北半球平流層高層極渦變化特征的模擬研究

劉春艷，齊 浩，韓學亮

(天津市北辰區氣象局 天津300400)

0 引 言

極渦的位置以及強弱的變化與歐亞大陸的冷空氣活動有著密切聯系，位于極地區域附近以及西伯利亞地區的冷源區域對我國的氣溫和降水也有著直接影響，并且平流層與對流層間的物質交換過程也主要發生在極區。極區的氣溫變率較大，能夠引起北半球經向的溫度梯度變化，進而造成南北的熱力差異變化，影響中低緯的氣候變化。由此可知，極區對于氣候的變化有著至關重要的影響。氣候是人類生存、活動的自然環境和所依賴的自然資源的一部分[1]，我們應該更加關注極區溫度場和高度場的變化，而極渦的活動是最能夠體現出極區溫度場和高度場變化的。三圈環流中的極地環流、北大西洋濤動(NAO)以及北極濤動(AO)[2]都夠體現出高緯環流在大氣環流系統中的重要性。極渦與北大西洋濤動和北極濤動間的相互關系密切，極渦與北極濤動都是以極地為中心活動，極渦的變化可以很大程度上反應出北極濤動的變化，因此對極渦的研究可以加深對大氣環流機理的了解。

北極極渦是影響我國氣候變化的主要系統之一，其強度及面積大小的變化必然導致環流的異常，具體表現在對氣溫及降水的影響[3]，它的形成和強度直接決定極地大氣環流和極地環境的變化[4]。孫蘭濤等[5]曾在論述中指出了北極極渦對天氣、氣候以及生態環境均有顯著影響，大氣環流的異常對我國氣候變化有顯著的影響[6]，極渦的擺動與強度變化直接和全球氣候變化有著密切的關系。

平流層高層的極渦振蕩信號提前于平流層低層和對流層的振蕩信號，有自上而下的傳播趨勢，平流層異常環流首先發生在50km以上的高空，然后向下輸送到平流層下層和對流層中上層，對流層天氣系統隨之出現相應的異常，可見平流層高層極渦的重要性。然而，近幾年來國內幾乎只考慮到 500hPa、300hPa極渦對我國各地氣溫[7-8]、降水[9]、月平均高度場[10]、時空變化特征[11]，甚至沙塵暴[12]的作用，缺乏對平流層高層極渦特征及其與中間層大氣間相互作用的研究。事實上北半球極渦是一個深厚系統，垂直范圍可從對流層中層一直到達平流層高層，因此對平流層高層極渦進行系統分析是非常必要的。同時由于對極渦的模擬要求數值模式大氣上界較高，目前很多數值模式不能滿足此要求，所以采用包含完整平流層的譜元大氣模式[13]來對平流層高層極渦進行模擬研究。

1 資料與方法

1.1 模式介紹

本文采用SEMANS(Spectral Element Model with Atmospheric Near Space resolved)模式，利用譜元方法求解，采用立方體球面投影坐標，將每個投影面分解為 81個局地元，利用 8次 GLL(Gauss-Lobatto-Legendre)插值多項式用于離散方程中的變量。下邊界條件和模式初始值的數據均來自 ERA-Interim數據集，其物理過程中深對流方案采用 Zhang和McFarlane方案[13]，淺對流方案采用 Park和Bretherton方案[14]，邊界層參數化采用非局部擴散方案[15]。陸地上近地表通量用 Monin-Obukhov的相似理論計算，在海水和海冰上的通量用整體公式計算。高度在 60km 以下時，太陽輻射用 δ-Eddington近似[16]計算，熱輻射用 Ramanathan等的方案[17]計算。模式大氣在鉛直方向分為 66層，大氣頂部氣壓為4.5×10-6hPa。初始值為格林尼治標準時間 1989年1月1日的0時0分0秒。模式模擬時長為20a，模式結果的保存方式為月平均。

1.2 采用的數據集

NCEP/NCAR的 20a(1989年 1月～2008年12月)垂直層次共 17層位勢高度場的月平均再分析資料，空間分辨率為 2.5°×2.5°。歐洲中期預報中心(ECMWF)20a(1989年1月～2008年12月)月平均ERA-Interim 再分析資料，由地面至平流層頂附近，空間分辨率為 1.5°×1.5°。

1.3 方法介紹

美國標準大氣將平流層大氣分為上、中、下3層，10hPa是中平流層(10～70hPa)頂，由于在北半球極區范圍內，大氣分層相對應的氣壓偏高，如對流層頂平均為 300hPa，遠高于中低緯地區。故本文中10hPa就可以代表位于北極區域的平流層高層部分。

極渦面積計算時需要確定極渦南界特征等高線，整個北半球可以看成是極地渦旋與副熱帶高壓這兩大實體系統相互作用的結果。北半球極渦的最南界線定義在這兩個系統的交界線上，位于中緯度之間，能夠較好的貫穿中緯度西風急流的最大風速區(即經向位勢高度梯度最大的區域)，同時能夠體現中緯度大氣環流的基本特征，即在主西風帶等高線以北所包圍的面積為極渦的面積。按此標準，使用資料為NCEP/NCAR再分析資料：1989—2008年共 20a逐月全球 10hPa月平均等壓面位勢高度場格點資料，其空間分辨率為 Δλ× Δ?= 2.5° × 2.5°。

根據文獻[18]的定義，t年某月10hPa層極地渦旋的面積指數是：

式中：SI是由該年 10hPa月平均圖上特征等高線 f0圍成區域的面積；R為地球半徑，其值取6378km；?為極渦南界特征等高線與經度λi相交的緯度(i=1，2，3，…n)，n=144為沿經圈的經度序號，分別對應0°，2.5°E，5.0°E，…，5.0°W，2.5°W。

因為模式模擬結果的空間分辨率為 1.5°×1.5°，所以模擬結果中極地渦旋的面積指數公式為：

式中：n=240為沿經圈的經度序號，分別對應 0°，1.5°E，3.0°E，…，3.0°W，1.5°W。

各分區極渦的面積也可利用以上兩式子在一定范圍內得到，將極渦劃分為 4個區域 0°—1.5°E，90°E—180°E，180°E—90°W，90°W—0°進行討論，而本文采用國內常用的分區方法，即：Ⅰ區(60°—150°E)、Ⅱ(150°E—120°E)區、Ⅲ區(120°—30°W)、Ⅳ區(30°W—60°E)，這樣 4個分區就分別代表著亞洲大陸區、太平洋區、北美大陸區和大西洋歐洲區。

2 模式模擬結果檢驗

2.1 溫度場

圖1為位于北緯85°東經0°處的20a月平均溫度時間-空間的分布圖，高度范圍為 10～1hPa。模式能夠模擬出平流層高層中溫度隨高度的升高而上升，20a期間內冬季(1月)溫度變化幅度比夏季(7月)大。1月份 ERA-interim再分析資料場中溫度大值年為 1992、1995、1998、2000、2006 年，而模擬結果中的溫度大值年為 1991、1995、1997、2000、2004、2007年。與再分析資料中的溫度突變年份有很大的相似性，只是個別溫度突變年份有所提前，突變是相對穩定態的不連續跳躍，且相比 ERA-interim再分析資料位于 10～1hPa高度間的模擬溫度整體偏低。7月模式的模擬結果在 5～1hPa的平流層高層至中間層大氣高度上的模擬效果較好，而 10～5hPa間的溫度相比ERA-interim再分析資料整體偏低。

圖1 再分析月平均溫度時間—空間分布圖Fig.1 Distribution of mean temperature from ERA-Interim(upper)and SEMANS(lower)(1：1 month，2：July，Unit：℃)

2.2 風場

圖2為20a平均的位于180 °W～180 °E間的緯向風速緯度-高度剖面圖，高度范圍為 10～1hPa。模式可以較好地再現 1月份緯向風的分布特征，西風帶、東風帶以及風速的大值中心位置都與 ERA-interim再分析資料場一致。模擬結果中位于北半球貫穿10～1hPa的西風急流強度大于ERA-interim再分析資料場，風速可達到 60m/s；在赤道附近的東風強度小于 ERA-interim再分析資料場，中心風速為40m/s，而再分析資料場中能達到 50m/s，且東風帶的范圍要小于再分析資料場。

模式很好地再現了7月緯向風的緯向分布特征，西風帶、東風帶以及風速的大值中心的位置都與ERA-interim再分析資料場相似。模擬結果中位于南半球的西風急流的強度要小于 ERA-interim再分析資料場，中心風速為 80m/s，而再分析資料場中能達到 90m/s；模擬結果中位于赤道附近的東風帶的強度要大于ERA-interim再分析資料場。

3 極渦的變化特征

3.1 極渦面積

參考試驗模擬結果中北半球1989—2008年逐月10hPa平均位勢高度場以及風場的疊加圖(圖略)，可以將 20a平均逐月等壓面上的極渦南界特征等高線值分別列于表1中。

圖2 再分析月平均緯向風速的緯度—高度剖面圖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 平流層高層極渦的搜索區和特征等高線(A：反氣旋C：氣旋)Tab.1 Search area and features contour of polar vortex in upper stratosphere(A：anticyclone C：cyclone)

通過全面分析 20a北半球 10hPa逐月高度場，確定其搜索區為≥50°N 的區域。在搜索范圍內，通過分析可知極區環流系統在9月至次年4月為氣旋，6、7月為反氣旋；5月為春季環流由氣旋向反氣旋轉換的轉型期，8月為秋季環流由反氣旋向氣旋轉換的轉型期。由于轉型期為環流的過渡季，導致極區環流系統中氣旋和反氣旋的狀態因年而異，所以在此無法給出其完整的氣旋或反氣旋的環流指數。

表2 再分析資料和模擬結果的極渦面積以及誤差分析Tab.2 Polar vortex area and error analysis

表2分別列出了 NCEP再分析資料以及試驗模擬的 20a平均逐月極渦面積以及模擬結果與再分析資料間的相對誤差和絕對誤差。因為這兩組數據中氣旋與反氣旋的轉型期都不同，所以可以用來對比極渦面積的月份只有 1～3月和 9～12月，即初春以及秋季和冬季。雖然只有這 7個月份的數據，但還是能看出來極渦變化的特征呈現 1～3月增加，9～12月減小的趨勢，兩組數據均在 9月呈現最大值，分別為3.48和 3.36，并在冬季的不同月份呈現最小值。從誤差分析可以看出模式模擬結果能夠較好地反應出極渦面積指數的變化和大小。

3.2 極渦位置

因為極渦并不總是以北極點為中心的對稱繞極環流，所以各區極渦存在較大的差異[19]，多年平均各季節、各分區極渦面積占北半球極渦面積的百分比可以大致反映出極渦偏向某個區域，即極渦位置。圖3為試驗模擬的平流層高層各分區極渦在各季中占全區極渦總面積的百分比。冬季，Ⅰ區面積比例最大，Ⅱ區和Ⅲ區面積相當，表明模式模擬出的平流層高層極渦在冬季稍偏向亞洲大陸區；春季，Ⅰ區比例呈現出明顯的增長，而Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區比例相當，表明在春季極渦位置向亞洲大陸區顯著移動，呈現出明顯的偏心結構；夏季，4個區域的比例相當，說明位于平流層高層的極渦在夏季表現為繞極的環流；秋季，Ⅰ區面積比例增大，Ⅱ區和Ⅳ區面積相當，表明平流層高層極渦在秋季又恢復了偏向亞洲大陸區的狀態。由此可見，試驗模擬結果中，冬季、春季和冬季位于平流層高層的極渦都偏向I區即亞洲大陸區，只在夏季出現了繞極環流。

圖3 各分區多年平均極渦面積占全區極渦總面積的百分比(單位：%)Fig.3 Percentage of district polar vortex area in total area (Unit：%)

3.3 平流層高層極渦的變化特征

為了更好的說明極渦變化特征，以及各層次極渦間的相互影響，在此選取平流層高層 5hPa和10hPa，以及中間層 1hPa的各層極渦面積進行逐月演變特征分析。表3列出了以上 3層逐月等壓面上極渦南界特征等高線的值。

表3 1hPa、5hPa、10hPa逐月極渦南界特征等高線(單位：10 gpm)Tab.3 Features contour of polar vortex at 1hPa，5hPa，10 hPa(Unit：10 gpm)

由圖4可知，這3層極渦面積的最大值都出現在夏季，1hPa和5hPa在一年中的大值期出現在7月，而 10hPa的大值期比這兩層提前，出現在 6月；這3層極渦面積的最小值期都體現在冬季。綜合來看，位于平流層高層 10hPa的極渦面積在一年中的季節變化最為強烈，并且極大值的出現提前于 1hPa和5hPa，同時極小值也提前于其他兩層的 12月而出現在11月。所以10hPa的極渦面積的變化要提前相對于它更高的層次，平流層高層極渦面積的變化可直接影響中間層極渦的變化。

圖4 1hPa，5hPa和 10hPa多年平均逐月極渦面積(單位：107km2)Fig.4 Distribution of monthly mean polar vortex areaat 1hPa，5hPa and 10hPa(Unit：107km2)

4 結論與討論

①模式能再現平流層高層及中間層大氣溫度場、風場的特征：溫度在平流層高層隨高度的增加而增加，冬季溫度變化幅度比夏季大，并且模擬結果中的溫度突變年份與再分析資料有很大的相似性。模式可再現 1月和 7月位于平流層高層至中間層大氣間緯向風隨高度變化的分布特征，西風帶、東風帶以及風速的大值中心位置都與 ERA-interim再分析資料場一致。

②平流層高層的極區環流系統在9月至次年4月為氣旋，6、7月為反氣旋；5月為春季環流由氣旋向反氣旋轉換的轉型期，8月為秋季環流由反氣旋向氣旋轉換的轉型期。位于北半球平流層高層的極渦面積在全年呈現先擴大后收縮的趨勢。平流層高層極渦位置在秋季和冬季變動幅度最大，呈現明顯的偏心結構；只有夏季表現為繞極環流，春季和秋冬季都偏向I區即亞洲大陸區。

③平流層高層到中間層極渦面積逐月變化間的關系緊密，各層極渦變化相互影響，位于平流層高層10hPa的極渦面積季節變化最大，且變化要提前相對于它更高的層次，平流層高層極渦面積的變化可直接影響中間層極渦的變化。

④本文通過模擬研究發現，SEMANS模式對平流層高層極渦具有較好的模擬能力，采用適當的參數化方案配置可以較好地再現平流層高層的溫度場、風場以及極渦的面積、位置等變化特征。本文僅為SEMANS模式對平流層高層極渦模擬的初步結論，還需利用 SEMANS模式進行更多的模擬研究，并進一步針對平流層高層是如何影響中間層極渦變化進行細致的討論研究。