中纬度阻塞高压的波破碎特征外文翻译资料

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中纬度阻塞高压的波破碎特征

G.Masato^a*, B.J.Hoskins^b and T.J.Woollings^a

a Department of Meteorology, University of Reading, UK

b Grantham Institute, Imperial College, London, UK

在本文中，北半球冬季中纬度阻塞高压是通过其波破碎特征来分析的。罗斯贝波破碎在阻塞发生时被确定为一个关键进程，因为它提供了经向逆转模式的典型的阻塞机制。两个指标是用来检测波破碎的主要属性，即取向(气旋/反气旋破碎方向或DB 指数)和气团的相对贡献(暖/冷相对强度或RI指数)。反气旋情况在欧洲和亚洲之间和气旋活动在海洋盆地在使用DB指数是有差别的。三个区域中的一个显示的气旋类型被发现在大西洋上空，另外两个在太平洋上空。第一个是位于太平洋的西侧，并且是暖空气占主导地位；而第二个是位于向北的急流出口处，是经向theta;梯度比较弱的地方。两种欧洲阻塞高压使用的是RI指数，它可以分离出占主导地位的是冷气团还是暖气团。特别是后者情况下表现出一个结构良好的偶极子，这与气温和降水的强烈的异常有关。

关键字 Rossby波 阻塞高压类型

1 引言：

自现代气象学有史以来，大气阻塞高压一直是一个热门的研究对象(Berggren et al .,1949)。它经常被视为类似于强烈的西风“体制”。许多理论都是基于天气两个体制的二元论(e.g. Charney and DeVore,1979)，一个的特征是强烈的急流和强大的经向温度(和压力)梯度，而另一个特征是较弱的西风和一个强的经向风分量。对于阻塞高压的结构特征，明显特征是在其生命周期的成熟阶段，表现为出强烈的位于向极一侧的反气旋和通常位于赤道一侧的气旋。这样的空间分布与大的风向异常有关，并伴随着西风流骤减或通常被东风所取代。在早期的研究中也有指出，阻塞高压会显著影响地面天气，是在温度和降水方面((e.g. Rex,1950 a,b)。它的出现是经常对夏季强烈的热浪和干旱有关，相反地还有冬季寒潮的暴发 (e.g. Trigo et al., 2004; Sillmann and Croci-Maspoli, 2009; Buml;uhler et al., 2011)。

多年来，已经努力来描述阻塞高压的主要特点和理解其形成和发展的机制。不同的方法在Barriopedro et al(2010)中被分为为两种主要类型，即绝对区和距平场。Lejenuml;as and Oslash;kland (1983) and Dole and Gordon分别被认为是两种观测方法的创始人。虽然之后证实阻塞高压是造成反气旋在对流层(500 hPa位势高度) 异常的原因，前者建立指数，作为经度的函数，求得经向位势高度梯度在500 hPa的转置的值，根据公式

I(lambda;) = Z_40N(lambda;) minus; Z_60N(lambda;)， （1）

lambda;代表经度值，Z代表500hpa位势梯度。

Pelly and Hoskins (2003) (PH03以后)继续Lejenuml;as and Oslash;kland的想法，但他们引入一个重要的新的位涡(PV)的使用方法(Hoskins et al .,1985)。假设认为无摩擦和绝热是温带气候发展的近似表现。在这种情况下PV在阻塞天气的研究中是一个很好的候选的因为其在一定时间内在实质上是守恒的，这对于空气堆积造成阻塞的形成提供一个良好的示踪剂，而且可以被转化为平衡流的组成部分。Shutts (1983) 提出了使用PV方法研究大气阻塞准地转理论，在这个理论里涡旋应变机制被认为在阻塞的发生和维持上是至关重要的，在Hoskins et al .(1983) 一个想法得到发展那就是引入了E矢量。在Hoskins et al .(1985)完整的PV方法最终被完成。Hoskins (1997)和后来的PH03描述的机制是low-PV气团的挤压是沿着位温面从地球表面从热带向北方，相反的是，high-theta;气团沿PV表面接近对流层顶。对于气团的反气旋倒转这以及随后的从发源地地切断导致下游地区的high-PV空气向靠赤道方向运输，在上游地区运输额外的low-PV空气，导致阻塞加强。在PH03，一个区域瞬时阻塞（LIB）事件被证实，类似于Lejen和Oslash;klanduml;的研究，在一个特定的PV表面 (PV = 2或PV2；对流层动力学)当一天和一个点在在经向上经度梯度的theta;是正好相反。经向梯度的逆转是严格相关推翻之前描述机制。这在动力学上与Rossby波破碎相关，很容易通过PV方法(e.g. PH03)证明。另一个新的介绍在PH03中是寻找逆转一个中央阻塞纬度，这被作为气象学风暴轨迹的参考纬度。与方程（1）中恒定的纬度50^◦N相比，这并不代表任意位置的急流。

在过去的十年中，PV方法被应用于各种方式来研究阻塞高压行为(e.g. Croci-Maspoli et al., 2007; Gabriel and Peters, 2008)。特别是Tyrlis和Hoskins(2008b)(TH08以后)提供了一个广泛的北半球阻塞活动的分析，使用ERA-40再分析资料从(1957 - 1958 至2000 - 2001)和并且在PH03中应用阻塞指数(B)。他们在北半球的几个地区合成阻塞，通过分析其发源地和在动力对流层顶阻塞爆发前theta;的异常，他们研究了对于阻塞发生的可能原因。然而，除了计算先前的PH03指数，没有特别方法与波破碎特征建立相关关系。在图1中展示了4种波破碎的特征的对流层顶动力学情况。情况(a)和(c)都表现出冷空气挤压上游的暖空气，而(b)和(d)则是相反的，即冷空气挤压下游的暖空气。很明显不同的情况空气团的挤压相关也不同。在情况(a)和(b)亚热带暖theta;空气挤压更强，而在例(c)和(d)极地低theta;空气挤压占主导地位。在这项研究中，介绍了两个新的指数用来描述波破碎属性。其目的是为使用PV方法提供更多的信息，为了更好的区分不同的Rossby波破碎演变对阻塞发生的响应。与此同时，根据其主要动力特征这也将提供一个阻塞高压客观分类的基础。

在第二节介绍完数据和方法后，整体结果将在第3节说明。通过第3节的分析，部分4和5将更深入地探讨阻塞类型。特别是，在第4节的阻塞事件的分类的分析是根据破碎方向指数(DB)。结果将广泛地证明和量化在TH08，其中气旋阻塞主要通过海洋观测，而反气旋阻塞被发现出现在下游地区，特别是欧亚大陆。第5部分主要介绍第二指数，相对强度指数(RI)，这将表明在阻塞形成是两个气团挤压作用。而反转的方向(这里与DB被证明)经常在阻塞的研究中被讨论，第二个特征是在文献中很少被提及，尽管一些作者已经做过研究，通常主要是就波破碎力学所做的研究(e.g. Gabriel and Peters, 2008)。这可能是由于极地阻塞高压系统控制的区别和通过向赤道截断低来控制，因此阻塞通常只与之前的联系在一起。因此，可以有趣的发现，两个不同类型阻塞的观测在欧洲(第5节中介绍)是只有RI指数在计算中被考虑。第6节将会总结这篇文章，提供一个PV方法的总结和强调最重要的结果及应用。

图1 四种波破碎的例子取自通过第2节中所用的方法的资料。所标区域theta;为PV2。数据标题表明时间即年（1962代表1961-1962的冬天）和日（超过90天学的DJF）。黑色方框区域是围绕中央阻塞纬度和它包含的经度和纬度点是用来计算DB和RI指数。

2.数据与方法

2.1 数据及指数定义

数据使用的是ERA-40再分析资料(Uppala et al .,2005)，自1957年12月至2001年2月。只有使用冬季数据，即12月-2月(DJF)。数据使用的是ERA-40分辨率1.125◦(格点；N80)。theta;在2PVU位涡表面(1 PVU = 10^minus;6 km²kgminus;1 s^minus;1)进行分析。在TH08中，指数值通过每6小时数据的平均得到日平均值。同样的方法已经使用在其他领域，比500 hPa(Z500)位势高度，平均海平面气压(MSLP)，2 m的温度(2mT)和降水(precip)。该算法是基于一系列方程在经度网格是的:

, （2）

, （3）

phi;为纬度。因此指数B之间的差异是theta;的平均在2 PVU表面南北的差异(图2，在PH03，和如图所示)。因为天气系统向东运动的干扰被认为是的阻塞的一个重要方面，在每一个经度，根据PH03和TH08，转变是在中心阻塞纬度(CBL， 在方程(2)中)附近寻找，中心阻塞纬度被认为是300 hPa天气时间尺度瞬变涡旋动能的最大区域。然后为得到CBL值重复计算积分(经度上的每一点)，对于3.375◦(1.125◦times;3)为北部和南部的CBL；B在此经度上被定义为三个值中的最大值。和在15°的平均已经过滤。这种平滑没有在PH03和TH08上使用但已经添加在DB和RI指数上用来减少小尺度因素的影响。B的结果在每80个经距即每4.5◦)计算一次，这与TH08的计算相似 (B值每5°计算一次，即每72个经距计算一次)。

图二 示意图(左)暖性反气旋和(右)冷性气旋波破碎，与DB和RI指数有关。绿线代表，是和的平均值，从方程(2)可以计算出来。代表了气候学，计算出冬季(DJF) 再分析资料的44年的值。

这里介绍两个新指数：DB(破碎方向)，表示波破碎方向；RI(相对强度)，表示形成一个阻塞时气团挤压的相对强度。气旋和反气旋反转的分类已经在一些工作中被考虑到了(e.g. Schwierz et al., 2004; Gabriel and Peters, 2008)，然而在文章中提出了一个新算法在来支撑PH03的PV结构。而再仅仅是通过高位势异常来表示阻塞(e.g. Dole and Gordon, 1983)，这表明反气旋必须是这种现象的主导因素，在这项研究中，我们选择阻塞的经典定义 (e.g. Berggren et al., 1949)，这可能被认为是一个偶极子（反气旋在北方，气旋在南方)。使用经向梯度的反转来确定波破碎（阻塞)，而且引入RI指标，这可以使空气挤压及与其相关的(暖和冷)截断因素同等重要。

图2说明了怎样通过这两个指数获得波破碎发展的信息。一个暖的反气旋和一个冷的气旋分别阐述在图的左边和右边。对第一种情况的经向温度梯度为负（theta;从高到低）。如果沿经度差在iminus;1和i 1之间，如图2所示，我们定义

其中

然后DB的正值为反气旋方向。同样，对于气旋波破碎（图2右）为经向梯度是正向及DB的负值。

对于相对强度指数RI，与北部和南部位温的平均与气候值差值有关。我们定义

为格点i上的44年气候值DJF。当值为正时，暖空气占主导（图2左），比大；当值为负时，冷空气占主导（图2右）。在本文中，这三个指数（B，DB和RI）的计算都仅用一个点的纬度上的80个经距。这一点从CBL中选择，挑选纬度或从北到南的一个3.375◦中B的最大值。

新的指标的提出是为了建立波破碎现象与其本质特征之间的联系。它们可以反映在图3中，与DB指数为横坐标，RI指数为纵坐标建立DB–RI空间坐标系。在右边的图是反气旋活动，顶端受暖空气挤压和低端受冷theta;挤压。在左侧相应气旋波破碎。理想的波破碎如图3所示与图1中的个例研究事件相对比，已经被安排在同等条件下。

图三 DB-RI坐标系示意图。DB是在x轴方向，RI在y轴方向。DB指数的正值表示反气旋波破碎，RI指数的正值表示暖空气占主导地位。如图所示，不同的波破碎类型表现在不同的象限中。

2.2 阻塞事件及其分类

通过PH03和TH08两种定义来完善B指数。这是一个主要的波破碎指数它提供了阻塞形成的机制。然而，阻塞事件有着十分复杂的结构，需要进一步在空间和时间上进行定义。其目的是表面阻塞是不同于气象上的脊。在PH03中这两种定义均已被使用，阻塞区域(SB)，这控制阻塞的空间约束和阻塞平稳性，阻塞事件区域(SBE)，为所占时间持久性(PH03提供更多详细信息)。特别是在Masato et al.(2009)的研究中时间约束已经通过简单的Markov统计模型来实现。在这研究中,由TH08观测发现Markov模型低估了SBE的频率，即定义事件持续超过5 d。因此，对于SBE的描述决定采取相同的临界值并且也同样定义在时间和空间上以获得完整的“阻塞事件”。

对于所有80个经距的结果是一个时间序列值3960SB的值 (44个冬季，每季90天)。索引是标记1当标准符合SB定义的和没有符合标准的为0。然后每个非零的点标记为气旋或反气旋、通过DB和RI值反映的暖或冷空气占主导。之后是处理整个事件的分类，要考虑到SB事件的发展。因此，对SBE的定义已经应用到(跟随TH08)每个SB事件。对于一个给定的点经度，同时出现至少连续5非零值，则认为是SBE。所获得的SBE事件根据RI值分成三类保存，而并非直接保存。RI值的均值记录是事件持续的天数，表示一个事件是否全部是暖、冷或无类别的。一个阻塞事件由暖或冷空气主导的判断并非总是很明显的。如果相关的RI值接近零，则该事件被定义为无类别的。这种“接近”需要被定义。在应用SB和SBE的定义时仅用B大于0的阻塞日的相关系数标准化。临界值被设置为0.2。RI指数的值在- 0.2, 0.2之间则被认为是无类别的。虽然临界值的设置是不是任意的，但是有人指出小数的细微改变将最终的改变频率分布。

对于DB指数一个类

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