李忠燕 羅德海

1 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，青島 266100

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

北大西洋濤動(dòng)位相轉(zhuǎn)換的數(shù)值研究

李忠燕1羅德海2

1 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，青島 266100

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

借助一個(gè)非線性準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模型，模擬了基本西風(fēng)氣流的強(qiáng)弱、不同空間分布的天氣尺度擾動(dòng)渦對(duì)北大西洋濤動(dòng) （NAO）位相轉(zhuǎn)換的作用，以及大尺度雙波地形對(duì)其的影響。通過一系列的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)弱的基本西風(fēng)氣流有利于下游系統(tǒng)西退使NAO由正 （負(fù)）位相轉(zhuǎn)換為負(fù) （正）位相；振幅強(qiáng)、活動(dòng)范圍大的天氣尺度擾動(dòng)波是NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)換為正位相的有利條件，而加強(qiáng)并向北移的天氣尺度擾動(dòng)波是NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相的有利條件；疊加上大尺度雙波地形后，NAO由正（負(fù)）位相轉(zhuǎn)換為負(fù) （正）位相的個(gè)例數(shù)減少。

北大西洋濤動(dòng) （NAO） 位相轉(zhuǎn)換 數(shù)值研究 天氣尺度波 西風(fēng)氣流

1 引言

北大西洋濤動(dòng) （North Atlantic Oscillation，簡(jiǎn)稱NAO）是指北大西洋上冰島低壓與亞速爾高壓的氣壓變化之間存在一種南北向 “蹺蹺板”的現(xiàn)象，即當(dāng)亞速爾地區(qū)氣壓偏高時(shí)，冰島地區(qū)的氣壓偏低，反之當(dāng)冰島地區(qū)氣壓偏高時(shí)，亞速爾地區(qū)的氣壓偏低。在全球氣候系統(tǒng)中，NAO占有重要的位置。它不僅直接影響北大西洋及附近地區(qū)的氣候，甚至對(duì)整個(gè)北半球的氣候都有重要影響。沈?qū)W順和木本昌秀 （2007）研究發(fā)現(xiàn)春季歐亞大陸中高緯地表氣溫的年際變化與前期冬季大西洋濤動(dòng)有著顯著的正相關(guān)。Wu et al.（2009）通過觀測(cè)和數(shù)值試驗(yàn)指出春季異常NAO對(duì)東亞夏季風(fēng)有重要影響，且NAO對(duì)近30年東亞夏季風(fēng)與ENSO之間的關(guān)系的加強(qiáng)有重要作用 （Wu et al.，2011）。通常當(dāng)NAO強(qiáng)時(shí)，格陵蘭島以西及南歐偏冷，歐洲北部和美國東部偏暖，歐洲降水偏多，而地中海地區(qū)則降水偏少，反之亦然 （Hurrell，1995a）。

許多研究表明，對(duì)于NAO不同位相，天氣尺度波的強(qiáng)迫是一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)機(jī)制 （Hurrell，1995b；Feldstein and Lee，1998；Feldstein，2003；Benedict et al.，2004；Vallis et al.，2004；Luo et al.，2007a，2007b）。急流區(qū)是大氣的強(qiáng)斜壓區(qū)，而在準(zhǔn)定常急流下游稍北處存在千公里尺度天氣尺度瞬變擾動(dòng)渦 （Blackmon et al.，1984；Hoskins and Valdes，1990），將這種渦動(dòng)的帶通瞬變方差局地最大值區(qū)稱為風(fēng)暴軸。在北半球冬季渦動(dòng)的振幅最大，并且這種天氣尺度的渦動(dòng)帶在東太平洋和北大西洋有兩個(gè)峰值，這兩個(gè)峰值帶即通常所說的太平洋和大西洋風(fēng)暴軸。Chang and Fu（2002）利用EOF方法對(duì)51年的300hPa經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行診斷分析，指出冬季北大西洋和北太平洋風(fēng)暴軸在20世紀(jì)80年代中期存在由偏弱轉(zhuǎn)為偏強(qiáng)的年代際位相轉(zhuǎn)換。胡躍文和楊小怡 （2007）研究表明，NAO模態(tài)的北大西洋中心在1975年后表現(xiàn)出不同程度的東移。Luo et al.（2010b）對(duì)不同時(shí)期250hPa冬季EKE（eddy kinetic energy）空間形態(tài)進(jìn)行診斷分析，指出，1979～1990年和1998～2007年兩個(gè)時(shí)間段的渦動(dòng)動(dòng)能相比1958～1977年具有年代際東移的特征。

不同位相的NAO與北大西洋急流和風(fēng)暴路徑的強(qiáng)度和位置以及經(jīng)向和緯向上水汽和熱量的輸送等相聯(lián)系，最終導(dǎo)致溫度和降水場(chǎng)的變化。Archambault et al.（2010）研究表明，當(dāng)NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相時(shí)，美國東北地區(qū)降水顯著增加，而當(dāng)NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)換為正位相時(shí)，美國東北地區(qū)降水減少，所以了解NAO位相轉(zhuǎn)換機(jī)理，對(duì)預(yù)測(cè)災(zāi)害天氣有重要的指導(dǎo)作用。目前，有關(guān)NAO位相轉(zhuǎn)換的理論問題還沒有得到解決?；疚黠L(fēng)氣流、天氣尺度擾動(dòng)渦以及大尺度雙波地形這些因素對(duì)NAO的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)造成怎樣的影響？NAO的位相轉(zhuǎn)換是否與這些因素有關(guān)？本文運(yùn)用一個(gè)非線性準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式數(shù)值 （Luo et al.，2010a），模擬了基本西風(fēng)氣流強(qiáng)弱、不同強(qiáng)度和不同分布的天氣尺度擾動(dòng)波、大尺度雙波地形對(duì)NAO位相轉(zhuǎn)換的影響。

2 數(shù)值模式

2.1 模式方程

Luo et al.（2010a）提出了一個(gè)非線性準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模型，它既能考慮基本西風(fēng)氣流對(duì)不同位相的NAO初始場(chǎng)的空間分布和傳播的影響，又能考慮天氣尺度瞬變擾動(dòng)以及大尺度雙波地形對(duì)行星尺度流場(chǎng)的強(qiáng)迫作用。NAO就其形態(tài)來講通常表現(xiàn)為兩種：即NAO的正位相和NAO的負(fù)位相。本文運(yùn)用這一正壓模式研究在NAO不同位相的初始流場(chǎng)條件下，基本西風(fēng)氣流、天氣尺度瞬變擾動(dòng)等因素對(duì)NAO位相轉(zhuǎn)換的影響。為了探討在NAO兩種不同位相的初始流場(chǎng)條件下，大尺度雙波地形對(duì)NAO位相轉(zhuǎn)換的強(qiáng)迫作用，本文也進(jìn)行了以下兩種模擬：（1）一個(gè)NAO正 （負(fù)）初始場(chǎng)在不同強(qiáng)度的基本西風(fēng)氣流和不同空間分布的天氣尺度擾動(dòng)波的強(qiáng)迫下經(jīng)歷一個(gè)NAO由正 （負(fù)）位相轉(zhuǎn)換為NAO負(fù) （正）位相的演變過程；（2）在上述的初始流場(chǎng)上疊加一個(gè)大尺度雙波地形，初始場(chǎng)在基本西風(fēng)氣流、天氣尺度擾動(dòng)波和地形的共同強(qiáng)迫下經(jīng)歷位相轉(zhuǎn)換的演變過程。從而揭示大尺度雙波地形對(duì)NAO位相轉(zhuǎn)換的可能影響。

在β平面通道假設(shè)下，考慮地形的受渦動(dòng)強(qiáng)迫的無量綱的正壓渦度方程為

其中，Ψ是大氣總的流函數(shù)，h是大尺度地形，F(xiàn)＝（L／Rd）2，L和Rd分別是水平長度的特征尺度和羅斯貝變形半徑，β＝β0L2／U0，是緯度為φ0的無量綱科里奧利參數(shù)的經(jīng)向梯度，F(xiàn)s是擾動(dòng)渦源。在經(jīng)向方向滿足以下南北邊界條件：

2.2 初始場(chǎng)

將初始流場(chǎng)分解為三個(gè)部分，即基本流、行星尺度波流場(chǎng)和天氣尺度波流場(chǎng)：

其中，Ψ是大氣總的流函數(shù)；是由基本流和行星尺度波流場(chǎng)疊加而成的流場(chǎng)，即擾動(dòng)的背景流場(chǎng)；是天氣尺度波流場(chǎng) （或瞬變渦度流場(chǎng)）；U（y）＝u0是基本西風(fēng)氣流；B0＝0.4是初始流場(chǎng)行星尺度波的無量綱振幅；k＝2k0（k0＝1／［6.371cos（φ0）］），m＝±2π／（Ly／2），m為正 （負(fù)）時(shí)代表 NAO 正（負(fù)）位相，Ly分別為β平面通道的寬度；γ＝0.5；初始天氣尺度波流場(chǎng)

2.3 擾動(dòng)場(chǎng) （強(qiáng)迫場(chǎng)）

在數(shù)值模式中擾動(dòng)場(chǎng)由兩個(gè)部分組成，一是由位于背景流場(chǎng)上游的造波器產(chǎn)生的天氣尺度波擾動(dòng)場(chǎng)，二是大尺度雙波地形。其中，天氣尺度波擾動(dòng)場(chǎng)是位于背景流場(chǎng)上游的造波器不斷產(chǎn)生，在基本流的作用下向下游移動(dòng)，形成一渦列，用以模擬風(fēng)暴軸。其控制表達(dá)式為：

其中，b0是無量綱擾動(dòng)渦源振幅；2）是波數(shù)為9和11的天氣尺度波的角頻率；ms＝m／2；c0是控制擾動(dòng)渦活動(dòng)范圍的量，c0越小，擾動(dòng)渦活動(dòng)范圍越大；xs表示擾動(dòng)渦源的中心位置，即位于背景流上游的位置，xs越小，擾動(dòng)渦活動(dòng)越偏東，這里令xs＝2（表示2000km）；α＝±1，當(dāng)α為負(fù)時(shí)代表NAO負(fù)位相。圖1是不同振幅、不同活動(dòng)范圍的天氣尺度波擾動(dòng)源分布圖。

加上大尺度雙波地形后，NAO不同位相的初始流場(chǎng)將在基本西風(fēng)氣流、天氣尺度擾動(dòng)波和地形的共同強(qiáng)迫下發(fā)生位相轉(zhuǎn)換過程。本文所采用的大尺度雙波地形如圖2所示，其控制表達(dá)式為：

其中，h0是無量綱地形的振幅，k＝2k0（k0＝1／［6.371cos（φ0）］），ms＝m／2，m＝±2π／（Ly／2），k和m分別表示x和y方向的波數(shù)。

差分計(jì)算中空間差分使用的是中央差分格式，時(shí)間用蛙跳格式，使用超松馳迭代法解泊松方程。在初始值和強(qiáng)迫源條件下積分，得到NAO不同位相初始流場(chǎng)在強(qiáng)迫源的作用下發(fā)生位相轉(zhuǎn)換的演變情況。

表1 無地形強(qiáng)迫條件下不同強(qiáng)度的基本西風(fēng)氣流和天氣尺度波條件下NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相的個(gè)例數(shù)Table 1 Without topographic forcing，the number of the cases in which the NAO transforms from negative phase to positive phase under the conditions of different intensity of basic westerly flow and synoptic－scale waves

3 NAO負(fù)位相轉(zhuǎn)正位相的數(shù)值模擬

3.1 無地形條件下的數(shù)值模擬

設(shè)定h0＝0，即不考慮大尺度雙波地形的影響。為了討論在NAO負(fù)位相初始條件下，來自上游的不同強(qiáng)度天氣尺度擾動(dòng)波和不同強(qiáng)度基本西風(fēng)氣流對(duì)NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相的影響，本文進(jìn)行了多次數(shù)值模擬試驗(yàn)。按照如圖1的五種天氣尺度波分布，再疊加不同強(qiáng)度的基本西風(fēng)氣流背景流進(jìn)行數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)出NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)換成正位相的個(gè)例數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)和符號(hào)“＊”表示位于下游的系統(tǒng)西退至大西洋使NAO的位相轉(zhuǎn)換的情況，其余的表示從上游或局地發(fā)展使位相發(fā)生轉(zhuǎn)換的個(gè)例數(shù)。從表1可以看出，弱基本西風(fēng)、強(qiáng)（振幅大，活動(dòng)范圍廣）的天氣尺度擾動(dòng)波是NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)換為正位相的有利條件。

圖1 天氣尺度波擾動(dòng)源水平分布圖。橫坐標(biāo) （向東）：x方向的無量綱長度，縱坐標(biāo) （向北）：y方向的無量綱長度；等值線：無量綱流函數(shù) （等值線間距0.2），實(shí)線：異常反氣旋；虛線：異常氣旋Fig.1 Horizontal distributions of the wavemaker Fs.xcoordinate and ycoordinate represent nondimensional length；the contour represents stream function with contour interval（CI）of 0.2；the solid（dashed）contour denotes abnormal anticyclone（cyclone）

圖3給出的是其中一例下游系統(tǒng)西退使NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)換為正位相總流場(chǎng)的演變過程，從圖中可以看出，初始時(shí)刻 （第0天）為NAO負(fù)位相的初始場(chǎng)，在第1天時(shí)，上游的強(qiáng)迫源不斷激發(fā)出天氣尺度擾動(dòng)波，與行星尺度波相互作用，第4天流函數(shù)的振幅出現(xiàn)閉合高壓中心，到第8天環(huán)流增強(qiáng)至最大，出現(xiàn)多渦結(jié)構(gòu)，到第12天位于下游的弱NAO正位相事件開始逐漸西退，到第16天時(shí)已經(jīng)西退至大西洋使原中心的NAO負(fù)位相發(fā)生轉(zhuǎn)換，接著轉(zhuǎn)換的NAO正位相發(fā)展再逐漸消亡。

圖4給出的是對(duì)應(yīng)時(shí)間的行星尺度波流場(chǎng)的演變過程，從中也可以明顯地看出下游的大尺度北負(fù)南正的距平中心西退至大西洋使NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相的演變過程。

圖3 模擬的一次NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)換為正位相的演變過程 （無量綱總流場(chǎng)）。等值線間距：0.2Fig.3 Simulated NAO transition process from negative phase to positive phase（total stream function field）.CI＝0.2

3.2 大尺度雙波地形條件下的數(shù)值模擬

設(shè)定h0＝0.2，即考慮大尺度雙波地形的影響。大尺度雙波地形提供了兩槽兩脊的形勢(shì)。在地形的強(qiáng)迫下，類似第一部分，通過調(diào)整基本西風(fēng)氣流大小，天氣尺度擾動(dòng)波的振幅、活動(dòng)范圍進(jìn)行數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)出NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相的個(gè)例數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。括號(hào)內(nèi)的數(shù)和符號(hào) “＊”表示位于下游的系統(tǒng)西退至大西洋使NAO的位相轉(zhuǎn)換的情況，其余的表示從上游東移或局地發(fā)展使位相發(fā)生轉(zhuǎn)換的個(gè)例數(shù)。從表2可以看出，疊加大尺度雙波地形強(qiáng)迫后，弱基本西風(fēng)、強(qiáng) （振幅大，活動(dòng)范圍廣）的天氣尺度擾動(dòng)波仍是NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相的有利條件，但相比于無地形強(qiáng)迫條件下的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)大尺度雙波地形的存在使位相轉(zhuǎn)換的個(gè)例數(shù)減少了，并且大尺度雙波地形的存在造成流場(chǎng)的南北不對(duì)稱形勢(shì)，高壓得到加強(qiáng)，低壓被弱化，這也使得閉合型流場(chǎng)的時(shí)間提前，閉合高壓的強(qiáng)度略微增強(qiáng)，并且地形的存在破壞了天氣尺度波的南北結(jié)構(gòu)，雖也分裂成2支，但在阻塞區(qū)域北支明顯強(qiáng)于南支，行星尺度波雖出現(xiàn)弱偶極子結(jié)構(gòu)，由于高壓強(qiáng)度明顯強(qiáng)于低壓、活動(dòng)范圍大于低壓區(qū)，以致弱偶極子減弱形成Ω結(jié)構(gòu)。刁一娜等 （2004）通過動(dòng)力學(xué)研究得出地形強(qiáng)迫下會(huì)產(chǎn)生“Ω”型阻塞。

圖4 模擬的一次NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)換為正位相的演變過程 （無量綱行星尺度流場(chǎng)）（等值線間距：0.1）Fig.4 Simulated NAO transition process from negative phase to positive phase（planetary－scale stream function field，CI＝0.1）

表2 同表1，但為地形強(qiáng)迫條件下Table 2 As in Table 1，but with topographic forcing

表3 無地形強(qiáng)迫條件下不同強(qiáng)度的基本西風(fēng)氣流和天氣尺度波條件下NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相的個(gè)例數(shù)Table 3 Without topographic forcing，the number of the cases in which the NAO transforms from positive phase to negative phase under the conditions of different intensity of basic westerly flow and synoptic－scale waves

4 NAO正位相轉(zhuǎn)負(fù)位相的數(shù)值模擬

4.1 無地形條件的數(shù)值模擬

設(shè)定h0＝0，即不考慮大尺度雙波地形的影響。需要指出的是，當(dāng)初始流場(chǎng)為NAO正位相時(shí)，在原有模式中調(diào)節(jié)基本西風(fēng)氣流或擾動(dòng)源的強(qiáng)度，NAO正位相很難轉(zhuǎn)化為NAO負(fù)位相。根據(jù)歷年觀測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴軸瞬變擾動(dòng)渦列在上世紀(jì)末前后有變動(dòng)，其活動(dòng)中心東移并略向北移，強(qiáng)度增強(qiáng) （Chang and Fu，2002，Luo et al.2010b），根據(jù)這個(gè)觀測(cè)結(jié)果，我們調(diào)節(jié)擾動(dòng)源的分布，即在模式中將擾動(dòng)源公式變?yōu)椋?/p>

其中，令km＝8，調(diào)節(jié)b0、b1、α的大小，得到不同強(qiáng)度的天氣尺度波空間分布圖 （如圖5所示）。

根據(jù)圖5中擾動(dòng)源的分布調(diào)節(jié)模式中b0、b1、α的大小，并同時(shí)調(diào)節(jié)基本流u0的大小，使其從0.5遞增到0.9，統(tǒng)計(jì)出下游阻塞西退至大西洋，使NAO由正位相轉(zhuǎn)換為NAO負(fù)位相的情況，根據(jù)西退、局地發(fā)展、東移三種不同情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，適當(dāng)弱的基本西風(fēng)氣流有利于歐洲大陸上的阻塞西退至大西洋，使NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相；而當(dāng)基本西風(fēng)急流強(qiáng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局地發(fā)展或從上游東移而來的阻塞使NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相；強(qiáng)度加強(qiáng)，活動(dòng)中心東移且北移的天氣尺度擾動(dòng)波是NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相的有利條件。

圖6給出的是其中一例下游阻塞西退至大西洋使NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相總流場(chǎng)的演變過程，從圖中可以看出，在第27天中心流函數(shù)的振幅最大，到第29天位于下游的阻塞開始逐漸西退，到第33天位于下游的阻塞已經(jīng)西退至大西洋，然后開始不斷發(fā)展，到35天達(dá)到最強(qiáng)，隨后又不斷減弱，到第41天，又出現(xiàn)西退使位相發(fā)生轉(zhuǎn)換。

表4 同表3，但為地形強(qiáng)迫條件下Table 4 As in Table 3，but with topographic forcing

圖5 不同強(qiáng)度的天氣尺度波擾動(dòng)分布圖 （等值線間距：0.4，實(shí)線表示異常反氣旋，虛線表示異常氣旋）Fig.5 Horizontal distributions of the wave maker.CI＝0.4；the solid（dashed）contours denote anticyclones（cyclones）

4.2 大尺度雙波地形條件下的數(shù)值模擬

設(shè)定h0＝0.2，考慮大尺度雙波地形的影響。類似上一部分，通過調(diào)整基本西風(fēng)氣流大小以及天氣尺度擾動(dòng)波的振幅，根據(jù)西退、局地發(fā)展、東移三種不同情況統(tǒng)計(jì)出NAO由正位相轉(zhuǎn)為負(fù)位相的個(gè)例數(shù)，計(jì)結(jié)果如表4所示。從表4中可以得到類似的結(jié)論，適當(dāng)弱的基本西風(fēng)氣流有利于歐洲大陸上的阻塞西退至大西洋，使NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相；而當(dāng)基本西風(fēng)急流強(qiáng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局地發(fā)展的阻塞或從上游東移而來的阻塞使中心的NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相；強(qiáng)度加強(qiáng)，活動(dòng)中心東移且北移的天氣尺度擾動(dòng)波是NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相的有利條件；但相比于無地形強(qiáng)迫條件下的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)大尺度雙波地形的存在使下游阻塞西退到大西洋使NAO位相轉(zhuǎn)換的個(gè)例數(shù)略有減少。

圖6 模擬的一次NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相的演變過程 （無量綱總流場(chǎng)）（等值線間距：0.4）Fig.6 Simulated NAO transition process from positive phase to negative phase（total stream function field，CI＝0.4）

5 結(jié)論與討論

本文借助一個(gè)β通道正壓數(shù)值模型來模擬了基本西風(fēng)氣流和天氣尺度渦對(duì)NAO位相轉(zhuǎn)換的影響，并討論了大尺度雙波地形對(duì)其的影響。得到了主要結(jié)論如下：

（1）弱的基本西風(fēng)氣流有利于下游系統(tǒng)西退至大西洋，使NAO由負(fù) （正）位相轉(zhuǎn)換為NAO正（負(fù)）位相。對(duì)這一結(jié)論的理解，可采用有限振幅的羅斯貝波相速度公式 （Luo，2000；Luo et al.，2011）：

其中，Cp代表波動(dòng)相速度，u0代表基本西風(fēng)基本流，k，m分別為緯向和經(jīng)向波數(shù)，M0代表波動(dòng)振幅大小。取δ＞0以及F≈1（Luo，2000）。從式（6）中可以得到，u0越小，導(dǎo)致Cp越容易出現(xiàn)負(fù)值，即下游系統(tǒng)越容易西退至中心，而原中心的模態(tài)將不斷減弱，最終使中心的位相發(fā)生位相轉(zhuǎn)換。

（2）振幅強(qiáng)、活動(dòng)范圍大的天氣尺度擾動(dòng)波是NAO由負(fù)位相轉(zhuǎn)換為正位相的有利條件；而天氣尺度擾動(dòng)波的加強(qiáng)并北移時(shí)有利于NAO由正位相轉(zhuǎn)換為負(fù)位相。這是因?yàn)?，?dāng)天氣尺度波越強(qiáng)，就會(huì)產(chǎn)生較大振幅的波動(dòng)，即式 （6）中M0的值越大，就會(huì)導(dǎo)致Cp越容易出現(xiàn)負(fù)值；且當(dāng)天氣尺度擾動(dòng)波加強(qiáng)北移時(shí)，有利于北歐高緯度地區(qū)1波加強(qiáng)西退，最終使中心的位相發(fā)生位相轉(zhuǎn)換。

（3）大尺度雙波地形的存在使NAO由正 （負(fù)）位相轉(zhuǎn)換為負(fù)（正）個(gè)例數(shù)略有減少。這是因?yàn)榇蟪叨入p波地形的存在使中高緯度的基本西風(fēng)氣流增強(qiáng) （Luo et al.，2007a），從而使得式 （6）中Cp越容易出現(xiàn)正值，不利于下游系統(tǒng)西退。

需要指出的是，除了基本流、天氣尺度渦以及地形會(huì)對(duì)NAO位相轉(zhuǎn)換的有影響，在大氣中海溫、急流以及大氣斜壓性等多種要素對(duì)NAO位相轉(zhuǎn)換也有著重要的影響。因此，綜合其它因素對(duì)NAO位相轉(zhuǎn)換又有著怎樣的影響，這些仍需要進(jìn)一步的研究。

致謝兩位審稿人對(duì)本文的修改提出了許多寶貴的意見，使作者受益匪淺。在此，作者對(duì)兩位審稿人表示由衷的感謝。

（References）

Archambault H M，Keyser D，Bosart L F.2010.Relationships between large－scale regime transitions and major cool－season precipitation events in the Northeastern United States［J］.Mon.Wea.Rev.，138：3454－3473.

Benedict J J，Lee S，F(xiàn)eldstein S B.2004.Synoptic view of the North Atlantic Oscillation［J］.J.Atmos.Sci.，61：121－144.

Blackmon M L，Lee Y H，Wallace J M.1984.Horizontal structure of 500mb height fluctuations with long，intermediate and short time scales［J］.J.Atmos.Sci.，41：961－979.

Chang E K M，F(xiàn)u Y F.2002.Interdecadal variations in Northern Hemisphere winter storm track intensity ［J］.J.Climate，15：642－658.

刁一娜，李建平，羅德海.2004.阻塞流場(chǎng)與瞬變渦動(dòng)相互作用的動(dòng)力學(xué)研究 ［J］.大氣科學(xué)，28：901－923. Diao Yina，Li Jianping，Luo Dehai.2004.A dynamic study of the interaction between transient eddies and blocking［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），28：901－923.

Feldstein S B.2003.The dynamics of NAO teleconnection pattern growth and decay［J］.Quart.J.Roy.Meteor.Soc.，129：901－924.

Feldstein S B，Lee S.1998.Is the atmospheric zonal index driven by an eddy feedback？［J］.J.Atmos.Sci.，55：3077－3086.

Hoskins B J，Valdes P J.1990.On the existence of storm－tracks［J］.J.Atmos.Sci.，47：1854－1864.

胡躍文，楊小怡.2007.北極濤動(dòng)與北大西洋濤動(dòng)的低頻變化特征［J］.氣象科學(xué)，27（3）：216－322. Hu Yuewen，Yang Xiaoyi.2007.Low－frequency variability of AO and NAO ［J］.Scientia Meteorologica Sinica（in Chinese），27（3）：216－322.

Hurrell J W.1995a.Decadal trends in the North Atlantic Oscillation：regional temperatures and precipitation［J］.Science，269：676－679.

Hurrell J W.1995b.Transient eddy forcing of the rotational flow during northern winter［J］.J.Atmos.Sci.，52：2286－2301.

Luo D H.2000.Planetary－scale baroclinic envelope Rossby solitons in a two－layer model and their interaction with synoptic－scale eddies［J］.Dyn.Atmos.Oceans，32：27－74.

Luo D H，Diao Y N，F(xiàn)eldstein S B.2011.The variability of the Atlantic storm track and the North Atlantic Oscillation：A link between intraseasonal and interannual variability ［J］.J.Atmos.Sci.，68：577－601.

Luo D，Gong T，Diao Y.2007a.Dynamics of eddy－driven low－frequency dipole modes.Part III：Meridional displacement of westerly jet anomalies during two phases of NAO ［J］.J.Atmos.Sci.，64：3232－3248.

Luo D H，Lupo A R，Wan H.2007b.Dynamics of eddy－driven lowfrequency dipole modes.Part I：A simple model of North Atlantic Oscillation［J］.J.Atmos.Sci.，64：3－38.

Luo D H，Zhong L H，Ren R C，et al.2010a.Spatial pattern and zonal shift of the North Atlantic Oscillation.Part II：Numerical experiments［J］.J.Atmos.Sci.，67：2827－2853.

Luo D H，Zhu Z H，Ren R C，et al.2010b.Spatial pattern and zonal shift of the North Atlantic Oscillation.Part I：A dynamical interpretation［J］.J.Atmos.Sci.，67：2805－2826.

沈?qū)W順，木本昌秀.2007.春季歐亞大陸地表氣溫變化特征的氣候意義 ［J］.大氣科學(xué)，31（1）：19－27. Shen Xueshun，Kimoto M.2007.Studies of the interannual variability of springtime Eurasian surface air temperature［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），31（1）：19－27.

Vallis G K，Gerber E P，Kushner P J，et al.2004.A mechanism and simple dynamical model of the North Atlantic Oscillation and annular modes［J］.J.Atmos.Sci.，61：264－280.

Wu Z W，Li J P，Jiang Z H，et al.2011.Possible effects of the North Atlantic Oscillation on the strengthening relationship between the East Asian summer monsoon and ENSO ［J］.International Journal of Climatology，31.

Wu Z W，Wang B，Li J P，et al.2009.An empirical seasonal prediction model of the East Asian summer monsoon using ENSO and NAO ［J］.J.Geophys.Res.，114：D18120，doi：10.1029／2009JD011733.

A Numerical Study of the Phase Transition of the North Atlantic Oscillation

LI Zhongyan1and LUO Dehai2

1CollegeofPhysicalandEnvironmentalOceanography，OceanUniversityofChina，Qingdao266100
2KeyLaboratoryofRegionalClimate－EnvironmentforEastAsia，InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029

Using a nonlinear quasi－geostrophic barotropic model，the paper investigates numerically how the spatial pattern of synoptic scale waves and the westerly wind strength affect the phase transition of the North Atlantic Oscillation（NAO），and the role played by the large－scale topography.It is found that the weak basic westerly wind is favorable for the westward shift of the downstream large－scale system，favoring the transition of the NAO from positive（negative）phase into negative（positive）phase.It is noted that when the synoptic scale waves are stronger and concentrated in a wider region，the NAO event can transform more easily from the negative phase into positive phase；when the synoptic scale waves are stronger and shift northward，the NAO can transform more easily from the positive into negative phase.In the presence of a large scale topography，the number of the cases in which the NAO transforms from positive（negative）phase to negative（positive）phase is reduced.

North Atlantic Oscillation（NAO），phase transition；numerical study，synoptic scale waves，westerly wind strength

1006－9895（2012）02－0374－11

P434

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11055

李忠燕，羅德海.2012.北大西洋濤動(dòng)位相轉(zhuǎn)換的數(shù)值研究 ［J］.大氣科學(xué)，36（2）：374－384，

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11055.Li Zhongyan，Luo Dehai.2012.A numerical study of the phase transition of the North Atlantic Oscillation［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（2）：374－384.

2011－03－14，2011－06－28收修定稿

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目41075042，中國科學(xué)院 “百人計(jì)劃”資助項(xiàng)目y163011

李忠燕，女，1986年出生，碩士，主要從事北大西洋濤動(dòng)研究。E－mail：lizhongyan＠ouc.edu.cn