平流层爆发性增温(Stratospheric Sudden Warming, SSW)是平流层特有的现象, 是冬季平流层-对流层耦合的重要体现(Limpasuvan et al, 2004; Charlton et al, 2007)。当SSW发生时, 平流层极区附近的大气温度突然升高, 几天之内可升高几十度, 与此同时, 平流层环流场急剧调整, 纬向西风明显减弱, 有时甚至反转成东风, 位于极地附近的低压涡旋波动增加, 导致其偏移极区甚至完全崩溃(Manney et al, 2005; 张恒德等, 2008; 陆春晖等, 2009; 杨光等, 2012)。

自从Scherhag(1952)发现SSW这种现象以来, 人们从不同方面对SSW做了许多研究。Matsuno(1971)首先提出了SSW的发生机制, 认为SSW是由于对流层行星波传播至平流层并与平流层中平均气流相互作用而产生的。随着观测方法的提高、观测资料和再分析资料的增加, 对SSW的研究已经不局限于个例分析。王强等(1990)通过统计1955—1988年中33个冬季的14个爆发性增温过程, 分析了温度和高度场在增温前期、增温期和增温后期三个阶段的变化特征。Limpasuvan et al(2004)综合分析了1958—2001年SSW事件爆发过程的气候特征。邓淑梅等(2006)和Charlton et al(2007)对SSW事件的类型进行了研究, 其中Charlton et al(2007)根据极涡结构的变化, 将SSW事件分为极涡分裂型和极涡偏心型, 这种分型方法得到了其他研究的认可。陆春晖等(2013)研究了这两类SSW事件与欧亚阻塞高压的关系。最近, Hu et al(2014)和胡景高等(2015)分析了冬季SSW与春季极涡崩溃的关系, 其指出冬季SSW的强度和爆发时间能显著影响到春季极涡崩溃的早晚。

作为平流层大气中的主导变率, SSW不仅改变平流层的环流场和温度场, 还能对对流层天气、气候有着重要影响(李琳等, 2010; 李雪等, 2015; 邓淑梅等, 2015; 蓝柳茹等, 2016)。Deng et al(2008)发现在SSW期间, 东亚大槽加深、东亚急流加强, SSW的下传伴随着东亚大槽和东亚急流向南移动、向西扩展, 影响中国北部和东北部气候变化。陈文等(2009)指出平流层极涡正异常(负异常)下传能引起低层北极涛动(Arctic Oscillation, AO)转向负(正)位相, 从而导致东亚冬季风减弱(增强)。李琳等(2010)的研究也发现平流层出现强SSW后, 平流层温度和位势高度异常形成AO型振荡向下传播, 使得对流层500 hPa东亚大槽加深且偏西, 导致东亚冬季风增强。熊光明等(2012)和张婧雯等(2014)通过研究平流层极涡变化对我国冬季降水和气温的影响, 指出相对于弱极涡年, 强极涡年时, 我国东北气温偏高, 西南大部分地区气温偏低; 南方降水偏多, 北方降水略有减少。魏麟骁等(2014)通过进一步研究发现, 我国气温和降水在弱极涡事件发生前后差异显著, 其中, 新疆西北部地区降水在弱极涡事件后明显增加, 随后杨莲梅等(2016)通过统计分析了新疆北部持续性降雪与极涡类型的关系。

2009年冬季北半球平流层发生了一次强爆发性增温事件, 该事件是有记录以来最强、持续时间最长的一次SSW事件(雷霄龙等, 2012), 其强烈影响着平流层以及临近层次的异常变化。雷霄龙等(2012)发现, 2009年冬季SSW期间电离层参数早晨上升、下午和晚上下降。Lida et al(2014)通过比较2009年冬季SSW期间东西风转换时间在平流层和中间层之间的差异发现, 由于中间层低层存在正压或斜压不稳定, 形成大尺度行星波, 导致中间层东西风转换发生时间更早。王飞飞等(2015)分析了2009年冬季SSW对中间层和电离层中潮汐波和行星波的影响。邓淑梅等(2015)通过分析2009冬季SSW期间行星波的变化特征, 发现在2009年1月SSW发生后, 500 hPa行星波1波和2波的扰动都偏北, 东亚大槽西退, 有利于冷空气向欧亚大陆北部输送。综上可知, 前人针对此次SSW事件的研究往往集中于其爆发过程中平流层环流的变化及其对相邻层次的影响, 而较少关注此次强SSW事件爆发的原因, 尤其是爆发前对流层的前期信号。在前人研究的基础上对此次SSW事件爆发期间的平流层环流演变、动力特征进行分析, 重点研究该事件爆发前对流层的前期信号, 以揭示此次SSW事件的动力机制。

使用1979年1月1日到2015年12月31日NCEP/DOE 2(Kanamitsu et al, 2002)逐日再分析资料集, 主要包括风场、高度场和温度场等。数据的水平分辨率为2.5°×2.5°, 垂直方向从1 000~10 hPa共17层。文中使用的各个要素异常场利用以下步骤得到, 首先对1979年1月1日至2015年12月31日各个要素进行多年平均, 得到各要素气候态, 进而利用31天滑动平均对气候态进行平滑以得到年循环场, 然后从原始场中减去年循环值而得到各要素异常场。文中冬季为12月至翌年2月, 如2009年冬季为2008年12月至2009年2月, 但在后文图 6中, 由于资料限制, 1979年冬季为1月和2月的平均。

图 6(Figure 6)

图 6 1979—2015年冬季10 hPa 55°N—75°N平均EP通量垂直分量2波分量异常及其与行星波EP通量垂直分量之比的年际变化 Figure 6 Interannual variations of the vertical wavenumber 2 EP flux anomalies with its ratio to that of planetary waves. The vertical EP fluxes are on 10 hPa and averaged along 55°N—75°N

EP通量可以很好的表征行星波活动特征, EP通量在平流层高纬度地区的辐合将使得平流层极涡减弱。在准地转近似条件下, 球面上的EP通量及其散度公式如下(Chen et al, 2002; 陈文等, 2005; 施春华等, 2015):

式中: φ是纬度; p是压强; θ是位温; r₀是地球半径; f是科里奥利参数; “—”表示沿纬圈平均; “′”表示纬向偏差。EP通量的水平分量F_(φ)表示涡动动量通量部分, 垂直分量F_(p)为涡动热输送部分, ∇·F表示EP通量散度。

通过2009年1—2月平流层50~10 hPa极区(70°N—90°N)平均纬向平均温度场和极夜急流核心纬度带(60°N—70°N)纬向平均纬向风随时间的演变(图 1)可以看出, 1月初, 平流层极夜急流强盛, 极区温度也很低, 此时平流层极涡强度很强。从1月16日之后, 温度场出现快速上升, 10 hPa温度场于23日达到峰值, 较16日而言, 增幅达50 K[图 1(a)]。同时, 纬向西风也于16日出现快速下降, 从24日开始纬向西风由高层到低层依次转变为东风; 最大风速变化发生在10 hPa, 至28日, 风速减小幅度约90 m·s^-1, 较强东风自28日开始逐渐恢复, 但东风一直持续到2月末[图 1(b)]。和1979—2015年气候态对应时期温度[图 1(c)]、风场[图 1(d)]变化相比, 可以看出此次SSW事件期间温度场和风场变化非常剧烈, 与前人结论(Limpasuvan et al, 2004; Hu et al, 2014; 胡景高等, 2015)是一致的。

图 1(Figure 1)

图 1 平流层50~10 hPa沿70°N—90°N纬向平均温度场(a, c, 单位: K)及沿60°N—70°N纬向平均纬向风(b, d, 单位: m·s-1)的时间演变 图(a)和(b)对应2009年冬季SSW爆发期间, (c)和(d)对应1979—2015年气候态时期 Figure 1 The temporal evolutions of zonal mean temperature averaged along 70°N—90°N (a, c, unit: K) and zonal-mean zonal wind averaged along 60°N—70°N (b, d, unit: m·s-1) on 50~10 hPa during the SSW occurrence in the winter of 2009 (a, b) and the corresponding climatological period averaged over 1979—2015 (c, d)

根据世界气象组织定义(Charlton et al, 2007), 按照SSW爆发期间平流层极涡是否崩溃可以将SSW分为强SSW和弱SSW两类。在10 hPa及其以下的平流层中下层, 短期内温度迅速升高, 沿60°N的纬圈平均温度与极点间温度的梯度发生反转, 同时60°N的纬向平均纬向风从西风反转为东风, 即认为是强SSW; 如果仅仅是温度梯度发生反转, 风向未发生反转, 则认为是弱SSW。依据世界气象组织定义, 此次SSW事件为强增温事件, 爆发时间为1月24日。

为了讨论SSW爆发期间, 平流层-对流层的动力耦合关系, 由此次SSW事件前后, 极区平均的纬向平均纬向风场、温度场及其异常场, 以及位势高度异常场的时间-高度剖面(图 2)可见, 自冬季平流层极涡建立以来, 极区温度不断下降, 极涡强度不断加深, 于1月上旬达最强。1月中旬之后, 极涡开始迅速减弱。约SSW爆发前5天, 10 hPa层次上温度异常和位势高度异常首先由负异常转为正异常, 异常信号随着时间逐渐下传[图 2(a), (c)]。纬向风异常也于增温事件爆发前2~3天由正异常转为负异常, 各层负异常极大值出现在增温事件爆发后的一候内, 之后一直是负异常[图 2(b)]。胡景高等(2015)对1958—2012年27次强SSW事件爆发前后的环流变化作了合成分析, 相比而言, 此次SSW事件爆发过程与其结果基本一致, 但SSW强度明显增加。

图 2(Figure 2)

图 2 2009年冬季SSW爆发期间沿70°N—90°N纬向平均温度(等值线, 单位: K)及其异常(阴影, 单位: K)(a)、60°N—70°N纬向平均纬向风(等值线, 单位: m·s-1)及其异常(阴影, 单位: m·s-1)(b)及70°N—90°N纬向平均位势高度异常(c, 单位: gpm) 竖虚线表示SSW爆发日期(2009年1月24日) Figure 2 Time-height cross sections of the anomaly field during the SSW occurrence of zonal-mean temperature (contour, unit: K) and its anomalies averaged over 70°N—90°N (the shaded, unit: K) (a), zonal-mean zonal wind (contour, unit: m·s-1) and its anomalies averaged over 60°N—70°N (the shaded, unit: m·s-1) (b) and zonal-mean geopotential height anomalies averaged along 70°N—90°N (c, unit: gpm). The vertical dashed indicates the SSW onset date (24 January 2009)

图 3给出了2009年冬季SSW事件不同时期纬向平均纬向风及其异常场的纬度-高度剖面, 以讨论不同纬度上的环流演变特征。在SSW爆发前10天至前5天(1月14—18日)[图 3(a)], 平流层极区维持着很强的极夜急流, 其核心纬度带为西风异常, 说明此时极涡强度明显强于气候态, 纬向平均纬向风最大值位于平流层10 hPa上, 超过50 m·s^-1。在SSW爆发前5天平均(1月19—23日)[图 3(b)], 平流层纬向西风明显减弱, 并开始出现东风异常。在SSW爆发当日至爆发后5天(1月24—28日)[图 3(c)], 平流层中高纬度地区纬向西风被东风取代, 东西异常显著增强。在SSW爆发后5~10天(1月29日至2月2日)[图 3(d)], 平流层中高纬的纬向东风及其东风异常向下扩展, 影响到对流层中层高纬度地区。由图 3还可以发现, 在SSW爆发前后, 热带平流层30 hPa和50 hPa一直为西风控制, 平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation, QBO)处于西风位相。另外, 相比于平流层极夜急流的变化而言, 对流层副热带急流变化很小, 与气候态较为接近, 其急流轴位于200 hPa层次上, 并且处于30°N—35°N。

图 3(Figure 3)

图 3 2009年1月14至2月2日(a~d)每连续5天纬向平均纬向风场(等值线, 单位: m·s-1)及其异常场(阴影, 单位: m·s-1)的纬度-高度剖面 Figure 3 Latitude-height cross sections of zonal-mean zonal wind (contour, unit: m·s-1) with its anomalies (the shaded, unit: m·s-1) averaged over each successive 5 days from 14 January to 2 February 2009 (a~d)

SSW不仅会引起纬向风场和温度场的急剧变化, 还会导致平流层极涡结构明显改变。为了分析平流层极涡结构的变化特征, 图 4给出了此次SSW期间10 hPa上位势高度异常场的时间演变。SSW爆发前15天至前10天(1月9—13日)[图 4(a)], 极涡很强, 极区被位势高度负异常控制。SSW爆发前10天至前5天(1月14—18日)[图 4(b)], 极区负异常减弱, 中心出现分裂, 两个中心分别向南偏移到中西伯利亚和北美, 北大西洋-欧洲西北部出现明显位势高度正异常; 此时, 位势高度场正、负异常和气候态定场波2波脊、槽大致呈同位相分布, 说明平流层2波活动加强。SSW爆发前5天至爆发当日(1月19—23日)[图 4(c)], 可以清楚地看到呈“四极”分布的位势高度异常场, 负异常中心分别位于中西伯利亚和北美地区上空, 正异常中心则分别位于白令海峡和北大西洋上空, 平流层2波活动达到最强。SSW爆发后5天内(1月24—28日)[图 4(d)], 位于白令海峡和北大西洋上空的两个正异常中心分别从中纬度扩展到高纬度极区, 并在极区合并成一个非常显著的正异常中心, 标志着平流层极涡彻底崩溃。根据Charlton et al(2007)利用平流层极涡结构变化划分SSW事件的标准, 此次SSW事件属于典型的极涡分裂型增温事件。

图 4(Figure 4)

图 4 2009年1月9—28日(a~d)每连续5天平均10 hPa位势高度异常场的分布(阴影, 单位: gpm) 紫色等值线是对应时期气候态行星波2波分量(单位: gpm) Figure 4 10 hPa geopotential height anomalies averaged over each successive 5 days from 9 to 28 January 2009 (a~d, the shaded, unit: gpm). Purple contours are the corresponding climatological wavenumber 2 components (unit: gpm)

图 4的分析表明, 此次SSW爆发前, 平流层出现明显的2波结构, 为了进一步研究此次增温爆发期间平流层行星波的活动特征, 通过此次SSW事件爆发前后行星波(1~3波, 下同)及1波和2波的EP通量垂直分量异常和EP通量散度的时间演变(图 5)可以看出, 1月上旬以前, 热带外平流层10 hPa波动活动较弱, 从1月11日开始, 2波EP通量异常快速增加, 并在增温事件爆发前3~5天达到峰值。增温事件爆发以后, 波动快速下降, 并逐渐趋于稳定[图 5(a)]。而在增温事件爆发前后, 1波EP通量始终为负异常, 表明平流层1波活动受到明显抑制。从热带外平流层10 hPa的EP通量散度的时间演变[图 5(b)]可以看出, 约1月16日开始, 行星波EP通量散度开始出现明显辐合, 这导致极夜急流快速下降[图 1(b)]; SSW爆发当日, 行星波EP通量散度达极大值。同时, 不难发现, 增温事件爆发前后, 行星波EP通量散度也主要由2波分量的演变主导。

图 5(Figure 5)

图 5 2009年冬季SSW爆发期间10 hPa沿55°N—75°N平均1波和2波的EP通量垂直分量异常(a)以及行星波(1~3波)和2波EP通量散度(b)的时间演变 Figure 5 The temporal evolutions of the vertical component of EP flux anomalies by wavenumber 1 and wavenumber 2 (a) and EP flux divergence by planetary waves (wavenumber 1~3) and wavenumber 2 averaged (b) along 55°N—75°N on 10 hPa during the SSW occurrence in the winter of 2009

为了比较2009年冬季SSW事件和其他年份SSW事件中主导波型的不同, 通过1979—2015年冬季10 hPa上EP通量垂直分量2波分量异常以及EP通量2波分量在行星波中所占比率的年际变化(图 6)可以看出, 在过去37年中, 2009年冬季2波EP通量异常明显高于其他任何年份, 而且该年冬季2波分量占行星波比率也是最高, 超过60%。另外, 还可以看出, 2波分量在行星波中的比率仅有两年(2009年和2014年)高于50%, 说明近37年来, 类似于2009年冬季完全由2波主导的SSW事件并不多, 这与Barriopedro et al(2014)的研究结果是一致的。

热带外平流层的波动主要来源于对流层, 下面将研究此次SSW事件爆发前对流层的前期信号, 通过SSW爆发前10天平均对流层500 hPa位势高度异常场的变化(图 7)可以明显看出, SSW爆发前, 东北太平洋-北美大陆西部明显的位势高度正异常和北美大陆东部明显的位势高度负异常, 分别与气候态定常波位于北美大陆西部的高压脊和大陆东部的低压槽呈同位相, 根据Garfinkel et al(2010)的“线性叠加”理论, 这将使得对流层行星波活动异常偏强。另外, 北大西洋上空明显为负异常控制, 西北太平洋上空为正异常, 分别与气候态定常波位于北大西洋-欧洲西部上空的高压脊和东亚-西太平洋地区的低压槽呈反位相, 这又会减弱对流层行星波活动, 进而使得进入到平流层的波活动减弱。

图 7(Figure 7)

图 7 SSW爆发前10天平均(1月14—23日)500 hPa位势高度异常场分布(阴影, 单位: gpm) 紫色等值线是对应的气候态位势高度(单位: gpm)的纬向偏差 Figure 7 The distribution of geopotential height anomalies (the shaded, unit: gpm) on 500 hPa averaged over 10 days (from 14 to 23 January) before the SSW onset. Purple contours are the zonal deviations of climatological geopotential height (unit: gpm) in the corresponding period

为了进一步阐明以上各关键区位势高度异常对行星波活动的影响, 由SSW爆发前10天平均的500 hPa和10 hPa位势高度异常的1波、2波分量以及气候态行星波1波、2波的分布(图 8)可以看出, SSW爆发前, 对流层500 hPa位势高度异常的1波分量与气候态对流层行星波1波的槽、脊几乎呈反位相[图 8(a)], 这降低了对流层行星波1波向平流层中高纬地区的传播。而此时, 平流层10 hPa位势高度异常的1波分量也与气候态平流层行星波1波的槽、脊完全呈反位相, 说明热带外平流层10 hPa 1波的活动异常偏弱, 与图 5(a)中EP通量分析的结果一致[图 8(c)]。对于2波而言, 对流层500 hPa, 东北太平洋-北美大陆西部的位势高度正异常区以及北大西洋-北美大陆东部的位势高度负异常区分别与气候态2波的脊区和槽区呈同位相分布, 这导致对流层2波异常活跃, 并向热带外平流层输送, 此时, 平流层10 hPa位势高度异常的2波与气候态2波也完全呈同位相分布, 说明平流层2波异常加强。

图 8(Figure 8)

图 8 SSW爆发前10天平均(1月14—23日)500 hPa(上)和10 hPa(下)行星波1波(a, c)、2波(b, d)位势高度异常场分布(阴影, 单位: gpm) 紫色等值线是对应时期气候态行星波1波和2波的位势高度分量(单位: gpm) Figure 8 The wave 1 (a, c) and wave 2 (b, d) components of geopotential height anomalies (the shaded, unit: gpm) on 500 hPa (up) and 10 hPa (bottom) averaged over 10 days before the occurrence of SSW. Purple contours are climatological wave 1 and wave 2 components of geopotential height (unit: gpm) in the corresponding period

同时, 由图 4至图 6的分析不难看出, 2波的增加量明显大于1波的减少量, 从而导致热带外平流层行星波活动异常增加并辐合, 加热平流层极区, 致使极涡崩溃。另外, 需要指出的是, 对流层北大西洋上空的位势高度负异常不仅加强对流层2波的发展, 而且同时能有效抑制1波的发展, 其综合作用易使得行星波活动不显著; 相比而言, 东北太平洋-北美大陆西部上空的位势高度正异常中心对1波的抑制不明显(能有效抑制对流层1波发展的关键区位于东亚-西北太平洋上空)[图 8(a)], 但却非常有利于2波的发展, 因此, 可看作此次SSW事件爆发前对流层最强的前期信号。

利用NCEP/NCAR逐日再分析资料, 首先分析了2009年冬季SSW事件爆发期间平流层环流演变和动力特征, 进而分析了该增温事件爆发前的对流层前期信号, 得到的主要结论如下:

(1) 2009年冬季SSW属于强SSW事件, 爆发时间为1月24日。增温事件发生期间, 平流层极夜急流快速减弱, 10 hPa极夜急流核心纬度带(60°N—70°N)纬向平均纬向风速降幅高达90 m·s^-1; 同时极区温度快速上升, 最高增幅达50 K。增温事件对平流层环流造成持续影响, 极区环流直至2月末才逐渐恢复至西风环流。

(2) 自此次增温事件爆发前10天开始, 平流层极区位势高度异常增加, 同时中高纬地区逐渐呈纬向二波结构。与位势高度异常的变化相对应, 热带外平流层10 hPa 2波EP通量垂直分量也异常增加, 但略提前于位势高度异常。2波EP通量则在1月16日以后出现强烈辐合, 与极夜急流快速下降的日期相对应。在整个增温过程中, 平流层EP通量1波分量始终较弱; 2009年冬季, EP通量2波分量占行星波EP通量的比率为近37年最高, 表明此次增温事件是由2波主导的极涡分裂型SSW事件。

(3) 增温事件爆发前, 对流层500 hPa出现明显的前期信号, 其中, 东北太平洋-北美大陆西部的位势高度正异常以及北大西洋-北美大陆东部的位势高度负异常能显著增强(减弱)对流层2波(1波)向平流层的输送, 并且2波的增加量大于1波的减少量, 从而导致增温事件爆发前夕, 平流层2波异常发展。另外, 相比较而言, 东北太平洋-北美大陆西部的位势高度正异常中心对对流层和平流层行星波发展的贡献更为显著, 被认为是此次增温事件爆发前对流层最强的前期信号。

基于SSW事件爆发期间平流层环流和动力特征, 侧重于分析造成此次强增温事件对流层前期信号, 对可能造成此次增温事件爆发的其他因子没有过多讨论。比如在此次SSW爆发前热带平流层30 hPa和50 hPa一直维持着较强的西风位相的QBO; 同时, 赤道中东太平洋出现显著的海温负异常区, 呈明显的中部型La Niña分布, 这可能是此次SSW事件爆发的外强迫因子, 其作用有待后续研究进一步分析。