斜壓基本氣流對東亞夏季風(fēng)區(qū)氣旋擾動低頻發(fā)展影響的數(shù)值模擬研究

吳捷， 許小峰， 金飛飛， 任宏利

1 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 南京　210044 2 國家氣候中心氣候研究開放實驗室， 北京　100081 3 中國氣象局， 北京　100081 4 夏威夷大學(xué)氣象系， Honolulu， HI 96822

斜壓基本氣流對東亞夏季風(fēng)區(qū)氣旋擾動低頻發(fā)展影響的數(shù)值模擬研究

吳捷1,2， 許小峰3*， 金飛飛2,4， 任宏利2

1 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院， 南京210044 2 國家氣候中心氣候研究開放實驗室， 北京100081 3 中國氣象局， 北京100081 4 夏威夷大學(xué)氣象系， Honolulu， HI 96822

摘要本文將夏季氣候平均的基本氣流分解為正壓和斜壓分量，使用一個線性斜壓模式，研究了不同斜壓基本氣流對熱帶西北太平洋地區(qū)初始?xì)庑原h(huán)流擾動低頻發(fā)展演變的重要作用.其中，控制試驗較好地模擬出初始?xì)庑龜_動向西北方向傳播、在西北太平洋季風(fēng)槽附近停滯增強(qiáng)、在東亞地區(qū)出現(xiàn)經(jīng)向波列和在南海到海洋大陸地區(qū)形成西北—東南向波列等特征.改變斜壓分量的敏感性試驗結(jié)果表明，正壓基流不能為西傳的初始擾動供給足夠的能量；海陸熱力差異引起東亞地區(qū)的緯向溫度梯度和北風(fēng)垂直切變，是東亞太平洋型經(jīng)向波列形成和維持的重要因素；當(dāng)基本氣流中的斜壓緯向偏差部分線性增大時，擾動的能量會呈e指數(shù)迅速增強(qiáng)，提示在氣候變化的背景下，基本氣流微小的改變可能帶來天氣或季節(jié)內(nèi)擾動強(qiáng)度的劇烈響應(yīng).

關(guān)鍵詞初值擾動試驗； 線性斜壓模式； 北風(fēng)垂直切變的斜壓不穩(wěn)定； 經(jīng)向波列

1引言

熱帶地區(qū)的季節(jié)內(nèi)變率有很強(qiáng)的季節(jié)性差異,在冬季主要表現(xiàn)為赤道地區(qū)向東傳播的MJO(Madden-Julian Oscillation)，在夏季則有較強(qiáng)的區(qū)域性特征，如在熱帶西北太平洋(western North Pacific，WNP)地區(qū)，季節(jié)內(nèi)尺度對流異常和氣旋性環(huán)流相互反饋，共同向西北方向移動(Hsu and Wen， 2001；Tsou et al.，2005).Lau和Lau(1990)發(fā)現(xiàn)，在天氣尺度上，夏季W(wǎng)NP低層也常出現(xiàn)西北—東南向的氣旋-反氣旋相間的波列，并向西北方向傳播.最近吳捷等(2013)研究表明，東亞夏季風(fēng)季節(jié)內(nèi)變率的主模態(tài)是類似東亞—太平洋型(East Asian Pacific，EAP)的經(jīng)向波列(Huang and Li, 1987; Chen and Zhai，2015)，他們的觀測分析結(jié)果顯示，前期位于熱帶WNP的對流異常和氣旋性環(huán)流擾動會向西北方向移動并逐漸加強(qiáng)，從而在東亞地區(qū)激發(fā)三極型的EAP經(jīng)向波列(圖1).能量學(xué)分析表明，由于夏季暖大陸與冷海洋之間存在緯向溫度梯度和北風(fēng)切變，該經(jīng)向波列在垂直方向上向北傾斜，能從這種特殊的斜壓基流中獲得能量.由此，他們推斷基本氣流中北風(fēng)垂直切變的斜壓分量可能對EAP型低頻經(jīng)向波列的結(jié)構(gòu)、發(fā)展和維持起重要作用.

不少工作從觀測、理論分析和數(shù)值模擬等方面研究了亞洲季風(fēng)區(qū)擾動的發(fā)展維持和基本氣流之間的關(guān)系.Wang和Xie(1997)使用數(shù)值模式探討了北半球夏季季節(jié)內(nèi)振蕩(簡稱BSISO)的發(fā)展演變過程，指出向西北方向傳播的擾動受到夏季風(fēng)環(huán)流和濕靜力能分布的顯著影響；Jiang等(2004)進(jìn)一步指出，南亞季風(fēng)區(qū)的垂直東風(fēng)切變，是BSISO北傳的重要原因；沈新勇等(2006)從理論上求解出，基本氣流的水平切變對赤道大氣的基本波動起到不穩(wěn)定作用；王鵬飛等(2013)則使用數(shù)值模式驗證了當(dāng)基本氣流為緯向均勻風(fēng)場時，振蕩的周期和傳播速度會隨著緯向氣流變化而改變.然而目前專門針對東亞夏季海陸熱力差異造成的緯向溫度梯度和北風(fēng)垂直切變對擾動發(fā)展演變影響這方面的研究還比較缺乏，相關(guān)推斷需要通過數(shù)值試驗加以證實.

已有一些工作利用簡單的理論數(shù)值模式，通過定常加熱強(qiáng)迫或初值擾動試驗，研究大氣中基本的動力過程.Jin和Hoskins(1995)使用一個斜壓模式研究了在冬季基流中大氣對熱帶加熱的響應(yīng)，驗證了Gill型和射線理論(Hoskins and Karoly，1981)，并指出中高緯的響應(yīng)是相當(dāng)正壓的，響應(yīng)模態(tài)與熱帶加熱所在位置有關(guān).Hirota和Takahashi(2012)將外強(qiáng)迫均勻分布在北半球，證明東亞夏季的三極型是大氣內(nèi)部模.Hoskins和Jin(1991)研究了在不同基流中的熱帶初值擾動問題，指出在斜壓不穩(wěn)定基流中，對熱帶擾動的直接響應(yīng)可持續(xù)12天左右，之后以斜壓不穩(wěn)定波動為主，而在印度洋和西太平洋上的擾動最后會產(chǎn)生太平洋北美型(Pacific North American，PNA)波列.高士欣等(2007)利用球面正壓渦度方程模式，研究了基流和初始場對擾動發(fā)展的作用，發(fā)現(xiàn)南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后的正壓不穩(wěn)定是季風(fēng)爆發(fā)的重要原因.這些研究已經(jīng)探討了基本氣流對初始擾動發(fā)展的影響，但沒能明確給出基本氣流的特定部分，即正壓和斜壓分量對擾動發(fā)展的具體貢獻(xiàn).那么，WNP夏季風(fēng)基本氣流的正壓和斜壓分量會對擾動的發(fā)展和演變產(chǎn)生怎樣的影響？海陸熱力差異和北風(fēng)垂直切變的斜壓基流在低頻經(jīng)向波列形成和維持中起到怎樣作用？這些問題需要通過數(shù)值試驗進(jìn)一步探討.

本文提出一種對夏季基本氣流正壓和斜壓分量進(jìn)行分解和重建的方法，利用一個線性斜壓模式(Linear Baroclinic Model，LBM)的濕版本，在熱帶WNP地區(qū)給出氣旋性擾動進(jìn)行初值試驗，研究初始擾動在不同基本氣流中的發(fā)展演變過程，探討基本氣流的各個分量所起的作用.

2模式及初值試驗設(shè)計

2.1模式簡介

目前大氣環(huán)流模式(AGCMs)變得日益復(fù)雜和精細(xì)，然而使用一些簡單的線性模式反而更有利于透徹地理解大氣中基本的動力過程.本文使用Watanabe和Kimoto(2000, 2001)發(fā)展的在基本氣流場上線性化的原始方程模式，簡稱LBM，模式水平分辨率為T42，垂直方向上使用σ坐標(biāo)，共有20層.其中，干模式的變量包括渦度(ζ)、散度(D)、溫度(T)和表面氣壓的對數(shù)(π=lnPs)，若令擾動X≡X(ζ,D,T,π)，模式動力方程可表示為

dtX+LX=F，

(1)

Watanabe和Jin(2002, 2003)進(jìn)一步考慮異常對流加熱和環(huán)流相互作用，發(fā)展了濕LBM模式，此時強(qiáng)迫場為海溫異常(SSTA)，在模式內(nèi)部由于海溫異常而產(chǎn)生異常對流加熱，方程(1)可表示為

(2)

此時擾動場X還包括了比濕q，對流異常引起的熱源和水汽匯用Fi表示，F(xiàn)e則代表地表熱通量，是SST異常Ts和背景場的函數(shù)，與擾動場無關(guān).對流加熱Fi通過線性化的Betts-Miller方案計算(NeelinandYu，1994；YuandNeelin, 1994)得到.模式中包括擴(kuò)散，Rayleigh摩擦和Newtonian衰減.

最近，LBM模式被廣泛應(yīng)用于熱源強(qiáng)迫和遙相關(guān)的研究中.Annamalai和Sperber(2005)利用LBM模式研究BSISO的三個分量區(qū)域熱源的相互影響；Lu和Lin(2009)則通過LBM干模式的定常加熱強(qiáng)迫試驗發(fā)現(xiàn)，東亞副熱帶地區(qū)的異常降水及熱源強(qiáng)迫可以反過來維持EAP這種經(jīng)向遙相關(guān)型.Zuo等(2013)利用LBM濕模式研究了北大西洋海溫三極子對東亞夏季風(fēng)的作用.本文利用LBM模式的濕版本進(jìn)行初值擾動試驗，研究不同斜壓基流下WNP地區(qū)擾動的演變特征.

2.2初值擾動

在LBM模式的初值試驗中，需要給出渦度、散度、溫度、海平面氣壓等變量的擾動場.為了保證初始擾動的各個變量場具有動力學(xué)一致性，在熱帶WNP地區(qū)給定垂直第一斜壓模的擾動渦度場，按照地轉(zhuǎn)關(guān)系下推算出擾動溫度場(公式3)，二者的水平分布和垂直廓線如圖2所示.公式(3)為

(3)

2.3基本氣流的分解和重建

為了研究基本氣流不同分量在WNP初始擾動的傳播、形態(tài)和維持中所起到的作用，我們對基本氣流進(jìn)行分解和重建，孤立出可能的影響因子，進(jìn)而推斷EAP型經(jīng)向波列發(fā)展維持的動力學(xué)機(jī)制.

圖2　初始?xì)庑龜_動的渦度場(等值線，單位：10-5s-1，σ=0.7)和溫度場(陰影，單位：℃，σ=0.3)的(a)水平分布和(b)擾動中心(170°E，15°N)的垂直廓線Fig.2　The initial cyclone perturbation vorticity(contour，unit：10-5s-1，σ=0.7)and temperature(shaded，unit：℃，σ=0.3)(a) horizontal distribution and (b) vertical profile at (170°E，15°N)

+A′*(i,j,k)，

(4a)

(4b)

模式中的基本場包括緯向風(fēng)(U)、經(jīng)向風(fēng)(V)、溫度(T)、表面氣壓(Ps)和水汽(Q)等5個變量，這里不討論水汽和地形的分布影響，因此僅改變U、V、T三個變量.考慮靜力平衡和熱成風(fēng)關(guān)系，對夏季氣候平均的U、V、T進(jìn)行如下重建：

(5a)

(5b)

(5c)其中a、b、c、d為系數(shù)，一般可從0～1.5取值，任意取值均能保證重建的基流場滿足靜力平衡和熱成風(fēng)關(guān)系.表1給出控制試驗和敏感性試驗時所用到的幾種基流.

表1　控制和敏感性試驗方案設(shè)計

圖3　夏季(6—8月)氣候平均的(a)850 hPa和(b)200 hPa流函數(shù)(等值線，單位：106 m2·s-1)和風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)Fig.3　Climatology summer mean (a) 850 hPa and (b) 200 hPa streamfunction (contour，unit：106 m2·s-1)and wind(vector，unit：m·s-1)

圖4　正壓基流(BO)的風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)和緯向風(fēng)(等值線)，陰影為緯向風(fēng)小于0的區(qū)域Fig.4　Barotropic(BO)basic flow，wind(vector，unit：m·s-1) and zonal wind (contour)， where zonal wind less than 0 is shaded

圖5　基本氣流的(a)斜壓緯向平均(BCZM)和(b)斜壓緯向偏差(BCZA)部分，矢量為200 hPa與850 hPa垂直風(fēng)切變(單位：m·s-1)，等值線為500 hPa溫度偏差(單位：℃)Fig.5　The vertical wind shear(vector，unit：m·s-1)between 200 hPa and 850 hPa and temperature anomalies(contour，unit：℃)at 500 hPa， (a) is baroclinic zonal mean part(BCZM)and (b) is baroclinic zonal anomaly part (BCZA)of basic state

2.4斜壓性指數(shù)和斜壓能量轉(zhuǎn)換

在垂直切變的基本氣流中，具有特定垂直結(jié)構(gòu)(如在西風(fēng)垂直切變的基本氣流中向西傾斜)的擾動能將平均有效位能向擾動有效位能轉(zhuǎn)換，這個過程稱之為斜壓能量轉(zhuǎn)換(CP)過程，可分解為兩個部分(公式6)，分別是在西風(fēng)垂直切變中擾動向北輸送熱量引起的能量轉(zhuǎn)換(CPx)和在北風(fēng)垂直切變中擾動向東輸送熱量引起的能量轉(zhuǎn)換(CPy).Lindzen和Farrell(1980)利用斜壓不穩(wěn)定波動的最大增長率定義了斜壓不穩(wěn)定指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Holton(1994)的推導(dǎo)減去了西風(fēng)切變的臨界值，計算了兩個斜壓性指數(shù)Ibx(公式7a)和Iby(公式7b)，分別表征西風(fēng)和北風(fēng)切變的斜壓不穩(wěn)定性，公式分別為

(6)

(7a)

(7b)

3模式試驗結(jié)果

3.1控制試驗

下面的幾組試驗均在LBM模式的濕版本中完成.首先進(jìn)行控制試驗，將初值擾動放入原始基本氣流中，研究擾動的發(fā)展演變過程，如圖6所示，圖中矢量為波作用通量(Wave Activity Flux，WAF)，表征Rossby波能量的頻散方向(Takaya and Nakamura，2001).在低層，異常氣旋性環(huán)流和降水中心首先出現(xiàn)在擾動給定的熱帶WNP地區(qū)，之后氣旋型環(huán)流向西移動，在低層其Rossby能量向極向東頻散，在其下游出現(xiàn)類似沿大圓路徑的波列；當(dāng)氣旋性環(huán)流移動到WNP季風(fēng)槽附近時，強(qiáng)度增強(qiáng)，能量從熱帶對流中向東北方向頻散，東亞地區(qū)維持類似EAP型的經(jīng)向遙相關(guān)波列，在日本附近有弱的負(fù)降水異常和反氣旋環(huán)流，在鄂霍茨克海附近也有氣旋性環(huán)流；之后，熱帶的異常氣旋向西北方向移動并減弱，負(fù)降水異常維持在我國長江流域，從菲律賓西北側(cè)到海洋大陸地區(qū)(Marine Continent，MC)形成西北—東南向波列.模式積分第13～25天，低緯度的氣旋繼續(xù)向西北方向移動，波列呈西北—東南向，由于該試驗是初值擾動試驗，在沒有外源維持的條件下，該線性模式的Rayleigh摩擦和Newtonian衰減作用會對初始擾動形成嚴(yán)重阻尼，擾動振幅不斷衰減(圖略).進(jìn)一步計算Wang和Fan(1999)定義的季風(fēng)指數(shù)，即兩個區(qū)域平均的(5°N—15°N，90°E—130°E)和(22.5°N—32.5°N, 110°E—140°E)的850 hPa緯向風(fēng)之差，其30天的時間序列如圖7所示，指數(shù)在第7天達(dá)到正峰值，第16天達(dá)到負(fù)的峰值，反映出初始擾動的發(fā)展演變具有低頻而非天氣尺度特征，但由于模式的阻尼作用指數(shù)振幅在積分后期擾動不斷減小.綜上，控制試驗可較好的反映出WNP夏季風(fēng)中氣旋擾動的低頻傳播特征和主要形態(tài)，如擾動向西北方向傳播、在WNP季風(fēng)槽加強(qiáng)(Xie and Wang，1996)、在東亞地區(qū)形成經(jīng)向三極型波列以及在WNP-MC形成的西北—東南向的波列等(Li，2006)，因而可以通過進(jìn)一步的敏感性試驗研究基本氣流對氣旋擾動的影響.

圖6　控制試驗中850hPa的擾動渦度場(等值線，單位：10-5s-1)、波作用通量(矢量，單位：m2·s-2)和降水(陰影，單位：mm·day-1)的演變過程(a) 積分第1天； (b) 積分第5天； (c) 積分第9天； (d) 積分第13天.Fig.6　The perturbation vorticity(contour，unit：10-5s-1)，wave activity flux (vector，unit：m2·s-2) at 850 hPa and precipitation (shaded，unit：mm·day-1) evolution in control experiment (a, b, c and d are for day 1,5,9 and 14 respectively)

圖7　控制試驗中東亞夏季風(fēng)指數(shù)(Wang and Fan，1999；Wang et al.，2008)的時間序列Fig.7　The time series of East Asian summer monsoon index (Wang and Fan，1999； Wang et al.， 2008) in the control experiment

進(jìn)一步對積分第9天經(jīng)向波列的垂直結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行診斷分析，如圖8a和b所示，在垂直方向上，該經(jīng)向波列中緯地區(qū)的負(fù)渦度異常向西傾斜，而整體則具有向北傾斜的斜壓結(jié)構(gòu)，Rossby波能量在中低層向北頻散而在高層則向南頻散.斜壓性指數(shù)表明(圖8c和d)，基流中西風(fēng)垂直切變的斜壓性大值區(qū)主要位于中緯度西風(fēng)急流附近，而東亞大陸和海洋分界處的北風(fēng)垂直切變的斜壓性較強(qiáng).從整層積分的斜壓能量轉(zhuǎn)換上看，該經(jīng)向波列在中緯地區(qū)從西風(fēng)切變的基流和在日本北部到東亞中低緯地區(qū)從北風(fēng)切變的基流中獲得能量，通過斜壓過程維持和發(fā)展，與觀測分析的結(jié)果較為一致.

圖8　控制試驗積分第9天(a)35°N—45°N平均(b)110°E—150°E平均的渦度場(等值線，單位：10-6s-1)和波作用通量(矢量，單位：m2·s-2，其中垂直方向上擴(kuò)大10倍); (c)為500 hPa上的斜壓性指數(shù)Ibx(陰影，單位：10-6s-1)和整層積分的斜壓能量轉(zhuǎn)換CPx(等值線，單位： W·m-2)，(d)為Iby和CPyFig.8　Control experiment at day 11，the perturbation vorticity(contour，unit：10-5s-1)and wave activity flux(vector，unit：m2·s-2，vertical vector is enlarge for 10 times)，(a)35°N—45°N meridional mean，(b)110°E—150°E zonal mean，(c)is baroclinic index (Ibx，shaded，unit：10-6s-1) at 500 hPa and vertical integral baroclinic energy conversion(CPx，contour，unit：W·m-2) and (d) is for Iby and CPy

3.2敏感性試驗1：正壓基流(BO)

為了探討基本氣流不同分量對擾動發(fā)展演變的影響，進(jìn)行以下幾組敏感性試驗.首先，將模式中的基本氣流改為正壓，即高低層風(fēng)場保持一致(圖4)，沒有水平溫度梯度和垂直風(fēng)切變，考察擾動在只包含正壓不穩(wěn)定的基本氣流中的發(fā)展演變情況.如圖9所示，在正壓基流中，初始的熱帶擾動同樣向西傳播，但迅速衰減，在菲律賓附近對流未能發(fā)展起來，擾動也局限于30°N以南的東風(fēng)區(qū)(圖9).由此，正壓基流的敏感性試驗表明，擾動很難僅通過正壓過程獲得足夠的能量.

3.3敏感性試驗2：正壓加斜壓緯向平均基流(BOBCZM)

在該部分試驗中，設(shè)置模式中的基本氣流為正壓加上斜壓的緯向平均部分(BOBCZM，表1)，即在正壓基流中加入了緯向平均的垂直風(fēng)切變和溫度梯度，如圖5a所示，考察中緯度地區(qū)的垂直西風(fēng)切變和熱帶地區(qū)的東風(fēng)垂直切變對擾動發(fā)展演變的作用.但這種基流中缺少了低層WNP季風(fēng)槽的緯向匯合氣流和高低層的經(jīng)向風(fēng)垂直切變.在積分的前期，擾動發(fā)展過程與控制試驗類似，熱帶WNP地區(qū)的氣旋擾動向西移動，同時向極向東頻散Rossby波能量 (圖10).但是與控制試驗相比，熱帶的氣旋擾動移動較快，并未在菲律賓附近停滯和加強(qiáng)，而是繼續(xù)向西移動到印度洋上，東亞沿岸也未能出現(xiàn)明顯的三極型經(jīng)向波列.總體而言，擾動強(qiáng)度強(qiáng)于正壓基流中擾動的強(qiáng)度，但仍明顯弱于控制試驗.這說明熱帶地區(qū)的東風(fēng)垂直切變的基本氣流能為擾動提供一定的能量，但東亞地區(qū)的經(jīng)向波列無法形成，因而可以推斷低層WNP季風(fēng)槽中的東西風(fēng)匯合氣流是擾動在此停滯、加強(qiáng)的重要原因，東亞地區(qū)經(jīng)向風(fēng)垂直切變也對經(jīng)向波列的形成有重要作用.

3.4敏感性試驗3：正壓加斜壓基流的緯向偏差部分(BOBCZA)

在敏感性試驗2中，我們探討了緯向平均的東風(fēng)和西風(fēng)垂直切變對擾動的影響，與控制試驗對比發(fā)現(xiàn)，緯向平均的垂直風(fēng)切變不能解釋東亞地區(qū)經(jīng)向三極型波列的形成.下面則孤立出基本氣流中的經(jīng)向風(fēng)垂直切變部分，討論其對擾動發(fā)展演變的影響.設(shè)置模式中基流為正壓加上斜壓的緯向偏差部分(BOBCZA，表1)，孤立出東亞地區(qū)東西向的溫度梯度和北風(fēng)垂直切變這種特殊的斜壓基流(圖5b).初始擾動的演變?nèi)鐖D11所示，氣旋擾動首先向西移動并緯向拉長，與控制試驗類似，能量向東北方向頻散，在北側(cè)形成反氣旋環(huán)流，此外，擾動在西移的過程中北傳也較為明顯.特別注意到在積分第9天(圖11c)，在東亞沿岸出現(xiàn)與控制試驗一致的緯向拉長的經(jīng)向波列，在菲律賓以北、日本中部和鄂海附近分別有氣旋、反氣旋和氣旋環(huán)流，Rossby波能量從菲律賓附近向北頻散，與EAP遙相關(guān)型類似.此后，該波列的中低緯異常環(huán)流并沒有如控制試驗所示向西移動減弱，而是繼續(xù)在東亞地區(qū)維持，位置略有北移.由此可見，東亞地區(qū)基流中特殊的東西向的溫度梯度和北風(fēng)垂直切變是東亞地區(qū)經(jīng)向波列形成和維持的關(guān)鍵因素.

圖9　同圖6，但基本氣流只包括正壓部分(BO)Fig.9　As fig.6, but the basic state is only consist of the barotropic component(BO)

圖10　同圖6，但基流為正壓加斜壓緯向平均部分(BOBCZM)Fig.10　As fig.6, but the basic state is the barotropic add baroclinic zonal mean component (BOBCZM)

圖11　同圖6，但基流為正壓加斜壓緯向偏差部分(BOBCZA)Fig.11　As fig.6, but the basic state is the barotropic add baroclinic zonal anomaly component (BOBCZA)

圖12　基流為BOBCZA時積分第9天(a)110°E—150°E平均的渦度場(等值線，單位：10-6s-1)和波作用通量(矢量，單位：m2·s-2，其中垂直方向上擴(kuò)大10倍),(b)為500 hPa上的斜壓性指數(shù)Iby(陰影，單位：10-6s-1)和整層積分的斜壓能量轉(zhuǎn)換CPy(等值線，單位： W·m-2)，虛線方框為圖13計算平均動能和能量轉(zhuǎn)換選取的區(qū)域Fig.12　Sensitive experiment(basic state is BOBCZA)at day 9，(a)the 110°E—150°E zonal mean perturbation vorticity(contour，unit：10-5s-1) and wave activity flux (vector，unit：m2·s-2， vertical vector is enlarge for 10 times)，(b)is baroclinic index (Iby， shaded， unit：10-6s-1) at 500 hPa and vertical integral baroclinic energy conversion (CPx，contour，unit：W·m-2)(Dot box is area for fig.13 to calculate kinetic energy and energy conversion)

圖13　線性增加改變基本氣流的斜壓緯向偏差部分(BCZA，方程5中的系數(shù)d)時東亞地區(qū)(100°E—160°E，0°N—70°N)第9天平均的整層積分?jǐn)_動動能KE(折線，單位：J·m-2)和斜壓能量轉(zhuǎn)換CPy(柱狀，單位：W/(kg·m2))Fig.13　The East Asian(100°—160°E，0°—70°N)area mean vertical integral perturbation energy (KE，line，unit：J·m-2) and baroclinic energy conversion(CPy，color bar，unit：W/(kg·m2))at day 9 when change zonal anomaly part of baorclinic flow linearly

取第9天的擾動場，進(jìn)一步分析東亞地區(qū)經(jīng)向波列的垂直結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換特征.如圖12所示，與控制試驗一致，該經(jīng)向波列在垂直方向同樣具有向北傾斜的斜壓結(jié)構(gòu)，波長約為30個緯距，在中低層，Rossby波能量向北頻散，在高層則向南頻散.整層積分斜壓能量轉(zhuǎn)換CPy表明，該經(jīng)向波列可在中緯度地區(qū)從北風(fēng)切變的基流中獲得能量.也就是說，擾動能將熱量從暖大陸向冷海洋輸送，減小海陸溫度梯度即平均有效位能，增大了擾動有效位能.由此可以推斷，東亞地區(qū)特殊的緯向溫度梯度和北風(fēng)垂直切變是經(jīng)向斜壓波列形成的重要因素，熱帶地區(qū)的低頻擾動通過激發(fā)該經(jīng)向波列對中緯度地區(qū)的環(huán)流和降水產(chǎn)生影響.

3.5敏感性試驗4：改變基本氣流的斜壓緯向偏差部分(BOBCZMZAn)

上述敏感性試驗表明，基本氣流的斜壓緯向偏差部分(圖5b)，即低層WNP季風(fēng)槽中緯向匯合氣流和東亞地區(qū)北風(fēng)垂直切變，是擾動在季風(fēng)槽中停滯、加強(qiáng)和東亞地區(qū)形成經(jīng)向波列形成的重要因素.那么，如果線性改變斜壓基流中的緯向偏差部分的大小(BOBCZMZAn，表1)時，此時擾動的發(fā)展及能量轉(zhuǎn)換特征如何？擾動是否能從更加不穩(wěn)定的基流中獲得更多能量？擾動能量是否也呈線性變化？

令n=0.1～1.5依次取15個值進(jìn)行該組敏感性試驗，結(jié)果表明，當(dāng)n從0.1增大到0.5時，850 hPa的西風(fēng)擴(kuò)展到我國南海地區(qū)，WNP季風(fēng)槽的緯向風(fēng)輻合變得明顯，此時，氣旋擾動會在季風(fēng)槽西部停滯并加強(qiáng)，而不是一直西移到印度洋上(圖10)，但東亞地區(qū)的經(jīng)向波列尚不明顯；當(dāng)n取0.6～1.2時，擾動的演變與控制試驗較為一致；當(dāng)n=1.5時，即擴(kuò)大斜壓緯向偏差部分1.5倍時，東亞地區(qū)海陸溫差變大，擾動會形成更加明顯的經(jīng)向波列.進(jìn)一步分析n不同取值時，東亞地區(qū)(100°—160°E，0°—70°N)第9天整層積分?jǐn)_動動能KE和斜壓能量轉(zhuǎn)換CPy(圖13)，發(fā)現(xiàn)依次增大斜壓基流的緯向偏差部分時，即隨著東亞地區(qū)北風(fēng)垂直切變的斜壓性增強(qiáng)，擾動能通過斜壓過程獲得更多能量，擾動動能也隨之增大，二者的變化基本保持一致，說明擾動動能的增強(qiáng)是斜壓能量轉(zhuǎn)換增大的結(jié)果.需要注意的是，KE和CPy并不是隨著n的增大而線性增加，而是呈e指數(shù)增長，特別的當(dāng)n>1時，KE和CPy的增長非常迅速.這提示我們，在氣候變化的背景下，如果基本氣流發(fā)生微小的改變，天氣或季節(jié)內(nèi)擾動的強(qiáng)度可能會發(fā)生劇烈的變化.

4小結(jié)和討論

本文利用一個線性斜壓模式(LBM)，在熱帶WNP地區(qū)給出初始?xì)庑龜_動，研究其在不同基本氣流中的演變特征，探討了基本氣流各個斜壓分量的作用，進(jìn)一步揭示東亞夏季風(fēng)中EAP型低頻經(jīng)向波列發(fā)展維持的機(jī)制，初步得到以下結(jié)論：

(1) 本文不同于傳統(tǒng)的對基本氣流的分解方法，將風(fēng)場分解為正壓緯向平均、正壓緯向偏差、斜壓緯向平均和斜壓緯向偏差等四個部分，對溫度場也進(jìn)行類似的分解(公式4)，并對各部分賦予不同的系數(shù)進(jìn)行重建(公式5)，可孤立出基本氣流中感興趣的部分，并滿足基流的靜力平衡和熱成風(fēng)平衡關(guān)系.

(2) 在控制試驗中，初始?xì)庑龜_動的發(fā)展演變過程可較好地反映出擾動向西北方向傳播、在WNP季風(fēng)槽附近停滯增強(qiáng)、在東亞地區(qū)出現(xiàn)經(jīng)向波列和在南海到MC地區(qū)形成西北—東南向波列等特征，與對觀測資料診斷分析中氣旋擾動發(fā)展演變過程基本一致.

(3) 改變基本氣流斜壓性的敏感性試驗表明：正壓基流不能為西傳的初始擾動供給足夠的能量；熱帶地區(qū)的東風(fēng)垂直切變可為赤道Rossby波的發(fā)展提供一定的能量；WNP季風(fēng)槽中的緯向輻合氣流是擾動停滯并發(fā)展的重要原因；海陸熱力差異導(dǎo)致的東亞地區(qū)緯向溫度梯度和北風(fēng)垂直切變，是EAP型低頻經(jīng)向波列在東亞地區(qū)形成和維持的重要因素，使其在垂直上向北傾斜，通過斜壓過程從基流中獲得能量.當(dāng)線性增大海陸熱力差異時，擾動能從基本氣流獲得更多能量，擾動動能增強(qiáng).

(4) 本文通過數(shù)值試驗強(qiáng)調(diào)了夏季風(fēng)基本氣流中斜壓緯向偏差部分的重要意義，證明了海陸熱力差異導(dǎo)致的東西溫度梯度和垂直北風(fēng)切變是東亞地區(qū)EAP型低頻經(jīng)向波列形成的重要因素，該經(jīng)向波列可以通過斜壓過程從基流中獲得能量從而發(fā)展和維持.其意義在于，熱帶WNP西傳的擾動可通過激發(fā)該波列對中緯度地區(qū)的環(huán)流和降水異常產(chǎn)生重要影響.同時，基本氣流中斜壓緯偏部分線性增大引起的擾動能量的迅速增強(qiáng)，提示我們在氣候變化的背景下，基本氣流細(xì)微的變化可能會造成天氣或季節(jié)內(nèi)擾動的強(qiáng)度產(chǎn)生劇烈的響應(yīng)，極端事件發(fā)生的概率也隨之增大.

(5) 本文研究表明，EAP型經(jīng)向波列的結(jié)構(gòu)受到基流控制，可能是這種特殊的斜壓基流下的優(yōu)勢模態(tài)，其波長約為30個緯距.然而，本文使用到的模式是線性模式，那么非線性過程是否也在擾動的發(fā)展演變和EAP型波列的形成過程中起到重要作用？這還需要進(jìn)一步研究.

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(本文編輯張正峰)

Numerical simulation of the influence of baroclinic basic flow on cyclone perturbation low-frequency development in East Asia summer monsoon areas

WU Jie1,2, XU Xiao-Feng3*, JIN Fei-Fei2,4, REN Hong-Li2

1CollegeofAtmosphericSciences,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China2LaboratoryforClimateStudies，NationalClimateCenter，ChinaMeteorologicalAdministration，Beijing100081，China3ChinaMeteorologicalAdministration，Beijing100081，China4DepartmentofMeteorology,UniversityofHawaiiatManoa，Honolulu，HI96822，USA

AbstractUsing a linear baroclinic model (LBM), the summer climatology basic flow is decomposed into barotropic and baroclinic components and reconstructed to study the role of different components of baroclinic basic flow in the low-frequency development and evolution of initial cyclone perturbation. The control run simulates several evolution characters similar to observations successfully, such as the north-westward propagation, the stall and enhancement in WNP (western-North Pacific) monsoon trough, and the formation of meridional wave train in East Asia and the northwest-southeast wave train form the South China Sea to the maritime continent. When the baroclinic component of basic flow is changed, the sensitive experiment shows that the barotropic flow cannot provide enough energy for the west-propagation of initial perturbation. The zonal temperature gradient and north wind vertical shear in East Asia due to ocean-land thermal contrast are the critical factor for the perturbation developing into EAP (East Asia Pacific) type merdional wave train and sustaining. When the zonal anomaly part of baroclinic flow increases linearly, the perturbation energy will intensify in the speed exponentially, which suggests in the climate change background, the tiny change of basic state may produce huge responses of weather or intraseasonal perturbation intensity.

KeywordsInitial value perturbation experiment； Linear baroclinic model； The baroclinic instability of northerly vertical shear； Meridional wave train

基金項目公益類行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201406022)，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃973項目(2015CB453203)，國家自然科學(xué)基金項目(41375062)和LCS氣候研究開放課題青年基金2014年度項目聯(lián)合資助.

作者簡介吳捷，男，1988年生，助理工程師，主要從事季節(jié)內(nèi)振蕩研究.E-mail：wujie@cma.gov.cn *通訊作者許小峰，男，1957年生，研究員，主要從事中小尺度數(shù)值模擬和氣候變化研究.E-mail：xuxf@cma.gov.cn

doi:10.6038/cjg20160405 中圖分類號P433

收稿日期2014-02-16，2015-04-12收修定稿

吳捷， 許小峰， 金飛飛等. 2016. 斜壓基本氣流對東亞夏季風(fēng)區(qū)氣旋擾動低頻發(fā)展影響的數(shù)值模擬研究.地球物理學(xué)報，59(4):1222-1234,doi:10.6038/cjg20160405.

Wu J, Xu X F, Jin F F, et al. 2016. Numerical simulation of the influence of baroclinic basic flow on cyclone perturbation low-frequency development in East Asia summer monsoon areas.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(4):1222-1234,doi:10.6038/cjg20160405.