中平流層環(huán)流轉(zhuǎn)型日期氣候及異常特征

閔凡花，王盤興，夏佰成，陳長(zhǎng)勝，羅璇

(1.重慶市氣象臺(tái)，重慶401147;2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044;3.重慶市氣候中心，重慶401147)

0 引言

平流層環(huán)流的緯向均勻性較之對(duì)流層環(huán)流更為突出。其中，中平流層環(huán)流于冬季為一強(qiáng)大的繞極氣旋環(huán)流，于夏季則為一個(gè)繞極反氣旋環(huán)流。中平流層上部(10～30 hPa)的環(huán)流型的轉(zhuǎn)換發(fā)生在冬末春初(夏末秋初)，是該層環(huán)流由冬入夏(由夏入冬)的指示;中平流層下部(50～70 hPa)的轉(zhuǎn)換一般發(fā)生在5—6月，可看作中平流層盛夏環(huán)流建立。

隨著平流層資料的不斷完善和積累，國內(nèi)外氣象工作者對(duì)平流層環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換做了大量的工作。瞿章(1988)指出，北半球平流層大氣環(huán)流由冬到夏的轉(zhuǎn)換，30 hPa在4月完成，100 hPa在6月完成，二者相差一個(gè)月以上。瞿章(1989)還提出，平流層環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換在不同的經(jīng)度轉(zhuǎn)換時(shí)間也不盡相同。葛玲和陸丹(1989)、葛玲和郭樹軍(1992)研究了平流層30、50 hPa月平均環(huán)流特點(diǎn)，指出平流層環(huán)流春季轉(zhuǎn)換存在較大的年際差異。李巧萍等(2003)定義了半球氣候位勢(shì)高度場(chǎng)強(qiáng)度，給出了半球中平流層各層月平均環(huán)流由冬季氣旋型環(huán)流轉(zhuǎn)換為夏季反氣旋型環(huán)流的時(shí)間，指出北半球反氣旋環(huán)流首先于4月出現(xiàn)在10 hPa，約經(jīng)過兩個(gè)月，在7月到達(dá)中平流層底(50～70 hPa)，再約經(jīng)兩個(gè)月，在9月整個(gè)中平流層氣旋型環(huán)流又恢復(fù)。由于春季中平流層環(huán)流型轉(zhuǎn)變?cè)缬跂|亞對(duì)流層環(huán)流的特征變化(如500 hPa西太平洋副高兩次季節(jié)性北跳)，其年際異?？赡軐?duì)我國東部天氣氣候異常(顧思南和楊修群，2006;王建波等，2006;盧秉紅等，2009)具有指示性，因而倍受我國氣象學(xué)家重視。

本文利用NCEP/NCAR 1958—1997年40 a逐日位勢(shì)高度場(chǎng)資料，計(jì)算出其球函數(shù)分量的系數(shù)，用以確定中平流層各層(10～70 hPa)環(huán)流轉(zhuǎn)型日期。在此基礎(chǔ)上分析了中平流層環(huán)流轉(zhuǎn)型日期的氣候及異常規(guī)律，及其與平流層緯向風(fēng)準(zhǔn)兩年振蕩(the quasi-biennial oscillation，QBO)的關(guān)系。

1資料和方法

1.1資料

中平流層NCEP/NCAR 40 a大氣資料再分析計(jì)劃的逐日位勢(shì)高度(H)場(chǎng)、緯向風(fēng)(u)場(chǎng)資料。所用資料的有關(guān)參數(shù)為:覆蓋時(shí)段為1958—1997年，共40 a;垂直為5層，自上而下為10、20、30、50和70 hPa;球面為均勻矩形經(jīng)緯格點(diǎn)網(wǎng)，格距為Δθ×Δλ=2.5°×2.5°。

1.2方法

1)環(huán)流指數(shù)法:為客觀定量表示出北半球中平流層環(huán)流型的轉(zhuǎn)換，根據(jù)中平流層環(huán)流的季節(jié)變化特征及李巧萍等(2003)的結(jié)論，用北半球逐日高度場(chǎng)的球函數(shù)的系數(shù)為環(huán)流指數(shù)，定量描述中平流層各層氣旋、反氣旋環(huán)流型。

根據(jù)文獻(xiàn)(李雅芬等，2003a，2003b)，參數(shù)(m，n)的標(biāo)準(zhǔn)化余弦球函數(shù)可表示為其中:m為緯向波數(shù);n為二維指數(shù)?？梢娪删曄虿〝?shù)為m的余弦波和徑向參數(shù)為m、n的關(guān)聯(lián)勒讓德函數(shù)之積構(gòu)成。為的標(biāo)準(zhǔn)化形式，當(dāng)(m，n)=(0，2)時(shí)，得標(biāo)準(zhǔn)化余弦球函數(shù)(圖1)。由圖1可見，它是控制整個(gè)半球、高中心在北極的緯向?qū)ΨQ氣旋。對(duì)ty年、td日北半球某等壓面H(ty，td)作球函數(shù)展開時(shí)，得到它被描寫的部分為

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化余弦球函數(shù)圖像Fig．1 Image of standardized cosinespherical harmonics

2)周期分析法:用周期分析方法(Li et al．，2004)可將某等壓面流型由冬入夏的轉(zhuǎn)換日期D的多年序列記為

對(duì)應(yīng)的距平序列

分解為下述20個(gè)周期的振蕩分量之和

式中，k波分量為

式中:k為波數(shù);Tk=40/k，為周期，單位為a;ak、bk為富利葉展開系數(shù)。

按文獻(xiàn)(Li et al.，2004)，將k=1～5(40～8 a周期)對(duì)應(yīng)之振蕩看作慢變波(記為D's)，稱其為年代際振蕩;而將8 a以下振蕩(不含8 a)看作快變波(記為D'f)，稱其為年際振蕩。

2 北半球中平流層環(huán)流轉(zhuǎn)型過程的確定

Wang and Wu(1995)指出，將某刻全球高度場(chǎng)分解為

后，場(chǎng)的空間起伏，即形勢(shì)完全由空間偏差分量H*(λ，θ)給出。而由球函數(shù)分析，

其中，參數(shù)為m、n的分量為

利用10～70 hPa4—6月逐日位勢(shì)高度場(chǎng)(H)資料，計(jì)算了球函數(shù)分量在擬合H*中的方差貢獻(xiàn)。表1給出了各層最大、次大的及其波參數(shù)(m，n)，可見，在中平流層4—6月逐日位勢(shì)高度場(chǎng)構(gòu)成中，球函數(shù)分量的方差貢獻(xiàn)都是最大。故給出的中平流層氣旋型環(huán)流和反氣旋型環(huán)流的相互轉(zhuǎn)換是該季節(jié)環(huán)流變化中最顯著的現(xiàn)象。

表2 中平流層各層穩(wěn)定轉(zhuǎn)正的閾值及一次完成轉(zhuǎn)正的年數(shù)Table 2The threshold value of with steady transformation on every level of middle stratosphere and the number of years of one-time transformation

表2 中平流層各層穩(wěn)定轉(zhuǎn)正的閾值及一次完成轉(zhuǎn)正的年數(shù)Table 2The threshold value of with steady transformation on every level of middle stratosphere and the number of years of one-time transformation

10 hPa20 hPa30 hPa50 hPa70hPa閾值/gpm 410.1345.5190.717.67.9一次完成的年數(shù)/a 3033363837

表1 中平流層各層4—6月逐日位勢(shì)高度場(chǎng)的最大及次大Table 1The largest and second largestvalues on every level of middle stratosphere geopotential height fields from April to June%

表1 中平流層各層4—6月逐日位勢(shì)高度場(chǎng)的最大及次大Table 1The largest and second largestvalues on every level of middle stratosphere geopotential height fields from April to June%

10 hPa20 hPa30 hPa50 hPa70hPa最大r*mn(m，n)27.05(0，2)29.44(0，2)26.43(0，2)24.97(0，2)17.32(0，2)次大r*mn(m，n)25.56(0，6)18.88(0，6)15.21(0，4)17.10(1，2)16.27(0，6)

圖2 中平流層的40 a平均值(;實(shí)線)、極大值(A;點(diǎn)線)及極小值(A;斷線)的逐日變化a.10 hPa;b.20 hPa;c.30 hPa;d.50 hPa;e.70 hPaFig.2 Daily variations of the 40-year average;solid lines)，maximum(A;dotted lines)and minimum(A;dash lines)ofin middle stratospherea.10 hPa;b.20 hPa;c.30 hPa;d.50 hPa;e.70 hPa

3 轉(zhuǎn)型日期的氣候及年代際異常特征

3.1 氣候特征

由表3中歷年各層環(huán)流轉(zhuǎn)型的日期求得其40 a均值、均方差、最早、最遲日和40 a極差(定義為最早日減最遲日)(表4)?？梢姡蜌夂蚱骄?，20 hPa層最先轉(zhuǎn)為反氣旋型(4月24日)，然后逐漸向上、向下傳播;至70 hPa(6月17日)歷時(shí)54 d。由均方差、極差值知，中平流層上部(10～30 hPa)環(huán)流轉(zhuǎn)型日期的年際差異比下部(50～70 hPa)大。

中平流層上部(10～30 hPa)轉(zhuǎn)型日期較早(4月底)，且該占H*的方差大(大于25%)，環(huán)流意義清晰，可將其看作該層環(huán)流由冬入夏季節(jié)轉(zhuǎn)換日。而中平流層下部(50、70 hPa)轉(zhuǎn)型日期在5月中旬至6月中旬，不宜將轉(zhuǎn)型日期看作季節(jié)轉(zhuǎn)換日。為方便起見，本文只使用“轉(zhuǎn)型日”術(shù)語。

圖3 春季10 hPa層由負(fù)轉(zhuǎn)正典型過程(選取3月1日到5月15日A02的逐日曲線以使此過程更為清晰)a.一次性轉(zhuǎn)正(1985年);b.兩次性轉(zhuǎn)正(1964年);c.三次性轉(zhuǎn)正(1986年)Fig.3 The typical transition processes of 10 hPafrom negative to positive one in spring，a，b and c respectively represents processes that transform successfully at one-time(1985)，two-time(1964)and three-time(1986)(Notes:we select the daily curves offrom March 1 to May 15 in a，b and c to demonstrate the processes more clearly)

表3 北半球中平流層環(huán)流穩(wěn)定轉(zhuǎn)型日期Table 3The dates of steady transformation of middle stratosphere circulation in the Northern Hemisphere

表4 中平流層各層環(huán)流轉(zhuǎn)型日期(40 a平均值)及均方差、較差Table 4The 40-year average，mean-square deviation and dvalues of transformation dates on every level of middle stratosphere

3.2 異常特征

1)年際、年代際異常的方差比。用Li et al.(2004)的方法求得了各層轉(zhuǎn)型日期異常中年代際、年際異常的方差貢獻(xiàn)(ρs、ρf)、方差比(γ)和自由度均分方差比(F)(表5)。其中，計(jì)算F使用的慢、快變分量自由度分別為10、29。由表5可見，中平流層上部(10～30 hPa)年際變化的方差貢獻(xiàn)占優(yōu)勢(shì)，γ均在0.5以下。中平流層下部(50～70 hPa)，尤其是70 hPa年代際變化的方差貢獻(xiàn)占優(yōu)勢(shì)，其F為8.34，通過0.001信度的顯著性檢驗(yàn)。

表5 中平流層各層年際、年代際變化分量的方差貢獻(xiàn)ρs、ρf及其比率γ、FTable 5ρs，ρfand γ，F(xiàn) of inter-annual and interdecadal components for middle stratosphere transformation date anomaly

2)年代際異常的層際差異。由表5、圖4可見，中平流層各層環(huán)流轉(zhuǎn)型日期距平的年代際變化分量(D's)強(qiáng)度隨高度升高減弱，形態(tài)由簡(jiǎn)單趨于復(fù)雜。中平流層下部(50、70 hPa)慢變分量在20世紀(jì)70年代末發(fā)生由負(fù)轉(zhuǎn)正的突變，表明環(huán)流轉(zhuǎn)型由偏早轉(zhuǎn)變?yōu)槠?。許多關(guān)于海洋及對(duì)流層大氣的分析工作(Gu and Philander，1995;徐建軍和朱乾根，1998;李麗平等，2003;周連童，2009)均得到20世紀(jì)70年代末前后發(fā)生年代際突變的結(jié)論，從中平流層D's的垂直變化看，這一突變似乎來自海洋和低層大氣。

4 環(huán)流轉(zhuǎn)型異常與準(zhǔn)兩年振蕩的關(guān)系

準(zhǔn)兩年周期振蕩(QBO)是指熱帶平流層?xùn)|西風(fēng)以約26個(gè)月為周期的交替變換(Reed et al.，1961)。QBO最明顯的區(qū)域?yàn)闊釒е衅搅鲗?，轉(zhuǎn)換首先發(fā)生在10 hPa(中平流層頂)，下傳至60 hPa(中平流層下部)約需1 a(Reed，1965;Belmont and Dartt，1966)。從異常的時(shí)間尺度看，QBO屬本文定義的年際異常(快變分量);而從的流型(圖1)看，它描述的是緯向均勻的東西風(fēng)分量的異常，故可能與QBO存在密切關(guān)系。利用

求得中平流層各層12月—次年2月及3—5月熱帶緯度［u］時(shí)間序列。并計(jì)算其與轉(zhuǎn)型日期D(p，ty，tm)的相關(guān)系數(shù)(表6)。由表6可見，相關(guān)系數(shù)以正值為主，其中12月—次年2月熱帶70 hPa及3—5月熱帶10 hPa［u］與D的相關(guān)系數(shù)尤為顯著。表明熱帶中平流層西(東)風(fēng)位相時(shí)環(huán)流轉(zhuǎn)型日期滯后(提早)。

表6 0～30°N月平均緯向風(fēng)與10～70 hPa層環(huán)流轉(zhuǎn)型日期的相關(guān)系數(shù)Table 6The correlation coefficients of 0—30°N monthly mean zonal wind and 10—70 hPa circulation transformation dates

圖4 中平流層位勢(shì)高度場(chǎng)環(huán)流轉(zhuǎn)型日期距平(D'(ty))的年際變化曲線(粗實(shí)線為轉(zhuǎn)型日期距平的年代際變化分量(ty)))a.10 hPa;b.20 hPa;c.30 hPa;d.50 hPa;e.70 hPaFig.4 The interannual variation curve of transformation dates departure(D'(ty))of middle stratosphere geopotential height fields(the thick solid line represents interdecadal components(D's(ty))of transformation dates departure)a.10 hPa;b.20 hPa;c.30 hPa;d.50 hPa;e.70 hPa

5 結(jié)論

1)計(jì)算了中平流層(10～70 hPa)各層逐日位勢(shì)高度場(chǎng)的球函數(shù)系數(shù)A02，并根據(jù)A02穩(wěn)定由負(fù)轉(zhuǎn)正的日期確定了中平流層各層環(huán)流轉(zhuǎn)型日期。20 hPa環(huán)流最先轉(zhuǎn)換為反氣旋型(平均在4月24日)，然后逐漸向上、向下傳播，到70 hPa歷時(shí)54 d;50、70 hPa環(huán)流轉(zhuǎn)型日期具有明顯的年代際變化特征。

2)中平流層下部(50、70 hPa)環(huán)流轉(zhuǎn)型日期與平流層緯向風(fēng)的QBO有明顯的聯(lián)系，低緯中平流層下部西(東)風(fēng)位相時(shí)流型轉(zhuǎn)換日期滯后(提早)。致謝:國家自然科學(xué)基金委員會(huì)地球科學(xué)部南京信息工程大學(xué)大氣資料服務(wù)中心提供資料服務(wù)，謹(jǐn)致謝忱!

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