張露萱 任雪娟

(南京大學 大氣科學學院， 南京 210023)

引 言

阿留申低壓是冬季占據(jù)北太平洋中緯度海盆區(qū)域的低壓環(huán)流系統(tǒng)，它的變化是北半球大氣環(huán)流變化的重要標志之一，對泛北太平洋地區(qū)天氣氣候有著重要影響[1-3]。阿留申低壓的強度和位置變化表現(xiàn)在多種時間尺度上，在年際尺度上表現(xiàn)為與北太平洋風暴軸的共生關系，且厄爾尼諾—南方濤動(El Nio-Southern Oscillation， ENSO)暖事件能夠使阿留申低壓增強[4-8]；在年代際尺度上阿留申低壓與西伯利亞高壓存在較為顯著的蹺蹺板式的協(xié)同變化，阿留申低壓的年代際異常也是太平洋年代際濤動(Pacific Decadal Oscillation， PDO)在北太平洋海平面氣壓場上的具體表現(xiàn)[7-11]。

在次季節(jié)尺度上，阿留申低壓異常表現(xiàn)為周期為20～70 d、位于北太平洋中東部的一個低頻氣旋/反氣旋的強弱變化過程[8，11-14]。這種變化對北太平洋上空的風場、氣壓場和比濕場都有較大的影響。阿留申低壓的異常增強/減弱影響著其南部氣流的強度，進而影響中緯度水汽輸送以及北太平洋的局地蒸發(fā)等大氣水循環(huán)過程[14-15]。次季節(jié)尺度的水汽輸送和局地蒸發(fā)異常時，都可能會影響到泛北太平洋地區(qū)的降水，從而導致降水產生次季節(jié)尺度異常，這一過程尚需要深入探討。

近年來，極端天氣事件頻發(fā)，大量的研究工作都關注內陸地區(qū)極端降水的時空演變特征[16-20]，也有部分研究工作圍繞泛北太平洋地區(qū)尤其是美國西海岸極端降水事件而展開[21-22]。有研究指出，在北太平洋上空存在一類狹長且快速的大氣水汽輸送帶，即大氣河(Atmospheric Rivers， AR)，它對泛北太平洋和北大西洋地區(qū)的極端降水起到重要作用[23-25]。例如登陸北美西海岸的AR將大量水汽向內陸輸送，其中一部分水汽越過山脈，造成北美內陸的極端降水[26-29]。前期研究多關注東亞和北美大陸的極端降水，對于海洋極端降水的研究還考慮不夠。海洋上的極端降水對于海洋運輸業(yè)、海洋生態(tài)系統(tǒng)以及海上鉆井油田工作等有著重要的影響。本文分析了與阿留申低壓次季節(jié)尺度異常相伴隨的AR異常及其對泛北太平洋地區(qū)極端降水的貢獻，研究結果有助于為海上極端降水的風險防范提供科學依據(jù)。

首先分析阿留申低壓次季節(jié)尺度異常的環(huán)流特征，隨后探討了北半球冬季降水以及與降水對應的水汽輸送和蒸發(fā)在次季節(jié)尺度上的變化情況，最后分析了阿留申低壓次季節(jié)異常時大氣河的異常及其對冬季極端降水事件的影響。

1 資料與方法

1.1 資料

所用資料為1979—2018年歐洲中期天氣預報中心(European Center for Medium-range Weather Forecasts， ECMWF)再分析資料(ERA-Interim)中的逐日資料，變量包括海平面氣壓場、潛熱通量，以及各氣壓層的風速和比濕，分辨率為0.75°×0.75°。將潛熱通量除以汽化潛熱(Latent heat evaporation， Le)可獲得蒸發(fā)值。日降水資料是1996—2019年全球氣候降水計劃(Global Precipitation Climatology Project， GPCP)的逐日降水資料，空間分辨率1°×1°。文中出現(xiàn)的所有異常值均指對變量進行20～80 d濾波后的結果。受GPCP數(shù)據(jù)時間長度的影響，降水相關的結果是1996—2018年的冬季(每年12月、1月和2月)結果。

1.2 大氣水分平衡公式

大氣水分平衡公式寫為[14-15，30-31]：

(1)

(2)

1.3 AR的判斷方法

使用GUAN， et al提出的方法判斷AR[23-25]。首先，判斷每一個格點的水汽輸送整層水汽輸送(Integrated water Vapor Transport， IVT)強度是否滿足以下條件：以這個月為中心的前后5個月內所有日數(shù)的IVT取85%閾值作為這個月的閾值，當IVT超過這一閾值或IVT≥100 kg·m-1·s-1，選兩者中較大的一種為標準的強水汽輸送區(qū)域；其次，檢查大氣河區(qū)域內平均水汽輸送是否超過50 kg·m-1·s-1，以長度是否超過2 000 km且長度與寬度之比是否大于2的幾何要求來檢測這些區(qū)域。當某一個網(wǎng)格點在某日位于檢測到的AR區(qū)域中時，則將該網(wǎng)格點定義為AR網(wǎng)格點，相應的日期為AR日，即該格點在這一天發(fā)生了AR；否則，網(wǎng)格點為非AR網(wǎng)格點，相應的日期為非AR日。

1.4 極端降水事件的定義

定義極端降水事件的方法有許多[16-21]，文中參照翟盤茂等的定義方法[18-19]，根據(jù)每個格點歷年冬季每日的日累計降水定義了該格點逐日極端降水事件的閾值。即將每個格點在1996—2018年每個冬季的90 d的日降水量進行升序排序，僅計算每天降水量超過1 mm的日數(shù)，以確保排除無雨日數(shù)，選擇第90個百分位數(shù)的值作為極端降水的閾值，如果該年中某日降水量高于該閾值，則認為該日發(fā)生極端強降水事件。

圖1 冬季氣候平均的各物理量特征：(a)海平面氣壓場(紅框表示阿留申低壓主體區(qū)(30°～65°N， 160°E～140°W)， 單位: hPa);(b)降水場(單位: mm·d-1); (c) IVT(箭頭， 參考向量為200 kg·m-1·s-1)和水汽通量散度?·IVT(填色，單位: ×10-5 kg·m-2·s-1)場;(d)大氣河發(fā)生頻率(單位: %)Fig.1 Climatological winter fields of (a) sea level pressure (The red box shows 30°-65°N， 160°E-140°W, which denotes the area for the main body of the Aleutian Low， unit: hPa); (b) precipitation(unit: mm·d-1); (c) IVT (vector;200 kg·m-1·s-1) and its divergence(?·IVT， shaded area; unit:×10-5 kg·m-2·s-1 );(d) AR frequency (unit: %)

2 結果分析

圖1給出1979—2018年冬季氣候平均的海平面氣壓(Sea Level Pressure， SLP)、降水、整層水汽輸送(IVT)和整層水汽輸送散度(?·IVT)以及大氣河發(fā)生頻率的空間分布，由圖1可知，SLP的冬季平均的低值區(qū)主要分布在(30°～65°N， 160°E～140°W)區(qū)域，即為阿留申低壓所在區(qū)域；冬季降水平均大值區(qū)從日本島以東向東延伸至北美沿岸，在北美沿岸地區(qū)出現(xiàn)最大值；冬季平均的整層水汽輸送表現(xiàn)為從東亞沿岸至北美沿岸主要為西風輸送，到了靠近北美沿岸時為東偏東北方向輸送。整層水汽輸送散度(?·IVT)的正值主要位于15°～35°N，是水汽的輻散區(qū)；負值從北太平洋中部向東延伸至北美沿岸，是水汽的輻合區(qū)。北太平洋冬季平均AR發(fā)生頻率集中于海盆中部，并向東北延伸至北美沿岸，在海盆中部，AR發(fā)生頻率可達15%，即平均而言一個冬天約有13 d會出現(xiàn)大氣河。

圖2 (a) 1980—2018年標準化的AL-index逐年小波功率譜平均值(等值線)和相應小波功率譜通過α =0.1的顯著性檢驗的出現(xiàn)頻率(陰影圖);(b) 2017年冬季阿留申低壓主體區(qū)域內平均海平面氣壓(實線， 單位: hPa )和AL-index(虛線)時間演變(圖中數(shù)字示意8個位相，紅框為一個完整事件)Fig.2 (a) Yearly wavelet power spectrum (contour) of standardized AL-index， averaged from 1980 to 2018 and the occurrence ratios of the wavelet power (shaded) which exceeds 90% confidence level for AL-index in 1980-2018; (b) time series of daily sea level pressure for the main region of Aleutian low (solid line; unit: hPa) and the Aleutian low index on a 20 to 80 day time scale for the winter of 2017(dash line)(The number 1-8 represent eight phases while the red box is a diagram showing a whole event)

對冬季阿留申低壓主體區(qū)，即圖1a中的紅框區(qū)(30°～65°N， 160°E～140°W)平均的逐日海平面氣壓進行小波分析(圖2a)。由圖可見，阿留申低壓在12月至次年2月出現(xiàn)30～60 d的功率譜大值中心，且通過顯著性檢驗，表明阿留申低壓在冬季有顯著的次季節(jié)信號。為分析阿留申低壓次季節(jié)異常，定義經過20～80 d濾波的SLP異常在圖1a中阿留申低壓主體區(qū)內的平均值為阿留申低壓次季節(jié)異常指數(shù)(Aleutian Low Index， AL-index)。挑選阿留申低壓指數(shù)每年冬季呈現(xiàn)從負位相到正位相的完整波形為一個事件。每一個事件中AL-index的數(shù)值至少有連續(xù)3 d高于0.5或者低于-0.5，且在波峰(波谷)日都高于1(低于-1)。當遇到一年冬季有不止一個完整事件時取波峰波谷日AL-index數(shù)值更大的那個事件。通過將事件劃分為8個位相的辦法，記錄第1～8位相的具體時間，其中，第3位相為阿留申低壓次季節(jié)尺度異常偏強位相，第7位相為阿留申低壓異常偏弱位相。以2017年冬季為例(圖2b)，紅色方框為選取的2017年阿留申低壓一個次季節(jié)異常事件的第1～8位相，記錄每一個位相對應的具體日期，即2017年冬季的第30日(12月30日)為第1位相，第40日(2018年1月9日)為第3位相，以此類推，便于之后進行位相合成。

使用圖2b中選取完整的次季節(jié)異常事件的方法，在1979—2018年冬季期間共選出40個完整的事件，將這些事件對應的次季節(jié)尺度海平面氣壓異常和降水異常場進行位相合成，結果如圖3所示。由圖可見，從第1～3位相，北太平洋海盆上空的異常低壓逐漸增強，中心氣壓負異常從-3 hPa降低至-7 hPa；第3位相時氣旋中心海平面氣壓負異常低于-8 hPa達到最大，表明此時阿留申低壓次季節(jié)尺度最強；第3～7位相，異常氣旋的強度逐漸減弱并開始衰退，中心氣壓異常從-7 hPa提高至-1 hPa，直到轉變成異常反氣旋，第7位相時，異常反氣旋中心氣壓正異常值大于10 hPa達到最大，表明此時阿留申低壓次季節(jié)尺度最弱。

當?shù)?位相阿留申低壓次季節(jié)尺度異常最強時，東北亞向西南延伸至副熱帶太平洋中部次季節(jié)尺度異常降水為負，即降水偏少，東北太平洋到北美沿岸的次季節(jié)尺度異常降水為正，即降水偏多；副熱帶地區(qū)的洋面則表現(xiàn)為東亞沿岸至副熱帶西太平洋降水為正異常。當?shù)?位相阿留申低壓次季節(jié)異常最弱時則相反。可見，伴隨次季節(jié)尺度阿留申低壓異常的增強然后減弱，北太平洋中西部降水異常由負轉正，北美洲西北部沿海和副熱帶西太平洋降水異常由正轉負，即北太平洋海盆區(qū)的降水明顯呈現(xiàn)從東多西少型轉換到東少西多型，副熱帶西太平洋降水則由偏多型轉變?yōu)槠傩汀?/p>

根據(jù)大氣水分平衡公式(1)和(2)可知，地球表面的蒸發(fā)以及整層水汽輸送的輻合輻散是決定局地降水多少的重要物理過程。因此可以通過研究次季節(jié)尺度蒸發(fā)異常和整層水汽輸送散度異常來分析其對次季節(jié)降水異常的影響。由圖3c和圖3g可知，當阿留申低壓次季節(jié)尺度異常處于第3位相和第7位相時，泛北太平洋區(qū)域降水異常最顯著，以下我們著重看一下這2個位相。

圖3 阿留申低壓次季節(jié)異常的8個位相時SLP異常(等值線， 單位: hPa; 等值線間隔為2 hPa)和降水異常(陰影， 單位: mm·d-1) 合成場(c和g中的紅框表示阿留申低壓主體區(qū)(30°～65°N， 160°E～140°W); 打點區(qū)域為降水異常場通過α =0.1的顯著性檢驗的區(qū)域): (a) 第1位相;(b) 第2位相;(c) 第3位相(負波谷);(d) 第4位相; (e) 第5位相; (f) 第6位相; (g) 第7位相(正波峰); (h) 第8位相Fig.3 The composite of SLP anomaly (contour， unit : hPa， contour interval is 2 hPa) and precipitation anomaly (shaded; unit: mm·d-1) in each of the AL-index phases in winter(Dotted areas indicate anomalies that are statistically significant at the 90% level of t test； the red box (30°-65°N， 160°E-140°W) in c and g denotes the area for the main body of the Aleutian Low): (a) phase 1; (b) phase 2; (c) phase 3(negetive valloy); (d) phase 4; (e) phase 5; (f) phase 6; (g) phase 7(positive peak); (h) phase 8

圖4 合成的第3位相(左列)和第7位相(右列)的蒸發(fā)異常(a和b， 單位: mm·d-1)和IVT(箭矢， 參考向量為100 kg·m-1·s-1) 及其散度?·IVT異常(c和d， 陰影， 單位: ×10-5 kg·m-2·s-1)Fig.4 (a， b)Composite of evaporation anomaly(unit: mm·d-1) and (c， d) IVT anomaly(vector， unit: 100 kg·m-1·s-1) and its divergence anomaly(?·IVT， shaded area， unit: ×10-5 kg·m-2·s-1 ) in phase 3 (left panels) and phase 7 (right panels)

圖4為根據(jù)阿留申低壓次季節(jié)尺度異常的第3和第7位相合成的蒸發(fā)異常和整層水汽輸送散度異常場。當?shù)?位相時，由于此時阿留申低壓次季節(jié)異常增強，副熱帶北太平洋海盆區(qū)表現(xiàn)出一個氣旋式異常水汽輸送帶，從海盆中部一直向東然后向東北輸送至北美沿岸，30°N以北的北太平洋海盆區(qū)表現(xiàn)出東部異常水汽輻合而西部異常水汽輻散分布，這種分布有利于造成30°N以北海盆地區(qū)東多西少的降水異常型；在副熱帶西太平洋情況略復雜，在東亞近海是異常水汽輻散不利于降水，但由于該地區(qū)洋面異常多的蒸發(fā)以及在130°～170°E仍然有弱的異常水汽輻合，所以最終結果使得副熱帶西太平洋表現(xiàn)為降水異常偏多。第7位相的過程基本與第3位相相反。由圖4可知，次季節(jié)尺度蒸發(fā)異常和水汽輸送及其散度異常共同對北太平洋降水異常產生較大影響。

阿留申低壓次季節(jié)異常還會對北太平洋地區(qū)冬季極端降水產生影響。以下進行這方面的分析。圖5a和圖5d首先給出冬季氣候平均的累計極端降水量和對應日數(shù)的空間分布。可見，冬季氣候平均的極端降水量和日數(shù)大值區(qū)都集中在北太平洋海盆中部，呈現(xiàn)東西帶狀分布，北美西海岸35°～60°N范圍內也有大值中心，在這些地區(qū)，冬季平均的極端降水日數(shù)可達3～4 d，量值約100～120 mm·winter-1。為了區(qū)別于mm·d-1，整個冬季累積的極端降水量單位記為mm·winter-1。

圖5 冬季氣候平均極端降水量(a， 單位: mm·winter-1)和日數(shù)(d， 單位: d·winter-1)、第3位相時的累計極端降水量 (b， 單位: mm·winter-1)和極端降水事件日數(shù)(e， 單位: d·winter-1)、(c、f)同(b、e)，但為第7位相時(b和c中的紫色實線為第3位相和第7位相時阿留申低壓次季節(jié)異常的極端降水量占總極端降水量75%以上的區(qū)域)Fig.5 Climatological winter fields of (a) accumulated extreme precipitation (unit: mm·winter-1), (d) days of extreme precipitation(unit: d·winter-1); composite fields of accumulated extreme precipitation(b, unit: mm·winter-1) and its corresponding days (e, unit: d·winter-1) in phase 3; (c，f) as in (b，e) but in phase 7(The purple solid line in (b，c) is the area where extreme precipitation in phase 3 and 7 accounts for extreme precipitation over 75%)

圖5b和圖5c為在阿留申低壓最強(第3位相)和最弱(第7位相)時極端降水的累計降水量空間分布，圖5e、f是相應的極端降水事件日數(shù)的空間分布?？梢姡⒘羯甑蛪捍渭竟?jié)尺度異常最強時，極端降水事件多發(fā)于東北太平洋以及北美西北沿岸地區(qū)。在這些地區(qū)，阿留申低壓次季節(jié)異常最強時累計的極端降水量占冬季氣候平均的75%以上，數(shù)值可達100 mm·winter-1；阿留申低壓次季節(jié)尺度最弱時，極端降水事件多發(fā)的地區(qū)比較分散，位于西北太平洋到北太平洋海盆地區(qū)，以及北太平洋東南部，盡管累計降水量不足80 mm·winter-1， 阿留申低壓最弱時也在以上地區(qū)貢獻了75%以上的極端降水，且此時東北太平洋至阿拉斯加灣沿岸不易發(fā)生極端降水事件。

以往的研究表明，在北太平洋地區(qū)，大氣水汽輸送中一種特殊的水汽輸送形式—大氣河，它貢獻了東北太平洋和北美沿岸30%～50%的降水以及更高占比的極端降水[21-22，27-29]。那么以上圖5中第3和第7位相時極端降水的差異是否由阿留申低壓次季節(jié)異常引起了AR在這2個位相的不同而導致的？圖6給出第3位相和第7位相時的AR發(fā)生頻率合成場，由圖可見，阿留申低壓次季節(jié)異常確實引起了AR的變化，當?shù)?位相(阿留申低壓次季節(jié)尺度最強)時，AR發(fā)生頻率在自北太平洋中東部沿30 °N向東北延伸至北美沿岸的區(qū)域超過20%，意味著該區(qū)域在第3位相時更易發(fā)生AR事件；當?shù)?位相(阿留申低壓次季節(jié)尺度最弱)時，更多的AR發(fā)生在西北太平洋地區(qū)以及阿留申群島島鏈至白令海峽之間，發(fā)生頻率都在10%及其以上，都高于氣候平均的發(fā)生頻率(圖1d)。

圖6 第3位相和第7位相時的AR發(fā)生頻率合成場(黑色實線為冬季氣候態(tài)平均AR發(fā)生頻率大于10%的區(qū)域; 藍色實線為該位相AR發(fā)生頻率大于10%的區(qū)域， 單位: %): (a) 第3位相; (b) 第7位相Fig.6 Composite of AR frequency(The black line denotes the area where the climatological frequency of AR is above 10%; the blue line is the area where the frequency of AR in phase 3 and 7 is above 10%， unit: %) of the AL-index phases in winter: (a) phase 3;(b) phase 7

圖7 第3位相和第7位相時同時發(fā)生AR和極端降水事件的累計極端降水量和極端降水日數(shù)(c， d， 單位: d· winter-1)的合成場(a和b中的藍色實線為AR日的極端降水量占總極端降水量75%以上的區(qū)域): (a) 第3位相累計極端降水量 (單位: mm·winter-1);(b) 第7位相累計極端降水量 (單位: mm·winter-1);(c) 第3位相極端降水日數(shù)(單位: d· winter-1); (d) 第7位相極端降水日數(shù)(單位: d· winter-1)Fig.7 Composite of accumulated extreme precipitation and its corresponding daysin all extreme precipitation events for group AR days in phase 3 (left panels) and phase 7 (right panels) (The blue solid line in (a，b) is the area where AR’s extreme precipitation accounts for extreme precipitation over 75%): (a) accumulated extreme precipitation in phase 3 (unit: mm·winter-1);(b) accumulated extreme precipitation in phase 7(unit: mm·winter-1);(c) corresponding days of extreme precipitation in phase 3 (unit: d·winter-1);(d) corresponding days of extreme precipitation in phase 7 (unit: d·winter-1)

圖7為合成的第3位相和第7位相時同時發(fā)生AR和極端降水事件的降水量及其日數(shù)分布。由圖可知，在第3位相，即阿留申低壓次季節(jié)尺度異常強時，東北太平洋和北美沿岸易發(fā)生極端降水事件，此時，AR日的極端降水占該區(qū)域許多地方極端降水量的75%及以上，這說明AR是造成第3位相時該地區(qū)極端降水的主要原因。在第7位相時，AR對東北太平洋和北美沿岸的極端降水量貢獻大為減小，而對日本島以東洋面，以及阿留申群島到白令海峽地區(qū)的貢獻較大。由以上可見，次季節(jié)尺度阿留申低壓可以通過AR對北太平洋地區(qū)的極端降水產生影響。

3 結論

本文利用1979—2018年的冬季逐日再分析數(shù)據(jù)，通過功率譜分析給出了冬季阿留申低壓次季節(jié)尺度的周期。定義20～80 d濾波后的阿留申低壓主體區(qū)內的SLP異常平均值為阿留申低壓次季節(jié)異常指數(shù)(AL-index)記錄阿留申低壓次季節(jié)尺度振蕩8個位相的具體日期，并將這些日期對應的次季節(jié)尺度降水異常進行位相合成來研究次季節(jié)尺度阿留申低壓異常對降水的影響。根據(jù)大氣水分平衡公式，研究了次季節(jié)尺度蒸發(fā)異常和整層水汽輸送散度異常與次季節(jié)降水異常的關系。從AR角度，初步探討了阿留申低壓次季節(jié)異常對極端降水的影響。得到以下結論：(1) 冬季阿留申低壓具有顯著的次季節(jié)(30～60 d)異常，將阿留申低壓指數(shù)由負位相轉為正位相的完整波形作為一個事件劃分為8個位相，第3(7)位相為阿留申低壓次季節(jié)尺度異常偏強(弱)位相。(2) 當次季節(jié)尺度阿留申低壓異常增強(減弱)時，北太平洋海盆區(qū)的降水呈現(xiàn)出明顯的東多(少)西少(多)的分布型。通過合成分析，可得第3位相時，副熱帶北太平洋海盆區(qū)表現(xiàn)為氣旋式的水汽輸送帶，其東部異常水汽輻合與西部異常水汽輻散與該地區(qū)東多西少的降水異常型對應。而東亞近海異常多的蒸發(fā)，有利于副熱帶西太平洋降水異常偏多。第7位相則與之相反。(3) 次季節(jié)尺度阿留申低壓異?？梢酝ㄟ^AR對北太平洋地區(qū)的極端降水產生影響。當阿留申低壓異常最強時，北太平洋中東部和北美沿岸的AR發(fā)生頻率超過20%，貢獻了該地區(qū)極端降水量的75%。

本文針對冬季阿留申低壓次季節(jié)尺度異常特征及其對降水的影響進行了初步分析，這些分析對于理解泛北太平洋地區(qū)大氣環(huán)流次季節(jié)異常及其對大氣水循環(huán)的影響有意義。另外，本文有關大氣河的分析也為我們理解極端降水形成原因提供一個新視角。