劉雅楠 徐海明 張樂(lè)英
摘要 基于高分辨的衛(wèi)星資料和再分析資料,本文采用合成分析、相關(guān)分析和帶通濾波等方法研究了季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上東太平洋峽谷風(fēng)的變化,并首先發(fā)現(xiàn)冬季東太平洋峽谷風(fēng)存在4~16 d的季節(jié)內(nèi)變化周期。進(jìn)一步分析表明在該時(shí)間尺度上峽谷風(fēng)異常與局地海溫異常之間的關(guān)系存在由負(fù)相關(guān)到正相關(guān)的明顯轉(zhuǎn)變,在峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大之前及最大時(shí),峽谷風(fēng)異常與局地海溫異常之間的關(guān)系主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用,北風(fēng)分量的加強(qiáng)使中高緯度干冷空氣進(jìn)入峽谷風(fēng)地區(qū),海表面的凈熱通量損失使得海溫降低。在峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大之后其與局地海溫異常的關(guān)系則轉(zhuǎn)變?yōu)楹Q髮?duì)大氣的強(qiáng)迫作用,冷海溫異??梢恢背掷m(xù)到峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大后的第六天。冷海溫異常的維持使得湍流混合受到抑制,導(dǎo)致其上的海表面風(fēng)速減小。此外,峽谷風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變化可能與東太平洋至北美上空的大氣環(huán)流異常及其演變有關(guān)。在灣區(qū)峽谷風(fēng)達(dá)到最大之前,北太平洋海平面氣壓正異常逐漸東移南下并在其最大時(shí)到達(dá)墨西哥灣上空,使得北美高壓增強(qiáng),灣區(qū)兩側(cè)氣壓差增大,對(duì)應(yīng)灣區(qū)峽谷風(fēng)達(dá)到最大。
關(guān)鍵詞峽谷風(fēng);東太平洋;季節(jié)內(nèi)變化;海氣關(guān)系
在太平洋除赤道西太平洋暖池以外,在東太平洋還有另一個(gè)暖水區(qū)常年存在,被稱之為東太平洋暖池。東太平洋暖池支撐著全球大氣的主要對(duì)流中心,并通過(guò)大氣橋和海洋橋?qū)θ驓夂虍a(chǎn)生影響(Mitchell and Wallace,1992;Wang and Enfield,2003)。位于東太平洋東側(cè)近乎南北走向的中美洲山脈存在三處特殊的峽谷地形,分別對(duì)應(yīng)于墨西哥南側(cè)的特寬特佩克灣區(qū)(Gulf of Tehuantepec,簡(jiǎn)稱TT),尼加拉瓜附近的帕帕加約灣區(qū)(Gulf of Papagayo,簡(jiǎn)稱PP),以及巴拿馬的巴拿馬灣區(qū)(Gulf of Panama,簡(jiǎn)稱PN)(圖1)。峽谷地形連接著來(lái)自中美洲東北側(cè)墨西哥灣相對(duì)較冷的空氣和其西南側(cè)東太平洋暖池的低層暖空氣,兩側(cè)強(qiáng)烈的氣壓差導(dǎo)致灣區(qū)常出現(xiàn)大于12 m/s的低空急流,形成TT的北風(fēng)低空急流以及PP、PN的東北風(fēng)低空急流。
Fiedler(2002)注意到中美洲特殊的峽谷地形創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的氣象條件,對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂?、漁業(yè)和航海業(yè)有重要意義。眾多學(xué)者從季節(jié)、年際和年代際時(shí)間尺度分析了峽谷風(fēng)的不同變化特征(Barton et al.,1993;Trasvina et al.,1995;Xie et al.,2005;Sun and Yu,2006;Romero-Centeno et al.,2007;Karnauskas et al.,2008;Trasvina and Barton,2008;Liang et al.,2009)。Xie et al.(2005)發(fā)現(xiàn)峽谷風(fēng)存在顯著的季節(jié)變化。一般而言,峽谷風(fēng)在冬季最強(qiáng),在夏季最弱甚至消失,而春、秋兩季則為過(guò)渡時(shí)期。Mcclain et al.(2002)利用衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)三處峽谷區(qū)下風(fēng)方向存在高濃度的葉綠素,并歸因于風(fēng)驅(qū)動(dòng)的冷水上翻所致。Chelton(2004)認(rèn)為盡管峽谷風(fēng)事件是周期性的高頻現(xiàn)象,但是就其對(duì)海洋次表層的強(qiáng)烈影響而言,峽谷風(fēng)具有長(zhǎng)期的氣候意義。在年際尺度上,Sun and Yu(2006)通過(guò)海洋區(qū)域模式的模擬發(fā)現(xiàn)峽谷風(fēng)的低頻變化對(duì)海表面溫度的年際變化有調(diào)制作用,同時(shí)還影響著海洋動(dòng)力和生物過(guò)程。此外有研究表明峽谷風(fēng)的年際變化受ENSO影響,如Romero-Centeno et al.(2003)利用觀測(cè)資料對(duì)TT進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在El Nio年TT北風(fēng)分量強(qiáng)度高于La Nia年。峽谷風(fēng)還存在顯著的年代際變化,如東太平洋峽谷風(fēng)在20世紀(jì)90年代中期,存在由偏弱轉(zhuǎn)為偏強(qiáng)的年代際位相轉(zhuǎn)換,Karnauskas et al.(2008)把這種年代際轉(zhuǎn)換歸因于北大西洋三極模態(tài)的遙相關(guān)影響。
21世紀(jì)以來(lái),一系列高分辨率的衛(wèi)星資料使人們認(rèn)識(shí)中小尺度的海氣相互作用成為可能(Chelton et a1.,2000;Hashizume et a1.,2002;Kobashi et a1.,2008;陶麗等,2013;沈新勇等,2016)??v觀前人的研究,對(duì)東太平洋峽谷風(fēng)季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的變化研究少有涉及。同時(shí)考慮到峽谷風(fēng)在冬季達(dá)到最強(qiáng)(Xie et al.,2005;Sun and Yu,2006;Romero-Centeno et al.,2007),因此,本文試圖探討冬季東太平洋峽谷風(fēng)的季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度變化特征,并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步揭示季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上與冬季峽谷風(fēng)相聯(lián)系的局地海氣關(guān)系。
1 資料與方法
所用的大氣數(shù)據(jù)為:1)美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)Climate Forecast System Reanalysis(CFSR)的10 m風(fēng)場(chǎng),其水平分辨率0.5°×0.5°。CFSR 10 m風(fēng)場(chǎng)是由QuickSCAT風(fēng)場(chǎng)同化得到(Sasaki et al.,2012),與QuickSCAT海表面10 m風(fēng)場(chǎng)相比,在1999—2009 年同一時(shí)間段兩者對(duì)東太平洋峽谷風(fēng)的分析結(jié)果相一致。因此,本文在研究峽谷風(fēng)的季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度變化時(shí)最終采用了時(shí)段更長(zhǎng)的1979—2014年CFSR的再分析資料。2)The Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM)衛(wèi)星的降水和云中液態(tài)水資料,其觀測(cè)范圍在南北緯40°之間,資料水平分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)段為1998—2014年。3)美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所的Objectively Analyzed air-sea Fluxes(OAFlux)的凈熱通量數(shù)據(jù),其水平分辨率為1°×1 °,資料時(shí)段為1998—2009年(Yu et al.,2004a,2004b;Yu and Weller,2007)。
所用海溫?cái)?shù)據(jù)為美國(guó)國(guó)家海洋大氣局最優(yōu)插值逐日的Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR)海表面溫度,分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)段為1982—2014年(Reynold et al.,2007)。除OAFlux資料時(shí)段限制外(1998—2009年),為方便討論,本文主要分析上述資料的重疊時(shí)間1998—2014年。
為了研究冬季峽谷風(fēng)季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的變化特征,首先對(duì)1998—2014年每年冬季(11月—次年2月)共120 d(閏年121 d)峽谷風(fēng)關(guān)鍵區(qū)的海表面10 m風(fēng)速平均值進(jìn)行小波分析,得到其季節(jié)內(nèi)變化的主周期。然后用帶通濾波從逐日的風(fēng)場(chǎng)異常中濾出季節(jié)內(nèi)變化的主要分量,并將其在關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的平均值定義為峽谷風(fēng)的強(qiáng)度指數(shù)。本文氣候態(tài)是指1998—2014年的多年平均。所用的研究方法主要是相關(guān)分析、合成分析等統(tǒng)計(jì)方法。
2 峽谷風(fēng)的時(shí)空變化特征
圖2分別給出了1998—2014年冬季東太平洋海表面10 m風(fēng)和海溫的氣候態(tài)分布及其在90 d以下季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度異常的標(biāo)準(zhǔn)差。從10 m風(fēng)場(chǎng)的氣候態(tài)分布來(lái)看,三個(gè)灣區(qū)均存在東北風(fēng)大風(fēng)速區(qū),風(fēng)速大值區(qū)由峽谷位置向東南方向伸展(圖2a)。其中,TT和PP灣區(qū)風(fēng)速較大,PN灣區(qū)的風(fēng)速相對(duì)較小。對(duì)照海溫氣候態(tài)分布(圖2b)可知,TT和PP兩支峽谷風(fēng)所在海區(qū)分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)海溫低值中心,海溫低值中心的最小值可低
至23 ℃。PN灣區(qū)由于峽谷風(fēng)速較小,并沒(méi)有出現(xiàn)海溫低值中心,但仍對(duì)應(yīng)一冷舌存在。從季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度變率來(lái)看,風(fēng)場(chǎng)季節(jié)內(nèi)變率最大值正好出現(xiàn)在風(fēng)速較大的灣區(qū),其中TT灣區(qū)季節(jié)內(nèi)變率最大,PP灣區(qū)次之,PN灣區(qū)變率明顯小于前兩個(gè)灣區(qū)。不難發(fā)現(xiàn),本文所選用的CFSR資料基本可以反映出東太平洋氣候態(tài)上三大灣區(qū)的風(fēng)場(chǎng)大值區(qū)及其對(duì)應(yīng)的季節(jié)內(nèi)尺度變率。由于本文關(guān)注的是峽谷風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變化特征,因此下文主要研究季節(jié)內(nèi)變率較大的TT和PP灣區(qū),而PN灣區(qū)峽谷風(fēng)季節(jié)內(nèi)變率較小,本文暫不討論。綜合峽谷內(nèi)風(fēng)速及其季節(jié)內(nèi)變率的大值區(qū),分別將(97.0°~93.0°W,11.5°~16.0°N)和(92.0°~86.0°W,7.0°~11.5°N)定義為T(mén)T和PP灣區(qū)的關(guān)鍵區(qū)并進(jìn)一步研究其10 m風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變化特征(圖2黑色方框所示)。此外,除東太平洋灣區(qū)存在海溫的低值區(qū)外,灣區(qū)內(nèi)同樣對(duì)應(yīng)海溫的季節(jié)內(nèi)變率大值區(qū),這表明灣區(qū)上層的海表面風(fēng)速可能與海溫存在密切聯(lián)系,它們之間的相關(guān)關(guān)系也將在下文討論。
圖3給出了1998—2014年多年平均的冬季TT峽谷風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)逐日時(shí)間序列演變以及相應(yīng)的小波分析頻譜。由圖可見(jiàn),多年平均的TT灣區(qū)的風(fēng)速可達(dá)7 m/s(圖3a),峽谷風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)在冬季(11月—次年2月)主要呈現(xiàn)出4~16 d季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的周期變化(圖3b),并均通過(guò)了95%顯著性的紅噪聲檢驗(yàn)。作為典型例子,分別對(duì)1998和2013年冬季TT峽谷風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行分析(圖3c—f),北部TT灣區(qū)的風(fēng)速有時(shí)可高達(dá)15 m/s以上,遠(yuǎn)高于低空急流的標(biāo)準(zhǔn)。1998年冬季的TT峽谷風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)不僅出現(xiàn)了4~16 d的季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的變化周期,而且還存在一個(gè)20~30 d的變化周期(圖3d)。2013年冬季的TT峽谷風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)除4~16 d的季節(jié)內(nèi)周期變化外,在12月中旬之前還出現(xiàn)了一個(gè)16~30 d的周期(圖3f)。以上分析表明,盡管不同年份TT灣區(qū)峽谷風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變率周期存在一定的差異,但多年平均和典型年中峽谷風(fēng)存在4~16 d季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的周期變化。同樣對(duì)PP峽谷風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的小波功率譜分析發(fā)現(xiàn),PP灣區(qū)的風(fēng)場(chǎng)也主要表現(xiàn)為4~16 d的季節(jié)內(nèi)周期變化特征(圖略)。
3 與冬季峽谷風(fēng)季節(jié)內(nèi)變化相聯(lián)系的氣象要素場(chǎng)及海氣變化特征
上一節(jié)分析表明,冬季東太平洋峽谷風(fēng)存在明顯的4~16 d季節(jié)內(nèi)變化周期。本節(jié)將討論該季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上與冬季峽谷風(fēng)相聯(lián)系的海氣特征。圖4給出了海表面風(fēng)場(chǎng)、海溫、凈熱通量和海溫傾向變化在峽谷風(fēng)正、負(fù)位相之間差值場(chǎng),其中峽谷風(fēng)正位相選取標(biāo)準(zhǔn)化后TT和PP強(qiáng)度指數(shù)均大于1.0標(biāo)準(zhǔn)差的91個(gè)樣本,峽谷風(fēng)負(fù)位相選取兩者均小于負(fù)1.0標(biāo)準(zhǔn)差的96個(gè)樣本。下文提及的風(fēng)速、海溫等變量均指其相應(yīng)的異常場(chǎng)。從圖4a可見(jiàn),峽谷風(fēng)異常增強(qiáng)時(shí),中美洲以西的東太平洋上海表面風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)為一異常反氣旋性環(huán)流,其南側(cè)為東北風(fēng)異常。同時(shí)在海溫場(chǎng)上,在東太平洋的TT和PP灣區(qū)均表現(xiàn)為冷異常(圖4b)。灣區(qū)海溫冷異常與海表面風(fēng)速正異常相對(duì)應(yīng),表明峽谷風(fēng)的加強(qiáng)可能通過(guò)蒸發(fā)冷卻作用使得海表面失去的凈通量增加(圖4c),從而引起海溫降低,即峽谷風(fēng)達(dá)到最大時(shí)局地海氣關(guān)系表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用。Wu and Kinter(2010)提出一種判斷局地海氣相互作用是大氣強(qiáng)迫海洋還是海洋強(qiáng)迫大氣的方法,即若向下的凈通量異常與海溫傾向異常為顯著正相關(guān),則實(shí)質(zhì)上反映的是大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫;反之,則相反?;诖朔椒ǎY(jié)合圖4c凈熱通量異常和海溫傾向異常合成分析的結(jié)果可以看出,向下的凈通量負(fù)異常和海溫傾向負(fù)異常相對(duì)應(yīng),即向下的凈熱通量異常和海溫傾向異常正相關(guān),該方法也進(jìn)一步驗(yàn)證了峽谷風(fēng)達(dá)到最大時(shí)大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用。
上文分析表明峽谷風(fēng)達(dá)到最大時(shí)的局地海氣關(guān)系表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用,為進(jìn)一步研究在其達(dá)到最大前后期的海氣變化特征,圖5給出了峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大前4 d至峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大后6 d的海(陸)表面10 m風(fēng)場(chǎng)和海溫場(chǎng)。從圖5a和圖5a1可見(jiàn),在-4 d時(shí),中美洲兩側(cè)的東太平洋和北美南部及墨西哥灣主要受兩個(gè)氣旋異常環(huán)流控制,其中一個(gè)氣旋性異常環(huán)流中心位于墨西哥北部沿岸,另一個(gè)位于中美洲沿岸。此時(shí),峽谷風(fēng)地區(qū)盛行西南風(fēng)異常,對(duì)應(yīng)于峽谷風(fēng)的減弱,其所對(duì)應(yīng)的海區(qū)為海溫正異常。在-2 d時(shí),北美大陸中部已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為一致的異常偏北氣流,該偏北異常氣流越過(guò)了TT峽谷并進(jìn)入了東太平洋,在TT灣區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的東北異常氣流,此時(shí)墨西哥灣區(qū)的偏北氣流還沒(méi)有到達(dá)PP峽谷。相應(yīng)地,在TT和PP灣區(qū)仍維持較強(qiáng)的暖海溫異常(圖5b和圖5b1)。在0 d時(shí),墨西哥灣和北美大陸南部受到一個(gè)較為完整的異常反氣旋環(huán)流控制,該反氣旋環(huán)流南側(cè)盛行的較強(qiáng)東北風(fēng)異常氣流分別越過(guò)了TT和PP峽谷,使得峽谷風(fēng)達(dá)到最強(qiáng)。相應(yīng)地,灣區(qū)的海溫由前期的暖異常轉(zhuǎn)變?yōu)槔洚惓#▓D5c和圖5c1)。在后2 d至后4 d時(shí),隨著原先控制北美南部和墨西哥灣的異常反氣旋減弱東移(圖5d—e),峽谷風(fēng)強(qiáng)度也隨之減弱,但有意思的是隨著峽谷風(fēng)減弱,TT和PP灣區(qū)的冷海溫異常并沒(méi)有減弱消失,反而繼續(xù)發(fā)展加強(qiáng)并向西擴(kuò)展(圖5d1—e1)。這種冷的海溫異??梢恢本S持到峽谷風(fēng)達(dá)到最大后的第6天(圖5f1)。綜上,灣區(qū)峽谷風(fēng)達(dá)到最大之前,峽谷風(fēng)偏弱,對(duì)應(yīng)灣區(qū)海溫正異常,表明在峽谷風(fēng)達(dá)到最大之前灣區(qū)海氣關(guān)系為大氣影響海洋,與峽谷風(fēng)達(dá)到最大時(shí)一致。然而,后期峽谷風(fēng)偏弱,灣區(qū)海溫負(fù)異常,這表明在峽谷風(fēng)達(dá)到最大之后海氣關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楹Q笥绊懘髿?。即在灣區(qū)峽谷風(fēng)達(dá)到最大前后,灣區(qū)局地海氣關(guān)系存在由大氣影響海洋到海洋影響大氣的轉(zhuǎn)變過(guò)程。
從TT和PP灣區(qū)海表面10 m風(fēng)速異常與海溫異常的相關(guān)關(guān)系在峽谷風(fēng)達(dá)到峰值前后的演變(圖6)上可以更清楚地看到上述海氣關(guān)系的轉(zhuǎn)變過(guò)程。在峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大之前,TT和PP灣區(qū)的風(fēng)速與海溫之間存在顯著的負(fù)相關(guān),即海氣之間主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用,并且這種強(qiáng)迫作用可以通過(guò)海表面的感熱通量、潛熱通量來(lái)解釋(Natmias and Cayan,1981;趙永平,1986;Wallace et a1.,1990;Alexander et a1.,2002;李麗平和羅婷,2014;馬小嬌等,2015;黃勇等,2017),即中高緯度的干冷空氣通過(guò)峽谷進(jìn)入東太平洋TT和PP灣區(qū),增強(qiáng)了海表面熱量交換,使得海表面失去的凈通量增多,熱量?jī)魮p失則導(dǎo)致海溫降低。在峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大后,海溫與峽谷風(fēng)之間的關(guān)系則轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的正相關(guān)關(guān)系,表明海氣之間主要表現(xiàn)為海洋對(duì)大氣起強(qiáng)迫作用,尤其是冷海溫異常的強(qiáng)迫作用可以持續(xù)到峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大后的第六天。冷海溫區(qū)的存在可導(dǎo)致冷海水區(qū)上空大氣穩(wěn)定度增加(圖略),大氣垂直混合受到抑制,從而使得海表面風(fēng)速減少(Chelton,2004;Xie,2004;王堅(jiān)紅等,2016)。這種風(fēng)速與海溫之間的正相關(guān)關(guān)系同樣被用來(lái)解釋其他海區(qū)中尺度海氣相互作用中海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用,如索馬里西部的阿拉伯海(Vecchi et a1.,2004),中國(guó)東海(Xie et a1.,2002)以及黑潮延伸區(qū)(Nonaka and Xie,2003)。
此外,峽谷風(fēng)強(qiáng)度的季節(jié)內(nèi)變化與水汽的關(guān)系也存在由負(fù)相關(guān)到正相關(guān)的轉(zhuǎn)變,不同的是這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在峽谷風(fēng)達(dá)到最大的后3 d。在峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大前3 d(-3 d),TT峽谷風(fēng)異常與水汽含量異常負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.27,-2 d時(shí)PP峽谷風(fēng)異常與水汽含量異常負(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.34,隨后負(fù)相關(guān)減弱,在峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大后3 d時(shí)相關(guān)系數(shù)幾乎為0后轉(zhuǎn)為正相關(guān),后5 d時(shí)正相關(guān)達(dá)到0.27。因此,峽谷風(fēng)與海溫關(guān)系的轉(zhuǎn)變可能對(duì)東太平洋灣區(qū)的水汽也存在一定的影響。
為進(jìn)一步研究灣區(qū)風(fēng)速異常對(duì)后期水汽的影響,圖7給出了峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大當(dāng)天以及隨后的第2天、第4天降水和云中液態(tài)水(cloud liquid water,簡(jiǎn)稱CLW)隨時(shí)間的變化情況。由圖可見(jiàn),峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大當(dāng)天以及第2天,TT和PP灣區(qū)降水和云中液態(tài)水含量均有所減少,降水量和云中液態(tài)水的減少與峽谷風(fēng)導(dǎo)致的離岸風(fēng)的增強(qiáng)(圖7a,a1和b,b1)及相應(yīng)低層輻散的增強(qiáng)有關(guān)。有意思的是,在距離中美洲西海岸近1 500 km的太平洋上形成了一條與中美洲海岸線近乎平行的降水雨帶,這條西北-東南走向的雨帶同樣也反映在云中液態(tài)水場(chǎng)上。從圖中還可以清楚看到,這條異常降水雨帶正好位于與峽谷風(fēng)相聯(lián)系的偏東異常氣流的前沿位置,表明這條異常雨帶的形成可能與峽谷風(fēng)爆發(fā)后在其向西推進(jìn)過(guò)程中與環(huán)境氣流的輻合有關(guān)。第4天時(shí),此時(shí)雖然峽谷風(fēng)已經(jīng)減弱消失,但是中美洲西部沿海仍然維持較強(qiáng)的降水量和云水負(fù)異常,而這種降水量和云水的減少很可能與持續(xù)存在的較強(qiáng)冷海水異常有關(guān)(圖7c,c1)。這與圖6在峽谷風(fēng)達(dá)到最大后3天前,峽谷風(fēng)風(fēng)速異常與水汽含量異常負(fù)相關(guān),而在峽谷風(fēng)達(dá)到最大后第4天后兩者變?yōu)檎嚓P(guān)一致。由此可見(jiàn),峽谷風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變化同樣可以引起東太平洋上降水和云水的變化。
綜上,TT和PP灣區(qū)峽谷風(fēng)在達(dá)到最大時(shí)主要表現(xiàn)為大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用。在峽谷風(fēng)達(dá)到最大前后灣區(qū)的海氣關(guān)系會(huì)發(fā)生改變,在達(dá)到最大之前表現(xiàn)為大氣影響海洋,而之后則表現(xiàn)為海洋影響大氣。此外,峽谷風(fēng)與海溫關(guān)系的轉(zhuǎn)變可能對(duì)東太平洋灣區(qū)的降水和水汽也存在一定的影響。在峽谷風(fēng)達(dá)到最大和后兩天,峽谷風(fēng)和降水及水汽為負(fù)相關(guān)關(guān)系,在峽谷風(fēng)達(dá)到最大后4 d兩者變?yōu)檎嚓P(guān)關(guān)系。
4 冬季峽谷風(fēng)季節(jié)內(nèi)變化與大氣環(huán)流的聯(lián)系
大尺度環(huán)流背景可以提供中小尺度系統(tǒng)形成的基本條件,同時(shí)其相應(yīng)的變化也可制約中小尺度系統(tǒng)的變化。因此,大尺度環(huán)流變化可能對(duì)中小尺度系統(tǒng)變化有重要的指示意義。例如,研究發(fā)現(xiàn)北大西洋三極模態(tài)和北極濤動(dòng)對(duì)東太平洋峽谷風(fēng)的年代際變化均有顯著影響(Karnauskas et al.,2008;Karnauskas,2014)。為研究峽谷風(fēng)季節(jié)內(nèi)變化與大尺度環(huán)流的可能聯(lián)系,圖8給出了峽谷風(fēng)正、負(fù)位相之間東太平洋至北美海平面氣壓和500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的差值場(chǎng)。由圖可見(jiàn),峽谷風(fēng)的強(qiáng)弱變化與東太平洋至北美中高緯環(huán)流的異常顯著相關(guān)。峽谷風(fēng)異常增強(qiáng)時(shí),在海平面氣壓場(chǎng)上主要表現(xiàn)為在北美大陸和墨西哥灣上空為一個(gè)大范圍的海平面氣壓正異常所控制,該正異常正好位于氣候態(tài)上北美高壓所在位置,使得北美高壓增強(qiáng),對(duì)應(yīng)峽谷風(fēng)兩側(cè)的氣壓場(chǎng)增強(qiáng),有利于峽谷風(fēng)增強(qiáng)。在東太平洋上則表現(xiàn)為被一個(gè)負(fù)海平面氣壓異常區(qū)控制,海平面氣壓異常減弱。相應(yīng)地,在對(duì)流層中層的500 hPa高度場(chǎng)上,東太平洋經(jīng)北美上空至北美東部沿岸表現(xiàn)為一個(gè)“-+-”型的位勢(shì)高度異常分布,表明峽谷風(fēng)異常增強(qiáng)時(shí),北美大陸上空500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)異常升高,而在其東西兩側(cè)的太平洋和北美東部沿岸位勢(shì)高度場(chǎng)異常減弱。由此可見(jiàn),峽谷風(fēng)的強(qiáng)度變化可能與北美大陸上空的大氣環(huán)流異常變化有關(guān)。
為進(jìn)一步揭示峽谷風(fēng)季節(jié)內(nèi)變化與中緯度大氣環(huán)流演變的關(guān)系,圖9分別給出了峽谷風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大的前6 d至最大當(dāng)天海平面氣壓和500 hPa位勢(shì)高度異常合成場(chǎng)。由海平面氣壓時(shí)間演變可見(jiàn),在峽谷風(fēng)達(dá)到最大的前6 d(-6 d),北太平洋白令海峽附近出現(xiàn)了一個(gè)海平面氣壓正異常中心但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。隨著時(shí)間的推移,該海平面氣壓異常中心向東移動(dòng);-4 d時(shí),移至北美大陸的西海岸;-2 d時(shí),越過(guò)洛基山山脈明顯發(fā)展加強(qiáng)并向南移動(dòng),同時(shí)在東太平洋上空出現(xiàn)了一個(gè)海平面氣壓負(fù)異常中心;0 d時(shí),海平面正異常進(jìn)一步南移至墨西哥灣上空,對(duì)應(yīng)北美高壓增強(qiáng),灣區(qū)兩側(cè)氣壓差增強(qiáng),峽谷風(fēng)強(qiáng)度也相應(yīng)達(dá)到了峰值。類似地,上述海平面氣壓隨時(shí)間的演變特征同樣反映在500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上,有所不同的是500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的異常更加表現(xiàn)為一個(gè)正負(fù)位勢(shì)高度場(chǎng)相間的波列,自西向東移動(dòng)。隨著正位勢(shì)高度場(chǎng)越過(guò)洛基山山脈后明顯發(fā)展加強(qiáng)并南移,峽谷風(fēng)也隨之達(dá)到峰值。因此,峽谷風(fēng)強(qiáng)度的季節(jié)內(nèi)變化可能與來(lái)自北太平洋異常海平面氣壓東移南壓至北美大陸并引起北美高壓強(qiáng)度發(fā)生變化有關(guān)。
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Sub-seasonal variation of gap winds over the eastern Pacific and its associated air-sea interaction
LIU Yanan1,2,XU Haiming1,ZHANG Leying3
1Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters(CIC-FEMD)/Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME)/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change(ILCEC),Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;
2Meteorological Science Institute of Jiangxi Province,Nanchang 330046,China;
3College of Biology and the Environment,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China
Based on high-resolution satellite observations and NCEP-CFSR reanalysis results,this study investigates the sub-seasonal variation of the winter gap wind over the eastern Pacific and its associated air-sea interaction.It is observed that gap wind displays a significant sub-seasonal cycle during the period of 4—16 days.In the sub-seasonal cycle,the relationship between the gap wind anomaly and its underlying sea surface temperature(SST) anomaly undergoes a significant transition when the gap wind reaches its peak phase.Before the peak phase,their relationship is negative,indicating an atmospheric-to-oceanic forcing.During this period,the increasing northerly winds blow toward the Gulfs with a dry and cold air flow,enhancing the surface net heat fluxes loss,in turn leading to the SST decreased.After the peak phase ends,the relationship between gap wind anomaly and its underlying SST anomaly turns positive,corresponding to an oceanic-to-atmospheric forcing,and particularly worth noting is that the negative SST anomalies can last for 6 days.The associated cold SST anomaly in turn suppresses the turbulent mixing,causing the sea surface wind speed to decrease.In addition,the atmospheric circulation anomalies over the eastern Pacific toward North America may exert an influence on the sub-seasonal variation of the gap wind.Positive sea level pressure anomalies over the North Pacific move southeastward as the gap wind increases,and reach Mexico Bay when the gap wind reaching its peak.The sea level pressure anomalies over Mexico Bay enhance the North American High,so as to enlarge the pressure differences between the east and west side of the Gulfs,thereby contributing to the gap wind peak.
gap wind;eastern Pacific;sub-seasonal variation;air-sea relationship
doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20171024001
(責(zé)任編輯:劉菲)