南半球風(fēng)暴軸對(duì)冬夏季中緯度海溫異常的響應(yīng)特征?

徐 策， 張 力， 甘波瀾

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100； 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266237)

南半球中緯度上空盛行著風(fēng)暴軸，它代表了天氣尺度瞬變渦動(dòng)最強(qiáng)烈的區(qū)域，又對(duì)應(yīng)大尺度環(huán)流的西風(fēng)急流，在中緯度天氣和氣候系統(tǒng)中扮演著重要的角色。從天氣系統(tǒng)來(lái)講，中緯度天氣尺度瞬變渦動(dòng)與每日的氣旋和反氣旋活動(dòng)密切相關(guān)，這些氣旋和反氣旋的頻繁活動(dòng)為局地區(qū)域帶來(lái)大量降水，并導(dǎo)致冷空氣爆發(fā)[1-2]。因此，風(fēng)暴軸的異常變化能夠影響局地風(fēng)、云、降水等天氣過(guò)程，進(jìn)而影響中緯度天氣系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)未來(lái)天氣系統(tǒng)的異常變化具有重要意義。從氣候系統(tǒng)來(lái)講，中緯度大氣承擔(dān)著將熱量從副熱帶輸送到極區(qū)的任務(wù)，在南北緯40°左右達(dá)到極值，約占到總熱量輸運(yùn)的90%。而在這些大氣向極熱量輸運(yùn)中，瞬變渦動(dòng)輸運(yùn)約占70%，其中天氣尺度瞬變渦動(dòng)輸運(yùn)約占總渦動(dòng)輸運(yùn)的50%[3-4]。同時(shí)，天氣尺度瞬變渦動(dòng)與行星尺度的時(shí)間平均流之間存在共生關(guān)系，即風(fēng)暴軸的異常變化伴隨著行星尺度氣流的異常變化。兩者相互作用對(duì)中緯度大氣低頻變異至關(guān)重要[5-6]。因此，風(fēng)暴軸強(qiáng)度和位置的系統(tǒng)性變化將導(dǎo)致中緯度天氣和氣候發(fā)生重大改變。

Cayan等[7]認(rèn)為，在年際尺度內(nèi)中緯度海表面溫度異常(Sea Surface Temperature Anomalies; SSTAs)被認(rèn)為是對(duì)大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)。對(duì)于年際到年代際尺度，很多基于模式的研究已證實(shí)中緯度的海洋-大氣反饋是維持氣候低頻變化的重要過(guò)程[8]。特別是天氣尺度渦動(dòng)沿著風(fēng)暴軸遷移在調(diào)節(jié)大尺度大氣環(huán)流對(duì)中緯度SSTAs的相當(dāng)正壓響應(yīng)中扮演著重要的角色。大氣斜壓不穩(wěn)定是風(fēng)暴軸形成和發(fā)展的一個(gè)主要原因。根據(jù)大氣線性斜壓不穩(wěn)定理論，風(fēng)暴軸中瞬變渦動(dòng)被認(rèn)為是斜壓不穩(wěn)定波在垂直剪切的西風(fēng)平流中擾動(dòng)增長(zhǎng)的表現(xiàn)，其最大增長(zhǎng)率(渦動(dòng)強(qiáng)度)與平均經(jīng)向溫度梯度(根據(jù)熱成風(fēng)關(guān)系等同于平均西風(fēng)垂直剪切)和靜力穩(wěn)定度的倒數(shù)成正比[9]。根據(jù)該理論，我們可以如下理解：由于瞬變渦動(dòng)在強(qiáng)斜壓不穩(wěn)定區(qū)域中將平均有效位能轉(zhuǎn)換為渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)能得以發(fā)展，發(fā)展的瞬變渦動(dòng)同時(shí)也將大量熱量向極輸運(yùn)，進(jìn)而減弱了平均經(jīng)向溫度梯度，減弱了大氣背景場(chǎng)的斜壓不穩(wěn)定度，不利于風(fēng)暴軸的形成和維持，因此需要有外部的能量持續(xù)輸入從而維持斜壓不穩(wěn)定，鞏固風(fēng)暴軸的發(fā)展。在最近十幾年中，越來(lái)越多的證據(jù)表明，風(fēng)暴軸和下墊面海洋存在相互作用，特別是在中緯度海洋鋒區(qū)，絕大多數(shù)的風(fēng)暴軸形成和能量獲取都出現(xiàn)在海表面溫度梯度大值區(qū)或者其下游[10]，同時(shí)在風(fēng)暴軸極值區(qū)的上游存在大氣強(qiáng)斜壓不穩(wěn)定[11]。模式研究進(jìn)一步表明，中緯度海洋鋒區(qū)兩側(cè)提供的感熱存在差異(向赤道增強(qiáng)，向極地減弱)，對(duì)維持大氣近表層經(jīng)向溫度梯度和斜壓性至關(guān)重要，進(jìn)而維持了風(fēng)暴軸的發(fā)展[12-15]。值得注意的是，北半球的風(fēng)暴軸具有顯著的季節(jié)變化，其強(qiáng)度在冬季最強(qiáng)、夏季最弱；位置在冬季偏南、夏季偏北。而南半球的風(fēng)暴軸則全年盛行。很多研究指出，南半球夏季(12月～次年2月)和冬季(6～8月)的風(fēng)暴軸強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)差異較小，其空間特征與背景的西風(fēng)急流季節(jié)變化一致[16-17]。以往研究更多圍繞中緯度海洋如何維持風(fēng)暴軸氣候平均態(tài)開展工作，而關(guān)于不同季節(jié)內(nèi)海溫變異如何影響風(fēng)暴軸變化的研究和討論較少。鑒于此，本文將重點(diǎn)探討南半球中緯度海溫變異對(duì)不同季節(jié)風(fēng)暴軸影響的差異性，并對(duì)大氣斜壓性和斜壓能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行診斷，研究和理解風(fēng)暴軸不同響應(yīng)的動(dòng)力過(guò)程。

1 資料和方法

本文研究所采用的水平風(fēng)速、氣溫、表面風(fēng)應(yīng)力等氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于20世紀(jì)大氣再分析數(shù)據(jù)集第二套版(Twentieth-Century Reanalysis dataset version 2；20CRv2)[18]。20CRv2是一套綜合性全球大氣環(huán)流數(shù)據(jù)集，其時(shí)間覆蓋范圍為1871—2011年，可提供的時(shí)間分辨率為6 h、日平均和月平均，水平分辨率為2°×2°，垂向分辨率為24層。20CRv2以HadISST1.1中的月平均SST和海冰分布數(shù)據(jù)作為下邊界驅(qū)動(dòng)條件，并且采用集合卡曼濾波數(shù)據(jù)同化方法僅僅同化了天氣尺度的地面和海平面氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，本文研究所采用的SST數(shù)據(jù)來(lái)源于哈德萊中心海冰和海表面溫度數(shù)據(jù)集(Hadley Centre Global Sea Ice and Sea Surface Temperature；HadISST)中的全球月平均SST數(shù)據(jù)[19]。HadISST的時(shí)間覆蓋范圍為1870年至今，空間分辨率為1°×1°。為保證資料一致，所有資料的時(shí)間均取為1951—2000年。

風(fēng)暴軸的表征方法主要有兩種，即拉格朗日方法和歐拉方法?？紤]到歐拉方法的易操作性以及本文研究側(cè)重于風(fēng)暴軸的群體變化特征，參照Blackmon對(duì)風(fēng)暴軸的定義[20]，本文用2～8 d帶通濾波對(duì)南半球的對(duì)流層中不同層級(jí)變量場(chǎng)瞬變擾動(dòng)方差或協(xié)方差來(lái)表征風(fēng)暴軸。具體的風(fēng)暴軸表征量如下：(ⅰ)250 hPa經(jīng)向風(fēng)速方差(〈v′v′〉)；(ⅱ)850 hPa渦動(dòng)熱量經(jīng)向通量(〈v′T′〉)。南半球風(fēng)暴軸大值分布在30°S～60°S[11]，因此分析區(qū)域選擇30°S以南。作者利用基于傅里葉變換(Fourier transform；FFT)設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)相應(yīng)的日平均氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行2～8 d帶通濾波以提取出與天氣尺度瞬變渦動(dòng)相關(guān)的擾動(dòng)。值得一提的是，Chang[21]和Trenberth[22]指出，一個(gè)較窄的帶通濾波頻段(如2～6 d)可能會(huì)扭曲斜壓波的傳播特征。因此本文采用較寬(2～8 d)的濾波頻段以使這種可能性最小化。

由于本文的研究重點(diǎn)是中緯度海洋與風(fēng)暴軸之間的局地相互作用，考慮到ENSO能夠通過(guò)“大氣橋”顯著影響熱帶外海洋和大氣[23]，因此在進(jìn)行EOF和回歸分析前，本文去除了SST場(chǎng)與風(fēng)暴軸場(chǎng)(Storm Track，以下簡(jiǎn)稱為ST場(chǎng))中的ENSO線性影響部分。根據(jù)Frankignoul和Sennéchael[24]，本文采用季節(jié)變化的回歸系數(shù)來(lái)去除ENSO影響。方法如下：設(shè)SST場(chǎng)和ST場(chǎng)中每一格點(diǎn)的時(shí)間序列分別為SST(t)和ST(t)，通過(guò)多元回歸方法得到ENSO對(duì)SST(t)和ST(t)的線性影響部分，即SSTENSO(t)=α1N1(t)+α2N2(t)+α0和STENSO(t)=β1N1(t)+β2N2(t)+β0。其中N1(t)和N2(t)為熱帶太平洋(20°S～20°N)SST異常場(chǎng)的前兩個(gè)主成分，從SST(t)和ST(t)分別減去SSTENSO(t)和STENSO(t)，從而去除ENSO線性影響。對(duì)于月平均數(shù)據(jù)而言，考慮到ENSO的季節(jié)鎖相特征以及熱帶外海洋對(duì)ENSO的滯后響應(yīng)，本文進(jìn)一步處理方法如下：將SST和ST場(chǎng)中每一格點(diǎn)以及每一自然月的時(shí)間序列分別采用滯后n個(gè)月(取n等于0～4中使回歸復(fù)相關(guān)系數(shù)平方最大的值)回歸和同期回歸的方法投影到N1(t)和N2(t)上，從而得到12個(gè)月的回歸系數(shù)αi(t)，βi(t)，(i=1～2,t=1～12)；為了減小樣本誤差，我們對(duì)回歸系數(shù)αi(t)，βi(t)作3個(gè)月的滑動(dòng)平均，從而得到季節(jié)變化的回歸系數(shù)。

2 南半球風(fēng)暴軸對(duì)不同季節(jié)海溫變異的響應(yīng)特征

作者在本文中展示了以2～8 d帶通濾波的850 hPa渦動(dòng)熱量經(jīng)向通量〈v′T′〉來(lái)表征風(fēng)暴軸的分析結(jié)果。選擇該風(fēng)暴軸表征量主要基于兩個(gè)原因：〈v′T′〉對(duì)于高層大氣西風(fēng)動(dòng)量的向下傳遞以維持低層大氣西風(fēng)具有重要作用；異常的〈v′T′〉與海-氣邊界層中的異常溫度和熱通量有密切關(guān)系。瞬變渦動(dòng)對(duì)大氣響應(yīng)(由SST異常直接誘導(dǎo)形成)的調(diào)整作用被稱為“渦動(dòng)反饋機(jī)制”，其可以使中緯度大氣能夠產(chǎn)生相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[8]。實(shí)際上，本文也分析了帶通濾波的250 hPa經(jīng)向風(fēng)速方差〈v′v′〉異常與SST異常之間的耦合關(guān)系，得到了相似的研究結(jié)果。

2.1 南半球風(fēng)暴軸季節(jié)差異

圖1為大氣對(duì)流層低層風(fēng)暴軸(850 hPa,〈v′T′〉)月平均的空間分布，風(fēng)暴軸振幅表征了渦動(dòng)熱量極向熱通量。在夏季(12月～次年2月)和冬季(6～8月)，風(fēng)暴軸的大值區(qū)域與西風(fēng)急流位置(250 hPa緯向風(fēng))表現(xiàn)了很好的一致性[25]。在北半球，風(fēng)暴軸僅在冬季(12月～次年2月左右)得到顯著強(qiáng)化[10，20]；而在南半球，風(fēng)暴軸全年都保持充沛的能量，從南大西洋向東延伸，只是在南半球冬季強(qiáng)度稍強(qiáng)，經(jīng)向和緯向的扇面幅度稍寬。從局部特征來(lái)看，不同大洋上空的風(fēng)暴軸空間特征存在差異：(1)風(fēng)暴軸峰值出現(xiàn)在南印度洋西部上空，全年維持在8 K·m·s-1以上，其強(qiáng)度在冬季大于夏季；(2)南大西洋的風(fēng)暴軸雖然也全年盛行，相比南印度洋強(qiáng)度稍弱，在夏季時(shí)，大值區(qū)出現(xiàn)在南大西洋中西部，而在冬季時(shí)，大值區(qū)出現(xiàn)在南大西洋中東部；(3)風(fēng)暴軸在南太平洋則呈現(xiàn)了明顯的季節(jié)變化，夏季，風(fēng)暴軸在澳大利亞?wèn)|南延伸達(dá)到最強(qiáng)，峰值在8 K·m·s-1以上，冬季，風(fēng)暴軸強(qiáng)度明顯減弱。值得注意的是：雖然風(fēng)暴軸在南半球中緯度三個(gè)大洋上空的空間特征存在差異，但由于南大洋無(wú)大陸阻隔，在分析和討論南半球中緯度風(fēng)暴軸時(shí)，仍將其作為一個(gè)整體來(lái)看。

((填色部分代表〈v′T′〉，單位K·m·s-1);白線代表250 hPa緯向風(fēng)速，間隔為4 m·s-1。Shading,〈v′T′〉, K·m·s-1) in (a)summertime(December,January and February,DJF) and(b)wintertime(June to August,JJA); Superimposed on 250 hPa zonal wind (white contours) with an interval of 4 m·s-1.)

2.2 風(fēng)暴軸對(duì)海溫變異的響應(yīng)特別特征

為了得到南半球SST不同季節(jié)主要模態(tài)，本文利用HadISST對(duì)1951—2000年南半球中緯度SST(30°S～60°S)異常場(chǎng)進(jìn)行EOF分解(已經(jīng)去掉季節(jié)循環(huán)和趨勢(shì)項(xiàng))，南半球夏季和冬季SST主要模態(tài)呈現(xiàn)在圖1中，方差貢獻(xiàn)分別為15%和11%。南大洋夏季SST異常場(chǎng)EOF分解第一模態(tài)空間特征表現(xiàn)為三極型暖異常(見圖2(a))：三個(gè)顯著的暖異常中心分別出現(xiàn)在南大西洋中部、南印度洋中部和南太平洋西部，主要分布在30°S～50°S之間，其最大值出現(xiàn)在南太平洋中心(靠近新西蘭)，振幅達(dá)到0.6 K；同時(shí)在南太平洋中部，經(jīng)向上存在兩個(gè)較弱的偶極子異常(110°W～165°W)。相比于夏季，南大洋冬季SST異常場(chǎng)EOF第一模態(tài)的振幅則較弱，其空間特征表現(xiàn)為：兩個(gè)暖異常分別出現(xiàn)在南大西洋中部和南印度洋中部，而出現(xiàn)在夏季的南太平洋暖異常中心幾乎消失；同時(shí)，可以看到南大西洋的暖異常中心在經(jīng)向上范圍更窄，主要沿30°S～40°S分布，而南太平洋中部全部由振幅較弱的冷異常取代，在南太平洋向極一側(cè)為較弱的正異常。從EOF時(shí)間系數(shù)來(lái)看，南半球夏季對(duì)比冬季，其對(duì)應(yīng)的SST時(shí)間系數(shù)呈現(xiàn)出顯著的年際變化特征，同時(shí)疊加上一些低頻變率(見圖3(a),(b))。從功率譜分析[26]結(jié)果可以看到，夏季SST第一模態(tài)存在顯著4年的年際周期，同時(shí)存在7～9年較弱的年代際周期；冬季SST第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)則不存在顯著的年際變化。這里值得注意，ENSO主要的影響在之前已經(jīng)去除，因此由ENSO遙相關(guān)主導(dǎo)的年際變化信號(hào)并不存在于上文中的SST。

當(dāng)時(shí)間尺度在季節(jié)或季節(jié)尺度以上時(shí)，如果中緯度海洋能夠顯著影響上空大氣變化，那么協(xié)方差應(yīng)當(dāng)在海洋超前大氣或兩者同期時(shí)達(dá)到最大[27]。因此，本文將850 hPa風(fēng)暴軸(〈v′T′〉)分別同期回歸到夏季和冬季的SST標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)，以了解不同季節(jié)中緯度海溫變異是如何影響風(fēng)暴軸變化的。

(方差貢獻(xiàn)分別為15%，11%。 The two modes account for 15% and 11 % of the total variance, respectively.)

(兩條虛線分別表示80%和90%的置信度線。 Dashed lines indicate the 80% and 90% confidence level. )

圖4(a)展示了夏季850 hPa渦動(dòng)熱量極向熱通量〈v′T′〉與SST第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的回歸系數(shù)空間分布場(chǎng)?！磛′T′〉異常的空間分布場(chǎng)(涂色部分)呈現(xiàn)了沿著40°S～60°S緯向條帶狀的向極正異常分布。其中，通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域主要在南大西洋和南太平洋，最大值出現(xiàn)在南太平洋西部。而在冬季的回歸系數(shù)空間分布場(chǎng)中(見圖4(b))，可以看到風(fēng)暴軸正異常主要分布在南大西洋中部至南印度洋。較之夏季(見圖4(a))，該正異常分布的緯度較低，而并非極向強(qiáng)化；同時(shí)，南太平洋西部完全由風(fēng)暴軸的負(fù)異常取代。對(duì)照?qǐng)D1中〈v′T′〉季節(jié)平均的氣候平均態(tài)表明，夏季和冬季SSTA都能夠顯著影響到風(fēng)暴軸變化(也可對(duì)照?qǐng)D4a中等值線)，表現(xiàn)特征不同：在南半球夏季，中緯度海盆尺度SST三極子型暖異?？梢允癸L(fēng)暴軸出現(xiàn)向極增強(qiáng)，大氣低層渦動(dòng)活動(dòng)顯著加強(qiáng)。風(fēng)暴軸變化振幅較大區(qū)域集中在南太平洋洋西南部。在南半球冬季，南大西洋低緯度的暖異常和南印度洋中部的暖異常，可以使局地的風(fēng)暴軸增強(qiáng)，大氣低層渦動(dòng)活動(dòng)加強(qiáng)；同時(shí)，南太平洋中西部較弱SSTA偶極子出現(xiàn)，使得局地的風(fēng)暴軸減弱。

3 大氣斜壓性和斜壓能量轉(zhuǎn)換診斷

關(guān)于大氣斜壓理論與風(fēng)暴軸關(guān)系的研究早有開展，Eady[9]風(fēng)暴軸發(fā)展和形成的一個(gè)主導(dǎo)因素是由于大氣斜壓不穩(wěn)定，它為瞬變渦動(dòng)的發(fā)展提供了斜壓“源泉”[1]。因此，為了解風(fēng)暴軸對(duì)SST異常的響應(yīng)動(dòng)力過(guò)程，本文中對(duì)干燥大氣的斜壓不穩(wěn)定性分析采用了大氣最大Eady增長(zhǎng)率σEady(Maximum Eady growth rate)作為指標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)[28]，σEady具體計(jì)算方法如下：

(涂色代表風(fēng)暴軸異常(K·m·s-1)，黑色等值線表示風(fēng)暴軸氣候平均態(tài)，間隔為2 K·m·s-1。斜線區(qū)域表示超過(guò)95%的統(tǒng)計(jì)置信度水平。 Colors are for 〈v′T′〉 (K·m·s-1)anomalies and contours are for 〈v′T′〉 corresponding climatology with an interval of 0.2 K·m·s-1.Hatching areas indicate statistical significance at the 95% confidence level.)

另外，Chang等[29]指出，渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)從時(shí)間平均流獲取斜壓能量的有效性受到了大氣瞬變渦動(dòng)結(jié)構(gòu)和非絕熱加熱等因素主導(dǎo)。本文也計(jì)算了大氣局地斜壓能量轉(zhuǎn)換(Baroclinic energy conversion；BCEC)，包含兩部分為：平均有效位能(Mean available potential energy；MAPE)向渦動(dòng)有效位能(Eddy available potential energy；EAPE)的轉(zhuǎn)換。渦動(dòng)有效位能向渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)能(Eddy kinetic energy；EKE)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)Cai等[30]具體計(jì)算方法如下：

BCEC(MAPEtoEAPE)=

其中：C1=(P0/P)CvCpRd/g;P0=1 000 hPa；Rd,u,v,w,θ,Cp(Cv)分別表示干空氣的氣體常數(shù)、緯向速度、經(jīng)向速度、垂向速度、位溫、干空氣定壓(定容)比熱容。表示2～8 d帶通濾波的瞬變擾動(dòng)，表示時(shí)間平均。

本文將850 hPa和σEady大氣斜壓能量轉(zhuǎn)換分別回歸到夏季和冬季的SST第一模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)。回歸分析結(jié)果表明，南半球中緯度海盆尺度SST異常能夠向極加強(qiáng)(或減弱)大氣對(duì)流層斜壓性，這很可能進(jìn)一步導(dǎo)致相應(yīng)的風(fēng)暴軸活動(dòng)對(duì)應(yīng)變化。在南半球夏季，從圖5(b)中可以看到，對(duì)流層低層(850 hPa)的σEady在其氣候平均位置(見圖5(a))的南部(45°S以南)顯著增大，從南大西洋至南太平洋沿緯向向西延伸，表明對(duì)流層低層的斜壓性向極移動(dòng)并加強(qiáng)，其中最大正異常位于南太平洋中西部，而在氣候平均位置的北部，呈現(xiàn)了向赤道方向的減弱。冬季的σEady回歸分析結(jié)果也與作者猜想一致(見圖6)，即在南大西洋和南印度洋出現(xiàn)了顯著增強(qiáng)，其振幅稍大于夏季的異常響應(yīng)，最大值出現(xiàn)在南印度洋中部；同時(shí)，在南太平洋中西部σEady呈現(xiàn)了顯著減小，表明該區(qū)域?qū)α鲗拥蛯拥男眽盒韵驑O移動(dòng)并減弱。對(duì)比風(fēng)暴軸回歸系數(shù)分布(見圖4)，可以清楚地看到σEady異常響應(yīng)的分布與風(fēng)暴軸變化呈現(xiàn)很好的一致性。

圖6 同圖5，但是為冬季。

由于對(duì)流層斜壓性的增強(qiáng)(減弱)能夠提供更多(更少)的斜壓能量給瞬變渦動(dòng)，因此斜壓性的上述變化很可能是使風(fēng)暴軸活動(dòng)增強(qiáng)(減弱)的一個(gè)重要原因。事實(shí)上，BCEC的診斷分析證實(shí)了斜壓渦動(dòng)能夠從平均氣流中獲取更多的有效位能。從圖7和8中可以看到，對(duì)不同季節(jié)SSTA的響應(yīng)，在夏季時(shí)MAPE向EAPE的轉(zhuǎn)換以及EAPE向EKE的轉(zhuǎn)換均在南半球中緯度顯著增強(qiáng)，最大值同樣出現(xiàn)在南太平洋中西部，表明風(fēng)暴軸活動(dòng)加強(qiáng)；冬季MAPE向EAPE的轉(zhuǎn)換以及EAPE向EKE的轉(zhuǎn)換在南大西洋和南印度洋中部顯著增加，在南太平洋中西部減小，分別表明局地風(fēng)暴軸活動(dòng)加強(qiáng)和減弱。本文作者注意到，雖然在南半球極鋒急流北側(cè)由很大σEady負(fù)異常占據(jù)，局地的風(fēng)暴軸活動(dòng)卻并未表現(xiàn)出一致的變化。這種南北兩側(cè)的差異一定程度上反應(yīng)了風(fēng)暴軸對(duì)赤道方向SST變化的非線性響應(yīng)，也一定程度體現(xiàn)了濕過(guò)程對(duì)部分氣旋發(fā)展壯大的重要性。

(斜線區(qū)域表示超過(guò)95%的統(tǒng)計(jì)置信度水平。Hatching areas indicate statistical significance at the 95% confidence level. )圖5 (a)夏季最大Eady增長(zhǎng)率(單位：×10-2 d-1)氣候平均態(tài)(850 hPa)及(b)夏季平均最大Eady增長(zhǎng)率回歸到SST EOF1標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列

(涂色部分代表MAPE到EAPE轉(zhuǎn)換異常(單位：W·m-2)，黑色等值線表示MAPE到EAPE轉(zhuǎn)換氣候平均，間隔為1 W·m-2。斜線區(qū)域表示超過(guò)95%的統(tǒng)計(jì)置信度水平。 Colors are for MAPE to EAPE anomalies (W·m-2)and contours are for the MAPE to EAPE corresponding climatology with an interval of 1 W·m-2 Hatching areas indicate statistical significance at the 95% confidence level.)

圖8 同圖7，但是為EAPE到EKE轉(zhuǎn)換

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)揭示了南半球冬夏季中緯度海表溫度異常通過(guò)影響大氣斜壓性，進(jìn)而來(lái)影響風(fēng)暴軸變化的季節(jié)差異。主要結(jié)論如下：

(1)南半球中緯度SST冬夏季主模態(tài)存在季節(jié)差異：南半球夏季SST第一模態(tài)表現(xiàn)為三極子型SST暖異常，SST暖異常分別在南大西洋、南印度洋中部和南太平洋西部，該模態(tài)存在顯著4年的年際變化周期；南半球冬季SST第一模態(tài)表現(xiàn)為暖異常分布在南大西洋中部(較窄)、南印度洋中部，在南太平洋中西部出現(xiàn)弱偶極子型SST異常，該模態(tài)不存在顯著的年際變化周期。

(2)南半球中緯度SST變化能顯著影響到風(fēng)暴軸活動(dòng)。夏季時(shí)，三極子型SST暖異常能夠使對(duì)流層低層渦動(dòng)活動(dòng)增強(qiáng)，體現(xiàn)在850 hPa渦動(dòng)熱量極向熱通量(〈v′T′〉)向極增加，其增強(qiáng)最顯著的區(qū)域出現(xiàn)在南太平洋西部；冬季時(shí)，南大西洋、南印度洋的SST暖異常，與南太平洋中西部的弱偶極子型SST異常，分別能夠在局地增強(qiáng)和減弱對(duì)流層低層渦動(dòng)活動(dòng)，體現(xiàn)在〈v′T′〉增強(qiáng)和減弱。

(3)大氣斜壓性和斜壓能量轉(zhuǎn)換的診斷分析結(jié)果表明，南半球中緯度SST主模態(tài)表現(xiàn)的海盆尺度暖(冷)異常能夠使對(duì)流層低層斜壓性出現(xiàn)向極增強(qiáng)(減弱)，同時(shí)大氣斜壓能量轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出一致性加強(qiáng)(減弱)，這很可能導(dǎo)致相應(yīng)的風(fēng)暴軸活動(dòng)加強(qiáng)(減弱)。