夏季東亞副熱帶西風急流特征指數表征方法對比分析

閆彩霞, 金榮花

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.國家氣象中心,北京100081)

0 引言

在南、北半球副熱帶地區對流層上部各存在著一支強而窄的高速氣流帶,稱之為副熱帶西風急流,其位置的南北移動以及強度的異常可以引起大范圍的環流異常,進而導致中國乃至東亞地區天氣氣候異常,與東亞大氣環流的季節轉換、亞洲夏季風的爆發、中國東部地區夏季降水等有著密切的聯系[1-8]。因此,東亞副熱帶西風急流監測與分析在預報預測中至關重要。在中國的預測預報業務中,建立了東亞夏季風、西太平洋副熱帶高壓以及歐亞阻塞高壓等重要大型環流系統的監測指標[9],但是,過去受高空資料質量和數值模式性能的限制,對東亞副熱帶急流及其物理機制的認識還比較局限,尚未能建立東亞副熱帶急流監測指標。近些年,隨著大氣科學研究向三維結構更深入更細致方向發展,東亞副熱帶急流已經成為普遍關注的重要系統,為實時獲取系統的、規范的東亞副熱帶急流的長序列資料,滿足業務監測和科學研究的需要,建立東亞副熱帶急流的監測指標是目前迫切需要解決的問題。

以客觀、定量和自動方式實現對東亞副熱帶急流的監測,首先要研究東亞副熱帶急流各種特征參數的表征方法。以往研究工作中,提出了很多表征副熱帶急流的方法[10-20],但是,研究的目的和分析的角度不同,所構造的方法各不相同,應用于業務存在局限性。因此有必要對以往東亞副熱帶西風急流客觀定量表征方法進行系統分析和客觀評價,并通過分析指出以往各種客觀定量化表征西風急流的方法的優點與適用范圍,以期為科研工作者和業務技術人員合理應用東亞副熱帶急流指數提供參考,論文通過總結歸納以往研究工作中的東亞副熱帶急流特征參數表征方法,基于各種方法的性能分析結果,結合東亞副熱帶急流特征及其對中國降水的影響,對比分析東亞副熱帶急流特征參數表征方法的優缺點,為實現對東亞副熱帶急流的客觀實時監測和診斷分析提供參考和依據。

1 資料與個例說明

分析所使用資料為NCEP/NCAR逐日再分析等壓面資料,要素為200hPa水平緯向風和水平經向風,水平分辨率為2.5°×2.5°,序列長度為1960～2009年。國家氣象信息中心提供中國714站20時(北京時)日降水量資料,文中采用Cressman方法將降水量插值到1°×1°網格,序列長度為1960～2009年。

為了便于比較,在對各種東亞副熱帶急流客觀定量表征方法進行數值反演時,研究時間統一定為夏季6～8月,2005年降雨量接近常年同期或偏多,西風急流北跳時間顯著,對雨帶推移有較大影響[21]。2005年天氣實況分析表明中國東部地區三次降水帶北進較為顯著,因此選擇2005年作為逐日演變分析個例,季節尺度年際變化分析序列統一為1960～2009年。以往研究工作中提出了很多客觀定量表征東亞副熱帶急流的方法,按照其功能劃分主要有位置、強度兩類特征參數。下面對原作者的方法逐一介紹,并進行反演和性能分析。

2 位置參數

位置參數是用以描述副熱帶西風急流位置移動的參數,其演變主要反映在急流位置南北移動變化上,以往客觀定量表征方法歸納為3種。

2.1 軸線法

況雪源等[10]采用200hPa等壓面上(70°E～120°E,30°N～50°N)區域內最大西風所在緯度的平均值表示東亞副熱帶急流的位置,用參數 A1表示。黃安麗等[11]采用動力學方法分析對流層高、低空急流耦合作用時,確定以105°E～145°E,45°N 以南作為統計區,300hPa等壓面上風速值大于30m·s-1的地區作為高空急流區,用高空急流區風速最大值位置表示東亞副熱帶急流的位置,用參數 A2表示。如圖1所示采用急流軸線方法,計算了2005年6～8月急流位置變化(圖2)及指數與同期東部地區夏季主要降水中心位置(100°E～130°E)的關系,對比結果,A1方法采用了更符合經典的東亞副熱帶急流定義的200hPa等壓面資料,能夠準確描述夏季急流位置的南北變化。指數與中心雨帶位置相關系數達0.52,能較好地反映急流對雨帶南北移動的影響,定義合理且有明確的物理意義,方法簡單易行、意義清晰、表現直觀,適用于逐日實時監測和診斷分析。但是,由于采用統計區內各經度上最大西風的位置平均來表征急流軸位置,對于南北兩支西風急流并存并且北支強于南支情況,對于盛夏(春季)急流軸北抬(南落)至統計區以北(以南)的情形,如2005年7月19日,該參數無法捕捉到真實信息。A2指數變化趨勢跟雨帶位置移動具有較好的一致性,五點滑動平均后相關系數達0.56,呈現顯著的相關,方法簡單易行、意義清晰,對中國東部地區降水位置的南北移動具有較好的指示意義。但是此方法采用的副熱帶西風急流為300hPa層面上,與經典高空急流定義不相符合。

由于海陸分布不均及青藏高原的影響,急流軸的季節變化具有東西向的不一致性[10]。兩種定義所選擇的急流軸關鍵區不同,A1方法確定的關鍵區主要位于中國中西部,A2方法選擇區域側重于中國東部地區(江淮地區),2個指數相同點在于對急流表示本質上都采用急流最大風速代表的軸線表示。

圖1 軸線法表征的東亞副熱帶西風急流軸位置參數與同期中國東部降水帶位置演變(參數A1、A2,多年平均位置以及降水中心位置逐日演變,單位:緯度)

圖2 2005年7月19日200hPa緯向風等值線(單位:m·s-1)

2.2 EOF分解法

劉飛等[12]對1958～2000年43年東亞地區夏季200hPa緯向風場進行了EOF分解,第一特征向量反映西風急流繞夏季平均急流軸的南北變動,因此定義第一模態對應的標準化時間系數為東亞夏季副熱帶急流位置參數。況雪源等[13]同樣采用此方法對北半球冬季副熱帶西風急流指數進行了定義及探討,結果表明此指數對副熱帶西風急流變動有較好的指示意義,并與長江中下游地區降水相關最為顯著。故以劉飛方法為代表,用參數 A3表示。

2.3 區域風速差法

廖清海等[14]根據東亞地區急流月平均位置的方差分布,選取各月南北兩個活動中心對應的正規化的200hPa緯向風的差作為當月東亞副熱帶西風急流指數,并以此獲得東亞地區夏季(6～8月)對應的副熱帶急流位置參數。楊蓮梅等[15]和Lin等[16]均采用指定范圍內,西風急流氣候平均位置南北各5°或10°的兩個區域內的200hPa緯向風的差反映東亞西風急流位置,正(負)值表明東亞西風急流偏南(北)。Liang等[17]對冬季200hPa緯向風場進行EOF分解,第一模態呈現出南北不同性質的正負中心結構,在30°N以北是正值中心,中心范圍為(100°E ～ 130°E,30°N ～ 40°N),以南是負值中心,中心范圍為(90°E ～ 120°E,10°N ～ 25°N),因此定義南北活動中心的緯向風距平的標準化值相減,正(負)值表明東亞西風急流偏南(北)。以廖清海方法為代表,用參數 A4表示。

采用上述2種急流位置參數表征方法,以1960～2009年6～8月平均為例進行了西風急流夏季平均位置逐年參數數值反演(圖3-圖6),對比兩種方法性能發現:2種參數的優點在于抓住了西風急流典型分布形式的時間變化特征,定性表示出西風急流位置較平均態偏南或偏北特征,對于氣候評估和診斷季節內副熱帶急流的位置特征不失為好方法。但是,不能用以定量形式給出急流軸具體位置,此外,這兩種方法對統計區域比較敏感,區域變化將可能導致結果發生較大變化。從圖5,圖6兩種指數與降水的關系圖中可以看出 A3方法與長江中下游地區降水呈顯著的負相關,最高相關系數達-0.53,與華北東南沿海地區降水呈現顯著的正相關,通過0.01顯著性水平檢驗。A4指數指示意義與 A3正好相反,與長江中下游地區降水呈現顯著正相關,但相關性不如 A3方法顯著。因此在對降水的指示作用方面 A3方法更勝一籌。東亞副熱帶西風急流位置參數綜合對比分析結果見表1。

考慮兩種方法的優點,技術規避缺點,建議使用此種方法時,構造指數如下:可采用EOF分解,得出夏季西風急流活動評價位置的南北中心,用兩中心緯向風的差作為當月東亞副熱帶西風急流指數。

圖3 參數 A3表征的東亞副熱帶急流位置參數的演變情況

圖4 表征的東亞副熱帶急流位置參數的演變情況

圖5 參數 A3表征的演變情況與中國夏季同期降水的相關

圖6 參數 A4表征的演變情況與中國夏季同期降水的相關

2.4 位置指數綜合對比分析

表1給出了上述3種方法的主要特征、分析尺度及適用范圍,由表可見,表征位置指數的方法主要有軸線法、EOF分解法以及區域風速差法。實況反演及降水相關分析結果表明,急流軸線法能較好地反映急流的經向移動,與中國東部雨帶進退有較為一致的對應關系,定義合理且有明確的物理意義,方法簡單易行、意義清晰、表現直觀,適用于逐日實時監測和診斷分析。EOF分解法與區域風速差法抓住了西風急流典型分布形式的時間變化特征,定性表示出西風急流位置較平均態偏南或偏北特征,對于氣候評估和診斷季節內副熱帶急流的位置特征不失為好方法;方法分析尺度不同,適用范圍不同,研究者應根據研究需要,恰當的進行選擇。

表1 東亞副熱帶西風急流位置參數表征方法比較

3 強度參數

強度參數是表征東亞副熱帶西風急流強度的特征量,急流強弱反映在雨量大小上,其客觀定量表征方法歸納為兩種。

3.1 區域風速法

史有瑜等[18]定義200hPa等壓面上給定區域內(30°N～50°N,90°E～110°E)緯向風速的區域平均值為西風強度指數。楊蓮梅等[15]也采用同樣的方法,給定區域選為(30°N～45°N,100°E～140°E),并對區域平均的 200hPa緯向風之和進行標準化處理。Yang等[19]通過統計分析1968～2000年冬季東亞副熱帶西風急流極大值的位置、頻次和平均值,得出西風急流核通常位于(30°N～35°N,130°E～160°E)區域,所以定義冬季西風急流強度參數為該區域緯向風值的平均值。毛睿等[20]統計各年冬季緯向風極大值的出現范圍,范圍為(30°N～35°N,127.5°E～155°E),因此定義西風急流強度參數為這個區域冬季200hPa緯向風平均值的標準化值。

上述方法均采用區域平均風速來表示急流強度,以2005年6～8月為例,對急流強度參數B1進行逐日數值反演,為進一步驗證強度指標對于降水監測的意義,計算了該指數與同期中國降水的相關,結果如圖7-圖9所示:6～8月區域急流強度圍繞多年平均值呈先減小后上升的趨勢,7月急流強度最弱,8月次之,6月最強,基本趨勢符合急流變化規律。指數與長江中下游地區降水及華北地區降水有顯著的相關,均通過0.01信度檢驗。對降水的指示意義較好。從參數B1的物理意義上看,區域平均西風風速的變化,與所選取的區域關系密切,與區域內是否存在大于30m·s-1的急流中心范圍有密切聯系。例如2005年4月13日東亞副熱帶急流中心區有一半面積落在統計區域(30°N～50°N,90°E～110°E)之外,此種情況下用區域西風平均并不能真正反映東亞副熱帶急流的強度。不同范圍的選擇結果有很大的不同。(如何選擇范圍)關鍵區的選擇與所研究的區域有很大的關系,選擇不當,則不能準確捕捉急流的主要特征,因此在實際應用中,要針對研究的區域準確的選擇急流強度關鍵區,方能取得滿意的結果。

圖7 2005年與相應多年平均6～8月急流強度參數逐日演變

圖8 演變與同期中國夏季降水相關

3.2 中心強度法

譚杰麗等[3]選取200 hPa上30m·s-1風速作為副熱帶急流特征風速值,大于30m·s-1特征風速值區域為急流中心范圍,針對區域(20°N ～ 60°N,90°E ～ 150°W)定義了 2 種急流中心強度,一種是急流中心絕對強度,即急流中心范圍內所有格點的風速值與特征風速值的差值之和;另一種是急流相對強度,即急流中心范圍內所有格點的風速值與特征風速值的差值之和與急流面積之比。急流面積為急流中心范圍內大于特征風速值的格點總數。分析指出,東亞副熱帶急流的中心強度、絕對強度和相對強度的變化具有一致性,體現了急流強度風速變化的整體性和一致性。急流絕對強度參數用B2表示,急流相對強度參數用B3表示。

以2005年6～8月為例,對急流強度參數B2和B3進行逐日數值反演,并對結果進行標準化處理,結果如圖10～11所示。B2、B3指數呈先快速減小后緩慢增加的趨勢,與多年同期相比變化幅度不同,B2指數強度下降趨勢比B3要緩慢得多。這是2種方法的物理含義不同造成的,反映了2種方法的不同特性。從與降水的相關分布上來看,急流絕對強度參數B2和急流相對強度參數B3均能反映實際狀況,具有客觀定量、計算簡便、物理意義清晰、表現直觀等特點。絕對強度參數表征急流的整體絕對強度,與急流面積有關;相對強度參數表征急流的平均狀況,消除了面積大小的影響,兩者僅是物理含義不同,性能上不具有可比性。

圖9 2005年4月13日200hPa緯向風等值線(單位:m·s-1)

圖10 2005年與相應多年平均6～8月急流強度參數逐日演變

圖11 各參數與中國夏季降水相關

3.3 強度指數綜合對比分析

表2給出了上述3種方法的主要特征、分析尺度及適用范圍,由表可見,表征急流強度的3種方法均適應于逐日實時監測與環流觀測,區域風速法適用于研究特定區域內急流強度,關鍵在于選取急流活動影響的關鍵區。絕對強度參數表征急流的整體絕對強度,與急流面積有關。相對強度參數表征急流的平均狀況,消除了面積大小的影響,兩者僅是物理含義不同,性能上不具有可比性。參數物理意義不同,主要特征不同,研究者應根據研究需要,恰當的進行選擇。

表2 東亞副熱帶西風急流強度參數表征方法比較

4 結論與討論

如何客觀定量表征東亞副熱帶急流是目前科研和業務領域迫切需要解決的問題,論文總結歸納了以往的東亞副熱帶急流客觀定量表征方法,基于對各種方法的性能分析結果,結合東亞副熱帶急流特征及其對中國夏季降水的影響,研究了東亞副熱帶西風急流軸位置、急流強度特征參數的客觀定量表征方法。利用NCEP/NCAR再分析資料,以2005年6～8月為例,實現各種方法的數值反演和性能分析,得出以下結論和有待進一步討論的問題:

(1)定義位置指數的方法主要有軸線法、EOF分解法及區域風速差法。軸線法定義合理且有明確的物理意義,方法簡單易行、意義清晰、表現直觀,適用于逐日實時監測和診斷分析。EOF分解法與區域風速差法適用于氣候評估和季節診斷;表征急流強度的方法主要有區域風速法及中心強度法,均適應于逐日實時監測與環流觀測,對華北地區及長江中下游雨量多寡有較好的指示意義,方法計算簡便、意義清晰、指示性好。每一種指數都有側重點,定義的方法有各自的優點和局限性,在實際應用中,依據研究的目的和分析的角度,采用適當的方法,才能取得比較滿意的效果。

(2)由于影響氣候短期變化的因子眾多,且期間又有復雜的相互作用,而目前尚未對其中任何一個因子的詳細物理過程及其影響有明晰的認識,因此僅以某種標準或公式的客觀方法實現對變化多樣的東亞副熱帶西風急流的表征是極其困難的,在實際的預報過程中,要綜合考慮各種氣象條件的因素,根據實際情況合理恰當的選擇副熱帶西風急流指數,以做出較為準確的預報。

下一步將利用在上述指數對東亞副熱帶急流與中國東部主要雨季的關系作統計分析,并研究這種對應關系通過何種機理影響中國東部夏季降水,希望研究成果能夠深化對東亞副熱帶急流的認識,豐富中國東部夏季降水的中期預報提供理論基礎。數值試驗基于2005年6～8月時段,由于不同年份間的副熱帶西風活動存在年際差異,1年時段試驗對比結果是否有普遍性尚待驗證。

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