西風(fēng)角動量輸送的氣候特征及其與急流關(guān)系研究

楊瑋 王盤興 何金海 李麗平 成麗萍

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，南京210044

2 安徽省氣候中心，合肥230031

1 引言

絕對角動量平衡是研究大氣東、西風(fēng)帶和急流維持的物理基礎(chǔ)。絕對角動量由相對角動量（即 u角動量）和牽連角動量（即?角動量）之和構(gòu)成，影響大氣角動量平衡的三要素分別為山脈力矩、摩擦力矩以及大氣自身對角動量的輸送。眾所周知，在山脈力矩和摩擦力矩的作用下，熱帶東風(fēng)帶地面大氣得到西風(fēng)角動量，中高緯西風(fēng)帶地面大氣失去西風(fēng)角動量；為了維持東、西風(fēng)帶和急流，大氣中必然存在角動量的經(jīng)向輸送（Jeffreys，1926；Bjerknes，1948）。而經(jīng)向輸送主要在對流層上部至平流層下部進(jìn)行，故必然存在西風(fēng)角動量的垂直輸送（Priestley，1951；Gilman，1964），研究指出角動量在熱帶通過平均經(jīng)圈環(huán)流向上輸送到對流層上部，然后向副熱帶緯度輸送（White，1950；Palmén，1954；葉篤正和楊大升，1955）。對氣候態(tài)而言，等緯度（?）面上單位質(zhì)量大氣的?角動量相等，單位時間內(nèi)通過等?面上不同高度z（或氣壓p）處角動量輸送的差異取決于u角動量。因此，絕對角動量輸送只需對u角動量輸送進(jìn)行研究。

根據(jù)Lorenz環(huán)流分解方案，角動量輸送可以分為平均經(jīng)圈環(huán)流輸送、定常波輸送和瞬變渦旋輸送，各項分量對總輸送所作貢獻(xiàn)隨緯度、季節(jié)不同。許多學(xué)者采用不同資料和方案計算并分析了u角動量及其分量的輸送。由于資料的限制，早期研究限于單一年份的季節(jié)平均值或年平均值（Starr and White，1951；Buch，1954；葉篤正和鄧根云，1956；Obasi，1963；Gilman，1964）。隨著氣象觀測資料的不斷積累，研究的時間尺度擴(kuò)展到多年平均（3～10 年）（Newell et al.，1972；Mak，1978；Oort and Peixoto，1983；Trenberth，1987；吳國雄和劉還珠，1987）。自再分析資料出現(xiàn)以來，周春華（2003）給出了u動量及其三個分量輸送的氣候值（30年以上），王林等（2007）和 Egger and Hoinka（2011）則分別給出了定常波和瞬變渦旋對動量輸送的氣候值。綜上所述，除葉篤正和鄧根云（1956）和Obasi（1963）外，前人研究多數(shù)著眼于緯向平均u動量通量及其分量的輸送，事實上角動量通量和動量通量在高緯地區(qū)存在顯著差別，兩者之間差了因子acos?，60°附近存在明顯的動量通量大值中心，而角動量大值中心則不存在；且低緯地區(qū)角動量大值中心位置亦較動量中心略偏赤道。同時，關(guān)于 u角動量通量及其三個分量輸送的研究不夠全面系統(tǒng)，僅研究了總輸送或者某分量輸送，且不能認(rèn)為是嚴(yán)格的氣候分析（30年或以上平均）。吳國雄和Tibaldi（1988）指出了平均經(jīng)圈環(huán)流在大氣角動量收支中的作用。另外，在研究渦旋通量方面，Mak（1978）和 Trenberth and Olson（1988）認(rèn)為定常和瞬變渦旋量級相差不大，而 Kraucunas and Hartmann（2005）認(rèn)為定常渦旋的貢獻(xiàn)較瞬變渦旋小，前人關(guān)于不同渦旋在總輸送中的相對重要性存在不一致的結(jié)論，尚待進(jìn)一步探索。

還有一系列研究表明，500 hPa以上熱帶地區(qū)角動量輸送是輻散的，最大輻散發(fā)生在20°N以南，而中緯度地區(qū)有角動量的輻合（Buch，1954；葉篤正和鄧根云，1956；Oort and Peixoto，1983），角動量輸送的輻合中心與西風(fēng)急流的維持之間存在著一定的聯(lián)系。那么，西風(fēng)角動量輸送包含三個分量，在不同季節(jié)和不同半球，究竟是何種輸送分量對副熱帶西風(fēng)急流以及極夜急流的維持起了主要作用，仍需進(jìn)一步研究。因此，本文選擇NCEP/NCAR逐日四次再分析風(fēng)場資料，分析40年（1958～1997）平均的12～2月、6～8月u角動量經(jīng)向、垂直輸送通量及其三個分量的氣候特征，據(jù)此討論三個輸送分量對總輸送的貢獻(xiàn)，進(jìn)而揭示西風(fēng)角動量輸送與東、西風(fēng)帶以及副熱帶西風(fēng)急流、極夜急流之間的密切聯(lián)系，為深入討論東、西風(fēng)帶及西風(fēng)急流的維持機制提供依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 資料

本文使用NCEP/NCAR一日四次［00、06、12、18時（協(xié)調(diào)世界時，下同）］第一套再分析u、v、ω 資料（Kalnay et al.，1996），覆蓋時段為 1958 年1月 1日～1998年 2月 28日，水平分辨率為Δλ×Δ? =2.5°×2.5°，u、v垂直分為17層等壓面（1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa），ω 垂直分為 12 層，從 1000 hPa到 100 hPa。

圖1給出了 40年（1958～1997）平均 12～2月、6～8月的緯向風(fēng)（）分布圖。由圖1a可見，12～2月赤道附近的熱帶區(qū)域從對流層到中平流層均為東風(fēng)帶，副熱帶西風(fēng)急流中心位于對流層頂200 hPa附近，北半球冬季高緯度平流層存在極夜急流；東、西風(fēng)帶交界面在對流層內(nèi)向上向赤道傾斜，在對流層頂附近東風(fēng)帶經(jīng)向?qū)挾冗_(dá)到最窄，然后在平流層內(nèi)向上偏離赤道，其中南半球中平流層全為東風(fēng)帶，北半球高空大部分為西風(fēng)帶控制。6～8月（圖1b）情況與12～2月相反，且冬半球急流強度明顯強于夏半球。這些結(jié)論與全球大氣環(huán)流時間平均統(tǒng)計圖集（吳國雄和劉還珠，1987）所示的保持一致。

2.2 通量分解方案

按照環(huán)流分解方案（Lorenz，1967；Oort and Rasmusson，1971；葉篤正等，1991），ty年、tm月子午面上(?,p)點處時空平均物理量的向北、向上通量分解式為

式中，A為某物理量的密度、v或w為風(fēng)的向北、向上分量，它們是經(jīng)度λ的函數(shù)。 、[ ]為月平均（簡稱時間平均）、緯圈平均（簡稱空間平均）算符；′、*為t時刻λ處A、v、w對它們時、空平均的偏差，簡稱瞬變、緯偏分量。因計算對ty年進(jìn)行，故式（1）右端三個分量依次為準(zhǔn)平均經(jīng)圈環(huán)流、準(zhǔn)定常波、瞬變渦的向北、向上通量，以下將分別用下標(biāo)k=1, 2，3標(biāo)記。及其分量的確切含義，是ty年、tm月單位時間（s）內(nèi)通過子午面上(?,p)點處單位面積（m2）等緯度面向北輸送的A物理量時空平均值及其分量值及其分量的確切含義則是通過該處單位面積球面向上輸送的A物理量時空平均值及其分量值。

引入u角動量密度

并在p坐標(biāo)下求（1）式緯圈積分，得u角動量的向北、向上通量my、mz，其算式為

其中，a為地球半徑，?為緯度，g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度。（3）式分量 myk、mzk,k = 1, 2, 3的算式為

my（mz）及其分量的確切含義，是ty年、tm月單位時間內(nèi)通過圖2a、2b上圓臺（球臺）側(cè)面向北（向上）輸送的u角動量及其分量。圖2a上的圓臺側(cè)面，是等緯度面上過(?,p)點沿緯圈分布的一個環(huán)形帶，帶寬Δz是該處單位壓差（Pa）對應(yīng)之高度（隨p、T而變），表1給出了標(biāo)準(zhǔn)大氣若干等壓面處的Δz值。圖2b上的球帶也過(?,p)點，帶寬 Δy是經(jīng)線上長為1m的??；因等壓面高度z遠(yuǎn)小于地球半徑a，它對Sy、Sz的影響可略，則有

1000 hPa 500 hPa 100 hPa 10 hPa 溫度T/K 288.15 253.90 216.65 227.65 高度Δz/m 0.085 0.151 0.637 6.663

ty年、tm月通過整個等?面向北輸入極冠區(qū)的u角動量通量及其分量的定義式為

p0=1013.25 hPa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

由（3）、（4）、（6）式可得ty年季節(jié)平均的u角動量通量my(ty, ?,p )、my(ty, ?)、mz(ty, ?,p ), ty= 1 ,2,···,4 0及其分量myk(ty, ?,p )、myk(ty,?)、mzk(ty, ?, p )， ty= 1 ,2,···,40， k =1, 2, 3；進(jìn)而求上式各項的多年平均，得各季節(jié)的氣候平均值(?,p)、(?)、(?,p)，(?,p)、(?)、(?,p)，k = 1,2,3（注：本文為40年平均），式中時間平均包括月、季、多年三種尺度，是本文的分析依據(jù)。

3 u角動量經(jīng)向輸送的氣候特征

應(yīng)當(dāng)指出，在圖3、4的b中，對流層平均經(jīng)圈環(huán)流（Hadley環(huán)流、Ferrel環(huán)流）中的強經(jīng)向運動，伴隨著?角動量與u角動量之間的相互轉(zhuǎn)換，對流層上部Hadley環(huán)流向極（為主）和Ferrel環(huán)流向赤道（為副）輸送結(jié)合是副熱帶西風(fēng)急流產(chǎn)生和維持的主要原因；而對流層下部Hadley環(huán)流向赤道和Ferrel環(huán)流向極輸送過程伴隨的?角動量與u角動量的轉(zhuǎn)換，起到抵消山脈力矩和摩擦力矩的作用。

由12～2月（北半球冬季、南半球夏季）經(jīng)向輸送分量分布圖（圖3b～d）知，與北半球冬季副熱帶西風(fēng)急流有關(guān)的由三個分量共同構(gòu)成，對流層上部到平流層下部的輻合主要由 Hadley環(huán)流向北、Ferrel環(huán)流向南的西風(fēng)角動量輸送形成；中平流層與極夜急流有關(guān)的輸送輻合由定常波、瞬變渦提供，以瞬變渦為主。南半球副熱帶西風(fēng)急流主要由瞬變渦向南輸送輻合引起，F(xiàn)errel環(huán)流上部的向赤道輸送也有一定作用，因南半球中緯定常波弱、其輸送作用不明顯。赤道對流層頂?shù)呢?fù)輸送中心則主要由該處定常波輸送引起；熱帶摩擦層中的強輸送（北半球一側(cè)）則主要由東風(fēng)帶內(nèi)的Hadley環(huán)流完成。

由圖4b-d（北半球夏季、南半球冬季）可見，在 6～8月，與北半球夏季副熱帶西風(fēng)急流有關(guān)的主要是定常波、瞬變渦輸送及其輻合。而與南半球冬季副熱帶西風(fēng)急流有關(guān)的主要是平均經(jīng)圈環(huán)流輸送、強輻合及瞬變渦旋強輸送；與極夜急流有關(guān)的主要是瞬變渦旋、定常波輸送及其輻合。赤道對流層頂附近的強向北輸送與 Hadley環(huán)流上部北風(fēng)和定常波將東風(fēng)角動量向南輸送有關(guān)；熱帶摩擦層的強輸送在北、南半球分別由定常波、Hadley環(huán)流完成。

圖5是據(jù)（6）式求得的u角動量向北通量及其分量的垂直積分?？梢姡黠@向極輸送發(fā)生在南北緯 60°間，在 30°N（S）附近(?)達(dá)極值。同 一季節(jié)經(jīng)向輸送(?)的半球際分量構(gòu)成差異明顯，瞬變渦絕對輸送一般較定常波大；但相對重要性，南半球明顯大于北半球。平均經(jīng)圈環(huán)流（Hadley環(huán)流）在熱帶的重要性突出。

綜上，氣候經(jīng)向輸送通量及其分量的主要分布特征與前人對個別或少數(shù)年份資料的研究結(jié)果類似，說明它們有年際穩(wěn)定性。但應(yīng)當(dāng)指出，Starr and White（1951）僅計算了1949年2月1日～7月31日平均的 30°N附近的平均經(jīng)圈環(huán)流通量和總的渦旋通量，其渦旋通量沒有區(qū)分定常和瞬變。Newell et al.（1972）、Oort and Peixoto（1983）、Trenberth（1987）選取的時段分別是1957～1964年、1963～1973年、1979～1982年（去除沒有資料的 1980 年），采用逐日12時瞬時資料，分別計算了多年平均的季、年通量，但只對6～8月計算了分量通量。因此，并不是嚴(yán)格意義上的氣候分析。另外，王林等（2007）用ERA-40資料（1971～2000年）給出了緯向平均定常波對西風(fēng)動量輸送的氣候圖，指出定常波對西風(fēng)動量輸送最強的區(qū)域位于中、高緯度對流層的中上層；其高緯度強輸送在本文圖3、4c中不存在。另外，上述研究及周春華等（2003）的研究對象均為緯向平均u動量通量，而本文研究對象為u角動量通量，兩者間存在acos?倍的差異，使得前者在中低緯度（高緯度）較后者偏小（大）。這可能是前人研究結(jié)果中12～2月60°N（60°S）附近出現(xiàn)定常（瞬變）渦旋輸送的負(fù)（正）值區(qū)，以及6～8月60°S以北出現(xiàn)弱瞬變渦旋正值區(qū)的原因（資料不同也可能是原因之一）。

4 u角動量垂直輸送的氣候特征

由絕對角動量變化原理（Newton，1971；Madden and Speth，1995）知，大氣西風(fēng)角動量的源在熱帶東風(fēng)帶地面，匯在中高緯西風(fēng)帶地面，而由及其分量的子午面圖（圖3、4）知，強輸送中心位于高空的對流層頂或中平流層頂；平衡要求熱帶東風(fēng)區(qū)內(nèi)有角動量向上輸送，中高緯西風(fēng)區(qū)內(nèi)有角動量向下輸送，因此需要分析u角動量的垂直輸送及其構(gòu)成。陳秋士和孫潔倫（1987）也指出，在北半球冬季東、西風(fēng)帶的維持過程中，中緯度不平衡渦動輸送和平均經(jīng)圈環(huán)流所造成的垂直輸送起著十分重要的作用。限于資料，分析僅在對流層與低平流層進(jìn)行。

Fig.7 Same as Fig.6, but for JJA mean.The shaded areas represent jet stream region with≥ 10 m s-1in the Northern Hemisphere and≥ 30 m s-1in the Southern Hemisphere 中的平均經(jīng)圈環(huán)流（Hadley環(huán)流、Ferrel環(huán)流）下沉支完成；瞬變渦旋將西風(fēng)角動量上傳，部分抵消平均經(jīng)圈環(huán)流的下傳作用，這在南半球更明顯。Hantel and Hacker（1978）指出，冬半球中緯度的斜壓渦旋是完成 u角動量向上輸送的主要環(huán)流系統(tǒng)；近年來，Egger et al.（2011）又用 ERA-40 資料計算了1958～2001年平均的12～2月瞬變渦旋通量，對 Hantel的結(jié)論加以論證。但 Egger et al.（2011）給出的 60°N附近的狹窄向下輸送中心在本文計算結(jié)果中不存在。

5 結(jié)論與討論

本文利用1958～1997年NCEP/NCAR一日四次的風(fēng)場再分析資料，計算了氣候態(tài)季節(jié)平均u角動量輸送通量及其三個分量，并討論了北半球冬（12～2月）、夏（6～8月）季它們與東、西風(fēng)帶和副熱帶西風(fēng)急流、極夜急流之間的聯(lián)系。得到以下結(jié)論：

（1）全年均有從熱帶東風(fēng)帶向中高緯西風(fēng)帶的西風(fēng)角動量經(jīng)向輸送，強度冬季強于夏季，北半球季節(jié)差異大于南半球；極地東風(fēng)帶向中高緯西風(fēng)帶的輸送相對很小。赤道對流層頂附近的強向極輸送伴隨?角動量向u角動量的轉(zhuǎn)換，它使該處東風(fēng)帶變窄，導(dǎo)致熱帶對流層中東西風(fēng)帶交界面隨高度向赤道傾斜。

（2）角動量強經(jīng)向輸送主要在中低緯對流層頂附近和冬半球高緯平流層頂附近，副熱帶西風(fēng)急流和極夜西風(fēng)急流均位于角動量強向極輸送中心高緯一側(cè)的輸送輻合區(qū)中。冬半球強副熱帶西風(fēng)急 流主要由平均經(jīng)圈環(huán)流輸送及其輻合維持，定常波、瞬變渦旋輸送及輻合對北半球西風(fēng)急流的維持作用相近，瞬變渦旋輸送及輻合對南半球西風(fēng)急流的維持作用明顯大于定常波。冬半球中平流層極夜急流主要由定常波、瞬變渦旋輸送及其輻合共同維持。

（3）熱帶東風(fēng)區(qū)是絕對角動量的高值區(qū)，它向?qū)α鲗由喜枯斔?；冬半球副熱帶及中緯西風(fēng)區(qū)存在u角動量向下（為主）向上輸送的切變區(qū)，其向下（上）輸送主要由平均經(jīng)圈環(huán)流（瞬變渦旋）完成；定常波僅在熱帶對流層上部表現(xiàn)為對u角動量的弱向下輸送。

西風(fēng)角動量通量及其三個分量的輸送有利于東、西風(fēng)帶和西風(fēng)急流的維持，進(jìn)而影響東亞地區(qū)甚至全球的氣候變化，那么它們有何氣候效應(yīng)，有待進(jìn)一步的研究。

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