东亚副热带西风急流的时间演变特征及其与中国东部夏季降水的关系

张 驰, 范广洲, 周定文, 华 维

(成都信息工程学院大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室,四川成都610225)

1 引言

副热带西风急流是大气环流形势的重要组成部分,它的北跳和南移过程是东亚大气环流季节性突变的特征之一。东亚副热带西风急流位置的北跳与东亚梅雨期的起始、南海夏季风的爆发都有紧密联系,它的二次北跳是大气环流季节性转换的重要标志[1-2]。夏季东亚副热带西风急流通过大气环流中季风、副热带高压、热低压等系统的调整配合局地对流、水汽输送的作用间接地对中国东部不同区域的降水产生影响[3-4]。

值得关注的是,长江中下游[5]、华北和华南地区的降水与西风急流强度、位置的变化密切相关,其中,杨莲梅等[6]论证了西风急流的Rossby扰动动能与急流强度之间的关系并指出,动能加强时东部降水呈中间多、南北少型;杜银等[7]通过分析西风急流轴位置的年代际变化与中国东部降水的关系得到,急流呈纬向分布时华北为多雨,而急流中心位置偏南、偏西时江南多雨而华北少雨。在上述研究中,急流位置的变动多采用急流轴或者区域平均风速差[8]来表示,而其强度的变化则采用区域的扰动动能、最大风速中心或者区域平均风速来表示,这些方法单独使用的效果都较好,但彼此之间的差异和各自的侧重点却少有研究。

以此为出发点,比较了自定义的经-纬向急流轴和区域平均风速差在表征西风急流位置变化上的差异,并用区域平均的方法着重分析了西风急流强度和位置的时间演变特征,探讨了急流在极端位置和强度年份对应中国东部地区降水型的分布特点,由于西风急流周期性变化的存在,这也将有助于更好地了解中国东部地区大范围降水或局地降水发生的周期规律。

2 资料和方法

2.1 资料

采用美国国家环境预报中心(NCEP/NCAR)再分析资料,时间为1961年1月～2007年月12月,主要分析时段为夏季6～8月,数据类型包括月平均的纬向风场、经向风场、垂直风场、高度场及比湿,水平分辨率都为2.5°×2.5°,其中风场都为12层,高度场和比湿分别为17层和8层;降水资料为中国气象局国家气象中心资料室提供的1961～2007年596个台站的逐日资料。

2.2 方法

首先给出1961～2007年夏季(JJA)200hPa纬向风的平均态(如图1所示),35°N～45°N间存在一个狭长的西风风速带(纬向风速大于20m/s),包括两个纬向风速大于25m/s的区域,东支位于日本列岛至西太平洋,相对较弱,西支由于青藏高原北侧(60°E～80°E)的阻挡明显减弱。根据高空急流风速的规定,风速大于或等于30m/s[9]的两个急流区分别位于伊朗高原和中国西北地区,中国西北急流区范围相对伊朗高原更大一些,总体上看纬向风速带西支无疑是影响中国大气环流的主要因素,其所在范围自然是急流分析的关键区域。

图1A区不但囊括了纬向风西支中风速大于25m/s的大部分区域,也包含了两个显著的急流区,传统东西向的急流轴是区域中各经度上最大风速值连成的曲线,只能比较急流的南北位置变化且分析起来较复杂。为此进行简化将A区中纬向风风速和值最大的纬度(经度)定义为纬向(经向)急流轴的位置,由于所选A区范围较小,纬(经)向急流轴的位置可以大致对应传统东西(南北)向急流轴所在的纬(经)度,这样随着纬(经)向急流轴位置的变化,急流区位置的南北(东西)变化就能简单表现出来,但这种方法易受到数据分辨率的限制。与此同时,为更好地使用区域平均方法表征西支中急流区的强度、位置变化,所选范围必须对中国西北和伊朗高原强两个急流区位置的变化足够敏感,参考Lau等[8]对东亚夏季风指数的定义方法和杨莲梅等[6]对西风急流位置及强度的量化范围,选取图1B区作为西风急流指数的定义区域,分别以40°N和75°E作为该区域内南北、东西部分的分界线,75°E可很好地区分两个急流区,便于表征二者的强弱差异,40°N也能对两个急流区南北移动后B区内平均风速的不均衡予以表现。据此 ,用40°N ～ 45°N,45°E ～ 105°E 与 35°N ～40°N,45°E～105°E 的区域平均纬向风速差47年夏季(JJA)的标准化值来表征西风急流的南北位置(West-Jet Meridional Position Index,WJMPI)变化,指数为正(负)对应急流区位置相对偏北(南);用 35°N ～ 45°N,75°E ～ 105°E 与 35°N ～ 45°N,45°E～ 75°E 的区域平均纬向风速差的标准化值来表征西风急流的东西位置(West-Jet Zonal Position Index,WJZPI)变化,指数为正(负)对应急流区位置相对偏东(西);用40°N ～ 45°N,45°E～ 105°E 与 35°N～ 40°N,45°E～ 105°E 的区域平均纬向风速和的标准化值来表征西风急流的强度(West-Jet Intensity Index,WJII)变化,指数为正(负)对应急流区的强度相对较强(弱)。

图1 1961～2007年200hPa的夏季(JJA)平均纬向风(单位：m/s)

在对西风急流位置、强度的周期特征分析中使用Morlet小波分析法[10],讨论中国东部地区的降水分布时则使用合成分析。趋势系数方程[11]为：

定义rxt表示西风急流指数时间序列与自然数列1,2,3,…,n的相关系数,n为年数,xi表示第i年的西风急流指数值,表示西风急流指数的平均值,¯=(n+1)/2为正值表示指数在计算时间段内有线性增加的趋势,负值反之。

3 结果和分析

3.1 西风急流轴的时间演变特征

3.1.1 西风急流轴位置的变化特征

根据图1A区中急流轴的定义得到1961～2007年西风急流纬向轴和经向轴位置的年际变化特征(如图2所示)。由于资料分辨率的限制,在A区内经向仅有6个格点,使得纬向急流轴的位置只出现在40°N或42.5°N,1961～1978年轴线位置主要位于42.5°N,占前 18年的61.1%,而在1978～2007年轴线位置以40°N为主,占后29年的79.31%(图2a);经向急流轴总体位置偏东,占47年的70.21%,作轴线位置的3年滑动平均可见,经向轴位置呈振荡西移、东移再西移的周期性变化规律,转折分别出现在1973年、1987年及2003年 ,经向轴位置变化隐约存在一个30年左右的周期但有待进一步验证(图2b)。

图2 1961～2007年夏季200hPa纬向轴和经向轴位置的年际变化特征(单位：度)(a)参考纬度：41.25°N;(b)实线表示经向轴位置的3年滑动平均,参考经度：75°E

3.1.2 西风急流轴的周期特征

图3 1961～2007年西风急流序列的小波方差和小波周期

为此,对急流轴位置的时间序列做小波分析(图3)可得：纬向急流轴在1961～1995年存在5～10年主周期(图3a),与对应纬向轴位置偏北(位于42.5°N)时的年份间隔(图2a)有相似之处;经向急流轴位置在1961～2003年间以25～30年的周期最为明显(图3b),与(图2b)轴线位置滑动平均后推测的周期比较接近,这说明急流经向轴确实存在一个30年左右的显著周期,且其方差值较10～15年的周期也更大一些;另外,为了便于与后面定义的西风急流强度指数的周期做比较,计算图1A区内最大风速中心的9点均值(如图4b实线所示),再用其时间序列做小波分析得到(图3c),急流最大风速存在一个10～15年的主周期,且在1961～2007年都较显著。

3.2 东亚西风急流指数的定义

由此,完成了对西风急流轴时间演变特征的简单分析,对急流经向、纬向轴和最大风速区的周期有了一定的了解,但它对西风急流描述的准确性还需进一步论证。接下来利用区域平均(图1B区)的方法对西风急流强度、位置的年际变化及周期做分析,定义的西风急流指数主要由WJII、WJZPI、WJMPI这3部分组成,由于西风急流指数是标准化后的指数,这也将有利于了解西风急流年际变化的趋势特征。

3.2.1 WJII的年际变化特征

图4 1961～2007年西风急流强度指数和急流9点最大风速均值(单位：m/s)的年际变化特征及其趋势,实线表示年际变化序列,点线表示3年滑动平均,长虚线表示趋势线

从图4可得,WJII和急流最大风速年际变化序列的相关系数达到0.701(通过0.01的信度检验),两者对于西风急流强度的描述几乎一致,同时结合3年滑动平均曲线来看,表征急流强度的极大值都约10年左右出现一次(图4a),这与急流最大风速存在的10～15年的主周期基本一致(图3c),对应滑动平均后的风速极大值都在32m/s以上(图4b)。就急流强度的年际变化趋势来看,WJII和急流最大风速的表现都不太明显,分段来看急流强度只是在1961～1971年间呈逐步加强的趋势,而在1971年后又缓慢减弱,这两个时段的趋势系数都较低,R的绝对值都不超过0.25。总体看来,在47年中,西风急流强度的年际变化主要以周期性的振荡为主,趋势特征不够突出。

3.2.2 WJZPI的年际变化特征

图5 1961～2007年西风急流纬向位置指数的年际变化特征及其趋势,西风急流纬向剖面图的年际变化特征,纬度平均范围：35°N～45°N,(单位：m/s).实线表示年际变化序列,长虚线表示趋势线

图5(a)中WJZPI主要用于表征西风急流的东西位置变化,在1984年左右急流位置极端偏东,是急流由振荡东移向振荡西移转变的关键点,且对应这两个振荡趋势都很明显,这与杜银等(2009)研究提出1975～1980年是西风急流位置的年代际转折期比较接近。其中1961～1984年间气候倾向率是0.435/10a,趋势系数为0.307,急流位置东移显著,而在1984～2007年间气候倾向率是-0.739/10a,气候趋势系数为-0.478,急流西移显著(图5a)。与图5(b)中西风急流纬向剖面图比较来看,急流区位置(等值线标记区域)确实在1980～1990年间稳定偏东,在1970年和2003年位置偏西,而在其他年份甚至没有急流区存在,对此可以认为急流东西位置的振荡调整过程中其强度会有所减弱(将等值线风速范围划为大于28m/s便能大致看出急流振荡移动的轨迹,图略)。

3.2.3 WJMPI的年际变化特征

图6 1961～2007年西风急流经向位置指数的年际变化特征及其趋势,西风急流经向剖面图的年际变化特征,经度平均范围：45°E～105°E,单位m/s.实线表示年际变化序列,长虚线表示趋势线

图6(a)中WJMPI主要用于表征西风急流的南北位置变化,图6(b)为西风急流的经向剖面图,综合二者可以发现,1961～1978年间西风急流呈显著的振荡北移趋势,其气候倾向率为0.952/10a,趋势系数R达到0.509图6(a),对应图6(b)中急流位置在1974年之前逐步北移且强度有所加强,由此可见二十世纪70年代急流位置极端偏北,而随后1980～2007年急流位置较之前年份整体偏南,年际变化趋势不太显著。

3.2.4 西风急流指数的周期特征

下面对WJII、WJMPI、WJZPI的时间序列做小波分析(如图7所示),这不仅可以探讨之前WJII趋势分析中10年左右周期的可靠性图4(a),同时也是对最大风速和急流轴位置周期的进一步验证图3(a)～(c)。

从图7(a)可以看出WJII存在显著10～15年的主周期,并与图3(c)中急流最大风速的周期完全一致,这说明西风急流强度10～15年的周期是较准确的;图7(b)中WJMPI存在5～10年的主周期,这也与图3(a)中急流纬向轴位置的变化周期一致,即西风急流南北位置变化存在一个5～10年的显著周期;图7(c)中WJZPI的主周期为33～37年,与图3(b)中急流经向轴位置25～30年的周期存在差异,两者相差约5～10年,这可能是由于定义西风急流位置方法的不同所造成的,急流轴方法只考虑关注区域内风速最大的急流经向轴,而区域平均的方法则是计算区域内两个对称部分风速平均的差值,所以当分析区域内出现两个强度很接近的风速区(强度往往达不到30m/s)时图5(b),两种方法计算结果的差异会比较突出,由于对急流东西位置的确定是考虑中国西北和伊朗高原强两个急流区中较强支的位置而不是两个急流区整体位置的变化,所以在这种情况下区域平均方法定义的急流指数更适用一些。

综合西风急流轴和急流指数的年际变化趋势和周期特征可得：在47年中,西风急流东西位置的年际变化趋势最为显著,南北位置变化次之,其转折年份分别出现在二十世纪80年代和70年代,而急流强度的年际变化趋势不够显著,以周期性振荡为主;对其进行小波分析发现,急流最大风速区和WJII对西风急流强度周期的表征、纬向急流轴和WJMPI对急流南北位置周期的表征都很一致,分别为10～15年和5～10年;经向急流轴和WJZPI对急流东西位置周期的表征有所差异,二者周期相差约5～10年,可信度有待商榷,但出于对全文的急流位置变化完整性的考虑以及相对可靠的定义方法,认为WJZPI的主周期为33～37年。

图7 1961～2007年西风急流序列的小波方差和小波周期

3.3 西风急流与中国东部降水的关系

东亚西风急流南北位置的季节性变化会对季风、南亚高压等大气环流系统产生影响,进而引起华北地区和长江流域降水的改变[12-13]。那么,研究的西风急流东西、南北位置和强度的年际变化也应该与中国的区域性降水有一定联系,由于夏季6～8月正好为中国东部地区的雨季,总降水量几乎也占全年总降水的50%以上,因此选取(100°E～125°E,20°N ～45°N)作为东部降水分析的主要区域[14-15],着重探讨西风急流在极端位置、强度的年份对应东部地区的降水特征及其差异。

为使WJII、WJMPI、WJZPI极端年份数据的分布较均衡,这里规定其临界值各有不同,分别为±0.9、±0.7和±0.8,将西风急流位置偏东、居中、偏西的年份分别对应WJZPI极大值(WJZPI＞0.8)、常值(|WJZPI|＜=0.8)、极小值(WJZPI＜-0.8)出现的年份,急流位置偏北、居中、偏南的年份分别对应WJMPI极大值(WJMPI＞0.7)、常值(|WJMPI|＜=0.7)、极小值(WJMPI＜-0.7)出现的年份,急流较强、正常、较弱的年份分别对应WJII极大值(WJII＞0.9)、常值(|WJII|＜=0.9)、极小值(WJII＜-0.9)出现的年份,然后根据 WJII、WJMPI、WMZPI对应的周期范围(图7)从各自的极大值年、常值年和极小值年中选出带有周期规律的一个或者多个年份序列(如表1所示)进行中国东部降水的合成分析(如图8～图10所示),之所以要在急流指数的极值和常值年中用周期来进一步筛选是因为直接合成后的东部地区的降水分布特征很不显著(图略),这与非周期年出现的降水噪音不无关系。

表1 西风急流指数具有周期规律的年份序列

3.3.1 WJII周期性极端年份中国东部降水的特征

图8 西风急流强度指数极大值年减去常值年、极小值年减去常值年、极大值年减去极小值年对应的中国东部地区的降水分布(单位：mm/1 month),标注的降雨量是夏季6～8月的月平均值,夏季6～8月总降水量等于月均值的3倍

WJII极大值年对应西风急流的强度较强,在这些年份中东部降水分布如图8(a)、(c)所示,东南沿海、西南地区的降水明显减少,月均值最多减小150mm以上,相比之下,华北、西北东部地区的降水明显增多,月均值最多增加150mm以上;而WJII极小值年对应西风急流的强度较弱,在这些年份中东部降水分布如图8(b)、(c)所示,华北、华南西部地区降水明显减少,月均值最多达到-200mm,东南沿海和江淮流域降水增多,月均值最多达到150mm。综合比较可以发现,在WJII极大(小)值年,即西风急流在强(弱)年时,华北地区降水增多(减少),而东南沿海地区降水减少(增多)。根据WJII的周期图7(a),其极大、极小值年的间隔为5～8年,这表明华北地区和东南沿海降水的反相位分布以5～8年为间隔交替发生。

3.3.2 WJMPI周期性极端年份中国东部降水的特征

图9 同图8,但为西风急流经向位置指数对应的降水

孙林海等[16]提出中国东部季风区夏季雨型主要分为二类四型,一类是“南北多中间少”,下分1a型主雨区在黄河流域至华北一带,1d型主雨区在华南一带;二类是是“南北少中间多”,下分2b型主雨区在黄河与长江之间,2c型主雨区在长江流域一带。

结合上述降水类型来分析西风急流经向位置变化对应中国东部的降水特征可以得到：在WJMPI的极大值年,即急流位置偏北的年份,图9(a)、(c)分别与上述1a和1d型一致,月均值降水增多的区域分别达到150mm和250mm以上,而在WJMPI的极小值年,即急流位置偏南的年份,图9(b)、(c)也分别与上述2b和2c型很接近,月均值降水增多的区域也分别达到150mm和250mm以上。同时,中国东部季风区近百年夏季雨型[17]中符合1a或 1d的年份有1961年(1a)、1966年(1a)、1973年(1a)、1978年(1a)、1990年(1a)、1994年(1d),符合2b 或 2c型的年份有1962年(2b)、1969年(2c)、1974年(2b)、1982年(2b)、1987年(2c)、1998年(2c),分别与表 1中WJMPI选择的极大值、极小值年基本一致。由此可得,当西风急流位置偏北(南)时,中国东部地区呈“南北多中间少(南北少中间多)”的雨带分布。根据WJMPI的周期图7(b),其极大、极小值年的间隔为2.5～5年,这表明上述两种分布雨型以2.5～5年为间隔交替发生。

3.3.3 WJZPI周期性极端年份中国东部降水的特征

图10 同图8,但为西风急流纬向位置指数对应的降水

WJZPI极大值年对应西风急流位置偏东,在这些年份中东部降水分布如图10(a)、(c)所示,华南、黄淮流域的降水显著减少,月均值最多可减小250mm以上,西北东部地区的降水相对增多,月均值最多增加200mm以上,西风急流位置偏东意味着西北地区受西风带作用会更明显,张雪梅等[18]发现西北地区水汽输送要受西风和西南风水汽输送交替影响;而WJZPI极小值年对应西风急流位置偏西,在这些年份中东部降水分布如图10(b)、(c)所示,华南西部和华北地区的降水明显增多,月均值最多达到250mm,西北东部地区的降水减少,月均值最多达到-200mm。通过对比发现,在WJZPI极大(小)值年,即西风急流位置偏东(西)时,西北东部地区降水增多(减少),而华南西部地区降水减少(增多)。根据WJZPI的周期图7(c),其极大、极小值年的间隔为16～19年,这表明华南西部和西北东部地区降水的反相位分布以16～19年为间隔交替发生。

3.4 西风急流经向位置指数与东亚大气环流的关系

西风急流南北位置的变换与中国东部地区“三极”降水型有密切的联系图(9),以下从大气环流场角度对其原因进行简单的分析,即结合表1中WJMPI的极大、极小值年进行东亚地区大气环流场的合成分析(如图11～12所示)。

图11 夏季西风急流经向位置指数极大值年与极小值年的200hPa散度场差(单位：10-6m/s)(a)、500hPa位势高度场差(单位：gpm)(b)和850hPa流场差(c),(b)中的箭头表示500hPa水平风场矢量,(单位：m/s)

图12 夏季西风急流经向位置指数极大值年与极小值年850hPa水汽通量(a)和垂直环流(b)的差异,

相比西风急流位置偏南的年份而言,在急流位置偏北时中国东部地区大气环流的特征如下：从200hPa来看(图11a),西北地区东部和华南地区的位势高度场以辐散为主,对应500hPa上的位势高度有所减小(图11b),这将有利于这些区域整层大气的上升运动,且与图12b经向剖面图中35°N～40°N和22°N～26°N这两个范围内合成风矢量的方向一致,而从西南地区延伸到黄淮、江淮流域的200hPa位势高度场以辐合为主,对应500hPa的位势高度有所增大,二者都呈明显的东西向带状分布,这将有利于这些区域整层大气的下沉运动,且与图12b中27°N ～34°N 之间合成风矢量的方向一致;从850hPa的流场来看(图11c),在中低层28°N 以南,105°E以东的地区受气旋式流场控制,有助于低纬的西风水汽向东南沿海和华南地区输送,水汽输送在该区域增多0.3～0.6kg/(m◦s)(图12a),而28°N以北,105°E以东的地区受反气旋式流场控制,有助于中纬西太平洋的东风水汽从长江中下游地区向华北地区输送,水汽输送在华北地区增多较显著,都大于0.6kg/(m◦s),最多可达1.5kg/(m◦s)(图12a);而在西风急流位置偏南时的大气环流特征,反之可得。

综上所述：西风急流位置偏北(南)时,中国东部地区整层大气环流呈现“南北上升中间下沉(南北下沉中间上升)”的形势,“三极”的分界线大致在34°N和27°N,850hPa的流场和水汽通量输送都有利于华北(长江中下游及淮河流域)地区,易于形成“南北多中间少(南北少中间多)”的雨带分布。另外,图12(b)中还可以发现,在200hPa上存在一个西风风速增强的区域和一个减弱的区域,位置分别位于42°N～46°N和32°N～36°N,核心极值风速为+5m/s和-6m/s,可推测其分别为高空西风急流区偏北、偏南位置的所在范围。

4 结论

根据1961～2007年美国国家环境预报中心(NCAR/NCEP)再分析月资料和同期中国596站的降水资料,利用急流轴(包括最大风速法)和区域平均两种定义方法分析了夏季东亚副热带西风急流的时间演变特征及其与中国东部夏季降水分布的关系,结论如下：

(1)从西风急流的年际变化趋势来看,急流轴结合最大风速的方法与区域平均的方法得到的结果比较相似,即在47年中,西风急流东西位置的年际变化趋势最为显著,南北位置变化次之,其转折年份分别出现在二十世纪80年代和70年代,而急流强度的年际变化趋势不够显著,以周期性振荡为主;从西风急流的周期特征来看,两种方法对西风急流强度、南北位置周期的表征很一致,分别为10～15年和5～10年,但对西风急流东西位置周期的表征存在差异,二者相差约5～10年,这是由于定义西风急流位置方法的不同所造成的,由于侧重点是分析东亚西风带西支中东西两个急流区的强度差异,在这种情况下区域平均方法定义的急流指数效果会更好一些,而如果将东亚西风带西支作为一个整体来考虑,急流轴方法则会更好些。

(2)西风急流南北位置的周期性变化与夏季中国东部地区的大范围降水联系紧密,即当西风急流位置偏北(南)时,东部地区呈“南北多中间少(南北少中间多)”的雨型,推测这两种反相位雨型的间隔时间为2.5～5年,相比而言,急流强度和东西位置的周期性变化与东部地区局地降水存在一定联系,即当西风急流强度较强(弱)时,华北夏季降水增多(减少)、东南沿海减少(增多),推测其间隔时间为5～8年,而当西风急流位置偏东(西)时,华南西部夏季降水减少(增多),西北东部地区增多(减少),推测其间隔时间为16～19年。

(3)从大气环流角度来看,西风急流位置偏北(南)时,东部地区整层大气环流呈现“南北上升中间下沉(南北下沉中间上升)”的形势,850hPa的流场和水汽通量输送都有利于华北(长江中下游及淮河流域)地区,易于形成“南北多中间少(南北少中间多)”的雨带分布。

值得注意的是,合成的中国东部地区的降水分布只能对应西风急流周期性极值年的降水状况,并不能对应西风急流所有极值年的降水。另外,西风急流的强度和南北位置引起中国东部局地降水反位相分布的天气学机理还有待进一步研究。

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