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.     

中东急流的季节转变特征及与印度夏季风爆发早晚的关系

采用1968—2009年NCEP/NCAR逐候再分析资料,分析了季节转换期间中东急流的变化特征及其热力机制。结果表明:中东急流中心的强度和位置存在明显的季节变化特征,第67候—次年第24候偏强且位置稳定偏南(27.5 °N)、第38—44候偏弱且位置稳定偏北(45 °N)。200 hPa纬向风场EOF第1空间模态反映了中东急流在冬、夏季的位置,冬季主要位于埃及和沙特阿拉伯上空,夏季主要位于黑海东部至咸海东部上空,且中东急流在冬季比在夏季强。第26—31候和第54—61候分别是中东急流春夏季和秋冬季的季节转换期,其200 hPa西风演变与500～200 hPa平均南北温差演变的对应关系很好,表明南北温差的季节性转变导致了200 hPa西风的季节性转变。个例分析表明,印度夏季风爆发日期早晚与中东急流季节转换日期早晚的关系非常密切。印度夏季风爆发较早（晚）时,由于500～200 hPa南北温差大值区域向北推进较早（晚）,因此,中东急流向北推进较早（晚）,同时40～90 °E对流层低层西风急流出现也较早（晚）。      

东亚高空温带急流区经向风的季节变化及其与亚洲季风的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料研究东亚高空温带急流的位置、强度、结构和季节转换特征及其与亚洲季风的关系,发现温带急流在300 hPa高度上最为明显,在风场分布上表现为全风速大值脊线延伸区和流线密集区,冬季主要活动于120°E以西的45°—60°N地区,在逐日风场上对应着急流发生频数的高值区域,并与副热带急流有清晰的分界。对比温带急流和副热带急流中的经向风强度发现,温带急流区的北风分量明显强于副热带急流中的南风分量,在温带急流的形成和季节变化过程中经向风分量起着重要作用。温带急流所在区域为对流层纬向温度梯度大值区,同时经向温度梯度也比较大,因而温带急流位于具有最大纬向温度梯度同时又有南北方向温度梯度这样一个特定的区域,从而形成了温带急流与副热带急流不同的结构特征和季节变化,而东亚地区海陆热力差异引起的温度梯度及其季节转换是引起温带急流季节变化的主要原因。此外,温带急流的强度与副热带急流位置之间具有协同变化关系,温带急流区经向风强度的季节转换时间与东亚大气环流的季节转换、亚洲夏季风爆发和江淮流域梅雨开始也有着密切关系,与中国东部地区冬季和夏季的降水之间具有显著的相关关系。从气候平均的角度来看,温带急流强度变化早于亚洲季风爆发和梅雨开始时间,因而对亚洲季风爆发和梅雨开始有预示作用。     

冬季东亚高空急流季节内协同变化及对我国东部降水的影响

利用ERA-Interim再分析资料,采用滤波和合成分析等统计方法,分析了冬季东亚高空急流的季节内协同变化以及对我国东部降水的影响,结果表明:在季节内尺度(10~90天)中,东亚地区冬季300 hPa逐日纬向风主要表现为准双周振荡(10~30天)。300 hPa低频纬向风异常整体向东传播,高纬的低频纬向风异常向南传播,低纬低频纬向风没有明显经向传播特征。伴随低频纬向西风从里海附近开始向东移动至西北太平洋上空,温带急流向东再向东南移动并且强度先增强再减弱,副热带急流位置没有明显变化,强度演变特征与温带急流变化相反。降水异常对300 hPa风场低频振荡有显著响应,低频降水主要出现在我国东部,随时间向东移动,移至西太平洋附近消失;受低频风场影响,温带急流偏强,副热带急流偏弱时,我国东部高空辐合,地面表现为低频高压,整层有较强下沉气流,地面为东北风控制,不易产生降水;温带急流偏弱,副热带急流偏强时,青藏高原北侧整层一致东风异常,南侧整层一致西风异常,使我国东部高空辐散,地面受低频低压控制,我国东部产生整层上升运动,并且有西南风水汽输送,水汽辐合,我国东部出现低频降水正异常。      

青藏高原大气热力异常对西风急流的影响

本文基于NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了对流层上层200 hPa纬向西风的时空变化特征,并通过EOF分解得到一个表征西风急流位置的指数(Westerly Jet Position Index,WJPI);同时基于对流层中上层(500～200 hPa)温度纬向偏差,构建了一个描述青藏高原(简称高原)大气热力特征的指标(Plateau Atmosphere Heating Index,PAHI),定量分析了该指数与西风急流位置的关系。结果表明:由冬到夏西风急流轴不断北抬西伸,风速逐渐减小;各季西风急流轴均处于西风变率的小值区,表明各季急流均轴的位置较稳定。各季PAHI与200 hPa纬向风的显著正相关区均分布在高原北侧,即高原PAHI增强时,其北侧西风增强,南侧西风减弱,对流层上层西风急流北移;各季WJPI与PAHI之间均存在显著相关,表明PAHI异常对西风急流位置的变化有重要作用。     

冬季中东急流与中国气候异常的联系

用NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水和气温资料,研究了冬季中东急流与中国气候异常的联系。结果表明:中东急流偏强、位置偏东南时,200 hPa上孟加拉湾、中南半岛及中国南海西风加强,而中国30°N以北西风减弱,相应地东亚急流减弱;500 hPa上西欧脊加强且东欧大槽加深,伴随孟加拉湾北部南支槽加深而东亚大槽减弱,有利于欧洲中东部冷空气频繁向东南方向活动,并一直影响到中国西南部;850 hPa上缅甸、中南半岛、华南沿海的西南风距平,有利于孟加拉湾水汽向华南地区输送;上述大气环流异常有利于华南地区降水显著增加,长江上游地区气温下降特别是西南地区气温显著降低,东北地区气温升高;反之亦然。     

夏季东亚副热带西风急流的季节内变化及其与我国东部降水的关系

利用ERA-interim再分析资料和中国降水观测数据,分析了夏季东亚副热带西风急流的季节内变化以及对我国降水的可能影响,结果表明:亚洲地区夏季200 hPa纬向风在空间上主要表现为南北振荡和东西振荡特征,在时间上具有10～40 d的周期;在低频尺度(10～40 d)上,纬向风异常由西北先向东传播,到达东亚地区后再向南传播;伴随低频纬向风季节内演变,高原以北的急流中心向东和东南移动,急流轴也呈现南北振荡的特征;降水异常对200 hPa风场低频振荡有显著响应,在东亚地区,低频纬向风与低频降水南移,降水在黄淮地区出现,并逐渐移至长江及其以南地区;急流附近的低频西(东)风异常在其南侧形成负(正)切变涡度,对应我国东部地区位势高度的升高(降低),使得南亚高压东伸(西退),从而使我国东部雨带的位置发生显著变化。     

太阳活动对NAO与冬季中东急流轴线位置之间关系的调制作用

利用NCEP/NCAR大气环流再分析资料和NOAA提供的太阳黑子资料,讨论了冬季中东急流年际变化特征,并探讨了太阳活动对北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)与冬季中东急流轴线位置之间关系的调制作用。结果表明:冬季中东急流的轴线位置表现出显著的年际变化特征,在空间上主要表现了中东急流东西两侧轴线南北移动呈反向变化(Middle East Jet Axis shift east-west Out-phase,MEJAO)型和中东急流轴线南北移动呈整体一致的变化特征(Middle East Jet Axis shift In-phase,MEJAI)型。另外,在太阳活动强时期,NAO(North Atlantic Oscillation,北大西洋涛动)的空间结构更靠近北大西洋东侧的大陆上,欧洲大陆北侧与地中海地区出现相反的SLP(Sea Level Pressure,海平面气压)异常,通过Ekman抽吸作用形成次级环流,在对流层高层地中海地区易出现辐合异常,并激发Rossby波波列,在伊朗高原上空会形成位势高度异常,从而中东急流东部轴线南北侧西风呈相反的变化。同时,在对流层高层欧洲大陆南侧形成的位势高度异常,也会使得中东急流西部轴线北侧西风出现异常。中东急流东、西部西风异常的空间结构呈反相变化,即出现了MEJAO型。而在太阳活动弱时期,NAO的空间结构主要局限在北大西洋地区,不易形成地中海辐合异常,NAO与MEJAO型的关系不密切。因此,太阳活动对NAO与MEJAO型之间的关系存在着调制作用。     

冬季中东急流中心位置的年际变化及其与大气环流的联系

利用NCEP/DOE再分析资料,通过EOF分解、合成分析和线性回归等多种统计学方法,对年际时间尺度上冬季中东副热带西风急流(Middle East subtropical westerly Jet stream,MEJ)中心位置的变化进行研究,分析了MEJ中心位置的年际变化与大气环流的联系,找到了与MEJ中心位置相联系...     

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.     

东亚太平洋地区近地面臭氧的季节和年际变化特征及其与东亚季风的关系

利用东亚清洁背景站近地面臭氧观测资料,结合风场和降水资料,分析东亚各地区臭氧的多年季节变化特征,并探讨东亚太平洋地区臭氧的季节和年际变化与季风的关系以及影响近地层臭氧的主要因子。结果表明：东亚大部分地区与北半球背景站观测一致,近地层臭氧季节变化表现为春季最高、夏季最低的特征;但在东亚中纬度33～43°N,臭氧表现为夏季最高,而在东亚20°N以南地区臭氧则表现为冬末、春初最高。东亚太平洋沿岸近地面臭氧的季节变化主要受东亚冬、夏季风环流的季节变化控制。该地区不同纬度上春季峰值出现时间的差异与亚洲大陆春季不同时期污染物输送路径的差异有关。对东亚太平洋沿岸对流层顶附近位势涡度、高空急流和垂直环流季节变化的分析表明,冬春季可能是平流层向对流层输送的最强期,对近地面臭氧贡献最大。初夏至秋季（5-11月）,平流层向对流层输送较弱,对近地面臭氧贡献较小。东亚太平洋地区夏季风爆发的时间和强度以及季风环流型的年际差异是导致该地区春、夏季臭氧年际变化的主要原因;而季风降水和云带位置以及平流层一对流层交换是造成臭氧年际变化的其他原因。     

Seasonal Variation of the East Asian Subtropical Westerly Jet and Its Association with the Heating Field over East Asia

The structure and seasonal variation of the East Asian Subtropical Westerly Jet （EAWJ） and associations with heating fields over East Asia are examined by using NCEP/NCAR reanalysis data. Obvious differences exist in the westerly jet intensity and location in different regions and seasons due to the ocean-land distribution and seasonal thermal contrast, as well as the dynamic and thermodynamic impacts of the Tibetan Plateau. In winter, the EAWJ center is situated over the western Pacific Ocean and the intensity is reduced gradually from east to west over the East Asian region. In summer, the EAWJ center is located over the north of the Tibetan Plateau and the jet intensity is reduced evidently compared with that in winter. The EAWJ seasonal evolution is characterized by the obvious longitudinal inconsistency of the northward migration and in-phase southward retreat of the EAWJ axis. A good correspondence between the seasonal variations of EAWJ and the meridional differences of air temperature （MDT） in the mid-upper troposphere demonstrates that the MDT is the basic reason for the seasonal variation of EAWJ. Correlation analyses indicate that the Kuroshio Current region to the south of Japan and the Tibetan Plateau are the key areas for the variations of the EAWJ intensities in winter and in summer, respectively. The strong sensible and latent heating in the Kuroshio Current region is closely related to the intensification of EAWJ in winter. In summer, strong sensible heating in the Tibetan Plateau corresponds to the EAWJ strengthening and southward shift, while the weak sensible heating in the Tibetan Plateau is consistent with the EAWJ weakening and northward migration.     

Seasonal Variations of the East Asian Subtropical Westerly Jet and the Thermal Mechanism

The seasonal variations of the intensity and location of the East Asian subtropical westerly jet (EAWJ) and the thermal mechanism are analyzed by using NCEP/NCAR monthly reanalysis data from 1961 to 2000. It is found that the seasonal variation of the EAWJ center not only has significant meridional migration, but also shows the rapid zonal displacements during June-July. Moreover, there exists zonal inconsistency in the northward shift process of the EAWJ axis. Analysis on the thermal mechanism of the EAWJ seasonal variations indicates that the annual cycle of the EAWJ seasonal variation matches very well with the structure of the meridional difference of air temperature, suggesting that the EAWJ seasonal variation is closely related to the inhomogeneous heating due to the solar radiation and the land-sea thermal contrast. Through investigating the relation between the EAWJ and the heat transport, it is revealed that the EAWJ weakens and shifts northward during the warming period from wintertime to summertime, whereas the EAWJ intensifies and shifts southward during the cooling period from summertime to wintertime. The meridional difference of the horizontal heat advection transport is the main factor determining the meridional temperature difference. The meridional shift of the EAWJ follows the location of the maximum meridional gradient of the horizontal heat advection transport. During the period from April to October, the diabatic heating plays the leading role in the zonal displacement of the EAWJ center. The diabatic heating of the Tibetan Plateau to the mid-upper troposphere leads to the rapid zonal displacement of the EAWJ center during June-July.     

东亚上空急流位置经向变化及其与东亚夏季气候异常的联系

利用1979—2010年逐月CMAP降水资料和NCEP/NCAR再分析资料集,通过定义夏季东亚急流位置指数,采用统计和动力诊断方法研究了东亚上空急流位置经向变化及其与东亚夏季气候的联系。所定义的东亚急流位置指数较好地反映了东亚上空急流位置的经向移动。结果表明:东亚上空急流经向位置的移动存在显著的年际变化,其主要周期为2~3 a和8 a。当夏季东亚急流位置偏北(南)时,从低纬到高纬,东亚地区降水异常主要呈现出偏多—偏少—偏多(偏少—偏多—偏少)的经向分布;相应地,气温则在副热带西太平洋地区偏低(高),我国华东、华北及日本地区气温偏高(低),西伯利亚东部较高纬地区气温偏低(高)。东亚上空急流经向位置异常年,异常环流随高度呈略有西倾的准正压结构。东亚上空急流经向位置的偏北(南)与由西太平洋—南海热带地区非绝热加热相关的经圈环流异常有关,亦与中纬度波扰能量东传有关,并由此可部分解释我国长江中下游至日本地区的气温异常偏高(低)。     

冬季东亚高空副热带急流和温带急流协同变化与中国南方地区降水的关系

利用NCEP/NCAR再分析数据和中国台站降水资料研究冬季东亚高空副热带急流和温带急流协同变化特征及其与中国南方地区降水的关系,发现冬季东亚高原急流与温带急流同期反向协同变化特征最为显著。即高原急流增强,同时温带急流减弱(SW型)和高原急流减弱,同时温带急流增强(WS型)。当高原急流增强(减弱)而温带急流减弱(增强)时,中国南方地区降水显著增加(减少)。合成分析表明,不同急流协同变化型态下冷暖空气活动特征存在较大差异,高原急流与温带急流的反向协同变化可以真实反映与冬季中国南方地区降水相关联的冷暖空气活动特征,进而导致不同降水形态的产生。     

Interannual meridional displacement of the East Asian upper-tropospheric jet stream in summer

On the interannual timescale, the meridional displacement of the East Asian upper-tropospheric jet stream (EAJS) is significantly associated with the rainfall anomalies in East Asia in summer. In this study, using the data from the National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy (NCEP/DOE) reanalysis-2 from 1979 to 2002, the authors investigate the interannual variations of the EAJS‘s meridional displacement in summer and their associations with the variations of the South Asian high (SAH) and the western North Pacific subtropical high (WNPSH), which are dominant circulation features in the upper and lower troposhere, respectively. The result from an EOF analysis shows that the meridional displacement is the most remarkable feature of the interannual variations of the EAJS in each month of summer and in summer as a whole. A composite analysis indicates that the summer (June-July-August, JJA) EAJS index, which is intended to depict the interannual meridional displacement of the EAJS, is not appropriate because the anomalies of the zonal wind at 200 hPa (U200) in July and August only, rather than in June, significantly contribute to the summer EAJS index. Thus, the index for each month in summer is defined according to the location of the EAJS core in each month. Composite analyses based on the monthly indexes show that corresponding to the monthly equatorward displacement of the EAJS, the South Asian high (SAH) extends southeastward clearly in July and August, and the western North Pacific subtropical high (WNPSH) withdraws southward in June and August.