梅笑冬， 孫即霖， 孫雅文

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院 物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國科學院遙感與數字地球研究所 國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京 100101)

基于遙相關的NAO位相轉換影響機理研究分析?

梅笑冬1,2， 孫即霖1??， 孫雅文1

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院 物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國科學院遙感與數字地球研究所 國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，北京 100101)

利用NCEP-NCAR再分析位勢高度、風矢量、海表面熱通量數據，HadSST1再分析海溫資料、CPC逐月北大西洋濤動(NAO)指數等, 通過滯后回歸分析了北大西洋海溫異常對NAO的影響。結果顯示，夏秋季北大西洋馬蹄型海溫通過海洋-大氣相互作用導致冬季大氣呈現NAO型氣壓場特征；與此同時，秋季大氣場表現出反位相的NAO型環(huán)流形勢突變，ECHAM4大氣環(huán)流模型數值試驗和觀測資料統(tǒng)計分析均發(fā)現：熱帶大西洋海溫異常(對流異常)可激發(fā)向中高緯度傳播的遙相關波列，且具有秋季鎖相的特征。馬蹄型海溫對大氣的局地強迫聯合熱帶大西洋異常海溫的遙相關作用使得秋季NAO完成一次正負位相轉換。

遙相關；北大西洋濤動；位相轉換；馬蹄型海溫

北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation，以下簡稱NAO)是北大西洋上空冰島低壓與亞速爾高壓之間存在的氣壓反向變化關系[1]。作為北半球冬季最顯著的大氣活動，NAO在全球氣候系統(tǒng)中占有重要位置，其變率不僅直接影響北大西洋及附近地區(qū)的氣候[2-3]，甚至可以影響整個半球的氣溫、降水[4]。Hurrell等人分析了NAO對北半球冬季氣溫變化的貢獻，發(fā)現NAO能解釋北半球熱帶外地區(qū)冬季平均氣溫方差的34%[5]。對于NAO的短期變化，如天氣尺度、年際變化，研究普遍認為是大氣內部固有的基流—波動相互作用的結果[6-8]。對于NAO年代際變化，一般認為與外強迫有關，比如海溫異常[9-10]、溫室氣體、氣溶膠[11]等因子。NAO低頻變化是中期天氣和短期氣候預測的關鍵[12-13]，因此其年代際尺度變率及機制分析一直是國際氣候學領域研究熱點，同時也是研究難題，解決這個問題對了解全球氣候系統(tǒng)的變化規(guī)律及異常，預防極端氣候事件帶來巨大災害等方面有現實意義。

海洋是很多NAO變率機制研究的重點。一些研究認為NAO年代際變率的可能與北大西洋地區(qū)的海氣相互作用有關[14]，Deser和Blackmon發(fā)現，年代際尺度上大氣變率與海表溫度有較好的一致性[15]。海氣耦合模式的模擬結果顯示當溫鹽環(huán)流加強時，北大西洋海表面溫度(Sea Surface Temperature，簡稱SST)升高，增強的感熱及水汽通量使大氣環(huán)流發(fā)生相應變化[16]。另一方面也有研究通過模式模擬超長尺度1400年控制積分發(fā)現雖然溫鹽環(huán)流有明顯的年代際變化，但NAO并未表現出相應的顯著變化[17]。此外另有一些研究認為不僅北大西洋海溫對NAO有顯著影響，熱帶大西洋海溫也可能有重要作用[18]?？傊壳皩Ｑ鬅釥顩r如何影響NAO年代際變率仍存在很大爭議，對機制的探討更急需深入研究。

綜上考慮，為探求海洋對大氣的強迫效應，首先分析局地海氣相互作用，北大西洋SST變化能夠通過熱量交換影響上空大氣；同時來自熱帶的大氣遙相關作用也不可忽視，熱帶海洋以高溫高濕著稱，大氣對流活動旺盛，Hoskins等提出著名的大圓理論[19]為熱帶海洋作用于中高緯度大氣提供理論支持。本文選取北大西洋馬蹄型海溫場(North Atlantic Horseshoe Pattern of SST，以下簡稱NAH)作為北大西洋海域關鍵區(qū)[20]，通過觀測數據分析夏秋NAH對冬季NAO型大氣場的影響過程，并從中明確出源自熱帶海洋強迫的大氣響應，通過數值模型模擬驗證這種響應，確立熱帶關鍵海區(qū)，分析響應形成的物理機制，解決NAH與熱帶海洋二者如何導致NAO位相轉換問題，為NAO位相轉換研究提供新的切入點。

1 資料與方法

1.1 資料

數據來源包括NCEP-NCAR再分析格點逐月月平均資料，參考變量包括位勢高度、海平面氣壓、海表風應力、熱通量等，水平分辨率2.5(°)×2.5(°)；海表面溫度資料來源于Hadley Centre提供的HadSST1數據，分辨率為1(°)×1(°)；美國氣候預報中心(Climate Prediction Center)提供的NAO逐月指數。時間序列選取1948至2009年8月至次年2月。NCEP-NCAR再分析數據與Hadley Centre海溫數據都屬于時間序列長、可靠性強的資料，是對來源于地面、船舶、無線電探空、探空氣球、飛機、衛(wèi)星等觀測資料進行同化處理后的全球氣象、海洋資料數據庫，廣泛應用于氣候診斷分析等方面研究中[21]。為重點探求較長時間尺度上的海氣變化特征，并避免溫室氣體對NAO位相轉換的影響，所用數據去除了季節(jié)循環(huán)及全球變暖趨勢[22]。

1.2 研究方法

結合統(tǒng)計分析方法與全球大氣環(huán)流數值模型分析、模擬了北大西洋海溫異常對后期大氣環(huán)流的影響。

為探求海洋與大氣相互作用中的主被動關系，一般基于超前滯后相關分析的數理統(tǒng)計方法，NAO作為一種大尺度大氣活動，當海洋超前大氣多于1個月時相關結果即為海洋對大氣的驅動作用[20]。因此將夏季NAH與大氣各要素場做超前滯后相關，大氣滯后1個月以上的結果可看作NAH對后期大氣場的強迫。文章還應用了經驗正交函數分解(EOF)、合成分析等統(tǒng)計方法，并對相關系數、一元線性回歸、合成差異顯著性進行t檢驗。

德國馬普氣象研究所(Max Planck Institute for Meteorology)第四代全球大氣環(huán)流模式European Centre Hamburg Model version 4(簡稱ECHAM4)是在歐洲中尺度天氣預報中心的天氣預報模型基礎上進行一系列修正發(fā)展而來，包含了一套完整的各種物理過程參數化的程序包。其海洋模塊為一層氣候態(tài)SST分布場，滿足研究海洋單向強迫大氣的需求。模型水平分辨率約2.8(°)×2.8(°)，垂直方向采用19層混合δ-p坐標，頂層至10hPa。模型詳細介紹參考文獻[23]，該模式能很好的模擬低緯地區(qū)環(huán)流場、尤其垂直風切變氣候特征[24]。

本文首先從夏末秋初NAH切入，此時海洋熱含量達到極值，海溫異常顯著，通過NAH與冬季NAO活動的相關分析，探求局地海氣相互作用涉及到的物理過程，從中確認出來自熱帶海洋的強迫作用，提出合理假設，設計數值試驗，協(xié)同觀測數據確定一種遙相關波列，進而探討其形成機制、傳播條件，為NAO位相轉換建立預報指標。

2 NAH的強迫效應

NAH最早由Czaja等分析冬季500hPa位勢高度異常場與前后幾個月北大西洋海溫相關性時定義[20，25]，即夏半年紐芬蘭島東南海區(qū)SST異常偏暖(冷)中心、大西洋東部SST異常偏冷(暖)并分別在副熱帶和較高緯度存在兩個冷(暖)中心的一種特定海溫分布型(見圖1)。Watanabe和Kimoto[10]、Drevillon等[26]分別從觀測資料、模型試驗探討了NAH與NAO滯后相關中涉及的物理過程。這些研究中它一直作為與NAO耦合結果中的海溫場，但在SST場EOF分解時發(fā)現NAH也是相對獨立的海溫分布模態(tài)，與冬季NAO也有顯著的超前相關關系。與中緯度其他海溫模態(tài)相比，NAH具有較強的強度與持續(xù)性，其中晚春-夏季強度達到最強，冬季最弱。在年代際至更長時間尺度上變化明顯，表現為30 a周期的循環(huán)[20]，1970年代NAH變化趨勢反轉，結合NAO指數在1980年代出現位相反轉，推測NAH變化對NAO位相轉換具有指示意義。

((a)1948—2009年9月北大西洋海溫EOF分解主模態(tài)空間向量，等值線間隔0.05℃，虛線為負值；(b)主模態(tài)時間系數。(a)The spatial structure of leading EOF mode of September 1948—2009，North Atlantic SST anomalies；Contour interval 0.05℃； Dashed line for negative values； (b)Its time coefficient.)

圖1 9月NAH空間分布及時間序列

Fig.1 NAH distribution and temporal change in September

為揭示秋季NAH與北大西洋大氣活動之間的相互作用，將8—12月逐月海溫、海平面氣壓、風場、500hPa

((a1) 8月大氣變量與9月NAH指數的回歸系數分布，填色圖為SST(°C)，箭頭為1000hPa風場(m·s-1)，等值線為500hPa位勢高度，間隔5gpm；(a2)為8月海表面熱通量(W·m-2) 回歸結果；其余圖與(a)一致，僅時間不同，(b)9月、(c)10月、(d)11月、(e)12月。(a1) Regression of August SST(°C, shaded),1000hPa wind (m·s-1,arrow), 500hPa HGT (contour every 5gpm) onto September NAH index； (a2) August surface heat flux (shaded every 3W·m-2) regression; as in (a),but for (b)September,(c)October, (d)November,(e)December.)

圖2 9月NAH指數與大氣變量超前滯后回歸結果

Fig.2 Lead-lag regression of September NAH index and atmospheric variables

位勢高度與NAH指數，即9月北大西洋海溫EOF主模態(tài)的時間系數進行超前/滯后回歸分析。圖2給出各物理量與NAH指數在5個不同的超前/滯后月數上的回歸系數分布：-1，0，1，2，3個月，其中回歸系數的大小表示SST主分量變化一個標準偏差時，各物理量發(fā)生的相應變化?；貧w結果分為大氣驅動海洋(大氣超前NAH 1個月 lag=-1，二者同期lag=0)、海洋驅動大氣(大氣滯后NAH 1～3個月，lag=1/2/3)兩個階段。lag=-1到lag=0(見圖2(a)、(b))海平面氣壓距平顯示超前大氣分布型略強于二者同位相時，在大氣環(huán)流異常達到最強之后1個月NAH也達到其鼎盛狀態(tài)，即大氣起超前驅動作用。海表面熱通量場(見圖2(a)2)驗證了此結論，通過調整湍流與輻射通量，紐芬蘭島東南冷水失熱冷卻，其東北和東南暖水繼續(xù)增暖，原有海溫型得到加強。lag=0時SST冷暖中心振幅達到極值和明確的空間分布表明NAH建立，即NAH是對前期大氣強迫的反饋。另外也有研究如Cassou等[27]認為，NAH的根本來源是熱帶海洋，中緯度大氣體現了大氣橋作用。

NAH形成之后，隨著大氣滯后海洋時間推移，海洋開始起主導作用，回歸結果(見圖2(b))表現為海表熱通量距平的變號。暖水區(qū)熱通量由lag=-1負距平變?yōu)檎嗥?，暖水向大氣釋放熱量，失熱冷卻，冷水區(qū)則增溫，SST冷暖中心強度被削弱，NAH空間型逐漸瓦解。大氣環(huán)流異常最終表現為NAO負位相模態(tài)(見圖2(d)、(e))，冰島以南為高壓異常，亞索爾地區(qū)低壓異常位置偏東，與以往研究一致[20，25]。隨著NAH強度逐漸減弱，大氣對海洋冷暖異常的動力響應雖然顯著，但也隨時間推移而減弱。然而，lag=1時大氣響應分布型發(fā)生突變，冰島上空閉合高壓消失、主體東移到歐洲大陸，冰島以南異常高壓被低壓取代，紐芬蘭島以東異常低壓也轉變?yōu)槠蟼鹊漠惓８邏?，高低壓南北配置反?見圖2(c))。根據Li和Wang NAO指數定義[28]，北大西洋上空環(huán)流形勢發(fā)生了由NAO負指數向正指數模態(tài)的突變，表明除了局地海氣耦合作用，仍需考慮來自NAH之外的海溫的影響。

針對9—10月NAO指數發(fā)生正負轉換的年份進行合成分析(見圖3)，以確定lag=1時導致大氣環(huán)流形勢突變的海溫強迫來源。圖3(b)表明當秋季環(huán)流形勢由負NAO型轉為正NAO型時，顯著的海洋增暖分布在格陵蘭島以南、北太平洋中東部和熱帶西大西洋。將圖2c 10月位勢高度回歸結果擴大到整個北半球(見圖3(c))，發(fā)現異常高低壓中心從副熱帶北大西洋向東北到達斯堪迪納維亞半島，折返至低緯貝加爾湖以西，呈大圓路徑排列，垂向上保持正壓結構(圖略)，空間結構特征符合Hoskins遙相關作用的大圓路徑理論[19]。因此推斷熱帶西大西洋增暖，同時向外長波輻射表明該海區(qū)上空局地對流加強(見圖3(d))，即海洋非絕熱加熱導致上空大氣深厚對流，可能激發(fā)向中高緯度傳播的大氣波動，從而改變北大西洋大氣環(huán)流形勢。下文以熱帶西大西洋即加勒比海為研究對象，設計數值試驗進行驗證。

((a) 1000hPa位勢高度差值場，1948—2009年9—10月NAO指數正轉負年份與負轉正年份的合成場之差；(b)同(a)，為海溫場差值；(c) 10月500hPa位勢高度場對9月NAH指數的回歸系數分布；(d)10月向外長波輻射對9月NAH指數的回歸系數分布。(a) 1000hPa HGT differences of September-October +- and -+ phase transfer composite maps according to 1948—2009 NAO index; (b)as in (a),but for SST; (c)regression of October 500hPa HGT with September NAH index;(d) regression of October Outgoing Long-wave radiation with September NAH index.)

圖3 10月NAO發(fā)生負正位相轉換時位勢高度、海溫、向外長波輻射場特征

Fig.3 Geopotential height、SST、Outgoing Long-wave radiation field of NAO negative-positive phase transfer in October

3 遙相關數值試驗及物理機制分析

3.1 數值試驗

分析了秋初NAH與北大西洋上空大氣異常活動的相關性，10月相關結果發(fā)生突變，大氣環(huán)流異常與NAH局地作用相矛盾，因此推斷有其它海溫異常起主導作用，提出一種合理假設，即熱帶加勒比海異常增暖，通過局地異常強對流激發(fā)Rossby波向東北中高緯傳播，改變北大西洋大氣環(huán)流形勢。

為驗證加勒比海異常增暖能否激發(fā)Rossby波列影響中高緯度大氣環(huán)流，解決熱帶大西洋海溫異常與位勢高度場上副熱帶西大西洋-歐洲以東-烏拉爾山異常波列之間的因果關系，設計兩組數值試驗：

(1) 控制試驗(CTL)，以氣候態(tài)海溫作為強迫場驅動大氣環(huán)流模式；

(2) 熱帶大西洋偏暖情況下的敏感性試驗(WARM)，根據上文診斷結果選取關鍵區(qū)，即熱帶加勒比海，以正異常海溫作為強迫場驅動模式。由于激發(fā)大氣行星尺度波的基本能量來源為地形或大氣非絕熱加熱強迫[29-30]，因此未列出加勒比海異常偏冷試驗。

兩組試驗都將已連續(xù)運行30年的模式結果作為初始大氣場，以消除積分開始時刻模式spinup過程造成的偏差，保證初始大氣的穩(wěn)定性。試驗從每年的1月1日開始積分到12月30日，共運行10年，得到10個CTL樣本和WARM試驗樣本。其中為消除WARM試驗中局部升溫引起的海溫不連續(xù)變化，將海溫異常區(qū)外的SST設置為每緯度(經度)0.1°C的減弱率，使目的海區(qū)的正海溫距平逐漸過渡到區(qū)域外的氣候態(tài)海溫，表1為海溫異常區(qū)域范圍。

表1 敏感試驗中海溫異常區(qū)域與強度

圖4給出了CTL試驗中秋冬季500hPa位勢高度場與NCEP-NCAR再分析資料的對比?？偟膩碚f，ECHAM4模型較好的模擬出秋冬季北半球位勢高度場的氣候態(tài)特征，較好再現了秋冬季極渦、北美大槽和歐洲大陸脊，與觀測資料(見圖4(b))相比，模型對極渦的模擬稍微偏弱，但這些大尺度大氣活動的形態(tài)和隨季節(jié)的變化都與實際比較吻合。風場、海平面氣壓和氣溫等變量的氣候態(tài)模擬結果較好，圖略。

利用敏感性試驗與控制試驗的結果，進一步分析加勒比海溫異常對北大西洋大氣環(huán)流形勢的可能作用。圖5給出了WARM試驗與CTL試驗500hPa位勢高度場的差值，北大西洋至歐洲上空出現高低壓中心交替分布的波列，與10月 500hPa位勢高度回歸場中的大圓路徑(見圖3(c))有較好的一致性，驗證了本文第3節(jié)關于遙相關波列能否由熱帶大西洋海溫異常激發(fā)的假設。

圖5中波列位于北大西洋的兩個正負中心與NAO活動中心位置重疊，呈現北低南高，即NAO正位相模態(tài)，氣壓異常在中低層大氣最強。而與NAH耦合的冬季氣壓場上表現為北高南低(NAO負位相，見圖2(b))，說明在秋季NAH對后期大氣的強迫作用過程中，熱帶加勒比海激發(fā)的遙相關型在北大西洋起到削弱甚至抑制這種局地海氣耦合過程的作用，NAO位相出現反相變化。但冬季觀測數據分析顯示大氣滯后2～3個月回歸場中該遙相關型缺失，數值試驗結果中冬季遙相關波列也不存在，大氣異常模態(tài)恢復為NAO負位相，一方面證實該遙相關型并非NAH局地海氣耦合作用，另一方面表明遙相關波列有季節(jié)鎖相特征，推斷波列傳播需要一定的大氣環(huán)流條件。

((秋季a1)、 (冬季a2)ECHAM4 CTL試驗500 hPa位勢高度場；(秋季b1)、(冬季b2)NECP-NCAR再分析資料500hPa位勢高度場。(Autumn a1)、(winter a2) averaged 500hPa HGT of ECHAM4 CTL experiment results; (Autumn b1)、 (winter b2) averaged 500hPa HGT of NCEP-NCAR reanalysis dataset.)

圖4 ECHAM4模擬結果與NCEP-NCAR再分析資料對比

Fig.4 Comparison between ECHAM4 model output and NCEP-NCAR reanalysis

圖5 10月850hPa位勢高度場在敏感試驗與控制試驗中的差異

3.2 遙相關物理機制分析

觀測資料和數值試驗結果都顯示加勒比海異常增暖能夠激發(fā)向中高緯度傳播的遙相關波列，且有顯著的秋季鎖相特征，進一步分析波列形成、傳播的大氣動力學條件，確定其物理機制。

(1)

(2)

觀測資料和ECHAM4數值試驗結果均發(fā)現：熱帶大西洋海溫異常導致局地強對流異常，可激發(fā)向中高緯度傳播的遙相關波列。該波列向高緯度的傳播具有秋季鎖相的特征，冬季受環(huán)流條件限制而消失。NAH與后期NAO存在顯著相關，NAH對大氣的局地強迫聯合熱帶大西洋異常海溫的遙相關作用使得秋季NAO完成一次負-正位相轉換。

((a) 270°E～300°E緯向平均風，實線為10月700hPa緯向風，虛線為緯向風垂直切變；(b)25°N緯向平均風垂直廓線，虛線為10月，實線為11月。(a)60°W～90°W zonal mean 700hPaU-wind(solid) and vertical shear(dashed);(b)25°N October(solid)、November(dashed)U-wind vertical profile.)

圖6 加勒比海以北緯向風分布特征

Fig.6U-wind distribution characteristic north of Caribbean

4 總結與討論

通過秋季NAH與后期北大西洋大氣的滯后回歸分析，討論了NAH對冬季NAO活動的影響，在此基礎上發(fā)現源于熱帶大西洋的遙相關波列，ECHAM4數值試驗和機制分析討論了遙相關波列形成的物理機制，分析其對NAO位相轉換的影響，得到主要結論：

(1)北大西洋馬蹄型海溫NAH是秋季北大西洋SST場的主導變率模態(tài)，在經向上表現為三核型，自南向北以“+ - +”的帶狀距平分布。NAH能夠強迫冬季大氣表現為NAO負位相型。這個過程是局地海氣耦合的作用，海洋對大氣的強迫主要通過引起局地海氣界面通量變化完成；

(2)熱帶大西洋海溫異常對中高緯度大氣環(huán)流產生影響。觀測資料分析及數值試驗發(fā)現，加勒比海溫異常增暖，能夠引起局地大氣對流加強，當大氣環(huán)流滿足緯向西風和西風垂直切變兩個條件時，大氣非絕熱加熱激發(fā)Rossby波并向東北方向傳播，形成以大圓路徑依次排列的高低壓中心，在北大西洋上空呈現出NAO正位相。這種遙相關波列與太平洋中的PNA波列和PJ波列不同，具有秋季鎖相特征，冬季受大氣環(huán)流條件限制而消失。

圖7 秋季加勒比海增暖年1000hPa E-P通量散度 (單位：kg·s-2)

秋季NAH導致北大西洋大氣環(huán)流形勢呈現NAO負位相，而熱帶大西洋增暖激發(fā)的遙相關波列使秋季大氣環(huán)流表現為NAO正位相，因此研究NAO位相轉換應同時考慮熱帶與中緯度北大西洋熱狀況，由于整個過程包括了中緯度海溫異常的局地作用和熱帶海溫異常的遙相關作用，二者是否占主導地位既與海溫異常強度有關，也可能與背景大氣環(huán)流形勢有關，需要進一步研究分析。

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責任編輯 龐 旻

Analyses of NAO Phase Transformation Mechanism Based on Teleconnection Theory

MEI Xiao-Dong1,2， SUN Ji-Lin1， SUN Ya-Wen1

(1.The Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Eclucation, College of Oceanic and Atmospheric Science，Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing Applications, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, CAS, Beijing 100101, China)

Using NCEP-NCAR reanalysis of geopotential height, wind, surface heat flux, HadSST1 SST, CPC North Atlantic Oscillation (NAO) index, impacts of North Atlantic SST anomalies on NAO have been analyzed through regression analysis. The autumn North Atlantic Horseshoe (NAH) SST pattern reproduces negative NAO pattern in winter through ocean-atmosphere interaction. A positive NAO pattern change occurs in autumn, ECHAM4 model experiments and observation data illustrate that warmer tropical Atlantic SST forces a teleconnection wave train and remotely reverses the negative NAO phase to positive. The mechanism analysis indicates its seasonal lock nature, further suggests that combined effects of NAH and tropical Atlantic SST make a phase change cycle of NAO.

Teleconnection; North Atlantic Oscillation; phase transformation; horseshoe pattern

國家自然科學基金項目(41276012)；國家自然科學重點基金項目(41430963)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(41276012)；the National Natural Science Key Foundation of China(41430963)

2016-03-01；

2016-05-21 作者簡介：梅笑冬(1984-)，女，博士生。E-mail:thymay @ toxmail.com

P732.6

A

1672-5174(2017)01-007-10

10.16441/j.cnki.hdxb.20160051

梅笑冬， 孫即霖， 孫雅文. 基于遙相關的NAO位相轉換影響機理研究分析[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版)， 2017, 47(1)： 7-16.

MEI Xiao-Dong， SUN Ji-Lin， SUN Ya-Wen. Analyses of NAO hhase transformation mechanism based on teleconnection theory[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1)： 7-16.

?? 通訊作者：E-mail:Sunjilin@ouc.edu.cn