北太平洋東部風暴軸的時空演變特征

朱偉軍 袁凱, 陳懿妮,

1 南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室，南京 210044

2 湖北省武漢市氣象局，武漢 430040

3 浙江省氣象局，杭州 310002

1 引言

北半球天氣尺度（2.5～6 d）帶通瞬變擾動方差的極大值集中分布在兩個緯向拉長的區(qū)域，位置與地面氣旋/反氣旋活動路徑一致，這就是北半球中緯度太平洋和大西洋上空著名的兩大風暴軸。由于風暴軸對應著強烈的熱量輸送、動量輸送和水汽輸送，因而對北半球大氣環(huán)流的維持和全球天氣氣候異常具有十分重要的作用（Held et al., 1989）。

風暴軸最早由 Blackmon（1976）發(fā)現(xiàn)，隨后大量的觀測分析研究（如Lau，1978，1979，1988；Trenberth，1981；Blackmon, et al., 1984a，1984b；Hoskins and Valdes，1990；朱偉軍和孫照渤，2000），揭示了風暴軸的許多氣候平均特征：（1）冬季，北半球天氣尺度的渦動活動被組織成兩大風暴軸，分別位于中緯度的太平洋和大西洋上；（2）若以 500 hPa天氣尺度渦動的位勢高度方差極值中心來表征風暴軸的強度和位置，則就冬季平均而言，在太平洋區(qū)域，最強中心位于（42.5°N，175°E）附近，強度達40 dagpm2左右，而在大西洋區(qū)域，風暴軸更強，中心強度可達56 dagpm2左右，位于（45°N，50°W）附近；（3）在風暴軸區(qū)域，天氣尺度渦動的位勢高度方差和擾動動能的最大值、渦動西風動量通量的最強輻合以及渦動對位渦的最大經向輸送，都出現(xiàn)在對流層上部300 hPa層附近，而渦動向極和向上的熱量通量最大值，則位于對流層低層850 hPa層附近。

此外，傅剛等（2009）發(fā)現(xiàn)，在北太平洋和北大西洋的對流層低層，還分別存在“副熱帶風暴軸”和“副極地風暴軸”這種雙風暴軸現(xiàn)象；風暴軸不僅北半球有，在南半球也存在，而且在南半球，由于中緯度海陸差異較小，風暴軸有其獨特的特點（Trenberth，1984；Nakamura and Shimpo，2004）。

多年來，更多的關注點是風暴軸的變率問題，現(xiàn)已逐漸成為研究熱點。人們從月、季、年、年代等不同尺度上，考察了風暴軸的這種短期氣候異常（如 Lau，1988；鄧興秀和孫照渤，1994；胡增臻和黃榮輝，1997；朱偉軍和孫照渤，2000；Norris，2000；Chang，2001；Chang and Fu，2002，2003；Nakamura et al.，2002；Compo and Sardeshmukh，2004；丁葉風等，2006；任雪娟和張耀存，2007；韓博等，2007；Wettstein and Wallace，2010；朱偉軍和李瑩，2010），主要研究成果可以簡要概括如下：（1）北半球風暴軸存在顯著的月際和季節(jié)變化，一般而言，風暴軸在冬季月份最強，位置偏南，在夏季月份最弱，位置偏北，而春、秋兩季為過渡時期；（2）風暴軸還存在顯著的年際變化和年代際變化，如北太平洋風暴軸在20世紀80年代中期，存在由偏弱轉為偏強的年代際位相轉換；（3）EOF等分析結果顯示：在月以上各種時間尺度上，北太平洋風暴軸的這種短期氣候異常，具有相似的空間變化特征，主要有兩種變化模態(tài)：第一模態(tài)是風暴軸在其氣候平均位置增強或減弱的主體一致變化型，第二模態(tài)是風暴軸特別是其中東部在氣候平均位置南北兩側振蕩的經向異常型。

但是，以上研究基本上把整個北太平洋區(qū)域作為研究對象，而李瑩等（2010）最近研究發(fā)現(xiàn)，從緯向結構上看，北太平洋風暴軸不僅存在“多中心”現(xiàn)象（傅剛等，2009），而且最強中心還經常出現(xiàn)在160°W以東地區(qū)。目前，對這種在北太平洋東部出現(xiàn)風暴軸最強中心的現(xiàn)象本身及其原因，認識都還非常有限，而風暴軸東部的異常，不僅可以直接引起附近阿留申低壓和阻塞形勢的異常（陸日宇，2001；Huang et al.，2002；刁一娜等，2004；Nakamura and Wallace，1990），而且對整個北半球大氣環(huán)流和我國天氣氣候的異常，具有重要影響。因此，本文將重點探討北太平洋東部地區(qū)風暴軸的時空演變究竟有何獨特特征。

2 資料與方法

文中所用資料取自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的再分析資料集（ERA-40）（http://www.ecmwf.int/products/data/archive/descriptions/e4/index.html [2008-09-04]）：逐日的位勢高度場（z）、風場（u、v、w）、溫度場（T）資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，覆蓋時段為1957年9月～2002年8月。

本文首先采用 31點對稱數(shù)字濾波器（李瑩和朱偉軍，2009），從逐日原始資料直接濾波出2.5～6 d的瞬變渦動，然后每月為一段，對每一段各自計算其方差，得到每月的月平均帶通濾波方差（以下簡稱濾波方差）。其后所用的經驗正交函數(shù)（EOF）分解、回歸分析以及顯著性檢驗等方法，原理可參見Storch and Zwiers（1999），不在此贅述。

此外，本文冬、春、夏、秋四季分別包含12～2月、3～5月、6～8月和9～11月。

3 多中心現(xiàn)象與東部型風暴軸的統(tǒng)計特征

傅剛等（2009）研究北太平風暴軸三維結構時，發(fā)現(xiàn)無論冬夏季，位勢高度方差、擾動動能、向極的熱量輸送在各個層次都存在“多中心”現(xiàn)象，且這種“多中心”現(xiàn)象在夏季更加明顯，但其多中心僅為圖中直觀觀察，沒有進行客觀統(tǒng)計。下面，我們以 500 hPa位勢高度濾波方差場作為代表，對1957年12月～2001年11月期間44年528個月北太平洋區(qū)域（30°N～60°N，120°E～120°W）月平均風暴軸的多中心數(shù)目以及最強中心位置進行客觀統(tǒng)計。其中，每月月平均風暴軸的多中心數(shù)目和最強中心位置的定義為：該區(qū)域每月濾波方差最大值中心所在的經緯度即為該月風暴軸最強中心的位置；而該區(qū)域每月濾波方差次大值達到當月最強中心值的三分之一以上，且有獨立的閉合中心，則記為該區(qū)域該月風暴軸存在一個次大值中心，多中心數(shù)目即為次大值中心累計數(shù)目加上1（最強中心）。

3.1 多中心現(xiàn)象的統(tǒng)計結果

表1給出了1957年12月～2001年11月期間44年528個月北太平洋區(qū)域（30°N～60°N，120°E～120°W）月平均風暴軸的多中心數(shù)目的統(tǒng)計結果。由表1可以看出，在總數(shù)528個月中，有500個月出現(xiàn)兩個及兩個以上的中心，其中出現(xiàn) 2～3個中心的月數(shù)有312個，這表明，“多中心”現(xiàn)象確實普遍存在，概率高達94.7%，而且最典型的分布形勢就是存在 2～3個中心。從季節(jié)來看，春季是最容易出現(xiàn)“多中心”現(xiàn)象的季節(jié)，秋季和冬季相對較少，而4個及4個以上的“多中心”現(xiàn)象則更容易出現(xiàn)在夏季。進一步分析表明，每月的多中心數(shù)還存在著強烈的年際變化，但除個別月份外，其長期變化趨勢并不顯著（圖略）。

表1 1957年12月～2001年11月北太平洋區(qū)域（30°N～60°N，120°E～120°W）500 hPa位勢高度濾波方差多中心數(shù)目逐月統(tǒng)計結果Table 1 The statistics result of numbers for maxima of 500-hPa geopotential height variance over the North Pacific Ocean (30°N–60°N，120°E–120°W) through Dec 1957 to Nov 2001

3.2 東部型風暴軸的統(tǒng)計結果

圖1 1957年12月～2001年11月北太平洋500 hPa位勢高度濾波方差最強中心的逐月位置圖（圖中不同符號代表出現(xiàn)的次數(shù)）Fig.1 The monthly position of maximum value of 500-hPa geopotential height variance over the North Pacific Ocean through Dec 1957 to Nov 2001(Different marks represent occurrence times)

圖1為1957年12月～2001年11月北太平洋500 hPa位勢高度濾波方差最強中心的逐月位置。根據(jù)風暴軸最強中心的落點位置，我們還從東西方向上，將北太平洋地區(qū)分為西部（120°E～160°E）、中部（160°E～160°W）和東部（160°W～120°W）三個區(qū)域，分別統(tǒng)計了風暴軸最強中心落在這三個區(qū)域的月數(shù)（表2）。如圖1和表2顯示，雖然，風暴軸最強中心的氣候平均位置位于日界線以西附近（朱偉軍和李瑩，2010），但在總數(shù)528個月中，有 63個月位于西部（120°E～160°E），295個月位于中部（160°E～160°W），即只有358個月（約 68%）位于160°W以西，其余170個月（約32%）則位于160°W以東，東西振蕩十分顯著，這一比率與李瑩等（2010）對 44年冬季平均的統(tǒng)計結果基本一致；同時，最強中心偏西時，平均位置偏南，最強中心偏東時，平均位置偏北，南北振蕩也十分明顯。

表2 1957年12月～2001年11月北太平洋區(qū)域（30°N～60°N，120°E～120°W）500 hPa 位勢高度濾波方差最強中心位置逐月統(tǒng)計結果Table 2 The statistics result of position for maximum value of 500-hPa geopotential height variance over the North Pacific Ocean (30°N–60°N，120°E–120°W) through Dec 1957 to Nov 2001

本文把最強中心出現(xiàn)在 160°W 以東地區(qū)時的整個風暴軸分布結構定義為東部型風暴軸，此時整個太平洋風暴軸（120°E～120°W）呈東強西弱分布。由表2顯示，從月份上來看，7月相對最容易出現(xiàn)東部型風暴軸（21/44），1月和2月最難（10/44）；從季節(jié)上來看，夏季相對最容易出現(xiàn)東部型風暴軸（52/132），冬季最難（31/132）。進一步考察發(fā)現(xiàn)（圖略），當風暴軸最強中心位于160°W以東時，由于西邊的強度一般也不弱，甚至相當，因而多出現(xiàn)“多中心”現(xiàn)象；同時，東部型風暴軸出現(xiàn)的頻次及其強度還存在著顯著的年際變化。

4 風暴軸的垂直結構

根據(jù)上節(jié)中表 2的統(tǒng)計結果，在 1957年 12月～2001年11月的44年里，冬季和夏季總共分別有31和52個月出現(xiàn)東部型風暴軸。本節(jié)我們將分別對這31和52個月求平均，用以代表冬、夏兩季的氣候平均狀況，并同樣從東西方向上，將北太平洋地區(qū)分為西部（120°E～160°E）、中部（160°E～160°W）和東部（160°W～120°W）三個區(qū)域，重點考察東部型風暴軸所對應的各瞬變量在冬、夏兩季和不同區(qū)域平均時的緯向—垂直結構。圖 2～6分別給出了冬夏兩季以上三個區(qū)域平均的東部型風暴軸所對應的天氣尺度位勢高度方差、擾動動能動量輸送向極熱量輸送和向上熱量輸送的緯向—垂直分布。值得注意的是，與以往研究的不同之處在于（如Lau，1978，1979；Trenberth，1981；Blackmon, et al.，1984a，1984b；Hoskins and Valdes，1990），這里我們單獨挑出了東部型風暴軸來求季節(jié)平均，當然為了對比，我們也計算了不單獨挑出東部型風暴軸來求季節(jié)平均（132個月）的結果，但限于篇幅和不重復以往研究之慮，在此從略。

通過對比發(fā)現(xiàn)，是否單獨挑出東部型風暴軸來求季節(jié)平均的緯向—垂直結構特征是有些異同的。其中，相似點為：天氣尺度渦動的位勢高度方差（圖2）、擾動動能（圖 3）的最大值以及渦動西風動量通量的最強輻合（圖4）都出現(xiàn)在對流層上部300～200 hPa層附近，而渦動向極（圖5）和向上（圖6）的熱量通量最大值則位于對流層低層850～700 hPa層附近；并且，在北太平洋中、西部（圖 2～6中的a、d和b、e），上述量位置偏南，而在北太平洋東部（圖2～6中的c、f），上述量位置偏北；在冬季（圖 2～6中的a-c），上述量位置偏南，而在夏季（圖2～6中的d-f），上述量位置偏北。

不同點為：無論冬夏，東部型風暴軸所揭示的天氣尺度渦動的位勢高度方差（圖 2）和擾動動能（圖 3）的最大值在北太平洋東部地區(qū)最強，而渦動西風動量通量的最強輻合（圖 4）以及渦動向極（圖 5）和向上（圖 6）的熱量通量最大值則在北太平洋中部地區(qū)最強，但不單獨挑出東部型風暴軸來求季節(jié)平均的結果顯示，這些量的最大值都是一致對應在北太平洋中部地區(qū)最強。

研究表明（如 Lau, 1978, 1979; Hoskins and Valdes, 1990; Chang et al., 2002），斜壓性的強弱對風暴軸的維持和發(fā)展起到了至關重要的作用，如果不單獨挑出東部型風暴軸來求季節(jié)平均的話，那么在北太平洋中部地區(qū)，由于斜壓性最強，因而與斜壓性密切聯(lián)系的渦動向極和向上熱量通量最強，進而風暴軸的強度也最強；而在北太平洋160°W以東地區(qū)，由于斜壓性較弱，一般認為是風暴軸衰亡的地區(qū)，因而渦動向極和向上熱量通量也較弱，進而強度也較弱（圖略）?，F(xiàn)在，東部型風暴軸的結果顯示，在北太平洋160°W以東地區(qū)，風暴軸的強度（天氣尺度位勢高度方差和擾動動能）可以最強，但與斜壓性密切聯(lián)系的渦動向極和向上熱量通量的最大值卻并不是最強，因此，是何原因可以導致該地區(qū)出現(xiàn)風暴軸最強中心或東部型風暴軸，機理有待進一步診斷研究。

5 風暴軸的EOF分析特征

圖2 1957～2001年氣候平均的北太平洋西部（a、d）、中部（b、e）以及東部（c、f）區(qū)域平均的天氣尺度位勢高度濾波方差的緯度—高度剖面圖：（a–c）冬季；（d–f）夏季。等值線間隔：8.0 dagpm2Fig.2 Pressure–latitude cross sections of climatologically and regionally mean synoptic geopotential height variance over (a, d) western，(b, e) central, and (c,f) eastern North Pacific storm track during 1957–2001: (a–c) Winter; (d–f) summer.Contour interval: 8.0 dagpm2

圖3 同圖2，但為擾動動能，等值線間隔：8.0 m2 s–2Fig.3 Same as Fig.2, but for disturbed kinetic energy at contour interval of 8.0 m2 s–2

圖4 同圖2，但為動量輸送，等值線間隔：2.0 m2 s–2Fig.4 Same as Fig.2, but for momentum transport at contour interval of 2.0 m2 s–2

目前，利用經驗正交函數(shù)（EOF）分解方法來研究風暴軸之變化的研究雖然已有很多（如Lau，1988；朱偉軍和孫照渤，2000；Wettstein and Wallace，2010；朱偉軍和李瑩，2010），但基本上都是針對整體的風暴軸來進行的。而由第3節(jié)的討論結果顯示，北太平洋風暴軸在水平結構上是有差異的，特別是在其東部區(qū)域，風暴軸有1/3概率可以出現(xiàn)最強中心，因此，能否可以通過對比不同區(qū)域的EOF結果來揭示一些新的事實正是本節(jié)討論的目的。

圖5 同圖2，但為向極熱量輸送，等值線間隔：1.0（a–c）和0.5（d–f） K m s–1Fig.5 Same as Fig.2, but for meridional heat transport at contour intervals of (a–c) 1.0 and (d– f) 0.5 K m s–1

圖6 同圖2，但為向上熱量輸送，等值線間隔：0.02 (a–c) 和0.01 (d–f) K Pa s–1Fig.6 Same as Fig.2, but for vertical heat transport at contour intervals of (a–c) 0.02 and (d–f) 0.01 K Pa s–1

下面，我們以500 hPa位勢高度濾波方差場作為代表來對北太平洋風暴軸進行 EOF分析?？紤]到風暴軸的東西擺動和季節(jié)南北跳躍以及對比需要，本文 EOF分解的區(qū)域為：北太平洋地區(qū)西部（30°N～60°N，120°E～160°E）、中部（30°N～60°N，160°E～160°W）、東部（30°N～60°N，160°W～120°W）和整體（30°N～60°N，120°E～120°W）四個區(qū)域；時間為：1957年12月～2001年11月44年的冬季（132個月）和夏季（132個月），此時沒有單獨強調東部型風暴軸；1957年12月～2001年11月44年里出現(xiàn)東部型風暴軸的冬季（31個月）和夏季（52個月），此時僅單獨強調了東部型風暴軸。

表3和表4分別給出了冬季和夏季EOF分解的前三個模態(tài)的解釋方差，因為前兩個模態(tài)已解釋了大部分的方差，所以后文的討論僅限于前兩個模態(tài)。圖 7～9（圖 10～12）則給出了冬季（夏季）EOF結果的前兩個模態(tài)分布及其對應的時間系數(shù)以及回歸結果，圖中陰影區(qū)分別對應了各自時間段氣候平均的風暴軸位置。

表3 冬季北太平洋各區(qū)域風暴軸EOF展開的前三個模態(tài)的解釋方差（其中括號內外的數(shù)據(jù)分別對應于有無單獨強調東部型風暴軸的結果）Table 3 Explained variance of the first three EOF modes over different areas of the North Pacific storm track during winter (Values in/out of the brackets indicate the situation with/without only considering of the eastern type of storm tracks)

5.1 冬季狀況

下面先來考察冬季狀況（圖 7、8）。在沒有單獨強調東部型風暴軸的情況下，EOF結果的第一模態(tài)反映出北太平洋風暴軸在西部（圖7a1）、中部（圖7a2）和整體（圖7a4）三個區(qū)域的空間變化分布幾乎一致，即在各自的氣候平均位置處一致增強或減弱；而在東部區(qū)域，第一模態(tài)則表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置南北相反的偶極子變化型（圖7a3）。與此相反，EOF結果的第二模態(tài)雖也反映出風暴軸在西部（圖 8a1）、中部（圖 8a2）和整體（圖 8a4）三個區(qū)域的空間變化分布幾乎一致，但卻是在氣候平均位置南北的反位相變化；而在東部區(qū)域，第二模態(tài)則表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置處（略偏南）一致增強或減弱（圖8a3）。

表4 夏季北太平洋各區(qū)域風暴軸EOF展開的前三個模態(tài)的解釋方差（其中括號內外的數(shù)據(jù)分別對應于有無單獨強調東部型風暴軸的結果）Table 4 Explained variance of the first three EOF modes over different areas of the North Pacific storm track during summer (Values in/out of the brackets indicate the situation with/without only considering of the eastern type of storm tracks)

而在僅單獨強調東部型風暴軸的情況下，與沒有單獨強調東部型風暴軸的情況相比，就北太平洋西部、中部和整體三個區(qū)域來講，兩者EOF分析的結果非常相似，即第一模態(tài)反映了風暴軸在各自氣候平均位置附近一致增強或減弱的變化（圖 7b1、b2、b4），第二模態(tài)反映了風暴軸在氣候平均位置南北的反位相變化（圖8b1、b2、b4），只是單獨考慮東部型風暴軸與否，風暴軸的氣候平均位置也有相應的變化而已；而對北太平洋東部區(qū)域而言，兩者EOF分析的結果有所不同，在僅單獨強調東部型風暴軸的情況下，第一模態(tài)（圖7b3）和第二模（圖8b3）都表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置南北相反的偶極子變化型，但此時第一模態(tài)似乎更突出了風暴軸在氣候平均位置北面的變化幅度，第二模態(tài)則更突出了風暴軸在氣候平均位置南面的變化幅度。

圖9為冬季北太平洋東部區(qū)域EOF結果的前兩個模態(tài)所對應的時間系數(shù)分別回歸到500 hPa位勢高度濾波方差場的結果。通過對比圖7、圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，在冬季，無論單獨強調東部型風暴軸與否，北太平洋東部區(qū)域EOF結果第一模態(tài)時間系數(shù)的回歸分布（圖 9a、c）都與相應北太平洋整體區(qū)域EOF結果的第二模態(tài)分布（圖8a4、b4）非常相似，而北太平洋東部區(qū)域EOF結果第二模態(tài)時間系數(shù)的回歸分布（圖 9b、d）則都與相應北太平洋整體區(qū)域 EOF結果的第一模態(tài)分布非常相似（圖7a4、b4）。

5.2 夏季狀況

圖7 冬季北太平洋 (a1、b1) 西部、(a2、b2) 中部、(a3、b3) 東部和 (a4、b4) 整體區(qū)域500 hPa位勢高度濾波方差EOF展開結果的第一模態(tài)及其（a5，b5）時間系數(shù):（a1、a2、a3、a4、a5）無僅單獨強調東部型風暴軸；（b1、b2、b3、b4、b5）僅單獨強調東部型風暴軸。陰影區(qū)為各區(qū)域相應時段氣候平均的風暴軸位置，淺色（深色）陰影表示風暴軸強度＞18（24）dagpm2Fig.7 The first EOF modes of 500-hPa geopotential height variance over (a1, b1) western, (a2, b2) central, (a3, b3) eastern, and (a4, b4) entire storm track during winter, and (a5, b5) their time coefficients: (a1, a2, a3, a4, a5) Without only considering of the eastern type of storm tracks; (b1, b2, b3, b4, b5) only considering of the eastern type of storm tracks.Shaded area refers to as the climatologically mean position of the relative storm track, with light (dark) shaded areas showing the track intensity larger than 18 (24) dagpm2

圖8 同圖7，但為冬季第二模態(tài)及其時間系數(shù)Fig.8 Same as Fig.7, but for the second modes and their time coefficients during winter

圖9 冬季北太平洋東部區(qū)域EOF結果的第一模態(tài)（a、c）和第二模態(tài)（b、d）時間系數(shù)回歸的500 hPa位勢高度濾波方差的空間分布。（a、b）無僅單獨強調東部型風暴軸；（c、d）僅單獨強調東部型風暴軸。等值線間隔：1.0 dagpm2；淺色（深色）陰影表示通過95%（99%）的顯著性檢驗Fig.9 Regressions of the time coefficients of the first (a, c) and second (b, d) EOF modes for the eastern Pacific area on the synoptic 500-hPa geopotential height variance during winter (contour interval: 1.0 dagpm2): (a, b) Without only considering of the eastern type of storm tracks; (c, d) only considering of the eastern type of storm tracks.Light (dark) shading shows correlation values with confidence level larger than 95% (99%)

下面再來考察夏季狀況（圖10、11）。在沒有單獨強調東部型風暴軸的情況下，與冬季情況不同的是，夏季EOF結果的第一模態(tài)雖也反映出北太平洋風暴軸在西部（圖10a1）、中部（圖10a2）和整體（圖10a4）三個區(qū)域的空間變化分布幾乎一致，但此時反映的是風暴軸在氣候平均位置偏西北和偏東南方向的反位相變化，并且似乎更突出了風暴軸在氣候平均位置偏西北方向的變化幅度；而在東部區(qū)域，第一模態(tài)則表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置處（略偏南）一致增強或減弱（圖 10a3）。與此相反，EOF結果的第二模態(tài)雖也反映出風暴軸在西部（圖11a1）、中部（圖11a2）和整體（圖11a4）三個區(qū)域的空間變化分布幾乎一致，即在氣候平均位置偏西北和偏東南方向的反位相變化，但此時卻似乎更突出了風暴軸在氣候平均位置偏東南方向的變化幅度；而在東部區(qū)域，第二模態(tài)則表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置南北的反位相變化（略呈西北—東南向）（圖11a3）。

而在僅單獨強調東部型風暴軸的情況下，夏季北太平洋西部、中部、東部和整體四個區(qū)域的EOF分析結果非常一致，即第一模態(tài)反映了風暴軸在各自氣候平均位置處一致增強或減弱的變化（圖10b1、b2、b3、b4），第二模態(tài)則反映了風暴軸在氣候平均位置南北的反位相變化（圖11b1、b2、b3、b4）。

圖10 同圖7，但為夏季第一模態(tài)及其時間系數(shù)，圖中淺色（深色）陰影表示風暴軸強度＞6（10）dagpm2Fig.10 Same as Fig.7, but for the first modes and their time coefficients during summer with light (dark) shaded areas showing the track intensity larger than 6 (10) dagpm2

圖11 同圖10，但為夏季第二模態(tài)及其時間系數(shù)Fig.11 Same as Fig.10, but for the second modes and their time coefficients during summer

圖12為夏季北太平洋東部區(qū)域EOF結果的前兩個模態(tài)所對應的時間系數(shù)分別回歸到500 hPa位勢高度濾波方差場的結果。通過對比圖 10、圖 11和圖 12可以發(fā)現(xiàn)，與冬季情況相似，夏季在沒有單獨強調東部型風暴軸的情況下，北太平洋東部區(qū)域EOF結果第一模態(tài)時間系數(shù)的回歸分布（圖12a）也與相應北太平洋整體區(qū)域 EOF結果的第二模態(tài)分布（圖 11a4）非常相似，而北太平洋東部區(qū)域EOF結果第二模態(tài)時間系數(shù)的回歸分布（圖12b）則與相應北太平洋整體區(qū)域 EOF結果的第一模態(tài)分布非常相似（圖 10a4）。而在單獨強調東部型風暴軸的情況下，夏季不再出現(xiàn)模態(tài)交叉對應，即北太平洋東部區(qū)域 EOF結果第一模態(tài)時間系數(shù)的回歸分布（圖12c）與相應北太平洋整體區(qū)域EOF結果的第一模態(tài)分布（圖10b4）非常相似，而北太平洋東部區(qū)域 EOF結果第二模態(tài)時間系數(shù)的回歸分布（圖12d）則與相應北太平洋整體區(qū)域EOF結果的第二模態(tài)分布非常相似（圖11b4）。

以上結果表明，在不同季節(jié)、不同區(qū)域以及是否單獨考慮東部型風暴軸的情況下，北太平洋風暴軸的EOF分析結果雖然表現(xiàn)出了一定的差異，但都反映出在北太平洋東部區(qū)域風暴軸的變化特征有一些獨特特點，如在該區(qū)域風暴軸的主要變化模態(tài)并不一定時時與其他區(qū)域的主要變化模態(tài)一一對應。因此，是什么原因導致北太平洋東部區(qū)域風暴軸的獨特變化？是內部因素（如Lau，1978，1979；Hoskins and Valdes，1990；Chang et al.，2002；等）還是外強迫因素（如朱偉軍和孫照渤，2000；朱偉軍和李瑩，2010；等）？目前尚不十分清楚，值得在以后的研究中深入探討。

圖12 同圖9，但為夏季。等值線間隔：（a、b）0.2 dagpm2，（c、d）0.5 dagpm2Fig.12 Same as Fig.9, but for summer with contour intervals of (a, b) 0.2 and (c, d) 0.5 dagpm2

6 結論

本文利用ECMWF逐日再分析資料（ERA-40），以500 hPa位勢高度濾波方差為代表，對1957年12月～2001年11月期間44年528個月北太平洋區(qū)域（30°N～60°N，120°E～120°W）月平均風暴軸的多中心數(shù)目和最強中心位置進行了客觀統(tǒng)計，在此基礎上，對北太平洋區(qū)域進行了分區(qū)，通過對比各區(qū)域風暴軸的時間演變和結構變化，重點揭示了北太平洋東部地區(qū)風暴軸的時空演變特征。主要結論如下：

（1）逐月來看，北太平洋風暴軸“多中心”現(xiàn)象普遍存在，概率高達94.7%，最典型的分布呈2～3個中心分布。從季節(jié)上來看，春季是“多中心”現(xiàn)象最容易出現(xiàn)的季節(jié)，秋季和冬季相對較少，而4個及以上的“多中心”現(xiàn)象則更容易出現(xiàn)在夏季。

（2）若把最強中心出現(xiàn)在160°W以東地區(qū)的北太平洋風暴軸定義為東部型風暴軸，那么從月份上來看，7月相對最容易出現(xiàn)東部型風暴軸，1月和2月最難；從季節(jié)上來看，夏季相對最容易出現(xiàn)東部型風暴軸，冬季最難；總的來看，出現(xiàn)東部型風暴軸的頻數(shù)大約占總頻數(shù)的三分之一。

（3）按照本文的分區(qū)，從垂直結構上看，東部型風暴軸的結果顯示，在北太平洋 160°W 以東地區(qū)，風暴軸的強度（天氣尺度位勢高度方差和擾動動能）可以最強，但與斜壓性密切聯(lián)系的渦動向極和向上熱量通量的最大值卻并不是最強。

（4）EOF分析的結果表明，在不同季節(jié)、不同區(qū)域以及是否單獨考慮東部型風暴軸的情況下，風暴軸的變化雖然表現(xiàn)出了一定的差異，但都反映出在北太平洋東部區(qū)域風暴軸的變化特征有其獨特特點。具體來講，冬季：在北太平洋風暴軸東部區(qū)域，在沒有單獨強調東部型風暴軸的情況下，第一模態(tài)表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置南北相反的偶極子變化型，第二模態(tài)表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置處（略偏南）一致增強或減弱，而在僅單獨強調東部型風暴軸的情況下，第一模態(tài)和第二模態(tài)都表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置南北相反的偶極子變化型，但此時第一模態(tài)似乎更突出了在氣候平均位置北面的變化幅度，第二模態(tài)則更突出了在氣候平均位置南面的變化幅度；與此相反，無論有無單獨強調東部型風暴軸，此時在北太平洋風暴軸西部、中部和整體三個區(qū)域，第一模態(tài)都一致表現(xiàn)為風暴軸在各自氣候平均位置處一致增強或減弱，第二模態(tài)都表現(xiàn)為風暴軸在各自氣候平均位置南北的反位相變化。夏季：在北太平洋風暴軸東部區(qū)域，無論有無單獨強調東部型風暴軸，第一模態(tài)都表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置處（略偏南）一致增強或減弱，第二模態(tài)都表現(xiàn)為風暴軸在氣候平均位置南北的反位相變化（略呈西北—東南向）；而此時在北太平洋風暴軸西部、中部和整體三個區(qū)域，在僅單獨強調東部型風暴軸的情況下，其EOF分析結果與東部區(qū)域一致，而在沒有單獨強調東部型風暴軸的情況下，第一模態(tài)和第二模態(tài)都反映的是風暴軸在氣候平均位置偏西北和偏東南方向的反位相變化，但此時第一模態(tài)似乎更突出了在氣候平均位置偏西北方向的變化幅度，而第二模態(tài)則似乎更突出了在氣候平均位置偏東南方向的變化幅度。

值得指出的是，本文雖揭示了北太平洋東部風暴軸許多獨特的時空演變特征，但對其成因和機理并沒有太多涉及，這有待于下一步進行深入研究。

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