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夏季东亚高空急流的年际经向偏移

陈帮萍

英文原文：

Lin Zhongda, and Lu Riyu, 2005: Interannual meridional displacement of the East Asian up-tropospheric jet stream in summer. Adv. Atmos. Sci., 22, 199-211.

1. 摘要 年际尺度上，对东亚对流层上层急流的南北位移与东亚地区夏季降水异常显著相关。在此次研究中，利用1979-2002年国家环境能源预报中心（NCEP/DOE）再分析资料，分析了夏季东亚高空急流南北位移的年际变化及其与同样是对流层大气环流重要环流系统的南亚高压(SAH) 的变化和西太平洋副热带高压(WNPSH)的关系，EOF分析的结果表明，急流的年际变化主要表现为急流的经向偏移特征，夏季每个月为一次震荡，整个夏季作为一个周期。综合分析表明夏季急流指数作为描绘急流年际经向偏移是不恰当的，因为200hPa纬向风异常发生在7月和8月，而不是6月，显然有助于夏季急流指数。因此，夏季各月指数是根据每个月急流中心位置定义的。基于月度指标的综合分析表明，对应于急流月赤道位移，南亚高压（SAH)在6月和7月有明显地向东南延伸，西太平洋副热带高压（WNPSH）在6月和8月南退。
2. 引言
3. 东亚急流（EAJS）通常是指东亚和西太平洋上空对流层上的西风急流，是影响东亚地区天气气候的重要环流系统。从20世纪50年代的几十年来，有许多有关于急流与亚洲和太平洋地区天气关系的研究。人们已经发现，急流与许多天气现象密切相关，如气旋，锋生，阻塞和风暴活动（e,g.，Palmen and Newton, 1969; Zeng, 1979; Kung and Chan, 1981; Dole and Black, 1990; Gao and Tao, 1991; Bell et al.，2000），在亚洲国家这已被广泛用于天气分析预测中。
4. 在季节性时间尺度上，东亚副热带西风急流是指东亚副热带地区对流层上部200 hPa 附近狭窄的强西风带, 其显著季节性北跳和南退是东亚大气环流季节转换的标志( 叶笃正等, 1958)，东亚西风急流其季节性时间尺度上的位移与东亚大气环流季节转换密切相关。neyama（1963）观测Marcus区域对流层中上层（2417N， 15388,E)风场，发现风向的转变时间与日本梅雨期存在着密切的对应关系。以1979年为例，陶世言和陈隆勋（1987）研究表明东亚季风爆发与西太平洋副热带高压（WNPSH）和南亚高压（SAH）及高空西风急流之间的密切关系。许多气候条件的转变也伴随着高空西风急流的异常，如太平洋海温异常等（Ding, 1992; Lau et al., 2000）。
5. 但在年际尺度上，以前的相关工作主要集中在研究热带地区对流加热(Lau and Boyle, 1987; Yang and Webster, 1990), Hadley环流 (Hou, 1998)和亚洲—太平洋—北美气候（ (Yang et al.，2002)）与北半球冬季西风急流的变化之间的关系。近年来，只有少数研究提出有关东亚西风急流的强度和位移在北半球夏季的变化。研究发现，在年际尺度上，西风急流南部的强度变化变化与热带地区对流活动强度密切相关 (Dong et al., 1999)，Lu et al.（2001）分析了韩国梅雨建早晚的年际变化，指出对应梅雨在韩国建立偏晚的年份，东亚高空急流的强度偏强，位置偏南。Lu（2004）指出东亚高空西风急流的经向偏移和强度变化在年际时间尺度上与东亚夏季降水带异常关系密切，并指出东亚高空急流的经向偏移较其强度变化与东亚夏季降水关系更加密切。
6. 南亚高压是对流层上部平流层下部的主导环流系统，出现在夏季南亚 地区30°N附近。春末初夏潜热加热和地表感热使得对应对流层上层出现反气旋性扰动是导致青藏高原地区显著变暖的原因(Zhang and Wu, 1999)。此外，Wu et al. (2002)发现，通过加热青藏高原地区上层产生的负涡度平流与维持一个强而稳定的SAH的发散负涡度平流相平衡。在年际尺度上，南亚高压的纬向位移与东亚气候异常密切相关（Zhang et al.，2002）。南亚高压和急流的年际变化之间的关系仍不清楚。
7. 尽管已经了解到急流对东亚地区冬季气候的影响，但在探讨北半球夏季急流经向位移年纪变化方面的研究甚少。在此次研究中，我们将探讨急流的南北位移变化特征是北半球夏季急流最显著的变化特征。第二节中介绍200hPa纬向风的气候特征。在第三节里探讨大气环流异常与急流径向位移年际变化直降的关系。总结在第四节给出。

2.200hPa纬向风平均气候态

1. 本研究使用资料为基于广泛使用的NCEP/NCAR再分析资料，国家能源环境部门预测中心大气模式比较计划的（NCEP/DOE）再分析资料2，1979-2002年风场及位势高度场，资料空间分辨率为2.5°x 2.5°，空间分辨率为2.5 x 2.5。在这项研究中使用的是月平均数据。
2. 图1是200hPa纬向风六月、七月、八月以及六到八月的平均气候态。高空急流在西北太平洋地区基本上呈现由西南向东北的倾斜。然而，急流存在着明显的强度和位置变化。在六月，高空急流的中心位于韩国和日本的南部。在七月向北推移，到八月急流中心已位于中国东北和La Perouse海峡一带。

图1 1958-2002（a）六月、（b七月、（c）八月(d)和六到八月平均的200hPa 纬向风

1. 急流强度和位置经历了明显的季节演变（图2）。急流中心在一月时位于32.5°N附近，在冬季尤其春季向北缓慢移动，并且在七月末八月初到达它的最高纬度45°N附近。之后急流中心迅速南移，并在年末返回到32.5°N附近。急流中心在夏季位移最快。这种变化包括向极地和赤道的位置变化。图2同时表明，急流在冬季最强（最大风速超过70ms-1)，在夏季达到最弱（最大风速低于30 m s-1)。

图2 120ordm;E-135ordm;E平均气候态200hPa 纬向风年循环

1. 图3显示了东亚夏季、6月、7月、8月，200hPa纬向风场EOF分解的前两个主导特征模式模态。各月以及夏季平均的第一模态（EOF-1）都具有经向的结构，变现为正值出现在南侧和负值出现在北侧。在6月、7月、8月和夏季平均，这些正负值的大小相近，零线分别大致位于与6月、7月、8月和夏日平均的东亚高空急流中心同样的纬度上。另一方面，在各月以及夏季平均，第二模态在经向上具有层状结构，中部为正值以及南北部为负值。正值的中心分别大致位于各月及夏季平均的东亚高空急流中心所在纬度。图 3 (a) 夏季, (b)6 月, (c) 7 月和 (d) 8 月 200hPa 纬向风 EOF 分解的前两个主模态
2. 根据各个月和夏季平均的 EOF 分解的第一、第二主分量的分布，分别挑选出6到9个数值大于 0.5 个标准偏差的年份，图4是120ordm;-150ordm;E 纬向平均的 200 hPa 纬向风合成。左图为基于第一主分量合成结果，第一模态合成结果显示：对于 6、7、8 月和夏季平均，指数为正的年份较指数为负的年份东亚夏季高空急流中心南移。这说明 EOF 分解的第一主模态代表了急流的经向偏移。特别是在七月第一模态不仅表征急流的经向位移，还表征了其强度变化。右图基于第二主分量合成结果显示：急流的强度明显加强并且伴随着较小的经向位移在夏季的每个月。这说明第二模态表征了东亚夏季高空急流的强度变化。不论对于整个夏季平均、六月、七月还是八月平均，第一分量解释方差占到总方差的约一半，而第二主分量解释方差约20%—25% （表 1）。这两种模式占大约70% 的总方差。这表明夏季东亚地区200hPa气候态方差主要贡献来自于急流的经向位移和强度变化，且经向位移是急流年际变化最显著的特征。

图4 分别基于(a) 夏季, (b)6 月, (c) 7 月和 (d) 8 月 200hPa纬向风EOF分解的第一（左边）和第二主分量（右边） 合成的 120ordm;-150ordm;E平均的 200hPa纬向风。实（虚）线代表主分量值大（小）于（－）0.5 年份合成的 120ordm;-150ordm;E纬向平均的 200hPa纬向风，单位为m s-1。

表 1: 夏季和 6、7、8 月 EOF 分析前两个主模态的解释方差以及第一模态主分

量（PC-1）和对应的东亚高空急流指数(EAJI)之间的相关系数。

1. 环流异常与急流经向位移之间的关系
2. 采用 Lu（2004）定义的东亚高空急流经向偏移，定义夏季东亚高空急流的经向偏移指数为 200 hPa 纬向风在区域 120ordm;-150ordm;E，10纬距的平均值。东亚高空急流经向偏移指数围绕东亚高空急流夏季平均气候态表征了平均经向位移。其指数年际变化的分布如图 5。指数中5个最大正值的年份1980、1982、1989、1993 和1998，以及5个最大负值对应的年份 1981、1984、1985、1990、1994。应用这十年的数据进行综合分析。

图5 1979－2002 年夏季东亚高空急流指数

1. 图6给出200hPa 纬向风在指数中 5 个最大正值的年份以及 5 个最大负值对应的年份的综合分析，从图6d中可以得知，夏季异常 200hPa 纬向风围绕急流轴线在大约 40° N呈反对称的分布，急流轴南面（北面）为异常的西风（东风）。7 月(图6b)和 8 月(图6c)的异常分布类似于夏季平均的结果。而六月异常西风（东风）出现在东太平洋和北美地区，在东亚地区信号强度较弱。这说明夏季东亚高空急流的南北偏移可能主要来自于 7月和 8 月的贡献。

图6 高低夏季东亚高空急流指数年合成的(a) 6 月, (b) 7 月, (c) 8 月, (d)夏季

200hPa 纬向风异常。

1. 为了确认急流指数能很好地描述急流的南北偏移，应用作图4的方法进行合成，结果如图7。7月、8月、夏季平均的结果对应高指数年，急流偏南；对应于低指数年，急流偏北，6月较不明显。值得注意的是，图7c和图7d显示7 月和 8 月急流不仅出现经向位移，而且强度也发生了变化。7 月和 8 月急流位置偏南，而 7 月急流强度偏强，8 月急流强度偏弱。所以有必要分析夏季月尺度的急流经向偏移情况。

图7 同图6，但为合成的 120ordm;-150ordm;E 纬向平均的 200hPa 纬向风。

1. 我们采用类似夏季急流经向偏移指数的定义，分别急流中心设置为六月位于37.5°N，七月位于40°N以及八月位于45°N，1979-2002年的数据，定义三个月东亚高空急流指数。图8为1979－2002 年(a)6 月、(b)7 月、(c)8 月东亚高空急流指数。和 EOF 分解得到的第一主分量求相关，东亚月急流指数与EDF分解得到的月季第一分量显著相关。分别体现1979-2002年，为六月第一分量与六月东亚高空指数显著相关，七月第一分量与七月东亚高空指数显著相关，八月第一分量与八月东亚高空指数显著相关，相关系数分别为0.98,0.9和0.98(表1)。这种显著相关表明月东亚高空急流指数能够很好地表征东亚夏季高空急流的经向偏移变化。图4b-4d表明 6、7、8 月急流指数对 120ordm;-150ordm;E 纬向平均 200 hPa 纬向风合成结果也类似于 EOF 分析对应第一主分量合成的结果（图片在此未给出），也就是说，这三个月东亚高空急流指数能准确的表征夏季东亚高空急流的月南北位移。

图8 1979－2002 年(a)6 月、(b)7 月、(c)8 月东亚高空急流

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