東亞季風(fēng)區(qū)冬季經(jīng)向風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變化及其可能機(jī)理

李華凝 姚素香 儲(chǔ)鵬

摘要利用1979—2013年ERAinterim再分析資料，通過(guò)均方差分析、功率譜分析、帶通濾波及合成分析等統(tǒng)計(jì)方法系統(tǒng)地分析了東亞季風(fēng)區(qū)冬季經(jīng)向風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變化及其可能機(jī)理。結(jié)果表明，東亞季風(fēng)區(qū)冬季經(jīng)向風(fēng)異常在我國(guó)華南一帶變化顯著，振蕩周期為10～20 d（準(zhǔn)雙周振蕩）。在準(zhǔn)雙周尺度上，水平方向上，850 hPa異常北風(fēng)主要呈現(xiàn)從高緯向低緯傳播的特點(diǎn)，60°N附近異常經(jīng)向風(fēng)向東南方向傳播，副熱帶30°N附近弱的異常經(jīng)向風(fēng)向東傳播，二者在華南匯合，隨后分為兩支中心，分別向南和向東繼續(xù)傳播，我國(guó)華南一帶存在基本氣流向準(zhǔn)雙周尺度波動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換，因此異常經(jīng)向風(fēng)在華南會(huì)顯著增強(qiáng)；垂直方向上，對(duì)流層上層、中層、下層的經(jīng)向風(fēng)呈現(xiàn)強(qiáng)—弱—強(qiáng)的異常中心特征，對(duì)流層下層850 hPa和上層200～300 hPa均存在經(jīng)向風(fēng)大值中心；我國(guó)東部上空300 hPa上，副熱帶地區(qū)波動(dòng)比850 hPa更明顯，60°N附近波動(dòng)向東南方向移動(dòng)，同樣在我國(guó)東部地區(qū)合并，波動(dòng)輻合導(dǎo)致波動(dòng)能量增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞東亞季風(fēng)區(qū)；經(jīng)向風(fēng)；季節(jié)內(nèi)變化；傳播特征

東亞冬季風(fēng)是北半球冬季最為活躍的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一。它不僅影響東亞地區(qū)的天氣與氣候，還能對(duì)熱帶大氣、海洋的變化造成影響，甚至對(duì)全球天氣、氣候異常產(chǎn)生重要作用（Huang et al.，2003；Zhou，2011；丁一匯等，2014）。偏強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)為寒潮的爆發(fā)創(chuàng)造有利的氣候條件，冷空氣的活動(dòng)不但與平均的冬季風(fēng)有關(guān)，更是經(jīng)向風(fēng)季節(jié)內(nèi)變化的產(chǎn)物。我國(guó)冬半年，在蒙古高壓和阿留申低壓間，為強(qiáng)盛的偏北季風(fēng)，因此冬季風(fēng)的異常與我國(guó)的天氣、氣候變化密切相關(guān)。東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)度與我國(guó)冬季大部分地區(qū)的氣溫呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，東亞冬季風(fēng)不僅僅影響華北、長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季氣溫，還會(huì)進(jìn)一步影響到華南、西南地區(qū)，研究顯示（吳尚森等，2000），強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)期間，華南冬季異常冷月所在月異常偏強(qiáng)。除此之外，東亞冬季風(fēng)的爆發(fā)還能帶來(lái)熱帶海洋上空的大量水汽，導(dǎo)致東亞地區(qū)降水的產(chǎn)生（Jia et al.，2011）。

東亞冬季風(fēng)是行星尺度的環(huán)流系統(tǒng)，還表現(xiàn)出明顯的季節(jié)內(nèi)變化，往往表現(xiàn)為冷空氣的頻發(fā)，導(dǎo)致寒潮過(guò)程南下影響我國(guó)，造成嚴(yán)重低溫、暴雪等災(zāi)害性天氣（丁一匯等，2014；辛欣等，2017）。許多研究顯示，東亞冬季風(fēng)能夠加強(qiáng)中國(guó)南海和西太平洋的對(duì)流活動(dòng)，導(dǎo)致菲律賓以東出現(xiàn)異常氣旋環(huán)流（Ji et al.，1997；祝麗娟等，2014；Wu，2016），而對(duì)流加熱反饋機(jī)制是產(chǎn)生與維持MJO的重要機(jī)制（Li，1985；Lau and Chan，1987；Li and Yang，2010）。Jeong et al.（2008）研究表明，MJO對(duì)天氣和氣候的影響不僅存在于熱帶，在副熱帶及中緯度地區(qū)，其對(duì)天氣和氣候的變化也具有顯著的調(diào)節(jié)作用。由前人的研究得知，東亞季風(fēng)具有顯著的季節(jié)內(nèi)變化，其主要周期突出表現(xiàn)為30～60 d（或準(zhǔn)40 d）以及10～20 d（準(zhǔn)雙周）振蕩周期（李崇銀，1993；王曉聰?shù)龋?009）。馬曉青等（2008）研究了2004/2005年中國(guó)冬季12月22日—1月1日和2月14—21日的兩次大范圍寒潮過(guò)程，并對(duì)寒潮爆發(fā)的周期及低頻波動(dòng)特征進(jìn)行分析，指出2004/2005年冬季我國(guó)大部分地區(qū)氣溫波動(dòng)存在10～20 d振蕩，且兩次強(qiáng)寒潮都在西伯利亞高壓和氣溫波動(dòng)的10～20 d增強(qiáng)的低頻振蕩背景下發(fā)生。Yang and Li（2016）研究了冬季歐亞大陸中高緯氣溫的季節(jié)內(nèi)變化特征，提出低緯的氣溫異常與對(duì)流層上層高度異常密切相關(guān)，二者以相同的相速度向東南方向傳播，而對(duì)流層溫度的異常實(shí)際上是由平均風(fēng)場(chǎng)異常所導(dǎo)致的，他們對(duì)波作用通量的分析顯示東南方向傳播的波列更有可能是Rossby波動(dòng)的傳播的作用，同時(shí)Rossby波列波動(dòng)通量散度的大值區(qū)位于歐洲、大西洋地區(qū)。蔡學(xué)湛（2010）分析了東亞冬季風(fēng)異常對(duì)華南前汛期降水的影響，提出東亞冬季風(fēng)的異常，對(duì)華南前汛期降水有重要的指示作用，前冬東亞冬季風(fēng)強(qiáng)，表現(xiàn)為前汛期降水偏少，反之冬季風(fēng)弱，則表現(xiàn)為降水偏多。夏季風(fēng)來(lái)臨的早晚、向北推進(jìn)快慢及其強(qiáng)度影響到該地區(qū)前汛期降水及雨帶的分布。

綜上所述，我國(guó)冬季氣溫與降水均存在典型的季節(jié)內(nèi)振蕩，而這些均與環(huán)流密切相關(guān)。目前，對(duì)東亞季風(fēng)季節(jié)內(nèi)振蕩的研究往往集中在夏季（Wang and Rui，1990；Huang et al.，2003；琚建華等，2008），而對(duì)東亞冬季風(fēng)季節(jié)內(nèi)振蕩的研究還比較少，因此本文主要圍繞冬季經(jīng)向風(fēng)，重點(diǎn)分析冬季東亞經(jīng)向風(fēng)的季節(jié)內(nèi)傳播及強(qiáng)度的變化特征和機(jī)理。

1資料與方法

主要利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMRWF（European Center for MediumRange Weather Forecasts）的再分析數(shù)據(jù)ERAinterim，時(shí)段為1979—2013年，冬季定義為每年11月1日—次年4月30日，水平分辨率為15°×15°，時(shí)間分辨率為6 h，全球240×121個(gè)格點(diǎn)；使用u、v風(fēng)速場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)等資料，系統(tǒng)地分析1979年以來(lái)東亞季風(fēng)區(qū)冬季經(jīng)向風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變化特征。為了確定和提取研究對(duì)象的低頻活動(dòng)特征，采用均方差分析確定研究關(guān)鍵區(qū)，隨后使用功率譜分析確定周期，并通過(guò)Butterworth帶通濾波器對(duì)資料的時(shí)間序列進(jìn)行帶通濾波，得到其相應(yīng)的低頻振蕩分量，挑選出經(jīng)向風(fēng)典型振蕩事件中的負(fù)異常事件，即北風(fēng)異常事件，對(duì)背景環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行合成分析。

為了解冬季平均流場(chǎng)與QBWO（QuasiBiWeekly Oscillation，準(zhǔn)雙周振蕩）異常流場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換，這里采用了波動(dòng)能量轉(zhuǎn)換方程式。根據(jù)Hoskins（1983），能量轉(zhuǎn)換項(xiàng)可被寫(xiě)作：

CQBWO=v′2-u′22x-y-u′v′y+x。（1）

其中：雙上劃線(xiàn)表示冬季平均階段，當(dāng)CQBWO為正值時(shí)，表示有能量從平均流場(chǎng)向QBWO異常流場(chǎng)轉(zhuǎn)換。

為解釋QBWO的波作用通量，根據(jù)Takaya and Nakamura（2001）提出的TN通量方程式計(jì)算二維波作用通量：

W=12||（ψ′2x-ψ′ψ′xx）+（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）

（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）+（ψ′2x-ψ′ψ′yy）。（2）

其中：ψ表示流函數(shù)，u=（u，v）為水平風(fēng)速。波作用通量在近似假定下與波的位相無(wú)關(guān)，而與定長(zhǎng)Rossby波列的局地群速度方向一致，反映了Rossby群波能量的頻散方向（Tam and Li，2006）。

2冬季經(jīng)向風(fēng)異常的時(shí)空分布特征

季風(fēng)主要表現(xiàn)在底層風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)差異。這里首先對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)（100～140°E，0°～60°N）范圍內(nèi)的850 hPa冬季逐日經(jīng)向風(fēng)做均方差分析（圖1），得到東亞季風(fēng)區(qū)經(jīng)向風(fēng)均方差大值區(qū)中心位于50°N附近以及我國(guó)華南一帶（105～111°E，21～27°N），且華南中心數(shù)值最強(qiáng)，表明這片區(qū)域經(jīng)向風(fēng)變化幅度較大，且與我國(guó)關(guān)系密切，因此選定為研究的關(guān)鍵區(qū)。

為了揭示冬季850 hPa經(jīng)向風(fēng)季節(jié)內(nèi)振蕩周期，將所確定關(guān)鍵區(qū)域的經(jīng)向風(fēng)進(jìn)行區(qū)域平均，得到經(jīng)向風(fēng)1979—2013年每年11月1日—次年4月30日共6 163 d的時(shí)間序列，之后做功率譜分析，得到功率譜曲線(xiàn)（圖2a）。結(jié)果表明冬季東亞季風(fēng)區(qū)經(jīng)向風(fēng)以10～20 d振蕩（QBWO）為主，且均通過(guò)紅噪聲檢驗(yàn)。由此可見(jiàn)，冬季東亞季風(fēng)區(qū)的850 hPa經(jīng)向風(fēng)存在較為顯著的10～20 d周期。為了研究冬季經(jīng)向風(fēng)季節(jié)內(nèi)振蕩的具體演變過(guò)程，對(duì)經(jīng)向風(fēng)逐日資料使用Butterworth濾波器進(jìn)行10～20 d濾波，將關(guān)鍵區(qū)內(nèi)（105～111°E，21～27°N）經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)區(qū)域平均并標(biāo)準(zhǔn)化后，大于（小于）1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（1個(gè)負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差）的事件為正（負(fù)）異常事件，波峰時(shí)刻作為正異常事件的0時(shí)刻，波谷時(shí)刻作為負(fù)異常事件的0時(shí)刻。根據(jù)這種時(shí)間系數(shù)正、負(fù)異常的劃分來(lái)進(jìn)行合成。

合成結(jié)果顯示，1979—2013年冬半年正異常事件（異常南風(fēng)）頻次為175次，負(fù)異常事件（異常北風(fēng)）頻次為178次。由此對(duì)10～20 d濾波后的經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)時(shí)間序列做負(fù)異常事件合成分析（圖2b；文中其余合成結(jié)果也為負(fù)異常事件）。

從該時(shí)間序列可以看出經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)異常變化顯著天數(shù)周期為12 d，異常風(fēng)速大小約為2 m/s左右。

3冬季經(jīng)向風(fēng)準(zhǔn)雙周振蕩的傳播

針對(duì)華南冬季經(jīng)向風(fēng)的典型準(zhǔn)雙周振蕩事件，對(duì)10～20 d帶通濾波后的850 hPa經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行負(fù)異常事件的合成分析（圖3），可見(jiàn)，經(jīng)向風(fēng)負(fù)異常中心具有明顯從高緯向低緯移動(dòng)的特點(diǎn)，且傳播方向?yàn)闁|南方向。經(jīng)向風(fēng)中心位于異常低壓和高壓之間。第-6天時(shí)，華南地區(qū)為異常南風(fēng)控制，貝加爾湖到里海以南為異常北風(fēng)控制，隨著時(shí)間推移，貝加爾湖的異常北風(fēng)向東南推進(jìn)，里海以南的異常北風(fēng)向東移動(dòng)。第0天時(shí)，兩者合并于我國(guó)華南，經(jīng)向風(fēng)負(fù)值中心范圍達(dá)到最大。此過(guò)程中亦伴隨異常氣旋和反氣旋的東南傳播。異常北風(fēng)到達(dá)華南之后，一部分主要向東移動(dòng)，另外一部分可向南推進(jìn)至南海。

時(shí)間—經(jīng)度和時(shí)間—緯度剖面可以進(jìn)一步揭示經(jīng)向風(fēng)準(zhǔn)雙周振蕩的傳播特征。圖4a、4b分別給出了不同緯度帶經(jīng)向風(fēng)的時(shí)間—經(jīng)度剖面。在20～40°N（圖4a）之間東傳較強(qiáng)，范圍較廣，且在105°E附近存在顯著增強(qiáng)的現(xiàn)象；而在50～70°N（圖4b）也存在明顯的東傳，但其只能傳播到90°E附近；結(jié)合時(shí)間—緯度剖面可見(jiàn)，在100～120°E（圖4c）附近有明顯的南傳信號(hào)，該信號(hào)可從極地一直傳播到近赤道附近。結(jié)合經(jīng)向和緯向傳播特征可知，來(lái)自高緯的異常擾動(dòng)可東傳至90°E，在90～100°E附近轉(zhuǎn)為向南傳播，并與20～40°N之間東傳的波動(dòng)匯合。

前面的分析都清晰可見(jiàn)華南為經(jīng)向風(fēng)振蕩的大值中心，為進(jìn)一步解釋冬季經(jīng)向風(fēng)異常出現(xiàn)在華南一帶的機(jī)理，計(jì)算了850 hPa冬季平均流場(chǎng)和QBWO流場(chǎng)的正壓能量轉(zhuǎn)換。從圖5可以看出，華南地區(qū)存在顯著的能量轉(zhuǎn)換中心（虛線(xiàn)方框處），為基本氣流向準(zhǔn)雙周風(fēng)場(chǎng)提供能量，而在其他區(qū)域，能量轉(zhuǎn)換較弱，且存在擾動(dòng)氣流向基本氣流提供能量的情況。因此認(rèn)為華南地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)雙周振蕩強(qiáng)度一方面是兩支波動(dòng)匯合的結(jié)果，另一方面該區(qū)域有基本氣流為準(zhǔn)雙周尺度提供振蕩能量。

4冬季東亞季風(fēng)區(qū)上層經(jīng)向風(fēng)的季節(jié)內(nèi)振蕩特征

圖6顯示了華南地區(qū)經(jīng)向風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)分布情況，可見(jiàn)，在對(duì)流層底層和上層均存在大的風(fēng)場(chǎng)異常中心。在第-6天，正中心分別位于對(duì)流層底層850 hPa和上層200～300 hPa附近，在第0天，850 hPa和200～300 hPa上都有明顯的負(fù)中心。相對(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)流層中層風(fēng)場(chǎng)的準(zhǔn)雙周振蕩強(qiáng)度偏弱。此外，高層的中心略微超前低層中心1～2 d。

為了進(jìn)一步解釋對(duì)流層上層出現(xiàn)這一異常分布的原因，選取Rossby波較明顯的300 hPa，分析對(duì)流層上層QBWO的演變機(jī)制。圖7為負(fù)異常事件合成的300 hPa經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)和位勢(shì)場(chǎng)，可以看出，上層的負(fù)異常中心與下層850 hPa的中心位置接近，同時(shí)存在一定的差別。300 hPa上存在兩個(gè)明顯的負(fù)異常中心，一支中心位于70°E、50°N的新地島以南地區(qū)，主要表現(xiàn)為東南傳播；另一支中心位于30°N附近，主要表現(xiàn)為東傳，和850 hPa相比，30°N附近的信號(hào)更強(qiáng)。兩支信號(hào)在東亞?wèn)|部地區(qū)匯合，合并為一支信號(hào)，且負(fù)異常中心強(qiáng)度達(dá)到最大。

進(jìn)一步計(jì)算300 hPa二維波作用通量，圖8顯示了波作用通量的水平分布及其散度特征?？梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)，我國(guó)東部上空300 hPa存在經(jīng)向風(fēng)準(zhǔn)雙周振蕩的兩個(gè)大值中心，一支Rossby波能量從歐洲方向向東傳播，另一支從太平洋向西傳播，副熱帶地區(qū)波動(dòng)比850 hPa更為明顯，兩支中心在我國(guó)東部地區(qū)合并，波動(dòng)的輻合導(dǎo)致波動(dòng)能量的增強(qiáng)。

5結(jié)論

1）東亞季風(fēng)區(qū)冬季經(jīng)向風(fēng)異常在我國(guó)華南一帶變化顯著，振蕩周期為10～20 d的準(zhǔn)雙周振蕩。

2）水平方向上，850 hPa經(jīng)向風(fēng)基本呈現(xiàn)從高緯向低緯移動(dòng)的特點(diǎn)，60°N附近異常經(jīng)向風(fēng)向東南傳播，副熱帶30°N附近弱的異常經(jīng)向風(fēng)向東傳播，二者在華南匯合，隨后分為兩支中心，分別向南和向東繼續(xù)傳播。冬季經(jīng)向風(fēng)的振蕩演變基本呈現(xiàn)貝加

爾湖附近與我國(guó)華南地區(qū)反位相的特征。負(fù)異常中心在我國(guó)華南一帶顯著增強(qiáng)的原因是因?yàn)檫@一區(qū)域存在基本氣流向準(zhǔn)雙周擾動(dòng)提供能量。

3）垂直方向上，對(duì)流層上層、中層、下層的經(jīng)向風(fēng)呈現(xiàn)強(qiáng)—弱—強(qiáng)的異常中心特征，對(duì)流層下層850 hPa和上層200～300 hPa均存在經(jīng)向風(fēng)大值中心，而在對(duì)流層中層經(jīng)向風(fēng)的準(zhǔn)雙周振蕩較弱。在Rossby波變化顯著的300 hPa上副熱帶地區(qū)波動(dòng)比850 hPa更為顯著，存在兩個(gè)明顯的負(fù)異常中心，并隨時(shí)間不斷向東推進(jìn)，兩支中心在我國(guó)東部地區(qū)合并，波動(dòng)的輻合導(dǎo)致波動(dòng)能量的增強(qiáng)。

值得指出的是，本文僅從再分析資料對(duì)冬季東亞經(jīng)向風(fēng)的季節(jié)內(nèi)傳播及強(qiáng)度的變化情況進(jìn)行了初步分析，而東亞季風(fēng)區(qū)冬季經(jīng)向風(fēng)季節(jié)內(nèi)變化的年際差異及其機(jī)理可能還需要進(jìn)一步的研究，這也是下一步工作的重點(diǎn)。

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