热带气象学报  2017, Vol. 33 Issue (6): 1000-1008  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.021
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引用本文  

龙晴柔, 金荣花, 肖天贵, 等. 夏季东亚副热带西风急流不同尺度波的特征分析[J]. 热带气象学报, 2017, 33(6): 1000-1008.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.021.
龙晴柔, 金荣花, 肖天贵, 等. Analysis of the characteristics of the east asian subtropical westerly jet under different scales in summer[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2017, 33(6): 1000-1008. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.021.

资助项目

国家自然科学基金项目(41575066);国家科技支撑计划课题(2015BAC03B04)共同资助

通讯作者

金荣花,女,黑龙江省人,研究员,博士,主要从事中期天气过程分析与研究。E-mail:jinrh@cma.gov.cn

文章历史

收稿日期:2016-10-12
修订日期:2017-07-24
夏季东亚副热带西风急流不同尺度波的特征分析
龙晴柔 1, 金荣花 2, 肖天贵 1, 杨宁 1, 刘思佳 1     
1. 成都信息工程大学,四川 成都 610225;
2. 国家气象中心,北京 100081
摘要:利用1960—2015年NCEP全球再分析日平均资料和中国国家气象站20时的日降水量资料,分析在超长波、长波和天气尺度波的不同尺度纬向风场中,夏季东亚副热带西风急流的空间分布和活动特征,初步研究了不同尺度波的东亚副热带西风急流与典型梅雨异常年降水的关系,通过分析东亚副热带急流的周期性变化,进一步探讨本研究工作的实际应用价值。研究表明,超长波是东亚副热带西风急流扰动的主要成分,与急流位置的演变具有较高的一致性,对于梅雨期间的雨带位置和强度变化均有较好的指示意义;长波、天气尺度波是叠加在超长波上的次低频和中间尺度扰动,后者与梅雨强度的变化有一定对应关系。东亚副热带西风急流与其超长波的位置变化具有明显的单、双周振荡特征,在实际预报业务中可以充分利用超长波的周期性和较高预报技巧,为中期天气分析和预报提供更有价值的参考信息。
关键词东亚副热带西风急流    不同尺度    特征分析    中期预报    
ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS OF THE EAST ASIAN SUBTROPICAL WESTERLY JET UNDER DIFFERENT SCALES IN SUMMER
LONG Qingrou1, JIN Ronghua2, XIAO Tiangui1, YANG Ning1, LIU Sijia1     
1. Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;
2. National Meteorological Center, Beijing 100081, China
Abstract: By using the daily reanalysis data provided by National Centers for Environmental Prediction-National Center for Atmospheric Research (NCEP-NCAR) and daily precipitation data at 20:00 BT (Beijing Time) from Chinese meteorological stations during 1960-2015, spatial distribution and activity characteristics of the East Asia subtropical westerly jet (EASWJ) in summer, which are in zonal wind wave with the ultralongwave, long wave and synoptic-scale wave, are analyzed. A preliminary study on the relationship between the EASWJ with different spatial scales and typical Meiyu precipitation is performed. Research shows that ultra long wave is the main component of the disturbance of EASWJ, highly consistent with the position evolution of the jet stream.It also has a nice indication for rain belt change in position during the period of Meiyu. In addition, long wave and synoptic scale waves are sub-low frequency and medium-scale perturbations superimposed on ultra long waves, which has a certain corresponding relationship with the change of Meiyu intensity. The position change of the EASWJ and ultra long wave has a obvious characteristics of weekly and biweekly oscillation. So, full use of ultra long wave cycle may provide valuable reference information for medium-term weather analysis and forecasting.
Key words: East Asia subtropical westerly jet    different scale    feature analysis    middle-range forecasting    
1 引言

在南、北半球副热带地区对流层上部各有一支强而窄的高速气流带,称之为副热带西风急流。急流带附近具有强的水平和垂直风切变,对维持全球大气角动量、能量的输送和平衡起到很重要的作用[1]。东亚夏季副热带西风急流是东亚夏季季风系统的一个重要组成部分[2-3],其位置的经向摆动和强度的异常变化往往会引起东亚地区大范围的环流异常,对整个东亚大气环流的季节转换[4-5]、亚洲夏季风的爆发[6-7]以及东亚地区尤其是中国东部地区夏季雨带的位置和强度[8-13]都有重要影响。

已有研究表明,东亚副热带西风急流的变化,从天气尺度、季节内低频振荡、季节演变、年际变化和年代际尺度均具有多种时间尺度特征[1, 6, 8, 14-21]。比如,其位置指数周期变化主要呈单周和双周特征,强度指数变化主要呈单周变化特征[15];同时其季节性演变特征亦明显,副热带西风急流轴在冬季稳定少变,而从春季到夏季发生季节性北移,在从冬到夏的季节转换过程中,西风急流实际存在两次明显北跳过程[6],第一次北跳开始于5月8日前后,由25~28 °N北跳至30 °N以北;第二次北跳发生在6月7日左右,由32 °N北跳至35 °N以北。盛夏季节高空急流的突然北跳有两种不同方式,一是急流北侧的西风增强所致,另一种由急流中心强度减弱引起[1]。东亚副热带西风急流的年际变化主要由经向偏移主导,其次为强度变化[16-18]。在年代际变化中东亚急流呈现出向南、向西移动的趋势[8, 19]。东亚副热带西风急流具有准4年和准6年周期,以及10~20年的年代际时间尺度周期,并在1970年代末发生由强到弱的年代际突变[20]。相比较而言,以往研究对于东亚副热带急流的季节演变、年际变化和年代际变化特征及其对中国天气气候的影响的研究比较深入,而对于副热带西风急流在我国某一典型雨季的低频振荡、天气尺度扰动特征及其对于典型雨季的影响系统性分析和研究还比较少见。为此,本文针对我国东部的夏季重要雨季即江淮梅雨,重点围绕东亚副热带西风急流在超长波、长波以及天气尺度纬向风场的空间分布和位置变化特征进行分析,初步研究东亚副热带急流不同尺度波活动与典型梅雨异常年降水的关系,进一步探讨其对中期天气分析和预报的实际应用价值。

2 资料和方法

分析采用1960—2015年共56年的NCEP全球逐日再分析的200 hPa水平纬向风资料,水平分辨率为2.5 °×2.5 °。降水量资料为国家气象信息中心提供的中国国家气象站2 426站每日20时的累积日降水资料,并用Cressmen方法将降水量插值到1 °×1 °的网格。

为了分析梅雨季节东亚副热带西风急流的活动特征,本文采用文献[21]中对东亚副热带西风急流位置指数的定义:关键区(110~130 °E,20~55 °N)内各经度上200 hPa纬向风最大值所在纬度的平均值。该位置指数小(大)表示急流处于较低(高)纬度。滤波方法参考文献[22],采用谐波空间滤波,分别提取出超低频扰动部分的超长波(波数为1~3波)、次低频扰动部分的长波(波数为4~6波)以及中间频扰动部分的天气尺度波(波数为7~12波),对副热带西风急流进行尺度分离。

3 夏季东亚副热带西风急流不同尺度波的特征分析 3.1 不同尺度纬向风场副热带西风急流空间分布特征

为了分析夏季副热带西风急流不同尺度波的特征,对200 hPa纬向风进行尺度分离,图 1给出了1960—2015年夏季(6—8月)不同尺度平均纬向风场的空间分布。

图 1 1960—2015年6—8月北半球平均200 hPa纬向风 a.未滤波;b.超长波;c.长波;d.天气尺度波。单位:m/s。图中最外围纬圈是赤道,下同。

夏季200 hPa纬向风(图 1a)在副热带地区有一条纬向风速大值带,即副热带西风急流带。在急流带上存在3个风速大值中心,分别位于东亚、中东和北美地区的上空,最强中心位于东亚地区,急流带上风速分别在西欧和太平洋东岸减小,形成北美-大西洋东岸和北非-太平洋东岸的两个相对独立的东、西半球急流带。超长波纬向风场(图 1b)在副热带急流带上极大值区域也分别分布在东亚、中东和北美地区上空,北非-太平洋东岸的东半球急流形态非常完整,其强度和位置也基本维持,北美-大西洋东岸的西半球急流带形态较完整,位置维持但强度减弱明显。而在长波和天气尺度波的纬向风场(图 1c1d)副热带急流带上的极大值区域范围小且分布零散,其形态与未滤波的纬向风场差异较大。可见,副热带西风急流振荡是以超长波为主,长波和天气尺度波是叠加在超长波主要形态上的次低频和中间尺度扰动,这种特征对于东亚副热带西风急流表现更明显。

为进一步验证和对比分析副热带西风急流不同尺度波的贡献,对1960—2015年6—8月北半球200 hPa纬向风逐日数据与同期不同尺度纬向风场求统计相关(图 2),在α=0.05的显著性水平上,相关系数大于0.014是显著的。从空间分布来看,空间尺度越大相关系数越高。在东亚副热带西风急流带关键纬度(30~50 °N),超长波场东亚副热带西风急流带纬向风场相关性最高,呈正相关,相关系数基本大于0.7,相关系数等值线与急流等值线的形态呈较一致的带状;长波场东亚副热带西风急流带纬向风场相关系数在0.4~0.6之间,天气尺度波场的相关系数较低,基本在0.3~0.4之间,急流带位置上等值线分布零散且梯度较大。反映了超长波扰动对东亚副热带西风急流波动的贡献最大,其次是长波,天气尺度波与急流相关性普遍不高。

图 2 1960—2015年夏季北半球200 hPa纬向风场与不同尺度波的相关系数分布 a.超长波;b.长波;c.天气尺度波。相关系数在-0.014~0.014之间的均未通过α=0.05的显著性水平检验。

此外,在同纬度上,相关系数的分布有明显的地理差异。例如,超长波场的相关系数最大值在东亚副热带急流上的太平洋区域,可达到0.8,而紧邻此最大值区域的南侧却为相关系数小值区域,最小值在0.5以下,由此造成东亚地区为相关系数经向梯度最大的区域。在长波场和天气尺度场也有相似情况,不再赘述。可见,东亚副热带西风急流的变化由超长波主导有其空间的特殊性,是有研究意义的。

3.2 不同尺度纬向风场的副热带西风急流位置变化特征

本文采用东亚副热带西风急流及其不同尺度纬向场的急流位置指数,分析东亚副热带西风急流的活动特征。根据56年平均(1960—2015年)6—8月不同尺度纬向风场的东亚副热带西风急流位置指数逐日演变情况(图 3)。由图 3a可知,在夏初副热带西风急流从35 °N左右开始逐渐北抬,8月初北抬至约45 °N,之后又逐渐南退。超长波的急流指数振荡位相变化与西风急流最相似,且同步反映出急流位置的先北抬、后南退的经向演变趋势。尽管急流位置比原场西风急流位置偏南,但振幅与原场最接近。长波的急流位置在整个夏季基本在37~43 °N之间摆动,急流经向变化幅度较原场急流位置变化幅度小,振荡频率高于原场。而天气尺度波的急流位置维持在38~40 °N一个相对狭窄的纬度范围,无法反映急流由初夏到盛夏的10个纬距的经向活动,振荡频率也远高于原场。可见,东亚副热带西风急流位置活动由行星尺度(超长波、长波)的准定常波动主导,尤其超长波急流位置变化与原场表现为协同变化特征,天气尺度波动受到行星尺度波动的制约,是行星尺度波上叠加的高频小振幅扰动。三种不同尺度下的西风急流位置的经向变化都在西风急流的位置活动纬度范围内作振动,表现出不同大小的振幅和相应的周期。

图 3 1960—2015年平均夏季副热带西风急流位置指数(单位:°N)的逐日演变(a)、1960—2015年夏季不同尺度波与副热带西风急流位置指数相关系数年际变化(b)以及1973年(c)和1980年(d)夏季超长波和长波场与原场急流位置指数逐日演变

同样,为进一步验证不同尺度波与原场的相关特征及其普适性意义,对1960—2015年夏季6—8月不同尺度下的西风急流位置指数与同期副热带西风急流位置指数逐年进行统计相关分析,图 3b为1960—2015年夏季超长波、长波和天气尺度波与西风急流的位置相关系数年际变化,在α=0.05的显著性水平上,相关系数大于0.205是显著的。超长波与西风急流相关系数均通过相关系数的显著性检验,56年中有48年相关系数大于0.50,最高是2010年,为0.92,最低是1980年,为0.26。反映了超长波的急流位置指数和西风急流的位置指数具有较高的相关性,对反映西风急流指数变化有较好的指示意义,同时,也表明这种相关性具有显著的年际变化特征。长波有47年相关系数大于0.20,通过相关系数的显著性水平检验,相关系数最高是1973年,为0.78。证明长波与西风急流指数位置变化有一定相关性,在一定程度上反映出西风急流位置变化特征。而天气尺度波的急流位置指数与原场的相关性最低,在-0.2~0.4之间,有35年未通过检验,甚至有15年为负相关。

1973年(图 3c)夏季超长波场和长波场的位置指数与原场急流位置的相关性都很高,分别为0.86和0.78。仔细对照该年夏季急流位置指数演变发现,超长波场和原场急流位置的高相关表现在位置和位相的高度一致性,而长波场急流位置与原场急流位置的较高相关主要体现在位相的协同,位置存在一定差异。1980年(图 3d)超长波和长波场急流位置指数与原场急流位置的相关系数较低,分别为0.26和0.09。仔细分析该年三者的演变配置情况发现,除超长波场急流位置与原场急流位置变化位相较为一致,但由于指数大小存在差异导致相关系数不高;而长波场急流位置跳跃性较大,位相与原场协同性较差,导致相关系数较低。上述分析进一步验证了西风急流的经向位置变化主要由以超长波经向移动为主要特征,超长波场急流指数变化对于反映西风急流位置指数变化有较好的指示意义,而长波,尤其天气尺度波的变化频率较高、匹配度较低,反映了副热带西风急流位置变化内在的不稳定性特征。

4 不同尺度波东亚副热带西风急流与梅雨异常关系的个例分析

为研究不同尺度西风急流与梅雨异常的关系,同样采用文献[15]中丰梅年1983年和空梅年2002年作为梅雨异常年进行对比分析。丰梅年(图 4)1983年梅雨期间(6月19日—7月19日),东亚副热带西风急流位置较稳定,7月19日急流位置出现明显北跳,梅雨结束。三种尺度纬向风场的急流演变情况相比较而言,超长波的平均纬向风演变与未经滤波的西风急流最接近,纬向风极大值中心的纬度位置一致,振荡位相吻合;长波位置较为偏北,急流中心不连续,跳跃性大;天气尺度波的振动非常剧烈,位置偏南,风速大值中心零散,分布不规律。从梅雨期雨带位置来看,主雨带的位置和超长波的平均纬向风风速中心位置的位相和强度变化较接近,尤其是7月上旬长江中下游流域强降水过程和7月中旬后期江淮地区的强降水过程,恰好对应超长波急流强度鼎盛期,而在未经滤波的急流演变中没有出现这种情形。这是否意味着东亚副热带西风急流尺度分析的理论意义和实际应用价值所在,还需要更多的个例加以验证。

图 4 1983年6—8月200 hPa平均纬向风逐日演变 a.西风急流;b.超长波;c.长波;d.天气尺度波(单位:°N,范围:110~130 °E);e.同期累积降水逐日演变(单位:mm,范围:110~120 °E)。

此外,上述两次强降水过程在天气尺度扰动演变中也对应强扰动中心,而且雨带位置与天气尺度急流中心位置较接近。空梅年(图略)西风急流位置经向摆动幅度较大,急流强度较弱。超长波的平均纬向风变化趋势以及风速极大值中心的经向变化都和西风急流相似;长波和天气尺度波的急流极大值中心分散不连续,且较西风急流更偏南。虽然在空梅年江淮地区降水较少,但从6月中旬、7月初和7月中旬的3次强降水过程来看,均对应超长波急流的发展并达到鼎盛的阶段,降水位置和天气尺度的风速大值区有较好匹配。上述分析表明,实际个例验证了超长波是决定西风急流中心经向变化的主要因素,可以基本反映出急流位置的演变情况,由于超长波滤去了原场小尺度波的扰动,使得急流位置变化更清晰;超长波急流强度的发展为梅雨季节强降水的发生、发展提供了更有利的动力环境,天气尺度的急流扰动与雨带的位置有较好的匹配关系,不同尺度的急流扰动在梅雨中期预报中可以提供不同角度的参考信息。

5 不同尺度波急流活动特征在业务预报中的应用技术探讨

为研究东亚副热带西风急流在中期天气尺度变化的周期特征,对1960—2015年多年平均和逐年的东亚副热带西风急流位置指数作小波变换,从小波变换分析结果可以提取出东亚副热带西风急流位置指数变化周期(图 5a)。由于此处研究对象是夏季6—8月的副热带西风急流多年平均位置指数,故月际尺度以上的周期振动都较强。但本文主要研究对象是急流的中期天气演变过程(3周以内),故略去了30天以上尺度,可以看到,约在21天的方差贡献有一个高值,周期振动强,约在10天有一个方差贡献次高值。同样,对超长波多年平均指数位置做小波变换提取周期,也可以发现约在15和22天方差贡献各有一个高值(图略)。说明在副热带西风急流振动频率谱中,超长波是主要贡献成分。根据1960—2015年逐年夏季急流位置指数的小波方差提取周期,并做频次统计(图 5b),发现约在8和15天出现较强周期振荡的频次较高,7天以下和19天以上出现较强周期振荡的频次较低。反映副热带西风急流的位置变化在中期天气时间尺度上也有明显的周期特征,而且振荡具有明显的单、双周振荡特征,西风急流的这种周期性变化特征可以为夏季降水的中期预报提供预报参考。

图 5 1960—2015年平均夏季副热带西风急流位置指数的小波方差贡献(a)和周期小波方差贡献频次统计(b)

已有研究表明,模式对不同尺度系统的预报能力是不同的。对于数值模式的环流演变预报,通常认为尺度越大越值得信赖[23-25]。基于上述研究分析,在实际业务预报中可利用超长波预报效果比较稳定和预报技巧高的优势,结合其具有与原场较高的协同一致性和周期性活动的特点,对原场进行尺度分离,通过分析东亚副热带西风急流超长波场的演变规律,实现对东亚副热带西风急流更精准和更长时效的预报分析。也可利用其演变与梅雨季节雨带位置和强度变化的关系,满足对梅雨超前时效预报的中期实际业务应用需求。

6 结论与讨论

本文利用1960—2015年的NCEP再分析资料和中国国家气象站的日降水观测资料,对东亚副热带西风急流进行尺度分离,并利用不同尺度波分析了东亚副热带西风急流的活动特征及其对梅雨异常活动的关系。

(1)在西风急流的瞬变扰动中,以超长波为主的低频扰动部分是造成东亚副热带西风急流纬向变化的重要因素,更能表现出副热带西风急流的时空位置分布。而长波以及天气尺度波的瞬变扰动是叠加在东亚副热带西风急流的活动主要形态的次低频和中间尺度扰动部分。副热带西风急流的经向位置变化主要以超长波移动为主要特征,超长波场急流指数变化对于反映西风急流位置指数变化有较高的指示意义,而长波,尤其天气尺度波变化跳跃性较大,反映了副热带西风急流位置变化内在的不稳定性特征。

(2)从丰梅年1983年和空梅年2002年的实际个例,验证了超长波可以反映西风急流位置的主要演变特征,而且由于滤去了原场相对小的尺度扰动,急流位置变化特征表现更为清晰,其强度的演变与强降水过程的匹配度更高。此外,发现天气尺度扰动增强也与强降水的时间和位置有较高的一致性。这是否意味着不同尺度的急流扰动在梅雨中期预报表现为不同的动力作用,还有待进一步验证。

(3)东亚副热带西风急流及其超长波场的急流位置演变均表现出显著的8天和15天左右的周期变化特征。在实际业务中可以充分利用超长波与原场的协同变化、周期性等特征,延长对东亚副热带西风急流的预报时效,为中期天气分析和预报提供更有价值的参考依据。

本文分析了东亚副热带西风急流不同尺度波的活动特征,并探讨了不同尺度波在实际中期预报业务中的应用可能性,具有一定的理论意义和实际应用价值。但对于与梅雨异常的关系的研究,仅仅是个例初步研究,虽然提出了粗浅的认识和科学问题,尚需要通过更多的样本和实例进行系统深入的研究才能加以验证。

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