北极涛动(Arctic Oscillation，AO)，也被称为北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode，NAM)，是北半球冬季赤道外地区行星尺度大气环流变率的第一模态(Thompson and Wallace, 1998; Limpasuvan and Hartmann, 1999; Wallace, 2000a; Wallace and Thompson, 2002).由于它能够解释北半球变率的相当大一部分的方差，因而与天气、气候领域的诸多方面都有着密切相关.其中它与北半球冬季中高纬度冷空气活动的关系备受国内外研究者关注.AO/NAM反映了海平面气压(Sea Level Pressure, SLP)场上中纬度和极区反位相变化的南北振荡形式，伴随着振荡过程会出现中纬度和极区的空气团交换(Rigor et al., 2002).当AO/NAM处于正位相时，极区气压较平均值偏低，而环绕极区的中纬度地区高压偏强，这使得冷气团受到的指向极区的气压梯度力作用加强并平衡了指向低纬的惯性离心力，从而极区冷气团不易南下形成寒潮等低温天气，整个欧亚大陆中高纬度地区的气温偏高.而当AO/NAM处于负位相时，北极极区气压偏高，环绕的中纬度地区气压降低，由于冷气团受到的指向极区的气压梯度力减弱而无法平衡指向低纬的惯性离心力，这使得极区冷气团更容易南下，继而给中低纬地区带来寒潮大风等降温天气.以上描述的是一种理想的纬向平均状态，但是由于海陆分布、地形阻挡作用和地面摩擦效应的影响，实际情况下，AO/NAM调制下的极区冷气团流向和活动路径具有某些特定的优势路径.

正是由于AO/NAM的变化反映的是极区和中纬度空气团的交换过程，因而AO/NAM指数与北半球中高纬地区的冬季地面气温存在很强的相关关系(Thompson and Wallace, 1998; Wallace and Thompson, 2002).同时由于优势影响路径的存在，AO/NAM对北半球天气气候的整体影响中也带有局地性.在AO/NAM处于负位相时，北半球中高纬地区更易发生阻塞、寒潮、暴雪、冻雨和强风天气，并且AO/NAM的这种调制作用在北大西洋和欧洲地区尤为突出(Wallace, 2000b; Thompson and Wallace, 2001).我国学者在AO/NAM对天气气候的影响上也做出了很多的研究.对于我国冬季气温，在年际和年代际的时间尺度上，AO/NAM都具有很强的调控作用(Wu and Wang, 2002;龚道溢和王绍武，2003；梁苏洁等，2014).不仅如此，在天气尺度上，中国及东亚地区的寒潮天气也深受AO/NAM的调制(Wei and Lin, 2009; Park et al., 2011).

目前的很多研究都表明，AO/NAM在多种时间尺度上对天气气候都有着重要影响.这主要是由于AO/NAM存在从周到年代际的宽泛时间尺度变率，其中，生命史为10~20天左右的天气尺度AO/NAM事件决定着它最为本质的时间尺度和影响途径(Feldstein, 2000, 2002, 2003).而其他尺度上的影响大都表现为对这一尺度上的AO/NAM事件的强度和频度的调制.值得注意的是，北大西洋地区的天气尺度波破碎可以强烈影响AO/NAM指数在该天气尺度上的波动.Benedict等(2004)指出北大西洋地区的天气尺度波破碎是AO/NAM指数出现生命史为10~20天左右的异常事件的主要原因.并且相应于波破碎过程的AO/NAM和NAO事件从统计检验的角度来看是不可区分的(Feldstein and Franzke, 2006).我们的研究结果(Zhao et al., 2012, 2014)也反映出冬季内最主要的两个反相regime大致与正负AO/NAM指数异常的环流型相对应.

在正负AO/NAM指数异常事件过程中，北大西洋地区天气尺度波破碎的演变形势是近乎相反的，分别表现为气旋式和反气旋式.表明这期间AO/NAM对中高纬环流场，尤其是北大西洋地区环流场的影响是完全不同的，对应的地面天气状况也是不同的.尽管AO/NAM指数异常事件对欧洲和北美地区的影响最为强烈，但是AO/NAM指数异常也会对中国冬季气温产生影响，2009~2010年中国北方地区低温暴雪天气频发，这很有可能是在AO/NAM的天气尺度影响下产生的(Wang and Chen, 2010;李琳等, 2011).不仅如此，最近的一些研究表明，极端天气也多发生在天气尺度AO/NAM指数异常事件过程中(Kenyon and Hegerl, 2008, 2010；Sillmann and Croci-Maspoli, 2009).

总之，对AO/NAM的研究基本上可以归结为对天气尺度AO/NAM指数异常事件的研究.而为了研究与其伴随的冷空气活动，对这一期间的环流演变分析是非常重要的.目前，虽然已经有上述很多关于AO/NAM指数异常事件中的天气尺度波破碎方面的研究，但是这些研究主要集中在对流层顶的中高层环流场分析，并未能直接表现AO/NAM对低层或近地面冷空气活动的实际调控作用，而后者才是能强烈影响北半球地面气温并产生寒潮降温天气的直接原因.由于近地面冷空气的活动受到地形的阻挡和摩擦效应，应与中高层环流场所反映的特征有明显差异.同时由于天气尺度上随时间的快速演变，基于局地风速的流体力学欧拉观点的环流场已经不能够准确反映出冷空气的活动路径，因此本文将在已有研究的基础上，从基于个别空气微团运动轨迹的拉格朗日观点出发分析AO/NAM指数异常事件中北极极区(60°N以北)近地面冷气团的活动路径.这一观点可以直接地表现AO/NAM指数异常事件中冷气团运动的优势路径，从而直接反映出AO/NAM对地面气温的调控作用.相信这方面的研究有助于了解AO/NAM指数异常事件的近地面天气过程，进而提高利用AO/NAM指数进行预报的能力.

本文所使用的资料为美国国家环境预测中心提供的(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)再分析资料(Kalnay et al., 1996)，水平格距为2.5°×2.5°，垂直分为17层，选取的时间段为1951年12月—2013年2月，采用的环流场要素包括逐日平均地表面气压场、温度场、位势高度场、垂直速度场和风场.本文的AO/NAM指数为美国气候预报中心(CPC)提供的指数资料，下载地址：ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/cwlinks/.这是目前AO/NAM研究中最为常用的一种指数.

我们把AO/NAM指数的一个具有超强变化幅度及较长生命史(lifecycle)的变化过程称为一个AO/NAM指数异常事件.对于AO/NAM指数异常事件的挑选采用类似Benedict等(2004)的定义方式：将上(下)阈值定义为冬季平均值±1.66倍标准差，如果AO/NAM指数连续4天及以上高(低)于阈值，那么将最高(低)值作为中心，称为0天，同时前后各延伸10天.在这21天中，如果只有0天为峰(谷)值、且其相邻天数内AO/NAM指数高(低)于阈值，其余的AO/NAM指数都没有高(低)于阈值、出现第二个峰(谷)值，同时这21天都是在12月1日至次年2月28(29)日的期间，那么就将这21天定义为一个完整的AO/NAM指数异常事件的生命史(lifecycle).在1951年12月—2013年2月期间，共挑选正AO/NAM指数异常事件22次，负指数异常事件24次.

本文侧重研究上述AO/NAM指数异常事件的一般特征，故以下的分析主要限于对合成的AO/NAM事件进行，而不作个例研究.对以上挑选的正负指数异常事件分别进行逐日合成，得到正负AO/NAM指数异常事件的指数合成如图 1所示，同时也得到合成的事件过程中逐日的环流场要素场(包括逐日平均地表面气压场、SLP、温度场、位势高度场、垂直速度场和风场).

图 1

Fig. 1

图 1 正负AO/NAM指数异常事件的AO/NAM指数合成 红色(蓝色)曲线为正(负)AO/NAM指数异常事件中的指数合成. Fig. 1 Composite AO/NAM indexes of positive and negative AO/NAM events The red and blue solid lines are the composite AO/NAM indexes of positive and negative AO/NAM events, respectively.

值得注意的是，不论适当降低或提高AO/NAM指数异常事件的挑选阈值，使得挑选到的AO/NAM指数异常事件个例略有增多或减少，AO/NAM指数异常事件中北极地区冷气团活动随AO/NAM指数变化的各阶段特征是近乎一致的，表明这种冷空气活动特征是十分显著的.

如果已知任意空间点(经纬度和气压分别为φ、λ和p)在任一时刻t的三维风场(包括纬向风u、经向风v和垂直风ω)，那么根据流体运动的拉格朗日观点可知, 初始时刻t₀位于(φ₀, λ₀, p₀)空气质点的运动的三维轨迹可以通过求解常微分方程的初值问题得到，公式为

(1)

本文的计算中用使用Matlab自带的4.5阶Runge-Kutta法计算程序对速度矢量做时间积分，其中配合使用其自带的n维数据线性插值程序对已知资料格点风场进行4维线性插值求得任意空间点任一时刻的风场.计算中考虑了地形构成的下边界的存在.不难发现，通过上述方程定义的轨迹与速度场之间为线性关系.因此，本文中对于所挑选的AO/NAM指数异常事件的合成风场(相当于个例的线形叠加)计算出的北极地区近地面冷气团的活动轨迹的物理意义是明确的，它等同于逐个求取每一个指数异常事件个例中冷气团轨迹之后再将它们进行合成的结果.

通常来说，从冬季地面气温的分布上来看(图略)，60°N以北的北极地区是冬季北半球冷空气的主要源地，该地区对流层低层和近地面附近的冷空气活动能强烈影响北半球地面气温并产生寒潮降温天气.本文侧重研究北极冷空气活动，主要是指北极地区对流层低层和近地面附近的冷空气流动.故取冷气团轨迹出发点的水平分布格点如图 2a，它们按照球面距离均匀分布在60°N以北地区，共计704个点.而每个点在垂直方向按照气压等概率地随机分布在自地面向上厚度为100 Pa的大气范围内.假定上述采样方式能够代表北极地区近地面附近的冷空气的堆积情况.并且这一采样方式中，每个轨迹起点代表的空间范围要远远大于分子扩散和湍流交换的空间尺度，连续介质假说保证了轨迹起点的空气团在整个运动过程中的基本完整性.此外，本文在追踪冷空气流动过程中，未考虑温度的变化，但当冷空气流经温暖洋面时，其温度将升高，后面的分析中将对此具体讨论.

图 2

Fig. 2

图 2 (a) 轨迹质点出发点在地球表面等距离均匀的空间分布；(b)正AO/NAM指数异常事件中-10~-8天中冷气团轨迹在地球表面上的投影；(c)负AO/NAM指数异常事件中-10~-8天中冷气团轨迹在地球表面上的投影 Fig. 2 (a) Distribution in an equal spherical distance of starting dots on the Earth surface; (b) Projected trajectories of the cold air from lag -10 day to lag -8 day during the positive AO/NAM events; (c) Projected trajectories of the cold air from lag -10 day to lag -8 day during negative AO/NAM events

为了全面考察AO/NAM指数异常事件中开始至结束各个发展阶段的状况，本文分别对正负事件各计算了10批上述采样方式挑选的极区冷气团漂移轨迹，它们分别以-10、-8、…、8日作为漂移起始时刻，漂移时间均为2天，本文中将此定义为一个时间区间，正负事件中各有10个时间区间.作为例子，图 2b、c分别给出了正(负)事件-10~-8天中冷气团轨迹在地球表面上的投影.

上述密集分布的出发点可以全面地反映近地面气团的运动特征，但是由于轨迹过于密集，难以突出事件演变过程中各阶段的主要运动特性，因此我们采用k-means聚类分析的方法来对上述冷气团运动轨迹进行简化.首先将所有704条轨迹的空间坐标(2天内每条轨迹上每1小时取1点，共3个坐标)构成一个704×147的矩阵.对这个矩阵求秩，得到最大线性不相关的轨迹个数K.粗略地说，将轨迹分为K类进行k-means聚类分析是一种较好的选择.计算表明，一般情况下该矩阵为满秩.故取K=147进行聚类分析.考虑到在计算结果中，空气团在地球的近地面运动，因此我们采用实际的球面距离对轨迹进行聚类分析.同时，为了表征每个阶段的主要运动特征我们只标识包含三条及以上轨迹的类的质心轨迹.这些质心轨迹代表的空气团在起始时刻面积范围较大，因此也是较为主要的空气团的运动轨迹.对比图 2b、c和图 3a、k可见，聚类分析后的结果既可以较好地保留主要的运动轨迹特征，又可以更清晰显示结果.

图 3

Fig. 3

图 3 正AO/NAM指数异常事件(a~j)和负AO/NAM指数异常事件(k~t)中聚类分析后主要的冷气团质心轨迹在地球表面上的投影 (a, k) -10~-8天；(b, l) -8~-6天；(c, m) -6~-4天；(d, n) -4~-2天；(e, o) -2~0天；(f, p) 0~2天；(g, q) 2~4天；(h, r) 4~6天；(i, s) 6~8天；(j, t) 8~10天. Fig. 3 Dominant projected cluster centers of the cold air during positive AO/NAM events (a~j) and negative AO/NAM events (k~t) (a, k) from lag -10 day to lag -8 day; (b, l) from lag -8 day to lag -6 day; (c, m) from lag -6 day to lag -4 day; (d, n) from lag -4day to lag -2 day; (e, o) from lag -2 day to lag 0 day; (f, p) from lag 0 day to lag 2 day; (g, q) from lag 2 day to lag 4 day; (h, r) from lag 4 day to lag 6 day; (i, s) from lag 6 day to lag 8 day; (j, t) from lag 8 day to lag 10 day.

以下将分析正负AO/NAM指数异常事件中北极地区近地面冷气团运动特征的演变过程.为了全面详细的表现正负AO/NAM指数异常事件中冷气团轨迹的运动，首先展示AO/NAM指数异常事件中依照2.3节中采样方式挑选的10批极区冷气团活动轨迹聚类分析后的质心轨迹，然后针对事件中10个时间区间的运动特征进行归纳，观察整个事件过程中的不同发展阶段，继而根据质心轨迹中的典型代表路径结合地面气温的距平分布提出事件演变的示意图，这有利于突出事件过程中最主要的运动特点.

从图 3中的冷气团运动质心轨迹来看，在正AO/NAM指数异常事件过程中，纬向环流特征明显，北极地区的近地面冷气团基本都局限在40°N以北的中高纬地区.

在AO/NAM指数异常事件中的指数上升阶段前期(-10~-8天和-8~-6天)，白令海地区的冷气团以气旋式轨迹流动，在格陵兰海和挪威海地区的冷气团也以气旋式轨迹运动，但是范围相对较小，强度也较弱.同时，冷气团从北冰洋波弗特海、拉普捷夫海和喀拉海地区南流至加拿大的东南部，其中部分冷气团可东移越过北大西洋，横贯欧亚大陆，形成环绕整个北半球的纬向环流运动轨迹.

在指数上升阶段中期(-6~-4天和-4~-2天)，冷气团在白令海中西部地区的气旋式运动迅速减弱、面积减小.而格陵兰海和挪威海地区的气旋式运动略有加强.并且更多的冷气团自北冰洋波弗特海、拉普捷夫海和喀拉海地区南流至加拿大的东南部，环绕北半球的纬向运动轨迹向更高纬地区收缩.

在上升阶段后期(-2~0)，白令海地区冷气团的气旋式运动几乎消失，只在堪察加半岛和鄂霍次克海地区有很弱的范围较小的气旋式运动.但格陵兰海和挪威海地区的气旋式运动较强，并南移至冰岛地区.中高纬地区环绕北半球的纬向环流运动加强，并以格陵兰岛为中心.

在下降阶段前期(0~2天)，格陵兰海和挪威海地区冷气团的气旋式运动进一步加强，勘察加岛和鄂霍次克海地区的冷气团气旋式运动略有加强.在下降阶段中期(2~4天和4~6天)，堪察加岛和鄂霍次克海地区的气旋式运动强度迅速加强，范围扩展至白令海中东部.冰岛地区的气旋区分裂为两个中心，一个位于冰岛地区，另一个位于格陵兰海和挪威海地区.中高纬地区以陵兰岛为中心的纬向环流运动范围扩大，出现自冰岛南部流向东欧平原的冷气团路径.在指数下降阶段的后期(6~8天和8~10天)，白令海地区的气旋式运动范围进一步增大，格陵兰海和挪威海地区的气旋运动减弱.

在负AO/NAM指数异常事件中，经向环流特征明显，冷气团以反气旋式轨迹流出极区后，受到阿留申低压和冰岛低压的影响，冷气团在北太平洋和北大西洋的低压区形成范围较大的气旋式轨迹运动区域.

从图 3中可见，在负AO/NAM指数异常事件中的指数下降阶段前期(-10~-8天和-8~-6天)，拉普捷夫海和波弗特海的近地面冷气团以反气旋式轨迹流出极区后，进入中纬度北太平洋(40°N~60°N，150°E~150°W)的阿留申低压区以气旋式运动轨迹流动，范围比正AO/NAM指数异常事件中的更大.而在挪威海和格陵兰海地区存在一个范围较小的气旋式轨迹区域.同时，波弗特海和喀拉海近地面冷气团经加拿大东北部流向北大西洋，并在格陵兰岛西南侧形成气旋式轨迹.

在指数下降阶段中期(-6~-4天和-4~-2天)，挪威海和格陵兰海地区的气旋式运动减弱消失，而在加拿大东北部地区冷气团以气旋式轨迹流动.值得注意的是，在这一阶段冷气团出现两种强烈影响欧亚大陆尤其是欧洲地区的运动路径，一种自新地岛经挪威海和格陵兰海后进入北大西洋最终影响欧洲西南部，另外一种运动路径自冰岛北部地区向南移动影响欧洲地区，随着这些冷气团东移，其影响可达贝加尔湖地区，并可以直接影响到我国东北地区、朝鲜半岛和日本北部地区.

在指数下降阶段后期(-2~0天)，从巴伦支海和喀拉海流经格陵兰岛东侧的冷气团不再影响欧洲，转而进入加拿大东部和北大西洋西北部形成气旋式运动.但是自冰岛北部南流影响欧洲的冷气团运动影响范围进一步南扩，可以影响到地中海北岸地区.

在负AO/NAM指数异常事件中的指数上升阶段初期(0~2天)，波弗特海地区的冷气团以反气旋式轨迹流出后，受到阿留申低压的影响，在北太平洋的北部以气旋式轨迹流动.同样地，欧洲北部地区巴伦支海和喀拉海地区的冷气团反气旋式流出极区，经格陵兰岛东侧流向加拿大东北部和40°N以北的北大西洋地区，以气旋式轨迹运动的范围较指数下降后期进一步增大.此外，自冰岛北部和新地岛附近地区南流影响欧洲地区的冷气团轨迹消失.

在指数上升阶段的中期(2~4天和4~6天)，东西伯利亚海、拉普捷夫海和波弗特海地区冷气团反气旋式流出极区后，进入北太平洋的阿留申低压区.同样地，欧洲北部的巴伦支海和喀拉海地区的冷气团反气旋式流出，经格陵兰岛东侧流向加拿大东北部和北大西洋西北部地区.最终，在负AO/NAM指数异常事件中的指数上升阶段后期(6~8天和8~10天)，北冰洋波弗特海近地面冷气团流经加拿大东部进入北大西洋，并在格陵兰岛南部的海域形成气旋式运动区域.

综合分析正负AO/NAM指数异常事件中极区近地面冷气团的运动轨迹的变化特征得出概念图(如图 4所示).在正AO/NAM指数异常事件中，纬向环流特征明显，这主要是由于极区SLP偏低，近地面冷气团受到的气压梯度力加强，使得环绕北半球中高纬地区的冷空气活动轨迹的特征明显.而在负AO/NAM指数异常事件中，SLP低压异常中心位于北太平洋的阿留申地区和北大西洋的格陵兰岛南部海区，相反，北极地区SLP偏高，因而极区近地面冷空气受到的气压梯度力减弱，以反气旋式轨迹流出，在阿留申低压和冰岛低压的作用下，进入北太平洋和北大西洋北部地区，并且由于洋面等下垫面的摩擦作用，冷气团被局限在该低压区以气旋式轨迹运动(如图 4).与正AO/NAM指数异常事件截然不同的是，负AO/NAM指数异常事件中，在指数下降的中后期出现两种强烈影响欧亚大陆，尤其是欧洲地区的冷空气运动路径，一种是自新地岛经格陵兰海和挪威海进入北大西洋东部海区后影响欧洲地区的路径，另外一种是自冰岛北部地区向南移动影响欧洲地区，随后继续东移，其影响可达贝加尔湖地区，并直接影响我国东北地区、朝鲜半岛和日本北部地区.

图 4

Fig. 4

图 4 正AO/NAM指数异常事件(a~f)和负AO/NAM指数异常事件(g~l)冷气团质心轨迹在地球表面上投影的示意图 阴影为地面气温距平场(单位：℃)，圆点表示轨迹出发点. (a, g)指数下降阶段的前期；(b, h)指数下降阶段的中期；(c, i)指数下降阶段的后期；(d, j)指数上升阶段的前期；(e, k)指数上升阶段的中期；(f, l)指数上升阶段的后期. Fig. 4 Schematic diagram depicting generalized features of dominant trajectories and surface temperature of the positive and negative AO/NAM events Dots represent starting points and warm/cold shading represents surface air temperature anomalies (unit: ℃). (a, g) Early phase of index decreasing stage; (b, h) Middle phase of index decreasing stage; (c, i) Later phase of index decreasing stage; (d, j) Early phase of index increasing stage; (e, k) Middle phase index increasing stage; (f, l) Later phase of increasing stage.

在正负AO/NAM指数异常事件中北极地区近地面冷空气运动轨迹是不同的，正因如此，正负AO/NAM指数异常事件过程对天气气候的影响是不同的，其中对欧洲地区影响的差异最为显著(如图 4).对比正负AO/NAM指数异常事件中北极地区近地面的冷气团运动轨迹可以发现，当出现正AO/NAM指数异常事件时，极地近地面冷气团被局限在以格陵兰岛为中心的中高纬地区，使得格陵兰岛和加拿大中东部地区气温偏低.而自加拿大东移的冷空气团经过西太平洋暖流后，气团温度升高，受到这种变性气团的影响，欧亚大陆中西部气温偏高.在负AO/NAM指数异常事件中，格陵兰海和挪威海地区的冷气团以反气旋式轨迹流出极区后，经过温暖的北大西洋暖流洋面，气团发生变性，气温升高，受到这些气团的西移影响，格陵兰岛和加拿大东部地区气温明显偏高.而新地岛和冰岛北部地区的冷气团会影响欧亚大陆地区，使得该区域地面气温降低.此外，由于北大西洋和北太平洋的中部地区(30°N~45°N)为低压中心，在气压梯度力作用下，冷气团流入低压区.尽管冬季时，海洋表层气温偏高，但是从北极地区不断传播过来的大量冷空气使得洋面区域的气温降低.极区近地面冷气团的运动轨迹可以较好地对应于冬季平均的AO/NAM指数和地面气温的相关系数分布(如图 5).

图 5

Fig. 5

图 5 冬季平均的AO/NAM指数与地面气温的相关系数分布 Fig. 5 Correlation efficients of winter-mean surface air temperature and AO/NAM index

尽管正负AO/NAM指数异常事件中冷气团的活动对欧洲地区的影响最为显著，但我国冬季气温也会受到不同的影响，下面将对此进行分析.

在正AO/NAM指数异常事件中，从图 3中可见，欧亚大陆地区的冷空气流动大多在60°N以北的极区，较少进入中高纬地区，因而对我国北方地区的直接影响较小.为探讨正AO/NAM指数异常事件中高纬地区冷空气活动对我国冬季气温的影响，本文依据2.3节中的方法将冷气团轨迹出发点分别设置分布在45°N以北的近地面附近和700 hPa等压面上，并结合事件中环流场的变化进行分析.

结果发现，在指数下降阶段的前中期，近地面空间范围内，与图 3的变化过程相似，冰岛南部地区的气团东移至欧洲北部地区并横贯欧亚大陆.尤其在正AO/NAM指数事件的2~4天的时间区间中冰岛南部的冷气团东移时，其影响最南可达里海北岸地区，但并未能直接影响我国.

进一步分析700 hPa面上的空气团运动轨迹发现，同样地，在正AO/NAM指数异常事件的指数下降阶段前中期，冰岛南部海区和欧洲中高纬地区的气团向东南移动.尤其在事件中2~4天的时间区间内，这种运动轨迹特征最为明显.当这些东南移动的气团到达青藏高原地区西部时，受到地形阻挡，出现明显分支、绕流和汇合现象，在高原北部形成一个地形脊，而南部形成地形槽.通常将冬半年在高原以南处建立的这一半永久性长波槽称为南支槽(朱乾根等，1992；丁一汇，2005).通过局地寒潮天气过程中南支槽的个例分析表明(张腾飞等，2006)，南支槽的活动对我国尤其是南方地区的冬季气温变化有较大影响(陶诗言，1957；索渺清和丁一汇，2009).索渺清和丁一汇(2009)详尽分析南支槽的结构及其气候学特征后指出，槽变化最明显的层次是700 hPa，并将(80°E~100°E、17.5°N~27.5°N)定义为为南支槽地区.

分析正AO/NAM指数异常事件的10个时间区间中环流场的变化后发现，在指数下降阶段的前中期，南支槽的活动较强，并不断加深.从图 6中可以看到，2~4天减去0~2天的700 hPa位势高度异常场南支槽区域为负值，并且在4~6天减去2~4天的位势高度异常场上，东欧槽和南支槽都显著加深增强.这种环流型有利于欧洲中高纬冷空气向中国南方地区传输，同时，也有利于孟加拉湾水汽向中国华南地区输送(潘敖大等，2011).空气团运动轨迹证实了这一分析，图 6中可见，正AO/NAM指数异常事件的指数下降阶段中，700 hPa上的冰岛南部及欧洲中高纬地区的近地面冷气团流动到北非至中东地区，随后这些空气团东移到青藏高原西侧并出现分支和绕流，其中南支冷气团轨迹可到达江南华南地区，这与张宗婕和钱维宏(2012)分析0708冰冻雨雪低温灾害中的对流层中低层低温扰动中心活动路径是一致的.

图 6

Fig. 6

图 6 正AO/NAM指数异常事件中指数下降阶段影响欧亚大陆地区的冷气团活动质心轨迹和700 hPa位势高度异常场 实心点表示轨迹的出发点，蓝色曲线为正AO/NAM指数异常事件中2~4天欧亚大陆地区的近地面冷气团的代表性轨迹，红色曲线为正AO/NAM指数异常事件中2~4天700 hPa面上的代表性气团运动轨迹，彩色阴影为正AO/NAM指数异常事件中2~4天减去0~ 2天的位势高度异常场(单位：gpm)，黑色实/虚线为4~6天减去2~4天的位势高度异常场，黑色实线为正值，黑色虚线为负值. Fig. 6 Schematic diagram depicting dominant trajectories during early phase of the positive AO/NAM index decreasing stage The dots represent starting points. The blue lines represent dominant trajectories of near-surface air parcels, and red lines represent dominant trajectories of 700-hPa air parcels. Warm (cold) shading represents the 700-hPa geopotential height is higher (lower) during the period of 2 to 4 day than the period of 0 to 2 day, and solid (dashed) black lines represents the 700-hPa geopotential height is higher (lower) during the period of 4 to 6 day than the period of 2 to 4 day (units: gpm).

在正AO/NAM指数异常事件中，高纬近地面冷空气对我国北方地区的直接影响较小.然而在指数下降过程中，由于东欧槽和南支槽的加深，这有利于欧洲中高纬冷空气和孟加拉湾水汽向中国华南地区输送.可见，正AO/NAM指数异常事件中冷空气对中国南北方地区冬季气温的影响是相反的，北方受到极区冷空气的影响较少，气温偏高；而南支槽加深等环流形势为南方出现寒潮甚至冰冻雨雪等低温天气提供了有利条件.从图 4可见，在正AO/NAM指数异常事件中，中国北方地区气温基本与常年平均持平，但是，在指数下降过程中，南方地区存在负距平分布.

从图 3中可见，在负AO/NAM指数异常事件中指数下降阶段的中后期，冰岛北部和新地岛地区近地面的冷气团可以直接影响中国东北地区和寒潮关键区(70°E~90°E，45°N~65°N)，并且这两种冷气团活动在-4~-2天最为明显.图 7给出了-4~-2时间区间内上述两种冷气团活动的典型质心轨迹.当冷气团到达寒潮关键区后，有利于西伯利亚地区冷空气堆积，加强了西伯利亚高压.从图 7的位势高度和垂直速度的变化来看，在这一阶段，东亚大槽加强加深，槽前出现下沉运动，这有利于寒潮降温天气的爆发，会影响我国大部分地区的冬季气温.图 4可见，负AO/NAM指数异常事件中，我国大部分地区气温较常年平均偏低，尤其是东北等北方地区.龚道溢和王绍武(2003)的研究结果表明，AO/NAM对我国尤其是东北地区的冬季气温影响较强.本文从北极地区近地面冷气团活动轨迹的角度解释了AO/NAM指数与中国不同地区冬季气温的相关系数分布不同的原因.

图 7

Fig. 7

图 7 负AO/NAM指数异常事件中指数下降阶段影响欧亚大陆地区的典型近地面冷气团活动轨迹和500 hPa位势高度异常场及垂直速度异常场 黑色实心点表示轨迹的出发点，蓝色曲线为负AO/NAM指数异常事件中-4~-2天影响欧亚大陆地区的有代表性的冷气团轨迹，红色方框为寒潮关键区，黑色方框为西伯利亚高压区，彩色阴影为指数下降阶段(-6~0天)的垂直速度异常场(单位：0.01 pa·s-1)，红色实/虚线为指数下降阶段(-6~0天)的500 hPa位势高度异常场(单位：gpm)，红色实线为正值，红色虚线为负值. Fig. 7 Schematic diagram depicting dominant trajectories during later phase of the negative AO/NAM index decreasing stage The dots represent starting points. The purple lines represent dominant trajectories of near-surface air parcels. Solid (dashed) red lines indicate positive (negative) 500-hPa geopotential height anomalies compared with the winter means(units: gpm). Warm (cold) color shaded areas indicate positive (negative) pressure velocity anomalies compared with the winter means (units: 0.01 Pa·s-1). The red box represent the key area of the cold surge defined by Tao et al.(1959, 1961). The black box stands for the region of Siberian High.

AO/NAM在多种时间尺度上对天气气候都有着重要影响，其中，生命史为10~20天左右的天气尺度AO/NAM事件决定着它最为本质的时间尺度和影响途径，并且极端天气多发生在AO/NAM指数异常事件过程中.这主要是由于AO/NAM能够调制北极地区近地面冷空气的运动，而这些冷空气的活动强烈影响北半球天气过程，是寒潮降温天气产生的直接原因.因此对这一期间的环流演变分析是非常重要的.本文以拉格朗日观点分析AO/NAM指数异常事件中北极极区(60°N以北)近地面冷气团的活动路径，直接地表现出了AO/NAM指数异常事件中冷气团运动的优势路径，从而反映出AO/NAM对地面气温的直接调控作用.

在正AO/NAM指数异常事件中，北极地区近地面冷气团活动轨迹的纬向环流特点突出，主要表现为环绕北半球中高纬地区的冷气团运动轨迹特征明显.而在负AO/NAM指数异常事件中，拉普捷夫海和波弗特海地区及巴伦支海和喀拉海地区的冷气团以反气旋式轨迹流出极区后，分别流入北太平洋和北大西洋的低气压区，这种由极区向中纬度流动的径向环流特征显著.值得注意的是，负AO/NAM指数异常事件中，在指数下降的中后期出现两种强烈影响欧亚大陆，尤其是欧洲地区的运动轨迹，一种是自新地岛经格陵兰海和挪威海进入北大西洋东部后影响欧洲地区的路径，另外一种轨迹是自冰岛北部地区向南移动影响欧洲地区，随后继续东移，影响可达贝加尔湖地区，并直接影响我国东北地区、朝鲜半岛和日本北部地区.

正负AO/NAM指数异常事件中极区近地面冷气团活动轨迹很好地解释了传统公认的AO/NAM对北半球不同地区冬季气温的影响.对比正负AO/NAM指数异常事件中北极地区近地面的冷气团运动轨迹可以发现，当出现正AO/NAM指数异常事件时，极地近地面冷气团被局限在以格陵兰岛为中心的中高纬地区，使得格陵兰岛和加拿大中东部地区气温偏低.而自加拿大东移的冷气团经过西太平洋暖流后，气团温度升高，受到这种变性气团的影响，欧亚大陆中西部气温偏高.在负AO/NAM指数异常事件中，格陵兰海和挪威海地区的冷气团以反气旋式轨迹流出极区后，经过温暖的北大西洋暖流洋面，气团发生变性，气温升高，受到这些气团的西移影响，格陵兰岛和加拿大东部地区气温明显偏高.而新地岛和冰岛北部地区的冷气团会影响欧亚大陆地区，使得该区域地面气温降低.此外，由于北大西洋和北太平洋的中部地区(30°N~45°N)为低压中心，在气压梯度力作用下，冷气团流入低压区.尽管冬季时，海洋表层气温偏高，但是从北极地区不断传播过来的大量冷气团使得洋面区域的气温降低.

从本文的分析也可以发现，AO/NAM对中国冬季气温有很强的控制作用，很多研究指出，当AO/NAM为正时，中国冬季大部分地区的气温偏高，反之亦然.本文的分析表明，在正AO/NAM指数异常事件中，我国北方地区气温偏高，但在指数下降过程中，东欧槽和南支槽加深，这有利于欧洲中高纬冷空气和孟加拉湾水汽向中国华南地区输送，为寒潮甚至冰冻雨雪天气提供了有利的环流条件.同时，在负AO/NAM指数异常事件的指数下降阶段，新地岛东部和冰岛北部地区的近地面冷空气影响欧洲大部分地区，随着这些冷空气东移它们可以直接影响我国东北部地区和寒潮关键区，后者与西伯利亚高压和东亚大槽等天气系统的配合可以诱发寒潮大风等降温天气，进一步影响我国其他地区的气温.我国冬季气温EOF分析结果的前2个模态分别为一致增暖的EOF1和南北反相的EOF2，本文不仅证实了AO/NAM对EOF1的影响，并且分析发现，正AO/NAM指数异常事件在一定程度上也会影响到南北反相振荡的EOF2的变化.