中平流层环流转型日期气候及异常特征

2011-01-30闵凡花王盘兴夏佰成陈长胜罗璇

大气科学学报 2011年4期

闵凡花，王盘兴，夏佰成，陈长胜，罗璇

(1.重庆市气象台，重庆401147;2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044;3.重庆市气候中心，重庆401147)

0 引言

平流层环流的纬向均匀性较之对流层环流更为突出。其中，中平流层环流于冬季为一强大的绕极气旋环流，于夏季则为一个绕极反气旋环流。中平流层上部(10～30 hPa)的环流型的转换发生在冬末春初(夏末秋初)，是该层环流由冬入夏(由夏入冬)的指示;中平流层下部(50～70 hPa)的转换一般发生在5—6月，可看作中平流层盛夏环流建立。

随着平流层资料的不断完善和积累，国内外气象工作者对平流层环流的季节转换做了大量的工作。瞿章(1988)指出，北半球平流层大气环流由冬到夏的转换，30 hPa在4月完成，100 hPa在6月完成，二者相差一个月以上。瞿章(1989)还提出，平流层环流的季节转换在不同的经度转换时间也不尽相同。葛玲和陆丹(1989)、葛玲和郭树军(1992)研究了平流层30、50 hPa月平均环流特点，指出平流层环流春季转换存在较大的年际差异。李巧萍等(2003)定义了半球气候位势高度场强度，给出了半球中平流层各层月平均环流由冬季气旋型环流转换为夏季反气旋型环流的时间，指出北半球反气旋环流首先于4月出现在10 hPa，约经过两个月，在7月到达中平流层底(50～70 hPa)，再约经两个月，在9月整个中平流层气旋型环流又恢复。由于春季中平流层环流型转变早于东亚对流层环流的特征变化(如500 hPa西太平洋副高两次季节性北跳)，其年际异常可能对我国东部天气气候异常(顾思南和杨修群，2006;王建波等，2006;卢秉红等，2009)具有指示性，因而倍受我国气象学家重视。

本文利用NCEP/NCAR 1958—1997年40 a逐日位势高度场资料，计算出其球函数分量的系数，用以确定中平流层各层(10～70 hPa)环流转型日期。在此基础上分析了中平流层环流转型日期的气候及异常规律，及其与平流层纬向风准两年振荡(the quasi-biennial oscillation，QBO)的关系。

1资料和方法

1.1资料

中平流层NCEP/NCAR 40 a大气资料再分析计划的逐日位势高度(H)场、纬向风(u)场资料。所用资料的有关参数为:覆盖时段为1958—1997年，共40 a;垂直为5层，自上而下为10、20、30、50和70 hPa;球面为均匀矩形经纬格点网，格距为Δθ×Δλ=2.5°×2.5°。

1.2方法

1)环流指数法:为客观定量表示出北半球中平流层环流型的转换，根据中平流层环流的季节变化特征及李巧萍等(2003)的结论，用北半球逐日高度场的球函数的系数为环流指数，定量描述中平流层各层气旋、反气旋环流型。

根据文献(李雅芬等，2003a，2003b)，参数(m，n)的标准化余弦球函数可表示为其中:m为纬向波数;n为二维指数。可见由纬向波数为m的余弦波和径向参数为m、n的关联勒让德函数之积构成。为的标准化形式，当(m，n)=(0，2)时，得标准化余弦球函数(图1)。由图1可见，它是控制整个半球、高中心在北极的纬向对称气旋。对ty年、td日北半球某等压面H(ty，td)作球函数展开时，得到它被描写的部分为

图1 标准化余弦球函数图像Fig．1 Image of standardized cosinespherical harmonics

2)周期分析法:用周期分析方法(Li et al．，2004)可将某等压面流型由冬入夏的转换日期D的多年序列记为

对应的距平序列

分解为下述20个周期的振荡分量之和

式中，k波分量为

式中:k为波数;Tk=40/k，为周期，单位为a;ak、bk为富利叶展开系数。

按文献(Li et al.，2004)，将k=1～5(40～8 a周期)对应之振荡看作慢变波(记为D's)，称其为年代际振荡;而将8 a以下振荡(不含8 a)看作快变波(记为D'f)，称其为年际振荡。

2 北半球中平流层环流转型过程的确定

Wang and Wu(1995)指出，将某刻全球高度场分解为

后，场的空间起伏，即形势完全由空间偏差分量H*(λ，θ)给出。而由球函数分析，

其中，参数为m、n的分量为

利用10～70 hPa4—6月逐日位势高度场(H)资料，计算了球函数分量在拟合H*中的方差贡献。表1给出了各层最大、次大的及其波参数(m，n)，可见，在中平流层4—6月逐日位势高度场构成中，球函数分量的方差贡献都是最大。故给出的中平流层气旋型环流和反气旋型环流的相互转换是该季节环流变化中最显著的现象。

表2 中平流层各层稳定转正的阈值及一次完成转正的年数Table 2The threshold value of with steady transformation on every level of middle stratosphere and the number of years of one-time transformation

10 hPa20 hPa30 hPa50 hPa70hPa阈值/gpm 410.1345.5190.717.67.9一次完成的年数/a 3033363837

表1 中平流层各层4—6月逐日位势高度场的最大及次大Table 1The largest and second largestvalues on every level of middle stratosphere geopotential height fields from April to June%

10 hPa20 hPa30 hPa50 hPa70hPa最大r*mn(m，n)27.05(0，2)29.44(0，2)26.43(0，2)24.97(0，2)17.32(0，2)次大r*mn(m，n)25.56(0，6)18.88(0，6)15.21(0，4)17.10(1，2)16.27(0，6)

图2 中平流层的40 a平均值(;实线)、极大值(A;点线)及极小值(A;断线)的逐日变化a.10 hPa;b.20 hPa;c.30 hPa;d.50 hPa;e.70 hPaFig.2 Daily variations of the 40-year average;solid lines)，maximum(A;dotted lines)and minimum(A;dash lines)ofin middle stratospherea.10 hPa;b.20 hPa;c.30 hPa;d.50 hPa;e.70 hPa

3 转型日期的气候及年代际异常特征

3.1 气候特征

由表3中历年各层环流转型的日期求得其40 a均值、均方差、最早、最迟日和40 a极差(定义为最早日减最迟日)(表4)。可见，就气候平均而言，20 hPa层最先转为反气旋型(4月24日)，然后逐渐向上、向下传播;至70 hPa(6月17日)历时54 d。由均方差、极差值知，中平流层上部(10～30 hPa)环流转型日期的年际差异比下部(50～70 hPa)大。

中平流层上部(10～30 hPa)转型日期较早(4月底)，且该占H*的方差大(大于25%)，环流意义清晰，可将其看作该层环流由冬入夏季节转换日。而中平流层下部(50、70 hPa)转型日期在5月中旬至6月中旬，不宜将转型日期看作季节转换日。为方便起见，本文只使用“转型日”术语。

图3 春季10 hPa层由负转正典型过程(选取3月1日到5月15日A02的逐日曲线以使此过程更为清晰)a.一次性转正(1985年);b.两次性转正(1964年);c.三次性转正(1986年)Fig.3 The typical transition processes of 10 hPafrom negative to positive one in spring，a，b and c respectively represents processes that transform successfully at one-time(1985)，two-time(1964)and three-time(1986)(Notes:we select the daily curves offrom March 1 to May 15 in a，b and c to demonstrate the processes more clearly)

表3 北半球中平流层环流稳定转型日期Table 3The dates of steady transformation of middle stratosphere circulation in the Northern Hemisphere

表4 中平流层各层环流转型日期(40 a平均值)及均方差、较差Table 4The 40-year average，mean-square deviation and dvalues of transformation dates on every level of middle stratosphere

3.2 异常特征

1)年际、年代际异常的方差比。用Li et al.(2004)的方法求得了各层转型日期异常中年代际、年际异常的方差贡献(ρs、ρf)、方差比(γ)和自由度均分方差比(F)(表5)。其中，计算F使用的慢、快变分量自由度分别为10、29。由表5可见，中平流层上部(10～30 hPa)年际变化的方差贡献占优势，γ均在0.5以下。中平流层下部(50～70 hPa)，尤其是70 hPa年代际变化的方差贡献占优势，其F为8.34，通过0.001信度的显著性检验。

表5 中平流层各层年际、年代际变化分量的方差贡献ρs、ρf及其比率γ、FTable 5ρs，ρfand γ，F of inter-annual and interdecadal components for middle stratosphere transformation date anomaly

2)年代际异常的层际差异。由表5、图4可见，中平流层各层环流转型日期距平的年代际变化分量(D's)强度随高度升高减弱，形态由简单趋于复杂。中平流层下部(50、70 hPa)慢变分量在20世纪70年代末发生由负转正的突变，表明环流转型由偏早转变为偏晚。许多关于海洋及对流层大气的分析工作(Gu and Philander，1995;徐建军和朱乾根，1998;李丽平等，2003;周连童，2009)均得到20世纪70年代末前后发生年代际突变的结论，从中平流层D's的垂直变化看，这一突变似乎来自海洋和低层大气。

4 环流转型异常与准两年振荡的关系

准两年周期振荡(QBO)是指热带平流层东西风以约26个月为周期的交替变换(Reed et al.，1961)。QBO最明显的区域为热带中平流层，转换首先发生在10 hPa(中平流层顶)，下传至60 hPa(中平流层下部)约需1 a(Reed，1965;Belmont and Dartt，1966)。从异常的时间尺度看，QBO属本文定义的年际异常(快变分量);而从的流型(图1)看，它描述的是纬向均匀的东西风分量的异常，故可能与QBO存在密切关系。利用

求得中平流层各层12月—次年2月及3—5月热带纬度［u］时间序列。并计算其与转型日期D(p，ty，tm)的相关系数(表6)。由表6可见，相关系数以正值为主，其中12月—次年2月热带70 hPa及3—5月热带10 hPa［u］与D的相关系数尤为显著。表明热带中平流层西(东)风位相时环流转型日期滞后(提早)。

表6 0～30°N月平均纬向风与10～70 hPa层环流转型日期的相关系数Table 6The correlation coefficients of 0—30°N monthly mean zonal wind and 10—70 hPa circulation transformation dates

图4 中平流层位势高度场环流转型日期距平(D'(ty))的年际变化曲线(粗实线为转型日期距平的年代际变化分量(ty)))a.10 hPa;b.20 hPa;c.30 hPa;d.50 hPa;e.70 hPaFig.4 The interannual variation curve of transformation dates departure(D'(ty))of middle stratosphere geopotential height fields(the thick solid line represents interdecadal components(D's(ty))of transformation dates departure)a.10 hPa;b.20 hPa;c.30 hPa;d.50 hPa;e.70 hPa

5 结论

1)计算了中平流层(10～70 hPa)各层逐日位势高度场的球函数系数A02，并根据A02稳定由负转正的日期确定了中平流层各层环流转型日期。20 hPa环流最先转换为反气旋型(平均在4月24日)，然后逐渐向上、向下传播，到70 hPa历时54 d;50、70 hPa环流转型日期具有明显的年代际变化特征。

2)中平流层下部(50、70 hPa)环流转型日期与平流层纬向风的QBO有明显的联系，低纬中平流层下部西(东)风位相时流型转换日期滞后(提早)。致谢:国家自然科学基金委员会地球科学部南京信息工程大学大气资料服务中心提供资料服务，谨致谢忱!

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