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user: 3. 南极极涡与大气环流异常的联系 在一些年份，南极极涡会主要集中在南极极区的一侧。如1992年，南极500 hPa位势高度负异常主要在东半球一侧(图1(a))，而2018年则主要分布在西半球一侧(图1(b))。 图1. 1992年(a)和2018年(b) 7~9月南半球500 hPa位势高度异常场 3.1. 南极500 hPa位势高度异常的EOF分析 为了分析南半球冬季南半球极涡的变化特征，对7~9月65˚S以南区域500 hPa位势高度异常场进行EOF分析(图2)。前两模态的方差贡献分别为71.17%，11.06%，占总模态的80%以上。第一模态空间分布(图2(a))为全区一致型。第一模态时间系数(PC1，图2(c))反映了第一模态空间场的时间变化特征，90年代后期之前时间系数多为负值，5年滑动平均值表明，除了2014年到2017年时间系数为负值外，90年代后期之后时间系数多为正值。 第二模态的空间分布(图2(b))表现为南极极涡“偏心”的偶极子形分布。从第二模态时间系数(PC2，图2(d))得出，90年代后期以来时间系数多为负值，其中1998~2011年振幅较小，2013~2018年对应空间场即东半球极区位势高度偏高，西半球极区位势高度偏低，南极极涡容易偏向西半球一侧。 图2. 1979~2018年7~9月65˚S以南500 hPa位势高度异常场EOF分解前两模态空间分布(a)，(c)和时间序列(b) (d)。(蓝色实线：时间序列，红色虚线：5年滑动平均) 根据以上个例分析及EOF统计分析的结果，可知极涡并不是一直均匀分布在南极大陆上空，在有些时候会偏向某一半球(东或西半球)，当南极极涡主要只集中在某一半球时，对南半球乃至全球大气环流的影响可能也会有所不同，据此，本文考虑当南极极区东、西半球位势高度存在差异时，对南半球大气环流异常的影响是否存在差异。 3.2. 南极涛动和南极极涡与南半球极地外位势高度异常的联系 3.2.1. 南极极区与极区外冷暖空气交换的区域特征 在季节尺度上，受冷空气影响，500 hPa之下气柱平均气温偏低，位势高度呈现负异常。计算的7~9月AAO指数同南半球500 hPa位势高度异常的同期相关系数(图3(a))表明，南极涛动指数与60˚S以南极区的500 hPa位势高度异常呈显著负相关，相关系数达到−0.8以上。 极地外正相关区域主要分布在南印度洋至澳大利亚南部，新西兰东南侧海域，南美洲东南侧大西洋海域，其中南印度洋区域的相关系数达到了0.6。可以认为，极区与极地外地区进行冷暖空气交换主要集中在正相关过信度的区域，其中南印度洋区域最显著。比较EOF第一模态时间系数PC1与南半球位势高度异常的相关系数分布(图3(b))，可以看出，PC1主要反映了南极涛动表现的极地和极地外大气的相互交换。 图3. 1979~2018年同期7~9月AAOI (a)，PC1 (b)，PC2 (c)与南半球500 hPa位势高度异常场的相关系数空间分布。(蓝色阴影区域和红色阴影区域分别为通过95%信度检验的负相关区域和正相关区域) EOF第二模态时间系数PC2与南半球500 hPa位势高度异常场的相关系数的空间分布(图3(c))显示，当极涡“偏心”时，极地与极地外大气的相互交换在新西兰以东南太平洋和南大西洋更为显著。 3.2.2. 南极涛动正负位相大气环流异常的合成分析 本文利用0.9倍标准差选取1979~2018年7~9月南极涛动指数的大值年和小值年(图4和表1)，大值年共6年，小值年共9年。 同样利用0.9倍标准差选出EOF第一模态和第二模态时间系数PC1和PC2标准化序列的大值年和小值年，如表1所示。 根据表1中所列出的AAOI，PC1和PC2大值年与小值年，对南半球500 hPa位势高度场分别进行合成分析，得出强弱年差值的合成位势高度异常场如图5所示。AAOI大、小值年的合成差值场(图5(a))显示，在南半球中纬度地区通过95%信度检验的三个正相关区域分别为南印度洋，新西兰东部南太平洋以及阿根廷东部大西洋，与图3(a)中相关分析的区域特征相一致。PC1大、小值年合成差值场(图5(b))显示极区与中纬度冷暖空气交换的关键区域主要是南印度洋至澳大利亚南部，与图3(b)中相关分析的区域特征相一致。PC2大、小值年合成差值场(图5(c))显示在南半球中纬度地区其纬向呈现“+ −”的波列状分布，与图3(c)中相关分析的区域特征相一致，当极涡偏在西半球时，极区与中纬度冷暖空气交换的关键区域主要是南印度洋，南太平洋与大西洋海区，与南太平洋的相关程度最为显著。 图4. 1979~2018年7~9月标准化的AAO指数(虚线：0.9倍标准差) Table 1 Large and small value years of AAOI， PC1 and PC2 from Jul to Se 大值年 小值年 AAOI 1979， 1985， 1993， 2010， 2015， 2017 1980， 1981， 1995， 1996， 2000， 2007， 2009， 2011， 2013 PC1 1980， 1981， 1996， 2000， 2007， 2009， 2011， 2013， 2014 1979， 1982， 1985， 1986， 1993， 2004， 2010， 2015 PC2 1980， 1982， 1987， 1992， 1995， 2006 1984， 1989， 1996， 2003， 2010， 2013，2017 表1. 7~9月AAOI， PC1， PC2大、小值年份 根据以上相关分析及合成分析的结果，可知当南极极涡呈“偏心”形态分布时，极区与极区外冷暖空气交换的关键区域存在明显差异。 3.3. 季节时间尺度南极涛动对越赤道气流的影响 3.3.1. 相关分析 将PC1和PC2与同期850 hPa赤道风速v分量的异常进行相关分析，得出了不同经度上南极涛动正、负位相和极涡“偏心”情况下对向北越赤道气流的影响(图6)。 从图6中看出，PC1与850 hPa上55˚E~65˚E经度范围内的越赤道气流呈正相关(图6(a))，与150˚E附近的越赤道气流呈负相关，即当时间系数为正值时，对应南极极区位势高度偏高时，南印度洋与极区冷暖空气交换强烈，55˚E~65˚E从南向北的越赤道气流增强，150˚E附近的从南向北的越赤道气流减弱；当时间系数为负值时则相反。 PC2与不同经度带越赤道气流的相关系数(图6(b))则与PC1 (图6(a))相反，与850 hPa上135˚E和150˚E附近的从南向北的越赤道气流呈正相关，与55˚E~65˚E的从南向北的越赤道气流呈负相关。 图5. 7~9月AAOI (a)、PC1 (b)和PC2 (c)大、小值年南半球500 hPa位势高度场的差值合成场(散点区域：通过95%信度检验) 图6. 1979~2018年7~9月PC1 (a)，PC2 (b)与850 hPa赤道风速v分量异常的同期相关系数(虚线：95%信度检验) 图6(b) EOF第二模态主要体现当南极极涡“偏心”情况下，对向北越赤道气流的影响。当PC2为正时，极涡偏向东半球，东半球位势高度偏低，与PC1系数为负时的东半球极区的空间分布相一致，东半球极区与南印度洋的冷暖空气交换减弱，55˚E~65˚E的从南向北的越赤道气流减弱，同时西半球500 hPa位势高度偏高，与新西兰东侧中低纬度南太平洋冷暖空气交换增强，从100˚E到150˚E经度带内的850 hPa从南向北的越赤道气流增强，当时间系数为负时则相反。 比较图6(a)和图6(b)，当南极极涡偏心时，更容易出现向北越赤道气流在某些经度带内的增强或减弱。即南极极涡偏心时，更容易影响北半球热带气旋的气候变化。 3.3.2. 个例分析验证 图7为2015年7~9月500 hPa位势高度异常场和850 hPa风矢量异常场，其极区500 hPa位势高度异常场(图7(a))看以看做是图2中EOF第一模态与第二模态空间分布的叠加。 图7(a)显示2015年7~9月南极极涡偏强，从第一模态的角度来看，PC1为负值，极区位势高度偏低，AAO为正位相，冷空气聚集在极区，其中南印度洋与极区冷暖空气交换弱，55˚E~65˚E (图7(b)黑色方框)从南半球向北半球的越赤道气流为负异常，季风环流减弱，150˚E附近(图7(b)黄色方框)的从南向北的越赤道气流则增强，体现了PC1所对应的空间场与越赤道气流的联系，与图6(a)中的相关分析对应一致。 从第二模态的角度来看，图7(a)黑框区域(与图2(b)中EOF第二模态空间场对应)的500 hPa位势高度相较于东半球偏高，对应PC2为正值，55˚E~65˚E (图7(b)黑色方框)从南半球向北半球的越赤道气流为减弱，150˚E附近(图7(b)黄色方框)的从南向北的越赤道气流则增强，与图6(b)中的相关分析对应一致。 图7. 2015年7~9月南半球500 hPa位势高度异常场(a)和850 hPa风场异常(b) (矢量单位：m/s)