月內(nèi)尺度上與冬季北太平洋大范圍海溫暖異常相聯(lián)系的海氣相互作用特征

陳宏莉 徐海明 馬靜 鄧潔淳 2

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/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，南京 210044

2 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044

1 引言

近年來，氣候變化廣受關(guān)注，海氣相互作用是氣候研究中的一個(gè)重要課題。早在20 世紀(jì)60 年代，Bjerknes（ 1966, 1969） 和Namias（ 1959, 1963,1969）就分別提出了熱帶與中緯度海氣相互作用問題。以厄爾尼諾—南方濤動(dòng)為代表的熱帶海氣相互作 用 相 關(guān) 研 究 已 日 趨 成 熟（Neelin et al., 1998;Wang and Fiedler, 2006），并且可以用來解釋氣候變率的相關(guān)問題（Ropelewski and Halpert, 1996;Trenberth and Caron, 2000）。然而，由于中緯度大氣斜壓性強(qiáng)、內(nèi)部變率大，中緯度海氣相互作用的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。中緯度海氣相互作用不僅能直接影響中緯度氣候變率，也可以通過“大氣橋”間接影響其他地區(qū)的氣候（Vimont et al., 2003），因此，研究中緯度海氣相互作用具有重要意義。

很多研究表明，中緯度大尺度海氣相互作用主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫（Deser and Timlin,1997; Kushnir et al., 2002; Tanimoto et al., 2003）。大氣可以通過改變海氣熱通量交換來強(qiáng)迫海洋（Frankignoul and Hasselmann, 1977; Frankignoul,1985; Lau and Nath, 1996）。 Frankignoul and Hasselmann（1977）將超前滯后方法應(yīng)用于海表面溫度（SST）的模擬：當(dāng)大氣超前SST 意味著大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫，而大氣滯后SST 則反映了海洋對(duì)大氣的影響。有研究指出在熱帶外地區(qū)的大氣環(huán)流異常與海表溫度異常之間的超前相關(guān)大于滯后相關(guān)，這表明中緯度地區(qū)可能是大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫占主導(dǎo)地位（Wallace and Gutzler, 1981）。Cayan（1992a,1992b, 1992c）研究表明，盡管?？寺鲗?duì)中高緯地區(qū)的SST 異常有一定影響，但海氣熱通量交換才是造成大尺度SST 變率的關(guān)鍵因子：當(dāng)北太平洋SST 異常與熱通量（向上為正）距平呈反相關(guān)關(guān)系時(shí)，熱通量異常在SST 暖異常區(qū)由大氣指向海洋時(shí)，海洋獲得能量從而增溫，熱通量異常在SST 冷異常區(qū)由海洋指向大氣，海洋失去熱量從而降溫。

不少研究采用統(tǒng)計(jì)方法表明中緯度存在海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫，這些研究通過分析大尺度大氣環(huán)流異常與前期SST 異常的相關(guān)關(guān)系說明海洋可能強(qiáng)迫大 氣（ Namias, 1976; Davis, 1976; Rodwell and Folland, 2002）。Czaja and Frankignoul（2002）基于滯后最大協(xié)方差分析法對(duì)北大西洋SSTs 與500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)進(jìn)行分析，指出早夏馬蹄形海溫異常可維持到早冬時(shí)期，并在大氣中強(qiáng)迫出北負(fù)南正（冰島低壓與亞速爾高壓均增強(qiáng)）的相當(dāng)正壓異常結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響北大西洋濤動(dòng)。類似地，Liu et al.（2006）發(fā)現(xiàn)北太平洋夏季也存在海洋對(duì)大氣的影響。

由于中緯度SSTs 相對(duì)較低，海溫變化難以引起深對(duì)流，觀測(cè)研究很難確定海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用。因此，前人應(yīng)用不同的全球大氣環(huán)流模式開展了這方面的研究，但所得結(jié)果存在明顯差異。例如，一些大氣環(huán)流模式模擬的大氣對(duì)海溫異常的響應(yīng)在垂直方向上表現(xiàn)為相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)（Palmer and Sun,1985; Latif and Barnett, 1994; Peng et al., 1995），一些模式則表現(xiàn)為大氣斜壓響應(yīng)特征（Hense et al.,1990; Ting, 1991），而 有 些 模 式 甚 至 沒 有 響 應(yīng)（Lau and Nath, 1994）。此外，同一季節(jié)大氣對(duì)中緯度海溫異常響應(yīng)也存在明顯差異。Peng et al.（1995）采用全球譜模式模擬北大西洋西部SST 暖異常對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用，發(fā)現(xiàn)11 月的大氣響應(yīng)在垂直方向上表現(xiàn)為相當(dāng)正壓的位勢(shì)高度正異常，而1 月則表現(xiàn)為相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)的負(fù)異常，表明大氣對(duì)中緯度SST 異常的響應(yīng)可能還依賴于基本氣流。

已有研究揭示了中緯度地區(qū)存在海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫，但這些研究局限于海洋鋒區(qū)、中尺度渦旋等尺度相對(duì)較小的區(qū)域性海氣相互作用（Nonaka and Xie, 2003; 徐蜜蜜等, 2010, 2012; 馬靜等, 2014），而關(guān)于海盆尺度海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用的研究主要基于統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析，缺乏直接的觀測(cè)證據(jù)。徐海明和崔夢(mèng)雪（2018）基于月平均資料對(duì)中緯度大尺度海溫異常的海氣關(guān)系進(jìn)行了探討，認(rèn)為中緯度地區(qū)主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的影響，但同時(shí)也存在海洋對(duì)大氣的反饋，但月內(nèi)或更短時(shí)間尺度上是否存在海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用還有待研究。

本文結(jié)合1985～2015 年的觀測(cè)和再分析資料，使用跟隨SST 異常中心的動(dòng)態(tài)合成方法，揭示月內(nèi)時(shí)間尺度上與冬季中緯度北太平洋大尺度SST暖異常相聯(lián)系的局地海氣相互作用特征，探究更短時(shí)間尺度上大范圍SST 暖異常發(fā)展不同階段的海氣關(guān)系，試圖找到海洋反饋大氣的直接觀測(cè)證據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資料

本文采用美國國家海洋大氣管理局（NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration）的逐日海溫異常資料（Reynolds et al., 2002），其利用超高分辨率掃描輻射計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)SSTs 進(jìn)行最優(yōu)插值，水平分辨率為0.25°×0.25°。候平均海溫和三維洋流數(shù)據(jù)均來自美國環(huán)境預(yù)測(cè)中心（NCEP，National Centers for Environmental Prediction）全球海洋資料同化系統(tǒng)（GODAS，Global Ocean Data Assimilation System）的海洋再分析資料（Behringer and Xue, 2004），該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為1°（經(jīng)度）×1/3°（緯度），垂直方向共有40 層即5～4478 m，其中5～200 m 的分辨率為10 m，本文取海洋上層的15 層進(jìn)行分析。

大氣環(huán)流場(chǎng)以及非絕熱加熱場(chǎng)均使用NCEP 及能源部（DOE，Department of Energy）提供的第二套逐日再分析資料（Kanamitsu et al., 2002），該數(shù)據(jù)集表現(xiàn)的輻射過程有所改善，其水平分辨率為T62 高斯分布，緯向上1.875°等距分布，經(jīng)向上不等距分布。上述再分析資料的研究時(shí)段均與海溫異常數(shù)據(jù)保持一致，即1985～2015 年。

2.2 分類合成方法

本文參照徐海明和崔夢(mèng)雪（2018）對(duì)大范圍海溫異常區(qū)域的判別方法，定義了北太平洋大范圍海溫異常，即在北太平洋地區(qū)（20°～55°N，150°E～135°W），|SST 異常|≥1 的點(diǎn)與SST 異常中心至少相隔10 個(gè)經(jīng)緯距，則可記錄為一次大范圍海溫異常，其水平尺度約為1000 km。本文首先統(tǒng)計(jì)了1985～2015 年所有大范圍SST 暖異常事件的生命史（圖1），發(fā)現(xiàn)一次增暖的事件的生命史主要集中在50 天左右，然后選取該生命史內(nèi)的8 個(gè)暖事件（表1），最后通過合成方法研究了與此類大范圍海溫暖事件相聯(lián)系的月內(nèi)尺度海氣特征。

表1 8 個(gè)大范圍海溫暖異常事件的發(fā)生時(shí)間Table1 The occurrence time of eight large-scale sea surface temperature warm anomaly events

圖1 1985～2015 年各個(gè)生命史內(nèi)大范圍海表溫度（SST）暖異常事件的個(gè)數(shù)Fig.1 Number of large-scale sea surface temperature warm anomaly events (WAE) in each lifespan during the 1985–2015 period

這里使用的合成方法為中心動(dòng)態(tài)合成，即借鑒跟蹤熱帶氣旋（李英等, 2005）和跟蹤海洋渦旋中心（馬靜等, 2014）動(dòng)態(tài)合成法，使用伴隨大范圍SST 異常中心的動(dòng)態(tài)合成方法。該方法區(qū)別于簡(jiǎn)單的算術(shù)平均合成，可以減少樣本物理量在區(qū)域內(nèi)抵消造成的負(fù)面影響，保證大范圍海溫異常結(jié)構(gòu)的相對(duì)完整，更能抓住樣本的主要物理特征。

本文使用的變量均通過去線性趨勢(shì)、傅利葉高通濾波與空間九點(diǎn)平滑等預(yù)處理，且需要把日距平資料處理為10 天（即一旬）距平資料。需要指出的是，本文中冬季的時(shí)間范圍為每年11 月至次年2 月。

2.3 大氣斜壓性指數(shù)

斜壓性通常是用靜力穩(wěn)定度和水平溫度梯度共同表示，后者根據(jù)熱成風(fēng)平衡關(guān)系，相當(dāng)于水平風(fēng)的垂直切變（Charney, 1947; Eady, 1949）。本文使用Hoskins and Valdes（1990）定義的大氣斜壓性指數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算方法如下：

其中，N表示浮力振蕩頻率，f表示科氏參數(shù)，T為氣溫，z為高度，V為水平速度。大氣斜壓性指數(shù)越大，天氣尺度的運(yùn)動(dòng)越容易發(fā)生（Simmons and Hoskins, 1978）。不考慮對(duì)流層低層的水平切變和水汽過程，該指數(shù)可以較好地指示大氣斜壓性（ Nakamura and Sampe, 2002; Nakamura and Yamane, 2010）。

2.4 高頻瞬變渦旋反饋強(qiáng)迫

高頻瞬變渦旋反饋強(qiáng)迫（TEFF，Transient Eddy Feedback Forcing）表示由于高頻瞬變渦旋的熱量通量和渦動(dòng)通量的輻合輻散而造成的低頻位勢(shì)傾向，在中高緯度地區(qū)TEFF 很強(qiáng)。計(jì)算公式（2）中的位勢(shì)傾向可以用來表征TEFF 的作用（Lau and Holopainen, 1984; Holopainen and Fortelius,1987; 施寧, 2013; Zhang et al., 2017）。

其中，“′”表示8 天以內(nèi)的高頻濾波場(chǎng)，“—”表示除高頻場(chǎng)以外的低頻濾波場(chǎng)，靜力穩(wěn)定度σ=–(α/θ)(?θ/?p)，且σ=σ(p)，α=1/ρ為 比 容，表 示–?θ/?p在北半球的平均量，z為高度，V'為高頻水平速度，f=1×10–4s–1為45°N 的科氏參數(shù)，R'表示準(zhǔn)地轉(zhuǎn)位渦平衡中的剩余項(xiàng)，如低頻水平平流、非絕熱加熱等因子。其他變量則為常用的氣象場(chǎng)變量。下標(biāo)“heat”和“vor”分別表示高頻瞬變渦旋的熱量通量和渦動(dòng)動(dòng)量通量的作用。

垂直邊界層設(shè)定為1000 hPa 和100 hPa，邊界條件需要滿足（3）式：

其中，R為氣體常數(shù)，Cp為干空氣比熱。將由Dvor項(xiàng)所引起的TEFF 記為TEFF-vor，由Dheat引起的TEFF 記為TEFF-heat，TEFF-vor 與TEFFheat 的線性疊加記為TEFF-all。對(duì)于公式（2）中的二維拉普拉斯算子，本文基于球諧函數(shù)在球面上對(duì)其進(jìn)行展開，且主要使用T21 截?cái)?，具體計(jì)算步 驟 與Holopainen and Fortelius（1987）、施 寧（2013）一致。

2.5 混合層熱量收支方程

混合層熱量收支方程是研究診斷SST 變率的重要工具（Dinniman and Rienecker, 1999; Wang et al., 2012; Zhang et al., 2013）。本 文參 照Zhang et al.（2019），給出海表溫度變化方程（4），此處假定SST 等同于混合層平均溫度。

其中，ΔTm表示混合層和緊臨混合層下方內(nèi)部海洋之間的溫度差，u、v、w為混合層三維洋流速度，H為混合層深度，ρ0為海水密度，cp為海水比熱容。Qnet為向下表面凈熱通量的總和，包括感熱通量、潛熱通量、長(zhǎng)波輻射通量以及短波輻射通量。R''為剩余項(xiàng)，包括次網(wǎng)格尺度過程、擴(kuò)散等因子。由此公式可知，局地SST 的變化主要受海洋溫度水平平流、垂直輸送以及海表凈熱通量的控制，其中海溫水平平流和垂直輸送主要反映了海洋的動(dòng)力過程，凈熱通量項(xiàng)則代表了海氣之間的熱量交換。

3 大范圍海溫暖異常的海氣特征

3.1 海氣界面的主要特征

圖2 給出了區(qū)域平均的海表溫度、凈熱通量以及全風(fēng)速異常隨時(shí)間的演變。由圖可見，海表溫度經(jīng)歷了一次明顯的增暖和降溫過程，隨著海表溫度的升高和下降，海表凈熱通量（向上為正）也隨之發(fā)生了一次明顯的改變。在SST 異常達(dá)到峰值之前，海表凈熱通量異常為負(fù)值，即大氣失去熱量，海洋得到熱量，從而使得海表溫度上升，這清楚表明了此時(shí)的海氣關(guān)系主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用。在SST 異常達(dá)到峰值之后，海表凈熱通量異常則發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，由前期的負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，即由前期海洋從大氣獲得熱量變?yōu)橄虼髿廨斔蜔崃?，從而加熱大氣、冷卻海洋，表明此時(shí)海氣關(guān)系由前期的大氣強(qiáng)迫海洋轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｑ髮?duì)大氣的強(qiáng)迫作用。

圖2 海表溫度異常（SSTA，實(shí)線，單位：°C）、表面凈熱通量異常（短虛線，單位：W m?2）以及10 m 全風(fēng)速異常（長(zhǎng)虛線，單位：m s?1）的動(dòng)態(tài)合成區(qū)域（以海溫異常最大值為中心的20 個(gè)經(jīng)度乘以10 個(gè)緯度的區(qū)域）平均值隨時(shí)間（5 個(gè)旬，大范圍海溫異常事件發(fā)展的盛期表示為“ten-day [0]”）的演變。其中海表凈熱通量為凈感熱通量、凈潛熱通量、凈長(zhǎng)波輻射通量以及凈短波輻射通量的總和Fig.2 Time evolution (namely, fifty days, and the peak stage of the large-scale sea surface temperature WAE is expressed as “ten-day [0]”)of composite sea surface temperature anomalies (SSTA, solid line,units: °C), surface net heat flux anomalies (short dashed line, units: W m?2), and 10-m wind speed anomalies (long dashed line, units: m s?1) in the area of 10° latitude by 20° longitude centered relative to each SST anomaly center. The net heat flux of the sea surface is the sum of sensible heat net flux, latent heat net flux, net longwave radiation flux,and net shortwave radiation flux.

以上在SST 異常達(dá)到峰值前后海氣關(guān)系的明顯改變?cè)诤１盹L(fēng)速異常的轉(zhuǎn)變中得到進(jìn)一步印證。由圖2 可見，在SST 異常達(dá)到峰值之前，海表風(fēng)速為負(fù)異常，風(fēng)速相對(duì)較小，海表風(fēng)速與海表溫度異常之間成明顯的反位相關(guān)系；而在SST 異常達(dá)到峰值以后，海表風(fēng)速轉(zhuǎn)變?yōu)檎惓?，風(fēng)速明顯增加，海表風(fēng)速與海表溫度異常之間形成明顯的同位相關(guān)系。大量研究表明，當(dāng)SST 異常與海表風(fēng)速之間構(gòu)成同位相關(guān)系（正相關(guān)）時(shí)，海氣之間主要表現(xiàn)為海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用（Nonaka and Xie,2003; Koseki and Watanabe, 2010; 徐蜜蜜 等, 2010;馬靜等, 2014）。海洋強(qiáng)迫大氣的過程可用動(dòng)量垂直混合機(jī)制加以解釋（Wallace et al., 1989），即高海溫可使海洋上空大氣邊界層不穩(wěn)定性增加，大氣邊界層不穩(wěn)定性增加則會(huì)增強(qiáng)邊界層垂直混合，進(jìn)而導(dǎo)致高層風(fēng)動(dòng)量下傳，海表風(fēng)速隨之增強(qiáng)。

海氣關(guān)系由前期的大氣強(qiáng)迫海洋轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘暮Ｑ髲?qiáng)迫大氣，在整個(gè)海氣關(guān)系轉(zhuǎn)變的過程中，海表熱通量、海表溫度以及10 m 風(fēng)場(chǎng)這三者之間存在較好的配置關(guān)系。由圖2 可知，前期風(fēng)速相比同期較小，洋面失去的熱量較少，相應(yīng)地SST 也隨之增加；而后期風(fēng)速明顯增大，洋面失去的熱量增多，相應(yīng)地SST 也隨之下降。

為了更清楚地表征海氣關(guān)系，圖3 給出了SST 暖異常前期、盛期和后期的湍流熱通量異常和凈輻射通量異常（向上為正）的空間分布。前期凈感熱通量和凈潛熱通量負(fù)異常的區(qū)域?qū)?yīng)SST 暖異常（圖3a1、b1），且潛熱通量負(fù)異常遠(yuǎn)強(qiáng)于感熱通量負(fù)異常，這種負(fù)異常與風(fēng)速的減小有關(guān)。從凈輻射通量異常分布（圖3c1、d1）可見，SST 暖異常中心區(qū)的凈短波輻射通量主要為正異常、凈長(zhǎng)波輻射通量主要為負(fù)異常，但凈輻射通量異常明顯弱于湍流熱通量異常。因此，熱量從大氣傳輸?shù)胶Ｑ螅１慝@得熱量致使SST 升高，這表明前期的海氣關(guān)系主要為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用。盛期湍流熱通量異常和凈輻射通量異常在SST 暖異常區(qū)域?yàn)樨?fù)值（圖3a2–d2），總體上仍表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用。后期（圖3a3–d3）湍流熱通量異常和凈輻射通量異常的空間分布均發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，SST 暖異常區(qū)域的感熱通量、潛熱通量和凈長(zhǎng)波輻射通量由前期的負(fù)異常轉(zhuǎn)變?yōu)檎惓?，此時(shí)熱量從海洋傳輸?shù)酱髿猓１硎崃恐率筍ST 降低，這表明后期的海氣關(guān)系主要表現(xiàn)為海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用?？傮w來看，潛熱通量和感熱通量異常在SST 暖異常事件中起著主導(dǎo)作用。

圖3（a1–a3）凈感熱通量異常、（b1–b3）凈潛熱通量異常、（c1–c3）凈短波輻射通量異常和（d1–d3）凈長(zhǎng)波輻射通量異常（陰影，單位：W/m2）在大范圍海溫暖異常（a1–d1）前期 (ten-day [?1])、（a2–d2）盛期 (ten-day [0])、（a3–d3）后期 (ten-day [+1])的合成分布。等值線為SST 異常（間隔為0.5°C）Fig.3 Composite anomalies of (a1–a3) sensible heat net flux, (b1–b3) latent heat net flux, (c1–c3) net shortwave radiation flux, and (d1–d3) net longwave radiation flux (colors, units: W m?2) at (a1–d1) the early stage (ten-day [?1]), (a2–d2) peak stage (ten-day [0]), and (a3–d3) late stage (tenday [+1]) of large-scale sea surface temperature (SST) anomalies. The contours denote SST anomalies (interval: 0.5°C)

綜上，從海表凈熱通量、海表風(fēng)速與海表溫度的時(shí)間演變和空間配置關(guān)系可以推斷，SST 暖異常發(fā)展前期海氣關(guān)系主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用，后期則主要表現(xiàn)為海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用。

3.2 海洋的主要特征

由前文的結(jié)果可知，與SST 暖異常相聯(lián)系的海氣關(guān)系由前期大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诤Ｑ髮?duì)大氣的強(qiáng)迫作用，海氣界面的熱通量在其中起重要作用。前人研究表明?？寺槲鸬纳仙骱退綔囟绕搅饕部赡軐?dǎo)致海溫變化（Latif and Barnett, 1994; Qiu, 2003），所以不能排除海洋動(dòng)力過程的影響。圖4 給出了海水位溫異常的時(shí)間—深度剖面，由圖可見，海洋上層（5～50 m）的位溫異常與SST 暖異常的演變趨勢(shì)一致，海洋上層位溫也經(jīng)歷了一次明顯的增暖和降溫過程，SST 暖異常前期的海洋位溫逐漸增大，盛期達(dá)到峰值，后期逐漸減小。值得注意的是，50 m 深度以下的位溫在整個(gè)SST 暖異常發(fā)展過程中一直升高，即在SST 正異常達(dá)到峰值之前海洋暖異常比較淺薄，從105 m 深度以下的“冷舌”可知此時(shí)SST 暖異常區(qū)域存在異常上翻流；在SST 正異常達(dá)到峰值之后海洋暖異常較前期深厚，此時(shí)可能有下沉流和混合效應(yīng)等海洋動(dòng)力學(xué)過程在起作用。

圖4 海水位溫距平（等值線，單位：°C）在大范圍SST 異常區(qū)域（即以海溫異常最大值為中心的20 個(gè)經(jīng)度乘以10 個(gè)緯度的區(qū)域）的時(shí)間—深度剖面Fig.4 Time–depth cross sections of composite seawater potential temperature anomalies (contours, units: °C) in the area of 10° latitude by 20° longitude centered relative to each sea surface temperature anomaly center.

為進(jìn)一步探討海洋動(dòng)力過程的作用，圖5 給出了不同階段混合層三維洋流異常的合成分布。前期（圖5a），SST 暖異常區(qū)域北部存在異常上翻流，南部存在異常下沉流，向南的海流異常表明SST暖異常區(qū)域存在異常冷平流，此時(shí)海洋動(dòng)力過程不利于維持SST 暖異常，前期海氣關(guān)系主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用。盛期（圖5b），SST 暖異常區(qū)域的海流異常一致向南，且SST 暖異常中心區(qū)存在異常上翻流，異常的冷平流和冷水上翻均不利于SST 增溫，此時(shí)的海氣關(guān)系與前期相同，依然表現(xiàn)為大氣強(qiáng)迫海洋。后期（圖5c），洋流結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，由前期向南的海流異常轉(zhuǎn)變?yōu)橄虮钡暮Ａ鳟惓＃礈囟绕搅饔汕捌诘漠惓＠淦搅鬓D(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘漠惓Ｅ搅?，SST 暖異常中心區(qū)存在異常下沉流，表明此階段可能是海洋動(dòng)力學(xué)過程維持了SST 暖異常，有助于海洋影響大氣，即海洋通過向上的凈熱通量加熱大氣從而衰減海表溫度，這反映了后期的海氣關(guān)系主要表現(xiàn)為海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用。

圖5 10 m 深度的水平海流異常場(chǎng)（矢量，單位：cm s?1）和海洋上層5～50 m 深度平均的垂直速度異常場(chǎng)（陰影，單位：10?5cm s?1）在大范圍海溫暖異常（a）前期 (ten-day [-2])、（b）盛期 (ten-day [0])、（c）后期 (ten-day [+2])的合成分布。等值線為SST 異常（間隔為0.5°C）Fig.5 Composite anomalies of the horizontal ocean current at 10-m depth (vectors, units: cm s?1) and the vertical velocity averaged in the upper 5～50 m (colors, units: 10?5 cm s?1) at (a) the early stage (ten-day [?2]), (b) peak stage (ten-day [0]), and (c) late stage (ten-day [+2]) of large-scale sea surface temperature (SST) anomalies. The contours denote SST anomalies (interval: 0.5°C)

圖6（a1–a3）200 hPa、（b1–b3）500 hPa、（c1–c3）850 hPa 的位勢(shì)高度異常（陰影，單位：gpm）和風(fēng)場(chǎng)異常（矢量，單位：m s?1）以及（d1–d3）海平面氣壓異常（陰影，單位：hPa；矢量為10 m 風(fēng)場(chǎng)異常場(chǎng)）在大范圍海溫暖異常（a1–d1）前期 (ten-day [?1])、（a2–d2）盛期 (ten-day [0])、（a3–d3）后期 (ten-day [+1])的合成分布。等值線為SST 異常（間隔為0.5°C）Fig.6 Composite anomalies of geopotential height (colors, units: gpm), wind (vectors, units: m s?1) at (a1–a3) 200, (b1–b3) 500, and (c1–c3) 850 hPa, respectively, at (a1–d1) the early stage (ten-day [?1]), (a2–d2) peak stage (ten-day [0]), and (a3–d3) late stage (ten-day [+1]) of large-scale sea surface temperature (SST) anomalies. Correspondingly, the composite sea level pressure (colors, units: hPa), 10-m wind (vectors, units: m s?1) and SST anomalies (contours, interval: 0.5°C) are also shown in Figs. d1, d2, and d3

分析海洋結(jié)構(gòu)特征可知，SST 暖異常達(dá)到峰值前后的海氣關(guān)系發(fā)生了明顯的改變，SST 暖異常發(fā)展前期以大氣影響海洋為主，后期可能以海洋影響大氣為主，且海洋動(dòng)力過程在前期不利于海溫暖異常的維持，但在后期有利于維持海溫暖異常。

3.3 大氣的主要特征

圖6 給出了SST 暖異常不同階段200、500 和850 hPa 的位勢(shì)高度以及海平面氣壓異常的合成分布。前期（圖6a1–d1）SST 暖異常伴隨著偶極型的海平面氣壓（SLP，Sea Level Pressure）異常，在SST 暖異常區(qū)東北部SLP 異常偏高，西南部SLP 異常偏低，對(duì)流層從低層到高層大氣位勢(shì)高度異常空間型態(tài)與SLP 類似，異常中心與SLP 異常中心基本重合，相應(yīng)地對(duì)流層整層表現(xiàn)為一致的東南風(fēng)異常。此時(shí)SST 暖異常區(qū)域的偏東風(fēng)異常疊加在背景西風(fēng)氣流上使得風(fēng)速減小，海表熱通量也隨之減小。盛期（圖6a2–d2）SST 暖異常伴隨著相當(dāng)正壓的偶極型位勢(shì)高度異常，在SST 暖異常區(qū)東部位勢(shì)高度異常偏高，西部位勢(shì)高度異常偏低，相應(yīng)地風(fēng)場(chǎng)在對(duì)流層整層表現(xiàn)為一致的南風(fēng)異常。后期（圖6a3–d3）大氣異常結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，SST 暖異常區(qū)及其北側(cè)上空表現(xiàn)為相當(dāng)正壓的位勢(shì)高度負(fù)異常結(jié)構(gòu)，SST 暖異常南側(cè)在500 hPa 以上為位勢(shì)高度正異常，相應(yīng)地風(fēng)場(chǎng)也發(fā)生了改變，由前期的東南風(fēng)異常轉(zhuǎn)變?yōu)檎麑右恢碌奈黠L(fēng)異常，且SST 暖異常區(qū)域的西風(fēng)異常疊加在背景西風(fēng)場(chǎng)上使得風(fēng)速增加，海表熱通量也隨之增加。

上述SST 暖異常前期對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)與Kushnir et al.（2002）、徐海明和崔夢(mèng)雪（2018）的研究結(jié)果相似但略有不同。Kushnir et al.（2002）指出北太平洋SST 暖異常對(duì)應(yīng)上空大氣東風(fēng)異常，以及北部反氣旋環(huán)流異常和南部氣旋環(huán)流異常的偶極型結(jié)構(gòu)；徐海明和崔夢(mèng)雪（2018）基于月平均資料研究指出，大氣影響海洋時(shí)SST 暖異常伴有偶極型的東北部反氣旋環(huán)流異常和西南部氣旋環(huán)流異常結(jié)構(gòu)。值得注意的是，徐海明和崔夢(mèng)雪（2018）研究指出海洋影響大氣時(shí)SST 暖異常伴隨著北部異常高壓和南部異常低壓的偶極型結(jié)構(gòu)，與本文SST 暖異常后期海洋強(qiáng)迫大氣時(shí)展現(xiàn)的大氣響應(yīng)結(jié)構(gòu)明顯不同。

為了進(jìn)一步表明大氣位勢(shì)高度異常與溫度異常的垂直結(jié)構(gòu)及其與SST 暖異常的配置關(guān)系，圖7給出了不同階段溫度和位勢(shì)高度異常沿SST 異常中心的經(jīng)向—高度剖面。前期（圖7a1–a3）SST暖異常的大氣位勢(shì)高度異常在垂直方向上表現(xiàn)出相當(dāng)正壓的高壓異常，其從海表向上延伸至對(duì)流層頂，高壓異常中心位于300 hPa；而在SST 暖異常以南則表現(xiàn)為相當(dāng)正壓的低壓異常，但異常幅度較弱。相應(yīng)地，SST 暖異常上空大氣有較強(qiáng)的暖異常，且從低層向上延伸至300 hPa，此時(shí)存在異常下沉氣流，而300 hPa 以上則轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿鉁囟犬惓Ｆ?。盛期（圖7b1–b3）大氣位勢(shì)高度異常在對(duì)流層表現(xiàn)為相當(dāng)正壓的高壓異常，異常中心位于150 hPa，且大氣暖異常從對(duì)流層低層向上延伸至150 hPa。后期（圖7c1–c3）環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變，大氣位勢(shì)高度在SST 暖異常北側(cè)表現(xiàn)出從海平面向上延伸至對(duì)流層頂?shù)南喈?dāng)正壓低壓異常，SST 暖異常南側(cè)則表現(xiàn)出較弱的高壓異常，且大氣暖異常集中在850 hPa 以下，對(duì)應(yīng)有異常的上升氣流。

圖7 大范圍海溫暖異常（a1–c1）前期 (ten-day [-1])、（a2–c2）盛期 (ten-day [0])、（a3–c3）后期 (ten-day [+1])的（a1–a3）風(fēng)場(chǎng)異常（矢量，單位：10?2 m s?1）和氣溫異常（陰影，單位：°C）以及（b1–b3）位勢(shì)高度異常（陰影，單位：gpm）沿SST 異常中心經(jīng)度的緯度—高度合成剖面；（c1–c3）SST 異常（單位：°C）沿其中心所在經(jīng)度的經(jīng)向合成Fig.7 Latitude–height cross sections of composite anomalies of (a1–a3) wind (vectors, units: 10?2 Pa s?1), air temperature (colors, units: °C), and(b1–b3) geopotential height (colors, units: gpm) along the sea surface temperature (SST) anomaly center’s longitude at (a1–c1) the early stage (tenday [?1]), (a2–c2) peak stage (ten-day [0]), and (a3–c3) late stage (ten-day [+1]) of large-scale SST anomalies. Correspondingly, the composite SST anomalies (units: °C) are showed in Figs. c1, c2, and c3

綜合大氣和海洋結(jié)構(gòu)特征的分析結(jié)果可以推斷，大尺度SST 暖異常后期海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用比前期大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用弱，相當(dāng)正壓的氣旋式環(huán)流異常結(jié)構(gòu)可能在月內(nèi)或更短時(shí)間尺度上才會(huì)清楚地表現(xiàn)出來，在季節(jié)尺度或月尺度上仍然表現(xiàn)為相當(dāng)正壓的反氣旋異常結(jié)構(gòu)（Okajima et al., 2014;徐海明和崔夢(mèng)雪, 2018）。

4 后期氣旋式環(huán)流異常的形成機(jī)制

從前文可知，SST 暖異常后期的海氣關(guān)系主要表現(xiàn)為海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用并在其北側(cè)上空出現(xiàn)了相當(dāng)正壓的氣旋式環(huán)流異常結(jié)構(gòu)，該大氣環(huán)流的異常響應(yīng)明顯不同于前人的研究結(jié)果（Kushnir et al., 2002; Okajima et al., 2014; 徐 海 明 和 崔 夢(mèng) 雪,2018）。目前普遍認(rèn)為中緯度海洋熱力異常主要通過兩種途徑影響大氣（邱爽等, 2014）：一種是通過非絕熱加熱的直接強(qiáng)迫作用，Hoskins and Karoly（1981）通過線性定常模式診斷大氣環(huán)流場(chǎng)對(duì)熱源強(qiáng)迫的響應(yīng)結(jié)構(gòu)，認(rèn)為中緯度SST 暖異常使低層大氣加熱，根據(jù)線性理論大氣響應(yīng)為對(duì)流層低層位勢(shì)高度負(fù)異常、高層為正異常的斜壓結(jié)構(gòu)；另外一種則是通過大氣瞬變渦旋活動(dòng)的間接強(qiáng)迫作用（Kushnir et al., 2002; 邱爽等, 2014; Fang and Yang,2016）。Kushnir et al.（2002）認(rèn)為SST 暖異常使得對(duì)流層高層的瞬變渦動(dòng)通量向外輻散，高層大氣為了平衡渦度通量的輻散必然產(chǎn)生輻合進(jìn)而引起中層大氣下沉，相應(yīng)地對(duì)流層低層空氣輻散產(chǎn)生高壓異常，從而使中緯度大氣響應(yīng)出相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。

為了解釋上述相當(dāng)正壓位勢(shì)高度負(fù)異常結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，圖8 給出了SST 暖異常不同階段的大氣斜壓性指數(shù)異常分布。從該指數(shù)的時(shí)間演變可以看出，前期SST 暖異常區(qū)的大氣斜壓性指數(shù)主要表現(xiàn)為負(fù)異常，后期大氣斜壓性指數(shù)則表現(xiàn)為正異常，其空間型發(fā)生了明顯改變，表明后期SST 暖異常區(qū)域的大氣斜壓性增強(qiáng)，瞬變渦旋活動(dòng)易發(fā)生。圖9 給出了850 hPa 上異常的熱量經(jīng)向通量和300 hPa 上異常的西風(fēng)動(dòng)量通量在SST 暖異常不同階段的合成分布（其中“′”表示8 天以內(nèi)的高頻濾波場(chǎng)，“—”則表示暖事件的時(shí)間合成場(chǎng)）。由圖9 可見，前期SST 暖異常區(qū)域的和主要表現(xiàn)為負(fù)異常，后期和均轉(zhuǎn)變?yōu)橐恢碌恼惓?，表明瞬變擾動(dòng)活動(dòng)帶來的熱量經(jīng)向通量和西風(fēng)動(dòng)量通量在SST 暖異常后期增強(qiáng)，瞬變渦旋活動(dòng)在起作用。為量化瞬變渦旋活動(dòng)對(duì)位勢(shì)高度場(chǎng)的強(qiáng)迫作用，圖10 給出了后期TEFF-heat、TEFFvor、TEFF-all 異常在不同層次的空間分布。TEFFheat（圖10a1–a3）在300 hPa 上主要表現(xiàn)為北部正異常南部負(fù)異常的結(jié)構(gòu)，在500 hPa 和850 hPa 上則表現(xiàn)為北部負(fù)異常南部正異常的結(jié)構(gòu)，即TEFFheat 異常在對(duì)流層高、低層呈反位相分布的斜壓結(jié)構(gòu)。TEFF-vor 異常（圖10b1–b3）和TEFF-all 異常（圖10c1–c3）從對(duì)流層低層到高層表現(xiàn)出北負(fù)南正的相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)，與位勢(shì)高度異常場(chǎng)的位相分布一致，且TEFF-vor 的最大值位于對(duì)流層高層。因此TEFF-vor 異常和TEFF-heat 異常在300 hPa 會(huì)部分抵消，而在850 hPa 則相互疊加，所以TEFFall 異常在對(duì)流層中低層的作用比高層更明顯，這與Lau and Nath（1991）的結(jié)論一致?？傮w來看，TEFF-all 異常與TEFF-vor 異常在強(qiáng)度和地理位置上均較為一致，同時(shí)TEFF-heat 異常的強(qiáng)度小于TEFF-vor 異常，由此可推斷出TEFF-all 對(duì)后期氣旋式環(huán)流異常結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫作用主要來自于TEFFvor 的貢獻(xiàn)，這與施寧（2013）的結(jié)論相似。

圖8 700 hPa 上大氣斜壓性指數(shù)異常（陰影，單位：K d?1）在大范圍SST 暖異常發(fā)展（a）前期 (ten-day [?1])、（b）盛期 (ten-day [0])、（c）后期 (ten-day [+1]) 的合成分布。等值線為SST 異常（間隔為0.5°C）Fig.8 Composite anomalies of atmospheric baroclinicity index at 700 hPa (colors, units: K d?1) at (a) the early stage (ten-day [?1]), (b) peak stage(ten-day [0]), and (c) late stage (ten-day [+1]) of large-scale sea surface temperature (SST) anomalies. The contours denote SST anomalies (interval:0.5 °C)

圖9（a1–a3）850 hPa 上異常的熱量經(jīng)向通量（陰影，單位：m·K s?1）和（b1–b3）300 hPa 上異常的西風(fēng)動(dòng)量通量（陰影，單位：m2 s?2）在大范圍海溫暖異常（a1，b1）前期 (ten-day [?1])、（a2，b2）盛期 (ten-day [0])、（a3，b3）后期 (ten-day [+1]) 的合成分布。等值線為SST 異常（間隔為0.5°C）Fig.9 Composite anomalies of (a1–a3) meridional heat flux at 850 hPa (colors, units: m·K s?1) and (b1–b3) westerly momentum flux at 300 hPa (colors, units: m2 s?2) at (a1, b1) the early stage (ten-day [?1]), (a2, b2) peak stage (ten-day [0]), and (a3, b3) late stage (ten-day [+1]) of largescale sea surface temperature (SST) anomalies. The contours denote SST anomalies (interval: 0.5°C)

圖10 大范圍海溫暖異常后期 (ten-day [+1])，高頻瞬變渦旋的（a1–a3）熱量通量（TEFF-heat）異常（等值線，單位：m d?1）、（b1–b3）渦動(dòng)通量（TEFF-vor）異常（等值線，單位：m d?1）、（c1–c3）總通量（TEFF-all）異常（等值線，單位：m d?1）在（a1–c1）300 hPa、（a2–c2）500 hPa 和（a3–c3）850 hPa 的合成分布Fig.10 Composite anomalies of transient eddy feedback forcing (a1–a3) heat flux (TEFF-heat) (contours, units: m d?1), (b1–b3) vorticity flux (TEFFvor) (contours, units: m d?1), and (c1–c3) total flux (TEFF-all) (contours, units: m d?1) at (a1–c1) 300, (a2–c2) 500, and (a3–c3) 850 hPa, respectively,at the late stage (ten-day [+1]) of large-scale sea surface temperature anomalies

綜合上述分析可知，高頻瞬變渦旋反饋強(qiáng)迫是SST 暖異常后期大氣響應(yīng)為相當(dāng)正壓氣旋式環(huán)流異常結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵原因，且渦動(dòng)動(dòng)量通量的輻合輻散作用在位勢(shì)高度負(fù)異常結(jié)構(gòu)的形成中起主要作用，其本質(zhì)是海表溫度暖異常加熱低層大氣，使低層出現(xiàn)了氣旋式渦度，高頻瞬變渦旋將渦動(dòng)動(dòng)量向上層輸送，致使對(duì)流層整層出現(xiàn)了相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)的氣旋式環(huán)流異常。這表明大氣異常由非絕熱加熱、瞬變加熱強(qiáng)迫和瞬變渦度強(qiáng)迫共同作用，且瞬變渦度強(qiáng)迫更有利于維持大氣異常的相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論與討論

本文使用1985～2015 年NCEP/DOE 逐日再分析資料以及NOAA 最優(yōu)插值逐日SST 異常數(shù)據(jù)，基于自定義的大范圍SST 異常，在北太平洋區(qū)域選取了8 個(gè)暖事件，采用跟隨SST 異常中心的動(dòng)態(tài)合成方法分析了與冬季北太平洋生命史為50 天左右的大范圍SST 暖異常相聯(lián)系的月內(nèi)尺度海氣特征，得出以下幾個(gè)主要結(jié)論：

（1）冬季中緯度地區(qū)大范圍海溫暖異常演變過程中存在不同的海氣關(guān)系，前期主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用，后期則主要表現(xiàn)為海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用。

（2）大范圍SST 暖異常對(duì)應(yīng)的大氣結(jié)構(gòu)在不同階段表現(xiàn)明顯不同。SST 暖異常前期（圖11a），整個(gè)對(duì)流層表現(xiàn)為偶極型的位勢(shì)高度異常分布，即SST 暖異常東北側(cè)為位勢(shì)高度正異常，而其西南側(cè)為位勢(shì)高度負(fù)異常，對(duì)應(yīng)有大氣偏東風(fēng)異常，此時(shí)熱量從大氣向海洋傳輸，海表獲得熱量致使SST 升高。SST 暖異常盛期（圖11b），其上空伴有相當(dāng)正壓的偶極型位勢(shì)高度異常（即東側(cè)為位勢(shì)高度正異常而西側(cè)為位勢(shì)高度負(fù)異常），對(duì)應(yīng)大氣南風(fēng)異常。SST 暖異常后期的大氣異常結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯改變（圖11c），SST 暖異常區(qū)北側(cè)上空伴隨著相當(dāng)正壓的位勢(shì)高度負(fù)異常，南側(cè)表現(xiàn)為較弱的位勢(shì)高度正異常，對(duì)應(yīng)大氣偏西風(fēng)異常，此時(shí)熱量從海洋向大氣傳輸，海表面失去熱量致使SST 降低。

圖11 冬季北太平洋地區(qū)大范圍SST 暖異常（a）前期大氣影響海洋、（b）盛期、（c）后期海洋影響大氣時(shí)的大氣海洋結(jié)構(gòu)特征示意圖（海平面紅色實(shí)心圓代表SST 暖異常，“A”和“C”分別表示異常反氣旋和異常氣旋中心，直線箭頭為盛行風(fēng)向，波浪形箭頭為異常海流方向）Fig.11 Schematic diagram of atmospheric structure features associated with large-scale sea surface temperature (SST) warm anomalies over the North Pacific in winter for (a) atmospheric forcing on the ocean at the early stage, (b) peak stage, and (c) oceanic forcing on atmosphere–ocean at the late stage (the red solid circles at the sea surface indicate SST warm anomalies. “A” and “C” stand for anomalous anticyclone and anomalous cyclone centers, respectively. The straight and wavy arrows indicate the prevailing wind and anomalous ocean current directions, respectively)

（3）大范圍SST 暖異常對(duì)應(yīng)的海流結(jié)構(gòu)在不同階段表現(xiàn)也不一致。SST 暖異常前期和盛期（圖11a、b）海洋存在異常冷平流以及異常上翻流，海洋動(dòng)力過程不利于維持海溫增暖，此階段的SST 暖異常主要由大氣強(qiáng)迫造成。SST 暖異常后期（圖11c），異常暖平流和異常下沉流維持了SST 暖異常，有助于海洋影響大氣。

（4）在SST 暖異常發(fā)展后期大氣出現(xiàn)了氣旋式環(huán)流異常響應(yīng)，其中高頻瞬變渦旋反饋強(qiáng)迫對(duì)大氣環(huán)流從異常反氣旋轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓庑鹬P(guān)鍵作用，且瞬變渦度的強(qiáng)迫作用是主要的貢獻(xiàn)因子。SST 暖異常達(dá)到峰值之后，大氣斜壓性增強(qiáng)，瞬變渦旋活動(dòng)增加，瞬變擾動(dòng)帶來的熱量經(jīng)向通量和西風(fēng)動(dòng)量通量也增強(qiáng)，高頻瞬變渦旋的熱量通量和渦動(dòng)動(dòng)量通量的輻合輻散作用使得大尺度SST 暖異常上空大氣呈現(xiàn)出相當(dāng)正壓的氣旋式環(huán)流異常。

值得注意的是，本文為了探究月內(nèi)尺度上與冬季北太平洋大范圍SST 暖異常相聯(lián)系的局地海氣相互作用特征，主要分析了10 天（旬）平均的觀測(cè)場(chǎng)，而5 天（候）平均觀測(cè)場(chǎng)也展示出了相似的結(jié)果，這進(jìn)一步驗(yàn)證了月內(nèi)尺度上海洋對(duì)大氣的影響。類似地，我們也分析了此段時(shí)間內(nèi)6 個(gè)大范圍冷海溫異常事件相聯(lián)系的海氣特征，其局地海氣關(guān)系與暖海溫異常相聯(lián)系的海氣關(guān)系一致：即前期主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的影響，后期則主要表現(xiàn)為海洋對(duì)大氣的影響，然而其對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流異常分布則與暖海溫異常合成的結(jié)果剛好相反。此外，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)大范圍海溫異常事件發(fā)生的頻次具有明顯的年際變化特征，其原因也值得進(jìn)一步研究。Wang et al.（2012）基于季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度研究指出，在夏季黑潮及其延伸體區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定引發(fā)的異常降水和對(duì)流加熱使得大氣環(huán)流從前期的反氣旋轉(zhuǎn)為后期的氣旋，即大氣強(qiáng)迫造成的海溫變暖可能通過觸發(fā)對(duì)流不穩(wěn)定而影響大氣。這表明SST 季節(jié)內(nèi)變率在不同季節(jié)可能有不同的作用機(jī)制，因此仍需進(jìn)一步探究其他季節(jié)中月內(nèi)尺度大范圍SST 異常的海氣特征及其物理機(jī)制。