鄧淑梅 陳月娟 易明建, 3

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2007/2008和2008/2009冬季平流層強(qiáng)、弱極渦事件對(duì)應(yīng)的行星波活動(dòng)的對(duì)比分析

鄧淑梅1陳月娟2易明建2, 3

1安徽省氣象科學(xué)研究所安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230031;2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥230026;3安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，合肥230022

在對(duì)逐日氣象資料進(jìn)行緯向諧波分析的基礎(chǔ)上，對(duì)比和討論了2007/2008年冬季強(qiáng)極渦期間和2008/2009冬季弱極渦期間平流層和對(duì)流層不同波數(shù)的行星波的變化特征，特別關(guān)注強(qiáng)極渦或弱極渦發(fā)生之后，500 hPa 沿60°N和30°N行星波1波和2波振幅和位相的差異，以及相應(yīng)的500 hPa位勢場的差異，進(jìn)而討論為什么不同的平流層極渦異常會(huì)對(duì)東亞有不同的影響，特別討論為什么同一種極渦異常，對(duì)我國南北方近地面氣溫的影響會(huì)不同。結(jié)果表明：平流層極渦發(fā)生異常時(shí)，平流層行星波活動(dòng)有明顯的異常。隨著極渦異常的下傳，對(duì)流層行星波的振幅和位相也有明顯的變化，而且，對(duì)于不同的緯度帶，其變化又有不同，表現(xiàn)為：2008年1月強(qiáng)極渦發(fā)生之后，500 hPa行星波1波和2波的擾動(dòng)都向南伸，而2009年1月的弱極渦（SSW）期間和之后，1波和2波的擾動(dòng)都偏北; 在對(duì)流層，強(qiáng)極渦和弱極渦發(fā)生之后不但行星波1波和2波的振幅有所差異，其位相也有明顯的不同。特別是，其位相的差異還隨緯度而變化。就同一年（或者說對(duì)于同是強(qiáng)極渦或者同是弱極渦）而言，無論是1波還是2波，在60°N和30°N附近的擾動(dòng)相比，幾乎反位相。這樣就使得它們的500 hPa 位勢場也有明顯不同：在東半球，主要表現(xiàn)為烏拉爾高壓和東亞大槽的強(qiáng)度和位置不同。2008年1月強(qiáng)極渦發(fā)生之后，烏拉爾高壓和東亞大槽東移，不利于冷空氣向歐亞大陸北部（包括我國北方）的輸送，使這些地區(qū)的溫度偏高；而2009年1月弱極渦之后，東亞大槽西退，利于冷空氣向歐亞大陸北部輸送，導(dǎo)致這些地區(qū)較冷。對(duì)于同一種極渦異常（如2008強(qiáng)極渦或者2009弱極渦）由于南方和北方行星波擾動(dòng)的位相不同，對(duì)南方和北方冷暖空氣的輸送也就不一樣。所以同一種極渦異常對(duì)（我國）南北地區(qū)的溫度影響是不同的。

平流層極渦行星波歐亞大陸溫度變化

1 引言

近年來，平流層—對(duì)流層相互作用已引起廣泛關(guān)注，平流層極渦異常下傳影響對(duì)流層天氣和氣候的研究也越來越多。早在1990年，Kodera et al.（1990）就指出，平流層緯向風(fēng)的擾動(dòng)可以下傳到對(duì)流層。Kodera et al.（2000）和Zhou et al.（2002）的研究表明，平流層發(fā)生爆發(fā)性增溫的時(shí)候，平流層溫度和平均緯向風(fēng)的異常都會(huì)向下傳播并引起對(duì)流層變化。在研究平流層和對(duì)流層相互作用時(shí)常常用北極濤動(dòng)（Arctic Oscillation，簡稱AO）或北半球環(huán)狀模（Northern Annular Mode, 簡稱NAM）來表示平流層極渦的強(qiáng)弱。Baldwin and Dunkerton（1999，2001）采用NAM指數(shù)對(duì)18個(gè)弱極渦事件和30個(gè)強(qiáng)極渦事件進(jìn)行了合成分析，結(jié)果表明平流層極渦發(fā)生大的變化時(shí)會(huì)向下傳播并可以影響到近地面，并指出平流層的變化是對(duì)流層天氣異常的先兆。Thompson and Wallace（2001）研究了北半球環(huán)狀模（NAM）對(duì)區(qū)域氣候的影響，他們?nèi)∪兆畹蜏囟鹊陀跉夂蚱骄?.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為一次冷事件，討論低NAM指數(shù)情況下與高NAM指數(shù)情況下冷事件出現(xiàn)的頻數(shù)的差異，指出，這種影響不僅出現(xiàn)在歐洲—大西洋區(qū)域，對(duì)亞洲—太平洋區(qū)域也有明顯影響，在低NAM指數(shù)情況下（也就是弱極渦的情況下）在歐亞大陸北部相當(dāng)大片區(qū)域冷事件的頻率比高NAM指數(shù)情況下（也就是強(qiáng)極渦的情況下）的冷事件頻率高。Thompson et al.（2002）和Baldwin et al.（2003）的研究進(jìn)一步指出平流層環(huán)流的變化可以作為預(yù)報(bào)對(duì)流層天氣的一個(gè)預(yù)報(bào)因子。

關(guān)于平流層環(huán)流異常對(duì)東亞地區(qū)天氣氣候影響的研究也受到越來越多的重視。Jeong等的研究表明，東亞地區(qū)冬季冷空氣爆發(fā)與北極濤動(dòng)（AO）有關(guān)（Jeong and Ho，2005；Jeong et al., 2005，2006）。陳文和康麗華（2006）分析了北極濤動(dòng)與東亞冬季風(fēng)的關(guān)系指出，AO處于不同位相時(shí)，東亞地區(qū)近地面溫度會(huì)發(fā)生不同的變化。黃榮輝等（2007）在研究2005～2006年冬季風(fēng)異常時(shí)也指出該年東亞冬季風(fēng)異常與北極濤動(dòng)有密切關(guān)系。鄧淑梅等（2008）也曾利用NAM指數(shù)分析過平流層爆發(fā)性增溫對(duì)東亞天氣氣候的可能影響，特別討論了平流層極渦的強(qiáng)弱變化對(duì)東亞大槽的影響。Wang and Chen（2010）的研究結(jié)果也證實(shí)，當(dāng)平流層為弱極渦時(shí)，亞洲東部50°N以北大部分地區(qū)是偏冷 的。資料分析和數(shù)值模擬結(jié)果還表明中低緯度地區(qū)的冬季地面溫度也會(huì)受到這種平流層異常的影響，而且其影響結(jié)果與高緯度地區(qū)相比存在著位相差（Cai and Ren，2006；Ren and Cai，2007；辛?xí)愿璧龋?008；譚桂容等，2010）。陳月娟等（2009）對(duì)2008年初我國南方低溫、雨雪和冰凍災(zāi)害的分析也證實(shí)平流層環(huán)流異常下傳對(duì)我國南方和北方的影響不同。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)定常行星波異常與NAM有密切的關(guān)系（Chen et al., 2003），而且大氣準(zhǔn)定常行星波的異常傳播在平流層影響東亞冬季氣候中起著重要的作用（陳文和康麗華，2006；陳文和魏科，2009）。

2007/2008，2008/2009年，我們經(jīng)歷了兩個(gè)很不相同的冬天。眾所周知，2007/2008年冬季，平流層出現(xiàn)一次持續(xù)時(shí)間較長的強(qiáng)極渦，而2008/2009冬季，則發(fā)生了一次很強(qiáng)的平流層爆發(fā)性增溫（即非常弱的極渦）。與2008年一月下旬到二月份我國南方嚴(yán)重的低溫、雨雪和冰凍災(zāi)害不同，2008/2009年冬我們度過了一個(gè)較為溫暖的冬天。通過對(duì)這兩年冬季地面溫度場的分析表明，不但在平流層極渦異常強(qiáng)弱不同時(shí)，東亞地區(qū)地面溫度場會(huì)發(fā)生不同的變化，而且就同一種極渦異常而言，對(duì)我國南北方近地面氣溫的影響也是不同的。本文也采用行星波分析的方法，通過對(duì)這兩個(gè)個(gè)例的分析來探討其原因。但在做法上，和陳文等（Chen et al., 2003；陳文和康麗華，2006；陳文和魏科，2009）不同，在他們的文章中，行星波活動(dòng)的傳播是用Eliassen- Palm通量（EP通量）來描述的。本文則在對(duì)逐日氣象資料進(jìn)行緯向諧波分析的基礎(chǔ)上，直接分析平流層和對(duì)流層不同波數(shù)的行星波的變化特征，結(jié)合位勢場的變化和差異，來討論為什么不同的平流層極渦異常會(huì)對(duì)東亞有不同的影響，特別討論為什么同一種極渦異常，對(duì)我國南北方近地面氣溫的影響會(huì)不同。

2 資料和方法

本文使用的資料包括美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）再分析資料（http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml [2014-04-27]）。NAM指數(shù)的計(jì)算方法見Baldwin and Dunkerton（2001）和陳月娟等（2009）文章。按照Baldwin and Dunkerton（2001）提出的標(biāo)準(zhǔn)，將10 hPa等壓面（約30 km高度）上NAM指數(shù)大于＋1.5定為強(qiáng)極渦事件，NAM指數(shù)小 于―3.0定為弱極渦事件，我們確定了2007/2008年冬季的強(qiáng)極渦事件和2008/2009年冬季的弱極渦事件的具體日期。利用諧波分析方法對(duì)這兩次異常的極渦事件過程中北半球冬季位勢高度場進(jìn)行了分析和對(duì)比，主要分析和對(duì)比了行星波1波和2波的振幅和位相。

3 2007/2008年和2008/2009年冬季平流層極渦異常的回顧

3.1 從NAM指數(shù)看極渦的強(qiáng)弱變化

圖1給出這兩年冬季NAM指數(shù)隨高度的分布和隨時(shí)間的變化。圖中正NAM指數(shù)等值線用實(shí)線表示，負(fù)值用虛線表示。為了看清楚強(qiáng)極渦和弱極渦及其下傳過程，依照Baldwin and Dunkerton（2001）提出的將10 hPa等壓面上NAM指數(shù)大于＋1.5定為強(qiáng)極渦事件，NAM指數(shù)小于―3.0定為弱極渦事件的標(biāo)準(zhǔn)，我們將大于和等于1.5的實(shí)線、小于和等于―3的虛線都加粗了一些。

從圖1a可以看到，從2007年12月初開始極渦迅速增強(qiáng)，到12月中下旬10 hPa的NAM指數(shù)開始超過＋1.5，一直維持到1月20日左右，在2008年1月上旬NAM指數(shù)最大時(shí)甚至超過＋3，說明這段時(shí)間極渦非常的強(qiáng)，在1月中下旬雖然NAM指數(shù)減小了一些，但并不是極渦減弱了，而是極渦位置有些變化，這一點(diǎn)將在3.2節(jié)中給予討論。從圖1a還可以看到隨著時(shí)間的增加，正NAM指數(shù)逐漸向下傳，1月中旬到2月上旬對(duì)流層下層NAM指數(shù)維持正值且在1月下旬達(dá)到最大（這正是我國發(fā)生低溫、雨雪和冰凍災(zāi)害的時(shí)候）。從圖1b可以看到，2008年12月下旬到2009年1月上中旬，在10 hPa上NAM指數(shù)也超過了＋1.5，平流層也出現(xiàn)了強(qiáng)極渦，但它持續(xù)的時(shí)間不長，很快就減弱了，并且從1月中旬開始，10 hPa的NAM指數(shù)迅速變?yōu)楹艽蟮呢?fù)值（甚至超過―5），極渦變得非常弱，出現(xiàn)很強(qiáng)的平流層爆發(fā)性增溫。負(fù)的NAM指數(shù)迅速下傳，1月底到2月中下旬對(duì)流層NAM指數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，不過其數(shù)值比平流層的NAM指數(shù)小。

3.2 從10 hPa位勢場看極渦的強(qiáng)弱變化

2007/2008年的強(qiáng)極渦從2007年12月開始增強(qiáng)，到2008年1月上旬達(dá)到最強(qiáng)。圖2a給出的是2008年1月6～21日平均的10 hPa位勢場，它顯示了當(dāng)時(shí)平流層強(qiáng)極渦的基本特征：其中心位于極地附近，中心值低于28200位勢米，比同期平均值低約800位勢米。大致呈橢圓形，其長軸的一端 伸向格林蘭和北美的東海岸，另一端伸向亞洲北部。此極渦一直維持到2月上旬，在這期間雖然有短時(shí)間的旋轉(zhuǎn)，但大多數(shù)時(shí)間是一個(gè)向亞洲北部延伸的橢圓形。只是1月中下旬其中心稍微偏離極地。這就是為什么10 hPa的NAM指數(shù)（圖1a）在1月中下旬減小的原因。也就是說，單從NAM指數(shù)還不能完全看出平流層極渦的強(qiáng)弱，還應(yīng)結(jié)合位勢場來分析。

圖1 （a）2007/2008年和（b）2008/2009年冬季NAM指數(shù)的時(shí)間—高度剖面圖

2009年1月上旬的強(qiáng)極渦如圖2b 所示，其中心位置也在極地附近，中心值為28200位勢米，也呈橢圓形，但其長軸位置與2008年不同，是從北美西北部伸向歐洲北部。這個(gè)強(qiáng)極渦維持時(shí)間不長，從1月中旬起，極渦開始減弱、拉長并分裂，同時(shí)在北太平洋和北大西洋上空的高壓發(fā)展并向極地延伸，最終連成一片。圖2c是2009年1月25日到2月10日平均的10 hPa位勢高度場，可以看出原來的極渦已經(jīng)完全分裂，減弱成兩個(gè)較弱的低壓渦旋，分別位于北美大陸和歐亞大陸上，而極地區(qū)域已經(jīng)被一個(gè)強(qiáng)大的高壓所控制，同時(shí)發(fā)生很強(qiáng)的爆發(fā)性增溫。

圖2 10 hPa位勢高度場（單位：位勢米）：（a）2008年1月6～21日平均；（b）2009年1月3～10日平均；（c）2009年1月25日～2月10日的平均

4 2007/2008年和2008/2009年冬季東亞地區(qū)地面溫度的變化

考慮平流層極渦異常下傳到地面要經(jīng)歷一段時(shí)間，受其影響地面溫度的變化也會(huì)滯后一段時(shí)間，所以下面主要分析1月下旬到2月份的地面溫度變化?？紤]到2008年和2009年極渦異常的時(shí)間不完全相同，我們分別對(duì)2008年1月24日到2月6日，2009年1月22～26日和2009年1月29日～ 2月17日這三個(gè)時(shí)段的地面溫度距平做平均，圖3a、b和c分別給出這三個(gè)時(shí)段平均的歐亞大陸及其附近區(qū)域的地面溫度距平。從前面的NAM指數(shù)圖（圖1）可以看出，2008年1月下旬強(qiáng)極渦的影響已經(jīng)下傳到近地面，它很強(qiáng)而且持續(xù)到2月上旬。而2009年1月下旬，強(qiáng)極渦的影響也傳到了近地面，但持續(xù)時(shí)間短，其強(qiáng)度也比2008年弱很多。到了2009年1月底，平流層弱極渦的影響已經(jīng)傳到近地面。從圖3a可以看出在2008年1月強(qiáng)極渦之后地面溫度變化有如下特征：在歐亞大陸的北部（大約55°N～75°N）近地面溫度比多年平均值高而在其南方的大部分地區(qū)其近地面溫度比多年平均值低，同時(shí)在亞洲大陸北邊北冰洋上，地面氣溫也是偏低的。這種溫度變化特征從2008年1月20日就開始形成，一直維持到2月上旬。2009年1～2月地面溫度的變化情況與2008年不同。從圖3b可以看到，在2009年1月22～26日，由于受到前期強(qiáng)極渦下傳的影響，在亞洲北部（大約55°N～70°N）也有一片溫度偏高的區(qū)域，其東南面也有大片的溫度偏低的區(qū)域，但與圖3a相比，溫度的變化幅度小些而且有點(diǎn)零亂。然而，在2009年1月底到2月中旬這段時(shí)間，平流層弱極渦（即平流層爆發(fā)性增溫）的影響已經(jīng)到達(dá)地面。近地面溫度發(fā)生了明顯的變化，如圖3c所示，在歐亞大陸的北部（大約50°N～70°N）出現(xiàn)了明顯的地面溫度負(fù)距平區(qū)，而在其南方的大部分地區(qū)出現(xiàn)了地面溫度的正距平，同時(shí)在亞洲大陸北邊的北冰洋上，地面氣溫也是偏高的。這種溫度變化的特征不但與同年1月22～26日的溫度變化不同，還與2008年1月下旬到2月上旬的溫度變化基本上相反。從上面的分析不但可以看出，在2008年強(qiáng)極渦和2009年弱極渦發(fā)生之后，近地面溫度的異常變化基本相反，還可以看到，就同一種極渦異常而言，其后歐亞大陸的北部和南部地面溫度的變化也基本上是相反的。

5 行星波分析

采用第2節(jié)提到的諧波分析的方法，我們對(duì)2007/2008年和2008/2009年冬季10 hPa、100 hPa、500 hPa和850 hPa的位勢高度場進(jìn)行了諧波分 析，計(jì)算了沿緯向波數(shù)分別為1、2、3的行星波的振幅，位相以及波擾動(dòng)的逐日變化。由于篇幅所限，在這里主要給出10 hPa和500 hPa的結(jié)果。

5.1 2007/2008年和2008/2009年冬季10 hPa行星波活動(dòng)的差異

2007/2008年和2008/2009冬季10 hPa上行星波1波和2波振幅隨緯度的分布和隨時(shí)間的變化分別如圖4和圖5所示。圖中兩條虛線之間為參考NAM指數(shù)（圖1）給出的在10 hPa附近強(qiáng)極渦或弱極渦出現(xiàn)的時(shí)間。從圖4可以看出在2007/2008 年冬季平流層極渦增強(qiáng)之前（2007年12月之前），行星波1波和2波都比較弱。從2007年12月開始，1波不太強(qiáng)，但2波有所加強(qiáng)，2007年12月下旬到2008年1月上旬2波最大振幅超過600位勢米。主要因?yàn)檫@次強(qiáng)極渦呈橢圓型，其長軸伸向北美東北部和東北亞。大約1月中下旬，1波明顯加強(qiáng)（最大振幅達(dá)到1400位勢米），同時(shí)2波有所減弱。這期間極渦中心偏向格陵蘭北部到北亞之間的洋面上，太平洋東北部的高壓北移，一高一低的形勢更明顯（見圖2a）。從圖5可以看出2008/2009年冬季這次弱極渦（強(qiáng)爆發(fā)性增溫）發(fā)生過程中，行星波變化明顯不同于2007/2008年冬季的強(qiáng)極渦過程，2008年12月1波相當(dāng)強(qiáng)（最大振幅達(dá)到1300位勢米），2波較弱。12月底開始1波突然減弱，2波稍有加強(qiáng)，這對(duì)應(yīng)于一個(gè)較短時(shí)間的強(qiáng)極渦。2009年1月中旬以后，2波再次加強(qiáng)，其振幅超過1000位勢米，這時(shí)出現(xiàn)了強(qiáng)SSW。此結(jié)果與我們之前分析的爆發(fā)性增溫期間行星波變化的第一種類型一致（鄧淑梅等，2006）。

圖3 2008年和2009年1月下旬到2月中旬歐亞大陸及其附近區(qū)域的地面溫度距平場（單位：K）：（a）2008年1月24日～2月6日平均；（b）2009年1月22～26日平均；（c）2009年1月29日～2月17日平均

圖4 2007/2008年冬季10 hPa上行星波1波（上）和2波（下）振幅隨時(shí)間和緯度的分布（單位：位勢米）

圖5 2008/2009年冬季10 hPa上行星波1波（上）和2波（下）振幅隨時(shí)間和緯度的分布（單位：位勢米）

圖6 2007/2008年冬季500 hPa上行星波1波（上）和2波（下）振幅隨時(shí)間和緯度的分布，陰影為振幅大于和等于90位勢米的區(qū)域（單位：位勢米）

5.2 2007/2008年和2008/2009年冬季500 hPa行星波活動(dòng)的差異

我們對(duì)這兩年冬季500 hPa行星波的振幅隨緯度和時(shí)間變化也進(jìn)行了類似的分析，圖6和圖7分別給出2007/2008年和2008/2009年冬季500 hPa上行星波1波和2波振幅隨緯度的分布和隨時(shí)間的變化，圖中虛線標(biāo)出強(qiáng)極渦或弱極渦下傳到500 hPa附近的時(shí)間，陰影為振幅大于和等于90位勢米的區(qū)域。從圖6可以看到：2008年1月中到2月中，行星波1波和2波的擾動(dòng)向南伸，1波振幅為90的等值線和2波振幅為60的等值線可到達(dá)35°N以南。而2009年的情況就有所不同：1月中旬1波擾動(dòng)短時(shí)間南伸（對(duì)應(yīng)于SSW之前的短時(shí)間強(qiáng)極渦），1月中旬后到2月中旬（SSW期間和之后），1波擾動(dòng)較弱而且偏北，振幅為90的等值線主要在45°N以北地區(qū)，2波的擾動(dòng)也偏北，振幅為60的等值線主要在40°N以北（如圖7所示）。這說明2008年強(qiáng)極渦期間冷空氣可以入侵到比較南的地區(qū)而2009年弱極渦期間冷空氣活動(dòng)區(qū)域偏北。

圖7 2008/2009年冬季500 hPa上行星波1波（上）和2波（下）振幅隨時(shí)間和緯度的分布，陰影為振幅大于和等于90位勢米的區(qū)域（單位：位勢米）

圖8 500 hPa上沿60°N行星波1波擾動(dòng)隨時(shí)間和經(jīng)度的分布：（a）2007/2008年冬季；（b）2008/2009年冬季。陰影為擾動(dòng)值大于零的區(qū)域（單位：位勢米）

為了更好地看清楚南北不同緯度帶這兩年行星波活動(dòng)的差異，我們分別對(duì)沿60°N和30°N的行星波擾動(dòng)做進(jìn)一步分析，并結(jié)合500 hPa位勢場來討論不同的極渦異常引起近地面溫度發(fā)生不同的變化的原因。

圖9 500 hPa上沿60°N行星波2波擾動(dòng)隨時(shí)間和經(jīng)度的分布：（a）2007/2008年冬季；（b）2008/2009年冬季。陰影為擾動(dòng)值大于零的區(qū)域（單位：位勢米）

圖10 500 hPa上沿30°N行星波1波擾動(dòng)隨時(shí)間和經(jīng)度的分布：（a）2007/2008年冬季；（b）2008/2009年冬季。陰影為擾動(dòng)值大于零的區(qū)域（單位：位勢米）

圖8和圖9分別是2007/2008和2008/2009冬季500 hPa高度上沿北緯60度行星波1波和2波的擾動(dòng)隨經(jīng)度的分布和隨時(shí)間的變化。可以看出，2008年強(qiáng)極渦期間與2009年弱極渦期間行星波除擾動(dòng)振幅的差異外，擾動(dòng)位相也有明顯差異。2008年1月中旬到2月上旬（強(qiáng)極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間，見圖中的標(biāo)注，下同），沿60°N行星波1波的波峰在0°～100°E附近，波谷在160°W以東到80°W附近地區(qū)。而2009年1月下旬到2月中下旬（弱極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間，見圖中的標(biāo)注，下同），沿60°N行星波1波的波峰在0°到60°W之間，波谷 在120°E到180°之間。雖然2008年強(qiáng)極渦期間和 2009年弱極渦期間行星波2波的位相差異不算大，但1波和2波疊加的結(jié)果，將會(huì)使得這兩年冬季強(qiáng)、弱極渦活動(dòng)期間東亞大槽的位置有明顯的不同（詳見后面的討論）。圖10和圖11分別是2007/2008和2008/2009冬季500 hPa高度上沿30°N行星波1波和2波的擾動(dòng)隨經(jīng)度的分布和隨時(shí)間的變化。從圖10可以看出，在30°N附近，從2008年1月中旬到2月上旬（強(qiáng)極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間），行星波的1波振幅明顯大于2009年1月下旬到2月中下旬（弱極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間）的行星波1波的振幅，同時(shí)，2008年這段時(shí)間行星波1波的波谷主要在60°E～120°E之間，而從2月份開始2009年弱極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間行星波1波的波峰和波谷比2008年偏西。這說明2008年平流層出現(xiàn)強(qiáng)極渦之后，對(duì)流層500 hPa行星波1波對(duì)我國南方的擾動(dòng)比2009年弱極渦之后強(qiáng)得多。從圖11則可以看到在此期間行星波2波擾動(dòng)位相的明顯差異：2008年1月中旬到2月上旬，2波的一個(gè)波谷基本上在60°E～120°E之間，而2009年1月底到2月中旬行星波2波的波谷基本上在180°附近，而且很快減弱，2月上中旬60°E～120°E基本上是2波波峰所在的區(qū)域。

行星波活動(dòng)的上述變化使得這兩年冬季東亞大槽及其后的烏拉爾高壓的位置有明顯的不同，圖12a給出2008年1月19～29日平均的500 hPa位勢場?？梢钥闯龃似陂g500 hPa的極地渦旋的主體拉得很長，從北美東北部伸到亞洲東北部。東亞大槽的槽線主要伸向鄂霍次克海、堪察加半島及太平洋西北部。烏拉爾高壓向東擴(kuò)展直到貝加爾湖附近，其脊線呈東北—西南向，在東亞只有一個(gè)較弱的槽伸向西南方，這種形勢基本上維持著直到2月上旬末。這種形勢不利于冷空氣向貝加爾湖附近和我國東北部的輸送，反而有利于冷空氣經(jīng)由西北地區(qū)進(jìn)入我國，甚至可以影響到40°N以南地區(qū)。而2009年1月下旬到2月中旬，隨著平流層弱極渦下傳到500 hPa附近，在500 hPa位勢圖上，極地也被高壓區(qū)控制，烏拉爾高壓伸向北歐，并與該高壓區(qū)相連。極地渦旋分裂為兩個(gè)較弱的低壓，一個(gè)在北美的北端，另一個(gè)在亞洲北部。后者快速向西擴(kuò)展，形成一個(gè)東西向的低壓渦旋，占據(jù)了貝加爾湖及其以北的西伯利亞大片地區(qū)，而貝加爾湖以南地區(qū)等壓線相當(dāng)平直，基本上沿緯向分布。圖12b 給出2009年1月28日到2月6日平均的500 hPa位勢場。可以清楚地看到這一分布特征。這就使2009年1月下旬到2月中旬這段時(shí)間北方的冷空氣主要堆積在貝加爾湖及其以北的區(qū)域，不利于向南輸送，所以我國大部分地區(qū)都比較暖和。

通過上述對(duì)500 hPa高度附近沿60°N行星波的分析可知，由于2008年初強(qiáng)極渦及2009年初弱極渦期間行星波振幅和位相的差異，使得與之相對(duì)應(yīng)的500 hPa位勢場有明顯的不同，2008年初強(qiáng)極渦發(fā)生后的一段時(shí)間，東亞大槽有北縮東移的趨勢，不利于冷空氣向歐亞大陸北部（包括我國北方）的輸送，使這些地區(qū)的溫度偏高；而2009年弱極渦發(fā)生后的一段時(shí)間，東亞大槽西退，利于冷空氣向歐亞大陸北部（包括我國北方）輸送，導(dǎo)致這些地區(qū)較冷。因此行星波的擾動(dòng)不同，500 hPa形勢不同，對(duì)我國造成的影響也不同。由于我國幅員遼闊，南方和北方受到的影響也不盡相同，前面也提到2008年強(qiáng)極渦發(fā)生之后，500 hPa位勢場有利于冷空氣影響我國南方，而2009年弱極渦發(fā)生之后不利于冷空氣影響我國南方。也就是說對(duì)于同一種極渦異常，對(duì)東亞地區(qū)南北的影響是不一樣的。為了更進(jìn)一步說明這一點(diǎn)，我們對(duì)比一下這兩年1月中旬到2月中旬500 hPa 沿30°N和60°N的行星波擾動(dòng)。對(duì)比圖10a和圖8a可以看到，2008年強(qiáng)極渦發(fā)生之后，在500 hPa沿30°N的1波擾動(dòng)與沿 60°N 的1波擾動(dòng)幾乎是反位相的。同時(shí)沿30°N的2波擾動(dòng)與沿60°N的2波擾動(dòng)也有明顯的位相差（見圖11a和圖9a）。同樣，對(duì)比圖10b和圖8b，圖11b和圖9b，也可以看到，在2009年弱極渦發(fā)生之后，在500 hPa上無論1波還是2波沿30°N 與沿60°N的擾動(dòng)位相也有明顯的不同，有些時(shí)候甚至反位相。因此，對(duì)南方和北方冷暖空氣的輸送也就不一樣。由此進(jìn)一步說明同一種極渦異常對(duì)我國南北地區(qū)的溫度影響是不同的。

圖11 500 hPa上沿30°N行星波2波擾動(dòng)隨時(shí)間和經(jīng)度的分布：（a）2007/2008年冬季；（b）2008/2009年冬季。陰影為擾動(dòng)值大于零的區(qū)域（單位：位勢米）

圖12 500 hPa位勢高度場（單位：位勢米）：（a）2008年1月19～29日平均；（b）2009年1月28日到2月6日平均

6 結(jié)論和討論

在對(duì)逐日氣象資料進(jìn)行緯向諧波分析的基礎(chǔ)上，分析了2007/2008年冬季強(qiáng)極渦期間和2008/2009年冬季弱極渦期間平流層和對(duì)流層不同波數(shù)的行星波的變化特征，特別關(guān)注強(qiáng)極渦或弱極渦發(fā)生之后，500 hPa 沿60oN和30oN行星波1波和2波振幅和位相的差異，以及相應(yīng)的500 hPa位勢場的差異，進(jìn)而討論為什么不同的平流層極渦異常會(huì)對(duì)東亞有不同的影響，特別討論為什么同一種極渦異常，對(duì)我國南北方近地面氣溫的影響會(huì)不同。結(jié)果表明：

（1）在平流層（10 hPa），2007/2008年冬季強(qiáng)極渦期間行星波1波明顯加強(qiáng)，同時(shí)2波減弱。而2008/2009年冬季的弱極渦（強(qiáng)爆發(fā)性增溫）發(fā)生過程中，行星波1波突然減弱，2波明顯加強(qiáng)。

（2）在對(duì)流層中層（500 hPa），2007/2008年冬季強(qiáng)極渦發(fā)生之后，行星波2波的擾動(dòng)較強(qiáng)而且1波2波的擾動(dòng)都向南伸，而2009年的弱極渦（SSW）期間和之后，1波擾動(dòng)較弱而且偏北，2波的擾動(dòng)也偏北。

（3）在對(duì)流層中層（500 hPa），強(qiáng)極渦和弱極渦發(fā)生之后不但行星波1波和2波的振幅有所差異，它們的位相也有明顯的不同。特別有意思的是，其位相的差異還隨緯度而變化。在60oN附近， 2008年1月中旬到2月上旬（強(qiáng)極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間），1波的波峰在0°～100°E附近，波谷在160°W以東到80°W附近地區(qū)。而2009年1月下旬到2月中下旬（弱極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間），沿60°N行星波1波的波峰在0°到60°W之間，波谷在120°E到180°之間。而在30°N附近，從1月中到2月上旬（強(qiáng)極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間），2008年的1波振幅明顯大于2009年1月下旬到2月中下旬（弱極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間）的行星波1波的振幅，同時(shí)，2008年這段時(shí)間行星波1波的波谷主要在60°E～120°E之間，而從2月份開始2009年弱極渦出現(xiàn)后的一段時(shí)間行星波1波的波峰和波谷比2008年偏西。這說明2008年平流層出現(xiàn)強(qiáng)極渦之后，對(duì)流層500 hPa行星波1波對(duì)我國南方的擾動(dòng)比2009年弱極渦之后強(qiáng)得多。在此期間2波擾動(dòng)位相也有明顯的差異：2008年1月中旬到2月上旬，2波的一個(gè)波谷基本上在60°E～120°E之間，而2009年1月底到2月中旬2波的波谷基本上在180°附近，而且很快減弱，2月上中旬60°E～120°E基本上是2波波峰所在的區(qū)域。

（4）對(duì)比這兩年1月中旬到2月中旬500 hPa沿30°N和60°N的行星波擾動(dòng)。可以看到，2008年強(qiáng)極渦發(fā)生之后，在500 hPa沿30°N的1波擾動(dòng)與沿60°N 的1波擾動(dòng)幾乎是反位相的，同時(shí)沿30°N的2波擾動(dòng)與沿60°N 的2波擾動(dòng)也有明顯的位相差。同樣，在2009年弱極渦發(fā)生之后，在500 hPa上無論1波還是2波沿30°N與沿60°N的擾動(dòng)位相也有明顯的不同，有些時(shí)候甚至反位相。

（5）由于強(qiáng)極渦和弱極渦發(fā)生之后行星波活動(dòng)的上述差異，使它們的500 hPa位勢場也有明顯不同：在東半球，主要表現(xiàn)為烏拉爾高壓和東亞大槽的強(qiáng)度和位置不同。2008年強(qiáng)極渦發(fā)生之后，烏拉爾高壓和東亞大槽東移，不利于冷空氣向歐亞大陸北部（包括我國北方）的輸送，使這些地區(qū)的溫度偏高；而2009年弱極渦發(fā)生之后，東亞大槽西退，利于冷空氣向歐亞大陸北部輸送，導(dǎo)致這些地區(qū)較冷。對(duì)于同一種極渦異常（強(qiáng)極渦或者弱極渦）由于南方和北方行星波擾動(dòng)的位相不同，對(duì)南方和北方冷暖空氣的輸送也就不一樣。所以同一種極渦異常對(duì)（我國）南北地區(qū)的溫度影響是不同的。

本文給出了2007/2008年冬季的強(qiáng)極渦和2008/2009年冬季的弱極渦的對(duì)比。我們對(duì)其他的強(qiáng)極渦和弱極渦也做了分析，行星波活動(dòng)也有類似的變化，使得強(qiáng)極渦發(fā)生之后，烏拉爾高壓和東亞大槽東移，歐亞大陸北部偏暖，而南部偏冷。而弱極渦發(fā)生之后，烏拉爾高壓和東亞大槽位置偏西，歐亞大陸北部偏冷，南部正?；蚱?。只是由于各年極渦的強(qiáng)度變化不一樣，下傳速度也不盡相同，對(duì)對(duì)流層的影響強(qiáng)度和時(shí)間都不完全相同。

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A Comparative Analysis of Planetary Wave Activities for the 2007/2008Strong Polar Vortex and the 2008/2009 Weak Polar Vortex

Deng Shumei1, Chen Yuejuan2, and Yi Mingjian2, 3

1230031;2230026;3230022

Based on the zonal harmonic analysis of daily meteorological data, we compared and discussed the variation characteristics of the planetary wave for different wavenumbers in the stratosphere and troposphere during the strong polar vortex period in the winter of 2007/2008 and the weak polar vortex period in the winter of 2008/2009. We particularly focused on the amplitude and phase variation of the planetary wave for wavenumber-1 and wavenumber-2 along 60°N and 30°N, as well as the different 500-hPa geopotential height fields after the occurrence of the strong polar vortex and the weak polar vortex. Furthermore we discuss the reason for the different stratospheric polar vortex anomalies and the different effects on the weather and climate in eastern Asia. Finally, we investigated why this stratospheric polar vortex anomaly would cause different variations in south and north China surface temperatures. Our results show that following the stratospheric polar vortex anomaly, the planetary wave activities in the stratosphere clearly changed. The downward propagation of the abnormal polar vortex caused amplitude and phase variations in the tropospheric planetary wave and these variations are different along different latitudes. It appears that the planetary wave perturbations for wavenumber-1 and wavenumber-2 in the 500-hPa fields extended southward after the strongest polar vortex in January 2008. During and after the weakest polar vortex in January 2009, however, the planetary wave perturbations for wavenumber-1 and wavenumber-2 in the 500-hPa fields are located on the northern side. In the troposphere, the amplitude of the planetary wave is different for wavenumber-1 or wavenumber-2 and their phases are also clearly changed after the strong and weak polar vortex. These phase difference change especially with latitude. For the same year (that is say, for the same strong polar vortex in 2008 or same weak polar vortex in 2009), the planetary wave phase near 60°N is almost opposite to that near 30°N regardless of wavenumber, and cause large differences in the 500-hPa geopotential height field. Specifically, the strength and location of the Ural high pressure and the East Asia trough are different in the Eastern Hemisphere. After the strong polar vortex in January 2008, the Ural high pressure and East Asia trough extend eastward and this results in cold air not being transported to northern Eurasia (including northern China). As a result, the temperature of these areas increases. During the weak polar vortex in January 2009, the East Asia trough draws westward and this causes cold air transport to northern Eurasia, hence the temperature of these areas decreases. For the same stratospheric polar vortex anomaly (such as the strong polar vortex in 2008 or weak polar vortex in 2009), since the phase of the planetary wave disturbance in south and north China is different, the transportation of cold air to south and north China are different. Therefore, the same stratospheric polar vortex anomaly would have different effects on surface temperature in South and North China.

Stratospheric polar vortex, Planetary wave, Eurasia, Temperature variation

1006-9895(2015)02-0433-12

P434

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1405.14124

2014-02-10；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2014-05-26

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2010CB428603，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41105031，淮河流域氣象開放研究基金項(xiàng)目HRM201103

鄧淑梅，女，1979年出生，博士，主要從事天氣氣候和中層大氣研究。E-mail: luotao@ustc.edu.cn

陳月娟，E-mail: cyj@ustc.edu.cn