英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

太平洋 - 日本遥相关型对西太平洋天气尺度变率的影响

RICHARD CY LI和WEN ZHOU

Guy Carpenter亚太气候影响中心，香港城市大学能源与环境学院，中国香港

TIM LI

国际太平洋研究中心和M-anoa夏威夷大学气象系，

檀香山，夏威夷

（手稿于2013年3月19日收到，最终形式为2013年8月7日）

摘要

本研究调查了太平洋 - 日本（PJ）遥相关型对西北太平洋（WNP）天气尺度变率（SSV）的影响。PJ模式表现出显着的季节内变化，在10-50天时具有主峰。在正PJ阶段，WNP中发现强化SSV，具有更强更好的组织天气波列结构。 然而，这种天气尺度的波列在负PJ阶段期间大大减弱。观测数据的垂直剖面的检验表明，在正（负）PJ条件下，环境参数通常更多（不太）有利于天气扰动的增长。

观测结果进一步用异常大气环流模式进行验证，当环境异常与正（负）PJ相位并入模式的夏季平均状态时，揭示天气尺度波列的增长较快（较慢）。 此外，灵敏度实验表明，行星边界层（PBL）的热力学参数对控制WNP天气扰动的发展起着决定性作用。 在正（负）PJ阶段，背景PBL水分增加（减少）增强（抑制）微扰湿气收敛，从而增强与SSV相关的对流加热，导致WNP天气尺度活动增强（减弱）。 作为潜在的气旋生成种子干扰，强化（弱化）的天气尺度活动也可能有助于季节内TC频率在正（负）PJ阶段的增强（抑制）。

1. 介绍

在热带西北太平洋（WNP）上，包括热带气旋（TC）和热带低压（TD）型扰动在内的天气尺度变率（SSV）与北半球夏季季节内振荡（ISO）密切相关。Gray（1979年）发现，全球TC活性发生在集群中，1-2周的活性TC形成，随后是类似的静止期。Nakazawa（1988）表明，在ISO对流期内，“超级集群”内的内尺度扰动被嵌入和增强。随后的研究表明，TC的发生和活动在不同的区域，包括WNP（Liebmann等）。1994；Kim et al。2008；李等。2012；李和周2013a，b），东部帕西C（马洛尼和哈特曼2000）和印度洋（Lebman）。1994、BESA和WELER 2006）均被ISO显著调制。此外，天气TC活动和TD类型干扰的变化也可以归因于ISO（Liebmann等人）的背景均值的修正。1994；Kim 等。2008；Zhou和Chan. 2005；Li和Zhou2013a，b）或以正压能量转换（Malny和Hartmann 2001； Maloney and Dickinson 2003；Mao和Wu 2010）的波积累。Li等. (2012)进一步指出，与厄尔尼诺南方涛动（ENSO）相关的年际变化背景状态可能会影响ISO-TC关系，导致厄尔尼诺事件期间TC调节作用增强。最近，Li和Zhou（2013a，b）检查并揭示了西太平洋地区10至 20天准双周振荡对热带气旋影响的重要影响。除了ISO对SSV的影响之外，最近的一系列研究（Zhou and Li 2010; Hsu et al。2011; Hsu and Li 2011）也确定了ISO与SSV之间的双向互动。Zhou和Li（2010）发现SSV可以通过表面潜热通量的非线性校正对ISO进行高级反馈，而 Hsu等 （2011），Hsu和Li（2011）通过分析表观热湿源的正压能量转换和非线性整流，证实了这一点。

除了ISO外，夏季还有一条温带波列，其特征是菲律宾海和东亚的异常对流。 这种波列被称为太平洋 - 日本（PJ）遥相关型（Nitta 1987,1989），并且之前已被证明对东亚和日本的夏季气候变率具有显着影响（Nitta 和Hu 1996; Wakabayashi和Kawamura 2004; Kosaka等2011）。 例如，Nitta和Hu（1996）注意到中国的夏季降水和温度耦合模式非常接近。

本文的其余部分组织如下：数据和方法在第2 节中描述。第3节确定主导时间尺度，揭示PJ模式的基本特征，第4节考察其对SSV的影响。第5节描述了为进一步验证结果而进行的数值实验，而第6节考察了PJ模式对TC的可能影响。 最后，第7节给出了一个总结和讨论。

1. 数据和方法
2. 数据

包括风，位势高度，气温，欧米茄，比湿和 1979-2010相对湿度的每日大气数据，来自国家环境预测中心 - 美国国家大气研究中心（NCEP-NCAR）再分析资料（Kalnay et al。 1996）， 而TC数据集则来自联合台风警报中心(http://www.usno.navy.mil

/NOOC/nmfc-ph/RSS/jtwc/best_tracks/)本研究集中于北半球夏季[6 - 8月（JJA）]，其中SSV在西北太平洋地区最强（Lau and Lau 1990; Li 2006; Tam and Li 2006）。继之前的研究（Nitta 1989; Wakabayashi和Kawamura 2004; Choi等2010; Kim等2012），PJ指数用以描述PJ模式的状态，定义为台湾以东（22.5N，125E）和日本以东（35N，155E）的格点之间的850hPa位势高度异常（Z850）的差异，公式如下：

PJIndex=[Z₈₅₀(155E,35N)-Z₈₅₀(125E,22.5N)]/2

尽管它很简单，PJ指数已被证明在捕捉与PJ遥相关相关的基本环流特征是适用的和强大的(Wakabayashi and Kawamura 2004) ，并且先前已被用于PJ相关诊断的许多研究（Wakabayashi和KAW）。因此，正PJ模式与亚热带上空的负高度异常（增强对流）和日本上空中纬度的正高度异常（抑制对流）有关，而负PJ模式则正好相反（NITTA 1987, 1989；Wakabayashi）。在整个研究中使用10-50天的Lanczos滤波器来提取与PJ模式相关的季节内信号。 该频段是基于频谱分析选择的，这将在第3节详细讨论。此外，应用3-8 天的滤波器来提取与天气尺度变率相关的信号。

图1（左）基于1979年至2010年整个时期的夏季PJ指数的功率谱，以及（右）32个夏季的平均功率谱平均值。 绿色的虚线表示马尔可夫红噪声谱，而红色和蓝色的虚线分别表示95％和5％的置信度。

图2. 1996年（上）和1997年（下）1997年原始（条形图）和10-50天过滤（虚线）PJ指数的标准化时间序列

图3. 10-50天过滤850 hPa位势高度（轮廓，m;值超过95％置信度的阴影）和风（矢量，ms-1;仅显示超过95％置信度的值）的正PJ阶段。 第0天是过滤的PJ指数达到其最大值的那一天，而第n天（-n）是指在第0天之后（之前）n天。

1. 异常模型

一个异常大气环流模型（AGCM）（Li 2006）的基础上的普林斯顿动态核心（Held and Suarez 1994）也被用于这项研究。这是一个具有均匀分布的sigma;水平的多级斜压模型，其间隔为0.2，水平分辨率为T42。该模型由原始方程组成，该方程组由实际的三维基本状态线性化，但它保留了预测方程的二阶摄动项的非线性，从而可以检查在理想化或现实平均基本状态下的特定初始摄动的演变（有关该模型的更详细说明，请参阅附录）。模型的基本输入包括u，y，T和P_s的三维夏季平均状态，从NCEP-NCAR再分析的长期平均值中获得。 除了三维动态参数之外，模型中还包括行星边界层（PBL）热力学因子，包括比湿度q_b和温度T_b以计算加热项。为了表示循环和对流的交互性质，在模型（Kuo 1974；Wang和Li 1993；Li 2006）中规定了交互加热方案，其中扰动对流加热与PBL规格C湿度成正比，以及扰动发散：

Qrsquo; = -alpha;delta;q_bdrsquo;f(sigma;)，

其中q_b是平均状态PBL比湿度，drsquo;是PBL摄动发散度，alpha;表示对流 - 摩擦收敛（CFC）反馈强度的加热系数。对于当前的研究，alpha;被设置为10^-5s^-1 的PBL收敛对应于1℃ day^-1 的加热速率，这与在热带辐合带上观测到的气候月值相比较是合理的。在上面的等式中，delta;是一个SST相关系数，这样，delta;=1时SSTgt;29.5℃，delta;=0时SSTlt;26.5℃，delta;=(SST-26.5℃)/3时26.5lt;SSTlt;29.5℃。基于观测到的对流- SST关系，采用这种SST准则。如Waliser等人（1993）所示，当SST低于26.5℃时，很少发生深对流；SST在26.5℃和27.5℃之间，对流活动随SST呈准线性增加；对于SST大于27.5℃，深对流的发生频率趋于平缓。Sobel等人（2002）也应用了类似的SST阈值和Huang和Huang（2009）研究了ENSO SST的温度响应。 最后，f（sigma;）代表垂直方向上的加热曲线方向，最大值在对流层中部（sigma; = 0.5）确定，分别在sigma;=0.1,0.3,0.7和0.9时乘以系数0.2,0.7,0.5和0.1，以模拟深对流在热带地区

（Li 2006; Chen 2012）。

在这个模型中，瑞利摩擦在最低模型水平（s = 0.9）中的衰减速率为1天，用于模拟 PBL耗散，而牛顿冷却时间为10天的e折尺度应用于温度方程在所有模型水平。由于本研究主要关注的是PJ模式对热带SSV的影响，强阻尼率1天适用于扰动动量和温度方程在温带地区（超过40N和40S）在各级。大气瞬变对平均基本状态的影响在热带地区可以忽略不计，这在Hirota和Takahashi（2012）以前也已证明过。 Wang等人 （2003）利用这个模型来检验对称强迫的赤道不对称大气响应，Jiang和 Li（2005）用它来研究印度洋Madden-Julian振荡（MJO）的发生。 此外，Li（2006）使用该模型研究了夏季天气尺度波列的起源和CFC反馈的相关作用，而Chen（2012）应用该模式研究了赤道混合Rossby重力的转换波在不同ENSO背景下的赤道TD干扰。

1. 主导时间尺度和PJ模式的基本特征

在诊断PJ模式对天气尺度变率的影响之前，下一节将检查PJ模式的基本特征。 为了确定PJ模式的主导时间尺度，有两种不同的模式光谱分析的方法已经被应用（图1）。 在第一种方法中，功率谱是基于整个时间序列从夏季PJ指数导出的，而在第二种方法中，平均功率谱是通过平均每个夏季的单独频谱来计算的。 从图1可以清楚地看到，两个光谱在10-50天的季节内时间尺度上都显示出一个突出的峰值。 仔细检查个人PJ时间序列证实了这一点（图2）。 原始的PJ时间序列表现出明显的季节内变化，这可以通过10-50天的过滤时间序列准确捕获。 的确，过滤后的时间序列可以解释原始时间序列总方差的50％。 因此，在本研究的其余部分，我们将主要关注这个频段。

图4.正PJ相的10～50日变化的位势高度（轮廓，m;值超过95％置信度被遮蔽）和风（向量，ms-1;仅显示超过95％置信度的值）异常的复合图，（a）850hPa,(b) 500hPa,(c) 200hPa.

接下来我们检查与不同PJ相位相关的循环特征。

图3显示了在正的10-50天过滤PJ阶段850 hPa位势高度和风场异常的演变。正PJ阶段峰值前四天，负位涡高度异常和气旋性环流在副热带地区开始发育，正高度异常和反气旋环流出现在中纬度地区。 这样的模式变得更加成熟并且在第0天达到其最大值，表征正PJ相的峰值。 交替循环异常在第4天开始减弱，并在第8天被相反的模式替代，整个周期在约30天完成。 与PJ负相位相关的循环特征是相似的，但是具有相反的符号（图未显示）。 为了说明PJ 模式的垂直结构，图4进一步显示了正负PJ相的不同压力水平下的相关循环异常。 与以前的研究 一 致 （ Nitta 1987,1989; Kosaka and Nakamura 2006，2010），与PJ有关的环流异常大致是正压的，尽管亚热带地区对流层高层的环流中心有一些向北倾斜。 Kosaka和Nakamura （2010）以前使用月度数据集也曾指出，这种高度向极倾斜的倾斜与高度有关，他们认为年际PJ模式表现为湿动力模式，其中异常环流可以有效地从平均状态中提取能量，而在转弯，加强异常对流活动。

图5. (a）SSV（用3-8天过滤850hPa相对涡度异常，10-12s-2的变化表示）和（b）在正向10-50天过滤的PJ阶段，它偏离气候学;(c),(d)与(a),(b)相同,但是用于负滤波阶段

1. PJ模式对SSV的影响

第3节揭示了正负PJ阶段的循环特征的明显差异。 因此预计天气尺度变率也可能在不同的PJ条件下变化。 图5显示了WNP中的SSV（由3-8天过滤相对涡度异常的方差表示）以及在正负10-50天过滤PJ 阶段期间与气候学的相关偏差。 这里有一个值得注意的特征是在正（负）PJ阶段期间强化（弱化）的SSV。 为了清楚地阐明SSV的差异，基于WNP （0-30N，100E-180）上不同PJ相位的3-8天过滤850hPa涡度异常进一步进行经验正交函数（EOF）分析）。 图6显示了正负10-50天滤波PJ阶段期间SSV的第一和第二EOF模式的水平模式。 对于两个PJ阶段，主要的SSV模式都是一个交替环流异常以西北 - 东南方向排列的波列。 该波具有天气尺度波列的典型特征其波长约为2500 km，

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21409]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word