基于遥相关的NAO位相转换影响机理研究分析❋

梅笑冬， 孙即霖， 孙雅文

(1.中国海洋大学海洋与大气学院 物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国科学院遥感与数字地球研究所 国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100101)

基于遥相关的NAO位相转换影响机理研究分析❋

梅笑冬1,2， 孙即霖1❋❋， 孙雅文1

(1.中国海洋大学海洋与大气学院 物理海洋教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国科学院遥感与数字地球研究所 国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100101)

利用NCEP-NCAR再分析位势高度、风矢量、海表面热通量数据，HadSST1再分析海温资料、CPC逐月北大西洋涛动(NAO)指数等, 通过滞后回归分析了北大西洋海温异常对NAO的影响。结果显示，夏秋季北大西洋马蹄型海温通过海洋-大气相互作用导致冬季大气呈现NAO型气压场特征；与此同时，秋季大气场表现出反位相的NAO型环流形势突变，ECHAM4大气环流模型数值试验和观测资料统计分析均发现：热带大西洋海温异常(对流异常)可激发向中高纬度传播的遥相关波列，且具有秋季锁相的特征。马蹄型海温对大气的局地强迫联合热带大西洋异常海温的遥相关作用使得秋季NAO完成一次正负位相转换。

遥相关；北大西洋涛动；位相转换；马蹄型海温

北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation，以下简称NAO)是北大西洋上空冰岛低压与亚速尔高压之间存在的气压反向变化关系[1]。作为北半球冬季最显著的大气活动，NAO在全球气候系统中占有重要位置，其变率不仅直接影响北大西洋及附近地区的气候[2-3]，甚至可以影响整个半球的气温、降水[4]。Hurrell等人分析了NAO对北半球冬季气温变化的贡献，发现NAO能解释北半球热带外地区冬季平均气温方差的34%[5]。对于NAO的短期变化，如天气尺度、年际变化，研究普遍认为是大气内部固有的基流—波动相互作用的结果[6-8]。对于NAO年代际变化，一般认为与外强迫有关，比如海温异常[9-10]、温室气体、气溶胶[11]等因子。NAO低频变化是中期天气和短期气候预测的关键[12-13]，因此其年代际尺度变率及机制分析一直是国际气候学领域研究热点，同时也是研究难题，解决这个问题对了解全球气候系统的变化规律及异常，预防极端气候事件带来巨大灾害等方面有现实意义。

海洋是很多NAO变率机制研究的重点。一些研究认为NAO年代际变率的可能与北大西洋地区的海气相互作用有关[14]，Deser和Blackmon发现，年代际尺度上大气变率与海表温度有较好的一致性[15]。海气耦合模式的模拟结果显示当温盐环流加强时，北大西洋海表面温度(Sea Surface Temperature，简称SST)升高，增强的感热及水汽通量使大气环流发生相应变化[16]。另一方面也有研究通过模式模拟超长尺度1400年控制积分发现虽然温盐环流有明显的年代际变化，但NAO并未表现出相应的显著变化[17]。此外另有一些研究认为不仅北大西洋海温对NAO有显著影响，热带大西洋海温也可能有重要作用[18]。总之目前对海洋热状况如何影响NAO年代际变率仍存在很大争议，对机制的探讨更急需深入研究。

综上考虑，为探求海洋对大气的强迫效应，首先分析局地海气相互作用，北大西洋SST变化能够通过热量交换影响上空大气；同时来自热带的大气遥相关作用也不可忽视，热带海洋以高温高湿著称，大气对流活动旺盛，Hoskins等提出著名的大圆理论[19]为热带海洋作用于中高纬度大气提供理论支持。本文选取北大西洋马蹄型海温场(North Atlantic Horseshoe Pattern of SST，以下简称NAH)作为北大西洋海域关键区[20]，通过观测数据分析夏秋NAH对冬季NAO型大气场的影响过程，并从中明确出源自热带海洋强迫的大气响应，通过数值模型模拟验证这种响应，确立热带关键海区，分析响应形成的物理机制，解决NAH与热带海洋二者如何导致NAO位相转换问题，为NAO位相转换研究提供新的切入点。

1 资料与方法

1.1 资料

数据来源包括NCEP-NCAR再分析格点逐月月平均资料，参考变量包括位势高度、海平面气压、海表风应力、热通量等，水平分辨率2.5(°)×2.5(°)；海表面温度资料来源于Hadley Centre提供的HadSST1数据，分辨率为1(°)×1(°)；美国气候预报中心(Climate Prediction Center)提供的NAO逐月指数。时间序列选取1948至2009年8月至次年2月。NCEP-NCAR再分析数据与Hadley Centre海温数据都属于时间序列长、可靠性强的资料，是对来源于地面、船舶、无线电探空、探空气球、飞机、卫星等观测资料进行同化处理后的全球气象、海洋资料数据库，广泛应用于气候诊断分析等方面研究中[21]。为重点探求较长时间尺度上的海气变化特征，并避免温室气体对NAO位相转换的影响，所用数据去除了季节循环及全球变暖趋势[22]。

1.2 研究方法

结合统计分析方法与全球大气环流数值模型分析、模拟了北大西洋海温异常对后期大气环流的影响。

为探求海洋与大气相互作用中的主被动关系，一般基于超前滞后相关分析的数理统计方法，NAO作为一种大尺度大气活动，当海洋超前大气多于1个月时相关结果即为海洋对大气的驱动作用[20]。因此将夏季NAH与大气各要素场做超前滞后相关，大气滞后1个月以上的结果可看作NAH对后期大气场的强迫。文章还应用了经验正交函数分解(EOF)、合成分析等统计方法，并对相关系数、一元线性回归、合成差异显著性进行t检验。

德国马普气象研究所(Max Planck Institute for Meteorology)第四代全球大气环流模式European Centre Hamburg Model version 4(简称ECHAM4)是在欧洲中尺度天气预报中心的天气预报模型基础上进行一系列修正发展而来，包含了一套完整的各种物理过程参数化的程序包。其海洋模块为一层气候态SST分布场，满足研究海洋单向强迫大气的需求。模型水平分辨率约2.8(°)×2.8(°)，垂直方向采用19层混合δ-p坐标，顶层至10hPa。模型详细介绍参考文献[23]，该模式能很好的模拟低纬地区环流场、尤其垂直风切变气候特征[24]。

本文首先从夏末秋初NAH切入，此时海洋热含量达到极值，海温异常显著，通过NAH与冬季NAO活动的相关分析，探求局地海气相互作用涉及到的物理过程，从中确认出来自热带海洋的强迫作用，提出合理假设，设计数值试验，协同观测数据确定一种遥相关波列，进而探讨其形成机制、传播条件，为NAO位相转换建立预报指标。

2 NAH的强迫效应

NAH最早由Czaja等分析冬季500hPa位势高度异常场与前后几个月北大西洋海温相关性时定义[20，25]，即夏半年纽芬兰岛东南海区SST异常偏暖(冷)中心、大西洋东部SST异常偏冷(暖)并分别在副热带和较高纬度存在两个冷(暖)中心的一种特定海温分布型(见图1)。Watanabe和Kimoto[10]、Drevillon等[26]分别从观测资料、模型试验探讨了NAH与NAO滞后相关中涉及的物理过程。这些研究中它一直作为与NAO耦合结果中的海温场，但在SST场EOF分解时发现NAH也是相对独立的海温分布模态，与冬季NAO也有显著的超前相关关系。与中纬度其他海温模态相比，NAH具有较强的强度与持续性，其中晚春-夏季强度达到最强，冬季最弱。在年代际至更长时间尺度上变化明显，表现为30 a周期的循环[20]，1970年代NAH变化趋势反转，结合NAO指数在1980年代出现位相反转，推测NAH变化对NAO位相转换具有指示意义。

((a)1948—2009年9月北大西洋海温EOF分解主模态空间向量，等值线间隔0.05℃，虚线为负值；(b)主模态时间系数。(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.)

图1 9月NAH空间分布及时间序列

Fig.1 NAH distribution and temporal change in September

为揭示秋季NAH与北大西洋大气活动之间的相互作用，将8—12月逐月海温、海平面气压、风场、500hPa

((a1) 8月大气变量与9月NAH指数的回归系数分布，填色图为SST(°C)，箭头为1000hPa风场(m·s-1)，等值线为500hPa位势高度，间隔5gpm；(a2)为8月海表面热通量(W·m-2) 回归结果；其余图与(a)一致，仅时间不同，(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.)

图2 9月NAH指数与大气变量超前滞后回归结果

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

位势高度与NAH指数，即9月北大西洋海温EOF主模态的时间系数进行超前/滞后回归分析。图2给出各物理量与NAH指数在5个不同的超前/滞后月数上的回归系数分布：-1，0，1，2，3个月，其中回归系数的大小表示SST主分量变化一个标准偏差时，各物理量发生的相应变化。回归结果分为大气驱动海洋(大气超前NAH 1个月 lag=-1，二者同期lag=0)、海洋驱动大气(大气滞后NAH 1～3个月，lag=1/2/3)两个阶段。lag=-1到lag=0(见图2(a)、(b))海平面气压距平显示超前大气分布型略强于二者同位相时，在大气环流异常达到最强之后1个月NAH也达到其鼎盛状态，即大气起超前驱动作用。海表面热通量场(见图2(a)2)验证了此结论，通过调整湍流与辐射通量，纽芬兰岛东南冷水失热冷却，其东北和东南暖水继续增暖，原有海温型得到加强。lag=0时SST冷暖中心振幅达到极值和明确的空间分布表明NAH建立，即NAH是对前期大气强迫的反馈。另外也有研究如Cassou等[27]认为，NAH的根本来源是热带海洋，中纬度大气体现了大气桥作用。

NAH形成之后，随着大气滞后海洋时间推移，海洋开始起主导作用，回归结果(见图2(b))表现为海表热通量距平的变号。暖水区热通量由lag=-1负距平变为正距平，暖水向大气释放热量，失热冷却，冷水区则增温，SST冷暖中心强度被削弱，NAH空间型逐渐瓦解。大气环流异常最终表现为NAO负位相模态(见图2(d)、(e))，冰岛以南为高压异常，亚索尔地区低压异常位置偏东，与以往研究一致[20，25]。随着NAH强度逐渐减弱，大气对海洋冷暖异常的动力响应虽然显著，但也随时间推移而减弱。然而，lag=1时大气响应分布型发生突变，冰岛上空闭合高压消失、主体东移到欧洲大陆，冰岛以南异常高压被低压取代，纽芬兰岛以东异常低压也转变为偏南侧的异常高压，高低压南北配置反相(见图2(c))。根据Li和Wang NAO指数定义[28]，北大西洋上空环流形势发生了由NAO负指数向正指数模态的突变，表明除了局地海气耦合作用，仍需考虑来自NAH之外的海温的影响。

针对9—10月NAO指数发生正负转换的年份进行合成分析(见图3)，以确定lag=1时导致大气环流形势突变的海温强迫来源。图3(b)表明当秋季环流形势由负NAO型转为正NAO型时，显著的海洋增暖分布在格陵兰岛以南、北太平洋中东部和热带西大西洋。将图2c 10月位势高度回归结果扩大到整个北半球(见图3(c))，发现异常高低压中心从副热带北大西洋向东北到达斯堪迪纳维亚半岛，折返至低纬贝加尔湖以西，呈大圆路径排列，垂向上保持正压结构(图略)，空间结构特征符合Hoskins遥相关作用的大圆路径理论[19]。因此推断热带西大西洋增暖，同时向外长波辐射表明该海区上空局地对流加强(见图3(d))，即海洋非绝热加热导致上空大气深厚对流，可能激发向中高纬度传播的大气波动，从而改变北大西洋大气环流形势。下文以热带西大西洋即加勒比海为研究对象，设计数值试验进行验证。

((a) 1000hPa位势高度差值场，1948—2009年9—10月NAO指数正转负年份与负转正年份的合成场之差；(b)同(a)，为海温场差值；(c) 10月500hPa位势高度场对9月NAH指数的回归系数分布；(d)10月向外长波辐射对9月NAH指数的回归系数分布。(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.)

图3 10月NAO发生负正位相转换时位势高度、海温、向外长波辐射场特征

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

3 遥相关数值试验及物理机制分析

3.1 数值试验

分析了秋初NAH与北大西洋上空大气异常活动的相关性，10月相关结果发生突变，大气环流异常与NAH局地作用相矛盾，因此推断有其它海温异常起主导作用，提出一种合理假设，即热带加勒比海异常增暖，通过局地异常强对流激发Rossby波向东北中高纬传播，改变北大西洋大气环流形势。

为验证加勒比海异常增暖能否激发Rossby波列影响中高纬度大气环流，解决热带大西洋海温异常与位势高度场上副热带西大西洋-欧洲以东-乌拉尔山异常波列之间的因果关系，设计两组数值试验：

(1) 控制试验(CTL)，以气候态海温作为强迫场驱动大气环流模式；

(2) 热带大西洋偏暖情况下的敏感性试验(WARM)，根据上文诊断结果选取关键区，即热带加勒比海，以正异常海温作为强迫场驱动模式。由于激发大气行星尺度波的基本能量来源为地形或大气非绝热加热强迫[29-30]，因此未列出加勒比海异常偏冷试验。

两组试验都将已连续运行30年的模式结果作为初始大气场，以消除积分开始时刻模式spinup过程造成的偏差，保证初始大气的稳定性。试验从每年的1月1日开始积分到12月30日，共运行10年，得到10个CTL样本和WARM试验样本。其中为消除WARM试验中局部升温引起的海温不连续变化，将海温异常区外的SST设置为每纬度(经度)0.1°C的减弱率，使目的海区的正海温距平逐渐过渡到区域外的气候态海温，表1为海温异常区域范围。

表1 敏感试验中海温异常区域与强度

图4给出了CTL试验中秋冬季500hPa位势高度场与NCEP-NCAR再分析资料的对比。总的来说，ECHAM4模型较好的模拟出秋冬季北半球位势高度场的气候态特征，较好再现了秋冬季极涡、北美大槽和欧洲大陆脊，与观测资料(见图4(b))相比，模型对极涡的模拟稍微偏弱，但这些大尺度大气活动的形态和随季节的变化都与实际比较吻合。风场、海平面气压和气温等变量的气候态模拟结果较好，图略。

利用敏感性试验与控制试验的结果，进一步分析加勒比海温异常对北大西洋大气环流形势的可能作用。图5给出了WARM试验与CTL试验500hPa位势高度场的差值，北大西洋至欧洲上空出现高低压中心交替分布的波列，与10月 500hPa位势高度回归场中的大圆路径(见图3(c))有较好的一致性，验证了本文第3节关于遥相关波列能否由热带大西洋海温异常激发的假设。

图5中波列位于北大西洋的两个正负中心与NAO活动中心位置重叠，呈现北低南高，即NAO正位相模态，气压异常在中低层大气最强。而与NAH耦合的冬季气压场上表现为北高南低(NAO负位相，见图2(b))，说明在秋季NAH对后期大气的强迫作用过程中，热带加勒比海激发的遥相关型在北大西洋起到削弱甚至抑制这种局地海气耦合过程的作用，NAO位相出现反相变化。但冬季观测数据分析显示大气滞后2～3个月回归场中该遥相关型缺失，数值试验结果中冬季遥相关波列也不存在，大气异常模态恢复为NAO负位相，一方面证实该遥相关型并非NAH局地海气耦合作用，另一方面表明遥相关波列有季节锁相特征，推断波列传播需要一定的大气环流条件。

((秋季a1)、 (冬季a2)ECHAM4 CTL试验500 hPa位势高度场；(秋季b1)、(冬季b2)NECP-NCAR再分析资料500hPa位势高度场。(Autumn a1)、(winter a2) averaged 500hPa HGT of ECHAM4 CTL experiment results; (Autumn b1)、 (winter b2) averaged 500hPa HGT of NCEP-NCAR reanalysis dataset.)

图4 ECHAM4模拟结果与NCEP-NCAR再分析资料对比

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

图5 10月850hPa位势高度场在敏感试验与控制试验中的差异

3.2 遥相关物理机制分析

观测资料和数值试验结果都显示加勒比海异常增暖能够激发向中高纬度传播的遥相关波列，且有显著的秋季锁相特征，进一步分析波列形成、传播的大气动力学条件，确定其物理机制。

(1)

(2)

观测资料和ECHAM4数值试验结果均发现：热带大西洋海温异常导致局地强对流异常，可激发向中高纬度传播的遥相关波列。该波列向高纬度的传播具有秋季锁相的特征，冬季受环流条件限制而消失。NAH与后期NAO存在显著相关，NAH对大气的局地强迫联合热带大西洋异常海温的遥相关作用使得秋季NAO完成一次负-正位相转换。

((a) 270°E～300°E纬向平均风，实线为10月700hPa纬向风，虚线为纬向风垂直切变；(b)25°N纬向平均风垂直廓线，虚线为10月，实线为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.)

图6 加勒比海以北纬向风分布特征

Fig.6U-wind distribution characteristic north of Caribbean

4 总结与讨论

通过秋季NAH与后期北大西洋大气的滞后回归分析，讨论了NAH对冬季NAO活动的影响，在此基础上发现源于热带大西洋的遥相关波列，ECHAM4数值试验和机制分析讨论了遥相关波列形成的物理机制，分析其对NAO位相转换的影响，得到主要结论：

(1)北大西洋马蹄型海温NAH是秋季北大西洋SST场的主导变率模态，在经向上表现为三核型，自南向北以“+ - +”的带状距平分布。NAH能够强迫冬季大气表现为NAO负位相型。这个过程是局地海气耦合的作用，海洋对大气的强迫主要通过引起局地海气界面通量变化完成；

(2)热带大西洋海温异常对中高纬度大气环流产生影响。观测资料分析及数值试验发现，加勒比海温异常增暖，能够引起局地大气对流加强，当大气环流满足纬向西风和西风垂直切变两个条件时，大气非绝热加热激发Rossby波并向东北方向传播，形成以大圆路径依次排列的高低压中心，在北大西洋上空呈现出NAO正位相。这种遥相关波列与太平洋中的PNA波列和PJ波列不同，具有秋季锁相特征，冬季受大气环流条件限制而消失。

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

秋季NAH导致北大西洋大气环流形势呈现NAO负位相，而热带大西洋增暖激发的遥相关波列使秋季大气环流表现为NAO正位相，因此研究NAO位相转换应同时考虑热带与中纬度北大西洋热状况，由于整个过程包括了中纬度海温异常的局地作用和热带海温异常的遥相关作用，二者是否占主导地位既与海温异常强度有关，也可能与背景大气环流形势有关，需要进一步研究分析。

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责任编辑 庞 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

国家自然科学基金项目(41276012)；国家自然科学重点基金项目(41430963)资助 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 作者简介：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， 孙即霖， 孙雅文. 基于遥相关的NAO位相转换影响机理研究分析[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 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.

❋❋ 通讯作者：E-mail:Sunjilin@ouc.edu.cn