夏淋淋 譚言科 尹錫帆 李崇銀, 2

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基于中心軸線的北太平洋冬季風暴軸分類及其機理研究

夏淋淋1譚言科1尹錫帆1李崇銀1, 2

1解放軍理工大學氣象海洋學院，南京211101;2中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室（LASG），北京100029

利用NCEP/NCAR逐日再分析資料研究了63年（1948～2010年）冬季北太平洋風暴軸的時空演變，提取風暴軸的中心軸線作為研究主體，以風暴軸的經(jīng)向分布差異為重點，用模糊C均值聚類分析的方法將風暴軸分為平均型、偏北型和偏南型三類，并探討了各類風暴軸對應的海氣異常型及其物理機制。結(jié)果表明：（1）三類風暴軸分別顯示了風暴軸經(jīng)向差異的具體物理圖像，對應著不同的渦旋移動發(fā)展路徑，具有明確的天氣學意義。通過EOF分解證明本文的分類反映了風暴軸的主要變化特征，物理意義清晰，具有一定的合理性和實用性。（2）三類風暴軸不僅經(jīng)向差異明顯，其北抬南壓的緯向位置也存在顯著差異，進一步表明該分類方法充分考慮了風暴軸空間分布的經(jīng)向緯向差異，還揭示了風暴軸多中心的特點。（3）三類風暴軸對應的不同SST異常通過熱力過程影響大氣的溫度場、風場和位勢高度場，導致阿留申低壓強度位置異常和水平風場異常，進而影響大氣斜壓性，決定風暴軸的空間分布，是形成不同類型風暴軸的重要原因。

風暴軸 渦旋路徑 空間型 SST異常 物理機制

1 引言

20世紀70年代，Blackmon（1976）發(fā)現(xiàn)了北半球天氣尺度瞬變擾動方差集中在中緯度北太平洋和北大西洋上空兩個緯向拉長的區(qū)域，與地面氣旋活動帶相一致，并將其定義為風暴軸。自此以緯向非對稱觀點研究大氣環(huán)流異常變化越來越得到人們重視。從天氣學意義上來說，風暴軸與氣旋、反氣旋活動關(guān)系密切，而他們的頻繁活動會引起相關(guān)區(qū)域逐日的天氣演變，因此它對天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展及異常變化具有重要的指示意義；從氣候?qū)W意義上講，風暴軸作為海洋大氣間水汽、動能和熱能輸送的接力棒，在熱帶和中高緯相互作用間起著重要的紐帶作用（Chang et al., 2002），其變化也是氣候變率必不可少的要素。

風暴軸自被發(fā)現(xiàn)以來就逐漸成為三維瞬變波動力學研究中的一個重要科學問題。多年的研究已逐步揭示了它的很多氣候特征。在中緯度北太平洋大氣強斜壓區(qū)，天氣尺度渦旋（斜壓波包）的傳播存在兩支波導（Hoskins and Hodges, 2002; Nakamura and Sampe, 2002），這與近年來發(fā)現(xiàn)的對流層低層的雙風暴軸（傅剛等，2009; Booth et al., 2010）相對應。Cai and Mak（1990）通過數(shù)值模擬研究表明天氣尺度渦旋與大氣低頻變化存在共生關(guān)系。傅剛等（2009）用Quick-SCAT海平面風場資料和NCEP 10 m高度上風速資料，繪制了北太平洋風暴軸三維結(jié)構(gòu)示意圖，指出冬季北太平洋風暴軸強度較強，自日本以東洋面起沿中緯度呈緯向拉伸的帶狀分布，并揭示了“雙風暴軸”現(xiàn)象。鄧興秀和孫照渤（1994）研究表明，北半球風暴軸季節(jié)變化明顯，通常冬季最強且位置偏南，夏季最弱且位置偏北，春秋則為過渡期，并且這種季節(jié)變化與急流強度變化密切相關(guān)。Nakamura（1992）在研究冬季北半球風暴軸隨時間演變時發(fā)現(xiàn)其季節(jié)變化存在顯著的“冬季抑制”現(xiàn)象，即1月風暴軸較之前年12月和當年2月都弱。Orlanski（2005）還發(fā)現(xiàn)東亞上空的擾動異常可通過下游發(fā)展機制對北太平洋上的擾動產(chǎn)生影響，并進一步造成急流異常。

在年際時間尺度上，已有研究表明，風暴軸的變化是對ENSO循環(huán)的響應。Trenberth and Hurrell（1994）的研究表明，北半球兩個大洋上的風暴軸均在El Ni?o年增強，而La Ni?a年則減弱，并且在El Ni?o年，太平洋風暴軸向東移動，認為這是對東太平洋哈得來環(huán)流增強的響應，而La Ni?a年正好相反。Held et al.（1989）指出，實際上中緯度定常波對熱帶海表溫度所引起的加熱的直接響應是很弱的，與風暴軸變化相關(guān)的渦旋強迫在建立對ENSO循環(huán)的熱帶外響應中起著重要的作用。朱偉軍和孫照渤（2000）指出北太平洋冬季風暴軸中心的強度及位置年際差異顯著，其中心強度在強、弱年可相差一倍以上，同時還得出，其年際變化主要存在兩種空間分布型。而風暴軸年際變化的成因則可能與熱帶海溫異常導致的熱帶、副熱帶溫度梯度變化所引起的斜壓性變異有關(guān)。Nakamura et al.（2002）則發(fā)現(xiàn)風暴軸的年際變化與冬季風異常和相應的東亞急流強弱及定常/瞬變波的熱量輸送有關(guān)。Chang and Guo（2007）利用定常波模型和理想的GCM模式研究了隆冬風暴軸年際變化的成因，指出不僅要關(guān)注局地波流相互作用，還應考慮遠距離的渦旋強迫作用。顧沛澍等（2013）從風暴軸的強度出發(fā)討論了冬季北太平洋風暴軸的時空演變特征，并探討了風暴軸活動強弱與東亞—北太平洋大氣環(huán)流的關(guān)系。

關(guān)于風暴軸分類的研究，李瑩等（2010）研究發(fā)現(xiàn)1970年代中期以后強北太平洋風暴軸中心一般偏東偏北。朱偉軍和李瑩（2010）的研究還得出北太平洋風暴軸在年代際時間尺度上同樣存在兩種主模態(tài)：第一模態(tài)是風暴軸在其氣候平均位置增強或減弱的主體一致變化型，其年代際變化受到上游渦旋強迫的影響；第二模態(tài)是風暴軸中東部在氣候平均位置南北兩側(cè)振蕩的經(jīng)向異常型，與太平洋年代際振蕩（PDO）循環(huán)的暖冷位相相聯(lián)系。Huang et al.（2002）也注意到了，風暴軸東部的異常不僅具有年際和年代際變化，還可以引起阿留申低壓的異常。任雪娟等（2007a, 2007b）研究發(fā)現(xiàn)冬季北太平洋主要有兩種空間異常型，一種為中東部的北抬南壓，另一種為風暴軸整體性的加強（減弱）并偏北（南），并認為這種異常型與海氣耦合有重要聯(lián)系。近年來，朱偉軍等（2013）通過分析北太平洋東部風暴軸的時空演變特征，將風暴軸按最大值中心的緯向位置差別分為西部型、中部型和東部型，并指出東部型風暴軸與其他兩類風暴軸在形成機理和結(jié)構(gòu)特征上有顯著差異。

很顯然，北太平洋風暴軸的形態(tài)和演變是相當復雜的，雖然已有一些其分類的研究，但尚無一致的結(jié)論。而風暴軸空間形態(tài)的差異不僅會對天氣氣候變化有不同影響，還可能對應不同的物理機制和變化特征（朱偉軍等，2013），因此，進一步對風暴軸的空間形態(tài)和分類進行深入研究很有必要。通過對1948～2010年共63年冬季逐月風暴軸的空間型分析發(fā)現(xiàn)，189個月風暴軸的空間分布形態(tài)各異，那么如果只考慮風暴軸大值中心的緯向差異進行分類，則不能夠完全體現(xiàn)風暴軸多中心的特點，也不易與天氣尺度渦旋建立聯(lián)系。朱偉軍和李瑩（2010）研究指出風暴軸東部的經(jīng)向差異對應EOF第二模態(tài)的特征，表明風暴軸的經(jīng)向差異也非常重要。本文通過計算冬季逐月風暴軸的中心軸線，以中心軸線的位置為分類依據(jù)，用模糊C均值聚類的方法將冬季500hPa風暴軸的空間形態(tài)分為平均型、偏北型和偏南型三類，然后根據(jù)分類結(jié)果，分析研究其對應的物理機制。

2 資料與方法

本文所用再分析資料主要是NCEP/NCAR（美國氣象環(huán)境預報中心和美國國家大氣研究中心）的逐日和逐月再分析資料（Kalnay et al., 1996），該資料時間長度為1948年1月1日至2011年12月31日，水平分辨率為2.5°×2.5°。本文所用變量包括海平面氣壓場、溫度場、位勢高度場以及水平緯向風和經(jīng)向風場。

本文所用方法主要有：31點對稱數(shù)字濾波器（韋晉和朱偉軍，2006）、EOF（經(jīng)驗正交函數(shù)）分解、模糊C均值聚類法（Bezdek, 1981, 1987）、合成分析、合成檢驗。本文所用診斷分析方法均為常用的統(tǒng)計學方法。

對于各變量，本文用逐日資料減去月均值得到大氣瞬變資料，再使用31點濾波器從中濾出2.5～6d的天氣尺度瞬變擾動分量，供后續(xù)分析研究使用。此外還需說明的是，本文中冬季取為當年12月至次年2月。計算600 hPa和500 hPa之間的大氣斜壓性指數(shù)（Eddy growth rate maximum）（Lindzen and Farrell, 1980）來代表對流層中層的大氣斜壓性，其公式為

其中，是科氏參數(shù)，是水平風速，是Brunt-Vaisala頻率，大值區(qū)表示有大的平均有效位能向擾動動能轉(zhuǎn)化的可能性。

風暴軸為天氣尺度瞬變擾動方差大值區(qū)域，為了方便表示，文中用風暴軸中心軸線自西向東的走勢來表征風暴軸的空間分布。例如圖1為1948～2010年北太平洋冬季平均的500hPa位勢高度天氣尺度擾動方差的水平分布，圖中等值線的極大值區(qū)域呈帶狀分布，而點線對應極大值區(qū)域的脊線，可以很好地反映風暴軸的空間分布。由于本文重點關(guān)注北太平洋上風暴軸的空間分布，風暴軸強度大于18dagpm2的區(qū)域主要集中在130°E～130°W之間，因此文中選取130°E～130°W北太平洋位勢高度天氣尺度擾動方差場脊線的位置表征風暴軸的空間分布，并稱其為風暴軸中心軸線。此外，本文中用850hPa，500hPa，300hPa的位勢高度天氣尺度擾動方差的水平分布表征不同層次高空的風暴軸，由于各層風暴軸形態(tài)特征比較類似，尤其在中高空（圖略），因此選取500hPa風暴軸的中心軸線走勢作為分類依據(jù)來研究高空不同類型風暴軸的空間分布形態(tài)。

圖2 各類風暴軸對應的平均的500 hPa位勢高度天氣尺度擾動方差（單位：dagpm2）的水平分布：（a）平均型；（b）偏北型；（c）偏南型

3 北太平洋風暴軸的分類

通過計算1948～2010年冬季189個月500hPa位勢高度天氣尺度擾動方差在130°E～130°W范圍內(nèi)經(jīng)向30°N～60°N上最大值所處的緯度，得到每月風暴軸中心軸線的位置。以風暴軸中心軸線的緯度為變量，用模糊C均值聚類法將風暴軸的中心軸線進行分類，通過多組分類試驗表明將風暴軸分為三類時各類風暴軸樣本數(shù)相差不大，空間分布差異顯著，因此我們最終將風暴軸分為三類，各類風暴軸中心軸線所在緯度的聚類中心線如圖2點線所示。根據(jù)三個聚類中心線得到189個月對應該類風暴軸的隸屬函數(shù)，如果某月某類風暴軸的隸屬函數(shù)大于0.5，則該月風暴軸隸屬于該類別，從而得到189個月對應的風暴軸類別（圖3）。

根據(jù)各類風暴軸的分類結(jié)果，計算各類風暴軸對應的500hPa位勢高度天氣尺度擾動方差的平均水平分布（圖2），從圖中可以看出三類風暴軸的中心軸線與500hPa位勢高度天氣尺度平均擾動方差的大值區(qū)相吻合，這表明根據(jù)風暴軸中心軸線得到的聚類中心線能表征各類風暴軸的主要特征和空間分布，依據(jù)風暴軸中心軸線的聚類結(jié)果是有意義的。

圖2清楚地表明，三類風暴軸在空間形態(tài)上差異明顯。I類風暴軸與平均的風暴軸空間形態(tài)（圖1）相近似，故稱其為平均型。I類風暴軸有兩個大值中心，由于風暴軸與天氣尺度渦旋活動有很好的對應關(guān)系，因此兩個大值中心分別對應于天氣尺度渦旋的兩次發(fā)展過程，但其中最主要的大值中心位于日界線以西45°N附近。從空間形態(tài)上來說I類風暴軸中心軸線在170°W以西維持東西向，170°W以東由西南—東北向轉(zhuǎn)為西北—東南向，轉(zhuǎn)折點在145°W左右，而風暴軸中心軸線的分布對應天氣尺度渦旋的移動路徑，因此170°W以西天氣尺度渦旋自西向東運動，170°W以東則有北（南）折的過程（圖略）。和I類風暴軸類似，II類風暴軸也有兩個大值中心，但其主要的大值中心位于（55°N,145°W）附近，其中心軸線在150°E以西為東西走向，以東由西南—東北向轉(zhuǎn)為西北—東南向，轉(zhuǎn)折點在170°W左右，對應的天氣尺度渦旋在150°E以東有北（南）折過程，強度在東北太平洋達到最強（圖略）。由于II類風暴軸比I類風暴軸的平均位置偏北（尤其是主要大值中心偏北），故稱為偏北型。而III類風暴軸比I類風暴軸的平均位置偏南，故稱為偏南型；III類風暴軸只有一個大值中心，位于（45°N,170°W）附近，其中心軸線在155°W以西為東西向，以東為西南東北向，對應的天氣尺度渦旋在日界線以東最強，且北折幅度最?。▓D略）。

圖3給出了1948～2010年冬季189個月500hPa風暴軸分類結(jié)果，縱坐標數(shù)值表示其歸屬的類型。三類風暴軸的樣本量相差不大，其中I類風暴軸有63個樣本，II類54個，III類72個。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)I類風暴軸在12月、1月和2月出現(xiàn)的頻率相近，II類風暴軸在12月出現(xiàn)的頻率較大，達到42%，III類風暴軸在2月出現(xiàn)的頻率較大，達到40%，這表明后兩類風暴軸對應的天氣尺度渦旋有明顯的月際變化。

為了驗證聚類分析結(jié)果的可靠性和合理性，對1948～2010年冬季189個月500hPa位勢高度擾動方差進行EOF分解。圖4為EOF第一模態(tài)（EOF1）的空間場和標準化時間系數(shù)（PC1），該模態(tài)方差貢獻達到21.2%，EOF1的空間場表現(xiàn)為風暴軸在其平均位置增強或減弱的主體一致變化型，即EOF1的空間型對應風暴軸強度的一致性變化。此外，PC1具有顯著的年際變化，表1給出了PC1絕對值大于1的時間樣本在三類風暴軸中的分布，從表中可以看出，PC1大于1或者小于?1的月在三類風暴軸中都有分布，并且沒有哪一類存在明顯優(yōu)勢，因此EOF1的空間型并不只對應I類風暴軸的強度變化，其他兩類風暴軸的強弱變化也與EOF1有關(guān)。EOF1結(jié)果表明風暴軸最主要的變化是其強度的變化，而這種強度的變化對無論哪一類風暴軸都是重要的。

表1 EOF前兩模態(tài)標準化時間系數(shù)（PC1、PC2）絕對值大于1對應的三類風暴軸的月數(shù)

EOF第二模態(tài)（EOF2）方差貢獻達到16.9%，與第一模態(tài)的方差貢獻相差不大，因此，EOF2也反映風暴軸的重要變化特征。EOF2的空間分布呈平均位置南北兩側(cè)振蕩的經(jīng)向異常型，異常中心呈西南—東北分布，II類風暴軸和III類風暴軸的中心軸線分別經(jīng)過正異常中心和負異常中心，表明該類空間型對應風暴軸的北抬和南壓，這與朱偉軍和李瑩（2010）的研究結(jié)果一致（圖略）。和PC1一樣，PC2也表現(xiàn)出顯著的年際變化特征。表1數(shù)據(jù)說明PC2＞1的月有22個，而這22個月全部為II類風暴軸，當PC2＜?1時也有22個月，其中18個月為III類風暴軸，4個月為I類風暴軸。當PC2大于1（圖5a），對應風暴軸平均位置北側(cè)天氣尺度擾動方差正異常，南側(cè)負異常，風暴軸位置偏北，即II類風暴軸，反之則風暴軸位置偏南對應III軸（圖5b）。EOF2的結(jié)果與II類風暴軸和III類風暴軸有好的對應關(guān)系，與I類風暴軸關(guān)系不明顯，說明EOF2主要反映風暴軸的北抬和南壓，即風暴軸南北位置的變化。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)本文方法有以下優(yōu)點：（1）風暴軸中心軸線與天氣尺度的渦旋移動路徑有良好的對應關(guān)系，因此該分類方法給出的各類風暴軸的空間分布具有明確的天氣學意義。（2）該分類方法主要考慮經(jīng)向上最大方差值所處的位置，同時也包含風暴軸緯向差異的信息，可以反映風暴軸多中心的特點。（3）該分類方法將風暴軸中東段北抬（南壓）的程度具體化，并且其分類結(jié)果與EOF分解結(jié)果高度一致，反映了風暴軸空間分布的重要特征，具有一定的合理性和實用性。

圖6 （a）平均型、（b）偏北型和（c）偏南型風暴軸對應的平均SSTA場（單位：°C）。陰影區(qū)表示通過95%信度檢驗的區(qū)域，淺（深）色陰影分別表示負（正）異常

4 各類風暴軸的物理機制分析

考慮到文中研究的風暴軸是天氣尺度擾動方差的月積累效應，而海洋熱異常作為大氣運動的主要驅(qū)動力不容忽視。同時風暴軸是天氣尺度波動的統(tǒng)計特征，而Held et al.（1989）指出中緯度定常波對熱帶海表溫度所引起的加熱的直接響應是很弱的。因此，下面我們既分析熱帶也分析中緯度海表面溫度（SST）異常與各類風暴軸的對應關(guān)系，進而揭示各類風暴軸的物理機制。

圖6為各類風暴軸所對應的平均海表溫度異常（SSTA）場，由于I類風暴軸更接近平均狀態(tài)，因而其對應的SST異常不太顯著，主要為（30°N,160°W）附近的正異常。II類風暴軸對應的SST異常為熱帶中東太平洋偏冷，中緯度為類似PDO負位相的空間結(jié)構(gòu)，北太平洋中部地區(qū)SST正異常，而北美西海岸SST負異常（這里正異常中心的位置比PDO略偏南，由于PDO為年代際變化，SSTA的合成結(jié)果顯然不是PDO，因而稱為類PDO負位相空間分布）。III類風暴軸對應的SST異常表現(xiàn)為熱帶地區(qū)中東太平洋顯著偏暖，中緯度太平洋類PDO正位相的空間分布。本文所得到的II類風暴軸和III類風暴軸與類PDO海溫異常的關(guān)系，基本上與朱偉軍和李瑩（2010）的研究結(jié)果一致。

海溫的異常型通過海氣表面的熱力過程影響大氣的溫度，但還需要知道各種具體熱力過程的作用。通過分析三類風暴軸所對應的感熱、潛熱和長波輻射通量，我們發(fā)現(xiàn)三者對各類風暴軸所對應的高空溫度（圖略）作用效果一致，這里僅以長波輻射通量（圖7）為例進行說明。通過比較發(fā)現(xiàn)，在海溫偏高（低）地區(qū)，通過感熱、潛熱的影響，其對外長波輻射為負（正）異常。但是，對應不同類型的風暴軸存在不同的海溫異常的分布特征，那么也就對應有不同的加熱場特征。中緯度北太平洋海溫異常主要通過感熱影響上空的大氣溫度，進而為位勢高度的變化提供了有利的外部環(huán)境。另一方面，不同類型的風暴軸，不僅在北太平洋中緯度地區(qū)對應不同的海溫異常型，在熱帶太平洋地區(qū)也存在不同類型的海溫異常。熱帶海溫異常對大氣的影響是比較清楚的，熱帶中東太平洋的海溫異?？梢灾苯訉е履抢飳α骰顒赢惓＃ㄟ^上升運動的異常又會影響垂直經(jīng)向環(huán)流（圖8），并激發(fā)出高空的（正、負）PNA（Pacific–North American Pattern）波列，進而影響北半球500hPa的位勢高度場（圖略）。

圖7 （a）平均型、（b）偏北型和（c）偏南型風暴軸對應的平均長波輻射通量距平場（單位：W m?2）。陰影區(qū)表示通過95%信度檢驗的區(qū)域，淺（深）色陰影分別表示負（正）異常

圖8 （a）偏北型和（b）偏南型風暴軸對應的160°E～120°W平均經(jīng)圈環(huán)流異常場。陰影區(qū)表示通過95%信度檢驗的區(qū)域，淺（深）色陰影分別表示上升運動正（負）異常

由于各類風暴軸對應有不同的海溫異常型，也就必然存在不同的大氣溫度和位勢高度的異常特征（圖9、圖10）。I類風暴軸海溫異常區(qū)主要在中緯度太平洋中部，該區(qū)域SST正異常，對應上空（中心略偏北）溫度偏高，中緯度氣溫偏高對高壓脊的抬升作用導致太平洋東北部上空位勢高度偏高。II類風暴軸海溫異常區(qū)域既有熱帶的部分也有中緯度的部分，而這兩部分海溫異常的大氣響應是不一樣的。熱帶中東太平洋SST偏冷，對流活動偏弱，與之對應，所激發(fā)的500hPa位勢高度場上的PNA波列為負位相，導致中緯度太平洋上空位勢高度偏高；另一方面，中緯度太平洋類PDO負位相的SSTA分布通過感熱使得中緯度太平洋上空溫度偏高，為該區(qū)域位勢高度的增高提供了偏暖的環(huán)境。這樣，II類風暴軸對應的熱帶太平洋和中緯度太平洋SSTA的作用效果最終主要通過負PNA型遙相關(guān)導致中緯度太平洋上空位勢高度偏高。與II類相比，III類風暴軸對應的熱帶太平洋和中緯度太平洋的SSTA分布特征明顯不同，其共同作用主要通過正PNA型遙相關(guān)從而導致中緯度太平洋上空位勢高度偏低。

圖10 （a）平均型、（b）偏北型和（c）偏南型風暴軸對應的500 hPa位勢高度距平場（單位：gpm）。陰影區(qū)表示通過95%信度檢驗的區(qū)域，淺（深）色陰影分別表示負（正）異常

綜合分析發(fā)現(xiàn)海溫異常的作用使得I類風暴軸對應的500 hPa位勢高度距平場的空間分布呈緯向偶極子分布（圖10），160°W西側(cè)為弱的負異常區(qū)，東側(cè)為顯著的正異常區(qū)，對應阿留申低壓的強度和位置與氣候態(tài)相比變化不大，但其東側(cè)的脊在140°W附近得到顯著加強，這導致該類風暴軸對應的天氣尺度渦旋在170°W以東沿著阿留申低壓東南側(cè)的氣流向東北運動，到最北端之后沿著脊后西北氣流折向東南。II類風暴軸對應中緯度北太平洋上空大范圍的位勢高度正異常，導致阿留申低壓位置偏西，面積偏小，強度偏弱，其東南側(cè)的西南氣流使得天氣尺度渦旋在150°E以東北折。III類風暴軸所對應的位勢高度場異常形勢與II類相反，阿留申低壓位置偏東，面積偏大，強度偏強，其南側(cè)的偏西氣流決定了天氣尺度渦旋一直東移到155°W才開始北折。除此之外，從各類風暴軸對應的500 hPa平均位勢高度場還可以看出風暴軸中心軸線自西向東的走向與等壓線的分布匹配較好，北部阿留申低壓（東亞大槽）強度和位置對風暴軸的空間分布有重要影響，這主要是由于天氣尺度渦旋運動受基本氣流的影響導致的。

500 hPa水平風矢量距平場與位勢高度距平場有良好的對應關(guān)系，從圖11中可以看出風暴軸的空間位置偏向緯向風的正異常區(qū)一側(cè)。I類風暴軸中心軸線上緯向風異常不顯著，但日界線以東存在一個反氣旋式環(huán)流異常，其經(jīng)向風異常導致了該類風暴軸在170°W以東的北抬和南壓。II類風暴軸中心軸線北側(cè)對應緯向風正異常，南側(cè)緯向風負異常，并且圍繞風暴軸中心軸線存在一個大范圍的反氣旋式環(huán)流異常，其經(jīng)向風異常對該類風暴軸在150°E以東的北抬和南壓有重要作用，對應天氣尺度渦旋北折偏早，該類風暴軸偏北。III類風暴軸的中心軸線北側(cè)對應緯向風負異常，南側(cè)緯向風正異常，風暴軸偏南，圍繞風暴軸中心軸線的氣旋式環(huán)流異常導致風暴軸在155°W以西（東）被南壓（北抬），對應天氣尺度渦旋北折偏晚，故該類風暴軸偏南。此外，I類風暴軸對應的300 hPa西風急流基本呈平均態(tài)（圖略），II類風暴軸對應的300 hPa西風急流偏弱，300 hPa西風急流偏強則對應III類風暴軸。

圖11 （a）平均型、（b）偏北型和（c）偏南型風暴軸對應的500 hPa水平風矢量距平場（單位：m s?1）。陰影區(qū)表示通過95%信度檢驗的區(qū)域，淺（深）色陰影分別表示負（正）異常

上面的分析表明各類風暴軸所對應的中緯度海溫異常通過熱力效應影響其上空的溫度場和位勢高度場，熱帶海溫異常則通過PNA型遙相關(guān)影響中緯度太平洋上空的位勢高度場。而對于大尺度運動，位勢高度場的變化決定水平風場的變化，也就可以認為SSTA通過影響溫度場、位勢高度場和水平風場進而影響大氣斜壓性。Hoskins and Valdes（1990）研究指出，從斜壓性的分布來看，風暴軸東、西兩端存在顯著差異，西端為強斜壓結(jié)構(gòu)，到東端則逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄喈斦龎航Y(jié)構(gòu)，而天氣尺度渦旋的發(fā)展主要與大氣斜壓性有關(guān)。綜合溫度場、位勢高度場和風場，也就可以給出各類風暴軸對應的600～500 hPa之間的斜壓性指數(shù)距平分布（圖12）。從圖中可以看出I類風暴軸對應的斜壓性指數(shù)分布基本和平均態(tài)一致，沒有顯著的正負異常區(qū)。斜壓性指數(shù)的平均分布（圖略）呈現(xiàn)出大洋西部斜壓性指數(shù)較大，斜壓性較強，到東部斜壓性逐漸減弱（的特點），而風暴軸中心軸線自西向東沿著斜壓性大值區(qū)北側(cè)分布。II類風暴軸對應的斜壓性指數(shù)距平場呈現(xiàn)“北正南負”的異常型，北側(cè)斜壓性顯著偏強，而南部斜壓性顯著偏弱，故而有利于渦旋向北發(fā)展，風暴軸偏向斜壓性指數(shù)正異常區(qū)，風暴軸中心軸線偏北。III類風暴軸中心軸線南側(cè)斜壓性顯著偏強，而北側(cè)斜壓性偏弱，因此渦旋向北的移動受到了抑制，風暴軸偏向斜壓性偏強的區(qū)域，風暴軸中心軸線偏南。

圖12 （a）平均型、（b）偏北型和（c）偏南型風暴軸對應的600～500 hPa之間斜壓性指數(shù)距平場（單位：10?2 d?1）。陰影區(qū)表示通過95%信度檢驗的區(qū)域，淺（深）色陰影分別表示負（正）異常

5 結(jié)論與討論

本文用63年較長時間的NCEP/NCAR再分析資料，對北太平洋風暴軸進行了進一步研究，在對其分類研究的基礎上討論了各類風暴軸對應的海氣異常型，得到如下結(jié)論：

（1）以風暴軸中心軸線代表風暴軸的空間分布，根據(jù)風暴軸的空間分布用模糊C均值聚類分析的方法將風暴軸分為三類。與以往分類主要考慮風暴軸的緯向差異相比，本文的分類方法充分考慮了風暴軸與天氣尺度渦旋之間的關(guān)系，以風暴軸空間分布的經(jīng)向差異為主要對象，把風暴軸分為平均型（I類）、偏北型（II類）和偏南型（III類），并給出了不同類風暴軸經(jīng)向差異的具體分布。這樣分出的三類風暴軸不僅考慮了風暴軸的經(jīng)向差異，也包含風暴軸的緯向差異，而且各類風暴軸對應著不同的渦旋發(fā)展移動路徑，具有明確的物理意義。通過EOF分解證明該分類結(jié)果反映了風暴軸的重要變化特征，既有合理性又有實用價值。

（2）I類風暴軸空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為類似平均態(tài)的特征，日界線以西為東西走向，日界線以東存在（先）北抬和（后）南壓的過程，對應天氣尺度渦旋的東行和北（南）折。該類風暴軸存在兩個大值中心，最強大值中心位于日界線以西附近，另一個弱的大值中心位于東北太平洋，風暴軸大值中心的分布對應天氣尺度渦旋最強的位置。II類風暴軸也存在兩個大值中心，但其最強大值中心位于東北太平洋，對應的天氣尺度渦旋在東北太平洋達到最強，風暴軸于日界線以西便開始北抬，風暴軸位置偏北。III類風暴軸只有一個大值中心，位于日界線以西附近，整體位置偏南，對應的天氣尺度渦旋在日界線以西最強，風暴軸北抬位置比I類風暴軸偏東，且北抬幅度較小。

（3）三類風暴軸對應的SSTA場差異顯著，在一定意義上可以認為SSTA的形態(tài)是產(chǎn)生不同類型風暴軸的重要機制。具體過程是熱帶海溫異常通過其熱效應影響相應的經(jīng)向環(huán)流、通過PNA型遙相關(guān)影響中緯度地區(qū)大氣位勢高度場，進而影響中緯度地區(qū)的風場，而中緯度海溫異常也能通過感熱影響其局地上空的大氣溫度場和位勢高度場。也就是說，異常海溫場的不同形態(tài)通過對位勢高度場、溫度場和水平風場的作用影響大氣斜壓性，進而決定風暴軸的空間分布。I類風暴軸對應中緯度北太平洋東部有較強正SST異常，其他海域SST異常不顯著，海溫異常的這種分布型通過熱力過程使得阿留申低壓基本呈現(xiàn)類氣候態(tài)特征，阿留申低壓和其東側(cè)高壓脊之間的西南氣流作用于天氣尺度渦旋，使得渦旋在170°W以東北折，而高壓脊東北側(cè)的西北氣流又決定了渦旋路徑的南折，從而對應于風暴軸的北抬和南壓。II類風暴軸對應熱帶中東太平洋海溫偏低而中緯度太平洋為類PDO負位相的空間分布。熱帶中東太平洋SST異常偏冷，通過感熱、潛熱等過程使得那里的上升運動減弱，在高空激發(fā)負PNA型遙相關(guān)，導致中緯度太平洋位勢高度偏高；中緯度類PDO負位相的SST異常通過感熱影響高空溫度場，SST正異常區(qū)上空大氣溫度偏高，為該區(qū)域位勢高度的增高提供了偏暖的環(huán)境。中緯度北太平洋和熱帶太平洋SSTA共同作用使得阿留申低壓強度偏弱，位置偏西，面積偏小，相應水平風場也發(fā)生改變，阿留申低壓東側(cè)向北的氣流偏西，高空西風急流偏弱。這樣，大氣位勢高度場、溫度場和水平風場的變化導致大氣斜壓性發(fā)生變化，平均態(tài)風暴軸中心軸線北（南）側(cè)斜壓性偏強（弱），導致天氣尺度渦旋向北發(fā)展，風暴軸位置偏北。反之亦然，海溫異常場導致的大氣位勢高度場、溫度場和水平風場的變化使得大氣斜壓性分布發(fā)生變化，因此III類風暴軸與II類風暴軸相反，位置偏南。

通過本文的研究分析得到了基于風暴軸中心軸線的分類結(jié)果，對風暴軸的空間差異及其原因有了進一步的認識，這些研究結(jié)論與任雪娟（2007a, 2007b）和朱偉軍（2010, 2013）的研究相互印證，突出了風暴軸在東太平洋上的經(jīng)向差異。前人討論了海洋SST異常對應的大氣環(huán)流異常與風暴軸異常的關(guān)系，熱帶海氣作用的理論目前已經(jīng)比較成熟，但中緯度海溫異常對大氣環(huán)流異常和天氣尺度擾動的作用還需要進一步研究。此外，這里的分類強調(diào)風暴軸的空間分布，相對弱化了對風暴軸強度差異的考慮，那么，決定各類風暴軸強度的主要要素是什么，各類風暴軸對應的天氣尺度渦旋與低頻氣流的相互作用有什么差異以及與Rossby波包的活動情況有什么關(guān)系等一系列問題都需要進一步深入研究，特別是需要通過數(shù)值模擬來進一步揭示各類風暴軸物理機制的具體過程。

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Classification, Based on the Central Axis, of Storm Tracks in the North Pacific in the Winter Season, and the Possible Underlying Physical Mechanism

XIA Linlin1, TAN Yanke1, YIN Xifan1, and LI Chongyin1, 2

1,,211101;2,,,100029

The spatiotemporal evolution of storm tracks in the North Pacific in winter is investigated using NCEP/NCAR reanalysis data from December 1948 to February 2010 and the Fuzzy C-Means method. The storm tracks are divided into three patterns: The Common Pattern (TCP), The Northern Pattern (TNP), and The Southern Pattern (TSP). The air–sea interaction and physical characteristics of the three patterns are also investigated. The results are summarized as follows: (1) The physical meanings of the three patterns are clear. They show distinct differences in storm track meridional location, corresponding to different propagating routes of synoptic-scale eddies. (2) The classification of storm tracks not only shows the meridional and zonal differences, but also exposes the characteristics of multiple centers. (3) The three patterns are related to different Sea Surface Temperature Anomalies (SSTAs). The SSTAs affect the strength and location of the Aleutian low in the lower troposphere, and the associated wind anomalies. As a result, the baroclinicity of the atmosphere is changed. The difference in the baroclinicity changes therefore causes different storm track spatial patterns.

Storm track, Eddy route, Spatial pattern, SST anomaly, Physical mechanism

1006-9895(2016)06-1284-14

P731

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1511.15115

2015-01-20；網(wǎng)絡預出版日期 2015-11-09

夏淋淋，男，1989年出生，博士研究生，主要從事海氣相互作用方向研究。E-mail:qyxialin@163.com

譚言科，E-mail: polaristan@163.com

國家自然科學基金41490642、41475070

National Natural Science Foundation of China (Grants 41490642 and 41475070)