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利用北美区域再分析资料(NARR)分析北美和沿海地区上空南向和北向低空急流的气候学特性研究

密歇根州立大学地理学系，东兰辛，密歇根州

密歇根州兰辛市美国农业部美国林业局新地边北方研究站

克劳迪娅·k·沃尔特斯，密歇根大学迪尔伯恩分校社会科学系，迪尔伯恩，密歇根州

密歇根州立大学地理学系，东兰辛，密歇根州

(稿件收于2014年11月25日，定稿于2015年3月4日)

通讯作者:Julie A. Winkler

密歇根州立大学地理学系，地理大楼238室，礼堂路637号，东兰辛，密歇根州48824。

电子邮件:winkler@msu.edu DOI: 10.1175 / jamc - d - 14 - 0311.1

北美区域再分析资料(NARR)被用于开发一个扩展的北美和周围沿海地区上空经向(南向和北向)低空急流长期(1979-2009) 的气候学特征研究。与常规的探空气球风测量相比，NARR具有更大的空间覆盖范围和更精细的时间(3小时)、水平(32公里)分辨率。NARR气候学的重点是按月和3h时间步长计算的急流频率、平均速度和高程。为了评估气候学的合理性，将急流特征与以前的气候学分析、案例研究、野外活动和数值模拟所得的特征进行了比较。人们发现，以前记录在案的许多著名低空急流，包括北太平洋海岸急流和南大平原急流，它们的特征都有强烈的一致性。NARR气候学分析对低空急流的空间范围和季节变化以及频率、速度和海拔的日变化提供了额外的见解。NARR气候学分析也很好地描述了较弱和空间范围较窄的急流，包括加利福尼亚湾的南风急流、大西洋中部海岸的夏季南风急流和秋季北风急流，以及高平原的北风急流。此外，在NARR气候学中还发现了几个相对频繁的急流出现的新区域，其中大部分与浅层热梯度一致。NARR气候学补充和增进了我们对北美低空急流的了解，并指出有必要对这些急流的气候学特征及其形成过程进行进一步研究。

1. 介绍

我们对北美及周边沿海地区低空最大风(通常称为低空急流或LLJs)的时空变化的理解还不完整，尽管它们对当地和区域的天气及气候有重大影响。这部分是由于高空风观测资料有限。以前LLJ的大部分气候学研究都是利用常规探空气球观测资料(如Bonner 1968;Walters et al. 2008)。这些观测每天只进行两次(00:00和12:00 UTC)，观测的站点也少，北美的雷达气球观测点之间的距离至少有几百公里。此外，沿海地区没有常规的高层观测资料。雷达气球资料的不均一性(如：站点位置、气球类型、观测协议和存档程序的变化)也使在气候学研究中使用这些观测资料变得复杂(Bosart 1990;Schwartz和Doswell 1991;Winkler 2004;Walters et al. 2014)。替代数据源也存在同样的问题。例如，利用国家海洋和大气管理局(NOAA)剖面仪网络的观测受到该网络相对较小的面积范围和一个高(约500米)低距离栅极的阻碍，这限制了一些LLJ的探测(Mitchell et al. 1995;Arritt et al. 1997;Whiteman et al. 1997)。

再分析数据集具有较好的时空分辨率，为低空最大风气候学分析提供了另一种资源。再分析是一种动态一致的同化产品，它将初估模型场与来自多个来源的观测结果结合起来，包括雷达气球、下投式探空仪（Dropsonde）、测风气球、商用飞机、卫星和雷达风廓线仪(Shafran et al. 2004)。最近， Walters 等人(2014)比较了美国区域再分析资料(Mesinger et al. 2006)和北美中部12个地点的雷达气球观测资料得到的急流特征。他们发现，尽管在大多数研究地点，与雷达气球观测相比，NARR中LLJs的绝对频率较小，但两个数据集在00:00和12:00 UTC观测时间之间以及不同位置之间急流频率的相对差异总体上是一致的。在大多数位置，平均LLJ速度和海拔在两个数据集之间没有显著差异。Rife 等人 (2010)最近也证明了再分析数据集对LLJs研究的潜在适用性，他们使用了一种高分辨率的全球再分析资料来突出全世界已知夜间LLJs复发的位置，并识别以前未知的急流。此外，再分析数据集已被证明对评估LLJs的数值模拟是有用的(如Du和Rotunno 2014;Pu和Dickinson 2014)。

本研究的总体目标是开发一个LLJ频率、速度和高程扩展的、长期的气候学特征，重点研究是使用一个高分辨率的再分析数据集研究北美大部分地区和沿海地区的时空变化。NARR的水平分辨率为32公里，时间步长为3小时，该方法被用于分析美国中部南风最大值的特征(如Cook et al. 2008），包括它们的日变化特征(Du和Rotunno 2014）以及将日变化特征作为边界条件的LLJ事件的数值模拟(如Storm et al. 2009)。此外，最近的一项研究(Walters et al. 2014)比较了NARR和雷达气球在选定地点观测并研究得到的急流特征，从而促进了本文所述的叙述性气候学的解释。长期(31年)急流频率、平均速度和高程的气候学分析按月和每3小时的时间步长，以评估急流特征年际变化和日变化的空间差异。此外,由NARR得到的气候特征与先前分析与识别到的几个著名的北美低级风力极大值一致，包括南部大平原急流(如Bonner 1968)、南湾加州急流(Dougls 1995)、向南(Zhang et al . 2006)和北(如DOyle和Warner 1991)沿着大西洋海岸和北太平洋海岸的大风急流(Parish 2000)。

少部分利用NARR研究LLJs气候学分析集中在南部大平原急流(Weaver和Nigam 2008)或东部加勒比急流(Cook和Vizy 2010)。本文分析的空间范围越大，就可以越详细地比较北美地区LLJs的特征和其潜在联系。该分析建立在过去40年基于对美国中部LLJ气候学通过其更大的空间范围和增强的时间和空间分辨率的雷达气球探测(Walters et al. 2008)的基础上。

1. 数据和方法

北美地区再分析资料是使用横向边界，数据来源于国家环境预报中心的(NCEP-DOE)全球再分析资料(Kanamitsu et al . 2002)，全球NCEP埃塔模型及其数据同化系统(2000年的情况)，即诺亚地表模型的一个版本(Ek et al . 2003)，和大量观测数据集。NARR的时间分辨率为3小时，即每天总共8个时间步长，水平分辨率为32公里。存档数据集的垂直分辨率分布以700-hPa为界，700-hPa层以下垂直分辨率是25hPa，以上是50 hpa；但在对流层上部垂直分辨率返回到25hPa。数据集从1979年开始，一直延续到现在，1979年至2009年31年期间的数据资料是用来推导下列气候学特征的。

用于这项调查的NARR区域的一个子集覆盖了北美大部分地区以及太平洋和大西洋沿岸的地区。选择该地区是因为它包含了几个著名的北美LLJs的位置，但是排除了NARR计算区域的边缘地区，因为这些地方观测较少，模型域也不可靠。然而，由于NARR垂直风场可能受到观测资料可用性的空间差异和模型偏差的影响，因此需要对下面的气候学分析进行谨慎的解释。

以下标准被用来提取LLJs风在每个NARR网格点资料： 1)海拔最大风速出现的位置必须位于或低于3000米(AGL)； 2)风速ge;12m/s； 3)最大风速到下一个最低风速下降ge;6m/s或最大风速到5000 m AGL(更低者)风速下降ge;6m/s； 4)最大风速的水平风速下降ge;6m/s。 与Wolters(2008)和Winkler(2001)等人对应使用的标准相对比，风速要求高于急流迎风面（最初现于邦纳在1968年针对美国中部LLJs的重大突破性研究）的最大值，风切变的值要大于急流风(3000m AGL)切变的阈值并且所需的下降速度低于急流迎风面上的下降速度。本文重点研究的是径向的(而非纬向的)急流发生在研究区域的频率(Wolters et al . 2008年)和经向急流对温度和空气平流湿度的重要性，如果急流轴方向在1138-2478之间，则为南向急流（S-LLJs），如果急流轴方向在2938-678之间，则为北向急流（N-LLJs）。

FORTRAN程序写入 ：1) 根据上述标准客观地识别LLJs在每个NARR网格点和每3小时时间步； 2)总网格点的月度和年度S-LLJs和N-LLJs频率分别在所有时间的步骤和每3小时(00:00,03:00,06:00,09:00,12:00,15:00,18:00,和21:00 UTC)时间步长； 3)计算每个网格点和时间步长的月度和年度平均速度和高度（S-LLJs、 N-LLJs）。所有频率都表示为特定累积周期在总时间步长的百分比。平均风速是最大风速级别的标量平均值，从一个LLJ变化到另一个LLJ，而不是一个恒定高度或恒定压力面的平均值。速度和高度的平均值代表了S-LLJs和N-LLJs在特定网格点的典型强度和高程。网格分析与显示系统(梯度;http://iges.org/grads/)绘制气候特征图。由于空间方面的考虑，下面只显示选定的图。

3.气候模式

a.南向和北向低空急流频率

1)南向低空急流

S-LLJs的年均和月均频率图(图1)以北美洲中部较大的急流频率为主，这是预料到的，因为针对该区域以前对S-LLJs进行了许多气候分析(如Bonner1968;Mitchell et al. 1995;Whiteman et al. 1997;Song et al. 2005;Walters et al. 2008)。这一广大区域的空间范围每月都有很大的波动，急流频率大小的季节性变化也是如此。此外，频率图阐明了S-LLJ在气候学中的精细空间变化。

在冬季(12月至2月)，从达科他东部向南和东南至尤卡坦半岛的NARR风廓线中，有gt;5%的区域发现S-LLJs。更大的频率(gt;10%)出现在得克萨斯州中部东南方向的墨西哥湾地区，而S-LLJs还出现在得克萨斯州南部海岸(墨西哥东北部)超过四分之一的风廓线中。在3月和4月，发生频率gt;5%的急流扩展到加拿大的草原省份，频率gt;10%的急流延伸到中部平原(内布拉斯加-堪萨斯-俄克拉荷马州)。最高频率仍然集中在得克萨斯州南部和东北部的墨西哥海岸线，但量级增加，并在墨西哥湾西部继续向东扩展，尤其是在4月份。在尤卡坦半岛上空也观察到急流频率的增加。

在春末和夏季，经历相对较大急流频率的区域范围缩小。5月，S-LLJs频率gt;5%的不再向北延伸至加拿大中部，6月份，墨西哥湾和尤卡坦半岛上空的S-LLJs频率大幅下降。到7月和8月，频率gt;5%的急流只从南达科他州延伸到得克萨斯州南部—墨西哥东北部。在这一区域内，三个频率最大值是明显的。最北的峰值在中原地区，整个夏季和秋季都存在。第二个高峰期出现在得克萨斯州中部，不过在6月、7月比8月更为明显。第三个高峰期位于得克萨斯州南部—墨西哥东北部，在初夏也最强，随着夏季的推进而减弱。到9月，S-LLJs在中原地区最为频繁(gt;15%)。S-LLJ频率的面积范围在10月和11月有5%的增长。在这几个月里，S-LLJ频率覆盖了得克萨斯州中部、得克萨斯州南部和东北部墨西哥和墨西哥湾西部从夏末秋初的极小值开始增加，而中原地区的S-LLJ频率下降，特别是在11月。

图1. 1979 - 2009年S-LLJs的年,月频次,以总时长3小时的百分比表示步骤.

网格点没有表面标高.2km MSL用白色表示.

几个急流频率gt;5%的较小区域也出现在月线图中，尽管它们需要谨慎解释，因为频率最大值相对较弱，而且有几个位于对再分析的观测输入比较有限的位置。一个例子是肯塔基州和田纳西州在早春(三月和四月)以及深秋和初冬(十月到十二月)发现有相对较大频率的急流。大约从4月到10月在哈德逊湾南部也观察到频率为5%的S-LLJs。在加州北部海湾和亚利桑那州西南部，S-LLJs最常发生在6月至9月，7月频率最高(gt;10%)。频率gt;5%的S-LLJs在1月和2月在大西洋西部广泛区域发育，3月达到最大强度和空间范围。到5月，频繁出现S-LLJs的地区仅限于弗吉尼亚-北卡罗来纳州海岸线附近的一小块区域。再往南，在伊斯帕尼奥拉岛海岸外观察到S-LLJs频率最大值，特别是在6月至8月，但也在1月至3月出现。最后,有频率为5%的S-LLJs大约从11月到2月，出现在不列颠哥伦比亚省海岸。

2)北向低空急流

N-LLJs的年均和月均频次图(图2)以太平洋沿岸的一个较强的极大值为主，在高平原、哈德逊湾、加拿大东部以及整个墨西哥湾西南部的极大值相对较弱。

太平洋沿岸的最大频率急流在冬季(12月至2月)相对较弱，最大频率在7%至10%之间，出现在南加州沿岸。急流频率从冬季到春季急剧增加。3月份，在加州中部和南部海岸发现了15%-20%的N-LLJ频率，5月份发现了大面积的N-LLJs频率。30%的地区延伸到整个加州海岸。从3月到5月，下加利福尼亚海岸的频率最大值也在增加。夏季，太平洋海岸最大扩张，从温哥华岛向南延伸到下加利福尼亚北部。频率在夏季也会增加，在NARR时间步长中，N-LLJs在加州海岸的出现频率明显超过40%。中部和南部是一个例外。下加利福尼亚海岸，7月S-LLJs频率明显下降。秋季(9月- 11月)的频率图反映了从夏季到冬季模式的转变。沿太平洋海岸的N-LLJs变得不那么频繁，频率最大值向南移动，位于南加州海岸附近。

高原的N-LLJs主要是一个凉爽的季节现象，发生在10月到4月。最大频率(7%-10%)为南达科他州南向北至诺克拉霍马州。哈德逊湾和加拿大东部上空N-LLJs也出现在凉爽的季节，9月哈德逊湾上空和11月加拿大东部上空出现的频率更高。频率最大值在春末

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