北半球平流层高层极涡变化特征的模拟研究

刘春艳，齐 浩，韩学亮

(天津市北辰区气象局 天津300400)

0 引 言

极涡的位置以及强弱的变化与欧亚大陆的冷空气活动有着密切联系，位于极地区域附近以及西伯利亚地区的冷源区域对我国的气温和降水也有着直接影响，并且平流层与对流层间的物质交换过程也主要发生在极区。极区的气温变率较大，能够引起北半球经向的温度梯度变化，进而造成南北的热力差异变化，影响中低纬的气候变化。由此可知，极区对于气候的变化有着至关重要的影响。气候是人类生存、活动的自然环境和所依赖的自然资源的一部分[1]，我们应该更加关注极区温度场和高度场的变化，而极涡的活动是最能够体现出极区温度场和高度场变化的。三圈环流中的极地环流、北大西洋涛动(NAO)以及北极涛动(AO)[2]都够体现出高纬环流在大气环流系统中的重要性。极涡与北大西洋涛动和北极涛动间的相互关系密切，极涡与北极涛动都是以极地为中心活动，极涡的变化可以很大程度上反应出北极涛动的变化，因此对极涡的研究可以加深对大气环流机理的了解。

北极极涡是影响我国气候变化的主要系统之一，其强度及面积大小的变化必然导致环流的异常，具体表现在对气温及降水的影响[3]，它的形成和强度直接决定极地大气环流和极地环境的变化[4]。孙兰涛等[5]曾在论述中指出了北极极涡对天气、气候以及生态环境均有显著影响，大气环流的异常对我国气候变化有显著的影响[6]，极涡的摆动与强度变化直接和全球气候变化有着密切的关系。

平流层高层的极涡振荡信号提前于平流层低层和对流层的振荡信号，有自上而下的传播趋势，平流层异常环流首先发生在50km以上的高空，然后向下输送到平流层下层和对流层中上层，对流层天气系统随之出现相应的异常，可见平流层高层极涡的重要性。然而，近几年来国内几乎只考虑到 500hPa、300hPa极涡对我国各地气温[7-8]、降水[9]、月平均高度场[10]、时空变化特征[11]，甚至沙尘暴[12]的作用，缺乏对平流层高层极涡特征及其与中间层大气间相互作用的研究。事实上北半球极涡是一个深厚系统，垂直范围可从对流层中层一直到达平流层高层，因此对平流层高层极涡进行系统分析是非常必要的。同时由于对极涡的模拟要求数值模式大气上界较高，目前很多数值模式不能满足此要求，所以采用包含完整平流层的谱元大气模式[13]来对平流层高层极涡进行模拟研究。

1 资料与方法

1.1 模式介绍

本文采用SEMANS(Spectral Element Model with Atmospheric Near Space resolved)模式，利用谱元方法求解，采用立方体球面投影坐标，将每个投影面分解为 81个局地元，利用 8次 GLL(Gauss-Lobatto-Legendre)插值多项式用于离散方程中的变量。下边界条件和模式初始值的数据均来自 ERA-Interim数据集，其物理过程中深对流方案采用 Zhang和McFarlane方案[13]，浅对流方案采用 Park和Bretherton方案[14]，边界层参数化采用非局部扩散方案[15]。陆地上近地表通量用 Monin-Obukhov的相似理论计算，在海水和海冰上的通量用整体公式计算。高度在 60km 以下时，太阳辐射用 δ-Eddington近似[16]计算，热辐射用 Ramanathan等的方案[17]计算。模式大气在铅直方向分为 66层，大气顶部气压为4.5×10-6hPa。初始值为格林尼治标准时间 1989年1月1日的0时0分0秒。模式模拟时长为20a，模式结果的保存方式为月平均。

1.2 采用的数据集

NCEP/NCAR的 20a(1989年 1月～2008年12月)垂直层次共 17层位势高度场的月平均再分析资料，空间分辨率为 2.5°×2.5°。欧洲中期预报中心(ECMWF)20a(1989年1月～2008年12月)月平均ERA-Interim 再分析资料，由地面至平流层顶附近，空间分辨率为 1.5°×1.5°。

1.3 方法介绍

美国标准大气将平流层大气分为上、中、下3层，10hPa是中平流层(10～70hPa)顶，由于在北半球极区范围内，大气分层相对应的气压偏高，如对流层顶平均为 300hPa，远高于中低纬地区。故本文中10hPa就可以代表位于北极区域的平流层高层部分。

极涡面积计算时需要确定极涡南界特征等高线，整个北半球可以看成是极地涡旋与副热带高压这两大实体系统相互作用的结果。北半球极涡的最南界线定义在这两个系统的交界线上，位于中纬度之间，能够较好的贯穿中纬度西风急流的最大风速区(即经向位势高度梯度最大的区域)，同时能够体现中纬度大气环流的基本特征，即在主西风带等高线以北所包围的面积为极涡的面积。按此标准，使用资料为NCEP/NCAR再分析资料：1989—2008年共 20a逐月全球 10hPa月平均等压面位势高度场格点资料，其空间分辨率为 Δλ× Δϕ= 2.5° × 2.5°。

根据文献[18]的定义，t年某月10hPa层极地涡旋的面积指数是：

式中：SI是由该年 10hPa月平均图上特征等高线 f0围成区域的面积；R为地球半径，其值取6378km；ϕ为极涡南界特征等高线与经度λi相交的纬度(i=1，2，3，…n)，n=144为沿经圈的经度序号，分别对应0°，2.5°E，5.0°E，…，5.0°W，2.5°W。

因为模式模拟结果的空间分辨率为 1.5°×1.5°，所以模拟结果中极地涡旋的面积指数公式为：

式中：n=240为沿经圈的经度序号，分别对应 0°，1.5°E，3.0°E，…，3.0°W，1.5°W。

各分区极涡的面积也可利用以上两式子在一定范围内得到，将极涡划分为 4个区域 0°—1.5°E，90°E—180°E，180°E—90°W，90°W—0°进行讨论，而本文采用国内常用的分区方法，即：Ⅰ区(60°—150°E)、Ⅱ(150°E—120°E)区、Ⅲ区(120°—30°W)、Ⅳ区(30°W—60°E)，这样 4个分区就分别代表着亚洲大陆区、太平洋区、北美大陆区和大西洋欧洲区。

2 模式模拟结果检验

2.1 温度场

图1为位于北纬85°东经0°处的20a月平均温度时间-空间的分布图，高度范围为 10～1hPa。模式能够模拟出平流层高层中温度随高度的升高而上升，20a期间内冬季(1月)温度变化幅度比夏季(7月)大。1月份 ERA-interim再分析资料场中温度大值年为 1992、1995、1998、2000、2006 年，而模拟结果中的温度大值年为 1991、1995、1997、2000、2004、2007年。与再分析资料中的温度突变年份有很大的相似性，只是个别温度突变年份有所提前，突变是相对稳定态的不连续跳跃，且相比 ERA-interim再分析资料位于 10～1hPa高度间的模拟温度整体偏低。7月模式的模拟结果在 5～1hPa的平流层高层至中间层大气高度上的模拟效果较好，而 10～5hPa间的温度相比ERA-interim再分析资料整体偏低。

图1 再分析月平均温度时间—空间分布图Fig.1 Distribution of mean temperature from ERA-Interim(upper)and SEMANS(lower)(1：1 month，2：July，Unit：℃)

2.2 风场

图2为20a平均的位于180 °W～180 °E间的纬向风速纬度-高度剖面图，高度范围为 10～1hPa。模式可以较好地再现 1月份纬向风的分布特征，西风带、东风带以及风速的大值中心位置都与 ERA-interim再分析资料场一致。模拟结果中位于北半球贯穿10～1hPa的西风急流强度大于ERA-interim再分析资料场，风速可达到 60m/s；在赤道附近的东风强度小于 ERA-interim再分析资料场，中心风速为40m/s，而再分析资料场中能达到 50m/s，且东风带的范围要小于再分析资料场。

模式很好地再现了7月纬向风的纬向分布特征，西风带、东风带以及风速的大值中心的位置都与ERA-interim再分析资料场相似。模拟结果中位于南半球的西风急流的强度要小于 ERA-interim再分析资料场，中心风速为 80m/s，而再分析资料场中能达到 90m/s；模拟结果中位于赤道附近的东风带的强度要大于ERA-interim再分析资料场。

3 极涡的变化特征

3.1 极涡面积

参考试验模拟结果中北半球1989—2008年逐月10hPa平均位势高度场以及风场的叠加图(图略)，可以将 20a平均逐月等压面上的极涡南界特征等高线值分别列于表1中。

图2 再分析月平均纬向风速的纬度—高度剖面图Fig.2 Distribution of zonal monthly mean zonal wind from ERA-Interim(upper)and SEMANS(lower)(1：1month，2：July，Unit：m/s)

表1 平流层高层极涡的搜索区和特征等高线(A：反气旋C：气旋)Tab.1 Search area and features contour of polar vortex in upper stratosphere(A：anticyclone C：cyclone)

通过全面分析 20a北半球 10hPa逐月高度场，确定其搜索区为≥50°N 的区域。在搜索范围内，通过分析可知极区环流系统在9月至次年4月为气旋，6、7月为反气旋；5月为春季环流由气旋向反气旋转换的转型期，8月为秋季环流由反气旋向气旋转换的转型期。由于转型期为环流的过渡季，导致极区环流系统中气旋和反气旋的状态因年而异，所以在此无法给出其完整的气旋或反气旋的环流指数。

表2 再分析资料和模拟结果的极涡面积以及误差分析Tab.2 Polar vortex area and error analysis

表2分别列出了 NCEP再分析资料以及试验模拟的 20a平均逐月极涡面积以及模拟结果与再分析资料间的相对误差和绝对误差。因为这两组数据中气旋与反气旋的转型期都不同，所以可以用来对比极涡面积的月份只有 1～3月和 9～12月，即初春以及秋季和冬季。虽然只有这 7个月份的数据，但还是能看出来极涡变化的特征呈现 1～3月增加，9～12月减小的趋势，两组数据均在 9月呈现最大值，分别为3.48和 3.36，并在冬季的不同月份呈现最小值。从误差分析可以看出模式模拟结果能够较好地反应出极涡面积指数的变化和大小。

3.2 极涡位置

因为极涡并不总是以北极点为中心的对称绕极环流，所以各区极涡存在较大的差异[19]，多年平均各季节、各分区极涡面积占北半球极涡面积的百分比可以大致反映出极涡偏向某个区域，即极涡位置。图3为试验模拟的平流层高层各分区极涡在各季中占全区极涡总面积的百分比。冬季，Ⅰ区面积比例最大，Ⅱ区和Ⅲ区面积相当，表明模式模拟出的平流层高层极涡在冬季稍偏向亚洲大陆区；春季，Ⅰ区比例呈现出明显的增长，而Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区比例相当，表明在春季极涡位置向亚洲大陆区显著移动，呈现出明显的偏心结构；夏季，4个区域的比例相当，说明位于平流层高层的极涡在夏季表现为绕极的环流；秋季，Ⅰ区面积比例增大，Ⅱ区和Ⅳ区面积相当，表明平流层高层极涡在秋季又恢复了偏向亚洲大陆区的状态。由此可见，试验模拟结果中，冬季、春季和冬季位于平流层高层的极涡都偏向I区即亚洲大陆区，只在夏季出现了绕极环流。

图3 各分区多年平均极涡面积占全区极涡总面积的百分比(单位：%)Fig.3 Percentage of district polar vortex area in total area (Unit：%)

3.3 平流层高层极涡的变化特征

为了更好的说明极涡变化特征，以及各层次极涡间的相互影响，在此选取平流层高层 5hPa和10hPa，以及中间层 1hPa的各层极涡面积进行逐月演变特征分析。表3列出了以上 3层逐月等压面上极涡南界特征等高线的值。

表3 1hPa、5hPa、10hPa逐月极涡南界特征等高线(单位：10 gpm)Tab.3 Features contour of polar vortex at 1hPa，5hPa，10 hPa(Unit：10 gpm)

由图4可知，这3层极涡面积的最大值都出现在夏季，1hPa和5hPa在一年中的大值期出现在7月，而 10hPa的大值期比这两层提前，出现在 6月；这3层极涡面积的最小值期都体现在冬季。综合来看，位于平流层高层 10hPa的极涡面积在一年中的季节变化最为强烈，并且极大值的出现提前于 1hPa和5hPa，同时极小值也提前于其他两层的 12月而出现在11月。所以10hPa的极涡面积的变化要提前相对于它更高的层次，平流层高层极涡面积的变化可直接影响中间层极涡的变化。

图4 1hPa，5hPa和 10hPa多年平均逐月极涡面积(单位：107km2)Fig.4 Distribution of monthly mean polar vortex areaat 1hPa，5hPa and 10hPa(Unit：107km2)

4 结论与讨论

①模式能再现平流层高层及中间层大气温度场、风场的特征：温度在平流层高层随高度的增加而增加，冬季温度变化幅度比夏季大，并且模拟结果中的温度突变年份与再分析资料有很大的相似性。模式可再现 1月和 7月位于平流层高层至中间层大气间纬向风随高度变化的分布特征，西风带、东风带以及风速的大值中心位置都与 ERA-interim再分析资料场一致。

②平流层高层的极区环流系统在9月至次年4月为气旋，6、7月为反气旋；5月为春季环流由气旋向反气旋转换的转型期，8月为秋季环流由反气旋向气旋转换的转型期。位于北半球平流层高层的极涡面积在全年呈现先扩大后收缩的趋势。平流层高层极涡位置在秋季和冬季变动幅度最大，呈现明显的偏心结构；只有夏季表现为绕极环流，春季和秋冬季都偏向I区即亚洲大陆区。

③平流层高层到中间层极涡面积逐月变化间的关系紧密，各层极涡变化相互影响，位于平流层高层10hPa的极涡面积季节变化最大，且变化要提前相对于它更高的层次，平流层高层极涡面积的变化可直接影响中间层极涡的变化。

④本文通过模拟研究发现，SEMANS模式对平流层高层极涡具有较好的模拟能力，采用适当的参数化方案配置可以较好地再现平流层高层的温度场、风场以及极涡的面积、位置等变化特征。本文仅为SEMANS模式对平流层高层极涡模拟的初步结论，还需利用 SEMANS模式进行更多的模拟研究，并进一步针对平流层高层是如何影响中间层极涡变化进行细致的讨论研究。