0 引言

近几十年来，北半球冬季的热带外大气环流变率得到了广泛的研究，尤其是北极涛动(AO)和北大西洋涛动(NAO)。AO被定义为北半球20°N以北海平面气压(SLP)未旋转的经验正交函数(EOF)第一模态，主要包含北冰洋、北大西洋、北太平洋三个区域性气压异常中心，是一种类似于环状模样的准正压结构[1]。而NAO则是由REOF(经旋转的EOF)[2]得到的一种北大西洋区域性偶极型大气遥相关，它主要包含两个中心，表现为北大西洋的亚速尔群岛高压和冰岛低压异常的跷跷板现象[3]。由于NAO强烈影响着北半球的冬季气候，故NAO的强迫机制及其可预测性一直得到广泛关注[4-6]。许多研究表明，从夏季到初冬的北极海冰减少对下一个冬季的大气环流有明显的影响[7-16]。因此，了解前期北极海冰异常对后期大气环流的影响对于短期气候预测至关重要，应予以重视和多角度研究。

在全球变暖背景下，北极海冰的融化速度愈演愈烈，特别是自2007年到现在，连续多年观测记录到9月北极海冰面积的历史最低值[17-20]。北极海冰的减少导致了北极特别是对流层低层的强烈变暖[21-22]，直接或间接地在调节气候变率方面发挥着重要作用。由于冰-海-气耦合系统的强烈自然变化与大气温室气体浓度升高导致的辐射强迫增加共同作用形成正反馈，预计北极海冰的这种下降趋势将继续发展，甚至发展为无冰的蓝色北极，这意味着全球气候可能发生不可逆转的变化[17]。

然而，在观测研究中难以直接检测到北极海冰对大气的直接影响，因为季节尺度上主要的海-气相互作用是以大气对海冰的强迫为主[12,23]。尽管NAO的起源至今仍然不明确，但早有学者提出热带外海洋对北半球大气环流具有不可忽视的影响。利用跨季节的最大协方差分析，CZAJA和FRANKIGNOUL[4-5] 发现可以利用前一年夏季北大西洋海表面温度异常提前预测冬季的NAO。WU 和 ZHANG[12]应用同样的分析方法，发现了冬季类似AO的大气环流异常与超前4个月的北极海冰强迫密切相关。SCREEN et al[24]利用AGCM模式模拟了大气对最近30 a观测到的北极海冰损失的响应，发现初冬的大气响应类似于负位相的NAO。 然而这种响应较弱，且通常会被大气内部变率所掩盖，因此他们认为大气对北极海冰减少的响应很难被证实，目前仍具有不确定性。因为NAO驱动的北极海冰变化会反过来对自身产生负反馈影响[25-27]，换言之，负位相NAO引起的海冰异常可能会反过来有利于后期类似于正位相的NAO响应。

一些学者研究认为，AO和NAO是同一种不可区分的大气变率[28-32]。 然而，也有不少学者认为只有NAO才是一种具有完整物理意义的模态，而AO则是因EOF方差极大化原则而分解得到的一种统计假象模态。比如DESER[33]提出AO的北极异常中心与北大西洋和北太平洋异常中心具有显著相关性，且北大西洋和北太平洋异常中心之和与AO指数也高度相关[34]，但是AO的北大西洋异常中心和北太平洋异常中心的相关性却很弱。HUTH[35]认为AO的北太平洋异常中心可能与该处的局部气压变率(方差)很高有关，而非遥相关的缘故。ITOH[36]利用212个样本重新审视了AO，发现当NAO和PNA(太平洋-北美遥相关)两个遥相关的空间相关系数很弱时，AO从不会作为第一个EOF出现(注意NAO和PNA本是REOF的两个主模态); 而当NAO和PNA模态在空间上相关时，AO却出现为第一个EOF。而且赵南和王启祎[32]还发现在30～60 d时间尺度上AO与NAO位相相差90°，而在10～20 d尺度上两者具有大致相同的位相。因此，综上可以得出结论：通过EOF分析得到的AO与NAO和PNA在空间上会发生明显的重叠，这与KODERA 和 KURODA[37-38] 研究一致。而且先后有证据表明了平流层极涡是与NAO相耦合，而不是与AO耦合[39-40]。

1933年7月14日，《红色中华》报第1版刊发潘汉年撰写的社论《反对国民党法西斯的白色恐怖》，揭露国民党暗杀民权保障大同盟发起人杨杏佛，封闭御侮救国大同盟，逮捕进步会员数百名的罪行。文章配发黄亚光创作的漫画《打倒屠杀工农的刽子手——国民党》，画面上的国民党凶手举着滴血的屠刀，踏着一堆革命民众的髅骷，将国民党反动派与人民为敌的本性揭露无遗。

对内拓展，加强与腹地城市间联系，包括东西方向和南北方向。东西方向主要以长江为依托，建立与长江两岸城市为主稳定货源。南北方向则是以沪通铁路的建设为契机，打开“南北”通道，建立以东部沿海城市为主的稳定货源。建议围绕支柱产业相关企业的业务流向，有针对性的发展一批稳定优质的货源客户；对外拓展主要是借助“一带一路”沿线新兴经济体和国家，围绕南通对外经济发展重点，与沿线国家建立良好长期合作关系，为南通对外经济发展提供良好的运输物流支持。

此外，WANG 和 IKEDA[41]认为北极海冰异常的第一个模态与AO相关，第二个海冰异常模态则与NAO相关，这从另一个角度区分了AO和NAO。ALEXANDER et al[25]还发现北太平洋和北大西洋海冰对大气具有相反的反馈，说明有必要将北大西洋和北太平洋大气对北极海冰异常的响应单独进行研究。基于以上所述原因，AO和NAO对北极海冰异常的响应可能存在一些差异。故受前人研究[4-5,12]启发，本研究着重关注北极边缘海冰异常与后期北大西洋大气环流的遥相关关系。

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1 数据与方法

根据先前的研究，北极海冰的异常和同期的大气环流、海表面热通量、表面气温之间的相互作用有关[24-27,45]。因为大气内部变率对表面热通量和气温的影响远大于和快于对海温和海冰的影响，而大气与海洋之间的热交换控制了海温和海冰的季节变化，进而引起季节到年际尺度的气候变率[24,46-48]。

如图4c和4d所示，-NAO可引起从欧洲到东亚北部和北美东南部显著的气温、降水负异常，以及格陵兰岛周围和南亚及北非显著的气温、降水正异常。先前的研究已经发现200 hPa急流的位置变动可能与NAO存在紧密联系[51-52]，并且急流强度可能与天气和气候的异常紧密联系[53]。如图4e所示，在对流层高层，-NAO对应着200 hPa的副热带急流(极锋急流)的显著增强(显著减弱)，这为冷空气从高纬度向南爆发提供了大尺度的动力条件，导致欧亚大陆中高纬度地区出现大范围低温异常。对流层低层异常暖湿的偏南风和异常干冷的偏北风也正好对应着北半球气温和降水的正负异常区域。如图4f所示，异常的偏北风为欧亚大陆北部和美国东南部带来了源自高纬度地区的干冷空气，导致那里的温度和降水出现负异常；而异常的偏南风为北美洲东北部至格林兰一带提供了来自北大西洋的暖湿空气，导致那里的温度和降水出现正异常等。

2 北极边缘海冰与H500的CMCA统计结果

图2给出了冬季(JFM) H500与超前1～6个月及同期和滞后1个月的北极边缘海冰的CMCA耦合模态。每一对CMCA耦合模态显示了MSIC(左)和H500(右)异常场与CMCA-MSIC对应的标准化时间序列进行回归所得的异常结果，可用以反映两者间对应的线性变化关系[5,12]。如图2所示，所有CMCA-H500模态都与冬季JFM北大西洋上空H500的EOF第一模态(即负位相的NAO，图4b)高度相似，而且对应的每一个CMCA-H500的时间序列和JFM的NAO指数的相关系数大小都达到0.97以上，远超过了99.99%的信度检验。因此，后面我们直接称JFM的CMCA-H500模态为负位相的NAO(-NAO)。

  

图1 北极边缘海冰MSCI异常和北大西洋H500异常之间CMCA第一模态对应的SC(a)，SCF(b)和CORR(c)Fig.1 The SC (a) , SCF(b) and CORR(c) for the first CMCA mode between North Atlantic H500 and Arctic MSIC anomalies 浅、中、深阴影分别代表通过85%、90%和95%的蒙特-卡洛检验。纵坐标中的负值表示MSCI超前H500的月数 Light, intermediate and dark shading respectively indicate those that passed the 85%, 90% and 95% significance level of the Monte-Carlo test. The ordinate of negative shows that MSCI leading H500

而图1中最显著的特征是在H500处于冬季JFM时，MSIC可以超前长达6个月的时间得到显著的CMCA结果(即SC，SCF和CORR都通过了90%的显著性检验)。但在其他季节并未得到连续显著的统计结果，这可能是因为在其他季节信噪比较小，无法完全通过蒙特-卡洛显著性检验，这也表明MSIC对后期大气环流的强迫可能具有一定的时间或季节选择性。注意这里的CMCA结果是在去除了以Nino3.4指数为代表的ENSO遥相关信号以后得到的，因此以上统计结果均不受ENSO信号的线性影响。但并不排除MSCI-H500之间的相互作用还受其他外强迫因子的影响，比如北大西洋海温、欧亚雪盖、土壤湿度等。本研究接下来仅针对冬季JFM讨论前期北极边缘海冰异常与后期大气环流(H500)异常的耦合模态及可能的物理机制，因为这意味着可以提前半年利用盛夏(JAS)的MSIC对来年冬季(JFM)的大气环流作跨季节预测。

3 北极边缘海冰与H500的跨季节耦合模态

图1给出了由CMCA统计分析得到第一主模态对应的SC，SCF和CORR，横坐标是H500锚定的季节月份首字母，纵坐标是MSIC相对超前或滞后于H500的月数。其中最显著的特征是SC，SCF和CORR在MSIC同期或滞后于H500时(lag≥0)，几乎全年通过显著性检验，特别是在寒冷季节(NDJ—JFM)，说明全年的海-气相互作用主要是大气强迫海冰，这与先前的研究结论一致[12]。

  

图2 冬季(JFM)的H500异常(右图，范围为北大西洋区域 20°N～85°N, 90°W～40°E)和从lag-6到lag+1的MSCI异常 (左图，单位为%，范围为50°N以北区域)之间的最大协方差主模态Fig.2 Maximum covariance regressions for heterogeneous H500 (right panels, fixed in JFM, over the region North Atlantic region 20°N～85°N, 90°W～40°E) and homogeneous MSIC (left panels, unit is %, pole to the north of 50°N) anomalies from lag-6 to lag+1 等值线间隔单位为5 gpm，绿线为0线。CMCA-MSCI时间系数是标准化以后再回归的，所以图中所示为典型的标准耦合异常场 The contour interval is 5 gpm for H500; and the zero line is green. Time series of the CMCA-MSCI have been normalized before regressing so that theFigure shows typical amplitudes

前面的研究结果表明，自盛夏开始的北极边缘海冰异常可用于提前预报来年冬季的NAO。武炳义 等[13,49]发现冬季NAO极端异常变化与西伯利亚高压和东亚冬季风异常有密切联系。最新研究还表明，冬季NAO与我国北方极端低温的相关性存在显著的年代际变化[50]。为了分析与北极边缘海冰异常引起的-NAO相关的气候异常，图4给出了对应于负位相的标准化NAO指数(图4a)的H500、T2 m、降水、U200以及比湿和UV10 m的异常分布图(图4b～4f)。图4b中-NAO的空间型与图2中H500的空间模态非常相似，但是要比图2中所示的-NAO强得多，这是因为图2中的-NAO模态是通过将H500异常异质回归到所对应的CMCA-MSIC时间序列而获得的，因此振幅相对更小。

4 北极边缘海冰连续变化的可能原因分析

如图2所示，冬季-NAO与前期MSIC连续强烈的减少息息相关。但值得注意的是， MSIC的异常模态自从与JFM的H500同期开始，较大地变化为了另一种模态(图2g～2h)，因此，CMCA-MSIC时间序列在DJF与JFM时的相关系数突然从0.7以上变小到0.53。前面图1的结果已经表明，全年的海-气相互作用主要是大气强迫海冰为主。因此，当MSCI的异常从盛夏(JAS，图2a)进化到与H500同期(JFM, 图2g)甚至滞后于H500时(FMA，图2h)，主要反映的是-NAO对北极边缘海冰异常减少的抑制作用，故而MSCI异常模态自与H500同期开始转变为了另一种形态。这里可能正是因为NAO驱动的北极海冰变化会反过来对自身产生负反馈影响[25-27]。

朴素是真的高贵，你穿戴齐整的时候当然是好看，但那好看是寻常的，人人都认得的，素服时的眉，有我独到的领略。

月平均北极边缘海冰密集度(MSIC)月平均数据[42]，以及每个格点的面积权重下载自美国冰雪中心NSIDC(http://nsidc.org/data/NSIDC-0079)。考虑到北极海冰，特别是北极边缘海冰自2007以来急剧减少，因此本研究选用1979-2006年的北极边缘海冰数据(定义为排除所有月份海冰密集度都超过九成的海冰区域后所剩余的海冰区域，该区域仅用于最大协方差分析，回归分析时则使用了北冰洋所有海冰)，水平分辨率大约为25 km×25 km。全球月平均大气再分析数据选用了NCEP/DOE[43]，水平分辨率为2.5°×2.5°，下载自https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/reanalysis/，包括海平面气压(SLP)，500 hPa位势高度(H500)，比湿(q)，2 m气温(T2 m)、降水(prec)、表面热通量、200 hPa纬向风(U200)和10 m风场(UV10 m)。 以Nino3.4区(5°N～5°S, 120°W～170°W)海表面温度异常作为代表的ENSO指数下载自http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/ersst3b.nino.mth.81-10.ascii。

图3a～3f分别给出了从ASO到JFM的CMCA-MSIC时间系数与海表面热通量异常以及T2 m异常(主要反映冷暖平流)之间的相关系数分布。海表面热通量和T2 m的空间结构揭示了北极边缘海冰异常的产生机制：海表面热通量的相关系数正值区域表明从大气到海洋的热量传递，T2 m的正相关区域则对应表面气温的正异常，两者都对应于该区域海冰的异常减少，反之亦然。这种结果印证前面的分析，从而解释了图2中所示的MSIC的连续异常可能正是由表面热通量和气温的联合强迫引起的。

  

图3 从lag-5 (ASO) 至 lag0 (JFM)表面热通量异常(上)和2 m 气温(下)与CMCA-MSIC的时间序列的相关系数图Fig.3 Correlations between the CMCA-MSIC time series and the surface heat flux anomalies (top), and T2 m anomalies (bottom) from lag-5 (ASO) to lag0 (JFM), respectively 仅绘出相关系数超过0.216的区域，代表通过95%的置信水平 Only correlations above 0.216 (exceeding the 95% t-test confidence level) are shaded

5 NAO引起的北半球气候异常再简析

同时，对应于冬季的-NAO， CMCA-MSIC的空间结构(图2a～2f，左图)特征表现为北冰洋边缘海冰连续强烈的减少。而且，相邻的CMCA-MSIC时间序列之间相互显著相关：相关系数依次为0.79、0.80、0.70、0.76、0.83、0.53和0.85，均通过99.9%的t检验置信水平，表明MSIC异常的季节进化在空间和时间上是一致连续的。换句话说，这种前一年盛夏MSIC的异常变化可能是导致次年冬季大气环流异常表现为-NAO的前兆信号。而根据WU和ZHANG[12]的研究，北极海冰异常对后期冬季AO仅可以超前大概4个月表现出显著前兆信号，这表明前期北极MSCI的持续异常对来年冬季NAO的影响比对AO更为超前和显著，同时也表明NAO和AO确实存在一定程度的差异。

  

图4 冬季(JFM)标准化的负相位NAO指数(a)及其回归得到的冬季几个气象场的异常：H500(b, 单位: gpm)， 2 m气温(c, 单位: K)，降水(d, 单位: mm/d)，200 hPa纬向风(e, 单位: m/s)，10 m风场(f, 蓝色向量，单位: m/s) 以及比湿与负NAO的相关系数分布(f，红绿阴影)Fig.4 The normalized negative NAO index in JFM (a) , and regression maps of JFM: H500 (b, unit: gpm), T2 m (c, unit: K), precipitation (d, unit: mm/d), U200 (e, unit: m/s) , UV10 m (f, blue vectors, unit: m/s) anomalies, against the negative NAO index inFig. 4a, as well as the correlation between the negative NAO index inFig. 4a and the specific humidity (f, shaded) 红色/黄色粗线代表所围区域通过95%的置信水平 The red/yellow thick lines indicate the estimated 95% confidence level

本研究用到的统计方法主要是附条件的最大协方差分析方法(CMCA)[44]、主成分分析(PC)以及相关和线性回归分析。我们先使用超前、滞后CMCA来捕获H500和MSIC之间的主要耦合模态[12]。在CMCA分析之前先线性去除各物理量距平场中的ENSO信号(Nino3.4)和长期趋势，且每个格点分别乘以MSIC的面积权重(或H500的纬度余弦平方根)。MSIC的区域为50°N以北；H500的范围为北大西洋区域 (20°N～85°N, 90°W～40°E)；NAO指数则定义为该区域H500异常的第一主成分(PC1)。CMCA统计结果采用了蒙特-卡洛显著性检验，即将MSCI与年月被随机打乱的H500重复100次CMCA试验，倘若原CMCA结果的各项指标(包括CMCA的时间序列相关系数CORR、平方协方差SC及其百分比SCF)超过打乱后的相应指标90(95)次以上，我们认为通过了90%(95%)的显著性检验。

6 结论与讨论

为了与WU和ZHANG[12]关于北极海冰异常-AO跨季节的协方差相对比，从而揭示NAO与AO对北极海冰异常跨季节响应的细微差异，本文采用了相同的方法对北极边缘海冰异常和北大西洋500 hPa环流异常进行跨季节的CMCA耦合模态分析，结论如下：

教学过程本是个充满人性及民主的课堂互动博弈过程，不能用简单的预设性程序或线性数理模型来预测或衡量。传统课堂重知识轻能力，注重知识的掌握轻视创造力的培养，重理性忽视对知识的质疑和对问题的好奇与挑战。面对生源不同的高职课堂，学生的基础、认知能力、思维表达能力、求知欲望差异明显，教学过程必定是个学习兴趣的唤醒、师生互动博弈的过程。

(1)在季节尺度的海冰-大气相互作用过程中，当大气超前于北极海冰0～1个月时，大尺度大气环流在全年的海冰变化过程中起着主导的强迫作用，这与WU和ZHANG[12]的研究结论一致。

(2)冬季(JFM)负位相NAO型的500 hPa环流异常可以追溯到与前一年盛夏季节(JAS)开始的北极边缘海冰持续异常存在显著的跨季节协方差，超前信号长达6个月。然而根据WU和ZHANG[12]的研究，北极海冰异常仅可以超前冬季AO 大概4个月表现出显著信号，说明盛夏北极MSCI的持续异常对来年冬季NAO的影响比对AO更强，这在一定程度上从一个新的角度反映了NAO与AO的差异。

(3)进一步分析还表明，这种从盛夏到初冬的北极边缘海冰持续异常可能主要是大气通过对表面热通量和气温的改变引起的。

有这样一种说法：师生关系上，差的学生常常喜欢画得像老师，最好是一模一样，认为这样才能让人认出自己是谁的学生，可以借师名而扬己名。而强的学生，常常有意拉开与老师的距离，在题材、造型、笔墨、技法上，执意不像老师，不让人想起谁是自己的老师，这样的学生才有出息。

(4)冬季负位相的NAO可引起绕极西风急流的减弱和副热带急流的增强，从而引起整个北半球的降水和气温区域性异常。

以上结果主要是根据北极海冰急剧减少之前的时段，即1979—2006年的数据得到的统计关系；而自2007年至今以来的12 a中北极海冰面积逐年锐减，那么2007年后北极边缘海冰的区域相应地也就发生了一定程度的向极移动。因此以上统计关系在最近10 多年以及未来气候变化中是否仍然存在，尚需进一步深入研究。

致谢 感谢NCEP/DOE提供再分析资料，美国冰雪中心提供北极海冰密集度资料，文中各图使用 GrADS version 2.0.0.oga.1 软件绘制。

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