春季歐亞—北太平洋上空大氣質(zhì)量遷移規(guī)律及其對中國同期氣候異常的可能影響

奚子惠 管兆勇張茜陳丹萍

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春季歐亞—北太平洋上空大氣質(zhì)量遷移規(guī)律及其對中國同期氣候異常的可能影響

奚子惠1, 2, 3管兆勇1, 2張茜1, 2陳丹萍1, 2

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044;2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，南京210044;3江蘇省海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心，南京210036

利用1979～2013年NCEP/NCAR月平均再分析資料及NOAA研究中心的CMAP（CPC Merged Analysis of Precipitation）月平均降水資料，通過定義歐亞—北太平洋間大氣質(zhì)量遷移指數(shù)MAMEP，分析了春季歐亞—北太平洋上空大氣質(zhì)量遷移（MAMEP, Migration of Atmospheric Mass over Regions between Eurasia and North Pacific）的年際變化規(guī)律及其與同期中國氣候異常的聯(lián)系。結(jié)果表明：在北半球中高緯度存在一個緯向分布的歐亞—北太平洋遙相關(guān)型，且其可能對中國同期氣候異常的形成具有重要影響。春季MAMEP指數(shù)具有顯著的長期趨勢，同時還具有2～4年及5～7年的振蕩周期及明顯的年代際變化特征。垂直環(huán)流和波動運動對歐亞—北太平洋間大氣質(zhì)量遷移具有重要作用。大氣質(zhì)量在歐亞西部低層異常輻合，高層異常輻散，在中、西太平洋地區(qū)低層異常輻散，高層異常輻合，在緯向上構(gòu)成了順時針的垂直環(huán)流圈，將西北太平洋地區(qū)的大氣質(zhì)量變動與歐亞大陸上空的變動聯(lián)系了起來。另外，來自西歐大陸的波擾能量可傳播至北太平洋，有利于這些區(qū)域上空位勢高度異常擾動的維持。MAMEP與春季同期降水及地表氣溫異常關(guān)系密切。MAMEP為正時，東亞以北地區(qū)、鄂霍次克海西岸以及西歐沿岸降水顯著減少，歐亞西部及我國華北地區(qū)降水顯著增加。850 hPa上西伯利亞受反氣旋式環(huán)流控制，太平洋上空受氣旋式環(huán)流控制，引起歐亞大陸北部地表顯著增溫，西伯利亞以東、我國東北、華北—江淮地區(qū)及韓國、日本南部地表顯著降溫。西歐—我國西北部分地區(qū)大面積顯著降溫現(xiàn)象與這兩個地區(qū)受異常反氣旋東側(cè)的偏北氣流影響有關(guān)。這些結(jié)果有利于人們更深刻認(rèn)識區(qū)域春季氣候異常形成機理。

大氣質(zhì)量遷移 歐亞—北太平洋遙相關(guān) 氣候異常 春季 中國

1 引言

眾所周知，地表氣壓作為描寫氣候系統(tǒng)的重要參數(shù)，其演變可反映大氣質(zhì)量的時空分布，而大氣質(zhì)量分布異常對大氣環(huán)流的變化又有著重要影響（Lorenz, 1951; Christy et al., 1989）。近年來，隨著全球氣候觀測系統(tǒng)（Global Climate Observing System, GCOS）和數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的不斷完善，不少學(xué)者開始利用高質(zhì)量的觀測資料和再分析資料對全球及半球間大氣質(zhì)量變化進行分析。Trenberth（1981）、Trenberth and Christy（1985）、Trenberth and Guillemot（1994）和Trenberth and Smith（2005）根據(jù)全球大氣中干空氣質(zhì)量的守恒性揭示出，全球水汽質(zhì)量和大氣質(zhì)量兩者的變化位相及年變程一致，均存在顯著年循環(huán)：全球大氣質(zhì)量在8月份最大，1月份達到最小。

由于ENSO、越赤道氣流以及Hadley環(huán)流的季節(jié)變化，在南北半球之間可發(fā)生大氣質(zhì)量的顯著遷移（Bowman and Cohen, 1956; Chen et al., 1997; Baldwin, 2001; Zhao and Li, 2006）。Guan and Yamagata（2001）通過分析地表氣壓場時間序列發(fā)現(xiàn)了南北濤動（IHO, Interhemispheric Oscillations），反映了南北半球大氣質(zhì)量年際異常的反位相分布特征。IHO具有明顯的季節(jié)循環(huán)，這種季節(jié)變化與中緯度大氣質(zhì)量變動相關(guān)（盧楚翰等, 2008）。兩半球間大氣質(zhì)量交換從長時間來看基本上是平衡的，其季節(jié)變化特征表現(xiàn)為半年周期，且具有顯著的十年際變化（張燕等，2008）。利用NCEP/NCAR、ERA-40和JRA25三種資料計算過去50年IHO指數(shù)探討其年際的季節(jié)變化得到一致的結(jié)果，并且在四個季節(jié)中，南北半球的地表氣壓異常均出現(xiàn)南北“蹺蹺板”現(xiàn)象（Guan et al., 2010）。盧楚翰和管兆勇（2009）針對春季去除北極濤動（AO，Arctic Oscillation）和南極濤動（AAO，Antarctic Oscillation）信號的大氣南北濤動的年際變化做了相關(guān)工作，進一步指出：春季IHO表現(xiàn)為兩半球中高緯地區(qū)大氣質(zhì)量間的“蹺蹺板”分布，且垂直環(huán)流結(jié)構(gòu)一致，春季IHO還與我國同期氣候變動聯(lián)系密切。而夏季IHO主要對30°S～60°N緯度帶及南極地區(qū)的大氣異常質(zhì)量分布有著較大的方差貢獻，對這些區(qū)域的大氣質(zhì)量輸送及水汽通量有顯著影響，同時與這些區(qū)域的海平面氣壓場變化顯著相關(guān)。此外夏季IHO與對流層中低層大氣環(huán)流以及東亞夏季風(fēng)異常亦存在顯著聯(lián)系（盧楚翰等，2010）。從年代際尺度上PDO（Pacific Decadal Oscillation）、IHO和東亞季風(fēng)三者之間還存在緊密聯(lián)系（盧楚翰等，2013），其中PDO和IHO對全球大范圍氣溫和氣壓異常上有一致的影響。

全球大氣質(zhì)量是基本守恒的，由于太陽輻射的季節(jié)變化以及下墊面顯著的熱力性質(zhì)差異，大氣質(zhì)量除了在南北半球間輸送，還會在各大陸與海洋之間重新分布。楊鑑初（1956）就曾發(fā)現(xiàn)亞洲與太平洋兩區(qū)大氣質(zhì)量的月際變化大都成相反現(xiàn)象，并指出海陸間熱力性質(zhì)差異引起的海陸間大氣質(zhì)量的輸送隨季節(jié)發(fā)生改變。胡潮等（2014，2015）利用再分析資料和CMIP5模式資料針對北半球分析了大洋與大陸區(qū)域大氣質(zhì)量重新分布的季節(jié)循環(huán)特征，揭示出海陸間大氣質(zhì)量遷移的季節(jié)性變化機制。海陸間的熱力差異既促使了季風(fēng)的形成，亦推動了大氣質(zhì)量在海陸上空遷移的季節(jié)循環(huán)，并且大氣質(zhì)量堆積和虧損的維持還與大氣質(zhì)量通量散度以及蒸發(fā)和降水之差有關(guān)。

然而，盡管研究南北半球間大氣質(zhì)量輸送的工作已有不少，但研究北半球大洋和大陸之間大氣質(zhì)量遷移的工作卻不多，研究春季北半球海陸間大氣質(zhì)量遷移規(guī)律及其對中國同期氣候異常的影響更是少之又少。春季作為冬夏季風(fēng)更替的過渡季節(jié)，也是大氣質(zhì)量重新分布的活躍季節(jié)（Trenberth et al., 1987; Chen et al., 1997; 盧楚翰和管兆勇, 2009），春季的大氣質(zhì)量交換過程又有何特征？為此，本文將以歐亞大陸和北太平洋作為研究的關(guān)鍵區(qū)，利用再分析資料重點討論春季歐亞—北太平洋上空大氣質(zhì)量的遷移規(guī)律以及與我國氣候的聯(lián)系。

2 資料和方法

2.1 資料

本文選取NCEP/NCAR提供的再分析數(shù)據(jù)集（Kalnay et al., 1996），垂直方向17層，要素包括逐月平均地表氣壓（s）、水平風(fēng)場（,）、垂直速度（）、比濕（）、位勢高度（）、地表氣溫（）等，此外還使用了NOAA研究中心的CMAP（CPC Merged Analysis of Precipitation）逐月平均降水資料。以上資料水平網(wǎng)格分辨率均為2.5°×2.5°，覆蓋時段為1979～2013年春季（3月、4月、5月的平均）。

2.2 方法

地表氣壓（s）是描述環(huán)流系統(tǒng)變化的重要參數(shù)（Toumi et al., 1999），同時也是大氣質(zhì)量的重要表征量，其變化可大致反映大氣柱中大氣質(zhì)量的變化。文中利用地表氣壓s（除去地形因素影響），求各個格點春季的距平值sa，得到春季距平場的時間序列，即，其中，是地表氣壓s的35年春季的氣候平均。北半球大氣質(zhì)量變化包括其內(nèi)部變化及南北半球間的質(zhì)量交換（IHO）。為研究北半球內(nèi)部自身的變化，需扣除南半球變化帶來的影響。文中采用一元線性回歸的方法濾除大氣質(zhì)量的南北交換部分，用s′來表征北半球海陸上空大氣質(zhì)量的異常。公式如下：

假設(shè)南北半球際大氣質(zhì)量交換不存在，則北半球大氣質(zhì)量基本守恒（水汽變化的影響非常?。Ｓ捎谔栞椛涞募竟?jié)變化以及海陸下墊面熱容量的差異，因而北半球大氣質(zhì)量將在海陸間發(fā)生顯著遷移。分別選定陸地和海洋上的關(guān)鍵區(qū)域Land-K和Ocean-K，將陸地和海洋上空關(guān)鍵區(qū)面積權(quán)重平均的表面氣壓異常分別進行標(biāo)準(zhǔn)化，用兩者之差來構(gòu)建春季陸地—海洋間大氣質(zhì)量遷移（或稱為春季陸地—海洋間大氣質(zhì)量振蕩）指數(shù)MAMLO，表達式為

其中，

式中，“*”表示標(biāo)準(zhǔn)化處理。MAMLO為正（負(fù)）時，表示大氣質(zhì)量在陸地上空異常堆積（虧損），而在海洋上空異常虧損（堆積），大氣質(zhì)量可能由海洋（陸地）向陸地（海洋）遷移。

為研究北半球春季大氣質(zhì)量在海陸間的輸送特征，根據(jù)胡潮等（2014）給出的公式計算了質(zhì)量平均的大氣質(zhì)量流。公式如下：

本文還計算了波作用通量，采用的是Takaya and Nakamura（1997, 2001）推導(dǎo)出的包含緯向非均勻基本流的計算公式來描述定常Rossby波的能量傳播特征。該通量（簡稱T-N通量）在WKB（Wentzel-Kramers-Brillouin）近似假定下與波位相無關(guān)，且與定常Rossby波列的局地群速度方向一致，反映了Rossby群波能量的頻散方向。其水平分量在對數(shù)氣壓坐標(biāo)中的計算公式為

3 春季歐亞—北太平洋間大氣質(zhì)量遷移年際變化特征與典型年份選取

3.1 春季歐亞—北太平洋上空大氣質(zhì)量遷移指數(shù)的定義

為了分析春季北半球陸地上空大氣質(zhì)量的分布特征，依據(jù)前面的公式，首先將面積權(quán)重平均的陸地地表氣壓異常與北半球地表氣壓距平s′作相關(guān)分析（圖1）?？煽闯龀饲嗖馗咴貐^(qū)以外，陸地絕大部分地區(qū)上空大氣質(zhì)量與s′成正相關(guān)關(guān)系，地表氣壓異常升高（降低）時，大氣質(zhì)量在陸地上空異常堆積（虧損）。歐亞大陸50°N～62.5°N之間有一個高值帶，高值中心位于貝加爾湖以北，相關(guān)系數(shù)超過0.5。選取歐亞大陸上相關(guān)系數(shù)大值區(qū)為關(guān)鍵區(qū)（簡稱EC區(qū)域，如圖1a黑框所示），范圍為（50°N～62.5°N，82.5°E～125°E）。為了進一步探討大氣質(zhì)量在歐亞大陸和北太平洋上空的分布特征，本文以EC區(qū)域為研究對象，計算其上空面積權(quán)重平均的地表氣壓異常和北半球地表氣壓距平s′的相關(guān)系數(shù)，尋找北太平洋上空與EC區(qū)域關(guān)系最密切的地區(qū)。由圖1b發(fā)現(xiàn)在北太平洋（45°N～62.5°N，157.5°E～180°E）范圍內(nèi)（簡稱NP區(qū)域，如圖1b右邊黑框所示）存在與s′顯著負(fù)相關(guān)區(qū)，最大值中心位于鄂霍次克海以東的洋面上，相關(guān)系數(shù)超過?0.4，EC區(qū)域表現(xiàn)為與s′顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.9以上。

實際上，歐亞和北太平洋區(qū)域的反相關(guān)關(guān)系體現(xiàn)了地表氣壓距平緯向波動的變化，這種波動有別于諸如北極濤動AO現(xiàn)象等的南北方向的振蕩。為反映北半球中高緯度上歐亞—北太平洋區(qū)域呈現(xiàn)出的這種緯向的反位相分布特征，本文根據(jù)（3）式構(gòu)建的指數(shù)具體化至所用關(guān)鍵區(qū)上的氣壓變化來定義：

依據(jù)（8）式計算得到序列。當(dāng)MAMEP為正值時，表示大氣質(zhì)量在歐亞大陸上空堆積，在北太平洋上空虧損；反之，當(dāng)MAMEP為負(fù)值時，大氣質(zhì)量在歐亞大陸上空虧損，而在北太平洋上空堆積。

通過將地表氣壓距平s′作EOF分析（圖略），第一模態(tài)顯示出北極濤動AO的空間特征，而第二模態(tài)的空間分布與歐亞—太平洋地區(qū)大氣質(zhì)量遷移（MAMEP）的空間結(jié)構(gòu)相似，其時間系數(shù)序列與MAMEP的相關(guān)達0.77，表示這一模態(tài)與歐亞—北太平洋大氣質(zhì)量遷移存在緊密聯(lián)系。通過計算指數(shù)MAMEP和s′的相關(guān)系數(shù)可得（圖2a），歐亞大陸和北太平洋呈反位相分布，且高值中心分別在EC和NP區(qū)域內(nèi)，分別達到0.8和?0.8以上，負(fù)相關(guān)性顯著（通過95%的信度檢驗），指數(shù)定義合理。

圖1 北半球春季地表氣壓距平ps′與（a）面積權(quán)重平均的陸地地表氣壓異常MLand和（b）面積權(quán)重平均的EC區(qū)域上空地表氣壓異常MEC的相關(guān)分布。帶點區(qū)域表示正/負(fù)相關(guān)通過95%的信度檢驗

圖2 （a）北半球春季IMAMEP與同期北半球地表氣壓距平ps′的相關(guān)分布，帶點區(qū)域表示正/負(fù)相關(guān)通過95%的信度檢驗。（b）北半球春季標(biāo)準(zhǔn)化的MEC（紅色空心柱）、MNP（藍色實心柱）、IMAMEP（黑色實線，已濾去趨勢；黑色虛線表示其9年滑動平均值）時間序列

3.2 指數(shù)的年際變化特征及典型年份的選取

為了考察EC和NP兩關(guān)鍵區(qū)上空大氣質(zhì)量的長期演變特征，給出了兩關(guān)鍵區(qū)大氣質(zhì)量的時間序列變化（圖2b），兩區(qū)域的時間序列呈反相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達?0.4（濾除線性趨勢后為?0.35）。MAMEP呈下降趨勢，其回歸系數(shù)為?0.034，表明歐亞大陸上空大氣質(zhì)量有逐漸減少而中高緯北太平洋上空大氣質(zhì)量有逐漸增加的趨勢。為了清楚地表示MAMEP的年際變化特征，將MAMEP濾除線性趨勢后再進行標(biāo)準(zhǔn)化，得到年際變化曲線（圖2b）?？煽闯龃杭綧AMEP指數(shù)在時間變化上存在明顯的年際變化特征。通過小波及功率譜分析顯示（圖3），MAMEP存在2～4年及5～7年的周期變化。由其9年滑動平均值還可以看出在2002年之前存在明顯的年代際變化。

圖3 春季IMAMEP的（a）Morlet小波變換系數(shù)和（b）功率譜密度（實線）。圖a中陰影區(qū)表示通過90%的信度檢驗，帶點區(qū)域為小波變換受邊界影響區(qū)。圖b中虛線為紅噪聲譜

為進一步分析環(huán)流變化，根據(jù)濾除了線性趨勢且經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的MAMEP時間序列，挑選出MAMEP≥|1σ|（σ表示標(biāo)準(zhǔn)差）的7年典型正異常年及5年典型負(fù)異常年（表1）。下面將對這些年的有關(guān)要素進行合成分析（正異常年的平均減去負(fù)異常年的平均）。需要說明的是，在進行任一變量的合成前，均扣除了其長期趨勢。

表1 IMAMEP典型正/負(fù)異常年的選取

4 春季IMAMEP典型正/負(fù)異常年環(huán)流異常

4.1 大氣質(zhì)量流異常特征

大氣質(zhì)量流不僅可以直觀地顯示大氣質(zhì)量的源與匯以及遷移方向，還與地表氣壓變化關(guān)系密切。質(zhì)量流的輻合有利于維持局部地區(qū)上空大氣質(zhì)量的堆積，使得地表氣壓升高，反之，其輻散則有利于維持局部地區(qū)上空大氣質(zhì)量的虧損，引起地表氣壓降低。為進一步研究歐亞大陸—北太平洋間大氣質(zhì)量的空間分布及交換特征，根據(jù)公式（6）計算了大氣質(zhì)量流及質(zhì)量通量散度，并作了合成分析。如圖4a所示，在對流層中低層，大氣質(zhì)量流在中西太平洋及貝加爾湖以西地區(qū)異常輻散，輻散氣流向西繞過青藏高原流經(jīng)歐亞大陸在亞洲西部異常輻合，與輻散場相對應(yīng)，亞洲西部異常輻合區(qū)存在氣旋性環(huán)流異常，中西太平洋和貝加爾湖以西的異常輻散區(qū)附近有反氣旋性環(huán)流異常。500 hPa以上的分布情況在輻散場上與對流層中低層相反，大氣質(zhì)量流在亞洲西部異常輻散，輻散氣流向東流經(jīng)歐亞在西伯利亞及西太平洋上空異常輻合。無輻散環(huán)流顯示在對流層上層和下層環(huán)流異常在垂直方向上表現(xiàn)一致，為相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。由于無輻散場對大氣質(zhì)量的輸送通常比輻散場的輸送要大，從無輻散場上可以看出歐亞大陸上空大氣質(zhì)量環(huán)流與北太平洋上空大氣質(zhì)量環(huán)流呈“齒輪式”聯(lián)系，這在整個對流層內(nèi)均如此。大氣質(zhì)量流的旋轉(zhuǎn)和輻散分量的空間分布均表明了歐亞大陸和北太平洋間的確存在質(zhì)量交換。

4.2 垂直環(huán)流異常特征

除了質(zhì)量流之外，垂直環(huán)流也可以反映大氣運動在海陸間的聯(lián)系。圖5給出了位勢高度和緯向環(huán)流的合成差值垂直剖面，在緯向上歐亞—北太平洋上空存在一個順時針環(huán)流圈。歐亞大陸西部上空存在深厚的上升氣流，西太平洋上空存在強烈的下沉氣流。在位勢高度場上，歐亞大陸西部和北太平洋上空的異常低壓系統(tǒng)延伸至對流層整層，呈相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)，這些與大氣質(zhì)量流的高低層輻散場以及系統(tǒng)配置相吻合。大氣質(zhì)量在歐亞西部低層異常輻合，高層異常輻散，其上空的異常低壓系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的上升氣流，補償了高層的異常輻散，構(gòu)成緯向環(huán)流的上升支；而大氣質(zhì)量在西太平洋低層異常輻散，高層異常輻合，北太平洋上空異常的低壓系統(tǒng)使得其西側(cè)產(chǎn)生下沉氣流，補償了低層的異常輻散，構(gòu)成緯向環(huán)流的下沉支。輻散風(fēng)場在對流層高、低層通過垂直運動互相補償?？梢姡瑲W亞大陸和北太平洋上空大氣質(zhì)量的異常堆積和虧損的維持與他們上空異常的垂直運動有著密切的聯(lián)系。同時，在80°E～120°E間的質(zhì)量環(huán)流下沉支是該區(qū)域西側(cè)及東側(cè)垂直環(huán)流圈的共同支，體現(xiàn)了西歐地區(qū)、北太平洋地區(qū)環(huán)流變化與EC區(qū)域存在著密切地聯(lián)系。

圖5 春季IMAMEP典型正/負(fù)異常年間20°N～60°N上平均的位勢高度（等值線，單位：gpm）和垂直環(huán)流[箭頭，水平方向取輻散風(fēng)緯向分量（單位：m s?1），垂直速度單位：10?2 Pa s?1]的合成差值垂直剖面。粗箭頭表示垂直環(huán)流通過90%的信度檢驗；陰影區(qū)表示地形

4.3 波作用通量

為進一步揭示緯向異常垂直環(huán)流產(chǎn)生和維持的原因，根據(jù)Takaya and Nakamura（1997, 2001）的方法計算了波作用通量矢量的水平分量。從各層波作用通量和位勢高度的合成差值分布亦可見（圖6）大氣呈相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。西歐沿岸、西伯利亞、北美西北部以及中低緯太平洋上空的位勢高度為正異常，亞洲西部和中高緯太平洋上空的位勢高度為負(fù)異常。亞洲西部有來自于西歐沿岸的波擾能量向東南方向的傳播。波擾能量在亞洲西部地中海附近輻合，有利于加強該區(qū)域上空位勢高度異常，使得該區(qū)域位勢高度異常得以維持。自40°E以東，波擾能量存在自西向東的分量并在西北太平洋地區(qū)輻合，對西北太平洋區(qū)域的位勢高度擾動的維持有利。

圖6 春季IMAMEP典型正/負(fù)異常年間波作用通量（箭頭，單位：m2 s?2）和位勢高度（陰影，單位：gpm）的合成差值場：（a）850 hPa；（b）500 hPa；（c）200 hPa。打點區(qū)域表示位勢高度通過90%信度檢驗，粗虛線為緯向風(fēng)零線

另外，在對流層各層上均存在自副熱帶太平洋區(qū)經(jīng)過中高緯太平洋向東北方向的波能傳播，最終在阿拉斯加附近輻合，經(jīng)向上形成并維持高度場異常中心“＋?＋”的分布型，且有利于阿拉斯加上空異常的反氣旋性環(huán)流的維持與加強。

5 與中國同期氣候異常的聯(lián)系

研究表明，緯向行星尺度波動在東亞季風(fēng)的年際、年代際變化中起主導(dǎo)作用，對東亞氣候有著深遠(yuǎn)的影響（Chen et al., 2003, 2005; Takaya and Nakamura, 2013）?？梢灶A(yù)期，上述北半球春季大氣質(zhì)量在歐亞—太平洋間的緯向振蕩現(xiàn)象將對我國氣候異常有著重要的影響。

5.1MAMEP與春季降水的聯(lián)系

水汽是太陽短波輻射和地表長波輻射的主要吸收體，可以影響大氣的熱力狀況，從而推動海陸間大氣質(zhì)量的交換（胡潮等, 2014），同時水汽的源與匯可對當(dāng)?shù)亟邓漠a(chǎn)生有重要影響。由于水汽主要集中在對流層中低層，計算整層積分水汽通量時積分僅從地表氣壓s積分至300 hPa。水汽通量的輻散輻合可以顯示水汽輸送的源與匯。由圖7a所示，MAMEP與春季同期降水存在較好的關(guān)系。MAMEP為正時，在東亞以北地區(qū)、鄂霍次克海西岸以及西歐沿岸出現(xiàn)水汽輻散區(qū)，對應(yīng)當(dāng)?shù)亟邓@著減少，而在歐亞西部及我國華北地區(qū)為水汽輻合區(qū)，水汽分別來自于地中海和熱帶西太平洋洋面上空，造成當(dāng)?shù)亟邓@著增多。MAMEP為負(fù)時，東亞以北地區(qū)、鄂霍次克海西岸的水汽主要來自于中低緯太平洋洋面上空，西歐沿岸的水汽則來自于北大西洋洋面上空（圖略）?？梢姛釒Ш透睙釒ШＱ鬄闅W亞大陸提供了充足的水汽來源，并且水汽輸送的源與匯和降水的分布也很好地對應(yīng)。在緯向方向上，由于水汽的摩爾數(shù)比干空氣中氧氣、氮氣小得多，水汽輻合的地區(qū)大氣密度會減小，輻散的地區(qū)大氣密度會增大，因此對緯向壓力梯度異?？纱嬖谝欢ㄓ绊?，從而利于推動大氣質(zhì)量在海陸間進行交換。這與大氣質(zhì)量流輻散場的分布也是相一致的。

圖7 北半球春季IMAMEP與（a）同期春季CMAP降水量（陰影）、整層水汽通量積分的輻散分量（箭頭）的相關(guān)系數(shù)分布及與（b）地表氣溫（陰影）、850 hPa風(fēng)場旋轉(zhuǎn)分量（流場）的相關(guān)分布。（a）中水汽通量從地表積分至300 hPa。帶點陰影區(qū)域表示正/負(fù)相關(guān)通過95%的信度檢驗

5.2MAMEP與春季地表氣溫的聯(lián)系

因為大氣質(zhì)量交換可使地表氣溫產(chǎn)生異常，春季MAMEP與歐亞大陸春季地表氣溫也有密切聯(lián)系（圖7b）。當(dāng)MAMEP為正時，850 hPa上歐亞大陸和西歐沿岸上空主要受反氣旋式環(huán)流控制，中高緯太平洋上空受氣旋式環(huán)流控制。這三個環(huán)流系統(tǒng)對歐亞大陸的地表氣溫異常產(chǎn)生重要的影響。在西伯利亞反氣旋的西側(cè)，其西南偏暖氣流的北上有助于大氣質(zhì)量從中緯地區(qū)向高緯地區(qū)輸送，引起歐亞大陸北部地表溫度顯著升高，而其東側(cè)的偏南氣流和太平洋上空氣旋式環(huán)流西側(cè)的東北氣流使極地的冷空氣南下，大氣質(zhì)量從極地、高緯地區(qū)向中高緯地區(qū)輸送，有利于中高緯同期冷空氣的加強，這與MAMEP和西伯利亞以東、我國東北、華北—江淮地區(qū)以及韓國、日本南部的地表氣溫呈負(fù)相關(guān)相對應(yīng)。另外受西歐沿岸反氣旋東側(cè)偏北氣流的影響，來自極地和中高緯的冷空氣南擴，大氣質(zhì)量向南遷移，這解釋了當(dāng)MAMEP為正時，西歐至我國西北部分地區(qū)發(fā)生大面積顯著降溫的現(xiàn)象。

6 結(jié)論

利用NCEP/NCAR逐月平均地表氣壓、風(fēng)場、比濕、位勢高度、地表氣溫再分析資料以及CMAP月平均降水資料，對春季歐亞大陸—北太平洋上空大氣質(zhì)量遷移規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明：

（1）在1979～2013年期間，大氣質(zhì)量在歐亞大陸和中高緯太平洋上空呈反位相分布特征，為了描述這種現(xiàn)象，濾除南北半球際的質(zhì)量交換的影響，定義了春季北半球歐亞—北太平洋上空大氣質(zhì)量遷移指數(shù)MAMEP。分析表明，歐亞—太平洋間大氣質(zhì)量遷移具有顯著的長期趨勢。同時還具有2～4年及5～7年的周期變化。在2002年之前還存在明顯的年代際變化特征。

（2）整層積分的大氣質(zhì)量流顯示在歐亞大陸和北太平洋之間存在明顯的質(zhì)量交換。在對流層中低層表現(xiàn)為大氣質(zhì)量在中西太平洋及貝加爾湖以西地區(qū)異常輻散，在亞洲西部異常輻合。500 hPa以上的分布情況在輻散場上與對流層中低層相反。盡管高低層輻散風(fēng)場方向變化大甚至相反，但大氣水平擾動環(huán)境仍呈相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。在緯向上歐亞—北太平洋上空存在一個順時針垂直環(huán)流圈，上升支位于歐亞大陸西部，下沉支位于西太平洋上空。此外來自于西歐沿岸的波擾能量向東南方向傳播，并在地中海、北太平洋附近輻合，利于這些區(qū)域上空位勢高度異常擾動的維持。因此，垂直環(huán)流和波動水平運動在歐亞大陸和西北太平洋大氣質(zhì)量異常遷移中具有重要作用。

（3）MAMEP與春季同期降水及地表氣溫異常關(guān)系密切。MAMEP為正時，東亞以北地區(qū)、鄂霍次克海西岸以及西歐沿岸為水汽輻散區(qū)，降水顯著減少；歐亞西部及我國華北地區(qū)為水汽輻合區(qū)，降水顯著增加。歐亞大陸的水汽主要來源于熱帶和副熱帶洋面上空。850 hPa上西伯利亞反氣旋西側(cè)的大氣質(zhì)量向北輸送使歐亞大陸北部地表顯著增溫，其東側(cè)以及太平洋上空氣旋西側(cè)的大氣質(zhì)量向南輸送則使西伯利亞以東、我國東北、華北—江淮地區(qū)及韓國、日本南部地表顯著降溫。另外西歐—我國西北部分地區(qū)發(fā)生的大面積顯著降溫現(xiàn)象與西歐沿岸反氣旋東側(cè)大氣質(zhì)量的向南遷移有關(guān)。

要說明的是，這里分析了春季北半球歐亞大陸與北太平洋間可通過大氣質(zhì)量遷移和波動傳播使環(huán)流異常在海陸區(qū)域間形成遙相關(guān)聯(lián)系。Guan et al.（2015）的分析表明，除了大氣質(zhì)量環(huán)流和Rossby波動傳播，北半球冬季海陸間異常地表氣壓變化間的聯(lián)系還與海陸熱力差異推動有關(guān)。那么，在北半球春季，大陸與海洋地表氣壓變化的遙相關(guān)是否也受到海陸熱力差異強迫呢？這一問題還有待未來深入研究。

致謝 NCEP/NCAR再分析資料取自NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center (http://www.cdc.noaa.gov)。文中諸圖均用NCL及GrADS軟件繪制。

Baldwin M P. 2001. Annular modes in global daily surface pressure [J]. Geophys. Res. Lett., 28 (21): 4115–4118, doi:10.1029/2001GL013564.

Bowman K P, Cohen P J. 1997. Interhemispheric exchange by seasonal modulation of the Hadley circulation [J]. J. Atmos. Sci., 54 (16): 2045–2059, doi:10.1175/1520-0469(1997)054<2045:IEBSMO>2.0.CO;2.

Chen T C, Chen J M, Schubert S, et al. 1997. Seasonal variation of global surface pressure and water vapor [J]. Tellus A, 49 (5): 613–621, doi:10.1034/j.1600-0870.1997.t01-4-00007.x.

Chen W, Takahashi M, Graf H F. 2003. Interannual variations of stationary planetary wave activity in the northern winter troposphere and stratosphere and their relations to NAM and SST [J]. J. Geophys. Res., 108 (D24): 4797, doi:10.1029/2003JD003834.

Chen W, Yang S, Huang R H. 2005. Relationship between stationary planetary wave activity and the East Asian winter monsoon [J]. J. Geophys. Res., 110 (D14): D14110, doi:10.1029/2004JD005669.

Christy J R, Trenberth K E, Anderson J R, et al. 1989. Large-scale redistributions of atmospheric mass [J]. J. Climate, 2 (2): 137–148, doi:10.1175/1520-0442(1989)002<0137:LSROAM>2.0.CO;2.

Guan Z Y, Yamagata T. 2001. Interhemispheric oscillations in the surface air pressure field [J]. Geophys. Res. Lett., 28 (2): 263–266, doi: 10.1029/2000GL011563.

Guan Z Y, Lu C H, Mei S L, et al. 2010. Seasonality of interannual inter-hemispheric oscillations over the past five decades [J]. Adv. Atmos. Sci., 27 (5): 1043–1050, doi:10.1007/s00376-009-9126-z.

Guan Z Y, Zhang Q, Li M G. 2015. Interannual variations in atmospheric mass over liquid water oceans, continents, and sea-ice-covered arctic regions and their possible impacts on the boreal winter climate [J]. J. Geophys. Res. Atmos., 120 (23): 11846–11861, doi:10.1002/2015JD023850.

胡潮, 管兆勇, 李明剛. 2014. 北半球大洋與大陸區(qū)域間大氣質(zhì)量分布的季節(jié)循環(huán)[J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 44 (7): 1519–1531. Hu Chao, Guan Zhaoyong, Li Minggang. 2014. The seasonal cycle of redistribution of atmospheric mass between continent and ocean in the Northern Hemisphere [J]. Sci. China Earth Sci. (in Chinese), 57 (7): 1501–1512, doi:10.1007/s11430-014-4871-y.

胡潮, 盧楚翰, 管兆勇, 等. 2015. 9個CMIP5模式模擬的大氣質(zhì)量海陸間遷移的季節(jié)循環(huán) [J]. 大氣科學(xué)學(xué)報, 38 (5): 588–598. Hu Chao, Lu Chuhan, Guan Zhaoyong, et al. 2015. Seasonal cycle of atmospheric mass migrations between continents and oceans simulated by nine CMIP5 models [J]. Transactions of Atmospheric Sciences(in Chinese), 38 (5): 588–598, doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150318002.

Kalnay E, Kanamitsu M, Kistler R, et al. 1996. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 77 (3): 437–472, doi:10.1175/1520-0477(1996)077<0437:TNYRP>2.0.CO;2.

Lorenz E N. 1951. Seasonal and irregular variations of the Northern Hemisphere sea level pressure profile [J]. J. Meteor., 8 (1): 52–59, doi:10.1175/1520-0469(1951)008<0052:SAIVOT>2.0.CO;2.

盧楚翰, 管兆勇, 梅士龍, 等. 2008. 大氣質(zhì)量南北濤動的季節(jié)循環(huán) [J]. 科學(xué)通報, 53 (21): 2638–2645. Lu Chuhan, Guan Zhaoyong, Mei Shilong, et al. 2008. The seasonal cycle of interhemispheric oscillations in mass field of the global atmosphere [J]. Chinese Science Bulletin (in Chinese), 53 (20): 3226–3234, doi:10.1007/s11434-008-0316-3.

盧楚翰, 管兆勇. 2009. 春季大氣南北濤動年際變化及其與中國氣候的聯(lián)系 [J]. 自然科學(xué)進展, 19 (5): 513–519. Lu Chuhan, Guan Zhaoyong. 2009. On the interannual variation in spring atmospheric inter-hemispheric oscillation linked to synchronous climate in China [J]. Progress in Natural Science (in Chinese), 19 (5): 513–519, doi:10.3321/j. issn:1002-008X.2009.05.006.

盧楚翰, 管兆勇, 蔡佳熙. 2010. 夏季南北半球際大氣質(zhì)量濤動及其與季風(fēng)異常的聯(lián)系 [J]. 中國科學(xué): 地球科學(xué), 40 (6): 802–809. Lu Chuhan, Guan Zhaoyong, Cai Jiaxi. 2010. Interhemispheric atmospheric mass oscillation and its relation to interannual variations of the Asian monsoon in boreal summer [J]. Sci. China Earth Sci., 53 (9): 1343–1350, doi:10.1007/s11430-010-4023-y.

盧楚翰, 管兆勇, 李永華, 等. 2013. 太平洋年代際振蕩與南北半球際大氣質(zhì)量振蕩及東亞季風(fēng)的聯(lián)系 [J]. 地球物理學(xué)報, 56 (4): 1084–1094. Lu Chuhan, Guan Zhaoyong, Li Yonghua, et al. 2013. Interdecadal linkages between Pacific decadal oscillation and interhemispheric air mass oscillation and their possible connections with East Asian monsoon [J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 56 (4): 1084–1094, doi:10.6038/ cjg20130404.

Takaya K, Nakamura H. 1997. A formulation of a wave-activity flux for stationary Rossby waves on a zonally varying basic flow [J]. Geophys. Res. Lett., 24 (23): 2985–2988, doi:10.1029/97GL03094.

Takaya K, Nakamura H. 2001. A formulation of a phase-independent wave-activity flux for stationary and migratory quasi-geostrophic eddies on a zonally varying basic flow [J]. J. Atmos. Sci., 58 (6): 608–627, doi:10.1175/1520-0469(2001)058<0608:AFOAPI>2.0.CO;2.

Takaya K, Nakamura H. 2013. Interannual variability of the East Asian winter monsoon and related modulations of the planetary waves [J]. J. Climate, 26 (23): 9445–9461, doi:10.1175/JCLI-D-12-00842.1.

Toumi R, Hartell N, Bignell K. 1999. Mountain station pressure as an indicator of climate change [J]. Geophys. Res. Lett., 26 (12): 1751–1754, doi: 10.1029/1999GL900351.

Trenberth K E. 1981. Seasonal variations in global sea level pressure and the total mass of the atmosphere [J]. J. Geophys. Res., 86 (C6): 5238–5246, doi:10.1029/JC086iC06p05238.

Trenberth K E, Christy J R. 1985. Global fluctuations in the distribution of atmospheric mass [J]. J. Geophys. Res., 90 (D5): 8042–8052, doi:10. 1029/JD090iD05p08042.

Trenberth K E, Christy J R, Olson J G. 1987. Global atmospheric mass, surface pressure, and water vapor variations [J]. J. Geophys. Res., 92 (D12): 14815–14826, doi:10.1029/JD092iD12p14815.

Trenberth K E, Guillemot C J. 1994. The total mass of the atmosphere [J]. J. Geophys. Res., 99 (D11): 23079–23088, doi:10.1029/94JD02043.

Trenberth K E, Smith L. 2005. The mass of the atmosphere: A constraint on global analyses [J]. J. Climate, 18 (6): 864–875, doi:10.1175/JCLI-3299.1.

楊鑑初. 1956. 北半球大氣質(zhì)量的平均月際變化 [J]. 氣象學(xué)報, 27 (1): 37–59. Yang C C. 1956. The mean monthly changes of air mass of the Northern Hemisphere [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 27 (1): 37–59, doi:10.11676/qxxb1956.003.

張燕, 黃菲, 宮曉慶. 2008. NCEP/NCAR再分析資料中南北半球大氣質(zhì)量交換的特征研究 [J]. 熱帶氣象學(xué)報, 24 (1): 74–80. Zhang Yan, Huang Fei, Gong Xiaoqing. 2008. The characteristics of the air mass exchange between the Northern and Southern Hemisphere [J]. Journal of Tropical Meteorology (in Chinese), 24 (1): 74–80, doi:10.3969/j.issn. 1004-4965.2008.01.010.

Zhao Y F, Li J P. 2006. Discrepancy of mass transport between the Northern and Southern Hemispheres among the ERA-40, NCEP/NCAR, NCEP- DOE AMIP-2, and JRA-25 reanalysis [J]. Geophys. Res. Lett., 33 (20): L20804, doi:10.1029/2006GL027287.

奚子惠，管兆勇，張茜，等. 2016. 春季歐亞—北太平洋上空大氣質(zhì)量遷移規(guī)律及其對中國同期氣候異常的可能影響[J]. 大氣科學(xué), 40 (6): 1261–1272. Xi Zihui, Guan Zhaoyong, Zhang Qian, et al. 2016. Migration of atmospheric mass over regions between Eurasia and North Pacific in spring and its possible impacts on climate anomalies in China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (6): 1261–1272, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1603.15278.

Migration of Atmospheric Mass over Regions between Eurasia and North Pacific in Spring and Its Possible Impacts on Climate Anomalies in China

XI Zihui1, 2, 3, GUAN Zhaoyong1, 2, ZHANG Qian1, 2, and CHEN Danping1, 2

1,,210044;2,,210044;3,210036

UsingtheNCEP/NCAR monthly mean reanalysis and CMAP (CPC Merged Analysis of Precipitation) precipitation data for the period from 1979 to 2013, the authors define an index of the Migration of Atmospheric Mass over Regions between Eurasia and North Pacific (MAMEP) to investigate the interannual variability of spring MAMEP and its impacts on climate anomalies over China. Our results demonstrate that spring MAMEP is mainly characterized by a seesaw-like structure in surface air pressure anomalies, which can also be referred to as Eurasia–North Pacific teleconnection pattern. TheMAMEPvaries with a remarkable long-term trend and periodicities of 2–4 years and 5–7 years as well as distinct interdecadal changes. It is found that an anomalous vertical circulation behaves like a bridge linking Eurasia and North Pacific with the migration of atmospheric mass between these two regions. The atmospheric mass fluxes anomalously converge in the lower troposphere and diverge in the upper troposphere in the west of Eurasia. However, the opposite situations are observed in the western and central Pacific. The wave activity fluxes show that the wave energy propagates eastward from western Europe into the North Pacific, facilitating the maintenance of the anomalous geopotential height disturbances there. In the spring, theMAMEPis highly correlated with anomalous rainfall and surface air temperature over China. When theMAMEPis positive, precipitation decreases significantly over the north of East Asia, the west of Okhotsk Sea, and the coastal western Europe, as opposed to the increase over the west of Eurasia and the north of China. The anticyclonic circulation in Siberia and the cyclonic circulation in North Pacific in the lower troposphere induce the anomalously high surface air temperature in northern Eurasia, along with the anomalously low temperature in the east of Siberia, Northeast China, North China, Yangtze–Huaihe River valley, Korea, and the south of Japan. The surface air temperature anomalously decreases in much of western Europe and northwestern China. These results are helpful for us to better understand the formation mechanisms for anomalous climate conditions in Eurasia and North Pacific regions in boreal spring.

Migration of atmospheric mass, Eurasia–North Pacific teleconnection pattern, Climate anomalies, Spring, China

1006-9895(2016)06-1261-12

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1603.15278

2015-09-25；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2016-03-17

奚子惠，女，1991出生，碩士，主要從事季風(fēng)動力學(xué)研究。E-mail: dfxizihui@163.com

管兆勇，E-mail: guanzy@nuist.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項目41175062，公益性行業(yè)（氣象）科研專項GYHY201406024

National Natural Science Foundation of China (Grant 41175062), Special Fund for Meteorological Research in the Public Interest (Grant GYHY201406024)