姜忠寶，王盤興，吳息，智海

(1．氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué));2．南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

0 引言

極渦是極區(qū)持續(xù)性大尺度繞極的氣旋性大氣環(huán)流系統(tǒng)，它一般位于中上對流層和平流層，極渦中心游動在極地及其附近地區(qū)，這種近乎半球范圍的環(huán)極氣流是大氣行星環(huán)流的一個重要的活動中心，它的活動和變化控制著泛極地半永久性活動大氣中心和副極地短時間尺度的氣旋活動。極渦的面積、強度和位置的變化，對整個半球乃至全球的大氣環(huán)流及天氣氣候變化有著重要影響(楊靜和錢永甫，2005;魏科，2007;張恒德等，2008)。

極地是地球的冷極，也是大氣的冷源，北極氣候系統(tǒng)的變化對我國冬季風(fēng)系統(tǒng)起著重要的調(diào)控作用。我國冬季的雪災(zāi)和冷害都源自極地冷空氣，它是我國春季發(fā)生沙塵暴、夏季發(fā)生旱澇等氣候災(zāi)害的直接原因(Perlwitz and Graf，2001;Black，2002;顧思南和楊修群，2006;張恒德等，2006a;盧秉紅等，2009;易明建等，2009)。20世紀70、80年代主要研究繞極渦本身的變化特征。Angell and Korshover(1977)對300 hPa層北半球繞極渦面積與位置的演變做了詳細討論，并與北美地面氣溫的冷暖做了相關(guān)分析;章少卿和鄔為民(1984)、章少卿等(1985)在分析300 hPa、500 hPa極渦面積大小時，利用相關(guān)分析方法初步探討了極渦面積的季節(jié)變化及東、西兩半球極渦的相互關(guān)系。近年來，人們對繞極渦的研究主要側(cè)重于繞極渦與其他影響因子之間的關(guān)系。Frauenfeld and Davis(2000)揭示了ENSO事件對北半球500 hPa繞極渦的影響;Angell(1992，2001)分析了赤道太平洋海表溫度(sea surface temperature，SST)、平流層準兩年振蕩(quasi biennial osillation，QBO)、厄爾尼諾(El Nino)和太陽黑子數(shù)對300 hPa繞極渦的大小、位置的影響;Frauenfeld and Davis(2002，2003)分析了繞極渦的趨勢性變化與以全球增暖為特征的氣候變化之間的可能聯(lián)系。北半球環(huán)流系統(tǒng)與氣候異常的關(guān)系等也受到重視。楊靜和錢永甫(2005)分析了30 hPa月平均高度場上極渦的氣候特征及與我國天氣氣候異常的關(guān)系;賈建穎和孫照渤(2006)研究了北極海冰和北半球500 hPa極渦的相互關(guān)系;張恒德等(2006b)討論了300 hPa北半球極渦面積、強度及中心位置的年際和年代際變化特征;陳永仁和李躍清(2008)分析了100 hPa極渦、南亞高壓的變化及大氣環(huán)流分布特征;管樹軒等(2009)研究了北半球10 hPa極地渦旋環(huán)流指數(shù)，并初步分析了北半球10 hPa極地渦旋的季節(jié)變化和年際異常規(guī)律。通過這些研究，人們逐漸了解了繞極渦本身的一些基本性質(zhì)和變化特征及其與其他影響因子之間的相互關(guān)系。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，諸多學(xué)者都是根據(jù)自己的研究重點找到一個代表層，例如500、300、30、10 hPa等，對單層極渦的各種特征進行研究，并探討單層極渦與其他系統(tǒng)的關(guān)系。事實上，極渦是一個從對流層中上層一直到平流層的深厚系統(tǒng)，其不同層的變化與大氣環(huán)流場都有不同的關(guān)系，而把這一環(huán)流系統(tǒng)作為一個整體進行研究還較少，北半球繞極渦與我國氣候異常的關(guān)系沒有被系統(tǒng)地認識。本文的目的就是在國內(nèi)外有關(guān)繞極渦研究的基礎(chǔ)上，利用王盤興等(2007)定義的閉合氣壓系統(tǒng)指數(shù)，提出北半球繞極渦環(huán)流的定量化刻畫方法，系統(tǒng)分析北半球繞極渦環(huán)流在垂直方向上的結(jié)構(gòu)，研究極渦從500 hPa到10 hPa垂直高度上的氣候態(tài)、異常態(tài)，以分析極渦面積、強度和中心位置的時空變化規(guī)律。

1 資料與計算方法

利用NECP/NCAR提供的1948年1月—2010年2月2.5°×2.5°的月平均位勢高度場資料(Kalnay et al.，1996)，根據(jù)王盤興等(2007)定義的閉合系統(tǒng)環(huán)流指數(shù)的方法，定義和計算了極渦冬季(12月—次年2月)、12月、1月、2月500～10 hPa共12層的三種環(huán)流指數(shù):1)面積指數(shù)S(t)是按搜索區(qū)Ω中由特征等高線f0在單位半徑球面上圍成的區(qū)域D(t)的面積;2)強度指數(shù)P(t)是區(qū)域D(t)上高度場H(t)與f0之差(H(t)－f0)的面積分;3)中心位置指數(shù)(λc(t)、φc(t))是區(qū)域 D(t)上 H(t)－f0對應(yīng)之壓差場重心在球面上的位置。

根據(jù)500～10 hPa高度場環(huán)流形式，便于統(tǒng)一比較，搜索區(qū)Ω統(tǒng)一選擇為φ≥30°N區(qū)域。對特征等高線f0的選取，按照王盤興等(2007)提出的原則。以300 hPa為例，根據(jù)1948/1949—2009/2010年冬季、12月、1月、2月高度場環(huán)流場(圖略)，確定500～10 hPa各層特征等高線f0，使其包圍的區(qū)域都在搜索區(qū)Ω里面(表1)。圖1給出了1948/1949—2009/2010年冬季、12月、1月、2月共62 a的特征等高線f0綜合圖。根據(jù)特征等高線f0計算500～10 hPa共12 層的北極極渦的 S、P、(λc，φc)。

表1 北半球500～10 hPa冬季、12、1、2月的極渦特征等高線f0Table 1 Typical line f0of Northern Hemisphere winter polor vertex from 500 hPa to 10 hPa dagpm

圖1 1948/1949—2009/2010年300 hPa北半球極渦環(huán)流特征等高線f0綜合圖(圓形粗虛線圍成搜索區(qū)Ω，粗實線為氣候平均的f0線) a.冬季;b.12月;c.1月;d.2月Fig.1 Composite f0of Northern Hemisphere polar vortex at 300 hPa during 1948/1949—2009/2010(The round thick dotted line circles the searching area Ω，and the thick solid line denotes climatological f0) a.winter(DJF);b.December;c.January;d.February

2 氣候態(tài)特征

對極渦的氣候態(tài)計算，本文取 1948/1949—2009/2010年冬季季、月的 62 a的平均。根據(jù)Lorenz環(huán)流(洛倫茨，1976)分解可以把各指數(shù)分解如下:

由表3可見，極渦強度指數(shù)ˉP從500 hPa到100 hPa(除400 hPa外)都是12月最強，然后逐漸減弱;400 hPa上1月最強;從70 hPa到20 hPa極渦最強的月份是1月，而12月又明顯強于2月;到了10 hPa，12月最強，往后逐漸減弱。對ˉP標準化后，冬季、12月、1月、2月從低層500 hPa到高層10 hPa的變化只能說明其相對變化劇烈程度，冬季、1月、2月的變化趨勢一樣，300 hPa相對最弱，從250 hPa到10 hPa先是強度變化劇烈程度增強，到50 hPa最強，之后到高層10 hPa相對減弱;而12月ˉP變化還是300 hPa相對最弱，從300 hPa往上到10 hPa變化趨勢基本上都是逐漸減弱的，與冬季、1月、2月不同的是沒有50 hPa處的最強變化拐點?？傊瑥?00 hPa到100 hPa整體變化程度最強的是12月，1月次之，2月最弱;100 hPa往上到10 hPa是1月最強，12月次之，2月最弱。

由表4可知，極渦經(jīng)向指數(shù)ˉλc從500 hPa到10 hPa同層變化規(guī)律都是從12月到2月向西移動。從500 hPa到10 hPa垂直高度上看，ˉλc在12月、1月、2月都是隨高度增加而向西移動。圖2a為冬季ˉλc變化?？梢?，ˉλc隨高度向西移動，且ˉλc都在東半球變化。

由表5可知，極渦緯度指數(shù)ˉφc在冬季季節(jié)內(nèi)同一高度變化不是很明顯，而在垂直高度上冬季季、月的變化是相同的。圖2b為冬季ˉφc的垂直剖面。可見，ˉφc從極渦低層500 hPa到150 hPa是左右搖擺的，總體趨勢是向北偏，而在150 hPa向上到10 hPa極渦ˉφc就一直向南偏移。氣候圖 a.中心位置λc指數(shù)經(jīng)指數(shù)緯度—高度剖面of Northern Hemisphere polar vortex from

表2 北半球500～10 hPa冬季、12月、1月、2月的面積指數(shù)ˉS(標準化)Table 2 The standardized area index ˉS of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter(DJF)，December，January and February

表3北半球500～10 hPa冬季、12月、1月、2月的強度指數(shù)ˉP(標準化)Table 3The standardized strength indexˉP of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter(DJF)，December，January and February

表4北半球500～10 hPa冬季、12月、1月、2月的中心位置經(jīng)度指數(shù)ˉλc(°E)Table 4Center longitude position indexˉλc(°E)of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter(DJF)，December，January and February

表5北半球500～10 hPa冬季、12月、1月、2月的中心位置緯度指數(shù)ˉφc(°N)Table 5Center latitude position indexˉφc(°N)of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter(DJF)，December，January and February

圖2 北半球冬季500～10 hPa極渦中心位置指數(shù)

綜上所述，北半球冬季極渦從500 hPa到10 hPa同層的都有明顯變化，而同層變化不明顯(表5)。從垂直高度上看各有其變化規(guī)律，特別是冬季極渦中心位置指數(shù)隨著高度增加向偏西偏南移動。

3 異常態(tài)特征

根據(jù)公式(1)—(3)給出的極渦異常態(tài)指數(shù)S'(t)，P'(t)，(λ'c(t)，φ'c(t))來分析北半球500 ～10 hPa極渦的異常規(guī)律。為了比較不同層的S'、P'的年際變化，使用它們的標準化距平表示異常態(tài)(記為～')。

表6給出了北半球極渦冬季500～10 hPa環(huán)流指數(shù)的氣候變率s。可見，500～400 hPa極渦的S、P的氣候變率是變大的，再從300 hPa向上都是變大的，到10 hPa氣候變率最大;而300 hPa的氣候變率最小，即其年際變化相對較小，且與其上下層S、P的氣候變率差距很大。λc、φc的氣候變率規(guī)律是一樣的，從500 hPa到300 hPa氣候變率是變大的，在250 hPa有個轉(zhuǎn)折，然后從250 hPa往高層繼續(xù)變大，也是到10 hPa達到最大，故越向上其年際變化越不穩(wěn)定。大約300 hPa是極渦對流層頂高度，可以說在對流層內(nèi)，S、P、(λc，φc)的年際變化是越往高層越不穩(wěn)定，在平流層內(nèi)各指數(shù)年際變化從低層到高層也是越高越不穩(wěn)定。

對冬季極渦面積S'(t)和強度P'(t)做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)從500 hPa到10 hPa二者相關(guān)性不顯著，這與盧楚翰等(2010)得出的結(jié)果一致。以500 hPa為例，對冬季、12月、1月、2月極渦環(huán)流指數(shù)S'(t)、P'(t)做標準化，得到序列~S'(t)、~P'(t)。由圖3可以看出，~S'(t)、~P'(t)二者時間序列在冬季、12月、1月、2月的相關(guān)系數(shù)r都沒有通過0.05信度的顯著性檢驗(r＜r0.05，r0.05=0.250)。其他層的結(jié)果和500 hPa的結(jié)果相似，所以北半球冬季極渦的面積指數(shù)S和強度指數(shù)P是兩個相互獨立的環(huán)流指數(shù)，在對極渦異常態(tài)分析時，要對 S'(t)、P'(t)和(λ'c(t)，φ'c(t))分別進行分析。

表6 1948/1949—2009/2010年北半球500～10 hPa冬季極渦S、P、(λc，φc)的氣候變率sTable 6 The mean square errors of S，P and(λc，φc)of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010

圖3 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500 hPa極渦環(huán)流指數(shù)~S'(實線)、P~'(虛線)演變曲線 a.冬季(12月—2月);b.12月;c.1月;d.2月Fig.3 The temporal evolutions of standardized area index~S'(solid line)and strength indexP~'(dashed line)of Northern Hemisphere polar vortex at 500 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010 a.winter(DJF);b.December;c.January;d.February

3.1 S'異常特征

不同層極渦面積指數(shù)S'變化規(guī)律有一定差異。表7給出了各層極渦面積指數(shù)S'之間的相關(guān)系數(shù)?？梢姡?00 hPa與其上面各層的相關(guān)性先是越往上越好，到200 hPa相關(guān)性最好(r=0.948)，然后再往高層其相關(guān)性就越來越不好，但一直到50 hPa二者相關(guān)性還能通過0.01信度的顯著性檢驗(r=0.328)，而其與30～10 hPa極渦面積指數(shù)S'之間相關(guān)很弱;400 hPa、300 hPa與其他層的相關(guān)規(guī)律類似于500 hPa，即在對流層中各層與其他層的相關(guān)關(guān)系是相同的。在平流層低層，250 hPa到150 hPa各層的相關(guān)規(guī)律相同，都是越往上層相關(guān)性越差，與30 hPa往上各層S'的相關(guān)很弱，越往下r越小(500 hPa除外)，但都是顯著相關(guān)的。100 hPa到50 hPa各層面積指數(shù)S'與其下層之間相關(guān)性類似于250～150 hPa，但其與上層的相關(guān)規(guī)律有所不同;表7表明，100 hPa與30 hPa的S'是顯著相關(guān)的，70 hPa通過顯著性檢驗的r一直到20 hPa(r=0.399)，而50 hPa則與其上面各層相關(guān)性都很好。30 hPa到10 hPa之間面積指數(shù)S'高度相關(guān)，但與下層之間的相關(guān)性不好。

表7 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa極渦面積指數(shù)S'的相關(guān)系數(shù)Table 7 The correlation coefficients of area abnormal index S'of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010

由圖4可以分析極渦面積指數(shù)~S'隨時間的變化規(guī)律。由圖4a可見，在500 hPa到300 hPa的對流層中~S'變化不同，主要是400 hPa的~S'振蕩比較大，而且與其他兩層同步性不好，所以它們之間的相關(guān)系數(shù)不高(表7)。圖4b和圖4c中250～50 hPa的~S'變化規(guī)律大致相同，上下層之間高度相關(guān)，但不同的是100 hPa到70 hPa的變化振幅較大。30 hPa到10 hPa的~S'變化振幅(圖4d)比圖4c的還大，而且變化規(guī)律與下層不一樣，從表7中可以看出其相關(guān)性不好。

由圖4中的5點平滑曲線可以看出，500 hPa到50 hPa各層~S'的年代際變化基本相同，在20世紀70年代前~S'曲線呈現(xiàn)上升趨勢，極渦面積一直增大;從70年代開始一直到80年代末，~S'曲線為明顯下降趨勢，極渦面積一直減小;80年代末到90年代中期，又是一個上升期，極渦面積急劇增大;從90年代中后期至21世紀初，極渦面積又開始減小，而且100 hPa以下層減小速度比100～50 hPa層的減小速度快。30 hPa到10 hPa，極渦~S'年代際變化與其下層不同，從40年代末到50年代末~S'呈下降趨勢，極渦面積減小;整個60年代極渦面積在變大;從70年代初到90年代初，~S'變化趨勢與其下層相同，都在減小，但沒有30 hPa以下層減小的幅度大;90年代初到90年代末~S'平滑曲線一直在上升;近10 a極渦面積又有減小趨勢。

在500 hPa到300 hPa對流層中(圖4a)，極渦面積大小變化分為兩個階段:80年代中期以前，極渦面積比均值偏大;80年代中期出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，極渦面積開始比均值小。在250 hPa到150 hPa高度上，極渦面積大小變化與圖4a基本一致，只是突變點出現(xiàn)在80年代初期，比500～300 hPa要早。由圖4c可看出，100 hPa到50 hPa極渦面積變化分四個階段:60年代初以前，~S'在均值附近上下波動;從60年代初到70年代中后期極渦面積一直處于高值期，70年代中后期該拐點的出現(xiàn)比其下層250 hPa到150 hPa要早;從70年代中后期到90年代中期前后，極渦面積偏小;從90年代中期到現(xiàn)在，極渦面積大小與500～150 hPa在這一時期變化不同，極渦~S'在均值附近上下波動，振幅變化劇烈，面積偏小跡象不明顯。由圖4d可看出，在30 hPa到10 hPa的平流層中層高度上，50年代到60年代中期與其他層不同，極渦面積處于低值期，60年代中期到70年代末、80年代初大約有15 a，~S'在略大于均值處振蕩，80年代初到90年代初又出現(xiàn)一個低值期，90年代中期至今，極渦面積明顯比均值大。值得注意的是，2009年冬季極渦面積的變化，在500～150 hPa異常偏大，可能出現(xiàn)拐點;100～50 hPa略微偏大，在前期波動范圍內(nèi);30～10 hPa在均值附近，變化不大。

圖4 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa極渦面積指數(shù)~S'演變曲線(粗灰實線為5點FFT平滑曲線) a.500，400 and 300 hPa;b.250，200 and 150 hPa;c.100，70 and 50 hPa;d.30，20 and 10 hPaFig.4 The temporal evolutions of standardized area index~S'of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010(The thick grey solid line is the smooth curve of the 5－point FFT)a.500，400 and 300 hPa;b.250，200 and 150 hPa;c.100，70 and 50 hPa;d.30，20 and 10 hPa

3.2 P'的異常特征

表8給出了500～10 hPa冬季極渦強度異常指數(shù)的相關(guān)結(jié)果。可見，500 hPa與其上面各層P'的相關(guān)性是越向上越小，與30 hPa以上層的相關(guān)系數(shù)不能通過0.01信度的顯著性檢驗(r=0.328);而400 hPa與其上層的相關(guān)性大多不好;300 hPa和250 hPa的P'與其上層的相關(guān)規(guī)律相同，除了與10 hPa的相關(guān)沒通過顯著性檢驗外，與其他層的相關(guān)都通過了顯著性檢驗;200 hPa到10 hPa的各層之間P'的相關(guān)性都很好，但與250 hPa以下層的相關(guān)系數(shù)都不大，越向下層相關(guān)系數(shù)越小。P'相關(guān)變化規(guī)律與前述S'的相關(guān)結(jié)果有差異，在30 hPa到10 hPa，P'與下面各層的相關(guān)性很好，例如30 hPa與300 hPa P'的相關(guān)系數(shù)達0.422，而S'與其下面各層的相關(guān)不顯著(表7)。500～400 hPa與150～50 hPa之間極渦P'的相關(guān)性不好，而極渦S'在上述高度之間的相關(guān)性卻很好。

由圖5可知冬季各層極渦強度異常~P'之間隨時間變化的同步性規(guī)律。在對流層中(500～300 hPa)極渦的~P'變化不一致(圖5a)，在70年代以前400 hPa的~P'與500 hPa和300 hPa同步性不好，從70年代開始到80年代末500～300 hPa的~P'變化趨勢是一致的，該時期的相關(guān)性很好，80年代末到現(xiàn)在400 hPa的~P'曲線又開始與其他兩層不同步，且振幅較大。在250 hPa到150 hPa層中(圖5b)，極渦強度異常~P'比圖5a中的同步性要好，各層之間的相關(guān)系數(shù)較高，年際振蕩較小。在100～10 hPa各層之間同步性很好，相關(guān)系數(shù)基本都在0.8以上(表8)，但~P'的年際振蕩較大。

從極渦強度年代際變化看，500 hPa到10 hPa極渦強度~P'的年代際變化比極渦面積~S'的年代際變化復(fù)雜。圖5a中，500 hPa和300 hPa極渦 ~P'的年代際變化趨勢基本相同，60年代以前，~P'曲線有下降趨勢;60年代初至70年代中期，極渦強度增強;80年代開始至90年代末，極渦強度變化不明顯;21世紀的10 a中，極渦強度顯著減弱。400 hPa極渦強度在70年代以前沒有增強或減弱趨勢，

70年代以后~P'的年代際變化與500 hPa大致相同。250～150 hPa極渦~P'從60年代開始至70年代中期一直在增強，到70年代中期達到極大值，之后極渦強度快速減弱;80年代開始至90年代后期，極渦~P'的年代際變化不明顯;90年代后期至今極渦強度一直在減弱，極渦強度極小值出現(xiàn)在2008年(圖5b)。100～10 hPa極渦強度年代際變化趨勢基本相同。~P'曲線振蕩的振幅大，但年代際變化較小，70年代中期以前，極渦~P'曲線為上升趨勢，極渦強度增強;70年代中期至90年代中期，極渦強度較穩(wěn)定，只在80年代中期略微減弱;90年代后期至今，極渦強度減弱，但減弱趨勢沒有250～150 hPa那么大。

表8 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa極渦強度指數(shù)P'的相關(guān)系數(shù)Table 8 The correlation coefficients of strength abnormal index P'of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010

圖5 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa極渦強度指數(shù)~P'演變曲線(粗灰實線為5點FFT平滑) a.500，400 and 300 hPa;b.250，200 and 150 hPa;c.100，70 and 50 hPa;d.30，20 and 10 hPaFig.5 The temporal evolutions of standardized strength index~P'of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010(The thick grey solid line is the smooth curve of the 5－point FFT) a.500，400 and 300 hPa;b.250，200 and 150 hPa;c.100，70 and 50 hPa;d.30，20 and 10 hPa

從極渦強度變化看，500～300 hPa中，400 hPa極渦~P'曲線在60年代中期以前一直于0線上下波動，而500 hPa和300 hPa極渦在50年代初至60年代中期的強度異常偏小;70年代開始到90年代中期，~P'基本在0線以上波動，極渦強度異常偏大;90年代中期以后，極渦強度處于低值期，越來越小。250～150 hPa中，極渦強度在60年代以前異常偏小;60年代開始至80年代初的20 a，極渦強度異常偏大;80年代開始至90年代中期，~P'處于均值水平，年際變化不大;90年代后期之后，250～150 hPa~P'的變化特征與500～300 hPa一樣，極渦強度一直在減弱。高層100～50 hPa中，60年代初之前，~P'在0值以下，極渦強度偏小;在整個60年代，極渦~P'在0值上下波動;70年代開始至90年代末，除了在80年代中期有個短暫的低值期外，極渦強度一直處于高值期，年際變化幅度較大;21世紀開始，極渦強度有減小趨勢，圖5c中 ~P'曲線斜率比500～150 hPa斜率要小，但波動振幅變化更劇烈。從長期看，30～10 hPa極渦強度的變化不如其下面各層那么明顯，基本上與100～50 hPa的變化規(guī)律相同，強度~P'在0值上下高頻振蕩，但振幅波動變化更加劇烈。

3.3 (λc'(t)，φc'(t))的異常特征

冬季500～10 hPa極渦中心位置主要分布在東半球高緯度的北冰洋—亞歐大陸一側(cè)，極渦的位置變化分為經(jīng)度和緯度變化，由表6可以看出，λ'c和φ'c的氣候變率是不同的，λ'c指數(shù)的氣候變率比φ'c指數(shù)的氣候變率大，這主要是由于極渦在極點附近活動，λ'c指數(shù)在個別年份異常較大，緯向跨度很大，甚至出現(xiàn)在西半球。下面分別對500～10 hPa極渦位置指數(shù)λ'c和φ'c的變化特征進行分析。

3.3.1 λ'c指數(shù)異常特征

由圖6可見，冬季極渦中心位置經(jīng)度異常的變化規(guī)律不是很明顯，除了個別年份異常較大外，其他年份基本上都在氣候中心附近東—西向變化，經(jīng)度跨度一般在30個經(jīng)度以內(nèi)。500～250 hPa極渦λ'c異常變化較小，在緯向上較穩(wěn)定。500～250 hPa極渦λ'c指數(shù)偏移不大，變化規(guī)律不明顯。200～10 hPa各層極渦λ'c偏移變化趨勢大致相同，50年代中期以前，極渦λ'c偏移較大，中心異常偏東;50年代中期至70年代初，極渦λ'c偏移較小，中心異常偏西;70年代初至90年代初，極渦λ'c無顯著異常，中心位置在緯向上較穩(wěn)定;90年代開始，200～70 hPa上，極渦λ'c偏移不大，中心位置略微偏西，而50～10 hPa上，極渦λ'c異常偏移相對較大，但沒有明顯東西向偏移規(guī)律。從整個500～10 hPa垂直高度上看，極渦λ'c指數(shù)在高層的異常偏移比低層大。從表6的氣候變率大小也可以看出，低層的變率在10°左右，高層達到25°左右。由于極渦所在緯度較高，其中心位置的經(jīng)向變化不如其他中低緯系統(tǒng)的經(jīng)向變化對氣候的影響那么大，但對天氣尺度系統(tǒng)的影響則應(yīng)考慮其經(jīng)向變化。

3.3.2 φ'c指數(shù)異常特征

北半球冬季極渦中心位置緯度的變化影響著歐亞大陸冬季氣候的變化，特別是對中國冬季氣溫影響很大，所以弄清楚冬季極渦中心位置緯度的變化規(guī)律對分析我國冬季氣候變化有深遠意義。由圖7可知，北半球冬季極渦φ'c指數(shù)從500 hPa到10 hPa的5點平滑變化趨勢基本相同，大致分三個階段:第一階段，60年代中期以前250～70 hPa極渦φ'c較小，中心位置異常偏北，而500～300 hPa在這一階段沒有明顯南北異常規(guī)律，50年代后期以前50～10 hPa極渦φ'c較大，中心位置異常偏北，持續(xù)時間較短;第二個階段，60年代中期至80年代中后期500～200 hPa極渦φ'c指數(shù)較小，除了在70年代初有幾年異常偏北外，極渦中心位置都異常偏南，150～10 hPa極渦中心位置從60年代中期到70年代初期有短暫的異常偏南，之后到80年代中期極渦φ'c指數(shù)相對較小，中心位置異常沒有明顯的年代際變化規(guī)律;500～100 hPa在1990年前后(約6 a)中心位置φ'c指數(shù)較大，中心位置持續(xù)異常偏北，70～10 hPa不明顯;第三個階段，500～100 hPa從90年代中期到現(xiàn)在，φ'c指數(shù)較大，極渦中心位置異常偏南，在70～10 hPa極渦偏南的時間比500～100 hPa提前大約5 a，從90年代初開始中心位置就異常偏南，且φ'c指數(shù)很大，為62 a以來最大偏離時期，極大值出現(xiàn)在2003年前后。近10 a來，500～10 hPa極渦中心位置明顯異常偏南，但偏移有減弱趨勢。

圖6 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa極渦中心位置異常λ'c的演變(黑實線為5點FFT平滑;單位:°E)Fig.6 The temporal evolution of center position anormaly λ'cof Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010(The black solid line is the smooth curve of the 5－point FFT;units:°E)

由圖8可見，從北半球62 a冬季500～10 hPa極渦中心位置整體來看，其歷年中心位置基本上都是在東半球80°N以北的北冰洋—歐洲大陸區(qū)域，500～150 hPa極渦中心位置變化很小，主要集中在82°N以北的北冰洋區(qū)域，而從100 hPa開始，中心位置的變率開始變大、離散，極渦的活動范圍變大，到高層(30～10 hPa)出現(xiàn)了在80°N以南區(qū)域活動的情況，而且越往高層極渦中心活動越不穩(wěn)定，在高層異常偏南大約出現(xiàn)在近10 a。由圖8還可知，極渦中心位置變化還有1個特點，即從500 hPa到10 hPa在形態(tài)上呈逆時針、半徑越向上越大的旋轉(zhuǎn)變化，這種極渦結(jié)構(gòu)變化的成因還有待進一步研究。

4 討論

北半球極渦作為高緯度繞極環(huán)流系統(tǒng)，對北半球天氣氣候變化有著重要影響。經(jīng)過比較分析發(fā)現(xiàn)，冬季極渦底部與北半球同期氣溫關(guān)系密切，選取1月400 hPa極渦為代表層，分別討論其面積S、強度P、中心所在經(jīng)度λc和緯度φc與同期氣溫的關(guān)系。由圖9a可見，極渦面積S在高緯地區(qū)(60°N以北)與氣溫呈負相關(guān)，通過了0.05信度的顯著性檢驗;而在低緯地區(qū)(30°N以南)則與氣溫呈正相關(guān)。圖9b表明，極渦強度P在高緯地區(qū)與氣溫相關(guān)性不好，但在低緯地區(qū)(30°N以南)呈顯著負相關(guān)關(guān)系。由此可見，極渦面積S和強度P與氣溫的相關(guān)性不同，為兩個相互獨立的指數(shù)。極渦中心所在經(jīng)度λc對氣溫的影響是分區(qū)域的，北歐以北、北太平洋和美國—格陵蘭島地區(qū)呈正相關(guān)關(guān)系(圖9c)，即1月400 hPa極渦中心位置異常偏東(偏西)時，上述地區(qū)氣溫偏高(偏低)。而1月400 hPa極渦中心所在緯度φc與同期氣溫相關(guān)性不好(圖9d)。因此，極渦底部(400 hPa)的面積S、強度P、中心經(jīng)度λc指數(shù)與北半球氣溫存在著一定的相關(guān)性，其對氣候預(yù)測的具體影響有待進一步研究。

圖7 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa極渦中心位置異常φ'c的演變(黑實線為5點FFT平滑;單位:°N)Fig.7 The temporal evolution of center position anormaly φ'cof Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010(The black solid line is the smooth curve of the 5－point FFT;units:°N)

5 結(jié)論

本文討論了北半球冬季500～10 hPa極渦面積指數(shù)S、強度指數(shù)P和中心位置指數(shù)(λc，φc)的氣候態(tài)和異常態(tài)的時空特征，得到以下結(jié)論:

1)從北半球冬季各層極渦面積、強度的氣候態(tài)變化看，最大極渦面積在不同層的月份不同，在低層為2月，到高層為12月;在垂直高度上，冬季季、月的變化規(guī)律一致，都是先變小后變大再變小。極渦強度在500～100 hPa，12月最強;70～20 hPa，1月最強，而12月又明顯強于2月;到10 hPa，12月最強。在不同月份，極渦強度的垂直變化規(guī)律不同。

圖8 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa極渦中心位置分布(○為歷年中心位置，●為氣候中心位置)Fig.8 Distributions of center position of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter of 1948/1949—2009/2010(○ is the center position in the past years，and ● is the climatological center position)

3)北半球冬季極渦面積指數(shù)S和強度指數(shù)P是兩個相互獨立的環(huán)流指數(shù)，不能像其他系統(tǒng)那樣二者可以相互代替。從極渦異常態(tài)看，低層和高層極渦面積的相關(guān)性不好，不同層年代際變化不同;低層和高層極渦強度的相關(guān)性比極渦面積要好，在30～10 hPa上其年代際變化明顯不同于其他層，所以對極渦研究應(yīng)考慮其垂直高度上面積和強度的不同變化特征。

圖9 1949—2010年1月400 hPa北半球極渦面積S(a)、強度P(b)、中心所在經(jīng)度λc(c)和緯度φc(d)與同期氣溫的相關(guān)系數(shù)分布(陰影區(qū)|r|≥r0.05，臨界值r0.05=0.25)Fig.9 The correlation coefficients between temperature and Northern Hemisphere polar vortex(a)area S，(b)strength P，(c)central longtitude λc，and(d)latitude φcat 400 hPa in January from 1949 to 2010(The shaded regions represent where|r|≥r0.05，and threshold values r0.05is 0.25)

4)極渦中心位置異常有明顯規(guī)律，而且不同層的變化規(guī)律相同。極渦經(jīng)度指數(shù)變化較大，緯度指數(shù)變化小，緯度指數(shù)年代際變化顯著，近10 a極渦位置異常偏南。對極渦中心位置整體分析后發(fā)現(xiàn)，500～10 hPa垂直高度上呈逆時針、半徑越向上越大的旋轉(zhuǎn)變化。

陳永仁，李躍清.2008.100 hPa極渦、南亞高壓的變化及大氣環(huán)流分布特征［J］.熱帶氣象學(xué)報，24(5):519－526.

顧思南，楊修群.2006.北半球繞極渦的變異及其與我國氣候異常的關(guān)系［J］.氣象科學(xué)，26(2):135－142.

管樹軒，王盤興，麻巨慧，等.2009.北半球10 hPa極地渦旋環(huán)流指數(shù)定義及分析［J］.高原氣象，28(4):777－785.

賈建穎，孫照渤.2006.北極海冰和北半球500 hPa極渦的相互關(guān)系［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，29(1):75－81.

盧秉紅，李紅斌，趙坤，等.2009.東北夏季氣溫變化與北半球溫度及極渦的關(guān)系［J］.氣象科學(xué)，29(5):638－644.

盧楚翰，管兆勇，王盤興，等.2010.7月南半球500 hPa極渦異常的度量及其與極區(qū)增暖的聯(lián)系［J］.大氣科學(xué)學(xué)報，33(2):174－179.

洛倫茨E N.1976.大氣環(huán)流的性質(zhì)和理論［M］.北京大學(xué)譯.北京:科學(xué)出版社.

王盤興，盧楚翰，管兆勇，等.2007.閉合氣壓系統(tǒng)環(huán)流指數(shù)的定義及計算［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，30(6):730－735.

魏科.2007.北半球平流層極渦年際和季內(nèi)變異及其對東亞冬季風(fēng)的影響［D］.北京:中國科學(xué)院大氣物理研究所.

楊靜，錢永甫.2005.平流層30 hPa月平均高度場的氣候特征［J］.高原氣象，24(2):152－159.

易明建，陳月娟，周任君，等.2009.2008年中國南方雪災(zāi)與平流層極渦異常的等熵位渦分析［J］.高原氣象，28(4):880－888.

張恒德，陸維松，高守亭，等.2006a.北極渦活動對我國同期及后期氣溫的影響［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，29(4):507－516.

張恒德，高守亭，張友姝.2006b.300 hPa北極渦年際及年代際變化特征的研究［J］.高原氣象，25(4):583－592.

張恒德，高守亭，劉毅.2008.極渦研究進展［J］.高原氣象，27(2):452－461.

章少卿，鄔為民.1984.關(guān)于幾種求計極渦面積方法的比較［J］.吉林氣象(4):3－5.

章少卿，于通江，李方友，等.1985.北半球極渦面積、強度的季節(jié)變化及其與中國東北地區(qū)氣溫的關(guān)系［J］.大氣科學(xué)，9(2):178－185.

Angell J K.1992.Relation between 300－mb north polar vortex and equatorial SST，QBO，and sunspot number and the record contraction of the vortex in 1988—89［J］.J Climate，5(1):22－29.

Angell J K.2001.Relation of size and displacement of the 300 mbar north circumpolar vortex to QBO，El Nino，and sunspot number，1963—2000［J］.J Geophys Res，106(D23):31787－31794.

Angell J K，Korshover J.1977.Variation in size and location of the 300 mb north circumpolar vortex between 1963 and 1975［J］.Mon Wea Rev，105:19－25.

Black R X.2002.Stratospheric forcing of surface climate in the Arctic oscillation［J］.J Climate，15(3):268－277.

Frauenfeld O W，Davis R E.2000.The influence of El Ni?o—Southern Oscillation events on the northern hemisphere 500 hPa circumpolar vortex［J］.Geophys Res Lett，27(4):537－540.

Frauenfeld O W，Davis R E.2002.Midlatitude circulation patterns associated with decadal and interannual Pacific Ocean variability ［J］.Geophys Res Lett，29(24):2221－2224.

Frauenfeld O W，Davis R E.2003.Northern Hemisphere circumpolar vortex trends and climate change implications［J］.J Geophys Res，108(D4):4423－4436.

Kalnay E，Kanamitsu M，Kistler R，et al.1996.The NCEP/NCAR 40－year reanalysis project［J］.Bull Amer Meteor Soc，77:437－471.

Perlwitz J，Graf H F.2001.Troposphere－stratosphere dynamical coupling under strong and weak polar vortex conditions［J］.Geophys Res Lett，28(2):271－274.