北半球冬季遥相关型的水平结构和能量结构外文翻译资料

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Horizontal Structure and Energetics of Northern Hemisphere Wintertime Teleconnection Patterns

Hissashi Nakamura, Masayuki Tanaka, and John M. Wallace

北半球冬季遥相关型的水平结构和能量结构

摘要

本文研究了北半球冬季500百帕高度场上遥相关的水平结构和能量结构的年际变化。本文使用Wallace和Gutzler定义的遥相关指数回归大西洋东部型（EA）、太平洋-北美型（PNA）、大西洋西部型（WA）、太平洋西部型（WP）、欧亚型（EU）遥相关的地理特征。在分析这些空间分布时使用了球谐函数进行空间展开。本文利用地转关系从回归高度场计算风场距平，用以估计与遥相关有关的气候态向波动结构转化的动能。

文中的遥相关结构包括“跷跷板”结构和（或）波状结构。总体而言，这些遥相关的动能主要集中在水平波数5或6的部分，其中纬向波数集中在0，1和2，表征在急流附近纬向拉长的“跷跷板”结构。大西洋周围的遥相关（EA, WA, EU型）的波动相位速度轴的倾斜表明其波能量传向赤道，而太平洋周围的超长波型遥相关（PNA, WP）表明能量向极地消散，这可能与南方涛动（SO）有关。

与“跷跷板”结构相关的伸长的E-P通量的纬向分量是表征了从平均气流转化向低频变化的正压能的主要部分。PNA型和EA型遥相关的“跷跷板”结构位于急流出口区，获得动能的效率较其他遥相关更高。激发这些遥相关至成熟态的时间尺度为3至4天。EU型遥相关没有“跷跷板”结构，同时表现最弱的动能转换。WA型和WP型遥相关“跨坐”于风暴轴两侧，表明它们可能与斜压波动的活动有关。

1. 引言

Wallace和Gutzler（后面简称为WG）和Horel近期研究定义了5中经常在北半球冬季500百帕高度场出现的空间结构。这些遥相关型有相当正压的垂直结构，同时表现出有多个活动中心，且拥有行星尺度的波动结构。Blackmone等（后面简称BLW）发现中时间尺度（10至30天）波动的水平尺度与包含年际变化的低频变化（WG中的遥相关型）有不同的水平结构：前者是类似于有波导的移动罗斯贝波，后者是在急流附近位置固定的“双极”结构。因此有年际变化的遥相关型的结构特征和动力特征应该与中时间尺度的波动分开讨论。

PNA型遥相关已经被证实由与SO相关的外部强迫引起，同时Horel和Wallace发现WP型遥相关和赤道降水异常有显著关系。此外，Simmons等发现冬季300百帕气候态风场与扰动的线性关系在北太平洋和北大西洋最强，在那里纬向不对称的基本气流是正压不稳定的。Wallace和Lau发现在北半球冬季的急流出口区，有明显的从气候态风场向波动风场的动能转化。这些研究表明正压能转化和外部强迫可能是引起和维持遥相关型的原因。然而，Schubert通过研究低通资料EOF主模态能量结构发现，斜压能可以维持低频变化，也可以引起它的年际变化。但同时，它的研究表明正压过程是扰动从气候态获得能量的主要途径。

上述研究表明了一种研究大气低频变化的新视角。然而，还有一些问题亟待解决：

1）这些遥相关在真实高度场上的结构是怎样的？

2）遥相关型中哪个波型占主要部分？这些波数和中时间尺度波动比较有什么区别？

3）在遥相关型中有没有显著的从气候态向波动转化的正压能？

4）这5种遥相关是否动力学上相似？或者可被分成几类？

本文的目的是描述有年际变化的遥相关型的水平结构和动力学特征，同时解释上述问题。本文将通过Wallace和Lau的能量分析和球谐函数空间展开量化讨论内容。常用的一点相关图不适用于本文，因为它并不能表明与遥相关型相关的高度异常的真实变化幅度。合成分析可以获得幅度信息，但只能指征少数极端事件，因此从样本中进行线性相关不能正确表达遥相关型的正确结构。本文使用WG中遥相关指数回归高度场来定义各遥相关型的空间结构。回归场的定义和应用在第3部分，水平结构和空间展开基础上的动力特征在第4部分，与遥相关型有关的气候态气流和扰动态气流间的动能转化在第5部分讨论。因为资料有限，斜压能的转化不在本文讨论范围。本文在最后一部分提出对不同遥相关型动力解释的一些想法。

1. 资料

北半球500百帕高度场资料来自NCAR，时间为1946至1980年，共计35年。因为本文关注冬季环流的年际变化，因此将日资料做两个月的平均。本文冬季定义为1月和2月。本文这样定义是因为1月的平均均方根相似于2月，但是明显于12月不同。同时我们定义35年的气候态平均时同样做1和2月平均。

两月平均资料用球谐函数展开，因为本资料集没有赤道资料，因此我们用Blackmon使用过的外插法获得赤道至20°N间的数值：假设每张图赤道纬向高度场均匀且数值等于20°N的纬向平均值，随后在赤道和20°N间插值。同时还假设高度场相对赤道对称。三角阶段的波数最大值定为30，因此每个空间长有496个展开系数。这种外插场对全球积分变率只有很小的贡献（小于10%），因此不会过多影响接下来的研究。

1. 回归场

遥相关对应的回归场是用遥相关指数回归高度场距平获得。第p个遥相关的系数h_p取决于每个格点使ε_p²最小：

（1）

其中和分别是第j个格点上的随时间变化的高度场距平和回归系数，表示纬度和经度。在赤道外地区年际变化表现出较大幅度，遥相关型的活动中心有较大的回归系数，因为在这些分布型中有较大的年际变化。第p个遥相关型的指数定义如下：

（2）

其中和分别是第p个遥相关的第l个活动中心的纬度、经度及权重，尖角符号表示变量时间序列的标准差。因为这个指数只能表征静止的遥相关型，因此相应的回归场也只能解释静止的分布型。WG定义了每个遥相关型的和，包括EA型，PNA型，WA型，WP型和EU型。其中，EA型的定义为-0.25， 0.5和-0.25，活动中心定义为（25°N，25°W），（55°N，20°W）和（50°N，40°E）。我们认为WG里的月平均场的分布型和本文所用季节平均场的分布型相似，因此本文使用相同的和来计算高度回归场。BLW计算了30天平均和90天平均的一点相关图，发现两图十分相似，因此不同时间段的平均对本文结果影响很小。

系数h_p通过最小二乘法表征了hrsquo;_j和I_pj间的线性关系，因此I_pj和任意一个变量r_j线性回归系数r_p经过时间独立线性计算如r_j=L（hrsquo;_j），可以用h_p计算，如r_p=L（h_p）。在数学角度上，通过h_p计算r_p相当于用r_j和I_pj估计r_p，方式类似于（1）。用傅里叶展开成球谐函数或计算地转风可使用r_p=L（h_p）这种方法。

为了确定不同纬向波数m的波动随纬度变化的幅度a_m（Phi;）和经度变化lambda;_m（Phi;），本文用傅里叶展开法展开回归场如下：

（3）

位相表示第m个波分量中脊的经度。公式（3）的变换应用在5个遥相关型中。我们估计了遥相关型中对应不同波数的全球动能，在此过程中，我们使用I_pj和高度场展开系数间的回归因子做此估计，同时利用了球谐函数的正交性。对应遥相关型的风场回归场是利用地转关系从高度场计算而来。我们使用这些结果讨论遥相关中的正压能转换，这部分讨论在第5部分。

本文中的回归场可使用F检验检验其显著性。一个通过方差比率表征显著性的指数定义为如下：

其中RG_p和RS_p分别是回归场方差和剩余方差的无偏估计，J（本文中为35）是和的时间长度。如果比率F_p超过7.47，则可认为和的的线性关系超过99%显著性检验。

1. 遥相关的水平结构和动力学特征

在这一部分，本文从回归场和空间展开场讨论了5个遥相关型的水平分布结构和一些动力学特征。

1. 水平结构

对应5个遥相关型的回归场如图1所示。空间展开为图2，表现了公式（3）的和的空间分布。可以明显发现遥相关型包含“跷跷板”结构和（或）波状结构。

本文中的“跷跷板”结构定义为径向两个相反符号的活动中心。每个活动中心纬向拉伸，同时图3表明“跷跷板”结构出现在mle;2的高度场，而在mge;3时没有该结构。Blackmon等支出这样的“跷跷板”结构是北半球冬季对流层中层低频变化的典型特征。这些特征能在除EU型外的所有遥相关型中表现出来。

应该注意“跷跷板”结构应该基于相对急流的不同位置分成两类，如EA-PNA类和WA-WP类。EA-PNA类“跷跷板”结构分布在气候态急流出口区的两侧，而WA-WA类“跷跷板”结构相较下更接近急流核附近。WA-WP类“跷跷板”结构的结点（零值线）接近气候态风暴轴，位于急流轴偏北位置。例如，在太平洋，PNA型的两个异常中心（分别位于阿留申岛南部和20°N附近）构成了“跷跷板”结构，两级的轴位于165°W，而WP型遥相关中的“跷跷板”结构的结点和轴分别位于45°N和160°E。同时可以注意到WA-WP型遥相关的“跷跷板”结构的两个中心较EA-PNA类大小更相称。

图1 （a）EA（b）PNA（c）WA（d）WP（e）EU型遥相关的回归场，资料计算，表明了1946至1980年这35年间500百帕高度场和遥相关指数间的线性相关。曲线间隔是10米，负值为虚线表示。阴影区表明500百帕高度场和遥相关指数的线性关系在统计上通过99%信度检验。

图2 傅里叶展开中0 le; m le; 4的波分量的幅度（米）的纬向分布（左）及径向分布（右）。由上至下分别属于EU型，PNA型，WA型，WP型和EU型遥相关。实线对应m=0，线上有星号、圆圈、双三角和虚线分别对应m=1，2，3，4。其中m=0的位相分布没有画出。

图3 横向截断为（a）0 le; m le; 2 （左），（b）3 le; m le; 30 （右）时EA型遥相关和500百帕高度场的线性相关系数。曲线间隔为10米，负值为虚线。

EA型、PNA型和EU型遥相关的波状结构十分明显。在WA型中同样有这样的结构，但并不明显。如PNA型遥相关在螺髻山和美国东海岸的高度场异常可以认为是从阿留申岛以南的波列发出。不同于“跷跷板”结构，波状结构在mge;3的波分量中起重要作用，因为这种结构只能体现在mge;3的回归场中（图3）。除了EU型遥相关，波列结构都分布于“跷跷板”结构的东侧。我们把这种波状结构看成是低频罗斯贝波能量频散的结果。这种波状结构要与BLW和Blackmon等提出的移动结构区分开，因为后者没有明确的活动中心且纬向尺度要更小。

1. 位相线的倾斜

从图2可以明显看到波的位相线有明显的倾斜，一个固定的脊的经度会渐渐随纬度变化。换言之，这些有结点的结构是扇形而不是田型。m=1和4的EA型遥相关和m=2的EU型遥相关表现出最明显的东北/西南倾斜，m=2的PNA型遥相关和m=2和3的WA型遥相关表现出一个类似但不是很明显的倾斜。可以在m=1的PNA型要向观众发现波轴向相反方向倾斜，同时m=1和2的WP型遥相关也有类似但偏弱的特征。

把这些分布型看做旋转地球上（群速度是西风）的静止罗斯贝波是有道理的，因此一个有倾斜位相的波分量可以局地的看为旋转地球上的平面波，并垂直其波位相线散逸能量。一个波轴从东北倾斜至西南的波分量向东南散溢能量，而波轴从西北向东南倾斜的波分量向东北散逸能量。本文的结果表明PNA型遥相关的超长波分量和WP型遥相关可以把能量带往极地，而其他的遥相关型把能量带往赤道。因此，我们的结论更一步证明冬季赤道太平洋和赤道外的北太平洋间的相关关系。同时，可以发现m=1的PNA型波分量与赤道100°E附近的对流季节内变化有关。

1. 不同波数的动能分布

我们现在要检验遥相关型中不同m和n中全球积分动能（）的分布，并与Blackmon计算的北半球冬季500百帕高度场中时间尺度球谐函数功率谱作比较，后者的高度场不能表征某个特定的遥相关型。为了将两者进行比较，我们将Blackmons研究中每个开方幅度乘以n（n 1）从而获得KE的分布特征。

图4 对全球积分动能的对超低频遥相关（横标I）和Blackmon研究中中时间尺度变量（横标T）的纬向波数分解，表达为占的百分率。遥相关的分布是5种遥相关型的平均。标签0，1，2，3，4和S分别表示m=0，1，2，3，4和m ge; 5的分量。附件中有更详细的说明。

图5 同图4但标签标示总波数n的各分量。纬向平均的作用已被去除。标签L，S，4，5，6，. . .，和11 分别表示n le; 3， n ge; 12，n = 4，5，6，. . .，和11。更多细节参见附件。

图4和图5表明了5个遥相关平均对应不同的m和n的分布。Blackmon计算的的中时间尺度变率的分布也同

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