1. 引言
大气变化既受到大气内部动力过程的影响，又随着预报时间尺度的延长，越来越多地受到大气外强迫因素如海洋热力异常的影响。全球范围的大气环流是一个整体，半球之间的环流虽然有着不同的特征和发展的过程，但它们之间并不是完全孤立的，而是有着一定的相互作用。赤道附近的大气环流通常凭借越赤道气流进行南、北半球的物质能量交换 [1] [2] [3] [4] 。最早有关年代际的研究大多数针对海洋开展，例如北太平洋海表温度的变化 [5] [6] [7] 、北大西洋SST的变化 [8] ，高纬度地区海冰的变化 [9] 。有许多学者从各个方面揭示了南、北半球环流变化的相互联系，例如对亚洲季风、夏季降水以及台风活动等重要天气的研究 [10] [11] [12] [13] 。本文针对不同年代际背景下南半球冬季500 hP EOF分析，小波分析和相关分析，分析南半球冷空气对向北越赤道气流的影响。
2. 南半球极涡年代际活动规律
2.1. 500 hPa南半球冬季EOF分析(1958~2016)
(a)
(b)
Figure 1. The first 4 modes and corresponding time series of the EOF in the 1958~2016 potential height distance flat field
图1. 1958~2016年位势高度距平场EOF的前4模态及其对应时间序列
图1可以看出，1958~2016年位势高度距平场EOF的前两模态的方差贡献分别为25.1%和14.7%，前两模态累计方差为39.8%，第1、第2模态的方差贡献都低于30%，说明年代际尺度下南极冷空气活动存在多模态的异常特征。第1模态南印度洋区域为正位相，南极大陆为负位相。第2模态的“负”“正”“负”的振幅明显。
2.2. 500 hPa南半球冬季EOF分析(1958~1980)
(a)
(b)
Figure 2. The first 4 modes and corresponding time series of the EOF in the 1958~1980 potential height distance flat field
图2. 1958~1980年位势高度距平场EOF的前4模态及其对应时间序列
图2可以得出，1958~1980年位势高度距平场EOF的前两模态的方差贡献分别为30.3%和17.1%，第3模态方差贡献为11%，前3模态累计方差为58.4%，前3模态方差贡献高于50%，说明年代际尺度下南极冷空气活动以前3模态为主。第1模态南印度洋、南大西洋、南太平洋区域均为负位相，南极大陆为正位相。第2模态太平洋区域由明显的相反相位特征，其中在南太平洋靠近南北州附近的正相位最为明显。
2.3. 500 hPa南半球冬季EOF分析(1981~1998)
(a)
(b)
Figure 3. The first 4 modes and corresponding time series of the EOF in the 1981~1998 potential height distance flat field
图3. 1981~1998年位势高度距平场EOF的前4模态及其对应时间序列
图3可以得出，1981~1998年位势高度距平场EOF的前3模态的方差贡献分别为30.8%，20.4%和13.3%，前2模态累计方差为51.2%，前3模态累计方差贡献为64.5%。前2模态的方差贡献超过50%，前3模态的方差贡献超过60%。说明年代际尺度下南极冷空气活动以前3模态为主。第1模态澳大利亚南侧为负位相，南印度洋和非洲南侧也有负向位，但没有澳大利亚南侧明显。南极大陆为正位相。第2模态类似于1958~2016年第2模态的位相分部，在南太平洋有明显的“正”“负”“正”相位。
2.4. 500 hPa南半球冬季EOF分析(1999~2013)
(a)
Figure 4. The first 4 modes and corresponding time series of the EOF in the 1999~2013 potential height distance flat field
图4. 1999~2013年位势高度距平场EOF的前4模态及其对应时间序列
图4可以得出，1999~2013年位势高度距平场EOF的前3模态的方差贡献分别为36%，14%和11.7%，前2模态累计方差为50%，前3模态累计方差贡献为61.7%。同样，前2模态的方差贡献超过50%，前3模态的方差贡献超过60%。说明年代际尺度下南极冷空气活动以前3模态为主。第1模态南印度洋、南太平洋为负位相，南美东南侧也有负位相，但是并不明显。南极极区呈现正位相，分布具有空间不对称性。第二模态整体位相正值区域大于负值区域，在南印度洋靠近南极大陆有明显的正位相。澳大利亚南侧为负的位相，南太平洋呈现“正”“负”的分布。
3. 时间序列的小波分析
Figure 5. Wavelet analysis of 1948~2016 hPa potential height distance flat (Longitudinal axis for cycle, transverse axis for year)
图5. 1948~2016年500 hPa位势高度距平的小波分析(纵轴为周期，横轴为年份)
为进一步从时间角度分析南极地区的变化特征和周期变化规律，对上文中1948~2016年南极极涡EOF分析的主成分时间序列进行小波分析(图5)。图中可以看出：1978年和1997年附近有明显的2~3年周期变化特征，1988~1998年之间有明显的8~10年周期变化特征。可以看出年代际背景下主要是8~10年的周期变化，年际背景下时2~3年变化特征。
4. 相关分析
不同年代际背景下，对应太平洋不同的PDO的相位影响。图6~9是1958~2016、1958~1980、1981~1998、1999~2013年的距平场进行EOF分析第一模态时间序列与同期赤道v分量的相关分析。
Figure 6. Correlation analysis of 1958~2016 PC1 and equatorial v components in the same period
图6. 1958~2016 PC1与赤道v分量同期相关分析
第一模态的相关系数分布性呈现不对称性。由于EOF第一模态南极的相位为负，南印度洋的相位为正，因此当相关系数为负值区间，对应南印度洋为冷空气活跃区域。结合越赤道气流空间分布，索马里、孟加拉湾、中国南海、西北太平洋、新几内亚和南美洲附近的位置都呈现明显的正相关，而这些区域都是越赤道气流明显活跃的区域。年代际背景下，相关系数最大的区域为索马里和中国南海区域，其次为孟加拉湾和南美洲。西半球在南美洲附近，年代际背景下也有明显的越赤道气流，且与南极冷空气的活动密切相关。
Figure 7. Correlation analysis of 1958~1980 PC1 and equatorial v components in the same period
图7. 1958~1980 PC1与赤道v分量同期相关分析
1958~1980年PC1与越赤道气流的同期相关可以看出，年际背景下，东半球越赤道气流年代际背景下活跃的区域对应的第一模态的相关性并不十分明显。而西半球在赤道东太平洋，南美洲附近却能看出明显的负相关的区域。南印度洋EOF第一模态空间分布为负相位，对应为冷空气活跃区域，同期相关为正，且东半球在印度洋海区分布较集中。
Figure 8. Correlation analysis of 1981~1998 PC2 and equatorial v components in the same period
图8. 1981~1998 PC1与赤道v分量同期相关分析
1981~1998年第1模态与赤道v分量相关系数的分布有3个明显的节点，分别位于130˚E、80˚W、100˚W、120˚W，每个节点对应着相位的突变。在加勒比海附近达到最大值，东半球区域相关性呈现区域一致性。在整个太平洋区域，整体呈现相关一致性，虽然相关程度差异较大，但整体呈现一致性。结合EOF空间分布图澳大利亚以南的冷空气最强，整个南印度洋海域直至非洲南部都在负的位势高度异常场中，对应同期相关系数结果却不明显。笔者分析应当是南极极涡的正的振幅抵消了南印度洋较弱的振幅导致。
Figure 9. Correlation analysis of 1999~2013 PC1 and equatorial v components in the same period
图9. 1999~2013 PC1与赤道v分量同期相关分析
1999~2013年第1模态与赤道v分量同其相关来看，东半球相关区域突出，主要在30˚E~90˚E附近，该区域呈现相关一致性，而且在70˚E附近相关系数达到了最大值，是整个赤道相关系数最大的位置。结合EOF的第一模态空间分布，南印度洋区域冷空气最强，相应区域的相关系数也达到最大，南大西洋也有一个弱的冷空气源地，相应也对应一个相关性强的区域。南太平洋虽然冷空气也很明显，但由于极涡的抵消作用，相关程度并不明显。
5. 结论
分析南半球500 hPa冬季EOF四个时段，南印度洋区域的信号最强。分别对1958~2016、1958~1980、1981~1998、1999~2013年南极极涡地区的500 hPa位势高度异常场进行EOF分解，取第一模态时间序列与同时期越赤道气流v分量做相关分析，用以分析不同年际背景下的南半球对北半球热带西北太平洋的影响。研究发现：
1) 在年代际背景下，南极冷空气活动存在多模态的异常特征，南极极涡地区的冷空气活动与索马里、中国南海区域向北越赤道气流有明显的正相关关系。
2) 小波分析的结论是位势高度场年代际背景下主要是8~10年的年代际周期变化，以及2~3年变化年际特征。空间分布上，越赤道气流较强的区域与南印度洋位势高度异常有明显的正相关。这也说明南半球冷空气对南北半球越赤道气流有明显的影响。