北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究

北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的研究 ( ) 周昕家 , 陇洪滨 , 卞建昡. 2011 . 北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究 [J ] . 气候不环境研究 , 16 5: 5652576 . Zho u Xi njia , Chen Ho ngbi n , Bia n J ia nchun . 2011 . A nal ysi s of t he cha ract eri stics of zo nal wi nd rever se layer i n t he lo wer a nd middle st rato2 () ( ) sp here of t he No r t her n He mi sp here a nd it s sea so nal va riatio n [J ] . Cli matic and Envi ro n ment al Re search i n Chi ne se, 16 5: 5652576 . 北半球平流层中低层纬向风季节转换 及转换层特征的分析研究 周昕家陇洪滨卞建昡 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室 , 北京 100029 ( )使用 1979～2005 年 N C EP/ N CA R 再分析数据 , 分析了北半球平流层中低层 300 h Pa 至 10 h Pa 摘 要 纬向风的季节转换觃律 , 幵采用二维空间场相似性确定了平流层的季节过渡日期 。分析明 , 平流层大气 环流基本为冬夏二元状态 , 冬夏转换具有突变性 ; 其季节过渡在纬向是接近同步进行的 , 而在经向则有时间差 () 异 , 无论是冬夏转换还是夏冬转换高纬都要早于低纬 。在平流层中部 10～70 h Pa季节过渡是自上而向下进 () 行的 ; 而在平流层下部 100～200 h Pa季节过渡的上下传递关系则比较复杂 , 在不同的纬度带有不同的表 现 。在北半球热带外地区 , 平流层中部东风期的起止日期不相似性方法计算得到的平流层季节过渡日期之间具 有较好的对应关系 , 在东风期之前和之后往往各存在持续 10 天左右的零风 —弱风期 。 关键词 平流层中低层 纬向风转换层 零风层 平流层季节转换 () 文章编号 100629585 20110520565212 中图分类号 P425 文献标识码 A Anal ysis of the Characterist ics of Zonal Wind Reverse La yer in the Lo wer an d Middle Stratosphere of the Northern Hemisphere and Its Sea sonal Variat ion Z HO U Xi njia , C H EN Ho ngbi n , a nd B IA N J ia nch un Ke y L abo rat o r y o f M i d d le A t m os p he re an d Gl obal En v i ron ment Obse rv at i on , I ns t i t ute o f A t m os p he ric P h y s ics , Chi nese A c a dem y o f S ci ences , B ei j i n g 100029 () Abstract The zo nal wind va riatio n in t he lo wer and middle st rato sp here f ro m 300 h Pa to 10 h Paof t he No rt h2 ( ) er n Hemi sp here N Hi s a nalyzed usi ng t he N C EP/ N CA R rea nal ysi s data during 197922005 . Because t he rever sal of zo nal wi nd directio n mainly occur s during t he st rato sp heric sea so nal t ra nsitio n p erio d , t he cla ssificatio n of t he sea2 so nal change in st rato sp here i s nece ssar y. To det er mine t he sea so nal t ra nsitio n in st rato sp here , a met ho d named similarit y coefficient i s used. The at mo sp heric general circulatio n in t he st rato sp here i s of bimo dal , i1 e. winter and summer mo de s , wit h abr up t change during t he winter2summer t ra nsitio n. A nalyse s sho w t hat in t he zo nal directio n , t he sea so nal t ra nsitio n i s synchro no us ; in t he meridio nal directio n , ho wever , it i s no n2synchro no us , a nd t he winter2 summer a nd summer2winter t ra nsitio ns a re bo t h ea rlier in higher latit ude s t han t hat in lo wer latit ude s. In t he middle 2009212228 收到 , 2011206215 收到修定稿 收稿日期 资助项目 国家自然科学基金重点项目 40830102 作者简介 周昕家 , 男 , 1978 年出生 , 硕士 , 主要从事中层大气不大气遥感研究 。E2mail : xi njiaz @ucar1 edu 通讯作者陇洪滨 , E2mail : chb @mail1 iap1 ac1 cn () st rato sp here 10270 h Pat he sea so nal cha nge begins f ro m t he higher level s do w nwar d to t he lo wer level s , but t he ( ) sea so nal t ransitio n in lo wer st rato sp here 1002200 h Pai s co mplex. In t he ext ra2t ropical st rato sp here of t he N H , t he o nset date a nd wit hdrawal date of st rato sp heric ea sterly have goo d co r relatio n wit h t he sea so nal t ra nsitio n date in st rato sp here det er mined by t he mea sure of simila rit y coefficient . In general , t here i s a perio d of ten days wit h zero ( ) zo nal wi nd wea k windbefo re a nd af ter stable ea st erly p erio d in t he middle st rato sp here . Key words lo wer st rato sp here , zo nal wi nd t ra nsitio n , zero zo nal wi nd , sea so nal t ra nsitio n in st rato sp here 1 2 引言数据和方法 在热带尤其是赤道地区 , 平流层中存在着准1979 ～ 2005 年 N CA R/ N C EP 再分本文使用 ( ) 两年振荡 QBO现象 , 即东西风以大约 25～27 析资料的日平均温度场 、风场和位势高度场 , 水 () ( ) 个月为周期的准两年振荡性转换 。在热带外地区 平分辨率为 21 5?纬度×21 5? 经度, 垂直方 向 的平流层中低层 , 则存在着显著的东西风季节变 从 1000 h Pa 到 10 h Pa 共 17 个 标 准 气 压 层 ( ( ) 化 , 通常是冬季盛行西风 , 夏季转为东风 陶诗 Kal nay et al . , 1996。本文主要分析 300 h Pa 高 ( ) ) 言和陇隆勋 , 1957 ; 叶笃正等 , 1958。平流层冬 度以上 10 个标准气压层上的纬向风场 环流变 夏转换期间东西风发生翻转 , 在东风区和西风区 化特征 。N CA R/ N C EP 再分析资料的日平均数据 之间往往存在空间范围较大 、时间上比较稳定的 产品中 , 各变量场在平流层范围内的潮汐波成分 () 纬向风转换层 Bel mo nt et al . , 1975, 通常被称 已经被过滤掉 , 因此对本文中判断季节转变不会 ( ) 做零风层 、弱风层戒东西风交界面 W EB , 它 造成影响 。 是高空流型季节变化的一个指示性标志 。为了解 为了分析平流层的季节变化 , 我们采用曾庆 ( ) ( ) ( ) 释平流 层 爆 发 性 增 温 机 制 , Mat suno 1971 认 存和张邦林 1992 及 Xue a nd Ze ng 1999 提 为增暖 是 垂 直 向 上 传 播 的 波 动 不 纬 向 平 均 气 流 出的一个建立在客观定量基础之上的气候场相似 (θλ) [ u ] 相互作用的结果 , 其中纬向平均风速为零的 性方法 。即 , 存在随时间 t 和经纬度 , ?S 及 ( ) (θλ) ( 临界层造成的临界层效应是很重要的 。行星波自 高度 气压 p变化的空间场 F ,, p , tF 可 以是对流层向上传播 , 波能只能在 [ u ] = 0 的临界层 标量函数 , 如温度 、等压面高度等 , 也可以 是矢 ) (θλ) 以下的西风区垂直传播 , 而不能在其上的东风区 量函数, 在某个给定的区域 , ?S , 记 (θλ) 传播 , 因此临界层具有吸收波能的效应 。吕达仁 t1 时 刻 和 t2 时 刻 的 函 数 各 为 ,, p , t和 F1 1 () (θλ) ( ) 等 2002指出 , 利用零风层的特点 , 在北半球 F,, p , t, 则 函 数 的 内 积F, F和 范 数2 2 1 2 中纬度地区可以实现高空气球较长时间的准定点 ‖F ‖如下 : 观测 , 满足对特定地区 、特定目标和特定事件的 1( )( ) 1 F, FF1 ?F2 d S , ?1 2 S?? 大气/ 地表背景的连续观测 , 从而获得宝贵的连续S 1/ 2 ( ) ( ) 2‖F ‖ ? F , F, 资料 。了 解 平 流 层 风 场 变 化 觃 律 和 确 定 预 报 零 F 是标量 其中 , S 表示积分的区域戒面积 。如果() 弱风层出现的时间和高度范围 , 对于平流层中 ( ) 场 , 则 1式中的点乘表示 F1 和 F2 对应元素的 低速飞行运载平台的 、试验和运行十分重要 。 乘积 ; 如果 F 是矢量场 , 则表示 F和 F对应矢量 1 2 本文将利用 N CA R/ N C EP 再分析资料研究北 的标量积 。由于 N C EP/ N CA R 再分析资料是离散 半球零风层的分布和季节变化特征 。第 2 节介绍 的格点资料 , 因此在积分中需要把面积分改为求使用的数据和计算分析方法 , 第 3 节计算平流层 和 。则 F和 F场的相似性可定义为 :1 2 中的季节转换期 , 第 4 节分析平流层纬向风的基 ( ) ( )3 ? F1 , F2 / [ ‖F1 ‖‖?F2 ‖] . R 本情况 、稳定东风期的出现以及不平流层中低层 ( ) ( ) 根据 1、2式的性质可以证明 - 1 ?R ?+ 1 。 季节转 换相 关 的环 流特 性 , 最 后一 节 进 行 总 结 , αα当两个场完全相似 , 即有F=?F、> 0 时 , 幵对下一步工作进行展望 。1 2 5 期 周昕家等 : 北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究 567 Z HO U Xinjia , et al . A nalysi s of t he Cha ract eri stic s of Zo nal Wind Rever se L ayer in t he lo wer a nd . . . No1 5 αR = + 1 ; , 即压面为例计算每天的温度场 、位势高度场和 u 风当 两个 场完 全反 相 似 F= ?F、 1 2 α R = - 1 ; 当两个场完全无关时 , 有 R有 < 0时 , 场跟冬季典型场的相似性系数 , 得到 3 个时间序 列 , 如图 1 所示 。可见 , 3 个变量场相似性的变化 = 0 。 应注意 ,幵不相同 , 高度场相似性一年只有两次过 0 , 一次如果场 F1 和 F2 退化为一维向量 , 那 ( ) 位于 5 月上旬 , 一次位于 10 月初 , 可以分别代表 么公式 3跟时 间 序 列 的 相 关 系 数 公 式 有 些 相 ( ) 昡季转换期和秋季转换期 ; 温度场相似性有 4 次 似 , 两者的区别在于公式 3没有减掉均值 。这 过 0 , 前两次位于 1 月底和 2 月初 , 表示北半球冬 个性质造成的结果是 , 空间场型不变 , 统一改变 ( 季平流层增温 1995 年幵不是爆发性增温年 , 即 场值的大小也会导致相似性的变化 。这样的性质 本次增温的强度没有达到爆发性增温定义所 对于描述气象要素场的变化是恰当的 。 ) 的程度, 后两次位于 4 月初和 9 月上旬 , 表示季 取 F为函数 F 的典型冬季场 , F为函数 F 的 w s 节转换 ; 风场相似性有 6 次过 0 , 其中前 2 次不温 典型夏季场 , 一般情况下 F不 F的相似性幵不等w s 度相似 性的 前 两次 相同 , 对应 冬 季 平 流 层 增 温 , 于 - 1 。为了凸显两者的差异 , 需要先消去共同的 第 3 次和第 4 次位于 3 月下旬 , 同第 5 次过 0 一起 部分 : 表示昡季转换期间相似性振荡反复的过程 。从逐 1 3 ) ( )( 4 + Fs .F = Fw2 ( ) 年逐高度的相似性时间序列 图略分析 , 将昡此时得到 季转换日期定义为相似性系数 R在昡季最后一次 w 3 F′= Fww - F , 由正值变为负值的日期 , 秋季转换日期定义为相 3 F′= FF F,′ ( )ss w5 - = - 似性系数 R在秋季第一次由负值变为正值的日期w 3 (θλ)= θλ() ′,, p , t FF ,, p , t- F , 是合适的 , 在数学处理上也是简明的 。在此定义 ( )(θλ) 、w和′ Fs的′ 相 似 性 R w t F计算 F′,, p , t不 下 , 1995 年 10 h Pa 高度场昡季转换期比温度场和 ( ) Rt,s 风场晚 1 个多月 ; 高度场秋季转换期比温度场晚 ( ) ( )R? F,′ F′/ [ ‖F‖′‖?F‖′] , R? 6 w ww s 大半个月 , 比风场晚几天 。 ( ) F,′ F′/ [ ‖F‖′‖?F‖′] ,( )ss 7 据此 , 以下进一步计算分析 1979～2005 年平 显然 , 去掉公共部分之后 , Rw ?- Rs , 即两者只 流层低层季节转化日期 。为了避免低纬度的 QBO 是简单的反相关系 。在后面的计算分析中统一使 信号对季节变化的干扰 , 选取 20?N～871 5N? 作为 用 R。w 计算范围 。采用 27 年 12 、1 、2 月平均作为冬季 典型场型 , 6 、7 、8 月平均作为夏季典型场型 。 31 2 季节过渡日期随经度的变化3 平流层中低层的季节转换 为了分析不同经度的季节转变日期是否一致 , ( )冬 北半球平流层中低层 不包括热带地区 将此范围 按照 经度 平均 分 为 8 块 , 分 别 计 算 昡 、 季环流特征是环极西风 , 夏季环流特征是环极东 27 年标准差 , 区域 1 ～8 分别秋季转换日期及其 风 。在每年的 4 、5 月由冬季环流转为夏季环流 ,为 0E?～421 5E? 、45E?～871 5E? 、90E?～1321 5E? 、 到 9 月再转回冬季环流 。除了这个稳定的季节转 135E? ～ 1771 5?E 、180?W ～ 1371 5?W 、135?W ～ ( ) 换之外 , 在冬季平流层爆发性增温 SSW期间 , 921 5?W 、90W?～471 5W? 、45W?～21 5?W 。 也会出现环极东风 , 维持时间大概几天到十几天 。图 2 显示 8 个区域平流层温度场 、高度场和 () 在东西风的季节转变过程中 , 纬向风转换层出现 风场昡季转换日期随高度 300 h Pa 至 10 h Pa的 概率高 , 维持时间长 , 出现范围大 , 因此判断平 分布 。可以看到 , 使用空间场相似性方法计算平流层何时出现季节转换 , 对于研究纬向风转换层 流层季节转换日期 , 由 3 个变量场得到的结果幵 是重要的 。下面通过纬向 u 风场 、温度场和位势 不完全同步 。图 2 的 8 个子图可以分为两类 , 图 2a 、2 b 、2c 、2 g 、2 h 对 应 非 太 平 洋 区 , 图 2d 、高度场的变化计算平流层季节转换日期 。 2e 、2f 对应太平洋区 。在非太平洋区 , 温度场的 31 1 季节划分的标准 () ( ) 季节变化最早 , 10～100 h Pa 范围基本保持同步 ,使用公式 1和 2, 以 1995 年 10 h Pa 等 在 4 月初转变为夏季型 , 100～300 h Pa 范围季节, 在整个平流层中下部呈现逐层下传的特温度场 变化日期随高度陈低而滞后 , 300 h Pa 最迟 , 在 5点 , 10 h Pa 和 300 h Pa 等压层的季节转变同温度 场一致 , 而 150 h Pa 等压层的季节转变同温度场 月上旬转变为夏季型 。高度场的季节变化落后于 5 期 周昕家等 : 北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究 569 Z HO U Xinjia , et al . A nalysi s of t he Cha ract eri stic s of Zo nal Wind Rever se L ayer in t he lo wer a nd . . . No1 5 差别最大 , 可以达到 30 天 。环流场的季节过渡最使得昡季过渡期被提前 。 迟 , 10 h Pa 处同温度场和高度场差别不大 , 随高 4 为北半球不同经度范围温度 、高度和纬 图 度陈低落后日期增加 , 在 150 h Pa 处落后时间最 向风场秋季转换日期的垂直分布 。同昡季转换日 长 , 比高度 场 落后 20 天 , 比温 度 场落 后 50 天 。期分布一样 , 也分为太平洋区和非太平洋区 。非 太平洋区 3 个变量的季节过渡期差别小 , 尤其是 在太平洋区 , 3 个变量场的前后关系要复杂一些 。 在 70 h Pa 以下 三者 保 持同 步变 化 。而 在太 平 洋 10～30 h Pa 高度范围环流场的季节变化最早 , 温 度场和高度场大致相等 , 落后环流场 5 ～10 天左 区 , 三者之间的差别要大一些 。特别是 , 整个北 半球温度场的秋季过渡日期幵不在全部高度上随 右 。30～70 h Pa 范 围温 度场 最早 , 环流 场次 之 , 高度场最迟 。70 h Pa 以下高度同非太平洋区一致 ,高度的陈低而单调滞后 , 在 100 h Pa 处达到滞后 最大 , 之后随高度陈低季节转变期提 前 , 在 200 3 个 场 在 150 h Pa 处 达 到 的 季 节 变 化 的 最 大 日 期差 。 h Pa 处达到极大值 , 较之 100 h Pa 处提前约 10 ～ 图 3 为北半球平流层不同经度范围昡季转换 20 天 。从图 5 可以看到 , 秋季转换日期的标准差 日期标准差随高度的分布 。可见 , 在 1979 ～2005 的比昡季小 , 说明其年际差异小 , 即秋季转换出 现的日期更集中 , 而且在秋季上下层转换同步性 的 27 年中 , 温度 场的 昡季 变 化日 期 年 际 差 别 最 大 , 大概在 15～20 天之间 , 环流场跟高度场的差 更高 。 () ( ) 别小一些 , 为 10 天左右 。这是因为在 SSW 爆发根据公式 4、 5的原理分析 , 冬季典型时温度场受影响最大 , 变化也最剧烈 , 在冬末出 场型不夏季典型场型的共性越小 , 则计算得到的 ( ) 相似性越有效 。在平流层中部 10～70 h Pa, 冬 现的爆发性增温结束之后温度场往往依然保持极 区热 —中低纬冷的梯度指向 ,直至正式进入夏季 ,季为低纬冷 、高纬暖 、西风环流 ,而夏季为低纬 图 3 北半球不同经度范围平流层温度场 、高度场和风场昡季转换日期标准差随高度的分布 Fig1 3 St a nda r d deviatio n of sp ri ng sea so nal t ran sitio n p erio d i n st rato sp here i ndicat ed u si ng t e mp erat ure , hei ght , a nd wi nd o ver diff erent lo ngit ude ba nds i n t he No rt her n Hemi sp here 图 4 同图 2 , 但是为秋季转换日期 Fig1 4 Sa me a s Fig1 2 but i n aut u mn 暖 、高纬冷 、东风环流 , 冬 、夏季场型之间几乎, 太平流层根据季节变化大体可以分为两个区域 是反相关系 , 因此相似性系数的有效性较高 。在 平洋区和非太平洋区 , 两者间的差别幵不是很大 , ( ) 平流层低层到对流层顶范围 100～300 h Pa, 冬 即季节过渡一般在整个纬圈同步进行 。 31 3 夏季均为低纬暖 、高纬冷 , 西风环流占优 , 冬夏 季节过渡日期随纬度的变化 季场型之间共性较大 , 因此相似性的有效性较低 , 为了分析平流层中低层季节转换随纬度的变 得到的季节差别不明显 。特别是在西风急流面附 将计算范围按照纬度平均分为 化 ,4 块 , 分别计 () 近 约 200 h Pa纬向温度梯度较小 , 温度场的变 算昡 秋 季 转 换 日 期 。4 个 区 域 分 别 为 871 5?N ～ () () 化主要反映天气尺度变化而使得计算得到的季节 721 5N ? 区域 1、70N? ～55N ? 区域 2、521 5N? () () 转换受到太多来自小尺度的影响 , 不再适用于判 ～371 5N ? 区域 3、35N?～20N ? 区域 4。 图 6 是北半球不同纬度区昡季时季节转换日 断半球范围内大气的季节变化 。 ( ) 总体来看 , 在平流层中部 10 ～ 70 h Pa 的 期和标准差随气压高度的分布 。可以看到 , 由高 季节转换是自上而下传递进行的 , 这从高度场转 度场计算得到的北半球平流层昡季过渡日期随纬 换特别是 在由 冬向 夏的 转 换过 程中 看最 为明 显 ; 度变化最不显著 , 区域 1 和区域 2 为从上向下传 ( ) 而在平流层下部 100 ～ 300 h Pa 季节转换在垂 递 , 且斜率保持一致 , 区域 3 总体上下各层同步 直方向的传递关系复杂一些 , 不能看作简单的从 过渡 , 在 150～300 h Pa 的小段范围内为从下向上 传递 , 区域 4 总体为从上向下传递 , 在 150～300 上向下戒者从下向上传递 。在昡季 , 一般温度场 最先变化 , 高度场次之 , 环流场最迟 ; 在 10 h Pa h Pa 的小段范围内为从下向上传递 。上下各层的 和 300 h Pa 高度三者差别最小 , 150 h Pa 处三者间 过渡日期差别在一个月以内 , 最早出现在 4 月初 , 的差别最大 。在秋季 , 70 h Pa 以上温度场最先变 最迟出现在 5 月中旬 , 尤其是在 521 5?N ～371 5N ?区 () 化 , 高度场和环流场的转换时间很接近 。北半球 间 区域 3, 上下各层的差别只有 10 天左右 , 5 期 周昕家等 : 北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究 571 Z HO U Xinjia , et al . A nalysi s of t he Cha ract eri stic s of Zo nal Wind Rever se L ayer in t he lo wer a nd . . . No1 5 图 5 同图 3 , 但是为秋季转换日期 Fig1 5 Sa me a s Fig1 3 but i n a ut u mn 同步性非常好 。由风场计算得到的过渡日期空间南方地区较晚 , 这一点在平流层中部 10～100 h Pa 分布要复杂一些 。区域 1 、2 、3 上下各层差别很 之间尤为明显 。 大 , 在 100～150 h Pa 有一个分界点 , 分界点以下 31 4 确定平流层季节过渡日期的方法 从以上 分 析 中 可 以 看 到 , 通 过 位 势 高 度 场 、斜率较大 , 而分界点以上斜率较小 , 特别是在区 风场和温度场得到的平流层季节转换日期幵不相域 3 , 分界点 以 上 基 本 保 持 同 步 。区 域 4 在 150 h Pa 也存在分界点 , 分界点以下为从下向上传递 , 同 , 在有些标准气压层甚至会相差很进 。造成这 分界点以上各层基本保持同步 。根据温度场计算 个结果的原因主要有两个 。第一个原因是各变量 得到的昡季过渡日期更为复杂 。区域 1 、2 的昡季 场确实不是同步变化的 , 我们选取的 3 个变量场过渡日期最早发生在 100 h Pa , 随后向上下两个方 对大气环流调整过程的敏感性不一样 , 在类似弱 向传递 。在区域 3 、4 的过渡日期线更是显示为多 SSW 事件 , 温度场最为敏感 , 首先发生翻转 , 风 段折线 。 场次之 , 位势高度场最稳定 , 这样就导致了三者 之间存在较大的差异 。第二个原因 , 也是最主要 从昡季转换日期的多年标准差来看 , 区域 1 、 的原因在于平流层中各物理场的季节变化虽然比 2 、3 中位势高度场标准差最小 , 温度场和风场接 近 , 区域 4 位 势 高 度 场 和 风 场 差 不 多 , 温 度 场 对流层中要显著和鲜明的多 , 但各年份的突变程 较大 。 度幵不相同 , 有的年份接近理想突变 , 而有的年 份在过渡 期 存 在 一 个 振 荡 、反 复 、渐 变 的 过 程 。 由这 3 个变量计算得到的秋季转换日期和标 ( ) 准差随 气 压 的 分 布 图 7 跟 昡 季 类 似 , 不 再 所以把 Rw 发生正负反转作为季节过渡的标准 , 必 然出现很多分歧 。尽管如此 , 简明的数学处理和 详述 。 总的来看 , 平流层季节转换日期随纬度的变 清晰的物理意义 , 使得这个方法仍然不失为一个 化是比较明显的 。北方地区平流层季节过渡较早 , 合理的好方法 。 ( ( ) ) 图 6 北半球不同纬度平流层昡季 a 、b 、c 、d转换日期及其 e 、f 、g 、h标准差随高度的分布 ( ) ( ) a , b , c , dSp ri ng mea n a nd e , f , g , hst anda r d deviatio n of sea so nal t ra n sitio n p erio d i n st rato sp here i ndicat ed u si ng Fig1 6 t e mp e2rat ure , height , and wi nd i n diff erent latit ude bands i n t he No r t her n He mi sp here 涡崩溃期间辐射加热和波动上传共同作用带来的通过对逐年逐气压高度 Rw 时间序列的仔细分 析 , 在平流层中下部 10 ～ 70 h Pa 范围内温度场 、 () 魏科等 , 2007。 平流风场不温度场的复杂变化 高度场和风场的变化同步性高 , 突变性强 , 不同 层大气环流的季节过渡在纬向是接近同 纬度间差别小 , 温度 、高度 、风场均可作为判断 步进行的 , 而在经向则不同步 , 无论是昡季还是 季节变化的变量 。而在平流层下部 100～300 h Pa , 秋季北方地区一般都早于南方地区 。平流层中部 不同纬度之间和不同变量之间的差异较大 。在高 () 10～70 h Pa季节过渡是从上向下进行的 , 而平纬地区 , 风场已经不能用来判断季节变化 , 因为 ( ) 流层下部 100 ～ 200 h Pa 季节过渡的上下传递 环流场中的小尺度结构掩盖了整体变化 , 使得由 关系则比较复杂 , 在不同的纬度 、不同的季节有 () 公式 5计算得到的相似性被噪声所淹没 , 不再 可能从上向下传递 , 也有可能从下向上传递 。而 具有整体代表性 。在高纬地区温度场和高度场保 且在平流层下部冬季环流不夏季环流之间的共性 证同步变化 , 均可用于判断季节变化 。低纬地区 较大 , 季节突变性较低 , 通过二维相似性方法计高度场依然保持突变性 , 温度场和风场则起伏不 算得到的季节转换日期的有效性不如平流层中部 。 定 , 不宜用作判断标准 。 综合以上分析 , 位势高度场最适合用来判断 4 平流层中低层纬向风的季节变化 平流层中下层的季节过渡日期 。利用逐日位势高 度场数据 , 通过计算空间场相似性时间序列来判 由 31 2 节和 31 3 节的分析可知 , 在中纬度地 断平流层季节过渡日期是最为合适的方法 , 使用 区平流层特别是平流层中部 , 地转风的季节变化此方法可以将北半球平流层大气做为一个整体进 在宽度大致为 15的纬?带范围内幵没有太大差异 。 行考虑 , 避免了小尺度结构的干扰 , 特别是在极 ( ) 因此 , 我 们 选 择 北 京 地 区 40N? 和 福 建 地 区 5 期 周昕家等 : 北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究 573 Z HO U Xinjia , et al . A nalysi s of t he Cha ract eri stic s of Zo nal Wind Rever se L ayer in t he lo wer a nd . . . No1 5 图 7 同图 5 , 但为秋季 Fi g1 7 Sa me a s Fig1 5 , but i n a ut umn ( )25?N期 , 各年份之间东风风速的差异较小 , 且各层的 分别代表 521 5N?～371 5?N 和 35N?～20N? , 以了解风场变化的详细情况 。纬带进行研究 离散程度接近 。从纬向风的年际离散程度的角度 图 8 显示北京地区 27 年 10～300 h Pa 各高度 来讲 , 70 h Pa 可做为平流层中部和下部的过渡层 , 上纬向风的离散状况 。每幅图中有 6 条线 , 中间 70 h Pa 等压面以上 , 离散 程度 的季 节变 化明 显 , 两条线一条为中值 , 一条为平均值 , 两者非常接 冬季离散程度大 , 夏季纬向风离散程度小 , 且高 近 。中值线外侧的两条线分别为 75 %和 25 % , 最 度越高离散程度越大 ; 70 h Pa 等压面以下 , 离散 外端的两条线为上界线和下界线 。图中添加的两程度无明显季节变化 , 而且高度越低 , 离散程度 ( 条竖线为通过 521 5N? ～371 5N ? 31 3 节中所划分 的越大 , 全年均以西风为主 , 只有个别年份夏季出 ) 区域 3纬带位势高度场相似性计算得到的平流 现弱东风 。 层季节过渡日期 。从图中可见 , 平流层中低层纬图 9 给出福建地区 27 年 10～300 h Pa 纬向风 向风的离散状况随高度具有很大的不同 。10 ～50 离散状况 。可以看出 , 福建地区和北京地区相差 h Pa 范围内冬季东西风都可能出现 , 平均值为西 15 个纬度 , 两地纬向风的年际离散状况具有较为 ( ) 风 , 在冬至 即 平 流 层 冬 季 典 型 场 出 现 的 日 期明显的差别 。两个最明显的区别是 , 在 10 ～ 300 前后西风的优势程度也不相同 , 冬至之前西风的 h Pa 范围内 , 冬季福建地区的纬向风的年际离散 优势程度较冬至之后更强 , 这可能是由于平流层 程度都比北京地区小 , 东风优势程度都比北京地 冬季增温较多出现在上半年的缘故 。冬季纬向风区大 。值得注意的是 , 在福建地区 200 h Pa 和 300 各年份 之间 差 异很 大 , 而 且高 度越 高 差 异 越 大 。 h Pa 等压面上 , 夏季 6 、7 、8 月份纬向风中值线 在 10 h Pa 等压面 , 冬季有些年份会出现接近甚至 不零值线非常接近 。 - 1 () 超过 50 m ?s 的强西风 。10 ～50 h Pa 范围内夏图 8 中 10 、20 、30 h Pa 的 3 幅子图 图 8a2c 季期间均以东 风 为主 , 6 、7 、8 月 为纯 粹的 东风里面指示平流层昡季过渡日期的竖线比 27 年平均 ( ) 图 8 北京地区 27 年平流层中低层 10～300 h Pa纬向风离散状况 。图中添加的竖线为通过 521 5N? ～371 5N? 纬带位势高度场 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) () ( ) 相似性计算得到的平流层季节过渡日期 : a10 h Pa ; b20 h Pa ; c30 h Pa ; d50 h Pa ; e70 h Pa ; f 100 h Pa ; g ( ) 200 h Pa ; h300 h Pa ( ) Fi g1 8 Zo nal wi nd di sper sio n i n middle a nd lo wer st rato sp here 102300 h Pai n Beiji ng a rea . The vertical li ne s sho w t he sea so nal t ( ) ( ) () ra n sit p erio d i n st rato sp here i ndicat ed by si mila rit y coefficient of height i n 521 5?N2371 5N? latit ude ba nd : a10 h Pa ; b20 h Pa ; c ( ) ( ) () ( ) ( ) 30 h Pa ; d50 h Pa ; e70 h Pa ; f 100 h Pa ; g200 h Pa ; h300 h Pa 东风期开始日期提前约 5～10 天 , 50 h Pa 子图里27 年平均东风期开平流层昡季过渡日期的竖线比 ( 面前者比后者提前约 1 个月 。10～50 h Pa 的 4 幅 始日期落后约 5 天 , 20 、30 h Pa 的 2 幅子图 图() ) 子图 图 8a2d中表示平流层秋季过渡日期的竖 9 b 、9c中前者比后者落后 1 个月 , 而在 70 h Pa () 子图 图 9e里面两者几乎重合 。20～50 h Pa 的线比 27 年平均东风期结束日期落后约 40 天 。图 9 ( () ) 中 10 、50 h Pa 图 9a 、9 d的 2 幅子图里面表示3 幅子图 图 9 b2d中表示平流层秋季过渡日期 5 期 周昕家等 : 北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究 575 Z HO U Xinjia , et al . A nalysi s of t he Cha ract eri stic s of Zo nal Wind Rever se L ayer in t he lo wer a nd . . . No1 5 图 9 同图 8 , 但为福建地区的情况 Fig1 9 Sa me a s Fig1 8 , but fo r Fujia n a rea ) 的竖线比 27 年平均东风期结束日期提前约 5 ～1040 天, 北京地区昡季及福建地区昡秋季平流层中 () 天 , 10 h Pa 和 70 h Pa 的 2 幅子图 图 9a 、9e中 部东风期起止日期跟平流层季节过渡日期之间的 前者比后者落后约 5 天 。 差别均在 10 天以内 , 即平流层中部东风期的起止 由此可以看到 , 除了北京地区平流层中部东 日期不纬带位势高度场相似性计算得到的平流层 ( 风期结束日期不秋季过渡日期相差较大之外 约 季节过渡日期之间具有较好的对应关系 。 总的来看 , 在夏季北半球中纬度地区平流层; 考察平流层零风层维持时间联系起来分析研究 10～100 h Pa 层存在稳定东风期 , 高度越高则东风 和厚度的年际变化及其可能不对流层某些特征变 期越长且东风越强 。南部地区的东风期较北部地 化的关联 , 特别是纬向风转换异常不对流层环流 区更长 , 出现范围也更深厚 。在特定高度上的东和极端事件的关联 ; 研究平流层经向风转换空间 分布和变化特征及其不纬向风转换的关联 。风期前后往往均存在持续 10 天左右的弱风期 。值 ( ) 得注意的是 , 在南部地区 20N? ～ 30N? 200 ～ ( )参考文献 Ref e re nce s 300 h Pa 层夏季均为东西风周期出现 、大致对称的 弱风期 。 Bel mo nt A D , Da rt t D G , Na st ro m G D . 1975 . Va riatio ns of st rat2 o sp heric zo nal wi nds 20265 km 196121971 [ J ] . J . Appl . Met e2 5 结论和讨论 o r . , 14 : 5852594 . Kal nay E , Knan mit su M , Ki stler R , et al . 1996 . The N CEP/ N CA R 402yea r rea nal ysi s p roject [ J ] . Bull . A mer . 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Act a Met eo rolo gica Si nica i n Chi ne se , 28 () 流层低层 100 h Pa 至对流层顶的季节过渡比较 ( ) 3: 2342247 . 复杂 , 不能看作简单的单向传递 。 魏科 , 陇文 , 黄荣辉. 2007 . 北半球平流层极涡崩溃过程的动力诊 () ( 2北半球中纬度地区平流层中部 10～100 ( ) ( ) 断分析 [J ] . 中国科学 D 辑, 37 8 : 111021119 . Wei Ke , ) h Pa在夏季存在稳定东风期 , 高度越高则东风期 Chen Wen , Hua ng Ro nghui . 2007 . Dyna mic diagno si s of t he 越长且东风越强 。南部地区的东风期较北部地区 No rt her n He mi sp heric st rato sp heric polar vo rt ex collap se [ J ] . ( ) () ( ) Science i n Chi na Ser . Di n Chi ne se, 37 8: 111021119 . 更长 , 出现范围也更深厚 。东风期的起止日期不 Xue F , Zeng Q C. 1999 . Diagno stic st udy o n sea so nalit y a nd i nt er2 平流层季节转换期之间存在较好的对应关系 , 两 ( ) a nnual va ria bilit y of wi nd fiel d [J ] . Adv. At mo s. Sci . , 16 4: 者的差别一般在十几天以内 , 最大为 40 天左右 。 5372543 . 在特定高度上的东风期前后往往均存在持续 10 天 叶笃正 , 陶诗言 , 李麦村. 1958 . 在六月和十月大气环流的突变现 () 左右的弱风期 , 特别是在南部地区 20N?～30N? 平( ) 象 [J ] . 气 象 学 报 , 29 4 : 2492263 . Ye Duzheng , Tao Shi2 ( ) ya n , Li Maicun . 1958 . The abr up t cha nge of ci rculatio n o ver 流层下部至对流层上部 200 ～ 300 h Pa 整个 夏 No rt her n He mi sp here duri ng J une a nd Octo ber [J ] . Act a Met eo2 季均为东西风大致对称的弱风期 。 () ( ) rolo gica Si nica i n Chi ne se, 29 4: 2492263 . 由于 N C EP/ N CA R 再分析数据的空间和时间 曾庆存 , 张邦林. 1992 . 论大气环流的季节划分和季节突变 I. 概 分辨率尤其是垂直分辨率比较比较粗 , 因此用它 ( ) 念和方法 [ J ] . 大 气 科 学 , 16 6 : 6412647 . Zeng Qi ngcun , 的数据计算得到的转换位置和时间不是非常精确 , Zhang Ba ngli n . 1992 . On t he sea so ns of general at mo sp heric ci r2 但是对 于 气 候 学 意 义 上 的 研 究 , 其 分 辨 率 是 足 culatio n and t hei r a br up t change s Pa rt I : General co ncep t a nd ( met ho d [ J ] . Chi ne se J o ur nal of At mo sp heric Science s i n Chi2 够的 。 ) ( ) ne se, 16 6: 6412647 . 下一步工作考虑将平流层纬向风转换不对流 ( )层风场转 型 如 冬 夏 季 风 、副 热 带 高 压 进 退 等