初夏西太平洋副热带高压的非季节性带状振荡外文翻译资料

 2022-12-20 09:12

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初夏西太平洋副热带高压的非季节性带状振荡

关维娜，任雪娟，胡海波，魏尚

中国气象局-南京大学气候预测研究联合实验室，南京大学大气科学系，南京210023

摘要：本文研究了初夏时期西太平洋副热带高压（ＷPSH）带状振荡的特征和动力过程，通过对1979-2016年期间500hPa上的逐日风场和位势涡度（PV）用多元经验正交展开（MV-EOF）的方法进行分析诊断。多元经验正交展开（MV-EOF）的第一模态特征是在西北太平洋范围内一个异常反气旋占领了中国东南部。第一模态上西太副高有10至25天的带状移动周期。当西太副高向西延伸时，南亚高压（SAH）向东伸展，并在长江流域上空观测到异常偏高降水的情况。亚热带西北太平洋上空有异常下降运动的抑制对流。SAH和WPSH的相对纬向运动有助于建立异常局部垂直环流，YHR盆地的上层辐散和亚热带西太平洋上空辐合下沉运动。上述局部垂直环流为YHR盆地的持续降雨提供了动力条件。 在WPSH西侧的西南急流向中国东部输送更多的水汽，为YHR盆地的持续降雨提供必要的水汽条件。位势涡度诊断表明，异常的非绝热加热是PV的主要来源。亚热带西太平洋的异常降温在500hPa产生局部负的PV中心。YHR盆地的异常加热产生了一个局部正的PV中心。上述PV异常的南北偶极结构以及经向环流导致负PV的向北输送。这两个过程有利于WPSH向西延伸。垂直对流过程不利于WPSH向西延伸，但有助于其向东撤退。

关键词：西太平洋副热带高压；亚季节时间尺度；非绝热加热；位势涡度

1　引言

西太平洋副热带高压（WPSH）是一个对流层中下部的大规模反气旋环流。 它主要出现在夏季西太平洋上。通常通过500hPa位势的5880gpm等值线代表WPSH。WPSH的位置和强度决定了它融合来自海洋的温暖潮湿的空气和中高纬度的寒冷干燥空气。 因此，WPSH对东亚季风区天气和气候产生了深远的影响。

WPSH表现出季节性变化，特别是其西侧边缘在初夏10-30天的阶段内表现出先向西后向东的迁移过程。WPSH的这种区域运动在东亚严重干旱或洪涝灾害中发挥着关键作用。因此，WPSH的季节性纬向运动自20世纪60年代以来备受关注。本文研究的是WPSH的季节性区域运动过程的特征。当WPSH季节性向西延伸（向东撤退）时，在东南亚及其沿海地区可见一个异常的高压中心，更多的水汽被输送到东亚。WPSH的运动是与其他环流相配合的。例如，当WPSH向西移动时，处于上层的南亚高压（SAH）向东延伸。季节性的WPSH和SAH的纬向运动可导致夏季中国东部降水异常。

一些调查表明，上层SAH的季节性向东延伸有利于WPSH的向西延伸。其他研究表明，WPSH的中下层季节性纬向振荡与从中部向热带亚热带西太平洋西北方向传播的准双周振荡有关。特别是，WPSH的向西延伸伴随着准双周振荡的反气旋西北向迁移阶段。因此，后者可能是前者的原因。我们推测，对流层上层的SAH迁移和对流层中下层的准双周振荡都是造成副高季节性西伸的原因。需要以连贯的方式研究移动特征和动态过程。本研究旨在通过对位势涡度（PV）进行诊断来揭示WPSH区域振荡的动力学机制。

得注意的是，7月中旬WPSH向北跳跃发生在北太平洋西部。东亚地区大气环流和降雨的变化在7月中旬前后表现出差异。在初夏，WPSH的10-30天区域振荡比夏末更为显著。因此，我们将在初夏（6月1日至7月20日）进行讨论。

总的来说，这次研究着重于两个方面：1）副高在500hPa区域振荡的特征，以及与之相关的大尺度环流（尤其是SAH）；2）有助于WPSH亚季节性纬向运动的动力过程。本文的其余部分安排如下。数据和方法在第2节中介绍。第3节研究了WPSH在夏初的季节性纬向振荡的特征，以及它与大规模环流和降雨异常的关系。第4节分析了相关的动态过程。第5节给出了总结。

2　数据和方法

    1. 数据

本研究使用了由美国气候预测中心（CPC）开发的覆盖全球陆地面积的每日降水的0.5°times;0.5°网格观测结果。这种网格降水产品来自全球陆地区域的雨量计观测（Chen等，2008）。 使用来自国家海洋和大气管理局（NOAA）的2.5°times;2.5°空间分辨率的日均值出射长波辐射（OLR）（Liebmann和Smith，1996）。每日大气元素来自ECMWF中期再分析（ERA-Interim; Dee等，2011），分辨率为0.75°times;0.75°。所有数据集涵盖1979-2016期间。

    1. 方法

运用以下公式：

（1）

（2）

（3）

获得季节性异常每个变量的方法如下：首先进行5天平均来去除逐日数据中的高频波动。然后，我们忽略每日的天气。 最后，通过扣除季节性异常消除了年际变化。多元经验正交函数（MV-EOF）分析用于获得WPSH在季节性时间周期内的纬向振荡的时空特征。MV-EOF分析是在初夏时段（0°-45°N，110°-150°E）500hPa的水平风（u和v）的归一化季节性异常中进行的（1979年6月1日至2016年7月20日（共1900天））。 与常规EOF分析相比，MV-EOF更适合获得若干所选变量的空间分布以及这些变量之间的共变性关系。计算MV-EOF（PC1）的标准化第一主成分上的季节变量的时滞回归。第0天意味着同时回归。负滞后日（正滞后日）由向后（向前）移动前导（滞后）天数实现。

3　WPSH的季节性纬向振荡及其伴随的大规模环流的异常

3.1基本特征

图1描绘了气候学初夏（6月1日至7月20日）的500和200hPa（Z500，Z200）位势高度场，400hPa（w400）垂直风场，水平风场和降水。WPSH在500hPa时由5880-gpm等值线（以下称5880-线）代表，在西太平洋上被拉长。其脊轴沿22°N。200hPa SAH由12,520 gpm轮廓（12,520线）代表。 SAH主体的中部和东部位于印度北半岛至西太平洋20°至30°之间的区域。西风流位于SAH和WPSH的极向侧。WPSH的西部边缘被南风占据。在WPSH的南侧和北侧有强烈的上升运动。在南亚，东亚和赤道附近的大陆上观测到丰富的降雨。

图注1：初夏（6月1日－7月20日）气候场（a）500hPa的位势高度场（Z500，蓝色等值线间隔为60gpm），500hPa矢量风场（m/s）和降雨量（阴影，mm/day）和（b）200hPa的位势高度场（Z200，等值线间隔为120gpm），200hPa矢量风场（m/s）和400hPa垂直速度omega;（w400，阴影0.01Pa/s）。

图2a显示了第一个MV-EOF模式（MV-EOF1）的空间模式，它占总季节变化的11.6％。虽然占比较小，根据North等人（1982年）的规则，它在统计上可以与其他模式区分开来。V-EOF1的模式的特征是WPSH西部的反气旋异常。PC1显示10-25天的周期（图2b）。 该周期性是初夏时WPSH的季节性纬向运动的主要时间尺度。图2c显示了1995年夏季PC1的标准化时间序列.WPSH的向西和向东事件是根据PC1的标准化时间序列选取的。 当归一化的PC1在至少连续三天中ge;（le;）1.0（-1.0）时，定为向西（向东）事件。在1979年至2016年的夏季初期，根据上述标准确定了41个向西事件和45个向东事件。500hPa5880线的超过/低于的hPa向西和向东事件绘制成图3。前导/滞后显示-12至12天的范围，间隔为3天。 WPSH的区域振荡是MV-EOF1的主要特征。对于西向事件，第-12天5880线的西点位于132°E附近（图3a）。它在第9天略微向西伸展。西部边缘加速经过台湾南部，最后在第0天到达最西端（图3a）。WPSH在其最西端位置停留三天，在 9开始向东撤退（图3b）。 5880-线的前/后复合如图1和图2所示。如图3c所示，d也呈现纬向振荡，但是带状偏移首先向东（图3c）然后向西（图3d）。

图注2：（a）1979－2016年夏初500hPa矢量风场的MV-EOF1模态。（b）MV-EOF1主成分的平均功率谱（红线）。（c）1995年夏季每日PC1的时间序列（红线）。（a）中的蓝线是气候5880线。（b）中的黑色虚线是红色噪声光谱，（b）中的黑色实线是95％置信水平的光谱。

图注3：a，d是5880线西伸时在500hPa的叠加图，b，c是5880线东撤时的叠加图，时间间隔为3天。

WPSH向西和东向事件的次季节环流和相关特征的同时复合如图4所示。向西发生的5880线向西比向东事件更向西（图4a，d）。对于西向事件，异常的反气旋环流集中在WPSH的西部，从中国东南部到亚热带西太平洋，而气旋环绕在异常在极向上（图4a）。同时，在中国江淮流域观测到负OLR异常和异常上升运动，伴随着降水增强，大面积抑制对流具有正OLR异常和异常下沉运动，表明当地降水减少（图4b）。对于西部事件，WPSH西部的异常反气旋将更多的水汽输送到中国的YHR盆地，导致北部太平洋西北部的水分发生异常分布（图4c）。OLR的异常现象，垂直运动，降水和东向事件的水汽输送几乎与西向事件的模式相反（图4d，e，f）。

图注4：同时复合季节循环中（a-c）的西伸和（d-f）的东撤事件。（a，d）Z500（黑色等值线，gpm）和降水（阴影，mm/day）的季节性异常叠加气候态5880线（蓝色等值线）。（b，e）w400（黑色等值线，0.01Pa/s）和OLR（阴影，W/m2）的季节性异常。（c，f）整层水汽的季节性输送异常（IVT，载体，kg/ms-1）和水汽通量散度（阴影，10-5kg/m-2s-1）。所有图中的零线省略。

3.2SAH和WPSH的相对带状位移

Z500和Z200异常的时间滞后回归以及归一化PC1上的w400异常在图5中绘制，叠加在西向事件的5880线和12,520线的时间滞后组合上。我们首先分析500hPa的演化（图5中的左图）。在副高西伸早期，在120°E附近赤道西太平洋可见一弱的Z500正距平中心和下沉运动距平。伴随着WPSH明显向西扩展，上层异常中心向西北方向传播到东亚沿海水域，振幅越来越大。第0天后，东亚及其沿海水域上述正Z500异常开始减弱。与此同时，WPSH开始向东撤退。在此过程中，从YHR盆地逐渐建立异常上升运动，从第0天到达其峰值，对应于当地高于正常水平的降水如图4a所示。

在对流层上部，SAH在第0天之后向东后退后退（图5中的右图）。伴随着向东伸展的SAH，北太平洋亚热带西部地区出现了负Z200异常中心。同时，一个Z200正距平中心出现在中国东部。在500和200hPa，在欧亚大陆北部35N以北可以看到波列，在200hPa时尤其明显。从第0天开始一种积极的“自我平衡”模式，以西西伯利亚为中心，贝加尔湖以西和贝加尔湖东南部在第一天建立，然后移动到东南，在第0天，波列的低中心位于YHR地区的极地。

图注5：（a-e）Z500（黑色等值线间隔为4gpm）和w400（阴影，0.01Pa/s）异常的回归场。（f-j）Z200异常（黑色等值线间隔为5gpm）和西伸时200hPa水平风散度（阴影，10-7/s）在标准化的PC1上持续－9，－6，－3，0和＋3天。西伸时（a-e）中500hPa上叠加的5880线和（f-j）中200hPa上叠加的12520线用蓝色粗等值线表示。在（a-e）中阴影表示w400的95％置信水平的显着区域，（f-j）中阴影表示200hPa水平风散度。

图6a显示Z500中回归异常的经度剖面OLR到规范化的PC1上。以上反气旋首先是对流活动受到抑制的循环。-9天时在150°E亚热带西太平，然后向西传播并到达在第0天达到峰值，在第 1天位于120°E和130°E之间， 3天之后消失。伴随以上信号，WPSH的西脊点，用图6a中的蓝点表示，向西移动，第二天后逐渐向东撤退。图6b是Z200，OLR和降水中回归异常的经度剖面（25°-35°N平均）。伴随着SAH东部脊点（图6b中的蓝点）东向的延伸，正Z200异常现象建立在华东及其沿海地区。与此同时，YHR盆地持续的降雨。

图注6：（a）Z500（等值线单位，gpm）季节异常回归的时间经度剖面图和OLR（阴影，W/m-2）在10－25N以北的平均值。（b）Z200（等值线单位，gpm），OLR（阴影，W/m-2）和降水（红色等值线，间隔为0.5mm/day）在25°-35°N的平均值。（a）中的WPSH的西脊点和（b）中的SAH的东脊点用蓝点表示。

3.3垂直结构

图7显示了纬度-高度剖面图，风场和omega;的异常，水平风为110°-125°E平均。在几天之内，“低”的模式在对流层上层建立。上升运动在YHR盆地，弱下沉运动在亚热带西北太平洋在中层（图7a）。与此同时，弱辐散出现在40°N以南（图7d）。在几天之内YHR盆地中层强上升运动的局部垂直环流异常，上层辐散，中层下沉运动。亚热带西北太平洋的上层辐合，建立良好（图7b，e）。在第0天到第 2天，这种异常的局部垂直异常环流达到成熟阶段。以上分析表明，SAH的向东延伸有利于建立SAH期间的垂直经向环流。WPSH向西延伸，为YHR盆地持续降雨提供了一个新的动力条件。

图注7：（a-c）位势高度（阴影，gpm）和垂直速度omega;（黑色等值线

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