应用气象学报  2000, 11 (2): 145-153   PDF    
引用本文
朱伟军, 孙照渤. 冬季黑潮区域海温异常对北太平洋风暴轴的影响[J]. 应用气象学报, 2000, 11(2): 145-153.
Zhu Weijun, Sun Zhaobo. IMPACTS OF KUROSHIO SSTA ON STORM TRACK OVER NORTH PACIFIC IN WINTER[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2000, 11(2): 145-153  
冬季黑潮区域海温异常对北太平洋风暴轴的影响
朱伟军, 孙照渤     
南京气象学院, 南京 210044
1998-12-01 收到, 1999-02-08 收到修改稿.
资助项目: 本文得到国家自然科学基金49475258项目资助    
摘要: 该文对15个冬季北太平洋风暴轴区域500 hPa天气尺度滤波位势高度方差与北太平洋海表温度进行了奇异值分解 (SVD) 分析.结果表明, SVD得到的第二对空间典型分布反映了冬季黑潮区域的海温异常与风暴轴的异常变化密切相关.进一步的分析显示, 黑潮区域海温异常可能通过加强风暴轴入口区的斜压性, 激发或加强500 hPa高度场上的WP遥相关型, 主要影响冬季北太平洋风暴轴在入口区的强度变化和南北位移.
关键词: 风暴轴    奇异值分解分析    斜压性    遥相关型    
IMPACTS OF KUROSHIO SSTA ON STORM TRACK OVER NORTH PACIFIC IN WINTER
Zhu Weijun, Sun Zhaobo     
Nanjing Institute of Meteorology, Nanjing 210044
Abstract: Singular value decomposition (SVD) is conducted for 500 hPa filtered potential height variance of 15 storm track regions and the SST over North Pacific in winter. The results show that the second couple of mode obtained from SVD depicts the effect of Kuroshio SSTA on the interannual variability of storm. Furthermore, composite analysis indicates that the SSTA over Kuroshio in winter can give rise to or invigorate WP teleconnection response pattern of 500 hPa height field which, in turn, exerts crucial influence on the interannual variability in vigor and meridianal displacement of the storm track over North Pacific, especially over its central and western parts.
Key words: Storm track     Singular value decomposition analysis     Baroclinicity     Teleconnection pattern    
引言

风暴轴一般是指2.5~6天瞬变扰动最活跃的区域, 在北半球最显著的风暴轴有两个, 分别位于中纬度的两大洋上.自从70年代末Blackmon等[1~3]利用滤波资料首次发现风暴轴以来, 风暴轴研究已逐渐成为三维瞬变波动力学研究中的一个重要分支.有关风暴轴维持及其内部动力学机制方面的研究近期有了一定的进展[4~8].但是目前对风暴轴的年际异常现象尚缺乏深入的了解.而风暴轴区域瞬变扰动导致的凝结加热异常对全球大气环流有重要影响, 而且其本身就会直接引起天气、气候的变化, 因此研究风暴轴的年际异常及其物理机制对天气预报以及短期气候预测具有十分重要的意义.Hoskins等[4]曾指出, 冬季北半球海洋西部的暖边界流可能对其时的风暴轴维持有重要影响, 但没有进行更细致地分析.因此, 本文将利用观测资料, 主要从外热源强迫的角度, 对冬季北太平洋风暴轴的年际异常及其可能物理机制进行深入探讨.

1 资料与方法

资料取自NCEP/NCAR 1979~1994年16年全球2.5°×2.5°再分析逐日网格资料和英国国家气象局整编的同时段全球1°×1°月平均SST网格资料.

采用文献[9]所描述的方法设计的31点数字滤波器 (有关该滤波器的参数和性质请参见文献[10]), 从逐日原始资料直接滤出2.5~6天的瞬变涡动, 然后把滤波资料按冬季月份分成每月一段, 并对每一段各自计算其方差, 这样就得到每月的月平均带通滤波方差 (以下简称滤波方差).研究表明[1~3], 500 hPa位势高度场的这种滤波方差可以代表该月风暴轴的位置和强度, 因而后文的分析主要就是针对500 hPa位势高度场的滤波方差来进行的.在对风暴轴 (500 hPa位势高度场的滤波方差) 和海温场 (SST) 进行SVD分析时, 每个格点资料的时间序列长度都为15年, 而且是针对15年冬季 (1979/1980至1993/1994) 平均进行标准化后的资料.其中每年的冬季平均是指对上年11月、12月和次年1月、2月、3月5个月的平均, 文中以此代表某场该年的冬季平均状况.而对空间范围的选取, 北太平洋风暴轴为: 100°E~100°W, 20°~70°N; 北太平洋SST为: 105.5°E~98.5°W, 20.5°~56.5°N.

SVD方法自Prohaska (1976) [11]引入气象研究以来, 已得到广泛应用.它是从两个场中分离出耦合型的最好方法之一, 既简便, 又容易解释, 而且不需用户自定义参数, 几乎没有系统误差.本文将根据文献[12]和文献[13]主要分析异类相关图, 因为它反映的是在已知一个场的空间分布型的情况下, 其所对应的时间系数表示另外一个场的空间典型分布的好坏程度.对任意两个标量场: Si (t) 表示t时刻在第i空间点上某要素的观测值, 通常称为左场; zj (t) 表示t时刻在第j空间点上另一要素的观测值, 通常称为右场; 其中i=1, 2, …, Ns; j=1, 2, …, Nz, t=1, 2, …, T; 一般来说, 空间点数Ns可以不等于Nz.若令r[f (t), g (t)]表示两个时间序列f (t) 和g (t) 的相关的话, 那么第k个左 (右) 异类相关图 (分别用向量r[si (t), bk (t)]和r[zj (t), ak (t)]表示) 是由左 (右) 场si (t) (zj (t)) 和第k个右 (左) 时间系数bk (t) (ak (t)) 求相关得到的.通过上述SVD分析, 将可以获得冬季北太平洋风暴轴与北太平洋SST耦合变化的相关分布型.

2 结果分析 2.1 SVD分析结果

冬季北太平洋风暴轴的中心强度和位置的年际差异十分显著, 风暴轴中心强度在强年、弱年可相差1倍以上, 风暴轴中心纬度变化范围在30°~60°N之间, 经度变化范围在160°E~130°W之间[14].因此, 研究风暴轴的这种年际异常及其物理机制对理解大气环流的维持具有十分重要的意义.

由于SVD结果的第一对空间典型分布实际上是描述了冬季北太洋风暴轴变化与赤道中、东太平洋SSTA的相关关系, 已另文讨论过[7], 本文将着重讨论其第二对空间典型分布.图 1给出的是SVD结果的第二对空间典型分布 (以下简称SVD2型) 及其对应的时间系数变化曲线.据第1节所述, 这里给出的空间典型分布型是由异类相关图代表的.对500 hPa位势高度滤波方差 (图 1a) 来讲, 其SVD2型描述了冬季北太平洋风暴轴在气候平均位置 (图略) 及稍偏北处增强 (减弱) 而在南北两端减弱 (增强) 的反位相变化关系, 按照第1节所说明的资料处理, 有理由认为这种变化型反映的是年际的差异.而对北太平洋SST (图 1b) 来讲, 其SVD2型描述了同期黑潮区域及东北太平洋区域SST与其它区域SST之间的反位相变化关系, 其中尤以黑潮区域SST变化最为显著.图 1c中黑潮区域 (120.5°~150.5°E, 15.5°~32.5°N) SSTA的变化曲线 (图 1c实线) 与时间系数的演变曲线 (图 1c虚线) 非常近似也说明了这一点.这一对空间典型分布型所解释的协方差平方的百分比 (记作SCF) 为21.3%, 对应的两个时间系数之间的相关系数达0.91, 表明这一对空间典型分布型之间的相关程度也非常高.因此, 冬季北太平洋风暴轴在中、西端气候平均位置的强度和位移的年际变化型与同期黑潮区域SSTA的异常变化型密切相关.

图 1. 冬季北太平洋风暴轴区域500 hPa位势高度滤波方差与同期北太平洋SST SVD分析的第二对空间典型分布 (a, b) 及其所对应的时间系数 (c中虚线)、黑潮区域SSTA的变化曲线 (c中实线) (图a, b中等值线为相关系数, 阴影部分表示相关系数绝对值≥0.52的区域)

由于前两对空间典型分布型已累计解释了协方差平方的51.4%, 所以本文没有再分析其它对空间典型分布型.

2.2 合成分析结果

由于相关关系不能等同于因果关系, 因而从黑潮区域挑出冬季SSTA变化绝对值≥0.5 ℃的月份制成表 1并进行合成分析, 深入地考察这一海域的SST异常是否对同期北太平洋风暴轴存在影响.图 2为冬季黑潮区域SST正、负异常时500 hPa位势高度滤波方差的合成场及其差值分布.为加强结论的可靠性, 对两个样本均值进行了差异显著性的t检验, 显著性达到T=0.05信度水平以上的地区在图中以阴影区表示.从图 2可以看到, 冬季黑潮区域正SSTA时, 北太平洋风暴轴位置偏北, 而负SSTA时, 风暴轴位置偏南, 比较而言, 在正SSTA时风暴轴中西部 (即入口区) 强度有显著增强, 其差值显著性已达到T=0.05的信度水平.对比图 2c和图 1a可知, 上述差值场与500 hPa位势高度滤波方差的SVD2型分布特征十分相似.

表 1 黑潮区域SSTA变化绝对值≥0.5 ℃的月份

图 2. 冬季黑潮区域 (±) SSTA时北半球500 hPa位势高度滤波方差的合成场 (a, b) 及其差值 (c) (等值线间隔5.0 dagpm, 图中阴影部分表示通过t检验且显著性达到α=0.05信度水平的区域)

图 3 (a, b) 分别为冬季黑潮区域SST正、负异常时850 hPa天气尺度涡动热量经向通量 () 和垂直通量 () 差值分布图.图中显示, 在40°N以北的中、西太平洋区域, 为正, 为负, 这说明, 与黑潮区域负SSTA时相比, 黑潮区域正SSTA时太平洋风暴轴在入口区的天气尺度涡动热量的向极和向上通量输送显著加强, 其位置与以上讨论的天气尺度位势高度方差增强的所在位置比较一致, 差值显著性也已达到T=0.05的信度水平.由于剧烈的天气尺度涡动热量的向极和向上通量输送是天气尺度斜压波强烈发展阶段的重要表现特征, 因此, 以上结果表明:冬季黑潮区域SST异常确实对北太平洋风暴轴存在显著的影响, 其作用主要是对风暴轴在入口区的强弱和位置的南北变化有重要贡献.

图 3. 冬季黑潮区域 (±) SSTA时北半球850 hPa热量的经向通量 (a) 和垂直通量 (b) 的合成场差值分布 (等值线间隔分别为1.0 K·m·s-1 (a) 和2.0×10-2K·Pa·s-1 (b), 图中阴影部分说明同图 2)

2.3 成因分析

北半球风暴轴上的天气尺度涡动活动可以用发展中的斜压波生命史来解释[16], 所以斜压性的强弱对风暴轴的维持和发展具有至关重要的作用.本节将以此来探讨SSTA对风暴轴产生影响的可能物理过程.图 4为冬季黑潮区域SST正、负异常时775 hPa斜压性强度指数eBI差值分布图.其中eBI为根据Hoskins等[4]引入的Eady波最大增长率, eBI= (式中右端符号均为常用气象符号), 在忽略气流低层的水平切变以及湿过程等复杂情况的影响下, 此量不失为表征中纬度斜压性强弱的一种很好度量, 因而本文用作斜压性强度指数.比较而言, 在黑潮区域正SSTA时 (图 4a), 太平洋风暴轴区域斜压性较强, 极值中心强度最大为1.4 d-1以上, 位置偏北; 而在黑潮区域负SSTA时 (图 4b), 太平洋风暴轴区域斜压性较弱, 位置偏南, 极值中心强度最大只达1.2 d-1.另外, 差值图 (图 4c) 显示, 在黑潮区域正SSTA时整个风暴轴中西端的斜压性比在负SSTA时有显著增强, 且差值显著性已达到T=0.05的信度水平.注意到, 斜压性的这种极值分布确实与图 2 (a, b) 中天气尺度位势高度方差的极值分布有很好的对应关系.因此, 黑潮区域正SSTA时风暴轴西端即中、西太平洋地区的斜压性的增强, 是上节所讨论的风暴轴西端天气尺度涡动活动增强的主要原因.

图 4. 冬季黑潮区域 (±) SSTA时北半球775 hPa斜压性指数的合成场 (a, b) 及其差值分布 (c) (等值线间隔分别为: 0.2 d-1 (a, b) 和0.05 d-1 (c) .图中阴影部分说明同图 2)

至于斜压性增强的原因, 可能主要是由于黑潮区域正SSTA导致了风暴轴区域南北两侧的平均温度梯度加大, 增加了平均有效位能从而有利于该区域斜压性的增强, 而负SSTA时情况正好相反.

众所周知, 风暴轴位置与对流层中上部的急流有很好的对应关系, 一般前者位于后者的向极和下游一侧, 而且两者的强度具有一致的变化趋势[10].因此, 黑潮区域SSTA是否可能通过影响急流从而再对风暴轴产生影响呢?图 5给出了冬季黑潮区域 (±) SSTA时北半球500 hPa位势高度场的合成场差值分布.由图可见, 在西北太平洋区域, 45°N以南为正变高区, 以北为负变高区, 因而500 hPa 45°N附近的西北太平洋区域急流将得到增强.这种分布与Wallace等[15]得到的500 hPa位势高度场上的WP遥相关型非常相似, 而对比图 5和图 2c可知, 冬季北太平洋风暴轴变化中心就正好横跨在这个WP型的偶极子变化中心之间.因此, 冬季黑潮区域的正SSTA可能通过激发或加强500 hPa位势高度场上的WP遥相关型响应, 进而对同期北太平洋风暴轴产生重要影响.但是, 也应该注意到, 这种急流的变化已包含了天气尺度瞬变涡动的正反馈作用, 所以有关这种瞬变波动与平均气流间的相互作用问题, 尚需要进一步深入的研究.

图 5. 冬季黑潮区域 (±) SSTA时北半球500 hPa位势高度场的合成场差值分布 (等值线间隔: 3.0 dagpm.图中阴影部分说明同图 2)

3 结论与讨论

(1) SVD分析得到的SVD2型描述了冬季北太平洋风暴轴在气候平均位置及稍偏北处增强 (减弱) 而在南北两端减弱 (增强) 的反位相变化与同期黑潮区域SST增强 (减弱) 而在其它区域SST减弱 (增强) 的反位相变化之间的相关分布特征.

(2) 进一步的合成分析结果显示, 由于风暴轴在入口区的斜压性显著增强, 冬季黑潮区域正SST异常可以使北太平洋风暴轴在入口区的天气尺度扰动强度显著增强、位置偏北, 与风暴轴发展有关的低层涡动热量通量也在此区域得到增强.

(3) 冬季黑潮区域的正SSTA可能通过激发或加强500 hPa位势高度场上的WP遥相关型响应, 进而对同期北太平洋风暴轴产生重要影响.

本文结论进一步证实了Hoskins等[4]提出的冬季海洋暖边界流对风暴轴可能存在的影响, 但风暴轴的异常变化受多种因素制约, 本文只考虑了SSTA这一外热源强迫因素, 其它影响因素有待于进一步探讨.另外, 由于个例较少, 因而合成分析所得到的影响过程也有待于进一步证实.

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