北半球冬季高空西风急流环路“闭合-断开”的年际振荡及其影响机制❋

侯乔琨，黄 菲，2，3❋❋，陈 峥，2

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室和海洋高等研究院，山东 青岛 266100；3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237)

北半球大气对流层上部和平流层下部具有较大水平和垂直风切变的窄而强的气流称为高空西风急流，这个环绕整个北半球一周并表现出经向弯曲的西风带，是中纬度大气环流的重要组成部分[1]，在中纬度天气气候变化中起着至关重要的作用。高空西风急流在冬季最强，急流中心最大风速达到60 m/s以上。从冬季高空西风急流的影响来看，它不仅能与其他天气系统相互联系，引起大气环流变化[2-4]，同时也对降水和极端天气的发生等有着重要影响。

以往的研究多单独关注副热带急流或极锋急流。从两支急流的变化来看，急流的强度和移动变化因热成风关系与南北温差联系紧密。因此从外部强迫角度来说，热带和极区热力条件变化会改变对流层经向温度梯度，对两支急流的变化造成影响[5]。

低纬度影响主要来自太平洋和大西洋的海温异常[6-8]。20世纪90年代末以来，太平洋年代际振荡(PDO)负位相和大西洋年代际振荡正位相的结合，会增强欧亚大陆两支急流之间的经向温度梯度，从而增强西风带，导致欧亚大陆极锋急流和副热带急流的南移和北移[9]。也有研究指出，由厄尔尼诺海温激发的太平洋-北美遥相关(PNA)波列和高空纬向风之间存在联系，PNA指数增大可以解释不同区域急流核速度的增减[10]。高纬度影响包括气温、海冰和积雪等，它们的变化会导致包括高空西风急流在内的中纬度大气环流变化[11-13]。同时有研究表明，大西洋西风急流与北大西洋涛动(NAO)变化密切联系，Gerber和Vallis[14]曾指出，NAO负位相时大西洋上空的副热带急流和极锋急流会出现合并，北大西洋风暴路径和相关的极锋急流是造成NAO的原因，表明了大西洋西风急流与NAO之间的关系。除了外部强迫的作用外，大气内部变化，如天气尺度瞬变涡活动，也会造成高空西风急流变化。许多前人的研究表明，纬向平均西风异常和涡流之间存在正反馈[15-17]。

近年来，研究不再只关注单独一支急流，而关注到副热带急流和极锋急流的协同变化。对于太平洋、大西洋的高空急流，有许多研究表明，副热带急流与极锋急流的重合叠加事件会导致极端天气发生[18-19]。Winters和Martin[19]曾分析了2009年大西洋中部暴风雪和2010年纳什维尔洪水两次动力过程中的副热带急流与极锋急流的重合叠加。在亚洲，许多学者也研究了副热带急流与极锋急流的协同移动，并探究了与之联系的热力条件以及由此引起的天气形势[20-21]。Zhang等[21]研究了东亚地区副热带急流和极锋急流的协同经向移动以及热力条件影响，发现了两支急流呈反位相移动，并认为其与欧亚大陆皮温偶极子型异常以及拉尼娜型海温异常有关。

这些协同变化研究表明，从北半球西风带的角度来研究冬季高空西风急流轴是有物理意义的。在研究东亚两支急流协同变化时，前人用计算急流核的方法来定义两个高空西风急流[22]，但由此得到的极锋急流强度很弱。所以在本文中，我们参考Strong和Davis[23]提出的计算急流轴出现频率的方法，忽略计算中的急流垂直变化和天气尺度变化，从中纬度西风带急流轴出发，直接统计冬季200 hPa纬向风最大值在热带外各点的出现频率，根据频率空间分布来确定急流轴的主要活动区域，探究北半球冬季高空西风急流轴的年际变化特征，以及下垫面异常加热对急流轴年际变化的影响机制。

1 数据与方法

1.1 数据

本文采用的大气数据是NCEP2的逐月和逐日再分析资料，要素包括纬向风、经向风、海平面气压、皮温和位势高度，时间为1979—2018年，垂直方向从1 000～10 hPa，共17层。皮温的水平分辨率为192×94的高斯格点，其余要素水平分辨率为2.5(°)×2.5(°)。在计算与天气尺度瞬变涡旋活动相关的最大涡旋增长率、涡旋动能、E-P通量时使用日平均数据，其余要素使用月平均数据。

采用的海冰数据是哈德来中心的海冰密集度资料，时间为1979—2018年，水平分辨率为1(°)×1(°)。

文中采用前一年12月到次年2月(DJF)代表北半球冬季。

1.2 方法

本文利用40年(1979—2018年)200 hPa纬向风月平均资料，记录各月北半球每条经线上200 hPa纬向风最大风速所在的纬度，作为该经度高空急流轴位置。考虑热带东风带以及洋中槽等的影响，当纬度记录小于10°N时，就将它去除。之后通过计算各格点上出现位置记录的频率，得到北半球冬季高空西风急流轴频率的空间分布，并采用5%和95%分位数所包围的纬度范围，来定义高空西风急流轴的活动范围。

考虑波流相关作用对急流的影响，本文通过计算最大涡旋增长率来分析大气斜压性，并结合E-P通量、涡旋动能来分析天气尺度瞬变涡旋活动。

最大涡旋增长率(EGR)的表达式为[24]：

(1)

式中：f表示科里奥利参数；N表示Brunt-Väisälä频率；U表示水平风速；z表示垂直高度。

E-P通量(E)的表达式为：

(2)

式中：u和v分别表示纬向和经向风速；上横线表示冬季平均；撇号表示通过带通滤波得到的2.5～8 d的扰动[25]。E辐散表示涡旋对西风有加强倾向，E辐合则相反[26]。

涡旋动能(EKE)的表达式为：

(3)

式中：u、v上横线和撇号的含义与表达式(2)中的相同。

本文利用经验正交函数分解(EOF)方法研究高空西风急流轴的时空变化特征。相关分析、一元线性回归分析、偏回归分析等方法也被用于研究与急流轴相联系的要素变化。

2 冬季高空西风急流轴的环路特征

2.1 冬季高空西风急流环路的气候特征

冬季高空西风急流轴的频率分布如图1所示。从图中可以发现，北半球高空急流轴的频发区呈一绕极的环路分布，东半球一侧急流轴位置较为集中，平均在30°N左右，南北摆动范围小；而西半球的东太平洋北美西岸地区急流轴的南北摆动范围较宽，北大西洋地区出现南北两支急流轴高频区，北支与西侧的东太平洋-北美地区高空西风急流相连，南支与欧亚大陆上空的西风急流相连(见图1(a))。这种高空急流轴的频率分布构成了北半球高空西风急流轴的环路特征(见图1(b))，北大西洋上空的南北两支频发区类似于环路的开关，当北支急流南移且南支急流北抬时，环路的开关“闭合”，反之，开关“断开”。因此，我们将图1(a)中出现急流轴最大频率的西风急流(紫线)定义为高空西风急流环路(High Jet Circuit，HJC)，把代表5%和95%分位数所在纬度(两条黑线)之间的区域定义为高空西风急流环路活动区。

北半球HJC的平均纬度在32.5°N(见图1(c))，5%和95%分位数所在纬度分别位于20°N和45°N附近。可以发现，200 hPa纬向风大于20 m/s的等值线范围与通过计算频率分布得到的5%和95%分位数纬度位置所包围的范围基本一致，代表高空急流核心区的32 m/s等值线与急流轴最大频率空间分布区域较为一致，与北大西洋上空南北两支急流轴的开关“断开”特征相一致，表明我们计算得到的急流轴频率空间分布能够很好地表示高空西风急流轴的环路特征。

(图1(a)中绿线表示气候态200 hPa纬向风。黑线表示5%和95%分位数所在的纬度位置。紫色线表示出现急流轴频率最高的位置。打点表示通过显著性水平为5%的统计检验。The green lines indicate the climatological-mean zonal wind at 200 hPa.The black lines indicate the latitude of 5% and 95% quantiles.The purple line indicates the location of the maximum frequency of the high jet axis.Black dots represent passing the statistical test with significance level of 5% in Fig.1(a).)

为了便于分析HJC开关左右两侧急流的变化特征，我们将HJC开关左侧的100°W—40°W区域和开关右侧的40°W—20°E区域的急流定义为HJC大西洋上空开关的左支和右支。同时根据40年的急流轴位置记录，得到HJC极端“闭合”和“断开”记录是在2009和1988年，在这两个年份，大西洋上空开关的左右两支有十分明显的“闭合”和“断开”特征(见图2(a)和2(b))。开关左右两支的平均位置分别以100°W—40°W和40°W—20°E的纬向平均表示，它们在“闭合”时仅相差5个纬度，而在“断开”时相差可达15个纬度(见图2(c)和2(d))。这种变化进一步证实了急流轴的环路特征以及大西洋开关在HJC中的重要性，因此下文将研究HJC的时空变化特征，特别是大西洋上的开关左右两支急流的变化特征。

图2 HJC极端“闭合”记录(a)和“断开”记录(b)的200 hPa纬向风空间分布(填色；单位：m·s-1)，HJC极端“闭合”记录(c)和“断开”记录(d)的100°W—40°W(红线；单位：m/s)和42.5°W—20°E(绿线；单位：m/s)平均200 hPa纬向风随纬度的变化

2.2 冬季高空西风急流环路的年际变化特征

为了得到高空西风急流环路活动区内HJC的时空变化特征，我们对活动区内的冬季200 hPa纬向风进行EOF分解，得到第一模态方差贡献率(35.8%)远大于第二模态，且是个独立模态，所以本文主要讨论第一模态的时空变化特征。

图3(a)和3(b)分别是第一模态时间序列(PC1)及功率谱分析。从图中可以发现，PC1没有明显的年代际周期变化。以3年左右的年际振荡周期变化为主(见图3(b))，将活动区内冬季200 hPa纬向风平均得到西风指数(见图3(a)中的紫色线)，它与PC1呈显著正相关，相关系数达到0.82，通过了显著性水平为5%的统计检验，表明PC1主要反映出活动区内的高空西风急流的年际变化特征。

与EOF第一模态时间序列对应的空间分布表示HJC显著的经向位移特征(见图3(c))。为了更好地体现出与HJC空间变化特征相联系的热带及中高纬地区200 hPa纬向风的变化，我们在图3(c)中给出了PC1 对200 hPa纬向风异常的回归场。高空急流环路活动区内纬向风的回归结果和第一模态空间特征向量场的空间相关系数为0.999，这种高相关性体现了高空急流环路活动区内HJC的空间变化并不是局地的变化，而是与热带和中高纬地区大范围的急流变化相联系。

从回归结果来看(见图3(d))，欧亚大陆急流环路活动区内没有显著的纬向风异常变化，说明HJC在这里变化不大，但在活动区外的南北两侧均存在纬向风异常。PC1正位相时，活动区南边有一个西风异常中心，北边有一个东风异常中心，这使HJC的欧亚大陆部分略向南移动，而PC1负位相时略向北移动，与前人得出的近些年由快速变暖导致的高空西风急流向北移动的结果相一致[27-28]。西半球急流环路活动区内有明显的纬向风异常分布，PC1正位相时，太平洋和大西洋上空活动区内呈现出从赤道向北极地区负-正-负的南北向三极子型异常分布，HJC在太平洋上空加强。大西洋上空是HJC的关键开关区，开关左支南侧有西风异常，北侧有东风异常，开关右支位于东风异常中，其北侧为异常西风，这样的异常分布有利于左支西风急流异常向南加强，右支急流强度略有减弱向北移动，从而使HJC开关趋于闭合状态。因此，PC1正负位相转换对应着HJC状态的转换，反映了HJC“闭合-断开”的年际振荡特征。在这个年际振荡中，HJC欧亚大陆部分变化较小，对该振荡转换的影响不大，因此后文主要关注HJC开关附近的急流变化特征。

(图3(a)黑线表示标准化的PC1，红色和蓝色柱表示经过5点二次平滑的PC1，紫线表示西风指数，绿线表示0.9倍标准差。图3(b)中绿线表示90%的红噪声检验。图3(d)绿色、黑色和紫色线为特征参数。打点表示通过显著性水平为5%的统计检验。The black line is normalized, the red and blue bars are processed by five-point quadratic smoothing; The purple line represents the westerly index; The green linesindicates 0.9 times standard deviation in Fig.3(a).The green line is the 90% check line of the red noise in Fig.3(b).The green, black and purple lines are characteristic parameters.Black dots represent passing the statistical test with significance level of 5% in Fig.3(d).)

从前文的分析发现，HJC大西洋部分是关键开关区，在HJC“闭合-断开”年际振荡中起着重要作用。为了分析HJC开关南北两支急流的位移变化，我们得到开关左右两支急流区纬向平均的经度-高度垂直剖面(见图4)。图4中紫色圆点表示HJC开关左右支的平均位置，与水平空间分布结果一致。左支急流位置偏北，大约在38°N附近。其南侧有西风异常，北边有东风异常，整层大气从低空到高空具有上下一致的正压结构特征，有利于左支向南移动。右支急流位置明显偏南，位于23°N附近对流层中高层大气的异常东风气流中，因此右支急流处于异常反气旋式环流的中心偏南侧，使右支急流的西风减弱。综合考虑两支急流的变化，向南移动的左支和减弱的右支会使开关趋于闭合，整个HJC趋于振荡闭合位相。

(紫色点分别表示HJC开关左右支的平均位置。打点表示通过显著性水平为5%的统计检验。The purple dots indicate average position of the left branch and right branch, respectively.Black dots represent passing the statistical test with significance level of 5%.)

3 影响冬季高空西风急流环路“闭合-断开”年际振荡的可能机制

3.1 影响冬季高空西风急流环路年际变化的主要热力条件

下垫面异常加热可以通过影响天气尺度瞬变涡活动来影响HJC的变化。图5是PC1与皮温(SKT)异常的回归结果。SKT在海洋上代表海表面温度(SST)，在陆地上代表地表温度。因此，回归结果可以同时反映陆地和海洋下垫面温度随PC1的变化。从空间分布来看，太平洋和印度洋存在显著厄尔尼诺型海温异常，高纬欧亚大陆、北大西洋中部以及北美大陆南部有显著负异常，北美大陆北部和中部以及格陵兰岛有显著正异常。因此，热带和高纬下垫面异常加热对HJC年际振荡的影响是我们关注的重点。

PC1和冬季Nino3指数之间的相关系数达0.743(见表1)，通过了显著性水平为1%的统计检验。因此，我们用冬季Nino3指数为代表来分析冬季热带东太平洋海温对HJC的影响。对于高纬度SKT异常，主要反映出高纬东西向跷跷板式SKT异常分布(见图5中两个红色方框区域)，由此我们用这两个区域定义了一个标准化的SKT变化指数(SKTI)，来代表高纬度东西向偶极型异常下垫面非绝热加热的贡献，公式为：

(红色框表示计算SKTI的区域。绿色，黑色和紫色线为特征参数。打点表示通过显著性水平为5%的统计检验。The red boxes indicate the region for calculating the SKTI.The green, black and purple lines are characteristic parameters.Black dots represent passing the statistical test with significance level of 5%.)

SKTI=SKT[80°W-30°W,60°N-75°N]-

SKT[30°E-90°E,55°N-75°N]。

(5)

式中括号表示区域平均。对SKTI进行标准化，正SKTI表示欧亚大陆北部偏冷而格陵兰岛异常偏暖。

表1给出了PC1与Nino3指数和SKTI指数之间的相关系数，可以发现，PC1与Nino3指数和SKTI均显著相关，且与Nino3指数的相关性更高，表明热带海温对HJC的贡献可能更大些。另外Nino3指数与SKTI的相关系数只有-0.044，两者不相关，表明影响HJC的热带海温和高纬度异常强迫是两个相对独立的影响因子，因此后文我们将分别利用Nino3指数和SKTI指数，研究热带海温异常和高纬SKT异常对HJC的影响，从这两个热力条件出发探讨影响HJC “闭合-断开”年际振荡的可能机制。

表1 PC1、Nino3指数、SKTI之间的相关系数

3.2 热带厄尔尼诺对高空西风急流环路年际变化的影响

为了探究热带对HJC年际振荡的影响，我们首先分析了与Nino3指数相关的HJC变化(见图6)。从水平空间分布看，急流环路活动区内欧亚大陆区域变化不大，太平洋上空从南到北呈现出负-正-负正负相间的南北向波列型异常分布，HJC在此加强。对于大西洋上空的开关关键区，虽然从图6(b)垂直剖面图来看，开关左支的南北两侧没有明显纬向风异常，但从水平分布来看，开关左支的南侧有显著西风异常，北侧有东风异常，同时右支从水平分布以及垂直剖面图都能看出急流轴位于显著的异常东风中，急流减弱。两支附近的纬向风异常有利于HJC开关趋于闭合，与PC1的回归结果一致。

热带厄尔尼诺型海温对HJC的影响主要是通过激发大气PNA型遥相关波列(见图7(a))，产生太平洋上空从南向北正负相间的纬向风异常波列分布，从而加强了太平洋上空的HJC。由于西风急流的加速和减速与天气尺度瞬变扰动的变化相联系[29]，上游太平洋上空的HJC加强通过波流相互作用，引起太平洋上空急流环路活动区的涡旋动能(EKE)的异常加强，并沿着急流波导向下游的北美-大西洋区域传播(见图7(b))。根据波流相互作用理论，E-P通量散度表示平均流与天气尺度瞬变涡之间的关系[30]，E-P通量辐散(辐合)使西风加速(减速)，大西洋上空HJC开关左支区域的E-P通量散度分布(见图7(c))表明，HJC开关的左支急流主要位于E-P通量散度北负南正的中间过渡区域，其南侧为最大E-P通量辐散中心，西风急流将异常加强，使HJC的开关左支向南移动，有利于HJC的“闭合”。HJC开关的右支(见图7(d))位于较弱的E-P通量异常辐合区，西风减速，注意到代表大气斜压性[31-32]的最大涡旋增长率(EGR)在该区域低层有负异常，表明基本流向瞬变扰动传递能量；而在HJC的左支急流区(见图7(c))，对应着西风加速区对流层中低层为正的EGR异常，代表大气斜压性增强，从而使西风加强区EKE异常加强，这也就解释了大西洋上空EKE均为异常正值(见图7(b))的原因。

((a)中黑色等值线是气候态位势高度场。绿色、黑色和紫色为特征参数。(c)和(d)中紫色点分别表示HJC开关左右支的平均位置。打点表示通过显著性水平为5%的统计检验。The black isolines are the climatological-mean geopotential height in(a).The green, black and purple lines are characteristic parameters.The purple dots in(c)and(d)indicate average position of the left branch and right branch, respectively.Black dots represent passing the statistical test with significance level of 5%.)

3.3 高纬度下垫面东西偶极型异常加热的贡献

前文发现HJC的年际振荡模态与同期高纬度格陵兰-北欧东西向跷跷板式的下垫面异常加热(见图5)有关。SKTI与200 hPa纬向风异常的回归场(见图8)表明，该异常加热与中纬度HJC的闭合状态显著相关，200 hPa纬向风异常显示出沿急流环路活动区绕地球一圈的异常西风，其南北两侧则为异常东风(见图8(a))，与图3(d)中PC1回归的结果相一致，为从赤道向北极的负-正-负南北波列型分布。特别是在北大西洋上空的关键开关区域，开关的左支(见图8(b))和右支(见图8(c))均呈现出与图4(a，b)非常一致的结构特征，这种异常分布有利于HJC开关的左支向南加强，右支向北加强，从而使HJC趋于闭合。对比图6还可以发现，热带厄尔尼诺海温的异常强迫主要是加强了太平洋上空HJC的西风强度，而高纬度格陵兰-北欧东西偶极型的下垫面异常加热则主要对HJC开关趋于闭合起主要作用。

((a)中的绿色、黑色和紫色为特征参数，(b)和(c)中的紫色点分别表示HJC开关左右支的平均位置。打点表示通过显著性水平为5%的统计检验。The green, black and purple lines are characteristic parameters in(a).The purple dots in(b)and(c)indicate average position of the left branch and right branch, respectively.Black dots represent passing the statistical test with significance level of 5%.)

高纬度皮温的东西偶极子型分布与什么样的大气异常环流相关进而影响HJC的变化？我们将SKTI与海平面气压场(SLP)进行了回归分析(见图9)，结果表明，60°N 以北都是显著的SLP正异常，巴伦支海和喀拉海附近是正异常中心，中纬度有显著的SLP负异常，北大西洋是负异常中心。这样的空间分布与北极涛动(Arctic Oscillation; AO)或北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation; NAO)负位相的空间分布相一致，SKTI分别与AO指数和NAO指数的相关分析结果也证实了这一点。AO指数与SKTI的相关系数为-0.73，NAO指数与SKTI的相关系数为-0.79，均通过显著性水平为1%的统计检验，且SKTI与-NAO的关系更紧密些。从NAO负位相的空间分布看(见图9)，由于北极地区SLP的正异常中心偏向巴伦支海一带，异常反气旋环流使得其西侧的格棱兰岛-加拿大群岛一带产生异常的偏南风，将南方的暖空气向北输送，造成该区域的SKT暖异常；同时巴伦支海东侧的北欧沿岸受北极异常反气旋右侧的北风影响，从极区带来冷空气向南输送，造成北欧一带SKT的冷异常，从而形成了高纬度地区东西反位相的异常加热分布。这种SKT的异常分布与NAO负位相的环流异常是紧密联系的，NAO负位相时中纬度为气旋式环流异常，其北侧的异常东风和南侧的异常西风使北大西洋上空的西风急流南移，HJC开关的左支急流南移，进而使HJC趋于闭合。

(绿色、黑色和紫色为特征参数，打点表示通过显著性水平为5%的统计检验。The green, black and purple lines are characteristic parameters.Black dots represent passing the statistical test with significance level of 5%.)

4 结论与讨论

本文计算北半球高空西风急流轴的频率分布，定义了高空西风和高空西风急流环路活动区，对活动区内200 hPa纬向风进行EOF分解，得到HJC“闭合-断开”的年际振荡特征。PC1正(负)位相时，大西洋开关部分左支向南(北)移动，右支略减弱(增强)，使HJC趋于闭合(断开)位相，同时HJC东半球部分略向南(北)移动，太平洋部分加强(减弱)。

影响HJC“闭合-断开”年际振荡的两个下垫面异常加热是厄尔尼诺型海温和高纬度格陵兰-北欧东西偶极子型SKT分布。它们分别的影响机制如图10所示。

图10 热带海温异常和高纬度皮温异常对HJC“闭合-断开”振荡影响机制示意图

厄尔尼诺(拉尼娜)海温异常通过PNA遥相关，使HJC太平洋部分加强(减弱)，同时也对HJC大西洋部分有一定的影响，使HJC开关趋于闭合(断开)。同时EKE、E散度以及EGR异常分布也表示海温异常会通过影响天气尺度瞬态波活动通过波流相互作用影响HJC，使年际振荡趋于闭合(断开)位相。

高纬格陵兰岛和欧亚大陆北部的正-负(负-正)异常加热分布与北大西洋涛动联系紧密，NAO负(正)位相时北极地区的异常反气旋(气旋)环流使得巴伦支海西侧的格棱兰岛产生异常偏南(北)风，东侧的北欧沿岸产生异常偏北(南)风，通过冷暖平流输送，造成格棱兰岛的SKT暖(冷)异常，北欧沿岸的SKT冷(暖)异常。而NAO负(正)位相对应的中纬度异常气旋(反气旋)环流通过影响西风急流南压(北抬)，使HJC大西洋上空的“开关”趋于闭合(断开)。

我们目前的研究中没有得出高纬SKT异常与北极变化之间的影响机制。近年来，许多学者讨论了北极快速变化对急流和中纬度气候的影响[33-34]，但都没有给出一个关于北极变化影响中纬度高空西风急流的完整的物理机制。所以将来我们可以进一步探索北极和中纬度高空西风急流之间的联系，以及它们相互作用的物理机制。