2021, Vol. 47 
2. 夏威夷大学国际太平洋研究中心，夏威夷 美国
2. International Pacific Research Center and Department of Atmospheric Sciences, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawaii USA
热带大气季节内振荡(Madden-Julian oscillation，MJO)是热带地区大气环流异常的一个最重要的模态，主要的时间尺度为30~60 d，主要特征表现为沿全球热带地区东传的对流活动，具有纬向1波为主的行星尺度空间结构(Madden and Julian, 1971；1972)。MJO活动表现出明显的季节演变特征。在北半球冬季，MJO以沿赤道向东的传播为主；在北半球夏季，向东传播会减弱，在印度夏季风区以及东亚季风区以北传的对流活动为主导，在西北太平洋区以西北向的传播为主导。Li(2014)指出北半球夏季热赤道的北移是造成北印度洋和中国南海地区MJO对流北向传播的重要原因之一，同时背景场中的东风切变和水汽的经向分布也起到了重要贡献(Jiang et al，2004)。关于MJO动力机制(包括其触发机制和东传机制)的研究工作已取得了显著的进展(Wang and Rui, 1990；Wang and Li, 1994；Hsu and Li, 2012；Sobel and Maloney, 2013；Zhao et al，2013)。
MJO作为热带最主要的环流演变模态可以直接调节热带地区的天气气候(Madden and Julian, 1994)。比如，它会对热带气旋和飓风的生成和加强(Maloney and Hartmann, 2000；Hall et al，2001；祝从文等，2004；李崇银等，2012)产生影响。MJO还会影响印度洋偶极子事件(Rao and Yamagata, 2004)、北美环流异常(Higgins and Mo, 1997)、南海夏季风(林爱兰等，2016；李春晖等，2016)、孟加拉湾西南夏季风季节内振荡(李汀和琚建华，2013)以及ENSO事件的发展(Zhang and Gottschalck, 2002)。
前人的许多研究表明，MJO对环流异常的影响不仅仅局限于热带，由于对流加热异常可以激发罗斯贝波列(Ferranti et al，1990；Kiladis and Weickmann, 1992)，这种影响可以延伸至中高纬地区(Lau and Phillips, 1986)。比如，Bond and Vecchi(2003)指出了MJO对于俄勒冈州和华盛顿早冬和晚冬降水的重要影响；Lin and Brunet(2009)表明MJO位相与加拿大冬季地表气温(SAT)之间存在显著的相关关系。除热带季节内振荡以外，中高纬的季节内振荡(ISO)同样会对热带和中高纬的天气气候产生重要影响(Wen et al，2011；许乐心等，2017；Yang and Li, 2016; 2017;Yang et al，2019；李健颖和毛江玉，2019)。近年来，针对MJO与我国气候异常间的联系也开展了一系列研究，研究发现MJO对我国降水有重要的调制作用(吴捷等，2018)，对中国东部地区夏季(白旭旭等，2011)和冬季(刘冬晴和杨修群，2010)、华南前汛期(李文铠等，2014；章丽娜等，2011)、夏季西南(李永华等，2016)、云南地区(牛法宝等，2013；李汀等，2012)以及夏季广东(林爱兰等，2013)的降水异常均存在一定程度的影响。同时，MJO对我国气温异常也存在显著影响，比如2008年初南方持续性冰冻雨雪天气(吴俊杰等，2009；马宁等，2011)以及2009年11月我国东部大范围雨雪天气(贾小龙和梁潇云，2011)等极端天气都与MJO存在着密切的联系。因此，MJO的发展和演变，对于把握这种气候异常有很大的帮助。MJO作为次季节时间尺度上最具可预报性的模态(Gottschalck et al，2010)，是延伸期(10~30 d)预报主要的可预报来源(丁一汇和梁萍，2010；贾小龙等，2012)。MJO和大气低频季节内振荡的准确预报对于填补短期天气预报和长期气候预测之间的空隙至关重要。
在Vecchi and Bond(2004)的工作中分析了MJO对高纬地区冬季SAT的影响，他们的合成分析均为基于MJO各个位相同时次的合成。前人的研究表明中高纬地区对于热带强迫的响应在时间上存在一定的滞后，完全发展建立需要两周左右的时间(Jin and Hoskins, 1995)。为使这种异常SAT信号更加显著，我们的工作主要关注了MJO与北半球冬季高纬地区SAT之间的滞后相关关系，从环流分析等角度进一步揭示两者之间的联系。旨在将MJO和高纬地区的大气变率相联系，从而为该地区季节内SAT变率的延伸期预报提供参考。
1 资料和方法 1.1 资料本文使用了美国国家海洋与大气中心(NOAA)的逐日向外长波辐射(OLR)资料以表征热带大尺度对流特征；同时使用了美国国家环境预测中心-国家大气研究中心(NCEP-NCAR)发布的全球逐日再分析资料(水平分辨率为2.5°×2.5°)。本文的分析时段为1979/1980年到2015/2016年共37个冬季，冬季定义为11月到次年3月共5个月。再分析资料中使用到的气象要素包括2 m处的地表气温(T2 m)以及在各个高度层次的纬向风(u)、经向风(v)、温度(T)、p坐标系下的垂直速度(ω)等。
采用由Wheeler and Hendon(2004)所定义的实时多变量MJO指数(real-time multivariate MJO indices，简称RMM指数)来描述MJO的活动特征，RMM指数最常用于MJO的监测和预报。本文使用到的逐日RMM指数可以在澳大利亚气象局官网下载(http://www.bom.gov.au/climate/mjo/)。该指数是将逐日资料投影到热带地区(15°S~15°N)纬向平均后的逐日的850 hPa纬向风(u850)、200 hPa纬向风(u200)和OLR的前两个多变量EOF模态上，得到的前两个主成分时间序列，将该时间序列标准化即可得到RMM指数，分别记为RMM1和RMM2。上述资料均去除了年循环和年际变率。根据RMM1和RMM2所确定的二维位相空间，可以将强的MJO沿全球热带地区的纬向传播分为8个空间位相。MJO的地理位置可以由一个以RMM1和RMM2指数所定义的二维位相空间中的一个点来表示，而该点与整个空间中心的距离则表示MJO的振幅，代表MJO事件的强度，这8个位相分别对应于MJO生命史的特定阶段，表示MJO对流从印度洋到太平洋的向东传播。
1.2 方法为提取与MJO相关的季节内信号，对原始数据进行了相关处理。首先去除了1979—2016年多年气候态的0~3波以去除季节循环，然后通过使用Lanczos带通滤波方法(Duchon，1979)进行30~60 d的带通滤波，滤波后选择了11月至次年3月的资料用于分析，但1979年1月至次年3月以及2016年11—12月的资料未包括在内。
为研究罗斯贝波列的波源及其传播情况，计算了罗斯贝波源(Sardeshmukh and Hoskins, 1988)和波活动通量(WAF；Takaya and Nakamura, 2001)。扰动罗斯贝波源定义为：S′≈-ζ▽·v′x-v′x·▽ζ，其中v′x为200 hPa异常纬向风的辐散风分量，ζ为冬季气候态平均的绝对涡度。二维的WAF方程可以写为：
| $ W = \frac{1}{{2|\bar U|}}\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {\bar u\left({\psi _x^{\prime 2} - {\psi ^\prime }\psi _{xx}^\prime } \right) + \bar v\left({\psi _x^\prime {\psi ^\prime }_y - {\psi ^\prime }\psi _{xy}^\prime } \right)}\\ {\bar u\left({\psi _x^\prime {\psi ^\prime }_y - {\psi ^\prime }\psi _{xy}^\prime } \right) + \bar v\left({\psi _y^{\prime 2} - {\psi ^\prime }\psi _{3y}^\prime } \right)} \end{array}} \right] $ |
式中：
为检验每个MJO位相合成结果是否显著，使用到的t检验公式为：
| $ t=\frac{|\bar{x}-\bar{y}|}{s\left(\frac{1}{m_{1}}+\frac{1}{m_{2}}\right)^{1 / 2}} $ |
式中:
| $ m_{2}^{\prime}=m_{2} \frac{\left(1-\rho_{1}\right)}{\left(1+\rho_{1}\right)} $ |
式中：ρ1为滞后一天的相关系数，m2是yi的样本数。
2 MJO位相合成的高纬地表气温异常 2.1 MJO位相Wheeler and Hendon(2004)使用RMM指数将MJO的传播分为8个空间位相，对应于赤道强对流从印度洋到太平洋的东向传播。这里只考虑了强的MJO事件，即振幅(
为了证实赤道对流活动是和MJO的位相相联系的，图 1给出了各个位相下合成的OLR场及850 hPa的经向风和纬向风异常场。在位相1，MJO对流中心位于非洲和西印度洋，此时太平洋以西风异常为主，而印度洋存在东风异常；在位相2和位相3，对流中心主要位于印度洋，继续发展并逐渐东移至海洋性大陆(位相4、位相5)；位相6~位相8，对流中心由西太平洋继续东移至中太平洋。
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图 1 MJO 8个位相(a~h)下合成的30~60 d滤波后的冬季OLR异常场(填色，单位：W·m-2)和850 hPa异常风场(箭头，单位：m·s-1) (阴影区为通过0.05显著性水平检验区域，t检验；右下角数字为每个位相对应的天数) Fig. 1 Composite of 30-60 d filtered OLR (colored, unit: W·m-2) and 850 hPa wind (vector, unit: m·s-1) anomalies for each active MJO phase during wintertime (a-h) (Shaded areas exceed the significance test at 0.05 level, the number of days in each phase is marked at the bottom right in each map) |
使用到的RMM指数时间段包括从1979/1980—2015/2016年的37个冬季，因此可以得到每个位相所对应的天数。图 2给出了每个MJO位相所对应的天数及平均振幅的大小。可以看到位相2~位相4以及位相6~位相8 MJO事件的发生频率较高，其中平均振幅的最大值出现位相3。
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图 2 二维MJO指数(RMM1和RMM2)定义的MJO空间位相以及各位相对应的天数和平均振幅 Fig. 2 Phase space diagram defined by the 2-component MJO index (RMM1 and RMM2), the days and average amplitude corresponding to each phase |
为探究北半球冬季SAT和MJO之间的联系，对不同MJO位相下的SAT进行了合成分析。在北半球高纬地区这种SAT异常信号较为显著。Jin and Hoskins(1995)研究表明：给定的热带加热响应下的罗斯贝波列会在15 d以内完全建立。因此在下文的合成分析中将分别采取0，5，10，15 d的滞后。
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则代表相反的另一半周期，这种生命史的对称特征也表现在SAT的合成场上，随着滞后时间的变化，每个位相下高纬SAT异常的强度也会有一定的变化，总体来说在滞后5~15 d时位相2~位相7下高纬地区SAT信号比较显著，第0天时(即同时次的合成图中)这种异常SAT信号相对较弱，随着滞后时间的增加，该异常信号得到加强。这里给出了滞后5~15 d的MJO的8个位相下的异常SAT合成图(图 3)，可以看到位相2和位相6以及位相3和位相7下这种SAT信号比较显著，并且该异常SAT信号存在着明显的反向对应关系(即位相2、6表现为明显的负异常而位相3、位相7则表现为明显的正异常)，后续为了简洁起见选择位相2和位相6进行研究(对位相3和位相7也做了同样分析，得到相似结论)。从图 4中可以看到在MJO的第2(第6)位相后5 d左右北半球高纬地区开始出现负(正)的SAT异常，在滞后10~15 d时这种异常信号表现得更加明显。
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图 3 MJO 8个位相(a~h)下冬季SAT滞后5~15 d的合成 (打点代表通过0.05的显著性水平检验) Fig. 3 Composite of SAT anomaly with a 5-15 d lag for each MJO phase (a-h) (Black dots represent values exceeding significance test at 0.05 level) |
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图 4 MJO位相2(a)和位相6(b)下冬季SAT滞后0 d(a1, b1)，5 d(a2, b2)，10 d(a3, b3)，15 d(a4, b4)的合成 (打点代表通过0.05的显著性水平检验) Fig. 4 Lagged composite of SAT anomaly for MJO Phase 2 (a) and Phase 6 (b) with lag days 0 d (a1, b1), 5 d (a2, b2), 10 d (a3, b3) and 15 d (a4, b4) (Black dots represent values exceeding the significant test at 0.05 level) |
此外，值得关注的是在高纬地区(60°N以北)，其SAT的异常情况并不是完全一致的，部分区域会呈现出相反的变化，在滞后5 d以后其SAT异常信号均较为显著和一致的主要为60°~90°N、180°~60°W这部分区域。为了探究该区域温度的垂直结构是否也有类似的变化特征，图 5给出了MJO位相2和位相6滞后0，5，10，15 d后的温度异常及位势高度异常沿纬向平均(180°~60°W)后的经向-垂直分布。和地表气温类似，整个对流层的温度异常也呈现出相似的分布特征，即在滞后5~10 d时，位相2(位相6)呈现出明显的负(正)温度异常。另一个显著的特征是：例如在位相2后的5 d，一个位于300 hPa左右的负位势高度异常中心出现在70°~80°N，在该中心以上(以下)温度异常表现为暖(冷)异常，较好地满足了静力平衡关系。在第6位相也能看到这种较好的对应关系，静力平衡关系使得低层的与MJO相关的温度异常信号与对流层高层的位势高度异常之间建立了密切的关系。最后，由于在北半球高纬地区冬季有相似幅度的增暖(冷却)发生在MJO第1，3，4(5，7，8)位相后的1~2周，所以该地区冬季SAT与MJO位相2和位相6之间的联系同样应该可适用于MJO的其他位相。
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图 5 MJO位相2(a)和位相6(b)下滞后0 d(a1, b1)，5 d(a2, b2)，10 d(a3, b3)，15 d(a4, b4)的冬季温度异常场(填色)以及位势高度异常场(等值线，单位：gpm)沿180°~60°W平均后的经向-垂直分布 (打点代表通过0.05显著性水平检验) Fig. 5 The meridional-vertical distribution of lagged composite temperature T′ (colored) averaged along the longitudes 180°-60°W for MJO Phase 2 (a) and Phase 6 (b) with lag days 0 d (a1, b1), 5 d (a2, b2), 10 d (a3, b3), 15 d (a4, b4) (Black dots represent values exceeding the significant test at 0.05 level) |
为了进一步理解上述北半球高纬地区与MJO相联系的SAT信号，探究了与MJO位相相联系的大尺度异常环流场的分布特征。Ferranti et al(1990)，Matthews et al(2004)研究表明：与MJO相关的热带非绝热加热异常会激发罗斯贝波列并影响中高纬的大尺度环流异常。
图 6给出了在冬季MJO位相2和位相6下合成的北半球500 hPa位势高度异常场。对于MJO位相2，在滞后5 d时，一个显著的特征是有一个位于北太平洋，中心位于40°N、180°附近的正位势高度异常中心。在阿拉斯加和加拿大西岸有一个负位势高度异常中心，加拿大东部则为正位势高度异常，可以看到波的模态主要表现出向下游频散的特征，与PNA的模态很类似，但是相对于PNA有略微的西移；到滞后10 d时，北大西洋分支有明显的环流异常在发展，形成了近似于正的NAO的模态。位相6的合成图表现出和位相2相似的演变特征，但由于此时的热带强迫发生了变化，因此呈现出的波列模态也相反。
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图 6 同图 5，但为合成的冬季500 hPa位势高度异常场(等值线，间隔为2 gpm) (阴影为通过0.05的显著性水平检验) Fig. 6 Same as Fig. 5, but for composite geopotential height anomaly fields (contour, with an interval of 2 gpm) at 500 hPa (Shaded areas exceed the significance test at 0.05 level) |
由图 6可以看到北半球高纬表现出负(正)SAT异常的地区主要对应于负(正)位势高度异常，这表明MJO对北半球高纬地区SAT信号的影响可能与水平温度平流的输送相关。这种位势高度的异常在对流层整层基本是一致的，呈现出正压的结构。参考前人的工作，可以推测与MJO相关的热带对流所引起的加热异常可能会触发罗斯贝波列，由此持续性地影响了北半球高纬地区的环流异常，从而对季节内SAT信号产生重要影响。
为进一步探究上述于北半球中高纬观测到的罗斯贝波列的波源和传播特征，图 7给出了MJO位相2和位相6下扰动罗斯贝波源以及波活动通量的合成场。根据罗斯贝波源的定义式：S′≈-ζ▽·v′x-v′x·▽ζ，虽然低纬区的绝对涡度较小，但在异常加热区(MJO对流区)的边缘的辐散风相对较大并且有指向高纬的较大的绝对涡度梯度。在热带MJO正负加热异常的东北侧可以看到分别有一组正负波源(阴影)，在正波源附近有东北向传播的波活动通量(矢量箭头)，因此在中高纬地区观测到的波列可能是由MJO对流激发的。Henderson and Maloney (2018)也指出在MJO事件中，和异常对流相联系的上层辐散会导致副热带急流区的涡度异常并触发罗斯贝波列。因此，图 7的高度异常场上所表现出的波列模态很可能是罗斯贝波能量频散的结果。这种与热带对流相联系的加热异常触发了罗斯贝波列，波列的持续东北向传播又影响了中高纬地区的异常环流场，从而对高纬地区的季节内SAT异常信号产生重要影响(Hu et al，2019)。
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图 7 MJO位相2(a)和位相6(b)合成的200 hPa波活动通量(箭头，单位：m2·s-2)及罗斯贝波源(填色，单位：10-10 s-2) Fig. 7 The 200 hPa wave activity flux (vector, unit: 102 m2·s-2) and Rossby wave source (colored, unit: 10-10 s-2) with respect to MJO Phase 2 (a) and Phase 6 (b) |
为探究热力因素与异常SAT信号之间是否也存在着一定的对应关系，对MJO位相下合成的700 hPa比湿场异常场(图 8)进行了简单分析。可以看到MJO位相2(位相6)下较冷(暖)的SAT分别对应于700 hPa较干(湿)的空气，考虑到对流层中层比湿和向下长波辐射之间又存在正相关关系(Overland et al，1997; Adams et al，2000)，可以推测不同MJO位相下的比湿正(负)异常会导致向下长波辐射的正(负)异常，从而会对该地区的正(负)SAT信号有一定的正贡献。
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图 8 同图 5，但为合成的冬季SAT(填色, 仅显示通过0.05显著性水平检验的部分)和700 hPa比湿异常场(等值线，间隔为2×10-5 kg·kg-1) Fig. 8 Same as Fig. 5, but for composite SAT anomaly (colored, the part respents only values exceeding the significant test at 0.05 level) and specific humidity field at 700 hPa (contour, with an interval of 2×10-5 kg·kg-1) |
由上述分析发现与MJO对流相联系热带加热异常会触发东北向传播的罗斯贝波列，该波列会影响到研究所关注的高纬地区的大尺度环流异常，从而对该地区的季节内SAT异常信号产生重要影响。此外，除异常环流场以外，700 hPa比湿场和高纬SAT信号间也有较好的对应关系，表明与辐射过程相关的热力因素可能对该地区的SAT异常有一定的正贡献。而具体哪一过程在温度异常的变化中起主导作用还需借助于温度方程进行诊断分析，在之后的工作中我们会作进一步的研究。
4 结论和讨论本文研究了MJO和北半球冬季高纬地区SAT之间的联系，基于38年(1979—2016年)的逐日2 m地表气温资料以及RMM指数，得到了MJO热带对流和北半球冬季高纬地区SAT异常之间显著的相关关系。全文主要关注了MJO生命周期中的两个位相：位相2和位相6，分别对应于位于东印度洋和西太平洋地区的MJO正对流。考虑到中高纬对于热带对流的响应存在1~2周的延迟，为使与MJO相联系的异常信号更显著，在进行MJO位相的合成分析时考虑了5~15 d的滞后。可以明显看到:在北半球高纬地区，尤其是60°~90°N、180°~60°W这部分区域，在MJO位于位相2后的5~15 d有明显的负SAT异常，此时的正对流主要位于印度洋和海洋性大陆地区，负对流位于太平洋西部及中部；同样的，在MJO位于位相6后的5~15 d，该区域有显著的正SAT异常，对应位于印度洋和海洋性大陆的负对流以及位于太平洋西部及中部的正对流。该地区的温度异常的垂直分布特征与SAT类似，即在MJO位于位相2后的5~15 d表现为负温度异常，而在MJO位于位相6后的5~15 d则表现为正温度异常。滞后合成的大尺度异常环流场表明热带对流活动会对中高纬的SAT产生影响，通常是以罗斯贝波列的形式。500 hPa位势高度异常的合成场上可以明显看到在太平洋以及北美地区形成了类似于PNA模态的波列。罗斯贝波源及波活动通量的分析表明该波列应该是由与MJO对流相联系的热带加热异常所触发的，同时在加热场东北侧的正波源区有东北指向的波活动通量，表明观测的罗斯贝波列可能是东北方向频散的罗斯贝能量的结果。热带对流通过这种遥相关的方式对中高纬的环流形势产生影响，从而影响季节内SAT变率。此外700 hPa的比湿异常场的合成分析图也呈现出与SAT异常信号间较好的对应关系，在高纬地区温度负异常时有明显的比湿负异常，相反的，在温度正异常时则有明显的比湿正异常，而对流层中层的比湿和向下长波辐射之间存在正相关关系，表明辐射过程等热力因素也可能会对该地区的SAT异常有一定的贡献。
本文中MJO位相和SAT异常间显著的相关关系可能会给北半球高纬地区SAT的预报提供一些帮助，因为热带地区缓慢变化的对流活动可以为预报提供季节内时间尺度上的信息。但是也认识到了本次工作中的几个局限，首先，上文所讨论的滞后合成分析仅仅是多个MJO事件的平均结果，而这些MJO事件通常具有不同的传播特征和强度。此外，北极的SAT异常更多是受到高纬地区自身的变化的影响，比如西伯利亚高压和北极涛动(AO)等，所以MJO的影响只能被视作是一个附加部分并且它的影响也是有限的。最后，还应该注意到，研究不可避免地会受到和厄尔尼诺等相关的更长时间尺度变率的影响。热带MJO是进行10~30 d延伸期预报的重要可预报来源，如果能准确预测MJO的发展和演变，对于气候异常的预测可以提供一些依据。
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