冬季东亚高空急流季节内协同变化及对我国东部降水的影响_张金柏.pdf

收稿日期：2021-05-07；修订日期：2022-07-18基金项目：国家自然科学基金重点基金项目(41930969、41775096)共同资助通讯作者：姚素香，女，辽宁省人，教授，博士，从事大气季节内振荡、季风与海气相互作用、区域气候模拟等方向研究。E-mail：第38卷 第6期2022年12月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.38,No.6Dec.,2022张金柏，姚素香，黄乾.冬季东亚高空急流季节内协同变化及对我国东部降水的影响J.热带气象学报，2022，38(6)：880-889.文章编号：1004-4965(2022)06-0880-10冬季东亚高空急流季节内协同变化及对我国东部降水的影响张金柏1,2，姚素香1，黄乾1(1.南京信息工程大学/气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏 南京 210044；2.朝阳市气象局，辽宁 朝阳 122000）摘要：利用ERA-Interim再分析资料，采用滤波和合成分析等统计方法，分析了冬季东亚高空急流的季节内协同变化以及对我国东部降水的影响，结果表明：在季节内尺度(1090天)中，东亚地区冬季300 hPa逐日纬向风主要表现为准双周振荡(1030天)。300 hPa低频纬向风异常整体向东传播，高纬的低频纬向风异常向南传播，低纬低频纬向风没有明显经向传播特征。伴随低频纬向西风从里海附近开始向东移动至西北太平洋上空，温带急流向东再向东南移动并且强度先增强再减弱，副热带急流位置没有明显变化，强度演变特征与温带急流变化相反。降水异常对300 hPa风场低频振荡有显著响应，低频降水主要出现在我国东部，随时间向东移动，移至西太平洋附近消失；受低频风场影响，温带急流偏强，副热带急流偏弱时，我国东部高空辐合，地面表现为低频高压，整层有较强下沉气流，地面为东北风控制，不易产生降水；温带急流偏弱，副热带急流偏强时，青藏高原北侧整层一致东风异常，南侧整层一致西风异常，使我国东部高空辐散，地面受低频低压控制，我国东部产生整层上升运动，并且有西南风水汽输送，水汽辐合，我国东部出现低频降水正异常。关键词：副热带急流；温带急流；协同变化；季节内振荡；东部降水中图分类号：P434.4文献标志码：ADoi：10.16032/j.issn.1004-4965.2022.0791 1 引引言言大气季节内振荡(ISO)是指时间尺度在710天以上，100天以内的大气运动，自其1970 s被发现1-2，国内外学者对ISO特别是热带地区大气季节内振荡(MJO)进行了广泛的研究3-7。关于MJO的结构特征和基本活动规律等己经有了较清楚的认识，但是目前热带外的中高纬大气季节内振荡的研究较少8，还有不少问题有待进一步分析。有观测表明，冬季北半球中纬度地区上空的急流存在南北两支，由于其所在地理位置上的差异，南支急流称为副热带急流，北支急流称为温带急流(极锋急流)。已有研究指出东亚副热带急流和温带急流在时间和空间上具有协同变化的特征，表现为一支急流的强度和位置变化时，另一支急流也同时或超前、滞后发生变化，其中强度上副热带急流强(弱)伴随着温带急流弱(强)，位置上副热带急流南(北)移伴随着温带急流北(南)移为急流协同变化的主要模态9-10。Liao等9分析指出高原副热带急流和温带急流的协同变化反映了持续性暴雪期间冷暖空气的活动情况。叶丹等10指出东亚高空急流协同变化影响我国冬季冷空气强度及其侵入路径。汪宁等11探讨东亚高空急流协同变化对冬季欧亚遥相关型气候效应的影响，认为欧亚遥相关型是通过东亚高空急流协同变化影响第6期张金柏等：冬季东亚高空急流季节内协同变化及对我国东部降水的影响我国气温和降水的变化。况雪源等12研究表明东亚副热带急流与冬季风呈正相关，高纬地区纬向风与冬季风呈负相关。近年来的研究发现高空急流存在明显的季节内振荡特征，杨双艳等13分析了冬季欧亚中高纬大气低频振荡的传播特征，认为冬季欧亚中高纬大气低频振荡主要以1030天周期为主。聂羽14指出在低频时间尺度以及气候变化背景下，温带急流会发生显著变化。史玉光等15指出3060天振荡的显著区主要分布在副热带西风急流出口区南侧。目前，有关温带急流或副热带急流季节内变化特征认识已经取得进展，但有关两支急流协同变化季节尺度特征尚不完全清楚，已有的研究只针对特定事件中两支急流季节内协同变化对我国天气的影响。例如，Liao等9通过分析 2008年初中国南方地区持续性暴雪期间副热带急流和温带急流的协同变化发现，两支急流的协同变化存在显著的低频变化特征，并与冷暖空气活动密切相关。李艳等16也指出在2008年初中国南方低温冰冻雨雪灾害中，高层环流系统具有明显的季节内振荡特征。Kuang等17对中国几次典型破纪录低温过程进行分析，发现不同区域破纪录低温过程对应的高空急流对涡动动能及瞬变扰动的输送差异明显，说明高空急流在次季节内协同变化与低温事件密切相关。我国冬季处于东亚急流影响范围内，冬季高空急流的异常会造成天气的异常。冬季高空急流协同变化具有多尺度特征18，以往的研究更多是在年际尺度上关注东亚高空急流协同变化特征及其气候效应，而在季节内尺度上国内学者对东亚急流变化的研究大多对温带急流或副热带急流进行单一分析，或只集中特定位置及特定天气中急流季节内变化对天气、气候现象影响进行研究，所以从这一角度出发，利用合成分析与统计诊断的方法，分析副热带急流与温带急流季节内协同变化的气候态特征及其对我国冬季天气的影响，对于我国冬季天气、气候变化的检测和预测能力的提高很重要。2 2 资料方法资料方法2.1 资料本文使用资料包括：欧洲中心(ECMWF)提供的 ERA-Interim 逐日再分析资料，时间为 1979/1980年2017/2018年冬季，共3 510天，文中冬季指当年12月次年2月；所选要素包括风场、垂直速度场、降水场和比湿场，资料的水平分辨率为1 1，格点数为360181，其中风场、垂直速度场的垂直分辨率为1 000300 hPa共16层。2.2 方法本 文 分 析 时 主 要 使 用 功 率 谱 分 析、Butterworth带通滤波、合成分析等方法。为确定东亚高空副热带急流和温带急流季节内协同变化的关键区域，计算了冬季300 hPa急流发生频数，在急流发生频数高的区域确定为急流关键区。统计方法与张耀存等19类似：在东亚-太平洋(60160 E，1070 N)范围内查找风速大值中心，若该中心满足：(1)中心风速值30 m/s；(2)该中心周围8个格点上的风速值均小于该中心的风速值，则定义该中心为一个急流核中心，记下该中心的经纬度位置。对每年的冬季(12月、1月和2月)的逐日资料重复进行这一过程，最后得到39个冬季每个格点上的急流核发生频数。3 3冬季副热带急流与温带急流季节冬季副热带急流与温带急流季节内协同变化特征内协同变化特征3.1 高空急流结构与关键区选择由于东亚高空急流位于对流层上层，且一般认为，温带急流在300 hPa高度最强，副热带急流在300 hPa与200 hPa高度上特征较一致，强度略有差异，所以本文选取300 hPa高度进行分析。对冬季东亚地区300 hPa纬向风场分布、纬向风标准差分布以及急流核频数分布进行统计，结果如图1所示。从急流核位置分布可清楚看到，副热带急流和温带急流分别位于青藏高原南北两侧。南侧副热带急流主要位置在2235 N，向太平洋上空延伸。北侧温带急流主要位置在4560 N，向东南方向延伸，与副热带急流汇合于西北太平洋上空。由于两支急流汇合之后难以区分，所以选择东亚大陆上空为研究区域。分析纬向风标准差发现，贝加尔湖西侧标准差达到14 m/s，青藏高原南侧纬向风标准差也达到了 12 m/s。依据以上分析，选取 70100 E，2260 N 为急流关键区。881热 带 气 象 学 报第38卷(a)(b)图2冬季东亚高空关键区纬向风的EOF第一模态(a)与EOF第二模态(b)3.2 冬季副热带急流与温带急流季节内振荡特征为揭示冬季东亚上空急流的变化周期，使用功率谱分析冬季东亚上空纬向风的周期特征。图3a结果表明在季节内尺度(1090天)中，1030天周期占主导作用，并且通过95%的红噪声检验。通过计算方差，发现1030天尺度变量占季节内尺度(1090 天)变量的方差贡献率达到近 60%。由此可见在季节内尺度(1090天)中，东亚陆地上空副热带急流主要受到1030天尺度控制。使用Butterworth带通滤波器将数据资料进行1030天时间尺度滤波，突出1030天尺度的低频振荡特征。对关键区低频纬向风进行EOF分析，从图3b、3c可看出低频纬向风场EOF前两个模态空间分布与原始纬向风的前两个模态空间分布类似，这也进一步说明冬季300 hPa逐日纬向风具有典型的1030天振荡特征。为更好地展现出东亚大陆上空副热带急流和温带急流强度的1030天协同变化的具体演变过程，从标准化的第一模态时间序列(PC1)中选取PC11.5(温带急流强副热带急流弱)、PC10u0u0u0u0u0u0300 hPa300 hPa850 hPa850 hPa地面地面888第6期张金柏等：冬季东亚高空急流季节内协同变化及对我国东部降水的影响INTRA-SEASONAL CONCURRENT VARIATION OF THE EAST ASIAN UPPERJET STREAM IN WINTER AND ITS INFLUENCE ON PRECIPITATIONIN EAST CHINAZHANG Jinbai1,2,YAO Suxiang1,HUANG Qian1(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China;2.Chaoyang Meteorological Bureau，Chaoyang,Liaoning 122000,China)Abstract:Based on the ERA-Interim reanalys is data,the paper analyzed the intra-seasonal concurrentvariation of the East Asian upper jet stream in winter and its effects on precipitation in East China.Theresults show that the zonal wind at 300 hPa over East Asia in winter has significant intra-seasonaldifferences in oscillation intensity,and the dominant period is 1030 day.The anomalous low-frequencyzonal wind propagates eastward as a whole,and the low-frequency zonal wind at high latitudes propagatessouthward,while the low-frequency zonal wind at low latitudes has no significant meridional propagation.As the low-frequency zonal wind moves from the Caspian Sea to the Northwest Pacific Ocean,the EastAsian polar-front jet(EAPJ)moves eastward and then southeastward,and its intensity increases first andthen weakens.While the position of the East Asian subtropical jet(EASJ)does not change significantly,itsintensity variation is opposite to that of the EAPJ.The precipitation anomaly has a significant response tothe low-frequency oscillation of the 300 hPa zonal wind.Low-frequency precipitation mainly occurs in theeastern part of China,moves eastward with time,and disappears near the western Pacific Ocean.Under theinfluence of low-frequency zonal wind,the EAPJ is stronger and the EASJ is weaker.When the high-altitude convergence occurs in the eastern part of China,low-frequency high pressure dominates theground,and there is strong downdraft in the whole 300 hPa layer.The ground is controlled by northeastwind,and it is not easy to generate precipitation.When the polar-front jet stream is weaker and thesubtropical jet stream is stronger,east wind anomaly occurs in the whole 300 hPa layer on the north sideof the Tibet Plateau,and west wind anomaly occurs in the whole 300 hPa layer on the south side of theTibet Plateau.The upper air in the east of China diverges,and the ground is controlled by low-frequencylow pressure.As a result,the whole 300 hPa layer in the east of China rises,there is water vaportransported by southwest wind and water vapor convergence,and the positive anomaly of low-frequencyprecipitation appears in the east of China.Key words:East Asian subtropical jet;East Asian polar-front jet;concurrent variation;intra-seasonaloscillation;precipitation in East China15 史玉光，杨舵，陈洪武.北半球冬季副热带西风急流及有关环流季内振荡若干特征分析J.新疆气象，1999(2)：1-6.16 李艳，张金玉，李旭，等，王雅芳.两次典型极端低温过程低频特征分析J.高原气象，2018，37(5)：1 341-1 352.17 KUANG X,ZHANG Y,HUANG D,et al.Regionality of record-breaking low temperature events in China and its associated circulationJ.Climate Dyn,2016,46(5-6):1 719-1 731.18 ZHANG Y,CHEN J.Characterizing the winter concurrent variation patterns of the subtropical and polar-front jets over East AsiaJ.JMeteor Res,2017,31(1):162-172.19 张耀存，王东阡，任雪娟.东亚高空温带急流区经向风的季节变化及其与亚洲季风的关系J.气象学报，2008，66(5)：506-517.889