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墨西哥湾流和黑潮地区的降水和高云频率的日变化

Shoshiro Minobe · Shogo Takebayashi

摘要:最近的研究表明，中纬度西边界流（WBCs）能够显著地影响其上空的大气，其中一个很重要的特点是在气候平均场上，这些WBCs上空存在着加强了的雨带。然而，这种长期的气候现象与短期的天气现象有何联系仍有待探索。在这篇文章中，使用卫星反演的降水资料和对外长波辐射（OLR）数据集来研究全球中纬度海洋的降水日变化和云的日变化，重点强调中纬度西边界流区的海气相互作用。在夏季墨西哥湾流区和初夏（梅雨季）东海黑潮区分别发现了降水变率具有较强的24小时分量。在南半球全年的中纬度西边界流上没有发现相似的降水日变化。在墨西哥湾流和黑潮均表现有降水日循环的峰值位相，在墨西哥湾流峰值出现在清晨到上午，在黑潮区降水峰值出现在上午至午后的时段，并且峰值位相向东南方向传播。基于OLR资料的高云频率表现出与降水一致的日循环特征。墨西哥湾流区与黑潮区降水日循环的显著差异与黑潮区存在大范围的梅雨雨带和云带有关。降水和高云的日变化仅出现在黑潮附近，然而更大范围的梅雨雨带和云带没有呈现出明显的日变化特征。中纬度西边界流区云雨日变化的空间分布和季节分布表明，日循环是大气对这些WBCs深加热响应模态的一个重要方面。这些结果表明北半球中纬度西边界流在调节短期降水变率方面发挥着重要的作用，另一方面，日变化也是中纬度海气相互作用的重要组成部分。关键词:气候过程bull;海气相互作用bull;中纬度西边界流bull;尺度影响bull;观测数据分析1、 引言中纬度的海洋是如何与西边界流和中尺度涡旋相联系，进而影响上空大气是一个快速发展的研究领域。特别是在以下四个地区上的海气相互作用，即中纬度西边界流，墨西哥湾流，黑潮和它的延伸区，Agulhas回归潮流和巴西 - 马尔维纳斯群岛的潮流引起了很多关注（见Chelton et al.2004; Xie 2004; Small et al.2008; Chelton和Xie 2010）。 在这四个地区中，突出了对流层对海洋大气边界层（MABL）上的中纬度西边界流的反应，在墨西哥湾流（Minobe et al.2008,2010;Czaja和Blunt 2011），黑潮延伸区域（Tokinaga等人.2009年; Czaja和Blunt 2011）和东海黑潮（Xu et al.2011; Sasaki et al.2012）均有此现象，特点是降水伴随着上升而增强。并且，云分布和对流层温度在阿古拉反流地区都有所改变（Liu et al.2007; Shimada and Minobe 2011）。然而，这些研究主要研究季节或年平均气候。在时间平均场中发现的大气反应必须在更短的时间尺度上涉及时间变化的现象。降水尤其如此，因为它的发生与较短的时间尺度现象，如天气尺度干扰和日变化有着高度的关联。大多数以前的研究是关于短期气候现象与中纬度西边界流的海洋相互作用，聚焦于天气尺度变化。天气尺度扰动改变中纬度西边界流区域的海气热通量，这在观察（例如，Alexander和Scott 1997;Zolina和Gulev 2003;萨满等人.2010; Rudeva和Gulev 2011）以及建模研究（例如Nonaka等人.2009年; Taguchi等人2009年; Brayshaw等人2011）均有发现。显热和潜热通量在保持地面斜压状态非常重要（例如，霍斯金斯和巴尔德斯1990; Nakamura et al。 2004年，2008年）对于温带循环的发展也是至关重要的（Hoskins等1985），因此对于确定风暴的性质轨迹也很重要。（例如，Inatsu等2003; Inatsu和Hoskins 2004;Brayshaw等人2008年，2011年; Ogawa等人2012）。尤其是，表面风暴轨迹和高风分布受中纬度西边界流强烈影响（Sampe和Xie 2007; Joyce等人。 2009年; Booth等人2010），并且与降水有关的大气潜热对于中纬度西边界流区域上的旋风发展起着至关重要的作用（例如，Kuo et al.1991; Kuwano-Yoshida et al. 2010; Booth等人2012）。此外，Nakamura等人的观察研究（2012）显示冬季温带气旋的轨迹被日本南部区域黑潮的大转折所影响，这由Hayasaki等人（2013年）在数值实验中得到了证实。 与天气尺度的大量工作相比较而言，西边界流的海气相互作用和日变化的研究较少，大多数关于降水日循环的研究集中在对地面日变化（例如，华莱士1975; Oki和Musiake，1994）或热带地区日变化的关注上（例如Janowiak等人。1994; Yang和Slingo 2001; Nesbitt和Zipser2003; 菊池和王2008），可能反映了早期数据研究的可用性以及在陆地或热带地区出现强烈的日变化的整体趋势。但是，可以看到一个相对较强的日降水循环发生在全球的墨西哥湾流域分析（图2在菊池和王2008）或在区域分析中集中在北美（图6在Dirmeyer等人2012）在夏天，虽然对墨西哥湾流日降水可能的影响在这些文章中没有提及，但是在墨西哥湾流的云日变化在十年前就由Alliss和 Raman (1995)研究过，他们对墨西哥湾西部的分析使用六小时分析，这是粗略的抽样比较，因此与最近的研究中使用三小时的数据进行分析相比，他们的分析是局限的，。

鉴于海洋上的日降水在热带地区要强于中纬度地区，值得关注的是用热带大气来反应中纬度的西边界流已经被纳入近期的研究中。Minobe 等人(2010)发现了在冬夏季节的墨西哥湾流对大气的响应存在很大差异。在夏天，在对流层中部有最强的上升运动，恰好在墨西哥湾流降水加强的上方，伴随着对流层底层的水平辐合。在对流层中部，大气加热也存在最大值，对流潜热占主导地位。作者认为这种类型的大气是对深加热模式的响应。在冬天，上升运动在对流层低层有最大值（850-700 hPa）以及相应的水平辐合，大多发生在于MABL，尽管夏季不局限于这一层。相应的大气加热包括显热（包括在MABL中的热量垂直扩散）和对流潜在的加热刚好在MABL的顶部，导致在总的大气加热中在对流层低层表现出最大值。作者认为这种类型的大气是对浅层加热模式的大气响应，显示出在浅深分布之间的大气加热的双峰变化轮廓。

在六月份的东海黑潮中，即在这个地区的初夏雨季，发现了与海湾地区一样强烈的深加热模式。这种在中国东南至日本的持续降水现象在中国被称为梅雨，在日本被称为Baiu。这种梅雨雨带的形成是由于陆地和大气的相互作用。通过副热带高压西侧的低空的水汽水平输送是形成梅雨的十分重要的因子，而青藏高原的温度平流输送在确定雨带位置起着重要的作用。Sasaki发现黑潮的局地大气响应，伴随着深度加热模式，嵌入大范围的梅雨雨带。在夏季黑潮延伸区域和夏季中国东部地区发现了弱的深加热模式。热带大气对墨西哥湾流的响应可能与上述墨西哥湾流的日降水有关。如果是这样，在东海黑潮的日降水变化也类似吗？在南半球的西边界流也能发现典型的日降水吗? Minobe等人认为，一个强烈的深加热模式要想存在，海表面温度要高于24-26℃（SST），进一步表明在南半球西边界流没有深度加热模式（即与海流一样强）是由于在那些地区SST较低。

因此，这篇文章的目的是研究中纬度西边界流的降水日变化特征。为此，我们分析一个卫星降水数据集以便全面调查降水日变化与西边界流的联系，同时区域性地确认详细的空间结构。本文的其余部分安排如下:在第2节，我们描述数据集和分析方法。第3节，全球日降水分析， 这个全球分析揭示了墨西哥湾夏季和东海黑潮的降水日变化。 因此，在接下来的两节（第4,5节）中，我们对这两个地区进行了更仔细的分析，讨论和结论将在第6节中介绍。

2、数据和方法

我们分析了卫星反演的降水数据集和传出的长波辐射（OLR）数据集，降水数据集是GSMaP MVK版本5（Ushio et al.2009）。这个数据集中的降雨率是利用多个微波卫星的卡尔曼滤波器结合国家海洋和大气管理局气候预测中心提供的红外（IR）数据集（NOAA-CPC），并且从2000年3月到2010年12月提供0.1°times;0.1°、一小时精度的资料。红外数据用于估计降水的移动矢量，也用于从亮度温度估计降水本身。应该指出的是，大多数以前的日降水研究都使用了TRMM 3B42数据集，这是一个三小时精度的0.25°times;0.25°网格的数据（Huffman et al.2007），而GSMaP MVK具有更高的空间和时间分辨率。

我们还分析了NASA / GEWEX地表辐射预算（SRB）项目的全球3小时1°times;1°OLR数据集（Stackhouse et al.2004）。这个数据集可以从NASA兰利研究中心的大气科学获得，数据从1982年7月到2007年12月，并在这项研究中进行分析了2000至2007年。Minobe等人简要分析了数据，发现在湾流频发白天高云频率的基础上，OLR水平低于160 W / m2，大致相当于约300 hPa的云顶高度。按照他们的方法，我们也检查OLR小于160W / m2的发生率作为高云频率的量度。为了解基于OLR的高云频率的主要特征是否与独立的云数据一致，我们还研究了国际卫星云气候项目2000年至2009年（ISCCP）的D2数据集的高层云的云量，（Rossow和Schiffer 1999年）。空间分辨率D2数据集是2.5°times;2.5°，比OLR精度低，每小时采样间隔3次。 ISCCP D2中的高级云数据集被定义为具有云顶压力小于440hPa的云，因此包括比用于OLR的高云频率更低的云。

计算每个月和每个季节的日气候，并从中估算24小时傅立叶分量的日振幅和相位。相位由这个傅立叶分量的最大值出现的当地太阳时间（LST）来表示，其中LST是从协调通用时间（UTC）计算的，利用每个网格点与0°之间的纵向距离。此外，我们检查了由幅度除以平均值给出的相对幅度。如果日变化由24小时的纯正弦波组成，则相对幅度在0到100％的范围内。在这种情况下100％的相对幅度意味着每日最小值为0％，最大值为平均值的200％。当发生降水时，相对幅度可能大于100％，比正弦波预期的时间范围窄。

为了显示大气和海洋结构之间的地理关系，我们也利用气候卫星的海温和地面地转流速数据。用于计算气候的SST资料是最佳插值SST版本2，为一台你的时间精度，0.25°times;0.25°的网格精度（Reynolds et al.2007）。每周地表地转流速度是由卫星高度计估算的，该数据是AVISO提供的1/3°times;1/3°的网格精度数据资料。

3、全球观点

在分析全球日循环之前，为了得到与中纬度西边界流有关的降水和蒸发分布的一些观点，年平均降雨率和蒸发量的全球地图如图1所示。先前的研究检测了与北半球西边界流相关的这些参数，但没有将它们与南半球的那些参数进行比较。蒸发数据取自日本海洋通量（J-Ofuro）数据集版本2.1（Kubota和Tomita 2007）的卫星数据集，时间从2000年到2006年。为了比较降水量和蒸发量与中纬度西边界流的地理位置的关系，图中还显示了地表地转速度的绝对值。除了包括热带辐合（ITCZ）和南太平洋辐合带（SPCZ）在内的热带地区强降水区外，墨西哥湾，黑潮，黑潮延伸均与以前的观测研究一致。这些中纬度降水带伴随着较强的局地蒸发，而在热带交汇地带局地蒸发相对较弱。在Agulhas回流过程中，虽然后者的结构有些混乱，但蒸发和降水略有增强。增强的降水和伴随大气加热可能与该地区对流层海洋影响相对较深的渗透有关。然而，Agulhas回流的降水量远小于北半球的西边界流。在南大西洋西部地区巴西马尔维纳斯群岛合流，沿巴西洋流向极地方向蒸发峰值，但没有观测到相应的降水带。北半球西边界流强雨带和Agulhas回流当前的弱雨带也在国家环境预报中心（NCEP） - 气候预报系统再分析（CFSR）数据集中有所体现。

现在分析每个季节的来自GSMaP MVK数据集的日降水振幅。图2a显示，在墨西哥湾、中国东部沿海黑潮和夏季北半球中纬度（25°N / S极值向北）洋面的日本南部，降水的日变化振幅较大。除了在热带地区附近以及ITCZ和SPCZ广为人知的强烈日降水外，在墨西哥湾流和黑潮最大振幅达到0.2毫米/小时。

墨西哥湾的日降水量的相对振幅（见第2节）约为40-70％，而黑潮则约为30-60％（图2b）。这些数值远高于一般数值，超过大部分的海洋10-30％。 墨西哥湾和黑潮的相对幅度表明，这些地区降水的日变化周期对平均降水率有重要贡献。

图2c显示了24 h降水分量在LST达到最大值时的相位。一个突出的特点是陆地和海洋的对比。据了解，在当地早晨海上上空，日循环趋向于最大值，而陆地上空则在当地的下午到晚上达到峰值。北半球WBC的各个阶段都遵循这些一般趋势。

在北方冬季，中纬度海域的日降水一般较弱，尤其是中纬度WBC（如图3a）。在与北太平洋风暴轨迹大致相当的地区发现了较强的振幅（Hoskins和Hodges.2002），但相应的相对幅度通常小于30％（图3b）。在南半球，南大西洋的巴西发现了中等幅度的0.006mm/h，位相在中午附近出现峰值（图3c）。虽然北大西洋太平洋和南大西洋冬季的日循环本身可能是一个有趣的研究课题，但它已经超出了本文的范围，本文重点关注中纬度WBCs的日循环。此外，这些日降水周期的振幅和相对振幅比夏季北半球WBCs的振幅和相对振幅弱（图2）。因此，我们将重点放在墨西哥湾流和黑潮夏季的日变化上，仔细研究以下几个部分的时空结构。

4、湾流分析

图4显示了在墨西哥湾流6月，7月

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