北极涛动与东亚寒潮的关系外文翻译资料

 2022-11-12 19:24:46

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北极涛动与东亚寒潮的关系

TAE-WON PARK AND CHANG-HOI HO

韩国首尔国立大学地球与环境科学学院

杨淞

气候预测中心,NOAA/NWS/NCEP,坎普斯普林斯,马里兰

(稿件于2009年11月17日收到,最终定稿于2010年8月19日)

摘要:本研究揭示了东亚寒潮特征的变化与北极涛动(AO)之间的联系。根据环流特征,寒潮的可分为两类:波列类型和阻塞类型。阻塞型寒潮往往发生在负AO期,即阻塞类型的发生与AO有关。然而,波列类型在正负AO期间都有发生,虽然与负AO相关的波列特征相对较弱。从振幅和持续时间上看,负AO时的寒潮强度强于正AO时的寒潮。在正AO期间,寒潮的影响范围仅限于中国内陆地区。由于西伯利亚高压和阿留申低压较弱,寒潮穿越东亚速度较快,这些寒潮持续时间短。相反,在AO负位相期间,寒潮的特点是组织良好东亚大陆高压与日本低压的反气旋---气旋对,为整个东亚地区带来持续一个多星期的冷空气,冷平流持续时间较长。研究还发现,负AO期间寒潮的路径往往更频繁出现在韩国和日本上空,在中国上空出现的频率较低。路径与雨向雪转化率的东西向偶极子结构有关,导致在正(负)AO期中国内陆(韩国和日本)发生冻雨或降雪事件可能更为频繁。

1. 引言

东亚冬季寒潮,特别是伴随有强西伯利亚高压的寒潮,对东亚地区国家产生了巨大的社会和经济影响。寒潮导致气温突变与强烈的偏北冷平流沿西伯利亚高压边缘南下。每年冬天大约有10次寒潮横扫东亚(Chen et al. 2004)。它们经常导致东亚地区有强度较大的冻雨和降雪(Boyle and Chen 1987; Ding 1994; Chen 2002; Jeong et al. 2008)并对调节南海的对流活动(Chan and Li 2004)。在极少数情况下,它们甚至包括北美在内的遥远的地方包括北美在内的地区诱发气候异常 (Cohen et al. 2001)。

在冬季西伯利亚地区的高压是一种半永久性的系统,是一个冷中心的高压系统。它是由大规模的下沉气流以及强辐射冷却维持的(Ding and Krishnamurti 1987)。高压突然向东亚地区移动,会使得局地寒冷天气加强成为一次强寒潮,在较大范围内引起温度的快速下降。因此,西伯利亚地区高压被认为是一个至关重要的寒潮的因素 (Zhang et al.1997; Gong and and Ho2002; Takaya and Nakamura 2005a)。寒潮发生的有利条件是当高压达到一定强度,欧亚大陆上空的对流层上部扰动成长为贝加尔湖上空的波列。对流层上部向东南传播的波列加深了东亚东海岸附近的对流层槽。因此产生的西北风将冷空气从欧亚大陆这一冷空气的主要“仓库”带到东亚地区。因此,西北气流扩展了原有的西伯利亚上空冷异常(Joung and Hitchman.1982)并且加强了地表冷异常,进而引起反气旋环流,加速西北风和波列。高层波列和先前存在的西伯利亚冷空气相互作用,加强了生成东亚地区额寒潮额西伯利亚高压 (Takaya and Nakamura 2005a)。

除了上述对由波列引起的寒潮的讨论,一些研究发现,一些寒潮不同于这种波列类型。例如,(Takaya and Nakamura 2005b)记录了西伯利亚高压季节内增强的两种不同起源:大西洋波列和太平洋阻高。事实上,这两个起源导致了东亚地区不同类型的冷空气爆发。Park et al.(2008)西伯利亚高压的扩张和随后的寒潮分别是由横贯欧亚大陆的波列和北太平洋的阻断造成的。波列型和阻塞型有不同的发生机制,前者正在增长斜压波,而斜压波偶极型与缓慢后退的阻塞有关。

之前的研究也提到了寒潮影响大范围气候的现象,如北极振荡(AO; ThomPson and Wallace 1998),El Nino与南方涛动 (ENSO)与Madden-Julian振荡(MJO; Madden and Julian 1972)发生时,寒潮在东亚地区强度增加。当AO是负位相时,月平均值和日瞬变的增加是西伯利亚高压的一部分,西伯利亚高压向东延伸至沿海低空,同时东亚急流增强为发生寒潮提供了有利条件 (Gong and Ho 2004;Song and Ho 2005)、Zhang (1997)、Chen(2004)。结果表明,寒潮的发生次数受温度变化的影响,通过南海和北太平洋的寒潮被ENSO调节。如Jeong et al. (2005)所述,这些变化在MJO引起的大尺度温带环流中,其中对流中心位于热带印度洋上空的环流,增强了东亚地区寒潮的强度。ENSO和MJO间接地调节寒潮发生,而AO对寒潮有直接的影响,通过改变包括西伯利亚高压、高空槽和西风急流在内的高纬度大气环流系统。因此,与AO相关的大气环流的变化也可能影响寒潮爆发以及寒潮发生的次数。然而,很少有研究AO与寒潮之间的关系,由此而来本研究动机。

我们首先研究东亚寒潮的一般特征,然后考察东亚地区的环流特点和这些寒潮的性质,例如与它们的发生、发展、持续时间、路径和相关的大尺度环流模式。接下来,我们研究它们与AO的关系。本研究同时采用了统计分析和动力分析的方法。

第2节介绍数据和分析方法,其中包括确定寒潮、计算波作用通量和寒潮路径的步骤。第3节描述寒潮的一般特征。第4节给出不同AO位相下寒潮特征变化的详细讨论。第5节总结和讨论了该研究的主要发现、局限性和主要存在的问题。

2.数据和分析方法

a、数据

为了分析寒潮的特征,我们采用了来自中国103个气象站和韩国13个气象站的日平均地面气温(SAT)和降水数据。这些数据分别来自中国气象局和韩国气象局(见图1)。我们还使用了来自国家环境预测中心国家大气研究中心(NCEP-NCAR)的6小时、每日和每月平均温度、位势高度(Z)、水平和垂直风和海平面压力(SLP)再分析数据资料(Kalnaye et al. 1996)。采用日均值和月均值分析与寒潮和AO有关的大气环流,以6小时均值作为模型输入数据确定寒潮路径。我们对1954/05至2005/06年间的52个冬季(11月至3月)进行了分析,考虑了数据的可用性和可信度,尤其是SAT数据。本研究也采用了来自国家海洋局和大气管理局(NOAA)网站的AO指数httP://www.cPc.nceP.noaa.gov/Products/PreciP/CWlink/daily_ao_index / ao.shtml #预测)。AO被用来揭示随着寒潮和大气环流的变化。AO指数定义为极地异常SLP的第一个经验正交函数模式(ThomPson and Wallace 1998)。

图1 分布于东亚的116个观测站(封闭的圆圈),5*5个格点(虚线),西伯利亚地区(粗实线)。阴影表示北方冬天的气候态海平面气压

b、寒潮定义

SAT的突然下降和西伯利亚的扩大是东亚地区寒潮的重要特征。为了确定寒潮,前人研究提出了各种天气判据 (Zhang et al. 1997; Chen et al. 2002; Jeong and Ho 2005)。在本研究中,根据Zhang et al. (1997)等人的研究方法,确定了寒潮发生的日期,并对其进行了细微的修改,增加了一些标准,描述如下:

西伯利亚高压扩展到南西伯利亚与寒潮发生有关(Zhang et al. 1997)。我们把南西伯利亚地区定义为图1 (35°N-55°N, 90°E-115°E)区域。我们确定了西伯利亚高压强度,西伯利亚高压区域表面反气旋中心SLP的大小和相对涡度分别超过1035 hPa和-1.0 * 10-5 /s。如图所示,这片区域位于最大的气候变化区域的东南方,这里的高压通常是由寒潮造成的。反气旋的中心定义为1000hPa层的高层大于周围8个网格点的值的格点(Zhang and Wang. 1997)。

我们重点研究了具有天气尺度特征的系统寒潮,如西伯利亚高压、高层环流扩展。因此,应排除辐射冷却等局部效应引起的小尺度寒冷天气,这种天气不伴有大尺度天气特征。我们应该探测在周围几个站点出现的寒潮。因此,我们把116个站点分成5 *5的格点区域,计算这些区域的SAT平均值(图1)。我们还考虑了第二个标准:在多于1个格点区域内满足SAT逐日下降和SAT异常大于1.5 (是在52个冬天SAT的标准差)。我们根据关于SAT异常的标准将予以排除一些温度不够低的寒潮事件。因此,我们的方法包含了不同于(Zhang and Wang 1997)和Jeong and Ho (2005),他们在定义寒潮时只考虑了SAT的逐日下降。在应用补充标准之前,从1954年到2005年的52个冬天共检测到544个寒潮。而在应用补充标准之后,从544例过程中,挑选出332例寒潮用于此次分析。

此外,本研究中使用的西伯利亚高压区域比Zhang et al. (1997)和Jeong and Ho (2005)使用的区域要大。之前的研究重点是在中国中部和南部,此次我们分析的区域包括韩国、日本南部和中国的更大部分地区。因此,我们能够有效地检测出阻塞型和波列型寒潮。

c、波活动通量

采用Plumb(1985)介绍的定常波通量来诊断与寒潮有关的定常波的三维传播进行。在根据Plumb(1985)的方法,(1)为定常波活动通量(Fs)的表示。

式(1)中,素数表示通过移除得到的值,P表示为气压,(u, y)为纬向风和经向风,F是位势高度,T是温度,cap;=7.292 *10-5rad/s为地球的自转速率,a =6.37 *10-6 m为地球半径,(f, l)为纬度,经度。S定义为静态稳定性,定义为:

S表示北半球平均面积,气体常数与比热容的比值是恒定的,H =8000 m为定尺高度。在本研究计算了异常波通量和寒潮发生后前两天的大气环流异常。

d、寒潮路径

以前的研究关于寒潮路径的确定都是通过冷空气移动路径而定SLP (Ding and Krishnamurti 1987; Zhang et al. 1997)。然而,寒潮发生在扩张的西伯利亚高压边缘的寒流平流区域,因此寒潮的影响可能更直接地与冷空气有关,而不是与高压有关。在这个在研究中,我们计算了与之相关的强冷空气路径,使用FLEXTRA方法对寒潮路径进行预测研究。在FLEXTRA模型中,寒潮路径由微分路径方程定义:

其中t表示时间,X是位置向量,X-是风速矢量。这个方程是用恒定加速度方案(Petterssen 1940, 221-223)所表达的:

式(4)中t为时间间隔,下标为的步骤数。通过以下方式迭代得到方程的解:

其中,上标表示迭代次数。当两个路径位置不同时,后续迭代小于特定值终止迭代,最终确定路径。文中给出了模型的详细描述Stohl(1998) and Seibert(1998)(资料来源代码和文档可以通过httP://在线获得zardoz.nilu.no /; andreas / flextra.html)。

FLEXTRA需要四个三维气象区域,两个水平风分量垂直运动和温度。为确定寒潮路径,模型输入寒潮初始位置和6小时均值再分析数据。初始位置定义为寒潮发生时SAT落差最大的5* 5格网。通过这些数据,FLEXTRA在寒潮生成前5天跟踪,在寒潮发生后前4天跟踪,最终被组合成一个寒潮路径。

3.东亚寒潮的一般特征

如上所述,大气环流模式与东亚寒潮有许多相关的研究(如Lau and Lau 1984;Boyie 1986; Boyle and Chen 1987; Zhang et al. 1997; Chen et al. 2002; Jeong and Ho 2005; Park et al. 2008)。在确定AO对寒潮强度的影响之前,先对寒潮的一般特征进行了总结,为后期寒潮分析提供了背景。

图2为选取的332个寒潮的SLP、SAT、500-hPa Z、300-hPa纬向风的模式及其异常情况。由于寒潮是东亚冬季季风内最显著的瞬时扰动(Zhang et al. 1997),图中所示的大尺度环流特征与强冬季季风的环流特征基本相似(见图1和图6; Li and Yang 2010)。在500-hPa和300hPa纬向风异常场中,寒潮与上层天气波序列的连接出现异常。SLP场的特征是(图2)西伯利亚高压中心气压和阿留申低压高于1040hPa,低于1004 hPa。(图1和图2a中的框表示用于定义寒潮的区域,其中的值为海平面气压达到最大)。异常SLP值形成高压下的反气旋—气旋对,在阿留申低压的西南方附近形成日本低压对气旋对(Lau and Rus 1984)向东亚的寒潮入侵降低了SAT,并增加了大区域的经向SAT梯度(图2b)。寒潮异常一班发生在东亚和欧亚大陆东北部近60°N处。图2c,d靠近东海岸的对流层深槽是东亚的一部分,增强东亚地区急流。500hPa Z和的异常300hPa纬向风具有波列特征异常气旋(对流层槽)和强纬向风位于东亚上空。在Jhun and Lee (2004), 500hPa和300hPa纬向风呈现异常波列特征,东亚上空存在异常气旋(对流层槽)和强纬向风。这些大气环流特征与强斜压条件有关,导致强寒潮天气过程的产生(Yiboe,1986)。

图2综合总数(等值线)及其异常(阴影;95%置信水平下的显著值(a) SLP、(b) SAT、(c) 500hPa位

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