北太平洋冬半年位势高度季节内振荡及其诊断分析

辛欣 曾胜兰 姚素香

摘要 利用NCEP/DOE再分析资料，分析了1979—2012年北太平洋对流层冬半年位势高度的季节内振荡特征。结果表明：北太平洋上空的位势高度表现为显著的10～40 d季节内振荡特征，50～80°N纬度带内振荡最强，主要由东向西传播；位势高度季节内振荡的演变过程伴随太平洋高压脊以及东亚大槽的显著变化；在垂直方向上具有准正压的结构，位势高度季节内振荡的时间演变与地转涡度平流和散度项的季节内振荡有关，其向西移动也是受地转涡度平流和散度项的引导。

关键词 北太平洋 位势高度 大气季节内振荡 涡度平流

自Madden and Julian（1971，1972）发现在热带大气中存在显著的40～50 d的振荡周期后，关于大气季节内振荡（IntraSeasonal Oscillation，ISO）的研究首先在热带展开，认为热带大气ISO具有纬向1波的行星尺度水平结构，垂直结构上为对流层上下反位相的斜压特征，冬季ISO主要以东传为主，夏季ISO也表现出经向的北传。此外，还提出众多机制解释其形成原因，如热源强迫、积云对流反馈、蒸发一风反馈机制、大气非线性相互作用机制以及海气相互作用机制（Flatau et al.，1997；贾小龙和李崇银，2007；Lin et al.，2011；Wang et al.，2012；金小霞等，2016）等。

后来的研究发现，大气季节内振荡不是热带独有的现象，在副热带甚至中高纬地区也存在显著的大气低频振荡，而中高纬地区的大气季节内振荡与热带大气ISO相比，在三维结构、传播特征、典型周期等方面都与热带大气有显著的区别（Krishnamurti and Gadgil，1985；韩荣青等，2006，2010；杨双艳等，2014；杨严和徐海明，2015；陈丹萍等，2016）。韩荣青等（2006，2010）认为北太平洋副热带区域季节内振荡存在季节变化，冬强夏弱，西传的能量强于东传的能量；杨双艳等（2014）研究了欧亚大陆上空大气季节内振荡的传播特征，发现其典型周期为10～30 d，传播方向为典型的东南传。杨严和徐海明（2015）最近发现春季青藏高原500 hPa纬向风也存在显著的10～30 d振荡特征，其传播方向也为东南传，且对下游的南方春季降水产生影响。在中高纬大气ISO形成机制上，有研究指出，大气非线性相互作用在中高纬度地区更为显著，除了外源强迫，中高纬度大气季节内振荡的激发机制可能与波—波，波—流相互作用的关系更为密切（Wallace and Blackmon，1983）。

综上关于热带外大气季节内振荡研究现状可知，热带外大气季节内振荡表现出复杂性，而目前关于冬季太平洋中高纬度地区大气季节内振荡的研究相对较少，其是否和亚欧大陆中高纬度大气ISO具有同样的空间结构和传播特征，抑或与副热带北太平洋的特征类似，还没有明确的结论。因此本文对冬半年北太平洋位势高度季节内振荡的空间结构和传播特征进行分析，并初步诊断位势高度季节内振荡的原因。

1资料和方法

本文所用資料为NCEP/DOE逐日再分析资料，时间长度是1979—2012年，空间分辨率为2.5°×2.5°。选取每年11月1日至次年4月30日设为冬半年，共计5 982 d。

采用Butterworth滤波方法、EOF分解方法、超前一滞后相关分析以及合成方法等。为去除季节变化，文中首先计算逐日位势高度异常（某日位势高度与多年来该日平均位势高度之差），在此基础上进行滤波、合成、EOF分解等。

2结果分析

由于本文主要分析位势高度的季节内振荡特征，首先使用Butterworth滤波方法对北半球的冬半年位势高度异常进行10～90 d的滤波。对于滤波后的数据计算均方差作为其季节内变化强度。由图1可见，从对流层低层到高层，其季节内变化强度逐渐增强，中心位置主要位于东北太平洋至北美阿拉斯加附近。

取季节内变化强度最强的250 hPa东北太平洋一阿拉斯加（图1a中方框），将该区域平均的逐日位势高度异常（未滤波，5 982 d）进行功率谱分析，结果如图2所示。可见该区域的振荡周期主要为40 d以下的周期，在20 d左右和30 d左右都具有显著的峰值，且通过95%的红噪音检验。因此在下一步的分析中，主要对北半球冬半年位势高度的10～40 d振荡展开研究。

2.1北太平洋冬半年位势高度季节内振荡特征

对1979—2012年冬半年对流层上层250 hPa逐日位势高度异常场进行10～40 d滤波，继而进行EOF分解，结果如图3所示。EOF第一模态的方差贡献为27%，第二模态的方差贡献为16%。EOF第一模态的大值中心主要位于北太平洋高纬度地区—北冰洋，第二模态的中心主要表现为北美西部和鄂霍次克海以北地区的反位相振荡关系。

将EOF分解第一模态的时间系数进行标准化，以大于等于1.5作为正ISO事件，小于等于-1.5作为负ISO事件，波峰时刻作为正ISO事件的0时刻，波谷时刻作为负ISO事件的0时刻。1979—2012年冬半年，正事件频次为101次，负事件频次为95次。正事件合成与负事件合成的差值如图4所示（文中其余合成结果也为正、负事件之差）。可见，EOFl波峰时刻的前9 d，北太平洋高纬地区为负异常，其南部以及东部为正异常，即接近EOF1的负位相分布；而前6 d，正异常从北美向太平洋从东向西移动；前3 d，正的位势高度异常西移的过程中不断增强；而在0时刻，显著的正异常位于北太平洋高纬地区—北冰洋；而在随后的3～6 d，正异常中心不断向西移动并减弱。值得注意的是，在波峰出现的前6 d，位势高度异常的分布与EOF分解第二模态的负位相一致，波峰出现的后6 d，位势高度异常的分布与EOF分解第二模态的正位相一致。

图5为EOF分解第一和第二模态时间系数的超前一滞后相关结果。第一模态超前5 d与第二模态正相关，第一模态滞后5 d与第二模态负相关。这也与图4关于其传播特征分析的结果一致。

进一步分析位势高度季节内振荡事件中所伴随的天气尺度位势高度和位势高度原场的演变情况（图6）。将位势高度分为40 d以上的低频尺度，10～40 d的季节内振荡尺度，以及10 d以下的高频天气尺度，如（1）式所示：

选取EOF第一模态大值区（北太平洋区域）作为关键区（170°E～160°W，60～75°N，下同），分析其涡度变化的季节内演变情况（图7）。在EOF第一模态波峰时刻前10 d，位势高度的季节内振荡分量以增加为主，对应的，涡度变化表现为负，波峰到波峰后10 d，位势高度季节内振荡分量以减小为主，同样涡度变化表现为正。

利用方程（2）进一步计算涡度平流、涡度倾侧项以及散度项对涡度变化的贡献。图8a—8e为季节内振荡尺度涡度变化的结果，从图中可以看出，对于季节内振荡尺度的涡度变化来说，地转涡度平流项的贡献最大，且从对流层低层到高层表现为一致的分布。从量级上看，散度项与地转涡度平流接近，然而散度项则表现为明显的斜压结构，对流层下层与对流层上层相反，在对流层上层对于涡度变化的贡献为正。相对涡度平流在10～40 d尺度则为正值，表明其对总的涡度变化的贡献为负。该关键区涡度的变化主要取决于前期地转涡度平流以及散度项的贡献。

前面的分析中已经发现北太平洋北部的对流层上层位势高度季节内振荡主要向西传播，因此这里进一步解释其向西传播的可能原因。图9给出在关键区位势高度为波峰时刻，250 hPa高度涡度变化及关键项的合成分析。从图9a中可以看出，在波峰时刻，关键区以东的涡度变化趋势为正；以西地区相反，为负的涡度变化；关键区的位势高度已达到极值，因此涡度变化为零。由于位势高度变化正比于负的涡度变化，因此可知，关键区以西为正变高区域，而以东为负变高区域。在波峰时刻，关键区为高压脊控制，高压更易于向变高升度的方向运动，因此引导波动向西传播。分析相对涡度平流、绝对涡度平流以及散度项发现，10～40 d滤波的涡度变化主要为地转涡度平流和散度项的贡献，从而抵消了相对涡度平流引起的负变高，整体表现为负的涡度变化，即正变高。

3结论和讨论

本文利用NCEP/DOE再分析资料，分析了1979—2012年冬半年北太平洋对流层位势高度的季节内振荡特征，并诊断了涡度变化的原因。结果表明：

1）冬半年，北太平洋上空存在显著的季节内振荡特征，位势高度表现为明显的10～40 d周期变化，振荡在对流层上层最为显著；

2）太平洋上空位势高度季节内振荡表现为明显的西传特征，伴随对流层中上层北太平洋高压脊、东亚大槽的变化。此外，天气尺度的位势高度变化对高压脊的建立和向极伸展以及东亚大槽的向南加深也有贡献；

3）通过涡度方程的诊断可知，位势高度的季节内振荡存在上下較为一致的特征，最大的涡度变化出现在对流层中上层；涡度季节内振荡和向西移动决定于地转涡度平流和散度项的季节内变化。

值得注意的是，关于北太平洋冬半年位势高度季节内振荡主要表现为西传特征，这与副热带太平洋的结果较为一致（韩荣青等，2010），区别于亚欧大陆的东南传播（杨双艳等，2014；杨严和徐海明，2015），因此太平洋冬半年ISO的传播机理还需进一步探讨。