阿留申低壓一組環(huán)流指數(shù)與北半球海氣異常的關(guān)系

智海　王盤興　陳明璐　段明鏗　王玉昆　張麗娜

摘要定義了一組描述冬季季、月平均1 000 hPa位勢(shì)高度上阿留申低壓（Aleutian low，AL）狀態(tài)的新環(huán)流指數(shù)，包括強(qiáng)度指數(shù)P、面積指數(shù)S及中心位置指數(shù)（λc，φc）。采用1948/1949—2007/2008年60個(gè)冬季的NCEP/NCAR平均高度場資料計(jì)算了上述環(huán)流指數(shù)，并據(jù)此分析了AL的氣候及異常規(guī)律。結(jié)果表明：1）AL在1月最強(qiáng)，中心偏南、偏西；12月最弱，中心偏北、偏東；2月居中。2）AL指數(shù)P與λc之間存在負(fù)相關(guān)，強(qiáng)年（′<0）偏東（′>0）、弱年偏西。AL年代際變化主要表現(xiàn)在自20世紀(jì)70年代以來持續(xù)偏強(qiáng)、偏東，但近年有反轉(zhuǎn)的跡象。3）AL在強(qiáng)El Nio年偏強(qiáng)、偏東，在強(qiáng)La Nia年相反，該關(guān)系自1975年以后尤其明顯；AL與中緯太平洋海表溫度（SST）存在顯著正相關(guān)，SST負(fù)異常年AL東移加強(qiáng)，反之亦然。4）AL指數(shù)P與同期北半球中高緯氣溫、降水的顯著相關(guān)區(qū)呈現(xiàn)“+-+”大圓波列分布，相關(guān)中心分別位于中緯度北太平洋、北美西北部、北美南部，與太平洋—北美遙相關(guān)型（PNA）接近。

關(guān)鍵詞環(huán)流指數(shù)；阿留申低壓；太平洋海表溫度；北半球氣溫和降水；相關(guān)分析

自20世紀(jì)70年代后期起，冬季北太平洋區(qū)域海氣系統(tǒng)中最顯著的年代際變化是北太平洋中部SST（Sea surface temperature）的顯著變冷和阿留申低壓（Aleutian Low，AL）的加強(qiáng)東移（Trenberth，1990；Miller et al.，1994；Trenberth and Hurrell，1994；Mantua et al.，1997；Nakamura et al.，1997）。這種變化與熱帶中、東太平洋（ENSO關(guān)鍵區(qū)）海氣相互作用顯著相關(guān)，是北半球廣闊區(qū)域的年際、年代際時(shí)間尺度氣候異常的主要成因（Latif and Barnett，1996）。其中關(guān)注更多的是北太平洋的區(qū)域變率，體現(xiàn)在大氣環(huán)流、陸面、海表溫度等年際、年代際變化上（Francis and Hare，1994；Polovina et al.，1995；Latif and Barnett，1996；Overland et al.，1999）。研究結(jié)果表明，AL可能是北極濤動(dòng)與太平洋年代際振蕩耦合的關(guān)鍵，強(qiáng)的北極濤動(dòng)導(dǎo)致AL加深，進(jìn)而通過北半球中緯度的海氣相互作用影響到北太平洋海氣系統(tǒng)的年代際振蕩；反之亦然（孫建奇和王會(huì)軍，2006）。

AL是冬季穩(wěn)定存在于北太平洋地區(qū)的副極地氣旋，是北半球主要的半永久性大氣活動(dòng)中心之一，其強(qiáng)度和位置是冬季北太平洋氣候環(huán)流系統(tǒng)的主要標(biāo)志之一（Hartmann and Wendler，2005；Rodionov et al.，2005）。關(guān)于AL的異常變化，已有許多研究（Trenberth，1990；Chen et al.，1992；Trenberth and Hurrell，1994；Latif and Barnett，1996；Overland et al.，1999）。AL的強(qiáng)弱、中心位置對(duì)氣候變化具有重要的影響：其中心東側(cè)和西側(cè)經(jīng)向氣流的位置和強(qiáng)弱變化直接影響著極地和溫帶太平洋之間的熱量交換；中心南側(cè)西風(fēng)氣流的強(qiáng)弱影響著西風(fēng)漂流的強(qiáng)度。Mantua et al.（1997）指出，AL與太平洋年代際濤動(dòng)（Pacific Decical Oscillation，PDO）顯著相關(guān)，PDO暖（冷）相位對(duì)應(yīng)AL的強(qiáng)（弱）。在年代際尺度上，AL的變化可能是PDO的重要外強(qiáng)迫機(jī)制（Schneider and Cornuelle，2005）。

在大氣環(huán)流異常研究中，為了更好地理解和預(yù)測(cè)大氣環(huán)流的動(dòng)態(tài)與趨勢(shì)，經(jīng)常采用環(huán)流指數(shù)來定量描述環(huán)流系統(tǒng)的性質(zhì)。為了描述AL異常，不同研究者定義了一些表征AL強(qiáng)度、面積和位置等特征的指數(shù)。其中，Trenberth（1990）選取冬半年區(qū)域（1475°E～1225°W，275～725°N）平均的海平面氣壓表示AL強(qiáng)弱；Overland et al.（1999）則取冬季平均AL區(qū)域（160°E～160°W，40～60°N）內(nèi)海平面氣壓場低壓中心氣壓值表示AL強(qiáng)弱；任廣成（1991）用60°N以南太平洋區(qū)域海平面氣壓場（Sea Level Press，SLP）的1 010 hPa線范圍內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)加權(quán)平均值作為AL強(qiáng)度指數(shù)；Zhu et al.（2007）采用類似Trnberth（1990）的區(qū)域平均方法定義了表征AL特征的環(huán)流指數(shù)，但范圍比前者更小。利用上述的環(huán)流指數(shù)可以形象和便捷地描述大氣中的環(huán)流特征和演變。

王盤興等（2007）給出了閉合氣壓系統(tǒng)環(huán)流指數(shù)的普適定義方法，認(rèn)為完整描述氣壓（位勢(shì)高度）場中的一個(gè)閉合氣壓系統(tǒng)，需要定義其強(qiáng)度P、面積S和中心位置C（λc，φc）等3種環(huán)流指數(shù)。為了描述某一時(shí)段閉合氣壓系統(tǒng)中心位置的分布，王盤興等（2008）定義了閉合氣壓系統(tǒng)中心與氣候中心的平均距離r、分布區(qū)域的壓縮系數(shù)μ和主要異常方向β，并據(jù)此研究了若干大氣活動(dòng)中心異常規(guī)律、成因及氣候效應(yīng)，取得了一系列有意義的結(jié)果（王盤興等，2007，2008；管樹軒等，2009；麻巨慧等，2009）。本文根據(jù)王盤興等（2007，2008）的方法定義和計(jì)算了1948/1949—2007/2008年60個(gè)冬季的月、季AL環(huán)流指數(shù)，并據(jù)此分析了AL異常的時(shí)頻特征，重點(diǎn)分析了AL指數(shù)P、λc與太平洋SST異常（特別是El Nio/La Nia事件）以及與區(qū)域氣候異常的關(guān)系。

1AL環(huán)流指數(shù)的定義和計(jì)算

11資料

1）NCEP/NCAR再分析資料（Kalnay and Coauthors，1996）：1 000 hPa月平均資料（高度、降水率、溫度），覆蓋時(shí)段為1948年1月—2008年12月，范圍0°～360°、90°S～90°N，水平分辨率為25°×25°。

2）海表溫度ERSST（Smith and Reynolds，2004）：NOAA Extended Reconstructed SST月平均海表溫度資料，覆蓋時(shí)段同上，范圍0°～360°、88°S～88°N，水平分辨率為2°×2°。

3）海洋Nio指數(shù)（Oceanic Nio Index，ONI）：NOAA在ENSO診斷分析中使用的ONI指數(shù)是Nio34區(qū)（120～170°W，5°N～5°S）海溫（ERSST.V3）三個(gè)月的滑動(dòng)平均，覆蓋時(shí)段為1950年1月—2008年12月（http：//www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/）。

12AL環(huán)流指數(shù)的定義和計(jì)算

按文獻(xiàn)（王盤興等，2007），定義并計(jì)算了歷年冬季、12—2月1 000 hPa的AL環(huán)流指數(shù)P、S、（λc，φc）。使用的搜索域Ω（圖1上的五邊形），其各點(diǎn)按逆時(shí)針依次為（1325°E，20°N）、（250°E，20°N）、（250°E，60°N）、（200°E，75°N）、（1325°E，60°N）。通過比較逐年冬季、月1 000 hPa月平均的位勢(shì)高度場，確定冬季（12月—次年2月）和12、1、2月的特征等高線f0均為70 gpm。圖1匯總了60 a場中的f0線，表明他們確可標(biāo)識(shí)AL的主要部分。第t年冬季的季、月1 000 hPa等壓面上AL的3種環(huán)流指數(shù)的定義分別是：

1）面積指數(shù)S（t）是單位半徑球面上區(qū)域D（t）的面積；

2）AL指數(shù)P（t）（也稱強(qiáng)度指數(shù)）是高度差場ΔH（t）=H（t）-f0在區(qū)域D（t）上）的面積分；

3）中心位置指數(shù)C（t）=（λc（t）、φc（t））是區(qū)域D（t）上與ΔH（t）對(duì)應(yīng)之重力場重心在球面上的經(jīng)緯度。D（t）是搜索區(qū)Ω中由特征等高線f0圍成的區(qū)域，又稱計(jì)算域。

根據(jù)麻巨慧等（2008）提出的方法，對(duì)′序列進(jìn)行小波功率譜W（t，Tk）分析及顯著性檢驗(yàn)。圖3表明，′的顯著年代際振蕩主要是1月的1970年前后的10～20 a周期振蕩以及12月的2000年前后的10～15 a周期振蕩；季′在1970s年代前后的20 a左右振蕩也較強(qiáng)，但未通過信度005的檢驗(yàn)。′的顯著年際變化則主要是12月的1950s初的3～10 a周期振蕩、1和2月的1980s初的2～4 a周期振蕩以及季的1980s的3～4 a和5～10 a周期振蕩。

32（λc，φc）異常

由圖4可見，歷年季、月AL中心分布在以北太平洋阿留申群島為中心的北太平洋區(qū)域，其經(jīng)向散布范圍（Δφc）均小于緯向（Δλc）。從季、月的λc、φc中分離出年代際變化分量′cs，′cs（圖4），經(jīng)F檢驗(yàn)表明：冬季及12、1月的′c中的年代際變化分量顯著，分別從1970s、1980s、1990s起′cs持續(xù)為正，AL中心異常偏東；但近年′cs出現(xiàn)偏西的轉(zhuǎn)折?！鋍的年代際變化分量不如′c清楚，近30 a來′cs偏弱（12月）或作短周期振蕩（季、1和2月）。

由圖5可見，12月（1月）的AL中心自1980s（1990s）起偏東；2月則在1970s前后穩(wěn)定偏東，其余時(shí)段多變；季的AL中心自1970s起偏東。與Zhu et al.（2007）的研究結(jié)果一致。

33P與λc、φc的相關(guān)分析

表3表明，季、月AL指數(shù)P—λc的同期負(fù)相關(guān)顯著（均通過095的置信度檢驗(yàn)），AL加強(qiáng)與中心位置偏東顯著相關(guān)，這與Trenberth and Hurrell（1994）、Mantua et al.（1997）和Nakamura et al.（1997）的分析結(jié)果一致。而P—φc的同期正相關(guān)除2月外均不顯著。

4AL與SST異常關(guān)系分析

眾所周知，冬季AL的存在是緯向海陸溫差強(qiáng)迫所致，因此，Latif and Barnett（1994，1996）認(rèn)為，北太平洋SST異常通過中緯不穩(wěn)定海氣相互作用將導(dǎo)致區(qū)域環(huán)流異常。另一方面，熱帶海洋熱力異常也對(duì)中緯環(huán)流異常起強(qiáng)迫作用（Trenberth et al.，1990；Graham et al.，1994；Trenberth and Hurrell，1994；Lau，1997；Deser et al.，2004）。例如，El Nio、La Nia事件對(duì)全球氣候異常有重大影響（Horel and Wallace，1981；Rasmusson and Carpenter，1982；Rasmusson and Wallace，1983；Huang and Wu，1989；黃榮輝和陳金中，2002）。Horel and Wallace（1981）提出太平洋/北美型（PNA），并指出大氣對(duì)強(qiáng)迫源的遙響應(yīng)及其低頻活動(dòng)都表現(xiàn)為類似大圓路徑的波列。Hoskins and Karoly（1981）的理論研究揭示了其動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。這里用AL環(huán)流指數(shù)表示北太平洋中緯低層環(huán)流，分析其與北太平洋中緯SST及El Nio/La Nia事件的相關(guān)關(guān)系。

41P與北太平洋SST的相關(guān)分析

由冬季AL指數(shù)P與北太平洋SST的相關(guān)系數(shù)（圖6a）可見：以約（170°W，40°N）為中心的北太平洋中部是片顯著正相關(guān)區(qū)，而其北、東北和東南側(cè)為顯著負(fù)相關(guān)區(qū)。逐月的結(jié)果（圖6b—6d）表明：中部顯著正相關(guān)區(qū)12月很小，1、2月迅速加強(qiáng)增大；而顯著負(fù)相關(guān)區(qū)在沿順時(shí)針方向移動(dòng)時(shí)存在著明顯的強(qiáng)度變化。在北太平洋中部SST正異常年份，季、月AL指數(shù)P出現(xiàn)正異常，AL減弱；反之，當(dāng)SST為負(fù)異常時(shí)，P為負(fù)異常，AL加強(qiáng)。而在北太平洋北部、東部周邊區(qū)域SST正異常年份，AL指數(shù)P出現(xiàn)負(fù)異常，AL加強(qiáng)；反之減弱。參照?qǐng)D1中f0線表明，AL主體均位于50～55°N間的相關(guān)系數(shù)0線通過的區(qū)域。當(dāng)該區(qū)域SSTA在南正北負(fù)年份，P′為正，AL較常年弱；反之，P′為負(fù)，AL較常年強(qiáng)。

42P、λc、φc與El Nio/La Nia的相關(guān)

圖6已顯示出季、1、2月的AL指數(shù)P與熱帶中東太平洋SST存在顯著負(fù)相關(guān)，該區(qū)SST強(qiáng)正（負(fù)）異常年對(duì)應(yīng)El Nio（La Nia）事件，同期AL異常加強(qiáng)（減弱）。表4給出AL的3個(gè)環(huán)流指數(shù)與NOAA定義的ONI指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明，季、1、2月的P（λc）與ONI指數(shù)均為顯著負(fù)（正）相關(guān)，即El Nio事件經(jīng)遙強(qiáng)迫使AL加強(qiáng)、中心偏東，La Nia事件則相反。

圖7、8給出了季、月的′、′與同期強(qiáng)El Nio、La Nia事件的相關(guān)聯(lián)系。這里，強(qiáng)El Nio（用●表示）、La Nia（用○表示）事件指ONI≥+12、ONI≤-13（Simth and Reynolds，2004）。表5表明，′的-（+）年與ONI的異號(hào)率K-較高（即與強(qiáng)El Nio/La Nia年重合率高），′的+（-）年與ONI的同號(hào)率K+較高；且自1975年以來，上述相關(guān)關(guān)系明顯強(qiáng)于1975年以前，這可能與自1975年以來海氣資料質(zhì)量提高有關(guān)。

由此可知，本文定義的AL指數(shù)P、λc可以清楚揭示AL強(qiáng)度、中心位置與太平洋SST異常的相關(guān)聯(lián)系。強(qiáng)El Nio事件時(shí)北太平洋中緯SSTA偏低，其東北側(cè)SSTA偏高，使AL中心東移及強(qiáng)度增強(qiáng)。

5AL指數(shù)P與同期北半球氣溫、降水的相關(guān)

51P與氣溫的相關(guān)關(guān)系

冬季季、月AL指數(shù)P和同期北半球氣溫T的相關(guān)系數(shù)分布（圖9）的總體特征為：中高緯度區(qū)從北太平洋中部經(jīng)北美西北海岸到北美洲東南部為規(guī)則排列的“+-+”顯著相關(guān)區(qū)，其相關(guān)中心位于與PNA（Pacific North American pattern of remote related）波列接近的大圓上。低緯區(qū)域則為寬闊顯著負(fù)相關(guān)區(qū)，其季內(nèi)差異顯著，12月位于熱帶西、中太平洋區(qū)域，1、2月向赤道退縮并向東延伸。AL指數(shù)P與東亞同期氣溫的相關(guān)不顯著，這與蒙古高壓與東

52P與降水的相關(guān)關(guān)系

冬季季、月AL指數(shù)P與同期北半球降水R的相關(guān)系數(shù)分布（圖10）中高緯度的基本特征與圖9給出的P—T相關(guān)分布類似，存在一個(gè)性質(zhì)相同位置相近的“+-+”顯著相關(guān)區(qū)波列；不同之處在于北太平洋的顯著正相關(guān)區(qū)向西伸展至東亞中緯地區(qū)。而其熱帶部分與圖9給出的P—T相關(guān)分布差異顯著，P—R在赤道附近的顯著負(fù)相關(guān)區(qū)遠(yuǎn)較P—T小；且在熱帶中太平洋（中心在夏威夷附近）、熱帶西太平洋（中心在加勒比海以東洋面）出現(xiàn)兩顯著正相關(guān)區(qū)，后者可視為相關(guān)波列向熱帶區(qū)域的延伸。還可以看出，12—2月，北太平洋南部的負(fù)相關(guān)區(qū)明顯減弱；北太平洋南部的正相關(guān)區(qū)明顯加強(qiáng)，墨西哥灣的正相關(guān)區(qū)加強(qiáng)，范圍增大；古巴以西大西洋海域出現(xiàn)一個(gè)正相關(guān)區(qū)，穿過中美洲與低緯太平洋的正相關(guān)區(qū)連接成為一體。

6結(jié)論

本文定義了一組描述冬季季、月平均1 000 hPa位勢(shì)高度上阿留申低壓（AL）狀態(tài)的新的環(huán)流指數(shù)，包括強(qiáng)度指數(shù)P、面積指數(shù)S及中心位置指數(shù)（λc，φc），用1948/1949—2007/2008年60個(gè)冬季的NCEP/NCAR平均高度場資料計(jì)算了上述環(huán)流指數(shù)，并據(jù)此分析了AL氣候及異常規(guī)律。其中重點(diǎn)分析了AL環(huán)流指數(shù)P、λc與同期北半球太平洋SST及北半球氣溫、降水的相關(guān)聯(lián)系。主要結(jié)果為：

1）AL在1月最強(qiáng)，中心偏南、偏西；12月最弱，中心偏北、偏東；2月居中。

2）AL指數(shù)P、λc間存在負(fù)相關(guān)聯(lián)系，強(qiáng)年（P′<0）偏東（λ′>0）、弱年偏西；AL年代際變化主要表現(xiàn)在自1970s以來的持續(xù)偏強(qiáng)偏東，但近年有反轉(zhuǎn)的跡象。

3）AL在強(qiáng)El Nio 年偏強(qiáng)偏東，在強(qiáng)La Nia年相反；這一相關(guān)聯(lián)系在1975年后尤其明顯。AL與中緯太平洋SST也存在顯著正相關(guān)，SST負(fù)異常年AL東移加強(qiáng)，反之亦然。

4）AL指數(shù)P與同期北半球中高緯T、R的顯著相關(guān)區(qū)呈+-+大圓波列分布，相關(guān)中心位置分別在中緯北太平洋、北美西北部、北美南部，與PNA遙相關(guān)型接近。

阿留申低壓與蒙古高壓是冬季北半球中高緯相鄰的兩個(gè)大氣活動(dòng)中心，但他們與同期El Nio/La Nia事件及與北半球溫度、降水的相關(guān)聯(lián)系存在明顯差異，是一個(gè)值得深入研究的問題。

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