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1、对流层上层副热带西风急流与东亚冬季风的关系研究况雪源 1,2 ，张耀存 1(1.南京大学大气科学系，南京，210093; 2. 广西气候中心，南宁，530022)摘要利用 NCEP/NCAR 月平均再分析资料研究冬季对流层上层西风急流的时空变化特征，提出表征急流强度和位置变化的指数，进而探讨西风急流与东亚冬季风的关系。结果表明：冬季西风急流强度指数体现了西太平洋与高纬大陆的热力对比，较好地反映了西伯利亚高压与阿留申低压的强度变化，可作为表征冬季风强弱变化的一个定量指标，急流增强（减弱）对应西伯利亚冷高压和阿留申低压加强（减弱） ，东亚冬季风偏强（弱） 。急流强度指数与不同高度冬季风子系统的显著
2、相关表明，东亚冬季风活动异常不只是对流层中低层的现象，而在整个对流层都有明显反映，低层的西伯利亚高压和阿留申低压、中层的欧亚脊、东亚大槽及西太平洋副高与高层的西风急流是同相变化的。在此基础上还比较了急流强度指数和北极涛动指数（AO）与东亚冬季风的关系，急流强度变化体现了欧亚大陆与西太平洋的热力差异，而 AO 则主要反映极地与中纬度环状模的反相变化，所以急流强度变化与东亚冬季风的关系更为密切。关键词：对流层上层西风急流；东亚冬季风；北极涛动1 引言东亚冬季风是北半球冬季最活跃的环流系统，其活动异常可以影响全球范围大气环流的变化，不仅造成中高纬度强烈降温、降雪、大风、霜冻等灾害性天气，还会引起低纬
3、地区的环流及天气异常。东亚冬季风不仅是海洋与大气之间，而且是南北半球及热带与热带外地区相互作用的重要媒介，这种作用是通过“冷涌”的间歇性爆发作为纽带而实现的 1-2，所以人们对东亚冬季风爆发的大尺度条件及“冷涌”引起的中低纬及海气相互作用方面作了大量的研究。例如，Chang 和 Lau3-4的研究表明“冷涌”对哈德莱环流、沃克环流、西风急流及赤道西太平洋地区的深对流有明显影响，并且冬季风及冷涌的年际变化与 ENSO 及热带季风低频振荡有关。Ding 等 5-6计算了西伯利亚高压及冬季风的热量收支情况，还对东亚冬季风和冷涌的演变特征进行了分析，指出冷涌主要是 700hPa 以下的现象。为了进一步
4、从气候学意义上研究冬季风的变化特征及影响，人们分别从不同角度定义了东亚冬季风指数，以研究其多时间尺度变化特征及与中国气候的关系，结果表明，东亚冬季风的年际、年代际变化与我国冬季天气气候关系密切 7-11。不仅如此，东亚冬季风异常还会导致后期大气环流异常 12-15，孙淑清等 12和陈隽等 13的工作指出，对于夏季江淮流域旱涝天气，其前冬大气环流形势已经存在较大的差异，无论是中高纬的环流形势，还是低纬地区的对流特征及海洋状态等方面都迥然不同。李崇银等 16的研究亦表明，强冬季风的爆发通过海气相互作用对于 El Nino 现象基金项目 国家自然科学基金重点项目(批准号：40333026)作者简介
5、况雪源，女，1971 年 11 月，高级工程师，从事气候变化及模拟研究工作。Email：有激发作用，杨辉等利用数值模式对此进行了验证 17。因此，研究冬季风的结构变化及异常机理有助于我们深入了解海洋与大气、热带与热带外地区之间的相互作用及对后期气候变化趋势进行预测，但以往人们对冬季风的研究主要基于海陆热力差异造成的气压差，着眼于 500hPa 以下对流层中低层，在时间尺度上以研究天气尺度意义上的“冷涌”为主。而冬季风的强度变化不单纯受局地气候系统的影响，还与北半球大尺度大气环流有密切关系 18，对流层高层的急流与东亚冬季风变化是密不可分的 2，19 ，但过去由于缺乏较长时间的高空资料序列，限制
6、了人们对急流与冬季风关系的研究，对于二者的关系只是一些定性的描述，所以，本文利用 NCEP/NCAR 再分析 200hPa 纬向风场资料进行 EOF 分解，研究东亚副热带西风急流的时空变化特征，定义了表征冬季急流强度及位置变化的定量指标，在此基础上对急流的年际异常及其与冬季风的关系作了进一步的探讨。2 资料本文所用资料为：（1）NCEP/NCAR 再分析月平均资料，时间为 19612000 年，所选要素包括海平面气压场、风场、温度场、高度场、地面 2m 气温场，等压面资料的水平分辨率为 2.52.5，垂直方向为 17 层，地面气温场的水平分辨率为 T62 的高斯网格；（2）同期中国 714 个
7、站点的地面气温实测资料，并通过 Cressman 方法插值到 11 的网格点上。 3 冬季 200hPa 纬向风的时空变化特征在冬季（122 月）200hPa 纬向风多年平均图上（图略） ，西风风速大于 30m/s 的急流位于 30N 附近的副热带地区，急流中心位于日本南部的西太平洋上空，强度达 70m/s。因此，我们选取区域（10N70N ， 50E180E）200hPa 冬季标准化纬向风场进行 EOF 分解，分析其时空变化特征。从分解结果来看，前两个特征向量方差贡献分别为 23.4%、 21.6%，体现了最基本的空间分布（图 1） 。第一特征向量从低纬到高纬呈准纬向的“负正负”波列状空间分
8、布，两条零线分别位于 20N 和 40N 附近，正中心位于 30N 附近的海陆交界区域，负中心位于中高纬的鄂霍茨克海附近，这种南北反相的空间分布表现了纬向风此消彼长的经向变化（图 1a） 。由于冬季西风急流多年平均位置与上述特征向量的正值区域及中心位置比较一致，所以第一特征向量对应时间系数变化基本体现了急流强度的时间变化特征（图 1b） ，对其进行功率谱分析发现，这种分布型具有显著的 34 年的年际振荡周期。第二特征向量零线分别位于 30N 及 52N 附近，从低纬到高纬呈现“正负正”的分布（图 1c） ，由于冬季急流轴位于 30N 附近，其两侧西风的反向变化体现了急流的南北偏移，南侧的西风加
9、强（减弱） ，北侧的西风减弱（加强） ，则西风急流南移（北移） 。对应的时间系数具有明显年代际变化（图 1d） ，20 世纪 60 年代前期急流偏南，60 年代后期到 70 年代急流偏北，80 年代前期偏南、后期偏北，90 年代偏南。功率谱分析表明其具有显著的 12 年的年代际振荡及 23 年的年际振荡周期。分别选取第一、二特征向量时间系数大于 20 和小于 20 的年份作 100E140E 平均的200hPa 纬向风经向变化合成分布（图 2） ，可明显看到第一特征向量体现了急流强度的差异（图 2a） ，强年与弱年急流轴上西风风速可相差 10m/s，而 45N70N 区域与西风急流区（25N
10、40N）纬向风呈明显的反相变化。第二特征向量典型年的合成分布则体现了急流位置的差异（图 2b） ，可看到典型年急流轴位置可相差 35 个纬度。图 1 冬季 200hPa 纬向风 EOF 分解的前二个特征向量分布及其时间变化（a、b：第一特征向量及其时间系数；c、d：第二特征向量及其时间系数）图 2 沿 100E140E 平均的冬季纬向风经向变化（a：第一特征向量时间系数大于 20（空心圆线）及小于-20（实心圆线）的变化 ; b：同 a 但为第二特征向量）4 东亚副热带西风急流与冬季风的关系研究4.1 急流特征指数的定义从上节冬季 200hPa 纬向风的 EOF 分解中我们看到，第一特征向量体
11、现了急流强度的变化，第二特征向量体现了急流位置的变化。所以在以下的分析中我们将第一特征向量对应的时间系数定义为冬季西风急流强度指数 I_js；其高值对应急流偏强，低值对应急流偏弱；将第二特征向量对应时间系数定义为西风急流位置指数 I_jl，其大值表示急流偏南，小值表示急流偏北。将此指数与 200hPa 纬向风场求相关（图略） ，可看到二指数与风场的相关非常显著，急流强度指数与西风急流区域的正相关达到 0.8 以上，而位置指数与多年平均急流轴线指数南北侧的相关亦达到 0.7 以上，所以两个指数随时间的演变清晰地体现了急流的强度及位置变化。纬向风速 (m/s)4.2 急流特征指数与几类冬季风指数的
12、对比分析为了能定量地反映冬季风的强弱变化，人们先后从不同的角度定义了各种指数来表示冬季风的异常活动，主要如下：（1）I_guoS：由郭其蕴 7提出，利用西伯利亚地区的海平面气压距平来定义冬季风指数，其反映了源地冷空气强度：式中表示距平3/)10,5()90,6()10,6(_ ENSLPENSLPENSLPguoI （2）I_guoE：亦由郭其蕴 7提出，利用海陆热力差异而导致的海平面气压差定义，反映了冬季风在东亚沿岸的盛行及冷空气向南扩展情况： o ESLPSLguEI601 )160,(),(_（3）I_shi：由施能等 8提出，与 I_guoE 较为相似，只是消除了局地方差不均匀造成的影
13、响，纬度区域有些变化：式中*表示标准化，m 为经向格点数502 * )160,()10,(1_o ESLPESLPmguEI（4）I_h500：由崔晓鹏等 9提出，利用 500hPa 东亚大槽的强度定义：n 为区域格点总数*40,135,),(50_HnhI（5）I_wester：由陈海山等 10提出，利用东亚地区上空 500hPa 中纬（40N ）与高纬（70N）的位势高度差定义，反映了中高纬地区的经向环流特征：k 为纬圈上的格点数),70(),4(1_208NkwestrI以上所列式中的 , 分别表示经度和纬度。为了研究东亚西风急流与冬季风的关系，我们将急流强度指数、位置指数与上述几种冬季
14、风指数分别求相关，相关系数在表 1 中给出。从表中看到，几种冬季风指数之间有明显的相关，其中 I_guoE 与 I_shi 本质上较为一致，所以相关最高，达到 0.927；I_wester 与 I_shi的相关较低，只为-0.31，表明中高纬环流与东亚地区海陆热力对比有一定的差异。由于东亚西风急流强度指数与五种冬季风指数的相关均在 0.65 以上，达到了 0.001 的相关信度检验，其中与 I_h500 的相关最高，达到 -0.728，这表明东亚西风急流强度指数亦能较好地体现东亚冬季风的变化，特别是东亚大槽的强度变化。但东亚急流位置指数与冬季风的相关则相对较低，与 I_shi 的相关最高达 0
15、.431，而同 I_guoS 及 I_wester 相关都很低，这可能由于急流位置南北变化主要受中低纬地区海陆热力对比影响，而高纬地区环流对其影响甚微。上述相关表明冬季急流强度较急流位置南北移动与冬季风的关系更为密切，所以在下面的分析中我们主要探讨冬季西风急流强度的变化与冬季风的关系。表 1 东亚西风急流特征参数与各类冬季风指数的相关指数 I_guoS I_guoE I_shi I_h500 I_wester I_js I_jlI_guoS 1.00 0.629 0.463 -0.617 -0.743 0.676 -0.067I_guoE 1.00 0.927 -0.572 -0.32 0.7
16、05 0.365I_shi 1.00 -0.521 -0.31 0.676 0.431I_h500 1.00 0.679 -0.728 -0.307I_wester 1.00 -0.660 0.157I_js 1.00 0.0I_jl 1.00注：加粗数字达到 0.01 的相关信度检验表 2 由各类指数划分的冬季风典型强弱年指数 强冬季风年 弱冬季风年I_guoS 1964,1965,1967,1968,1969,1977,1984,1985,1986 1973,1979,1987,1989,1993,1997I_guoE 1962,1967,1968,1977,1981,1984,1986,1996 1969,1971,1972,1973,1979,1990I_shi 1962,1968
