平流层爆发性增温事件爆发前的对流层前兆信号——阻塞高压事件的分析外文翻译资料

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平流层爆发性增温事件爆发前的对流层前兆信号——阻塞高压事件的分析

O. Martius,¹ L. M. Polvani,²和H. C. Davies¹

1 大气与气候科学研究所, 苏黎世联邦理工学院, 苏黎世, 瑞士

2 应用物理与应用数学系和地球与环境科学系, 哥伦比亚大学, 纽约, 纽约, 美国

摘要：目前，隆冬时期平流层强爆发性增温（SSW）事件发生的主要原因还不明确。本文发现在1957-2001年期间，利用ERA-40再分析资料数据集客观识别出的27个事件之中，有25个都是以对流层的阻塞高压作为前兆信号。SSW事件和在其之前发生的对流层阻高的空间特征之间存在密切的关系。极涡位移型事件的前兆信号一般会是发生在大西洋地区的阻高事件，而极涡分裂型事件的前兆信号则是发生在太平洋区域或者在两大洋地区同时发生的阻高事件。发生在SSW事件之前的阻塞高压的地理分布差异反映在行星波形势中，并且这种形势是造成这两种类型增温事件差别的主要原因。本文的研究表明对流层阻塞高压在确定增温发生和增温类型时发挥了重要的作用。

1. 引言

爆发性增温事件(SSW)和阻高事件是大气环流中的两个重要事件。它们相对于纬向基本气流都有大幅度的偏离，并且它们发生的时间尺度要比典型的天气气旋的时间尺度大，因此，它们对于增加可预测性来说至关重要。本文中，我们发现，虽然这两个现象发生在不同的气压层中，但是它们的关系可能比我们之前所认为的要更加紧密。

在平流层中，SSW是冬季极涡的大幅扰动，极地上方的高位涡（PV）储层，要么移到赤道，被切断成逗号状（极涡位移型事件），要么被撕裂成两个不同的部分（极涡分裂型事件）（Charlton和Polvani，2007）。最多在极涡崩溃后的两个月内，这两种类型的事件可能会对平流层臭氧分布（Ghazi，1974）和地面天气演变产生重大影响（Baldwin和Dunkerton，2001）。

在对流层中，阻高事件严重破坏了中高纬度对流层顶绕极的急流，该急流要么向对流层顶异常低的PV（正高度）的阻高中心偏移，要么在此周围分裂。这种持续时间较长的，准静止的相当正压结构在地面上表现为一个直接影响地面天气形势的地面高压系统（Rex，1950）。

至今，大多数关于这两种现象之间联系的研究都是基于对个别事件的案例。例如，在早期的研究中，Julian和Labitzke（1965）发现高纬度对流层阻高使1963年1月的增温事件提前了大约5至10天，并且这个阻高能够维持到平流层气旋崩溃后（Labitzke，1965）。后来的观测结果表明两种现象之间可能存在一种双向的内部作用：阻高可能充当垂直传播的行星波的触发事件，而该行星波则引发了SSW事件（Orsquo; Neill和Taylor，1979），随后伴随着SSW事件的平流层扰动气流将有利于阻高的维持（Woollings和Hoskins，2008）。较快的自下向上的分量对数值天气预测具有重要的意义（Mukougawa和Hirooka，2004），而较慢的自上而下的分量则会影响扩展的范围和季节性预报（Baldwin等，2003）。

本文只关注这种关系的第一部分，即自下而上的大气阻高的前兆作用。本文利用了新的SSW事件（Charlton和Polvani，2007）和阻高（Croci-Maspoli等，2007）的多年气候态的数据，使在研究阻高对SSW事件的前兆作用时有更多的样本（Quiroz，1986）。结果表明，近四十年中几乎所有的SSW事件都发生在阻高事件之后，SSW事件的类型与先前的阻高的地理特征之间高度相关。

2. 数据和方法

本文所有分析都基于ERA-40再分析资料数据集（Uppala等，2005），将该数据集插值到时间间隔为6小时的1°高斯网格上。Croci-Maspoli等人（2007）的阻塞数据集涵盖了1957-2001年期间的数据，并且使用了Schwierz等人（2004）开发的基于PV的算法。本文分析时用到了两个阻高气候态：一种包含持续超过5天的阻高，另一种包含持续超过10天的阻高。除非另有说明，否则将不会变化，并且下文中的所有结果都基于持续5天以上的阻高气候态。

Charlton和Polvani（2007）将ERA-40 SSW事件分为位移型(D)和分裂型(S)事件，并构建了阻高合成。我们只使用了与阻高气候态变化同时期的SSW事件（所有事件的列表参见表1），并在SSW事件前10天内进行合成分析。用Monte Carlo方法检验这种合成情况关于气候状态的统计显著性，这种方法就是将该合成场与300个随机合成场进行比较，这些随机合成场考虑了原始合成中个别事件的季节分布。我们可以根据Martius等人（2006）在附录中详细描述的Monte Carlo方法来确定位移型事件与分裂型事件合成情况之间差异的统计显著性。对行星波1波、2波的高度场合成，首先在每个时间点上对行星波进行沿纬向的傅里叶分解，然后对这些场进行平均。

这种合成方法有利于突出所有SSW事件的共同特征，同时忽略那些只与少数个例相关的特征。值得注意的是这种通过合成方法得到的信号因为几个因素而被削弱了。首先，SSW事件在时间演变和空间结构方面展现出一种重要的个例间的差异性。其次，在一些个例中，分裂型事件和位移事件的区别并不清晰；事件的日期和明确了事件（分裂型和位移型）特征的时间是可以不同的。

3. 结果

表1列出了在本次研究中使用到的SSW事件，我们还列出了是否在每一个事件之前都有对流层顶的大气阻塞，以及各个阻塞都是位于哪一个地区的。从表1中我们可以得出两个事实。第一，几乎所有的SSW事件之前都有大气阻塞高压发生，对于两个例外事件，对流层气流在SSW事件之前受到了剧烈的扰动（虽然Croci-Maspoli等人（2007）认为并没有阻塞）。尤其是在1987年12月对流层顶气流的特征是：在SSW事件发生的10天前中亚地区就有一个大型脊，在SSW事件发生前的6到2天，西大西洋有一个短期脊；在2000年3月的SSW事件发生之前，阿拉斯加地区有一个类似阻塞的短暂的大型高纬度脊，并且一直延伸至北极。

表1平流层爆发性增温事件爆发前10天的对流层阻高的地理分布

第二，在不同的SSW事件前发生的阻高的空间分布具有显著的差异。大多数发生在位移型事件之前的阻高是位于大西洋地区，而分裂型事件之前的阻塞则主要是发生在太平洋或者是在太平洋和大西洋同时发生。

3.1阻高合成分析

图1所示的合成分析结果证实并阐明了这些发现，同时基于表1中分析的事件确保合成信号不仅仅是被少数几个事件所影响。阻高的合成频率在位移型和分裂型事件中有很大的差异。

图1. 极涡位移型（左）和分裂型（右）平流层爆发性增温事件爆发前10天阻高频率合成图，阴影表示在该时期内每个格点上阻高被识别出的时间分数

在位移型事件之前的阻高主要发生在沿大西洋风暴轨迹的大西洋地区，频率最大的地区是格陵兰岛以东和斯堪的纳维亚半岛。斯堪的纳维亚半岛和东北太平洋地区为气候学统计显著性地区（有95%的置信水平，双边），其中斯堪的纳维亚半岛的频率超过了气候样本，而东北太平洋频率明显低于气候样本（未显示）。

另一方面，大多数先于分裂型事件的阻高是发生在太平洋地区，其中频率最大值沿太平洋风暴轨迹、东太平洋和阿拉斯加分布。在格陵兰岛以西的大西洋地区中有一个次大值。相对于气候分布，最大频率都不是异常的。早期的合成（20到10天）产生了一种非常相似的情形。早期在格陵兰岛以南和太平洋东北部有一些对气候学具有统计意义的小区域。

对于所有的阻高频发区，两种合成之间的差异非常显著，超过99%的置信水平。这些阻塞频率的差异反映在对流层顶的水平急流中：在大西洋地区和东太平洋发现了异常低的PV值（正高度异常）。这些异常现象与急流位置和强度的变化有关。在振幅方面，东太平洋地区的差异最大（未显示）。

在早期的一项研究中，Quiroz（1986）提出长期的阻高是触发SSW事件最有效的条件。为了研究这个观点，我们用持续时间超过10天的阻高（而不是5天）来重复以上的分析。我们发现，这些长期阻高的合成分析产生了与图1中相同的空间模式，但却具有较低的阻塞频率。在位移型事件之前，长期阻高构成了约50%的大西洋阻塞信号，这种阻塞的频率大大超过了斯堪的纳维亚半岛的气候分布。同样，在分裂事件之前，超过60%的东太平洋最大阻塞频率可归因于长期阻塞。因此我们得出结论，虽然阻塞持续时间在某种程度上来说很重要，但它并不是阻高和SSW之间正相关的主导因素。

3.2行星波合成分析

通过检测纬向波数为1和2并伴随阻塞事件的行星波，建立了上述前兆式阻高与其后SSW事件之间的动力关系。在图2中，我们分别给出了位移型和分裂型SSW事件之前高度场中的1波、2波的合成信号。行星波合成后的结构与之前所提到的个例相同（Quiroz，1986），在500-10 hPa 之间，1波随高度向西倾斜约180°，2波更多的是表现出正压结构，在位移型事件合成中向西倾斜约90°，而在分裂型事件合成中仅为45°。行星波信号随高度变化的振幅同样典型。对于位移型合成，1波振幅很大，但2波几乎没有。对于分裂合成，1波和2波都表现出很大的振幅，2波大概是100 hpa，1波略高于该高度；这表示1波和2波都有利于这些变暖事件。

图2. 极涡位移型事件（上）和极涡分裂事件（下）爆发前十天位势高度场合成图。蓝色表示纬向波数为1，红色表示波数为2，从左到右依次是500，200，100，50和10 hPa。等值线表示：100，130，160，190，220，250，300，400，500，600，700，800和900位势米，实线表示正值。灰色阴影表示图1中阻高频率大于0.4。

通过研究行星波与对应的大气阻高的相对空间位置，很容易将它们联系起来。对于分裂事件，在较低的气压层上2波的正波峰与太平洋阻塞最大值之间存在近乎完美的配置。另外，对于分裂事件，阻塞区域的相对位置和两个不同程度向西倾斜的波动的坡度一起导致了平流层上部1波和2波的积极影响，从而导致了气旋的分裂。

对于位移型事件，在200 hPa上存在正波峰和阻高频率最大值的重叠。必须补充的是，最大阻塞振幅大约在200 hPa 上（Schwierz等，2004），并且阻塞呈现出近似正压结构（Schwierz等，2004；Orsquo;Neill等，1994）。

与气候静止行星波相关的阻高的地理位置（即定相）非常重要。在位移型事件中，作为西太平洋气候平均气流特征的正PV（负高度）异常对于1波的信号有重要影响。因此，大西洋中正PV异常和负PV（阻塞）异常之间存在的大约180°的正向位相对转换1波的信号有建设性的作用。恰恰相反的是在东太平洋地区位相转换约为90°的阻高对2波有利，若没有则对2波有利。因此，在确定1波和2波的振幅时，关于静止行星波形势的阻高位置是非常重要的。

3.3热通量合成分析

最后，在SSW事件之前的阻高持续时期，我们检测了Eliassen Palm通量异常的垂直分量，从而进一步阐明阻塞与对流层顶水平波强迫之间的关系。在分裂和位移型事件之前，北半球（45N-75N）的平均热通量异常往往是正值（Polvani和Waugh，2004）。

在SSW事件前的阻塞时期的热通量异常的概率分布函数比与SSW事件无关的阻塞事件具有更大的正振幅。值得注意的是，这两种类型的阻塞之间的热通量差异在500 hPa 时不明显，但却随着高度的增加而大幅度增加，在100 hPa 时就有非常清晰的信号了（未显示）。这与图2中所展示的结果一致，500 hPa 时振幅相对较小的行星波到了100 hPa 振幅会逐渐扩大。

4. 讨论

本研究基于ERA-40再分析数据集，揭示了强SSW事件和阻高之间显著的联系，前者几乎总是在后者之后。针对极涡位移型和极涡分裂型SSW事件的合成分析表明，位移型事件与北大西洋东部的阻高事件有关，分裂型事件与北太平洋东部的阻高事件或同时出现在北太平洋东部和北大西洋的阻高事件有关。

对SSW事件之前行星波1波（m=1）和2波（m=2）的位势高度信号的合成分析表明，行星波的触发、对流层上层的纵向位相以及阻高有明显的联系，另外，还暗示m=1和m=2波对位移型和分裂型事件的发生具有相应的影响作用。

这些结果可能很难与Taguchi（2008）最近的研究观点一致，他认为SSW事件和对流层阻高之间并没有统计学意义上的关系。然而，这并不奇怪，值得注意的是，他们的研究中的大多数分析都是使用500 hPa 的高度场。如本文分析所见（图2），这个层次的波幅非常弱，需要在200 hPa 或更高层次的波幅才能发现清晰的信号。

如何利用大气阻高的前兆作用来增强SSW事件的可预测性?为了回答这个问题，首先要探讨阻高之后的SSW事件的频率，以及SSW事件前的阻高的特性是否能将它们与和SSW事件无关的阻高区分开来。我们使用的气候学资料包含了11月到4月之间的782个阻塞事件：这些事件中，只有52个发生在SSW事件之前的10天内。因此，尽管有很强的迹象表明阻高可以对平流层的环流产生重大影响，但事实上，很多阻高之后并没有SSW事件。

其中的原因并不难发现。首先，我们在这里只考虑了隆冬时期的强SSW事件。平流层基本气流会被阻塞区域规律发射的波所干扰，但大多数时候这些扰动的振幅没有达到足够大的程度从而诱发SSW事件。其次，平流层中预先存在的气流结构可能对行星波的传播产生重要的影响（Davies，1981；McIntyre，1982），另外这种波动（当由一个阻高触发时）将会影响极涡。因此，阻塞气流可能是发生SSW事件的必要但不充分的条件。

综上所述，本次研究的结果一方面强调了平流层强爆发性增温事件与

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