夏季东亚副热带西风急流特征指数表征方法对比分析

夏季东亚副热带西风急流特征指数表征方法对比分析闫彩霞;金荣花【摘要】为了能够给科研工作者和业务技术人员合理使用各种东亚副热带西风急流表征方法提供科学依据,利用1960～2009年NCEP/NCAR再分析资料和中国714个基准站20时(北京时)降水观测资料,归纳总结了以往夏季东亚副热带西风急流客观定量表征方法,并以2005年6～8月为例,进行了表征方法的数值反演和性能分析,结果表明:表征位置指数的方法有轴线法、EOF分解法、区域风速差法.轴线法定义合理且有明确的物理意义,方法简单易行、意义清晰、表现直观,适用于逐日实时监测和诊断分析.EOF分解法与区域风速差法适用于气候评估和季节诊断;表征急流强度的方法有区域风速法及中心强度法,均适应于逐日实时监测与环流观测,且对华北地区及长江中下游雨量多寡有较好的指示意义,方法计算简便、意义清晰、指示性好.同时还指出,业务工作者和科研工作者实际应用时应根据需求合理选择指数或者对指数进行适当改进.%In order to provide scientific basis for investigators and operation departments to use a variety of methods to characterize East Asian subtropical westerly jet (EASWJ) reasonably. Using the reanalysis data during 1960~2009 from NCEP/NCAR and China 714 stations daily precipitation data(Beijing time), taking cases in 2005 for example, characteristic indexes of EASWJ are studied, retrieved numerically and compared based on summary of existing objective, quantitative EASWJ methods. The results show that: there are many methods to characterize the position index such as axis index method, EOF decomposition method and Regional wind speed difference method. The axis index method is defined reasonable, simple, and has clear physicalmeaning and intuitive performance. It applies to daily real-time monitoring and diagnostic analysis. EOF and Regional wind speed difference method apply to Climate Assessment and Seasonal diagnosis; there are two methods, Regional wind speed and the central intensity, to characterize the intensity index. They are fit to daily real-time monitoring and Circulation observation and have good meaning to Rainfall amount of the middle and lower reaches of the Yangtze River and North China. The methods are objective and quantificational, simple, clear meaning, and good indicative. At the same time, we point that based on what merits and demerits of these EASWJ indexes have, investigators and operation departments should apply EASWJ indexes better if they can select compatible one or improve and innovate a method according to there selves practice.【期刊名称】《成都信息工程学院学报》【年(卷),期】2012(027)003【总页数】7页(P285-291)【关键词】大气科学;天气气候;东亚副热带急流;特征指数【作者】闫彩霞;金荣花【作者单位】成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;国家气象中心,北京100081【正文语种】中文【中图分类】P4420 引言在南、北半球副热带地区对流层上部各存在着一支强而窄的高速气流带,称之为副热带西风急流,其位置的南北移动以及强度的异常可以引起大范围的环流异常,进而导致中国乃至东亚地区天气气候异常,与东亚大气环流的季节转换、亚洲夏季风的爆发、中国东部地区夏季降水等有着密切的联系[1-8]。

因此,东亚副热带西风急流监测与分析在预报预测中至关重要。

在中国的预测预报业务中,建立了东亚夏季风、西太平洋副热带高压以及欧亚阻塞高压等重要大型环流系统的监测指标[9],但是,过去受高空资料质量和数值模式性能的限制,对东亚副热带急流及其物理机制的认识还比较局限,尚未能建立东亚副热带急流监测指标。

近些年,随着大气科学研究向三维结构更深入更细致方向发展,东亚副热带急流已经成为普遍关注的重要系统,为实时获取系统的、规范的东亚副热带急流的长序列资料,满足业务监测和科学研究的需要,建立东亚副热带急流的监测指标是目前迫切需要解决的问题。

以客观、定量和自动方式实现对东亚副热带急流的监测,首先要研究东亚副热带急流各种特征参数的表征方法。

以往研究工作中,提出了很多表征副热带急流的方法[10-20],但是,研究的目的和分析的角度不同,所构造的方法各不相同,应用于业务存在局限性。

因此有必要对以往东亚副热带西风急流客观定量表征方法进行系统分析和客观评价,并通过分析指出以往各种客观定量化表征西风急流的方法的优点与适用范围,以期为科研工作者和业务技术人员合理应用东亚副热带急流指数提供参考,论文通过总结归纳以往研究工作中的东亚副热带急流特征参数表征方法,基于各种方法的性能分析结果,结合东亚副热带急流特征及其对中国降水的影响,对比分析东亚副热带急流特征参数表征方法的优缺点,为实现对东亚副热带急流的客观实时监测和诊断分析提供参考和依据。

1 资料与个例说明分析所使用资料为NCEP/NCAR逐日再分析等压面资料,要素为200hPa水平纬向风和水平经向风,水平分辨率为2.5°×2.5°,序列长度为1960～2009年。

国家气象信息中心提供中国714站20时(北京时)日降水量资料,文中采用Cressman方法将降水量插值到1°×1°网格,序列长度为1960～2009年。

为了便于比较,在对各种东亚副热带急流客观定量表征方法进行数值反演时,研究时间统一定为夏季6～8月,2005年降雨量接近常年同期或偏多,西风急流北跳时间显著,对雨带推移有较大影响[21]。

2005年天气实况分析表明中国东部地区三次降水带北进较为显著,因此选择2005年作为逐日演变分析个例,季节尺度年际变化分析序列统一为1960～2009年。

以往研究工作中提出了很多客观定量表征东亚副热带急流的方法,按照其功能划分主要有位置、强度两类特征参数。

下面对原作者的方法逐一介绍,并进行反演和性能分析。

2 位置参数位置参数是用以描述副热带西风急流位置移动的参数,其演变主要反映在急流位置南北移动变化上,以往客观定量表征方法归纳为3种。

2.1 轴线法况雪源等[10]采用200hPa等压面上(70°E～120°E,30°N～50°N)区域内最大西风所在纬度的平均值表示东亚副热带急流的位置,用参数 A1表示。

黄安丽等[11]采用动力学方法分析对流层高、低空急流耦合作用时,确定以105°E～145°E,45°N 以南作为统计区,300hPa等压面上风速值大于30m·s-1的地区作为高空急流区,用高空急流区风速最大值位置表示东亚副热带急流的位置,用参数 A2表示。

如图1所示采用急流轴线方法,计算了2005年6～8月急流位置变化(图2)及指数与同期东部地区夏季主要降水中心位置(100°E～130°E)的关系,对比结果,A1方法采用了更符合经典的东亚副热带急流定义的200hPa等压面资料,能够准确描述夏季急流位置的南北变化。

指数与中心雨带位置相关系数达0.52,能较好地反映急流对雨带南北移动的影响,定义合理且有明确的物理意义,方法简单易行、意义清晰、表现直观,适用于逐日实时监测和诊断分析。

但是,由于采用统计区内各经度上最大西风的位置平均来表征急流轴位置,对于南北两支西风急流并存并且北支强于南支情况,对于盛夏(春季)急流轴北抬(南落)至统计区以北(以南)的情形,如2005年7月19日,该参数无法捕捉到真实信息。

A2指数变化趋势跟雨带位置移动具有较好的一致性,五点滑动平均后相关系数达0.56,呈现显著的相关,方法简单易行、意义清晰,对中国东部地区降水位置的南北移动具有较好的指示意义。

但是此方法采用的副热带西风急流为300hPa层面上,与经典高空急流定义不相符合。

由于海陆分布不均及青藏高原的影响,急流轴的季节变化具有东西向的不一致性[10]。

两种定义所选择的急流轴关键区不同,A1方法确定的关键区主要位于中国中西部,A2方法选择区域侧重于中国东部地区(江淮地区),2个指数相同点在于对急流表示本质上都采用急流最大风速代表的轴线表示。

图1 轴线法表征的东亚副热带西风急流轴位置参数与同期中国东部降水带位置演变(参数A1、A2,多年平均位置以及降水中心位置逐日演变,单位:纬度)图2 2005年7月19日200hPa纬向风等值线(单位:m·s-1)2.2 EOF分解法刘飞等[12]对1958～2000年43年东亚地区夏季200hPa纬向风场进行了EOF 分解,第一特征向量反映西风急流绕夏季平均急流轴的南北变动,因此定义第一模态对应的标准化时间系数为东亚夏季副热带急流位置参数。