冬季赤道中東太平洋海溫異常對北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化的可能影響

朱偉軍，李天宇,2

(1. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044； 2. 吉林省氣候中心，吉林 長春 130062)

冬季赤道中東太平洋海溫異常對北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化的可能影響

朱偉軍1，李天宇1,2

(1. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044； 2. 吉林省氣候中心，吉林 長春 130062)

利用NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)和NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的再分析資料和CPC(National Climate Prediction Center)提供的Nino3.4指數(shù)，研究了與赤道中東太平洋海溫異常相對應(yīng)的ENSO(El Nio-Southern Oscillation)不同位相對同期北半球海氣耦合關(guān)系及兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同關(guān)系的影響，具體結(jié)論如下：1)赤道中東太平洋海溫異常與冬季北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化關(guān)系密切，具體表現(xiàn)為海溫正異常時(shí)對應(yīng)北太平洋風(fēng)暴軸和北大西洋風(fēng)暴軸同時(shí)增強(qiáng)，且大西洋風(fēng)暴軸整體和太平洋風(fēng)暴軸東部位置南壓，海溫負(fù)異常時(shí)則相反。2)海溫正異常(El Nio)年時(shí)，對流層中層極渦向北太平洋地區(qū)伸展，西北太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)西移，東亞大槽減弱，高度場異常對應(yīng)WP(Western Pacific pattern)、EA(Eastern Atlantic pattern)型遙相關(guān)的負(fù)位相和PNA(Pacific-North American pattern)型遙相關(guān)正位相，對流層低層加拿大高壓增強(qiáng)，阿留申低壓強(qiáng)度增強(qiáng)并向東南方向移動(dòng)，東亞急流增強(qiáng)東伸，北美急流強(qiáng)度增強(qiáng)，歐亞大陸50°N附近西風(fēng)增強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流減弱，北半球的斜壓異常分布有利于北太平洋東部風(fēng)暴軸南側(cè)以及中西部風(fēng)暴軸的有效位能向擾動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換，使得風(fēng)暴軸增強(qiáng)東部南壓，北大西洋風(fēng)暴軸南部斜壓增強(qiáng)，使得風(fēng)暴軸整體偏南，中、西部強(qiáng)度增強(qiáng)。海溫負(fù)異常(La Nia)年時(shí)，海溫和環(huán)流異常在兩大洋基本與El Nio年相反，對應(yīng)兩大洋風(fēng)暴軸強(qiáng)度同時(shí)減弱，同時(shí)北大西洋風(fēng)暴軸整體和北太平洋風(fēng)暴軸東部北抬。3)海溫正異常(El Nio)年時(shí)，北美大陸為北暖南冷的異常分布，60°N以南的東亞地區(qū)除我國西南外基本為溫度異常升高。海溫負(fù)異常(La Nia)年時(shí)，由于高度場和風(fēng)場異常在歐亞大陸和北美大陸上的異常分布與El Nio年時(shí)并不是完全相反，使得溫度場異常主要表現(xiàn)在北美南部和東亞北部異常升高。

風(fēng)暴軸； 協(xié)同變化； ENSO； 海氣耦合系統(tǒng)

引言

風(fēng)暴軸一般是指2.5～6 d瞬變擾動(dòng)最活躍的區(qū)域，在北半球主要位于北大西洋和北太平洋，即為北半球兩大洋風(fēng)暴軸[1-2]。風(fēng)暴軸與地面氣旋和反氣旋的活動(dòng)路徑密切相關(guān)，地面氣旋在風(fēng)暴軸西端生成，并在東端填塞消亡[3-5]。風(fēng)暴軸不僅能夠直接影響局地天氣異常，而且由于風(fēng)暴軸能引起強(qiáng)烈的向極熱量、動(dòng)量和水汽輸送，因此對大尺度的大氣環(huán)流維持以及天氣氣候變化也具有重要影響。

作為北半球中緯度高頻瞬變波動(dòng)最顯著的區(qū)域，近年來對北半球兩大洋風(fēng)暴軸的研究取得了豐富的成果。研究表明，北半球兩大洋風(fēng)暴軸都存在顯著的月際變化、年際變化和年代際變化[6-14]。Lau[6]通過對天氣尺度濾波位勢高度方差進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)北太平洋和北大西洋風(fēng)暴軸的月際變化十分顯著，并提出北太平洋和北大西洋風(fēng)暴軸的主要模態(tài)與北半球一些低頻變化的遙相關(guān)型聯(lián)系密切。朱偉軍和孫照渤[13]指出冬季北太平洋風(fēng)暴軸的中心強(qiáng)度和經(jīng)度、緯度位置有著顯著的年際變化，并認(rèn)為其受到熱帶和北太平洋海溫異常的影響，這種影響與PNA遙相關(guān)型和WP遙相關(guān)型存在密切聯(lián)系。年代際尺度上，研究[10-12]表明，冬季北太平洋風(fēng)暴軸與北大西洋風(fēng)暴軸活動(dòng)在20世紀(jì)70年代初發(fā)生了顯著性增強(qiáng)。Harnik and Chang[15]分別使用探空資料和再分析資料對北半球風(fēng)暴軸的年代際變化進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)利用這兩種資料的研究結(jié)果均顯示出明顯的年代際變化特征。

許多研究顯示，風(fēng)暴軸異常不僅可以直接引起附近大氣環(huán)流和天氣形勢(如阻塞)的異常[15-17]，而且對整個(gè)北半球大氣環(huán)流的異常具有重要影響。研究表明，風(fēng)暴軸反饋的主要作用，是削弱風(fēng)暴軸入口區(qū)氣流的垂直切變和增強(qiáng)風(fēng)暴軸東側(cè)氣流的正壓分量，從而維持靜力平衡[18-20]。此外，風(fēng)暴軸向極的能量輸送使得赤道和極地之間保持能量平衡，對大氣環(huán)流和天氣氣候的維持有重要作用[21]。袁凱等[22]通過對北太平洋東部地區(qū)的研究，指出北太平洋東部地區(qū)的位置變化與同期PNA遙相關(guān)型、WP遙相關(guān)型以及海表面溫度異常存在顯著相關(guān)。任雪娟等[23]利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解研究了冬季北太平洋風(fēng)暴軸的異常特征，并且進(jìn)一步分析了與風(fēng)暴軸空間異常型相關(guān)的冬季大氣平均氣流異常和海表面溫度異常的空間耦合型。

根據(jù)對已有研究的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前對北大西洋風(fēng)暴軸和北太平洋風(fēng)暴軸與海氣系統(tǒng)耦合關(guān)系的研究僅著眼于單個(gè)大洋風(fēng)暴軸，李天宇等[24]在研究風(fēng)暴軸年代際尺度上的協(xié)同變化關(guān)系時(shí)指出年際尺度下冬季北半球兩大洋風(fēng)暴軸的協(xié)同變化第一模態(tài)與赤道中東太平洋海表面溫度異常關(guān)系密切，袁凱等[22]也指出北太平洋東部風(fēng)暴軸的異常變化與ENSO的不同位相相對應(yīng)，但風(fēng)暴軸協(xié)同變化與赤道中東太平洋海表面溫度異常之間的關(guān)系及其與北半球大氣環(huán)流的耦合關(guān)系，以及這種關(guān)系可能對北半球溫度異常造成的影響尚不清楚。因此，本文將對這些問題進(jìn)行研究。

1 資料與方法

本文采用美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR，National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)的再分析資料，包括逐月的海平面氣壓場(p)和溫度場(T)，逐月和逐日的高度場(z)和風(fēng)場(u，v)，垂直層數(shù)為17層，水平分辨率為2.5°×2.5°，覆蓋時(shí)間為1949年1月—2015年12月。海溫資料取自美國海洋和大氣管理局(NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration)，水平分辨率為2°×2°，覆蓋時(shí)間為1854年1月—2015年12月。冬季定義為當(dāng)年12月—次年2月三個(gè)月的時(shí)間平均。

赤道中東太平洋區(qū)域海表溫度異常用Nino3.4區(qū)(5°N～5°S，170～120°W)的海溫平均值表示，取自美國氣候預(yù)報(bào)中心(CPC，National Climate Prediction Center)的計(jì)算結(jié)果，覆蓋時(shí)間為1948年1月—2015年12月。為了表征風(fēng)暴軸的位置和強(qiáng)度異常變化，利用孫照渤[25]的方法，采用31點(diǎn)對稱數(shù)字濾波器從逐日的原始資料中濾出一周左右的天氣尺度瞬變渦動(dòng)，并計(jì)算每月的濾波方差得到逐月的風(fēng)暴軸瞬變擾動(dòng)濾波方差。

(1)

此外，文中還利用了合成分析、顯著性檢驗(yàn)等常規(guī)氣象統(tǒng)計(jì)方法[27]。

2 結(jié)果分析

2.1 冬季赤道中東太平洋區(qū)域海表溫度異常的演變特征

取Nino3.4區(qū)的海表面溫度的冬季平均值作為赤道中東太平洋區(qū)域海表溫度異常的指數(shù)，圖1為1960—2014年冬季的Nino3.4指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列，可以看出赤道中東太平洋海溫異常存在明顯的年際變化，為了研究海溫異常不同位相時(shí)的風(fēng)暴軸及大氣環(huán)流異常，取Nino3.4指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列中大于1的為正海溫異常年，小于-1的為負(fù)海溫異常年。由于赤道中東太平洋海溫與ENSO相聯(lián)系，因此正海溫異常對應(yīng)厄爾尼諾(El Nio)年，負(fù)海溫異常對應(yīng)拉尼娜(La Nia)年。表1為選取的海溫正、負(fù)異常年份。

圖1 1960—2014年Nino3.4區(qū)海面溫度的標(biāo)準(zhǔn)化序列Fig.1 Standardized series of sea surface temperature in Nino3.4 area from 1960 to 2014

表1赤道中東太平洋海面溫度異常年份

Table 1 Abnormal years for SST in equatorial middle-east Pacific

正異常年負(fù)異常年1965,1972,1982,1986,1991,1994,1997,2002,20091970,1973,1975,1988,1998,1999,2007,2010

圖2為赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常時(shí)的海表面溫度差值場，可以看出異常分布在赤道中東太平洋海溫、北美大陸西海岸沿岸以及智利沿岸為海溫異常升高，而北半球中緯度則為“橫V”型的海溫負(fù)異常，南半球與北半球基本對稱，在中緯度存在負(fù)異常中心。這種海溫異常分布在熱帶地區(qū)表現(xiàn)為典型的El Nio型，在北太平洋則為太平洋年代際振蕩(PDO)，研究[28-29]表明，不同的PDO年代際背景與ENSO的異常聯(lián)系密切。此外，紐芬蘭島附近的中緯度大西洋海溫為異常降低，而其南部加勒比海附近的副熱帶大西洋為海溫異常升高。研究表明赤道中東太平洋海溫異常升高能夠?qū)е麓笪餮笮棚L(fēng)和海洋潛熱的減少，從而對熱帶大西洋進(jìn)行“充電”，影響北大西洋海氣耦合[30]。

圖2 赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常年海面溫度(單位：℃)差值場(填色區(qū))(打點(diǎn)區(qū)域表示通過95%的顯著性檢驗(yàn))Fig.2 Difference of SST (unit:℃, color-filled area) between positive and negative phase years in equatorial middle-east Pacific (Dotted areas represent the values significant at the 95% confidence level)

圖3 赤道中東太平洋海表溫度正(a)、負(fù)(b)異常年對應(yīng)的500 hPa位勢高度濾波方差異常場(等值線)及其差值(c，填色區(qū))的合成分布(單位：dagpm2)(打點(diǎn)區(qū)域表示通過95%的顯著性檢驗(yàn))Fig.3 Composites of 500 hPa geopotential height variance anomalies (contour, units: dagpm2) for positive(a) and negative(b) phase years and their difference anomalies(c)(color-filled area)(Dotted areas represent the values significant at the 95% confidence level)

2.2 冬季赤道中東太平洋海溫異常與北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化的關(guān)系

為了研究冬季赤道中東太平洋海表溫度異常與冬季北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化的關(guān)系，分別利用選取的赤道中東太平洋正、負(fù)海溫異常年份進(jìn)行合成分析。圖3為赤道中東太平洋海表溫度正、負(fù)異常年對應(yīng)的500 hPa位勢高度濾波方差異常場及其差值的合成分布，可以看出，ENSO不同位相時(shí)北半球兩大洋風(fēng)暴軸存在顯著差異，其中El Nio年濾波方差異常分布在北太平洋為西北—東南走向的一對正、負(fù)異常中心，正異常位于北太平洋中部30～50°N，負(fù)異常位于白令海峽至阿拉斯加附近，北大西洋上空格陵蘭島以南的60°N附近為負(fù)異常，中緯度及美國沿岸地區(qū)則為正異常。此時(shí)，北太平洋風(fēng)暴軸氣候平均位置中、西部基本位于正異常，東部則基本位于正、負(fù)異常之間的零線附近；北大西洋風(fēng)暴軸的氣候平均位置中、西部基本位于正異常，氣候平均位置東部則位于零線附近。因此El Nio年對應(yīng)兩大洋風(fēng)暴軸強(qiáng)度異常增強(qiáng)以及北大西洋風(fēng)暴軸整體和北太平洋風(fēng)暴軸東部的異常南壓。而La Nia年時(shí)，北太平洋上空西部的負(fù)異常中心強(qiáng)度較El Nio時(shí)的正異常有所減弱，異常主要體現(xiàn)在大洋東部的一對北正、南負(fù)的異常中心，北大西洋上空與北太平洋相似。這種異常分布對應(yīng)兩大洋風(fēng)暴軸強(qiáng)度異常減弱同時(shí)北大西洋風(fēng)暴軸整體和北太平洋風(fēng)暴軸東部北抬。袁凱等[22]在分析北太平洋風(fēng)暴軸東部的變化特征及其與海表面溫度異常的關(guān)系時(shí)，指出東部風(fēng)暴軸南壓(北抬)時(shí)，同期冬季對應(yīng)El Nio(La Nia)年海溫的異常分布型，這與本文的研究結(jié)果一致。濾波方差差值場(圖3c)中，兩大洋上空分別存在一對北負(fù)南正的異常中心，但通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域主要位于北太平洋東部和北大西洋中緯度地區(qū)，說明ENSO對兩大洋風(fēng)暴軸的影響主要體現(xiàn)在北太平洋風(fēng)暴軸東部的南北位置異常和北大西洋風(fēng)暴軸中、西部強(qiáng)度異常。李天宇等[24]利用EOF分解分析了兩大洋風(fēng)暴軸的協(xié)同變化，指出年際尺度下第一模態(tài)主要表現(xiàn)兩大洋風(fēng)暴軸強(qiáng)度在氣候平均位置附近同時(shí)增強(qiáng)(減弱)并伴隨北大西洋風(fēng)暴軸整體和北太平洋風(fēng)暴軸東部南壓(北抬)。此處赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常差值場(圖3c)中的異常分布正好與李天宇等[24]協(xié)同變化年際尺度第一模態(tài)下的分布型(圖4a、圖4b)十分相似，說明ENSO可能是年際尺度下北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化的重要影響因子。

圖4c為1960—2014年冬季平均的Nino3.4區(qū)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列以及李天宇等[24]年際尺度下冬季兩大洋風(fēng)暴軸EOF第一模態(tài)特征向量場對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)，二者的變化趨勢在20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)70年代中期、20世紀(jì)80年代中期及20世紀(jì)90年代中期至21世紀(jì)都十分相似。二者之間的相關(guān)系數(shù)為0.26，t檢驗(yàn)通過95%的置信水平。

圖4 李天宇等[24]年際尺度下冬季兩大洋風(fēng)暴軸EOF第一模態(tài)特征向量場的北大西洋風(fēng)暴軸(a)和北太平洋風(fēng)暴軸(b)及其對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(c，紅色實(shí)線)以及1960—2014年冬季平均的Nino3.4區(qū)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列(c，黑色實(shí)線)Fig.4 Spatial patterns of northern AST(a) and PST(b) and corresponding normalized coefficients(c, red solid line) for the first EOF mode of the interannual component of the 500-hPa filtered geopotential height variance during winter from Li Tianyu et al[24],and standardized series of Nino3.4 area index (c, black solid line) during 1960-2014 winter

以上分析說明，赤道中東太平洋海溫異常與冬季北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化關(guān)系密切，具體表現(xiàn)為El Nio年(海溫正異常)時(shí)對應(yīng)北太平洋風(fēng)暴軸和北大西洋風(fēng)暴軸同時(shí)增強(qiáng)，且大西洋風(fēng)暴軸整體和太平洋風(fēng)暴軸東部位置南壓，La Nia年(海溫負(fù)異常)時(shí)則相反。

2.3 冬季赤道中東太平洋海溫異常對北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化的可能影響機(jī)制

研究[30-32]表明，赤道中東太平洋海溫異常作為全球海氣耦合作用的強(qiáng)異常信號(hào)，對全球環(huán)流及海氣相互作用產(chǎn)生重要影響，并進(jìn)一步影響許多地區(qū)溫度、降水等氣候異常。那么當(dāng)冬季赤道中東太平洋的海溫異常發(fā)生時(shí)，與同期北半球兩大洋風(fēng)暴軸的協(xié)同變化相聯(lián)系的大尺度大氣環(huán)流異常特征，以及這種異常對北半球溫度產(chǎn)生的影響將如何變化？本節(jié)將利用合成分析等方法，對以上問題進(jìn)行具體分析。

圖5-7為赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常年對應(yīng)的500 hPa位勢高度異常場、緯向風(fēng)異常場及850～700 hPa斜壓指數(shù)異常場及其差值的合成分布。對流層中層的500 hPa位勢高度異常場上(圖5)，當(dāng)赤道中東太平洋海溫正異常(El Nio年)時(shí)，負(fù)異常分別位于北半球高緯地區(qū)、北太平洋東北部、美國東部以及中緯度北大西洋，正異常則位于熱帶和副熱帶太平洋、北美大陸北部以及副熱帶大西洋。當(dāng)赤道中東太平洋海溫負(fù)異常(La Nia年)時(shí)，高度場上的異常分布基本與正異常時(shí)相反，但此時(shí)北美大陸北部至格陵蘭島的負(fù)異常區(qū)域較El Nio年時(shí)的正異常范圍更大，歐亞大陸北部的異常中心強(qiáng)度則有所減弱。結(jié)合位勢高度差值場(圖5c)，說明El Nio(La Nia)年，極渦向北太平洋(北美)地區(qū)伸展，西北太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)西移(減弱東移)，日本附近的正異常對應(yīng)東亞大槽減弱(增強(qiáng))。西北太平洋和副熱帶太平洋的反位相異常分布對應(yīng)西大西洋型(WP)遙相關(guān)的負(fù)(正)位相；阿留申地區(qū)與北美大陸北部及副熱帶太平洋的反位相位勢高度異常，而與美國東部同位相，這種異常分布組成了太平洋北美型(PNA)遙相關(guān)正(負(fù))位相。朱偉軍等[33-34]指出冬季赤道中東太平洋海表溫度可以通過激發(fā)或加強(qiáng)PNA遙相關(guān)型，從而影響北太平洋風(fēng)暴軸東端的異常變化，這與本文結(jié)果是一致的。而在北大西洋副熱帶、北大西洋中緯度以及歐洲上空，位勢高度異常中心分別呈正(負(fù))-負(fù)(正)-正(負(fù))分布，基本上對應(yīng)于大西洋東部型(EA)遙相關(guān)的負(fù)(正)位相。

在對流層低層，海平面氣壓異常場上(圖略)，異常分布與對流層中層相似，在阿拉斯加和北大西洋中緯度地區(qū)為負(fù)異常，加拿大附近為正異常，歐亞大陸上的異常中心并不顯著，說明El Nio(La Nia)年時(shí)，加拿大高壓增強(qiáng)(減弱)，阿留申低壓強(qiáng)度增強(qiáng)(減弱)并向東南(西北)方向移動(dòng)。

圖5 同圖3，但為500 hPa位勢高度異常場Fig.5 Same as Fig.3, but for 500 hPa geopotential height anomaly

圖6為赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常年對應(yīng)的緯向風(fēng)異常場及其差值的合成分布，緯向風(fēng)場與高度場異常相對應(yīng)，El Nio年時(shí)北太平洋和北大西洋上空呈負(fù)-正-負(fù)的三極子型異常，東亞急流氣候平均位置出口區(qū)西風(fēng)異常增強(qiáng)，兩大洋風(fēng)暴軸南側(cè)的西風(fēng)異常增強(qiáng)，而北側(cè)的西風(fēng)異常減弱，歐亞大陸上空從副熱帶向北分別為正-負(fù)-正-負(fù)的西風(fēng)異常。La Nia年時(shí)，兩大洋上空的異常分布與El Nio年相反，但異常中心有所減弱并向東移動(dòng)，大陸上的異常分布在30°N以北地區(qū)與El Nio年有所差異，貝加爾湖和長江中下游附近的異常均不明顯。Zhang et al.[31]統(tǒng)計(jì)了ENSO不同位相的中國東南沿海經(jīng)向風(fēng)，指出La Nia與El Nio年的風(fēng)場異常并不是完全反位相的關(guān)系，這與本文的結(jié)論一致。結(jié)合緯向風(fēng)差值場(圖6c)，說明El Nio年時(shí)東亞急流增強(qiáng)東伸，北美急流強(qiáng)度增強(qiáng)，歐亞大陸50°N附近西風(fēng)增強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流減弱，使得高緯冷空氣不易南下，而北美大陸中高緯北正南負(fù)的緯向風(fēng)異常，有利于經(jīng)向風(fēng)增強(qiáng)。此外，合成分布在歐亞大陸中緯度地區(qū)有所差異，差值場并未通過顯著性檢驗(yàn)，說明東亞冬季風(fēng)對不同ENSO位相的響應(yīng)有所差異。

圖6 同圖3，但為500 hPa緯向風(fēng)異常場Fig.6 Same as Fig.3, but for 500 hPa zonal wind anomaly

由于天氣尺度瞬變擾動(dòng)發(fā)展的能量主要來自基本氣流的斜壓不穩(wěn)定，研究[35]表明，Eady波最大增長率能夠很好地表征大氣斜壓性的變化， 其值越大說明斜壓性越強(qiáng)，越有利于平均有效位能向擾動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，天氣尺度波動(dòng)越容易得到發(fā)展，因此風(fēng)暴軸的維持和發(fā)展與斜壓性的增強(qiáng)或減弱密切相關(guān)。在斜壓指數(shù)氣候平均場(圖略)中，斜壓指數(shù)大值中心位于兩大洋風(fēng)暴軸上游偏北地區(qū)，即風(fēng)暴軸西端為強(qiáng)斜壓結(jié)構(gòu)，而風(fēng)暴軸東端的下游地區(qū)斜壓指數(shù)偏小，基本為相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。圖7為赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常年對應(yīng)的775 hPa斜壓指數(shù)異常場及其差值的合成分布，El Nio年時(shí)阿留申和阿拉斯加地區(qū)為負(fù)異常中心，40°N以南為西北—東南走向的正異常，氣候平均斜壓性位置東部對應(yīng)這對北負(fù)、南正的異常中心，北大西洋上空以40°N為界，南、北兩側(cè)分別為正、負(fù)異常，零線基本位于氣候平均斜壓性中心偏北，此外加拿大附近也存在較強(qiáng)的正異常中心。La Nia年時(shí)，兩大洋上空的斜壓異?；九cEl Nio年相反，在北太平洋上的氣候平均斜壓性入口處為負(fù)異常，出口處存在北負(fù)、南正的異常中心，大西洋上40°N以南的負(fù)異常比El Nio年時(shí)此處的正異常強(qiáng)度更強(qiáng)，而加拿大的異常中心強(qiáng)度有所減弱。結(jié)合緯向風(fēng)差值場(圖6c)和斜壓指數(shù)差值場(圖7c)來看，El Nio年(La Nia年)，東亞急流增強(qiáng)東伸(減弱西縮)，北美急流強(qiáng)度增強(qiáng)(減弱)，斜壓指數(shù)的異常分布有利于(不利于)北太平洋風(fēng)暴軸中西部以及東部風(fēng)暴軸南側(cè)的有效位能向擾動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換，使得風(fēng)暴軸增強(qiáng)(減弱)東部南壓(北抬)，北大西洋風(fēng)暴軸南部斜壓增強(qiáng)(減弱)，使得風(fēng)暴軸整體偏南(北)，中、西部強(qiáng)度增強(qiáng)(減弱)。但北太平洋通過顯著性檢驗(yàn)的部分主要是東部，而北大西洋風(fēng)暴軸只有中、西部通過顯著性檢驗(yàn)，說明赤道中東太平洋海溫異常對斜壓異常的影響在北太平洋主要是氣候平均斜壓性中心出口處，在北大西洋則主要在入口處和中部地區(qū)。

圖7 同圖3，但為775 hPa斜壓指數(shù)異常場Fig.7 Same as Fig.3, but for 775 hPa baroclinicity index anomaly

研究[32,36-38]表明，與赤道中東太平洋海溫異常相對應(yīng)的ENSO現(xiàn)象，通過對北半球大尺度大氣環(huán)流、低頻遙相關(guān)型以及大洋上空對流活動(dòng)的影響，進(jìn)一步影響北半球特別是北美地區(qū)的氣候異常。圖8是赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常年對應(yīng)的850 hPa溫度異常場及其差值的合成分布，可以看出赤道中東太平洋海溫異常主要影響北美和北太平洋地區(qū)的溫度異常，與北美地區(qū)相比，對同期歐亞大陸所引起的溫度異常強(qiáng)度較弱。El Nio年時(shí)(圖8a)，北美大陸35°N以北的整個(gè)大陸上為強(qiáng)大的正異常中心，35°N以南及北太平洋中部為負(fù)異常，歐亞大陸上貝加爾湖以北的高緯地區(qū)為負(fù)異常，60°N以南的東亞地區(qū)基本為正異常，但我國西南地區(qū)存在一溫度負(fù)異常中心。La Nia年時(shí)(圖8b)，溫度的異常分布與El Nio年時(shí)基本相反，但北美地區(qū)北部的負(fù)異常和南部的正異常分別較El Nio年時(shí)的正、負(fù)異常減弱西移和增強(qiáng)北上，歐亞大陸北部的正異常中心增強(qiáng)東移，溫度異常升高的影響擴(kuò)大到我國整個(gè)東北地區(qū)，而我國西南地區(qū)的負(fù)異常強(qiáng)度則較El Nio年的正異常減弱范圍縮小。此外，El Nio(La Nia)年時(shí)，北太平洋中部基本為溫度負(fù)(正)異常中心，而位勢高度濾波方差差值場(圖3c)中北太平洋中部基本為正(負(fù))異常中心，研究[39-40]表明，天氣尺度瞬變擾動(dòng)異常的熱力強(qiáng)迫對大尺度氣流存在負(fù)反饋?zhàn)饔?，并且抑制和削弱了低頻尺度溫度異常的變化，因此兩大洋風(fēng)暴軸的協(xié)同變化可能是造成北半球中部溫度異常的原因之一；同時(shí)，在北大西洋上空溫度異常并不明顯，說明這種熱力強(qiáng)迫的負(fù)反饋?zhàn)饔弥饕憩F(xiàn)在北太平洋。根據(jù)溫度差值場(圖8c)，可以看出El Nio年時(shí)由于極渦增強(qiáng)并向北太平洋伸展，而北美中緯度西風(fēng)異常減弱和高緯西風(fēng)異常增強(qiáng)，使得高緯冷空氣繼續(xù)堆積，而副熱帶溫暖氣流北上，從而造成北美大陸北部大部分地區(qū)溫度異常升高，北美南部則溫度異常降低。歐亞大陸上空貝加爾湖附近的西風(fēng)異常及其南側(cè)的東風(fēng)異常，使得高緯經(jīng)向環(huán)流增強(qiáng)，東亞中低緯地區(qū)除我國西南地區(qū)外大部分地區(qū)溫度異常升高，這與龔道溢和王紹武[41]的研究結(jié)果一致。但是差值場中我國西南地區(qū)的這種溫度異常并未通過顯著性檢驗(yàn)，其可能原因正如蔣興文和李躍清[42]所指出的，西南地區(qū)冬季氣溫異常主要受東亞冬季風(fēng)和西北太平洋副熱帶高壓以及冷空氣的活動(dòng)影響，而ENSO對西南地區(qū)氣候異常的影響主要體現(xiàn)在降水方面。La Nia年時(shí)，由于北美和歐亞大陸中高緯的緯向風(fēng)場異常與El Nio年相比強(qiáng)度較弱，因此北美和東亞地區(qū)的溫度異常主要體現(xiàn)在北美南部和東亞北部的溫度異常升高。

圖8 同圖3，但為850 hPa溫度異常場Fig.8 Same as Fig.3, but for 850 hPa temperature anomaly

以上分析表明，赤道中東太平洋海溫異?？梢酝ㄟ^其對應(yīng)的ENSO位相變化影響低頻遙相關(guān)發(fā)生變化，進(jìn)而引起北半球位勢高度場、風(fēng)場以及斜壓性等異常，最終使得兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化異常，并導(dǎo)致部分地區(qū)溫度異常變化。

3 結(jié)論

本文利用1960—2014年NCEP/NCAR提供的再分析資料和CPC提供的Nino3.4指數(shù)，通過對赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常年對應(yīng)的大氣位勢高度場濾波方差、位勢高度、緯向風(fēng)、斜壓性指數(shù)以及溫度異常場及其差值的合成分析，研究了與赤道中東太平洋海溫異常相對應(yīng)的ENSO不同位相對兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同關(guān)系的影響，具體結(jié)論如下：

1)赤道中東太平洋海溫異常與冬季北半球兩大洋風(fēng)暴軸協(xié)同變化關(guān)系密切，具體表現(xiàn)為海溫正異常時(shí)對應(yīng)北太平洋風(fēng)暴軸和北大西洋風(fēng)暴軸同時(shí)增強(qiáng)，且大西洋風(fēng)暴軸整體和太平洋風(fēng)暴軸東部位置南壓，海溫負(fù)異常時(shí)則相反。

值得注意的是，赤道中東太平洋海溫正、負(fù)異常對兩大洋風(fēng)暴軸的影響主要表現(xiàn)在北太平洋上空，而對北大西洋上空則有一定影響，并且這種海溫的正、負(fù)異常對北半球大氣環(huán)流及大氣斜壓性異常的影響并不是完全相反，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

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ThepossibleinfluenceofequatorialcentralandeasternPacificSSTAontheconcurrentvariationsofthenorthernAtlanticandPacificstormtracksduringborealwinter

ZHU Weijun1, LI Tianyu1,2

(1.KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC) /CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China； 2.JilinClimateCenter,Changchun130062,China)

Base on the reanalysis data of NCEP/NCAR and NOAA, index of Nino3.4 from CPC，influences of different ENSO phases corresponding to SST(sea surface temperature) anomalies in the equatorial middle-eastern Pacific on the coupled pattern of atmosphere-ocean system and the concurrent variations of northern Atlantic and Pacific storm tracks are investigated. The results are summarized as follows:1) The equatorial middle-eastern Pacific SST anomalies are closely related to the concurrent variations between the two storm tracks in boreal winter. When SST anomaly is in positive phase，the two storm tracks are intensified with the whole Atlantic storm track and eastern part of Pacific storm track shift southward. Meanwhile, concurrent variations of the two storm tracks are opposite as SST anomaly is in negative phase.2) When SST anomaly is in positive phase (El Nio), in the middle troposphere, the polar vortex extends toward the northern Pacific, the north-west pacific subtropical high is intensified and moves westward, the East Asian trough is weakened, and the geopotential height anomalies is characterized by the negative phase of WP and EA teleconnection and positive phase of PNA teleconnection. In the low-troposphere, the Canada high is intensified, the Aleutian low is intensified and shifts southeastward, the Jet in East Asia is intensified and extends eastward, the Jet in North America is intensified, and the westerly near 50°N over Eurasia is intensified with weakened meridional circulation. The baroclinic energy anomalies in the Northern Hemisphere enhance the conversion from available potential energy to eddy kinetic energy, resulting in intensified Pacific storm track and the southward shift of eastern storm track. The increase of baroclinic energy to the south of the Atlantic storm track results in southward shift of the whole Atlantic storm track and an intensification in its middle-western parts. When SST anomaly is in negative phase (La Nia), anomalies of SST and circulation are opposite to variations of storm tracks in positive phase.3) When SST anomaly is in positive phase (El Nio), it was warmer in the north and colder in the south over the North American continent in the low-tropospheric temperature field. Temperature anomalously increase over East Asia in area south of 60°N except southwest China. When SST anomaly is in its negative phase (La Nia), the abnormal temperature increase is mainly in the south of North America and north of East Asia, because anomalies of geopotential height and wind in Eurasia and North America are not exactly the opposite to those in El Nio phase.

storm track; concurrent variation; ENSO; atmosphere-ocean coupled system

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.03.003.(in Chinese)

2017-06-30；

：2017-07-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41575070，41075070)；公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306028)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程(PAPD)

朱偉軍(1969—)，男，博士，教授，主要從事海氣相互作用及短期氣候預(yù)測研究， weijun@nuist.edu.cn。

P732.6

： A

： 2096-3599(2017)03-0015-12

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.03.003

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