夏季东亚副热带西风急流特征指数表征方法对比分析

闫彩霞, 金荣花

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.国家气象中心,北京100081)

0 引言

在南、北半球副热带地区对流层上部各存在着一支强而窄的高速气流带,称之为副热带西风急流,其位置的南北移动以及强度的异常可以引起大范围的环流异常,进而导致中国乃至东亚地区天气气候异常,与东亚大气环流的季节转换、亚洲夏季风的爆发、中国东部地区夏季降水等有着密切的联系[1-8]。因此,东亚副热带西风急流监测与分析在预报预测中至关重要。在中国的预测预报业务中,建立了东亚夏季风、西太平洋副热带高压以及欧亚阻塞高压等重要大型环流系统的监测指标[9],但是,过去受高空资料质量和数值模式性能的限制,对东亚副热带急流及其物理机制的认识还比较局限,尚未能建立东亚副热带急流监测指标。近些年,随着大气科学研究向三维结构更深入更细致方向发展,东亚副热带急流已经成为普遍关注的重要系统,为实时获取系统的、规范的东亚副热带急流的长序列资料,满足业务监测和科学研究的需要,建立东亚副热带急流的监测指标是目前迫切需要解决的问题。

以客观、定量和自动方式实现对东亚副热带急流的监测,首先要研究东亚副热带急流各种特征参数的表征方法。以往研究工作中,提出了很多表征副热带急流的方法[10-20],但是,研究的目的和分析的角度不同,所构造的方法各不相同,应用于业务存在局限性。因此有必要对以往东亚副热带西风急流客观定量表征方法进行系统分析和客观评价,并通过分析指出以往各种客观定量化表征西风急流的方法的优点与适用范围,以期为科研工作者和业务技术人员合理应用东亚副热带急流指数提供参考,论文通过总结归纳以往研究工作中的东亚副热带急流特征参数表征方法,基于各种方法的性能分析结果,结合东亚副热带急流特征及其对中国降水的影响,对比分析东亚副热带急流特征参数表征方法的优缺点,为实现对东亚副热带急流的客观实时监测和诊断分析提供参考和依据。

1 资料与个例说明

分析所使用资料为NCEP/NCAR逐日再分析等压面资料,要素为200hPa水平纬向风和水平经向风,水平分辨率为2.5°×2.5°,序列长度为1960～2009年。国家气象信息中心提供中国714站20时(北京时)日降水量资料,文中采用Cressman方法将降水量插值到1°×1°网格,序列长度为1960～2009年。

为了便于比较,在对各种东亚副热带急流客观定量表征方法进行数值反演时,研究时间统一定为夏季6～8月,2005年降雨量接近常年同期或偏多,西风急流北跳时间显著,对雨带推移有较大影响[21]。2005年天气实况分析表明中国东部地区三次降水带北进较为显著,因此选择2005年作为逐日演变分析个例,季节尺度年际变化分析序列统一为1960～2009年。以往研究工作中提出了很多客观定量表征东亚副热带急流的方法,按照其功能划分主要有位置、强度两类特征参数。下面对原作者的方法逐一介绍,并进行反演和性能分析。

2 位置参数

位置参数是用以描述副热带西风急流位置移动的参数,其演变主要反映在急流位置南北移动变化上,以往客观定量表征方法归纳为3种。

2.1 轴线法

况雪源等[10]采用200hPa等压面上(70°E～120°E,30°N～50°N)区域内最大西风所在纬度的平均值表示东亚副热带急流的位置,用参数 A1表示。黄安丽等[11]采用动力学方法分析对流层高、低空急流耦合作用时,确定以105°E～145°E,45°N 以南作为统计区,300hPa等压面上风速值大于30m·s-1的地区作为高空急流区,用高空急流区风速最大值位置表示东亚副热带急流的位置,用参数 A2表示。如图1所示采用急流轴线方法,计算了2005年6～8月急流位置变化(图2)及指数与同期东部地区夏季主要降水中心位置(100°E～130°E)的关系,对比结果,A1方法采用了更符合经典的东亚副热带急流定义的200hPa等压面资料,能够准确描述夏季急流位置的南北变化。指数与中心雨带位置相关系数达0.52,能较好地反映急流对雨带南北移动的影响,定义合理且有明确的物理意义,方法简单易行、意义清晰、表现直观,适用于逐日实时监测和诊断分析。但是,由于采用统计区内各经度上最大西风的位置平均来表征急流轴位置,对于南北两支西风急流并存并且北支强于南支情况,对于盛夏(春季)急流轴北抬(南落)至统计区以北(以南)的情形,如2005年7月19日,该参数无法捕捉到真实信息。A2指数变化趋势跟雨带位置移动具有较好的一致性,五点滑动平均后相关系数达0.56,呈现显著的相关,方法简单易行、意义清晰,对中国东部地区降水位置的南北移动具有较好的指示意义。但是此方法采用的副热带西风急流为300hPa层面上,与经典高空急流定义不相符合。

由于海陆分布不均及青藏高原的影响,急流轴的季节变化具有东西向的不一致性[10]。两种定义所选择的急流轴关键区不同,A1方法确定的关键区主要位于中国中西部,A2方法选择区域侧重于中国东部地区(江淮地区),2个指数相同点在于对急流表示本质上都采用急流最大风速代表的轴线表示。

图1 轴线法表征的东亚副热带西风急流轴位置参数与同期中国东部降水带位置演变(参数A1、A2,多年平均位置以及降水中心位置逐日演变,单位:纬度)

图2 2005年7月19日200hPa纬向风等值线(单位:m·s-1)

2.2 EOF分解法

刘飞等[12]对1958～2000年43年东亚地区夏季200hPa纬向风场进行了EOF分解,第一特征向量反映西风急流绕夏季平均急流轴的南北变动,因此定义第一模态对应的标准化时间系数为东亚夏季副热带急流位置参数。况雪源等[13]同样采用此方法对北半球冬季副热带西风急流指数进行了定义及探讨,结果表明此指数对副热带西风急流变动有较好的指示意义,并与长江中下游地区降水相关最为显著。故以刘飞方法为代表,用参数 A3表示。

2.3 区域风速差法

廖清海等[14]根据东亚地区急流月平均位置的方差分布,选取各月南北两个活动中心对应的正规化的200hPa纬向风的差作为当月东亚副热带西风急流指数,并以此获得东亚地区夏季(6～8月)对应的副热带急流位置参数。杨莲梅等[15]和Lin等[16]均采用指定范围内,西风急流气候平均位置南北各5°或10°的两个区域内的200hPa纬向风的差反映东亚西风急流位置,正(负)值表明东亚西风急流偏南(北)。Liang等[17]对冬季200hPa纬向风场进行EOF分解,第一模态呈现出南北不同性质的正负中心结构,在30°N以北是正值中心,中心范围为(100°E ～ 130°E,30°N ～ 40°N),以南是负值中心,中心范围为(90°E ～ 120°E,10°N ～ 25°N),因此定义南北活动中心的纬向风距平的标准化值相减,正(负)值表明东亚西风急流偏南(北)。以廖清海方法为代表,用参数 A4表示。

采用上述2种急流位置参数表征方法,以1960～2009年6～8月平均为例进行了西风急流夏季平均位置逐年参数数值反演(图3-图6),对比两种方法性能发现:2种参数的优点在于抓住了西风急流典型分布形式的时间变化特征,定性表示出西风急流位置较平均态偏南或偏北特征,对于气候评估和诊断季节内副热带急流的位置特征不失为好方法。但是,不能用以定量形式给出急流轴具体位置,此外,这两种方法对统计区域比较敏感,区域变化将可能导致结果发生较大变化。从图5,图6两种指数与降水的关系图中可以看出 A3方法与长江中下游地区降水呈显著的负相关,最高相关系数达-0.53,与华北东南沿海地区降水呈现显著的正相关,通过0.01显著性水平检验。A4指数指示意义与 A3正好相反,与长江中下游地区降水呈现显著正相关,但相关性不如 A3方法显著。因此在对降水的指示作用方面 A3方法更胜一筹。东亚副热带西风急流位置参数综合对比分析结果见表1。

考虑两种方法的优点,技术规避缺点,建议使用此种方法时,构造指数如下:可采用EOF分解,得出夏季西风急流活动评价位置的南北中心,用两中心纬向风的差作为当月东亚副热带西风急流指数。

图3 参数 A3表征的东亚副热带急流位置参数的演变情况

图4 表征的东亚副热带急流位置参数的演变情况

图5 参数 A3表征的演变情况与中国夏季同期降水的相关

图6 参数 A4表征的演变情况与中国夏季同期降水的相关

2.4 位置指数综合对比分析

表1给出了上述3种方法的主要特征、分析尺度及适用范围,由表可见,表征位置指数的方法主要有轴线法、EOF分解法以及区域风速差法。实况反演及降水相关分析结果表明,急流轴线法能较好地反映急流的经向移动,与中国东部雨带进退有较为一致的对应关系,定义合理且有明确的物理意义,方法简单易行、意义清晰、表现直观,适用于逐日实时监测和诊断分析。EOF分解法与区域风速差法抓住了西风急流典型分布形式的时间变化特征,定性表示出西风急流位置较平均态偏南或偏北特征,对于气候评估和诊断季节内副热带急流的位置特征不失为好方法;方法分析尺度不同,适用范围不同,研究者应根据研究需要,恰当的进行选择。

表1 东亚副热带西风急流位置参数表征方法比较

3 强度参数

强度参数是表征东亚副热带西风急流强度的特征量,急流强弱反映在雨量大小上,其客观定量表征方法归纳为两种。

3.1 区域风速法

史有瑜等[18]定义200hPa等压面上给定区域内(30°N～50°N,90°E～110°E)纬向风速的区域平均值为西风强度指数。杨莲梅等[15]也采用同样的方法,给定区域选为(30°N～45°N,100°E～140°E),并对区域平均的 200hPa纬向风之和进行标准化处理。Yang等[19]通过统计分析1968～2000年冬季东亚副热带西风急流极大值的位置、频次和平均值,得出西风急流核通常位于(30°N～35°N,130°E～160°E)区域,所以定义冬季西风急流强度参数为该区域纬向风值的平均值。毛睿等[20]统计各年冬季纬向风极大值的出现范围,范围为(30°N～35°N,127.5°E～155°E),因此定义西风急流强度参数为这个区域冬季200hPa纬向风平均值的标准化值。

上述方法均采用区域平均风速来表示急流强度,以2005年6～8月为例,对急流强度参数B1进行逐日数值反演,为进一步验证强度指标对于降水监测的意义,计算了该指数与同期中国降水的相关,结果如图7-图9所示:6～8月区域急流强度围绕多年平均值呈先减小后上升的趋势,7月急流强度最弱,8月次之,6月最强,基本趋势符合急流变化规律。指数与长江中下游地区降水及华北地区降水有显著的相关,均通过0.01信度检验。对降水的指示意义较好。从参数B1的物理意义上看,区域平均西风风速的变化,与所选取的区域关系密切,与区域内是否存在大于30m·s-1的急流中心范围有密切联系。例如2005年4月13日东亚副热带急流中心区有一半面积落在统计区域(30°N～50°N,90°E～110°E)之外,此种情况下用区域西风平均并不能真正反映东亚副热带急流的强度。不同范围的选择结果有很大的不同。(如何选择范围)关键区的选择与所研究的区域有很大的关系,选择不当,则不能准确捕捉急流的主要特征,因此在实际应用中,要针对研究的区域准确的选择急流强度关键区,方能取得满意的结果。

图7 2005年与相应多年平均6～8月急流强度参数逐日演变

图8 演变与同期中国夏季降水相关

3.2 中心强度法

谭杰丽等[3]选取200 hPa上30m·s-1风速作为副热带急流特征风速值,大于30m·s-1特征风速值区域为急流中心范围,针对区域(20°N ～ 60°N,90°E ～ 150°W)定义了 2 种急流中心强度,一种是急流中心绝对强度,即急流中心范围内所有格点的风速值与特征风速值的差值之和;另一种是急流相对强度,即急流中心范围内所有格点的风速值与特征风速值的差值之和与急流面积之比。急流面积为急流中心范围内大于特征风速值的格点总数。分析指出,东亚副热带急流的中心强度、绝对强度和相对强度的变化具有一致性,体现了急流强度风速变化的整体性和一致性。急流绝对强度参数用B2表示,急流相对强度参数用B3表示。

以2005年6～8月为例,对急流强度参数B2和B3进行逐日数值反演,并对结果进行标准化处理,结果如图10～11所示。B2、B3指数呈先快速减小后缓慢增加的趋势,与多年同期相比变化幅度不同,B2指数强度下降趋势比B3要缓慢得多。这是2种方法的物理含义不同造成的,反映了2种方法的不同特性。从与降水的相关分布上来看,急流绝对强度参数B2和急流相对强度参数B3均能反映实际状况,具有客观定量、计算简便、物理意义清晰、表现直观等特点。绝对强度参数表征急流的整体绝对强度,与急流面积有关;相对强度参数表征急流的平均状况,消除了面积大小的影响,两者仅是物理含义不同,性能上不具有可比性。

图9 2005年4月13日200hPa纬向风等值线(单位:m·s-1)

图10 2005年与相应多年平均6～8月急流强度参数逐日演变

图11 各参数与中国夏季降水相关

3.3 强度指数综合对比分析

表2给出了上述3种方法的主要特征、分析尺度及适用范围,由表可见,表征急流强度的3种方法均适应于逐日实时监测与环流观测,区域风速法适用于研究特定区域内急流强度,关键在于选取急流活动影响的关键区。绝对强度参数表征急流的整体绝对强度,与急流面积有关。相对强度参数表征急流的平均状况,消除了面积大小的影响,两者仅是物理含义不同,性能上不具有可比性。参数物理意义不同,主要特征不同,研究者应根据研究需要,恰当的进行选择。

表2 东亚副热带西风急流强度参数表征方法比较

4 结论与讨论

如何客观定量表征东亚副热带急流是目前科研和业务领域迫切需要解决的问题,论文总结归纳了以往的东亚副热带急流客观定量表征方法,基于对各种方法的性能分析结果,结合东亚副热带急流特征及其对中国夏季降水的影响,研究了东亚副热带西风急流轴位置、急流强度特征参数的客观定量表征方法。利用NCEP/NCAR再分析资料,以2005年6～8月为例,实现各种方法的数值反演和性能分析,得出以下结论和有待进一步讨论的问题:

(1)定义位置指数的方法主要有轴线法、EOF分解法及区域风速差法。轴线法定义合理且有明确的物理意义,方法简单易行、意义清晰、表现直观,适用于逐日实时监测和诊断分析。EOF分解法与区域风速差法适用于气候评估和季节诊断;表征急流强度的方法主要有区域风速法及中心强度法,均适应于逐日实时监测与环流观测,对华北地区及长江中下游雨量多寡有较好的指示意义,方法计算简便、意义清晰、指示性好。每一种指数都有侧重点,定义的方法有各自的优点和局限性,在实际应用中,依据研究的目的和分析的角度,采用适当的方法,才能取得比较满意的效果。

(2)由于影响气候短期变化的因子众多,且期间又有复杂的相互作用,而目前尚未对其中任何一个因子的详细物理过程及其影响有明晰的认识,因此仅以某种标准或公式的客观方法实现对变化多样的东亚副热带西风急流的表征是极其困难的,在实际的预报过程中,要综合考虑各种气象条件的因素,根据实际情况合理恰当的选择副热带西风急流指数,以做出较为准确的预报。

下一步将利用在上述指数对东亚副热带急流与中国东部主要雨季的关系作统计分析,并研究这种对应关系通过何种机理影响中国东部夏季降水,希望研究成果能够深化对东亚副热带急流的认识,丰富中国东部夏季降水的中期预报提供理论基础。数值试验基于2005年6～8月时段,由于不同年份间的副热带西风活动存在年际差异,1年时段试验对比结果是否有普遍性尚待验证。

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