張書(shū)萌，黃 菲，2，3??

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海洋高等研究院，山東 青島 266100；3.寧波大學(xué)寧波市非線性海洋和大氣災(zāi)害系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315000)

北歐海由挪威海、格陵蘭海和冰島海組成，東鄰斯堪的納維亞半島，西靠格陵蘭島東岸，北連巴倫支海和北冰洋中部海域，南接北大西洋，是溝通北冰洋海域與外界海洋的三個(gè)通道之一。比起另外兩個(gè)通道：白令海峽和加拿大群島，北歐海的寬度要大得多。作為同緯度秋冬季氣溫最高的區(qū)域，北歐海熱收支的變化受到多種因素的影響，同時(shí)其自身變化也是影響周邊區(qū)域大氣、海洋演變的一大要素。作為連接北大西洋和北冰洋的重要海域，北歐海區(qū)在北大西洋暖流將熱量向北輸送到北冰洋的過(guò)程中起著重要的作用，同時(shí)在北冰洋淡水輸出的過(guò)程中也起到調(diào)節(jié)的作用[1]。溫暖的大西洋入流水使北歐海域成為一個(gè)秋冬季的少冰-無(wú)冰海域。在冬季，幾乎無(wú)冰的北歐海成為最大的海洋暖平流輸入渠道，同時(shí)也是對(duì)輻射吸收最強(qiáng)的海域。因此，北歐海的熱效應(yīng)在北極變化中起到的重要作用在近些年逐漸受到廣泛重視。Schlichtholz[2]指出，夏季北歐海的熱通量變化可能會(huì)影響整個(gè)北極冬季的環(huán)流形式。因此對(duì)于北歐海的熱效應(yīng)的研究有充分的必要性。

湍流熱通量(Turbulent heat flux, THF)是研究一個(gè)區(qū)域熱收支中的一個(gè)直觀的變量，但對(duì)于北歐海的熱效應(yīng)來(lái)說(shuō)THF并不是最合適的代表量。Zhao和Drinkwater[3]指出，由于復(fù)雜的地形和云層條件，THF在北歐海域的各個(gè)細(xì)分海區(qū)的變化不同。同時(shí)，THF雖然廣泛用于表示局部熱量傳輸，但這一氣象參數(shù)只能描述氣-海界面的垂直熱輸運(yùn)。為了揭示平流效應(yīng)，需要一個(gè)“更大尺度”的氣象參數(shù)來(lái)描述這一地區(qū)的總體熱效應(yīng)?？紤]到北歐海的熱量主要來(lái)源于近地面層，這種局地?zé)嵝?yīng)伴隨著大氣的低空輻合和高空輻散，因此本文將著眼于對(duì)北歐海低空大氣輻合輻散特征的研究。

以往的研究表明，北極濤動(dòng)(AO)的核心區(qū)主要位于北歐海上空[4]，即北歐海區(qū)域平均的海平面氣壓變化可以很好地代表半球尺度AO的變化，同時(shí)AO的唯一正反饋區(qū)也出現(xiàn)在北歐海[5]，這表明北歐海有可能是激發(fā)AO的關(guān)鍵源匯區(qū)。速度勢(shì)函數(shù)(Velocity Potential, VP)場(chǎng)是一個(gè)能很好地表征大氣源匯分布的物理量場(chǎng)，因此我們選擇VP來(lái)表示北歐海對(duì)流層低層的輻合輻散效應(yīng)。這個(gè)氣象變量場(chǎng)在低緯地區(qū)常用來(lái)表征由大氣輻合或輻散而產(chǎn)生的熱源或熱匯。在中高緯度地區(qū)大氣的輻合輻散并不僅僅由熱源或熱匯效應(yīng)決定的，還包含大氣的動(dòng)力輻合輻散效應(yīng)，因此大氣的VP場(chǎng)能很好地體現(xiàn)由熱力或動(dòng)力作用造成的大氣非地轉(zhuǎn)分量的變化，Yang 和 Magnusdottir[6]曾用200 hPa速度勢(shì)來(lái)描述向極地的水汽輸送事件。

本文將使用VP來(lái)表征風(fēng)場(chǎng)輻合輻散的分布，對(duì)北歐海低層大氣的輻合輻散特征進(jìn)行描述和分析，研究北歐海地區(qū)VP的主模態(tài)時(shí)空變化特征，并進(jìn)一步揭示北歐海局地的輻合輻散與大尺度大氣環(huán)流遙相關(guān)的聯(lián)系。

1 資料和方法

本文采用的速度勢(shì)函數(shù)(VP)資料為NCEP/NCAR的再分析資料，時(shí)間長(zhǎng)度為1978—2016年，水平分辨率為192×94的高斯格點(diǎn)，垂直方向是sigma坐標(biāo)的5層，本文使用的是最低層(sigma=0.949)數(shù)據(jù)來(lái)代表近地面的大氣輻合輻散狀況。在這組數(shù)據(jù)中，VP的正值代表著大氣輻合；表面湍流熱通量(THF)的數(shù)據(jù)由表面潛熱通量(Latent heat flux, LHF)和感熱通量(Sensible heat flux, SHF)相加得出；凈熱通量(Net heat flux, NHF)數(shù)據(jù)為T(mén)HF疊加凈長(zhǎng)波輻射通量(Net longwave radiation flux, NLRF)和凈短波輻射通量(Net shortwave radiation flux, NSRF)得出；輻射通量的方向是向下為正；LHF、SHF、NLRF和NSRF的數(shù)據(jù)來(lái)自NCEP/NCAR，均為月平均數(shù)據(jù)，其時(shí)間長(zhǎng)度和格點(diǎn)形式與VP數(shù)據(jù)相同。

位勢(shì)高度、氣溫和緯向風(fēng)風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲中心ERA-Interim(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Interim Re-Analysis)的再分析數(shù)據(jù)[7]。數(shù)據(jù)分辨率為0.75°×0.75°的均勻格點(diǎn)，時(shí)間為1979—2016年。

本文主要采用了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(Empirical orthogonal function, EOF)、回歸分析和合成分析等方法。通過(guò)EOF對(duì)北歐海VP變化進(jìn)行分解，獲取不同特征的模態(tài)并尋找模態(tài)相關(guān)的大尺度大氣環(huán)流。應(yīng)用回歸分析評(píng)估北歐海VP模態(tài)在水平、垂直方向的影響范圍和影響時(shí)間。合成分析用于分析北歐海影響大尺度環(huán)流的具體物理機(jī)制。

2 北半球速度勢(shì)函數(shù)場(chǎng)的氣候特征

圖1為20°N～90°N范圍的不同季節(jié)低空VP的多年氣候平均場(chǎng)，可以看出春夏季節(jié)(見(jiàn)圖1(b)～(c))北半球中高緯度的VP場(chǎng)呈現(xiàn)出海-陸-海的正負(fù)相間分布特征，北太平洋東部和北大西洋上空出現(xiàn)兩個(gè)輻散中心，歐亞大陸和西太平洋地區(qū)則為大范圍的輻合區(qū)域。從春季到夏季的季節(jié)轉(zhuǎn)換中，位于歐亞大陸和西太平洋上的VP正值區(qū)向北延伸，而在由夏至秋的季節(jié)轉(zhuǎn)換中(見(jiàn)圖1(d))正值區(qū)呈現(xiàn)一致性的向南收縮。 10～12月(見(jiàn)圖1(d)) 北歐海域上空的VP正值區(qū)與退回北回歸線附近的正值區(qū)主體部分分離，形成了一個(gè)獨(dú)立的正值區(qū)。這一獨(dú)立的區(qū)域的VP場(chǎng)在12月前保持總體正值，表明在這三個(gè)月期間，該地區(qū)有持續(xù)的風(fēng)場(chǎng)輻合。在冬季(見(jiàn)圖1(a))北歐海地區(qū)的輻合區(qū)逐漸減弱并消散，表明這種獨(dú)特的 “獨(dú)立VP正值區(qū)”的空間分布主要存在于10～12月。從圖1(d)可以看出，北歐海域上空的獨(dú)立正值區(qū)是60°N以北高緯度極區(qū)內(nèi)的唯一的正值(輻合)區(qū)。其主體位于北歐海，沿著斯堪的納維亞半島的西海岸，向東延伸至巴倫支海。通過(guò)對(duì)1978—2016年每年10～12月北半球低空VP場(chǎng)的分析發(fā)現(xiàn)：在大部分年份北歐海上空均存在顯著的輻合區(qū)(圖略)，表明北歐海上空的輻合區(qū)不僅在氣候態(tài)上顯著，在年際變化上也存在明顯信號(hào)。因此我們將針對(duì)這一秋冬季節(jié)存在于北歐海的VP獨(dú)立正值區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3 北歐海速度勢(shì)函數(shù)場(chǎng)的時(shí)空主模態(tài)特征

3.1 北極濤動(dòng)模態(tài)

根據(jù)圖1 中VP正值區(qū)位置，本文將北歐海及周邊(見(jiàn)圖1中紫色框內(nèi)區(qū)域，60°N～80°N, 30°W～60°E)區(qū)域確定為研究區(qū)域。為了更深入地探究北歐海秋季(10～12月)VP的年際變化時(shí)空主模態(tài)特征，本文采用了EOF方法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)1978—2016年秋季(10～12月平均)VP進(jìn)行分析。

EOF分解的結(jié)果顯示前兩個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別為73%，14%。經(jīng)過(guò)North檢驗(yàn)[8]確定，前兩個(gè)模態(tài)互相獨(dú)立。其中EOF第一模態(tài)(EOF1)的空間分布呈區(qū)域一致性的正值模態(tài)分布(見(jiàn)圖2(a))，EOF1的時(shí)間序列PC1(見(jiàn)圖2(b))與北歐海區(qū)域平均VP指數(shù)相關(guān)性超過(guò)了0.99，同時(shí)PC1與同時(shí)期的AO指數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89。這表明北歐海VP的年際變化最主要模態(tài)體現(xiàn)了AO的變化，也進(jìn)一步證實(shí)了北歐海的確是“AO核心區(qū)”。

((a)冬季1～3月；(b)春季4～6月；(c)夏季7～9月；(d)秋季10～12月。緯度范圍為20°N～90°N，紫色框內(nèi)為北歐海區(qū)域。(a)Winter Jan.～Mar.；(b)Spring April～June；(c)Summer July～Sept.；(d)Autumn Oct.～Dec.. Inside the purple frame is the study area.)

3.2 北歐海東西振蕩模態(tài)

第二模態(tài)方差貢獻(xiàn)是14.4%，其空間分布與時(shí)間序列如圖2(c)，(d)所示。從圖2(c)中可以看出，不同于第一模態(tài)的區(qū)域一致性，第二模態(tài)的空間分布呈現(xiàn)出明顯的東西向偶極子分布：其正位相區(qū)域位于格陵蘭島東部的海域，負(fù)位相區(qū)域位于斯堪的納維亞半島東部的東歐平原上，這種分布具有明顯的海-陸分布特征。從第二模態(tài)時(shí)間序列PC2(見(jiàn)圖2(d))來(lái)看，第二模態(tài)的年際變化在1970年代末到1980年代末這段時(shí)間里較為顯著。在前11年(1978—1988)中有7年的矩平超過(guò)了一倍標(biāo)準(zhǔn)差, 其中1983和1984年的矩平都接近或超過(guò)兩倍標(biāo)準(zhǔn)差，而后28年中僅有8年的矩平超過(guò)一倍標(biāo)準(zhǔn)差。

20°N～90°N低空(sigma=0.995)VP對(duì)PC2的回歸場(chǎng)(見(jiàn)圖3(a))表明，EOF2的主要信號(hào)除了北歐海范圍內(nèi)的偶極子型分布外，在其南方的北大西洋中緯度區(qū)域也存在顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)域。這表明北歐海的東西振蕩模態(tài)并不僅僅是北歐海局地的低空大氣輻合輻散造成的，而是與北大西洋到北歐大范圍的異常環(huán)流相聯(lián)系。北大西洋上大氣內(nèi)部變率最顯著的信號(hào)是北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic oscillation, NAO)，將PC2與NAO指數(shù)做同期相關(guān)可以發(fā)現(xiàn)，該模態(tài)與NAO顯著相關(guān)(見(jiàn)圖2(d))，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.56(見(jiàn)表1)，超過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)。從高層(sigma=0.210)的VP回歸場(chǎng)可以看出，北歐海低空大氣的這種輻合輻散東西振蕩主要發(fā)生在對(duì)流層中下層，對(duì)流層上層并沒(méi)有非常顯著的輻合輻散變化，只有北大西洋中部存在著低層輻散高層輻合的環(huán)流配置(見(jiàn)圖3(b))，表明北歐海上空不存在類(lèi)似于熱帶地區(qū)深對(duì)流的垂直結(jié)構(gòu)特征。

4 相應(yīng)的大氣遙相關(guān)異常環(huán)流

4.1 位勢(shì)高度場(chǎng)

為了探索EOF2對(duì)不同高度大氣的影響，將北半球秋冬季20°N～90°N，300～1 000 hPa的位勢(shì)高度場(chǎng)回歸到PC2(見(jiàn)圖4)，可以發(fā)現(xiàn)，在位勢(shì)高度的回歸場(chǎng)中最顯著的特征是北大西洋-格陵蘭島-斯堪的納維亞半島呈現(xiàn)出正-負(fù)-正的波列分布，北歐海的東西反位相分布將NAO聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成一個(gè)三極子型的波列。對(duì)比圖3(a)中低空速度VP回歸場(chǎng)中的三個(gè)顯著區(qū)域，位勢(shì)高度回歸場(chǎng)的三個(gè)顯著區(qū)域均偏西。同時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)比高層和低層VP的回歸場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：大西洋扇區(qū)的三極子型異常分布在各個(gè)高度層均顯著存在，且主體位置基本一致，顯示出一種垂直方向上的準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)。另外，注意到在對(duì)流層上層的300和500 hPa位勢(shì)高度回歸場(chǎng)上，中亞地區(qū)出現(xiàn)了低層所沒(méi)有的顯著負(fù)異常信號(hào)，與日本海上空的正異常信號(hào)構(gòu)成歐亞遙相關(guān)(EU)波列。北歐海的東西振蕩型分布正好將東亞的顯著區(qū)域與大西洋扇區(qū)的三極子型分布相聯(lián)系，形成了一支連接NAO和EU的復(fù)合型大氣遙相關(guān)波列。該遙相關(guān)波列在對(duì)流層的中高層信號(hào)更加顯著，可能與高空急流波導(dǎo)的作用有關(guān)。

((a)(c)分別為第一模態(tài)和第二模態(tài)的空間場(chǎng)；(b)(d)中柱狀為第一模態(tài)和第二模態(tài)時(shí)間序列；(b)中紅線為1978—2016年秋冬季(10～12月平均)AO指數(shù)；(d)中紅線為同樣方式計(jì)算的同期NAO指數(shù)；(e)EOF前三個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)百分比及其N(xiāo)orth檢驗(yàn)。(a) (c) Shows the spatial distribution for EOF1&EOF2; Blue bars in (b) (d) shows the time series for EOF1&EOF2； Red line in (b) represent AO index； Red line in (d) represent NAO index. (e) The north test of EOF analyze.)

((a)為低空(sigma=0.995)速度勢(shì)的回歸場(chǎng)；(b)為高空(sigma=0.210)速度勢(shì)的回歸場(chǎng)。黑色虛線內(nèi)為通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域。 (a) The lower level (sigma=0.995) VP regression filed； (b) The higher level (sigma=0.210) VP regression field. Areas inside the black dash line pass the 95% significant t-test.)

表1 PC2，NAO，EU遙相關(guān)波列(斯堪的納維亞型)指數(shù)的相關(guān)度

EU波列的概念首先由Wallace 和 Gutzler[9]提出，是北半球主要的遙相關(guān)波列之一。EU波列位于對(duì)流層中層，東西走向橫跨亞歐大陸。前人研究表明，EU波列會(huì)對(duì)亞歐大陸，尤其是東亞造成重大影響[10-12]。劉毓赟等[13]研究發(fā)現(xiàn)，冬季EU指數(shù)年際變化周期在1960—1980和1990年后存在轉(zhuǎn)變，這與PC2時(shí)間序列的特點(diǎn)有一定的相似性。EU的計(jì)算方法為使用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(REOF)對(duì)北半球500 hPa位勢(shì)高度進(jìn)行分解，其分解結(jié)果中包含多種EU模態(tài)。通過(guò)與前人工作的對(duì)比，本文發(fā)現(xiàn)PC2與斯堪的納維亞型EU波列(EU-SCA)模態(tài)的時(shí)間序列有最高的相關(guān)度，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.59 (見(jiàn)表1)，超過(guò)99%的置信度檢驗(yàn)。EU-SCA模態(tài)特征為西歐沿岸和西伯利亞的位勢(shì)高度負(fù)異常中心和斯堪的納維亞上空的位勢(shì)高度正異常中心，與對(duì)PC2的500 hPa回歸場(chǎng)(圖4(c))中的遙相關(guān)波列模態(tài)有一定的相似性。

(黑色虛線內(nèi)為通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域。Areas inside the black dash line pass the 95% significant t-test.)

4.2 氣溫場(chǎng)

在1 000、850以及500 hPa氣溫的回歸場(chǎng)中(見(jiàn)圖5(a)、(b)、(c))也可以發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的橫貫北美-大西洋-歐亞的波列狀異常分布，其位置和位勢(shì)高度回歸場(chǎng)中的異常信號(hào)位置存在一定的位相差。同時(shí)作者發(fā)現(xiàn)在對(duì)流層的中低層，氣溫的這種遙相關(guān)波列信號(hào)更強(qiáng)，而對(duì)流層的高層300 hPa上信號(hào)顯著減弱，這可能反映了秋季北歐海海洋對(duì)低空大氣的異常加熱作用更強(qiáng)，高空則急流的動(dòng)力作用可能更強(qiáng)些。北歐海上空大氣位勢(shì)高度在對(duì)流層中下層主要與上游的NAO遙相關(guān)波列的變化一致，而在對(duì)流層的中上層則還與EU波列的向下游傳播有關(guān)。因此我們認(rèn)為，北歐海的大氣源匯就像一個(gè)信號(hào)的“中繼站”，把上游的NAO和下游的EU兩個(gè)大氣遙相關(guān)波列信息聯(lián)系了起來(lái)。因此，北歐海VP的東西振蕩型模態(tài)，可能是鏈接NAO和EU大氣遙相關(guān)的紐帶。

(黑色虛線內(nèi)為通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域。Areas inside the black dash line pass the 95% significant t-test.)

5 NAO-EU聯(lián)合遙相關(guān)波列“中繼站”作用的機(jī)制分析

5.1 NAO-EU聯(lián)合遙相關(guān)波列的傳播特征

為了進(jìn)一步了解NAO-EU波列的傳播特點(diǎn)，選取500 hPa位勢(shì)高度對(duì)PC2的回歸場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步分析，利用圖6(a)中的位勢(shì)高度異常場(chǎng)的5個(gè)極大(小)值中心，擬合出一條連接由北美東岸、格陵蘭島南部海域、斯堪的納維亞半島、中亞至日本海的 “大圓波列”傳播路徑。

選取PC2中典型正負(fù)位相(標(biāo)準(zhǔn)差絕對(duì)值大于1)年份中“大圓波列”傳播路徑上各個(gè)點(diǎn)的500 hPa位勢(shì)高度進(jìn)行合成分析，其中典型正位相年份為1984、1986、1988、1993、2000、2011、2015和 2016年，典型負(fù)位相年份為1980、1981、1983、1985、1988、1995、1996和2010年，時(shí)間跨度為9月1日至次年1月31日，共5個(gè)月。由圖6(b)、(c)可見(jiàn)，無(wú)論是在第二模態(tài)典型正位相還是典型負(fù)位相下，從10月開(kāi)始均能觀測(cè)到由北美東岸向日本海即自西向東的位勢(shì)高度異常傳播，證實(shí)了500 hPa位勢(shì)高度對(duì)PC2的回歸場(chǎng)中的“大圓波列”的確為存在上下游效應(yīng)的真實(shí)信號(hào)，是歐亞遙相關(guān)波列的一種。從持續(xù)時(shí)間上來(lái)看，由五個(gè)異常區(qū)組成的“兩波半”結(jié)構(gòu)在10月中旬左右出現(xiàn)，格陵蘭南部和斯堪的納維亞半島的信號(hào)最為突出，中亞到日本海的位勢(shì)高度異常相對(duì)偏弱但同樣明顯。對(duì)于北美東岸地區(qū)，中亞-日本海在PC2典型正位相年份中從10月初到12月底均有顯著正異常信號(hào)，而在PC2典型負(fù)位相年份的顯著負(fù)異常信號(hào)在11月才出現(xiàn)。這可能是由于這一高度場(chǎng)異常信號(hào)存在于北美東岸-北大西洋海域的廣闊區(qū)域，且正負(fù)位相下異常中心位置不同，導(dǎo)致這一區(qū)域的實(shí)際異常中心不一定在假定波列傳播路徑附近。位勢(shì)高度回歸場(chǎng)中的“兩波半”異常結(jié)構(gòu)在次年1月后逐漸轉(zhuǎn)化為一波結(jié)構(gòu)，即第二模態(tài)的影響主要在10～12月這段時(shí)間，且波動(dòng)的傳播主要發(fā)生在10～11月的秋季，這可能與北歐海秋季來(lái)自海表面的異常加熱有關(guān)[9]。

(淺藍(lán)色線為波列假定路線, 黑色虛線內(nèi)為通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域。The wathet blue line is the assumed wave train route，Areas inside the black dash line pass the 95% significant t-test.)

(圖中EA、SG、SC、CA和JP分別代表北美東部、格陵蘭南部、斯堪的納維亞半島、中亞以及日本海。EA, SG, SC, CA and JP refers to east North America, south of Greenland, Scandinavia, Centro Asia and Japan Seas.)

5.2 下墊面非絕熱加熱的貢獻(xiàn)

NAO-EU聯(lián)合遙相關(guān)波列由500 hPa的一系列位勢(shì)高度異常組成，路徑通過(guò)了北大西洋、北歐海、斯堪的納維亞半島、中亞、日本海這幾個(gè)熱力性質(zhì)不同的下墊面。為了了解海溫在NAO-EU波列傳播過(guò)程中的作用，將四個(gè)季節(jié)(前期7～9月，同期10～12月，后期次年1～3月，后期次年4～6月)的SST回歸到PC2，在10～12月，北大西洋扇區(qū)存在一個(gè)偶極子型的海溫異常，與北歐海海溫異常共同構(gòu)成了一個(gè)三極子型海溫異常(見(jiàn)圖7(b))，分別對(duì)應(yīng)著圖4(a)中500 hPa位勢(shì)高度在北美東岸、格陵蘭南部、堪的納維亞的異常中心。北大西洋海表面溫度的這個(gè)三極子型分布可以持續(xù)到其后期的冬春季節(jié)，有利于加強(qiáng)NAO-EU聯(lián)合遙相關(guān)波列的上游環(huán)流。

大氣異常加熱的垂直分布，影響著高低空大氣環(huán)流的不同異常響應(yīng)。將沿波列格點(diǎn)上1 000～100 hPa各層的10～12月平均氣溫(1978—2016)回歸到PC2(見(jiàn)圖8)，可以發(fā)現(xiàn)，沿NAO-EU聯(lián)合遙相關(guān)波列，氣溫的異常在對(duì)流層也出現(xiàn)冷暖相間的波列分布，且在300 hPa上下出現(xiàn)相反的溫度異常結(jié)構(gòu)。根據(jù)氣壓傾向方程，當(dāng)非絕熱加熱隨高度增加(減小)時(shí)，等壓面高度將降低(升高)，這里可以看到，在存在SST正異常的北美東岸(EA)、北歐海(SG與SC之間)和日本海(JP)上空，氣溫異常隨高度的增加而減弱，有利于位勢(shì)高度的升高；而在格棱蘭(SG)和中亞地區(qū)(CA)，300 hPa以下為冷異常，其上為暖異常，對(duì)應(yīng)著非絕熱加熱隨高度增加，有利于等壓面的降低產(chǎn)生低壓異常。這種異常分布很好地解釋了NAO-EU遙相關(guān)波列的位勢(shì)高度場(chǎng)(見(jiàn)圖4)上的正壓波列的結(jié)構(gòu)特征，300 hPa正好處于對(duì)流層上層冷暖反位相的交界面，因此300 hPa氣溫場(chǎng)上的異常波列信號(hào)最弱(見(jiàn)圖5(d))。

(黑色虛線內(nèi)為通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域。Areas inside the black dash line pass the 95% significant t-test.)

(x軸位置與圖6 (b)(c)中的相同。The positions of x axis are same with Fig.6(b)(c).)

從圖8我們還注意到在北歐海區(qū)域(SG和SC之間)300 hPa以下的對(duì)流層中氣溫異常出現(xiàn)兩個(gè)最大中心，一個(gè)在近地面的1 000 hPa，另一個(gè)在600～700 hPa的對(duì)流層中下層，這可能與該區(qū)域同時(shí)受較強(qiáng)的感熱(見(jiàn)圖9(a))和潛熱(見(jiàn)圖9(b))加熱有關(guān)。與北大西洋-北歐海的SST的三極子型異常分布(見(jiàn)圖7)相一致，感熱和潛熱都呈現(xiàn)出三極子型的異常分布。在SST正(負(fù))異常區(qū)域，感熱和潛熱均為負(fù)(正)異常，表明海洋向大氣放熱(吸熱)，加熱(冷卻)了大氣，使得大氣出現(xiàn)異常的高壓或低壓響應(yīng)，形成大氣遙相關(guān)異常波列。北歐海正處于北大西洋南北偶極子型的NAO遙相關(guān)波列的北支和EU遙相關(guān)波列的西極之間，其感熱和潛熱異常加熱的共同作用有利于維持北歐海區(qū)域的東西輻合輻散的振蕩型分布，有利于北歐海成為連接NAO和EU的“中繼站”。

(虛線內(nèi)部分通過(guò)95%顯著性t檢驗(yàn)。Areas inside the black dash line pass the 95% significant t-test.)

5.3 西風(fēng)急流波導(dǎo)的貢獻(xiàn)

前文中，我們從下墊面非絕熱加熱的角度解釋了PC2對(duì)應(yīng)的NAO-EU遙相關(guān)波列在北大西洋與NAO擁有顯著相關(guān)的原因。但未能解決4.1中提出的為何位于中亞-日本海的位勢(shì)高度異常波列在高空(300、500 hPa)比低空(850、1 000 hPa)信號(hào)更為顯著的問(wèn)題。顯然，異常波列的亞洲段(中亞-日本海)受到了與大西洋段(北美東岸-格陵蘭-斯堪的納維亞)不同因素的主導(dǎo)。從高空動(dòng)力因素的角度出發(fā)，作者發(fā)現(xiàn)300 hPa緯向風(fēng)對(duì)PC2的回歸場(chǎng)中存在顯著的西風(fēng)增強(qiáng)異常(見(jiàn)圖10(a))，其中最強(qiáng)的西風(fēng)異常位于北大西洋極鋒急流東側(cè)。300 hPa緯向風(fēng)回歸場(chǎng)中北大西洋扇區(qū)也存在類(lèi)似NAO和非絕熱加熱的三極子分布，與位勢(shì)高度場(chǎng)的異常波列分布(見(jiàn)圖4)滿足一致的風(fēng)壓關(guān)系。在西風(fēng)急流下游的東亞地區(qū)，對(duì)應(yīng)NAO-EU聯(lián)合波列的亞洲段，東亞急流區(qū)的北側(cè)也出現(xiàn)了西風(fēng)異常增強(qiáng)，這有利于來(lái)自大西洋的異常信號(hào)沿西風(fēng)波導(dǎo)向下游傳播。為了證明東亞上空的波動(dòng)信號(hào)是來(lái)自上游的北大西洋，本文繪制了PC2典型正負(fù)位相下的T-N波作用量[14]及其對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流函數(shù)(Quasi-geostrophic steam function，QG-SF)場(chǎng)(見(jiàn)圖10(b)、(c))。在PC2典型正負(fù)位相下都能看到沿圖6(a)中假定波列路徑的波作用量信號(hào)。在中緯度準(zhǔn)地轉(zhuǎn)條件中，QG-SF與500 hPa位勢(shì)高度對(duì)PC2的回歸場(chǎng)的分布基本一致。因此，可以確定波列從北大西洋向東北經(jīng)過(guò)北歐海的“中繼站”作用，再向東向南方向往下游傳播，NAO-EU波列從歐洲到東亞的傳播中，高空急流波導(dǎo)起了重要作用。低空大西洋海洋的非絕熱加熱貢獻(xiàn)較強(qiáng)，對(duì)NAO-EU波列的大西洋段產(chǎn)生較強(qiáng)作用，而亞洲大陸上沒(méi)有強(qiáng)的下墊面異常加熱的補(bǔ)充，高空急流波導(dǎo)作用占據(jù)主導(dǎo)。這解釋了為何位于中亞-日本海的位勢(shì)高度異常波列在高空比低空信號(hào)更為顯著的問(wèn)題。

6 結(jié)論與討論

本文使用了NCEP/NCAR的VP資料，發(fā)現(xiàn)了秋冬季節(jié)北歐海低空存在一個(gè)獨(dú)立的輻合區(qū)。在此基礎(chǔ)上使用EOF分解得到了區(qū)域一致性的第一模態(tài)和東西振蕩型的第二模態(tài)。其中第一模態(tài)作為北歐海VP的年際變化最主要模態(tài)，體現(xiàn)了AO的變化，進(jìn)一步證實(shí)了北歐海的確是AO的核心區(qū)。從VP回歸場(chǎng)中作者發(fā)現(xiàn)，北歐海的東西振蕩模態(tài)與北大西洋到北歐大范圍的異常環(huán)流相聯(lián)系，而不僅僅體現(xiàn)北歐海局地的低空大氣輻合輻散。東西振蕩模態(tài)的時(shí)間序列PC2與NAO的高相關(guān)說(shuō)明這是一個(gè)與北大西洋聯(lián)系更緊密的模態(tài)。在高層位勢(shì)高度對(duì)PC2的回歸場(chǎng)中存在一支連接NAO和EU的復(fù)合型大氣遙相關(guān)波列。因此，北歐海VP的東西振蕩型模態(tài)可能是鏈接NAO和EU大氣遙相關(guān)的紐帶。各高度氣溫和位勢(shì)高度對(duì)PC2的回歸場(chǎng)中匹配的異常信號(hào)表明，北歐海表面的異常加熱形成的輻合可能與這一復(fù)合型大氣遙相關(guān)波列相關(guān)。在PC2的正負(fù)位相年份這種自東向西傳播的位勢(shì)高度異常信號(hào)都顯著存在，波列的正負(fù)中心分布在北美東岸、格陵蘭南部、斯堪的納維亞半島、中亞和日本海，且這種“兩波半”結(jié)構(gòu)的波列僅存在于10～12月，在之后次年1月轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)一波的模態(tài)。

圖10(a) 秋冬季300 hPa緯向風(fēng)速對(duì)PC2的回歸(填色)及秋冬季300 hPa緯向風(fēng)氣候態(tài)(等值線)Fig.10(a) OND 300 hPa zonal wind regress to PC2 (shading) and the climate mean state of 300 hPa zonal wind (contour)

圖10(b)、(c) PC2典型正(負(fù))位相下的T-N波作用量(箭頭)及對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流函數(shù)(等值線)Fig.10(b)、(c) T-N wave activity flux(arrow) and its corresponding quasi-geostrophic steam function(contour) in PC2 positive/negative phase

在SST和沿波列不同高度氣溫對(duì)PC2的回歸場(chǎng)中，發(fā)現(xiàn)北大西洋海溫偶極子異常和北歐海海溫異常組成的三極子型海溫的異常分布，在北大西洋扇區(qū)加強(qiáng)了類(lèi)NAO的大氣遙相關(guān)異常。在對(duì)流層中上層，由于高空急流波導(dǎo)的作用，加強(qiáng)了北歐-中亞-日本海的EU大氣遙相關(guān)波列，處于NAO和EU之間的北歐海因此成為了連接這兩個(gè)大氣遙相關(guān)波列的“中繼站”，造成北大西洋的異常信號(hào)對(duì)東亞異常環(huán)流的遠(yuǎn)程影響。

北歐海位于EU遙相關(guān)波列的路徑和NAO之間。通過(guò)對(duì)該復(fù)合型大氣遙相關(guān)波列的研究表明，北歐海的東西振蕩模態(tài)可能是連接北大西洋與東亞大氣環(huán)流相聯(lián)系的紐帶。對(duì)于下游的東亞(日本海)地區(qū)來(lái)說(shuō)，北歐海VP的東西振蕩模態(tài)具有一定的預(yù)報(bào)意義，具體影響途徑和物理機(jī)制有待后續(xù)工作的進(jìn)一步研究。