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(xué)亮

(天津市北辰區(qū)氣象局 天津300400)

0 引 言

極渦的位置以及強(qiáng)弱的變化與歐亞大陸的冷空氣活動(dòng)有著密切聯(lián)系，位于極地區(qū)域附近以及西伯利亞地區(qū)的冷源區(qū)域?qū)ξ覈?guó)的氣溫和降水也有著直接影響，并且平流層與對(duì)流層間的物質(zhì)交換過程也主要發(fā)生在極區(qū)。極區(qū)的氣溫變率較大，能夠引起北半球經(jīng)向的溫度梯度變化，進(jìn)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(qū)對(duì)于氣候的變化有著至關(guān)重要的影響。氣候是人類生存、活動(dòng)的自然環(huán)境和所依賴的自然資源的一部分[1]，我們應(yīng)該更加關(guān)注極區(qū)溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)的變化，而極渦的活動(dòng)是最能夠體現(xiàn)出極區(qū)溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)變化的。三圈環(huán)流中的極地環(huán)流、北大西洋濤動(dòng)(NAO)以及北極濤動(dòng)(AO)[2]都?jí)蝮w現(xiàn)出高緯環(huán)流在大氣環(huán)流系統(tǒng)中的重要性。極渦與北大西洋濤動(dòng)和北極濤動(dòng)間的相互關(guān)系密切，極渦與北極濤動(dòng)都是以極地為中心活動(dòng)，極渦的變化可以很大程度上反應(yīng)出北極濤動(dòng)的變化，因此對(duì)極渦的研究可以加深對(duì)大氣環(huán)流機(jī)理的了解。

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

平流層高層的極渦振蕩信號(hào)提前于平流層低層和對(duì)流層的振蕩信號(hào)，有自上而下的傳播趨勢(shì)，平流層異常環(huán)流首先發(fā)生在50km以上的高空，然后向下輸送到平流層下層和對(duì)流層中上層，對(duì)流層天氣系統(tǒng)隨之出現(xiàn)相應(yīng)的異常，可見平流層高層極渦的重要性。然而，近幾年來國(guó)內(nèi)幾乎只考慮到 500hPa、300hPa極渦對(duì)我國(guó)各地氣溫[7-8]、降水[9]、月平均高度場(chǎng)[10]、時(shí)空變化特征[11]，甚至沙塵暴[12]的作用，缺乏對(duì)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(shí)上北半球極渦是一個(gè)深厚系統(tǒng)，垂直范圍可從對(duì)流層中層一直到達(dá)平流層高層，因此對(duì)平流層高層極渦進(jìn)行系統(tǒng)分析是非常必要的。同時(shí)由于對(duì)極渦的模擬要求數(shù)值模式大氣上界較高，目前很多數(shù)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(duì)平流層高層極渦進(jìn)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(biāo)，將每個(gè)投影面分解為 81個(gè)局地元，利用 8次 GLL(Gauss-Lobatto-Legendre)插值多項(xiàng)式用于離散方程中的變量。下邊界條件和模式初始值的數(shù)據(jù)均來自 ERA-Interim數(shù)據(jù)集，其物理過程中深對(duì)流方案采用 Zhang和McFarlane方案[13]，淺對(duì)流方案采用 Park和Bretherton方案[14]，邊界層參數(shù)化采用非局部擴(kuò)散方案[15]。陸地上近地表通量用 Monin-Obukhov的相似理論計(jì)算，在海水和海冰上的通量用整體公式計(jì)算。高度在 60km 以下時(shí)，太陽輻射用 δ-Eddington近似[16]計(jì)算，熱輻射用 Ramanathan等的方案[17]計(jì)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 1989年1月1日的0時(shí)0分0秒。模式模擬時(shí)長(zhǎng)為20a，模式結(jié)果的保存方式為月平均。

1.2 采用的數(shù)據(jù)集

NCEP/NCAR的 20a(1989年 1月～2008年12月)垂直層次共 17層位勢(shì)高度場(chǎng)的月平均再分析資料，空間分辨率為 2.5°×2.5°。歐洲中期預(yù)報(bào)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(qū)范圍內(nèi)，大氣分層相對(duì)應(yīng)的氣壓偏高，如對(duì)流層頂平均為 300hPa，遠(yuǎn)高于中低緯地區(qū)。故本文中10hPa就可以代表位于北極區(qū)域的平流層高層部分。

極渦面積計(jì)算時(shí)需要確定極渦南界特征等高線，整個(gè)北半球可以看成是極地渦旋與副熱帶高壓這兩大實(shí)體系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。北半球極渦的最南界線定義在這兩個(gè)系統(tǒng)的交界線上，位于中緯度之間，能夠較好的貫穿中緯度西風(fēng)急流的最大風(fēng)速區(qū)(即經(jīng)向位勢(shì)高度梯度最大的區(qū)域)，同時(shí)能夠體現(xiàn)中緯度大氣環(huán)流的基本特征，即在主西風(fēng)帶等高線以北所包圍的面積為極渦的面積。按此標(biāo)準(zhǔn)，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(shì)高度場(chǎng)格點(diǎn)資料，其空間分辨率為 Δλ× Δ?= 2.5° × 2.5°。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]的定義，t年某月10hPa層極地渦旋的面積指數(shù)是：

式中：SI是由該年 10hPa月平均圖上特征等高線 f0圍成區(qū)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(jīng)度λi相交的緯度(i=1，2，3，…n)，n=144為沿經(jīng)圈的經(jīng)度序號(hào)，分別對(duì)應(yīng)0°，2.5°E，5.0°E，…，5.0°W，2.5°W。

因?yàn)槟Ｊ侥M結(jié)果的空間分辨率為 1.5°×1.5°，所以模擬結(jié)果中極地渦旋的面積指數(shù)公式為：

式中：n=240為沿經(jīng)圈的經(jīng)度序號(hào)，分別對(duì)應(yīng) 0°，1.5°E，3.0°E，…，3.0°W，1.5°W。

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

2 模式模擬結(jié)果檢驗(yàn)

2.1 溫度場(chǎng)

圖1為位于北緯85°東經(jīng)0°處的20a月平均溫度時(shí)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(nèi)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(chǎng)中溫度大值年為 1992、1995、1998、2000、2006 年，而模擬結(jié)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(gè)別溫度突變年份有所提前，突變是相對(duì)穩(wěn)定態(tài)的不連續(xù)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(jié)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(shí)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(fēng)場(chǎng)

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

模式很好地再現(xiàn)了7月緯向風(fēng)的緯向分布特征，西風(fēng)帶、東風(fēng)帶以及風(fēng)速的大值中心的位置都與ERA-interim再分析資料場(chǎng)相似。模擬結(jié)果中位于南半球的西風(fēng)急流的強(qiáng)度要小于 ERA-interim再分析資料場(chǎng)，中心風(fēng)速為 80m/s，而再分析資料場(chǎng)中能達(dá)到 90m/s；模擬結(jié)果中位于赤道附近的東風(fēng)帶的強(qiáng)度要大于ERA-interim再分析資料場(chǎng)。

3 極渦的變化特征

3.1 極渦面積

參考試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果中北半球1989—2008年逐月10hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)以及風(fēng)場(chǎng)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(fēng)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(qū)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(chǎng)，確定其搜索區(qū)為≥50°N 的區(qū)域。在搜索范圍內(nèi)，通過分析可知極區(qū)環(huán)流系統(tǒng)在9月至次年4月為氣旋，6、7月為反氣旋；5月為春季環(huán)流由氣旋向反氣旋轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)型期，8月為秋季環(huán)流由反氣旋向氣旋轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)型期。由于轉(zhuǎn)型期為環(huán)流的過渡季，導(dǎo)致極區(qū)環(huán)流系統(tǒng)中氣旋和反氣旋的狀態(tài)因年而異，所以在此無法給出其完整的氣旋或反氣旋的環(huán)流指數(shù)。

表2 再分析資料和模擬結(jié)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(yàn)?zāi)M的 20a平均逐月極渦面積以及模擬結(jié)果與再分析資料間的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差。因?yàn)檫@兩組數(shù)據(jù)中氣旋與反氣旋的轉(zhuǎn)型期都不同，所以可以用來對(duì)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(gè)月份的數(shù)據(jù)，但還是能看出來極渦變化的特征呈現(xiàn) 1～3月增加，9～12月減小的趨勢(shì)，兩組數(shù)據(jù)均在 9月呈現(xiàn)最大值，分別為3.48和 3.36，并在冬季的不同月份呈現(xiàn)最小值。從誤差分析可以看出模式模擬結(jié)果能夠較好地反應(yīng)出極渦面積指數(shù)的變化和大小。

3.2 極渦位置

因?yàn)闃O渦并不總是以北極點(diǎn)為中心的對(duì)稱繞極環(huán)流，所以各區(qū)極渦存在較大的差異[19]，多年平均各季節(jié)、各分區(qū)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(gè)區(qū)域，即極渦位置。圖3為試驗(yàn)?zāi)M的平流層高層各分區(qū)極渦在各季中占全區(qū)極渦總面積的百分比。冬季，Ⅰ區(qū)面積比例最大，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)面積相當(dāng)，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(qū)；春季，Ⅰ區(qū)比例呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)，而Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)比例相當(dāng)，表明在春季極渦位置向亞洲大陸區(qū)顯著移動(dòng)，呈現(xiàn)出明顯的偏心結(jié)構(gòu)；夏季，4個(gè)區(qū)域的比例相當(dāng)，說明位于平流層高層的極渦在夏季表現(xiàn)為繞極的環(huán)流；秋季，Ⅰ區(qū)面積比例增大，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)面積相當(dāng)，表明平流層高層極渦在秋季又恢復(fù)了偏向亞洲大陸區(qū)的狀態(tài)。由此可見，試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果中，冬季、春季和冬季位于平流層高層的極渦都偏向I區(qū)即亞洲大陸區(qū)，只在夏季出現(xiàn)了繞極環(huán)流。

圖3 各分區(qū)多年平均極渦面積占全區(qū)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(jìn)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(xiàn)在夏季，1hPa和5hPa在一年中的大值期出現(xiàn)在7月，而 10hPa的大值期比這兩層提前，出現(xiàn)在 6月；這3層極渦面積的最小值期都體現(xiàn)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(jié)變化最為強(qiáng)烈，并且極大值的出現(xiàn)提前于 1hPa和5hPa，同時(shí)極小值也提前于其他兩層的 12月而出現(xiàn)在11月。所以10hPa的極渦面積的變化要提前相對(duì)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(jié)論與討論

①模式能再現(xiàn)平流層高層及中間層大氣溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)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(jié)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(xiàn) 1月和 7月位于平流層高層至中間層大氣間緯向風(fēng)隨高度變化的分布特征，西風(fēng)帶、東風(fēng)帶以及風(fēng)速的大值中心位置都與 ERA-interim再分析資料場(chǎng)一致。

②平流層高層的極區(qū)環(huán)流系統(tǒng)在9月至次年4月為氣旋，6、7月為反氣旋；5月為春季環(huán)流由氣旋向反氣旋轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)型期，8月為秋季環(huán)流由反氣旋向氣旋轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)型期。位于北半球平流層高層的極渦面積在全年呈現(xiàn)先擴(kuò)大后收縮的趨勢(shì)。平流層高層極渦位置在秋季和冬季變動(dòng)幅度最大，呈現(xiàn)明顯的偏心結(jié)構(gòu)；只有夏季表現(xiàn)為繞極環(huán)流，春季和秋冬季都偏向I區(qū)即亞洲大陸區(qū)。

③平流層高層到中間層極渦面積逐月變化間的關(guān)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(jié)變化最大，且變化要提前相對(duì)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(fā)現(xiàn)，SEMANS模式對(duì)平流層高層極渦具有較好的模擬能力，采用適當(dāng)?shù)膮?shù)化方案配置可以較好地再現(xiàn)平流層高層的溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)以及極渦的面積、位置等變化特征。本文僅為SEMANS模式對(duì)平流層高層極渦模擬的初步結(jié)論，還需利用 SEMANS模式進(jìn)行更多的模擬研究，并進(jìn)一步針對(duì)平流層高層是如何影響中間層極渦變化進(jìn)行細(xì)致的討論研究。