近年来大量研究表明，平流层环流异常对对流层天气和气候系统有重要影响，尤其在北半球冬季，这种影响更加明显^[1-4]。Quiroz^[5]最早发现平流层北极极涡的崩溃可以造成对流层极地反气旋性异常。关于北极涛动 (AO) 或北半球环状模 (NAM) 的研究大大促进了对这一问题的认识^[6]。AO可以有效反映中高纬度地区环流形势的变化及其特征，在北半球NAM可以分别解释对流层和平流层方差的25%~30%和50%。Baldwin等^[7]、Thompson等^[8]发现NAM的异常信号最早在平流层上层出现，较强的NAM异常信号可以向下传播，并且在大部分情况下，对流层和平流层NAM异常有相同的符号，说明对流层环流对平流层环流异常响应明显。研究还发现，平流层NAM正异常下传有利于欧洲大陆中南部地区维持高压控制，因此，温暖晴朗；反之，当平流层NAM负异常下传时，西风气流减弱，槽脊系统频繁，冷空气活动强烈，欧洲大陆中北部区域多寒冷风暴天气^[8-9]。此外，对流层和平流层NAM异常还与中高纬度地区阻塞形势具有一定关系，Thompson等^[10]指出，当NAM处于负位相时，阻塞高压崩溃使极地冷空气影响到欧亚大陆中纬度地区，造成这些地区偏冷。近年来，我国学者对平流层异常与对流层天气和气候系统之间关系的研究也有重要进展^[11-16]。Wei等^[17]发现近地面NAM指数与我国北方地面温度异常存在显著正相关关系。

尽管这些合成分析研究均表明，平流层异常信号有可能被利用于冬季短期气候预测^[18-20]，但到目前为止，还未见业务预报中成功使用平流层异常信号的报道。北京大学与国家气候中心合作建立了业务化的平流层异常信号的监测平台，并使用平流层NAM异常和下传信号在2011—2012年冬季进行了4次短期气候预测。本文对这4次预测结果进行总结，为将来更好地利用平流层异常信号预测冬季对流层天气和气候提供参考。

本文所用资料为1981年1月1日—2010年12月31日NCEP/NCAR逐日再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向分为17层：1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20, 10 hPa，所用要素主要包括高度场、经向和纬向风场、温度场以及2 m高度温度场。气候平均值 (气候态) 定义为1981—2010年平均。利用1981—2010年30个扩展冬季 (9月—次年4月) 的高度场，对每一个气压层，求出20°N以北的高度异常场EOF第1模态 (EOF1) 和每日的EOF1时间系数，再利用每一层每日的EOF1时间系数，得到每日标准等气压面上的北半球环状模 (NAM) 指数。

平流层天气过程的时间尺度约为1~2个月。NAM正、负异常事件通常从平流层伴随极涡异常开始，可在1~3周时间内下传到地面，引起对流层天气异常并维持1~2个月的时间。

2011年11月11日进行第1次预报。从2011年11月初更新的NAM指数随时间演变 (4次预报均为预报发布日前几日的NAM指数)(图 1a) 可以看到，当时平流层仍处于弱的正位相，已经出现下传信号。所以预计对流层还将受到NAM正位相的控制，大气波动相对较弱，不利于极地冷空气南下，亚欧大陆北部地区 (包括我国华北和东北) 在2011年11月上旬到中下旬地面气温仍将维持正常偏暖。根据平流层环流的振荡周期的特点和演化规律预测，至11月中旬，平流层弱的正位相周期有可能结束并转负。平流层NAM转负之后，很可能下传至对流层，造成亚欧大陆北部地区偏冷，开始出现冷空气活动频繁，地表气温转冷。另外，还对2011—2012冬季的后期进行了预测 (图 1a)。气候实况演变表明 (图 2，图 3a)，第1次预测与实况有一定差距。因此在明确看到平流层NAM有位相转换的迹象后再进行预测更为有利。

图 1

图 1. 2011—2012年冬季4次预测发布当日NAM指数时间-高度剖面图和近地面AO指数时间序列 (a)2011年11月7日, (b)2012年1月11日, (c)2012年2月1日, (d)2012年2月27日 Fig 1. Height-time cross-section of NAM indices and time series of the surface indices (a)7 Nov 2011, (b)11 Jan 2012, (c)1 Feb 2012, (d)27 Feb 2012

图 2

图 2. 2011年9月1日—2012年4月1日NAM指数时间-高度剖面图及近地面AO指数时间序列 Fig 2. Height-time cross-section of NAM indices and time series of the surface AO indices from 1 Sep 2011 to 1 Apr 2012

图 3

图 3. 2011—2012年冬季4个预测时间段北半球地表气温度距平 (a)2011年11月11日—12月31日，(b)2012年1月20日—2月20日，(c)2012年2月4日—3月4日，(d)2012年3月1日—4月1日 Fig 3. Temperature anomalies during the period of 11 Nov—31 Dec in 2011(a), 20 Jan—20 Feb in 2012(b), 4 Feb—4 Mar in 2012(c) and 1 Mar—1 Apr in 2012(d)

2012年1月14日进行第2次预测。2012年1月11日平流层NAM在经历了近2个月的正位相之后，在10 hPa已开始出现负异常 (图 1b)，据此认为平流层NAM将向负位相转变。由此，预测该平流层NAM负位相将下传到地面，并将在地面维持超过1个月的负位相，华北和东北地区地面气温将在1月中下旬转为偏冷，并一直延伸至2月中旬，华中和华南偏暖。与实况对比表明 (图 2、图 3b)，这次预测为4次预测中最成功。这次准确预测了平流层NAM负位相及其向下传播，说明很好地利用平流层NAM异常信号，对提高对流层冬季短期气候预测有帮助。

2012年2月4日进行第3次预测。2月初，平流层NAM负异常在短暂减弱之后有重新增强的趋势 (图 1c)，所以预计平流层负NAM信号还会持续到2月下旬才开始转为正位相，地面NAM负异常将持续到3月初才开始全面转正。因此，地面冷空气活动也将一直持续到3月初，但2月下旬冷空气活动有可能较前期冷空气活动弱一些，且地面温度将自3月中旬开始回暖。与实况对比 (图 2、图 3c)，这次对NAM的预测基本正确。图 3c给出该时段平均温度异常可以看出, 欧亚大陆中高纬度地区地表温度基本均为负异常，华北和东北地区地表温度也维持负异常。

2012年3月1日进行第4次预测。到2012年2月下旬，平流层NAM开始转正位相 (图 1d)。根据这一情况，预测对流层和近地面NAM在零附近振荡的状态很可能在3月上旬结束，完全转为正位相，届时欧亚大陆高纬度地区气温将出现正异常。预测同时也指出，在4月之后，平流层风向将转为东风，行星波动无法上传到平流层，平流层与对流层之间的动力耦合将消失，因此，平流层信号无法再用来预测对流层环流和气候变化。与实况对比 (图 2，图 3d)，这次预测与实际情况有一定偏差。

通过2011—2012年冬季进行的4次短期气候预测，得到以下结论：

1) 将冬季平流层环流异常信号运用到对流层短期气候预测或中长期天气预报中是可行的。在2011—2012年冬季两次比较成功的预测中 (第2次和第3次)，均利用了平流层NAM异常过程持续时间较长、出现时间较对流层偏早的特点。

2) 造成两次预测不成功的主要原因是平流层周期变化的不确定性以及对流层和平流层之间动力耦合关系建立的不确定性。平流层异常信号用于预测12月—次年2月对流层和地面短期气候更具指示意义。

在2011—2012年冬季的4次预测中，没有考虑其他气候模态的可能影响，如厄尔尼诺和南方涛动 (ENSO) 以及季节内振荡 (MJO)、赤道平流层准两年振荡 (QBO) 等，在将来的预测实践中，需考虑上述影响，以提高预测水平。