东亚大槽强度、槽线倾斜的季节内变异特征和机理及其气候影响研究

来源 :中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woshixgq
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东亚大槽是冬季北半球上空最明显的时间平均纬向非对称环流,它表现为最强的相对于纬圈平均流的负异常。作为一个准定常波,它由大地形(主要是青藏高原)和冬季暖太平洋与冷欧亚大陆的大尺度热力差异激发产生。在气候系统中,东亚大槽扮演重要的角色,它的变动对东亚地区及其下游的天气和气候有显著的影响。在天气尺度上,寒潮爆发常常与欧亚大陆上空的短波活动所造成的东亚大槽的发展和重建有关。在年际尺度上,东亚大槽的加深代表东亚冬季风加强,从而造成东亚地区的冷异常。影响东亚大槽变动最重要的原因是大气的动力过程。作为准定常波,东亚大槽的变动包括振幅和位相的变动。振幅的变动对应的是东亚大槽强度的变动;位相的变动对应的是东亚大槽槽线倾斜程度的变动。本文主要研究东亚大槽强度和槽线倾斜程度的季节内变动,以及这种变动对东亚冬季气候年际变化的影响,主要结论简述如下:  (1)东亚大槽季节内变异事件的定义:对25°N-50°N,100°E-180°E区域的冬季月平均的500-hPa位势高度场做经验正交函数(EOF)分解,得到的前两个模态分别代表东亚大槽强度和东亚大槽槽线的倾斜程度。将这两个模态投影到8-90天带通滤波的冬季逐日位势高度场上,得到与大槽强度相关的时间序列PC1,和与大槽倾斜程度相关的时间序列PC2,如果我们想寻找强大槽事件,就将PC1时间序列的数值以降序排列,这样能够找出那些PC1较大的天(极值天)。如果一个极值天的前后两天的PC都能超过一个标准差,这样这个极值天就被标记为一个强大槽事件的0天,将事件0天前后10天拿出来作为一个事件。用类似的方法,我们从这两个时间序列中得到一系列与大槽强度和倾斜程度季节内变动相关的事件,在研究东亚大槽的季节内变动时,我们对这些典型事件进行研究。(2)东亚大槽强度季节内变化的动力学和气候影响。季节内尺度上东亚大槽强事件和弱事件的生命周期是两周左右,它与低频Rossby波和瞬变波的活动有密切联系。在强大槽事件的发展期,上游低频Rossby波列沿着极锋急流波导向东亚地区传播,它与西伯利亚中心区域低层的温度冷异常相互作用,在此过程中,大气的层结发生调整,使西伯利亚高压加强,这种相互作用使温度和环流异常都加强,所以对流层低层有显著的向北低频热量通量,这两者共同使低频Rossby波向上传播并向东亚大槽区域辐合,从而使东亚大槽加强。对位势倾向方程的定量分析表明,在强大槽事件的发展期,低频Rossby波所引起的扰动涡度通量和扰动热量通量能够直接地加强东亚大槽,并且对于总体的位势倾向变动来说,这两者能够贡献30%。同时,低频Rossby波能够改变低频流,减弱背景场斜压性,从而减弱北太平洋风暴轴入口区的瞬变波活动。瞬变波的活动又能够通过扰动涡度通量和扰动热量通量对低频流产生反馈强迫,并贡献30%的总体位势倾向变动。随着东亚大槽的增强,东亚地区850-hPa温度场呈现显著的冷异常,且冷异常的范围不断增大,强度不断加强。在强大槽事件的衰减阶段,从东亚大槽区域出发的两支波列分别向北美地区和热带地区频散能量。向北美的那支波列减弱落基山脉以西的气候态脊,使北美地区偏暖。弱大槽的发展、动力学机制和气候影响都与强大槽类似,但符号相反。弱大槽的衰减同样与Rossby波沿着急流波导向北美地区传播有关。此时向下游传播的波列同强大槽比相对较弱,所以弱大槽对北美的影响较弱。  (3)东亚大槽槽线倾斜季节内变化的动力学和气候影响。东亚大槽槽线倾斜程度季节内变动主要体现为槽线相对气候平均态槽线的变动,一种情况下,槽线较为竖直,所以称此种情况为竖大槽,另一种情况下,槽线较为倾斜,称此种情况为斜大槽。竖槽的发展体现为太平洋起源型,北太平洋上空的阻塞不断西退,与此同时,东亚上空的位势高度负异常中心发展,由于大槽东侧的阻塞发展,使大槽受到挤压,这时的槽较窄,对应的槽线较为竖直。北太平洋上空的阻塞发展主要是由于是由于局地的低频Rossby波和瞬变波作用的结果,这两者能够解释60%的位势倾向变化,上游波列的作用在竖槽情形下较弱。局地的正压和斜压能量转换也在竖槽的发展过程中扮演重要的角色,这种能量转换非常高效。竖槽的衰减主要是由于局地的能量损失。但在竖槽衰减期180°附近依然有很强的正压能量从急流向扰动转换,为向下游传播的波列补充能量,使在大槽区域损失能量的波列重新获得能量并且向下游传播。斜槽的发展主要体现为上游波列型。在事件发展期,有上游波列不断向东亚地区传播,在此过程中,波列与西伯利亚高压区域低层的冷空气相互作用,产生很强的波动上传,使得东亚大槽区域的气旋性异常不断发展。对于斜槽来说,低频波和瞬变波对于它的发展有直接贡献,这两者对于总体的位势倾向贡献有60%,这与竖槽的情形类似。在斜槽衰减期,瞬变波强迫的位势倾向与观测的走向一致,说明瞬变波对于斜槽衰退的直接贡献,它能解释30%的观测值。低频波强迫的位势倾向的走向虽然同观测不同,但它在衰减期对于观测的位势倾向同样是正贡献,它的贡献比瞬变波还要大。这两者的共同作用能够解释超过70%的观测位势倾向。在斜槽发展期,斜压能量转换的效率远比正压转换高,在事件衰减期,竖槽继续通过正压和斜压过程获得能量,为波动继续向下游传播提供能量,只是此时能量转换率比事件发展期低一些。斜槽通过正压过程获得能量,而斜压过程使其损失能量,此时向下游传播的波列与竖槽相比弱。东亚大槽倾斜程度的季节内变动能够调制东亚地区850-hPa温度异常的位置,与弱(强)槽相比,竖(斜)槽造成的温度暖(冷)异常偏北。竖槽情形下,北美地区是温度正异常,并且在+6天达到最大值。斜槽与竖槽相比对北美的影响较弱,它对应着北美地区的温度负异常,同样在+6天达到最大值。  (4)东亚大槽的季节内变化对东亚冬季气候年际变化的贡献。我们利用表征东亚大槽强度的PC1与表征大槽倾斜程度的PC2的散点图以及东亚地区冬季850-hPa温度的累加图寻找东亚大槽季节内变动的强、弱、强/斜、弱/竖大槽事件。对于强大槽事件,挑出14个受它影响明显的年份,弱年挑出11个,强/斜年18个,弱/竖年19个。使用二维Kemel估计看到东亚大槽季节内变动所造成的温度异常能够对东亚地区冬季气候的年际变化产生一定作用。在受强事件影响显著的年份,东亚地区冬季偏冷;弱事件影响年,东亚地区偏暖。季节内事件对于温度年际变动的贡献由年际异常平流项和季节内平流项共同作用产生。不论在强事件影响年还是在弱事件影响年,年际异常平流项都占据主导地位。但是在强事件影响年,季节内项的贡献比弱事件影响年显著。对于东亚大槽倾斜程度的季节内变动来说,它作为EOF的第二模态,容易被第一模态所掩盖,所以看它对强度的调制作用。对于强/斜事件影响年来说,斜事件使得强事件所造成的冷异常偏北;对于弱/竖事件影响年来说,竖事件使弱事件对应的暖异常偏北。这种调制作用主要通过年际异常平流项作用,季节内项的贡献小。
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