北大西洋秋季“三极子”海温结构对冬季大气环流场的影响

时晓曚，孙即霖，孙雅文，毕玮，周旋，衣立

(1. 青岛市气象局 青岛市气象台，山东 青岛 266003；2. 中国海洋大学 物理海洋与海洋-大气相互作用实验室，山东 青岛 266100)

北大西洋秋季“三极子”海温结构对冬季大气环流场的影响

时晓曚1，2，孙即霖2*，孙雅文2，毕玮1，周旋2，衣立2

(1. 青岛市气象局 青岛市气象台，山东 青岛 266003；2. 中国海洋大学 物理海洋与海洋-大气相互作用实验室，山东 青岛 266100)

利用NCEP再分析资料、Hadley中心的海表面温度(SST)资料等，从北大西洋秋季海表面温度异常(SSTA)变化入手，对其影响后期冬季大气环流场的机制进行了分析。研究结果如下：(1)北大西洋SST异常与大气环流异常之间存在着相互作用；(2)秋季北大西洋SSTA具有较好的持续性，“正负正”海温异常空间分布导致12月巴伦支海上空500 hPa位势高度异常偏高；(3)异常环流形势对应的海表面风异常场(SSWA)通过阶段性风-蒸发-SST异常反馈机制(WES机制)利于海温异常分布的持续及对上空异常大气环流的反馈；(4)三极子海温结构中负异常海温自10月份开始有自西向东的移动，风作用下蒸发加大，伴随上升运动自欧洲西部爱尔兰群岛出现自西向东移动的降水正异常区，潜热释放有利于冬季巴伦支海上空的异常高压脊发展。研究表明，北大西洋秋季SSTA通过阶段性海气相互作用机制影响海洋温度分布和大气环流异常，对后期冬季中国东北部的气候变化产生影响。

秋季；巴伦支海；北大西洋；SSTA；冬季气候

1 引言

中国处于气候变化的复杂和脆弱的地带，气候变化受到ENSO、副热带高压、高原大地形、大气环流、边缘海、极地冰雪等多种因素的影响。许多学者已对影响中国气候变化的因素进行了探讨[1—4]。长期以来，受多种因素复杂影响的制约，对中高纬度下垫面、大气环流的影响的研究与热带以及副热带天气、气候变化对东亚气候影响的研究相比，无论是数量还是影响机制，都相对薄弱[5]。中高纬度海洋可通过上下游效应影响中国气候。影响中国冬季冷空气活动的三大冷空气源地都在中高纬度。对巴伦支海、喀拉海两大冷空气源地，武炳义等[5—6]提出冬季喀拉海、巴伦支海海区是影响东亚以及北半球气候变化的关键区之一，冬季该海区海冰偏少，会导致亚洲大陆冷高压增强。Wu等[7]对秋季和冬季北极海冰分布异常同冬季西伯利亚高压的变化关系的研究发现，二者存在反向变化。

同样，北大西洋是三大冷空气源地中的一员，该海域的异常海温可影响北半球大气行星尺度环流，从而影响东亚气候，对中国气候的变化也存在直接和间接的关系。而在对北大西洋SSTA的研究中，较多学者将关注点放在了AMO(Atlantic Multi-decadal Oscillation)的研究中。此外，部分研究者发现了北大西洋SSTA存在一种三极子结构，Kushnir[8]的研究发现，在年代际尺度上，北大西洋暖冷位相年海温差呈现“正负正”结构，Kushnir等[9]还发现冬季北大西洋SSTA的主模态呈现“正负正”三极子结构。Frankignoul等[10]、Czaya和Frankignoul[11]发现北大西洋SSTA秋冬的三极子型可以通过热通量影响冬季NAO的变化、该三极子型在春末能够影响夏季500 hPa位势高度场。现有的研究大多分析三极子结构的模态特征，而针对北大西洋SSTA的秋季三极子对下游大气环流场及跨季节对冬季东亚气候的影响研究较少。

时晓曚[12]研究表明，北大西洋以冰岛的经度为界，秋季东西海域关键区SSTA分布对应冬季中国东北部海平面气压异常正异常，关键区海温分布类似于“正负正”三极子结构。同时，北大西洋秋季SSTA变化具有向后月份的持续性，加之北大西洋与巴伦支海水体相连，空间相近，北大西洋秋季的SSTA与巴伦支海上空500 hPa位势高度异常场有较好的相关性；12月巴伦支海上空500 hPa位势高度异常场又与冬季中国东北部海平面气压异常场有较好的相关性。综合统计分析结果说明，巴伦支海区域的500 hPa高度场位势高度正异常，前期秋季北大西洋SSTA发生类似于三极子结构变化，脊前负涡度平流较易促进中国东北部地区地面冷高压发展。该研究只是进行了初步的统计分析，而对北大西洋三极子结构对巴伦支海500 hPa位势高度的影响机制并未进行分析。本文探究秋季北大西洋三极子结构对冬季大气环流场的影响，旨在为中国气候变化提供大气环流变化的参考，为中国以及东亚气候理论框架体系的建立提供一定的支持，为进一步完善高纬度海洋大气相互作用理论提供参考。

2 数据

本文使用的数据来源于：(1)哈得莱气候预报中心(Hadley Centre for Climate Prediction and Research)的全球月平均SST资料(1960—2011年，分辨率为1°×1°)；1870-2004年共135年全球长期月平均SST资料(分辨率为1°×1°)；(2)美国国家环境预测中心和大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的1960年1月至2011年12月月平均1 000 hPa、500 hPa位势高度场资料，月平均海平面气压场资料，海平面月平均风场资料、17层月平均风场资料；GPCP(Global Precipitation Climatology Project)月平均降水资料。

3 秋季北大西洋“正负正”SSTA分布对冬季大气环流场的影响

气候预测的具体实践发现，巴伦支海-新地岛上空区域的500 hPa位势高度异常变化会对冬季东亚冷高压活动产生影响，而北大西洋、巴伦支海区域的前期海温变化与初冬12月份巴伦支海-新地岛上空500 hPa位势高度的变化又密不可分。从气候预测的实际应用角度出发，须更加关注500 hPa位势高度增加所产生的影响，本章分析初冬12月份巴伦支海-新地岛上空500 hPa位势高度异常升高时，其前期秋季北大西洋及以北地区SSTA的变化特点。

3.1 秋季北大西洋“正负正”SSTA分布影响巴伦支海上空环流场的阶段性海气相互作用机制

将1948—2011年逐年12月500 hPa位势高度场求距平场，按照位势高度呈现大范围偏高(偏低)且位势高度异常值的最大绝对值超过100位势米挑选巴伦支海-新地岛上空500 hPa位势高度异常显著高(低)年(表1)。正异常年有21个，负异常年有17个。

表1 巴伦支海-新地岛12月500 hPa位势高度异常高、低年份

图1为1948—2011年9-12月北大西洋-巴伦支海海表面风(SSW)长期月平均风场。从图1a，9月月平均风场可以看出，在20°～40°N存在反气旋式环流，即亚速尔高压；40°～20°W，50°～65°N存在气旋式环流，即冰岛低压；高纬度巴伦支海区域是弱东风。9月，北大西洋SSW在赤道至35°N的低纬度上为东风；35°～60°N为西风。较之9月份，10月份亚速尔高压基本不变，冰岛低压略有加强，高纬度巴伦支海区域SSW为偏东风，纬向风在南北方向上的分布与9月份大体相同。图1c、d分别为11、12月月平均风场，亚速尔高压减弱，冰岛低压加强，高纬度东风更加明显；纬向风在南北方向上的分布，北大西洋11、12月份SSW在赤道至30°N的低纬度上为东风；30°～70°N为西风，高纬度巴伦支海是东风。下文中，将SSW简单称为背景风场。

图1 1948—2011年9-12月北大西洋-巴伦支海海表面风长期月平均风场Fig.1 Long time mean (1948-2011) Atlantic-Barents monthly sea surface wind in September(a)，October(b)，November(c) and December(d)

图2是巴伦支海-新地岛上空区域的12月500 hPa位势高度正异常年前期(9-12月)北大西洋-巴伦支海SSTA、海表面风异常(SSWA)及500 hPa位势高度异常场合成分析图。9月(见图2a)，SSTA区域集中在冰岛以南海域、戴维斯海峡、美国以东区域，巴伦支海中东部海域SSTA正异常，西部海域负异常；SSWA在30°～60°N为东风异常，60°N～高纬度为西风异常，且气流在冰岛正SSTA区域为辐散气流。结合图1a，根据风-蒸发-SST(WES机制[13—14])，有助于冰岛以南的正SSTA的维持。在500 hPa，正SSTA上空位势高度将会升高。

10月份为北半球大气环流季节突变月份(见图2b)，SSTA中心位于40°N、80°～60°W，40°N、50°～30°W，戴维斯海峡-冰岛以南，SSWA的中心位于45°～55°N、40°～10°W，低纬度30°N弱的西风异常有助于正SSTA的持续，60°N的东风异常利于戴维斯海峡-冰岛以南异常正海温的持续。冰岛区域正SSTA处SSWA仍旧为辐散气流。根据WES机制，高纬度巴伦支海处SSWA的西风异常与SSW背景东风风向相反，巴伦支海海温升高。40°N的西风异常与图1b中SSW背景西风风向一致，利于40°N，50°～30°W异常负海温的持续，在500 hPa位势高度异常场中，负SSTA上空位势高度降低。温娜[15]提到，一方面，中高纬度海温对大气的作用较易出现正压的结构，另外，SSTA强迫场和大气响应场有一定的纬向分布特征，SSTA强迫场发生移动时，500 hPa位势高度场的响应中心也会跟着移动，且会产生一定偏移。这种“正负正”海温分布与Kushnir等[9]中模式模拟和EOF分解中北大西洋的主模态分布有类似的区域和分布。

图2c、图2d中，SSTA场仍旧保持“正负正”分布的结构，中心分别位于40°N北大西洋西部海域、40°N北大西洋东部海域、60°N冰岛附近海域。由WES机制，冰岛区域SSTA正异常在SSWA异常东风和长期平均SSW背景西风的相互作用下得到保持，巴伦支海SSTA正异常在SSWA异常西风和长期平均SSW背景东风的作用下保持。图2c中，爱尔兰群岛西南海域SSTA的负异常使上空位势高度偏低，同时，美国以东SSTA正异常，使50°N，50°W为中心有位势高度正异常区域，在位势高度正异常前偏西北大风的作用下，异常高压脊向南延伸，在此异常高压脊和爱尔兰群岛上空异常低压槽中间，35°～55°N，40°～20°W区域出现海面异常反气旋。反气旋前部西北气流同SSW背景西风一起促进蒸发，使得西班牙以西海域即40°N北大西洋东侧负SSTA持续；同时，反气旋后部东南气流与SSW背景西风风向相反，蒸发减弱，美国以东海域北大西洋西侧正SSTA持续。在此WES机制的作用下，11月在30°～50°N区域SSTA出现西高东低的情况。12月(图2d)上述异常反气旋东侧偏西北气流和西侧偏东南气流仍旧保持，“正负正”海温分布得以持续。而且，从10-12月，“正负正”海温结构出现自西向东移动的过程，以北大西洋东部负海温的移动最为明显，SSWA场上空的位势高度场也产生自西向东移动的过程。这种北大西洋在WES机制影响下移动的SSTA、SSWA、高度场配置与Wu等[16]对东北太平洋中伴随WES机制的向赤道移动的风场和SST场及相应移动的位势高度场的原理有相似之处。

图2 1948—2011年12月巴伦支海-新地岛区域(65°～85°N，10°～60°E) 500 hPa位势高度正异常年同年(a.9月、b.10月、c.11月和d.12月)北大西洋-巴伦支海SSTA(℃，填色图)、海表面风异常(SSWA，箭头)、500 hPa位势高度异常(hPa，等值线)合成分析图Fig.2 Composite analysis of Atlantic-Barents sea surface temperature anomaly (℃，shaded)，sea surface wind anomaly (SSWA，vector) and 500 hPa geopotential height anamaly (hPa，contour) in September(a)，October(b)，November (c) and December(d) inprominently positive December 500 hPa geopotential height years (between 1948-2011) in Barents-Novaya Zemlya area

从图3降水合成图中可以看到，图3a中冰岛以西海域由于9月份SSWA与SSW相一致，蒸发增强，降水增多。图3b～d，降水正异常区域有与图2负位势高度异常相一致的自欧洲西端(60°N，0°)自西向东移动的过程。结合图2，在移动的负SSTA的热力作用下，高空位势高度负异常。同时，海面异常风风向为西-西北风，与背景SSW盛行西风相一致，海面蒸发加大，上升作用强烈，高空位势高度负异常前部降水增多(图3c、d)、潜热释放增多。潜热能够沿异常位势高度负异常中心东北部的偏东南气流向巴伦支海上空传递，异常潜热的输送能够加大巴伦支海上空的位势高度(示意图见图4)。

图3 巴伦支海-新地岛上空区域(65°～85°N，10°～60°E)12月500 hPa位势高度正异常年前期(9-12月)北大西洋-巴伦支海降水异常(mm/d，填色图)合成分析图Fig.3 Composite analysis of Atlantic-Barents precipation anomaly (mm/d，shaded) in September(a)，October(b) ，November(c) and December(d) in prominently positive December 500 hPa geopotential height years in Barents-Novaya Zemlya area

图4 “正负正”SSTA结构通过阶段性风-蒸发-SST异常反馈机制(WES机制)对SSTA分布的持续及对上空异常大气环流的反馈示意图Fig.4 The feedback schematic of “+-+” SSTA structure to the continuing of the SSTA distribution and to the atmospheric circulation anomalies through WES mechanism

图5 北大西洋秋季SSTA正-负-正持续异常模拟巴伦支海-北欧500 hPa 11月(a)、12月(b)位势高度异常场(hPa，等值线)、风异常场Fig.5 The simulated November(a) and December(b) 500 hPa geopotential height anomaly(hPa，counter)、wind anomaly (m/s，arrows) while positive (+-+) SSTA remained in autumn in North Atlantic Sea

3.2 秋季北大西洋“正负正”SSTA分布影响巴伦支海上空环流场的影响模拟

20世纪80年代开始，大气环流模式(Atmospheric Grid-point Circulation Model，AGCM)、海洋环流模式以及耦合(大气海洋耦合)模式逐渐应用在气候预报中。IAP-9L AGCM (Institute of Atmospheric Physic’s 9 level Atmospheric Grid-point Circulation Model)是在中国科学院大气物理研究所的两层大气环流模式IAP-2L AGCM的基础上发展起来的。它起源于中国科学院大气物理研究所同美国国家能源部合作进行的CO2-Climate项目，是曾庆存院士等[17-19]在项目中不断完善、发展IAP-2L，建立出的全球大气环流格点模式。

采用这一模式，对前文北大西洋“正负正”区域分别按照1.6～2.5℃、-1.6～-2.5℃、2.6～3.5℃进行海温变化，对后期11月和12月巴伦支海-北欧上空500 hPa位势高度异常进行集合预报模拟(见图5)。图中可见，经过11月的累积作用，12月巴伦支海上空出现显著的位势高度正异常，异常高压脊发展，这与前文提到的“正负正”海温结构容易造成巴伦支海上空位势高度升高、高压脊发展结果一致。

此外，研究还针对秋季北大西洋“正负正”SSTA分布后期12月-翌年2月东亚大气环流场进行了合成和模拟(图略)。结果表明，高空场东亚大槽在12月-翌年2月分别在俄罗斯-日本中部、东西伯利亚和中国东北地区加强，参考前人的研究结果，冬季蒙古高压脊经常伸向中国北方，强的西北冷空气南下，容易形成寒潮天气[20—21]，前人有针对蒙古高压与东亚冬季风的关系的具体研究[6，22—23]；1 000 hPa位势高度场的统计和模拟发现，前冬，蒙古高压西部位势高度正异常，冷高压活动，此后高压东移，伴随东西伯利亚处低压配合，高低压之间有向中国东北和华北的偏西北大风；后冬冷高压移出中国。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)巴伦支海500 hPa正异常年前期SSTA场呈现“正负正”分布的结构，中心分别位于40°N北大西洋西部海域、40°N北大西洋东部海域、60°N冰岛附近海域，巴伦支海海温9月份中东部正异常、10月份起正异常区域扩大。在WES机制的作用下，SSWA风场利于这种海温分布的持续。

(2)“正负正”SSTA分布中，负SSTA海温有从10-12月自西向东的移动的过程，SSWA与SSW方向相同，负SSTA海区蒸发加大，上升运动强烈，欧洲西部爱尔兰群岛开始自西向东产生降水正异常区，释放的潜热沿东南气流进入巴伦支海上空，巴伦支海上空高压脊发展(图4)。

(3)发生在北大西洋和巴伦支海附近地区、北半球冬季环流季节性变化后的阶段性海气相互作用机制，导致了巴伦支海及以东地区上空异常高压脊的发展和维持，可用以解释北大西洋和巴伦支海热力异常对中国冬季气候变化影响的原因。

4.2 讨论

(1)“正负正”海温呈现反向结构“负正负”时，异常高压脊消失，地面上冷高压难以影响到中国，反向结构时冬季冷空气活动可能受到多重因素的制约，不单单是受到上游环流场的上下游效应影响。

(2)时晓曚[24]曾提出巴伦支海SSTA正异常有利于冬季蒙古高压南部发展。本文北大西洋的“正负正”SSTA结构促进高纬度高空脊发展，地面蒙古高压中西部增强，冷空气影响中国加剧。这二者是否是一样的路径呢？经过对巴伦支海秋季-初冬(9-12月)SSTA与高压脊12月位置进行相关分析(图略)，除了12月外，二者并未存在明显的过信度检验的对应关系。可见，巴伦支海和北大西洋对中国冷空气的影响机制并非是相同的。但是当北大西洋秋季海温异常正负正配置和巴伦支海秋季海温异常增暖时，可以共同加剧蒙古高压的发展，共同促进冬季中国冷空气的活动。

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The impact of the autumn Atlantic sea surface temperature three-pole structure on winter atmospheric circulation

Shi Xiaomeng1，2，Sun Jilin2，Sun Yawen2，Bi Wei1，Zhou Xuan2，Yi Li2

(1.QingdaoMeteorologicalObservatory,QingdaoMeteorologicalBureau，Qingdao266003，China；2.CollegeofPhysicalandEnvironmentalOceanography，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China)

Based on the National Center for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis data， Hadley Sea Surface Temperature (SST) and so on， this thesis analysed the mechanism of the autumn Atlantic SSTA effecting on the winter high altitude circulation. The research results are as follows:(1)There is an interaction between North Atlantic SSTA and the atmospheric circulation anomaly; (2)The autumn Atlantic SSTA has good continuity. Due to the continuity of the autumn SSTA in North Atlantic， the “positive-negative-positive (+-+)” distribution of North Atlantic SSTA leads to larger December 500 hPa geopotential height over the Barents Sea;(3)Under the sea surface wind anomaly (SSWA) actions， the feedback mechanism and wind-evaporation-SSTA can benefit the ‘+-+’ SSTA lasting and the feedback to atmospheric circulation anomaly; (4) The negative SSTA moves easterly from October to December， and the stronger evaporation， because of the same wind direction of the SSWA and background wind， produces stronger up-vertical movement. With the positive precipitation area moving easterly from Western Europe， the latent heat transport to the Barents Sea along with the southeast airflow in front of the low trough， promotes the development of the Ridge. Research shows the SSTA and atmospheric circulation anomaly can be affected by autumn Atlantic SSTA through the periodic air-sea interaction mechanism and the winter climate change in Northeast China produces a corresponding change．

autumn; Barents Sea; North Atlantic; SSTA; winter climate

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.004

2014-09-15；

2015-01-27。

国家自然科学基金(41276012)；高等学校博士学科点专项科研基金(20110132110017)；中国海洋大学基本科研业务费(201261009)。

时晓曚(1987—),女，山东省济南市人，博士，工程师，主要从事海洋-大气相互作用研究。E-mail：shi198710@126.com

*通信作者：孙即霖，教授，主要从事海洋-大气相互作用及气候变化研究。E-mail：rainbetimes@163.com

P731.2

A

0253-4193(2015)07-0033-08

时晓曚，孙即霖，孙雅文，等. 北大西洋秋季“三极子”海温结构对冬季大气环流场的影响[J].海洋学报，2015，37(7): 33-40，

Shi Xiaomeng，Sun Jilin，Sun Yawen，et al.The impact of the autumn Atlantic sea surface temperature three-pole structure on winter atmospheric circulation[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(7): 33-40，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.004