太陽活動對NAO與冬季中東急流軸線位置之間關(guān)系的調(diào)制作用

吳玲玲 張建偉 鄧偉濤 趙鶴 陳宇楊

摘要 利用NCEP/NCAR大氣環(huán)流再分析資料和NOAA提供的太陽黑子資料，討論了冬季中東急流年際變化特征，并探討了太陽活動對北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）與冬季中東急流軸線位置之間關(guān)系的調(diào)制作用。結(jié)果表明：冬季中東急流的軸線位置表現(xiàn)出顯著的年際變化特征，在空間上主要表現(xiàn)了中東急流東西兩側(cè)軸線南北移動呈反向變化（Middle East Jet Axis shift eastwest Outphase，MEJAO）型和中東急流軸線南北移動呈整體一致的變化特征（Middle East Jet Axis shift Inphase，MEJAI）型。另外，在太陽活動強時期，NAO（North Atlantic Oscillation，北大西洋濤動）的空間結(jié)構(gòu)更靠近北大西洋東側(cè)的大陸上，歐洲大陸北側(cè)與地中海地區(qū)出現(xiàn)相反的SLP（Sea Level Pressure，海平面氣壓）異常，通過Ekman抽吸作用形成次級環(huán)流，在對流層高層地中海地區(qū)易出現(xiàn)輻合異常，并激發(fā)Rossby波波列，在伊朗高原上空會形成位勢高度異常，從而中東急流東部軸線南北側(cè)西風(fēng)呈相反的變化。同時，在對流層高層歐洲大陸南側(cè)形成的位勢高度異常，也會使得中東急流西部軸線北側(cè)西風(fēng)出現(xiàn)異常。中東急流東、西部西風(fēng)異常的空間結(jié)構(gòu)呈反相變化，即出現(xiàn)了MEJAO型。而在太陽活動弱時期，NAO的空間結(jié)構(gòu)主要局限在北大西洋地區(qū)，不易形成地中海輻合異常，NAO與MEJAO型的關(guān)系不密切。因此，太陽活動對NAO與MEJAO型之間的關(guān)系存在著調(diào)制作用。

關(guān)鍵詞中東急流；軸線位置；太陽活動；調(diào)制

在冬季北半球?qū)α鲗痈邔樱瑬|半球的亞非副熱帶急流從非洲西部經(jīng)阿拉伯半島、南亞地區(qū)、東亞地區(qū)一直延伸至北太平洋洋面上（Krishnamurti，1961）。目前，對于副熱帶西風(fēng)急流的研究大多集中在位于歐亞大陸東側(cè)的東亞急流上（Yang et al.，2002；Juhn and Lee，2004；況雪源和張耀存，2006；董麗娜和張福穎，2013；Zhang and Zhang，2014；字冉等，2015），而有關(guān)歐亞大陸西側(cè)的中東急流的研究卻很少（Yang et al.，2004；倪東鴻等，2011；李忠賢等，2013；Ni et al.，2014）。

中東急流位于亞非副熱帶急流的入口區(qū)，是影響北半球中緯度地區(qū)天氣氣候的重要環(huán)流系統(tǒng)之一，與我國氣候存在密切聯(lián)系。2008年1月我國南方大部分地區(qū)遭受了50 a來最嚴重的暴雪災(zāi)害。中東急流的異常變化也是這次災(zāi)害的因子之一。2008年1月中東急流強度偏強且位置向東南偏移，使得青藏高原南側(cè)的西風(fēng)槽增強，因此加大了西亞和孟加拉灣向我國南方的水汽輸送，導(dǎo)致了嚴重的持續(xù)性冰雪災(zāi)害天氣（Wen et al.，2009）。Mao et al.（2012）指出冬季北極濤動（Arctic Oscillation，AO）正位相將伴隨著中東急流和南支槽的增強，從而會影響我國中南部冬季極端降水增多。中東急流的異常變化不僅對我國極端異常事件有影響，而且與我國氣候異常也存在密切聯(lián)系。張自銀等（2008）指出中東急流強度與我國南方冬季異常降水有著正相關(guān)關(guān)系。倪東鴻等（2010a，2010b）指出當冬季中東急流加強時，華南地區(qū)降水顯著增加，我國長江上游地區(qū)特別是西南地區(qū)氣溫顯著下降，東北地區(qū)氣溫升高。此外，研究還表明冬季中東急流與我國西南地區(qū)覆冰強弱密切聯(lián)系（曲巧娜等，2012）。

中東急流具有顯著的季節(jié)和年際變化特征。Ni et al.（2014）研究指出冬季中東急流強度偏強位置偏南，而夏季強度偏弱位置偏北，它的季節(jié)變化與500～200 hPa南北溫度差的變化有著很好的關(guān)系。Yang et al.（2004）指出中東急流強度以及急流西北—東南向位置的變化具有年際變化特征，它與北極濤動（AO）、北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）和ENSO有著密切聯(lián)系。另外，Wu et al.（2017）指出中東急流的年際變化特征不僅體現(xiàn)在其強度上，而且急流軸線位置的變化也很重要，中東急流軸線位置的變化不僅受到低緯度ENSO的影響，而且還受到諸如NAO、AO和地中海輻合（Mediterranean Convergce，MC）等中高緯大氣環(huán)流的影響。

太陽輻射是氣候系統(tǒng)中最基本的能量來源，太陽活動引起輻射強度的變化會對天氣氣候有著重要的影響（Rind，2002；李崇銀等，2003；Rind et al.，2008；劉毅和陸春暉，2010；Zhao et al.，2012）。在熱帶地區(qū)，太陽活動會影響到熱帶地區(qū)?！獨庀嗷プ饔茫╲an Loon et al.，2007；Meehl et al.，2008，2009；van Loon and Meehl，2008），太陽活動峰值年熱帶太平洋地區(qū)易出現(xiàn)類La Nia事件。在極地和北大西洋地區(qū)，太陽活動對NAO的空間結(jié)構(gòu)起著調(diào)制作用，在太陽活躍期，NAO的空間結(jié)構(gòu)類似于AO，具有半球特征，而在太陽弱活躍期，NAO信號被局限在北大西洋地區(qū)（Kodera，2002，2003）。太陽活動對季風(fēng)活動也有著影響（Kodera，2004；Bhaattacharyya and Narasimha，2005；van Loon and Meehl，2012），不論是東亞夏季風(fēng)（潘靜等，2010；Wang and Zhao，2012；Zhao et al.，2012）還是東亞冬季風(fēng)（Chen and Zhou，2012；Zhou et al.，2013）都受到太陽活動的調(diào)制。

Wu et al.（2017）指出冬季中東急流軸線位置變化與NAO有著密切聯(lián)系，而太陽活動對NAO的空間結(jié)構(gòu)又起著調(diào)制作用（Kodera，2002，2003）。因此，本文將對NAO與冬季中東急流軸線位置變化之間的關(guān)系是否會受到太陽活動的調(diào)制這個問題進行探討。

1 資料和方法

采用的大氣環(huán)流資料為NCEP/NCAR逐月再分析資料（Kalnay et al.，1996），水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向為1 000～10 hPa，共分為17層，時間跨度為1948年1月—2014年12月，所選要素包括海平面氣壓場、500和200 hPa位勢高度場、850和200 hPa風(fēng)場。NAO和Nio3.4指數(shù)由Climate Prediction Center（CPC）提供。太陽黑子數(shù)資料由NOAA的National Geophysical Data Center提供，時間長度為1899—2013年。

冬季為前一年12月—當年2月，例如2010年冬季指的是2009年12月—2010年2月。

利用200 hPa緯向風(fēng)來定義中東急流軸線和中心位置。在（0°～60°E，10°～50°N）范圍內(nèi)各經(jīng)度格點上，找出200 hPa緯向風(fēng)極大值所在的位置，并將其連成一條線，用它來表示中東副熱帶西風(fēng)急流軸線。將中東急流軸線上緯向風(fēng)極大值的位置看成是急流中心。按照Wu et al.（2017）的研究結(jié)果，將中東急流分為3部分來考慮，中東急流的入口處（0°～20°E）范圍看作中東急流西部，中東急流主體部分又依據(jù)急流中心的平均位置，將（20～40°E）和（40～60°E）范圍分別看作中東急流中部和東部。

Huang et al.（1998）提出了希爾伯特—黃變換（HilbertHuang Transform，HHT），一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）方法的數(shù)據(jù)處理方法，它的特點是先用EMD方法對非線性、非平穩(wěn)過程的數(shù)據(jù)進行線性化和平穩(wěn)化處理，并在分解過程中保留數(shù)據(jù)本身的特性，最后得到的是趨勢分量和不同尺度的波動，將其定義為本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）。在此基礎(chǔ)上再對不同的IMF分量進行HHT，得到在時域和頻域都有較高分辨率的希爾伯特譜。EMD方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了大氣科學(xué)領(lǐng)域（萬仕全等，2005；鄧偉濤等，2008；Wang et al.，2013）。

2 中東急流的時空變化特征

將（0°～90°E，0°～60°N）范圍內(nèi)的200 hPa緯向風(fēng)場進行經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF），來討論冬季中東急流的時空變化特征。前兩個特征向量的方差貢獻率分別為23.87%和16.87%，它們總的方差貢獻達到40%以上，通過North準則（North et al.，1982），表明前兩個特征向量可以獨立分離開，能夠體現(xiàn)中東急流的主要變化特征。從它們的時間系數(shù)（圖1）來看，冬季中東急流表現(xiàn)出顯著的年際變化特征。

為了探討各EOF特征向量表現(xiàn)出中東急流哪些變化特征，選取各時間系數(shù)中大于1.0（或小于-1.0）的年份作為各變化型的正（負）位相年（表1），然后對200 hPa緯向風(fēng)場進行合成分析（圖2）。圖中僅給出了200 hPa緯向風(fēng)大于30 m/s的部分，其中大于45 m/s的部分用陰影表示，這樣更容易找出在中東急流變化的特征差異。

對于EOF第一特征向量而言，正位相年（圖2a）急流中心強度大于52.5 m/s，中心位置位于（40°E，27.5°N），負位相年（圖2b）急流中心強度小于50 m/s，中心位置位于（30°E，27.5°N），正位相年中東急流中心強度強于負位相年，而且正位相年急流中心位置偏東。另外，中東急流軸線位置差異明顯（圖2c）。正（負）位相年急流西部軸線位于25°N（27.5°N），位置偏南（北）；急流中部軸線都位于27.5°N；正（負）位相年急流東部軸線位于30°N（27.5°N），位置偏北（南），即該特征向量表現(xiàn)出中東急流東西兩側(cè)軸線南北移動呈反向變化特征，將其稱為MEJAO（Middle East Jet Axis shift eastwest outphase）型。

對于EOF第二特征向量而言，正位相年（圖2d）急流中心強度略強于負位相年（圖2e）。在正位相年（圖2d）急流中心位于（30°E，27.5°N），而負位相年（圖2e）急流中心位于（42.5°E，27.5°N）。中東急流軸線位置也存在明顯不同（圖2f）。正（負）位相年急流中西部軸線主要位于25～27.5°N（22.5～25°N），急流東部軸線主要位于30°N（27.5°N），整個中東急流軸線位置都偏北（南），即該特征向量表現(xiàn)出中東急流軸線南北移動呈整體一致的變化特征，將其稱為MEJAI（Middle East Jet Axis shift Inphase）型。

通過以上分析表明，冬季中東急流的變化主要體現(xiàn)在軸線位置的變化，并且急流軸線位置的變化具有顯著的年際變化特征。在后面的分析中，利用前兩個EOF時間系數(shù)看成是MEJAO和MEJAI指數(shù)。

3 太陽活動的變化特征

利用冬季平均的太陽黑子數(shù)來表征冬季太陽活動的變化。圖3給出了它近60 a標準化的時間序列，可知，太陽活動具有顯著的準11 a的變化周期，在近60 a中包括了完整的5個太陽活動周期。從18世紀中葉開始科學(xué)家對太陽活動周期進行編號，圖3中近60 a中完整的5個周期被編號為第19至第23太陽活動周期。

下面利用EMD和HHT方法來分析太陽活動的周期變化（圖4）。圖4e表明太陽活動有略微的下降趨勢。另外，太陽活動還表現(xiàn)出了年際和年代際的變化特征。通過冬季太陽黑子序列Hilbert變換后本征模函數(shù)的統(tǒng)計特征值（表2）可知，年際周期IMF分量（IMF1，圖4a）表明太陽活動具有準4 a的周期。年代際周期IMF分量（IMF24，圖4b—4d）表明太陽活動具有準11 a、準21 a、準44 a的周期，其中準11 a周期信號的振幅最強，說明太陽活動準11 a周期表現(xiàn)最顯著。下面利用太陽活動IMF2（圖4b）分量，將其分為高低指數(shù)年。其中當IMF2指數(shù)為正時，將其看成是太陽活動強時期（高指數(shù)年，HS）；當IMF2指數(shù)為負時，將其看成是太陽活動弱時期（低指數(shù)年，LS），具體年份見表3。

4 太陽活動對NAO與冬季中東急流軸線位置之間關(guān)系的調(diào)制作用

冬季中東急流軸線位置的年際變化與ENSO和中高緯度大氣環(huán)流有著密切聯(lián)系（Wu et al.，2017）。NAO和AO通過動力作用，使得中東急流中西部的軸線位置出現(xiàn)南北移動。另外，中高緯的大氣環(huán)流系統(tǒng)NAO和AO也可能通過Ekman抽吸作用形成MC異常（Watanbe，2004），MC異?？赡軙ぐl(fā)出沿著亞洲急流的緯向波列，使得中東急流中東部的軸線位置出現(xiàn)南北移動。

為了分析太陽活動對冬季中東急流軸線位置的調(diào)制作用，首先分析了在太陽活動強弱年，各指數(shù)與中東急流軸線位置指數(shù)的相關(guān)系數(shù)（表4）。在太陽活動強時期，NAO指數(shù)與MEJAO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.38，通過了95%置信水平的顯著性檢驗。而在太陽活動弱時期，NAO指數(shù)與MEJAO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.22，沒有通過顯著性檢驗。因此，在太陽活動強年，NAO與MEJAO有著密切聯(lián)系，而在太陽活動弱年，它們之間的聯(lián)系明顯減弱。以上分析說明太陽活動可能對NAO和MEJAO型之間的聯(lián)系有調(diào)制作用。

為了進一步分析太陽活動對NAO和MEJAO型之間聯(lián)系的調(diào)制作用，分別在太陽活動強弱年，利用冬季NAO指數(shù)對大氣環(huán)流場進行回歸分析。

在SLP場的回歸系數(shù)分布（圖5）中，當太陽活動強時，NAO的空間結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在北半球非洲大陸和地中海地區(qū)有明顯的正SLP異常，歐洲大陸北側(cè)有明顯的負SLP異常（圖5a）；當太陽活動弱時，NAO的空間結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在北大西洋中緯度地區(qū)有顯著的正SLP異常，北大西洋高緯度地區(qū)有明顯的負SLP異常（圖5b）。因此，太陽活動強弱年NAO的空間結(jié)構(gòu)存在著顯著的差異。在太陽活動強年NAO的空間結(jié)構(gòu)主要位于大西洋東側(cè)的歐洲和非洲大陸上，而在太陽活動弱年NAO的空間結(jié)構(gòu)主要位于北大西洋上。

在200 hPa位勢高度場的回歸系數(shù)分布（圖6）中，太陽活動強弱年之間也存在較大的差異。在太陽活動強年，NAO指數(shù)對200 hPa位勢高度場主要表現(xiàn)出在歐洲大陸北側(cè)的負位勢高度異常，北大西洋中緯度地區(qū)、歐洲南部以及北太平洋東側(cè)地區(qū)的正位勢高度異常（圖6a），具有半球的特征，這種空間結(jié)構(gòu)與AO相類似。而在太陽活動弱年，NAO指數(shù)對200 hPa位勢高度場主要表現(xiàn)出在北大西洋高緯度地區(qū)的負位勢高度異常，和北大西洋中緯度地區(qū)的正位勢高度異常（圖6b），它的空間分布限制在北大西洋，表現(xiàn)出經(jīng)典的NAO結(jié)構(gòu)。這與Kodera（2002）的結(jié)果一致。

在太陽活動強年，當NAO處于正（負）位相時，200 hPa位勢高度場上伊朗高原上空存在正（負）位勢高度場異常（圖6a），冬季中東急流的東部軸線正好橫穿該異常中心，根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)原理，軸線北側(cè)西風(fēng)增強（減弱），南側(cè)西風(fēng)減弱（增強），易使得中東急流東部軸線位置易偏北（南）。另外，200 hPa位勢高度場上歐洲大陸上空存在正（負）位勢高度場異常（圖6a），冬季中東急流的西部軸線位于該異常中心的南側(cè)，軸線北側(cè)西風(fēng)減弱（增強），使得中東急流西部軸線位置易偏南（北）（圖7a）。因此，當NAO位于正（負）位相時，從急流軸線位置來看，中東急流東、西部軸線位置呈反相變化，中東急流東部軸線位置偏北（南），而西部軸線位置偏南（北）。

在太陽活動弱年，當NAO正（負）處于位相時，200 hPa位勢高度場上阿拉伯半島上空存在正（負）位勢高度場異常（圖6b），但這些變化基本沒有通過信度檢驗，冬季中東急流的東部軸線也橫穿該異常中心，軸線北側(cè)西風(fēng)增強（減弱），南側(cè)西風(fēng)減弱（增強），使得中東急流中東部軸線位置偏北（南）（圖7b），這些變化也基本沒有通過信度檢驗，因此中東急流軸線位置的變化不顯著。綜上所述，在太陽活動強年，NAO指數(shù)與MEJAO型有密切聯(lián)系，而在太陽活動弱年，它們之間的關(guān)系明顯減弱。

在太陽活動強弱活動期間，NAO與地中海輻合又會存在什么聯(lián)系呢？利用冬季NAO指數(shù)對200 hPa高度上速度勢和輻散風(fēng)進行了回歸分析（圖8）。在太陽活動強時期，當NAO處于正（負）位相時，在地中海地區(qū)存在速度勢的負（正）異常，并且伴隨著輻合（輻散）風(fēng)異常，它們有一部分是從北大西洋高緯度地區(qū)和歐洲大陸北側(cè)向地中海輻合（地中海向北大西洋高緯度地區(qū)和歐洲大陸北側(cè)輻散）（圖8a）。地中海地區(qū)的輻合（輻散）異常容易激發(fā)出從地中海至東亞地區(qū)的位勢高度場異常的波列（Watanbe，2004），在歐洲大陸南側(cè)和伊朗高原處形成正（負）位勢高度異常，從而使得中東急流東西兩側(cè)軸線南北移動呈反向變化（Wu et al.，2017）。而在太陽活動弱時期，地中海地區(qū)幾乎不存在輻合輻散異常（圖8b）。另外，在太陽活動強年，NAO指數(shù)與MC指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.44，通過了99%置信水平的顯著性檢驗；而在太陽活動弱年，NAO指數(shù)與MC指數(shù)的相關(guān)系數(shù)僅為-0.06，沒有通過顯著性檢驗。

通過以上分析可知，太陽活動對NAO和MEJAO型之間的聯(lián)系有著調(diào)制作用。在太陽活動強年，NAO與MEJAO型關(guān)系密切，而在太陽活動弱年，它們之間關(guān)系明顯減弱。

5 結(jié)論

利用NCEP/NCAR再分析資料、NOAA提供的太陽黑子資料以及CPC提供的NAO和Nio3.4指數(shù)資料，討論了冬季中東急流軸線位置的年際變化特征以及探討了太陽活動對NAO與冬季中東急流軸線位置之間關(guān)系的調(diào)制作用。冬季中東急流變化主要體現(xiàn)在軸線南北移動上，分別表現(xiàn)為中東急流東西兩側(cè)軸線南北移動呈反向變化特征，以及中東急流軸線南北移動呈整體一致的變化，并且它們都具有較強的年際變化特征。此外，在太陽活動強時期，NAO的空間結(jié)構(gòu)更靠近北大西洋東側(cè)的大陸上，當NAO處于正（負）位相時，歐洲大陸北側(cè)出現(xiàn)負（正）SLP異常，在地中海以及非洲北部出現(xiàn)正（負）SLP異常，由于Ekman抽吸作用形成次級環(huán)流，在對流層高層地中海地區(qū)易出現(xiàn)輻合（輻散）異常，通過激發(fā)出沿急流的Rossby波波列，在伊朗高原上空會形成正（負）位勢高度場異常，從而中東急流東部軸線平均位置北側(cè)的西風(fēng)增強（減弱），南側(cè)的西風(fēng)減弱（增強），中東急流東部軸線位置北（南）移。同時，在歐洲大陸南側(cè)形成的正（負）位勢高度場異常，使得中東急流西部軸線平均位置北側(cè)的西風(fēng)減弱（增強），中東急流西部軸線位置南（北）移。那么中東急流東、西部軸線位置南北移動呈反向變化，即表現(xiàn)出MEJAO型。在太陽活動弱時期，NAO的空間結(jié)構(gòu)主要局限于北大西洋地區(qū)，不易形成地中海輻合異常，NAO與MEJAO型之間的關(guān)系不明顯?？芍柣顒訉AO與冬季中東急流位置之間的關(guān)系存在著調(diào)制作用。

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AfroAsian subtropical westerly jet stream in the Eastern Hemisphere is formed from West Africa through the Arabian Peninsula，South Asia and East Asia to the North Pacific.Currently，most studies on the AfroAsian subtropical westerly jet streams have focused on the East Asian westerly jet stream，which lies in the eastern part of Eurasia，but less attention has been paid to the Middle East westerly jet stream（MEJ），which situates in the western part of Eurasia.The MEJ is an important circulation system that affects the climate of Northern Hemispheres midlatitude regions and is closely related to the climate of China.Here，by means of National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research monthly reanalysis data，and sunspot data provided by National Oceanic and Atmospheric Administration，the interannual variation characteristics of wintertime MEJ and solar cycle modulation of the relationship between North Atlantic Oscillation（NAO） and MEJ axis southnorth shift are studied.The results show that wintertime MEJ axis northsouth shift has obvious interannual variation feature.The spatial variation of MEJ manifests axis shift eastwest outphase（MEJAO） pattern and axis shift inphase（MEJAI） pattern.Furthermore，solar activity has obvious 11year period.In the high solar activity cases，the location of NAOs spatial structure is more close to the continent that is situated near the east of North Atlantic，and there are opposite sea level pressure（SLP） anomalies at the north of Europe and Mediterranean Sea.Through Ekman pumping，these anomalous SLP can bring secondary circulation and Mediterranean convergence（MC） anomaly at the high level of troposphere.By Rossby wave train excited by anomalous MC，there are geopotential height anomalies in Iran Plateau at the high level of troposphere，which can lead to westerly opposite changes between south and north sides of eastern MEJ axis.In addition，there are geopotential height anomalies in southern Europe at the high level of troposphere，which can bring to westerly anomalies at north side of western MEJ axis.The distribution of westerly anomalies between south and north sides of the eastern MEJ axis is opposite to that of western MEJ axis，which is manifested MEJAO pattern.In the low solar activity cases，the spatial structure of NAO is located at the Atlantic，which is difficult to form MC anomaly.The relationship between NAO and MEJAO pattern is not obvious.Therefore，there is solar cycle modulation of the relationship between NAO and MEJ axis shift.

Middle East subtropical westerly jet stream；axis shift；solar activity；modulation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160403001

（責任編輯：張福穎）