MJO與北半球高緯地區(qū)冬季地表氣溫異常的聯(lián)系*

崔 靜 楊雙艷 LI Tim,2

1 南京信息工程大學氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044 2 夏威夷大學國際太平洋研究中心，夏威夷 美國

提 要： 基于1979—2016年NCEP-NCAR逐日再分析資料研究了熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩(MJO)和北半球冬季高緯地區(qū)地表氣溫(SAT)之間的聯(lián)系。利用實時多變量MJO(RMM)指數(shù)，將MJO分為8個位相，其中位相2(位相6)對應(yīng)于位于印度洋地區(qū)的正(負)對流。不同MJO位相下的SAT合成結(jié)果顯示MJO第二位相后的5～15 d，北半球高緯地區(qū)(60°～90°N、180°～60°W)有明顯的負SAT異常；由于熱帶異常加熱信號的改變，在MJO第六位相后的5～15 d該地區(qū)則對應(yīng)于顯著的正SAT異常。該地區(qū)溫度的垂直結(jié)構(gòu)在各個位相下也表現(xiàn)出類似的分布特征。合成的500 hPa位勢高度異常場顯示，在溫度負(正)異常的位相對應(yīng)有明顯的位勢高度負(正)異常，這種環(huán)流異常主要是由與熱帶對流異常相聯(lián)系的向東北方向傳播的羅斯貝波列所引起的。通過對波活動通量的計算，推斷該東北方向傳播的羅斯貝波列很可能是羅斯貝波能量頻散的結(jié)果。合成的700 hPa比濕異常場和SAT之間在存在著較好的對應(yīng)關(guān)系，考慮到對流層中層的比濕與向下長波輻射之間存在著正相關(guān)關(guān)系，說明該溫度異常也可能與輻射過程相關(guān)。上述分析表明與MJO對流相關(guān)的大尺度環(huán)流異常對高緯地區(qū)季節(jié)內(nèi)SAT變率有重要影響，該異常SAT信號可能來自平流輸送和輻射過程等。準確把握MJO位相與SAT異常信號的聯(lián)系也可以為北半球高緯地區(qū)SAT的延伸期預(yù)報提供一些可靠線索。

引 言

熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian oscillation，MJO)是熱帶地區(qū)大氣環(huán)流異常的一個最重要的模態(tài)，主要的時間尺度為30～60 d，主要特征表現(xiàn)為沿全球熱帶地區(qū)東傳的對流活動，具有緯向1波為主的行星尺度空間結(jié)構(gòu)(Madden and Julian，1971；1972)。MJO活動表現(xiàn)出明顯的季節(jié)演變特征。在北半球冬季，MJO以沿赤道向東的傳播為主；在北半球夏季，向東傳播會減弱，在印度夏季風區(qū)以及東亞季風區(qū)以北傳的對流活動為主導，在西北太平洋區(qū)以西北向的傳播為主導。Li(2014)指出北半球夏季熱赤道的北移是造成北印度洋和中國南海地區(qū)MJO對流北向傳播的重要原因之一，同時背景場中的東風切變和水汽的經(jīng)向分布也起到了重要貢獻(Jiang et al，2004)。關(guān)于MJO動力機制(包括其觸發(fā)機制和東傳機制)的研究工作已取得了顯著的進展(Wang and Rui，1990；Wang and Li，1994；Hsu and Li，2012；Sobel and Maloney，2013；Zhao et al，2013)。

MJO作為熱帶最主要的環(huán)流演變模態(tài)可以直接調(diào)節(jié)熱帶地區(qū)的天氣氣候(Madden and Julian，1994)。比如，它會對熱帶氣旋和颶風的生成和加強(Maloney and Hartmann，2000；Hall et al，2001；祝從文等，2004；李崇銀等，2012)產(chǎn)生影響。MJO還會影響印度洋偶極子事件(Rao and Yamagata，2004)、北美環(huán)流異常(Higgins and Mo，1997)、南海夏季風(林愛蘭等，2016；李春暉等，2016)、孟加拉灣西南夏季風季節(jié)內(nèi)振蕩(李汀和琚建華，2013)以及ENSO事件的發(fā)展(Zhang and Gottschalck，2002)。

前人的許多研究表明，MJO對環(huán)流異常的影響不僅僅局限于熱帶，由于對流加熱異常可以激發(fā)羅斯貝波列(Ferranti et al，1990；Kiladis and Weickmann，1992)，這種影響可以延伸至中高緯地區(qū)(Lau and Phillips,1986)。比如，Bond and Vecchi(2003)指出了MJO對于俄勒岡州和華盛頓早冬和晚冬降水的重要影響；Lin and Brunet(2009)表明MJO位相與加拿大冬季地表氣溫(SAT)之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。除熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩以外，中高緯的季節(jié)內(nèi)振蕩(ISO)同樣會對熱帶和中高緯的天氣氣候產(chǎn)生重要影響(Wen et al，2011；許樂心等，2017；Yang and Li,2016;2017;Yang et al，2019；李健穎和毛江玉，2019)。近年來，針對MJO與我國氣候異常間的聯(lián)系也開展了一系列研究，研究發(fā)現(xiàn)MJO對我國降水有重要的調(diào)制作用(吳捷等，2018)，對中國東部地區(qū)夏季(白旭旭等，2011)和冬季(劉冬晴和楊修群，2010)、華南前汛期(李文鎧等，2014；章麗娜等，2011)、夏季西南(李永華等，2016)、云南地區(qū)(牛法寶等，2013；李汀等，2012)以及夏季廣東(林愛蘭等，2013)的降水異常均存在一定程度的影響。同時，MJO對我國氣溫異常也存在顯著影響，比如2008年初南方持續(xù)性冰凍雨雪天氣(吳俊杰等，2009；馬寧等，2011)以及2009年11月我國東部大范圍雨雪天氣(賈小龍和梁瀟云，2011)等極端天氣都與MJO存在著密切的聯(lián)系。因此，MJO的發(fā)展和演變，對于把握這種氣候異常有很大的幫助。MJO作為次季節(jié)時間尺度上最具可預(yù)報性的模態(tài)(Gottschalck et al，2010)，是延伸期(10～30 d)預(yù)報主要的可預(yù)報來源(丁一匯和梁萍，2010；賈小龍等，2012)。MJO和大氣低頻季節(jié)內(nèi)振蕩的準確預(yù)報對于填補短期天氣預(yù)報和長期氣候預(yù)測之間的空隙至關(guān)重要。

在Vecchi and Bond(2004)的工作中分析了MJO對高緯地區(qū)冬季SAT的影響，他們的合成分析均為基于MJO各個位相同時次的合成。前人的研究表明中高緯地區(qū)對于熱帶強迫的響應(yīng)在時間上存在一定的滯后，完全發(fā)展建立需要兩周左右的時間(Jin and Hoskins，1995)。為使這種異常SAT信號更加顯著，我們的工作主要關(guān)注了MJO與北半球冬季高緯地區(qū)SAT之間的滯后相關(guān)關(guān)系，從環(huán)流分析等角度進一步揭示兩者之間的聯(lián)系。旨在將MJO和高緯地區(qū)的大氣變率相聯(lián)系，從而為該地區(qū)季節(jié)內(nèi)SAT變率的延伸期預(yù)報提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文使用了美國國家海洋與大氣中心(NOAA)的逐日向外長波輻射(OLR)資料以表征熱帶大尺度對流特征；同時使用了美國國家環(huán)境預(yù)測中心-國家大氣研究中心(NCEP-NCAR)發(fā)布的全球逐日再分析資料(水平分辨率為2.5°×2.5°)。本文的分析時段為1979/1980年到2015/2016年共37個冬季，冬季定義為11月到次年3月共5個月。再分析資料中使用到的氣象要素包括2 m處的地表氣溫(T2 m)以及在各個高度層次的緯向風(u)、經(jīng)向風(v)、溫度(T)、p坐標系下的垂直速度(ω)等。

采用由Wheeler and Hendon(2004)所定義的實時多變量MJO指數(shù)(real-time multivariate MJO indices，簡稱RMM指數(shù))來描述MJO的活動特征，RMM指數(shù)最常用于MJO的監(jiān)測和預(yù)報。本文使用到的逐日RMM指數(shù)可以在澳大利亞氣象局官網(wǎng)下載(http:∥www.bom.gov.au/climate/mjo/)。該指數(shù)是將逐日資料投影到熱帶地區(qū)(15°S～15°N)緯向平均后的逐日的850 hPa緯向風(u850)、200 hPa 緯向風(u200)和OLR的前兩個多變量EOF模態(tài)上，得到的前兩個主成分時間序列，將該時間序列標準化即可得到RMM指數(shù)，分別記為RMM1和RMM2。上述資料均去除了年循環(huán)和年際變率。根據(jù)RMM1和RMM2所確定的二維位相空間，可以將強的MJO 沿全球熱帶地區(qū)的緯向傳播分為8個空間位相。MJO的地理位置可以由一個以RMM1和RMM2指數(shù)所定義的二維位相空間中的一個點來表示，而該點與整個空間中心的距離則表示MJO的振幅，代表MJO事件的強度，這8個位相分別對應(yīng)于MJO生命史的特定階段，表示MJO對流從印度洋到太平洋的向東傳播。

1.2 方 法

為提取與MJO相關(guān)的季節(jié)內(nèi)信號，對原始數(shù)據(jù)進行了相關(guān)處理。首先去除了1979—2016年多年氣候態(tài)的0～3波以去除季節(jié)循環(huán)，然后通過使用Lanczos帶通濾波方法(Duchon，1979)進行30～60 d 的帶通濾波，濾波后選擇了11月至次年3月的資料用于分析，但1979年1月至次年3月以及2016年11—12月的資料未包括在內(nèi)。

為檢驗每個MJO位相合成結(jié)果是否顯著，使用到的t檢驗公式為：

式中：ρ1為滯后一天的相關(guān)系數(shù)，m2是yi的樣本數(shù)。

2 MJO位相合成的高緯地表氣溫異常

2.1 MJO位相

為了證實赤道對流活動是和MJO的位相相聯(lián)系的，圖1給出了各個位相下合成的OLR場及850 hPa的經(jīng)向風和緯向風異常場。在位相1，MJO對流中心位于非洲和西印度洋，此時太平洋以西風異常為主，而印度洋存在東風異常；在位相2和位相3，對流中心主要位于印度洋，繼續(xù)發(fā)展并逐漸東移至海洋性大陸(位相4、位相5)；位相6～位相8，對流中心由西太平洋繼續(xù)東移至中太平洋。

使用到的RMM指數(shù)時間段包括從1979/1980—2015/2016年的37個冬季，因此可以得到每個位相所對應(yīng)的天數(shù)。圖2給出了每個MJO位相所對應(yīng)的天數(shù)及平均振幅的大小?？梢钥吹轿幌?～位相4以及位相6～位相8 MJO事件的發(fā)生頻率較高，其中平均振幅的最大值出現(xiàn)位相3。

圖1 MJO 8個位相(a～h)下合成的30～60 d濾波后的冬季OLR異常場(填色，單位：W·m-2)和850 hPa異常風場(箭頭，單位：m·s-1)(陰影區(qū)為通過0.05顯著性水平檢驗區(qū)域，t檢驗；右下角數(shù)字為每個位相對應(yīng)的天數(shù))

圖2 二維MJO指數(shù)(RMM1和RMM2)定義的MJO空間位相以及各位相對應(yīng)的天數(shù)和平均振幅

2.2 與MJO相聯(lián)系的高緯地區(qū)地表氣溫異常

為探究北半球冬季SAT和MJO之間的聯(lián)系，對不同MJO位相下的SAT進行了合成分析。在北半球高緯地區(qū)這種SAT異常信號較為顯著。Jinand Hoskins(1995)研究表明：給定的熱帶加熱響應(yīng)下的羅斯貝波列會在15 d以內(nèi)完全建立。因此在下文的合成分析中將分別采取0，5，10，15 d的滯后。

MJO的位相1～位相4代表其一半的生命周期，而位相5～位相8則代表相反的另一半周期，這種生命史的對稱特征也表現(xiàn)在SAT的合成場上，隨著滯后時間的變化，每個位相下高緯SAT異常的強度也會有一定的變化，總體來說在滯后5～15 d時位相2～位相7下高緯地區(qū)SAT信號比較顯著，第0天時(即同時次的合成圖中)這種異常SAT信號相對較弱，隨著滯后時間的增加，該異常信號得到加強。這里給出了滯后5～15 d的MJO的8個位相下的異常SAT合成圖(圖3)，可以看到位相2和位相6以及位相3和位相7下這種SAT信號比較顯著，并且該異常SAT信號存在著明顯的反向?qū)?yīng)關(guān)系(即位相2、6表現(xiàn)為明顯的負異常而位相3、位相7則表現(xiàn)為明顯的正異常)，后續(xù)為了簡潔起見選擇位相2和位相6進行研究(對位相3和位相7也做了同樣分析，得到相似結(jié)論)。從圖4中可以看到在MJO的第2(第6)位相后5 d左右北半球高緯地區(qū)開始出現(xiàn)負(正)的SAT異常，在滯后10～15 d時這種異常信號表現(xiàn)得更加明顯。

此外，值得關(guān)注的是在高緯地區(qū)(60°N以北)，其SAT的異常情況并不是完全一致的，部分區(qū)域會呈現(xiàn)出相反的變化，在滯后5 d以后其SAT異常信號均較為顯著和一致的主要為60°～90°N、180°～60°W這部分區(qū)域。為了探究該區(qū)域溫度的垂直結(jié)構(gòu)是否也有類似的變化特征，圖5給出了MJO位相2和位相6滯后0，5，10，15 d后的溫度異常及位勢高度異常沿緯向平均(180°～60°W)后的經(jīng)向-垂直分布。和地表氣溫類似，整個對流層的溫度異常也呈現(xiàn)出相似的分布特征，即在滯后5～10 d時，位相2(位相6)呈現(xiàn)出明顯的負(正)溫度異常。另一個顯著的特征是：例如在位相2后的5 d，一個位于300 hPa左右的負位勢高度異常中心出現(xiàn)在70°～80°N，在該中心以上(以下)溫度異常表現(xiàn)為暖(冷)異常，較好地滿足了靜力平衡關(guān)系。在第6位相也能看到這種較好的對應(yīng)關(guān)系，靜力平衡關(guān)系使得低層的與MJO相關(guān)的溫度異常信號與對流層高層的位勢高度異常之間建立了密切的關(guān)系。最后，由于在北半球高緯地區(qū)冬季有相似幅度的增暖(冷卻)發(fā)生在MJO第1，3，4(5，7，8)位相后的1～2周，所以該地區(qū)冬季SAT與MJO位相2和位相6之間的聯(lián)系同樣應(yīng)該可適用于MJO的其他位相。

圖3 MJO 8個位相(a～h)下冬季SAT滯后5～15 d的合成(打點代表通過0.05的顯著性水平檢驗)

圖4 MJO位相2(a)和位相6(b)下冬季SAT滯后0 d(a1,b1)，5 d(a2,b2)，10 d(a3,b3)，15 d(a4,b4)的合成(打點代表通過0.05的顯著性水平檢驗)

圖5 MJO位相2(a)和位相6(b)下滯后0 d(a1,b1)，5 d(a2,b2)，10 d(a3,b3)，15 d(a4,b4)的冬季溫度異常場(填色)以及位勢高度異常場(等值線，單位：gpm)沿180°～60°W平均后的經(jīng)向-垂直分布(打點代表通過0.05顯著性水平檢驗)

3 大尺度環(huán)流異常

為了進一步理解上述北半球高緯地區(qū)與MJO相聯(lián)系的SAT信號，探究了與MJO位相相聯(lián)系的大尺度異常環(huán)流場的分布特征。Ferranti et al(1990)，Matthews et al(2004)研究表明：與MJO相關(guān)的熱帶非絕熱加熱異常會激發(fā)羅斯貝波列并影響中高緯的大尺度環(huán)流異常。

圖6給出了在冬季MJO位相2和位相6下合成的北半球500 hPa位勢高度異常場。對于MJO位相2，在滯后5 d時，一個顯著的特征是有一個位于北太平洋，中心位于40°N、180°附近的正位勢高度異常中心。在阿拉斯加和加拿大西岸有一個負位勢高度異常中心，加拿大東部則為正位勢高度異常，可以看到波的模態(tài)主要表現(xiàn)出向下游頻散的特征，與PNA的模態(tài)很類似，但是相對于PNA有略微的西移；到滯后10 d時，北大西洋分支有明顯的環(huán)流異常在發(fā)展，形成了近似于正的NAO的模態(tài)。位相6的合成圖表現(xiàn)出和位相2相似的演變特征，但由于此時的熱帶強迫發(fā)生了變化，因此呈現(xiàn)出的波列模態(tài)也相反。

由圖6可以看到北半球高緯表現(xiàn)出負(正)SAT異常的地區(qū)主要對應(yīng)于負(正)位勢高度異常，這表明MJO對北半球高緯地區(qū)SAT信號的影響可能與水平溫度平流的輸送相關(guān)。這種位勢高度的異常在對流層整層基本是一致的，呈現(xiàn)出正壓的結(jié)構(gòu)。參考前人的工作，可以推測與MJO相關(guān)的熱帶對流所引起的加熱異?？赡軙|發(fā)羅斯貝波列，由此持續(xù)性地影響了北半球高緯地區(qū)的環(huán)流異常，從而對季節(jié)內(nèi)SAT信號產(chǎn)生重要影響。

圖6 同圖5，但為合成的冬季500 hPa位勢高度異常場(等值線，間隔為2 gpm)(陰影為通過0.05的顯著性水平檢驗)

為探究熱力因素與異常SAT信號之間是否也存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，對MJO位相下合成的700 hPa比濕場異常場(圖8)進行了簡單分析。可以看到MJO位相2(位相6)下較冷(暖)的SAT分別對應(yīng)于700 hPa較干(濕)的空氣，考慮到對流層中層比濕和向下長波輻射之間又存在正相關(guān)關(guān)系(Overland et al，1997; Adams et al，2000)，可以推測不同MJO位相下的比濕正(負)異常會導致向下長波輻射的正(負)異常，從而會對該地區(qū)的正(負)SAT信號有一定的正貢獻。

由上述分析發(fā)現(xiàn)與MJO對流相聯(lián)系熱帶加熱異常會觸發(fā)東北向傳播的羅斯貝波列，該波列會影響到研究所關(guān)注的高緯地區(qū)的大尺度環(huán)流異常，從而對該地區(qū)的季節(jié)內(nèi)SAT異常信號產(chǎn)生重要影響。此外，除異常環(huán)流場以外，700 hPa比濕場和高緯SAT信號間也有較好的對應(yīng)關(guān)系，表明與輻射過程相關(guān)的熱力因素可能對該地區(qū)的SAT異常有一定的正貢獻。而具體哪一過程在溫度異常的變化中起主導作用還需借助于溫度方程進行診斷分析，在之后的工作中我們會作進一步的研究。

圖7 MJO位相2(a)和位相6(b)合成的200 hPa波活動通量(箭頭，單位： m2·s-2)及羅斯貝波源(填色，單位：10-10 s-2)

圖8 同圖5，但為合成的冬季SAT(填色,僅顯示通過0.05顯著性水平檢驗的部分)和700 hPa比濕異常場(等值線，間隔為2×10-5 kg·kg-1)

4 結(jié)論和討論

本文研究了MJO和北半球冬季高緯地區(qū)SAT之間的聯(lián)系，基于38年(1979—2016年)的逐日2 m地表氣溫資料以及RMM指數(shù)，得到了MJO熱帶對流和北半球冬季高緯地區(qū)SAT異常之間顯著的相關(guān)關(guān)系。全文主要關(guān)注了MJO生命周期中的兩個位相：位相2和位相6，分別對應(yīng)于位于東印度洋和西太平洋地區(qū)的MJO正對流?？紤]到中高緯對于熱帶對流的響應(yīng)存在1～2周的延遲，為使與MJO相聯(lián)系的異常信號更顯著，在進行MJO位相的合成分析時考慮了5～15 d的滯后。可以明顯看到:在北半球高緯地區(qū)，尤其是60°～90°N、180°～60°W這部分區(qū)域，在MJO位于位相2后的5～15 d有明顯的負SAT異常，此時的正對流主要位于印度洋和海洋性大陸地區(qū)，負對流位于太平洋西部及中部；同樣的，在MJO位于位相6后的5～15 d，該區(qū)域有顯著的正SAT異常，對應(yīng)位于印度洋和海洋性大陸的負對流以及位于太平洋西部及中部的正對流。該地區(qū)的溫度異常的垂直分布特征與SAT類似，即在MJO位于位相2后的5～15 d表現(xiàn)為負溫度異常，而在MJO位于位相6后的5～15 d則表現(xiàn)為正溫度異常。滯后合成的大尺度異常環(huán)流場表明熱帶對流活動會對中高緯的SAT產(chǎn)生影響，通常是以羅斯貝波列的形式。500 hPa位勢高度異常的合成場上可以明顯看到在太平洋以及北美地區(qū)形成了類似于PNA模態(tài)的波列。羅斯貝波源及波活動通量的分析表明該波列應(yīng)該是由與MJO對流相聯(lián)系的熱帶加熱異常所觸發(fā)的，同時在加熱場東北側(cè)的正波源區(qū)有東北指向的波活動通量，表明觀測的羅斯貝波列可能是東北方向頻散的羅斯貝能量的結(jié)果。熱帶對流通過這種遙相關(guān)的方式對中高緯的環(huán)流形勢產(chǎn)生影響，從而影響季節(jié)內(nèi)SAT變率。此外700 hPa的比濕異常場的合成分析圖也呈現(xiàn)出與SAT異常信號間較好的對應(yīng)關(guān)系，在高緯地區(qū)溫度負異常時有明顯的比濕負異常，相反的，在溫度正異常時則有明顯的比濕正異常，而對流層中層的比濕和向下長波輻射之間存在正相關(guān)關(guān)系，表明輻射過程等熱力因素也可能會對該地區(qū)的SAT異常有一定的貢獻。

本文中MJO位相和SAT異常間顯著的相關(guān)關(guān)系可能會給北半球高緯地區(qū)SAT的預(yù)報提供一些幫助，因為熱帶地區(qū)緩慢變化的對流活動可以為預(yù)報提供季節(jié)內(nèi)時間尺度上的信息。但是也認識到了本次工作中的幾個局限，首先，上文所討論的滯后合成分析僅僅是多個MJO事件的平均結(jié)果，而這些MJO事件通常具有不同的傳播特征和強度。此外，北極的SAT異常更多是受到高緯地區(qū)自身的變化的影響，比如西伯利亞高壓和北極濤動(AO)等，所以MJO的影響只能被視作是一個附加部分并且它的影響也是有限的。最后，還應(yīng)該注意到，研究不可避免地會受到和厄爾尼諾等相關(guān)的更長時間尺度變率的影響。熱帶MJO是進行10～30 d延伸期預(yù)報的重要可預(yù)報來源，如果能準確預(yù)測MJO的發(fā)展和演變，對于氣候異常的預(yù)測可以提供一些依據(jù)。