受墨西哥湾流影响的“大气河...次季节-季节预报技巧的影响_吴一非.pdf

第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，受墨西哥湾流影响的“大气河”对欧洲西岸冬季极端降水的次季节季节预报技巧的影响*吴一非，贾英来*，韩子清，冀蕊，张杰，谢晓敏（泉州市气象局，福建 泉州 ；中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 ）摘要：在冬季，欧洲西岸的强降水多由大气河（，）而引起，而大气河又受到墨西哥湾流（，）区域海洋锋面变化的调制作用，因此 区域海洋锋面的低频变化可能对欧洲西岸强降水在次季节季节（，）时间尺度上的预报技巧存在影响。本文基于欧洲气象中心发布的 预报数据集，结合 的再分析数据，考察了 区域海表面温度（，）、及欧洲西岸强降水的 预报效果，发现相较其他区域而言，在 锋面处 的预报值偏高，预报技巧偏低，受此影响，海洋锋面处海面风速预报值偏大，从而增强洋面蒸发，导致向大气输送更多的热量和水汽，促进更多 的发生。受 发生频率预报结果的影响，西欧沿岸南部（北部）发生频率预报值偏高（偏低），从而导致南部（北部）预报的强降水增多（减少），引起的降水占总降水的比值也增加（减少）。关键词：湾流延伸体区域；海洋锋；强降水；大气河；欧洲西岸中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：吴一非，贾英来，韩子清，等受墨西哥湾流影响的“大气河”对欧洲西岸冬季极端降水的次季节季节预报技巧的影响中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：国家自然科学基金项目（）；泰山学者攀登计划项目资助 （）；收稿日期：；修订日期：作者简介：吴一非（），女，硕士生。：*通讯作者：大气河（，）是指狭长的、瞬时出现的、强水汽输送带，常伴随中纬度气旋冷锋前的低空急流而出现，是中纬度大气水汽输送的重要方式，也是冬季欧洲西岸发生强降水的重要原因。在欧洲大部分地区，超过 的年最大降水是由 引起的。和 进一步研究发现，在全球中纬度地区大约 的极端大风以及 以上的极端降水与登陆的 有关，这说明登陆的 可能导致重大的灾害性事件。为了降低 带来的灾害性影响，有必要进行尽可能超前的预警来防范 活动带来的影响，从而减少干旱或洪水灾害的发生。因此，提高次季节到季节（，）时间范围内（周）的预报技巧，对降低灾害带来的影响至关重要。等发现，在 的 预报结果中，海洋上 预报的准确率通常高于陆地，这说明考虑海洋对大气的影响，有利于提高 预报的准确性。墨西哥湾流（，）区域分布着强的海洋锋面，海洋锋向大气释放大量的热量和水汽。海洋锋区的海表面温度（，）的变化会影响低层斜压度，从而影响到风暴轴，还会影响到大气的势能和动能的变化。等 发现，自 年以来，西边界流上的海表面温度存在增暖趋势，增暖速率是全球平均海表温度增暖速率的倍。其中 海洋锋区 的增暖速率每世纪大约为，这样强的增暖会加强海洋向温带气旋（，）输 送 的 潜 热 和 水 汽，从 而 增 加 气 旋 强度。和密切相关，由于通常位于 的暖输送带内，越强，风场和水汽的经向输送越强，越强。我们前期的研究结果表明，区海洋锋上存在 的增暖趋势，这使得更多的热量和水汽向大气释放，导致发生频率增加，同时增强了西欧沿岸的极中国海洋大学学报 年端降水。那么 锋区 的 的预报效果如何，是否会影响到北大西洋 的预报效果，并进一步影响到欧洲西岸强降水的预报技巧，是本文主要研究的内容。数据和方法本文使用的 资料来自欧洲中期天气预报中心（，）的 再分析资料集和美国国家海洋大气中心（，）的高分辨率逐日全球海温资料（，），两 种 数 据 的 水 平 分 辨 率 都 是 （）（）。本文使用的大气数据包括风场、水汽输送、比湿、湍流热通量、降水来自 和 数据集中 模式的全球后报结果。其中 模式的 预报结果分辨率为 （）（）。为了得到更多的样本，本文中采用延长冬季的定义，即每年的 月日至次年月 日。因等 的研究发现，自 年 锋区 有明显的增暖趋势，所以为了更好地分析 锋的 的 预报结果对的 预 报 结 果 的 影 响，我 们 选 取 的 研 究 时 段 为 年。由于 等 曾提出 模式预测结果的主要优势可能来自于其集成系统策略，因此我们采用了 模式中全部共 个合集成员（）进行分析。大气河一般可以用垂直积分的水汽输送（，）来表示。的计算公式如下：（）（）。（）式中：是比湿（），单位为 ；和分别是纬向风和经向风，单位为；是重力。由于 具有狭窄、细长的特点，参考文献，挑选出减去纬向平均后大于 的 异常结 构，检 测 其 中 长 度 大 于 ，宽 度 小 于 ，且长宽比大于 的形状定义为。根据文献，发生时其范围内会产生降水，因此利用的检测程序，将发生在 范围内的降水定义为引起的降水。梯度的计算公式为：，（），（）（，），（），（），（）（，），（）。（）式中：、分别表征经向和纬向格点；和分别为海温经向梯度和纬向梯度；和分别为纬向和经向两个格点之间的距离（单位：）。以预报结果和观测值（）为观测资料考察 的预报技巧，以 数据为观测资料考察大气各变量（比如 、风速等）的预报技巧。本研究中的预报技巧定义为预报结果和观测数据之间的时间相关系数（，），其公式如下：（，?）（，?）（，?）（，?）。（）式中，和，分别表示观测数据和预报数据，其中，代表区域格点数，代表时间序列。冬季 锋区 的预报结果分析 区域 的预报结果直接影响着和强降水的预报效果，因此，我们首先比较了 的预报结果和观测值（）之间的差异（见图）。在北大西洋，预报的误差主要集中在 锋面区域。相较于观测值，提前 周的 预报值明显偏高（见图（）、（）、（）。提前周的预报结果与观测值的差较小，并且分布在 锋面地区。从提前第周，预报值误差逐渐增大，范围遍布 锋面区域，预报值比观测值大了约。这与之前研究发现的随着提前预报时间（）的增长，预报效果也会减弱的结论一致，。在 锋面区域，除了 值对大气有重要影响外，锋面梯度对大气也存在显著影响，。图比较了 梯度预报值和观测值的差异，与 预报结果类似，梯度也是在提前第周预报结果差异增大（见图（）、（）、（）。相比观测值，梯度的预报结果呈现在 锋北部增大、南部减小的分布特征，这意味着 锋面在预报结果中偏北。这和预报的锋面区 值升高是一致的。在此基础上，我们计算了提前第周 的预报技巧（见图）。提前第周锋面 的预报技巧除 锋面区域外都较高，大约达到 以上，而沿着 锋面，的预报技巧较低。从提前第周开始，沿 锋面的 预报技巧迅速降低，到提前第周，海洋锋上 的预报技巧降到 以下。这是因为与观测值相比，处 预报值偏高，梯度预报值南高北低。那么，区域 值和锋面梯度如此大的预报误差，是否会影响 及欧洲西岸强降水的预报？期吴一非，等：受墨西哥湾流影响的“大气河”对欧洲西岸冬季极端降水的次季节季节预报技巧的影响（）（）填色为 年间延长冬季（）平均的 提前第周的 预报结果与观测值（）的差（单位：）。等值线是同期的 平均值（单位：），用来标记海洋锋的位置。（）（）（）（：）（：）图海表面温度预报偏差图 （）（）填色为 年间延长冬季（）平均的 梯度提前第周的 预报结果与观测值（）的差（单位：）。等值线是同期的 平均值（单位：），用来标记海洋锋的位置。（）（）（）（：）（：）图海表面温度梯度预报偏差图 中国海洋大学学报 年（）（）填色为 年间延长冬季（）的 提前第周的预报技巧。等值线是同期的 平均值（单位：），用来标记海洋锋的位置。（）（）（：）图海表面温度预报技巧 冬季 及 发生频率的预报结果分析根据上面的分析，处 的预报值偏高，据等 研究，该处 的增暖会增加大气河的强度和发生频率。那么，锋区 偏高的预报结果同样会影响到大气河的预报结果。为探讨该问题，我们根据 模式的 预报结果计算了 ，并通过与 资料的对比分析了 的预报技巧（见图）。（）（）填色为 年间延长冬季（）的 提前第周的预报技巧。等值线是同期的 平均值（单位：），用来标记海洋锋的位置。（）（）（：）图垂直积分水汽输送预报技巧图 期吴一非，等：受墨西哥湾流影响的“大气河”对欧洲西岸冬季极端降水的次季节季节预报技巧的影响与提前第周的预报结果相比，提前第周的预报技巧在沿 锋面区域下降较快，降低到了 以内，并且较低预报技巧从 区域开始向北和向西延伸，影响到欧洲西岸地区。而在其它区域，尤其是 以南区域，预报技巧仍然能够保持在 左右。提前第周的预报技巧则进一步下降到了 以内，尤其是 锋面区域和伊比利亚半岛区域，预报技巧已接近为。结合前面对 预报结果的分析，我们发现，沿 锋面区域较大的 预报误差直接影响着该区域 的预报效果，并且受其影响，下游 的预报效果也有下降。为进一步考察 模式对的 预报效果，利用上述预报的 场对 进行了检测，计算了的发生频率预报场并和基于 的结果进行了对比（见图）。从图中可见，对发生频率提前周的预报结果较为准确，在海洋锋上差值较小（约占 发生频率观测值的）。在提前第和周，发生频 率 的 预 报 结 果 在 锋 区 明 显 升 高，这 和 等 的 锋面区域 增暖后 发生频率增大的结果一致。同时，在欧洲西岸 的发生频率也显著增加，尤其是在提前第周的预报结果中最明显。在该结果中（见图（），发生频率的增加也主要集中在伊比利亚半岛到法国附近的区域，这和 等 的结果也较为一致。（）（）填色为 年延长冬季（）平均的 频率提前第周的预报结果与观测值（）的差（单位：）。等值线同期的 平均值（单位：）。其中蓝色框标记区域（，）和紫色框标记区域（，）是图用来计算降水概率密度函数的区域。（）（）（）（：）（：）（）（，）（，），）图大气河发生频率预报偏差图 据文献，欧洲西岸的强降水多和 有关。为探讨欧洲西岸降水的 预报是否也受 的预报技巧所影响，我们考察了降水的预报值和观测值的差异（见图）。从图中可见，降水的预报结果也在 锋面区域偏多，这和该区域 预报值偏高有关。另外，在欧洲西岸，尤其是南部伊比利亚半岛区域，提前周的降水预报值明显偏大，这和 发生频率在该区域预报值偏高是一致的。为进一步说明 和强降水的关系，我们比较了 引起的降水和强降水（总降水 分位数）间的关系，统计了 引起的降水中属于强降水的比例（见图（，）。发现在观测场和提前周的预报场中，欧洲西岸区域 引起的降水几乎都是强降水（大于总降水 分位数），尤其是在南部伊比利亚半岛地区，预报结果中 所引起的降水几乎都是大于 分位数的强降水。并且，因 预报的在欧洲西岸南部发生频率偏高（见图），该区域的降水值也总体偏高，对于伊比利亚半岛地区区域平均来说，降水 分位数的预报值比观测值大了 （观测值中国海洋大学学报 年仅 ），这些都说明 是欧洲西岸发生强降水的重要原因。为进一步探讨引起的降水对总降水的贡献，我们计算了欧洲西岸南部 发生频率预报值偏大区域（伊比利亚半岛，见图（）中紫框所示）和北部发生频率预报值偏小区域（爱尔兰和英国地区，见图（）中蓝框所示）内总降水和 引起的降水的累积概率密度分布，在此基础上，计算了 引起的降水发生次数占总降水发生次数的比例（见图）。可见，在观测场中，在北部区域，引起的降水占总降水发生概率的比例在横轴 降水区间内最大，可达 以上。对于 预报结果，提前周的预报结果中降水占比随降水量增加而增加，但是随着预报时间的增加，北部 降水占总降水的比例迅速下降，低于观测值。这是因为受 锋面区域 预报值偏高的影响，发生频率预报值偏南，北部区域发生频率减小。而在南部区域（伊比利亚半岛附近），观测场中，引起的降水占总降水发生概率的比例随着降水量的增加而增大。在 预报结果中，提前周的预报中 引起的降水占比与观测值类似甚至小于观测值，但是，随着预报时间的增加，引起的降水对大于 的强降水贡献越来越大，在提前周的预报结果中（见图（），以上的强降水 以上由 所引起。可见，由于 锋面区域 的预报误差偏大，发生频率在南部预报值偏多，这导致南部伊比利亚半岛区域降水预报值偏大。（）（）填色为 年延长冬季（）平均的降水提前第周的预报结果与观测值（）的差（单位：）。等值线是 年平均的 （单位：）。（）（）填色为 引起的降水中属于强降水的比例（单位：）。图（）中方框的位置与图（）一致。（）（）（）（：）（）（）（：）（）图降水预报偏差图及强降水所占比例 期吴一非，等：受墨西哥湾流影响的“大气河”对欧洲西岸冬季极端降水的次季节季节预报技巧的影响（图为图（）方框所示区域内的降水概率密度分布函数（引起的降水与总降水的比值）。第一行为北部方框所示区域；第二行为南部方框所示区域。（）和（）分别为北部方框和南部方框区域内观测数据中 引起的降水占总降水的比例；（）和（）分别为北部方框和南部方框区域内 提前周的预报结果中 引起的降水占总降水的比例；（）和（）为 提前周的预报结果；（）和（）为提前周的预报结果。（）（）（）（），（）（）（）（）（）（），（）（）图降水概率密度分布图 综上所述，在 数据集中，在 锋面区域 的预报值偏大，这导致西欧沿岸南部（北部）发生频率的预报值偏高（偏低），从而导致南部（北部）强降水的预报值偏多（偏少）。同时，预报结果中西欧南部 引起的降水占总降水的比例大于北部，且随着预报时间的增加，比例进一步加大。这说明随着 发生频率预报值的逐渐加大，引起的降水占总降水的比例也在迅速增多。的预报结果影响 预报结果的机制分析由前面的分析我们知道，的预报结果偏高导致 的发生频率偏大，那么 的预报结果是通过什么物理机制来影响的发生频率的？根据前人研究结果，的增暖会通过垂直混合机制加强低空风速。为考察 预报结果中风速对偏高的 预报结果的响应，本文比较了 风速的预报结果与观测风速（）的差（见图）。从图中可见，风速的预报结果提前周时沿 锋面区域偏高，随着预报时间的延长，该区域风速预报值进一步偏大。并且，在欧洲西岸地区（伊比利亚半岛至法国区域），从提前周开始，风速预报值出现了明显的增大现象，两者的差可达以上。由背景风速来看，该区域是预报的西风增强，这有利于增强向欧洲的水汽输送，这与该区域 发生频率的增多是一致的。而在 锋面以南 附近，预报的风速明显偏低，这导致 锋面及其以北的发生频率增多，这与图中发生频率的预报结果也是一致的。有趣的是，北大西洋东南侧也有风速加大的现象，这意味着该区域东风的加强，这有利于水汽向 区域的输送。的预报结果的偏高除了导致风速预报值与实际值的差加大之外，还会影响海面输送的水汽和热量的预报值和观测值的差。图给出了湍流热通量的 预报结果和观测值的差。可以看到，海洋锋上湍流热通量的预报结果明显大于观测值，提前周预报较为准确，他们的差为 左右。但从提前周开始，预报结果与观测值的差开始迅速增加，到提前周预报值已经达到了 ，远超过气候平均值，说明预报误差已经很大了。可见，的预报结果的偏高会使得预报结果中海洋将更多的热量和水汽输送到中国海洋大学学报 年大气中，从而影响低空风的辐合，并影响到低层大气的斜压性，。根据前人的研究，随着 的增暖，斜压不稳定性和垂直水分传输都会沿 锋增加，此时水汽输送的增加成为了 中增加的水汽的来源，这解释了 处 变暖会导致 频率增加的原因，这也和 等 所提到的机制一致。因此，锋区 的预报是否准确对于提高欧洲西岸强降水的预报技巧非常重要。（）（）填色为 年延长冬季（）平均的提前第周 风速的预报结果与观测值（）的差（单位：）。等值线是同期的 平均值（单位：）。绿色矢量是 年平均的 风速观测值。（）（）（）（：）（：）图 风速预报偏差图 （）（）填色为 年延长冬季（）平均的第周湍流热通量的 预报结果与实际情况下湍流热通量（）的差（单位：）。等值线是同期的 平均值（单位：），用来标记海洋锋的位置。（）（）（）（：）（：）图湍流热通量预报偏差图 期吴一非，等：受墨西哥湾流影响的“大气河”对欧洲西岸冬季极端降水的次季节季节预报技巧的影响结论与讨论大气河是冬季欧洲西岸发生强降水的重要原因，因此大气河的预报效果直接关系到欧洲西岸降水的预报技巧。利用 预报数据集中 模式的预报结果，结合 和 等数据，探讨了 区域 的预报结果与北大西洋地区 发生频率和欧洲西岸降水预报效果间的关系。发现 预报数据集中 模式预报的 值在 海洋锋处偏高，梯度在海洋锋北侧偏大、南侧偏小，而 锋区 的 预报技巧较其他区域明显偏低。受 预报结果的影响，发生频率在海洋锋处预报结果也偏高。同时，在欧洲西岸的南部如伊比利亚半岛（北部如英国等地），发生频率的预报结果也显著偏高（偏低）。受此影响，西欧沿岸南部（北部）预报的强降水增多（减少），这是因为南部（北部）引起的强降水占总降水的比值也增加（减少）而造成的。的预报结果还会影响到 地表风速和湍流热通量等气象要素的预报结果。相较于观测值，沿 锋的 风速和湍流热通量的 预报值偏高，这说明 的预报结果的偏高会使得预报结果中海洋将更多的热量和水汽输送到大气中，这解释了 处 变暖会导致频率增加的原因。并且在欧洲西岸地区（伊比利亚半岛至法国区域），风速预报值也出现了明显的增大现象，这有利于增强向欧洲的水汽输送，这可能是导致发生频率在欧洲西岸偏多的原因。本文通过比较 预报数据集中 模式预报结果发现，锋区 的预报准确度对于欧洲西岸强降水的预报技巧非常重要。今后，我们将进一步分析比较 预报数据集中其它模式的预报结果，以期得到更普遍性的结论。参考文献：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：中国海洋大学学报 年 ，（，；，）：，（），（），（）（），（），（）（），（）（）（）：；责任编辑庞旻