陸日宇 林中達(dá) 張耀存
1中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029
2南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,南京210093
在南、北半球中緯度地區(qū)均存在西風(fēng)急流,表現(xiàn)為強(qiáng)的垂直和側(cè)向風(fēng)切變,并且在對(duì)流層頂風(fēng)速達(dá)到最大值,而在水平方向上存在一個(gè)或者多個(gè)風(fēng)速的最大值中心。西風(fēng)急流緯向特征尺度為數(shù)千公里,經(jīng)向特征尺度為數(shù)百公里,而垂直特征尺度為數(shù)公里。中緯度高空急流對(duì)維持全球大氣角動(dòng)量、能量的輸送和平衡起到非常重要的作用。
東亞夏季高空西風(fēng)急流是東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分(陶詩(shī)言和衛(wèi)捷, 2006;Huang et al., 2012)。從地理分布上來(lái)看,夏季東亞高空西風(fēng)急流軸的緯度位于 40°N左右,從我國(guó)的西北地區(qū)一直向東越過(guò)我國(guó)華北地區(qū)、朝鮮半島以及日本中、北部地區(qū)。東亞夏季高空急流是影響東亞和我國(guó)天氣氣候的重要環(huán)流系統(tǒng),其顯著的季節(jié)變化特征(北進(jìn)和南退)是東亞大氣環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換的標(biāo)志,與東亞季風(fēng)的爆發(fā)以及東亞副熱帶地區(qū)雨帶的移動(dòng)具有密切的關(guān)系(Murakami,1951;Suda and Asakura,1955;陶詩(shī)言和陳隆勛,1957)。因此,東亞夏季高空急流很早就受到廣泛的關(guān)注,例如,早在20世紀(jì)50年代,葉篤正等(1958)通過(guò)分析若干年份的高空觀測(cè)數(shù)據(jù),指出副熱帶急流存在明顯的季節(jié)性突跳特征。在冬到夏的季節(jié)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,亞洲西風(fēng)急流在6月從青藏高原南側(cè)北跳到高原以北,高原南側(cè)的南支西風(fēng)急流消失。類(lèi)似地,10月高空西風(fēng)急流軸從青藏高原以北南移到高原的南側(cè)。
針對(duì)夏季東亞高空急流,近年來(lái)出現(xiàn)了許多研究,本文的目的是對(duì)這些研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
近年來(lái)對(duì)東亞高空急流的季節(jié)變化特征有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),認(rèn)識(shí)到東亞高空急流除了冬夏季節(jié)轉(zhuǎn)換過(guò)程中表現(xiàn)出的兩次突變之外,還存在其他一些明顯的季節(jié)演變特征。
在葉篤正等(1958)工作的基礎(chǔ)上,李崇銀等(2004)對(duì)東亞高空急流在初夏的季節(jié)演變特征進(jìn)行了深入研究,指出在從冬到夏的季節(jié)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,西風(fēng)急流事實(shí)上存在兩次明顯的北跳過(guò)程。第一次北跳開(kāi)始于5月8日左右,由25°N~28°N北跳到 30°N以北,它是中高緯度大氣環(huán)流系統(tǒng)減弱北退的表現(xiàn),為熱帶環(huán)流系統(tǒng)的向北推進(jìn)提供了條件;第二次北跳平均發(fā)生在6月7日左右,由32°N左右北跳到 35°N以北,是梅雨開(kāi)始的前期征兆。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),東亞高空西風(fēng)急流的這兩次北跳和亞洲大陸南部對(duì)流層中上層經(jīng)向溫度梯度的兩次逆轉(zhuǎn)有關(guān)。
Kuang and Zhang(2005)詳細(xì)分析了東亞副熱帶高空西風(fēng)急流的季節(jié)演變過(guò)程,指出急流軸在冬季穩(wěn)定少變,而從春到夏發(fā)生季節(jié)性的北移,但這種北移在東亞不同的經(jīng)度表現(xiàn)出不同的特征。在春季,北移更明顯地出現(xiàn)在歐亞大陸的中西部地區(qū),而在夏季則更主要地出現(xiàn)在東北亞地區(qū)。與上述的北移不同,急流軸在秋季的南移卻沒(méi)有明顯的經(jīng)度差異。進(jìn)一步的分析還發(fā)現(xiàn),東亞高空急流的季節(jié)變化與對(duì)流層中、上層溫度的經(jīng)向梯度相對(duì)應(yīng),而對(duì)流層中、上層的溫度變化在夏季和青藏高原地區(qū)的感熱加熱密切相關(guān),冬季則主要與日本南部黑潮暖流區(qū)域的感熱加熱有關(guān)。
除了上述的季節(jié)性移動(dòng),急流軸在盛夏期間也存在顯著的變動(dòng)。Lin and Lu(2008)指出東亞高空急流在7月20日左右存在一次明顯的北跳過(guò)程。在這次北跳過(guò)程中,急流中心由40°N北跳到45°N以北地區(qū),對(duì)應(yīng)日本梅雨的結(jié)束。與之前的急流軸北移主要出現(xiàn)在東亞大陸上空不同,7月中下旬的這次北跳主要發(fā)生在東亞沿海地區(qū)。Lin(2010)進(jìn)一步分析指出,東亞高空西風(fēng)急流盛夏季節(jié)的突然北跳具有兩類(lèi)不同的北跳方式:一類(lèi)為急流北側(cè)的西風(fēng)增強(qiáng)所致,另一類(lèi)則由急流中心強(qiáng)度的減弱引起。在第一類(lèi)急流北跳過(guò)程中,高緯地區(qū)形成的低壓槽和南亞高壓向東亞地區(qū)的伸展引起西風(fēng)增強(qiáng),從而導(dǎo)致東亞高空急流的北跳;而第二類(lèi)北跳則主要受到沿著亞洲副熱帶西風(fēng)急流傳播的波活動(dòng)的影響。此外,董麗娜等(2010)指出急流軸在東亞地區(qū)(110°E~125°E)北移至 37.5°N 以北的時(shí)間和中國(guó)梅雨的結(jié)束相對(duì)應(yīng)。
除了存在明顯的北跳過(guò)程以外,夏季東亞高空急流的中心也存在顯著的西退過(guò)程。Zhang et al.(2006)通過(guò)分析多年平均的緯向風(fēng)場(chǎng),發(fā)現(xiàn)東亞高空急流風(fēng)速最大中心在6月底到7月中旬具有東西方向位置的突變特征,突出表現(xiàn)為急流中心在37~39候很短的時(shí)間內(nèi)從 140°E附近快速移到90°E附近的青藏高原上空,此后,在盛夏(7、8月)的季節(jié)急流中心主要出現(xiàn)在青藏高原和伊朗高原上空,形成西風(fēng)急流在盛夏期間的兩個(gè)基本型態(tài),即青藏高原急流型態(tài)和伊朗高原型態(tài)。青藏高原地區(qū)的加熱作用和梅雨的潛熱釋放引起高原北側(cè)溫度梯度增強(qiáng),導(dǎo)致 6、7月急流中心位置的西移(Zhang et al., 2006;況雪源和張耀存,2006b)。東亞高空急流的中心西移以后,我國(guó)長(zhǎng)江流域由急流的入口區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榧绷鞯某隹趨^(qū),局地上升氣流受到抑制,長(zhǎng)江流域的梅雨期結(jié)束(杜銀等,2008)。
高空急流的這種季節(jié)演變不僅可以直接影響東亞氣候,而且還可以顯著地影響熱帶大氣熱力異常對(duì)熱帶外大氣環(huán)流的強(qiáng)迫作用。Kosaka and Nakamura(2010a)利用簡(jiǎn)單模式進(jìn)行了理想數(shù)值試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)西風(fēng)急流位置偏北、副高向北擴(kuò)展時(shí),熱帶強(qiáng)迫所激發(fā)的類(lèi)似東亞—西北太平洋遙相關(guān)型的異常波列也向北伸展,同時(shí)強(qiáng)度加強(qiáng)。Ye and Lu(2011)給出了上述試驗(yàn)結(jié)果的觀測(cè)依據(jù)。他們通過(guò)分析觀測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)7月中下旬高空急流的北跳對(duì)熱帶大氣對(duì)流異常影響熱帶外環(huán)流起到十分重要的作用:相比于北跳前的夏季初期,高空急流北跳之后,同樣的熱帶西太平洋大氣對(duì)流異常能激發(fā)出更為強(qiáng)大、更為北擴(kuò)的副熱帶西北太平洋氣旋/反氣旋異常,進(jìn)而導(dǎo)致東亞降水異常區(qū)域北移。因此,在討論熱帶熱力異常對(duì)熱帶外環(huán)流的強(qiáng)迫作用時(shí),應(yīng)該重視氣候態(tài)基本氣流的季節(jié)演變所帶來(lái)的影響。
基于東亞地區(qū) 200 hPa緯向風(fēng)的EOF分析,Lin and Lu(2005)指出在夏季,無(wú)論是季節(jié)平均還是月平均,東亞高空西風(fēng)急流的年際變化均主要表現(xiàn)為急流的經(jīng)向偏移特征,次之為強(qiáng)度變化:經(jīng)向偏移解釋了急流年際變化約一半左右的方差貢獻(xiàn),而強(qiáng)度變化解釋的方差為經(jīng)向偏移特征的一半。夏季副熱帶急流的變化主要由經(jīng)向偏移主導(dǎo)的結(jié)論在其他一些研究中也得到了證實(shí)(廖清海等,2004;楊蓮梅和張慶云,2007,2008)。
東亞高空急流的經(jīng)向偏移與東亞氣候密切相關(guān)。對(duì)應(yīng)于夏季東亞高空急流的南移,東亞副熱帶對(duì)流活動(dòng)偏強(qiáng),降水增加(Lau et al., 2000; Lu,2004)。對(duì)我國(guó)東部地區(qū)而言,急流中心的南移對(duì)應(yīng)降水異常的三極結(jié)構(gòu):江淮流域降水偏多,而南北兩側(cè)的華南和華北地區(qū)降水偏少(況雪源和張耀存,2006;馬音等,2011)。此外,急流和降水的關(guān)系在夏季的不同時(shí)段也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。Lu(2004)表明隨著氣候態(tài)急流軸在夏季的北移,急流的南北偏移所對(duì)應(yīng)的降水異常區(qū)域也存在相應(yīng)的北移,即6月降水異常區(qū)域主要出現(xiàn)在日本南部的海上,而在隨后的 7、8月份北移至江淮、朝鮮半島和日本。宣守麗等(2011)進(jìn)一步指出盛夏(7、8月)東亞高空急流中心的南移引起淮河流域降水偏多,而初夏(6月)淮河流域降水的增多則與急流位置偏北有關(guān)。沈柏竹等(2011)也注意到盛夏我國(guó)東北地區(qū)降水受到局地高空西風(fēng)急流南北偏移的影響,偏北的西風(fēng)急流對(duì)應(yīng)東北降水偏多。
還有一些研究分析了急流的強(qiáng)度變化對(duì)我國(guó)氣候產(chǎn)生的可能影響。林中達(dá)和陸日宇(2004)指出增強(qiáng)的8月東亞高空急流是導(dǎo)致我國(guó)2003年8月長(zhǎng)江流域降水偏少、并出現(xiàn)持續(xù)性高溫天氣的重要原因。此外,蘭明才和張耀存(2011)也注意到我國(guó)東北夏季降水偏多的年份,位于青藏高原北面的高空急流偏強(qiáng)。沈柏竹等(2011)表明對(duì)應(yīng)我國(guó)東北夏季降水的西風(fēng)急流中心強(qiáng)度增強(qiáng)主要出現(xiàn)在5月和6月,并可能與冷渦活動(dòng)有關(guān)。
與東亞季風(fēng)的年代際變化一致,東亞高空急流也存在類(lèi)似的年代際變化特征。Yu and Zhou(2007)分析了東亞季風(fēng)的三維空間變化特征,指出7月和8月東亞急流在1970年代末期以后呈現(xiàn)出南移的趨勢(shì)。除了這種南移的趨勢(shì),東亞急流中心同時(shí)也表現(xiàn)出向西移動(dòng)的趨勢(shì)(杜銀等,2009)。南移的趨勢(shì)和全球變暖引起的副熱帶西風(fēng)急流向極地移動(dòng)的趨勢(shì)相反(Fu, 2006;Zhang and Huang, 2011),主要和東亞地區(qū)對(duì)流層中上層的異常偏冷有關(guān)(Yu and Zhou, 2007)。這次年代際的轉(zhuǎn)變?cè)诮邓现饕憩F(xiàn)為我國(guó)的“南澇北旱”:我國(guó)江淮流域降水增加,而華北地區(qū)持續(xù)干旱(Yu and Zhou, 2007; 孫鳳華等,2009;Xuan et al., 2011)。與盛夏相反,初夏(6月)的東亞急流則呈現(xiàn)出向北偏移的趨勢(shì)特征(Yu and Zhou, 2007)。
此外,Kwon et al.(2007)也發(fā)現(xiàn)在1990年代中期,東亞高空西風(fēng)急流的強(qiáng)度存在年代際減弱。這次東亞急流強(qiáng)度的減弱可能和我國(guó)華南地區(qū)降水的顯著增強(qiáng)有關(guān)。增強(qiáng)的華南降水釋放的大量潛熱激發(fā)向東北方向傳播的Rossby波列,在東亞地區(qū)形成南北向的氣旋和反氣旋對(duì),導(dǎo)致東亞高空急流強(qiáng)度的減弱。此外,東亞高空急流強(qiáng)度的減弱還導(dǎo)致基本氣流向急流異常正壓能量轉(zhuǎn)換的減弱,進(jìn)而使得東亞高空急流的年際變率強(qiáng)度減弱(Lu et al., 2011)。
關(guān)于急流變異機(jī)理研究大致可以歸納為兩個(gè)方面:(1)急流變異對(duì)應(yīng)的大尺度環(huán)流特征,特別是一些主要的大氣遙相關(guān)型對(duì)急流變異的影響;(2)外強(qiáng)迫對(duì)急流變異的影響。下面我們將分別從這兩個(gè)方面對(duì)近年來(lái)取得的研究成果進(jìn)行總結(jié)和討論。
(a)東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)
Nitta(1987)、黃榮輝和李維京(1988)指出熱帶西北太平洋的對(duì)流活動(dòng)可以激發(fā)出北傳的Rossby波列,即太平洋—日本波列(PJ波列)或東亞—太平洋波列(EAP波列),導(dǎo)致東亞雨帶和熱帶西北太平洋呈現(xiàn)相反的降水異常。當(dāng)熱帶西北太平洋對(duì)流活動(dòng)偏強(qiáng)時(shí),東亞地區(qū)形成近似正壓的正位勢(shì)高度異常,對(duì)應(yīng)東亞高空急流北移;反之,當(dāng)熱帶西北太平洋對(duì)流活動(dòng)偏弱時(shí),高空西風(fēng)急流向南偏移(董敏等,1999)。
東亞高空急流所表現(xiàn)出來(lái)的最主要變化特征,即急流的經(jīng)向偏移,除了前述的與東亞夏季雨帶的降水異常有關(guān)之外,還與熱帶西北太平洋的大氣對(duì)流異常和西太平洋副熱帶高壓的東西偏移有關(guān)(Lu 2004)。這些降水和環(huán)流的異常在東西方向上呈同號(hào)延伸、而在南北方向上表現(xiàn)為正負(fù)相間的分布。這些異常在東西方向上主要位于110°E~160°E之間,在南北方向上則從西太平洋一直向北伸展到東北亞地區(qū),大氣環(huán)流異常在整個(gè)對(duì)流層均有所反映,因此可以將這些降水和環(huán)流異常稱(chēng)之為東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)。
東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)的概念大體等同于PJ波列或EAP波列,只是更加強(qiáng)調(diào)遙相關(guān)的三維結(jié)構(gòu)和遙相關(guān)各分量之間的相互作用關(guān)系。以往的研究認(rèn)為這些波列或遙相關(guān)是由熱帶大氣對(duì)流異常所激發(fā)的 Rossby波。這一點(diǎn)可以很好地解釋對(duì)流層下層的環(huán)流異常,但在對(duì)流層的中上層,卻因?yàn)闊釒Т髿鈱?duì)流處于東風(fēng)帶地區(qū),因而理論上它所激發(fā)的環(huán)流異常難以傳播到熱帶外地區(qū)。為了解決這一問(wèn)題,Lu(2004)利用正壓模和斜壓模耦合的概念,通過(guò)熱帶地區(qū)基本氣流的垂直切變,給出一個(gè)新的機(jī)理解釋?zhuān)⒂纱私忉屃私?jīng)向遙相關(guān)在6月較弱、而在7~8月較強(qiáng)的現(xiàn)象。后來(lái),Lin et al.(2010)提出 1970年代末期以后初夏西北太平洋基本氣流垂直切變的減弱可能是導(dǎo)致東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)顯著減弱的原因。此外,還有一些研究認(rèn)為東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)可以從基本氣流中獲得能量,因而從理論上來(lái)講,遙相關(guān)波列即使沒(méi)有熱帶大氣對(duì)流異常也可以出現(xiàn),這與該地區(qū)獨(dú)特的氣候平均氣流有關(guān)(Kosaka and Nakamura,2006,2010a)。事實(shí)上,除了東亞—西北太平洋之外,其他一些地區(qū)也具有類(lèi)似的基本氣流結(jié)構(gòu),如中北美洲以及南半球夏季的西南印度洋、中南太平洋、西南大西洋,這些地區(qū)也存在類(lèi)似的波列,而且波列均從基本氣流中獲取能量(Kosaka 和 Nakamura,2010b)。
經(jīng)向遙相關(guān)波列不僅從基本氣流中獲取能量,濕過(guò)程或降水異常在其維持過(guò)程中也起著重要的作用。Lu and Lin(2009)通過(guò)觀測(cè)和再分析資料的診斷,特別是通過(guò)簡(jiǎn)單線性斜壓模式試驗(yàn),提出除了熱帶西北太平洋對(duì)流活動(dòng)影響以外,東亞副熱帶降水異常對(duì)經(jīng)向遙相關(guān)的維持有著重要的作用。以往的研究往往將東亞副熱帶降水異常當(dāng)作環(huán)流異常影響的結(jié)果,從而忽視了東亞降水異常對(duì)環(huán)流的反饋?zhàn)饔?。事?shí)上,夏季梅雨雨帶的降水量和熱帶地區(qū)的降水量相當(dāng),也是一個(gè)巨大的熱源,而且具有顯著的季內(nèi)和年際變化特征,因此,梅雨雨帶完全可以對(duì)急流的變異產(chǎn)生明顯的影響。Kosaka and Nakamura(2006,2010a)、Hirota and Takahashi(2012)也根據(jù)簡(jiǎn)單模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,推測(cè)降水異常在經(jīng)向遙相關(guān)的維持中起著重要的作用。
除了上述的基本氣流提供能量以及降水異常的環(huán)流響應(yīng)之外,瞬變擾動(dòng)的強(qiáng)迫作用也可能對(duì)急流南北偏移異常的維持具有重要作用。Xiang and Yang(2012)指出瞬變強(qiáng)迫的動(dòng)力作用有助于急流南北偏移異常的維持,而瞬變強(qiáng)迫的熱力作用則不利于急流異常的維持。由于動(dòng)力作用比熱力作用更為明顯,所以瞬變強(qiáng)迫的總體作用是有助于急流異常的維持。Ren and Zhang(2008)通過(guò)研究北太平洋冬季天氣尺度瞬變渦旋活動(dòng)的異常特征及其與冬季大氣環(huán)流異常之間的聯(lián)系,揭示出冬季海洋加熱異常強(qiáng)迫和天氣尺度瞬變異常強(qiáng)迫共同作用導(dǎo)致北太平洋以急流為代表的大氣環(huán)流異常形成過(guò)程和途徑,從瞬變動(dòng)力學(xué)角度揭示出東亞上空瞬變活動(dòng)異常對(duì)北太平洋氣候異常的“種子”作用,并從季節(jié)變化角度揭示了東亞大陸上空瞬變活動(dòng)春季最強(qiáng)與北太平洋瞬變活動(dòng)冬季抑制現(xiàn)象的聯(lián)系(Ren et al.,2010;Ren et al.,2011)。
(b)沿高空急流東傳的緯向遙相關(guān)
東亞高空急流位于歐亞大陸上空西風(fēng)急流的下游,因此東亞高空急流的變異還受到上游地區(qū)沿著亞洲西風(fēng)急流傳播擾動(dòng)的影響。理論分析提出西風(fēng)急流的波導(dǎo)效應(yīng)可以將上游的波活動(dòng)傳播到下游地區(qū)(Hoskins and Ambrizzi, 1993),而在夏季亞洲西風(fēng)急流中可能存在沿著西風(fēng)急流傳播的波列(Ambrizzi et al., 1995)。Lu et al.(2002)分析了夏季對(duì)流層上層的經(jīng)向風(fēng)場(chǎng),發(fā)現(xiàn)沿北非到東亞的西風(fēng)急流存在一個(gè)明顯的遙相關(guān)型。由于夏季亞洲高空西風(fēng)急流所在的緯度大約為 40°N,恰巧為古代“絲綢之路”所在的緯度,因此,Enomoto et al.(2003)將該遙相關(guān)型定義為“絲綢之路”型遙相關(guān)。該遙相關(guān)在東亞地區(qū)對(duì)應(yīng)著東亞高空西風(fēng)急流的經(jīng)向偏移(Lu et al., 2002)。
Ding and Wang(2005)總結(jié)了前期的工作,提出“絲綢之路”遙相關(guān)是夏季沿北半球高空西風(fēng)急流傳播的環(huán)球遙相關(guān)的一部分,主要受到印度降水熱源強(qiáng)迫和北大西洋擾動(dòng)的共同作用。印度降水增強(qiáng)導(dǎo)致在其西北側(cè)對(duì)流層高層形成正的位勢(shì)高度異常,進(jìn)而激發(fā)出沿亞洲西風(fēng)急流向下游傳播的波動(dòng),在東亞地區(qū)表現(xiàn)為正的位勢(shì)高度異常,對(duì)應(yīng)東亞高空急流北移。Yasui and Watanabe(2010)數(shù)值試驗(yàn)的結(jié)果還指出熱帶非洲和北美的熱源異常也能有效激發(fā)出沿亞洲和北大西洋西風(fēng)急流傳播的Rossby波列。
值得注意的是,東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)型和沿高空急流東傳的緯向遙相關(guān)型既彼此獨(dú)立,又相互影響。Wakabayashi and Kawamura(2004)分析了影響日本夏季氣溫的遙相關(guān)型,指出東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)型和沿高空急流東傳的緯向遙相關(guān)型是影響日本氣候異常的主要遙相關(guān)型。Ogasawara and Kawamura(2007)進(jìn)一步指出這兩類(lèi)遙相關(guān)型可共同作用,顯著加強(qiáng)對(duì)日本氣溫的影響程度。此外,Hsu and Lin(2007)發(fā)現(xiàn)在東亞降水異常為正三極子結(jié)構(gòu),即江淮流域降水偏多而我國(guó)華南和華北降水偏少時(shí),經(jīng)向遙相關(guān)顯著;而當(dāng)東亞降水異常為負(fù)三極子結(jié)構(gòu)時(shí),緯向遙相關(guān)型加強(qiáng)。Bueh et al.(2008)分析了梅雨期EAP事件的演變特征,指出在歐亞大陸中高緯及亞洲急流區(qū)向下游頻散的 Rossby波和東亞沿岸經(jīng)向頻散的波列具有相互作用、相互鎖定的特征。這兩類(lèi)遙相關(guān)既相互作用、又彼此獨(dú)立的變化特征也是導(dǎo)致東亞天氣和氣候多變,預(yù)測(cè)困難的重要原因之一(Kosaka et al., 2012),因而值得我們進(jìn)一步地深入研究。
許多研究指出西北太平洋對(duì)流活動(dòng)可以受到中東太平洋海溫(Zhang et al., 1996; Wang et al.,2000; Lin and Lu, 2009)和同期印度洋海溫(Xie et al., 2009)的顯著影響。因而,熱帶海溫異??赡芡ㄟ^(guò)影響西北太平洋對(duì)流活動(dòng),進(jìn)而影響經(jīng)向遙相關(guān)和東亞高空急流變異。
廖清海等(2004)指出夏季急流的南北偏移和同期赤道中東太平洋海溫異常具有一定的關(guān)聯(lián)。之后,陸日宇(2005)在分析華北 7、8月降水的年際變化時(shí),也發(fā)現(xiàn)對(duì)流層高層西風(fēng)急流的南北移動(dòng)和同期熱帶中東太平洋海溫異常有聯(lián)系,提出熱帶海溫異??赡芡ㄟ^(guò)影響急流的南北偏移進(jìn)而影響華北降水。此外,Lin and Lu(2009)也注意到前冬厄爾尼諾事件對(duì)6月亞洲高空西風(fēng)急流的南北偏移有顯著影響。Lin(2010)進(jìn)一步研究了夏季各月東亞高空急流南北偏移和熱帶海溫異常之間的關(guān)系,指出6月東亞高空急流的南北偏移主要和前冬中東太平洋的海溫異常顯著相關(guān),而 7、8月則主要和同期熱帶東太平洋的海溫異常聯(lián)系密切。前者主要通過(guò)熱帶正海溫異常對(duì)熱帶對(duì)流層大氣的增暖,從冬季持續(xù)維持到初夏,導(dǎo)致副熱帶地區(qū)經(jīng)向溫度梯度增加,因而東亞高空急流南側(cè)的西風(fēng)增強(qiáng),引起急流南移。后者(7、8月)主要通過(guò)兩個(gè)途徑:首先,通過(guò)熱帶東太平洋熱源強(qiáng)迫的Rossby波西傳,并與中緯度西風(fēng)相互作用,導(dǎo)致東亞高空急流的南北偏移;其次,熱帶東太平洋海溫異常影響西北太平洋對(duì)流活動(dòng),進(jìn)而激發(fā)經(jīng)向的波列,從而影響東亞高空急流。
除了熱帶太平洋海溫以外,印度洋海溫也對(duì)東亞高空急流有影響。Qu and Huang(2012)提出同期熱帶印度洋海溫異??梢杂绊憱|亞高空急流的南北偏移。當(dāng)熱帶印度洋海溫偏高時(shí),激發(fā)出的東傳Kelvin波引起西北太平洋地區(qū)降水減少,進(jìn)而激發(fā)出東亞—西北太平洋遙相關(guān)并在東亞地區(qū)對(duì)流層高層形成氣旋性異常,使得東亞高空急流南移;反之,當(dāng)熱帶印度洋海溫偏冷時(shí),東亞高空急流北移。況雪源和張耀存(2006b)也指出夏季東亞高空急流的經(jīng)向偏移和阿拉伯海、印度半島北部的表面感熱加熱顯著相關(guān)。
然而,東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)在本質(zhì)上屬于大氣內(nèi)部過(guò)程,因此,盡管海溫對(duì)經(jīng)向遙相關(guān)以及東亞高空急流存在一定的影響,但這種影響是次要的。Lu et al.(2006)分析了東亞高空西風(fēng)年際變化主要模態(tài)的可預(yù)報(bào)性問(wèn)題,結(jié)果表明不論是急流的經(jīng)向偏移還是急流的強(qiáng)度變化均主要受到大氣內(nèi)部過(guò)程的影響,受海溫的影響較小。
與經(jīng)向遙相關(guān)相比,海溫對(duì)緯向遙相關(guān)的影響目前得到的關(guān)注很少。最近,Yasui and Watanabe(2010)分析了200 hPa經(jīng)向風(fēng)的可預(yù)報(bào)性,發(fā)現(xiàn)經(jīng)向風(fēng)在歐亞大陸沿 40°N具有較高的可預(yù)報(bào)性,認(rèn)為這可能和熱帶熱源強(qiáng)迫引起的北半球遙相關(guān)有關(guān)。
這里,我們大致分成大氣環(huán)流模式和耦合氣候系統(tǒng)模式分別進(jìn)行討論。首先,在大氣環(huán)流模式方面,Guo et al.(2008)分析了格點(diǎn)大氣環(huán)流模式GAMIL和譜模式SAMIL對(duì)東亞高空急流的模擬能力,指出兩個(gè)版本的模式均能較好模擬出急流的垂直和水平結(jié)構(gòu),但模式低估了冬季和夏季的急流強(qiáng)度,這主要和表面感熱和潛熱模擬不合理所導(dǎo)致的對(duì)流層經(jīng)向溫度梯度偏差有關(guān)。由于急流的位置和降水區(qū)域關(guān)系密切,急流模擬的偏差還可能導(dǎo)致模式模擬的降水分布和雨帶季節(jié)推進(jìn)與實(shí)際觀測(cè)不一致(張耀存和郭蘭麗,2005)。Huang and Liu(2011)也指出大氣環(huán)流模式(GFDL AGCM)模擬的急流強(qiáng)度偏弱,并且在夏季其中心位置偏北,但能較好地抓住夏季東亞高空急流的年際變異特征,急流的經(jīng)向偏移表現(xiàn)為最主要的模態(tài)。
在氣候系統(tǒng)模式方面,張耀存和況雪源(2006)評(píng)估了一個(gè)氣候系統(tǒng)模式(FGCM0)模擬的東亞高空急流的變化情況,指出模擬的急流垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)和季節(jié)變化與再分析資料基本一致,但模擬的急流在高原附近偏強(qiáng),未能較好地模擬出急流在5月的北移以及8月位置最北的特征。他們認(rèn)為這與模擬的高原地面加熱存在偏差有直接的聯(lián)系。
蔡瓊瓊等(2011)分析了耦合模式FGOALS_gl模擬的東亞高空急流,結(jié)果表明FGOALS_gl能較好地模擬出東亞高空急流的空間分布以及季節(jié)演變,但模擬的急流強(qiáng)度偏弱,中心偏南。蔡瓊瓊等(2011)還指出 FGOALS_gl能合理再現(xiàn)東亞夏季高空急流位置南北移動(dòng)的年際變化特征,只是模擬的急流年際變率偏強(qiáng),這主要和該模式模擬的ENSO偏差有關(guān)。由于模擬的ENSO位相鎖定在夏季,導(dǎo)致夸大了ENSO對(duì)急流的影響并引起東亞高空急流年際變率偏強(qiáng)。此外,比較耦合模式和對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流模式對(duì)急流的模擬能力,可以有助于我們大致判斷海氣耦合過(guò)程對(duì)急流的影響。陳昊明等(2009)指出耦合氣候系統(tǒng)模式(FGOALS_s)和其大氣分量模式(SAMIL)對(duì)東亞高空急流強(qiáng)度的模擬均偏弱,但海氣耦合模式模擬得明顯更弱,這是由于海氣耦合之后,引起熱帶溫度偏低,導(dǎo)致經(jīng)向溫度梯度減弱所致(王在志等,2007)。
Zhang et al.(2008)比較了高分辨率版本耦合氣候模式(MIROC_hires)和中等分辨率版本模式(MIROC_Medres)對(duì)東亞高空急流的模擬能力,指出模式分辨率的增加可以改進(jìn)模式對(duì)急流的結(jié)構(gòu)、季節(jié)演變以及年際變率的模擬能力。Wang et al.(2012)分析了 22個(gè)海氣耦合模式的模擬結(jié)果,指出模式對(duì)亞洲高空急流的模擬偏差導(dǎo)致了對(duì)中國(guó)中東部地區(qū)的氣溫模擬出現(xiàn)冷偏差。
張耀存和郭蘭麗(2010)利用多個(gè)耦合模式在中等強(qiáng)度溫室氣體排放情景試驗(yàn)(SRES A1B)的輸出結(jié)果,通過(guò)多模式集合的方法分析了全球變暖背景下東亞急流的變化特征,發(fā)現(xiàn)在多模式集合平均結(jié)果中,隨著溫室氣體含量增加,冬季急流強(qiáng)度增強(qiáng),急流位置向北移動(dòng);夏季急流強(qiáng)度也呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì),位置卻向南移動(dòng),其中冬、夏季急流強(qiáng)度增強(qiáng)均和北半球增溫在低緯較強(qiáng)、在高緯較弱引起的副熱帶地區(qū)溫度梯度增加有關(guān)。在冬季對(duì)流層中上層溫度增加引起的經(jīng)向梯度出現(xiàn)在急流軸以北,而在夏季位于急流軸以南,因而西風(fēng)急流呈現(xiàn)冬季向北偏移、夏季向南偏移的趨勢(shì)。
除了氣候基本態(tài)發(fā)生改變以外,夏季東亞高空急流的年際變率在未來(lái)增暖情景下也表現(xiàn)出明顯的變化。Lu and Fu(2010)利用部分CMIP3模式模擬結(jié)果,預(yù)估了在溫室氣體排放情景試驗(yàn)A1B和A2下東亞急流年際變率的變化,指出在兩類(lèi)情景下,21世紀(jì)東亞高空急流年際變率的強(qiáng)度均將顯著增強(qiáng)。這一結(jié)果得到了CMIP5模式結(jié)果的證實(shí),而且CMIP5模式模擬結(jié)果表明21世紀(jì)在全球變暖情景下東亞高空急流的南北偏移與東亞降水之間的聯(lián)系將有可能進(jìn)一步增強(qiáng)(戴翼和陸日宇,2012)。
本文對(duì)近年來(lái)夏季東亞高空急流的變化特征及其與東亞氣候的關(guān)聯(lián)、東亞高空急流的變異機(jī)理進(jìn)行了綜述。這些研究結(jié)果使我們加深了對(duì)東亞高空急流的變化、機(jī)理、模擬等方面的認(rèn)識(shí),其中一些主要結(jié)果可以大體概括如下:
(1)夏季,東亞高空急流的季節(jié)演變具有顯著的突變特征,在夏季的季節(jié)演變過(guò)程中出現(xiàn)四次北跳過(guò)程和一次西退過(guò)程。初夏的5月初和6月初各存在一個(gè)北跳過(guò)程,分別早于南海夏季風(fēng)爆發(fā)和我國(guó)江淮梅雨的建立;而在7月初和7月中下旬還存在兩次北跳過(guò)程,分別對(duì)應(yīng)我國(guó)江淮和日本梅雨的結(jié)束。此外,在6月底到7月中旬東亞高空西風(fēng)急流中心從西北太平洋西撤到青藏高原以北。
(2)在年際時(shí)間尺度上,夏季東亞高空急流主要呈現(xiàn)出急流軸經(jīng)向偏移和急流強(qiáng)度變化這兩種特征,其中急流經(jīng)向偏移主要受到東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)和沿著亞洲西風(fēng)急流傳播的緯向遙相關(guān)的影響。雖然急流的經(jīng)向偏移和熱帶海溫有一定的關(guān)聯(lián),但急流經(jīng)向偏移和強(qiáng)度變化主要來(lái)源于大氣內(nèi)部過(guò)程。
(3)當(dāng)前氣候模式基本上能描述出東亞高空急流的季節(jié)變化特征和空間結(jié)構(gòu),但模擬的東亞高空急流強(qiáng)度普遍偏弱,而且急流的模擬結(jié)果在各模式之間存在著較大的差異,導(dǎo)致這些差異的原因比較復(fù)雜。
(4)近 50年以來(lái),夏季東亞高空急流呈現(xiàn)出向南移動(dòng)的趨勢(shì),并且強(qiáng)度增強(qiáng)。但是,在 1990年代中期以后,急流的強(qiáng)度呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。未來(lái)預(yù)估結(jié)果表明夏季東亞高空急流可能呈現(xiàn)出增強(qiáng)、南移的趨勢(shì),同時(shí)急流年際變率可能增強(qiáng),和東亞降水的關(guān)系也有可能進(jìn)一步增強(qiáng)。
需要指出的是,雖然目前我們對(duì)東亞高空急流有了一些新的認(rèn)識(shí),但是在許多方面仍需要進(jìn)一步的深入研究。
(1)東亞高空急流的變化具有多種時(shí)間尺度,從天氣尺度、季內(nèi)振蕩、季節(jié)演變、年際變化,一直到年代際尺度上,東亞高空急流的變化特征都很明顯。然而,東亞高空急流的多種時(shí)間尺度變化之間的聯(lián)系目前還很不清楚。
(2)東亞—西北太平洋經(jīng)向遙相關(guān)型和沿高空急流東傳的緯向遙相關(guān)型之間的相互關(guān)系如何?這種相互關(guān)系會(huì)對(duì)東亞的天氣和氣候產(chǎn)生什么樣的影響?由于中緯度還有其他遙相關(guān)型,使得這些問(wèn)題變得更加復(fù)雜。
(3)目前,我們對(duì)熱帶大氣熱源異常如何影響東亞高空急流有了一些認(rèn)識(shí),但是,反過(guò)來(lái),東亞高空急流的變化會(huì)不會(huì)影響到熱帶大氣的環(huán)流和對(duì)流?我們對(duì)這一問(wèn)題所知甚少。
(4)如何提高對(duì)東亞高空急流變化的模擬能力?由于東亞高空急流的變化具有多種時(shí)間尺度和多種表現(xiàn)形式,我們應(yīng)抓住其中關(guān)鍵的變化特征,集中評(píng)估、改進(jìn)模式對(duì)這些變化特征的模擬能力。
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