13.4%和10.3%，它們都有一對(duì)最大的相鄰變化中心在北極（北冰洋）地區(qū).第1模態(tài)的一對(duì)中心在太平洋和大西洋以北的北極地區(qū)，第2模態(tài)的一對(duì)中心在歐亞大陸和北美大陸的北極地區(qū).這兩個(gè)遙相關(guān)型反映了極渦位置的偏極變化，也是常見的北極環(huán)流.這兩個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù)序列中也存在季節(jié)內(nèi)和年際時(shí)間尺度的變化.盡管表1中第1模態(tài)與EUP和PNA達(dá)到0.001的顯著性相關(guān)，但模態(tài)的中心不能反映EUP和PNA.同樣的情況也反映在第2模態(tài)與NAO的相關(guān)系數(shù)中.北極地區(qū)的這兩對(duì)相鄰的偶極濤動(dòng)，是獨(dú)立存在的持續(xù)性天氣尺度擾動(dòng)環(huán)流異常形態(tài).

表1 1981—2010年500hPa位勢(shì)高度天氣尺度擾動(dòng)計(jì)算的REOF模態(tài)時(shí)間序列與各遙相關(guān)型指數(shù)序列的同期相關(guān)系數(shù)Table 1 Simultaneous correlation coefficients between REOF time series of 500hPa geopotential height regional－scale anomalies and teleconnection indices for 1981—2010

圖1 1981—2010年500hPa位勢(shì)高度天氣尺度擾動(dòng)的月平均值計(jì)算的REOF第1和第2模態(tài)（陰影對(duì)應(yīng)負(fù)值，等值線間隔為0.01）及其它們的時(shí)間系數(shù)序列Fig.1 The leading two REOF patterns（the shaded area corresponds to negative values，contour interval is 0.01）of monthly mean of 500hPa geopotential height regional－scale anomalies and the REOF time series for 1981—2010

第3模態(tài)的分布中心主要集中在西半球.它的分布形態(tài)像PNA（相關(guān)系數(shù)－0.48和－0.33），更反映了WA的分布（相關(guān)系數(shù)－0.57）.由WA指數(shù)定義得到的系數(shù)序列與REOF第3模態(tài)系數(shù)序列給出在圖2中，它們之間具有年際相反的距平變化，2009—2010年的冬季就經(jīng)歷了一次明顯的年際振蕩.

500hPa高度天氣尺度擾動(dòng)的REOF第4模態(tài)系數(shù)與AO和NAO之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.6和0.7（圖3）.第4模態(tài)主要反映了北大西洋至歐亞地區(qū)的異常環(huán)流型.在北大西洋地區(qū)，南北的反向振蕩正是NAO的結(jié)構(gòu).在歐亞地區(qū)也存在一個(gè)南北相反的振蕩結(jié)構(gòu)，于是可以在歐洲至亞洲地區(qū)定義一個(gè)南北方向的歐亞濤動(dòng)（EAO）.2008年初和2011年初，中國(guó)南方持續(xù)性雨雪冰凍發(fā)生期間，對(duì)應(yīng)的正是歐洲高度正異常與亞洲高度負(fù)異常.

圖2 1981—2010年500hPa位勢(shì)高度天氣尺度擾動(dòng)計(jì)算的REOF第3模態(tài)分布及其模態(tài)系數(shù)（灰色柱狀線）與WA指數(shù)序列（黑色實(shí)線）Fig.2 The leading 3rd REOF mode pattern of 500hPa geopotential height regional－scale anomalies and the relationship between the mode time series（grey bars）and the WA index series（black solid line）for 1981—2010

圖3 同圖2但為第4模態(tài)及其系數(shù)序列與AO和NAO的系數(shù)序列Fig.3 Same as Fig.2but for the leading 4th REOF mode and time series of AO／NAO index

第5模態(tài)反映了北大西洋至歐亞大陸上的500hPa高度天氣尺度擾動(dòng)持續(xù)性結(jié)構(gòu)，在中緯度地區(qū)有兩對(duì)振蕩中心（圖4）.這是一種阻塞高壓與截?cái)嗟蛪旱姆植夹蝿?shì).當(dāng)阻塞高壓（截?cái)嗟蛪海┰跂|北亞的時(shí)候，截?cái)嗟蛪海ㄗ枞邏海┰跂|歐，而在大西洋和西歐又有一對(duì)阻塞形勢(shì).由這樣的四個(gè)振蕩中心，我們也可以定義一種“大西洋—?dú)W亞遙相關(guān)型”（AEA）并可構(gòu)造它的指數(shù)序列.通過(guò)具體的例子分析發(fā)現(xiàn)，AEA型時(shí)間序列在1988、1989、1991、1992、2006年的冬季與1983、2000、2004、2005、2008年的冬季相反，對(duì)應(yīng)歐洲，特別是中國(guó)南方與東南亞的降水距平相反分布（圖略）.

第6模態(tài)反映了北太平洋和北美地區(qū)的500hPa高度天氣尺度擾動(dòng)結(jié)構(gòu)（圖5）.在北太平洋地區(qū)，擾動(dòng)結(jié)構(gòu)是南北方向上的濤動(dòng).在北美地區(qū)也幾乎是南北方向的濤動(dòng).這兩對(duì)濤動(dòng)構(gòu)成了所謂的太平洋—北美遙相關(guān)型（PNA）.第6模態(tài)時(shí)間序列與式（5）和PNA（NOAA）序列都給出在圖5中，它們之間的相關(guān)值分別高達(dá)－0.82和－0.68.這些時(shí)間序列也都存在著年際變化和季節(jié)內(nèi)變化.

在表1中，REOF第7模態(tài)與EUP之間有最高的相關(guān)值（－0.58）.這個(gè)模態(tài)反映了中緯度歐亞地區(qū)的大氣擾動(dòng)，是另一類阻塞高壓與截?cái)嗟蛪旱沫h(huán)流分布型（圖6），相當(dāng)于阻塞高壓在歐洲時(shí)，截?cái)嗟蛪涸诒眮啠掠蔚淖枞邏涸跂|北亞.歐亞—太平洋遙相關(guān)型（EUP）明顯的時(shí)期是在1980年代前期和1990年代后期.

對(duì)于EA型和WP型，它們的指數(shù)序列與500hPa高度天氣尺度擾動(dòng)中的第8和第9模態(tài)時(shí)間系數(shù)之間的相關(guān)值分別為0.76和0.77.它們的模態(tài)分布及其時(shí)間序列與EA和WP的時(shí)間序列分別給出在圖7和圖8中.第8模態(tài)包含有東部北大西洋與冰島之間的濤動(dòng)，又含有東部北大西洋與歐洲中緯度之間的濤動(dòng).第9模態(tài)中有一對(duì)擾動(dòng)中心正是在西太平洋的南北方向上，即西太平洋遙相關(guān)型（WP）.

4 緯圈平均擾動(dòng)正交模態(tài)

表2是把表1中的位勢(shì)高度天氣尺度擾動(dòng)與位勢(shì)高度行星尺度緯圈平均擾動(dòng)疊加后，使用REOF方法計(jì)算的相關(guān)結(jié)果.它們的前9個(gè)模態(tài)與各個(gè)指數(shù)之間的相關(guān)值，與由天氣尺度擾動(dòng)REOF計(jì)算的結(jié)果比較，在模態(tài)次序和相關(guān)值上都有了變化.除了EUP和WA型外，其他6個(gè)遙相關(guān)指數(shù)系數(shù)與REOF模態(tài)系數(shù)之間的相關(guān)值都提高了.

圖8 同圖2但為第9模態(tài)及其系數(shù)序列與WP系數(shù)序列Fig.8 Same as Fig.2but for the leading 9th REOF mode and time series of WP index

表2 同表1但為天氣尺度擾動(dòng)與行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)的疊加Table 2 Same as Table 1，but the sum of planetary－scale zonal－mean and regional－scale height anomalies were used to calculate REOF modes

圖9中給出了天氣尺度擾動(dòng)疊加上行星尺度緯圈平均擾動(dòng)后的500hPa位勢(shì)高度REOF第5模態(tài)分布及其系數(shù)與NAO和AO的時(shí)間序列，它們之間的相關(guān)值高達(dá)0.75和0.86.模態(tài)分布中，北大西洋南北方向的濤動(dòng)更加清楚了.它們的時(shí)間序列不但具有年際變化，還存在年代際變化.這部分年代際變化來(lái)自于緯圈平均擾動(dòng)的長(zhǎng)期貢獻(xiàn).

天氣尺度高度擾動(dòng)疊加上行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)后的REOF第3模態(tài)，反映的西太平洋南北方向的波列結(jié)構(gòu)給出在圖10中.第3模態(tài)時(shí)間系數(shù)與WP指數(shù)之間的相關(guān)值高達(dá)－0.84，具有年際和年代際的變化.與沒(méi)有行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)疊加的REOF模態(tài)分布比較，有緯圈平均高度擾動(dòng)的疊加，加強(qiáng)了緯帶結(jié)構(gòu)的分布.

從文獻(xiàn)［4］中，我們注意到起源于赤道地區(qū)的緯圈平均西風(fēng)擾動(dòng)，可以向赤道外地區(qū)傳播到中高緯帶，而起源于極地的西風(fēng)擾動(dòng)，也可以向極地外傳播到高緯帶地區(qū).行星尺度緯圈平均大氣擾動(dòng)在各個(gè)氣壓層上都存在，只是在對(duì)流層頂?shù)淖兎畲?在前人計(jì)算的500hPa位勢(shì)高度濤動(dòng)中，包含了天氣尺度高度擾動(dòng)與緯圈平均高度擾動(dòng)的疊加.于是，我們可以直接對(duì)500hPa位勢(shì)高度緯圈平均擾動(dòng)做REOF展開.圖11中，前4個(gè)模態(tài)的方差百分比貢獻(xiàn)已經(jīng)占了93%，其中第1和第2模態(tài)分別占了40%和25%.第1模態(tài)反映了以北極為中心的行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)，第2模態(tài)反映了源自赤道帶的高度擾動(dòng).第3和第4模態(tài)反映了高緯緯圈和中緯緯圈平均的高度擾動(dòng)，它們對(duì)中－高緯地區(qū)的天氣尺度高度擾動(dòng)會(huì)有影響，使得模態(tài)結(jié)構(gòu)在東西方向上拉長(zhǎng).1981—2010年期間，500hPa位勢(shì)高度緯圈平均擾動(dòng)前4個(gè)模態(tài)逐月時(shí)間系數(shù)如圖12所示.北極和赤道的高度擾動(dòng)都有長(zhǎng)期增強(qiáng)的趨勢(shì)和年際變化.中、高緯度緯圈平均高度擾動(dòng)主要有年代際變化.第1至第4模態(tài)的時(shí)間序列與AO指數(shù)的相關(guān)值，分別為0.73、0.07、－0.42和0.83，說(shuō)明500hPa位勢(shì)高度的緯圈平均擾動(dòng)第1和第3模態(tài)反映的是AO結(jié)構(gòu)，它們占總方差的58%.第2模態(tài)占（24%），反映的是源自熱帶的擾動(dòng)，與AO沒(méi)有關(guān)系.

圖11 500hPa位勢(shì)高度行星尺度緯圈平均擾動(dòng)前4個(gè)模態(tài)分布（虛線表示負(fù)值，等值線間隔0.01）Fig.11 The leading 4REOF patterns（the dashed lines correspond to negative values，contour interval is 0.01）of 500hPa geopotential height planetary－scale zonal－mean anomalies

從圖13可以清楚地看出，無(wú)論是逐月相關(guān)，還是僅僅冬季相關(guān)，包含緯圈平均500hPa高度擾動(dòng)疊加的點(diǎn)相關(guān)分布，比單純的天氣尺度高度擾動(dòng)點(diǎn)相關(guān)分布在東西方向上大大拉長(zhǎng)了，它們反映的都是PNA遙相關(guān)型.這一比較說(shuō)明，天氣尺度擾動(dòng)是PNA遙相關(guān)波列形成的關(guān)鍵，緯圈平均擾動(dòng)的疊加對(duì)PNA波列有形態(tài)上的改變.

5 討 論

除了500hPa的波列外，不同季節(jié)和不同高度上還存在另外一些波列.其中，太平洋—日本（PJ）遙相關(guān)型指數(shù)，是定義在850hPa上的位勢(shì)高度場(chǎng)格點(diǎn)代數(shù)值的差［8］：

我們計(jì)算了四種850hPa位勢(shì)高度REOF分解，分別用天氣尺度擾動(dòng)和行星尺度緯圈平均擾動(dòng)加天氣尺度擾動(dòng)做赤道至87.5°N寬度帶的REOF分解，又分別用它們做20°N—87.5°N寬度帶的REOF分解.用展開的時(shí)間系數(shù)與PJ遙相關(guān)型指數(shù)時(shí)間序列計(jì)算相關(guān).最高的相關(guān)值－0.53對(duì)應(yīng)寬度帶（EQ至87.5°N）內(nèi)的高度擾動(dòng)，第2高的相關(guān)值－0.42對(duì)應(yīng)這一寬度帶的行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)加天氣尺度高度擾動(dòng).第3高的相關(guān)值0.37對(duì)應(yīng)寬度帶（20°N—87.5°N）內(nèi)的天氣尺度高度擾動(dòng)，第4高的相關(guān)值0.33對(duì)應(yīng)該寬度帶的行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)加天氣尺度高度擾動(dòng).圖14給出了850hPa夏季位勢(shì)高度天氣尺度擾動(dòng)REOF第8模態(tài)及其系數(shù)時(shí)間序列和PJ遙相關(guān)型系數(shù)時(shí)間序列.PJ指數(shù)時(shí)間序列選取的兩個(gè)點(diǎn)正是在（EQ至87.5°N）REOF第8模態(tài)的鄰近正、負(fù)中心處，因此它們之間的相關(guān)值也比較高.在EQ至87.5°N寬度帶內(nèi)的位勢(shì)高度擾動(dòng)REOF分解中，第3模態(tài)的一對(duì)中心分別位于亞洲大陸和中太平洋，用這對(duì)中心值可以很好的構(gòu)造亞洲夏季風(fēng)指數(shù)［15］.

圖12 1981—2010年500hPa位勢(shì)高度行星尺度緯圈平均擾動(dòng)前4個(gè)模態(tài)逐月時(shí)間系數(shù)（灰色柱狀線）與AO（黑色實(shí)線）的關(guān)系Fig.12 The relationship between the leading 4REOF time series of 500hPa geopotential height planetary－scale zonal－mean anomalies（grey bars）and the AO index series（black solid line）

用200hPa和850hPa的位勢(shì)高度天氣尺度擾動(dòng)也能得到REOF的第1和第2模態(tài)在北極地區(qū)的一對(duì)振蕩型分布.200hPa上第3模態(tài)的分布就類似于PNA型，850hPa上第4模態(tài)的分布也類似于PNA型（圖15）.200hPa和850hPa位勢(shì)高度緯圈平均擾動(dòng)的REOF前四個(gè)模態(tài)反映的也是北極、赤道和中、高緯帶的帶狀擾動(dòng)結(jié)構(gòu)（圖略）.

到目前為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和命名了大氣中不同高度和不同地區(qū)的持續(xù)性濤動(dòng).這些濤動(dòng)是大氣行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)和天氣尺度高度擾動(dòng)在一些地區(qū)持續(xù)性存在的結(jié)果.利用REOF方法可以全面地揭示大氣中經(jīng)常出現(xiàn)的濤動(dòng)，或遙相關(guān)型.

8 結(jié) 論

根據(jù)球面大氣變量的四分量物理分解，本文給出了行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)和天氣尺度高度擾動(dòng)的點(diǎn)相關(guān)和REOF分析，對(duì)北半球大氣遙相關(guān)型，有了下列新認(rèn)識(shí)：

（1）在月至季的時(shí)間尺度上，球面大氣的一些固定地理位置會(huì)時(shí)常出現(xiàn)大氣濤動(dòng)，或遙相關(guān)型，如東大西洋型（EA）、西大西洋型（WA）、西太平洋型（WP）、太平洋—北美型（PNA）和歐亞太平洋型（EUP），它們主要來(lái)自持續(xù)性天氣尺度擾動(dòng)分量的貢獻(xiàn).

圖13 500hPa位勢(shì)高度點(diǎn)相關(guān)分布（a）逐月天氣尺度擾動(dòng)；（b）逐月天氣尺度擾動(dòng)加行星尺度緯圈平均擾動(dòng)；（c）冬季天氣尺度擾動(dòng)；（d）冬季天氣尺度擾動(dòng)加行星尺度緯圈平均擾動(dòng).星號(hào)（45°N，165°W）處為點(diǎn)相關(guān)中心，與×構(gòu)成PNA型在式（5）中的位置.灰色陰影表示相關(guān)值達(dá)到0.01顯著性水平，淺色與深色分別指示正、負(fù)相關(guān)，等值線間隔為0.2，粗線為零相關(guān).Fig.13 One－point correlation maps for 500hPa geipotential height（a）monthly regional－scale anomalies；（b）planetary－scale zonal－mean and regional－scale anomalies combined；（c）regional－scale anomalies in winter（DJF）months；（d）planetary－scale zonal－mean anomalies plus regional－scale anomalies in winter（DJF）months.The grid points marked by asterisk and crosses“×”represent the 4center grids of PNA in formula（5）.The shaded area indicates that the grid point′s correlation coefficient reaches the 0.01significance level.Light and dark shadings indicate the positive and negative correlations，respectively，the interval of contour is 0.2and the heavy line denotes the zero correlation.

（2）EA型和WA型與北大西洋濤動(dòng)（NAO）有著內(nèi)在的聯(lián)系，是NAO的部分.北極濤動(dòng)（AO），是北極地區(qū)與高緯帶相反變化的持續(xù)性行星尺度緯圈平均擾動(dòng).NAO是AO的一部分.極地－高緯行星尺度緯圈平均高度擾動(dòng)與赤道帶高度擾動(dòng)之間不具有相關(guān)關(guān)系，但它們都具有年際、年代際和長(zhǎng)期變化的趨勢(shì).

（3）除了已經(jīng)認(rèn)識(shí)和命名的大氣中位勢(shì)高度遙相關(guān)型外，北半球大氣中還存在位于北極地區(qū)的兩對(duì)偶極濤動(dòng)、歐亞濤動(dòng)（EAO）和“大西洋—?dú)W亞型”（AEA）波列.EAO和AEA表現(xiàn)為歐亞地區(qū)穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)和阻塞環(huán)流形勢(shì)，對(duì)中國(guó)的持續(xù)性異常天氣和異常氣候具有較大的影響.

（References）

［1］ Madden R D，Julian P.Detection of a 40－50day oscillation in the zonal wind in the tropical Pacific.J.Atmos.Sci.，1971，28（5）：702－708.

［2］ Madden R D，Julian P.Description of global scale circulation cells in the tropics with 40－50day period.J.Atmos.Sci.，1972，29（6）：1109－1123.

［3］ Wallace J M，Gutzler D S.Teleconnections in the geopotential height field during the Northern Hemisphere winter.Mon.Wea.Rev.，1981，109（4）：784－812.

［4］ Qian W H，Liang H Y.Propagation of planetary－scale zonal mean wind anomalies and polar oscillations.Chinese Sci.Bull.，2012，doi：10.1007／s11434－012－5168－1.

［5］ Nitta T.Long－term variations of cloud amount in the western Pacific region.J.Meteorol.Soc.Jpn.，1986，64（3）：373－390.

［6］ Nitta T.Convective activities in the tropical western Pacific and their impact on the Northern Hemisphere summer circulation.J.Meteorol.Soc.Jpn.，1987，65：373－390.

［7］ Nitta T.Global features of the Pacific－Japan oscillation.Meteorol.Atmos.Phys.，1989，41（1）：5－12.

［8］ Wakabayashi S，Kawamura R.Extraction of major teleconnection patterns possibly associated with the anomalous summer climate in Japan.J.Meteorol.Soc.Jpn.，2004，82（6）：1577－1588.

［9］ Feldstein S B，F(xiàn)ranzke C.Are the North Atlantic Oscillation and the Northern Annular Mode distinguishable？J.Atmos.Sci.，2006，63（11）：2915－2930.

［10］ Itoh H.Reconsideration of the true versus apparent Arctic Oscillation.J.Climate，2008，21（10）：2047－2062.

［11］ Kalnay E，Kanamitsu M，Kistler R，et al.The NCEP／NCAR 40－year reanalysis project.B.Am.Meteorol.Soc.，1996，77（3）：437－472.

［12］ 錢維宏.天氣尺度瞬變擾動(dòng)的物理分解原理.地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（5）：1439－1448，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.002.Qian W H.Physical decomposition principle of regional－scale transient anomaly.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1439－1448，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.002.

［13］ Dommenget D，Latif M.A cautionary note on the interpretation of EOFs.J.Climate，2002，15：216－225.

［14］ Barnston A G，Livezey R E.Classification，seasonality and persistence of low－frequency atmospheric circulation patterns.Mon.Wea.Rev.，1987，115（6）：1083－1126.

［15］ Zhao P，Zhu Y N，Zhang R H.An Asian－Pacific teleconnection in summer tropospheric temperature and associated Asian climate variability.Climate Dyn.，2007，29（2－3）：293－303.

Atmospheric teleconnections and regional－scale atmospheric anomalies over the Northern Hemisphere

QIAN Wei－Hong，LIANG Hao－Yuan
Department of Atmospheric and Oceanic Sciences，Peking University，Beijing100871，China

Atmospheric teleconnections in the Northern Hemisphere such as Arctic Oscillation（AO），North Atlantic Oscillation（NAO）and Pacific－North American（PNA）teleconnection can be explained by the physical decomposition of geopotential height.The result shows that the AO reflects planetary－scale zonal－mean anomalies in the Arctic region；the PNA results from persistent regional－scale atmospheric anomalies；NAO is a combined result of both planetary－scale zonal－mean and regional－scale anomalies.The rotated empirical orthogonal function（REOF）of planetary－scale zonal－mean and regional－scale anomalies not only confirms the already known regional oscillations and wave trains，but also discovers new patterns，such as“twin dipole oscillations”in the Arctic region，Euro－Asia Oscillation（EAO）and Atlantic－Euro－Asia（AEA）wave－train pattern.These oscillations or wave trains are linked to adjacent regional weather anomalies and climate anomalies.

Atmospheric teleconnections，Physical decomposition，Arctic Oscillation，North Atlantic Oscillation，Pacific－North American teleconnection pattern

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.003

P433

2011－12－05，2012－04－19收修定稿

國(guó)家自然科學(xué)基金（40975039）資助.

錢維宏，男，1957年生，教授，從事天氣氣候研究.E－mail：qianwh＠pku.edu.cn

錢維宏，梁浩原.北半球大氣遙相關(guān)型與區(qū)域尺度大氣擾動(dòng).地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（5）：1449－1461，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.003.

Qian W H，Liang H Y.Atmospheric teleconnections and regional－scale atmospheric anomalies over the Northern Hemisphere.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1449－1461，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.003.

（本文編輯 汪海英）