北太平洋東部風暴軸的變化特征及其與大氣環流和SST異常的關系

袁凱,朱偉軍,陳懿妮,3

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;2.武漢市氣象局,湖北 武漢 430040;3.浙江省氣象臺,浙江 杭州 310017)

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北太平洋東部風暴軸的變化特征及其與大氣環流和SST異常的關系

袁凱1,2,朱偉軍1,陳懿妮1,3

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;2.武漢市氣象局,湖北 武漢 430040;3.浙江省氣象臺,浙江 杭州 310017)

利用歐洲中期天氣預報中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecast)逐日再分析資料(ERA40),通過經驗正交函數(empirical orthogonal function,EOF)分解發現,冬季北太平洋東部風暴軸有著顯著的年際變化特征:第一變化模態為在氣候平均位置南北相反的偶極子變化型,第二變化模態為在氣候平均位置處一致增強或減弱的變化型,第三變化模態為三極子的變化型。進一步的回歸分析發現:當東部風暴軸南壓(北抬)時,同期冬季是一種厄爾尼諾(拉尼娜)年海溫異?？臻g分布型,中緯度北太平洋海區以及赤道中、東海區,冬季冷(暖)異常的洋面上是異常低壓(高壓),對流層中層是太平洋—北美型(Pacific-North American Pattern,PNA)遙相關的正(負)位相;當東部風暴軸增強(減弱)時,同期冬季黑潮區海溫偏暖(偏冷),對流層中層表現為西太平洋型(West Pacific Pattern,WP)遙相關的正(負)位相;當東部風暴軸呈現西北—東南+-+(-+-)相間三極子的分布時,同期冬季巴布亞新幾內亞附近海溫異常偏暖(冷),夏威夷附近海溫異常偏冷(暖),冬季冷(暖)異常的洋面上是異常低(高)壓,對流層中層表現出類似PNA正(負)位相。EOF分解各模態所對應時間系數與阿留申低壓(Aleutian Low,AL)指數、PNA指數、Nino3指數、WP指數、黑潮海溫(Kuroshio Current,KC)指數之間存在顯著的相關,這些證明了東部風暴軸與同期大氣環流及SST異常之間的聯系。

東部風暴軸;PNA(WP)遙相關;經驗正交函數;回歸分析;大氣環流和SST異常

0 引言

氣旋/反氣旋的頻繁活動是中緯度冬季天氣的主要特征之一,它們是那些可以伸展到平流層底部的斜壓擾動在地面的反映。Blackmon(1976)就注意到北半球天氣尺度帶通瞬變擾動方差(2.5～6 d)集中在兩個緯向拉長的極大值區域,與地面氣旋/反氣旋強活動帶相一致。這兩個區域被定義為北半球太平洋和大西洋上空的風暴軸。

近年來,隨著NECP/NCAR以及歐洲中期天氣預報中心(European Center for Medium-range Weather Forecast,ECMWF)再分析資料的釋放,風暴軸與中緯度海氣耦合系統關系的問題成為了國內外研究的熱點之一。Lau and Nath(1991)對天氣尺度瞬變擾動與大尺度平均流的相互作用問題進行了較全面的診斷分析。朱偉軍和孫照渤(1998)通過對16 a NCEP/NCAR逐日資料的診斷分析揭示出冬季北太平洋風暴軸的強度和位置具有明顯的年際差異,并指出這種差異和變化與500 hPa高度層上的PNA型(Pacific-North American Pattern,太平洋—北美型)和WP型(West Pacific Pattern,西太平洋型)遙相關有密切關系。Carillo et al.(2000)對1980—1989年北太平洋、北大西洋冬季風暴軸與高空急流的奇異值分解分析表明,兩者有相當高的相關性,急流核和風暴軸中心位置相互配合,顯示出一致性的南北擺動。韓博等(2007)研究了北太平洋風暴軸異常與緯向風場之間的關系,發現高層緯向風場異常與北太平洋風暴軸發展存在一種相互反饋的作用。這些研究證實了風暴軸異常與北半球大尺度時間平均氣流異常之間的共生關系。在海洋方面,風暴軸異常與赤道中東太平洋及北太平洋黑潮區海溫異常密切相關。風暴軸年際變化與厄爾尼諾—南方濤動緊密聯系,在厄爾尼諾年,北太平洋風暴軸偏南偏東,拉尼娜年則相反(朱偉軍和孫照渤,2000)。任雪娟等(2007)利用長時間歐洲中心資料,診斷研究了北太平洋冬季風暴軸異常與中緯度大尺度時間平均氣流異常及其北太平洋SST(sea surface temperature,海表溫度)異常三者間的空間耦合關系,揭示了它們的空間共變模態。

但是,以上研究主要把整個北太平洋區域作為研究對象,而朱偉軍和李瑩(2010)最近研究發現,從緯向結構上看,北太平洋風暴軸不僅存在“多中心”現象(傅剛等,2009),而且最強中心還經常出現在160°W以東地區。在北太平洋160°W以東地區,出現風暴軸最強中心的原因比較復雜,很難單獨用已有的風暴軸內部動力學機制來解釋,外強迫因素的影響不可忽視,甚至更為重要。目前,無論對這種東部型結構本身,還是對其短期氣候異常的變化規律和機理,認識都還非常有限。由于風暴軸對應著強烈的天氣尺度渦動活動,其東部的異常,不僅可以直接引起附近阿留申低壓和阻塞形勢的異常(Nakamura and Wallace,1990;陸日宇,2001;Huang et al.,2002;刁一娜等,2004),而且對整個北半球大氣環流和我國天氣氣候的異常,具有重要影響。因此,本文將對冬季東部風暴軸與北太平洋大氣環流及SST關系作深入探討,這對以后中、低緯度海氣相互作用機理研究以及海氣耦合模式的建立具有非常重要的意義。

1 資料和方法

1)歐洲中期天氣預報中心的ERA40數據集,包括:逐日位勢高度場(z)、風場(u、v、w)、溫度場(t)資料和月平均的位勢高度場(z)、風場(u、v、w)和溫度場(t),水平分辨率為2.5°×2.5°,覆蓋時段為1957年9月—2002年8月;2)月平均的全球海溫海冰變化資料集(GISST)海溫資料,水平分辨率為1°×1°,覆蓋時段為1911—2002年。

本文首先采用31點對稱數字濾波器(李瑩和朱偉軍,2009),從逐日原始資料直接濾波出2.5～6 d的瞬變渦動,然后每月為一段,并對每一段各自計算其方差,這樣就得到每月的月平均帶通濾波方差(簡稱濾波方差)。

文中選取200、500 hPa以及海平面氣壓場分別作為對流層高、中和低層的代表層,相應高度上的西風急流、位勢高度場和阿留申低壓作為大尺度時間平均氣流的代表。使用Eddy波最大增長率作為斜壓性強度指數(Hoskins and Valdes,1990)。主要采用EOF分解技術探討了北太平洋東部風暴軸年際變化的空間型,使用回歸的方法揭示風暴軸與中、低緯度大氣/海洋間的共變空間型。

圖1 冬季東部風暴軸區域500 hPa位勢高度濾波方差EOF展開結果的第一(a)、第二(b)、第三(c)模態(陰影表示冬季氣候平均的風暴軸位置)

2 東部風暴軸的EOF分析特征

圖2 東部風暴軸第一模態時間系數回歸的冬季海平壓氣壓場(a;單位:hPa)、500 hPa高度場(b;單位:gpm)、200 hPa緯向風場(c;單位:m/s)以及Eddy波最大增長率(d;單位:d-1)的分布(陰影區表示通過0.05(淺色)和0.01(深色)信度的顯著性檢驗區域)

3 東部風暴軸第一模態與同期大氣環流及SST異常關系的分析

3.1 東部風暴軸第一模態與同期大氣環流異常關系的分析

圖2是東部風暴軸E0F分解第一模態時間系數回歸的冬季海平面氣壓場、500 hPa高度場、200 hPa緯向風場以及775 hPa斜壓性指數場(文中用Eddy波最大增長率代表,下同)分布,可見,當東部風暴軸南壓時,在回歸的海平面氣壓場上(圖2a),中緯度北太平洋上空是一個海盆形狀的海平面氣壓負異常區,此負異常區與阿留申低壓所處的區域基本一致,從而這一負異常區表示阿留申低壓強度的增強,同時,回歸的500 hPa高度場上(圖2b)也表現為同區域的位勢高度負異常區,此外,副熱帶太平洋中部存在一個正異常中心,北美大陸北部和南部都分別存在一個顯著的正、負異常值區,這些正、負異常區一起構成正位相的PNA型遙相關。在回歸的200 hPa緯向西風場上(圖2c),北太平洋中部帶狀地帶及其下游地區均為正異常,而其北部和南部則為帶狀的負異常區,說明中部北太平洋及其下游區西風強度增強,但其北部和南部地區西風均有所減弱,回歸到斜壓性指數的變化與200 hPa緯向風場相吻合(圖2d)。

圖3 東部風暴軸第一模態時間系數回歸的SST場(a;單位:°C)及500 hPa風暴軸場(b;單位:dagpm2)的分布

3.2 東部風暴軸第一模態與同期SST異常關系的分析

圖3是東部風暴軸E0F分解第一模態時間系數回歸的SST場和500 hPa風暴軸場分布?；貧w的SST場(圖3a)主要表現為:赤道中、東太平洋及北美西海岸存在大面積的海溫正異常區,而中緯度北太平洋則為海溫負異常區,這是典型的厄爾尼諾年海溫異?？臻g分布型?；貧w到的500 hPa風暴軸場(圖3b)的東部與東部風暴軸EOF分解第一模態(圖1)很相似,為南正北負的偶極子分布,零線在45°N附近。結合回歸的500 hPa高度場(圖2b)可見,東部風暴軸的南北跳躍與ENSO緊密聯系,且這種聯系與500 hPa上北太平洋—北美型(Pacific-North American Pattern,PNA)遙相關密切相關。

4 東部風暴軸第二模態與同期大氣環流及SST異常關系的分析

4.1 東部風暴軸第二模態與同期大氣環流異常關系的分析

圖4是根據東部風暴軸EOF分解第二模態時間系數回歸的冬季海平面氣壓場、500 hPa高度場、200 hPa緯向風場以及775 hPa斜壓性指數場分布,可見,當北太平洋東部風暴軸穩定維持時,在回歸的海平面氣壓場上,西北太平洋上空存在一個海平面氣壓正異常區,而白令海峽至阿拉斯加則存在一個海平面氣壓負異常區(圖4a)。同時,回歸的500 hPa高度場上也表現為同區域的位勢高度正、負異常區(圖4b),這些正、負異常中心一起構成了正位相的西太平洋型(West Pacific Pattern,WP)遙相關。在回歸的200 hPa緯向西風場上(圖4c),北太平洋中部所在帶狀地帶及其下游為正異常,而其北部和南部則為帶狀的負異常區,說明北太平洋中部及其下游區域西風強度增強,但其以北及以南地區西風均有所減弱,回歸到的775 hPa斜壓性指數場(圖4d)與200 hPa緯向風場類似。

4.2 東部風暴軸第二模態與同期SST異常關系的分析

圖5是根據東部風暴軸EOF分解第二模態時間系數回歸的SST場及500 hPa風暴軸場分布?；貧w到的SST場(圖5a)主要表現為:赤道中、東太平洋和黑潮區海溫的正異常?；貧w的500 hPa風暴軸場(圖5b)表現為風暴軸在北太平洋上空的維持,其東部與東部風暴軸EOF分解第二模態(圖1b)很相似。結合回歸的500 hPa高度場(圖4b),可知,黑潮區海溫對于東部風暴軸的維持有非常重要的影響,且這種影響與500 hPa上WP遙相關有密切聯系。

5 東部風暴軸第三模態與同期大氣環流及SST異常關系的分析

5.1 東部風暴軸第三模態與同期大氣環流異常關系的分析

圖4 東部風暴軸第二模態時間系數回歸的冬季海平壓氣壓場(a;單位:hPa)、500 hPa高度場(b;單位:gpm)、200 hPa緯向風場(c;單位:m/s)以及Eddy波最大增長率(d;單位:d-1)的分布(陰影區表示通過0.05(淺色)和0.01(深色)信度的顯著性檢驗區域)

圖6是東部風暴軸E0F分解第三模態時間系數回歸到的冬季海平面氣壓場、500 hPa高度場、200 hPa緯向風場以及775 hPa斜壓性指數場分布,可見,當東部風暴軸呈現西南—東部+-+間三極子分布時,回歸的海平面氣壓場(圖6a)在北太平洋上是一個微弱的負異常區,此負異常區與阿留申低壓所在位置基本一致,從而表明阿留申低壓略微地增強,同時,回歸的500 hPa高度場上也表現為同區域的位勢高度負異常區(圖6b),另外,副熱帶太平洋中部存在一個正異常中心,北美大陸西側和東側都分別存在一個顯著的正、負異常值區,這些正、負異常

圖5 東部風暴軸第二模態時間系數回歸的SST場(a;單位:°C)及500 hPa風暴軸場(b;單位:dagpm2)的分布

圖6 東部風暴軸第三模態時間系數回歸的冬季海平壓氣壓場(a;單位:hPa)、500 hPa高度場(b;單位:gpm)、200hPa緯向風場(c;單位:m/s)以及Eddy波最大增長率(d;單位:d-1)的分布(陰影區表示通過0.05(淺色)和0.01(深色)信度的顯著性檢驗區域)

區一起構成正位相的類似PNA型遙相關?；貧w的200 hPa緯向西風場上(圖6c),北太平洋中部帶狀地帶為正異常,而其北部為帶狀的較弱負異常區,說明中部北太平洋西風強度增強,但其北部地區西風略微有所減弱,回歸到的775 hPa斜壓性指數場(圖6d)與200 hPa緯向風場相吻合。

5.2 東部風暴軸第三模態與同期SST異常關系的分析

圖7是東部風暴軸E0F分解第三模態時間系數回歸的SST場和500 hPa風暴軸場?；貧w的SST場(圖7a)主要表現為:巴布亞新幾內亞附近太平洋西岸海溫正異常,而夏威夷附近海域為海溫負異常區?；貧w的500 hPa風暴軸(圖7b)的東部與東部風暴軸EOF分解第三模態(圖1c)很相似,為西北—東南+-+(-+-)相間三極子的分布。結合回歸的500 hPa高度場(圖6b)可知,巴布亞新幾內亞及夏威夷附近海溫對于東部風暴軸三極子的產生有非常重要的影響,且這種影響與500 hPa上類似的PNA遙相關有密切聯系。

圖7 東部風暴軸第三模態時間系數回歸的SST場(a;單位:°C)及500 hPa風暴軸場(b;單位:dagpm2)的分布

6 東部風暴軸變化與同期大氣環流及SST異常關系的檢驗

以上研究揭示出冬季北太平洋東部風暴軸年際變化與同期大氣環流及SST異常有密切的聯系,這種聯系是否真實存在,以下從各模態所對應時間系數與幾個有代表性的中、低緯度大氣環流及海洋指數間的關系,來驗證其真實存在性。根據前面的分析,我們選取阿留申低壓(Aleutian Low,AL)指數、PNA指數、WP指數作為北太平洋地區大氣環流指數的代表,阿留申低壓指數是根據Trenberth and Hurrell(1994)的定義,取(160°E～180°～140°W,30～65°N)海平面氣壓的區域平均值代表阿留申低壓的強度,此值越低表明阿留申低壓越強。PNA和WP指數是根據Wallance and Gutzler(1981)的定義計算得到。Nino3指數是(90～150°W,5°S～5°N)

海區海溫的平均。本文定義的黑潮海溫(Kuroshio Current,KC)指數是取(120.5～150.5°E,15.5～32.5°N)海區海溫的平均得到的,根據倪東鴻等(2003)對黑潮海溫的分析,此海區SST能較好地代表黑潮表層海溫的整體特性。為了便于比較,對以上所有指數都進行了標準化處理。

圖8 東部風暴軸第一模態的時間系數與AL指數(a)、東部風暴軸第一模態的時間系數與PNA指數(b)、東部風暴軸第二模態的時間系數與WP指數(c)、東部風暴軸第一模態的時間系數與Nino3指數(d)、東部風暴軸第二模態的時間系數與KC指數(e)、東部風暴軸第三模態的時間系數與AL指數(f)、東部風暴軸第三模態的時間系數與PNA指數(g)的時間演變曲線

表1給出了44個冬季東部風暴軸前三個模態所對應時間系數與各大氣/海洋指數之間的相關系數?？梢?AL與第一模態的時間系數、PNA與第一模態的時間系數、WP與第二模態的時間系數、Nino3與第一模態的時間系數、KC與第二模態的時間系數之間的相關系數均通過了0.05信度的顯著性檢驗,它們的時間演變曲線顯示出:當北太平洋東部風暴軸明顯北抬時,同期太平洋海溫呈厄爾尼諾型空間分布,阿留申低壓強度也增強,對流層中高層是PNA正位相,反之亦然(圖8);當風暴軸東部維

表1 各種大氣/海洋指數與東部風暴軸第一、二、三模態的時間系數的相關系數

Table 1 Correlation coefficients between atmosphere/oceanic indexes and eastern storm track mode’s first/second/third time coefficient

指數東部風暴軸第一模態的時間系數東部風暴軸第二模態的時間系數東部風暴軸第三模態的時間系數ALPNAWPNino3KCAL-0.720.02-0.351PNA0.710.040.30-0.961WP0.12-0.52-0.03-0.080.051Nino30.420.360.19-0.420.47-0.451KC-0.010.34-0.12-0.060.04-0.570.321

持存在且強度偏強時,黑潮海區海溫偏暖,對流層中高層是WP的負位相(圖8);當東部風暴軸呈現西北—東南+-+相間三極子的分布時,同期冬季巴布亞新幾內亞附近海溫異常偏暖,夏威夷附近海溫異常偏冷,對流層中層表現出類似PNA正位相(圖8),反之亦然。Nino3指數與PNA、WP、AL以及KC指數均有一定相關關系,說明ENSO與整個北太平洋地區大氣環流和海溫都有廣泛的聯系,因為這一問題不是本文研究的重點,因而本文對此不做過多討論。

7 結論與討論

1)北太平洋東部風暴軸有顯著的年際變化特征:第一變化模態為在氣候平均位置南北相反的偶極子變化型,而第二變化模態為在氣候平均位置處一致增強或減弱的變化型,第三模態為三極子型。

2)當東部風暴軸南壓(北抬)時,同期冬季是一種厄爾尼諾(拉尼娜年)年海溫異?？臻g分布型,中緯度北太平洋海區以及赤道中、東海區,冬季冷(暖) 異常的洋面上是異常低壓(高壓),在對流層中高層是PNA正(負)位相;當東部風暴軸增強(減弱)時,同期冬季黑潮區海溫偏暖(偏冷),對流層中層表現為WP正(負)位相;當東部風暴軸呈現西北—東南+-+(-+-)相間三級子的分布時,同期冬季巴布亞新幾內亞附近海溫異常偏暖(冷),夏威夷附近海溫異常偏冷(暖),冬季冷(暖)異常的洋面上是異常低(高)壓,對流層中層表現出類似PNA正(負)位相。

3)東部風暴軸EOF分解各模態所對應時間系數與阿留申低壓指數、PNA指數、Nino3指數、WP指數、與黑潮海溫指數之間的顯著相關性,從而進一步證實了結論(2)中關系的正確性。

有關北太平洋東部風暴軸與中、低緯度大氣海洋系統通過何種機制發生聯系、它與PNA/WP的密切關系是如何產生的,這些問題本文還未涉及。本文的工作只是一個初步的診斷分析工作,與之相關的機理分析和數值模擬目前還在進行中。

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(責任編輯：張福穎)

Characteristics of eastern storm track variations over the North Pacific and its relationship with the atmospheric circulation and SST anomaly

YUAN Kai1,2,ZHU Wei-jun1,CHEN Yi-ni1,3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.Wuhan Meteorological Service,Wuhan 430040,China;3.Zhejiang Meteorological Observatory,Hangzhou 310017,China)

Based on the daily reanalysis data of European Center for Medium Weather Forecast(ERA-40) and the empirical orthogonal function(EOF) method,we find that the first mode depicts a meridional seesaw variation of the storm track,the second mode depicts the variation of the storm track against its climatological position and the third mode depicts a tri-polar oscillation.Further regression analysis shows that:When eastern storm track moves southward(northward),the sea surface temperature(SST) is of El Nino(La Nina) pattern,winter colder(warmer) sea surface is unusually low(high) upon the east and middle ocean tropic areas and middle-latitude North Pacific and middle troposphere is of positive(negative) Pacific-North American Pattern(PNA) teleconnection;when eastern storm track strengthens(weakens),SST of Kuroshio Current is warmer(colder) than usual,and middle troposphere is of positive(negative) West Pacific Pattern(WP) teleconnection;when eastern storm track presents the positive-negative-positive(negative-positive-negative) tri-polar oscillation from northwest to southeast,SST near Papua New Guinea is warmer(colder) than usual,SST near Hawaii is colder(warmer) than usual,colder(warmer) sea surface is unusually low(high),middle troposphere is positive(negative) similar to PNA Pacific-North American Pattern,teleconnection.All in all,time coefficients of different modes have significant correlation with the Aleutian Low(AL) index,PNA index,WP index,Nino3 index and the Kuroshio Current(KC) index respectively,which demonstrates the existence of the relationship between the east storm track and atmosphere as well as SST anomaly.

eastern storm track;PNA/WP teleconnection;empirical orthogonal function(EOF);regression analysis;atmosphere and SST anomaly

2011-12-10;改回日期:2012-02-12

國家自然科學基金資助項目(41075070);公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201306028);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

朱偉軍,博士,教授,研究方向為大氣環流異常及短期氣候預測,weijun@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111210001.

1674-7097(2015)01-0066-10

P425

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111210001

袁凱,朱偉軍,陳懿妮.2015.北太平洋東部風暴軸的變化特征及其與大氣環流和SST異常的關系[J].大氣科學學報,38(1):66-75.

Yuan Kai,Zhu Wei-jun,Chen Yi-ni.2015.Characteristics of eastern storm track variations over the North Pacific and its relationship with the atmospheric circulation and SST anomaly[J].Trans Atmos Sci,38(1):66-75.(in Chinese)