魏麟驍1, 2 陳權(quán)亮2 程炳巖1 劉曉冉1

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平流層強(qiáng)、弱極渦事件的演變過(guò)程及其對(duì)我國(guó)冬季天氣的影響

魏麟驍陳權(quán)亮程炳巖劉曉冉

1重慶市氣候中心，重慶401147 2成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610225

本文利用1979～2010年的NCEP再分析資料，通過(guò)北半球環(huán)狀模NAM指數(shù)挑選出的強(qiáng)、弱極渦個(gè)例，分析了北半球平流層異常變化過(guò)程中行星波的演變以及與之相聯(lián)系的我國(guó)天氣的變化特征。結(jié)果表明，在強(qiáng)極渦事件前，行星波1波會(huì)被反射回對(duì)流層，極地波導(dǎo)減弱，低緯波導(dǎo)增強(qiáng)，中高緯地區(qū)的E-P通量矢量有著從平流層傳播到對(duì)流層的趨勢(shì)；強(qiáng)極渦事件后，極地波導(dǎo)增強(qiáng)，低緯波導(dǎo)減弱。在弱極渦事件前，中、高緯度行星波1波沿著極地波導(dǎo)的傳播明顯增強(qiáng)；弱極渦事件后，極地波導(dǎo)明顯減弱。與此對(duì)應(yīng)的我國(guó)天氣也有明顯變化，在強(qiáng)極渦事件前，我國(guó)大部分地區(qū)溫度偏低，南方地區(qū)偏濕而新疆西北部和云南西部地區(qū)偏干；在強(qiáng)極渦事件后，東亞冬季風(fēng)進(jìn)一步增強(qiáng)，冷空氣加強(qiáng)南下，南方地區(qū)可降水量減少，新疆西北部仍然偏干，而云南大部分地區(qū)可將水量增加。在弱極渦事件前，東亞冬季風(fēng)顯著增強(qiáng)，使我國(guó)氣溫偏冷，降水減少，而弱極渦事件后，我國(guó)氣溫明顯回升，中、東部地區(qū)和新疆西北部地區(qū)降水明顯增加。

平流層極渦 北半球環(huán)狀模 行星波 波動(dòng)耦合事件

1 引言

在過(guò)去，人們常常認(rèn)為平流層與對(duì)流層的動(dòng)力耦合是一個(gè)單向過(guò)程，亦即對(duì)流層通過(guò)上傳的羅斯貝波和重力波對(duì)平流層施加影響，然而，觀測(cè)資料和模式模擬都發(fā)現(xiàn)平流層并不一直都處于受對(duì)流層影響的被動(dòng)狀態(tài)，在某些情況下，平流層環(huán)流的異常也可以影響到對(duì)流層冬季的天氣和氣候。Baldwin et al.（2001，2003a，2003b）通過(guò)計(jì)算對(duì)流層—平流層的耦合模態(tài)指數(shù)（AO或NAM北極濤動(dòng)或北半球環(huán)狀模指數(shù)指數(shù)）發(fā)現(xiàn)，平流層的異常往往領(lǐng)先于對(duì)流層的異常，并經(jīng)過(guò)大概三周的時(shí)間到達(dá)對(duì)流層底，這對(duì)于天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的提高具有重要意義。但是，也有研究指出歐亞大陸前期的雪蓋異常是冬季平流層AO異常的原因之一，因此，北半球的雪蓋異常要領(lǐng)先于平流層（Cohen et al., 2007）。

平流層與對(duì)流層的動(dòng)力耦合是研究北半球冬季天氣、氣候變化的關(guān)鍵點(diǎn)之一，然而，它們的耦合機(jī)制并不是很清楚。Thompson and Wallace （1998）提出的北極濤動(dòng)（Artic Oscillation）概念為研究平流層影響對(duì)流層提供了一個(gè)重要途徑，人們發(fā)現(xiàn)這種振蕩現(xiàn)象在對(duì)流層和平流層的各層都有體現(xiàn)，并且平流層AO還可以下傳影響到對(duì)流層（Thompson and Wallace，2000；Thompson et al., 2002；Thompson et al., 2003）。平流層AO異常時(shí)常常伴隨著急流的南北移動(dòng)以及緯向風(fēng)的增強(qiáng)和減弱，這是由于大氣內(nèi)部的異常波動(dòng)造成的（Zhou et al., 2002），很多模式試驗(yàn)和觀測(cè)分析都證明了這一點(diǎn)，因此，波動(dòng)異常對(duì)AO的形成和維持至關(guān)重要，尤其是行星尺度波動(dòng)的貢獻(xiàn)最大。Dunkerton and Baldwin（1991）和Perlwitz and Harnik（2003）都指出了準(zhǔn)定常行星波的活動(dòng)在平流層影響對(duì)流層中的關(guān)鍵作用。E-P通量是診斷行星波活動(dòng)的重要工具，Limpasuvan et al.（2004）的工作表明，平流層異常的下傳也伴隨著E-P通量的下傳，伴隨著這種異常下傳至對(duì)流層頂，能夠使對(duì)流層的熱量、動(dòng)量通量產(chǎn)生異常變化，進(jìn)而對(duì)近地面產(chǎn)生影響。我國(guó)研究人員專(zhuān)門(mén)針對(duì)行星波進(jìn)行了研究，蘭曉青和陳文（2013）以及蘭曉青等（2012）利用再分析資料和模式輸出資料對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，冬季的準(zhǔn)定常行星波活動(dòng)最強(qiáng)，45°N 以北的歐亞大陸和北太平洋是行星波活動(dòng)的源地，平流層極渦通過(guò)和行星波的相互作用對(duì)東亞地區(qū)大氣環(huán)流有明顯的影響。鄧淑梅等（2006）和李琳等（2010）對(duì)SSW（平流層爆發(fā)性增溫）現(xiàn)象做了研究，在SSW發(fā)生后，平流層高緯地區(qū)出現(xiàn)的異常變化會(huì)以AO型振蕩向?qū)α鲗又?、高緯傳播，而且前期行星波的擾動(dòng)也會(huì)使東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)。綜述前人的研究，平流層異常向下傳播影響對(duì)流層的可能途徑主要有以下兩個(gè)方面：第一，通過(guò)影響經(jīng)圈環(huán)流（Haynes et al.,1991; Thompson et al., 2006）或者通過(guò)平流層的位渦異常造成的靜力適應(yīng)和地轉(zhuǎn)適應(yīng)過(guò)程來(lái)影響對(duì)流層（Hartley et al., 1998；Black et al., 2002；Ambasum et al., 2002）；第二，通過(guò)反射對(duì)流層上傳的行星波來(lái)影響對(duì)流層，Perlwitz and Harnik（2003），Perlwitz and Harnik（2004）和Shaw and Perlwitz（2013）指出平流層上的波動(dòng)反射現(xiàn)象可以影響對(duì)流層的波動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)對(duì)流層產(chǎn)生影響，他們把這一過(guò)程稱(chēng)之為向下的波動(dòng)耦合。在平流層中，向下的波動(dòng)耦合過(guò)程非常適合于行星波1波，而這個(gè)過(guò)程起源于從對(duì)流層上傳至平流層的行星波，稱(chēng)之為向上的波動(dòng)耦合。

已經(jīng)有越來(lái)越多的證據(jù)表明，平流層的動(dòng)力作用在影響對(duì)流層氣候變率方面扮演了非常重要的角色，一些研究者把對(duì)流層與平流層之間相互作用的事件稱(chēng)之為T(mén)ST (troposphere–stratosphere– troposphere events)事件（Reichler et al.，2005）。但是，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于其動(dòng)力機(jī)制方面的研究并不是很多，因此，在前人工作的基礎(chǔ)上，本文將對(duì)平流層異常事件中行星波的傳播做一些詳細(xì)分析，并利用合成分析等方法揭示與此相聯(lián)系的我國(guó)天氣的異常。

2 資料和方法

本文所使用的數(shù)據(jù)是NCEP/DOE全球再分析資料的逐日數(shù)據(jù)，這套資料是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心和美國(guó)能源部合作提供的再分析資料，它采用的是和NCEP/NCAR再分析資料相同的同化系統(tǒng)，修復(fù)了上一套資料模式中的錯(cuò)誤，并升級(jí)了大氣中物理過(guò)程的參數(shù)化方案，分辨率和垂直層次與上一套資料相同，不同點(diǎn)在于它的時(shí)間始于1979年1月（Kanamitsu et al., 2002）。

本文采用了Baldwin et al. (2009) 計(jì)算NAM指數(shù)的第二種方法來(lái)表現(xiàn)平流層的異常下傳對(duì)于對(duì)流層的影響，即把緯向平均位勢(shì)高度場(chǎng)做EOF分析，得到的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)作為NAM指數(shù)。當(dāng)NAM指數(shù)為正時(shí)，對(duì)應(yīng)著極渦較強(qiáng)，而NAM指數(shù)為負(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)著極渦較弱。Baldwin and Dunkerton（2009）將10 hPa上的NAM指數(shù)大于＋1.5時(shí)定義為強(qiáng)極渦，小于－3時(shí)定義為弱極渦，然而冬季平流層NAM指數(shù)出現(xiàn)大于＋1.5的年份有很多，還有些正、負(fù)異常事件持續(xù)的時(shí)間也很短，因此，本文挑選強(qiáng)、弱極渦的標(biāo)準(zhǔn)是：選取11月至次年4月10 hPa上NAM指數(shù)的最大值大于＋2.5，并且大于＋1超過(guò)30天為一次強(qiáng)極渦事件；選取11月至次年4月10 hPa上NAM指數(shù)的最小值小于－3，并且小于－1超過(guò)20天為一次弱極渦事件，共挑選出10個(gè)強(qiáng)極渦事件（表1）和14個(gè)弱極渦事件（表2）。選取強(qiáng)、弱極渦的NAM指數(shù)分別達(dá)到最大、最小值的那一天為第0天，分別對(duì)強(qiáng)、弱極渦事件做第－60天到＋60天的合成。

表1 10 hPa上強(qiáng)極渦事件的北半球環(huán)狀模（NAM）指數(shù)達(dá)到最大值的日期

表2 10 hPa上弱極渦事件的NAM指數(shù)達(dá)到最小值的日期

在研究行星波活動(dòng)與平流層極渦的關(guān)系時(shí)用到了二維E-P通量，即定義

3 強(qiáng)、弱極渦事件的環(huán)流對(duì)比

表1和表2是以本文定義的標(biāo)準(zhǔn)選取的1979年1月至2011年12月的強(qiáng)、弱極渦事件。在2000年以后，弱極渦事件發(fā)生的次數(shù)多于強(qiáng)極渦。從表中可以看到，強(qiáng)極渦的NAM指數(shù)達(dá)到最大值最早是在1月份，而最晚是在3月份；弱極渦的NAM指數(shù)達(dá)到最小值最早是在12月份，而最晚也是在3月份。圖1是合成的NAM指數(shù)的時(shí)空分布圖，左邊為強(qiáng)極渦事件，右邊為弱極渦事件。無(wú)論是強(qiáng)極渦還是弱極渦，它們都出現(xiàn)了下傳現(xiàn)象，不同點(diǎn)在于：強(qiáng)極渦不一定在強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)才會(huì)下傳，當(dāng)其不是很強(qiáng)的時(shí)候也出現(xiàn)了下傳現(xiàn)象，在0天前，強(qiáng)極渦事件出現(xiàn)了兩次下傳現(xiàn)象，而在0天后出現(xiàn)了一次；對(duì)于弱極渦，在其發(fā)展的前期，NAM指數(shù)的最大值出現(xiàn)在對(duì)流層，從－20天開(kāi)始，平流層的負(fù)異常現(xiàn)象發(fā)展得非常迅速，并在第0天左右傳播至對(duì)流層底層，共出現(xiàn)了三次下傳現(xiàn)象。由上圖可見(jiàn)，平流層的異常的確可以下傳至對(duì)流層并對(duì)對(duì)流層產(chǎn)生影響，但是垂直下傳的現(xiàn)象普遍較弱，本文主要探討的是強(qiáng)、弱極渦事件中行星波的傳播特征，以期對(duì)平流層影響對(duì)流層的動(dòng)力學(xué)過(guò)程做出一些說(shuō)明，其對(duì)于延伸期預(yù)測(cè)的提高仍需要深入研究。

在分析行星波傳播特征之前首先給出極地地區(qū)氣候要素的變化，以上3組圖分別是強(qiáng)、弱極渦事件中，極地地區(qū)的位勢(shì)高度距平場(chǎng)、氣溫場(chǎng)和相對(duì)濕度場(chǎng)區(qū)域平均的時(shí)空分布圖。出現(xiàn)強(qiáng)極渦（圖2a）時(shí)，位勢(shì)高度異常出現(xiàn)了明顯的下傳現(xiàn)象，在第40天以前，平流層和對(duì)流層都為負(fù)距平值，其最小值出現(xiàn)在10 hPa上，在－2000 gpm左右；出現(xiàn)弱極渦（圖2b）時(shí)，最大正距平中心同樣出現(xiàn)在10 hPa上，在＋600 gpm左右，正距平持續(xù)的時(shí)間很短（在0天附近）和范圍也很?。▋H延伸至50 hPa左右）。從溫度場(chǎng)上（圖2c，d）可以看到，強(qiáng)極渦的第0天對(duì)應(yīng)著溫度的最低值（大概在195 K左右），出現(xiàn)在30 hPa上；弱極渦時(shí)，極地地區(qū)的溫度在短時(shí)間內(nèi)劇烈升高，其最大值在235 K以上。濕度場(chǎng)（圖2e，f）與平流層強(qiáng)、弱極渦也有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)極渦時(shí)，濕度場(chǎng)的最大值也出現(xiàn)在第0天，且位于平流層低層（70 hPa左右），最大可達(dá)到45%以上；弱極渦時(shí)，平流層在第0天的相對(duì)濕度在5%以下。以上的分析表明，強(qiáng)的平流層極渦是一個(gè)冷性和偏濕的氣旋性渦旋，而弱極渦事件會(huì)使極渦所在區(qū)域內(nèi)的氣壓迅速升高、升溫并且變干。

北半球平流層極渦并不一直局限在極地地區(qū)，它常常會(huì)向南移動(dòng)，而且環(huán)流形態(tài)通常并不對(duì)稱(chēng)，易明建（2009）對(duì)平流層極渦的形態(tài)及其影響做了研究，而本文只探討極渦強(qiáng)度的影響，重點(diǎn)關(guān)注強(qiáng)、弱極渦事件在0天前、后行星波的傳播和與此相聯(lián)系的我國(guó)天氣異常。

4 強(qiáng)、弱極渦事件中行星波的傳播特征

Rossby波是指發(fā)生在地球大氣和海洋等流體中的波動(dòng)，它是由地球的旋轉(zhuǎn)和球面效應(yīng)產(chǎn)生的，按照波長(zhǎng)的長(zhǎng)短可以分為天氣尺度波和行星尺度波，后者對(duì)于天氣和氣候的變化有著重要影響（譚本 馗，2008）。準(zhǔn)定常行星波的異常變化與季風(fēng)的變異有很大關(guān)系，在冬季，行星尺度波動(dòng)只能在西風(fēng)氣流中傳播，并且只有1波和2波才能夠上傳至平流層，它通常沿著兩只波導(dǎo)傳播，一支是極地波導(dǎo)；另一支是低緯波導(dǎo)（陳文和黃榮輝，2005）。我國(guó)學(xué)者論證了平流層異常下傳過(guò)程中行星波的關(guān)鍵作用，陳文等（2008）指出NAM通過(guò)影響準(zhǔn)定常行星波的傳播從而造成了東亞冬季氣候的異常變化，他們發(fā)現(xiàn)行星波不僅可以影響西伯利亞高壓的強(qiáng)度，而且對(duì)阿留申低壓也有重要影響。

圖3為強(qiáng)極渦事件的波動(dòng)耦合指數(shù)在－20天到＋20天之間的時(shí)間—高度分布圖。在平流層上，波動(dòng)耦合指數(shù)在0天前、后呈相反分布，其最小值出現(xiàn)在70 hPa，而對(duì)流層上的指數(shù)也都為負(fù)值，由Shaw and Perlwitz（2013）的定義可知，第0天前對(duì)應(yīng)的是向下的波動(dòng)耦合事件，在前一階段上傳至平流層的行星波會(huì)被反射回對(duì)流層，極地波導(dǎo)明顯減弱，行星波向低緯度對(duì)流層頂?shù)膫鞑ピ鰪?qiáng)（圖4b），第0天后，平流層上的波動(dòng)耦合指數(shù)由正轉(zhuǎn)負(fù)，極地波導(dǎo)增強(qiáng)，低緯波導(dǎo)減弱（圖4d）。圖4是強(qiáng)極渦事件合成的1波振幅和E-P通量分布圖?？梢钥吹剑拘行遣?波振幅（圖4a，c）的最大值出現(xiàn)在平流層，位于60°N附近，對(duì)流層頂上也有一個(gè)極大值，位于30°～40°N之間。第0天前，對(duì)流層頂上的1波振幅達(dá)到了150 gpm，第0天后，這個(gè)極值中心向下和向北移動(dòng)，而平流層上1波振幅增強(qiáng)，這說(shuō)明上傳至平流層的行星波增強(qiáng)。從E-P通量圖上可以看到，第0天前，平流層高緯地區(qū)的E-P通量矢量（圖4b）有著從平流層下傳至對(duì)流層的趨勢(shì)，而0天后，沒(méi)有再出現(xiàn)這種下傳現(xiàn)象。

同圖5，圖6是弱極渦事件波動(dòng)耦合指數(shù)的分布圖，在0天前，對(duì)流層和平流層上的波動(dòng)耦合指數(shù)均為正值，正值中心出現(xiàn)在70～100 hPa之間，這一階段對(duì)應(yīng)的是向上的波動(dòng)耦合事件，行星波強(qiáng)烈發(fā)展，極地波導(dǎo)增強(qiáng)，低緯波導(dǎo)減弱（圖6b）；在0天后，平流層上的波動(dòng)耦合指數(shù)轉(zhuǎn)為負(fù)值，而對(duì)流層低層仍然為正。從E-P通量圖（圖6b，d）上可以看到，第0天后上傳至平流層的行星波1波與0天前相比明顯減弱，1波振幅（圖6a，c）強(qiáng)度減少了近一半。

5 強(qiáng)、弱極渦事件對(duì)于我國(guó)天氣的影響

關(guān)于正、負(fù)位相AO事件對(duì)北半球天氣、氣候的影響，我國(guó)很多研究者都做了研究，李崇銀等（2006）研究了平流層季節(jié)內(nèi)振蕩與對(duì)流層季節(jié)內(nèi)振蕩的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)通過(guò)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩，平流層的異常能夠影響到對(duì)流層。蘭曉青和陳文（2013）分析了2011～2012年冬季發(fā)生在歐亞大陸的一次異常低溫嚴(yán)寒事件，發(fā)現(xiàn)在2～3周左右的時(shí)間內(nèi)，平流層AO異常信號(hào)逐漸下傳，使得對(duì)流層AO也轉(zhuǎn)為負(fù)位相，隨后，冷空氣不斷向南爆發(fā)，導(dǎo)致低溫嚴(yán)寒事件。2009～2010年北半球也出現(xiàn)了極端低溫事件，其影響的范圍和災(zāi)害的程度比2011/2012年冬季還要大，孫誠(chéng)和李建平（2012）發(fā)現(xiàn)這次過(guò)程與負(fù)位相的AO聯(lián)系密切，AO通過(guò)影響經(jīng)向溫度平流從而造成了地面氣溫的異常，最終導(dǎo)致了北半球中緯度異常低溫的形成。黃榮輝和劉永等（2012）研究了2009年秋季以來(lái)的西南地區(qū)出現(xiàn)的異常干旱事件，發(fā)現(xiàn)這次干旱事件與AO也有著密切關(guān)系，負(fù)位相的AO造成了東亞冬季冷空氣活動(dòng)強(qiáng)且路徑偏東，使得到達(dá)西南地區(qū)的冷空氣偏弱，從而引起西南地區(qū)持續(xù)性嚴(yán)重干旱的發(fā)生。而在平流層上，從2011年12月起平流層的異常信號(hào)就已經(jīng)出現(xiàn)了下傳現(xiàn)象，但是，與以往不同的是，這一信號(hào)并不是很強(qiáng)，這說(shuō)明平流層上一些比較弱的異常信號(hào)也能夠向下傳播并對(duì)對(duì)流層產(chǎn)生影響（Wang and Chen, 2010a）?？傊珹O與北半球的天氣、氣候密切相關(guān)，在這一節(jié)我們重點(diǎn)考察與平流層正、負(fù)異常相聯(lián)系的我國(guó)天氣的異常變化特征。

5.1 強(qiáng)極渦事件對(duì)冬季大氣環(huán)流的影響

圖7是與平流層正異常相聯(lián)系的環(huán)流場(chǎng)和可降水量場(chǎng)。圖7a和e分別給出了平流層正異常時(shí)， －10～－1天和0～9天的500 hPa位勢(shì)高度異常場(chǎng)的分布形式。在強(qiáng)極渦事件前（－10～－1天），從新地島再到俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)都被正距平所覆蓋，而中低緯度地區(qū)被負(fù)距平所控制，東亞大槽的平均位置上位勢(shì)高度距平為負(fù)值，這說(shuō)明東亞大槽是增強(qiáng)的，這時(shí)的西風(fēng)帶經(jīng)向度較大，槽脊開(kāi)始發(fā)展，有利于氣流的經(jīng)向運(yùn)動(dòng)，冬季風(fēng)偏強(qiáng)。在強(qiáng)極渦事件后（0～9天），歐亞大陸北部的正距平中心向西移動(dòng)，東亞大槽仍偏強(qiáng)，這雖然與前人的結(jié)果（強(qiáng)極渦時(shí)，東亞大槽減弱）有所不同，但是并不矛盾，因?yàn)樵诘?0天左右，東亞大槽明顯減弱，整個(gè)歐亞大陸溫度的上升趨勢(shì)非常明顯（圖略）。

在強(qiáng)極渦事件前，溫度異常場(chǎng)（圖7b）上歐亞大陸北部的溫度為正距平，我國(guó)大部分地區(qū)溫度偏低，歐亞大陸北部出現(xiàn)一異常反氣旋，我國(guó)東部地區(qū)被異常的偏東風(fēng)控制。100°～130°E緯向平均風(fēng)場(chǎng)上表現(xiàn)為一種環(huán)狀模正異常的分布特征，高緯為異常西風(fēng)，中低緯為異常東風(fēng)。200 hPa高度上，緯向風(fēng)在東亞地區(qū)表現(xiàn)為副熱帶急流核區(qū)（30°～35°N）西風(fēng)減弱，這說(shuō)明東亞急流減弱，其入口區(qū)的次級(jí)環(huán)流在20°～35°N的中國(guó)南部地區(qū)產(chǎn)生異常的上升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，我國(guó)南部沿海地區(qū)有異常的南風(fēng)，這會(huì)為我國(guó)南方帶來(lái)更多的水汽，有利于該地區(qū)降水的增加（圖7c）。在這一階段，來(lái)自高緯度地區(qū)的冷空氣向南方入侵，使我國(guó)大部分地區(qū)氣溫異常偏低，由于冷空氣從極地和高緯度地區(qū)迅速釋放出來(lái)，造成了高緯地區(qū)的氣溫與氣候值相比較高。在強(qiáng)極渦事件后，歐亞大陸上的異常反氣旋中心向西移動(dòng)，主要影響我國(guó)新疆和中亞地區(qū)，出現(xiàn)在我國(guó)上空的溫度負(fù)值中心南壓，這說(shuō)明冬季風(fēng)增強(qiáng)，東部沿海地區(qū)仍然被異常的偏東風(fēng)控制（圖7f）。緯向風(fēng)場(chǎng)的環(huán)狀模特征有所減弱，10 hPa上的西風(fēng)極大值中心由65°N移至60°N，強(qiáng)度有所增強(qiáng)，對(duì)流層高層的中緯度地區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓Ｎ黠L(fēng)，副熱帶急流核區(qū)西風(fēng)增強(qiáng)，低緯仍然有異常的上升運(yùn)動(dòng)，只是強(qiáng)度減弱，這一階段對(duì)應(yīng)著平流層極渦偏離極地地區(qū)，并向南移動(dòng)。經(jīng)圈環(huán)流場(chǎng)上，在高緯地區(qū)的對(duì)流層上，北風(fēng)異常增強(qiáng)，造成了溫度負(fù)距平向南方移動(dòng)，同時(shí)850 hPa上的異常南風(fēng)也有所減弱，造成水汽輸送減弱，造成了我國(guó)南方地區(qū)降水有所減少（圖7g）。施能（1996）的研究表明我國(guó)冬季降水和東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)弱有很大關(guān)系，在強(qiáng)冬季風(fēng)年降水偏少而在弱冬季風(fēng)年降水偏多，Wang and Chen（2010b）通過(guò)對(duì)多個(gè)東亞冬季風(fēng)指數(shù)的對(duì)比分析驗(yàn)證了這一結(jié)論。在整層可降水量場(chǎng)上，強(qiáng)極渦事件前（圖7d），我國(guó)南部沿海地區(qū)的降水量為正距平，云南西部和新疆西北部為負(fù)距平，都通過(guò)了信度檢驗(yàn)，而強(qiáng)極渦事件后，南部沿海地區(qū)仍然偏濕，只是通過(guò)信度檢驗(yàn)的地區(qū)明顯減少，同時(shí)云南大部分地區(qū)的可降水量距平轉(zhuǎn)為正值，通過(guò)了信度檢驗(yàn)，新疆西北部持續(xù)偏干，這也證實(shí)了當(dāng)東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí)，降水量偏少。

5.2 弱極渦事件對(duì)冬季大氣環(huán)流的影響

當(dāng)平流層出現(xiàn)負(fù)異常時(shí)，在弱極渦事件前，500 hPa位勢(shì)高度距平場(chǎng)上歐亞大陸的東北部為一負(fù)距平中心，通過(guò)了信度檢驗(yàn)，東亞大槽是明顯增強(qiáng)的。在弱極渦事件后，東北地區(qū)的負(fù)距平中心向太平洋移動(dòng)，我國(guó)大部分地區(qū)被正距平所控制。在弱極渦 事件前，東亞地區(qū)被溫度負(fù)距平所占據(jù)，負(fù)距平中心出現(xiàn)在外興安嶺附近。風(fēng)場(chǎng)上，東北亞地區(qū)被一強(qiáng)大的異常氣旋控制，我國(guó)北方地區(qū)為異常的西北風(fēng)，而華南地區(qū)為異常的東北風(fēng)（圖8b）。緯向平均風(fēng)場(chǎng)在東亞地區(qū)表現(xiàn)為環(huán)狀模負(fù)異常的分布特征，高緯為異常東風(fēng)，中低緯為異常西風(fēng)。東亞地區(qū)的副熱帶急流核區(qū)西風(fēng)增速，東亞急流偏強(qiáng)，中國(guó)東部區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)很弱，在經(jīng)圈環(huán)流場(chǎng)上也可以看到，極地 地區(qū)的異常北風(fēng)向南入侵，其范圍到達(dá)了低緯地區(qū)，這表明弱極渦前東亞冬季風(fēng)異常強(qiáng)盛（圖8c）。在 弱極渦事件后，溫度場(chǎng)上的負(fù)距平中心移向太平洋，我國(guó)大部分地區(qū)溫度升高，正距平中心出現(xiàn)在內(nèi)蒙古中部和新疆西北部，中東部地區(qū)被異常的東南風(fēng)控制（圖8f）。緯向平均風(fēng)場(chǎng)上，10 hPa上的異常東風(fēng)增強(qiáng)，其中心位置由70°N移至65°N附近，這種環(huán)狀模的負(fù)異常結(jié)構(gòu)減弱。200 hPa上，副熱帶急流核區(qū)西風(fēng)減速，東亞急流減弱，25°～45°N之間產(chǎn)生了異常的上升運(yùn)動(dòng)，而850 hPa上的異常南風(fēng)為我國(guó)中東部地區(qū)帶來(lái)了更多的水汽。經(jīng)圈環(huán)流場(chǎng)上，極地冷空氣收縮，對(duì)南部地區(qū)影響減少，在對(duì)流層的中高緯地區(qū)都為異常南風(fēng)，東亞冬季風(fēng)減弱，溫度異常偏高，從而使我國(guó)中東部地區(qū)偏濕和偏暖（圖8g）。圖8d是弱極渦事件前整層可降水量的空間分布圖，我國(guó)大部分地區(qū)偏干，負(fù)值中心出現(xiàn)在廣東地區(qū)。弱極渦事件后，我國(guó)中東部地區(qū)以及新疆的西北部都偏濕，它們都通過(guò)了信度檢驗(yàn)（圖8h）。由以上可 知，在弱極渦事件前，東亞冬季風(fēng)顯著增強(qiáng)，我國(guó)氣溫偏低，可降水量減少，而在弱極渦事件后，我國(guó)氣溫明顯回升，中東部和新疆西北地區(qū)可降水量增加。

6 結(jié)論

本文通過(guò)NCEP資料選取了1979年1月至2011年12月間的10個(gè)強(qiáng)極渦事件和14個(gè)弱極渦事件，分析了平流層異常時(shí)行星波的活動(dòng)特征，并探討了與此相聯(lián)系的我國(guó)天氣的異常變化。主要結(jié)論如下：

（1）強(qiáng)極渦事件中，位勢(shì)高度距平場(chǎng)出現(xiàn)了比較明顯的負(fù)異常下傳。隨著極渦的增強(qiáng)，平流層氣溫下降，而濕度上升。極渦達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，氣溫場(chǎng)和濕度場(chǎng)分別達(dá)到了最小值和最大值。弱極渦事件中，位勢(shì)高度正異常只下傳至50 hPa左右，氣溫場(chǎng)和濕度場(chǎng)在弱極渦最強(qiáng)時(shí)分別達(dá)到了最大值和最小值。

（2）出現(xiàn)強(qiáng)極渦前，對(duì)應(yīng)的是向下的波動(dòng)耦合事件，在這一階段，極地波導(dǎo)減弱，低緯波導(dǎo)增強(qiáng)，中高緯地區(qū)的E-P通量矢量有著從平流層傳播到對(duì)流層的趨勢(shì)；出現(xiàn)強(qiáng)極渦后，平流層上的波動(dòng)耦合指數(shù)由負(fù)轉(zhuǎn)正，極地波導(dǎo)增強(qiáng)，低緯波導(dǎo)減弱。出現(xiàn)弱極渦前對(duì)應(yīng)的是向上的波動(dòng)耦合事件，極地波導(dǎo)明顯增強(qiáng)；弱極渦事件后，平流層上的波動(dòng)耦合指數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，1波振幅減弱，極地波導(dǎo)也明顯減弱。

（3）在出現(xiàn)強(qiáng)極渦事件前，我國(guó)大部分地區(qū)溫度偏低，南方地區(qū)偏濕，新疆西北部和云南西部地區(qū)偏干，而在強(qiáng)極渦事件后，東亞冬季風(fēng)進(jìn)一步增強(qiáng)，冷空氣進(jìn)一步加強(qiáng)南下，南方地區(qū)可降水量減少，新疆西北部仍然偏干，而云南大部分地區(qū)可將水量增加。出現(xiàn)弱極渦事件前，東亞冬季風(fēng)顯著增強(qiáng)，使我國(guó)氣溫偏冷，降水減少，而出現(xiàn)弱極渦后，我國(guó)氣溫明顯回升，中東部地區(qū)和新疆西北地區(qū)可降水量增加。

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Variabilities of the Stratospheric Polar Vortex and the Influence on the Weather of China during the Boreal Winter

WEI Linxiao, CHEN Quanliang, CHENG Bingyan, and LIU Xiaoran

1,401147 2,,,610225

NCEP reanalysis datasets are used to analyze planetary wave activity in the Northern Hemisphere that occurs during the stratospheric abnormal processes and associated characteristics of weather variations over China based on selected strong and weak polar vortices according to the Northern Hemispheric annular mode (NAM) index. The analysis reveals that a downward wave coupling event occurs prior to the strong polar vortex events. During this period, the planetary wavenumber1 is reflected to the troposphere, the polar wave guide weakens, and the low-latitude wave guide strengthens. Meanwhile, the E-P flux vector in the middle–high latitudes spreads from the stratosphere to the troposphere. Following the strong polar vortex events, the polar wave guide strengthens, and the low-latitude wave guide weakens to some extent. The upward wave coupling event that occurs prior to the weak polar vortex events strengthens the polar wave guide. Following the events, the planetary wave-1 and the polar wave guide both weaken, and in accordance, the weather of China changes dramatically. Prior to the stratospheric vortex intensification events, temperatures in most parts of China are cooler than normal. The southern region of China is wetter, whereas northwestern Xinjiang and western Yunnan Province are drier. Following the events, the East Asian winter monsoon becomes stronger, and the cold air spills southward. The precipitable water vapor in southern China decreases and the northwestern region of Xinjiang remains dry, whereas most parts of Yunnan become wetter. In contrast, prior to the stratospheric vortex weakening events, the East Asian winter monsoon is significantly strengthened, the temperature of China is colder than normal, and precipitable water vapor clearly decreases. Following these events, temperatures in China increase sharply, and precipitation in central and eastern China and in northwestern Xinjiang increases significantly.

Stratospheric polar vortex, Northern Hemisphere annular mode, Planetary wave, Wave-coupling events

1006-9895(2014)03-0551-12

P466

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13233

2013?07?30，

2013?12?04收修定稿

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41005021，成都信息工程學(xué)院科研人才基金項(xiàng)目J201112，重慶市科委之自然基金“三峽庫(kù)區(qū)極端氣候事件預(yù)估研究”項(xiàng)目

魏麟驍，男，1988年出生，碩士，助理工程師，主要從事平流層氣候的研究. E-mail: quiet7@126.com

陳權(quán)亮，E-mail: chenql@cuit.edu.cn

魏麟驍，陳權(quán)亮，程炳巖，等. 2014. 平流層強(qiáng)、弱極渦事件的演變過(guò)程及其對(duì)我國(guó)冬季天氣的影響[J]. 大氣科學(xué), 38 (3): 551?562, doi:10.3878/j.issn.1006-9895. 2013.13233. Wei Linxiao, Chen Quanliang, Cheng Bingyan, et al. 2014.Variabilities of the stratospheric polar vortex and the influence on the weather of China during the boreal winter [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (3): 551?562.