北極濤動(dòng)對熱帶太平洋和熱帶大洋對流活動(dòng)及降水的影響

北極濤動(dòng)對熱帶太平洋和熱帶大洋對流活動(dòng)及降水的影響

1北極濤動(dòng)與中日天氣的關(guān)系北極熱流（ao）是北半球其他層至平原層空氣循環(huán)變化率的第一個(gè)模型區(qū)。伴隨北極濤動(dòng)的強(qiáng)弱變化,北半球中緯度地區(qū)與北極地區(qū)之間氣壓和大氣質(zhì)量呈蹺蹺板式準(zhǔn)正壓性的反向變化,當(dāng)北極濤動(dòng)處于正位相時(shí),中緯度地區(qū)氣壓上升而極地下降,中緯度盛行緯向環(huán)流;反之,處于負(fù)位相時(shí)盛行經(jīng)向環(huán)流(Thompson,etal,1998,2000)。大量的研究表明,北極濤動(dòng)的強(qiáng)弱變化顯著影響北半球氣候,包括區(qū)域性的氣溫、濕度和降水,北極及副極地地區(qū)的海冰,對流層低層環(huán)流以及極端氣候等(Hurrell,1995;Thompson,etal,2000a,200b,2001;Cutlip,2000;Wu,etal,2002;Wettstein,etal,2002),包括東亞地區(qū)的季風(fēng)、溫度和降水等氣候要素(Gong,etal,2002;龔道溢等,2003)。當(dāng)北極濤動(dòng)指數(shù)處于偏強(qiáng)正位相時(shí),北歐、阿拉斯加以及中國大部分地區(qū)冬季氣溫偏高,降水偏多,而美國加州、歐洲中南部、地中海和中東等地區(qū)偏干。近幾十年,伴隨北極濤動(dòng)偏強(qiáng)的趨勢,北美和歐亞部分地區(qū)平均溫度也明顯升高(Thompson,etal,2001)。北極濤動(dòng)對大西洋地區(qū)的氣候影響與月季平均環(huán)流以及高頻風(fēng)暴軸的異常變動(dòng)有密切關(guān)系(Rogers,1997)。除了北半球中高緯度地區(qū)外,近來一些研究也注意到北極濤動(dòng)與熱帶地區(qū)氣候也有一定關(guān)聯(lián)(Miller,etal,2003;Zhou,etal,2005;Larson,etal,2005;Nakamura,etal,2006,2007;Gong,etal,2009)。如Miller等(2003)討論了全球尺度范圍內(nèi)北極濤動(dòng)和地氣系統(tǒng)向外長波輻射(OLR)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)的北極濤動(dòng)正位相年,中太平洋和大西洋低緯度地區(qū)向外長波輻射值偏低,說明對流活動(dòng)較旺盛,但其并沒有給出相應(yīng)的解釋機(jī)制。Nakamura等(2006,2007)研究了春季北極濤動(dòng)對隨后ENSO活動(dòng)的可能影響,發(fā)現(xiàn)在北極濤動(dòng)正位相時(shí)通常伴隨赤道西太平洋低層異常西風(fēng)爆發(fā),然后在夏季和秋季異常西風(fēng)向東擴(kuò)張,進(jìn)而引發(fā)厄爾尼諾的生成。此外有研究表明,7—9月西太平洋熱帶氣旋活動(dòng)也可能受北極濤動(dòng)的影響(Choi,etal,2010),從月季平均環(huán)流看,在北極濤動(dòng)高值年有異常強(qiáng)烈的反氣旋出現(xiàn)在東亞中緯度地區(qū)(日本、韓國和西太平洋),在低緯度中國南海和菲律賓一帶則為氣旋活動(dòng)活躍區(qū)域,這種中低緯度的配置有利于西太平洋熱帶氣旋的生成,但不利于氣旋北上至日本和韓國;在北極濤動(dòng)低值年情況相反。Larson等(2005)認(rèn)為墨西哥海岸一帶高達(dá)20%的夏季降水是由登陸的熱帶氣旋帶來的,并分析了1950—2000年8—10月登陸美國和墨西哥的熱帶氣旋的年際變化,發(fā)現(xiàn)夏季北極濤動(dòng)與大西洋地區(qū)熱帶氣旋活動(dòng)的聯(lián)系比ENSO與氣旋活動(dòng)的關(guān)聯(lián)更為顯著,相關(guān)系數(shù)達(dá)到+0.4。Zhou等(2005)認(rèn)為北極濤動(dòng)在影響熱帶氣候的同時(shí),熱帶的信號也有可能對北極濤動(dòng)的強(qiáng)弱產(chǎn)生影響,分析了北半球冬季北極濤動(dòng)和熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩(MJO)的相互關(guān)系,發(fā)現(xiàn)伴隨季節(jié)內(nèi)振蕩高(低)位相的出現(xiàn),北極濤動(dòng)位相很可能也出現(xiàn)偏強(qiáng)(弱)的情況;而季節(jié)內(nèi)振蕩對熱帶外環(huán)流的影響比北極濤動(dòng)對熱帶環(huán)流的影響更為明顯。熱帶地區(qū)降水及其潛熱釋放和輸送對全球氣候有重要作用,有組織的對流系統(tǒng)在北太平洋和北印度洋區(qū)域的降水貢獻(xiàn)超過八成(Tsakraklides,etal,2003)。北極濤動(dòng)是否影響熱帶對流和降水,以及影響的可能機(jī)制等問題,目前的研究尚少。本文旨在檢查冬季(1—3月)北極濤動(dòng)活動(dòng)與同期和滯后熱帶太平洋和熱帶大西洋對流活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,以及對應(yīng)的大氣環(huán)流的變化特點(diǎn)。2向外來波輻射的影響使用的大氣環(huán)流資料取自美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)再分析資料(Kalnay,etal,1996),包括逐月風(fēng)場和垂直速度場,水平分辨率均為2.5°×2.5°。海溫場資料是哈得來中心的月平均海表溫度場HadISST1(Rayner,etal,2003),分辨率為1°×1°。計(jì)算距平時(shí)的參考時(shí)段取為1971—2000年。在研究中使用日平均向外長波輻射資料來反映對流活動(dòng),資料取自美國國家海洋和大氣局的內(nèi)插向外長波輻射數(shù)據(jù)(Liebmann,etal,1996),空間分辨率為2.5°×2.5°。由于對流發(fā)展地區(qū)向外長波輻射主要決定于云頂?shù)臏囟?而云頂?shù)臏囟扔譀Q定于對流強(qiáng)度,表現(xiàn)為向外長波輻射值越小,云頂溫度越低,對流發(fā)展越強(qiáng)烈;反之亦然。因此,向外長波輻射常用來表征熱帶對流活動(dòng),高的向外長波輻射值對應(yīng)較弱的對流活動(dòng),低的向外長波輻射值對應(yīng)較強(qiáng)的對流活動(dòng)(Waliser,etal,1993;Liebmann,etal,1996;Kidson,etal,2002;Collimore,etal,2003;Lu,etal,2005)。除向外長波輻射外,還利用了CMAP的逐月降水資料(Xie,etal,1997),分辨率為2.5°×2.5°。向外長波輻射和降水資料時(shí)段為1979—2008年,分析前處理為對整個(gè)時(shí)段的距平。北極濤動(dòng)指數(shù)來自美國氣候預(yù)測中心(CPC),定義為北半球熱帶外1000hPa高度場經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)?？紤]到1—3月是北極濤動(dòng)最強(qiáng)的季節(jié)(Thompson,etal,2000a),將這3個(gè)月的北極濤動(dòng)指數(shù)取平均,作為冬季北極濤動(dòng)指數(shù)。為方便計(jì)算和比較,對數(shù)據(jù)做了標(biāo)準(zhǔn)化處理,標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的參考時(shí)段取為1971—2000年。低緯度氣候及中高緯度大氣環(huán)流均受ENSO的影響,這可能會影響到北極濤動(dòng)與對流活動(dòng)關(guān)系分析結(jié)果的可靠性,因此,在分析中需要盡可能去除ENSO影響。由于月季尺度的環(huán)流對ENSO的響應(yīng)具有較明顯的準(zhǔn)線性特征,在冷、暖事件中表現(xiàn)為相反性質(zhì)的距平(Hoerling,etal,1995;何溪澄等,20083北極波浪與太平洋和大西洋之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系3.1北極濤動(dòng)與方向長度的相關(guān)分析由冬季北極濤動(dòng)指數(shù)與向外長波輻射相關(guān)系數(shù)的分布(圖1a—c)可以看出,北極濤動(dòng)與向外長波輻射整體呈負(fù)相關(guān),其中顯著區(qū)有兩個(gè):一個(gè)位于中太平洋區(qū),包括13°—20°N、160°E—170°W區(qū)域,相關(guān)系數(shù)信度水平超過95%(圖1a陰影所標(biāo)識);另外一個(gè)位于熱帶大西洋,顯著區(qū)覆蓋的范圍大體包括5°—20°N、15°—70°W。從相關(guān)系數(shù)的空間分布特點(diǎn)看,負(fù)相關(guān)呈連續(xù)的大面積分布,表明與北極濤動(dòng)相關(guān)的對流活動(dòng)異常并不是單點(diǎn)個(gè)別現(xiàn)象,而是大洋尺度的大范圍變化。圖1的結(jié)果說明北極濤動(dòng)偏強(qiáng)的情況下,熱帶大西洋和熱帶太平洋對流活動(dòng)均趨于活躍。仔細(xì)比較兩個(gè)大洋的情況,可以發(fā)現(xiàn)兩者還有些不同的特點(diǎn)。負(fù)相關(guān)在大西洋上明顯強(qiáng)于太平洋,顯著區(qū)域范圍也明顯大于太平洋;在空間分布上,北太平洋呈圓形且面積較小,大西洋呈東北—西南傾斜的走向,范圍要大得多。Miller等(2003)基于較短(1979—1999年)的向外長波輻射資料,去除ENSO影響后,根據(jù)高、低北極濤動(dòng)指數(shù)對全年的向外長波輻射記錄進(jìn)行了合成分析。本文分析的太平洋和大西洋上相關(guān)系數(shù)的分布特點(diǎn),與他們合成分析的距平分布結(jié)果有較高的相似度。此處分析使用的資料更長,得到相似的結(jié)果,從一個(gè)側(cè)面說明北極濤動(dòng)與向外長波輻射的關(guān)系是穩(wěn)定的,而存在的差別可能主要與分析的季節(jié)不同有關(guān)。此外還注意到,在南半球熱帶區(qū)域北極濤動(dòng)與向外長波輻射的關(guān)聯(lián)很弱,這可能與北極濤動(dòng)是北半球中高緯的系統(tǒng)有關(guān),北極濤動(dòng)對南半球熱帶對流活動(dòng)的影響不是很明顯。為了檢查北極濤動(dòng)與向外長波輻射的可能滯后聯(lián)系,進(jìn)一步分析冬季北極濤動(dòng)與隨后不同月份向外長波輻射的相關(guān)系數(shù)。對比圖1a和1b可以發(fā)現(xiàn),冬季北極濤動(dòng)與2—4月對流活動(dòng)的相關(guān)系數(shù)分布與同期非常類似。熱帶中西太平洋和大西洋仍然是強(qiáng)對流的相關(guān)區(qū),與同期相比,太平洋上相關(guān)區(qū)的中心西移至(23°N,165°E)附近,負(fù)值區(qū)整體有北移的趨勢,并且顯著區(qū)域大幅度縮小;大西洋負(fù)相關(guān)區(qū)范圍與形狀變化很小。但到3—5月,太平洋和大西洋顯著區(qū)域明顯消失,說明春季對流活動(dòng)的活躍程度與北極濤動(dòng)關(guān)系已經(jīng)很微弱。分析逐月的北極濤動(dòng)與向外長波輻射的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)4月顯著區(qū)域消失。這些結(jié)果說明冬季北極濤動(dòng)與北半球大洋對流活動(dòng)的強(qiáng)相關(guān)集中在1—3月,即冬季北極濤動(dòng)與向外長波輻射的關(guān)聯(lián)主要是同期的,其相關(guān)隨時(shí)間后移很快減弱或者消失。向外長波輻射值的高低表征對流活躍程度,高的向外長波輻射值意味著對流活動(dòng)偏弱,低的向外長波輻射值對應(yīng)偏強(qiáng)的對流活動(dòng),而對流活躍與否必然伴隨有降水的異常波動(dòng)。北極濤動(dòng)與向外長波輻射的顯著負(fù)相關(guān),在降水場上是否有一致的反應(yīng)呢?為了分析降水的相應(yīng)變化,計(jì)算了降水場與冬季北極濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān),包括同期和滯后相關(guān)(圖1d—f)。從圖1d中可以發(fā)現(xiàn),1—3月低緯度太平洋和大西洋大部分地區(qū)均表現(xiàn)出正相關(guān),太平洋降水高相關(guān)的中心區(qū)位于16°N、175°W的中太平洋;大西洋中心在15°N、30°W附近,且正值區(qū)域呈西北—東南走向,從北非沿大洋延伸至南美北部。對比熱帶大洋降水和向外長波輻射相關(guān)系數(shù)的分布特點(diǎn),可以發(fā)現(xiàn)兩者無論是格局還是強(qiáng)弱分布均具有很高的相似性,向外長波輻射的負(fù)相關(guān)中心區(qū)對應(yīng)降水的正相關(guān)中心區(qū)。不過,降水與北極濤動(dòng)的相關(guān)強(qiáng)度稍弱于向外長波輻射與北極濤動(dòng)的相關(guān)強(qiáng)度。在2—4月降水相關(guān)圖(圖1e)中,太平洋上顯著區(qū)域范圍縮小,大西洋上顯著區(qū)則消失。到3—5月(圖1f),降水與北極濤動(dòng)的相關(guān)更弱。這些特點(diǎn)與向外長波輻射的特點(diǎn)也是類似和一致的。上面的統(tǒng)計(jì)分析說明,當(dāng)冬季北極濤動(dòng)處于偏強(qiáng)的正(負(fù))位相的時(shí)候,太平洋和大西洋的對流活動(dòng)趨于活躍(減弱),降水偏多(偏少);對流活動(dòng)強(qiáng)的區(qū)域同時(shí)也是降水高值區(qū)。向外長波輻射和降水的變化與同期(1—3月)的北極濤動(dòng)關(guān)系最強(qiáng),隨時(shí)間后移它們的相關(guān)迅速減弱,在3—5月幾乎消失。因此,后面的對流及環(huán)流分析中,時(shí)段均集中在1—3月(即同期)。3.2北極濤動(dòng)指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征從上述可知,北太平洋和北大西洋熱帶地區(qū)的冬季向外長波輻射與同期北極濤動(dòng)指數(shù)存在顯著相關(guān)。前面分析向外長波輻射時(shí)使用的是季節(jié)平均值,而熱帶對流活動(dòng)的特征時(shí)間尺度是以小時(shí)計(jì)。季節(jié)的平均值忽略了單個(gè)的熱帶強(qiáng)對流事件個(gè)例及強(qiáng)度。為了更細(xì)致地分析對流活動(dòng)的異常與北極濤動(dòng)的關(guān)系,使用每日的向外長波輻射資料統(tǒng)計(jì)了每年冬季強(qiáng)對流的頻次和強(qiáng)度。為方便分析,定義了一個(gè)強(qiáng)對流活動(dòng)面積指數(shù)和一個(gè)強(qiáng)度指數(shù)。首先,如果某一格點(diǎn)某一日的向外長波輻射值低于220W/m2,則定為一次強(qiáng)對流事件。給定某個(gè)固定區(qū)域,計(jì)算出給定日期中所有強(qiáng)對流事件的頻次,即為當(dāng)日的強(qiáng)對流面積指數(shù)。在此基礎(chǔ)上再計(jì)算強(qiáng)度指數(shù),用220W/m2減每次強(qiáng)對流事件的向外長波輻射值,將所得到的差值相加,其和即為當(dāng)日的強(qiáng)對流強(qiáng)度指數(shù)。這樣,面積指數(shù)可表征強(qiáng)對流所占格點(diǎn)的多少,強(qiáng)度指數(shù)則反映強(qiáng)對流中心區(qū)域加權(quán)累積對流強(qiáng)度。將1—3月中所有天再平均,即得到該季的平均面積指數(shù)和平均強(qiáng)度指數(shù)。具體計(jì)算時(shí),固定的統(tǒng)計(jì)區(qū)域分別取北太平洋和北大西洋的顯著相關(guān)中心區(qū),包括:(1)太平洋中心區(qū)(10°—30°N,160°E—160°W),共153個(gè)格點(diǎn),(2)大西洋中心區(qū)(0°—20°N,70°—20°W),共189個(gè)格點(diǎn)。這樣可以將研究的關(guān)注點(diǎn)集中到與北極濤動(dòng)相關(guān)的強(qiáng)對流關(guān)鍵區(qū),將得到的逐年冬季的強(qiáng)對流指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,去除ENSO影響,再進(jìn)行相關(guān)分析。表1給出了冬季北極濤動(dòng)指數(shù)與太平洋和大西洋強(qiáng)對流活動(dòng)面積指數(shù)以及強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān)系數(shù),包括同期(1—3月)和時(shí)間滯后的相關(guān)(2—4和3—5月)?？梢园l(fā)現(xiàn):(1)所有相關(guān)系數(shù)均為正值,表示北極濤動(dòng)強(qiáng)的正位相時(shí),大西洋和太平洋關(guān)鍵區(qū)的對流活動(dòng)面積指數(shù)偏大、強(qiáng)度指數(shù)偏高,兩者的變化位相相同;(2)所有相關(guān)系數(shù)中以1—3月大西洋對流活動(dòng)面積指數(shù)與北極濤動(dòng)的相關(guān)最高,達(dá)到0.53,同時(shí)1—3月兩個(gè)大洋的相關(guān)都明顯高于2—4月的相關(guān);(3)比較大西洋和太平洋,可知大西洋對流與北極濤動(dòng)的相關(guān)強(qiáng)度均高于太平洋,這說明在統(tǒng)計(jì)相關(guān)上,北極濤動(dòng)與大西洋對流活動(dòng)的聯(lián)系要更強(qiáng)一些;(4)面積指數(shù)與北極濤動(dòng)的相關(guān),均高于強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān)。簡而言之,北極濤動(dòng)指數(shù)與太平洋和大西洋關(guān)鍵區(qū)對流活動(dòng)均存在顯著正相關(guān),且大西洋地區(qū)的相關(guān)高于太平洋,面積指數(shù)的相關(guān)強(qiáng)于強(qiáng)度指數(shù),同期相關(guān)強(qiáng)于滯后相關(guān)。對向外長波輻射、降水、強(qiáng)對流面積和強(qiáng)度指數(shù)這幾個(gè)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析,均顯示出冬季北極濤動(dòng)與同期對流活動(dòng)具有顯著的相關(guān)性,為了更加直觀地比較近30年來北極濤動(dòng)和對流活動(dòng)的時(shí)間變化特征,圖2給出了1979—2008年冬季北極濤動(dòng)指數(shù)與同期太平洋和大西洋對流面積和強(qiáng)度指數(shù)的時(shí)間序列。對比圖2a和2b,可以發(fā)現(xiàn)面積指數(shù)和強(qiáng)度指數(shù)呈同位相變化,而且這兩個(gè)指數(shù)同北極濤動(dòng)序列的變動(dòng)在年際和年代際變率上均具有較高的一致性。4統(tǒng)計(jì)相關(guān)性診斷和驗(yàn)證冬季北極濤動(dòng)活動(dòng)與同期太平洋和大西洋熱帶地區(qū)對流活動(dòng)存在顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性,至于其相關(guān)是否存在物理上的聯(lián)系、以及聯(lián)系的可能途徑等,尚需分析相關(guān)物理場進(jìn)行診斷和驗(yàn)證。在此重點(diǎn)檢查低空風(fēng)場(850hPa)以及對流層大氣的垂直運(yùn)動(dòng)狀況。4.18異常環(huán)流形勢與環(huán)流特征分析通過計(jì)算1—3月850hPa風(fēng)場與同期北極濤動(dòng)的回歸系數(shù)分析與北極濤動(dòng)相關(guān)的低層風(fēng)場的變化特點(diǎn)。另外,考慮到熱帶海洋大氣過程的非線性,為避免線性回歸結(jié)果可能的不足,同時(shí)還分析了異常北極濤動(dòng)年份風(fēng)場的合成距平,即高北極濤動(dòng)年風(fēng)場距平值與低北極濤動(dòng)年風(fēng)場距平值的差值。異常北極濤動(dòng)年的選取是依據(jù)圖3所示的30年冬季北極濤動(dòng)和Nino3.4區(qū)海溫距平指數(shù)的時(shí)間序列挑選出來的。將1—3月平均海溫距平超過正(負(fù))0.5℃的年份定為ENSO事件年,去掉所有ENSO事件年后,從剩余年份中挑選出北極濤動(dòng)指數(shù)高于(低于)0.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份,分別定義為異常偏高(低)北極濤動(dòng)年。挑選出來的異常偏高北極濤動(dòng)年有1990、1993、1997和2002年,異常偏低北極濤動(dòng)年有1979、1980、2001和2004年,合成圖用高值年減低值年表示。從1—3月850hPa風(fēng)場與同期北極濤動(dòng)的回歸系數(shù)分布(圖4a)看,整個(gè)北太平洋中緯度為異常反氣旋控制,而熱帶太平洋存在異常氣旋性環(huán)流,這種太平洋中緯和低緯出現(xiàn)反氣旋與氣旋對的配置與Choi等(2010)研究結(jié)果一致。如圖4a所示,在30°N附近存在較強(qiáng)的異常東風(fēng),向西延伸到120°E,然后在熱帶西太平洋逐漸轉(zhuǎn)為異常偏北風(fēng),最后在赤道附近成為異常西風(fēng)。并且,異常西風(fēng)在160°E—160°W區(qū)域顯著偏強(qiáng)。對比高低北極濤動(dòng)年份的環(huán)流合成圖(圖4c),發(fā)現(xiàn)氣旋和反氣旋對的強(qiáng)度和位置與回歸分析的結(jié)果是吻合的,說明伴隨北極濤動(dòng)的變化,不管是線性變化部分還是極值的偏差,低層大氣環(huán)流的異常特征均是穩(wěn)定和顯著的。對比前面向外長波輻射和降水的變化,可以看到圖1中強(qiáng)對流和降水變化顯著區(qū)域正好對應(yīng)西太平洋異常氣旋的中心區(qū)。熱帶低層異常氣旋性風(fēng)場產(chǎn)生的輻合上升運(yùn)動(dòng),是熱帶強(qiáng)對流活動(dòng)的一個(gè)重要的有利環(huán)流背景條件,這在一定程度上說明北極濤動(dòng)與太平洋對流和降水的顯著聯(lián)系與熱帶太平洋的異常氣旋性環(huán)流系統(tǒng)有關(guān)。圖4b給出的是大西洋區(qū)域的風(fēng)場變化,可以看出,風(fēng)場的結(jié)構(gòu)與太平洋上的完全不同。大西洋上15°N以北的熱帶區(qū)域(即異常反氣旋南側(cè))為異常東風(fēng)氣流,而不是熱帶太平洋上的異常氣旋環(huán)流和異常西風(fēng)氣流;大西洋和太平洋的這種風(fēng)場結(jié)構(gòu)的不同在Thompson等(2000a)全年表層風(fēng)場與北極濤動(dòng)的回歸圖中也有體現(xiàn)。對比圖4a和4b,可以發(fā)現(xiàn),大西洋的這個(gè)異常反氣旋環(huán)流的范圍、強(qiáng)度及其與北極濤動(dòng)的相關(guān)顯著性,均要強(qiáng)于熱帶太平洋的異常環(huán)流。這與表1中大西洋上的對流活動(dòng)與北極濤動(dòng)有更強(qiáng)的相關(guān)是一致的。伴隨異常反氣旋,30°N以南的熱帶大西洋有強(qiáng)的異常偏東風(fēng)。這可能會導(dǎo)致熱帶有偏強(qiáng)的輻合和水平切變。在圖4b中大體沿7°N處存在明顯的風(fēng)切變,7°N以南為偏西風(fēng),以北為偏東風(fēng),是明顯的氣旋性切變。同時(shí)在30°W處出現(xiàn)一個(gè)異常槽,其東側(cè)為異常偏南風(fēng),其西側(cè)為異常偏北風(fēng)。這些均可導(dǎo)致降水和對流的加強(qiáng),形成圖1a和1d中熱帶大西洋的高相關(guān)區(qū),以及30°W附近向外長波輻射和降水變化的相關(guān)極值區(qū)。合成圖也得到與回歸分析類似的結(jié)果(圖4d)。北太平洋和北大西洋的大氣環(huán)流異常的空間型態(tài),不管是線性回歸和合成方法,都有類似的結(jié)果,從另外一個(gè)側(cè)面也說明冬季北極濤動(dòng)與熱帶大氣環(huán)流相關(guān)關(guān)系的穩(wěn)定性。注意到Choi等(2010)在研究夏季西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)和北極濤動(dòng)關(guān)系時(shí)也比較過低層環(huán)流場的變化。在去除ENSO影響的情況下,他們分析了北極濤動(dòng)高低值年850hPa風(fēng)場異常(北極濤動(dòng)高值年減去北極濤動(dòng)低值年),發(fā)現(xiàn)在西太平洋中緯度出現(xiàn)異常反氣旋、低緯出現(xiàn)異常氣旋,并且,反氣旋南側(cè)異常東風(fēng)能夠深入到菲律賓附近的異常氣旋之中,這種異常環(huán)流場的配置在北極濤動(dòng)高值年得到加強(qiáng),能夠顯著影響西北太平洋熱帶氣旋的活動(dòng)。整體上來看,高北極濤動(dòng)年份熱帶太平洋活躍的對流活動(dòng)和偏多的降水,很可能與熱帶太平洋對流層低層的異常氣旋性環(huán)流有關(guān),而大西洋的強(qiáng)對流和降水的增加很可能與熱帶大西洋的異常大氣環(huán)流輻合和切變有關(guān)。4.2環(huán)流形勢和回歸系數(shù)特征對流活動(dòng)通常伴隨強(qiáng)烈的空氣垂直運(yùn)動(dòng)。伴隨北極濤動(dòng)的變化熱帶大西洋和熱帶太平洋空氣垂直運(yùn)動(dòng)是否也存在大尺度的異常呢?這里分析各層大氣垂直運(yùn)動(dòng)的變化,重點(diǎn)關(guān)注與北極濤動(dòng)顯著相關(guān)的對流活動(dòng)關(guān)鍵區(qū)。圖5為1—3月北極濤動(dòng)指數(shù)與同期850hPa垂直運(yùn)動(dòng)(ω)的相關(guān)系數(shù)分布,負(fù)相關(guān)表示當(dāng)北極濤動(dòng)為偏強(qiáng)正位相時(shí)有異常上升運(yùn)動(dòng),正相關(guān)表示異常下沉運(yùn)動(dòng)。從圖5中可以看到,熱帶太平洋中部與熱帶大西洋存在大范圍異常上升區(qū)域,與圖4a太平洋異常氣旋中心區(qū)、大西洋異常輻合和切變區(qū)是一致的,也與向外長波輻射和降水的相關(guān)極值中心(圖1a和圖1d)分布一致。為了更為細(xì)致地分析上升運(yùn)動(dòng)的垂直結(jié)構(gòu)特征,計(jì)算了幾條不同經(jīng)線不同高度上三維風(fēng)場的變化。根據(jù)前面的分析結(jié)果,在太平洋區(qū)域取180°經(jīng)線,大西洋區(qū)域取30°W經(jīng)線,計(jì)算等壓面從1000hPa往上到100hPa(共12層)各層環(huán)流異常,結(jié)果均以同期北極濤動(dòng)指數(shù)的回歸系數(shù)來表征(圖6)。圖6a是太平洋區(qū)域沿180°經(jīng)線剖面的水平風(fēng)場(u和v)和垂直速度場(w)的回歸系數(shù)分布,在圖1a和1d中可以看到沿180°經(jīng)線對應(yīng)的均是太平洋對流和降水活動(dòng)顯著區(qū)域,選擇該經(jīng)線剖面可以了解中太平洋地區(qū)強(qiáng)對流活躍區(qū)大氣運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。圖中v和w以風(fēng)矢量的形式表示,u用等值線表示,正值為西風(fēng),負(fù)值為東風(fēng)。從圖6a中可以看到在太平洋低緯度地區(qū)(5°—12.5°N),從低層到高層200hPa均存在上升氣流,平均上升強(qiáng)度為3.9×10-4m/s;顯著的上升區(qū)域是在7.5°—10°N的低層大氣(700hPa及其以下),在10°N的700hPa達(dá)到最強(qiáng),為4.8×10-4m/s。顯著上升區(qū)較對流活躍區(qū)偏南5個(gè)緯度。在對流層低層,10°N以南為西南風(fēng),10°N以北是東北風(fēng),與圖4a中的太平洋異常氣旋南部的偏西北氣流和氣旋北部的偏東南氣流也是吻合的,值得注意的是這種氣旋性質(zhì)的環(huán)流特征可以從對流層低層一直維持至對流層中層(400hPa),同時(shí)異常上升氣流也可達(dá)到400hPa的高度。此外還計(jì)算了太平洋不同經(jīng)線上的垂直剖面,發(fā)現(xiàn)在160°E—170°W的垂直剖面均有上述類似的特征(圖略)。圖6b是沿30°W經(jīng)線剖面的水平風(fēng)場(u和v)和垂直速度場(w)的回歸系數(shù)分布,該經(jīng)線剖面可以反映大西洋地區(qū)強(qiáng)對流活動(dòng)的大氣風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)10°—17.5°N都存在強(qiáng)烈的異常上升運(yùn)動(dòng),平均強(qiáng)度可以到達(dá)6.0×10-4m/s,在300hPa(15°N)處垂直運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈,達(dá)到1.26×10-3m/s;顯著的異常上升運(yùn)動(dòng)從1000hPa向上可延伸到200hPa。顯著上升區(qū)也與對流活躍區(qū)吻合。同時(shí),注意到對流層整層在15°—25°N有南北風(fēng)的切變,切變區(qū)位置隨著高度的上升向北傾斜,低層位于15°N,中層位于20°N,高層位于25°N。從高層到近地面,切變區(qū)以南有異常偏南風(fēng),切變區(qū)以北有異常北風(fēng),這也對應(yīng)于經(jīng)向環(huán)流的異常輻合。同時(shí)在300hPa以上氣流有明顯的輻散。這些環(huán)流異常都有利于強(qiáng)的深對流活動(dòng)。簡而言之,伴隨北極濤動(dòng)的變化,熱帶太平洋和大西洋大氣也同時(shí)存在大尺度的異常垂直運(yùn)動(dòng)。太平洋熱帶異常氣旋性風(fēng)場中心區(qū)域,有顯著的上升運(yùn)動(dòng);在大西洋熱帶異常反氣旋風(fēng)場南部,經(jīng)向風(fēng)場的水平輻合和切變伴隨有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng),顯著上升區(qū)域向上延伸到對流層上層。從兩個(gè)大洋異常上升運(yùn)動(dòng)的分布特點(diǎn)看,大西洋的上升運(yùn)動(dòng)明顯強(qiáng)于太平洋,這與向外長波輻射和降水反映的對流活動(dòng)的強(qiáng)度在大西洋偏強(qiáng)的特點(diǎn)也是相符合的。5與大氣環(huán)流相關(guān)的海溫場景除了合適的大氣環(huán)流場外,海溫也是影響熱帶對流活動(dòng)和降水的一個(gè)重要因子,通常情況下偏高的海溫有利于對流活動(dòng)的發(fā)展。北極濤動(dòng)可能通過影響熱帶海溫,進(jìn)而影響對流。另一方面,異常降水和對流,又會影響海溫。這使得要判斷海溫對降水和對流的影響變得十分復(fù)雜。這里通過對一些物理量的診斷和模擬,嘗試對與北極濤動(dòng)相關(guān)的海溫的可能影響進(jìn)行簡要討論。首先,簡單分析了海溫隨北極濤動(dòng)的變化情況。圖7是與1—3月北極濤動(dòng)對應(yīng)的同期海溫的變化,為求客觀,這里同時(shí)分析了相關(guān)系數(shù)和距平合成場。從相關(guān)系數(shù)分布(圖7a)來看,熱帶大西洋地區(qū)顯示出的是偶極型的分布;低緯度地區(qū)(5°—20°N,15°—70°W)為大片顯著負(fù)相關(guān)區(qū),與對流和降水顯著異常區(qū)相對應(yīng),中緯度為正相關(guān)區(qū)。距平合成圖(圖7b)上正、負(fù)距平區(qū)大體上對應(yīng)上面的正、負(fù)相關(guān)系數(shù)分布區(qū)域,不過負(fù)距平區(qū)略偏北。整個(gè)北大西洋的海溫變化(圖略),從高緯至低緯表現(xiàn)為負(fù)-正-負(fù)典型的三極型態(tài)。大量觀測分析結(jié)果表明,這種三極型態(tài)在其他相關(guān)物理場上也有一致的表現(xiàn)(Marshall,etal,2001)。Watanabe等(2000)的模擬結(jié)果表明與北大西洋濤動(dòng)相關(guān)的大氣環(huán)流是導(dǎo)致三極型海溫距平分布的一個(gè)重要原因。那么,與北極濤動(dòng)有關(guān)的海溫的這種變化是否也是與風(fēng)場或大氣環(huán)流的異常有關(guān)呢?前面大氣環(huán)流場的分析表明,在北大西洋15°—30°N地區(qū)有顯著的異常東北風(fēng),15°N以南風(fēng)速變化較小。低緯度地區(qū)強(qiáng)的東風(fēng)導(dǎo)致的蒸發(fā)加強(qiáng)、強(qiáng)的垂直混合、強(qiáng)的海水上涌均會導(dǎo)致海溫的偏低。在北極濤動(dòng)異常偏高年15°N以北東風(fēng)加強(qiáng)對應(yīng)海溫偏低。同時(shí)中緯度地區(qū)加強(qiáng)的偏南氣流帶來的暖平流可能是導(dǎo)致中緯度海溫出現(xiàn)正異常的原因。在熱帶太平洋區(qū)域,對流和降水異常區(qū)的海溫(15°N、180°W附近)與北極濤動(dòng)有弱的負(fù)相關(guān),低緯赤道區(qū)域和中緯度地區(qū)則為正相關(guān)(圖7a)。從距平合成圖(圖7b)上看,這種海溫的變化更為明顯。15°N以北的中太平洋地區(qū)海溫為負(fù)距平,中心達(dá)-0.3℃;15°N以南的中東太平洋存在中心達(dá)到0.3℃的正距平區(qū)域。這與偏高的海溫有利于對流發(fā)展的關(guān)系看起來似乎并不符合。但是這種海溫分布與大西洋很類似,從高緯度至低緯度同樣出現(xiàn)了負(fù)-正-負(fù)的分布,很有可能海溫的這種變化同大西洋上海溫變化一樣,是與風(fēng)場的異常變化有關(guān)的。為了驗(yàn)證上述海溫異常與大氣環(huán)流的關(guān)系,利用觀測大氣強(qiáng)迫海洋模式進(jìn)行了模擬。使用的海洋模式是中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的氣候海洋模式LICOM(劉海龍,2002;劉海龍等,2004)。使用模式版本的水平分辨率1°×1°(Yu,etal,2002),垂直方向共30層,其中海水上層150m每10m一層(Wu,etal,2005),水平平流方案采用兩步保形平流方案(肖潺等,2006),海表面熱通量條件采用塊體公式型計(jì)算方案(Large,etal,2004)。用于驅(qū)動(dòng)海洋模式的大氣變量取自ERA40的逐日資料,積分20年(1980—1999年)。在此只分析模擬月平均海溫,包括回歸系數(shù)和合成分析。由于模擬資料長度較觀測要短,合成分析時(shí)只取其中高北極濤動(dòng)年份進(jìn)行合成。圖8為模擬的同期海溫場與北極濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)