平流层对于整个大气环流具有重要作用，平流层变化通常具有维持时间长、异常出现的时间早于对流层异常发生的时间等特征。已有许多研究证明：平流层环流的异常对于对流层天气、气候异常有一定先兆作用^[1-6]，从而可为短期气候预测提供前兆信号。

平流层大气环流的季节变化和环流转型的迟早及其与对流层的关系一直被人们所关注。平流层冬夏季节的转换主要体现在极地冷低压与暖高压的转换以及绕极的西风转为弱东风^[7]。依据冬夏环流形势的显著差异，瞿章等^[8-9]采用1965—1984年共20年的逐月高度场资料计算了北半球50 hPa上不同经度3个纬度带间 (60°~90°N，30°~60°N，0°~30°N) 的高度梯度反转的日期，以此确定各经度上在此纬度带的转换日期，研究了50 hPa上环流特征与500 hPa的关联，指出了平流层环流的季节变化具有在高纬度和低纬度地区出现早、中纬度地区出现晚的趋势。葛玲等^[10]利用1965—1986年的高度场和臭氧资料，计算了30 hPa上50°N以北地区高度场涡动方差，给出了30 hPa春季开始的日期及季节转变早、晚情况下臭氧的异常分布。田荣湘等^[11]采用1979年的全球大气研究计划第1次试验期间的全球气象资料 (FGGEIII_b)，研究了1979年平流层大气环流在季节变化期间，南北半球不同区域的演变特征。许多研究都表明：平流层环流及环流转型异常与对流层气候及对流层大气环流系统有联系^[12-14]，因此有关平流层季节性的环流转换及转换异常的研究对短期气候预测有重要意义。由于受平流层观测资料匮乏的限制以及平流层季节转变定义方法差异的影响，早期对于平流层环流转型的研究较难从气候及其异常角度清晰地给出平流层各层次环流转型的时空变化特征及其与对流层的关系，为此，本文通过对1948—2009年共62年的NCEP/NCAR逐日再分析资料，利用高度梯度反转和风向转向相结合的方法来确定各层次的环流转型日期，分析转型日期的年际、年代际变化特征，研究平流层环流转型在气候学上的时空变化特点，为分析平流层环流转型的时空变化特征及其异常与对流层内重要的天气、气候的具体关系奠定基础。

本文所用的资料来自NCEP/NCAR逐日再分析资料^[15]，该资料序列时间长度为1948年1月1日—2009年12月31日，垂直方向共17层 (1000，925，850，700，600，500，400，300，250，200，150，100，70，50，30，20，10 hPa)，水平分辨率为2.5°×2.5°，要素为位势高度场和纬向风场。

平流层环流在冬夏有显著差异，冬季高度场呈现南高北低的形势，极地为冷低涡，中高纬度地区主要盛行绕极西风；而夏季高度场则呈现南低北高形势，主要盛行东风。根据冬夏的环流差异，本文定义北半球位势高度场南北每隔5°的梯度差为高度梯度：

(1)

式 (1) 中，λ，ϕ分别为经度、纬度，H_λ，ϕ为格点 (λ，ϕ) 处对应的位势高度值。

由于北半球平流层气象要素场 (温度场、风场、高度场等) 在55°N以北地区的方差都较大，因此选取 (55°~85°N，0~177.5°E, 180~2.5°W) 的中高纬度地区作为研究区域。在该区域内，如果高度场呈南低北高型，即ΔH_λ，ϕ＜0，则计数器H_λ，ϕ=1；若ΔH_λ，ϕ≥0，则H_λ，ϕ=0。此外，如果该区域内某格点风场为东风，即U_λ，ϕ＜0，则计数器M_λ，ϕ=1；若U_λ，ϕ≥0，则M_λ，ϕ=0。

当研究区域内的负高度梯度 (N_λ，ϕ) 的格点数和东风 (M_λ，ϕ) 的格点数占研究区域内总格点数的百分率 (式 (2) 中R_H和R_U) 连续5 d都达到80%(经验值) 以上时，即定义满足以上条件的第1天为平流层冬季环流转为夏季环流的日期。

(2)

式 (2) 中，R_H和R_U分别为研究区域内的负高度梯度、东风的格点数占研究区域总格点数的百分率。

文中环流转换时间一般指某年的日序，如1月1日对应的数值是1，1月31日对应的数值是31，2月1日对应的数值是32，依次类推。

对北半球平流层高度梯度场的均方差分析显示，北半球存在3个均方差极大值中心 (图 1为10 hPa上冬季环流转为夏季环流过渡月份的高度梯度的均方差分布，其他层次以及1—12月的均方差分布图略)，这3个极值中心为季节变化、气候异常的敏感区域，因此，除计算北半球环流转型的日期外，还依据极值中心选定3个代表性区域：1区是从新地岛到西伯利亚北部地区 (55°~85°N，50°~120°E)，简称为西伯利亚区；2区是以白令海为中心，从东西伯利亚到加拿大西北部地区 (55°~85°N，120°E~120°W)，简称为白令海区；3区是位于大西洋北部的格陵兰岛地区 (55°~85°N，2.5°~60°W)，简称为格陵兰区。采用上述同样方法计算出这3个区域的环流转型日期。

图 1

图 1. 3月1日—6月30日10 hPa高度梯度的均方差分布 (单位：gpm) Fig 1. The mean square deviation of the geopotential height gradient from 1 March to 30 June at 10 hPa (unit: gpm)

本文采用经验小波分析^[16]研究62年来环流转型日期的时频结构，此外还用曼-肯德尔法 (M-K)^[17]对于多年来的转型时间变化趋势进行突变年份的检测。

图 2是10 hPa的高度梯度和风速气候平均态的时间-经度分布图，可以看出：同层次的高度场梯度与风速的转换时间相近。其中10 hPa和20 hPa (图略) 的冬季环流转为夏季环流的转型日期相近，平均出现在4月上旬和中旬，30 hPa (图略) 环流转型时间出现在4月下旬，50 hPa (图略) 环流转型时间则出现在5月上旬。而夏季环流转为冬季环流的平均日期则是50 hPa最早，转型时间为8月初，30 hPa转型时间出现在8月中下旬，20 hPa和10 hPa均出现在8月底，但10 hPa稍晚于20 hPa。各层夏季环流维持的时间长度：10 hPa约为5个月，20 hPa超过4个月，30 hPa为近4个月，维持时间最短的是50 hPa，为近3个月 (表 1)。即层次越高，夏季环流维持的时间越长；层次越低，夏季环流维持的时间越短。同时可以看出，在不同的区域，冬季环流向夏季环流转型的时间也存在差异。西伯利亚区和格陵兰区所在的经度范围内，环流转型时间明显较其他区域偏早，且高度梯度和风速的变化相对于白令海区来说要小很多。白令海区所在的经度范围内环流转型的时间较其他区域稍晚。

图 2

图 2. 10 hPa位势高度梯度 (单位：dagpm)(a) 以及纬向风 (单位：m·s-1)(b) 的时间-经度分布图 Fig 2. Time-longitude evolution of geopotential height gradient (unit:dagpm)(a) and zonal wind (unit:m·s-1)(b) at 10 hPa

表 1

表 1 北半球平流层环流转型时间 Table 1 Transition date of stratospheric circulation in Northern Hemisphere 高度/hPa 冬季环流转为 夏季环流时间 夏季环流转为 冬季环流时间 10 4月上中旬 8月底 20 4月上中旬 8月底 30 4月下旬 8月中下旬 50 5月上旬 8月初

表 1 北半球平流层环流转型时间 Table 1 Transition date of stratospheric circulation in Northern Hemisphere

根据已有季风领域的研究，孟加拉湾、中南半岛和南海是亚洲热带夏季风最早爆发的地区^[18]，其中南海夏季风平均的爆发时间为5月中下旬^[19]。而根据本文的分析，平流层夏季环流转为冬季环流的平均时间出现在4月上中旬至5月上旬 (表 1、图 2)。即从气候平均状态上来看，平流层的冬季环流转为夏季环流的转型时间明显早于东亚热带季风爆发时间，从而可能成为一个研究东亚季风气候监测、预测的先兆信号。季风活动与我国夏季降水关系密切^[20]，因此，平流层环流转型对于汛期气候趋势也有指示意义。

由表 1和表 2可知，北半球平流层高层 (10 hPa与20 hPa) 高度场以及风场最先发生环流反转，并逐渐向下传播至50 hPa，前后经历约1个月左右。表 2是北半球以及3个区域不同层次的平均环流转型时间，在西伯利亚区内的环流转换明显早于白令海区。结合3个区域的地理分布可知，东半球环流转型早于西半球，而西伯利亚区是北半球最先开始环流转型的地区。对比10 hPa与20 hPa上北半球环流转型时间与不同区域环流转型时间可知，这两个层次的环流转型时间较为接近，相差约为1~2 d，与30 hPa环流转型时间相差可达4~6 d，而50 hPa环流转型的发生时间明显落后于其以上层次环流转型时间。

表 2

表 2 不同区域、不同层次的平均环流转型时间 Table 2 Average transition dates at all levels of the regions 高度/hPa 北半球 西伯利亚区 白令海区 格陵兰区 10 第112天 第111.7天 第139.9天 第139.6天 20 第113.5天 第112.7天 第138.7天 第137.9天 30 第118.3天 第116.6天 第143.4天 第140.5天 50 第145天 第141.4天 第173.6天 第154.4天

表 2 不同区域、不同层次的平均环流转型时间 Table 2 Average transition dates at all levels of the regions

北半球不同层次环流转型时间的年际变率较显著 (图 3)。在10 hPa上环流转型早的年份与转型晚的年份时间相差可达80 d (表 3)，其中1989年环流在第70天 (即3月11日) 转型，是62年中环流转换最早的一年，比平均时间 (第112天) 早42天，次早年为1964年和1961年，比平均早37天；最晚是2001年，比平均时间晚38天，次晚年为1951年和1949年。20 hPa环流转型早晚差异最大达81 d (表 3)，其中转型最早年为1999年 (第70天)，次早年为1989年 (第71天) 和1984年 (第73天)；最晚年为2001年，比平均时间晚38天，次晚年为1955年和1951年。在30 hPa上环流转型最早与最晚年时间差达85 d (表 3)，转型最早年为1999年 (第70天)，次早年为1984年 (第74天)、1961(第84天) 年和1964年 (第84天)；转型最晚年为2001年 (第155天)，次晚年为1955年 (第148天)。而在50 hPa上环流转型早晚年相差85 d (表 3)，1974年转型最早，转型时间为该年第96天，次早年为1996年和1978年 (第106天)，最晚年为1983年 (第181天)，次晚年为2006年 (第179天)。在10~30 hPa上环流转型早晚的年份一致，转型早的年份分别为1989年、1984年、1961年，转型晚的年份为2001年，但50 hPa与其他3个层次的早晚年份存在较大差异，其中的原因值得进一步分析。由逐年变化曲线也可以看出，10~30 hPa环流转型时间较为接近，只是高层转型时间略早于低层，极少数年份例外。此外，50 hPa以上各层次转型时间都早于50 hPa环流转型时间。

图 3

图 3. 北半球平流层不同层次环流转型时间的逐年变化 Fig 3. Annual transition dates at different levels in North Hemisphere

表 3

表 3 北半球不同层次的最早、最晚转型时间 Table 3 Extreme transition dates at all levels in Northern Hemisphere 高度/hPa 最早转型时间 最晚转型时间 10 第70天 第150天 20 第70天 第151.5天 30 第70天 第155天 50 第96天 第181天

表 3 北半球不同层次的最早、最晚转型时间 Table 3 Extreme transition dates at all levels in Northern Hemisphere

由于环流转型具有明显的区域性差异，因此在北半球不同区域环流转型早晚并不一致。图 4为北半球以及3个不同区域在10 hPa上环流转型时间逐年变化的对比 (其他层次对比图略)。10 hPa上西伯利亚区的转型时间平均是第111.7天，相对北半球平均转型时间稍早，最早为1989年和1999年，均为第70天；其次为1984年、1961年以及1964年；转型最晚年份为2001年，为第150天；其次偏晚年分别是1971，1949，1981，1990年以及1998年。即西伯利亚区转型偏早年和偏晚年与北半球的环流转型早晚年较为一致。白令海区10 hPa上的环流转型时间平均是第139.6天，明显晚于北半球，转型偏早年为1964，1976，1959年以及1961年，转型最晚的年份为1951年，次晚的年份有1950，1963，1960，1987，2000，2001年。格陵兰区环流转型最早年份为1964年，次早年份分别为1951和1961年；最晚年份为1951年，次晚年份分别为2002和1950年。

图 4

图 4. 10 hPa不同区域环流转型时间的逐年变化 Fig 4. Annual transition dates of different regions at 10 hPa

对比图 4中北半球与3个区域的环流转型时间可见，各区转型日期的年际变化显著。自1948年以来的62年中，北半球与西伯利亚区环流转型时间较为相近，白令海区与格陵兰区的环流转型时间较为接近，且明显晚于北半球和西伯利亚区的环流转型时间。此外，北半球以及西伯利亚区的环流转型时间早晚的振幅明显大于另外两个区域转型时间的早晚振幅。

环流转型时间的年代际变化特征也较显著，这在图 5环流转型时间逐年变化的线性趋势、二阶多项式回归趋势以及高斯九点平滑的结果中可得到较好反映。图 5中的二阶回归趋势线以及高斯九点平滑线反映出北半球10 hPa上环流转型在近62年中经历了季节转换时间由偏晚转为偏早，又转为偏晚的过程，只是在不同区域转折年份不同。北半球从20世纪40年代末到70年代中期环流转型逐渐变早，期间有波动，转型时间的标准化距平在1974年为1.33，在1975年降为-1.62，两者差值达2.95；而在20世纪70年代中期至21世纪初，环流转型时间逐渐由偏早转为偏晚。当然在此期间也存在一些小的周期变化，尤其是在2005—2006年转型时间的标准化距平相差达1.7。北半球10 hPa环流转型时间的M-K检验结果图 (图 6a) 也显示出在20世纪70年代中期存在突变。在北半球20 hPa (图 6b) 以及30 hPa环流转型时间的M-K检验 (图略) 同样显示，在20世纪70年代中期发生了转折。

图 5

图 5. 不同区域10 hPa环流转型时间的标准化距平 (带标记的实折线)、线性趋势 (点划线)、二阶多项式回归趋势 (虚线)、高斯九点平滑 (实折线) (a) 北半球，(b) 西伯利亚区，(c) 白令海区，(d) 格陵兰区 Fig 5. Standard deviation of annual transition dates at 10 hPa geopotential height of all regions (labeled solid line), the corresponding to linear trend (chain dotted line), second order polynomial regression line (dotted line), Gaussian 9-year running averages (solid line) (a) North Hemisphere, (b) Siberia, (c) Bering Sea, (d) Greenland

图 6

图 6. 不同层次环流转型日期的M-K统计量曲线 (a)10 hPa, (b)20 hPa (UF为顺序时间序列的统计量，UB为逆序时间序列的统计量) Fig 6. Mann-Kendall statistic curves of standard deviation of annual transition date at 10 hPa (a) and 20 hPa (b) geopotential heights (UF:statistic value of ordinal data; UB: statistic value of reverse data)

对平流层环流转型时间的小波分析 (图 7) 显示了几个明显的周期特征。北半球10 hPa上周期为2年处，等值线较为密集，对应的准2年周期较为明显。而在周期为10~12年的1975年处，小波系数出现了最大值，表明在1975年前后环流转型早晚出现了明显的变化。另外，小波系数图像的周期呈现出明显的阶段性特征，1948—1975年准6年、准22年的周期显著，而在1975—2009年，9~12年周期相对稳定。

图 7

图 7. 不同区域10 hPa环流转型时间标准化距平的小波分析 (a)北半球，(b)西伯利亚区，(c)白令海区，(d)格陵兰区 Fig 7. Wavelet analysis statistic curves of standard deviation of annual transition dates at 10 hPa geopotential height of different regions in North Hemisphere (a), Siberia (b), Bering Sea (c), Greenland (d)

西伯利亚区 (图 5b)、白令海区 (图 5c) 以及格陵兰区 (图 5d) 的环流转型时间与北半球环流转型时间 (图 5a) 的年代际变化特征相似，即20世纪70年代中期之前环流转型逐渐变早，而70年代中期之后环流转型呈现逐渐变晚趋势，但在主要变化特征下不同区域的环流转型时间又存在阶段性差异。其中西伯利亚区环流转型时间与北半球的环流转型时间的年代际变化极为相似，但在20世纪90年代以后，西伯利亚区环流逐渐偏晚的这种趋势弱于北半球变化趋势。白令海区和格陵兰区除个别年份外，环流转型的时间早晚变化波动较北半球小很多。

西伯利亚区环流转型时间的小波分析图 (图 7b) 与北半球的环流转型时间的小波分析图很相似 (图 7a)，并且突变年份也接近。白令海区和格陵兰区的环流转型时间的小波分析图 (图 7c和图 7d) 与北半球环流转型时间小波分析图 (图 7a) 存在较大的差异。整体来看，白令海区与格陵兰区都是在1965年以前存在准3~6年的周期，1965年以后存在准2年、准9~12年以及准21~24年左右的周期。

可以发现，在平流层各层次 (10~50 hPa) 不同区域都存在着显著的准2年、准3~6年、准9~12年以及准21~24年周期。而这些周期可能与赤道平流层纬向风的准两年振荡^[21]、海气相互作用^[22]、太阳活动周期^[23]具有一定联系，值得进一步分析。

图 8是不同区域、不同层次环流转型日期在候时间尺度上发生的频次 (以百分率表示)。由北半球统计结果可以看出，不同层次环流转型时间的频次分布有显著差异。10 hPa上环流转型时间分布呈现双峰型特征，分别在第21候和第27候，出现的频次为13%。20 hPa上环流转型时间分布表现为多峰型特征，其中最高概率出现在第26候，为13%，其次为第28候，占10%。30 hPa上环流转型时间分布表现为三峰型特征，16%的年份在第24候转型，13%的年份在第22候转型，9.7%的年份在第28候转型。而50 hPa上环流转型时间为单峰型特征，高概率时段主要出现在第29候至第34候。

图 8

图 8. 不同区域、不同层次环流转型日期出现频次 (a) 北半球，(b) 西伯利亚，(c) 白令海区，(d) 格陵兰区 Fig 8. Percentage of annual transition dates at all levels of different regions in North Hemisphere (a), Siberia (b), Bering Sea (c), Greenland (d)

西伯利亚区10 hPa环流转型时间概率分布呈现双峰型特征, 接近于北半球平均分布特征，主要出现在第21候和第28候；20 hPa环流转型时间分布呈现三峰型，主要在第21候；30 hPa环流转型时间呈多峰型分布，主要集中在第20候到第29候；50 hPa在第28候，其次是第31候和第26候。在10 hPa，20 hPa以及50 hPa上，此区相对于北半球环流转型时间的高概率时段要早。

白令海区和格陵兰区环流转型时间概率分布特征与北半球平均特征差异较大，一般都表现出单峰型特征，只是环流转型时间的高概率时段相对北半球以及西伯利亚区偏晚，且概率高。白令海区10~30 hPa上的环流转型时间主要出现在第28候和第29候，只是高层次偏早；50 hPa上环流转型主要出现在第35候，达24%。格陵兰区10~30 hPa主要出现在第29候，频次达到25%以上；50 hPa环流转型主要出现在第36候。

以上分析表明，北半球10~50 hPa环流转型日期出现的高概率时段依次为第21候、第26候、第22候、第29候，而西伯利亚区依次为第21候、第22候和第26候。白令海区和格陵兰区在10~30 hPa都为第28候和第29候；而50 hPa分别为第35候和第36候。各层转型时间的高概率时段分布特征及其可能的影响值得进一步分析。

利用NCEP/NCAR逐日高度场和风场再分析资料, 定义并计算了平流层各主要层次和代表性区域环流转型日期，采用小波分析、高斯九点平滑以及M-K检验等统计方法分析了北半球平流层各主要层次自冬季环流到夏季环流转型日期的年际、年代际变化特征，得到以下主要结论：

1) 北半球平流层中环流转型最早出现在10 hPa和20 hPa，然后经历较短的时间传至30 hPa。环流平均转型时间在4月下旬之前。南海夏季风是亚洲热带夏季风建立最早的地区之一, 平均爆发时间 (5月中下旬) 相对于平流层环流转型的平均时间晚，因而平流层环流转型时间可能成为一个研究东亚季风气候监测、预测的先兆信号。

2) 环流转型存在着区域性差异，其中以西伯利亚区各层次环流转型时间最早，北半球平均环流转型时间次之，白令海区和格陵兰区的环流转型时间相对较晚，且白令海区略早于格陵兰区。

3) 北半球以及3个不同区域的环流转型时间的年际、年代际变化特征显著，62年以来的转型时间均表现出偏晚转为偏早，又由偏早转为偏晚的过程。其中西伯利亚区与北半球环流转型时间的年际以及年代际特征相似，而另外两个区域的转型时间变化特征相似。

4) 不同区域、不同层次环流转型时间的周期有差异，但是都存在着准2年、准3~6年、准9~12年以及准21~24年的周期。

在平流层中环流的变化以及平流层内有重要作用的臭氧浓度发生改变，都可能引起高低纬度辐射的变化，最终导致温度梯度和风场的变化^[24-27]。温度梯度、风场等的变化与冬夏环流的转型紧密联系。这说明，臭氧浓度的分布以及变化、太阳辐射的强弱对于环流转型都有重要影响。太阳活动存在11年的变化周期，那么环流转型中的准10~12年的周期是否受太阳活动周期的影响还值得进一步研究。此外，研究表明^[28]，赤道纬向风的准两年振荡 (QBO) 对北半球冬季大气环流的影响主要表现在平流层和对流层上层的中高纬度地区。QBO的变化对于平流层环流转型早晚的影响有待于深入探讨。当然平流层爆发性增温可以导致温度急剧的增加，造成高度梯度迅速反转和纬向风转向，成为夏季环流型，尤其是最后一次爆发性增温对于环流转型早晚有较为重要的作用^[29-31]。总体说来，平流层环流转型可能受到太阳活动、臭氧分布、QBO以及平流层最后一次爆发性增温等因子的影响，这些因子各自对于平流层环流转型的贡献及影响机制值得深入研究。