南半球風(fēng)暴路徑的加強(qiáng)與南北擴(kuò)張?

張榮望， 黃 菲，2? ?

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2. 寧波大學(xué)寧波市非線性海洋和大氣災(zāi)害系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315000)

風(fēng)暴路徑(Storm track)是中緯度天氣尺度瞬變擾動(dòng)的最強(qiáng)信號(hào)之一，通常由位勢(shì)高度場(chǎng)周期不大于一周的帶通濾波方差來(lái)表征[1]。風(fēng)暴路徑在北半球和南半球均有存在，反映的是大尺度斜壓不穩(wěn)定波的活動(dòng)，對(duì)天氣和氣候系統(tǒng)有著重要影響[2]。不同于北半球風(fēng)暴路徑，南半球風(fēng)暴路徑的下墊面為廣闊的南大洋，在空間分布、時(shí)間演變等方面有許多區(qū)別于北半球風(fēng)暴路徑的特征。例如，南半球風(fēng)暴路徑的緯向分布更加均勻?qū)ΨQ[3]，具有顯著的半年周期循環(huán)信號(hào)[4]，夏季可能比冬季更強(qiáng)[5]等等。近年來(lái)，南半球的氣候變化及其對(duì)全球變化的響應(yīng)和影響受到越來(lái)越多的關(guān)注[6-7]。在南半球氣候變異因子中已經(jīng)得到廣泛共識(shí)的就是南半球環(huán)狀模[8](Southern Annular Mode, SAM)正處于正位相時(shí)期[9]。SAM的正位相意味著南極繞極渦旋增強(qiáng)，同時(shí)繞極西風(fēng)急流也會(huì)增強(qiáng)。事實(shí)上，近年來(lái)南半球西風(fēng)帶的增強(qiáng)和向極偏移已經(jīng)得到越來(lái)越多的證據(jù)支持[10-13]。在這樣的背景下，南半球的風(fēng)暴路徑也出現(xiàn)了對(duì)背景流場(chǎng)變化的響應(yīng)。例如，Simmonds和Keay[14]指出南半球氣旋活動(dòng)越來(lái)越多地生成在相對(duì)較高的緯度。Frederiksen and Frederiksen[15]系統(tǒng)地分析了南半球冬季風(fēng)暴路徑的年代際變化。Luo等[16]根據(jù)理論計(jì)算模型確認(rèn)了SAM與風(fēng)暴路徑之間的聯(lián)系。Yin[17]根據(jù)IPCC AR4多模式的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在未來(lái)情景下風(fēng)暴活動(dòng)出現(xiàn)了持續(xù)的向極偏移。

以往對(duì)南半球風(fēng)暴路徑強(qiáng)度和位置變化的研究都是較為定性的描述，并且缺乏對(duì)某一層的全面深入分析，所研究的時(shí)間跨度也普遍偏短。本文利用1956—2015年共60年的數(shù)據(jù)，在進(jìn)一步確認(rèn)南半球風(fēng)暴路徑具有的基本特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)定義一種能夠反映風(fēng)暴活動(dòng)帶變化的指數(shù)，定量地分析了南半球300 hPa風(fēng)暴活動(dòng)在過(guò)去60年間的趨勢(shì)變化及其可能原因。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文主要用到了美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心的NCEP/NCAR Reanalysis 1(NCEP1)資料集，包括位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向按等壓面共分為17層(數(shù)據(jù)下載地址：https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)。此外，本文還用到了英國(guó)氣象局哈得萊中心的HadISST海表面溫度(Sea Surface Temperature, SST)數(shù)據(jù)，水平分辨率為1°×1°(數(shù)據(jù)下載地址：http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadsst2/data/download.html)。本文所選取的時(shí)間范圍為1956—2015年。根據(jù)所研究問(wèn)題的時(shí)間尺度，以上變量除了位勢(shì)高度場(chǎng)選用日平均數(shù)據(jù)以外，其他變量均選用月平均數(shù)據(jù)。

為了得到風(fēng)暴路徑數(shù)據(jù)，首先對(duì)逐日的位勢(shì)高度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了2～7 d 周期的帶通濾波，然后逐月計(jì)算濾波數(shù)據(jù)在該月的方差(均方差)，該方差(均方差)值一般就作為該月風(fēng)暴活動(dòng)的強(qiáng)度值。本文使用均方差來(lái)表征風(fēng)暴活動(dòng)的強(qiáng)度，這樣可以使以此定義的風(fēng)暴路徑強(qiáng)度和位勢(shì)高度的單位保持一致，均為位勢(shì)米(gpm)。本文用到的主要分析方法包括趨勢(shì)分析與回歸分析。

2 南半球風(fēng)暴路徑的變化趨勢(shì)

在分析南半球風(fēng)暴路徑的變化趨勢(shì)之前，本文首先給出了1956—2015年間氣候態(tài)的南半球風(fēng)暴路徑的三維結(jié)構(gòu)特征，然后從風(fēng)暴路徑的強(qiáng)度和范圍兩個(gè)方面闡述了其過(guò)去60年來(lái)的變化趨勢(shì)。

2.1 三維結(jié)構(gòu)特征

從圖1可以清楚地看到南半球風(fēng)暴路徑垂向、緯向和經(jīng)向的三維結(jié)構(gòu)特征。垂向上，300 hPa附近的風(fēng)暴路徑信號(hào)最強(qiáng)(見(jiàn)圖1(a),(b))。經(jīng)向上，風(fēng)暴路徑呈單峰型變化(見(jiàn)圖1(a))，中緯度地區(qū)強(qiáng)度最大，極大值出現(xiàn)在50°S附近，然后向赤道和極地兩個(gè)方向逐漸衰減，赤道地區(qū)最弱。從圖1(a)還可以看出，中緯度風(fēng)暴路徑的強(qiáng)信號(hào)可以一直從對(duì)流層低層延伸到平流層，表明中緯度地區(qū)的風(fēng)暴活動(dòng)是一個(gè)非常深厚的系統(tǒng)，最強(qiáng)中心從300 hPa隨高度向極傾斜。根據(jù)圖1(a)中反映的風(fēng)暴路徑在中緯度最強(qiáng)的特征，作者選取40°S～70°S緯度范圍進(jìn)行平均，得到了風(fēng)暴路徑沿緯向的分布?？梢钥闯?，風(fēng)暴路徑隨經(jīng)度的變化不如隨緯度的變化那么劇烈，緯向分布相對(duì)比較均勻(見(jiàn)圖1(b))。在300 hPa附近可以看到風(fēng)暴路徑在南半球三個(gè)大洋上存在明顯的活動(dòng)中心，其中南印度洋的風(fēng)暴活動(dòng)中心強(qiáng)度最大，系統(tǒng)更加深厚，并且和南大西洋的風(fēng)暴活動(dòng)中心連接；相比之下，南太平洋的風(fēng)暴活動(dòng)最弱，系統(tǒng)更加淺薄。

((a)中每個(gè)緯度上的數(shù)據(jù)為整個(gè)緯圈平均的結(jié)果;(b)中每個(gè)經(jīng)度上的數(shù)據(jù)為40°S～70°S平均的結(jié)果。(a) Data at every latitude is the mean result of the whole circle; (b) It is the mean result of 40°S～70°S.)

圖1 南半球風(fēng)暴路徑的高度-緯度剖面(a)和高度-經(jīng)度剖面的氣候態(tài)(b)分布圖
Fig. 1 Climatology of height-latitude profile (a) and height-longitude profile(b) of the Southern Hemisphere storm track

通過(guò)以上分析，可以明確南半球風(fēng)暴路徑在300 hPa信號(hào)最強(qiáng)的特點(diǎn)，為此，本文選取出300 hPa風(fēng)暴路徑數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析了南半球風(fēng)暴路徑的空間分布特征。從圖2可以看出，南半球風(fēng)暴路徑呈現(xiàn)繞極的帶狀分布，中緯度地區(qū)的強(qiáng)度最大，軸線大約在50°S附近(見(jiàn)圖2綠色虛線)。和圖1(b)的結(jié)果類似，在300 hPa高度上，也能發(fā)現(xiàn)在南印度洋上存在著風(fēng)暴活動(dòng)最強(qiáng)的中心，這個(gè)中心向西與南大西洋東部的風(fēng)暴活動(dòng)中心連接在一起，向東一直延伸到新西蘭南部。這個(gè)橫貫整個(gè)東半球的強(qiáng)風(fēng)暴活動(dòng)帶，與西風(fēng)急流的位置有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)圖2黑色實(shí)線)。特別是南印度洋和南大西洋上的強(qiáng)風(fēng)暴活動(dòng)中心，幾乎都處于西風(fēng)急流所控制的區(qū)域，且風(fēng)暴路徑最大中心位于西風(fēng)急流軸的向極一側(cè)。相比而言，南太平洋的風(fēng)暴路徑活動(dòng)和西風(fēng)急流沒(méi)有明顯的位置上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，整個(gè)中緯度地區(qū)的西風(fēng)急流都比較弱，而最強(qiáng)的急流軸出現(xiàn)在靠近赤道的30°S附近。這種西風(fēng)急流軸與風(fēng)暴活動(dòng)中心位置的不匹配，可能是造成前面提到的南太平洋風(fēng)暴活動(dòng)偏弱的原因之一。關(guān)于西風(fēng)急流與風(fēng)暴路徑之間的關(guān)系，將在下一節(jié)詳細(xì)討論。

(綠線表示50°S緯線所在的位置；灰色弧線表示30°S和60°S緯線所在的位置；紅線表示風(fēng)暴路徑強(qiáng)度等于50 gpm的等值線，在后文中將用到。Green circle line denotes the latitude line of 50°S; Gray curves denote the latitude of 30°S and 60°S; Respectively; Red line denote the storm track intensity of 50 gmp, which will be used in the following text.)

圖2 300 hPa風(fēng)暴路徑的氣候態(tài)(填色)和西風(fēng)帶(黑色等值線)分布圖

Fig. 2 Climatology of storm track (shaded) and westerly (black contour) at 300 hPa

2.2 強(qiáng)度變化趨勢(shì)

從上述氣候態(tài)的角度已經(jīng)看出，風(fēng)暴活動(dòng)的空間分布與西風(fēng)急流有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，在南半球西風(fēng)急流出現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)下，有必要考察風(fēng)暴活動(dòng)是否也出現(xiàn)了某種趨勢(shì)變化。圖3給出了風(fēng)暴路徑強(qiáng)度在4個(gè)季節(jié)里隨時(shí)間和緯度變化的異常值?？傮w而言，無(wú)論哪個(gè)季節(jié)，風(fēng)暴路徑強(qiáng)度都出現(xiàn)了由負(fù)異常到正異常的年代際轉(zhuǎn)變。其中，2000年以來(lái)的正異常值變得更加顯著，表明過(guò)去60年來(lái)南半球風(fēng)暴活動(dòng)出現(xiàn)了增強(qiáng)的趨勢(shì)，并在近10多年變得更加明顯。分季節(jié)來(lái)看，風(fēng)暴活動(dòng)在南半球夏季(DJF)的增強(qiáng)幅度略強(qiáng)于其他三個(gè)季節(jié)，并且集中在60°S附近(見(jiàn)圖3(a))；秋季(MAM)相對(duì)于DJF，增強(qiáng)的位置集中在60°S以北(見(jiàn)圖3(b))；冬季(JJA)相對(duì)于DJF，增強(qiáng)的位置集中在60°S以南(見(jiàn)圖3(c))；春季(SON)的增強(qiáng)趨勢(shì)則在30°S以南的區(qū)域都分布得相對(duì)較為均勻(見(jiàn)圖3(d))。四個(gè)季節(jié)組合在一起可以刻畫(huà)出南半球風(fēng)暴活動(dòng)帶一致增強(qiáng)的趨勢(shì)，而這種趨勢(shì)不僅僅存在于風(fēng)暴活動(dòng)最活躍的中緯度，在高緯度地區(qū)甚至直到極區(qū)，也能發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴活動(dòng)增強(qiáng)的信號(hào)，且高緯度極區(qū)的風(fēng)暴活動(dòng)信號(hào)早在1990s初甚至更早就開(kāi)始出現(xiàn)并向北傳播。這種信號(hào)反映的是風(fēng)暴活動(dòng)的另一種變化趨勢(shì)，即位置的向南偏移，其具體特征將在下文中進(jìn)一步分析。

2.3 范圍變化趨勢(shì)

為了定量地描述南半球風(fēng)暴活動(dòng)帶范圍的變化，需要確定一個(gè)客觀標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表征其位置的變化。本文選取50 gpm等值線作為確定風(fēng)暴活動(dòng)邊界的參考值，定義了風(fēng)暴路徑邊界指數(shù)(Storm Track Boundary Index, STBI)。選取50 gpm的理由是：首先，如果選取的參考值過(guò)小，則北邊的界線就太靠近熱帶，南邊的界線太靠近極區(qū)，失去了考察風(fēng)暴活動(dòng)帶南北移動(dòng)的意義；如果選取的值過(guò)大，得到的風(fēng)暴活動(dòng)范圍太窄，甚至?xí)斐赡承┰路菀蛱窖笊系娘L(fēng)暴活動(dòng)較弱而使得南北兩個(gè)環(huán)狀的等值線無(wú)法閉合，無(wú)法考察風(fēng)暴活動(dòng)帶的整體移動(dòng)。其次，兩條50 gpm等值線的多年平均位置分別位于40°S和65°S附近(見(jiàn)圖2紅色等值線)，這一范圍基本包含了整個(gè)風(fēng)暴活動(dòng)帶變化最強(qiáng)的范圍。有趣的是，對(duì)研究南半球氣候具有重要意義的SAM指數(shù)就是根據(jù)40°S和65°S兩條緯度帶上的海平面氣壓來(lái)定義的，說(shuō)明這兩條緯度帶上的物理量對(duì)南半球氣候研究具有重要的參考意義。最后，經(jīng)過(guò)敏感性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)選取45～55 gpm之間的數(shù)，對(duì)結(jié)果均沒(méi)有顯著影響，得到的變化特征都是相似的。

綜上所述，本文以50 gpm等值線確定風(fēng)暴活動(dòng)帶的南北邊界，考察其活動(dòng)范圍的變化特征。需要指出的是，這個(gè)參考值并不唯一，可能因采用的數(shù)據(jù)集、濾波方法或選取的時(shí)間段不同存在差異。

以下是計(jì)算STBI的具體步驟：

(1) 首先檢驗(yàn)所有月份經(jīng)向上的風(fēng)暴路徑強(qiáng)度最大值，發(fā)現(xiàn)其最大值均超過(guò)50 gpm?？紤]到風(fēng)暴路徑在經(jīng)向上是單峰型的變化，說(shuō)明按照50 gpm的標(biāo)準(zhǔn)，一定能在經(jīng)向上找到一南一北兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)值等于或最接近50 gmp，稱之為風(fēng)暴路徑的南界和北界；

(2) 由于NCEP1數(shù)據(jù)經(jīng)向的間隔為比較粗的2.5°，不利于更加精確地判斷風(fēng)暴活動(dòng)帶的邊界?？紤]到風(fēng)暴活動(dòng)在經(jīng)向上呈單峰型變化，適合將其做簡(jiǎn)單的線性插值以提高分辨率，因此本文將每條經(jīng)線上的數(shù)據(jù)都線性插值成0.1°的間隔，這樣更便于判斷出50 gpm等值線所在的緯度；

(3) 逐月判斷每條經(jīng)線上數(shù)值最接近50 gpm的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的2個(gè)緯度值，靠近極地一側(cè)的為風(fēng)暴活動(dòng)帶南界，靠近赤道一側(cè)的為北界；

(4) 計(jì)算所有經(jīng)線上得到的南界和北界的平均值，得到相應(yīng)的STBI時(shí)間序列。

在過(guò)去的研究中，雖然南半球風(fēng)暴路徑向極偏移的趨勢(shì)已經(jīng)得到確認(rèn)[18]，但從本文的STBI指數(shù)可以看出，南半球風(fēng)暴路徑在過(guò)去60年間并非只是單側(cè)地向極偏移,而南北兩側(cè)都在擴(kuò)張。圖4展示了根據(jù)以上步驟計(jì)算得到的風(fēng)暴路徑南界和北界指數(shù)在1956—2015年期間的距平時(shí)間序列，可以看出，北界存在向赤道偏移的趨勢(shì)(見(jiàn)圖4(a))，南界存在向極地偏移的趨勢(shì)(見(jiàn)圖4(b))。兩者具體的變化趨勢(shì)分別為每10年0.34°和0.84°，表明過(guò)去60年間南半球風(fēng)暴活動(dòng)帶正在變得越來(lái)越寬闊。同時(shí)由于南界向極偏移趨勢(shì)是北界向赤道偏移趨勢(shì)的約2.5倍，所以南半球風(fēng)暴路徑向極擴(kuò)張的速度更快，整體的位置變得更加靠近極地。

圖 3 300 hPa風(fēng)暴路徑在(a)DJF、(b)MAM、(c)JJA和(d)SON 四個(gè)季節(jié)異常值合成的緯度-時(shí)間剖面圖Fig. 3 Latitude-time profiles of the anomalies of storm track for (a) DJF, (b) MAM, (c) JJA and (d) SON at 300 hPa

除了表現(xiàn)出趨勢(shì)變化以外，南半球風(fēng)暴路徑的南界和北界在過(guò)去60年間似乎還存在若干次比較明顯的突變。圖5給出的對(duì)南界和北界指數(shù)滑動(dòng)T檢驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了這一觀點(diǎn)。1956年以來(lái)，發(fā)生突變最明顯的是南界，一共有三次突變超過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)(見(jiàn)圖5(b))。第一次突變發(fā)生在1970s初，表現(xiàn)為南界偏北的幅度出現(xiàn)較為明顯的減弱。到了1980s初期，南界出現(xiàn)第二突變，表現(xiàn)為從偏北的位置移動(dòng)到偏南的位置。隨后，南界的位置逐漸向南偏移，大約在1990s前后由此前較為一致的正異常轉(zhuǎn)為此后較為一致的負(fù)異常。到2000年以后，南界又出現(xiàn)第三次突變，表現(xiàn)出一致偏南的特征。相對(duì)于南界，北界發(fā)生過(guò)兩次突變(見(jiàn)圖5(a))。第一次突變時(shí)間大約在1960s初期，表現(xiàn)為北界的位置由偏南轉(zhuǎn)為偏北。但這次突變之后，北界一直維持著在偏南和偏北之間弱幅振蕩的狀態(tài),直到1990s初期，這種南北振蕩開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)的偏北變化，發(fā)生第二次突變。

需要注意的是，自南界最后一次突變以來(lái)，南界的偏南異常值比之前顯著加強(qiáng)，這說(shuō)明進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，南半球風(fēng)暴路徑向極偏移的幅度有增加的趨勢(shì)。南偏事件正變得越來(lái)越頻繁，在2012年2月份甚至發(fā)生了一次南界向極異常偏移超過(guò)15個(gè)緯度的極端事件，這勢(shì)必對(duì)南半球中高緯地區(qū)的天氣和氣候變化產(chǎn)生一定影響。例如，已有研究指出，南半球風(fēng)暴路徑的向極偏移，帶來(lái)了南半球中高緯地區(qū)更加頻繁的氣旋 活動(dòng)和降水發(fā)生[2]。因此，近年來(lái)南半球風(fēng)暴路徑增強(qiáng)并向極偏移的趨勢(shì)，應(yīng)值得特別關(guān)注。

((a)北界指數(shù);(b)南界指數(shù);正值代表向北的異常;負(fù)值代表向南的異常;圖中"Trend"后面的數(shù)字代表STBI的變化趨勢(shì)。(a) Northern STBI; (b) Southern STBI; Positive value means northward anomaly; Negative value means southward anomaly; Values behind the string "Trend" denote the variation trend of STBI.)

圖4 風(fēng)暴路徑邊界指數(shù)距平值時(shí)間序列
Fig. 4 Time series of STBI anomalies

((a)北界指數(shù);(b)南界指數(shù)的突變檢驗(yàn);紅色和藍(lán)色柱狀圖代表STBI距平值;黑線為T(mén)檢驗(yàn)的檢驗(yàn)值;灰色虛線為99%置信度的臨界值。T-test of (a) Northern STBI; (b) southern STBI; Red and blue bars denote the STBI anomalies; Black curves denote the test values of T-test; Gray dashed lines mean the 99% confidence level.)

圖5 風(fēng)暴路徑邊界指數(shù)的突變檢驗(yàn)結(jié)果
Fig. 5 Results of the T-test of STBI

3 南半球風(fēng)暴路徑趨勢(shì)變化的可能原因

鑒于南半球風(fēng)暴活動(dòng)是具有顯著三維結(jié)構(gòu)的斜壓系統(tǒng)，本文從高層的背景西風(fēng)急流變化和低層的SST變化兩個(gè)方面，分析了南半球風(fēng)暴路徑出現(xiàn)的趨勢(shì)變化的可能原因。

3.1 西風(fēng)急流的可能影響

由圖2已經(jīng)知道，南半球風(fēng)暴活動(dòng)中心和西風(fēng)急流中心的平均位置十分吻合，表明兩者之間可能具有比較密切的聯(lián)系。事實(shí)上，強(qiáng)盛的繞極西風(fēng)急流是南半球大氣運(yùn)動(dòng)的顯著特征之一，在這樣的背景下天氣尺度瞬變渦旋活動(dòng)也更趨于活躍。因此，南半球風(fēng)暴路徑的強(qiáng)度和位置變化可能就是對(duì)作為背景流的西風(fēng)急流變化的一種響應(yīng)。

圖6(a)給出的是1956—2015年期間西風(fēng)急流和風(fēng)暴路徑的變化趨勢(shì)圖，可以看出風(fēng)暴路徑和西風(fēng)急流趨勢(shì)變化明顯的區(qū)域具有很好的符合關(guān)系。對(duì)于風(fēng)暴路徑而言，增強(qiáng)趨勢(shì)幾乎都集中在其平均軸線位置50°S以南的區(qū)域，三個(gè)大洋上的增強(qiáng)都比較明顯，最顯著的區(qū)域是南印度洋和南大西洋。風(fēng)暴活動(dòng)帶增強(qiáng)的區(qū)域，幾乎全部包含在西風(fēng)急流增強(qiáng)的區(qū)域(見(jiàn)圖6(a)中50°S附近的0等值線)。另一方面，南印度洋和南太平洋風(fēng)暴路徑在靠近赤道一側(cè)都出現(xiàn)了一定程度的減弱，與之對(duì)應(yīng)的則是同位置的西風(fēng)急流也出現(xiàn)了減弱。由此可見(jiàn)，南半球風(fēng)暴路徑無(wú)論增強(qiáng)還是減弱，都與同位置西風(fēng)急流的變化緊密聯(lián)系。從本文的分析中可以定量地看到，風(fēng)暴路徑軸線向極一側(cè)即50°S～65°S之間，西風(fēng)急流的增強(qiáng)趨勢(shì)超過(guò)每10年0.5 m·s-1，且?guī)缀趵@極一周，最大增強(qiáng)趨勢(shì)出現(xiàn)在南印度洋，超過(guò)每10年1 m·s-1。風(fēng)暴路徑增強(qiáng)最顯著的區(qū)域和西風(fēng)急流是幾乎一致的，最大增強(qiáng)趨勢(shì)出現(xiàn)在南印度洋和南大西洋，超過(guò)每10年3 gmp。

((a)填色為風(fēng)暴路徑，藍(lán)色等值線為西風(fēng)(單位：m·s-1·decade-1)；(b)填色為SST，(a)和(b)中黑線表示風(fēng)暴路徑南界和北界平均位置；綠線表示風(fēng)暴路徑軸線位置。(a) Storm trcak (shaded) and westerlies (bule contour, unit: m·s-1·decade-1); (b) SST (shaded). Black lines in (a) and (b) denote the mean position of northern and southern boundaries; Green line denotes the axis of storm track.)

圖6 1956—2015年期間風(fēng)暴路徑、西風(fēng)和SST的變化趨勢(shì)
Fig. 6 Trends of storm track, westerlies and SST in the period of 1956—2015

為了分析風(fēng)暴路徑位置的變化與西風(fēng)急流變化之間的聯(lián)系，本文將南北界指數(shù)距平值回歸到緯向風(fēng)距平場(chǎng)。從圖7(a)和圖7(c)中可以看出，風(fēng)暴路徑南界和北界的移動(dòng)顯著地受到西風(fēng)變化的影響。由于北界指數(shù)的變化趨勢(shì)相對(duì)較弱，而南界指數(shù)和西風(fēng)的變化趨勢(shì)較強(qiáng)，因此北界指數(shù)對(duì)西風(fēng)的回歸系數(shù)普遍要低于南界。就回歸場(chǎng)總體的分布而言，風(fēng)暴路徑對(duì)其軸線50°S以南和以北西風(fēng)急流的變化十分敏感，尤其是風(fēng)暴路徑南界。結(jié)合西風(fēng)急流的實(shí)際變化(見(jiàn)圖6(a)藍(lán)色等值線)，風(fēng)暴路徑軸線以南西風(fēng)的增強(qiáng)趨勢(shì)造成了風(fēng)暴路徑向極地偏移，以北西風(fēng)的減弱趨勢(shì)造成了風(fēng)暴路徑的向赤道偏移，最終表現(xiàn)為風(fēng)暴活動(dòng)帶的南北擴(kuò)張。值得注意的是，西風(fēng)對(duì)風(fēng)暴路徑北界的影響呈現(xiàn)三極型特征(見(jiàn)圖7(a))，尤其在南太平洋區(qū)域表現(xiàn)得更為明顯。當(dāng)40°S～50°S之間的西風(fēng)增強(qiáng)(減弱)、30°S以北和65°S以南的西風(fēng)減弱(增強(qiáng))時(shí)，風(fēng)暴路徑的北界出現(xiàn)向赤道(極地)的變化。由此可見(jiàn)，風(fēng)暴路徑的北界變化較為復(fù)雜，同時(shí)受副熱帶、中緯度和副極地地區(qū)西風(fēng)急流的影響，這與Nakamura and Shimpo[19]的結(jié)論是一致的。需要特別指出的是，西風(fēng)急流盡管能造成風(fēng)暴路徑邊界南北的移動(dòng)，但是對(duì)風(fēng)暴路徑軸線(50°S)的位置幾乎沒(méi)有影響，這說(shuō)明風(fēng)暴路徑軸線的位置相對(duì)穩(wěn)定，不隨風(fēng)暴活動(dòng)帶南北的移動(dòng)而發(fā)生明顯改變。

(北界指數(shù)回歸(a)西風(fēng)和(b)SST，南界指數(shù)回歸(c)西風(fēng)和(d)SST，所有數(shù)據(jù)均為距平值；(a)～(d)中黑線表示風(fēng)暴路徑南界和北界平均位置;綠線表示風(fēng)暴路徑軸線位置;黑點(diǎn)表示過(guò)99%置信度檢驗(yàn)的區(qū)域。Regression of (a) westerlies and (b) SST with northern STBI, (c) and (d) are the same but for southern STBI. All the data are processed as anomaly values; Black lines in (a)～(d) denote the mean position of northern; Southern boundaries and green line denotes the axis of storm track; Black dots denote areas exceeding the 99% confidence level.)

圖7 風(fēng)暴路徑邊界指數(shù)與西風(fēng)和SST經(jīng)向梯度的線性回歸圖
Fig. 7 Linear regression of westerlies and SST with STBI

概括而言，無(wú)論是從局地還是非局地的角度，無(wú)論是強(qiáng)度還是位置的變化，南半球風(fēng)暴路徑的變化都與西風(fēng)急流的變化緊密聯(lián)系在一起。

3.2 SST的可能影響

前面已經(jīng)提到，南半球風(fēng)暴路徑的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是下墊面幾乎全部為海洋，海洋的加熱和冷卻對(duì)風(fēng)暴路徑的作用不容忽視。已有研究表明，在南半球開(kāi)闊的大洋上，氣旋活動(dòng)的生成位置與SST經(jīng)向梯度最大的位置密切相關(guān)[14, 20]。Inatsu and Hoskins[21]用數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，南半球低層的風(fēng)暴路徑受SST變化的影響。下面將分析SST的變化對(duì)300 hPa風(fēng)暴路徑變化的可能影響。

從圖6(b)中可以看出，三個(gè)大洋上的SST以50°S附近為界，以北的區(qū)域以增暖趨勢(shì)為主，以南的區(qū)域以變冷趨勢(shì)為主。對(duì)比圖6(a)和6(b)可以看出，風(fēng)暴路徑和SST的變化趨勢(shì)有較好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系：SST變冷的區(qū)域?qū)?yīng)的是風(fēng)暴路徑的增強(qiáng)趨勢(shì)，SST增暖的區(qū)域?qū)?yīng)的是風(fēng)暴路徑變化較小甚至減弱趨勢(shì)。SST北邊暖南邊冷的變化趨勢(shì)，增大了SST經(jīng)向梯度，有利于風(fēng)暴路徑這樣深厚的斜壓系統(tǒng)的發(fā)展。將風(fēng)暴路徑南北界指數(shù)距平值回歸到SST距平場(chǎng)。結(jié)合SST的變化趨勢(shì)可以看出，SST增暖的區(qū)域(見(jiàn)圖6(b)正值區(qū)域)幾乎都對(duì)應(yīng)著風(fēng)暴路徑北界的向赤道偏移(見(jiàn)圖7(b)正值區(qū)域)和南界的向極地偏移(見(jiàn)圖7(d)負(fù)值區(qū)域)，而在中高緯SST變冷的區(qū)域，風(fēng)暴路徑北界和南界的變化趨勢(shì)正好相反。這表明，SST的增暖有利于風(fēng)暴路徑變得更寬，而SST變冷則會(huì)讓風(fēng)暴路徑出現(xiàn)收縮的趨勢(shì)。由于SST的增暖趨勢(shì)更強(qiáng)，范圍更廣，因此風(fēng)暴路徑最終體現(xiàn)的是擴(kuò)張的趨勢(shì)。

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)1956—2015年的位勢(shì)高度場(chǎng)2～7 d帶通濾波數(shù)據(jù)，首先確認(rèn)了南半球風(fēng)暴路徑的三維結(jié)構(gòu)特征。緯向上，風(fēng)暴路徑呈單峰型變化，中緯度區(qū)域最強(qiáng)，最大值大約在50°S附近，并且該軸線能自下而上一直延伸到平流層；經(jīng)向上，風(fēng)暴路徑在三個(gè)大洋上存在強(qiáng)活動(dòng)中心，其中南印度洋最強(qiáng)，南太平洋最弱；垂向上，300 hPa附近風(fēng)暴路徑的信號(hào)最強(qiáng)，平流層和對(duì)流層低層相對(duì)較弱。

在此基礎(chǔ)上，本文選取300 hPa的風(fēng)暴路徑數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了該層南半球風(fēng)暴活動(dòng)在過(guò)去60年間的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，南半球風(fēng)暴路徑具有顯著的增強(qiáng)趨勢(shì)，增強(qiáng)最明顯的區(qū)域位于50°S以南，最大中心在南印度洋和南大西洋上，趨勢(shì)可超過(guò)每10年3 gpm。通過(guò)構(gòu)造風(fēng)暴路徑邊界指數(shù)發(fā)現(xiàn)，南半球風(fēng)暴路徑不僅存在向極地的偏移，還存在向赤道的偏移，表明風(fēng)暴活動(dòng)帶的范圍正在變得越來(lái)越寬。但是，南界的偏移速度更快，大約是北界的2.5倍。

分析表明，南半球風(fēng)暴路徑與背景場(chǎng)西風(fēng)急流和下墊面SST的變化存在密切關(guān)系。中高緯地區(qū)的西風(fēng)急流增強(qiáng)，使得斜壓不穩(wěn)定波從背景流獲取到更多的擾動(dòng)能量，風(fēng)暴路徑因此強(qiáng)度變得更大，南界更加靠近極地。強(qiáng)盛的繞極西風(fēng)還加劇了下墊面海水的抽吸和混合，表現(xiàn)為中高緯地區(qū)SST的變冷趨勢(shì)。在中低緯地區(qū)，西風(fēng)是減弱的趨勢(shì)，缺少能量來(lái)源的風(fēng)暴活動(dòng)變化很小甚至出現(xiàn)了減弱的趨勢(shì)，而西風(fēng)減弱也意味著風(fēng)暴路徑會(huì)有一定程度的向赤道偏移。另外，中低緯地區(qū)的SST具有明顯的增暖趨勢(shì)，這種加熱作用有利于風(fēng)暴路徑的“受熱膨脹”，使得風(fēng)暴活動(dòng)范圍變寬。與此同時(shí)，SST南冷北暖的變化趨勢(shì)也使得SST的經(jīng)向梯度增加，有利于斜壓系統(tǒng)的維持和發(fā)展，對(duì)風(fēng)暴活動(dòng)的發(fā)展也有促進(jìn)作用。

綜上所述，西風(fēng)急流南強(qiáng)北弱和SST南冷北暖的變化趨勢(shì)是南半球風(fēng)暴路徑增強(qiáng)和南北擴(kuò)張的重要原因，其中以西風(fēng)急流的影響最為顯著。受西風(fēng)急流明顯向極偏移趨勢(shì)的影響，南半球風(fēng)暴路徑也主要表現(xiàn)為向極地的偏移。

需要特別注意的是，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，南半球風(fēng)暴活動(dòng)帶的南界向極地偏移的幅度有增大的趨勢(shì)，極端南偏的事件變得更為頻繁，可以預(yù)見(jiàn)這將對(duì)南半球中高緯地區(qū)的極端天氣和氣候變化產(chǎn)生較大影響，應(yīng)值得關(guān)注。

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