再分析资料中冬季北太平洋急流的位置与强度变化外文翻译资料

英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

再分析资料中冬季北太平洋急流的位置与强度变化

Neil P. Bartona, Andrew W. Ellisb

摘要：利用美国国家环境预报中心（NECP）和大气研究中心（NCAR）的再分析资料构建了1948-1949年到2004-2005年北太平洋地区冬季平均的急流资料。利用纬向分辨率为2.5°的300hPa季节平均的标量风，确定了从东亚到北美西部区域空间网格上中纬度急流的经向位置。该区域内急流的位置和强度，是其下游北美西部主要干旱地区降水变化的关键因子。结果表明，急流的经向位置在北太平洋的东部表现出较大的变率，季节平均急流速度的最大变率则横跨北太平洋中部。20世纪后半叶，北太平洋中部地区季节平均急流的速度显著增加。对于研究的时段，急流位置表现出空间一致但并不显著的偏南趋势。这些结果没有证实目前与气候变化有关的中纬度急流向极偏移的理论，这表明理论和观测中急流的半球性偏移可能在特定区域内并不显著，亦或是近50年内这种偏移小于NECP/NCAR再分析资料的2.5°分辨率。急流资料肯定了急流与太平洋-北美大气遥相关型的联系，以及与北太平洋海表温度异常涛动（太平洋年代际涛动）之间的联系。

关键词：急流；北太平洋；冬季；气候学

1. 引言

众所周知，急流，或者说是高空互相联系的强水平风所构成的“河流”，对于短期气象（例如降水事件）和长期气候（例如季节性温度、降水异常）具有影响。急流和急流带，或者急流中具有强风速的目标区域，都跟大气斜压区域有关。急流的曲率和速度变化和高空涡旋与辐合/辐散区域有关，并伴随有大气垂直运动。低层湿气团的上升运动常常与分布广泛的云系相关联，而降水则与地面低压中心或者更复杂的中纬度气旋有关。总的来说，急流中槽的下游区域或者急流向低纬地区的波动，都有利于形成上升运动。

区域气候模式能反映出急流的位置与强度变化。例如，美国加州20世纪后半叶最湿润与最干燥的冬季（图1a），就分别和东太平洋300hPa上最大风速带显著不同的位置有关（Figure1b）。北半球许多中纬度区域中季节降水的年际变化，与中纬度急流的时间平均位置有关联。因此，急流性质的变化对于中纬度区域性水文气象变化非常重要。在21世纪全球气候变化和区域性水文气象研究中，急流都是需要特别考虑的因子。

本文利用简单的资料描述了北太平洋冬季中纬度急流平均经向位置和速度，同时急流内的空间形态与时间趋势也有所概述。已有的研究指出很难在较长时间内识别出一个具有空间连续性的急流 (e.g. Riehl et al., 1954; Reiter, 1963)，因此，有的研究仅仅在一个有限的地理区域内定义了急流的存在(e.g. Yang et al., 2002; Lin and Lu, 2005)。弱的季风、强的季节内变化以及区域内分散的急流气流，都对辨认空间连续的急流带来了困难。在表征季节性急流时，Yang et al. (2002) 和 Lin and Lu (2005)没有将之视作连续的季节性气流。这些研究将急流带中200hPa平均风速定义为急流，研究了与东亚急流（EAJS）有关的急流带变化。Harman在1991年通过分析500hPa位势高度场，研究了北极急流（PJS）的逐月特征。Hurrell et al. (1998) 基于整个南北半球200hPa平均纬向风速定义了北半球冬季平均急流风速。然而，以上没有任何一项研究提供了定量的急流季节性纬度位置。Archer and Caldeira (2008)将急流定义为400和100hPa间格点上标量风速的加权平均值。在他们定义急流的方法中，每个格点的速度倾向很好辨认，但是急流的纬度位置变化却很难确定。因此，Archer and Caldeira (2008)把急流位置变化倾向作为北半球的平均值来计算。

在本研究中，我们以经纬度2.5°的分辨率来确定冬季北太平洋急流的平均速度与纬向位置。因为冬季急流相对强度较大，与Yang et al. (2002)类似，我们着重于冬季平均。北半球中纬度冬季往往与急流驱动的高频天气尺度风暴相联系。我们主要的研究兴趣在于建立一个将急流和北美西部季节性降水形态相关联的急流位置与强度气候平均。急流动力学和单独降水事件之间的联系已经广为人知很多年了(e.g. Riehl et al., 1954; Reiter, 1963)，但对于季节性降水的研究兴趣让我们尝试确定平均季节性急流。

图1 （a）1949-2004年整个冬季加州天气区划内（小图中的阴影部分）的降水情况。（b）1949-2004年中5个最干年份与5个最湿年份冬季平均300hPa风速与湿度场的差值（干年减去湿年）。气候划分数据是从美国国家海洋与大气管理局的天气诊断中心得到的。300hPa合成风速场由NCEP/NCAR再分析资料中得到

2. 资料与方法

2.1 重新分析资料

为了确定北太平洋急流的位置与速度，我们从国家环境预报中心（NCEP）和国家大气研究中心（NCAR）获取了再分析资料(Kalnay et al., 1996)。其全球网格的空间分辨率是2.5个经纬度。这些资料通过再分析模型处理后，用于那些只有稀少的未处理资料覆盖的区域。由于北太平洋有一些相关的测量数据未经处理，其中有数据组起始年份具有较少的测量工具，所以需要考虑到资料的准确性。Yang et al. (2002) 检验了在1949-1967和1968-2000两个时间段内，NCEP/NCAR再分析资料中冬季（DJF）海平面气压和200hPa纬向风的区别。两组资料中亚洲海平面气压相差5hPa，但对于北太平洋西部则没有明显的不同。赤道附近200hPa纬向风有较小的差异。Yang et al. (2002) 指出NCEP/NCAR早期地面资料可能存在问题，但对流层上层的资料则可靠的多。Archer and Caldeira (2008)发现，在1979-2001年这个时间段，利用NCEP/NCAR再分析资料所确定的急流，其结果与使用欧洲中心中期预报的40年再分析资料（ERA-40）所得的结果相近。

NCEP/NCAR再分析资料可以很轻易地从美国国家海洋及大气管理局（NOAA）地球系统研究实验室（ESRL）获得，资料涵盖了从1948年开始的所有逐月和季节时间尺度的资料。我们提取出了从1948年到2005年每一年冬季（12月到2月）的平均300hPa标量风的全球格点数据。Riehl et al. (1954) 和Reiter (1963) 将冬季高空急流的平均高度定在了300hPa，并且之前的研究也都用300hPa风来描述太平洋急流，Koch et al. (2006) 还对冬季急流每个月的平均特征进行了研究。

我们在全球格点中划定了一个地理区域作为北太平洋区域，东西横跨110°E到110°W，南北包含0-80°N。这一区域以北太平洋为中心，同时也包含了东亚和北美西部的一部分（Figure2）。

图2 本文所使用的再分析资料的地理区域和分辨率。每个格点方块的中心代表着每个再分析资料格点

2.2急流的判别

北太平洋上空冬季平均急流已被推定是东西向连续的。这一结论已被证明是有依据的，尽管急流中也会出现一些明显的不连续性（下文会讨论）。在经度上坐落于每个再分析资料格点方框中的急流纬向位置，都被简单地认定为区域内300hPa标量风速最大的纬度。在每一个经度上，对应纬向300hPa最大风速位置以及其速度本身都已从再分析资料中提取得到。我们认为确定一个季节性平均急流提高了我们确定一个大体上连续的急流模式的可能性，而不是把我们的方法运用在较短的时间框架内。我们认为断裂的急流更多的出现在两周或者月度的资料中，这就对我们总体的急流判别带来了困难，并且需要严格的年际图分析才能将急流定位。我们目标中的急流气候态与其余研究的区别就在于，我们更愿意呈现出一个空间连续的急流，它作为一个独立的变量，服从于数据分析和季节性急流的调整。相反的，许多研究 (e.g. van Loon and Rogers, 1981; Smith et al., 1998)检验了各种气候属性，比如降水，厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）或者太平洋年代际涛动（PDO）（例如Figure1），然后得到一个由各天气属性的不同而构成的，多矢量合成的急流水平风。

为了保证这些资料能够代表连续的急流，每一年推导出的急流位置都在300hPa季节性合成矢量场图上进行了比较，这些资料来自于地球科学研究实验室的网站。按照我们的方法，57个冬天里有28个在研究区域内没能呈现出完全连续的季节性平均急流，但是清晰的急流模态都很明显（除了一年之外）。未完全呈现出连续急流的这28年都分属于以下四种情况中的一种：1.平均季节性急流在研究区域的东部分成了两部分（n=12）；2.单个极端的异常气流出现在主体的南或北面（n=8）；3.存在一个主要的急流，但同时在连续经度上也存在大的南北向跳跃波动（n=7）；4.300hPa上气流微弱，没有显著的急流模态（n=1）。

平均季节性急流断裂的出现或许只是急流位置冬季三个月平均的结果。而研究区域中季节内急流位置的明显变化则会在平均300hPa风场上产生两个显著的急流位置。断裂的季节急流也可能是真正的典型断裂急流出现的结果。例如，在ENSO暖位相（厄尔尼诺）时期，断裂气流确实会出现(Smith et al., 1998)，并且其中有12个季节表现为断裂急流，其中有5次与厄尔尼诺事件相关，只有2次在ENSO冷位相（拉尼娜）过程中出现。太平洋-北美遥相关型（PNA）是从太平洋至北美上空大气环流的变化特征，大致上被定义为500hPa位势高度场在（20°N，160°W）和（45°N，165°W）的差值加上500hPa位势高度场在（55°N，115°W）和（30°N，85°W）的差值。它对于3个具有断裂急流特征的冬季呈现正模态，对于其中8个呈中性位相。在本文中，描述最为显著的季节性气流的资料被挑选出来代表平均季节性急流的位置。急流断裂气流的平均路径则是由计算每个经度上偏离的程度而得到的。由我们原始的急流确认方法所得的多格点急流路径，是急流的主要路径。随后我们在包含主要路径的有限区域内继续重复我们的方法（在每个经度上确定最大风速的纬度位置）。

在12个出现断裂气流的年份中的11个，通过原始的算法得到的最为一致与显著的季节性气流出现在北支（Figure3a），而南支仅仅显著出现过一次（Figure3b）。在这些为了保持急流的连续性而进行过修正的示例中，南北气流的标量风资料并没有太大的差别。每一个经度的最大纬向标量风速的原始值和修正后的值的差异大都小于2m/s。这一差异的最小值出现在1993年，为0.23m/s，最大值出现在1979年，为5.78m/s。这里给出了对于断裂气流资料修正具有代表性的两个冬季的例子（Figure3a和b）。具有断裂气流特征的12个冬季中，有9个冬季表现出少于3个经度格点位于显著路径外（例如Figure3a），证明在这些年份中冬季三个月份平均情况下急流普遍都具有一个显著的路径。

在那些存在显著区域外单个的异常状况的例子中（例如Figure3c和d），只有一个的异常气流出现在主要路径的北面。这些资料进行修正的方法只是通过找到主要急流区域中更小的纬向区域，再把最初的方法代入这些小的区域内。这些散落在外的数据可能是冬季风场资料平均后的结果。在区域外部或许出现了更大的风速，但经过修正后的资料区域更能够描述急流存在的位置。

在进行我们的方法处理后，急流平均位置在一小段纬向距离上出现经向突变的季节得到了一条前后不连续的路径（Figure3e）。在七个出现了这种情况的冬季中，资料修正的方式就是简单地对照ESRL再分析资料的合成矢量风方向进行线性修正。在进行过二次修正后，所有的七个例子都与初始资料以及修正后资料相比产生了极大的变化（1966年最大偏差6.3m/s）。

图3 300hPa矢量风场及标量风速超过30m/s风场的叠加图. 圆点是每个经度格点上最大标量风速，三角是修正后的资料格点

对于1969年冬季来说，季节平均的300hPa风场并不存在显著连续的南或北的急流，而单独依赖于每个经度上的最大风速得到的几乎是完全断裂的急流。为了确定哪一个是主要的急流路径，Riehl et al. (1954)和 Koch et al. (2006)认为200hPa与300hPa上的大气特征区别较小，我们也因此验证了200hPa矢量风场（Figure4）。NCEP的200hPa矢量风场很清晰地呈现出一支南部急流，因此我们选取了300hPa风场资料描述的南部急流。

图3 续图

图4 1969年冬季200hPa矢量风场以及标量风速大于30m/s区域

Reiter (1963)指出在较长的时间段内给急流的平均位置加以定位时，北太平洋东部上空的季节气流的纬度位置会呈现较大的变率，这就很难去区分我们定义的究竟是太平洋急流（PJS)还是亚热带急流(SJS)。通过对再分析资料的分析认为，我们所定义的是北太平洋急流（NPJ）。

网上可找到建立好的P模式下NPJ资料（http://copland.udel.edu/sim;npbarton/NPJ.html）。这个矩阵包含了57组从1948-1949到2004-2005冬季的资料，以及116组包括NPJ纬向位置以及300hPa标量风速的资料（58个经度格点，110°E到110°W，每2.5°一格）。总体上构建了用于描述NPJ的数组，下面将与过往研究提出的冬季急流气候态做对比。

1. 结果与讨论

北太平洋急流的平均位置位于35.8°N（Figure5a），300hPa急流平均风速

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[26954]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word