北半球冬季极涡异常变化的时空特征

姜忠宝，王盘兴，吴息，智海

(1．气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学);2．南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044)

0 引言

极涡是极区持续性大尺度绕极的气旋性大气环流系统，它一般位于中上对流层和平流层，极涡中心游动在极地及其附近地区，这种近乎半球范围的环极气流是大气行星环流的一个重要的活动中心，它的活动和变化控制着泛极地半永久性活动大气中心和副极地短时间尺度的气旋活动。极涡的面积、强度和位置的变化，对整个半球乃至全球的大气环流及天气气候变化有着重要影响(杨静和钱永甫，2005;魏科，2007;张恒德等，2008)。

极地是地球的冷极，也是大气的冷源，北极气候系统的变化对我国冬季风系统起着重要的调控作用。我国冬季的雪灾和冷害都源自极地冷空气，它是我国春季发生沙尘暴、夏季发生旱涝等气候灾害的直接原因(Perlwitz and Graf，2001;Black，2002;顾思南和杨修群，2006;张恒德等，2006a;卢秉红等，2009;易明建等，2009)。20世纪70、80年代主要研究绕极涡本身的变化特征。Angell and Korshover(1977)对300 hPa层北半球绕极涡面积与位置的演变做了详细讨论，并与北美地面气温的冷暖做了相关分析;章少卿和邬为民(1984)、章少卿等(1985)在分析300 hPa、500 hPa极涡面积大小时，利用相关分析方法初步探讨了极涡面积的季节变化及东、西两半球极涡的相互关系。近年来，人们对绕极涡的研究主要侧重于绕极涡与其他影响因子之间的关系。Frauenfeld and Davis(2000)揭示了ENSO事件对北半球500 hPa绕极涡的影响;Angell(1992，2001)分析了赤道太平洋海表温度(sea surface temperature，SST)、平流层准两年振荡(quasi biennial osillation，QBO)、厄尔尼诺(El Nino)和太阳黑子数对300 hPa绕极涡的大小、位置的影响;Frauenfeld and Davis(2002，2003)分析了绕极涡的趋势性变化与以全球增暖为特征的气候变化之间的可能联系。北半球环流系统与气候异常的关系等也受到重视。杨静和钱永甫(2005)分析了30 hPa月平均高度场上极涡的气候特征及与我国天气气候异常的关系;贾建颖和孙照渤(2006)研究了北极海冰和北半球500 hPa极涡的相互关系;张恒德等(2006b)讨论了300 hPa北半球极涡面积、强度及中心位置的年际和年代际变化特征;陈永仁和李跃清(2008)分析了100 hPa极涡、南亚高压的变化及大气环流分布特征;管树轩等(2009)研究了北半球10 hPa极地涡旋环流指数，并初步分析了北半球10 hPa极地涡旋的季节变化和年际异常规律。通过这些研究，人们逐渐了解了绕极涡本身的一些基本性质和变化特征及其与其他影响因子之间的相互关系。

从以上研究可以发现，诸多学者都是根据自己的研究重点找到一个代表层，例如500、300、30、10 hPa等，对单层极涡的各种特征进行研究，并探讨单层极涡与其他系统的关系。事实上，极涡是一个从对流层中上层一直到平流层的深厚系统，其不同层的变化与大气环流场都有不同的关系，而把这一环流系统作为一个整体进行研究还较少，北半球绕极涡与我国气候异常的关系没有被系统地认识。本文的目的就是在国内外有关绕极涡研究的基础上，利用王盘兴等(2007)定义的闭合气压系统指数，提出北半球绕极涡环流的定量化刻画方法，系统分析北半球绕极涡环流在垂直方向上的结构，研究极涡从500 hPa到10 hPa垂直高度上的气候态、异常态，以分析极涡面积、强度和中心位置的时空变化规律。

1 资料与计算方法

利用NECP/NCAR提供的1948年1月—2010年2月2.5°×2.5°的月平均位势高度场资料(Kalnay et al.，1996)，根据王盘兴等(2007)定义的闭合系统环流指数的方法，定义和计算了极涡冬季(12月—次年2月)、12月、1月、2月500～10 hPa共12层的三种环流指数:1)面积指数S(t)是按搜索区Ω中由特征等高线f0在单位半径球面上围成的区域D(t)的面积;2)强度指数P(t)是区域D(t)上高度场H(t)与f0之差(H(t)－f0)的面积分;3)中心位置指数(λc(t)、φc(t))是区域 D(t)上 H(t)－f0对应之压差场重心在球面上的位置。

根据500～10 hPa高度场环流形式，便于统一比较，搜索区Ω统一选择为φ≥30°N区域。对特征等高线f0的选取，按照王盘兴等(2007)提出的原则。以300 hPa为例，根据1948/1949—2009/2010年冬季、12月、1月、2月高度场环流场(图略)，确定500～10 hPa各层特征等高线f0，使其包围的区域都在搜索区Ω里面(表1)。图1给出了1948/1949—2009/2010年冬季、12月、1月、2月共62 a的特征等高线f0综合图。根据特征等高线f0计算500～10 hPa共12 层的北极极涡的 S、P、(λc，φc)。

表1 北半球500～10 hPa冬季、12、1、2月的极涡特征等高线f0Table 1 Typical line f0of Northern Hemisphere winter polor vertex from 500 hPa to 10 hPa dagpm

图1 1948/1949—2009/2010年300 hPa北半球极涡环流特征等高线f0综合图(圆形粗虚线围成搜索区Ω，粗实线为气候平均的f0线) 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 气候态特征

对极涡的气候态计算，本文取 1948/1949—2009/2010年冬季季、月的 62 a的平均。根据Lorenz环流(洛伦茨，1976)分解可以把各指数分解如下:

由表3可见，极涡强度指数¯P从500 hPa到100 hPa(除400 hPa外)都是12月最强，然后逐渐减弱;400 hPa上1月最强;从70 hPa到20 hPa极涡最强的月份是1月，而12月又明显强于2月;到了10 hPa，12月最强，往后逐渐减弱。对¯P标准化后，冬季、12月、1月、2月从低层500 hPa到高层10 hPa的变化只能说明其相对变化剧烈程度，冬季、1月、2月的变化趋势一样，300 hPa相对最弱，从250 hPa到10 hPa先是强度变化剧烈程度增强，到50 hPa最强，之后到高层10 hPa相对减弱;而12月¯P变化还是300 hPa相对最弱，从300 hPa往上到10 hPa变化趋势基本上都是逐渐减弱的，与冬季、1月、2月不同的是没有50 hPa处的最强变化拐点。总之，从500 hPa到100 hPa整体变化程度最强的是12月，1月次之，2月最弱;100 hPa往上到10 hPa是1月最强，12月次之，2月最弱。

由表4可知，极涡经向指数¯λc从500 hPa到10 hPa同层变化规律都是从12月到2月向西移动。从500 hPa到10 hPa垂直高度上看，¯λc在12月、1月、2月都是随高度增加而向西移动。图2a为冬季¯λc变化。可见，¯λc随高度向西移动，且¯λc都在东半球变化。

由表5可知，极涡纬度指数¯φc在冬季季节内同一高度变化不是很明显，而在垂直高度上冬季季、月的变化是相同的。图2b为冬季¯φc的垂直剖面。可见，¯φc从极涡低层500 hPa到150 hPa是左右摇摆的，总体趋势是向北偏，而在150 hPa向上到10 hPa极涡¯φc就一直向南偏移。气候图 a.中心位置λc指数经指数纬度—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月的面积指数¯S(标准化)Table 2 The standardized area index ¯S 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月的强度指数¯P(标准化)Table 3The standardized strength index¯P 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月的中心位置经度指数¯λc(°E)Table 4Center longitude position index¯λc(°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月的中心位置纬度指数¯φc(°N)Table 5Center latitude position index¯φc(°N)of Northern Hemisphere polar vortex from 500 hPa to 10 hPa in winter(DJF)，December，January and February

图2 北半球冬季500～10 hPa极涡中心位置指数

综上所述，北半球冬季极涡从500 hPa到10 hPa同层的都有明显变化，而同层变化不明显(表5)。从垂直高度上看各有其变化规律，特别是冬季极涡中心位置指数随着高度增加向偏西偏南移动。

3 异常态特征

根据公式(1)—(3)给出的极涡异常态指数S'(t)，P'(t)，(λ'c(t)，φ'c(t))来分析北半球500 ～10 hPa极涡的异常规律。为了比较不同层的S'、P'的年际变化，使用它们的标准化距平表示异常态(记为～')。

表6给出了北半球极涡冬季500～10 hPa环流指数的气候变率s。可见，500～400 hPa极涡的S、P的气候变率是变大的，再从300 hPa向上都是变大的，到10 hPa气候变率最大;而300 hPa的气候变率最小，即其年际变化相对较小，且与其上下层S、P的气候变率差距很大。λc、φc的气候变率规律是一样的，从500 hPa到300 hPa气候变率是变大的，在250 hPa有个转折，然后从250 hPa往高层继续变大，也是到10 hPa达到最大，故越向上其年际变化越不稳定。大约300 hPa是极涡对流层顶高度，可以说在对流层内，S、P、(λc，φc)的年际变化是越往高层越不稳定，在平流层内各指数年际变化从低层到高层也是越高越不稳定。

对冬季极涡面积S'(t)和强度P'(t)做相关分析，发现从500 hPa到10 hPa二者相关性不显著，这与卢楚翰等(2010)得出的结果一致。以500 hPa为例，对冬季、12月、1月、2月极涡环流指数S'(t)、P'(t)做标准化，得到序列~S'(t)、~P'(t)。由图3可以看出，~S'(t)、~P'(t)二者时间序列在冬季、12月、1月、2月的相关系数r都没有通过0.05信度的显著性检验(r＜r0.05，r0.05=0.250)。其他层的结果和500 hPa的结果相似，所以北半球冬季极涡的面积指数S和强度指数P是两个相互独立的环流指数，在对极涡异常态分析时，要对 S'(t)、P'(t)和(λ'c(t)，φ'c(t))分别进行分析。

表6 1948/1949—2009/2010年北半球500～10 hPa冬季极涡S、P、(λc，φc)的气候变率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

图3 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500 hPa极涡环流指数~S'(实线)、P~'(虚线)演变曲线 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'异常特征

不同层极涡面积指数S'变化规律有一定差异。表7给出了各层极涡面积指数S'之间的相关系数。可见，500 hPa与其上面各层的相关性先是越往上越好，到200 hPa相关性最好(r=0.948)，然后再往高层其相关性就越来越不好，但一直到50 hPa二者相关性还能通过0.01信度的显著性检验(r=0.328)，而其与30～10 hPa极涡面积指数S'之间相关很弱;400 hPa、300 hPa与其他层的相关规律类似于500 hPa，即在对流层中各层与其他层的相关关系是相同的。在平流层低层，250 hPa到150 hPa各层的相关规律相同，都是越往上层相关性越差，与30 hPa往上各层S'的相关很弱，越往下r越小(500 hPa除外)，但都是显著相关的。100 hPa到50 hPa各层面积指数S'与其下层之间相关性类似于250～150 hPa，但其与上层的相关规律有所不同;表7表明，100 hPa与30 hPa的S'是显著相关的，70 hPa通过显著性检验的r一直到20 hPa(r=0.399)，而50 hPa则与其上面各层相关性都很好。30 hPa到10 hPa之间面积指数S'高度相关，但与下层之间的相关性不好。

表7 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa极涡面积指数S'的相关系数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

由图4可以分析极涡面积指数~S'随时间的变化规律。由图4a可见，在500 hPa到300 hPa的对流层中~S'变化不同，主要是400 hPa的~S'振荡比较大，而且与其他两层同步性不好，所以它们之间的相关系数不高(表7)。图4b和图4c中250～50 hPa的~S'变化规律大致相同，上下层之间高度相关，但不同的是100 hPa到70 hPa的变化振幅较大。30 hPa到10 hPa的~S'变化振幅(图4d)比图4c的还大，而且变化规律与下层不一样，从表7中可以看出其相关性不好。

由图4中的5点平滑曲线可以看出，500 hPa到50 hPa各层~S'的年代际变化基本相同，在20世纪70年代前~S'曲线呈现上升趋势，极涡面积一直增大;从70年代开始一直到80年代末，~S'曲线为明显下降趋势，极涡面积一直减小;80年代末到90年代中期，又是一个上升期，极涡面积急剧增大;从90年代中后期至21世纪初，极涡面积又开始减小，而且100 hPa以下层减小速度比100～50 hPa层的减小速度快。30 hPa到10 hPa，极涡~S'年代际变化与其下层不同，从40年代末到50年代末~S'呈下降趋势，极涡面积减小;整个60年代极涡面积在变大;从70年代初到90年代初，~S'变化趋势与其下层相同，都在减小，但没有30 hPa以下层减小的幅度大;90年代初到90年代末~S'平滑曲线一直在上升;近10 a极涡面积又有减小趋势。

在500 hPa到300 hPa对流层中(图4a)，极涡面积大小变化分为两个阶段:80年代中期以前，极涡面积比均值偏大;80年代中期出现转折，极涡面积开始比均值小。在250 hPa到150 hPa高度上，极涡面积大小变化与图4a基本一致，只是突变点出现在80年代初期，比500～300 hPa要早。由图4c可看出，100 hPa到50 hPa极涡面积变化分四个阶段:60年代初以前，~S'在均值附近上下波动;从60年代初到70年代中后期极涡面积一直处于高值期，70年代中后期该拐点的出现比其下层250 hPa到150 hPa要早;从70年代中后期到90年代中期前后，极涡面积偏小;从90年代中期到现在，极涡面积大小与500～150 hPa在这一时期变化不同，极涡~S'在均值附近上下波动，振幅变化剧烈，面积偏小迹象不明显。由图4d可看出，在30 hPa到10 hPa的平流层中层高度上，50年代到60年代中期与其他层不同，极涡面积处于低值期，60年代中期到70年代末、80年代初大约有15 a，~S'在略大于均值处振荡，80年代初到90年代初又出现一个低值期，90年代中期至今，极涡面积明显比均值大。值得注意的是，2009年冬季极涡面积的变化，在500～150 hPa异常偏大，可能出现拐点;100～50 hPa略微偏大，在前期波动范围内;30～10 hPa在均值附近，变化不大。

图4 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa极涡面积指数~S'演变曲线(粗灰实线为5点FFT平滑曲线) 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'的异常特征

表8给出了500～10 hPa冬季极涡强度异常指数的相关结果。可见，500 hPa与其上面各层P'的相关性是越向上越小，与30 hPa以上层的相关系数不能通过0.01信度的显著性检验(r=0.328);而400 hPa与其上层的相关性大多不好;300 hPa和250 hPa的P'与其上层的相关规律相同，除了与10 hPa的相关没通过显著性检验外，与其他层的相关都通过了显著性检验;200 hPa到10 hPa的各层之间P'的相关性都很好，但与250 hPa以下层的相关系数都不大，越向下层相关系数越小。P'相关变化规律与前述S'的相关结果有差异，在30 hPa到10 hPa，P'与下面各层的相关性很好，例如30 hPa与300 hPa P'的相关系数达0.422，而S'与其下面各层的相关不显著(表7)。500～400 hPa与150～50 hPa之间极涡P'的相关性不好，而极涡S'在上述高度之间的相关性却很好。

由图5可知冬季各层极涡强度异常~P'之间随时间变化的同步性规律。在对流层中(500～300 hPa)极涡的~P'变化不一致(图5a)，在70年代以前400 hPa的~P'与500 hPa和300 hPa同步性不好，从70年代开始到80年代末500～300 hPa的~P'变化趋势是一致的，该时期的相关性很好，80年代末到现在400 hPa的~P'曲线又开始与其他两层不同步，且振幅较大。在250 hPa到150 hPa层中(图5b)，极涡强度异常~P'比图5a中的同步性要好，各层之间的相关系数较高，年际振荡较小。在100～10 hPa各层之间同步性很好，相关系数基本都在0.8以上(表8)，但~P'的年际振荡较大。

从极涡强度年代际变化看，500 hPa到10 hPa极涡强度~P'的年代际变化比极涡面积~S'的年代际变化复杂。图5a中，500 hPa和300 hPa极涡 ~P'的年代际变化趋势基本相同，60年代以前，~P'曲线有下降趋势;60年代初至70年代中期，极涡强度增强;80年代开始至90年代末，极涡强度变化不明显;21世纪的10 a中，极涡强度显著减弱。400 hPa极涡强度在70年代以前没有增强或减弱趋势，

70年代以后~P'的年代际变化与500 hPa大致相同。250～150 hPa极涡~P'从60年代开始至70年代中期一直在增强，到70年代中期达到极大值，之后极涡强度快速减弱;80年代开始至90年代后期，极涡~P'的年代际变化不明显;90年代后期至今极涡强度一直在减弱，极涡强度极小值出现在2008年(图5b)。100～10 hPa极涡强度年代际变化趋势基本相同。~P'曲线振荡的振幅大，但年代际变化较小，70年代中期以前，极涡~P'曲线为上升趋势，极涡强度增强;70年代中期至90年代中期，极涡强度较稳定，只在80年代中期略微减弱;90年代后期至今，极涡强度减弱，但减弱趋势没有250～150 hPa那么大。

表8 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa极涡强度指数P'的相关系数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

图5 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa极涡强度指数~P'演变曲线(粗灰实线为5点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

从极涡强度变化看，500～300 hPa中，400 hPa极涡~P'曲线在60年代中期以前一直于0线上下波动，而500 hPa和300 hPa极涡在50年代初至60年代中期的强度异常偏小;70年代开始到90年代中期，~P'基本在0线以上波动，极涡强度异常偏大;90年代中期以后，极涡强度处于低值期，越来越小。250～150 hPa中，极涡强度在60年代以前异常偏小;60年代开始至80年代初的20 a，极涡强度异常偏大;80年代开始至90年代中期，~P'处于均值水平，年际变化不大;90年代后期之后，250～150 hPa~P'的变化特征与500～300 hPa一样，极涡强度一直在减弱。高层100～50 hPa中，60年代初之前，~P'在0值以下，极涡强度偏小;在整个60年代，极涡~P'在0值上下波动;70年代开始至90年代末，除了在80年代中期有个短暂的低值期外，极涡强度一直处于高值期，年际变化幅度较大;21世纪开始，极涡强度有减小趋势，图5c中 ~P'曲线斜率比500～150 hPa斜率要小，但波动振幅变化更剧烈。从长期看，30～10 hPa极涡强度的变化不如其下面各层那么明显，基本上与100～50 hPa的变化规律相同，强度~P'在0值上下高频振荡，但振幅波动变化更加剧烈。

3.3 (λc'(t)，φc'(t))的异常特征

冬季500～10 hPa极涡中心位置主要分布在东半球高纬度的北冰洋—亚欧大陆一侧，极涡的位置变化分为经度和纬度变化，由表6可以看出，λ'c和φ'c的气候变率是不同的，λ'c指数的气候变率比φ'c指数的气候变率大，这主要是由于极涡在极点附近活动，λ'c指数在个别年份异常较大，纬向跨度很大，甚至出现在西半球。下面分别对500～10 hPa极涡位置指数λ'c和φ'c的变化特征进行分析。

3.3.1 λ'c指数异常特征

由图6可见，冬季极涡中心位置经度异常的变化规律不是很明显，除了个别年份异常较大外，其他年份基本上都在气候中心附近东—西向变化，经度跨度一般在30个经度以内。500～250 hPa极涡λ'c异常变化较小，在纬向上较稳定。500～250 hPa极涡λ'c指数偏移不大，变化规律不明显。200～10 hPa各层极涡λ'c偏移变化趋势大致相同，50年代中期以前，极涡λ'c偏移较大，中心异常偏东;50年代中期至70年代初，极涡λ'c偏移较小，中心异常偏西;70年代初至90年代初，极涡λ'c无显著异常，中心位置在纬向上较稳定;90年代开始，200～70 hPa上，极涡λ'c偏移不大，中心位置略微偏西，而50～10 hPa上，极涡λ'c异常偏移相对较大，但没有明显东西向偏移规律。从整个500～10 hPa垂直高度上看，极涡λ'c指数在高层的异常偏移比低层大。从表6的气候变率大小也可以看出，低层的变率在10°左右，高层达到25°左右。由于极涡所在纬度较高，其中心位置的经向变化不如其他中低纬系统的经向变化对气候的影响那么大，但对天气尺度系统的影响则应考虑其经向变化。

3.3.2 φ'c指数异常特征

北半球冬季极涡中心位置纬度的变化影响着欧亚大陆冬季气候的变化，特别是对中国冬季气温影响很大，所以弄清楚冬季极涡中心位置纬度的变化规律对分析我国冬季气候变化有深远意义。由图7可知，北半球冬季极涡φ'c指数从500 hPa到10 hPa的5点平滑变化趋势基本相同，大致分三个阶段:第一阶段，60年代中期以前250～70 hPa极涡φ'c较小，中心位置异常偏北，而500～300 hPa在这一阶段没有明显南北异常规律，50年代后期以前50～10 hPa极涡φ'c较大，中心位置异常偏北，持续时间较短;第二个阶段，60年代中期至80年代中后期500～200 hPa极涡φ'c指数较小，除了在70年代初有几年异常偏北外，极涡中心位置都异常偏南，150～10 hPa极涡中心位置从60年代中期到70年代初期有短暂的异常偏南，之后到80年代中期极涡φ'c指数相对较小，中心位置异常没有明显的年代际变化规律;500～100 hPa在1990年前后(约6 a)中心位置φ'c指数较大，中心位置持续异常偏北，70～10 hPa不明显;第三个阶段，500～100 hPa从90年代中期到现在，φ'c指数较大，极涡中心位置异常偏南，在70～10 hPa极涡偏南的时间比500～100 hPa提前大约5 a，从90年代初开始中心位置就异常偏南，且φ'c指数很大，为62 a以来最大偏离时期，极大值出现在2003年前后。近10 a来，500～10 hPa极涡中心位置明显异常偏南，但偏移有减弱趋势。

图6 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa极涡中心位置异常λ'c的演变(黑实线为5点FFT平滑;单位:°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)

由图8可见，从北半球62 a冬季500～10 hPa极涡中心位置整体来看，其历年中心位置基本上都是在东半球80°N以北的北冰洋—欧洲大陆区域，500～150 hPa极涡中心位置变化很小，主要集中在82°N以北的北冰洋区域，而从100 hPa开始，中心位置的变率开始变大、离散，极涡的活动范围变大，到高层(30～10 hPa)出现了在80°N以南区域活动的情况，而且越往高层极涡中心活动越不稳定，在高层异常偏南大约出现在近10 a。由图8还可知，极涡中心位置变化还有1个特点，即从500 hPa到10 hPa在形态上呈逆时针、半径越向上越大的旋转变化，这种极涡结构变化的成因还有待进一步研究。

4 讨论

北半球极涡作为高纬度绕极环流系统，对北半球天气气候变化有着重要影响。经过比较分析发现，冬季极涡底部与北半球同期气温关系密切，选取1月400 hPa极涡为代表层，分别讨论其面积S、强度P、中心所在经度λc和纬度φc与同期气温的关系。由图9a可见，极涡面积S在高纬地区(60°N以北)与气温呈负相关，通过了0.05信度的显著性检验;而在低纬地区(30°N以南)则与气温呈正相关。图9b表明，极涡强度P在高纬地区与气温相关性不好，但在低纬地区(30°N以南)呈显著负相关关系。由此可见，极涡面积S和强度P与气温的相关性不同，为两个相互独立的指数。极涡中心所在经度λc对气温的影响是分区域的，北欧以北、北太平洋和美国—格陵兰岛地区呈正相关关系(图9c)，即1月400 hPa极涡中心位置异常偏东(偏西)时，上述地区气温偏高(偏低)。而1月400 hPa极涡中心所在纬度φc与同期气温相关性不好(图9d)。因此，极涡底部(400 hPa)的面积S、强度P、中心经度λc指数与北半球气温存在着一定的相关性，其对气候预测的具体影响有待进一步研究。

图7 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa极涡中心位置异常φ'c的演变(黑实线为5点FFT平滑;单位:°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 结论

本文讨论了北半球冬季500～10 hPa极涡面积指数S、强度指数P和中心位置指数(λc，φc)的气候态和异常态的时空特征，得到以下结论:

1)从北半球冬季各层极涡面积、强度的气候态变化看，最大极涡面积在不同层的月份不同，在低层为2月，到高层为12月;在垂直高度上，冬季季、月的变化规律一致，都是先变小后变大再变小。极涡强度在500～100 hPa，12月最强;70～20 hPa，1月最强，而12月又明显强于2月;到10 hPa，12月最强。在不同月份，极涡强度的垂直变化规律不同。

图8 1948/1949—2009/2010年北半球冬季500～10 hPa极涡中心位置分布(○为历年中心位置，●为气候中心位置)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)北半球冬季极涡面积指数S和强度指数P是两个相互独立的环流指数，不能像其他系统那样二者可以相互代替。从极涡异常态看，低层和高层极涡面积的相关性不好，不同层年代际变化不同;低层和高层极涡强度的相关性比极涡面积要好，在30～10 hPa上其年代际变化明显不同于其他层，所以对极涡研究应考虑其垂直高度上面积和强度的不同变化特征。

图9 1949—2010年1月400 hPa北半球极涡面积S(a)、强度P(b)、中心所在经度λc(c)和纬度φc(d)与同期气温的相关系数分布(阴影区|r|≥r0.05，临界值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)极涡中心位置异常有明显规律，而且不同层的变化规律相同。极涡经度指数变化较大，纬度指数变化小，纬度指数年代际变化显著，近10 a极涡位置异常偏南。对极涡中心位置整体分析后发现，500～10 hPa垂直高度上呈逆时针、半径越向上越大的旋转变化。

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