基于遙相關(guān)的NAO位相轉(zhuǎn)換影響機(jī)理研究分析?

梅笑冬， 孫即霖， 孫雅文

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

基于遙相關(guān)的NAO位相轉(zhuǎn)換影響機(jī)理研究分析?

梅笑冬1,2， 孫即霖1??， 孫雅文1

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

利用NCEP-NCAR再分析位勢高度、風(fēng)矢量、海表面熱通量數(shù)據(jù)，HadSST1再分析海溫資料、CPC逐月北大西洋濤動(dòng)(NAO)指數(shù)等, 通過滯后回歸分析了北大西洋海溫異常對NAO的影響。結(jié)果顯示，夏秋季北大西洋馬蹄型海溫通過海洋-大氣相互作用導(dǎo)致冬季大氣呈現(xiàn)NAO型氣壓場特征；與此同時(shí)，秋季大氣場表現(xiàn)出反位相的NAO型環(huán)流形勢突變，ECHAM4大氣環(huán)流模型數(shù)值試驗(yàn)和觀測資料統(tǒng)計(jì)分析均發(fā)現(xiàn)：熱帶大西洋海溫異常(對流異常)可激發(fā)向中高緯度傳播的遙相關(guān)波列，且具有秋季鎖相的特征。馬蹄型海溫對大氣的局地強(qiáng)迫聯(lián)合熱帶大西洋異常海溫的遙相關(guān)作用使得秋季NAO完成一次正負(fù)位相轉(zhuǎn)換。

遙相關(guān)；北大西洋濤動(dòng)；位相轉(zhuǎn)換；馬蹄型海溫

北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic Oscillation，以下簡稱NAO)是北大西洋上空冰島低壓與亞速爾高壓之間存在的氣壓反向變化關(guān)系[1]。作為北半球冬季最顯著的大氣活動(dòng)，NAO在全球氣候系統(tǒng)中占有重要位置，其變率不僅直接影響北大西洋及附近地區(qū)的氣候[2-3]，甚至可以影響整個(gè)半球的氣溫、降水[4]。Hurrell等人分析了NAO對北半球冬季氣溫變化的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)NAO能解釋北半球熱帶外地區(qū)冬季平均氣溫方差的34%[5]。對于NAO的短期變化，如天氣尺度、年際變化，研究普遍認(rèn)為是大氣內(nèi)部固有的基流—波動(dòng)相互作用的結(jié)果[6-8]。對于NAO年代際變化，一般認(rèn)為與外強(qiáng)迫有關(guān)，比如海溫異常[9-10]、溫室氣體、氣溶膠[11]等因子。NAO低頻變化是中期天氣和短期氣候預(yù)測的關(guān)鍵[12-13]，因此其年代際尺度變率及機(jī)制分析一直是國際氣候?qū)W領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，同時(shí)也是研究難題，解決這個(gè)問題對了解全球氣候系統(tǒng)的變化規(guī)律及異常，預(yù)防極端氣候事件帶來巨大災(zāi)害等方面有現(xiàn)實(shí)意義。

海洋是很多NAO變率機(jī)制研究的重點(diǎn)。一些研究認(rèn)為NAO年代際變率的可能與北大西洋地區(qū)的海氣相互作用有關(guān)[14]，Deser和Blackmon發(fā)現(xiàn)，年代際尺度上大氣變率與海表溫度有較好的一致性[15]。海氣耦合模式的模擬結(jié)果顯示當(dāng)溫鹽環(huán)流加強(qiáng)時(shí)，北大西洋海表面溫度(Sea Surface Temperature，簡稱SST)升高，增強(qiáng)的感熱及水汽通量使大氣環(huán)流發(fā)生相應(yīng)變化[16]。另一方面也有研究通過模式模擬超長尺度1400年控制積分發(fā)現(xiàn)雖然溫鹽環(huán)流有明顯的年代際變化，但NAO并未表現(xiàn)出相應(yīng)的顯著變化[17]。此外另有一些研究認(rèn)為不僅北大西洋海溫對NAO有顯著影響，熱帶大西洋海溫也可能有重要作用[18]。總之目前對海洋熱狀況如何影響NAO年代際變率仍存在很大爭議，對機(jī)制的探討更急需深入研究。

綜上考慮，為探求海洋對大氣的強(qiáng)迫效應(yīng)，首先分析局地海氣相互作用，北大西洋SST變化能夠通過熱量交換影響上空大氣；同時(shí)來自熱帶的大氣遙相關(guān)作用也不可忽視，熱帶海洋以高溫高濕著稱，大氣對流活動(dòng)旺盛，Hoskins等提出著名的大圓理論[19]為熱帶海洋作用于中高緯度大氣提供理論支持。本文選取北大西洋馬蹄型海溫場(North Atlantic Horseshoe Pattern of SST，以下簡稱NAH)作為北大西洋海域關(guān)鍵區(qū)[20]，通過觀測數(shù)據(jù)分析夏秋NAH對冬季NAO型大氣場的影響過程，并從中明確出源自熱帶海洋強(qiáng)迫的大氣響應(yīng)，通過數(shù)值模型模擬驗(yàn)證這種響應(yīng)，確立熱帶關(guān)鍵海區(qū)，分析響應(yīng)形成的物理機(jī)制，解決NAH與熱帶海洋二者如何導(dǎo)致NAO位相轉(zhuǎn)換問題，為NAO位相轉(zhuǎn)換研究提供新的切入點(diǎn)。

1 資料與方法

1.1 資料

數(shù)據(jù)來源包括NCEP-NCAR再分析格點(diǎn)逐月月平均資料，參考變量包括位勢高度、海平面氣壓、海表風(fēng)應(yīng)力、熱通量等，水平分辨率2.5(°)×2.5(°)；海表面溫度資料來源于Hadley Centre提供的HadSST1數(shù)據(jù)，分辨率為1(°)×1(°)；美國氣候預(yù)報(bào)中心(Climate Prediction Center)提供的NAO逐月指數(shù)。時(shí)間序列選取1948至2009年8月至次年2月。NCEP-NCAR再分析數(shù)據(jù)與Hadley Centre海溫?cái)?shù)據(jù)都屬于時(shí)間序列長、可靠性強(qiáng)的資料，是對來源于地面、船舶、無線電探空、探空氣球、飛機(jī)、衛(wèi)星等觀測資料進(jìn)行同化處理后的全球氣象、海洋資料數(shù)據(jù)庫，廣泛應(yīng)用于氣候診斷分析等方面研究中[21]。為重點(diǎn)探求較長時(shí)間尺度上的海氣變化特征，并避免溫室氣體對NAO位相轉(zhuǎn)換的影響，所用數(shù)據(jù)去除了季節(jié)循環(huán)及全球變暖趨勢[22]。

1.2 研究方法

結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析方法與全球大氣環(huán)流數(shù)值模型分析、模擬了北大西洋海溫異常對后期大氣環(huán)流的影響。

為探求海洋與大氣相互作用中的主被動(dòng)關(guān)系，一般基于超前滯后相關(guān)分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，NAO作為一種大尺度大氣活動(dòng)，當(dāng)海洋超前大氣多于1個(gè)月時(shí)相關(guān)結(jié)果即為海洋對大氣的驅(qū)動(dòng)作用[20]。因此將夏季NAH與大氣各要素場做超前滯后相關(guān)，大氣滯后1個(gè)月以上的結(jié)果可看作NAH對后期大氣場的強(qiáng)迫。文章還應(yīng)用了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)、合成分析等統(tǒng)計(jì)方法，并對相關(guān)系數(shù)、一元線性回歸、合成差異顯著性進(jìn)行t檢驗(yàn)。

德國馬普氣象研究所(Max Planck Institute for Meteorology)第四代全球大氣環(huán)流模式European Centre Hamburg Model version 4(簡稱ECHAM4)是在歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心的天氣預(yù)報(bào)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列修正發(fā)展而來，包含了一套完整的各種物理過程參數(shù)化的程序包。其海洋模塊為一層氣候態(tài)SST分布場，滿足研究海洋單向強(qiáng)迫大氣的需求。模型水平分辨率約2.8(°)×2.8(°)，垂直方向采用19層混合δ-p坐標(biāo)，頂層至10hPa。模型詳細(xì)介紹參考文獻(xiàn)[23]，該模式能很好的模擬低緯地區(qū)環(huán)流場、尤其垂直風(fēng)切變氣候特征[24]。

本文首先從夏末秋初NAH切入，此時(shí)海洋熱含量達(dá)到極值，海溫異常顯著，通過NAH與冬季NAO活動(dòng)的相關(guān)分析，探求局地海氣相互作用涉及到的物理過程，從中確認(rèn)出來自熱帶海洋的強(qiáng)迫作用，提出合理假設(shè)，設(shè)計(jì)數(shù)值試驗(yàn)，協(xié)同觀測數(shù)據(jù)確定一種遙相關(guān)波列，進(jìn)而探討其形成機(jī)制、傳播條件，為NAO位相轉(zhuǎn)換建立預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2 NAH的強(qiáng)迫效應(yīng)

NAH最早由Czaja等分析冬季500hPa位勢高度異常場與前后幾個(gè)月北大西洋海溫相關(guān)性時(shí)定義[20，25]，即夏半年紐芬蘭島東南海區(qū)SST異常偏暖(冷)中心、大西洋東部SST異常偏冷(暖)并分別在副熱帶和較高緯度存在兩個(gè)冷(暖)中心的一種特定海溫分布型(見圖1)。Watanabe和Kimoto[10]、Drevillon等[26]分別從觀測資料、模型試驗(yàn)探討了NAH與NAO滯后相關(guān)中涉及的物理過程。這些研究中它一直作為與NAO耦合結(jié)果中的海溫場，但在SST場EOF分解時(shí)發(fā)現(xiàn)NAH也是相對獨(dú)立的海溫分布模態(tài)，與冬季NAO也有顯著的超前相關(guān)關(guān)系。與中緯度其他海溫模態(tài)相比，NAH具有較強(qiáng)的強(qiáng)度與持續(xù)性，其中晚春-夏季強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，冬季最弱。在年代際至更長時(shí)間尺度上變化明顯，表現(xiàn)為30 a周期的循環(huán)[20]，1970年代NAH變化趨勢反轉(zhuǎn)，結(jié)合NAO指數(shù)在1980年代出現(xiàn)位相反轉(zhuǎn)，推測NAH變化對NAO位相轉(zhuǎn)換具有指示意義。

((a)1948—2009年9月北大西洋海溫EOF分解主模態(tài)空間向量，等值線間隔0.05℃，虛線為負(fù)值；(b)主模態(tài)時(shí)間系數(shù)。(a)The spatial structure of leading EOF mode of September 1948—2009，North Atlantic SST anomalies；Contour interval 0.05℃； Dashed line for negative values； (b)Its time coefficient.)

圖1 9月NAH空間分布及時(shí)間序列

Fig.1 NAH distribution and temporal change in September

為揭示秋季NAH與北大西洋大氣活動(dòng)之間的相互作用，將8—12月逐月海溫、海平面氣壓、風(fēng)場、500hPa

((a1) 8月大氣變量與9月NAH指數(shù)的回歸系數(shù)分布，填色圖為SST(°C)，箭頭為1000hPa風(fēng)場(m·s-1)，等值線為500hPa位勢高度，間隔5gpm；(a2)為8月海表面熱通量(W·m-2) 回歸結(jié)果；其余圖與(a)一致，僅時(shí)間不同，(b)9月、(c)10月、(d)11月、(e)12月。(a1) Regression of August SST(°C, shaded),1000hPa wind (m·s-1,arrow), 500hPa HGT (contour every 5gpm) onto September NAH index； (a2) August surface heat flux (shaded every 3W·m-2) regression; as in (a),but for (b)September,(c)October, (d)November,(e)December.)

圖2 9月NAH指數(shù)與大氣變量超前滯后回歸結(jié)果

Fig.2 Lead-lag regression of September NAH index and atmospheric variables

位勢高度與NAH指數(shù)，即9月北大西洋海溫EOF主模態(tài)的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行超前/滯后回歸分析。圖2給出各物理量與NAH指數(shù)在5個(gè)不同的超前/滯后月數(shù)上的回歸系數(shù)分布：-1，0，1，2，3個(gè)月，其中回歸系數(shù)的大小表示SST主分量變化一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，各物理量發(fā)生的相應(yīng)變化?；貧w結(jié)果分為大氣驅(qū)動(dòng)海洋(大氣超前NAH 1個(gè)月 lag=-1，二者同期lag=0)、海洋驅(qū)動(dòng)大氣(大氣滯后NAH 1～3個(gè)月，lag=1/2/3)兩個(gè)階段。lag=-1到lag=0(見圖2(a)、(b))海平面氣壓距平顯示超前大氣分布型略強(qiáng)于二者同位相時(shí)，在大氣環(huán)流異常達(dá)到最強(qiáng)之后1個(gè)月NAH也達(dá)到其鼎盛狀態(tài)，即大氣起超前驅(qū)動(dòng)作用。海表面熱通量場(見圖2(a)2)驗(yàn)證了此結(jié)論，通過調(diào)整湍流與輻射通量，紐芬蘭島東南冷水失熱冷卻，其東北和東南暖水繼續(xù)增暖，原有海溫型得到加強(qiáng)。lag=0時(shí)SST冷暖中心振幅達(dá)到極值和明確的空間分布表明NAH建立，即NAH是對前期大氣強(qiáng)迫的反饋。另外也有研究如Cassou等[27]認(rèn)為，NAH的根本來源是熱帶海洋，中緯度大氣體現(xiàn)了大氣橋作用。

NAH形成之后，隨著大氣滯后海洋時(shí)間推移，海洋開始起主導(dǎo)作用，回歸結(jié)果(見圖2(b))表現(xiàn)為海表熱通量距平的變號(hào)。暖水區(qū)熱通量由lag=-1負(fù)距平變?yōu)檎嗥?，暖水向大氣釋放熱量，失熱冷卻，冷水區(qū)則增溫，SST冷暖中心強(qiáng)度被削弱，NAH空間型逐漸瓦解。大氣環(huán)流異常最終表現(xiàn)為NAO負(fù)位相模態(tài)(見圖2(d)、(e))，冰島以南為高壓異常，亞索爾地區(qū)低壓異常位置偏東，與以往研究一致[20，25]。隨著NAH強(qiáng)度逐漸減弱，大氣對海洋冷暖異常的動(dòng)力響應(yīng)雖然顯著，但也隨時(shí)間推移而減弱。然而，lag=1時(shí)大氣響應(yīng)分布型發(fā)生突變，冰島上空閉合高壓消失、主體東移到歐洲大陸，冰島以南異常高壓被低壓取代，紐芬蘭島以東異常低壓也轉(zhuǎn)變?yōu)槠蟼?cè)的異常高壓，高低壓南北配置反相(見圖2(c))。根據(jù)Li和Wang NAO指數(shù)定義[28]，北大西洋上空環(huán)流形勢發(fā)生了由NAO負(fù)指數(shù)向正指數(shù)模態(tài)的突變，表明除了局地海氣耦合作用，仍需考慮來自NAH之外的海溫的影響。

針對9—10月NAO指數(shù)發(fā)生正負(fù)轉(zhuǎn)換的年份進(jìn)行合成分析(見圖3)，以確定lag=1時(shí)導(dǎo)致大氣環(huán)流形勢突變的海溫強(qiáng)迫來源。圖3(b)表明當(dāng)秋季環(huán)流形勢由負(fù)NAO型轉(zhuǎn)為正NAO型時(shí)，顯著的海洋增暖分布在格陵蘭島以南、北太平洋中東部和熱帶西大西洋。將圖2c 10月位勢高度回歸結(jié)果擴(kuò)大到整個(gè)北半球(見圖3(c))，發(fā)現(xiàn)異常高低壓中心從副熱帶北大西洋向東北到達(dá)斯堪迪納維亞半島，折返至低緯貝加爾湖以西，呈大圓路徑排列，垂向上保持正壓結(jié)構(gòu)(圖略)，空間結(jié)構(gòu)特征符合Hoskins遙相關(guān)作用的大圓路徑理論[19]。因此推斷熱帶西大西洋增暖，同時(shí)向外長波輻射表明該海區(qū)上空局地對流加強(qiáng)(見圖3(d))，即海洋非絕熱加熱導(dǎo)致上空大氣深厚對流，可能激發(fā)向中高緯度傳播的大氣波動(dòng)，從而改變北大西洋大氣環(huán)流形勢。下文以熱帶西大西洋即加勒比海為研究對象，設(shè)計(jì)數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

((a) 1000hPa位勢高度差值場，1948—2009年9—10月NAO指數(shù)正轉(zhuǎn)負(fù)年份與負(fù)轉(zhuǎn)正年份的合成場之差；(b)同(a)，為海溫場差值；(c) 10月500hPa位勢高度場對9月NAH指數(shù)的回歸系數(shù)分布；(d)10月向外長波輻射對9月NAH指數(shù)的回歸系數(shù)分布。(a) 1000hPa HGT differences of September-October +- and -+ phase transfer composite maps according to 1948—2009 NAO index; (b)as in (a),but for SST; (c)regression of October 500hPa HGT with September NAH index;(d) regression of October Outgoing Long-wave radiation with September NAH index.)

圖3 10月NAO發(fā)生負(fù)正位相轉(zhuǎn)換時(shí)位勢高度、海溫、向外長波輻射場特征

Fig.3 Geopotential height、SST、Outgoing Long-wave radiation field of NAO negative-positive phase transfer in October

3 遙相關(guān)數(shù)值試驗(yàn)及物理機(jī)制分析

3.1 數(shù)值試驗(yàn)

分析了秋初NAH與北大西洋上空大氣異?；顒?dòng)的相關(guān)性，10月相關(guān)結(jié)果發(fā)生突變，大氣環(huán)流異常與NAH局地作用相矛盾，因此推斷有其它海溫異常起主導(dǎo)作用，提出一種合理假設(shè)，即熱帶加勒比海異常增暖，通過局地異常強(qiáng)對流激發(fā)Rossby波向東北中高緯傳播，改變北大西洋大氣環(huán)流形勢。

為驗(yàn)證加勒比海異常增暖能否激發(fā)Rossby波列影響中高緯度大氣環(huán)流，解決熱帶大西洋海溫異常與位勢高度場上副熱帶西大西洋-歐洲以東-烏拉爾山異常波列之間的因果關(guān)系，設(shè)計(jì)兩組數(shù)值試驗(yàn)：

(1) 控制試驗(yàn)(CTL)，以氣候態(tài)海溫作為強(qiáng)迫場驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流模式；

(2) 熱帶大西洋偏暖情況下的敏感性試驗(yàn)(WARM)，根據(jù)上文診斷結(jié)果選取關(guān)鍵區(qū)，即熱帶加勒比海，以正異常海溫作為強(qiáng)迫場驅(qū)動(dòng)模式。由于激發(fā)大氣行星尺度波的基本能量來源為地形或大氣非絕熱加熱強(qiáng)迫[29-30]，因此未列出加勒比海異常偏冷試驗(yàn)。

兩組試驗(yàn)都將已連續(xù)運(yùn)行30年的模式結(jié)果作為初始大氣場，以消除積分開始時(shí)刻模式spinup過程造成的偏差，保證初始大氣的穩(wěn)定性。試驗(yàn)從每年的1月1日開始積分到12月30日，共運(yùn)行10年，得到10個(gè)CTL樣本和WARM試驗(yàn)樣本。其中為消除WARM試驗(yàn)中局部升溫引起的海溫不連續(xù)變化，將海溫異常區(qū)外的SST設(shè)置為每緯度(經(jīng)度)0.1°C的減弱率，使目的海區(qū)的正海溫距平逐漸過渡到區(qū)域外的氣候態(tài)海溫，表1為海溫異常區(qū)域范圍。

表1 敏感試驗(yàn)中海溫異常區(qū)域與強(qiáng)度

圖4給出了CTL試驗(yàn)中秋冬季500hPa位勢高度場與NCEP-NCAR再分析資料的對比。總的來說，ECHAM4模型較好的模擬出秋冬季北半球位勢高度場的氣候態(tài)特征，較好再現(xiàn)了秋冬季極渦、北美大槽和歐洲大陸脊，與觀測資料(見圖4(b))相比，模型對極渦的模擬稍微偏弱，但這些大尺度大氣活動(dòng)的形態(tài)和隨季節(jié)的變化都與實(shí)際比較吻合。風(fēng)場、海平面氣壓和氣溫等變量的氣候態(tài)模擬結(jié)果較好，圖略。

利用敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步分析加勒比海溫異常對北大西洋大氣環(huán)流形勢的可能作用。圖5給出了WARM試驗(yàn)與CTL試驗(yàn)500hPa位勢高度場的差值，北大西洋至歐洲上空出現(xiàn)高低壓中心交替分布的波列，與10月 500hPa位勢高度回歸場中的大圓路徑(見圖3(c))有較好的一致性，驗(yàn)證了本文第3節(jié)關(guān)于遙相關(guān)波列能否由熱帶大西洋海溫異常激發(fā)的假設(shè)。

圖5中波列位于北大西洋的兩個(gè)正負(fù)中心與NAO活動(dòng)中心位置重疊，呈現(xiàn)北低南高，即NAO正位相模態(tài)，氣壓異常在中低層大氣最強(qiáng)。而與NAH耦合的冬季氣壓場上表現(xiàn)為北高南低(NAO負(fù)位相，見圖2(b))，說明在秋季NAH對后期大氣的強(qiáng)迫作用過程中，熱帶加勒比海激發(fā)的遙相關(guān)型在北大西洋起到削弱甚至抑制這種局地海氣耦合過程的作用，NAO位相出現(xiàn)反相變化。但冬季觀測數(shù)據(jù)分析顯示大氣滯后2～3個(gè)月回歸場中該遙相關(guān)型缺失，數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果中冬季遙相關(guān)波列也不存在，大氣異常模態(tài)恢復(fù)為NAO負(fù)位相，一方面證實(shí)該遙相關(guān)型并非NAH局地海氣耦合作用，另一方面表明遙相關(guān)波列有季節(jié)鎖相特征，推斷波列傳播需要一定的大氣環(huán)流條件。

((秋季a1)、 (冬季a2)ECHAM4 CTL試驗(yàn)500 hPa位勢高度場；(秋季b1)、(冬季b2)NECP-NCAR再分析資料500hPa位勢高度場。(Autumn a1)、(winter a2) averaged 500hPa HGT of ECHAM4 CTL experiment results; (Autumn b1)、 (winter b2) averaged 500hPa HGT of NCEP-NCAR reanalysis dataset.)

圖4 ECHAM4模擬結(jié)果與NCEP-NCAR再分析資料對比

Fig.4 Comparison between ECHAM4 model output and NCEP-NCAR reanalysis

圖5 10月850hPa位勢高度場在敏感試驗(yàn)與控制試驗(yàn)中的差異

3.2 遙相關(guān)物理機(jī)制分析

觀測資料和數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果都顯示加勒比海異常增暖能夠激發(fā)向中高緯度傳播的遙相關(guān)波列，且有顯著的秋季鎖相特征，進(jìn)一步分析波列形成、傳播的大氣動(dòng)力學(xué)條件，確定其物理機(jī)制。

(1)

(2)

觀測資料和ECHAM4數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果均發(fā)現(xiàn)：熱帶大西洋海溫異常導(dǎo)致局地強(qiáng)對流異常，可激發(fā)向中高緯度傳播的遙相關(guān)波列。該波列向高緯度的傳播具有秋季鎖相的特征，冬季受環(huán)流條件限制而消失。NAH與后期NAO存在顯著相關(guān)，NAH對大氣的局地強(qiáng)迫聯(lián)合熱帶大西洋異常海溫的遙相關(guān)作用使得秋季NAO完成一次負(fù)-正位相轉(zhuǎn)換。

((a) 270°E～300°E緯向平均風(fēng)，實(shí)線為10月700hPa緯向風(fēng)，虛線為緯向風(fēng)垂直切變；(b)25°N緯向平均風(fēng)垂直廓線，虛線為10月，實(shí)線為11月。(a)60°W～90°W zonal mean 700hPaU-wind(solid) and vertical shear(dashed);(b)25°N October(solid)、November(dashed)U-wind vertical profile.)

圖6 加勒比海以北緯向風(fēng)分布特征

Fig.6U-wind distribution characteristic north of Caribbean

4 總結(jié)與討論

通過秋季NAH與后期北大西洋大氣的滯后回歸分析，討論了NAH對冬季NAO活動(dòng)的影響，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)源于熱帶大西洋的遙相關(guān)波列，ECHAM4數(shù)值試驗(yàn)和機(jī)制分析討論了遙相關(guān)波列形成的物理機(jī)制，分析其對NAO位相轉(zhuǎn)換的影響，得到主要結(jié)論：

(1)北大西洋馬蹄型海溫NAH是秋季北大西洋SST場的主導(dǎo)變率模態(tài)，在經(jīng)向上表現(xiàn)為三核型，自南向北以“+ - +”的帶狀距平分布。NAH能夠強(qiáng)迫冬季大氣表現(xiàn)為NAO負(fù)位相型。這個(gè)過程是局地海氣耦合的作用，海洋對大氣的強(qiáng)迫主要通過引起局地海氣界面通量變化完成；

(2)熱帶大西洋海溫異常對中高緯度大氣環(huán)流產(chǎn)生影響。觀測資料分析及數(shù)值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加勒比海溫異常增暖，能夠引起局地大氣對流加強(qiáng)，當(dāng)大氣環(huán)流滿足緯向西風(fēng)和西風(fēng)垂直切變兩個(gè)條件時(shí)，大氣非絕熱加熱激發(fā)Rossby波并向東北方向傳播，形成以大圓路徑依次排列的高低壓中心，在北大西洋上空呈現(xiàn)出NAO正位相。這種遙相關(guān)波列與太平洋中的PNA波列和PJ波列不同，具有秋季鎖相特征，冬季受大氣環(huán)流條件限制而消失。

圖7 秋季加勒比海增暖年1000hPa E-P通量散度 (單位：kg·s-2)

秋季NAH導(dǎo)致北大西洋大氣環(huán)流形勢呈現(xiàn)NAO負(fù)位相，而熱帶大西洋增暖激發(fā)的遙相關(guān)波列使秋季大氣環(huán)流表現(xiàn)為NAO正位相，因此研究NAO位相轉(zhuǎn)換應(yīng)同時(shí)考慮熱帶與中緯度北大西洋熱狀況，由于整個(gè)過程包括了中緯度海溫異常的局地作用和熱帶海溫異常的遙相關(guān)作用，二者是否占主導(dǎo)地位既與海溫異常強(qiáng)度有關(guān)，也可能與背景大氣環(huán)流形勢有關(guān)，需要進(jìn)一步研究分析。

[1] Walker G T. Correlation in Seasonal Variations of Weather, IX. A Further Study of World Weather[M]. Calcutta: Government of India Press, 1924: 275-333.

[2] Eastman R, Stephen G W. Interannual variations of Arctic cloud types in relation to sea ice [J]. J Climate, 2010， 23: 4216-4232.

[3] Hurrell J W, Loon H V. Decadal variations in climate associated with the North Atlantic Oscillation [J]. Climate Change, 1997, 36: 301-326.

[4] Gerald A M, Harry V L. The seesaw in winter temperatures between Greenland and Northern Europe. Part III: Teleconnections with lower latitudes [J]. Mon Wea Rev, 1979, 107(9): 1095-1106.

[5] Hurrell J W. Decadal trends in the North Atlantic oscillation: regional temperatures and precipitation [J]. Science, 1995，269(5524): 676-679.

[6] Luo D H, Gong T. A possible mechanism for the eastward shift of interannual NAO action centers in last three decades [J]. Geophy Res Lett, 2006， 33(24): L24815.

[7] Luo D H, Gong T, Lupo A R. Dynamics of eddy-driven low- frequency dipole modes. Part II: Free mode characteristics of NAO and diagnostic study [J]. J Atmos Sci, 2007， 64: 29-51.

[8] Walter A R. Eddy feedbacks on the zonal index and eddy-zonal flow interactions induced by zonal flow transience [J]. J Atmos Sci, 1994， 51(17): 2553-2562.

[9] Yue X, Liao H, Wang H, et al. Role of sea surface temperature responses in simulation of the climatic effect of mineral dust aerosol [J]. Atmos Chem Phys, 2011, 11: 6049-6062.

[10] Watanabe M, Kimoto M. Atmosphere-ocean thermal coupling in the North Atlantic: A positive feedback [J]. Quart J Roy Meteor Soc, 2000, 126: 3343-3369.

[11] 龔道溢, 王紹武. 北大西洋濤動(dòng)指數(shù)的比較及其年代際變率[J]. 大氣科學(xué), 2000, 24(2): 187-192. Gong Daoyi, Wang Shaowu. The North Atlantic oscillation index and its interdecadal variability [J]. Chinese Jouranl of Atmospheric Sciences, 2000, 24(2): 187-192.

[12] 李崇銀, 李桂龍. 北大西洋濤動(dòng)和北太平洋濤動(dòng)的演變與20世紀(jì)60年代的氣候突變[J]. 科學(xué)通報(bào), 1999, 44(16): 1765-1769. Li Chongyin, Li Guilong. The evolution of the North Atlantic Oscillation and the North Pacific Oscillation climate change in 1960s [J]. Chinese Science Bulletin, 1999， 44(16): 1765-1769.

[13] 武炳義, 黃榮輝. 1999, 冬季北大西洋濤動(dòng)極端異常變化與東亞冬季風(fēng)[J]. 大氣科學(xué), 1999, 23(6): 641-651. Wu Bingyi, Huang Ronghui. Effects of the extremes in the North Atlantic Oscillation on East Asia winter monsoon[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 1999, 23(6): 641-651.

[14] Drevillon M, Cassou C, Terray K. Model study of the wintertime atmospheric response to fall tropical Atlantic SST anomalies [J]. Quart Quart J Roy Meteor Soc, 2003, 129: 2591-2611.

[15] Deser C, Blackmon M. Surface climate variations over the North Atlantic Ocean during winter: 1900-1989 [J]. J Climate, 1993, 6: 1743-1753.

[16] Delworth T , Manabe S, Stouffer R J. Interdecadal variations of the thermohaline circulation in a coupled ocean-atmosphere model [J]. J Climate, 1993, 6: 1993-2011.

[17] Osborn T J, Briffa K R, Jones P D, et al. Relationships between European climate and the North Atlantic oscillation: Observations, models and paleodata[R]. [s.l.]: CRU/UEA GR9/02522 1998: 1-8.

[18] Cassou C, Deser C, Laurent T, et al. Summer sea surface temperature conditions in the North Atlantic and their impact upon the atmospheric circulation in early winter [J]. J Climate, 2004, 17: 3349-3363.

[19] Hoskins B J, Karoly D J. The steady linear response of a spherical atmosphere to thermal and orographic forcing [J]. J Atmos Sci, 1981, 38(6): 1179-1196.

[20] Czaja A, Frankignoul C. Observed impact of Atlantic SST anomalies on the North Atlantic Oscillation [J]. J Climate, 2001， 15: 606-623.

[21] Kalnay E, Kanamitsu M, Kistler R, et al. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project [J]. Bull Amer Meteor Soc, 2003, 77(3): 437-471.

[22] 金紅梅, 何文平, 侯威, 等. 不同趨勢對滑動(dòng)移除近似熵的影響[J]. 物理學(xué)報(bào), 2012, 61(6): 069201. Jin Hongmei, He Wenping, Hou Wei, et al. Effects of different trends on moving cut data-approximate entropy [J]. Acta Phys Sin, 2012, 61(6): 069201.

[23] Roeckner E, Bauml G, Bonaventura L, et al. The atmospheric general circulation model ECHAM5[J]. ReP, 2003, 349: 127.

[24] 余錦華, 唐盛, 吳立廣, 等. IPCC AR4模式對熱帶氣旋熱力控制因子的模擬評估[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2011, 33(6): 39-54. Yu Jinhua, Tang Sheng, Wu Liguang, et al. Assessments in simulation of thermodynamic parameters of tropical cyclone in IPCC-AR4 Models [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2011, 33(6): 39-54.

[25] Czaja A, Frankignoul C. Influence of the North Atlantic SST on the atmospheric circulation [J]. Geophys Res Lett, 1999, 26: 2969-2972.

[26] Drevillon M, Terray L, Rogel P, et al. Midlatitude Atlantic SST influence on European winter climate variability in the NCEP-NCAR reanalysis [J]. Climate Dyn, 2001, 18: 331-344.

[27] Cassou C, Deser C, Laurent T, et al. Summer sea surface temperature conditions in the North Atlantic and their impact upon the atmospheric circulation in early winter [J]. J Climate, 2004, 17: 3349-3363.

[28] Li J P, Wang J X. A new North Atlantic Oscillation index and its variability[J]. Adv Atmos Sci, 2003a, 20: 661-676.

[29] 段安民， 吳國雄. 非絕熱條件下的波流相互作用與大氣能量循環(huán)[J]. 中國科學(xué)， 2005， 35(4)： 352-360. Duan Anmin, Wu Guoxiong. Wave-flow interaction and atmospheric energy cycle under diabatic conditions [J]. Science in China, 2005, 35(4): 352-360.

[30] 譚本馗. 大氣Rossby波動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展[J]. 氣象學(xué)報(bào)， 2008，66(6)： 870-879. Tan Benkui. Advances of atmospheric of Rossby waves dynamics[J]. Acta Meteorology Sinica, 2008, 66(6): 870-879.

[31] Lee S K, Wang C Z, Brain E M. A simple atmospheric model of the local and teleconnection responses to tropical heating anomalies[J]. J Climate, 2008, 22(2): 272-284.

[32] Wang C Z, Lee S K, Enfield D B. Atlantic warm pool acting as a link between Atlantic multidecadal oscillation and Atlantic tropical cyclone activity [J]. Geochem Geophy Geosyst, 2008, 9(5): Q05V03.

[33] Lee S K, Enfield D B, Wang C Z. What drives the seasonal onset and decay of the Western Hemisphere warm pool? [J]. J Climate, 2007, 20(10): 2133-2146.

責(zé)任編輯 龐 旻

Analyses of NAO Phase Transformation Mechanism Based on Teleconnection Theory

MEI Xiao-Dong1,2， SUN Ji-Lin1， SUN Ya-Wen1

(1.The Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Eclucation, College of Oceanic and Atmospheric Science，Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing Applications, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, CAS, Beijing 100101, China)

Using NCEP-NCAR reanalysis of geopotential height, wind, surface heat flux, HadSST1 SST, CPC North Atlantic Oscillation (NAO) index, impacts of North Atlantic SST anomalies on NAO have been analyzed through regression analysis. The autumn North Atlantic Horseshoe (NAH) SST pattern reproduces negative NAO pattern in winter through ocean-atmosphere interaction. A positive NAO pattern change occurs in autumn, ECHAM4 model experiments and observation data illustrate that warmer tropical Atlantic SST forces a teleconnection wave train and remotely reverses the negative NAO phase to positive. The mechanism analysis indicates its seasonal lock nature, further suggests that combined effects of NAH and tropical Atlantic SST make a phase change cycle of NAO.

Teleconnection; North Atlantic Oscillation; phase transformation; horseshoe pattern

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276012)；國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(41430963)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(41276012)；the National Natural Science Key Foundation of China(41430963)

2016-03-01；

2016-05-21 作者簡介：梅笑冬(1984-)，女，博士生。E-mail:thymay @ toxmail.com

P732.6

A

1672-5174(2017)01-007-10

10.16441/j.cnki.hdxb.20160051

梅笑冬， 孫即霖， 孫雅文. 基于遙相關(guān)的NAO位相轉(zhuǎn)換影響機(jī)理研究分析[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2017, 47(1)： 7-16.

MEI Xiao-Dong， SUN Ji-Lin， SUN Ya-Wen. Analyses of NAO hhase transformation mechanism based on teleconnection theory[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1)： 7-16.

?? 通訊作者：E-mail:Sunjilin@ouc.edu.cn