东亚副热带西风急流变化特征及其与长江中下游地区夏季降水关系研究

本文研究急流强度指数与长江中下游地区夏季降水关系时,发现急流强度与长江中下游地区降水有很好的正相关关系。当急流偏强时,西北太平洋副热带高压偏强,位置偏西偏南,长江中下游地区低层有较强的辐合气流,对应高层有较强的气流辐散,气流上升运动增强,降水偏多;急流偏弱时,西太平洋副热带高压偏弱,位置偏东偏北,长江中下游地区低层的风场辐散,上升气流较偏弱,降水偏少。本文利用CMIP5的BCC_CSM气候系统模式检验了该模式对东亚副热带西风急流的模拟性能,结果表明该模式没有较好地模拟出急流的年际、年代际变化。

北半球夏季副热带西风急流变异及其对东亚夏季风气候异常的影响

探讨了东亚地区副热带西风急流 (EAJS)位置的年际变化特征、影响及其可能机制 .EAJS南北变动的影响主要集中在亚澳季风区和气候平均的北半球副热带西风急流轴的南北两侧 ,这与SOI或ENSO相联系的大气环流响应很不相同 ,后者的影响主要表现在中、东太平洋上 .北半球副热带西风急流存在着两个显著不同的模态 ,其中一个模态反映的是亚太尤其是东亚地区的西风急流的南北变异 ,另一个模态出现在 15 0°E～ 12 0°W的中、东太平洋上 .它们分别联系着不同的太平洋海温异常分布 ,但都能对夏季 2 0 0hPa南亚高压的强度产生影响 ,尤其是南亚高压的东部 。

东亚副热带西风急流位置异常对长江中下游夏季降水的影响

利用NCEP/NCAR 200 hPa月平均风场再分析资料,定义东亚大陆对流层上层不同经度上最大西风所在位置的平均纬度为东亚副热带西风急流轴线指数,该指数能准确反映东亚副热带西风急流位置的南北变化及其对长江中下游降水的影响,并能较好地体现东亚夏季风盛行期间对流层低层与高层的纬向风场变化特征。分析表明,该指数的时间变化具有与长江中下游夏季降水较一致的年代际变化及年际振荡特征。对东亚副热带西风急流位置异常年的大气环流差异分析表明,急流异常偏北时,南亚高压偏弱,位置偏北偏西,呈伊朗高压型;西太平洋副热带高压(下称西太副高)偏弱、位置偏东偏北;气流的辐合上升区北移至华北一带,而长江流域低层风场为辐散异常,上升气流较常年偏弱,降水偏少。急流异常偏南时,南亚高压偏强,位置偏南偏东,呈青藏高压型;西太副高偏强、位置偏西偏南;长江流域地区上空低层有较强辐合上升气流,高层有较强的气流辐散,对流旺盛,雨带在此维持,容易引发洪涝。

东亚副热带西风急流活动与长江中下游梅雨异常关系的研究

本文利用1960～2009年NCEP/NCAR再分析日平均资料和中国714站20时(北京时)日降水量资料,分析了梅雨季节东亚副热带西风急流逐日演变特征与长江中下游异常丰梅和空梅的关系,研究了东亚副热带西风急流活动影响梅雨异常的机理,讨论了监测和分析东亚副热带西风急流对梅雨中期预报的意义。梅雨期合成分析显示,异常丰梅年较空梅年急流强度偏强,急流带狭窄,质量与动量集中。逐日演变特征表现为,丰(空)梅年急流围绕气候态位置经向平稳摆动(振荡幅度大),关键区(30oN～37.5oN,110oE～130oE)纬向风强度偏强(弱),东亚至西太平洋(80oE～160oE)上空急流最大中心主频次在125oE(145oE)附近,靠近(远离)我国东部地区并位于下风方。影响梅雨异常机理研究表明,异常丰梅年,200hPa我国东部地区上空急流轴线、散度零线和散度距平零线在37.5oN附近"重合",急流轴以北为辐合,以南为强辐散,辐散中心区与辐散距平中心区"重合"在长江中下游地区上空,高空强辐散流出,对应低层强辐合流入,配合从底层到高层深厚的强垂直上升运动,为梅雨提供了良好动力环境场;高低空急流耦合作用,有利于低空西南风加强,长江中下游以南地区为西南水汽通量距平,为持续性降水提供了良好的水汽输送条件;强高空副热带锋区配合典型陡直梅雨锋区,有利于高空急流质量和动量维持,也利于深对流发展。空梅年的情形则相反。从强度、位置及其变化等多方面综合监测和分析东亚副热带西风急流中期变化特征,可以更好地把握和认识急流对梅雨异常的影响及其机理,对于梅雨中期预报问题是有帮助的。

冬季黑潮暖流区加热异常对东亚副热带西风急流影响的数值研究

通过对大气环流格点模式GAMIL性能的检验表明,模式较好地再现了东亚地区大气环流型态、高空西风急流变化及表面加热场的季节变化。在此基础上,设计敏感性试验研究了冬季西太平洋黑潮暖流关键区加热异常对高空西风急流影响,数值试验结果表明冬季西太平洋黑潮暖流区加热正异常将引起东亚大槽偏东,大陆冷高压、阿留申低压及位于低纬太平洋上的西太平洋副高均有所增强,从而导致了冬季风环流加强。相应地,东北太平洋上出现了明显的气旋差值环流,而在中高纬大陆海洋交界地区出现反气旋式差值环流;同时,西风急流区南侧的低纬地区位势高度及温度场为正异常,而北侧的中高纬地区为负异常,这种分布将使得急流区经向气压梯度和南北温差加大,导致急流的增强。模式结果分别从热力适应理论及热成风的角度验证了黑潮暖流区表面加热异常对急流的影响机理。

东亚副热带西风急流季节变化特征及其热力影响机制探讨

利用1961—2000年NCEP/NCAR月平均再分析资料对东亚副热带西风急流强度和位置的季节变化进行了分析,指出急流位置季节变化不仅有明显的南北向移动,6—7月还存在东西方向的突变特征,同时急流轴在北进过程中具有东西向的不一致性,急流中心强度的变化超前于位置的南北移动。在此基础上,采用动态追随急流中心移动的方法,探讨东亚副热带西风急流季节变化的热力影响机制,发现东亚副热带西风急流强度变化及位置移动与对流层中上层气温南北差异的分布结构有很好的对应关系,这说明急流的季节演变是对辐射季节变化及由于东亚特殊的海陆分布和青藏高原大地形影响而造成纬向不均匀加热的响应。从各热量输送项与急流的关系来看,从冬半年到夏半年的增暖时段,急流中心南北温差减小,急流减弱北进;从夏半年到冬半年的降温时段,急流中心南北温差增大,急流加强南退。热量平流输送的经向差异是造成急流中心南北温差的主要原因,急流跟随热量平流输送最大经向梯度中心位置南北移动。非绝热加热对急流中心的东西移动有引导作用,青藏高原春夏季对对流层中上层强大的加热作用是导致6—7月急流中心位置西移突变的原因。

初夏至盛夏东亚副热带西风急流变化与江淮出梅的关系

利用1961—2005年逐候资料对东亚副热带西风急流初夏至盛夏变化与江淮出梅的关系进行了分析。结果表明,多年平均7月初夏至盛夏急流中心由西太平洋地区西跳至青藏高原的同时我国东部地区急流北跳至37.5°N以北,比梅雨结束早1候;急流北跳使得我国东部高空强辐散中心北移至华北地区,江淮地区上空辐散显著减弱,上升运动减弱,从而使得江淮梅雨结束,雨带北移;而急流中心的西跳仅使得我国东部地区高空辐散中心减弱,降水减弱,有利于雨带北移。我国东部急流北跳与江淮地区梅雨结束时间显著正相关,在北跳偏早(晚)年份梅雨结束早(晚),长江中下游地区降水偏少(多),而急流中心西跳早晚对我国华北北部地区和淮河附近地区降水有较大影响。可见,我国东部急流北跳与梅雨结束关系密切,可作为梅雨结束的先期信号。

夏季东亚西风急流扰动异常与副热带高压关系研究

利用1979—2003年NCEP/NCAR月平均再分析资料,探讨夏季(6—8月)200 hPa东亚西风急流扰动异常与南亚高压和西太平洋副热带高压的关系。研究指出:夏季200 hPa东亚西风急流扰动动能加强(减弱),东亚西风急流位置偏南(偏北)、强度偏强(偏弱);东亚西风急流扰动动能强弱不仅与北半球西风急流强弱和沿急流的定常扰动有关,而且还与东亚地区高、中、低纬南北向的扰动波列有关,亚洲地区是北半球中纬度环球带状波列异常最大的区域。夏季200 hPa东亚西风急流扰动动能加强(减弱),南亚高压的特征为位置偏东(偏西)、强度加强(减弱);西太平洋副热带高压的特征为位置偏南(偏北)。东亚环流特别是500 hPa西太平洋副热带高压对东亚西风带扰动异常的响应由高空东亚西风急流南侧的散度场及其对流层中下层热带和副热带地区的垂直速度距平场变化完成。

一个气候系统模式FGCM0对东亚副热带西风急流季节变化的模拟

对IAP/LASG气候系统模式试验版(FGCM0)模拟对流层上层东亚副热带西风急流季节变化的能力进行评估,分析FGCM0模拟的东亚副热带西风急流季节变化与NCEP/NCAR再分析资料的差异及其与对流层大气南北温差的关系。结果表明,FGCM0模拟的冬季和夏季西风急流垂直结构、水平结构和季节变化与NCEP/NCAR再分析资料基本一致,但FGCM0模拟的东亚副热带西风急流在高原附近地区冬季和夏季都偏强,沿115°E中国大陆地区上空模拟的急流强度冬季偏弱,夏季明显偏强。夏季FGCM0模拟的急流中心位于高原东北部的40°N附近地区,强度偏强,位置偏东,而此时NCEP/NCAR再分析资料中的急流中心却位于高原北侧。此外,FGCM0模拟的急流在5月份的北移和8月份的最北位置上与NCEP/NCAR再分析资料差异较大。分析副热带西风急流与对流层南北温差的季节变化发现,急流出现的位置总是对应着对流层南北温度差较大区域,与再分析资料相比,FGCM0模拟的温度差在冬季基本一致,夏季差异较大。与降水的模拟相联系发现,FGCM0模拟得到的与实际不一致的偏西偏北的强降水中心与200 hPa上的东亚副热带急流位置和强度不合理具有密切关系。相关分析表明,冬季西风急流强度与日本南部海区的感热通量、夏季与青藏高原地区的地面感热通量有明显的正相关关系,而FGCM0能够较好地模拟冬季西风急流强度与地面感热通量之间的相关关系,但模拟夏季青藏高原地区感热通量和副热带西风急流之间相关关系的能力相对较差,夏季西风急流强度与OLR之间却有一定的关系。由于与强降水区相联系的OLR低值区对应着较大的对流凝结加热,再加上模式中位于青藏高原东南部较大的地面感热加热,增强了对流层的南北向温度差,进而影响东亚副热带急流强度和位置。因此,FGCM0模拟的夏季副热带急流位置和强度偏差与高原附近地区的地面感热加热、大气射出长波辐射等的模拟偏差具有密切的关系。

ENSO事件对东亚副热带西风急流影响的诊断分析

本文利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,用合成分析和相关分析方法就ENSO事件对东亚副热带西风急流的影响进行诊断分析。主要结论为:ElNino年冬季200hPa东亚副热带西风急流主要在急流出口区纬向风有正距平,急流增强东扩。而LaNina年冬季急流在急流出口区纬向风有负距平,急流减弱西移。ElNino年夏季急流增强,主要在急流区内的偏南部纬向风有正距平。LaNina年夏季急流减弱,主要在急流区内的偏南部纬向风有负距平;相关分析表明东亚副热带西风急流冬、夏季纬向风与热带中东太平洋冬、夏季海表温度有显著的相关。研究表明,ENSO年冬、夏季对流层中上层有较大的气温异常,并由此产生大的经向温度梯度的异常,这可能是ENSO事件影响东亚副热带西风急流的原因之一。

东亚副热带西风急流变化多模式模拟结果分析

利用政府间气候变化委员会第四次评估报告(IPCC AR4)中等强度温室气体排放情景试验(SRES A1B)多个耦合模式的输出结果,通过多模式集合的方法分析全球变暖背景下东亚副热带西风急流的变化特征,发现在多模式集合平均结果中,随着温室气体增多、温室效应进一步加剧,冬季急流强度增强,急流位置向北移动,夏季急流强度也呈现出增强的趋势,位置却向南移动。在全球变暖背景下,冬季北半球从低纬到中高纬度对流层中高层温度将增加,但低纬增温强、高纬增温弱,导致副热带地区温度梯度增加,夏季增温幅度比冬季大,且强增温区向北移,造成急流轴北侧区域温度梯度增大,并通过热成风关系使得急流区纬向风增强。

FGOALS模式对梅雨期东亚副热带西风急流变化特征的模拟

中国科学院大气物理研究所参与CMIP5项目的海—陆—气耦合气候系统模式(FGOALS),能较好地模拟东亚副热带西风急流时空变化特征。FGOALS模式输出的1960~2005年风场再现了梅雨期东亚副热带西风急流气候态的三维结构,模拟出以120°E为界的急流海陆分布型,与NCEP/NCAR再分析资料风场空间分布一致,但FGOALS模式模拟的急流中心强度偏弱、位置偏北偏西。FGOALS模式也模拟出了ENSO年际演变过程中的海陆空间分布型,但对ENSO背景下西风急流强度、位置和形态演变过程的模拟与NCEP/NCAR再分析资料存在较大差异。基于热成风原理、地转风关系和波活动通量等研究了模式模拟急流位置和强度偏差产生的可能原因:FGOALS模式模拟的青藏高原加热效应偏弱、低纬度对流活动偏弱,导致对流层中上层上升运动偏弱和潜热加热减弱,使得中低纬度对流层中上层温度出现冷偏差、南亚高压偏弱,温度经向梯度和南亚高压北侧气压梯度力偏弱以及大气内部动力作用偏弱,从而造成急流中心强度和位置出现偏差。梅雨期西风急流空间分布型与长江中下游强降水落区有着密切联系,FGOALS模式模拟的西风急流中心强度偏弱和位置偏北偏西,模式输出的长江中下游地区降水量与观测值相比偏少。此外,FGOALS模式对ENSO背景下大气环流异常的模拟有待改善。

冬季东亚副热带西风急流变化及其与海表温度的关系

利用1957—2002年ERA-40月平均再分析资料以及不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋—太平洋、热带印度洋和热带太平洋等)1950—2000年逐月观测海表温度,驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,根据模拟结果,分析讨论了冬季东亚副热带西风急流的变化特征及其与海表温度异常的关系。表明:1957—2001年冬季东亚副热带西风急流有增强的趋势,且具有准3 a的显著周期。热带海表温度异常,特别是热带太平洋海表温度异常对东亚副热带西风急流变化有重要影响,即当热带太平洋海表温度升高时,东亚副热带西风急流增强。

东亚副热带西风急流位置变化与亚洲夏季风爆发的关系

利用1961～2000年的NCEP/NCAR候平均再分析资料,初步探讨了季节转换期间东亚副热带西风急流南北和东西向位置变化与亚洲季风爆发之间的联系。结果表明,亚洲夏季风爆发伴随着东亚副热带西风急流轴线的北跳和急流中心西移,急流轴北跳至35°N以北的青藏高原上空,南支西风急流消失,亚洲季风环流形势建立。南海季风爆发早年,低纬的东风向北推进的时间早,到达的纬度偏北,中纬的西风急流强度偏弱,季风爆发晚年则相反。同时,南海夏季风爆发早年,青藏高原上空急流核出现较早,西太平洋上空急流核减弱较快,急流中心"西移"较早。而在南海夏季风爆发晚年,西太平洋上空的急流核减弱较迟,青藏高原上空急流核形成偏晚,急流中心"西移"较迟。此外,急流中心东西向位置和强度变化与江淮流域梅雨的开始和结束也有密切关系。

P-σ区域气候模式对东亚副热带西风急流的数值模拟

为评估P-σ九层区域气候模式模拟对流层上层东亚副热带西风急流季节变化的能力,比较模式模拟的东亚副热带西风急流季节变化与NCEP/NCAR再分析资料之间的差异及其与对流层中上层大气南北温度差异的关系。结果表明,模式模拟东亚副热带西风急流的能力在洋面上空强于大陆上空,模拟低纬度急流的能力好于高纬度。模拟的东亚副热带西风急流垂直结构、水平结构和季节变化等的主要特征与NCEP/NCAR再分析资料基本一致,但模拟的急流强度全年偏弱。分析急流与对流层中上层经向温度梯度的季节变化发现,急流出现的位置总是对应着经向温度梯度较大区域,急流中心有随气温南北差异大值中心移动的趋势,急流中心与最大温差中心相对应,表明急流中心的位置变化是对气温南北差异季节变化的响应。与再分析资料相比,模拟的经向温度梯度比再分析资料偏小约2K/10纬距,与此相对应的模拟的急流中心风速偏小约10 m.s-1。由于大气温度变化与非绝热加热有关,进一步分析发现,模式模拟的夏季副热带急流偏差与东亚地区的地面感热及潜热等非绝热加热的模拟偏差具有密切的关系。

东亚副热带西风急流及其年际变率的海气耦合模式模拟

分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)快速耦合气候系统模式FGOALS_gl模拟的东亚副热带西风急流,并讨论了ENSO对东亚夏季副热带西风急流位置的影响。FGOALS_gl能较好模拟东亚副热带西风急流的空间分布以及季节演变,但较之再分析资料,模式模拟的急流强度偏弱,中心偏南。这主要是由于模式模拟的对流层中上层平均温度一致偏冷,且急流轴南部的冷偏差总是强于北部,使得模拟的经向温度差偏弱造成的。FGOALS_gl能合理再现东亚夏季副热带急流位置南北移动的年际变化特征,只是模拟的急流年际变率偏强。分析表明,模式模拟的ENSO偏差是造成西风急流年际变率偏强的重要原因。观测和模拟的东亚夏季副热带西风急流位置的南移多发生在ENSO位相达到峰值之后的夏季,但由于模拟的ENSO强度偏强,峰值多出现在春、夏季,并能维持至翌年秋季,因此,EN-SO在其衰减年的夏季,对热带对流层温度异常的加热作用依然很强,造成模式中热带地区的对流层温度异常强于观测,从而导致东亚副热带西风急流年际变率模拟偏强。

江淮梅雨期降水异常分布型及其与东亚副热带高空西风急流的关系

利用1980—2010年的NCEP/NCAR再分析资料与江淮地区44个站逐日降水资料,分析了江淮地区1980—2010年梅雨期(6月16日—7月15日)降水的基本空间分布型及其与东亚副热带西风急流的关系。结果表明,江淮梅雨降水的第一分布型为"南正(负)北负(正)",该型受副热带高空西风急流位置的影响,急流位置偏南(北),则雨带位于江淮南(北)部地区;第二分布型为"中间负(正),两边正(负)",该型受副热带高空西风急流强度的影响,急流强度异常偏弱(强),则雨带位于江淮地区西北、东南部(中部)。合成分析表明,高空急流位置异常偏南时,500 h Pa副高偏弱、偏南,850 h Pa江淮南部地区为水汽、风场辐合区,高低空配置有利于降水呈"南正北负"的分布型。高空急流强度异常偏弱时,从我国江淮中东部地区至日本南部,500 h Pa上无明显垂直运动,850 h Pa上有水汽和风场的辐散区,高低空配置有利于降水呈"中间负,两边正"的分布型。

大气环流模式IAP AGCM4.0对东亚高空副热带西风急流的模拟及偏差原因分析

基于中国科学院大气物理所大气环流模式IAP AGCM4.0总共30年（1979~2008年）的AMIP（大气环流模式比较计划）数值模拟试验结果,评估了模式对东亚高空副热带西风急流的模拟能力,分析了模式模拟偏差的可能原因,以及不同对流参数化方案对模拟结果的影响。结果表明,IAP AGCM4.0可以较好地模拟出东亚高空副热带西风急流冬季和夏季的空间结构及其季节变化特征;与JRA-25再分析资料相比,模式模拟的急流强度总体偏弱;就急流位置而言,模式模拟的急流位置冬季略偏南,夏季则相对偏北;模式可以较好地模拟出夏季西风急流的季节内演变特征,包括夏季西风急流位置逐月北跳的特征,只是模式模拟的逐月西风急流位置仍偏北。夏季200 h Pa纬向风EOF分解结果表明,模式模拟和再分析资料的EOF第一模态空间型态较为接近,均反映了西风急流的年际变化特征,但两者的时间系数相关较小,表明模式对西风急流南北位置年际变化的模拟偏差较大。针对模式模拟的地表感热通量及对流层中上层经向温度差（MTD）的分析结果表明,模式对阿拉伯半岛东南部、阿拉伯海西北部及印度北部的地表感热通量的模拟存在偏差,影响到对流层中高层温度场、高度场的模拟,使得IAP AGCM4.0模拟的MTD强度较再分析资料相对偏弱,MTD变化最大的区域位置相对偏北,且模式模拟的MTD年际变化与再分析资料相比也有较大偏差,从而造成模式对西风急流模拟的偏差。此外,不同积云对流参数化方案也可影响对流层中上层经向温度差的模拟,进而影响模式对东亚高空副热带西风急流的模拟。

青藏高原隆升影响东亚副热带西风急流的数值试验

利用p-σ九层区域气候模式进行高原隆升对东亚副热带西风急流影响的敏感性试验,分析高原隆升过程中西风急流垂直结构和水平结构的变化,并对其变化的原因进行初步分析.数值试验结果表明,在西风急流垂直结构上,高原隆升后冬季沿90°E高原南侧由低层到高层西风增强,沿115°E经圈在35°N以南中高层西风增强,35°N以北中高层西风减弱,夏季沿90°E高原南侧中高层东风明显减弱,沿140°E在35°N以南中高层西风增强,35°N以北中高层西风减弱.在西风急流水平结构上,冬季沿40°N从100°E到120°E一带200hPa西风风速显著减弱,而孟加拉湾至华南至日本南部海上一带200hPa西风风速则显著增强;夏季沿42°N从120°E到150°E一带200hPa西风风速显著减弱,而沿25°N从120°E到150°E一带200hPa西风风速则显著增强.冬季高原冷源作用加强和日本西南海上潜热增加所导致东亚500至200hPa平均温度发生变化以及高原隆起后对西风急流绕流作用的增强共同导致东亚西风急流发生变化,夏季则是高原热源作用加强以及朝鲜半岛和日本西南海上潜热减少导致东亚500至200hPa平均温度发生变化,进而导致东亚西风急流发生变化.此外,无论冬季还是夏季,对流层中上层温度变化及其所导致的200hPa风速变化均是在从高原隆升高度为现在高度的1/4至1/2期间变化最为显著.

夏季东亚副热带西风急流不同尺度波的特征分析

利用1960—2015年NCEP全球再分析日平均资料和中国国家气象站20时的日降水量资料,分析在超长波、长波和天气尺度波的不同尺度纬向风场中,夏季东亚副热带西风急流的空间分布和活动特征,初步研究了不同尺度波的东亚副热带西风急流与典型梅雨异常年降水的关系,通过分析东亚副热带急流的周期性变化,进一步探讨本研究工作的实际应用价值。研究表明,超长波是东亚副热带西风急流扰动的主要成分,与急流位置的演变具有较高的一致性,对于梅雨期间的雨带位置和强度变化均有较好的指示意义;长波、天气尺度波是叠加在超长波上的次低频和中间尺度扰动,后者与梅雨强度的变化有一定对应关系。东亚副热带西风急流与其超长波的位置变化具有明显的单、双周振荡特征,在实际预报业务中可以充分利用超长波的周期性和较高预报技巧,为中期天气分析和预报提供更有价值的参考信息。