冬季北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响

刘鸣彦，朱伟军，高洁，顾沛澍

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏南京210044;2.沈阳区域气候中心，辽宁沈阳110016)

0 引言

风暴轴是指2.5～6 d天气尺度瞬变扰动最活跃的地区，分别位于中纬度的太平洋与大西洋上空，与每日地面天气图上的气旋/反气旋路径紧密联系，对大气环流的维持和北半球天气气候变化的预测起着重要的作用(邓兴秀和孙照渤，1994)。许多学者对风暴轴的结构特征(傅刚等，2009)、时间演变规律(高琦等，2008)、能量转换(邓兴秀和孙照渤，1995;孙照渤和朱伟军，2000)以及维持机制(孙照渤和朱伟军，1998;朱伟军和孙照渤，2001)等方面进行了深入细致的研究，揭示了风暴轴的很多变化特征。就逐月平均而言，与春季4月和秋季11月相比，冬季月份的瞬变扰动活动相对较弱，Nakamura(1992)称其为风暴轴的“冬季抑制现象”，这种抑制现象在对流层上部(250 hPa)最明显，低层并不显著，500 hPa则为过渡层次。而对500 hPa来讲，若就季节平均(3个月平均)而言，风暴轴在冬季最强，位置偏南、偏西，夏季最弱，位置偏北、偏东，春、秋两季为过渡季节(邓兴秀和孙照渤，1994)。另外，风暴轴还存在显著的年际、年代际变化(胡增臻和黄荣辉，1997;Chang and Fu，2002)，冬季各高度层北太平洋风暴轴在1985年前后一致性地发生了跃变，而夏季风暴轴强度均表现为1960年代及1970年代初的偏弱、1980年代后期至2002的偏强(丁叶风等，2006)。韩博等(2007)以及任雪娟等(2007)对风暴轴异常场进行EOF分解，风暴轴主要表现有两种变化型:分别是风暴轴在其气候平均位置附近强弱和位移变化的单极子变化型与风暴轴在其中、东部地区南北位移和强弱变化的偶极子变化型。风暴轴东、西两端的结构有所不同，西端为强的斜压性结构，到了东端转变为相当正压结构(朱伟军和孙照渤，1999)。此外，有大量的研究集中于风暴轴与大气低频环流之间的相互作用方面。Lau(1988)指出，风暴轴变化的主要模态与北半球低频环流变化中的遥相关型相联系。Zhu et al.(2001)指出年际时间尺度上风暴轴的两个变异模态分别与PNA(Pacific North American teleconnection)和WP(Western Pacific teleconnection)遥相关型相联系。Chang and Fu(2002)还曾指出冬季风暴轴的年代际变化与大气环流的低频变率(例如PDO(Pacific Decadal Oscillation)、AO(Arctic Oscillation))之间存在着某种联系。最近，朱伟军和李莹(2010)指出，年代际时间尺度上北太平洋风暴轴的第二模态与太平洋年代际振荡(PDO)循环的暖(冷)位相相联系。

极涡是北半球大气环流的一个重要系统，它常与其他大气环流因子相互配合，共同对天气、气候的变化起作用(邓伟涛和孙照渤，2006;张恒德等，2006，2008;陈永仁和李跃清，2008)。自20世纪以来，人们对北半球极涡进行了很多研究，在70、80年代主要研究极涡本身的变化特征(Angell and Korshover，1977;章少卿和邬为民，1984;章少卿等，1985)，90年代之后，人们对极涡的研究主要侧重于极涡与其他物理量之间的关系(姚秀萍和董敏，2000;徐海明等，2001;Frauenfeld and Davis，2003;黄嘉佑等，2004;卢秉红等，2009)。作为北半球冬季重要的两个天气系统，风暴轴与极涡之间必定存在着联系。Baldwin et al.(2003)提出在平流层环流及极涡异常发生后的约60 d时间里，低纬度风暴轴的位置会出现变化，风暴轴会向南偏移。Limpasuvan et al.(2004)指出平流层极涡的减弱会对北大西洋风暴轴和急流的变化产生影响。而杨青等(2007)指出春季太平洋极涡面积增大，北太平洋风暴轴相应偏南。前人对风暴轴与极涡关系的研究主要集中在平流层极涡对北大西洋风暴轴的影响上，而有关极涡强度对北太平洋风暴轴的影响及其内在物理机制这一领域阐述的较少，因而本文拟就这两个问题进行研究。

1 资料和方法

本文所用的资料如下:1)美国NCEP/NCAR提供的 8 个等压面层(1 000，850，700，500，400，300，200，100 hPa)的全球2.5°×2.5°再分析逐日和月平均网格资料，逐日资料包括风场(u、v、ω)、位势高度场(H)和气温场(T)，月平均资料包括纬向风场及高度场，时间范围取为1951/1952—2010/2011年，冬季定义为每年12月至次年2月。2)极涡强度指数资料取自国家气候中心气候系统诊断预测室的74项环流特征量资料中的北半球极涡强度指数资料。

本文采用500 hPa天气尺度位势高度场的滤波方差代表风暴轴的位置和强度。首先采用朱伟军和孙照渤(2000)给出的31点数字滤波器，从逐日原始资料直接滤出2.5～6 d的瞬变涡动，然后把滤波资料按冬季月份分成每月一段，并对每一段各自计算其方差，这样就得到每月的月平均带通滤波方差。选定北半球 120°E ～120°W、30～60°N 区域内500 hPa天气尺度位势高度滤波方差大于等于18 dagpm2的点为风暴轴区域内的点，满足上述条件所有格点的滤波方差的平均值为风暴轴强度指数，所有格点的平均经度和纬度为风暴轴的经度、纬度指数。

文中主要采用了相关分析、合成分析等方法探讨了1951/1952—2010/2011年60 a冬季的北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响。

2 北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响

北半球极涡强度指数与北太平洋风暴轴强度、经度、纬度指数之间的相关系数分别为0.43、－0.18、－0.19。平均而言，当北半球极涡强度增强(减弱)时，北太平洋风暴轴强度增强(减弱)，位置略向南(北)、西(东)偏移。图1所示是冬季北半球极涡强度指数与北太平洋风暴轴强度、经度、纬度指数之间的11 a滑动相关曲线。极涡强度与风暴轴强度 在 1960/1961—1968/1969 年、1981/1982—1994/1995年之间出现了较强的正相关，1968/1969年后相关性显著减弱，1979/1980年后才显著增强，1996/1997年后两者的相关性又有所减弱。北半球极涡强度与北太平洋风暴轴经度之间较强的正相关出现在1969/1970—1979/1980年间;较强的负相关出现在1958/1959—1967/1968年间。此外，1981/1982—2005/2006年间也主要以负相关为主，但期间存在多次上下波动。70年代以前，极涡强度与风暴轴纬度之间为负相关，70年代之后两者的相关性转变为较强的正相关，直到1986/1987年两者的相关性才有所减弱。

图2所示是北半球极涡强度指数与同期北太平洋风暴轴区域500 hPa位势高度滤波方差场的相关分布。正相关区域主要位于30～55°N，最强的正相关中心位于北太平洋中部173°E、43°N附近，与北太平洋风暴轴多年平均的扰动最大值中心位置相一致(图略)，即北半球极涡强度增强(减弱)时，500 hPa位势高度滤波方差在北太平洋地区会有所增大(减小)，北太平洋风暴轴强度会有所增强(减弱)。由此可知，冬季北半球极涡强度的异常变化与北太平洋风暴轴之间存在着密切的联系。

图1 冬季北半球极涡强度指数与北太平洋风暴轴强度(a)、经度(b)、纬度(c)指数之间的11 a滑动相关Fig.1 The 11-year running correlation coefficients between Northern Hemisphere polar vortex intensity index and(a)strength index，(b)longitude index，(c)latitude index of North Pacific storm track in winter

图2 1951/1952—2010/2011年冬季北半球极涡强度指数与北太平洋风暴轴区域500 hPa位势高度滤波方差场的相关系数分布(深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)Fig.2 Distribution of correlation coefficient between Northern Hemisphere polar vortex intensity index and 500 hPa geopotential height variance in North Pacific storm track area in winter from 1951/1952 to 2010/2011(the 0.01 and 0.05 significance levels for the correlation are shown as dark and light shaded areas，respectively)

为更进一步分析北半球极涡强度的变化对北太平洋风暴轴的影响，下面对极涡强度指数高、低值年所对应的北太平洋风暴轴各物理量场进行合成分析。取极涡强度指数的年份为极涡强度的高值年，取极涡强度指数的年份为极涡强度的低值年，其中为极涡强度指数的多年平均值，σ为指数的标准差。表1列出了60 a冬季北半球极涡强度指数高、低值年所在的年份，其中高值年有11 a，低值年有12 a。

表1 1951/1952—2010/2011年冬季北半球极涡高、低强度指数年份Table 1 The years of strong and weak Northern Hemisphere polar vortex intensity index in winter from 1951/1952 to 2010/2011

图3为北半球极涡强度指数高、低值年北太平洋风暴轴区域500 hPa天气尺度位势高度滤波方差场的合成分布。在北半球极涡强度的高值年，北太平洋风暴轴的中心位于172°E、45°N附近，强度约为34 dagpm2;在北半球极涡强度的低值年，北太平洋风暴轴表现为双中心结构，并有向西收缩的趋势，强度相对于极涡强度的高值年明显减弱，仅约为22 dagpm2，其中一个中心位于 160°E、45°N 附近，另一个中心在145°W、52°N附近。从差值图中看，最大的正差值中心位于173°E、43°N附近，这清晰地反映了风暴轴在极涡强度高、低值年的变化特征:强极涡年较弱极涡年而言，北太平洋风暴轴增强。

图4为风暴轴区域的扰动动能合成分布。不论在极涡强度的高值年还是低值年，北太平洋风暴轴区域都存在一条纬向的最大天气尺度扰动动能带，从亚洲东部经过太平洋一直延伸到北美西部。在极涡强度的高值年，扰动动能最大强度达到38 m2·s－2以上;在极涡强度的低值年，扰动动能最大值中心强度显著减弱，仅为28 m2·s－2左右。最强差值中心位于180°、40°N附近，并且通过95%置信水平检验。

为考察与斜压扰动有关的涡动热量输送的相应变化，图5、6分别给出了北半球极涡强度指数高、低值年所对应的850 hPa天气尺度扰动的热量经向通量、热量垂直通量的合成分布。在北半球极涡强度的高值年，北太平洋风暴轴中西部区域，热量经向通量为正，热量垂直通量为负，分别可达10 K·m·s－1和－0.20 K·Pa·s－1。在北半球极涡强度的低值年，热量经向通量与热量垂直通量位置变化不大，但是强度均有所减弱。热量经向通量的正差值中心与热量垂直通量的负差值中心位于北太平洋西部160°E、40°N 附近，这表明在极涡强度的高值年，北太平洋风暴轴区域的天气尺度热量的向极和向上通量输送强于极涡低值年，涡动热量向上和向极输送越强，则涡动位能向涡动动能转换越多，风暴轴越强。

图3 北半球极涡强度指数高(a)、低(b)值年所对应的500 hPa位势高度滤波方差的合成分布及其差值(c;深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)(单位:dagpm2)Fig.3 Composite distributions of 500 hPa geopotential height variance for the years of(a)strong and(b)weak Northern Hemisphere polar vortex intensity index，and(c)their differences(the 0.01 and 0.05 significance levels for the difference are shown as dark and light shaded areas，respectively)(units:dagpm2)

天气尺度西风动量经向通量的辐合与涡动的涡度输送有关，反映了涡动对时间平均气流的反馈作用，对维持该地区平均西风急流的强度具有重要意义。根据Lau(1988)的研究，北半球风暴轴可以用发展中的斜压波生命史模式来解释(Simmons and Hoskins，1978)，那么可以预测，300 hPa西风动量经向通量的较大值也将集中在风暴轴附近。不论是在北半球极涡强度指数的高值年还是低值年，天气尺度西风动量的经向通量均在北太平洋风暴轴区域43°N附近有强烈的辐合(图7a、b)，这一位置与多年平均天气尺度西风动量的经向通量辐合的位置基本一致。相比较而言，天气尺度西风动量的经向通量在北半球极涡强度指数的高值年辐合更强，位置要更偏西，增强的天气尺度西风动量的经向通量辐合有利于该区域西风的加速。

3 北半球极涡强度对北太平洋风暴轴影响原因分析

图4 北半球极涡强度指数高(a)、低(b)值年所对应的500 hPa扰动动能的合成分布及其差值(c;深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)(单位:m2·s－2)Fig.4 Composite distributions of 500 hPa disturbance kinetic energy for the years of(a)strong and(b)weak Northern Hemisphere polar vortex intensity index，and(c)their differences(the 0.01 and 0.05 significance levels for the difference are shown as dark and light shaded areas，respectively)(units:m2·s－2)

按照波动学的观点，等压面上位势高度的变化与地面的气旋/反气旋相对应(李莹等，2010)，因此首先对极涡强度发生异常变化时高度场的响应进行分析。如图8所示，极涡强度与500 hPa高度场的正相关区域位于中纬度的亚洲东部到太平洋，负相关区域位于50°N以北，绝大部分相关区域通过了99%置信水平检验。这表明，极涡强度增强(减弱)时，中纬度地区的气压升高(降低)，50°N以北的气压将降低(升高)，南北之间的气压梯度加大(减小)，而这种气压梯度的变化势必会对高空急流产生影响，进而改变风暴轴。

对500 hPa高度场在极涡强、弱年分别进行合成分析。从差值图(图9)可以看出，500 hPa位势高度的差值场在中高纬度为一个偶极子分布型。50°N以南为正变高区域，东亚大槽位于这正值区中，50°N以北为负变高区。极涡强度指数的高值年，50°N以北的极地地区的气压降低，中纬度的气压升高，南北气压梯度加大，东亚大槽减弱显著，有利于气流的纬向运动，因而500 hPa西太平洋区域急流将得到增强，而北半球极涡强度指数的低值年，情况则相反。

风暴轴和急流的配置有很好的对应关系，一般来讲，两者的强度都在冬季较强，夏季较弱，并且风暴轴总是位于急流的下游向极一侧，这种配置关系反映了急流对风暴轴的存在和维持确实起到了非常重要的作用，急流所导致的强风速垂直切变为风暴轴的发展提供了所必需的斜压性结构。图10为极涡强度与500 hPa纬向风场的相关分布，正相关区域位于40～70°N，呈带状分布，最强正相关中心有两个，分别位于白令海附近及贝加尔湖以北地区;负相关区域位于40°N以南，70°N以北也存在负相关分布，但是范围与强度都较40°N以南要小，且未通过检验。说明极涡强度增强(减弱)时，中高纬度40～70°N的风速加大(减弱)，40°N以南的风速将减弱(加大)。

图5 北半球极涡强度指数高(a)、低(b)值年所对应的850 hPa天气尺度扰动的热量经向通量的合成分布及其差值(c;深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)(单位:K·m·s－1)Fig.5 Composite distributions of 850 hPa synoptic-scale disturbance meridional heat transport for the years of(a)strong and(b)weak Northern Hemisphere polar vortex intensity index，and(c)their differences(the 0.01 and 0.05 significance levels for the difference are shown as dark and light shaded areas，respectively)(units:K·m·s－1)

图11给出了北半球极涡强度高、低值年冬季平均的纬向风差值分布。与图10相一致，北半球极涡偏强时，纬向风在40～70°N的带状区域内有所增强，这个带状区域和前面证明的北半球极涡强度变化时，500 hPa位势高度场气压梯度增大的区域相一致(图9)，而在这个带状区域的南北两侧，纬向风有所减弱，北半球极涡偏弱时，情况正相反。

图6 北半球极涡强度指数高(a)、低(b)值年所对应的850 hPa天气尺度扰动的热量垂直通量的合成分布及其差值(c;深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)(单位:10－2K·Pa·s－1)Fig.6 Composite distributions of 850 hPa synoptic-scale disturbance vertical heat transport for the years of(a)strong and(b)weak Northern Hemisphere polar vortex intensity index，and(c)their differences(the 0.01 and 0.05 significance levels for the difference are shown as dark and light shaded areas，respectively)(units:10－2K·Pa·s－1)

风暴轴的位置和强度变化不仅与基本气流(急流)有关，还与斜压性增强或减弱密切相联，在斜压性大的地区，天气尺度涡旋容易发展，在小值地区，不容易发展。可以认为斜压性指数场不仅反映了大气环流所具有的斜压性，而且也反映了平均有效位能向扰动能量转化的趋势(韩博等，2007)，即斜压性的强弱对风暴轴的维持和发展具有至关重要的作用。而气流的斜压性可以用最大不稳定波的增长率来代表。本文根据Hoskins and Valdes(1990)引入Eady波最大增长率，在忽略气流低层的水平切变以及湿过程等复杂情况的影响下，此量不失为表征中纬度斜压性强弱的一种很好度量，因而称该量为斜压性强度指数。本文利用Eady波最大增长率计算了700～850 hPa间的斜压性。

北半球极涡强度与775 hPa斜压性强度指数的相关分布(图12)，与风场的相关相似，在30～60°N存在一个纬向拉长的正相关区域，最强正相关中心位于175°W、45°N附近，相关系数达到0.5以上;负相关区域则位于正相关区域的南北两侧。

图7 北半球极涡强度指数高(a)、低(b)值年所对应的300 hPa天气尺度扰动的西风动量的经向通量的合成分布及其差值(c;深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)(单位:m2·s－2)Fig.7 Composite distributions of 300 hPa synoptic-scale disturbance meridional westerly momentum transport for the years of(a)strong and(b)weak Northern Hemisphere polar vortex intensity index，and(c)their differences(the 0.01 and 0.05 significance levels for the difference are shown as dark and light shaded areas，respectively)(units:m2·s－2)

斜压性强度指数差值的极大值主要分布在北太平洋风暴轴区域，且与东亚急流的位置有很好的对应，这一特征在图13中有很好的体现。表明在极涡强度指数的高值年，风暴轴区域的斜压性比极涡强度低值年显著增强，斜压性的这种增强可能是由于当极涡增强时，赤道中东太平洋的SST(sea surface temperature)升高，北太平洋的SST降低，导致了风暴轴区域南北两侧的平均温度梯度加大，增加了平均有效位能从而有利于该区域斜压性的增强(图略)。

4 结论

图8 1951/1952—2010/2011年冬季北半球极涡强度指数与500 hPa位势高度场的相关系数分布(深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)Fig.8 Distribution of correlation coefficient between Northern Hemisphere polar vortex intensity index and 500 hPa geopotential height in winter from 1951/1952 to 2010/2011(the 0.01 and 0.05 significance levels for the correlation are shown as dark and light shaded areas，respectively)

图9 500 hPa位势高度场在北半球极涡强度指数高、低值年的差值合成分布(深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验;单位:dagpm)Fig.9 Composite distribution of 500 hPa geopotential height difference between strong years and weak years of Northern Hemisphere polar vortex intensity index(the 0.01 and 0.05 significance levels for the difference are shown as dark and light shaded areas，respectively;units:dagpm)

利用NCEP/NCAR逐日、逐月再分析资料以及国家气候中心北半球极涡强度指数资料，采用相关、合成分析方法，分析了北半球极涡强度对北太平洋风暴轴的影响，得到了如下结论:北半球极涡强度与北太平洋风暴轴之间有很好的相关，其中极涡强度与风暴轴强度的相关性较高，而与风暴轴经度、纬度的相关性不显著。在极涡强度的高值年，对应着北太平洋风暴轴强度的增强，风暴轴区域扰动动能的增大，同时也伴随有热量经向通量、热量垂直通量的显著增强和西风动量经向通量辐合的增大，这些结果均表明极涡的异常变化会对北太平洋风暴轴的变化产生影响。其次还就极涡强度对风暴轴影响的内部物理机制进行了分析，在极涡增强时，中纬度气压升高，高纬度气压降低，南北气压梯度加大，纬向气流变化显著，纬向风速在40～70°N之间增强，相应于风速的变化，风暴轴西端的斜压性也显著增强，这样一来，使得天气尺度涡旋更容易发展，有利于风暴轴在该地区的维持加强，而在极涡强度的低值年，情况则相反。

图10 1951/1952—2010/2011年冬季北半球极涡强度指数与500 hPa纬向风场的相关系数分布(深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)Fig.10 Distribution of correlation coefficient between Northern Hemisphere polar vortex intensity index and 500 hPa zonal wind field in winter from 1951/1952 to 2010/2011(the 0.01 and 0.05 significance levels for the correlation are shown as dark and light shaded areas，respectively)

图11 500 hPa纬向风场在北半球极涡强度指数高、低值年的差值合成分布(深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验;单位:m·s－1)Fig.11 Composite distribution of 500 hPa zonal wind difference between strong years and weak years of Northern Hemisphere polar vortex intensity index(the 0.01 and 0.05 significance levels for the difference are shown as dark and light shaded areas，respectively;units:m·s－1)

图12 1951/1952—2010/2011年冬季北半球极涡强度指数与775 hPa斜压性强度指数的相关系数分布(深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验)Fig.12 Distribution of correlation coefficient between Northern Hemisphere polar vortex intensity index and 775 hPa baroclinicity index in winter from 1951/1952 to 2010/2011(the 0.01 and 0.05 significance levels for the correlation are shown as dark and light shaded areas，respectively)

图13 775 hPa斜压性强度指数在北半球极涡强度指数高、低值年的差值合成分布(深、浅阴影分别表示通过了0.01和0.05信度的显著性检验;单位:d－1)Fig.13 Composite distribution of 775 hPa baroclinicity index difference between strong years and weak years of Northern Hemisphere polar vortex intensity index(the 0.01 and 0.05 significance levels for the difference are shown as dark and light shaded areas，respectively;units:d －1)

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