曹杰 李湘瑞 應(yīng)俊

云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院大氣科學(xué)系，昆明650091

20世紀(jì)70年代末前后北半球冬季對(duì)流層遙相關(guān)的時(shí)空演變研究

曹杰 李湘瑞 應(yīng)俊

云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院大氣科學(xué)系，昆明650091

應(yīng)用NOAA提供的1950～2008年月平均500hPa高度場(chǎng)再分析資料、海表溫度、太平洋年代際振蕩（PDO）指數(shù)和大西洋三極模 （ATM）指數(shù)，研究了20世紀(jì)70年代末前后北半球冬季對(duì)流層遙相關(guān)的時(shí)空演變規(guī)律。相關(guān)分析、Mann－Kendall分析和凝聚小波分析的結(jié)果表明，20世紀(jì)70年代末以來(lái)，太平洋—北美 （PNA）型、歐亞 （EUP）型、西太平洋 （WP）型和西大西洋 （WA）型四種遙相關(guān)空間分布和時(shí)間演變產(chǎn)生較為顯著的變化?？臻g分布的變化既體現(xiàn)在遙相關(guān)正、負(fù)異常中心的強(qiáng)度上，也體現(xiàn)在正、負(fù)異常的范圍上；時(shí)間演變方面的變化則體現(xiàn)在PNA和WP遙相關(guān)指數(shù)具有上升趨勢(shì)，EUP和WA遙相關(guān)指數(shù)具有一定下降趨勢(shì)。20世紀(jì)70年代末以來(lái)，影響北半球冬季5種遙相關(guān)型的海溫關(guān)鍵區(qū)均有所改變。其中，各大洋上影響EUP遙相關(guān)型的海溫關(guān)鍵區(qū)面積顯著縮小，影響WA遙相關(guān)型的太平洋海溫關(guān)鍵區(qū)面積顯著縮小，影響EA遙相關(guān)型海溫關(guān)鍵區(qū)在北大西洋中南部改變明顯；在16年以上時(shí)間尺度上，PDO變化是造成北半球冬季PNA、EUP、WP三種遙相關(guān)型變化的主要原因；ATM變化是造成北半球冬季W(wǎng)A和EA兩種遙相關(guān)型變化的主要原因。

20世紀(jì)70年代末 北半球大氣遙相關(guān) 時(shí)空演變 海表溫度

1 引言

大氣遙相關(guān)在固定地理區(qū)域內(nèi)的重復(fù)出現(xiàn)將引起相應(yīng)區(qū)域的氣候異常和氣候?yàn)?zāi)害的發(fā)生，因此，對(duì)大氣遙相關(guān)的研究一直是大氣科學(xué)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題 （譚桂榮等，2010；黃榮輝和王磊，2010，金大超等，2010）。自20世紀(jì)80年代 Wallace and Gutzler（1981）用大量的統(tǒng)計(jì)事實(shí)發(fā)現(xiàn)北半球冬季500hPa存在太平洋—北美 （PNA）型、歐亞 （EU）型、西大西洋 （WA）型、西太平洋（WP）和東大西洋 （EA）型5種遙相關(guān)型以來(lái)，遙相關(guān)研究取得了很大進(jìn)展。例如，Horel and Wallace（1981）和 Hoskins and Karoly（1981）從波能量頻散的角度對(duì)大氣遙相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，并建立 “大圓理論”。Frederiksen（1982）、Frederiksen and Frederiksen （1993）、Simmons et al.（1983）、李崇銀等 （1995）則從氣候基本態(tài)的研究角度出發(fā)，進(jìn)一步對(duì)大氣遙相關(guān)的時(shí)空變化進(jìn)行了說(shuō)明。最近，李勇等 （2006）研究了 WP遙相關(guān)型與赤道中東太平洋海溫的關(guān)聯(lián)性和獨(dú)立性，發(fā)現(xiàn)WP型與赤道中東太平洋海溫不但存在同時(shí)相關(guān)，而且海溫超前4～5個(gè)月時(shí)這種關(guān)系已非常顯著。但是，另一方面WP型又相對(duì)獨(dú)立于海溫，大氣內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程對(duì)于WP型的存在有重要作用。陳芳麗和黎偉標(biāo) （2009）進(jìn)一步研究了冬、夏季北半球大氣遙相關(guān)型的差異及其與溫度場(chǎng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)北半球冬、夏季典型的大氣遙相關(guān)型具有很大的差異，且大氣遙相關(guān)路徑的偏折與溫度場(chǎng)的變化有密切的關(guān)系等。

20世紀(jì)70年代末期氣候系統(tǒng)發(fā)生了顯著的年代際變化。例如，大氣環(huán)流基本模態(tài)顯著改變，其中，低緯度高度場(chǎng)升高，高緯度高度場(chǎng)降低，兩個(gè)半球中緯度西風(fēng)顯著加強(qiáng) （朱錦紅等，2003），東亞季風(fēng)減弱 （Wang，2001），大氣季節(jié)內(nèi)振蕩加強(qiáng)（劉蕓蕓等，2006）等等。在海洋方面，北太平洋海溫也發(fā)生了顯著的年代際變化，20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，赤道中東太平洋增暖，而西北太平洋冷卻，并將北太平洋海溫的這種年代際變化稱為太平洋年代際振蕩 （PDO）（Mantua et al.，1997；Zhang et al.，1997）。可見(jiàn)，在20世紀(jì)70年代末期，與北半球冬季大氣遙相關(guān)時(shí)空演變密切相關(guān)的氣候基本態(tài)以及外源強(qiáng)迫都發(fā)生了年代際變化。然而，對(duì)于20世紀(jì)70年代末期前后北半球主要遙相關(guān)型的時(shí)空演變規(guī)律尚不十分清楚。本文將對(duì)20世紀(jì)70年代末期前后北半球冬季對(duì)流層遙相關(guān)的時(shí)空演變及其與外源強(qiáng)迫的關(guān)系進(jìn)行診斷研究，以期更好地認(rèn)識(shí)北半球冬季對(duì)流層遙相關(guān)的時(shí)空演變規(guī)律。

2 數(shù)據(jù)和方法

本文采用由美國(guó)NOAA／OAR／ESRL PSD提供的1950～2008年第二版20世紀(jì)北半球冬季（12、1、2月）500hPa位勢(shì)高度再分析資料、海表溫度資料 （Compo et al.，2006，2011），水平分辨率為2°×2°，1950～2008年P(guān)DO指數(shù) （Mantua et al.，1997；Zhang et al.，1997）和大西洋三極模（ATM）指數(shù) （Deser and Timlin，1997）。已有研究表明全球氣候系統(tǒng)在1976／1977年發(fā)生年代際變化，1976～1979年為不同年代際階段相互轉(zhuǎn)變的過(guò)渡時(shí)期 （李霞等，2007；韓晉平和王會(huì)軍，2007）。因此，分析時(shí)將1950～1975年作為20世紀(jì)70年代末以前時(shí)段，將1980～2008作為20世紀(jì)70年代末以后時(shí)段。

根據(jù)Wallace and Gutzler（1981）的工作，首先計(jì)算出北半球冬季500hPa太平洋—北美 （PNA）型、歐亞太平洋 （EUP）型、西大西洋 （WA）型、西太平洋 （WP）和東大西洋 （EA）型5種遙相關(guān)型指數(shù)：

其中，

z（x，y，t）為任一格點(diǎn)500hPa月平均位勢(shì)高度值，（x，y）為此格點(diǎn)多年平均值，N為樣本數(shù)。然后應(yīng)用相關(guān)分析、相關(guān)系數(shù)差異顯著性檢驗(yàn)（Yang et al.，2010）、凝聚小波分析 （Torrence and Compo，1998；Grinsted et al.，2004）來(lái)研究20世紀(jì)70年代末前后北半球冬季對(duì)流層各遙相關(guān)型的時(shí)空演變規(guī)律。

Mann－Kendall檢驗(yàn)方法中，統(tǒng)計(jì)量UF定義為：

其中，E（sk）和 Var（sk）是sk的均值和方差 （魏鳳英，1999）。

3 結(jié)果分析

應(yīng)用式 （1）計(jì)算出北半球冬季PNA遙相關(guān)指數(shù)，再分別與同期500hPa高度場(chǎng)計(jì)算點(diǎn)相關(guān) （圖1）。從圖1a和1b可以看出，20世紀(jì)70年代末前后的相關(guān)系數(shù)空間分布呈現(xiàn)典型的PNA遙相關(guān)型，其分布特征與 Wallace and Gutzler（1981）獲得的PNA遙相關(guān)型空間分布非常接近，其中正異常中心分別位于夏威夷附近和北美北部，負(fù)異常中心分別位于北美西海岸附近和墨西哥灣附近。與20世紀(jì)70年代末前PNA遙相關(guān)型的空間分布相比，20世紀(jì)70年代末以來(lái)PNA遙相關(guān)型在空間分布上出現(xiàn)了一些變化，夏威夷附近的顯著正相關(guān)強(qiáng)度、北美西海岸附近的顯著負(fù)相關(guān)范圍和強(qiáng)度、北美北部的顯著正相關(guān)范圍以及墨西哥灣的顯著負(fù)相關(guān)強(qiáng)度有所增強(qiáng)或擴(kuò)大 （圖1b）。為進(jìn)一步確定20世紀(jì)70年代末前后PNA遙相關(guān)型空間分布的差異，用前后兩個(gè)時(shí)段各網(wǎng)格點(diǎn)上的相關(guān)系數(shù)相減，并對(duì)相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)差值進(jìn)行檢驗(yàn) （圖1c）。從圖1c可以清楚地看出，在北美西海岸的負(fù)相關(guān)范圍和強(qiáng)度、北美北部的顯著正相關(guān)范圍以及墨西哥灣的顯著負(fù)相關(guān)強(qiáng)度的變化最為顯著，通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)，表明20世紀(jì)70年代末前后北半球冬季PNA遙相關(guān)型的空間分布發(fā)生了顯著變化。

同樣計(jì)算了北半球冬季EUP遙相關(guān)指數(shù)，再分別與同期500hPa高度場(chǎng)計(jì)算點(diǎn)相關(guān) （圖2）。從圖2a和2b可以看出，20世紀(jì)70年代末前后的相關(guān)系數(shù)空間分布均呈現(xiàn)典型的EUP遙相關(guān)型，其分布特征與 Wallace and Gutzler（1981）獲得的EUP遙相關(guān)型空間分布非常接近，其中一個(gè)負(fù)異常中心位于斯堪的納維亞和波蘭附近，另一個(gè)負(fù)異常中心位于日本附近，正異常中心位于西伯利亞附近。與20世紀(jì)70年代末以前EUP遙相關(guān)型的空間分布相比 （圖2a），20世紀(jì)70年代以前EUP遙相關(guān)型空間分布出現(xiàn)的變化主要體現(xiàn)在位于日本附近的負(fù)異常強(qiáng)度和范圍有所增強(qiáng)和擴(kuò)大，西伯利亞附近的正異常強(qiáng)度有所增強(qiáng)，以及位于斯堪的納維亞和波蘭附近的負(fù)異常范圍有所擴(kuò)大 （圖2b）。進(jìn)一步對(duì)20世紀(jì)70年代末前后的相關(guān)系數(shù)差值進(jìn)行檢驗(yàn)后可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)差異通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域主要出現(xiàn)在蒙古和烏拉爾山附近 （圖2c）。這主要是由于位于日本附近的負(fù)異常區(qū)西擴(kuò)和位于西伯利亞附近的正異常區(qū)北抬引起。

根據(jù) Wallace and Gutzler（1981）的定義，計(jì)算了北半球冬季W(wǎng)P遙相關(guān)指數(shù)，再分別與同期500hPa高度場(chǎng)計(jì)算點(diǎn)相關(guān) （圖3）。從圖3a和3b可以看出，20世紀(jì)70年代末前后的相關(guān)系數(shù)空間分布均呈現(xiàn)典型的 WP遙相關(guān)型 （Wallace and Gutzler，1981），其中一個(gè)正異常中心位于鄂霍次克海附近，另一個(gè)負(fù)異常中心位于日本以東的洋面附近。通過(guò)比較20世紀(jì)70年代末前后兩個(gè)正負(fù)中心的變化可以發(fā)現(xiàn)，在1980～2008年期間兩個(gè)中心不僅地理位置有了稍微的偏移，范圍也有了明顯的變化。20世紀(jì)70年代末以來(lái)，位于日本以東的負(fù)異常中心分裂為兩個(gè)負(fù)中心，其中一個(gè)保持在日本以東區(qū)域，另一個(gè)出現(xiàn)在印度西部；同時(shí)正異常中心也出現(xiàn)分裂，其中一個(gè)保持在鄂霍次克海附近，另一個(gè)出現(xiàn)在烏拉爾山附近，并和印度西部的負(fù)異常中心構(gòu)成一對(duì)偶極型遙相關(guān) （圖3b）。進(jìn)一步對(duì)20世紀(jì)70年代末前后的相關(guān)系數(shù)差值進(jìn)行檢驗(yàn)后可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)差異通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域主要出現(xiàn)在烏拉爾山附近和貝加爾湖附近，這可能是由于20世紀(jì)70年代末以來(lái)正負(fù)異常中心出現(xiàn)分裂所致 （3c）。

圖1 20世紀(jì)70年代末前 （a）、后（b）北半球冬季PNA遙相關(guān)型的空間分布及其差值檢驗(yàn)（c）。等值線間隔：0.2；陰影：通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域Fig.1 The spatial distributions of PNA teleconnection pattern during Northern Hemisphere winter（a）before and（b）after the end of the 1970s，and（c）the corresponding difference test.The contour interval is 0.2；the areas passing 0.95confidence level test are shaded

圖2 同圖1，但為EUP遙相關(guān)型Fig.2 Same as Fig.1，but for EUP teleconnection pattern

圖3 同圖1，但為WP遙相關(guān)型Fig.3 Same as Fig.1，but for WP teleconnection pattern

類似地計(jì)算了北半球冬季W(wǎng)A遙相關(guān)指數(shù)與同期500hPa高度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù) （圖4）。從圖4a和4b可以看出，20世紀(jì)70年代末前后的相關(guān)系數(shù)空間分布均呈現(xiàn)典型的 WA遙相關(guān)型 （Wallace and Gutzler，1981）。從圖4a可以看出在20世紀(jì)70年代末前正異常中心位于戴維斯海峽附近，負(fù)異常中心位于百慕大以東的洋面上。對(duì)比20世紀(jì)70年代末前后WA的正負(fù)異常強(qiáng)度和范圍可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩者都有所變化 （圖4b），但未能通過(guò)95%的信度檢驗(yàn) （圖4c）。20世紀(jì)70年代末前后的WA遙相關(guān)型空間分布差異不顯著。

最后，應(yīng)用式 （5）計(jì)算了北半球冬季EA遙相關(guān)指數(shù)與同期500hPa高度場(chǎng)相關(guān)系數(shù) （圖5）。從圖5a和5b可以看出，20世紀(jì)70年代末前后的相關(guān)系數(shù)空間分布均呈現(xiàn)典型的EA遙相關(guān)型，其中的一個(gè)正異常中心位于英國(guó)以西的洋面上，一個(gè)負(fù)異常中心位于里海附近，另一個(gè)負(fù)異常中心位于加納利群島附近 （Wallace and Gutzler，1981）。對(duì)比20世紀(jì)70年代末前后EA遙相關(guān)型幾乎沒(méi)有什么明顯的變化，對(duì)其做的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)也沒(méi)有通過(guò)95%的信度檢驗(yàn) （圖5c）。

表1 20世紀(jì)70年代末前后北半球冬季5種遙相關(guān)指數(shù)的均值檢驗(yàn)Table 1 The mean test for 5teleconnection indices during the Northern Hemisphere winter before and after the end of the 1970s

圖4 同圖1，但為WA遙相關(guān)型Fig.4 Same as Fig.1，but for WA teleconnection pattern

圖5 同圖1，但為EA遙相關(guān)型Fig.5 Same as Fig.1，but for EA teleconnection pattern

從表1可以看出，北半球冬季5種遙相關(guān)型中有三種，即EUP、WP和EA遙相關(guān)型在20世紀(jì)70年代末前后未出現(xiàn)顯著的均值差異，其余兩種，即PNA和WA遙相關(guān)在20世紀(jì)70年代末前后則出現(xiàn)了顯著均值差異。其中在20世紀(jì)70年代末前PNA以負(fù)位相為主，以后轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉幌酁橹?；而WA則從20世紀(jì)70年代末前的以正位相為主的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹蟮囊载?fù)位相為主的狀態(tài)。

圖6 北半球冬季5種遙相關(guān)型的Mann－Kendall檢驗(yàn)：（a）PNA型；（b）EUP型；（c）WP型；（d）WA型；（e）EA型Fig.6 The Mann－Kendall test for five teleconnection patterns during the Northern Hemisphere winter：（a）PNA；（b）EUP；（c）WP；（d）WA；（e）EA

從圖6a和6c可以看出，20世紀(jì)70年代末以前，UF統(tǒng)計(jì)量圍繞零線波動(dòng)，此時(shí)北半球冬季PNA和WP遙相關(guān)指數(shù)無(wú)持續(xù)的上升或下降趨勢(shì)；20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，雖然大部分UF統(tǒng)計(jì)量值未超過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)，但均為正值，此時(shí)PNA和WP遙相關(guān)指數(shù)具有上升趨勢(shì)。從圖6b和6d可以看出，大致在20世紀(jì)70年代以前，UF統(tǒng)計(jì)量圍繞零線波動(dòng)，此時(shí)北半球冬季EUP和WA遙相關(guān)指數(shù)無(wú)持續(xù)的上升或下降趨勢(shì)；大致在20世紀(jì)70年代以后，大部分UF統(tǒng)計(jì)量值為負(fù)值但未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，此時(shí)EUP和WA遙相關(guān)指數(shù)具有一定下降趨勢(shì)。EA遙相關(guān)指數(shù)大部分為負(fù)值但未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，表明EA遙相關(guān)指數(shù)具有一定的下降趨勢(shì) （圖6e）。在臨界區(qū)值域內(nèi)，北半球冬季5種遙相關(guān)指數(shù)的UF和UB兩條曲線均存在有多個(gè)交點(diǎn)，因此，不能確定這些交點(diǎn)是否是突變點(diǎn)?？梢?jiàn)，20世紀(jì)70年代末前后北半球冬季遙相關(guān)型的時(shí)間演變也產(chǎn)生了一定的變化。

Bjerkness（1966）早在1966年就指出，準(zhǔn)定常熱源是激發(fā)產(chǎn)生對(duì)流層大氣環(huán)流遙相關(guān)型的主要原因之一。20世紀(jì)70年代末以來(lái)全球氣候系統(tǒng)中的準(zhǔn)定常熱源的范圍和強(qiáng)度存在顯著差異。因此，有必要進(jìn)一步分析海溫異常對(duì)北半球冬季5種遙相關(guān)型的影響。

圖7 20世紀(jì)70年代末前 （a）、后 （b）北半球冬季PNA遙相關(guān)指數(shù)與北半球海溫異常的相關(guān)分析。等值線間隔：0.2；陰影：通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域Fig.7 The correlation analysis between the PNA index and SST anomaly during the Northern Hemisphere winter（a）before and（b）after the end of the 1970s.The contour interval is 0.2and the shading denotes the correlation passing 0.05significance level test

從圖7可以看出，20世紀(jì)70年代末以前，PNA遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫顯著負(fù)相關(guān)區(qū)主要位于北太平洋，顯著正相關(guān)區(qū)則位于北美西海岸和赤道中東太平洋。此外，在墨西哥灣還存在一顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，在加勒比海和印度洋還分別存在顯著的正相關(guān)區(qū)。其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.38以上，通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)，整個(gè)顯著相關(guān)區(qū)呈典型的PDO空間分布 （圖7a）。20世紀(jì)70年代末以來(lái)，PNA遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)出現(xiàn)了一定的變化，除位于北太平洋、北美西海岸和赤道中東太平洋的關(guān)鍵區(qū)得以保持外，位于印度洋、墨西哥灣和加勒比海的海溫關(guān)鍵區(qū)有縮小的趨勢(shì) （圖7b）。對(duì)北半球冬季PDO指數(shù)與PNA指數(shù)進(jìn)行凝聚小波分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者在16年以上時(shí)間尺度上具有很好的凝聚共振關(guān)系，且在該尺度上位相角位于第一象限，PDO指數(shù)的變化要超前于PNA指數(shù)的變化 （圖8a）。由于在大西洋上也存在PNA指數(shù)與海溫的高相關(guān)區(qū)，進(jìn)一步對(duì)北半球冬季ATM指數(shù)與PNA指數(shù)進(jìn)行凝聚小波分析。從圖8b可以看出，北半球冬季ATM指數(shù)與PNA指數(shù)在16年以上時(shí)間尺度上也具有較好的凝聚共振關(guān)系，但凝聚譜值要比PDO指數(shù)與PNA指數(shù)的凝聚值小。該尺度位相角也在第一象限，ATM指數(shù)的變化也超前于PNA指數(shù)出現(xiàn)變化。這表明在20世紀(jì)70年代末以前PDO多處于負(fù)位相而之后PDO多處于正位相，可能是導(dǎo)致PNA遙相關(guān)指數(shù)在20世紀(jì)70年代末以來(lái)多為正值的主要原因之一。

20世紀(jì)70年代末前，EUP遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫顯著負(fù)相關(guān)區(qū)主要位于中國(guó)東部沿海，顯著正相關(guān)區(qū)則主要出現(xiàn)在熱帶中太平洋和大西洋北部 （圖9a）。20世紀(jì)70年代末以來(lái)，EUP遙相關(guān)型的對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)面積顯著縮小，顯著負(fù)相關(guān)區(qū)僅出現(xiàn)在朝鮮半島附近，并在印度洋出現(xiàn)了一新的負(fù)相關(guān)區(qū)；顯著正相關(guān)區(qū)則只出現(xiàn)在北美東海岸45°N附近 （圖9b）。由于在太平洋上的相關(guān)系數(shù)分布也呈現(xiàn)類似PDO的空間分布，于是對(duì)北半球冬季PDO指數(shù)與EUP指數(shù)進(jìn)行凝聚小波分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者在16年以上時(shí)間尺度上具有很好的凝聚共振關(guān)系，且在該尺度上位相角位于第一象限，PDO指數(shù)的變化要略超前于EUP指數(shù)的變化（圖10a）。同樣，在大西洋上也存在PNA指數(shù)與海溫的高相關(guān)區(qū)，于是再計(jì)算ATM指數(shù)與EUP指數(shù)間的凝聚小波功率譜。從圖10b可以看出，雖然兩者間在16年以上時(shí)間尺度上也具有很好的凝聚共振關(guān)系，但在該尺度位相角接近于0°，ATM指數(shù)的變化與EUP指數(shù)幾乎同時(shí)出現(xiàn)變化，即在該尺度上ATM與EUP遙相關(guān)間的因果關(guān)系不明顯。PDO的變化超前EUP遙相關(guān)型的凝聚位相關(guān)系表明太平洋海溫年代際的變化仍為影響北半球冬季EUP遙相關(guān)的主要原因之一。

圖8 北半球冬季 （a）PDO指數(shù)、（b）ATM指數(shù)與PNA指數(shù)的凝聚小波分析。實(shí)線：通過(guò)0.95信度檢驗(yàn)的臨界值；細(xì)實(shí)線：連續(xù)小波變換的數(shù)據(jù)邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域；箭頭由左指向右表示兩個(gè)時(shí)間系數(shù)呈同位相變化，箭頭豎直指向上表示前一個(gè)變量的變化超前于后一個(gè)變量90°Fig.8 The coherence analysis（a）between PNA index and PDO index and（b）between PNA index and ATM index.The thick black contour designates the 5%significance level against red noise and the cone of influence（COI）where edge effects might distort the picture is shown as thin curve；the relative phase relationship is shown as arrows with in－phase pointing right and anti－phase pointing left，and vertical arrows pointing upward show that the first variable leads the second one by 90°

圖9 同圖7，但為EUP指數(shù)Fig.9 The same as Fig.7，but for EUP index

圖10 同圖8，但為EUP指數(shù)Fig.10 The same as Fig.8，but for EUP index

圖11 同圖7，但為WP指數(shù)Fig.11 The same as Fig.7，but for WP index

圖12 同圖8a，但為WP指數(shù)Fig.12 The same as Fig.8a，but for WP index

無(wú)論在20世紀(jì)70年代末之前，還是在其后，WP遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)除在大西洋上的海溫關(guān)鍵區(qū)消失以外，其余與PNA遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)基本一致（圖11a和11b）。對(duì)北半球冬季PDO指數(shù)與WP指數(shù)進(jìn)行凝聚小波分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者在16年以上時(shí)間尺度上具有很好的凝聚共振關(guān)系，且在該尺度上位相角位于第一象限，PDO指數(shù)的變化要超前于 WP指數(shù)的變化 （圖12）。表明PDO可能是導(dǎo)致 WP遙相關(guān)變化的主要原因之一。

從圖13a可以看出，20世紀(jì)70年代末以前，WA遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫顯著負(fù)相關(guān)區(qū)主要位于墨西哥灣至百慕大附近海域和東北太平洋，顯著正相關(guān)區(qū)則主要出現(xiàn)在副熱帶東太平洋和大西洋北部的拉布拉多海附近，此外在北大西洋南部也存在小片的顯著正相關(guān)區(qū)。20世紀(jì)70年代末以來(lái)，位于太平洋上海溫關(guān)鍵區(qū)面積顯著縮小，無(wú)顯著負(fù)相關(guān)區(qū)，顯著正相關(guān)區(qū)也僅出現(xiàn)在北美西海岸，位于北大西洋的海溫關(guān)鍵區(qū)的空間分布大致與20世紀(jì)70年代末以前的類似，只是位于大西洋北部拉布拉多海附近的顯著正相關(guān)區(qū)明顯縮小，而位于北大西洋南部的顯著正相關(guān)區(qū)明顯擴(kuò)大 （圖13b）。從ATM指數(shù)與 WA指數(shù)的凝聚小波分析結(jié)果 （圖14）可以看出，與PNA、EUP和WP三種遙相關(guān)型的凝聚小波分析結(jié)果不同，在20世紀(jì)70年代末以前ATM指數(shù)與WA指數(shù)的凝聚共振周期出現(xiàn)在12年左右的時(shí)間尺度上；在20世紀(jì)70年代末以來(lái)ATM指數(shù)與WA指數(shù)的凝聚共振周期出現(xiàn)在8～10年的時(shí)間尺度上。在12年左右時(shí)間尺度上，位相角接近于0°，ATM指數(shù)的變化略超前于WA指數(shù)出現(xiàn)變化，而在8～10年時(shí)間尺度上位相角多位于第一象限，ATM指數(shù)超前WA指數(shù)出現(xiàn)變化。這表明ATM是影響WA遙相關(guān)型變化的主要原因之一。

圖13 同圖7，但為WA指數(shù)Fig.13 The same as Fig.7，but for WA index

圖14 同圖8b，但為WA指數(shù)Fig.14 The same as Fig.8b，but for WA index

從圖15a和圖15b可以看出，無(wú)論在20世紀(jì)70年代末之前，還是在其后，EA遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)主要位于北大西洋，且其空間分布與WA遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的北大西洋海溫關(guān)鍵區(qū)分布類似。在20世紀(jì)70年代末之前，正的顯著相關(guān)區(qū)主要位于北大西洋北部和南部；北大西洋中部雖為負(fù)相關(guān)區(qū)，但相關(guān)系數(shù)未能通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。在20世紀(jì)70年代末以來(lái)，北大西洋中部的相關(guān)系數(shù)卻又通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)，成為與EA遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)之一；位于北大西洋北部的顯著正相關(guān)區(qū)維持，但南部的顯著正相關(guān)區(qū)消失。對(duì)北半球冬季ATM指數(shù)與EA指數(shù)進(jìn)行凝聚小波分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者在16年以上時(shí)間尺度上具有很好的凝聚共振關(guān)系；且在該尺度上位相角位于第一象限，ATM指數(shù)的變化要超前于EA指數(shù)的變化（圖16）。表明ATM可能是導(dǎo)致EA遙相關(guān)年代際變化的主要原因之一。

圖15 同圖7，但為EA指數(shù)Fig.15 The same as Fig.7，but for EA index

圖16 同圖8b，但為EA指數(shù)Fig.16 The same as Fig.8b，but for EA index

4 結(jié)論

本文利用北半球1950～2008年的500hPa高度場(chǎng)資料，研究了20世紀(jì)70年代末全球氣候系統(tǒng)發(fā)生顯著變化前后北半球冬季5種遙相關(guān)型的時(shí)空變化特征及其影響因子，得到如下主要結(jié)論：

（1）20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，PNA、EUP、WP和WA四種遙相關(guān)型空間分布發(fā)生了較為顯著的變化，這種變化既體現(xiàn)在正負(fù)異常中心的強(qiáng)度上，也體現(xiàn)在正、負(fù)異常的范圍上；EA遙相關(guān)空間分布的變化則不明顯。

（2）20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，PNA和 WP遙相關(guān)指數(shù)具有上升趨勢(shì)，EUP和WA遙相關(guān)指數(shù)具有一定下降趨勢(shì)。其中，20世紀(jì)70年代末以前，PNA和WP多處于負(fù)位相，EUP和WA多處于正位相；20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，PNA和WP則多處于正位相，EUP和WA多處于負(fù)位相。

（3）20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，北半球冬季5種遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)均有所改變。其中，各大洋上EUP遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)面積顯著縮小，WA遙相關(guān)型的太平洋對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)面積顯著縮小，EA遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)在北大西洋中南部改變明顯，其余3種遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的海溫關(guān)鍵區(qū)變化不明顯。

（4）在16年以上時(shí)間尺度上，PDO指數(shù)的變化均超前于北半球冬季PNA、EUP、WP三種遙相關(guān)型指數(shù)的變化，受太平洋影響這三種遙相關(guān)型在相應(yīng)的時(shí)間演變上主要受PDO影響；ATM指數(shù)超前于北半球冬季W(wǎng)A和EA遙相關(guān)型指數(shù)的變化，受北大西洋影響的WA和EA遙相關(guān)型在時(shí)間演變上則主要受ATM影響，但對(duì)WA的影響在20世紀(jì)70年代末以前主要體現(xiàn)在12左右的時(shí)間尺度上，之后則主要體現(xiàn)在8～10年時(shí)間尺度上。

以往的研究表明，北半球冬季大氣遙相關(guān)與基本流之間也存在密切關(guān)系，限于篇幅的原因，我們將在以后的工作中進(jìn)行詳細(xì)討論。

致謝審稿人提出修改意見(jiàn)，特此致謝。

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Temporal and Spatial Evolution of Teleconnection in the Troposphere during the Northern Hemisphere Winter at the End of the 1970s

CAO Jie，LI Xiangrui，and YING Jun

DepartmentofAtmosphericScience，YunnanUniversity，Kunming650091

Using the NOAA monthly reanalysis geopotential height on 500hPa，the sea surface temperature（SST），the Pacific decadal oscillation（PDO）index and the triple mode of North Atlantic SST anomaly（ATM）index from 1950to 2008，the temporal and spatial evolution of teleconnection in the troposphere during the Northern Hemisphere winter at the end of the 1970sis studied with correlation analysis method，Mann－Kendall analysis method，and coherence wavelet analysis method.The results indicate that the spatial distributions and temporal evolutions of Pacific－North American（PNA），Eurasia－Pacific（EUP），West Pacific（WP），and West Atlantic（WA）teleconnection patterns change significantly at the end of the 1970s.The spatial distribution changes are found in the intensity and range of abnormal centers of these teleconnection patterns.On temporal evolution，the upward tendency of PNA and WP indexes and the downward tendency of EUP and WA indexes are also found.After the end of the 1970s，the key SST areas impacting on the 5teleconnection patterns during the Northern Hemisphere winter have changed，in which those areas impacting on the EUP，and those areas in the Pacific impacting on WA have significantly decreased；those areas in the middle and southern Atlantic impacting on EA have obviously changed.On the time scale above 16years，the variation of PDO is the main reason which leads to the variation of PNA，EUP，WP，and WA teleconnection patterns；the variation of ATM is the main reason which leads to the variation of WA and EA teleconnection patterns during the Northern Hemisphere winter.

end of the 1970s，atmospheric teleconnection in the Northern Hemisphere，spatial－temporal evolution，sea surface temperature

1006－9895（2012）02－0283－14

P461

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11044

曹杰，李湘瑞，應(yīng)俊.2012.20世紀(jì)70年代末前后北半球冬季對(duì)流層遙相關(guān)的時(shí)空演變研究 ［J］.大氣科學(xué)，36（2）：283－296，

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2011－02－25，2011－05－15收修定稿

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40875054、40725016，云南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目2009CC002

曹杰，男，1968年出生，教授，主要從事氣候變化及其機(jī)理研究。E－mail：caoj＠ynu.edu.cn