北半球平流层最后增温过程及其与南亚夏季风爆发的联系

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本文利用多套再分析资料,以北半球春季平流层极夜急流核心纬度带纬向平均纬向风最后一次转为东风的日期定义为平流层春季最后增温事件(SFW)的爆发日期,分析了SFW事件爆发过程中环流和波动活动的特征,讨论了平流层冬季爆发性增温(SSW)事件与SFW事件爆发日期的联系。进而以亚洲夏季风的爆发作为对流层季节过渡期间最重要的方面,揭示了SFW事件的爆发与南亚夏季风爆发之间的联系及其物理过程。在此基础上,利用国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)中历史模拟资料评估了模式对北半球平流层SFW事件的模拟能力。主要结论如下:
  SFW事件平均在4月中下旬发生,且由平流层高层向低层依次滞后;爆发当日伴随纬向风场时间变率和行星波辐合的最大值,平流层环流实现由冬向夏的季节转换。SFW的爆发日期具有显著的年际变化,最早的SFW事件发生在3月中旬,最晚的SFW事件在5月下旬才出现。合成分析表明,SFW爆发偏早(晚)年的春季,纬向风场由西风向东风的转变更为快速(缓慢),伴随的平流层行星波活动也相对较强(弱);表现在环流异常场上,SFW爆发前后平流层极区环流异常呈反(同)位相分布,表明发生较早的SFW事件主要受波强迫驱动而伴随强烈增温现象,而发生较晚的SFW事件则更反映了极涡的季节变化特征。
  对冬季强、弱SSW年以及无SSW事件发生的普通年份分别进行合成分析显示,平均而言,在有强SSW事件(无SSW事件)发生年的冬季月份,热带外平流层行星波活动异常偏强(弱),极夜急流和平流层极涡异常偏弱(强),但在后期的春季月份,行星波活动则异常偏弱(强),平流层极涡异常偏强(弱)。在有弱SSW事件发生年的后期春季,平流层极夜急流以及极涡的强度无显著异常,与气候平均状况接近。说明冬季SSW事件的强、弱以及发生与否,可关系到后期春季SFW事件爆发的早晚。
  统计显示,尽管并非每次冬季强SSW事件的发生(未发生)都与后期春季SFW事件爆发的偏晚(早)相对应,但在发生(未发生)强SSW事件的冬季之后,春季SFW偏晚(早)事件发生的频数明显偏高。反过来,在SFW偏晚事件之前的冬季,一般有强SSW事件的发生,而在SFW偏早事件之前的冬季则很少发生强SSW事件。相比而言,在有、无弱SSW事件发生之后的春季,SFW偏早和偏晚事件发生的次数却基本相当,冬季弱SSW事件是否发生对后期春季SFW爆发的早晚没有显著影响。
  对SFW爆发异常年份,平流层增温事件爆发前对流层系统的分析显示,对流层欧洲西部高压系统的增强可作为强SSW事件和SFW事件发生的前期信号,在SFW偏晚年,该系统通常在1月初期至中期出现增强,但在SFW偏早年,该系统却直到2月末至3月中才出现,可被看作春季SFW事件爆发异常的预测因子。
  同为标志北半球春夏季大气环流季节转换的两个重要方面,SFW和对流层南亚夏季风的爆发存在紧密的联系。当SFW爆发偏晚(早)时,春季4月至5月初,平流层低层极涡仍然维持(已经崩溃),强度偏强(弱),对流层高层和低层分别呈NAM和AO正(负)位相,这将在阿拉伯海北侧陆地上空激发反气旋性(气旋性)异常环流,对流层低层上升运动加强(减弱),西风异常增加(减弱),南亚夏季风爆发偏早(晚)。但SFW与南亚夏季风爆发日期之间的关系存在年代际转折,20世纪70年代末之后两者呈显著的负相关关系,并且在近些年更加显著。
  模式资料的诊断显示,CMIP5模式对SFW事件中的动力过程的模拟存在明显不足,具体表现为模式模拟的SFW爆发时间的平均值较观测普遍偏晚,年际变率较观测偏小;所模拟的SFW偏早事件爆发过程中,纬向风减弱比较平缓。SFW偏晚年时,纬向风环流从冬季至春季的变化表现为环流的自然季节演变,较观测相比,模式不能模拟出SFW偏晚年冬季时发生的SSW事件。
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