持续性暴雪事件中热带低频振荡和高空急流协同变化特征分析

【摘要】：本文以2008年初中国南方持续性暴雪事件为出发点,从数值模拟角度研究了热带地区季节内振荡信号对此次极端天气事件的影响,探讨了海气耦合过程在维持MJO低频信号与暴雪过程降水关系中的作用。从中纬度高空急流变化角度,分析了持续性暴雪期间东亚副热带急流和温带急流协同变化特征及其与暴雪发生发展过程的关系,并初步探讨了MJO对副热带急流低频变化的影响。在个例研究基础上,从气候态角度探讨了东亚副热带急流与温带急流协同变化与冬季中国南方地区降水的关系。主要结论如下： 1.MJO对持续性暴雪事件的影响 热带低频振荡在暴雪的前后两个阶段分别为EOF1和EOF2两个模态所主导,暴雪过程降水的空间和强度变化与MJO信号的强度以及传播特征密切相关。与单独大气模式相比,耦合模式能更加合理再现降水的时空和强度演变特征。功率谱分析表明,耦合模式对降水强度模拟的改进主要是由于耦合模式成功捕捉到了30-60天,峰值为50天的低频降水周期,进而增强了模拟的低频降水强度。低频降水强度模拟的改进主要归因于耦合模式能够合理再现各位相中热带低频振荡中心强度及其东传特征,进而改善了对MJO相关联的低频垂直运动场、水汽通量场以及对流层低层逆温层特征的模拟,这些物理量场与暴雪降水过程密切相关。耦合模式能较好再现热带低频振荡与热带外地区降水间的关系,是由于耦合模式能真实反映海表温度与热带对流之间存在的近1/4位相关系,这种关系在单一大气模式中则不能体现。因此大气与海洋之间内在的耦合反馈过程在模拟与暴雪过程相伴随的MJO特征中起到了重要作用。 2.暴雪事件中急流协同变化特征分析 根据急流核发生频数特征,将东亚副热带急流分为两个典型部分：(1)将主体位于青藏高原南侧陆地上空的副热带急流定义为东亚高原急流；(2)把主体位于日本岛南部的副热带急流定义为东亚洋面急流。暴雪过程中,高原急流的增强同时伴随着温带急流的减弱,而洋面急流强度的变化则滞后于高原急流和温带急流强度的变化约5天时间。高原急流和温带急流的协同变化真实反映了持续性暴雪期间冷暖空气的活动情况,是联系暴雪事件和大气环流异常信号的一个重要纽带。一方面,青藏高原南北两侧的天气尺度瞬变扰动(STEA)异常在暴雪期间呈现相反的变化趋势,导致高原急流和温带急流强度上显著的同期反向协同变化特征；另一方面,东亚陆地上空的瞬变异常波列从高原急流和温带急流主体区域沿着青藏高原的南北两侧向下游传播,到达东亚沿岸以及日本岛地区,导致洋面急流强度的变化滞后于高原急流和温带急流强度变化约5天时间。3.MJO对东亚副热带急流低频变化的影响 高原南侧副热带急流在暴雪期间存在显著低频变化特征。当MJO对流加热异常中心移动至印度洋中东部至印尼海洋性陆地区域之间时,对流激发的低频反气旋性环流正好位于高原南侧区域,异常环流北侧的低频西风叠加于高原急流主体区域之上,导致急流低频强度增强。该反气旋性环流在高原南侧区域维持约15天时间,与暴雪过程发生时段相对应。基于MJO各位相的高原急流指数合成分析表明,在MJO的第3和第4位相,急流强度显著增强,而在第7和第8位相,急流强度明显减弱。季节内时间尺度上,高原急流强度的低频变化其实是对MJO对流活动激发出的异常Rossby波列的直接响应。 4.东亚高空急流协同变化与冬季中国南方地区降水的关系 冬季气候平均上东亚高原急流与温带急流同期反向协同变化特征最为显著。当高原急流增强而温带急流减弱时,中国南方地区降水显著增强；反之,中国南方地区降水则明显减弱。事件合成分析结果表明,高原急流由弱转强过程能真实反映南方暖湿空气由南向北的推进过程；而温带急流由弱转强过程则能合理表征北方干冷空气由北往南的侵入过程。温带急流和高原急流的反向协同变化可以真实反映与冬季中国南方地区降水相关联的冷暖空气活动特征。对区域热力和瞬变指数的合成分析表明,热带关键区对流活动的热力强迫效应对高原急流变化具有显著影响,但对温带急流强度变化则无明显作用。温带急流强度变化主要受天气尺度瞬变强迫效应影响,而高原急流强度变化则归因于热力和天气尺度瞬变强迫效应的共同作用。