冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的變化特征及其與我國極端低溫事件的關(guān)系

王超　孫照渤　王娜1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，南京2100442南京信息工程大學(xué)科學(xué)學(xué)院，南京210044山東省氣候中心，濟南250000

冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的變化特征及其與我國極端低溫事件的關(guān)系

王超1, 2孫照渤1, 2王娜3
1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，南京210044
2南京信息工程大學(xué)科學(xué)學(xué)院，南京210044
3山東省氣候中心，濟南250000

王超，孫照渤，王娜. 2016. 冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的變化特征及其與我國極端低溫事件的關(guān)系 [J]. 大氣科學(xué), 40 (2): 401?410.Wang Chao, Sun Zhaobo, Wang Na. 2016. Variation in the vertical structure of the winter North Pacific storm track and its relationship with extreme low temperature activity in China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 401?410, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14345.

采用NCEP/NCAR和ERA-40再分析資料，對比分析了冬季垂直尺度上北太平洋風(fēng)暴軸的時空演變特征，揭示了北太平風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)具有顯著年際變化特征。冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出全區(qū)一致、上下反相兩種分布型，細分為全區(qū)一致增強型、全區(qū)一致減弱型、上層增強下層減弱型和上層減弱下層增強型。研究表明：冬季北太平洋風(fēng)暴軸的垂直結(jié)構(gòu)與我國極端低溫事件的關(guān)系密切，風(fēng)暴軸呈全區(qū)一致增強（全區(qū)一致減弱）型垂直結(jié)構(gòu)時，我國整體區(qū)域極端低溫頻次偏少（多）；風(fēng)暴軸呈上層增強下層減弱（上層減弱下層增強）型垂直結(jié)構(gòu)時，我國東北地區(qū)極端低溫頻次偏多（少），其余地區(qū)偏少（多）。

Founded bythe China Meteorological Administration Special Public Welfare Research Fund (GYHY201306028), the National Natural Science Foundation of China (Grants 41575070, 41075070)

1　引言

風(fēng)暴軸是天氣尺度（2.5～6 d）瞬變渦動最強烈的地區(qū)，與大氣環(huán)流的維持以及天氣現(xiàn)象和氣候變化的活動規(guī)律有緊密聯(lián)系，研究風(fēng)暴軸具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

二十世紀70年代，Blackmon（1976）首次采用濾波資料發(fā)現(xiàn)了風(fēng)暴軸，隨后許多學(xué)者（Lau，1979；朱偉軍和孫照渤，1999；Nakamura et al.，2002）從不同角度給出了風(fēng)暴軸的定義。此后，風(fēng)暴軸的研究引起了廣泛關(guān)注，針對其結(jié)構(gòu)特征、維持機制和時空變率的研究愈來愈細致（Chang and Orlanski，1993；Wettstein and Wallace，2010；朱偉軍和李瑩，2010）。研究表明，不同高度層風(fēng)暴軸的強度和變化特征存在區(qū)別，而且不同區(qū)域的天氣尺度（2.5～6 d）的大氣擾動的風(fēng)速、溫度和位勢高度的方差的垂直分布也有不同的垂直結(jié)構(gòu)（Lau，1978；韓博等，2008）。Hoskins et al.（1983）給出了風(fēng)暴軸內(nèi)部高通濾波渦旋矢量的三維分布示意圖，主要特征為低層大氣斜壓性發(fā)展，在風(fēng)暴軸的入口處的低層大氣中有渦旋運動產(chǎn)生。傅剛等（2009）研究了北太平洋風(fēng)暴軸的三維空間結(jié)構(gòu)，根據(jù)各層位勢高度方差的水平分布特征，繪制出了北太平洋風(fēng)暴軸的三維結(jié)構(gòu)示意圖。此外，風(fēng)暴軸作為冬季大氣環(huán)流系統(tǒng)的一個重要組成部分，與急流異常、季風(fēng)活動、阻塞形勢等大氣系統(tǒng)之間都有密切聯(lián)系（胡增臻和黃榮輝，1997；Rogers，1997；陸日宇，2001；溫之平等，2006；任雪娟等，2007），其垂直結(jié)構(gòu)的異常也很可能與其他系統(tǒng)相配合，對我國冬季的氣溫甚至極端低溫事件產(chǎn)生影響。

至今為止，對北太平洋風(fēng)暴軸的研究一般都是基于某一空間層的風(fēng)暴軸，采用某一高度層的位勢高度場、經(jīng)向風(fēng)場、向極熱量輸送、渦動西風(fēng)動量等物理量來表征風(fēng)暴軸（Blackmon et al，1977；Trenberth，1986；Chang and Fu，2002）?，F(xiàn)在由于資料的完善和方法的改進，本文將針對北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的變化特征及其與我國冬季極端低溫的可能聯(lián)系進行初步探討。

2　資料與方法

本文研究的原始資料取自NCEP/NCAR的一日四次位勢高度場再分析資料，垂直方向有17層，水平分辨率為2.5°×2.5°，資料長度為1948～2011年（共64年）全年的資料。另取1957年9月1日至2001年12月31日（共45年）的ERA-40一日四次的位勢高度場資料，垂直方向有23層，分辨率亦為2.5°×2.5°，用以對比NCEP/NCAR資料結(jié)果。

其次，采用王娜和孫照渤（2014）的定義方法，即選取各層位勢高度場天氣尺度（2.5～6 d）濾波方差來定義風(fēng)暴軸。資料處理時，首先將一日四次位勢高度場平均為一日一次，再借助孫照渤（1992）提出的31點帶通對稱數(shù)字濾波器對其進行濾波處理，濾出2.5～6 d的天氣尺度瞬變渦動部分，最后對濾波結(jié)果進行方差運算。冬季的求平均時段為前一年12月和當年1、2月，平年為90 d，閏年為91 d。對每個格點的濾波結(jié)果作方差運算，表達式為

其中，Zit為各個格點每日濾波結(jié)果；Zi為每個格點各年3個月濾波結(jié)果的平均值，這樣就得到1949～2011共63年的各層的天氣尺度濾波方差，即風(fēng)暴軸資料。此外，對63年的每個格點的方差值，即風(fēng)暴軸進行均方差運算：

其中，Zit0為各個格點每年冬季的濾波方差結(jié)果；為每個格點63年濾波方差的平均值，b為63。這樣就得到1949～2011共63年的各層風(fēng)暴軸的均方差。

極端低溫的資料取自中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)提供的中國地面氣溫日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集（V2.0），資料時間段為1961年1月1日至2012 年12月31日。該數(shù)據(jù)集基于基礎(chǔ)資料專項最新整編的中國2472個國家級地面氣象站基本氣象要素資料，利用薄盤樣條法（Thin Plate Spline，簡稱TPS）結(jié)合三維地理空間信息進行空間插值得到的。

3　冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的時空演變

3.1冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)特征

傅剛等（2009）用1月份來代表冬季，研究了1999～2005年（共7年）北太平洋風(fēng)暴軸的三維結(jié)構(gòu)。本文選擇12～2月的平均來代表冬季，分析了1949～2011年冬季北太平洋地區(qū)的緯向平均位勢高度場天氣尺度（2.5～6 d）濾波方差。進一步細致地分析北太平洋風(fēng)暴軸的垂直結(jié)構(gòu)的時空演變特征。根據(jù)300 hPa氣候平均的北太平洋風(fēng)暴軸的氣候態(tài)位置（圖略），從63年平均的風(fēng)暴軸及其均方差的緯度—高度剖面圖中可以看出（圖1），不同高度上北太平洋風(fēng)暴軸的強度存在顯著差異。冬季北太平洋風(fēng)暴軸在600 hPa以下位勢高度濾波方差隨高度的變化相對較?。?00 hPa以上高空，位勢高度濾波方差隨高度的增加幅度明顯增強，在300～250 hPa附近達到最大，最大值中心強度為51.7 dagpm2，位置位于42.5°N，300 hPa附近。圖中粗實線是風(fēng)暴軸值大于50 dagpm2的區(qū)域，即位于40°～45°N之間。

圖1　1949～2011年氣候平均態(tài)的冬季北太平洋160°E～160°W緯向平均風(fēng)暴軸（等值線；單位：dagpm2）及風(fēng)暴軸的均方差（虛線和陰影；單位：dagpm2）的緯度—高度剖面Fig. 1 Latitude–altitude cross section of the storm track (isolines; units: dagpm2), averaged along 160°E–160°W, and its covariance (dashed lines and shaded areas; units: dagpm2), over the North Pacific Ocean in winter during 63 years (1949–2011)

圖2為氣候平均態(tài)的冬季北半球40°～45°N經(jīng)向平均風(fēng)暴軸及其均方差的經(jīng)度—高度剖面。不僅可以看出在不同高度層上北半球風(fēng)暴軸的強度存在顯著差異，而且在250～300 hPa附近出現(xiàn)極大值中心并且表現(xiàn)出“多中心現(xiàn)象”，這與傅剛等（2009）的研究結(jié)論保持一致。此外，氣候平均垂直尺度上存在三個極大值中心，其中有52.7 dagpm2和39.1 dagpm2兩個極大值中心位于太平洋地區(qū)，分別位于177.5°W和115°W，這與鄧興秀和孫照渤（1994）的研究結(jié)論相一致；第三個則位于55°W的大西洋地區(qū)，最大值為66.5 dagpm2。從圖2陰影部分的均方差垂直分布情況來看，北太平洋和北大西洋地區(qū)在300 hPa層次附近均存在一個極大值中心區(qū)域，代表一個顯著的年際異常區(qū)。這也為下文針對風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的年際異常特征的研究提供了依據(jù)。本文只研究北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的變化特征，下文風(fēng)暴軸均指冬季北太平洋風(fēng)暴軸。

圖2　1949～2011年氣候平均態(tài)的冬季北半球40°～45°N經(jīng)向平均風(fēng)暴軸（等值線；單位：dagpm2）及風(fēng)暴軸均方差（虛線和陰影：陰影越深代表均方差值越大；單位：dagpm2）的經(jīng)度—高度剖面Fig. 2　Longitude–altitude cross section of the storm track (isolines; units: dagpm2), averaged along 40°–45°N, and its covariance (dashed lines and shaded areas; units: dagpm2), over the Northern Hemisphere　in winter during 63 years (1949–2011)

從圖2中陰影部分的均方差分布可以看出300 hPa層上風(fēng)暴軸在東西方向的變化最強。接下來選取300 hPa層次為代表，分析風(fēng)暴軸經(jīng)度位置以及強度的變化。如圖3所示，300 hPa層上不僅風(fēng)暴軸強度存在差異，而且核心位置在東西方向也會發(fā)生偏移?？梢钥闯?，風(fēng)暴軸強度在80年代中期發(fā)生了由弱轉(zhuǎn)強的相變。從歷年大值區(qū)域的變化來看，風(fēng)暴軸的中心位置不是固定的，但基本集中在一個較為狹窄的區(qū)間，即風(fēng)暴軸存在一個窄而強的核心區(qū)域。風(fēng)暴軸最大值出現(xiàn)在以下經(jīng)度范圍：1949～1955年集中在170°W～160°W，1956～2005年位于170°E～180°，而后則分布在180°～170°W。此外，對比其他各層風(fēng)暴軸的經(jīng)度—時間剖面圖（圖略）可以看出，對流層各層風(fēng)暴軸的強度與位置存在顯著差別。此外，本文統(tǒng)計了1949～2011年風(fēng)暴軸最強中心所在高度層（圖略），發(fā)現(xiàn)63年中有46年最強中心位于300 hPa層次，其余17年最強中心則位于250 hPa。由此可見，北太平洋風(fēng)暴軸的最強中心始終在300 hPa和250 hPa之間振蕩，即風(fēng)暴軸的垂直結(jié)構(gòu)存在年際異常。

圖3　1949～2011年冬季北太平洋風(fēng)暴軸在300 hPa層沿40°～45°N經(jīng)向平均的經(jīng)度—時間剖面（陰影區(qū)表示風(fēng)暴軸強度≥45 dagpm2；單位：dagpm2）Fig. 3　Longitude–time cross sections of the North Pacific storm track (dagpm2) at 300 hPa, averaged along 40°–45°N in winter during 1949–2011. Shaded areas show the track intensities greater than 45 dagpm2

為了進一步弄清楚北太平洋風(fēng)暴軸在垂直方向上強度隨時間的變化情況，圖4給出了1949～2011年冬季北太平洋區(qū)域（40°～45°N，160°E～160°W）40°～45°N經(jīng)向平均風(fēng)暴軸和風(fēng)暴軸距平值沿177.5°W的時間—高度剖面。從圖4a中可以看出500 hPa～200 hPa風(fēng)暴軸開始逐漸增大而且變化幅度較大，方差值介于20～60 dagpm2之間。前文也指出，某些年份風(fēng)暴軸的最大值維持在300 hPa層次上，而某些年份向上延伸至250 hPa層次，其垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。不僅如此，從圖4b可以看出上層風(fēng)暴軸的距平值和下層距平值在有些年份里是同號的，有些年份是反號的。同號的年份上層與下層或者同為正距平，或者同為負距平；反號的年份或者上層為正下層為負，或者上層為負下層為正。但是，可以清楚的看出，上下同號的年份所占比例比上下反號要多，1980年代中期之前上下同為負距平的年份較多，而1980年代中期之后上下同為正距平的年份較多。然而，上下反相的年份則大多數(shù)出現(xiàn)在1980年代中期之前，所占比例較少且維持時間相對較短。由此可見，冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的變化特征十分明顯。

3.2冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)分型

為了能更清晰地體現(xiàn)對流層上層與下層風(fēng)暴軸的配置關(guān)系，本文采用鄧興秀和孫照渤（1994）利用風(fēng)暴軸中心強度來定義風(fēng)暴軸強度的方法，計算出對流層各高度層上冬季北太平洋風(fēng)暴軸的強度指數(shù)，記為INP，將1000 hPa～100 hPa高度層上的風(fēng)暴軸強度分別記為INP1000、INP925、INP850、INP700、INP600、INP500、INP400、INP300、INP250、INP200、INP150以及INP100。為了能更好地體現(xiàn)上層與下層的配置關(guān)系，首先將各層的強度指數(shù)進行標準化，記為INP*。用63年冬季12層（1000 hPa至100 hPa）INP*序列作EOF（Empirical Orthogonal Function）分析，來研究風(fēng)暴軸的主要垂直形態(tài)。EOF結(jié)果發(fā)現(xiàn)前兩個模態(tài)的累積方差貢獻率達到87%，表示它們能夠反映冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)異常的主要變化特征。

圖5a、c是EOF分析的第一空間型以及對應(yīng)的時間系數(shù)，EOF第一模態(tài)所占方差貢獻達到67.5%，對流層中低高層風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為全區(qū)一致型（簡稱“X”型）。相應(yīng)的時間系數(shù)PC1總體呈快速的上升趨勢，表現(xiàn)出明顯的年際變化特征、年代際變化特征。當時間系數(shù)為正時，各層的風(fēng)暴軸強度的標準化距平為一致的正值；反之，為一致的負值。本文把風(fēng)暴軸第一模態(tài)，即冬季北太平洋風(fēng)暴軸第一類垂直結(jié)構(gòu)（“X”型）的正負位相分別稱為一致增強型（簡稱“X＋”型）和一致減弱型（簡稱“X－”型）。EOF第一模態(tài)分析表明年代際時間尺度上，1949～1985年P(guān)C1對應(yīng)負值，風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)呈一致減弱型；1986～2011年P(guān)C1對應(yīng)為正值，垂直結(jié)構(gòu)呈一致增強型。圖5b、d為EOF分析的第二空間型以及其對應(yīng)的時間系數(shù)，EOF第二模態(tài)所占方差貢獻為19.5%。從圖5b中可以看出，第二模態(tài)表現(xiàn)為風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)呈上下反相的分布形態(tài)，即為上下反相型（簡稱“Y”型）。本文把風(fēng)暴軸第二模態(tài)，即第二類垂直結(jié)構(gòu)（“Y”型）的正負位相分別稱為上強下弱型（簡稱“Y＋”型）和上弱下強型（簡稱“Y－”型）。相應(yīng)的時間系數(shù)PC2也具有顯著的年際變化特征，但是年代際變化特征不顯著。

綜上所述，冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出全區(qū)一致、上下反相兩種分布型（“X”型和“Y”型），細分為一致增強型（“X＋”型）、一致減弱型（“X－”型）、上強下弱型（“Y＋”型）和上弱下強型（“Y－”型）。對照圖4b，63年中風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)出了這四類分布型的特點，此外本文采用李瑩等（2010）定義的表征風(fēng)暴軸強度的幾種指數(shù)進行驗證，得到的結(jié)果與上述一致，可見該分類方式是合理的。

圖4　1949～2011年北太平洋40°～45°N（a）經(jīng)向平均風(fēng)暴軸及其（b）距平值沿177.5°W的時間—高度剖面圖（單位：dagpm2；深、淺陰影分別表示正、負距平）Fig. 4　Time–altitude cross sections of (a) the North Pacific storm track (units: dagpm2) and (b) its anomalies (units: dagpm2) along 177.5°W, averaged over 40°–45°N in winter during 1949–2011. Dark (light) shaded areas denote positive (negative) departures

EOF分析得到的PC1、PC2的時間變化分別反映了兩類風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)的演變特征。由于下文研究風(fēng)暴軸與我國極端低溫的關(guān)系所用資料時間段為1962～2011年，所以本文選取1962～2011共50年的資料進行如圖5的EOF分析，也得到上下一致和上下反相兩種主要模態(tài)，結(jié)果十分相似。并且取同時段時間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)均達到0.99，所以本文選用50年資料的EOF第一、第二模態(tài)的時間系數(shù)作為表征“X”型垂直結(jié)構(gòu)的指數(shù)XI和表征“Y”型垂直結(jié)構(gòu)的指數(shù)YI。

此外，為了加強研究結(jié)果的可信度，本文采用1958～2001年（共44年）的ERA-40資料與NCEP/NCAR資料進行對比驗證，可以發(fā)現(xiàn)季對流層各層北太平洋風(fēng)暴軸的強度和核心區(qū)域經(jīng)度位置基本與NCEP/NCAR資料的結(jié)果相似，而且冬季北太平洋風(fēng)暴軸的垂直結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為全區(qū)一致（“X”型）和上下反相（“Y”型）的分布特點（圖略）。可見，兩種風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)型是比較穩(wěn)定的，不隨資料或時間段不同而發(fā)生大的變動。因此，本文采用NCEP/NCAR資料是可以接受的，下面繼續(xù)采用NCEP/NCAR資料展開詳細的討論。

圖5　1949～2011年冬季北太平洋風(fēng)暴軸強度標準化距平的EOF第一模態(tài)（左列）和第二模態(tài)（右列）的（a、b）空間分布型以及（c、d）標準化的時間序列（直方圖）及其九點二次平滑曲線（曲線）Fig. 5　(a, c) Leading and (b, d) second EOF (Empirical Orthogonal Function) modes of standardized winter North Pacific storm track intensity anomalies during 1949–2011: (a, b) Spatial patterns; (c, d) normalized time series (bars) and their 11-year running means (curve)

4　北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)與我國極端低溫的關(guān)系

4.1極端低溫的定義

參考有關(guān)極端低溫定義的方法（馬柱國等，2003；翟盤茂和潘曉華，2003；Alexander et al.，2006；龔志強等，2013），將1962～2011年（共50年）的每個格點冬季逐年日最低氣溫資料按升序排列，取第5個百分位的值定義為該格點的冬季極端低溫閾值，如果該格點冬季某日最低氣溫低于該閾值，則認為該日發(fā)生了極端低溫事件，把每年冬季發(fā)生極端低溫事件的次數(shù)稱為該年極端低溫頻次。根據(jù)上述定義方法，本文計算出1962～2011年共50年我國冬季極端低溫頻次，進行下文的研究。

4.2風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與我國極端低溫的關(guān)系

前人研究表明（Woollings et al.，2012；Knowland et al.，2013），風(fēng)暴軸可以通過與大尺度大氣活動中心相互作用（比如阻塞、半球尺度的遙相關(guān)型）來影響局地氣候。北太平洋風(fēng)暴軸作為冬季大氣環(huán)流系統(tǒng)的一個組成部分，風(fēng)暴軸的垂直結(jié)構(gòu)的異常可能會與其他系統(tǒng)相配合，對我國冬季氣溫和極端低溫事件產(chǎn)生重要的影響。

首先，本文給出了XI指數(shù)、YI指數(shù)（分別表征“X”型、“Y”型垂直結(jié)構(gòu)的指數(shù)）與1962～2011共50年極端低溫頻次的同期相關(guān)分布，如圖6。從圖6a中可以看出XI指數(shù)與極端低溫頻次存在顯著的負相關(guān)，從陰影分布區(qū)域可知，我國大陸上為顯著的一致負相關(guān)區(qū)。分析可得，當XI指數(shù)異常偏高時，我國冬季極端低溫頻次偏少；反之，當XI指數(shù)異常偏低時，極端低溫頻發(fā)。圖6b為YI指數(shù)與極端低溫頻次的同期相關(guān)分布，從陰影區(qū)分布可知，我國東北地區(qū)為顯著正相關(guān)區(qū)，南方以及西北地區(qū)為大片負相關(guān)區(qū)。分析可得，當YI指數(shù)異常偏高時，我國東北極端低溫頻次偏多，南方以及西北大部分地區(qū)頻次偏少。反之，當YI指數(shù)異常偏低時，我國東北地區(qū)頻次偏少，其它地區(qū)則偏多。

圖6　冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與1962～2011年我國極端低溫頻次的相關(guān)分布：（a）XI指數(shù)；（b）YI指數(shù)。陰影區(qū)域表示相關(guān)系數(shù)通過了95%信度檢驗Fig. 6　Contemporaneous correlations between the North Pacific storm track vertical structure indices and the frequency of extreme low temperature in China during 1962–2011: (a) XI index; (b)YI index. Shaded areas represent correlations above the 95% confidence level

為了深入探討冬季北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)異常與同期我國冬季氣溫和極端低溫事件之間的關(guān)系，本文針對XI、YI指數(shù)，選取超過正1.5、低于負1.5個標準差年份為高、低指數(shù)年。這樣，得到XI高低指數(shù)年分各5年，6個YI指數(shù)高值年，5 個YI指數(shù)低值年，如表1所示。然后，根據(jù)所選年份分別針對我國冬季氣溫以及極端低溫頻次進行合成分析。

表1　XI、YI指數(shù)的高低指數(shù)年份Table 1　The years of the high and low XI/YI indices

圖7與圖8分別為風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)異常時對應(yīng)同期我國冬季氣溫、極端低溫頻次的距平合成?？梢钥闯?，XI指數(shù)高值年，即風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)呈“X＋”型時，我國冬季氣溫為全區(qū)一致的正距平。對比圖7a與圖8a可以看出，它們的分布型十分相似，即我國極端低溫頻次全區(qū)一致為負距平，為全區(qū)一致偏少型；XI指數(shù)低值年，即風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)呈“X－”型時，我國大部分地區(qū)冬季氣溫為負距平。相應(yīng)地，我國大部分地區(qū)極端低溫頻次偏多，均為正距平（如圖7b、圖8b）。此外，風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)呈“X＋”（“X－”）型時對應(yīng)的我國極端低溫頻次距平合成場分布型與50年我國冬季極端低溫頻次距平場的EOF第一模態(tài)的負（正）位相型十分相似（圖略）。然而，即風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)呈“Y＋”型時，我國除東北地區(qū)冬季氣溫距平值為負之外，其余地區(qū)氣溫距平均為正值（圖7c）。從圖8c中可以看出，對應(yīng)我國東北地區(qū)極端低溫相對頻發(fā)，為正距平；除東北之外的其它地區(qū)極端低溫頻次相對偏少，為負距平；YI低值年，即呈“Y－”型時，從圖7d中可以看出我國東北部分地區(qū)冬季氣溫為正距平，其余地區(qū)則為負距平。對比圖7d與圖8d上可以發(fā)現(xiàn)，二者的分布型相似且正負相反，即當YI指數(shù)為低值年時，我國東北部分地區(qū)極端低溫頻次偏少，為負距平，其余地區(qū)則相對偏多。此外，風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)呈“Y＋”（“Y－”）型時對應(yīng)的我國極端低溫頻次距平合成場分布型與50年我國冬季極端低溫頻次距平場EOF第二模態(tài)的正（負）位相型十分相似（圖略）。

圖7　北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)異常時同期我國冬季氣溫距平場（單位：°C）合成分布：（a、b）XI、（c、d）YI指數(shù)的高指數(shù)年（左列）與低指數(shù)年（右列）Fig. 7　Composite distributions of the winter temperature anomalies in China during the years with high (left column) and low (right column) North Pacific storm track vertical structure indices: (a, b) XI index; (c, d) YI index

圖8　同圖7，但為極端低溫頻次距平場Fig. 8　Same as Fig. 7, but for the extreme low temperature frequency anomalies

綜上所述，當XI指數(shù)為高指數(shù)，即風(fēng)暴軸呈“X＋”型垂直結(jié)構(gòu)時，我國整體區(qū)域極端低溫發(fā)生頻次偏少；反之亦然。當YI指數(shù)為高指數(shù)，即風(fēng)暴軸呈“X＋”型垂直結(jié)構(gòu)時，我國東北地區(qū)極端低溫頻次偏多，其余地區(qū)偏少。當YI指數(shù)為低指數(shù)，即風(fēng)暴軸呈“Y－”型垂直結(jié)構(gòu)時，我國東北地區(qū)極端低溫頻次偏多，其余地區(qū)偏少。

5　小結(jié)

通過對冬季北太平洋風(fēng)暴軸的分析以及資料的對比，本文揭示了對流層不同層次上冬季北太平洋風(fēng)暴軸的變化特征存在區(qū)別，并對垂直結(jié)構(gòu)的時空演變特征進行了分析，在此基礎(chǔ)上對垂直結(jié)構(gòu)進行分型，定義了垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)；最后著重討論了風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)與我國極端低溫事件的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）冬季北太平洋風(fēng)暴軸存在不同的垂直結(jié)構(gòu)，具有顯著的年際變化特征。冬季風(fēng)暴軸主要呈現(xiàn)出全區(qū)一致、上下反相兩種分布型，將其細分為四類，即全區(qū)一致增強型、全區(qū)一致減弱型、上層增強下層減弱型和上層減弱下層增強型。并且兩種風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)型是比較穩(wěn)定的，不隨資料或時間段不同而發(fā)生大的變動。

（2）冬季北太平洋風(fēng)暴軸的垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與我國極端低溫的關(guān)系密切。當XI指數(shù)為高指數(shù)，即風(fēng)暴軸呈全區(qū)一致增強型垂直結(jié)構(gòu)時，我國整體區(qū)域極端低溫發(fā)生頻次偏少；反之亦然。當YI指數(shù)為高指數(shù)，即風(fēng)暴軸呈上層增強下層減弱型垂直結(jié)構(gòu)時，我國東北地區(qū)極端低溫頻次偏多，其余地區(qū)偏少。當YI指數(shù)為低指數(shù)，即風(fēng)暴軸呈上層減弱下層增強型垂直結(jié)構(gòu)時，我國東北地區(qū)極端低溫頻次偏多，其余地區(qū)偏少。

最后需要說明的是，本文的研究結(jié)果僅限于同期關(guān)系，然而關(guān)于冬季北太平洋風(fēng)暴軸不同垂直結(jié)構(gòu)的形成機制以及風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)是如何與東亞大氣環(huán)流相互作用進而影響極端低溫事件的發(fā)生等問題仍然需要更深入的研究。

（References）

Alexander L V, Zhang X, Peterson T C, et al. 2006. Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation [J]. J. Geophys. Res., 111 (D5), doi:10.1029/2005JD006290.

Blackmon M L. 1976. A climatological spectral study of the 500 mb geopotential height of the Northern Hemisphere [J]. J. Atmos. Sci., 33 (8): 1607–1623, doi:10.1175/1520-0469(1976)033<1607:ACSSOT>2.0.CO;2.

Blackmon M L, Wallace J M, Lau N -C, et al. 1977. An observational study of the Northern Hemisphere wintertime circulation [J]. J. Atmos. Sci., 34 (7): 1040–1053, doi:10.1175/1520-0469(1977)034<1040:AOSOTN>2.0. CO;2.

Chang E K M, Orlanski I. 1993. On the dynamics of a storm track [J]. J. Atmos. Sci., 50 (7): 999–1015, doi:10.1175/1520-0469(1993)050<0999: OTDOAS>2.0.CO;2.

Chang E K M, Fu Y F. 2002. Interdecadal variations in Northern Hemisphere winter storm track intensity [J]. J. Climate, 15 (6): 642–658, doi:10.1175/1520-0442(2002)015<0642:IVINHW>2.0.CO;2.

鄧興秀, 孫照渤. 1994. 北半球風(fēng)暴軸的時間演變特征 [J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報, 17 (2): 165–170.Deng Xingxiu, Sun Zhaobo. 1994. Characteristics of temporal evolution of Northern Hemisphere storm tracks [J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology (in Chinese), 17 (2): 165–170, doi:10.13878/ j.cnki.dqkxxb.1994.02.006.

傅剛, 畢瑋, 郭敬天. 2009. 北太平洋風(fēng)暴軸的三維空間結(jié)構(gòu) [J]. 氣象學(xué)報, 67 (2): 189–200.Fu Gang, Bi Wei, Guo Jingtian. 2009. Three-dimensional structure of storm track over the North Pacific [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 67 (2): 189–200, doi:10.3321/ j.issn:0577-6619.2009.02.002.

龔志強, 王曉娟, 任福民, 等. 2013. 亞歐中緯度關(guān)鍵區(qū)正位勢高度距平場配置與中國冬季區(qū)域性極端低溫事件的聯(lián)系 [J]. 大氣科學(xué), 37 (6): 1274–1286.Gong Zhiqiang, Wang Xiaojuan, Ren Fumin, et al. 2013. The Euro–Asia height positive anomalies character and its probable influence on regional extreme low-temperature events in winter in China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 37 (6): 1274–1286, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2013.12135.

韓博, 任雪娟, 楊修群. 2008. 北太平洋風(fēng)暴軸異常變化特征及其與緯向風(fēng)場的關(guān)系研究 [J]. 氣象科學(xué), 27 (3): 237–245.Han Bo, Ren Xuejuan,, Yang Xiuqun. 2008. Analysis of the North Pacific storm track anomaly and the relationship with zonal wind [J]. Scientia Meteorologica Sinica (in Chinese), 27 (3): 237–245, doi:10.3969/j.issn.1009-0827.2007. 03.001.

Hoskins B J, James I N, White G H. 1983. The shape, propagation and meanflow interaction of large-scale weather systems [J]. J. Atmos. Sci., 40 (7): 1595–1612, doi:10.1175/1520-0469(1983)040<1595:TSPAMF> 2.0.CO;2.

胡增臻, 黃榮輝. 1997. 冬季熱帶西太平洋對流活動異常的年際變化及其對北太平洋風(fēng)暴軸的影響 [J]. 大氣科學(xué), 21 (5): 513–522.Hu Zengzhen, Huang Ronghui. 1997. The interannual variation of the Convective activity in the tropical west pacific in winter and its effect on the storm track in the North Pacific [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 21 (5): 513–522, doi:10.3878/j.issn.1006-9895. 1997.05.01.

Knowland K E, Doherty R M, Hodges K. 2013. Mid-latitude storm track variability and its influence on atmospheric composition [C]//AGU Fall Meeting Abstracts. 1: 0169.

Lau N -C. 1978. On the three-dimensional structure of the observed transient eddy statistics of the Northern Hemisphere wintertime circulation [J]. J. Atmos. Sci., 35 (10): 1900–1923, doi:10.1175/1520-0469(1978)035<1900:OTTDSO>2.0.CO;2.

Lau N -C. 1979. The structure and energetics of transient disturbances in theNorthern Hemisphere wintertime circulation [J]. J. Atmos. Sci., 36 (6): 982–995.

李瑩, 朱偉軍, 魏建蘇. 2010. 冬季北太平洋風(fēng)暴軸指數(shù)的評估及其改進 [J]. 大氣科學(xué), 34 (5): 1001–1010.Li Ying, Zhu Weijun, Wei Jiansu. 2010. Reappraisal and improvement of winter storm track indices in the North Pacific [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 34 (5): 1001–1010, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2010.05.14.

陸日宇. 2001. 夏季東北亞阻塞形勢維持時的天氣尺度波 [J]. 大氣科學(xué), 25 (3): 289–302.Lu Riyu. 2001. Eddies during the blocking maintenance over the northeastern Asia in summer [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 25 (3): 289–302, doi:10.3878/j.issn. 1006-9895.2001.03.01.

Nakamura H, Izumi T, Sampe T. 2002. Interannual and decadal modulations recently observed in the Pacific storm track activity and East Asian winter monsoon [J]. J. Climate, 15 (14): 1855–1874, doi:10.1175/1520-0442 (2002)015<1855:IADMRO>2.0.CO;2.

馬柱國, 符淙斌, 任小波, 等. 2003. 中國北方年極端溫度的變化趨勢與區(qū)域增暖的聯(lián)系 [J]. 地理學(xué)報, 58 (z1): 11–20.Ma Zhuguo, Fu Congbin, Ren Xiaobao, et al. 2003. Trend of annual extreme temperature and its relationship to regional warming in northern China [J]. Acta Geographica Sinica (in Chinese), 58 (z1): 11–20, doi:10.3321/j.issn: 0375-5444.2003.z1.002.

任雪娟, 楊修群, 韓博, 等. 2007. 北太平洋風(fēng)暴軸的變異特征及其與中緯度海氣耦合關(guān)系分析 [J]. 地球物理學(xué)報, 50 (1): 92–100.Ren Xuejuan, Yang Xiuqun, Han Bo, et al. 2007. Storm track variations in the North Pacific in winter season and the coupled pattern with the mid-latitude atmosphere-ocean system [J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 50 (1): 92–200, doi:10.3321/j.issn:0001-5733.2007.01.012.

Rogers J C. 1997. North Atlantic storm track variability and its association to the North Atlantic Oscillation and climate variability of northern Europe [J]. J. Climate, 10 (7): 1635–1647, doi:10.1175/1520-0442(1997) 010<1635:NASTVA>2.0.CO;2.

孫照渤. 1992. 熱帶外地區(qū)大氣中40～60天振蕩的統(tǒng)計特征 [C]// 章基嘉.長期天氣預(yù)報論文集. 北京: 海洋出版社, 29–35.Sun Zhaobo. 1992. The Statistical features of the 40–60 days fluctuations [C]// Zhang Jijia. The Paper Reels of Long-term Weather Forecast (in Chinese). Beijing: China Ocean Press, 29–35. Trenberth K E. 1986. An assessment of the impact of transient eddies on the zonal flow during a blocking episode using localized Eliassen–Palm flux diagnostics [J]. Journal of the Atmospheric Sciences., 43 (19): 2070–2087, doi: http://dx.doi.org/ 10.1175/ 1520-0469(1986)043<2070:AAOTIO>2.0.CO;2.

王娜, 孫照渤. 2014. 冬季北太平洋風(fēng)暴軸的年際型態(tài)及其與大氣環(huán)流的關(guān)系 [J]. 大氣科學(xué)學(xué)報, 37 (2): 175–187.Wang Na, Sun Zhaobo. 2014. Interannual patterns of winter North Pacific storm track and its relationship with atmospheric circulation [J]. Trans. Atmos. Sci. (in Chinese), 37 (2): 175–187, doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.2014.02.005.

溫之平, 黃榮輝, 賀海晏, 等. 2006. 中高緯大氣環(huán)流異常和低緯30～60天低頻對流活動對南海夏季風(fēng)爆發(fā)的影響 [J]. 大氣科學(xué), 30 (5): 952–964.Wen Zhiping, Huang Ronghui, He Haiyan, et al. 2006. The influences of anomalous atmospheric circulation over mid–high latitudes and the activities of 30–60 d low frequency convection over low latitudes on the onset of the South China Sea summer monsoon [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 30 (5): 952–964, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2006.05.23.

Wettstein J J, Wallace J M. 2010. Observed patterns of month-to-month storm-track variability and their relationship to the background flow [J]. J. Atmos. Sci., 67 (5): 1420–1437, doi:10.1175/2009JAS3194.1.

Woollings T, Gregory J M, Pinto J G, et al. 2012. Response of the North Atlantic storm track to climate change shaped by ocean–atmosphere coupling [J]. Nat.Geosci., 5 (5): 313–317, doi:10.1038/ngeo1438.

翟盤茂, 潘曉華. 2003. 中國北方近50年溫度和降水極端事件變化 [J].地理學(xué)報, 58 (z1): 1–10.Zhai Panmao, Pan Xiaohua. 2003. Change in extreme temperature and precipitation over northern China during the second half of the 20th century [J]. Acta Geographica Sinica (in Chinese), 58 (z1): 1–10, doi:10.3321/j.issn:0375-5444.2003.z1.001.

朱偉軍, 孫照渤. 1999. 風(fēng)暴軸的研究 [J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報, 22 (1), 121–127.Zhu Weijun, Sun Zhaobo. 1999. A review on storm track research [J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology (in Chinese), 22 (1): 121–127, doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.1990.01.019.

朱偉軍, 李瑩. 2010. 冬季北太平洋風(fēng)暴軸的年代際變化特征及其可能影響機制 [J]. 氣象學(xué)報, 68 (4): 477–486.Zhu Weijun, Li Ying. 2010. Inter decadal variation characteristics of winter North Pacific storm tracks and its possible influencing mechanism [J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 68 (4): 477–486, doi:10.11676/qxxb2010.046.

Variation in the Vertical Structure of the Winter North Pacific Storm Track
and Its Relationship with Extreme Low Temperature Activity in China

WANG Chao1, 2, SUN Zhaobo1, 2, and WANG Na2, 3
1 Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
2 School of Atomospheric Science, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
3 Shandong Climate Center of Meteorological Service, Jinan 250000

The spatiotemporal evolution of the North Pacific storm track in winter was studied on the basis of NCEP–NCAR reanalysis data and ERA-40 reanalysis data. The results showed an evident interannual variation in the North Pacific storm track, and two main vertical structure modes were clarified. The first mode is consistent over the entire region, and the second is a vertically opposite mode. Thus, four vertically anomalous types of storm track are apparent: those with a consistently strong pattern, those with a consistently weak pattern, those with an upper-level strong and lower-level weak pattern, and those with an upper-level weak and lower-level strong pattern. It was also found that the vertical structures of the storm tracks are closely related to extreme low temperature in China. Specifically, the consistently strong pattern (consistently weak pattern) correlates closely with relatively weaker (relatively stronger) extreme low temperature over the whole of China. Meanwhile, the upper-level strong and lower-level weak pattern (upper-level weak and lower-level strong pattern) correlates closely with relatively stronger (relatively weaker) extremelow temperature in Northeast China and relatively weaker (relatively stronger) extreme low temperature in other regions.

North Pacific Storm Track, Vertical structure, Extreme low temperature

公益性行業(yè)（氣象）科研專項GYHY201306028，國家自然科學(xué)基金資助項目41575070、41075070

北太平洋風(fēng)暴軸垂直結(jié)構(gòu)極端低溫

1006-9895(2016)00-0401-10

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14345

2014-12-25；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-05-12

王超，男，1990年出生，碩士研究生，從事短期氣候預(yù)測研究。E-mail: wangchao19900615@163.com