北太平洋冬半年位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩及其診斷分析

辛欣 曾勝蘭 姚素香

摘要 利用NCEP/DOE再分析資料，分析了1979—2012年北太平洋對(duì)流層冬半年位勢(shì)高度的季節(jié)內(nèi)振蕩特征。結(jié)果表明：北太平洋上空的位勢(shì)高度表現(xiàn)為顯著的10～40 d季節(jié)內(nèi)振蕩特征，50～80°N緯度帶內(nèi)振蕩最強(qiáng)，主要由東向西傳播；位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩的演變過(guò)程伴隨太平洋高壓脊以及東亞大槽的顯著變化；在垂直方向上具有準(zhǔn)正壓的結(jié)構(gòu)，位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩的時(shí)間演變與地轉(zhuǎn)渦度平流和散度項(xiàng)的季節(jié)內(nèi)振蕩有關(guān)，其向西移動(dòng)也是受地轉(zhuǎn)渦度平流和散度項(xiàng)的引導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 北太平洋 位勢(shì)高度 大氣季節(jié)內(nèi)振蕩 渦度平流

自Madden and Julian（1971，1972）發(fā)現(xiàn)在熱帶大氣中存在顯著的40～50 d的振蕩周期后，關(guān)于大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（IntraSeasonal Oscillation，ISO）的研究首先在熱帶展開(kāi)，認(rèn)為熱帶大氣ISO具有緯向1波的行星尺度水平結(jié)構(gòu)，垂直結(jié)構(gòu)上為對(duì)流層上下反位相的斜壓特征，冬季ISO主要以東傳為主，夏季ISO也表現(xiàn)出經(jīng)向的北傳。此外，還提出眾多機(jī)制解釋其形成原因，如熱源強(qiáng)迫、積云對(duì)流反饋、蒸發(fā)一風(fēng)反饋機(jī)制、大氣非線性相互作用機(jī)制以及海氣相互作用機(jī)制（Flatau et al.，1997；賈小龍和李崇銀，2007；Lin et al.，2011；Wang et al.，2012；金小霞等，2016）等。

后來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，大氣季節(jié)內(nèi)振蕩不是熱帶獨(dú)有的現(xiàn)象，在副熱帶甚至中高緯地區(qū)也存在顯著的大氣低頻振蕩，而中高緯地區(qū)的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩與熱帶大氣ISO相比，在三維結(jié)構(gòu)、傳播特征、典型周期等方面都與熱帶大氣有顯著的區(qū)別（Krishnamurti and Gadgil，1985；韓榮青等，2006，2010；楊雙艷等，2014；楊嚴(yán)和徐海明，2015；陳丹萍等，2016）。韓榮青等（2006，2010）認(rèn)為北太平洋副熱帶區(qū)域季節(jié)內(nèi)振蕩存在季節(jié)變化，冬強(qiáng)夏弱，西傳的能量強(qiáng)于東傳的能量；楊雙艷等（2014）研究了歐亞大陸上空大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的傳播特征，發(fā)現(xiàn)其典型周期為10～30 d，傳播方向?yàn)榈湫偷臇|南傳。楊嚴(yán)和徐海明（2015）最近發(fā)現(xiàn)春季青藏高原500 hPa緯向風(fēng)也存在顯著的10～30 d振蕩特征，其傳播方向也為東南傳，且對(duì)下游的南方春季降水產(chǎn)生影響。在中高緯大氣ISO形成機(jī)制上，有研究指出，大氣非線性相互作用在中高緯度地區(qū)更為顯著，除了外源強(qiáng)迫，中高緯度大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的激發(fā)機(jī)制可能與波—波，波—流相互作用的關(guān)系更為密切（Wallace and Blackmon，1983）。

綜上關(guān)于熱帶外大氣季節(jié)內(nèi)振蕩研究現(xiàn)狀可知，熱帶外大氣季節(jié)內(nèi)振蕩表現(xiàn)出復(fù)雜性，而目前關(guān)于冬季太平洋中高緯度地區(qū)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的研究相對(duì)較少，其是否和亞歐大陸中高緯度大氣ISO具有同樣的空間結(jié)構(gòu)和傳播特征，抑或與副熱帶北太平洋的特征類似，還沒(méi)有明確的結(jié)論。因此本文對(duì)冬半年北太平洋位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩的空間結(jié)構(gòu)和傳播特征進(jìn)行分析，并初步診斷位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩的原因。

1資料和方法

本文所用資料為NCEP/DOE逐日再分析資料，時(shí)間長(zhǎng)度是1979—2012年，空間分辨率為2.5°×2.5°。選取每年11月1日至次年4月30日設(shè)為冬半年，共計(jì)5 982 d。

采用Butterworth濾波方法、EOF分解方法、超前一滯后相關(guān)分析以及合成方法等。為去除季節(jié)變化，文中首先計(jì)算逐日位勢(shì)高度異常（某日位勢(shì)高度與多年來(lái)該日平均位勢(shì)高度之差），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行濾波、合成、EOF分解等。

2結(jié)果分析

由于本文主要分析位勢(shì)高度的季節(jié)內(nèi)振蕩特征，首先使用Butterworth濾波方法對(duì)北半球的冬半年位勢(shì)高度異常進(jìn)行10～90 d的濾波。對(duì)于濾波后的數(shù)據(jù)計(jì)算均方差作為其季節(jié)內(nèi)變化強(qiáng)度。由圖1可見(jiàn)，從對(duì)流層低層到高層，其季節(jié)內(nèi)變化強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，中心位置主要位于東北太平洋至北美阿拉斯加附近。

取季節(jié)內(nèi)變化強(qiáng)度最強(qiáng)的250 hPa東北太平洋一阿拉斯加（圖1a中方框），將該區(qū)域平均的逐日位勢(shì)高度異常（未濾波，5 982 d）進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果如圖2所示?？梢?jiàn)該區(qū)域的振蕩周期主要為40 d以下的周期，在20 d左右和30 d左右都具有顯著的峰值，且通過(guò)95%的紅噪音檢驗(yàn)。因此在下一步的分析中，主要對(duì)北半球冬半年位勢(shì)高度的10～40 d振蕩展開(kāi)研究。

2.1北太平洋冬半年位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩特征

對(duì)1979—2012年冬半年對(duì)流層上層250 hPa逐日位勢(shì)高度異常場(chǎng)進(jìn)行10～40 d濾波，繼而進(jìn)行EOF分解，結(jié)果如圖3所示。EOF第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為27%，第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為16%。EOF第一模態(tài)的大值中心主要位于北太平洋高緯度地區(qū)—北冰洋，第二模態(tài)的中心主要表現(xiàn)為北美西部和鄂霍次克海以北地區(qū)的反位相振蕩關(guān)系。

將EOF分解第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以大于等于1.5作為正ISO事件，小于等于-1.5作為負(fù)ISO事件，波峰時(shí)刻作為正ISO事件的0時(shí)刻，波谷時(shí)刻作為負(fù)ISO事件的0時(shí)刻。1979—2012年冬半年，正事件頻次為101次，負(fù)事件頻次為95次。正事件合成與負(fù)事件合成的差值如圖4所示（文中其余合成結(jié)果也為正、負(fù)事件之差）。可見(jiàn)，EOFl波峰時(shí)刻的前9 d，北太平洋高緯地區(qū)為負(fù)異常，其南部以及東部為正異常，即接近EOF1的負(fù)位相分布；而前6 d，正異常從北美向太平洋從東向西移動(dòng)；前3 d，正的位勢(shì)高度異常西移的過(guò)程中不斷增強(qiáng)；而在0時(shí)刻，顯著的正異常位于北太平洋高緯地區(qū)—北冰洋；而在隨后的3～6 d，正異常中心不斷向西移動(dòng)并減弱。值得注意的是，在波峰出現(xiàn)的前6 d，位勢(shì)高度異常的分布與EOF分解第二模態(tài)的負(fù)位相一致，波峰出現(xiàn)的后6 d，位勢(shì)高度異常的分布與EOF分解第二模態(tài)的正位相一致。

圖5為EOF分解第一和第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)的超前一滯后相關(guān)結(jié)果。第一模態(tài)超前5 d與第二模態(tài)正相關(guān)，第一模態(tài)滯后5 d與第二模態(tài)負(fù)相關(guān)。這也與圖4關(guān)于其傳播特征分析的結(jié)果一致。

進(jìn)一步分析位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩事件中所伴隨的天氣尺度位勢(shì)高度和位勢(shì)高度原場(chǎng)的演變情況（圖6）。將位勢(shì)高度分為40 d以上的低頻尺度，10～40 d的季節(jié)內(nèi)振蕩尺度，以及10 d以下的高頻天氣尺度，如（1）式所示：

選取EOF第一模態(tài)大值區(qū)（北太平洋區(qū)域）作為關(guān)鍵區(qū)（170°E～160°W，60～75°N，下同），分析其渦度變化的季節(jié)內(nèi)演變情況（圖7）。在EOF第一模態(tài)波峰時(shí)刻前10 d，位勢(shì)高度的季節(jié)內(nèi)振蕩分量以增加為主，對(duì)應(yīng)的，渦度變化表現(xiàn)為負(fù)，波峰到波峰后10 d，位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩分量以減小為主，同樣渦度變化表現(xiàn)為正。

利用方程（2）進(jìn)一步計(jì)算渦度平流、渦度傾側(cè)項(xiàng)以及散度項(xiàng)對(duì)渦度變化的貢獻(xiàn)。圖8a—8e為季節(jié)內(nèi)振蕩尺度渦度變化的結(jié)果，從圖中可以看出，對(duì)于季節(jié)內(nèi)振蕩尺度的渦度變化來(lái)說(shuō)，地轉(zhuǎn)渦度平流項(xiàng)的貢獻(xiàn)最大，且從對(duì)流層低層到高層表現(xiàn)為一致的分布。從量級(jí)上看，散度項(xiàng)與地轉(zhuǎn)渦度平流接近，然而散度項(xiàng)則表現(xiàn)為明顯的斜壓結(jié)構(gòu)，對(duì)流層下層與對(duì)流層上層相反，在對(duì)流層上層對(duì)于渦度變化的貢獻(xiàn)為正。相對(duì)渦度平流在10～40 d尺度則為正值，表明其對(duì)總的渦度變化的貢獻(xiàn)為負(fù)。該關(guān)鍵區(qū)渦度的變化主要取決于前期地轉(zhuǎn)渦度平流以及散度項(xiàng)的貢獻(xiàn)。

前面的分析中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)北太平洋北部的對(duì)流層上層位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩主要向西傳播，因此這里進(jìn)一步解釋其向西傳播的可能原因。圖9給出在關(guān)鍵區(qū)位勢(shì)高度為波峰時(shí)刻，250 hPa高度渦度變化及關(guān)鍵項(xiàng)的合成分析。從圖9a中可以看出，在波峰時(shí)刻，關(guān)鍵區(qū)以東的渦度變化趨勢(shì)為正；以西地區(qū)相反，為負(fù)的渦度變化；關(guān)鍵區(qū)的位勢(shì)高度已達(dá)到極值，因此渦度變化為零。由于位勢(shì)高度變化正比于負(fù)的渦度變化，因此可知，關(guān)鍵區(qū)以西為正變高區(qū)域，而以東為負(fù)變高區(qū)域。在波峰時(shí)刻，關(guān)鍵區(qū)為高壓脊控制，高壓更易于向變高升度的方向運(yùn)動(dòng)，因此引導(dǎo)波動(dòng)向西傳播。分析相對(duì)渦度平流、絕對(duì)渦度平流以及散度項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，10～40 d濾波的渦度變化主要為地轉(zhuǎn)渦度平流和散度項(xiàng)的貢獻(xiàn)，從而抵消了相對(duì)渦度平流引起的負(fù)變高，整體表現(xiàn)為負(fù)的渦度變化，即正變高。

3結(jié)論和討論

本文利用NCEP/DOE再分析資料，分析了1979—2012年冬半年北太平洋對(duì)流層位勢(shì)高度的季節(jié)內(nèi)振蕩特征，并診斷了渦度變化的原因。結(jié)果表明：

1）冬半年，北太平洋上空存在顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩特征，位勢(shì)高度表現(xiàn)為明顯的10～40 d周期變化，振蕩在對(duì)流層上層最為顯著；

2）太平洋上空位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩表現(xiàn)為明顯的西傳特征，伴隨對(duì)流層中上層北太平洋高壓脊、東亞大槽的變化。此外，天氣尺度的位勢(shì)高度變化對(duì)高壓脊的建立和向極伸展以及東亞大槽的向南加深也有貢獻(xiàn)；

3）通過(guò)渦度方程的診斷可知，位勢(shì)高度的季節(jié)內(nèi)振蕩存在上下較為一致的特征，最大的渦度變化出現(xiàn)在對(duì)流層中上層；渦度季節(jié)內(nèi)振蕩和向西移動(dòng)決定于地轉(zhuǎn)渦度平流和散度項(xiàng)的季節(jié)內(nèi)變化。

值得注意的是，關(guān)于北太平洋冬半年位勢(shì)高度季節(jié)內(nèi)振蕩主要表現(xiàn)為西傳特征，這與副熱帶太平洋的結(jié)果較為一致（韓榮青等，2010），區(qū)別于亞歐大陸的東南傳播（楊雙艷等，2014；楊嚴(yán)和徐海明，2015），因此太平洋冬半年ISO的傳播機(jī)理還需進(jìn)一步探討。