冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响

曾鼎文,朱伟军,马小娇,顾沛澍,刘鸣彦,高洁

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.中国气象局 兰州干旱气象研究所,甘肃 兰州 730020;3.中国气象局 干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃 兰州 730020)



冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响

曾鼎文1,2,3,朱伟军1,马小娇1,顾沛澍1,刘鸣彦1,高洁1

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.中国气象局 兰州干旱气象研究所,甘肃 兰州 730020;3.中国气象局 干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃 兰州 730020)

采用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料,计算大西洋风暴轴特征指数和西伯利亚高压特征指数,研究了冬季北大西洋风暴轴的变化及其对西伯利亚高压的影响。结果表明:风暴轴经度指数与西伯利亚高压纬度、强度、面积指数显著相关。风暴轴经度指数正异常月,大西洋天气尺度瞬变波活动向东扩展到欧洲乃至乌拉尔山以东,西伯利亚及东亚地区反气旋式波破碎加强,瞬变波对月平均气流的反馈作用使得欧亚大陆上空50°N以北西风加速、50°N以南西风减速;中纬度经向环流加强,气候态的西欧沿岸脊、欧洲东部槽、青藏高原北部脊均加强,东亚大槽减弱东移;在西伯利亚地区,暖空气向北输送加强,来自极区的冷空气南下减弱,致使西伯利亚及东亚地区温度偏高,西伯利亚高压面积减少、纬度偏南、强度减弱。风暴轴经度指数负异常月的情况则反之。

大西洋风暴轴;西伯利亚高压;波破碎;温度平流

0 引言

观测分析显示,冬季北半球天气尺度(2.5～6 d)的瞬变涡动活动被组织成两大风暴轴,分别位于中纬度的两大洋上。风暴轴在大气环流短期异常中的作用非常明显,可以通过与大尺度大气活动中心的相互作用来影响大气环流,如阻塞(刁一娜等,2004;Luo et al.,2011),半球尺度的遥相关型(Wettstein and Wallace,2009),风暴轴强度、频率、位置的变化对局地气候的影响可以到达很远的地方(Chang et al.,2002),风暴轴和冬季大气环流的关系也有相应研究(王娜和孙照渤,2014)。

北半球冬季大西洋风暴轴和西伯利亚高压同处中高纬度,而且风暴轴位于西伯利亚高压上游,两者之间的联系在已有的研究中有所涉及,Joung and Hitchman(1982)认为东亚寒潮的建立和爆发是6～7 d前起源于大西洋的扰动在下游连续发展的结果。Takaya and Nakamura(2005)指出冬季西伯利亚地面高压的季节内加强和来自对流层上层的位于东亚大槽东西两侧的反气旋有关,而反气旋又与风暴轴对基本气流的反馈作用有关。此外,在地中海及西伯利亚上空天气尺度波动也有类似于风暴轴的特征(Hoskins and Hodges,2002)。乌拉尔阻塞高压的发展和不稳定槽的增长机制是导致西伯利亚高压迅速发展和加强的大尺度环流条件(任广成,1993)。Rogers(1997)对冬季大西洋风暴轴进行REOF分析,指出大西洋风暴轴的变化模态之一是天气尺度涡动的向东向极地扩展。综上,有关大西洋风暴轴和西伯利亚高压之间关系的研究相对较少,本文将从风暴轴影响西伯利亚高压的角度,探究冬季大西洋风暴轴的变异及其对大气环流的影响,并从大气内部波流相互作用的角度对可能原因进行解释。

1 资料和方法

所用资料为美国NCEP/NCAR数据资料集中的逐日和月平均海平面气压场、高度场、风场,研究时段为1948—2010年63个冬季的189个冬季月份,冬季月份定义为当年12月至次年2月,资料水平分辨率为2.5°×2.5°。

2 大西洋风暴轴和西伯利亚高压特征指数的定义及二者的相关关系

2.1 大西洋风暴轴指数

为了研究大西洋风暴轴(storm track)和西伯利亚高压(Siberian High)的关系,参照已有的定义方法(李莹等,2010),计算大西洋区域500 hPa高度场滤波方差大于20 dgpm2范围内各格点经度值、纬度值、强度值的算数平均值,分别定为经度(STIX)、纬度(STIY)、强度指数(STII),该范围内格点个数定义为面积指数(STIA)。计算出各指数63 a共189个冬季月份逐月值。

2.2 西伯利亚高压指数

西伯利亚高压特征指数的定义参照侯亚红等(2006)的方法,以1 023 hPa海平面气压等值线所围区域的各个格点为计算对象。以等值线内各个格点的气压值为权重系数,求出等值线所围区域各格点的纬度、经度、气压值加权平均值,等值线所围格点数,作为纬度、经度、强度及面积指数,计算出冬季逐月值,指数表达式如下。

面积指数(SHIA):∑δ(pi-1 023),单位为个,其中δ(pi-1 023)是取值为(0,1)的阶梯函数,当pi≥1 023时取1,pi<1 023时取0。因此若1 023 hPa等压线内有n个格点,则SHIA值为n。

2.3 北大西洋风暴轴和西伯利亚高压的关系

首先来看风暴轴指数和西伯利亚高压指数之间,风暴轴和西伯利亚高压自身特征指数之间的统计相关性。由表1可知,风暴轴的经度指数与西伯利亚高压的面积数、纬度指数、强度指数变化有显著的负相关;由表2可知,大西洋风暴轴的经度指数和纬度指数之间呈正相关,面积指数和经度、纬度、强度指数都有显著正相关;由表3可知,西伯利亚高压的纬度指数、强度指数、面积指数三者之间两两之间正相关。这些都从统计上表明大西洋风暴轴和西伯利亚高压之间存在相关性。

表1 西伯利亚高压特征指数与大西洋风暴轴特征指数的相关系数

Table 1 Correlation coefficients between the indices of Siberian High and the indices of Atlatic storm track

指数SHIYSHIXSHIISHIASTIY-0.211)-0.0830.120-0.079STIX-0.3991)-0.008-0.1611)-0.3321)STII-0.117-0.087-0.1851)-0.143STIA-0.371)-0.014-0.1791)-0.2901)

注：1)表示通过了95%置信水平检验.

表2 大西洋风暴轴特征指数之间的相关系数

Table 2 Correlation coefficients among indices of Atlatic storm track

指数STIXSTIISTIASTIY0.5771)0.0360.5091)STIX0.0130.5581)STII0.5501)

注：1)表示通过了95%置信水平检验.

表3 西伯利亚高压特征指数之间的相关系数

Table 3 Correlation coefficients among indices of Siberian High

指数SHIXSHIISHIASHIY0.2171)0.2841)0.6221)SHIX-0.060-0.133SHII0.7171)

注：1)表示通过了95%置信水平检验.

3 合成分析

3.1 500 hPa高度场滤波方差异常

为了进一步研究风暴轴的变化及其与同期大气环流之间的关系,根据表1,选取和西伯利亚高压变化联系最为紧密的风暴轴经度指数(STIX),把63 a共189个冬季月份逐月STIX标准化以后,找出大于1.0的月份(正异常,共36个月)和小于-1.0月份(负异常,共32个月),对同期的纬向风,经向风,温度,高度合成。若不特别说明,之后提到的指数都指经度指数(STIX)。

正异常月(图1a),风暴轴呈东北西南走向,自冰岛向极、向东扩展,有三个极大值中心,分别位于大西洋西岸、东欧平原以及乌拉尔山东侧。负异常月(图1b),气旋活动被限制在20°W以西的大西洋上空;即STIX反映了大西洋风暴轴在东西方向上变化。这和Rogers(1997)用REOF分析结果类似。

3.2 海平面气压异常

STIX正异常月,大西洋经度范围内副极地低压和副热带高压均向东向极地扩展,副极地低压区域1 005 hPa等值线向东扩展,经过挪威海,巴伦支海,直到60°E以东的喀拉海区域,能表征西伯利亚高压范围的1 023 hPa等值线在正异常月(图2a)北边缘较负异常月(图2b)偏南。在差值图上(图2c),东北大西洋及极地有负值中心,该负值区域向南扩展到西伯利亚蒙古地区,而在较偏南的30～60°N纬带的欧洲地区有正值中心,这样的差值分布类似于NAO(AO)正位相时南正北负特征,STIX与同期NAO和AO指数的相关系数分别为0.239和0.395,均通过99%置信水平检验。

上述对海平面气压场的合成分析结果与表1所示的相关系数一致,即:STIX正异常月,西伯利亚高压面积减小,1 023 hPa 等值线北边缘南压,纬度指数减小,同时高压强度减弱。

图1 STIX正异常月(a)、负异常月(b)500 hPa天气尺度滤波方差的合成分布(等值线,单位:dgpm2;阴影区表示大于20 dagpm2)Fig.1 Composite distributions of the synoptic-scale height variance at 500 hPa in STIX (a)positive and (b)negtive months(contours,units:dagpm2;shaded areas indicate the values larger than 20 dagpm2)

图2 STIX正(a)、负(b)异常月海平面气压的合成分布(单位:hPa;粗实线为1 023 hPa等压线,代表西伯利亚高压的气候态位置)及其差值分布(c;正异常减负异常;阴影区表示通过0.05信度的显著性检验)Fig.2 Composite distributions of sea level pressure(units:hPa;the climatological location of Siberian high is indicated by 1 023 hPa isobar(heavy line)) in STIX (a)positive and (b)negtive months,and (c)their differences(positive minus negtive;shaded areas indicate the differences exceeding 0.05 significance level)

3.3 环流要素异常

图3是STIX正异常月减负异常月的气象要素差值,高度场中(图3a)英国、乌拉尔山西侧以及蒙古国上空分别有正、负、正的异常中心。而北半球冬季对流层中层西风带中有尺度很大的平均槽脊,图3a中的三个异常中心位置正好分别对应着气候态的西欧沿岸脊、欧洲东部槽以及青藏高原北部脊,该高度异常型有助于冬季气候态槽脊加深加强,意味着欧亚大陆上空经向环流在STIX正异常月加强。值得注意的是,东亚大槽气候态位置高度差值场为正值,在正值区的东侧紧临一个负值中心,这样的分布可以认为是东亚大槽的减弱东移。该异常波列和Wallace and Gutzler (1981)年定义的欧亚型遥相关负位相类似。

温度场中(图3b),乌拉尔山以西的北欧有正值区,欧洲南部有负值区,乌拉尔山以东的西伯利亚及蒙古是大片正值区。

图3 STIX正异常月减负异常月的气象要素差值(图a、b中粗实线为1 023 hPa等压线,代表西伯利亚高压的气候态位置,图c中粗实线为20 m/s纬向风等值线,代表急流的气候态位置;阴影区表示通过0.05信度的显著性检验) a.500 hPa位势高度(单位:dgpm);b.850 hPa温度(单位:K);c.500 hPa纬向风(单位:m/s)Fig.3 Difference distributions of three meteorological elements between STIX positive and negtive months(positive minus negtive;the climatological location of Siberian high is indicated by 1 023 hPa isobar(heavy line) in (a) and (b),and the climatological location of jet is indicated by 20 m/s isoline of zonal wind(heavy line) in (c);shaded areas indicate the differences exceeding 0.05 significance level) a.500 hPa geopotentia height(units:dgpm);b.850 hPa temperature(units:K);c.500 hPa zonal wind(units:m/s)

从纬向风差值场(图3c)可以明显看出在北美急流的出口区有北正南负的纬向风异常分布,且该分布型一直向东延伸至欧亚大陆东部,与已有研究结果相似(Wettstein and Wallace,2009)。此外,我国东部(90～135°E,30～55°N)有东风异常,该区域正好是东亚急流入口区,位于500 hPa(图3a)反气旋异常南部,符合地转风原理。东亚上空的高度正异常、东亚急流入口区左侧的东风异常和高纬度的西风异常、西伯利亚和东亚的温度正异常以及STIX与AO和NAO的正相关,本质上都反映了东亚大槽减弱东移,冬季风偏弱,极区冷空气不易南下导致的温度升高(况雪源等,2008;刘毓赟和陈文,2012)。

综上,STIX正异常月,伴随着大西洋天气尺度波动向东传播,北美急流出口区向极一侧西风增强,且向东扩展到西伯利亚东部,而急流出口区向赤道一侧的中低纬纬向环流减弱,西欧沿岸脊,欧洲东部槽,青藏高原北部脊均增强,西伯利亚区域温度升高。STIX负异常月则变化相反。

任广成(1993)的研究表明在500 hPa 高度场上,乌拉尔山区域的高度场距平值和西伯利亚上空的高度场距平呈反相关,和西伯利亚地区海平面气压值呈正相关,图3a中乌拉尔山上空有负值区,由此推断,STIX的异常会对乌山阻高的形成有影响,根据仪清菊(1982)的研究,定义阻高面积合成指数(BAI),即用500 hPa(60～70°E,50～60°N)区域内每个格点高度距平值之和来表征阻高,计算出冬季各月(12、1、2月)阻高指数(BAI)和风暴轴经度指数(STIX)的相关系数,分别为-0.212、-0.214、-0.297,均通过了90%的置信水平检验。

图4 STIX正异常月减负异常月的700 hPa温度平流差值(单位:10-5 K/s;粗实线为1 023 hPa等压线,代表西伯利亚高压的气候态位置;阴影区表示通过0.05信度的显著性检验) a.纬向温度平流;b.经向温度平流;c.纬向与经向温度平流之和Fig.4 Difference distributions of 700 hPa temperature advection between STIX positive and negtive months(positive minus negtive;units:10-5 K/s;the climatological location of Siberian high is indicated by 1 023 hPa isobar(heavy line);shaded areas indicate the differences exceeding 0.05 significance level) a.zonal temperature advection;b.meridional temperature advection;c.sum of zonal and meridional temperature advection

可见冬季阻高的年变化与STIX有很好的负相关。冬季西伯利亚高压位于乌拉尔山阻高脊前,当风暴轴向东扩展时,乌拉尔上空500 hPa的高度呈负异常,环流形势不利于阻塞高压形成和维持,西伯利亚地区,阻高脊前的西北干冷气流减弱,地面冷高压减弱。其上空的气柱受冷压缩程度小,呈现高度正异常,这可能是西伯利亚地区500 hPa 高度场出现正变高的热力原因。

4 温度平流异常

Rogers(1997)提到在大西洋风暴轴向东扩展时,带来强纬向风把暖空气输送到西伯利亚地区,并没有考虑热量的经向输送,参照所玲玲等(2009)的方法,本文把纬向和经向的温度平流分开进行讨论。

在格陵兰岛及其附近海域和西西伯利亚平原,纬向冷平流(图4a)起支配作用,抵消了经向平流异常(图4b)带来的增温趋势,使得这些区域的温度呈下降趋势;在欧洲西北部,纬向暖平流起主要作用,抵消了经向冷平流,使该地区有温度平流正异常(图4c)。而在90°E以东的亚州东部,纬向和经向温度平流都使该区域有增温趋势,两者相加后的结果使该地区增温趋势更显著(图4c、3b),该区位于东亚大槽槽后,结合正、负异常月的经向风合成场(图略),发现在正(负)异常月,该区域是弱(强)北风,说明在STIX正(负)月,冷空气南下减弱(加强),导致该区域温度偏高(低),与高度异常(图3a)呈现的东亚大槽减弱东移吻合。

5 瞬变波对基本气流反馈作用的异常

由第3.1节讨论知,STIX正异常月,天气尺度波动可以向东延伸到乌山以东的亚洲地区,那么伴随STIX异常,在欧亚大陆上空,天气尺度波动对基本气流的反馈作用也会发生变化,在正压无摩擦,科氏参数取常数f0的情况下,低频纬向风的控制方程Riviere and Orlanski(2007)可以写为

(1)

欧亚大陆上空STIX正异常月比负异常月有更强的高频向极动量通量(图5a、b),正异常月大西洋区域的20 m/s风速等值线向东向北扩展到了挪威海区域。图5c中欧洲和乌山以东区域,动量通量均为正值,在乌山以东,动量通量差值场中的通过显著性检验的区域与纬向风差值场中的零线(图5d)是近乎重合的,零线北侧有西风异常,南侧有东风异常,由方程(1)可知这与之前讨论的急流北抬一致。

STIX正异常月,大西洋天气尺度波动强烈发展并向下游移动,进入西伯利亚和东亚地区,反气旋式波破碎加剧,该区域上空高频向极动量通量显著增强,使大西洋及欧亚上空高纬度西风加速,低纬度西风减速。

6 结论和讨论

本文找出和西伯利亚高压变化最为密切的STIX,基于STIX对同期气象要素合成分析,分析了大气环流的变化,并尝试从波流相互作用的角度对变化原因做了解释,得到如下结论:

1)STIX正异常月,北半球冬季中高纬度气候态西欧沿岸脊,欧洲东部槽,青藏高原北部脊加强,东亚大槽减弱东移,欧亚上空中纬度的经向环流增强,纬向环流减弱。STIX负异常月,变化相反。

2)STIX正异常月,加强的青藏高原北部脊脊后西南气流把中低纬度的暖空气带到西伯利亚北部,对西伯利亚地区的温度正异常有正贡献,在蒙古、东亚地区,由于高纬度的西风加速及北风减弱,冷空气南下减弱,这些区域的气温升高。STIX负异常月变化相反。

3)从瞬变波反馈基本气流的角度出发,可以对中高纬度的纬向风异常做出解释:STIX正异常月,欧亚上空中纬度反气旋式天气尺度波破碎对基本气流的反馈作用加强,使高纬度的西风加速,低纬度的西风减速。STIX负异常月变化相反。

上述结论可以用如下概念框图(图6)加以解释。

由于STIX和AO指数的相关系数高达0.395,远超过99.9%的置信水平检验,AO作为北半球冬季行星尺度大气环流变率的首要模态,与中高纬西风的强弱以及天气尺度波动均有密切的联系,所以,大西洋风暴轴是否会通过影响AO来影响整个欧亚大陆的大气环流,有待进一步的证实,另风暴轴在向下游发展的过程中,内部能量转换特征需进一步探究(陈懿妮等,2013)。

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图5 STIX正(a)和负(b)异常月300 hPa高频动量通量u′v′(阴影,单位:m2/s2)和纬向风(等值线,单位:m/s),以及STIX正异常月减负异常月的300 hPa高频动量通量差值(c;等值线,单位:m2/s2)和纬向风差值(d;等值线,单位:m/s;35 m/s等值线代表急流的气候态位置)(图c、d中阴影区表示通过0.05信度的显著性检验)Fig.5 Composite distributions of high-frequency momentum flux u′v′(shadings,units:m2/s2) and zonal wind(contours,units:m/s) at 300 hPa in STIX (a)positive and (b)negtive months,and the difference distributions of (c)high-frequency momentum flux(contours,units:m2/s2) and (d)zonal wind(contours,units:m/s;the climatological location of jet is indicated by 35 m/s isoline(heavy line)) at 300 hPa between STIX positive and negtive months(positive minus negtive;shaded areas indicate the differences exceeding 0.05 significance level)

图6 大西洋风暴轴影响西伯利亚高压的示意图Fig.6 Schematic diagram of influnce of Atlatic storm track on Siberian high

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(责任编辑：刘菲)

North Atlantic storm track and its infulence on Siberian High in winter

ZENG Ding-wen1,2,3,ZHU Wei-jun1,MA Xiao-jiao1,GU Pei-shu1,LIU Ming-yan1,GAO Jie1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;2.Institute of Arid Meteorology,China Meteorological Administration,Lanzhou University,Lanzhou 730020,China;3.Key Open Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Reduction of China Meteorological Adminstration,Lanzhou 730020,China)

Based on the NCEP/NCAR daily reanalysis data during 1948—2010,this paper calculates the Atlantic storm track(AST) and the Siberian High(SH) indexes,and studies the variability of AST and its influence on SH.Results show that there are significant relationships between the longitude index(STIX) of AST and those indices describing the latitude,intensity and area of SH.When the STIX is in the positive months,the synoptic transient waves extend from Atlantic to Europe and even to the east of Mount Ural,thus intensify the anticyclone wave breaking(AWB) in Siberian and East Asian.Through the feedback of the transient waves on the monthly mean flow,the westerly is strengthened to the north of 50°N and weakened to the south of 50°N over Eurasia.The meridinal circulation in midlatitudes is strengthened,thus the ridges over the coastal West Europe and the northern Tibetan Plateau and the trough over East Europe are intensified,while the deep trough of East Asia is weakened and moves eastward.More warm air is transported to the north while the cold air from Arctic is inhibited over Siberian area,so it becomes warmer in Siberian and East Asia regions,the area of SH becomes smaller,and the SH moves southward and becomes weaker.When the STIX is in the negative months,the situation is reverse.

Atlatic storm track;Siberian High;wave breaking;temperature advection

2012-10-03；改回日期：2013-03-01

公益性行业(气象)科研专项(GYHY201306028);国家自然科学基金资助项目(41075070);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

朱伟军,教授,博士生导师,研究方向为大气环流异常及短期气候预测,weijun@nuist.edu.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121003001.

1674-7097(2015)02-0232-09

P447

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121003001

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