论文部分内容阅读
本文通过利用NCEP/NCAR再分析资料,对东亚副热带西风急流的季节变化及热力影响机制、年际异常及气候效应等进行了诊断分析,并利用数值模式验证了东亚地表加热异常对对流层上层西风急流的影响机理,得到以下结论:
1.东亚副热带西风急流的季节变化特征及热力影响机制
东亚副热带西风急流的强度和位置有明显的季节变化,冬季急流中心位于西太平洋上空,强度达到最强,位置偏南:夏季急流北抬,强度最弱,最大急流中心移至青藏高原北侧上空,急流中心强度变化超前于急流位置的南北移动。从急流轴的季节变化来看,可分为停滞、北进及南退三个阶段,且急流北进过程中有东西向的不一致性。
东亚副热带西风急流强度变化及位置移动与气温南北差异结构变化有很好的对应关系,表明急流变化是对南北温差季节性变化的响应。从冬半年到夏半年的增暖时段,急流中心南部增温小于北部增温,造成南北温差减小,急流减弱北进:从夏半年到冬半年的降温时段,南部降温小于北部降温,南北温差增大,急流加强南退。热量平流输送的南北差异是造成急流中心南北温差的主要原因,急流南部为暖平流,北部为冷平流,急流中心跟随平流输送项的最大经向梯度南北移动。非绝热加热对急流中心的东西向移动有引导作用,青藏高原对对流层中高层大气的直接加热作用导致了急流中心位置6-7月的快速“西移”。
2.季节转换时期东亚副热带西风急流的形态变化特征
强度的强弱变化和位置的南北移动是东亚副热带西风急流季节变化最主要特征,但叠加在此之上的急流中心东西向形态变化亦不容忽视。6月中下旬至7月上中旬,由于青藏高原对对流层强大的非绝热加热作用,引起高原与西太平洋上空急流强度对比变化所导致急流中心的快速“西移”过程,与东亚梅雨的开始和结束时间有较好的对应关系。
从春夏过渡季节对流层中上层南北温差与急流变化的配置情况来看,温差中心的变化超前急流中心的移动,从候尺度上说明了南北温差的变化是导致流场变化的原因。亚洲地区上空三个急流核的出现是气温经向梯度纬向不均匀的重要体现,但维持机制却有较大差异,伊朗高原上空急流核主要由气流下沉增温形成的南北温差,青藏高原上空急流核主要是非绝热加热作用,而西太平洋上空急流核则主要是热量水平输送维持。4月底,赤道附近的南风突然增长并扩展到副热带地区,同时,深对流亦向北急速扩展,急流轴线和温度脊线都有一次明显急速北跳。季风爆发后,西风急流轴线以北主要为偏北风,以南主要为偏南风,所以急流是热带与中高纬环流系统的交界,也是东亚季风到达北界位置。南海季风爆发早晚年,低纬的东风向北推进的时间、东西向的陆海温差季节转换时间及中纬度地表加热场距平都有明显差异。针对1994年及1991年两个个例的分析表明,南海夏季风爆发早晚年急流中心在东西方向上的形态变化办具有显著的差异。
青藏高原的热力作用不但是东亚夏季风爆发的关键影响因子,也是秋冬季节转换的触发因子,其剧烈的降温将引导环流形势快速向冬季型转变。急流的南撤与急流中心的“东退”是秋冬季节转换的标志,二者基本是同步的,西风急流轴南撤到35°N以南,急流中心稳定移至西太平洋上空标志着冬季环流的建立。
3.盛夏东亚副热带西风急流的两类型态及其气候效应
盛夏急流中心表现为青减高原急流型和伊朗高原急流型两种型态,两类急流型念对应的中高纬位势高度及气温的经向差异都有显著的区别,青藏高原急流型位势高度场及温度场南北差异中心出现在80°E-100°E之间,而伊朗高原急流型对应的差异中心则出现在50°E—70°E之间。表明温度场的南北差异导致了高度场的差异,引起气压梯度力的强弱对比,最终导致急流的不同型态。从两类急流型态的热力学方程诊断来看,造成两种急流型对应区域南北温差加强的原因性质上是不一样的,青藏高原急流对应非绝热加热所造成的南北温差,属热力型的;而伊朗高原急流对应的主要是温度的水平平流和垂直输送造成的南北温差,属动力型的。
青藏高原急流型与伊朗高原急流型地面气温差异主要位于中高纬大陆,而降水差异主要位于西北太平洋上的朝鲜和日本等地。对中国地区而言,青藏高原急流型对应青藏高原南部、云贵高原及华南沿海地面气温偏高,而其余大部地区偏低:伊朗高原急流型对应全国大部气温偏高。从降水的分布来看,青藏高原急流型对应降水的正距平区位于青藏高原南侧及长江下游,华北和华南为少雨区;而伊朗高原急流型对应的形势则相反,多雨的区域主要在华北及华南沿海。通过显著性检验的区域位于华北、华南及青藏高原南部,而长江流域的降水差异不显著。
4.东亚副热带西风急流的年际异常对东亚区域气候的影响
冬季急流最基本的特征表现为强度的变化,具有3-4年的振荡周期,急流强度指数可较好地表征冬季风强弱变化,急流增强(减弱)对应大陆冷高压偏高(低),海洋阿留申低压加强(减弱),东亚冬季风偏强(弱)。不仅如此,急流强度变化与对流层高、中、低层的环流系统密切相关:东亚冬季风、西风急流、低纬地区对流是同相变化的,其中机制可理解为冷空气在低纬地区的入侵(冷涌)将导致对流的增强,从而加大气低纬与中纬地区的经向温差,根据热成风的原理,位于副热带地区的西风急流势必加强。
夏季急流变化主要体现为位置的南北移动,急流位置的异常偏北年及偏南年,大气环流表现出显著的差异,这种差异导致气流辐合区的强度和位置不同,从而引起降水区域和量值上的差别。急流异常偏北时,南亚高压偏弱,位置偏北偏西,西太平洋副高偏弱、位置偏东偏北,气流的辐合上升区移至华北一带,从而引起华北降水偏多,长江流域上空上升气流较常年偏弱,不易降水:急流异常偏南时,南亚高压偏强,位置偏南偏东,西太平洋副高较常年偏强、位置偏西偏南,长江流域地区上空低层有较强辐合上升气流,高层有较强的气流辐散,对流旺盛,雨带在此维持,容易引发洪涝。
5.地表加热场对高空急流影晌的诊断分析及数值研究
冬季,西太平洋黑潮暖流区是影响急流强度变化的关键区:当其加热增强时,40°N以南的中低纬西风增强,40°N以北西风减弱,急流加强;反之亦然。这种耦合型的时间变化主要表现为明显的年际振荡特征。热带和副热带地区加热的反相变化对应纬向风的整体一致性变化,且影响关键区在热带地区。夏季,海陆感热加热差异主要影响东亚中低纬地区纬向风的变化,而影响西风急流位置南北移动的关键区位于阿拉伯海及印度半岛北部,这种加热分布体现感热的局地性变化,可能与高原地形影响有关。潜热加热与200hPa纬向风场的耦合关系较为复杂,影响急流强度变化的潜热加热主要在中国东部海域,而影响急流位置南北移动的区域主要位于高原南侧的印度半岛。
基于热成风原理及热力适应理论,大气运动在定常外源作用下系统的垂直结构由热源分布决定。因此,地表加热场的变化亦会引起对流层中高层温度场、高度场等的响应,从而导致流场的变化。利用全球大气格点模式GAMIL进行数值研究进一步证实了这一结论。