春季東大西洋／西俄羅斯遙相關(guān)型異常與我國氣溫異常的聯(lián)系

李忠賢 黃源源 王健治

引用格式：李忠賢，黃源源，王健治，2023.春季東大西洋／西俄羅斯遙相關(guān)型異常與我國氣溫異常的聯(lián)系［J］.大氣科學(xué)學(xué)報，46（6）：876-883.

Li Z X，Huang Y Y，Wang J Z，2023.Variation characteristics of spring East Atlantic／West Russia teleconnection pattern and its relationship with temperature anomalies in China［J］.Trans Atmos Sci，46（6）：876-883.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20210818001.（in Chinese）.

*聯(lián)系人，E-mail：lizhongxian@nuist.edu.cn

2021-08-18收稿，2021-10-25接受

國家自然科學(xué)基金資助項目（42175034）

摘要? 利用1979—2017年逐月中國160站氣溫資料和美國NCEP-DOE再分析資料，研究了春季東大西洋／西俄羅斯（East Atlantic／West Russia，EATL／WRUS）遙相關(guān)型異常與我國氣溫異常的聯(lián)系，并初步探討了這一聯(lián)系的可能物理機制。研究結(jié)果表明，春季EATL／WRUS遙相關(guān)型正（負(fù)）位相表現(xiàn)為北大西洋至歐亞大陸中高緯地區(qū)的500 hPa位勢高度場“+-+”（“-+-”）緯向波列，該波列的三個主要活動中心分別位于西歐、烏拉爾山附近和貝加爾湖南側(cè)。在垂直方向上，春季EATL／WRUS遙相關(guān)型具有明顯的相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。春季EATL／WRUS遙相關(guān)型異常與我國西北地區(qū)春季氣溫異常具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)春季EATL／WRUS遙相關(guān)型處于正（負(fù)）位相年，烏拉爾山附近地區(qū)為負(fù)（正）位勢高度異常和氣旋性（反氣旋性）環(huán)流異常，貝加爾湖南側(cè)地區(qū)出現(xiàn)正（負(fù)）位勢高度異常和反氣旋性（氣旋性）環(huán)流異常，使得影響我國西北地區(qū)的冷空氣減弱（加強），從而導(dǎo)致我國西北地區(qū)春季氣溫異常升高（降低）。

關(guān)鍵詞東大西洋／西俄羅斯型;大氣遙相關(guān);氣溫異常;環(huán)流異常;波活動通量

歐亞中高緯度大氣低頻變化中存在一些重要的遙相關(guān)型，例如，Wallace and Gutzler（1981）提出的冬季500 hPa位勢高度場上的歐亞遙相關(guān)型（EU型）等。采用REOF方法，Barnston and Livezey（1987）分析發(fā)現(xiàn)，歐亞大陸地區(qū)的大氣低頻變化中還存在兩個不同于傳統(tǒng)EU型（Wallace and Gutzler，1981）的遙相關(guān)型，將其分別命名歐亞遙相關(guān)1型（EU1型）和歐亞遙相關(guān)2型（EU2型）。后來，美國國家海洋和大氣管理局氣候預(yù)測中心（CPC／NOAA）又將EU1型命名為斯堪的納維亞遙相關(guān)型（SCAND型），將EU2型命名為東大西洋／西俄羅斯（East Atlantic／West Russia，EATL／WRUS）遙相關(guān)型（劉毓赟和王林，2014;Liu et al.，2014）。已有不少學(xué)者研究了傳統(tǒng)EU型和SCAND型的變化規(guī)律及其與歐亞地區(qū)氣候異常的聯(lián)系，取得了豐碩的研究成果（布和朝魯?shù)龋?008;Wang and He，2015;Wang and Zhang，2015a，2015b;Zhao et al.，2016;Chen et al.，2018；黃丹等，2021;楊潔凡和郭品文，2021），而關(guān)于EATL／WRUS遙相關(guān)型變化特征及其氣候影響的研究還相對較少。

冬季EATL／WRUS遙相關(guān)型有3個活動中心，當(dāng)它處于正位相時，西歐（10°W～10°E，50°～60°N）和中國東北地區(qū)（115°W～135°E，40°～50°N）表現(xiàn)為正位勢高度異常，而里海北部（50°～60°E，40°～50°N）附近表現(xiàn)為負(fù)位勢高度異常（Barnston and Livezey，1987）。近年來的研究表明，冬季EATL／WRUS遙相關(guān)型不僅是影響歐洲地區(qū)大氣環(huán)流和氣候變化的重要因子（Zveryaev and Gulev，2009;Baltac et al.，2018），也是東亞冬季風(fēng)和我國冬季氣候異常的重要信號之一（Liu et al.，2014;Gao et al.，2017;Chen et al.，2019）。例如，Wang et al.（2011）研究發(fā)現(xiàn)，冬季EATL／WRUS遙相關(guān)型可以通過影響西伯利亞高壓強度變化進(jìn)而影響東亞冬季風(fēng)。索朗塔杰等（2020）研究指出，冬季EATL／WRUS遙相關(guān)型的年代際變化可較好地解釋我國長江以北、新疆北部地區(qū)冬季極端低溫指數(shù)的年代際變化。此外，Lin（2014）研究提出，當(dāng)夏季EATL／WRUS遙相關(guān)型處于正位相時，西太平洋副熱帶高壓東退，我國南海北部出現(xiàn)的氣旋式環(huán)流異常，使得我國華南和南海地區(qū)降水增加;同時，西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的東北風(fēng)異常減少了向北的水汽輸送，使我國華北地區(qū)降水減少;反之亦然。Chen et al.（2020）研究認(rèn)為，秋季EATL／WRUS遙相關(guān)型與我國華北平原霾污染關(guān)系密切。

氣溫是氣候系統(tǒng)最顯著的特征量之一，也是短期氣候預(yù)測的主要預(yù)報對象（李維京等，2014）。我國春季氣溫的年際變化劇烈，春季氣溫異常變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響（張霏燕和徐海明，2011;張旭暉等，2013）。因此，深入了解和認(rèn)識我國春季氣溫異常變化的影響因子及其影響機理一直是科學(xué)研究和業(yè)務(wù)預(yù)測中關(guān)注的重點（張定全和王毅榮，2005;Qian and Qin，2006;王林等，2011;陳紅，2017）。作為歐亞中高緯大氣低頻變化的一個重要模態(tài)，EATL／WRUS遙相關(guān)型異常與我國春季氣溫異常變化之間存在怎樣的聯(lián)系？這種聯(lián)系的內(nèi)在物理機制是什么？針對上述問題，本文采用1979—2017年逐月中國160站氣溫資料和美國NCEP-DOE再分析資料，分析了春季EATL／WRUS遙相關(guān)型的變化特征，并初步探討了春季EATL／WRUS遙相關(guān)型與我國西北地區(qū)氣溫異常的聯(lián)系及其可能機制。本文主要內(nèi)容安排如下：第1節(jié)介紹了本研究采用的數(shù)據(jù)資料以及研究方法;第2節(jié)給出了春季EATL／WRUS遙相關(guān)型的變化特征及其與我國氣溫異常變化的聯(lián)系;第3節(jié)探討了可能的物理機制;第4節(jié)總結(jié)了本文的主要結(jié)果和仍待研究的科學(xué)問題。

1? 資料和方法

本文所用的資料來源：1）美國國家環(huán)境預(yù)報中心和美國能源部（NCEP-DOE，National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy）提供的逐月位勢高度和風(fēng)場等再分析資料（Kanamitsu et al.，2002），水平分辨率為2.5°×2.5°，時間段為1979—2017年;2）中國氣象局國家氣候中心提供的逐月中國160站氣溫資料，時間段為1979—2017年;3）美國國家海洋和大氣管理局氣候預(yù)測中心（CPC／NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration Climate Prediction Center，https：／／www.cpc.ncep.noaa.gov／data／teledoc／telecontents.shtml）提供的逐月EATL／WRUS指數(shù)，該指數(shù)定義為北半球熱帶外500 hPa位勢高度距平場經(jīng)REOF分析得到的EATL／WRUS模態(tài)的時間系數(shù)（https：／／www.cpc.ncep.noaa.gov／data／teledoc／teleindcalc.shtml），時間段為1979—2017年。

本研究主要采用相關(guān)分析和回歸分析等統(tǒng)計方法（施能，2002;魏鳳英，2007），并運用t檢驗的方法進(jìn)行顯著性檢驗。涉及季節(jié)平均時，春季為3—5月的平均（MAM）。所有數(shù)據(jù)在分析之前均去除了線性趨勢。

本文采用Takaya and Nakamura（2001）定義的波活動通量（Wave Activity Flux，WAF）來分析與EATL／WRUS遙相關(guān)型相聯(lián)系的準(zhǔn)定常波的活動。Takaya and Nakamura（2001）證明了波活動通量平行于Rossby波的局部群速度，可以用來描述Rossby波的傳播，波活動通量的方程為

WAF=p2UUψ′2x-ψ′ψ′xx+V（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）Uψ′xψ′y-ψ′ψ′xy+V（ψ'2y-ψ′ψ′yy）f20N2Uψ′xψ′z-ψ′ψ′xz+V（ψ′yψ′z-ψ′ψ′yz）

。

其中：U=（U，V）表示平均水平風(fēng)；ψ′表示擾動地轉(zhuǎn)流函數(shù)；N表示Brunt-Visl頻率;f0表示科里奧利力參數(shù);p為氣壓／1 000 hPa;下標(biāo)表示對x或y求偏導(dǎo)數(shù)。本研究的氣候平均風(fēng)場由1979—2017年的風(fēng)場計算得到;擾動地轉(zhuǎn)流函數(shù)則由春季EATL／WRUS指數(shù)與位勢高度距平場的回歸系數(shù)計算得到。

2? 春季EATL／WRUS遙相關(guān)型變化特征及其與我國氣溫異常的聯(lián)系

圖1為1979—2017年春季EATL／WRUS指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列。由圖1可以看出，春季EATL／WRUS指數(shù)具有非常明顯的年際變化特征。小波分析結(jié)果顯示，春季EATL／WRUS指數(shù)主要表現(xiàn)為2～4 a的周期變化特征（圖略）。

圖2給出了春季EATL／WRUS指數(shù)與500 hPa位勢高度距平場的相關(guān)系數(shù)分布。由圖2可以看出，春季EATL／WRUS遙相關(guān)型在水平方向上表現(xiàn)為自北大西洋至東亞地區(qū)的緯向波列特征。春季EATL／WRUS型處于正（負(fù)）位相時，歐亞大陸的中高緯地區(qū)表現(xiàn)出明顯的“+-+”（“-+-”）緯向波列，其主要活動中心位于西歐（10°W～15°E，40°～55°N）、里海北部的烏拉爾山附近（40°～75°E，45°～70°N）和貝加爾湖南側(cè)（85°～120°E，35°～50°N）。當(dāng)春季EATL／WRUS型處于正（負(fù)）位相時，西歐和貝加爾湖南側(cè)活動中心表現(xiàn)為正（負(fù)）位勢高度異常，而烏拉爾山附近活動中心為負(fù)（正）位勢高度異常。春季EATL／WRUS型的空間形態(tài)與冬季EATL／WRUS型（Barnston and Livezey，1987）較為相似，但三個活動中心的位置發(fā)生偏移。

為了反映春季EATL／WRUS遙相關(guān)型在歐亞大陸上空的垂直空間分布特征，圖3給出了春季EATL／WRUS指數(shù)與位勢高度距平場回歸系數(shù)的1 000 hPa～50 hPa垂直剖面。由于春季EATL／WRUS型的三個活動中心不在同一緯度上，垂直剖面圖由通過這三個活動中心的折線（如圖2中實線所示）得到。由圖3可以看出，春季EATL／WRUS遙相關(guān)型表現(xiàn)出顯著的相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)，這種相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)反映了準(zhǔn)定常Rossby波活動的基本特征（張若楠等，2018;于怡秋等，2022）。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，春季EATL／WRUS遙相關(guān)型在整個對流層都比較明顯，其活動中心異常強度在對流層上部200～300 hPa附近最強。

由上述分析可知，春季EATL／WRUS型遙相關(guān)波列的主要活動范圍幾乎橫貫整個歐亞大陸的中高緯地區(qū)，我國正處于該遙相關(guān)波列的下游地區(qū)，那么春季EATL／WRUS遙相關(guān)型與我國氣溫異常之間存在著怎樣的聯(lián)系呢？為了探究這一問題，我們利用中國氣象局國家氣候中心提供的160站氣溫資料，計算了春季EATL／WRUS指數(shù)與我國春季氣溫異常的相關(guān)系數(shù)（圖4a）和回歸系數(shù)分布（圖4b）。從圖4a可以看出，除西藏和西南地區(qū)以外，春季EATL／WRUS指數(shù)與我國大部分地區(qū)的春季氣溫異常為正相關(guān)關(guān)系，這一關(guān)系在西北地區(qū)尤為顯著，最大相關(guān)系數(shù)超過了0.40，通過了置信水平為95％的顯著性檢驗。從圖4b可以看出，當(dāng)春季EATL／WRUS指數(shù)變化一個標(biāo)準(zhǔn)差時，我國西北地區(qū)春季氣溫異常變化0.3 ℃左右。上述分析表明，當(dāng)春季EATL／WRUS遙相關(guān)型處于正（負(fù)）位相時，我國西北地區(qū)春季氣溫顯著偏高（偏低）。

3? 春季EATL／WRUS遙相關(guān)型異常影響我國氣溫異常的可能機制

已有研究指出，春季歐亞中高緯大氣環(huán)流系統(tǒng)異常對我國氣溫異常具有重要的影響（史湘軍和智協(xié)飛，2007;Wang et al.，2014;申紅艷等，2015;Chen et al.，2018）。圖5給出了春季EATL／WRUS指數(shù)與300 hPa渦度距平場和波活動通量場的回歸系數(shù)分布，反映了與春季EATL／WRUS遙相關(guān)型相聯(lián)系的Rossby波的異常傳播路徑及其與大尺度異常渦旋運動間的關(guān)系。

如圖5所示，300 hPa渦度距平回歸場在歐亞大陸中高緯地區(qū)也表現(xiàn)出緯向波列分布特征，主要渦度異常中心分別位于歐洲地區(qū)、烏拉爾山附近和貝加爾湖南側(cè)，上述渦度異常中心與春季EATL／WRUS型遙相關(guān)波列的主要活動中心位置（圖2）基本一致。可見，當(dāng)春季EATL／WRUS型處于正位相時，西歐和貝加爾湖南側(cè)為位勢高度正異常和渦度負(fù)異常，烏拉爾山附近為位勢高度負(fù)異常和渦度正異常。值得注意的是，在北大西洋中高緯海域（15°～30°W，55°～70°N）上空還存在一處顯著的渦度正異常中心，這說明與春季EATL／WRUS遙相關(guān)型相聯(lián)系的Rossby波活動可能受到北大西洋的影響或調(diào)制。在300 hPa波活動通量回歸場上，歐亞中高緯地區(qū)有一支異常的波活動通量從歐亞遙相關(guān)波列上游的北大西洋開始向下游地區(qū)傳播，在東歐平原加強后繼續(xù)向下游傳播至東亞地區(qū)，這有利于春季EATL／WRUS型遙相關(guān)波列的產(chǎn)生和維持。此外，渦度正、負(fù)異常中心沿著異常波活動通量路徑交替出現(xiàn)，符合Rossby波傳播的基本特征。

由春季EATL／WRUS指數(shù)與同期700 hPa風(fēng)場距平場回歸系數(shù)分布（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，春季EATL／WRUS遙相關(guān)型與歐亞大陸中高緯地區(qū)的風(fēng)場異常密切相關(guān)。在春季EATL／WRUS型正位相年，烏拉爾山附近為異常氣旋性環(huán)流，貝加爾湖南側(cè)地區(qū)為異常反氣旋性環(huán)流，在兩者的共同作用下，不利于西伯利亞和極地冷空氣向南輸送，從而易造成我國西北地區(qū)春季氣溫異常升高。在春季EATL／WRUS型負(fù)位相年，烏拉爾山附近為異常反氣旋性環(huán)流，貝加爾湖南側(cè)地區(qū)為異常氣旋性環(huán)流，受其影響，有利于北方冷空氣南下，進(jìn)而影響我國西北地區(qū)氣溫變化。由此可見，與春季EATL／WRUS遙相關(guān)型相聯(lián)系的烏拉爾山附近的氣旋性（反氣旋性）環(huán)流異常和貝加爾湖南側(cè)的反氣旋性（氣旋性）環(huán)流異常與我國西北地區(qū)春季氣溫的異常變化息息相關(guān)。

綜合前文的分析可知，與春季EATL／WRUS遙相關(guān)型相聯(lián)系的Rossby波能量從北大西洋向下游傳播，在歐亞大陸上形成緯向波列，該波列引起烏拉爾山附近和貝加爾湖南側(cè)的位勢高度異常和風(fēng)場異常，進(jìn)而影響了我國西北地區(qū)春季氣溫異常。

4? 結(jié)論

本文基于1979—2017年逐月中國160站氣溫資料和美國NCEP-DOE再分析資料，探討了春季EATL／WRUS遙相關(guān)型異常變化特征及其與我國氣溫異常的聯(lián)系，并初步探討了這一聯(lián)系的可能物理機制，得到以下主要結(jié)論：

1）春季EATL／WRUS遙相關(guān)型正（負(fù)）位相主要表現(xiàn)為北大西洋至歐亞中高緯地區(qū)500 hPa位勢高度距平場“+-+”（“-+-”）緯向波列，該波列的主要活動中心分別位于西歐、烏拉爾山附近和貝加爾湖南側(cè)。在垂直方向上，春季EATL／WRUS型遙相關(guān)波列表現(xiàn)出明顯的相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)。

2）春季EATL／WRUS遙相關(guān)型與我國西北地區(qū)春季氣溫異常具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。春季EATL／WRUS遙相關(guān)型正（負(fù)）位相年，烏拉爾山附近出現(xiàn)負(fù)（正）位勢高度異常和氣旋性（反氣旋性）環(huán)流異常，貝加爾湖南側(cè)表現(xiàn)為正（負(fù)）位勢高度異常和反氣旋性（氣旋性）環(huán)流異常，進(jìn)而影響我國西北地區(qū)的冷空氣減弱（加強），使得我國西北地區(qū)出現(xiàn)顯著的氣溫正（負(fù)）異常。

本文所得結(jié)果主要基于觀測資料診斷分析，對于春季EATL／WRUS遙相關(guān)型對我國春季氣溫異常的影響機理仍有待于數(shù)值試驗的進(jìn)一步驗證。此外，本文的研究發(fā)現(xiàn)，春季EATL／WRUS遙相關(guān)年際變率在2000年以后顯著減弱（圖1），其變化可能與大氣波動異常等大氣內(nèi)部動力學(xué)過程有關(guān)（Lim，2015），也可能與北大西洋海溫異常變化等外強迫存在聯(lián)系（Liu et al.，2014），關(guān)于春季EATL／WRUS遙相關(guān)型年際變率的機理還有待于今后進(jìn)一步深入研究。

致謝：本論文的數(shù)值計算得到了南京信息工程大學(xué)高性能計算中心的計算支持和幫助。

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·ARTICLE·

Variation characteristics of spring East Atlantic／West Russia teleconnection pattern and its relationship with temperature anomalies in China

LI Zhongxian1，2，HUANG Yuanyuan2，WANG Jianzhi3

1Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education （KLME）／Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC）／Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters （CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044，China;

2School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044，China;

3Meteorological Observatory of Xiamen Air Traffic Management Bureau，Civil Aviation Administration of China，Xiamen 361006，China

Abstract? Based on the observed monthly temperature data of 160 stations in China and NCEP-DOE reanalysis （R-2） data from 1979 to 2017，the variation characteristics of spring East Atlantic／West Russia （EATL／WRUS） teleconnection pattern and its relationship with spring temperature anomalies in China are investigated in this paper.Results show that the positive （negative） phase of spring EATL／WRUS pattern presents a “+-+” （“-+-”） zonal wave train over 500 hPa from North Atlantic to middle and high latitudes of Eurasia.The main active centers of the wave train are located in West Europe，near the Urals and south to the Lake Baikal，respectively.In the vertical direction，spring EATL／WRUS pattern is featured by a significant quasi-barotropic structure.There is a significant positive correlation between spring EATL／WRUS pattern anomaly and the spring temperature anomalies in Northwest China.During the positive （negative） phase years of spring EATL／WRUS pattern，there are negative （positive） anomaly of geopotential height and anomalous cyclonic （anticyclonic） circulation near the Urals，as well as positive （negative） anomaly of geopotential height and anomalous anticyclonic （cyclonic） circulation south to the Lake Baikal，which weakens （strengthens） the cold air affecting Northwest China，leading to an increase （decrease） of spring temperature in Northwest China.

Keywords? East Atlantic／West Russia pattern;atmospheric teleconnection;temperature anomaly;circulation anomaly;wave activity flux

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20210818001

（責(zé)任編輯：張福穎）