朱麗華, 范廣洲

(成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225)

0 引言

長久以來,西風(fēng)一直是中高緯度地區(qū)環(huán)流研究的一項(xiàng)重要課題,西風(fēng)異常的描述及其影響一直備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,目前已取得很多成果。1939年Rossby[1]最先提出西風(fēng)指數(shù)的概念,這一指數(shù)利用35°N和55°N緯圈平均的海平面氣壓差表征北半球中緯度西風(fēng)的強(qiáng)弱。之后,西風(fēng)的研究陸續(xù)展開。王紹武[2]利用北半球500hPa月平均高度研究了20世紀(jì)50年代西風(fēng)指數(shù)的變化特征,并指出其具有準(zhǔn)兩年振蕩特征。Thompson和Wallace[3]利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解得出冬季北半球海平面氣壓場的主模態(tài),即北極濤動,其實(shí)質(zhì)為中緯度西風(fēng)強(qiáng)弱的描述。龔道溢和王紹武[4]利用40°N和65°N緯圈平均高度差定義西風(fēng)指數(shù),并研究了其與北半球溫度變化的關(guān)系。

西風(fēng)指數(shù)的強(qiáng)弱能夠反映中高緯大氣環(huán)流的基本狀態(tài),這種基本狀態(tài)與高緯和中低緯大氣之間的質(zhì)量、動量及熱量的交換均有密切的聯(lián)系。緯向西風(fēng)在半球乃至全球氣候異常的形成中起著極其重要的作用。陳海山和孫照渤[5]研究得出一個(gè)能夠反映環(huán)流異常的東亞區(qū)域西風(fēng)指數(shù),并指出這一西風(fēng)指數(shù)可反映中國冬季氣溫變化的主要特征。董敏等[6]指出500hPa西風(fēng)指數(shù)與中國夏季長江流域降水量相關(guān)明顯。李崇銀等[7]的研究表明東亞副熱帶西風(fēng)急流位置的北跳對南海夏季風(fēng)的爆發(fā)和江淮梅雨起始時(shí)間都有重要影響。廖清海等[8]研究指出東亞高空西風(fēng)急流位置的異常變動影響東亞夏季風(fēng)氣候及中國東部雨帶的由南向北推進(jìn)。嚴(yán)華生等[9]研究指出關(guān)鍵區(qū)西風(fēng)指數(shù)的強(qiáng)弱與中國夏季雨帶的類型關(guān)系密切。鐘海玲和李棟梁[10]的研究顯示沙塵暴與緯向西風(fēng)的位置和強(qiáng)度密切相關(guān)。王可麗等[11]指出西風(fēng)帶的水汽輸送是中國西北大部分地區(qū)的基本水汽來源,西風(fēng)變化對西風(fēng)帶水汽輸送通量散度年際變化有直接的影響。馮文等[12]研究指出西風(fēng)年際變化對西北地區(qū)風(fēng)場輻合(輻散)的影響是中國西北地區(qū)水汽場年際變化的主要原因。李萬莉等[13]分析中國西北地區(qū)的水汽輸送和收支的平均狀況時(shí)指出西風(fēng)氣流是西北地區(qū)水汽輸送的主要載體,區(qū)域西風(fēng)指數(shù)對西北地區(qū)的水汽輸送和收支具有良好的指示作用,區(qū)域西風(fēng)指數(shù)越大,由西風(fēng)氣流輸入到西北地區(qū)上空的水汽量越大。傅云飛和黃榮輝[14]指出:東亞西風(fēng)異常向南傳播時(shí),歐亞大陸有歐亞遙相關(guān)環(huán)流型相配合,使赤道西太平洋地區(qū)的西風(fēng)異常猛烈發(fā)展,隨著西風(fēng)異常東傳,造成強(qiáng)的ElNi～no事件。

關(guān)于西風(fēng)與中國甚至世界氣候變化關(guān)系的研究雖然很多,但是針對特殊地形表面上空的西風(fēng)變化特征及其與環(huán)流和氣候的關(guān)系的研究相對較少。地形對大氣環(huán)流乃至全球氣候的形成都有非常重要的影響。大氣運(yùn)動的直接能源有2/3來自于地表[15],地表的海-陸分布不均對大氣受熱時(shí)空分布的影響最基本也最強(qiáng)烈[16],而大氣環(huán)流自身還會受到不同地形的機(jī)械強(qiáng)迫和熱力強(qiáng)迫的影響。因此,研究特殊地形表面上空的西風(fēng)變化特征及其與環(huán)流和氣候變化的關(guān)系具有格外重要的意義。

選取的地形為青藏高原,它位于東亞副熱帶地區(qū),高聳至對流層中部,面積約占中國的1/4,青藏高原的存在改變了歐亞大陸的氣候格局[17],其地表過程變化不但會引起亞洲地區(qū)大氣環(huán)流的重大變化,還會在北半球甚至全球產(chǎn)生重大影響[18]。因此選擇研究青藏高原上空的西風(fēng)變化具有十分重要的意義。已有研究表明[19-25]青藏高原500hPa緯向風(fēng)及中國部分地區(qū)的地表風(fēng)速均有減弱的趨勢,那么高原200hPa西風(fēng)是怎樣變化的?它的變化與中國降水有怎樣的關(guān)系?降水場的變化與大氣環(huán)流異常又有怎樣的配置?通過分析7月青藏高原區(qū)域平均緯向風(fēng)研究高原夏季西風(fēng)變化特征及其與中國降水和大氣環(huán)流的關(guān)系,對以上問題進(jìn)行逐一解答。

1 資料介紹

使用的風(fēng)場資料為NCEP/NCAR月平均再分析資料,其水平分辨率為經(jīng)緯度網(wǎng)格,資料的時(shí)間為1948～2009年(選取7月代表夏季);使用的降水資料為國家氣候中心提供的1951～2009年7月中國160個(gè)測站月降水。另外,文中選取30°N ～40°N,80°E～100°E的青藏高原地區(qū)進(jìn)行研究。

2 青藏高原夏季200hPa西風(fēng)變化特征分析

2.1 高原西風(fēng)變化趨勢的空間分布

利用線性傾向估計(jì)的方法[26]分析1948～2009年夏季青藏高原200hPa緯向西風(fēng)的線性變化趨勢(如圖1所示),正值代表上升趨勢,陰影部分為超過95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域。從圖1可以看出近62年青藏高原上空西風(fēng)整體呈現(xiàn)明顯增強(qiáng)趨勢,且大部分區(qū)域超過了95%的信度檢驗(yàn)(如圖1陰影部分所示)。西風(fēng)增強(qiáng)的趨勢由西向東遞增,高原東部地區(qū)增強(qiáng)趨勢最顯著。

圖1 1948～2009年7月青藏高原200hPa西風(fēng)線性趨勢分布(正值表示上升趨勢;陰影:信度超過95%的區(qū)域)

圖2 1948～2009年7月200hPa青藏高原主體范圍(30°N ～40°N,80°E～ 100°E)區(qū)域平均西風(fēng)年際變化(單位:m/s)

2.2 高原西風(fēng)時(shí)間變化趨勢

圖2為青藏高原區(qū)域夏季200hPa緯向西風(fēng)62年來隨時(shí)間的變化曲線,從圖中分析,自1948年,青藏高原夏季200hPa西風(fēng)總體呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(R=0.310,超過95%的信度檢驗(yàn)),以擬合直線斜率的10倍作為氣候傾向率,代表每10年西風(fēng)的變化值,計(jì)算得出西風(fēng)的氣候傾向率為0.72m·s-1·(10a)-1。另外,圖1還顯示青藏高原夏季200hPa緯向西風(fēng)在20世紀(jì)50年代前期偏弱,在50年代中后期開始增強(qiáng),并在80年代出現(xiàn)近62年的最大值,90年代末高原高空西風(fēng)略有減弱,但并不明顯。

2.3 周期分析

利用小波分析方法對1948～2009年7月青藏高原200hPa緯向西風(fēng)時(shí)間序列進(jìn)行分析(母函數(shù)取Morlet小波),得出小波系數(shù)的實(shí)部、小波功率譜及其顯著性檢驗(yàn),小波功率譜的定義根據(jù)Torrence[27]提出的為復(fù)小波系數(shù)的模方。小波分析的結(jié)果表明高原200hPa西風(fēng)具有2～4a的周期,這一周期成分主要出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代、70年代后期、80年代和90年代,小波功率譜的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明高原西風(fēng)2～4a的周期在50年代及70年代末至80年代前期這兩個(gè)時(shí)段表現(xiàn)顯著,均超過了95%的信度檢驗(yàn)。

圖3 1948～2009年7月青藏高原200hPa西風(fēng)的小波分析(虛弧線為頭部影響)

圖4 1948～2009年7月青藏高原200hPa西風(fēng)曼-肯德爾統(tǒng)計(jì)量曲線(虛直線為α=0.05顯著性水平臨界線)

2.4 突變分析

用曼-肯德爾法[26]檢測1948～2009年7月青藏高原200hPa緯向西風(fēng)序列的突變情況,如圖4中所示,給定顯著性水平α=0.05,由UF曲線可見,自50年代后期,青藏高原200hPa緯向西風(fēng)有一明顯的增強(qiáng)趨勢,且在60年代至90年代末高原西風(fēng)的這種增強(qiáng)趨勢超過了顯著性水平0.05臨界線,表明在這一時(shí)段高原西風(fēng)增強(qiáng)趨勢是十分顯著的,與之前的分析結(jié)果一致。且根據(jù)UF和UB交點(diǎn)的位置確定高原200hPa西風(fēng)在50年代的增強(qiáng)是一突變現(xiàn)象,具體從1954年開始,即青藏高原夏季200hPa緯向西風(fēng)存在1954年的突變點(diǎn)。

3 青藏高原夏季200hPa西風(fēng)異常與降水的關(guān)系

圖5為青藏高原7月200hPa緯向西風(fēng)時(shí)間序列與中國160個(gè)測站7月降水量的同期相關(guān)分析,從圖5中可以看出當(dāng)青藏高原夏季200hPa緯向西風(fēng)增強(qiáng)時(shí),在長江流域以北的中國大部分地區(qū)降水偏多,以江淮流域、川渝地區(qū)西部和東部省界以及中國西北、東北的部分地區(qū)表現(xiàn)顯著,長江流域以南的大部分地區(qū)降水偏少,其中華南沿海及中國西南地區(qū)西南部降水偏少更加明顯。

圖5 青藏高原7月200hPa西風(fēng)時(shí)間序列與1951～2009年7月降水的同期相關(guān)系數(shù)(實(shí)線表示正相關(guān),虛線表示負(fù)相關(guān);陰影:信度超過90%、95%、99%的區(qū)域)

圖6 青藏高原7月200hPa西風(fēng)時(shí)間序列與同期500hPa的U、V風(fēng)場相關(guān)系數(shù)構(gòu)造出來的矢量的流場和相對渦度場

4 青藏高原夏季200hPa西風(fēng)異常與環(huán)流的關(guān)系

為了討論青藏高原夏季200hPa緯向西風(fēng)異常與大氣環(huán)流的關(guān)系,把青藏高原7月200hPa緯向西風(fēng)序列與7月500hPa的 U、V風(fēng)場及對流層中低層的緯向水汽通量、經(jīng)向水汽通量分別求相關(guān)系數(shù),然后用由相關(guān)系數(shù)構(gòu)造出來的矢量的流場、相對渦度場及水汽通量散度場的分布分別代表青藏高原夏季200hPa緯向西風(fēng)增強(qiáng)所對應(yīng)的流場、相對渦度場及水汽通量散度場的結(jié)構(gòu)。

4.1 500hPa流場及相對渦度場

圖6為青藏高原7月200hPa西風(fēng)時(shí)間序列與同期500hPa的U、V風(fēng)場相關(guān)系數(shù)構(gòu)造出來的矢量的流場和相對渦度場分布,圖中顯示當(dāng)青藏高原夏季200hPa緯向西風(fēng)增強(qiáng)時(shí),西北、華北、東北的大部分地區(qū)主要受強(qiáng)大的氣旋式異常環(huán)流控制,環(huán)流中心及其對應(yīng)的正渦度中心位于內(nèi)蒙古地區(qū)東部上空,異常氣旋式環(huán)流的存在有利于北方地區(qū)低壓系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展;中低緯度西太平洋、華南沿海及西南地區(qū)南部為一致的反氣旋式異常環(huán)流;占據(jù)北方大部分地區(qū)的強(qiáng)大的氣旋式異常環(huán)流與控制南方地區(qū)的反氣旋式異常環(huán)流之間的川渝地區(qū)西部-川渝地區(qū)東部省界-江淮地區(qū)一線盛行異常偏西氣流,使來自印度洋的暖濕氣流源源不斷的向這一線地區(qū)輸送,易于造成這些地區(qū)異常偏多的降水;另外,由于中低緯度西太平洋、華南沿海至西南地區(qū)南部的反氣旋式異常環(huán)流的存在,有利于使西太平洋副高的位置偏南偏西,進(jìn)而不利于華南沿海及西南南部地區(qū)的降水。

4.2 水汽通量散度場

圖7中,分別對地面到500hPa的緯向水汽通量Qu、經(jīng)向水汽通量Qv垂直積分,得到整個(gè)對流層中低層的水汽輸送狀況,計(jì)算青藏高原7月200hPa緯向西風(fēng)與積分后的Qu、Qv相關(guān)系數(shù)并構(gòu)造矢量,該矢量的散度反映了高原夏季200hPa西風(fēng)增強(qiáng)所對應(yīng)的某地水汽輻合、輻散狀況,正值區(qū)表示水汽輻散,負(fù)值區(qū)表示水汽輻合,其中數(shù)值大小只有相對意義。圖7中顯示,當(dāng)青藏高原夏季200hPa西風(fēng)增強(qiáng)時(shí),在長江流域以北的北方地區(qū)以水汽輻合為主,其中江淮流域及川渝地區(qū)尤為明顯,而華南沿海地區(qū)為水汽輻散區(qū),與降水場有較好的對應(yīng)。

圖7 青藏高原7月200hPa西風(fēng)時(shí)間序列與同期對流層中低層緯向水汽通量 Qu、經(jīng)向水汽通量Qv相關(guān)系數(shù)構(gòu)造矢量的散度分布(陰影:3000m以上的地形)

5 結(jié)論

通過以上的分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)近62年青藏高原夏季200hPa西風(fēng)整體呈現(xiàn)明顯增強(qiáng)趨勢,且增強(qiáng)趨勢由西向東遞增,高原東部地區(qū)增強(qiáng)趨勢最顯著;高原夏季200hPa西風(fēng)在20世紀(jì)50年代前期偏弱,在50年代中后期開始增強(qiáng),并于80年代出現(xiàn)近62年的最大值,90年代末高原高空西風(fēng)略有減弱,但不明顯。

(2)青藏高原夏季200hPa西風(fēng)存在2～4a的周期,這一周期成分在20世紀(jì)50年代及70年代末至80年代前期這兩個(gè)時(shí)段比較顯著;并且高原200hPa西風(fēng)在1954年發(fā)生了較明顯的增強(qiáng)突變。

(3)青藏高原夏季200hPa西風(fēng)增強(qiáng)時(shí),在長江流域以北的大部分地區(qū)降水偏多,以江淮流域、川渝地區(qū)西部和東部省界以及西北、東北的部分地區(qū)表現(xiàn)顯著,長江流域以南的大部分地區(qū)降水偏少,其中華南沿海及西南地區(qū)西南部降水偏少更加明顯。

(4)青藏高原夏季200hPa西風(fēng)增強(qiáng)時(shí),東北、華北、西北的大部分地區(qū)受氣旋式異常環(huán)流控制;中低緯度西太平洋、華南沿海及西南地區(qū)南部為一致的反氣旋式異常環(huán)流;控制我國北方地區(qū)的強(qiáng)大的氣旋式異常環(huán)流與控制南方的反氣旋式異常環(huán)流之間的中國川渝地區(qū)西部-川渝地區(qū)東部省界-江淮地區(qū)一線盛行異常偏西氣流,使這一地區(qū)水汽充沛,在水汽通量散度場中表現(xiàn)為明顯的水汽輻合區(qū)。環(huán)流場與降水異常分布有較好的配置關(guān)系。

以上結(jié)論均由統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到,關(guān)于青藏高原夏季200hPa西風(fēng)異常與降水及環(huán)流關(guān)系的物理機(jī)制尚不清楚,還需進(jìn)一步展開相應(yīng)的動力學(xué)分析及數(shù)值模擬。

致謝:感謝美國國家大氣研究中心(NCAR)的Christopher Torrence博士提供的小波分析程序;感謝成都信息工程學(xué)院校選基金(CRF201201)對本文的資助

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