高潔，朱偉軍

(1．氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學)，江蘇 南京210044;2．四川省氣象局，四川成都610000)

0 引言

北半球天氣尺度(2.5～6.0 d)帶通瞬變擾動方差的極大值集中心分布在兩個緯向拉長的區(qū)域，位置與地面氣旋/反氣旋活動路徑一致，這就是北半球中緯度太平洋和大西洋上空著名的兩大風暴軸。由于風暴軸對應著強烈的熱量輸送、動量輸送和水汽輸送，因而對北半球大氣環(huán)流的維持和全球天氣氣候異常具有十分重要的作用(Held，1989)。

許多研究證實了風暴軸異常與北半球大氣環(huán)流異常之間有著重要的聯(lián)系。Lau and Nath(1991)對天氣尺度瞬變擾動與大尺度平均氣流的相互作用問題進行了較全面的診斷分析。Carillo et al．(2000)對1980—1989年北太平洋、北大西洋冬季風暴軸與高空急流的奇異值分解分析表明，兩者有相當高的相關性，急流核和風暴軸中心位置相互配合，顯示出一致性的南北擺動。一些學者還指出低層溫度狀況對風暴軸的活動有重要影響，比如，Frisius(1998)運用粗分辨率多級原始方程模型來模擬出海陸熱力差異對風暴軸強度和其他大氣環(huán)流特征的控制。Tanimoto(2003)指出在西北太平洋的北極鋒區(qū)，年代際海表溫度的異常變化可以在緯向上對斜壓性有一定的改變作用，而在海表溫度異常變暖區(qū)域北太平洋風暴軸有北移的跡象。另外，Lee et al．(2010)曾研究指出東亞冬季風所引起的西北太平洋低層溫度降低，使得從東亞到北太平洋風暴軸處的波源效應減弱，從而抑制了渦動的形成，造成風暴軸強度減弱。

東北冷渦(northeast cold vortex，NECV)是我國東北地區(qū)特有的天氣系統(tǒng)。它是一種深厚的冷性高空渦旋，常使受它控制地區(qū)的氣層呈“上冷下暖”的配置，造成氣層的不穩(wěn)定，產生強烈的對流性天氣，甚至帶來冰雹、暴雨、低溫冷害及連陰雨等災害性天氣(劉成歧等，1976)。

冷渦形成、滯留和填塞對大氣環(huán)流起著重要的反饋作用(蘇博穎，2007)。劉宗秀等(2002)研究指出，東亞東北冷渦持續(xù)性活動不僅與前期、同期和后期北半球的大氣環(huán)流異常密切相關，而且也是異常區(qū)的重要組成部分。孫力等(1994)指出冷渦活躍年夏季，高空西風急流有明顯的分支現象，特別是亞洲中緯西風急流位置偏南;另外，還指出夏季東北冷渦活動偏多時，對流層中下層中國北方地區(qū)一般為負溫度距平，而冷渦活動偏弱時，中國大部分地區(qū)，特別是東部地區(qū)會出現明顯的正溫度距平，即夏季東北冷渦持續(xù)性活動與中國部分地區(qū)的氣溫變化也可能有一定聯(lián)系。

東北冷渦位于北太平洋風暴軸上游，與北太平洋風暴軸同處于中緯度西風帶上，二者還有許多相似之處:都為天氣尺度系統(tǒng)，地理位置接近;各高度層上有表現，以500 hPa最具代表性;一年四季都存在(北太平洋風暴軸冬季最強，東北冷渦冬、夏季最活躍)，具有季節(jié)、年際及年代際變化差異。東北冷渦與大氣環(huán)流、冷空氣活動等都有很重要的聯(lián)系，而這些因素與風暴軸變異密切相關，但是東北冷渦對北太平洋風暴軸是否會有影響，目前還不十分清楚，本文以冬季為例，對500 hPa位勢高度上東北冷渦對北太平洋風暴軸可能產生的影響及其原因做分析討論。

1 資料與方法

1.1 資料

文中主要使用以下兩種資料:1)NCEP/NCAR提供的逐日再分析資料，包括一日一次的位勢高度場(z)、風場(u、v、w)、溫度場(t)資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，覆蓋時段為1948年1月—2012年2月;2)由吉林省氣象局科研所提供的東北冷渦日歷表，該表由天氣預報員根據NCEP/NCAR再分析資料依照40 gpm間隔成圖，依據東北冷渦天氣學定義形成，主要記錄東北冷渦發(fā)生年月時(時間值記錄北京時間08和20時)，東北冷渦位置(經度、緯度)等，覆蓋時段為1948—2010年。

考慮資料完整性及全文統(tǒng)一，研究時間段均選擇為1951—2009年。

1.2 方法

1.2.1 濾波方法

本文首先采用31點對稱數字濾波器(李瑩和朱偉軍，2009)，從逐日原始資料直接濾波出2.5～6.0 d的瞬變渦動，然后每月為一段，對每一段各自計算其方差，得到每月的月平均帶通濾波方差(以下簡稱濾波方差)。

1.2.2 小波分析

傅里葉變化方法是將時間序列在頻率域上展開，將時間序列分解成不同的波動，但不能給出各種頻率波動的能量隨時間的變化。小波分析是傅里葉分析方法的突破性進展，小波分析方法通過尺度可變的小波基對時間序列f(t)在時間域和頻率域上進行同步分解，從而得出時間序列中各種“周期”信號的振幅以及這些振幅隨時間變換的信息。由于小波變換是時間和頻率域的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能，對信號進行多尺度細化分析(Torrence and Compo，1998;Zhi，2001)。小波交叉譜綜合了兩個時間序列在頻率域上相關結構的主要信息，揭示了相關性對頻率的依賴關系，是表征兩個時間序列之間相關程度的重要指標(郭其蘊等，2004)。

2 東北冷渦與北太平洋風暴軸的關系

按照孫力等(1994)對東北冷渦的定義:1)在500 hPa天氣圖上至少能分析出一條閉合等高線，并有冷中心或明顯冷槽配合的低壓環(huán)流系統(tǒng);2)冷渦出現在115 ～145°E、35～60°N 范圍內;3)冷渦在上述區(qū)域內的生命史至少為3 d或以上。根據吉林省氣象局科研所提供的東北冷渦日歷表，得到58 a冬季(1951/1952—2008/2009年，其中冬季選取為每年12月至次年2月的平均，下同)東北冷渦發(fā)生天數變化的時間序列(圖1)，將其定義為東北冷渦指數，代表東北冷渦發(fā)生天數的多少。

利用NCEP/NCAR提供的一日一次再分析資料，計算58 a冬季 110°E ～120°W、30 ～60°N 范圍內500 hPa位勢高度濾波方差場，該量可以用來表征北太平洋風暴軸主體區(qū)的強弱變化情況。圖2為58 a冬季東北冷渦發(fā)生天數時間序列與北太平洋風暴軸主體區(qū)500 hPa位勢高度濾波方差場的相關系數，可以看到二者在主體區(qū)呈顯著的負相關關系，相關系數達到－0.4，通過了99%置信水平的檢驗。而僅在40°N以南部分地區(qū)有微弱的正相關區(qū)域。

圖1 1951/1952—2008/2009年冬季東北冷渦指數的年際變化(單位:d)Fig．1 Interannual variation of the northeast cold vortex(NECV)index in winter of 1951/1952—2008/2009(units:d)

圖2 1951/1952—2008/2009年冬季東北冷渦指數與500 hPa位勢高度濾波方差場的相關系數(等值線間隔0.1;淺色和深色陰影分別表示通過95%和99%置信水平的檢驗;黑色方框表示東北冷渦的活動范圍)Fig．2 Correlation coefficients between NECV index and filter variance field of 500 hPa geopotential height in winter of 1951/1952—2008/2009(contour interval is 0.1;regions with correlation exceeding 95%and 99%confidence levels are shown with light and deep shadings，respectively;the black rectangle indicates motion range of NECV)

根據李瑩等(2010)對冬季北太平洋風暴軸指數的定義方法，計算得出58 a冬季(1951/1952—2008/2009年)北太平洋風暴軸強度指數，圖3為58 a冬季東北冷渦天數和北太平洋風暴軸強度指數的標準化時間序列。由圖可見，二者呈顯著的負相關關系，且相關系數為－0.33，通過了99%置信水平的檢驗。即當冬季東北冷渦發(fā)生天數偏多(偏少)時，北太平洋風暴軸強度是減弱(增強)的。

利用Morlet小波交叉譜來分析58 a冬季北太平洋風暴軸強度指數與東北冷渦發(fā)生天數的關系。由圖4可見，冬季北太平洋風暴軸強度與東北冷渦發(fā)生天數之間存在準3 a尺度的相關振蕩，主要出現在20世紀70年代中期到80年代初?？梢姈|北冷渦發(fā)生天數的變化與北太平洋風暴軸強度變化的聯(lián)系主要體現在年際尺度上，具體來講，準3 a尺度上的相關關系最為顯著。

為了更進一步揭示東北冷渦對北太平洋風暴軸造成的影響及其形成的原因，采用合成分析法，選取58 a冬季東北冷渦天數變化標準化時間序列值大于(小于)+1(－1)的年份為東北冷渦偏多(少)年。東北冷渦偏多年:1955、1962、1967、1969、1976、1980、1984、1985、2004、2005 年，共10 a;東北冷渦偏少年:1958、1963、1972、1977、1978、1981、1982、1986、1989、2002、2006、2007、2008 年，共 13 a。圖5a、b分別為在東北冷渦偏多、偏少年北太平洋風暴軸主體區(qū)500 hPa位勢高度濾波方差場的分布，圖5c為東北冷渦偏多、偏少年的差值。可見，在東北冷渦偏多年份(圖5a)，北太平洋風暴軸中心位于170°E、42°N附近，中心強度僅為 22 dagpm2;而在東北冷渦偏少年份(圖5b)，北太平洋風暴軸中心位于170°E、45°N，中心強度高達 30 dagpm2;從差值圖(圖5c)來看，偏多和偏少年的最大差值中心位置在175°E、47°N 附近，這表明，冬季北太平洋風暴軸的強度在東北冷渦偏多年較偏少年有顯著的減弱，而減弱顯著的區(qū)域主要在40°N以北的地區(qū)。

圖3 1951/1952—2008/2009年冬季北太平洋風暴軸強度指數(點線)與東北冷渦指數(實線)的標準化時間序列Fig．3 Normalized time series of North Pacific storm track intensity index(dotted line)and NCEV index(solid line)in winter of 1951/1952—2008/2009

圖4 1951/1952—2008/2009年冬季北太平洋風暴軸強度指數與東北冷渦指數標準化時間序列的小波交叉譜(交叉陰影區(qū)為小波分析中的邊界延拓影響區(qū);黑粗線表示通過90%置信水平的檢驗)Fig．4 Wavelet cross spectrum of normalized time series of North Pacific storm track intensity index and NCEV index in winter of 1951/1952—2008/2009(cross shadings denote the boundary extension effect regions in wavelet analysis;areas enclosed by black thick lines represent power spectrum exceeding 90%confidence level)

圖5 冬季500 hPa位勢高度濾波方差場(單位:dagpm2;淺色和深色陰影分別表示通過95%和99%置信水平的檢驗)a．東北冷渦偏多年;b．東北冷渦偏少年;c．東北冷渦偏多、偏少年差值Fig．5 500 hPa geopotential height filter variance field in winter(units:dagpm2;regions with variance exceeding 95%and 99%confidence levels are shown with light and deep shadings，respectively) a．more NECV years;b．less NECV years;c．difference of(a)minus(b)

3 成因分析

東北冷渦作為深厚的低壓系統(tǒng)，和冷空氣活動密切相連。冷空氣活動不僅使溫度降低，對大氣的斜壓性也有重要影響。許多學者指出低層非絕熱加熱對風暴軸活動起著重要的作用(Hoskins and Valdes，1990)，Lee et al．(2010)研究發(fā)現，從東亞到太平洋沿岸的北太平洋風暴軸上游區(qū)域低層溫度的變化對風暴軸活動有著重要影響。因此，以850 hPa溫度及溫度平流的距平場為代表，來分析東北冷渦偏多、偏少時冷空氣活動對北太平洋風暴軸強弱變化的影響情況。圖6為東北冷渦偏多、偏少時北太平洋風暴軸主體區(qū)850 hPa溫度距平場合成及二者的差值?？梢?，當東北冷渦偏多(少)時，冷(暖)異常區(qū)呈帶狀分布在從東亞到太平洋沿岸地區(qū)，冷、暖異常中心都大致分布在40～50°N范圍內。結合圖5可見，當東北冷渦偏多時，與低層溫度降低一致，40°N以北中高緯度風暴軸強度是顯著減弱的。由于北太平洋風暴軸主體區(qū)上游低層的非絕熱加熱作用會對斜壓擾動和天氣尺度渦動的起源效應產生重要影響，因此這樣的溫度異常分布就解釋了在東北冷渦偏多時天氣尺度渦動活動受到抑制的原因。這是因為當東北冷渦天數偏多時，亞洲東海岸低層溫度異常偏低，減弱了天氣尺度渦動活動的起源效應，抑制了渦動活動的發(fā)生形成，從而使得北太平洋風暴軸強度減弱。

圖6 冬季850 hPa溫度距平場(單位:K;淺色和深色陰影分別表示通過95%和99%置信水平的檢驗)a．東北冷渦偏多年;b．東北冷渦偏少年;c．東北冷渦偏多、偏少年差值Fig．6 850 hPa temperature anomaly field in winter(units:K;regions with anomaly exceeding 95%and 99%confidence levels are shown with light and deep shadings，respectively) a．more NECV years;b．less NECV years;c．difference of(a)minus(b)

冷空氣活動的影響情況還能用溫度平流來表征。圖7表示了東北冷渦偏多、偏少時北太平洋風暴軸主體區(qū)850 hPa溫度平流距平場合成及二者的差值?？梢姡敄|北冷渦偏多時(圖7a)，以40°N為界，其以北地區(qū)溫度平流呈正距平，而以南為負距平，由于東北冷渦發(fā)生時會給受影響地區(qū)帶來冷平流，因此正距平區(qū)表示冷平流的減弱，負距平區(qū)表示了冷平流的增強。東北冷渦偏少時溫度平流距平的分布情況正好相反。冷渦偏多、偏少時850 hPa溫度平流距平的差異從圖7c中可以更清楚地看出。

研究表明，北半球風暴軸上的天氣尺度渦動可以用發(fā)展中的斜壓波生命史來解釋，即斜壓性的強弱對風暴軸的維持和發(fā)展有著至關重要的作用。為了驗證東北冷渦所帶來的低層加熱冷卻對北太平洋風暴軸強度的影響，通過分析東北冷渦偏多、偏少年北太平洋風暴軸主體區(qū)775 hPa(700～850 hPa的平均)上的最大不穩(wěn)定波的增長率變化，來反映斜壓性的變化對風暴軸的影響情況。根據Hoskins and Valdes(1990)引入的Eady波最大增長率:

圖7 冬季850 hPa溫度平流距平場(單位:℃·s－1;淺色和深色陰影分別表示通過95%和99%置信水平的檢驗) a．東北冷渦偏多年;b．東北冷渦偏少年;c．東北冷渦偏多、偏少年差值Fig．7 850 hPa temperature advection anomaly field in winter(units:℃ ·s－1;regions with anomaly exceeding 95%and 99%confidence levels are shown with light and deep shadings，respectively) a．more NECV years;b．less NECV years;c．difference of(a)minus(b)

其中:f表示科里奧利參數;V表示水平風速;N為靜力穩(wěn)定度參數;z為位勢高度。在忽略氣流低層的水平切變以及濕過程等復雜情況的影響下，此量不失為表征中緯度斜壓性強弱的一種很好度量，因而稱該量為斜壓性強度指數。圖8為東北冷渦偏多、偏少年北太平洋風暴軸主體區(qū)775 hPa斜壓性指數分布情況及其差值?？梢?，當東北冷渦天數偏多時(圖8a)，北太平洋風暴軸主體區(qū)40°N以南的區(qū)域斜斜壓性是增加的，而在其以北的區(qū)域斜壓性卻是減小的。結合圖6a發(fā)現，這種斜壓性的分布是由于從東亞到西北太平洋沿岸低層溫度異常降低，而冷空氣正好位于這兩個區(qū)域之間，使得這兩個區(qū)域經向溫度梯度改變而造成的斜壓性改變的結果。再結合圖7a，低層溫度降低時，南部溫度梯度增大的區(qū)域對應著強的冷平流，使得溫度梯度進一步增大，斜壓性增強;而北部溫度梯度減小的區(qū)域對應著弱的冷平流，對溫度梯度影響較小，因而斜壓性主要表現為減弱。40°N以北低層溫度降低以及斜壓性的減弱不利于天氣尺度渦動活動，導致了風暴軸強度的減弱。當東北冷渦偏少(圖8b)時卻相反，西北太平洋低層溫度異常偏暖使得較低緯(中高緯)經向溫度梯度減小(增大)，加之溫度平流的作用，對應著斜壓性的減弱(增強)。40°N以北斜壓性的增強有利于天氣尺度渦動活動的維持，使得北太平洋風暴軸強度增強。偏多、偏少年的斜壓性的差異由圖8c中更可以清楚體現。綜上，由東北冷渦帶來的冷空氣活動影響使得局地斜壓性改變，從而影響了中高緯度北太平洋風暴軸活動。

圖8 冬季775 hPa斜壓性指數距平場(單位:d－1;淺色和深色陰影分別表示通過95%和99%置信水平的檢驗) a．東北冷渦偏多年;b．東北冷渦偏少年;c．東北冷渦偏多、偏少年差值Fig．8 775 hPa baroclinicity index anomaly field in winter(units:d －1;regions with anomaly exceeding 95%and 99%confidence levels are shown with light and deep shadings，respectively) a．more NECV years;b．less NECV years;c．difference of(a)minus(b)

一般地，天氣尺度渦動活動與副熱帶急流有著很好的對應關系，Nakamura and Wallace(1992)研究指出冬季當中緯度西風風速超過45 m·s－1時，北太平洋風暴軸強度與急流強度呈負相關關系。Harnik and Chang(2004)指出急流的緯向寬度對風暴軸活動有更顯著的影響。圖9為太平洋上空緯向風及其距平的緯度—高度剖面(經度范圍取110°E～120°W的平均)，可見，當東北冷渦發(fā)生天數變化時，副熱帶急流的寬度和強度是有顯著不同的。當東北冷渦天數偏多時(圖9a)，平均緯向風距平在20～40°N范圍內呈正距平，而在其以北的中高緯度地區(qū)呈負距平，副熱帶急流相對南壓，呈現出強而窄的急流形勢，而這樣的急流分布形勢卻是不利于天氣尺度渦動活動的。結合圖8a斜壓性的分析可以發(fā)現，40°N以南斜壓性增長的區(qū)域對應著副熱帶急流，而以北斜壓性減小的區(qū)域對應著北太平洋風暴軸活躍區(qū)域。南部斜壓性增強使得急流增強，但是由于中高緯度西風急流的減弱，其寬度卻變窄，位置南壓，而這樣的急流分布形勢又進一步導致了北部風暴軸強度的減弱。因此，當東北冷渦天數偏多時，副熱帶急流強而窄，位置南壓，而北太平洋風暴軸強度減弱。相反地，當東北冷渦天數偏少時(圖9b)，副熱帶急流軸位置北抬，強度減弱且范圍寬廣，而這樣的急流分布形勢有利于天氣尺度渦動活動，使北太平洋風暴軸強度增強。綜上，將東北冷渦偏多、偏少時對北太平洋風暴軸強度變化的影響機制，即與副熱帶急流和冷空氣活動的對應關系表示如圖10所示。

圖9 東北冷渦偏多年(a)和偏少年(b)冬季緯向風(陰影;單位:m·s－1)及其距平(等值線;單位:m·s－1)的緯度—高度剖面(取110°E～120°W 的平均)，以及東北冷渦偏多、偏少年差值(c;淺色和深色陰影分別表示通過95%和99%置信水平的檢驗)Fig．9 Height-latitude cross sections of zonal wind(shadings;units:m·s－1)and its anomaly(contour;units:m·s－1)in winter of(a)more NECV years and(b)less NECV years(average from 110°E to 120°W)，and(c)difference of(a)minus(b)(regions with difference exceeding 95%and 99%confidence levels are shown with light and deep shadings，respectively)

圖10 東北冷渦偏多年(a)和偏少年(b)冬季北太平洋風暴軸強度變化與副熱帶急流和冷空氣活動的關系示意(波浪線振幅代表風暴軸活動強弱;圖中下方框和上方框分別表示副熱帶急流區(qū)域和北太平洋風暴軸活躍區(qū)域)Fig．10 Schematic diagrams of relationships of North Pacific storm track intesity variation with subtropical jet and cold air activity in winter of(a)more NECV years and(b)less NECV years(wave shape represents synoptic eddy，and its amplitude indicates North Pacific storm track intensity;the lower and higher rectangles indicate motion ranges of subtropical jet and North Pacific storm track，respectively)

4 結論

利用NCEP/NCAR逐日再分析資料及由吉林省氣象局科研所提供的東北冷渦日歷表，以500 hPa位勢高度為代表，分析了1951/1952—2008/2009年58 a冬季東北冷渦的天數變化對北太平洋風暴軸產生的影響及其形成的原因。主要結論如下:

1)冬季東北冷渦發(fā)生天數的變化與北太平洋風暴軸強弱變化呈顯著的負相關關系，即當東北冷渦天數偏多(偏少)時，北太平洋風暴軸強度減弱(增強)。

2)通過Morlet小波交叉譜分析得出，東北冷渦發(fā)生天數與北太平洋風暴軸強度的聯(lián)系主要體現在年際尺度上，并且在準3 a尺度上相關關系最為顯著。

3)在冬季，當東北冷渦天數偏多時，從東亞到太平洋沿岸對流層中下層溫度降低，低層冷空氣位于副熱帶急流和北太平洋風暴軸上游，并在緯向上處于它們之間，加之冷平流的作用，使得經向溫度梯度改變，給兩個區(qū)域帶來了正好相反的局地斜壓性的變化:副熱帶急流所在區(qū)域斜壓性增加，變得強而窄，位置南壓;而北太平洋風暴軸所在區(qū)域斜壓性減小，同時由于西北太平洋區(qū)域低層溫度降低，使得有利于渦動形成的波源效應減弱，北太平洋風暴軸強度也減弱。反之，當東北冷渦天數偏少時，從東亞到太平洋沿岸對流層中下層溫度偏暖，帶來的經向溫度梯度的改變使得副熱帶急流所在區(qū)域斜壓性減小，強度弱而寬廣，位置北抬;而北太平洋風暴軸所在區(qū)域斜壓性增加，有利于天氣尺度渦動活動的維持，北太平洋風暴軸強度增強。冬季東北冷渦發(fā)生天數變化是造成北太平洋風暴軸強弱變化的一個重要原因。

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