王娜，孫照渤

(1．氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044;2．山東省氣候中心，山東濟(jì)南250000)

0 引言

風(fēng)暴軸指天氣尺度(2.5～6 d)瞬變渦動(dòng)最強(qiáng)烈的區(qū)域，又代表天氣尺度瞬變波本身，北半球最顯著的兩支風(fēng)暴軸與中高緯北太平洋和北大西洋海域相對(duì)應(yīng)。風(fēng)暴軸的強(qiáng)度、位置及熱量和動(dòng)量的經(jīng)向輸送等對(duì)大氣環(huán)流維持及天氣、氣候變化具有重要作用。

20世紀(jì)70年代末Blackmon(1976)首次發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴軸。之后，Trenberth(1981)發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴軸在南、北半球均存在，但特征有所差異。北半球天氣尺度(2.5～6 d)瞬變渦動(dòng)被組織成兩大風(fēng)暴軸:北太平洋風(fēng)暴軸和北大西洋風(fēng)暴軸。研究表明，北太平洋風(fēng)暴軸的平均位置在125°E ～125°W、30～60°N 之間;中心(40°N左右)位于斜壓性極值中心(35°N左右)和東亞急流核(32°N左右)的北側(cè)及下游地區(qū);中心區(qū)域的平均強(qiáng)度約為25 dagpm2，明顯弱于北大西洋風(fēng)暴軸(朱偉軍和孫照渤，1999;高琦等，2008)。北太平洋風(fēng)暴軸具有多中心現(xiàn)象，且最強(qiáng)中心經(jīng)常出現(xiàn)在160°W 以東區(qū)域(傅剛等，2009;李瑩等，2010;朱偉軍等，2013)，北太平洋還存在“副熱帶風(fēng)暴軸”和“副極地風(fēng)暴軸”(傅剛等，2009)。

北半球風(fēng)暴軸的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均存在不同時(shí)間尺度的變率，主要包括季節(jié)、年際和年代際變化。丁葉風(fēng)等(2006)發(fā)現(xiàn)，北半球風(fēng)暴軸在冬季最強(qiáng)、位置偏北，夏季最弱、位置偏南。朱偉軍和孫照渤(2000)指出，冬季北太平洋風(fēng)暴軸具有明顯的年際時(shí)空演變特征，存在兩種異常型:在其氣候平均位置附近強(qiáng)弱變化的單極子型;相對(duì)于其氣候平均位置南北位移的偶極子型。北半球風(fēng)暴軸還有顯著的年代際變化，20世紀(jì)80年代中期由偏弱轉(zhuǎn)為偏強(qiáng)，90年代比60年代末70年代初增強(qiáng)約30%(Nakamura et al．，2002;朱偉軍和李瑩，2010)。

近年來(lái)，天氣尺度瞬變波與基本氣流的相互影響及其在大氣環(huán)流短期異常中的作用愈發(fā)受到關(guān)注。風(fēng)暴軸與逐日天氣系統(tǒng)的演變相聯(lián)系，對(duì)天氣系統(tǒng)的異常變化有指示作用;風(fēng)暴軸是熱帶和中高緯海洋與大氣相互作用中水分、熱能和動(dòng)能等輸送的重要紐帶(Chang and Fu，2002);冬季北太平洋風(fēng)暴軸強(qiáng)度的主要年際異常型態(tài)與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上的WP(Western Pacific pattern，太平洋西部型)和PNA(Pacific-North American pattern，太平洋北美型)遙相關(guān)型相聯(lián)系(朱偉軍和孫照渤，2000;Wettstein and Wallace，2010)，年代際異常型與PDO(Pacific Decadal Oscillation，太平洋年代際振蕩)循環(huán)的暖(冷)位相相聯(lián)系;風(fēng)暴軸還與EP通量和渦動(dòng)向平均氣流的斜壓能量轉(zhuǎn)換(Hoskins et al．，1983)、急流異常(Athanasiadis and Wallace，2010)、季風(fēng)活動(dòng)(Nakamura et al．，2002)、阿留申低壓和阻塞形勢(shì)異常(Nakamura and Wallace，1990;Huang et al．，2002;刁一娜等，2004;Wettstein and Wallace，2010)、西伯利亞高壓(Nakamura et al．，2002)等大氣系統(tǒng)，以及海洋洋流(Hoskins and Valdes，1990)、海溫異常(Held et al．，1989;Hoerling and Ting，1994;Strars and Shukla，1997)有密切聯(lián)系。

然而，上述研究基本上把北太平洋風(fēng)暴軸整體作為研究對(duì)象，不能較好體現(xiàn)風(fēng)暴軸“多中心”現(xiàn)象和多型態(tài)特征。因此，本文將重點(diǎn)研究冬季北太平洋風(fēng)暴軸分區(qū)域強(qiáng)度指數(shù)的年際演變特征，并在此基礎(chǔ)上，劃分年際典型型態(tài)，深入探討它們與同期北半球500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)的關(guān)系。

為行文簡(jiǎn)便，下文若未有特別說(shuō)明，則“風(fēng)暴軸”均指“冬季北太平洋風(fēng)暴軸”。

1 資料和方法

采用1961年1月1日至2011年12月31日美國(guó)國(guó)家大氣研究中心和國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP/NCAR 2.5°×2.5°一日4次再分析資料(Kalnay et al．，1996)，包括 500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和海平面氣壓場(chǎng)。

將NCEP/NCAR 500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)一日4次再分析資料進(jìn)行每日1次平均，得到濾波前的逐日資料，再運(yùn)用孫照渤(1992)設(shè)計(jì)的31點(diǎn)帶通濾波器濾出2.5～6 d的瞬變渦動(dòng)資料。

本文風(fēng)暴軸定義為500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度(2.5～6 d)濾波方差。冬季指當(dāng)年12月至次年2月;求平均時(shí)，平年為91 d，閏年為90 d。對(duì)濾波結(jié)果作方差運(yùn)算，表達(dá)式為其中:Zt為每日濾波結(jié)果;ˉZ為各年冬季3個(gè)月濾波結(jié)果的平均值。由此得到1961-12/1962-02—2010-12/2011-02(共50 a)的風(fēng)暴軸資料。

在探討風(fēng)暴軸與大氣環(huán)流要素場(chǎng)的關(guān)系時(shí)，采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)分析和合成分析方法，并采用t檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(魏鳳英，2007)。

本文規(guī)定:強(qiáng)單中心型風(fēng)暴軸年的合成場(chǎng)和距平場(chǎng)，分別以符號(hào)dq和dqa表示;弱單中心型風(fēng)暴軸年的合成場(chǎng)和距平場(chǎng)，分別以符號(hào)dr和dra表示;雙中心型風(fēng)暴軸年的合成場(chǎng)和距平場(chǎng)，以符號(hào)s和sa表示;強(qiáng)、弱單中心型風(fēng)暴軸年的合成差值場(chǎng)，以符號(hào)dq－dr表示;強(qiáng)、弱單中心型風(fēng)暴軸與雙中心型風(fēng)暴軸年的合成差值場(chǎng)，分別以符號(hào)dq－s和dr－s表示;單中心型風(fēng)暴軸和雙中心型風(fēng)暴軸年的合成差值場(chǎng)，以符號(hào)d－s表示。

2 風(fēng)暴軸的氣候特征

圖1為50 a冬季平均的北太平洋區(qū)域500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差分布。可見，風(fēng)暴軸位于中緯度狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)。500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差大于20 dagpm2的區(qū)域較Blackmon(1976)、朱偉軍和孫照渤(1999)研究所得位置稍偏西，介于130°E ～160°W、35 ～50°N 之間，最大值點(diǎn)位于170°E、42.5°N，強(qiáng)度為 26.44 dagpm2，與高琦等(2008)研究結(jié)果一致。

根據(jù)50 a各年風(fēng)暴軸500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差(圖略)，對(duì)每年風(fēng)暴軸的最大值落點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由圖2可見，各年風(fēng)暴軸最大值點(diǎn)的強(qiáng)度和位置都有較大變動(dòng)。從強(qiáng)度上看，最大值小于25 dagpm2的年份僅有5 a，介于25～30 dagpm2之間的年份有19 a，大于等于30 dagpm2的年份有26 a，較強(qiáng)年與較弱年的強(qiáng)度可相差2倍以上。最大值點(diǎn)的頻數(shù)集中區(qū)域分布，除了如圖1所示，在風(fēng)暴軸氣候平均態(tài)大值區(qū)域的頻數(shù)明顯集中外，在北太平洋東北部也存在一個(gè)頻數(shù)集中區(qū)。從位置上看，不同年份最大值點(diǎn)的最東與最西位置可相差100個(gè)經(jīng)距，最北與最南位置可相差20個(gè)緯距。鄧興秀和孫照渤(1994)、傅剛等(2009)研究認(rèn)為，北太平洋風(fēng)暴軸存在多中心現(xiàn)象，結(jié)合50 a風(fēng)暴軸的年際型態(tài)(圖略)，落在東北部極大值點(diǎn)的頻數(shù)較最大值點(diǎn)的頻數(shù)更多，驗(yàn)證了風(fēng)暴軸年際振蕩的雙中心或多中心現(xiàn)象。

圖1 1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差的氣候平均(單位:dagpm2;陰影區(qū):≥20 dagpm2)Fig．1 The climatological mean synoptic scale filter variance of 500 hPa geopotential height field over North Pacific in winter during 1961/1962—2010/2011(units:dagpm2;shading:≥20 dagpm2)

初步衡量50 a風(fēng)暴軸相對(duì)于其氣候平均態(tài)的偏離情況，給出風(fēng)暴軸的均方差分布。由圖3可見，風(fēng)暴軸的均方差分布呈現(xiàn)出兩個(gè)極大值中心區(qū)域，它們代表兩個(gè)顯著的年際異常區(qū)。位于160°W以西，北太平洋中西部較大的異常區(qū)域略呈東東北—西西南走向，與圖1風(fēng)暴軸中西部500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差大于20 dagpm2的區(qū)域相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明這一區(qū)域有相對(duì)于氣候態(tài)中西部強(qiáng)度上的異常。位于155°W以東、50°N以北，北太平洋東北部較小的異常區(qū)域與圖2風(fēng)暴軸東北部最大值點(diǎn)的頻數(shù)集中區(qū)域相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明該區(qū)域有相對(duì)于氣候態(tài)東北部強(qiáng)度上的異常和位置上較小幅度的南北振蕩。

圖2 1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差最大值的落點(diǎn)(+:＜25 dagpm2;○:25～30 dagpm2;□:≥30 dagpm2)Fig．2 The locations of maximum synoptic scale filter variance of 500 hPa geopotential height field over North Pacific in winter during 1961/1962—2010/2011(+:＜25 dagpm2;○:25—30 dagpm2;□:≥30 dagpm2)

圖3 1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差的均方差分布(單位:dagpm2;陰影區(qū):≥30 dagpm2)Fig．3 The mean square deviation of synoptic scale filter variance of 500 hPa geopotential height field over North Pacific in winter during 1961/1962—2010/2011(units:dagpm2;shading:≥30 dagpm2)

3 風(fēng)暴軸分區(qū)域強(qiáng)度指數(shù)的年際演變及年際典型型態(tài)劃分

前人往往將風(fēng)暴軸整體作為研究對(duì)象，朱偉軍等(2013)在研究東部風(fēng)暴軸的時(shí)空演變特征時(shí)，從東西方向上將北太平洋地區(qū)平均劃分為西部(120～160°E)、中部(160°E ～160°W)和東部(160 ～120°W)3個(gè)區(qū)域。根據(jù)第2節(jié)的研究結(jié)果，本文將風(fēng)暴軸分為西部、東部?jī)蓚€(gè)區(qū)域，西部區(qū)域范圍為150°E ～175°W、40 ～47.5°N，東部區(qū)域范圍為 155～130°W、45～60°N。選取各年風(fēng)暴軸西部、東部區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差的平均值作為兩區(qū)域的強(qiáng)度指數(shù)，西部、東部區(qū)域強(qiáng)度指數(shù)分別簡(jiǎn)稱為WI、EI。圖4給出了WI和EI實(shí)際值和距平值的年際變化。

由圖4a可見，在研究時(shí)段內(nèi)，WI和EI的整體趨勢(shì)相似，表現(xiàn)出“弱—強(qiáng)—弱”的演變過(guò)程。WI的平均值為23.74 dagpm2，EI的平均值為17.10 dagpm2，兩者相差 6.64 dagpm2，WI僅有 6 a 稍弱于EI。

圖4 1961/1962—2010/2011年冬季北太平洋風(fēng)暴軸西部、東部區(qū)域強(qiáng)度指數(shù)(a)及其距平(b)的年際變化Fig．4 The interannual variations of(a)intensity indices and(b)their anomalies of western and eastern regions of storm track over North Pacific in winter during 1961/1962—2010/2011

WI和 EI的年際振蕩均十分顯著，兩者在1980s—1990s期間有較強(qiáng)的年際躍變，1980s之前和1990s之后的年際波動(dòng)較平緩。WI的最強(qiáng)年是1988/1989年，強(qiáng)度達(dá) 40.25 dagpm2，最弱年是1961/1962年，強(qiáng)度為 11.77 dagpm2，兩者相差28.48 dagpm2;EI的最強(qiáng)和最弱年分別是1987/1988年(28.72 dagpm2)和 2002/2003年(8.25 dagpm2)，兩者相差20.47 dagpm2;最強(qiáng)、最弱年的EI均小于WI。由圖4b可見，WI和EI的正異常振幅均強(qiáng)于負(fù)異常振幅。

WI和EI指數(shù)能夠分別體現(xiàn)出各區(qū)域強(qiáng)度的年際振蕩特征，但風(fēng)暴軸可能在上述中西部和東部區(qū)域同時(shí)顯著，呈現(xiàn)雙中心特征。因此，對(duì)風(fēng)暴軸的年際型態(tài)進(jìn)行劃分，同時(shí)考慮WI和EI指數(shù)，可將風(fēng)暴軸分為單中心型和雙中心型兩類，具體定義為:規(guī)定當(dāng)某年風(fēng)暴軸西部區(qū)域強(qiáng)度指數(shù)WI與東部區(qū)域強(qiáng)度指數(shù)EI的比值介于0.85～1.17時(shí)，則該年為雙中心型風(fēng)暴軸年，其他年為單中心型風(fēng)暴軸年。根據(jù)定義，雙中心型風(fēng)暴軸年有14 a(1964/1965、1967/1968、1970/1971、 1971/1972、 1973/1974、1974/1975、1979/1980、 1987/1988、 1989/1990、1990/1991、1994/1995、 2004/2005、 2005/2006、2008/2009年)。雙中心型風(fēng)暴軸的平均態(tài)如圖5所示，位于中緯度北太平洋中西部的中心，與圖1風(fēng)暴軸中西部500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差大于20 dagpm2的區(qū)域相對(duì)應(yīng)，呈緯向拉長(zhǎng)的特征，中心極大值點(diǎn)較氣候態(tài)最大值點(diǎn)稍偏西，強(qiáng)度稍弱，為24.28 dagpm2;位于北太平洋東北部阿留申群島和北美西岸之間的中心，未在風(fēng)暴軸的氣候平均態(tài)中表現(xiàn)出來(lái)，其極大值點(diǎn)的強(qiáng)度較西部中心的稍強(qiáng)，為25.22 dagpm2。雙中心型風(fēng)暴軸突出了西部、東部區(qū)域同時(shí)顯著的特征及其協(xié)同變化情況。

進(jìn)一步對(duì)單中心型風(fēng)暴軸進(jìn)行強(qiáng)、弱劃分，沿用WI代表單中心型風(fēng)暴軸的強(qiáng)度，規(guī)定除雙中心型風(fēng)暴軸年份外，WI標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列值大于0.6(小于－0.6)的年份為強(qiáng)(弱)單中心型風(fēng)暴軸年。根據(jù)上述規(guī)定，選取強(qiáng)單中心型風(fēng)暴軸10 a(1965/1966、1972/1973、1986/1987、1988/1989、1991/1992、1993/1994、1999/2000、2001/2002、2002/2003、2006/2007年)，弱單中心型風(fēng)暴軸9 a(1961/1962、1962/1963、1977/1978、1980/1981、1983/1984、1995/1996、2007/2008、2009/2010、2010/2011年)，強(qiáng)、弱單中心型風(fēng)暴軸的平均態(tài)如圖6所示。圖6a顯示，強(qiáng)單中心型風(fēng)暴軸的位置與氣候態(tài)一致，但強(qiáng)度大于20 dagpm2的范圍在經(jīng)向和緯向上均有擴(kuò)展，最大值達(dá)37.86 dagpm2，遠(yuǎn)強(qiáng)于氣候態(tài)。圖6b表明，弱單中心型風(fēng)暴軸依然呈緯向拉長(zhǎng)的特征，整體強(qiáng)度僅為15 dagpm2，位置較氣候態(tài)偏南。

圖5 冬季北太平洋雙中心型風(fēng)暴軸年平均的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差分布(單位:dagpm2;陰影區(qū):≥20 dagpm2)Fig．5 Distribution of synoptic scale filter variance of 500 hPa geopotential height field over North Pacific in winter in the double-center type storm track years(units:dagpm2;shading:≥20 dagpm2)

圖6 冬季北太平洋強(qiáng)(a)、弱(b)單中心型風(fēng)暴軸年平均的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)天氣尺度濾波方差分布(單位:dagpm2;陰影區(qū):≥20 dagpm2)Fig．6 Distribution of synoptic scale filter variance of 500 hPa geopotential height field over North Pacific in winter in the(a)strong and(b)week single-center type storm track years(units:dagpm2;shading:≥20 dagpm2)

4 風(fēng)暴軸與同期北半球大氣環(huán)流的關(guān)系

4.1 與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的關(guān)系

由圖7a可見，WI與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)在北太平洋西部由南至北有位于30°N左右的正相關(guān)區(qū)域和位于中高緯的負(fù)相關(guān)區(qū)域，相關(guān)分布型與WP遙相關(guān)型類似。對(duì)比圖3可知，風(fēng)暴軸均方差的西部異常中心位于類似WP遙相關(guān)型的偶極子正負(fù)相關(guān)區(qū)域之間。另外，歐洲西部中高緯槽區(qū)也有一個(gè)顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)域，在其南部的副熱帶地區(qū)有一個(gè)顯著的正相關(guān)區(qū)域。由圖7b可見，EI與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)在北太平洋中東部到北美地區(qū)由西南至東北有“負(fù)—正—負(fù)—正”的相關(guān)分布，相關(guān)分布型與PNA遙相關(guān)型類似。對(duì)比圖3可知，風(fēng)暴軸均方差的東部異常中心位于類似PNA遙相關(guān)型30°N以北中高緯由西至東“正—負(fù)—正”相關(guān)區(qū)域之間。

這里的相關(guān)分布型進(jìn)一步驗(yàn)證了前人的結(jié)論，風(fēng)暴軸的兩個(gè)主要模態(tài)分別與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上WP和PNA遙相關(guān)型關(guān)系密切，年際與月、季等不同時(shí)間尺度的異常特征具有共性(Lau，1988;朱偉軍和孫照渤，2000;任雪娟等，2007;李瑩等，2010;Athanasiadis and Wallace，2010;Wettstein and Wallace，2010)。但是，上述研究主要用到EOF、SVD等診斷方法，或?qū)︼L(fēng)暴軸整體進(jìn)行指數(shù)定義，突出了全區(qū)域的共變性，忽略了區(qū)域差異以及強(qiáng)度和位置要素的獨(dú)立性。這里通過(guò)采用分區(qū)域單要素強(qiáng)度指數(shù)，進(jìn)一步研究風(fēng)暴軸西部、東部強(qiáng)度的年際異常與同期北半球不同500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常型的聯(lián)系。

圖7 WI(a)和EI(b)時(shí)間序列與同期冬季北半球500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)分布(陰影區(qū)通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig．7 Correlation coefficients between(a)WI and(b)EI intensity indices time series and 500 hPa geopotential height over Northern Hemisphere in winter(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shown)

根據(jù)單中心型以及雙中心型風(fēng)暴軸的強(qiáng)弱年份，進(jìn)行合成分析，給出了合成場(chǎng)和距平場(chǎng)(圖8)。對(duì)比圖8a、c可見，當(dāng)單中心型風(fēng)暴軸較強(qiáng)時(shí)，極渦明顯向中高緯度擴(kuò)展，并在亞洲東岸北部分裂出一個(gè)較小的極渦中心。由圖8b可見，當(dāng)單中心型風(fēng)暴軸偏強(qiáng)時(shí)，北半球中高緯上空，西風(fēng)帶中位于亞洲東岸、北美東部和歐洲東部的槽加深，表現(xiàn)出三個(gè)大槽為定常波的大氣環(huán)流基本模態(tài)。風(fēng)暴軸西部異常區(qū)域?qū)?yīng)強(qiáng)的西風(fēng)急流，西太平洋副高以北中緯地區(qū)位勢(shì)高度場(chǎng)偏高，中緯亞洲東部緯向環(huán)流占優(yōu)勢(shì)，歐洲大槽加深，有利于極渦向歐洲東部、西西伯利亞地區(qū)延伸。另外，北美高壓加強(qiáng)，歐洲西部的位勢(shì)高度場(chǎng)也偏高。圖8d表明，當(dāng)單中心型風(fēng)暴軸偏弱時(shí)，中高緯500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)較氣候平均整體偏高，而西太平洋副高以北中緯地區(qū)位勢(shì)高度場(chǎng)偏低，北美高壓減弱。由圖8e、f可見，當(dāng)風(fēng)暴軸呈雙中心型時(shí)，極渦明顯偏西，500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)在高緯地區(qū)北美北部偏低，北美東部的槽加深，在整個(gè)北太平洋和亞歐大陸北部的中高緯地區(qū)偏高。

下面進(jìn)行差值分析。由圖9a可見，相對(duì)于單中心型風(fēng)暴軸偏弱情況，當(dāng)單中心型風(fēng)暴軸偏強(qiáng)時(shí)，位于中高緯亞洲東岸、北美東部和歐洲東部的槽顯著加深，中緯度西太平洋副高以北地區(qū)位勢(shì)高度偏高，北美高壓加強(qiáng)，歐洲西部的位勢(shì)高度場(chǎng)也偏高，該環(huán)流形勢(shì)有利于極渦影響我國(guó)冷空氣源地及大洋上暖濕氣流向北輸送。由圖9b可見，相對(duì)于雙中心型風(fēng)暴軸情況，當(dāng)單中心型風(fēng)暴軸偏強(qiáng)時(shí)，北美東部槽加深，但沒有其他兩大槽顯著。由圖9c可見，相對(duì)于雙中心型風(fēng)暴軸情況，當(dāng)單中心型風(fēng)暴軸偏弱時(shí)，北美北部中高緯地區(qū)位勢(shì)高度偏高，表明雙中心型風(fēng)暴軸年的極渦和冷空氣更易影響北美地區(qū)。由圖9d可見，相對(duì)于雙中心型風(fēng)暴軸情況，單中心型風(fēng)暴軸年的位勢(shì)高度在高緯度歐亞大陸北部和中緯度北太平洋地區(qū)偏低，在北美東北部偏高。

4.2 與SLP的關(guān)系

由圖10a可見，在北太平洋區(qū)域，WI和SLP的相關(guān)分布型，與其和500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的相關(guān)分布型相似，由南至北有位于北太平洋中西部30°N附近的正相關(guān)區(qū)域和位于中高緯65°N附近的負(fù)相關(guān)區(qū)域，即有西北太平洋副高以北中緯地區(qū)和阿留申低壓區(qū)域的類似蹺蹺板的反相關(guān)振蕩結(jié)構(gòu)，相關(guān)分布型與NPO(North Pacific Oscillation，北太平洋濤動(dòng))遙相關(guān)型類似。另外，在歐洲中部近60°N的地區(qū)，也有一個(gè)顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)域，在其西南部熱帶到副熱帶地區(qū)阿拉伯海西部的大陸上，有一個(gè)范圍較大的正相關(guān)區(qū)域。由圖10b可見，EI與海平面氣壓場(chǎng)在北太平洋東部區(qū)域45°N附近和北大西洋西部30°N附近有正相關(guān)區(qū)域，在冰島北部高緯極區(qū)內(nèi)有負(fù)相關(guān)區(qū)域，北大西洋區(qū)域的相關(guān)分布型類似于NAO(North Atlantic Oscillation，北大西洋濤動(dòng))遙相關(guān)型。

圖8 不同風(fēng)暴軸型態(tài)和強(qiáng)度時(shí)同期冬季北半球500 hPa位勢(shì)高度的合成場(chǎng)(a、c、e)和距平場(chǎng)(b、d、f;陰影區(qū):絕對(duì)值≥20 dagpm)(單位:dagpm) a．dq;b．dqa;c．dr;d．dra;e．s;f．saFig．8 (a，c，e)Composite and(b，d，f)anomalous fields(shadings:absolute value≥20 dagpm)of 500 hPa geopotential height over Northern Hemisphere in winter as the storm track behaves different patterns and intensities(units:dagpm)a．dq;b．dqa;c．dr;d．dra;e．s;f．sa

圖9 不同風(fēng)暴軸型態(tài)和強(qiáng)度時(shí)同期冬季北半球500 hPa位勢(shì)高度的差值分布(單位:dagpm;陰影區(qū):絕對(duì)值≥20 dagpm)a．dq － dr;b．dq － s;c．dr－ s;d．d － sFig．9 Difference fields of 500 hPa geopotential height over Northern Hemisphere in winter as the storm track behaves different patterns and intensities(units:dagpm;shadings:absolute value≥20 dagpm) a．dq － dr;b．dq － s;c．dr－ s;d．d － s

前人針對(duì)北大西洋風(fēng)暴軸與SLP關(guān)系的研究較多，發(fā)現(xiàn)北大西洋風(fēng)暴軸EOF分解第一模態(tài)與NAO遙相關(guān)型相對(duì)應(yīng)(Wettstein and Wallace，2010;Luo et al．，2011)，而對(duì)北太平洋風(fēng)暴軸與SLP關(guān)系的研究較少。本文研究發(fā)現(xiàn)，冬季北太平洋風(fēng)暴軸不僅與NPO遙相關(guān)型聯(lián)系緊密，其東部區(qū)域強(qiáng)度也與NAO遙相關(guān)型關(guān)系密切。

根據(jù)單中心型和雙中心型風(fēng)暴軸的強(qiáng)弱年份，進(jìn)行合成分析，給出了合成場(chǎng)和距平場(chǎng)(圖11)。由圖11b、d可見，單中心型風(fēng)暴軸分別為強(qiáng)、弱時(shí)，同期北半球SLP距平場(chǎng)在熱帶外地區(qū)的配置相似，以45°N為節(jié)點(diǎn)，中緯地區(qū)與極區(qū)的SLP為環(huán)狀分布的反位相遙相關(guān)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的緯向?qū)ΨQ形式，呈典型的經(jīng)向“蹺蹺板”型，這種分布型與冬季北半球SLP的EOF分解第一模態(tài)空間型相一致，即類似于AO(Arcitc Oscillation，北極濤動(dòng))遙相關(guān)型。由圖11f可見，當(dāng)風(fēng)暴軸為雙中心型時(shí)，SLP的距平場(chǎng)仍類似于AO型，高緯極區(qū)的海平面氣壓異常與中緯度地區(qū)反號(hào)，表現(xiàn)為AO的正異常位相，但異常程度沒有單中心型風(fēng)暴軸偏強(qiáng)時(shí)顯著。

下面進(jìn)行差值分析。由圖12a、b可見，相對(duì)于單中心型風(fēng)暴軸偏弱和雙中心型風(fēng)暴軸時(shí)情況，單中心型風(fēng)暴軸偏強(qiáng)時(shí)SLP的差值場(chǎng)表現(xiàn)為AO的正異常位相。由圖12c可見，相對(duì)于雙中心型風(fēng)暴軸情況，單中心型風(fēng)暴軸偏弱時(shí)SLP的差值場(chǎng)表現(xiàn)出一定AO的負(fù)異常位相，但其對(duì)稱性不顯著，特別是在高緯歐亞大陸北部，海平面氣壓偏低。由圖12d可見，相對(duì)于雙中心型風(fēng)暴軸情況，單中心型風(fēng)暴軸時(shí)SLP差值場(chǎng)與AO型分布有較大差別，表現(xiàn)為SLP在東半球中緯地區(qū)偏高、高緯地區(qū)偏低，在西半球高緯地區(qū)偏高、中緯地區(qū)偏低。

圖10 WI(a)和EI(b)時(shí)間序列與同期冬季北半球SLP的相關(guān)系數(shù)分布(陰影區(qū)通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig．10 Correlation coefficients between(a)WI and(b)EI intensity indices time series and SLP over Northern Hemisphere in winter(Only regions with correlation exceeding 0.05 significance level are shown)

AO描述了中緯度西風(fēng)的位置和強(qiáng)度，其強(qiáng)弱和位置變化直接導(dǎo)致北半球中緯地區(qū)和極地之間氣壓和大氣質(zhì)量反向性質(zhì)的波動(dòng)，造成天氣形勢(shì)的變化，這種變化持續(xù)維持會(huì)造成氣候的變化，因此行星尺度的AO變化對(duì)近地表氣候異常有顯著影響。Thompson and Wallace(1998，2001)、Thompson et al．(2000)指出，AO可以對(duì)極端事件的環(huán)流形勢(shì)造成影響，并與歐亞大陸中高緯的氣溫和降水存在顯著相關(guān)性。上述分析結(jié)果表明風(fēng)暴軸特別是西部區(qū)域的強(qiáng)度與AO異常的正(負(fù))位相關(guān)系密切。這種聯(lián)系能否會(huì)對(duì)我國(guó)冬季氣候產(chǎn)生重要影響，尚需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文利用NCEP/NCAR資料，研究了冬季北太平洋風(fēng)暴軸的分區(qū)域強(qiáng)度指數(shù)的年際演變特征，并進(jìn)行了年際典型形態(tài)劃分，探討了它們與同期北半球大氣環(huán)流的關(guān)系，得到以下結(jié)論:

1)近50 a風(fēng)暴軸氣候平均的極大值區(qū)域位于中緯北太平洋中西部;最大值點(diǎn)的頻數(shù)集中區(qū)域和均方差分布的異常中心都有兩個(gè)，分別位于北太平洋中西部和東北部。

2)風(fēng)暴軸西部、東部區(qū)域強(qiáng)度指數(shù)時(shí)間序列突出了兩個(gè)區(qū)域強(qiáng)度年際變化的差異和獨(dú)立性，西部區(qū)域強(qiáng)度在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)基本強(qiáng)于東部;風(fēng)暴軸可劃分為單中心型和雙中心型兩種年際典型型態(tài)。

3)WI(EI)指數(shù)與500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的相關(guān)分布型與WP(PNA)遙相關(guān)型類似。單中心型風(fēng)暴軸偏強(qiáng)時(shí)，極渦明顯南擴(kuò)，中高緯的三個(gè)平均槽加深;單中心型風(fēng)暴軸偏弱時(shí)，中高緯500 hPa位勢(shì)高度整體偏高，西太平洋副高以北的中緯地區(qū)偏低;風(fēng)暴軸呈雙中心型時(shí)，極渦明顯偏西，北太平洋和亞歐大陸北部中高緯地區(qū)的位勢(shì)高度偏高。

4)WI(EI)指數(shù)與SLP的相關(guān)分布型與NPO(NAO)遙相關(guān)型類似。單中心型風(fēng)暴軸偏強(qiáng)(弱)時(shí)，SLP距平場(chǎng)類似于AO遙相關(guān)型的正(負(fù))異常位相;風(fēng)暴軸為雙中心型時(shí)，SLP距平場(chǎng)仍類似于AO型并表現(xiàn)為正異常位相，但異常性沒有單中心型時(shí)顯著。

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圖11 不同風(fēng)暴軸型態(tài)和強(qiáng)度時(shí)同期冬季北半球SLP的合成場(chǎng)(a、c、e;單位:10 hPa)和距平場(chǎng)(b、d、f;單位:hPa;陰影區(qū):絕對(duì)值≥100 hPa) a．dq;b．dqa;c．dr;d．dra;e．s;f．saFig．11 (a，c，e)Composite fields(units:10 hPa)and(b，d，f)anomalous fields(shadings:absolute value≥100 hPa)of SLP over Northern Hemisphere in winter as the storm track behaves different patterns and intensities a．dq;b．dqa;c．dr;d．dra;e．s;f．sa

圖12 不同風(fēng)暴軸型態(tài)和強(qiáng)度時(shí)同期冬季北半球SLP的差值分布(單位:hPa;陰影區(qū):絕對(duì)值≥100 hPa)a．dq － dr;b．dq － s;c．dr－ s;d．d － sFig．12 Difference fields of SLP over Northern Hemisphere in winter as the storm track behaves different patterns and intensities(units:hPa;shadings:absolute value≥100 hPa) a．dq － dr;b．dq － s;c．dr－ s;d．d － s

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