閆彩霞, 金榮花
(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.國(guó)家氣象中心,北京100081)
在南、北半球副熱帶地區(qū)對(duì)流層上部各存在著一支強(qiáng)而窄的高速氣流帶,稱之為副熱帶西風(fēng)急流,其位置的南北移動(dòng)以及強(qiáng)度的異常可以引起大范圍的環(huán)流異常,進(jìn)而導(dǎo)致中國(guó)乃至東亞地區(qū)天氣氣候異常,與東亞大氣環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換、亞洲夏季風(fēng)的爆發(fā)、中國(guó)東部地區(qū)夏季降水等有著密切的聯(lián)系[1-8]。因此,東亞副熱帶西風(fēng)急流監(jiān)測(cè)與分析在預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)中至關(guān)重要。在中國(guó)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中,建立了東亞夏季風(fēng)、西太平洋副熱帶高壓以及歐亞阻塞高壓等重要大型環(huán)流系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)[9],但是,過去受高空資料質(zhì)量和數(shù)值模式性能的限制,對(duì)東亞副熱帶急流及其物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)還比較局限,尚未能建立東亞副熱帶急流監(jiān)測(cè)指標(biāo)。近些年,隨著大氣科學(xué)研究向三維結(jié)構(gòu)更深入更細(xì)致方向發(fā)展,東亞副熱帶急流已經(jīng)成為普遍關(guān)注的重要系統(tǒng),為實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)的、規(guī)范的東亞副熱帶急流的長(zhǎng)序列資料,滿足業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究的需要,建立東亞副熱帶急流的監(jiān)測(cè)指標(biāo)是目前迫切需要解決的問題。
以客觀、定量和自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)東亞副熱帶急流的監(jiān)測(cè),首先要研究東亞副熱帶急流各種特征參數(shù)的表征方法。以往研究工作中,提出了很多表征副熱帶急流的方法[10-20],但是,研究的目的和分析的角度不同,所構(gòu)造的方法各不相同,應(yīng)用于業(yè)務(wù)存在局限性。因此有必要對(duì)以往東亞副熱帶西風(fēng)急流客觀定量表征方法進(jìn)行系統(tǒng)分析和客觀評(píng)價(jià),并通過分析指出以往各種客觀定量化表征西風(fēng)急流的方法的優(yōu)點(diǎn)與適用范圍,以期為科研工作者和業(yè)務(wù)技術(shù)人員合理應(yīng)用東亞副熱帶急流指數(shù)提供參考,論文通過總結(jié)歸納以往研究工作中的東亞副熱帶急流特征參數(shù)表征方法,基于各種方法的性能分析結(jié)果,結(jié)合東亞副熱帶急流特征及其對(duì)中國(guó)降水的影響,對(duì)比分析東亞副熱帶急流特征參數(shù)表征方法的優(yōu)缺點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)對(duì)東亞副熱帶急流的客觀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷分析提供參考和依據(jù)。
分析所使用資料為NCEP/NCAR逐日再分析等壓面資料,要素為200hPa水平緯向風(fēng)和水平經(jīng)向風(fēng),水平分辨率為2.5°×2.5°,序列長(zhǎng)度為1960~2009年。國(guó)家氣象信息中心提供中國(guó)714站20時(shí)(北京時(shí))日降水量資料,文中采用Cressman方法將降水量插值到1°×1°網(wǎng)格,序列長(zhǎng)度為1960~2009年。
為了便于比較,在對(duì)各種東亞副熱帶急流客觀定量表征方法進(jìn)行數(shù)值反演時(shí),研究時(shí)間統(tǒng)一定為夏季6~8月,2005年降雨量接近常年同期或偏多,西風(fēng)急流北跳時(shí)間顯著,對(duì)雨帶推移有較大影響[21]。2005年天氣實(shí)況分析表明中國(guó)東部地區(qū)三次降水帶北進(jìn)較為顯著,因此選擇2005年作為逐日演變分析個(gè)例,季節(jié)尺度年際變化分析序列統(tǒng)一為1960~2009年。以往研究工作中提出了很多客觀定量表征東亞副熱帶急流的方法,按照其功能劃分主要有位置、強(qiáng)度兩類特征參數(shù)。下面對(duì)原作者的方法逐一介紹,并進(jìn)行反演和性能分析。
位置參數(shù)是用以描述副熱帶西風(fēng)急流位置移動(dòng)的參數(shù),其演變主要反映在急流位置南北移動(dòng)變化上,以往客觀定量表征方法歸納為3種。
況雪源等[10]采用200hPa等壓面上(70°E~120°E,30°N~50°N)區(qū)域內(nèi)最大西風(fēng)所在緯度的平均值表示東亞副熱帶急流的位置,用參數(shù) A1表示。黃安麗等[11]采用動(dòng)力學(xué)方法分析對(duì)流層高、低空急流耦合作用時(shí),確定以105°E~145°E,45°N 以南作為統(tǒng)計(jì)區(qū),300hPa等壓面上風(fēng)速值大于30m·s-1的地區(qū)作為高空急流區(qū),用高空急流區(qū)風(fēng)速最大值位置表示東亞副熱帶急流的位置,用參數(shù) A2表示。如圖1所示采用急流軸線方法,計(jì)算了2005年6~8月急流位置變化(圖2)及指數(shù)與同期東部地區(qū)夏季主要降水中心位置(100°E~130°E)的關(guān)系,對(duì)比結(jié)果,A1方法采用了更符合經(jīng)典的東亞副熱帶急流定義的200hPa等壓面資料,能夠準(zhǔn)確描述夏季急流位置的南北變化。指數(shù)與中心雨帶位置相關(guān)系數(shù)達(dá)0.52,能較好地反映急流對(duì)雨帶南北移動(dòng)的影響,定義合理且有明確的物理意義,方法簡(jiǎn)單易行、意義清晰、表現(xiàn)直觀,適用于逐日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷分析。但是,由于采用統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)各經(jīng)度上最大西風(fēng)的位置平均來表征急流軸位置,對(duì)于南北兩支西風(fēng)急流并存并且北支強(qiáng)于南支情況,對(duì)于盛夏(春季)急流軸北抬(南落)至統(tǒng)計(jì)區(qū)以北(以南)的情形,如2005年7月19日,該參數(shù)無法捕捉到真實(shí)信息。A2指數(shù)變化趨勢(shì)跟雨帶位置移動(dòng)具有較好的一致性,五點(diǎn)滑動(dòng)平均后相關(guān)系數(shù)達(dá)0.56,呈現(xiàn)顯著的相關(guān),方法簡(jiǎn)單易行、意義清晰,對(duì)中國(guó)東部地區(qū)降水位置的南北移動(dòng)具有較好的指示意義。但是此方法采用的副熱帶西風(fēng)急流為300hPa層面上,與經(jīng)典高空急流定義不相符合。
由于海陸分布不均及青藏高原的影響,急流軸的季節(jié)變化具有東西向的不一致性[10]。兩種定義所選擇的急流軸關(guān)鍵區(qū)不同,A1方法確定的關(guān)鍵區(qū)主要位于中國(guó)中西部,A2方法選擇區(qū)域側(cè)重于中國(guó)東部地區(qū)(江淮地區(qū)),2個(gè)指數(shù)相同點(diǎn)在于對(duì)急流表示本質(zhì)上都采用急流最大風(fēng)速代表的軸線表示。
圖1 軸線法表征的東亞副熱帶西風(fēng)急流軸位置參數(shù)與同期中國(guó)東部降水帶位置演變(參數(shù)A1、A2,多年平均位置以及降水中心位置逐日演變,單位:緯度)
圖2 2005年7月19日200hPa緯向風(fēng)等值線(單位:m·s-1)
劉飛等[12]對(duì)1958~2000年43年東亞地區(qū)夏季200hPa緯向風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了EOF分解,第一特征向量反映西風(fēng)急流繞夏季平均急流軸的南北變動(dòng),因此定義第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)為東亞夏季副熱帶急流位置參數(shù)。況雪源等[13]同樣采用此方法對(duì)北半球冬季副熱帶西風(fēng)急流指數(shù)進(jìn)行了定義及探討,結(jié)果表明此指數(shù)對(duì)副熱帶西風(fēng)急流變動(dòng)有較好的指示意義,并與長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水相關(guān)最為顯著。故以劉飛方法為代表,用參數(shù) A3表示。
廖清海等[14]根據(jù)東亞地區(qū)急流月平均位置的方差分布,選取各月南北兩個(gè)活動(dòng)中心對(duì)應(yīng)的正規(guī)化的200hPa緯向風(fēng)的差作為當(dāng)月東亞副熱帶西風(fēng)急流指數(shù),并以此獲得東亞地區(qū)夏季(6~8月)對(duì)應(yīng)的副熱帶急流位置參數(shù)。楊蓮梅等[15]和Lin等[16]均采用指定范圍內(nèi),西風(fēng)急流氣候平均位置南北各5°或10°的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的200hPa緯向風(fēng)的差反映東亞西風(fēng)急流位置,正(負(fù))值表明東亞西風(fēng)急流偏南(北)。Liang等[17]對(duì)冬季200hPa緯向風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行EOF分解,第一模態(tài)呈現(xiàn)出南北不同性質(zhì)的正負(fù)中心結(jié)構(gòu),在30°N以北是正值中心,中心范圍為(100°E ~ 130°E,30°N ~ 40°N),以南是負(fù)值中心,中心范圍為(90°E ~ 120°E,10°N ~ 25°N),因此定義南北活動(dòng)中心的緯向風(fēng)距平的標(biāo)準(zhǔn)化值相減,正(負(fù))值表明東亞西風(fēng)急流偏南(北)。以廖清海方法為代表,用參數(shù) A4表示。
采用上述2種急流位置參數(shù)表征方法,以1960~2009年6~8月平均為例進(jìn)行了西風(fēng)急流夏季平均位置逐年參數(shù)數(shù)值反演(圖3-圖6),對(duì)比兩種方法性能發(fā)現(xiàn):2種參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于抓住了西風(fēng)急流典型分布形式的時(shí)間變化特征,定性表示出西風(fēng)急流位置較平均態(tài)偏南或偏北特征,對(duì)于氣候評(píng)估和診斷季節(jié)內(nèi)副熱帶急流的位置特征不失為好方法。但是,不能用以定量形式給出急流軸具體位置,此外,這兩種方法對(duì)統(tǒng)計(jì)區(qū)域比較敏感,區(qū)域變化將可能導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生較大變化。從圖5,圖6兩種指數(shù)與降水的關(guān)系圖中可以看出 A3方法與長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水呈顯著的負(fù)相關(guān),最高相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.53,與華北東南沿海地區(qū)降水呈現(xiàn)顯著的正相關(guān),通過0.01顯著性水平檢驗(yàn)。A4指數(shù)指示意義與 A3正好相反,與長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水呈現(xiàn)顯著正相關(guān),但相關(guān)性不如 A3方法顯著。因此在對(duì)降水的指示作用方面 A3方法更勝一籌。東亞副熱帶西風(fēng)急流位置參數(shù)綜合對(duì)比分析結(jié)果見表1。
考慮兩種方法的優(yōu)點(diǎn),技術(shù)規(guī)避缺點(diǎn),建議使用此種方法時(shí),構(gòu)造指數(shù)如下:可采用EOF分解,得出夏季西風(fēng)急流活動(dòng)評(píng)價(jià)位置的南北中心,用兩中心緯向風(fēng)的差作為當(dāng)月東亞副熱帶西風(fēng)急流指數(shù)。
圖3 參數(shù) A3表征的東亞副熱帶急流位置參數(shù)的演變情況
圖4 表征的東亞副熱帶急流位置參數(shù)的演變情況
圖5 參數(shù) A3表征的演變情況與中國(guó)夏季同期降水的相關(guān)
圖6 參數(shù) A4表征的演變情況與中國(guó)夏季同期降水的相關(guān)
表1給出了上述3種方法的主要特征、分析尺度及適用范圍,由表可見,表征位置指數(shù)的方法主要有軸線法、EOF分解法以及區(qū)域風(fēng)速差法。實(shí)況反演及降水相關(guān)分析結(jié)果表明,急流軸線法能較好地反映急流的經(jīng)向移動(dòng),與中國(guó)東部雨帶進(jìn)退有較為一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系,定義合理且有明確的物理意義,方法簡(jiǎn)單易行、意義清晰、表現(xiàn)直觀,適用于逐日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷分析。EOF分解法與區(qū)域風(fēng)速差法抓住了西風(fēng)急流典型分布形式的時(shí)間變化特征,定性表示出西風(fēng)急流位置較平均態(tài)偏南或偏北特征,對(duì)于氣候評(píng)估和診斷季節(jié)內(nèi)副熱帶急流的位置特征不失為好方法;方法分析尺度不同,適用范圍不同,研究者應(yīng)根據(jù)研究需要,恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)行選擇。
表1 東亞副熱帶西風(fēng)急流位置參數(shù)表征方法比較
強(qiáng)度參數(shù)是表征東亞副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)度的特征量,急流強(qiáng)弱反映在雨量大小上,其客觀定量表征方法歸納為兩種。
史有瑜等[18]定義200hPa等壓面上給定區(qū)域內(nèi)(30°N~50°N,90°E~110°E)緯向風(fēng)速的區(qū)域平均值為西風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)。楊蓮梅等[15]也采用同樣的方法,給定區(qū)域選為(30°N~45°N,100°E~140°E),并對(duì)區(qū)域平均的 200hPa緯向風(fēng)之和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。Yang等[19]通過統(tǒng)計(jì)分析1968~2000年冬季東亞副熱帶西風(fēng)急流極大值的位置、頻次和平均值,得出西風(fēng)急流核通常位于(30°N~35°N,130°E~160°E)區(qū)域,所以定義冬季西風(fēng)急流強(qiáng)度參數(shù)為該區(qū)域緯向風(fēng)值的平均值。毛睿等[20]統(tǒng)計(jì)各年冬季緯向風(fēng)極大值的出現(xiàn)范圍,范圍為(30°N~35°N,127.5°E~155°E),因此定義西風(fēng)急流強(qiáng)度參數(shù)為這個(gè)區(qū)域冬季200hPa緯向風(fēng)平均值的標(biāo)準(zhǔn)化值。
上述方法均采用區(qū)域平均風(fēng)速來表示急流強(qiáng)度,以2005年6~8月為例,對(duì)急流強(qiáng)度參數(shù)B1進(jìn)行逐日數(shù)值反演,為進(jìn)一步驗(yàn)證強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)于降水監(jiān)測(cè)的意義,計(jì)算了該指數(shù)與同期中國(guó)降水的相關(guān),結(jié)果如圖7-圖9所示:6~8月區(qū)域急流強(qiáng)度圍繞多年平均值呈先減小后上升的趨勢(shì),7月急流強(qiáng)度最弱,8月次之,6月最強(qiáng),基本趨勢(shì)符合急流變化規(guī)律。指數(shù)與長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水及華北地區(qū)降水有顯著的相關(guān),均通過0.01信度檢驗(yàn)。對(duì)降水的指示意義較好。從參數(shù)B1的物理意義上看,區(qū)域平均西風(fēng)風(fēng)速的變化,與所選取的區(qū)域關(guān)系密切,與區(qū)域內(nèi)是否存在大于30m·s-1的急流中心范圍有密切聯(lián)系。例如2005年4月13日東亞副熱帶急流中心區(qū)有一半面積落在統(tǒng)計(jì)區(qū)域(30°N~50°N,90°E~110°E)之外,此種情況下用區(qū)域西風(fēng)平均并不能真正反映東亞副熱帶急流的強(qiáng)度。不同范圍的選擇結(jié)果有很大的不同。(如何選擇范圍)關(guān)鍵區(qū)的選擇與所研究的區(qū)域有很大的關(guān)系,選擇不當(dāng),則不能準(zhǔn)確捕捉急流的主要特征,因此在實(shí)際應(yīng)用中,要針對(duì)研究的區(qū)域準(zhǔn)確的選擇急流強(qiáng)度關(guān)鍵區(qū),方能取得滿意的結(jié)果。
圖7 2005年與相應(yīng)多年平均6~8月急流強(qiáng)度參數(shù)逐日演變
圖8 演變與同期中國(guó)夏季降水相關(guān)
譚杰麗等[3]選取200 hPa上30m·s-1風(fēng)速作為副熱帶急流特征風(fēng)速值,大于30m·s-1特征風(fēng)速值區(qū)域?yàn)榧绷髦行姆秶?針對(duì)區(qū)域(20°N ~ 60°N,90°E ~ 150°W)定義了 2 種急流中心強(qiáng)度,一種是急流中心絕對(duì)強(qiáng)度,即急流中心范圍內(nèi)所有格點(diǎn)的風(fēng)速值與特征風(fēng)速值的差值之和;另一種是急流相對(duì)強(qiáng)度,即急流中心范圍內(nèi)所有格點(diǎn)的風(fēng)速值與特征風(fēng)速值的差值之和與急流面積之比。急流面積為急流中心范圍內(nèi)大于特征風(fēng)速值的格點(diǎn)總數(shù)。分析指出,東亞副熱帶急流的中心強(qiáng)度、絕對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)強(qiáng)度的變化具有一致性,體現(xiàn)了急流強(qiáng)度風(fēng)速變化的整體性和一致性。急流絕對(duì)強(qiáng)度參數(shù)用B2表示,急流相對(duì)強(qiáng)度參數(shù)用B3表示。
以2005年6~8月為例,對(duì)急流強(qiáng)度參數(shù)B2和B3進(jìn)行逐日數(shù)值反演,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,結(jié)果如圖10~11所示。B2、B3指數(shù)呈先快速減小后緩慢增加的趨勢(shì),與多年同期相比變化幅度不同,B2指數(shù)強(qiáng)度下降趨勢(shì)比B3要緩慢得多。這是2種方法的物理含義不同造成的,反映了2種方法的不同特性。從與降水的相關(guān)分布上來看,急流絕對(duì)強(qiáng)度參數(shù)B2和急流相對(duì)強(qiáng)度參數(shù)B3均能反映實(shí)際狀況,具有客觀定量、計(jì)算簡(jiǎn)便、物理意義清晰、表現(xiàn)直觀等特點(diǎn)。絕對(duì)強(qiáng)度參數(shù)表征急流的整體絕對(duì)強(qiáng)度,與急流面積有關(guān);相對(duì)強(qiáng)度參數(shù)表征急流的平均狀況,消除了面積大小的影響,兩者僅是物理含義不同,性能上不具有可比性。
圖9 2005年4月13日200hPa緯向風(fēng)等值線(單位:m·s-1)
圖10 2005年與相應(yīng)多年平均6~8月急流強(qiáng)度參數(shù)逐日演變
圖11 各參數(shù)與中國(guó)夏季降水相關(guān)
表2給出了上述3種方法的主要特征、分析尺度及適用范圍,由表可見,表征急流強(qiáng)度的3種方法均適應(yīng)于逐日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與環(huán)流觀測(cè),區(qū)域風(fēng)速法適用于研究特定區(qū)域內(nèi)急流強(qiáng)度,關(guān)鍵在于選取急流活動(dòng)影響的關(guān)鍵區(qū)。絕對(duì)強(qiáng)度參數(shù)表征急流的整體絕對(duì)強(qiáng)度,與急流面積有關(guān)。相對(duì)強(qiáng)度參數(shù)表征急流的平均狀況,消除了面積大小的影響,兩者僅是物理含義不同,性能上不具有可比性。參數(shù)物理意義不同,主要特征不同,研究者應(yīng)根據(jù)研究需要,恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)行選擇。
表2 東亞副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)度參數(shù)表征方法比較
如何客觀定量表征東亞副熱帶急流是目前科研和業(yè)務(wù)領(lǐng)域迫切需要解決的問題,論文總結(jié)歸納了以往的東亞副熱帶急流客觀定量表征方法,基于對(duì)各種方法的性能分析結(jié)果,結(jié)合東亞副熱帶急流特征及其對(duì)中國(guó)夏季降水的影響,研究了東亞副熱帶西風(fēng)急流軸位置、急流強(qiáng)度特征參數(shù)的客觀定量表征方法。利用NCEP/NCAR再分析資料,以2005年6~8月為例,實(shí)現(xiàn)各種方法的數(shù)值反演和性能分析,得出以下結(jié)論和有待進(jìn)一步討論的問題:
(1)定義位置指數(shù)的方法主要有軸線法、EOF分解法及區(qū)域風(fēng)速差法。軸線法定義合理且有明確的物理意義,方法簡(jiǎn)單易行、意義清晰、表現(xiàn)直觀,適用于逐日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷分析。EOF分解法與區(qū)域風(fēng)速差法適用于氣候評(píng)估和季節(jié)診斷;表征急流強(qiáng)度的方法主要有區(qū)域風(fēng)速法及中心強(qiáng)度法,均適應(yīng)于逐日實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與環(huán)流觀測(cè),對(duì)華北地區(qū)及長(zhǎng)江中下游雨量多寡有較好的指示意義,方法計(jì)算簡(jiǎn)便、意義清晰、指示性好。每一種指數(shù)都有側(cè)重點(diǎn),定義的方法有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性,在實(shí)際應(yīng)用中,依據(jù)研究的目的和分析的角度,采用適當(dāng)?shù)姆椒?才能取得比較滿意的效果。
(2)由于影響氣候短期變化的因子眾多,且期間又有復(fù)雜的相互作用,而目前尚未對(duì)其中任何一個(gè)因子的詳細(xì)物理過程及其影響有明晰的認(rèn)識(shí),因此僅以某種標(biāo)準(zhǔn)或公式的客觀方法實(shí)現(xiàn)對(duì)變化多樣的東亞副熱帶西風(fēng)急流的表征是極其困難的,在實(shí)際的預(yù)報(bào)過程中,要綜合考慮各種氣象條件的因素,根據(jù)實(shí)際情況合理恰當(dāng)?shù)倪x擇副熱帶西風(fēng)急流指數(shù),以做出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。
下一步將利用在上述指數(shù)對(duì)東亞副熱帶急流與中國(guó)東部主要雨季的關(guān)系作統(tǒng)計(jì)分析,并研究這種對(duì)應(yīng)關(guān)系通過何種機(jī)理影響中國(guó)東部夏季降水,希望研究成果能夠深化對(duì)東亞副熱帶急流的認(rèn)識(shí),豐富中國(guó)東部夏季降水的中期預(yù)報(bào)提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值試驗(yàn)基于2005年6~8月時(shí)段,由于不同年份間的副熱帶西風(fēng)活動(dòng)存在年際差異,1年時(shí)段試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果是否有普遍性尚待驗(yàn)證。
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