亞洲-西太平洋區(qū)域夏五年對流季節(jié)內(nèi)振蕩的特征

亞洲-西太平洋區(qū)域夏五年對流季節(jié)內(nèi)振蕩的特征

1天氣尺度波動自20世紀70年代初madd發(fā)現(xiàn)帶性氣候季節(jié)發(fā)生擾動以來，已對40.50天的地表傳播現(xiàn)象進行了研究[3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15]。結(jié)果表明，該及其傳播具有區(qū)域和季節(jié)性特征。印度洋和西太平洋是相對于東海公風的地區(qū)。從冬季到春天，它主要是沿著東方傳播的。在北半球夏季，由于北港和亞洲夏季風的作用，故有更復雜的空間結(jié)構(gòu)和傳播形式。這種復雜變化的特點可能是平均波浪、海氣相互作用和多尺度系統(tǒng)之間的非線性相互作用的結(jié)果。在赤道太平洋中部生成的赤道混合Rossby重力波(MRG)接近淺水理論上得到的MRG,是一種大尺度、西傳的關(guān)于赤道對稱的擾動,主要活躍時期在8—11月。實際觀測到的對流層低層的對流耦合MRG先出現(xiàn)在太平洋東部,緯向波長為6000~8000km,西傳速度約20~25m/s,當MRG西傳到西太平洋時會逐漸離開赤道向北移動,緯向波長減小到3000km,西傳速度5~10m/s,并失去其關(guān)于赤道的對稱性,成為熱帶低壓(TD)型波動,這種波動往往成為西太平洋熱帶氣旋(TC)的初始擾動。TC和MRG/TD波動屬于相同周期的天氣尺度系統(tǒng),他們之間的關(guān)系密切。成熟的臺風能量東傳容易激發(fā)MRG,而MRG在西北傳過程中與熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(MJO)對流耦合容易轉(zhuǎn)變?yōu)門D型波動。MRG和TD型波動具有相同的頻率,其主要區(qū)別在于MRG波主要活躍在日界線附近的赤道太平洋中部,而TD型波動主要活躍在西太平洋。本文中將MRG/TD波和TC等熱帶天氣尺度波動統(tǒng)稱為熱帶低壓波動。在夏半年,西太平洋地區(qū)季風、ISO和活躍的熱帶擾動及臺風活動的相互作用,對東亞地區(qū)天氣產(chǎn)生強烈的影響。許多研究表明,具有行星尺度緩慢移動的低頻ISO對高頻的天氣尺度波動(如TC)的生成有顯著的影響,在ISO濕位相期間,TC生成多、發(fā)展強。目前已有文獻報告了低頻ISO對高頻TC活動影響的研究,但北半球夏半年ISO的復雜傳播特征及其與高頻天氣尺度波動的相互作用仍未得到充分認識。本文主要從觀測事實,研究亞洲-西太平洋(AWP)區(qū)域夏半年ISO在不同區(qū)域和不同階段的傳播特征,以及初步探討這種低頻現(xiàn)象與高頻熱帶天氣尺度波動的聯(lián)系。2采用波數(shù)-頻率譜分析方法本文所用資料:(1)美國國家海洋和大氣局提供的1979—2007年逐日平均向外長波輻射(OLR)資料和NCEP/NCAR850hPa逐日平均再分析風場資料,格距為2.5°×2.5°;(2)美國國家聯(lián)合臺風預警中心1996年TC資料。文中夏半年為5—10月,所有資料均經(jīng)過預處理,即利用諧波方法濾除夏半年年平均季節(jié)循環(huán)后求取各物理量的距平(異常)值。(1)利用有限區(qū)域的波數(shù)-頻率譜分析方法研究AWP區(qū)域ISO的傳播特征。此方法主要是將Hayashi(1982)發(fā)展成熟的全球時空功率譜分析方法應用到一定區(qū)域上,分析某要素在某區(qū)域的主要振蕩的傳播方向和周期。(2)利用超前或滯后線性回歸方法合成ISO各位相模。該方法在很多對ISO傳播位相特征的研究中得到應用。具體步驟為:首先確定能代表某周期振蕩的某物理量要素強度指數(shù)時間序列,作為代表該振蕩強弱變化的指數(shù),其他物理量基于該指數(shù)時間序列進行時序滯后線性回歸,得到具有相同振蕩信號的回歸值。采用超前和滯后回歸是為了得到周期內(nèi)的位相模態(tài)。(3)用Butterworth帶通濾波方法進行低頻ISO和高頻熱帶低壓波動對流信號的識別。根據(jù)功率譜分析選擇ISO的主要周期進行濾波。研究表明MRG/TD波的主要周期有3~5、3~6和3~7.5d,本文使用3~7d濾波代表高頻熱帶低壓波動的對流信號。3亞洲-西太平洋區(qū)夏季和夏季6個月的振幅傳播特征3.1對流活躍區(qū)域的影響用30~60d濾波的對外長波輻射異常(OLRA)標準差的多年氣候平均值(圖1),代表對流ISO的平均強度?？梢?強度大于12W/m2的對流活躍區(qū)域主要位于印度洋和西北太平洋的110~150°E,0~20°N區(qū)域上,反映了夏半年對流ISO的主要活躍區(qū)域為亞洲季風區(qū),其原因與海溫、陸地分布和海洋上空濕度等低層邊界條件有關(guān)。因此,本文將著重對20°S~30°NAWP整個區(qū)域、印度洋與西太平洋區(qū)域的ISO傳播特征進行對比研究。3.2緯向1波在awp區(qū)域的傳播特征用有限區(qū)域波數(shù)-頻率譜分析方法可對整個印度洋到西太平洋區(qū)域的ISO傳播特征進行研究,對不同區(qū)域而言,這種特征可能是不同的。本文對印度洋、西太平洋及亞太區(qū)域的夏半年OLRA多年平均功率譜能量分析表明,在傳播波中各區(qū)域緯向1波的能量譜貢獻相當于其余(2~10波)能量譜的總和。在不同區(qū)域,盡管波長不同,但緯向1波在整個區(qū)域傳播的ISO為主要分量。因此下面主要討論各區(qū)域緯向1波的傳播特征。如圖2a,在整個AWP區(qū)域(40~180°E),赤道附近南北緯5°范圍內(nèi),OLRA以約30~60d周期向東傳播為主,其最強譜能量約40d周期;在10~20°N,則同時存在東傳和西傳的特征,東傳周期仍約為30~60d周期,而西傳周期約為20~50d,以約30d周期為主,西傳的速度比東傳快。對比印度洋區(qū)域(40~110°E,圖2b)和西太平洋區(qū)域(110°E~180°,圖2c)的功率譜特征可見,在印度洋區(qū)域,存在以沿赤道約30~60d周期東傳為主的傳播特征,在10°N附近也保持這種東傳特征,西傳譜能量較小;在西太平洋區(qū)域,能量譜值比在其余兩個區(qū)域大,表明夏半年ISO的傳播在西太平洋區(qū)域最活躍,在10~20°N,傳播特征以約20~40d周期西傳為主,最強周期約為25~30d,而在赤道附近仍以東傳約30~40d周期為主。3.3西傳波的季節(jié)特征ISO初夏(5—7月)和晚夏(8—10月)的季節(jié)特征見圖3。在整個AWP區(qū)域,初夏時期沿赤道東傳約30~60d周期的譜能量占主要,而在20°N附近則是西傳約50d周期譜能量為主(圖3a);晚夏,赤道地區(qū)東傳約30~60d周期譜能量比初夏的弱,東傳約50d周期為主的譜能量北移到10~20°N,該地區(qū)同時存在西傳約25~35d周期的主要譜能量。從初夏到晚夏,西傳波活動中心向南移至10~20°N,且周期變短;東傳波活動中心則向北移,因此晚夏時東傳和西傳波的活動中心都在10~20°N。在西太平洋區(qū)域,整個夏季都以在10~20°N西傳約25d周期為主,晚夏的西傳功率譜能量最大值比初夏大得多,表明晚夏的西傳波活動比初夏活躍。因此,除了地域特征,夏季ISO也具有季節(jié)特征,初夏以沿赤道東傳為主,在晚夏則東傳減弱,西傳特征加強,赤道東傳主要活動區(qū)域向北轉(zhuǎn)移。以上對亞太區(qū)域夏半年ISO的氣候傳播特征分析表明,ISO存在東西傳播的特征,具有顯著的區(qū)域和季節(jié)特點。在整個AWP區(qū)域ISO沿赤道東傳以30~60d周期的傳播為主,在初夏或在印度洋區(qū)域ISO以沿赤道東傳為主,而在晚夏或在南海-西太平洋區(qū)域沿10~20°N西傳以20~40d周期的傳播為主。西傳波的時空尺度比東傳波小,在晚夏的西太平洋區(qū)域上活動最強。許多研究用耦合Kelvin-Rossby波機制解釋了這種東西傳播特征,夏半年的變化主要由季節(jié)平均環(huán)流變化造成。4td-ora和iso-n-pb-nd-lra的垂直變化夏半年ISO的西傳活動最活躍地區(qū)為西北太平洋,最活躍時段為8—10月,這個區(qū)域和季節(jié)恰恰是西北太平洋TC和MRG/TD波活躍的區(qū)域和季節(jié)。以往很多研究已表明,ISO對TC的活動有調(diào)制作用,但影響TC的低頻氣候因子不僅僅是ISO,TC的活動也可能對ISO產(chǎn)生反饋影響。以下分別構(gòu)造代表ISO和熱帶天氣尺度波動信號的指數(shù)時間序列,進行兩種不同時空尺度現(xiàn)象相互聯(lián)系的探討。根據(jù)功率譜分析,赤道地區(qū)以東傳30~60d周期為主,而副熱帶地區(qū)存在西傳約25d周期為主,因此使用20~70d濾波代表ISO信號,經(jīng)過該波段濾波的OLRA記為ISO-OLRA。由于夏半年ISO的西傳主要位于西北太平洋區(qū)域,定義120~140°E,10~20°N為關(guān)鍵區(qū),關(guān)鍵區(qū)面積平均的ISO-OLRA值代表ISO對流強度,1979—2007年夏季逐日ISO-OLRA強度序列構(gòu)成了ISO對流強度指數(shù)時間序列,并進行標準化,得到反映ISO信號的標準化指數(shù)序列,序列長度為5336d。對29年夏半年OLRA逐日資料進行3~7d帶通濾波,代表含有高頻熱帶低壓波動信號OLRA(TD-OLRA)。圖4為TD-OLRA的夏半年年氣候平均標準差,表示熱帶天氣尺度波動的氣候平均強度。由圖4可見,大于20W/m2的對流最大值區(qū)(陰影)位于日界線附近,大于18W/m2最大值主要位于太平洋中部到120°E以東的熱帶西北太平洋,南北對稱的對流活躍區(qū)僅在日界線附近,表明這些區(qū)域是MRG/TD波對流活躍區(qū)域。因此,用TD-OLRA逐日資料可以很好反映MRG/TD對流波動。由于TD波動的時空尺度小,長時間序列的異常平均值會接近零,因此用TD-OLRA平方值代表TD波動的活躍度,平方值越大表示波動越活躍,反之則波動受到抑制。為了反映ISO與環(huán)流場、TD波動的關(guān)系,利用經(jīng)過預處理的逐日OLRA、MRG-OLRA平方、850hPa流函數(shù)異常與ISO-OLRA對流強度標準化指數(shù)序列求-20~+20d的滯后線性回歸,回歸值以回歸系數(shù)乘以-2.0的標準差表示。0d代表同時相關(guān),得到與ISO聯(lián)系的對流、環(huán)流和TD波的各位相模態(tài)(圖5),各位相中的物理量均相當于經(jīng)過了20~70d的帶通濾波。從圖5可見,在-20d時,強對流異常區(qū)(綠色)伴隨著850hPa氣旋性環(huán)流異常在印度洋區(qū)域強盛發(fā)展,西北太平洋為對流抑制區(qū)(紫色)和850hPa反氣旋性環(huán)流異常,熱帶西太平洋上主要為東風異常,反映出此時該區(qū)域為副熱帶高壓所控制,此階段為西太平洋夏季風間斷期。-15d,強對流區(qū)沿赤道向東發(fā)展,進入西太平洋到達日界線附近,低層反氣旋性環(huán)流異常減弱;-10d,東移到西太平洋的一部分強對流繼續(xù)沿赤道東移越過日界線,另一部分在(140~160°E)區(qū)域向南北傳播,對流南側(cè)的850hPa西風異常也進入西太平洋。-5d和0d,強對流異常在日界線附近不再東傳,而主要向西北傳播,在0d時面積達到最大、強度最強;850hPa氣旋性環(huán)流異?？刂莆鞅碧窖?西風異常也向東伸展,為夏季風盛行階段,此時印度洋上空為對流抑制區(qū)控制,0d與-20d的模態(tài)成為反位相。之后直到+15d,強對流在西北太平洋區(qū)域逐漸減弱,印度洋的對流抑制區(qū)沿赤道東移,重復著-20d到0d時深對流的傳播路徑,在+20d(圖略)時重新回到與-20d相同的形態(tài),正好形成一個約40d周期的對流ISO的完整傳播過程。在對流傳播過程中,低層西風異常和氣旋性環(huán)流伴隨著強對流,東風異常和反氣旋性環(huán)流伴隨著抑制對流也完成了一個周期的傳播。圖5中還可以看到,在對流ISO傳播過程中,反映TD波動信號的TD-OLRA平方的回歸系數(shù)值(紅粗線)在西太平洋區(qū)域達到振幅正最大值,當ISO強對流異常在西太平洋發(fā)展向西北傳時,回歸系數(shù)正值也發(fā)展增大,并在0d時達到最大值,在西北太平洋區(qū)域與ISO深對流區(qū)重合,反映了TD波動的活躍。在印度洋上空的強對流異常區(qū),只有小范圍的TD-OLRA平方的回歸系數(shù)正值區(qū)與其相伴,且值較小,表明TD波動比西太平洋區(qū)域弱。在對流抑制區(qū),是負回歸系數(shù)值,反映此區(qū)域TD波活動受到抑制。這些統(tǒng)計結(jié)果表明,TD波動中含有ISO信號,高頻天氣尺度波動與ISO對流異常同位相,當兩者共同傳播到西太平洋區(qū)域時,TD波動加強,并與ISO深對流一起向西北加強傳播。與ISO聯(lián)系的TD波動主要在西北太平洋區(qū)域活躍和加強,與對流ISO活動同位相,是ISO信號的一部分。注意到,同樣的低層環(huán)流異常,印度洋區(qū)域和赤道日界線附近的強ISO對流與TD波動重合后,并未使該區(qū)域高頻波動進一步加強發(fā)展,可見TD波動的加強活躍還與西北太平洋上獨特的季風環(huán)流、暖池環(huán)境和海氣相互作用有關(guān)。5iso-olra強對流區(qū)的表現(xiàn)由于TC的時空尺度及其傳播形態(tài)與高頻天氣尺度波動一致,且高頻波動中也包含TC的活動,本節(jié)通過個例分析西北太平洋TC與ISO的聯(lián)系。圖6是1996年7月21日—8月2日一次ISO強對流在西北太平洋的西北傳過程。可以看到,7月21日,ISO-OLRA深對流(紅虛線)已到達西太平洋區(qū)域,隨后不斷緩慢增強并向西北傳,27、30日達到最西北,強度最強,8月2日強度減弱;ISO的850hPa西風異常(細實線)一直伴隨在ISO-OLRA的南側(cè),這種異常西風從印度洋延伸到西太平洋中部,為TC的發(fā)生發(fā)展提供了有利環(huán)境,在ISO-OLRA強對流區(qū)中,總相伴著多個TC的活動。7月21日(圖6a),有3個熱帶低壓:9608號Frankie、9609號Gloria和9610號Herb的中心分布在110~155°E,10~20°N區(qū)域,處于ISO-OLRA強對流異常區(qū)內(nèi),隨著這3個TD的加強和西北移動,ISO-OLRA強對流區(qū)也加強并向西北傳;7月24日(圖6b)9609號Gloria向西北移動并加強為臺風,ISO-OLRA強對流也同時加強并向西北傳;7月27日(圖6c)9610號Herb加強為強臺風,同時一個新的TD(9611)在其東南側(cè)生成;7月30日(圖6d)強臺風9610號Herb和9611TD繼續(xù)向西北移動,在它們的東南側(cè),又一個新的TD-kirk生成。27—30日是TC個數(shù)多、強度最強的階段,ISO對流也達到最強。這種情形與圖5中顯示的TD-olra強對流與ISO-OLRA強對流的信號在西北太平洋區(qū)域重疊是一致的?？梢?ISO對流傳播到西太平洋地區(qū)時,可使大氣對流不穩(wěn)定層結(jié)加強,ISO對流為TD/TC的發(fā)展提供了更多的初始擾動,且ISO西風異常有利于季風槽的加強,從而產(chǎn)生有利于TD對流發(fā)展的環(huán)境,促使熱帶低壓群發(fā)和TC的發(fā)展加強;而當群發(fā)的TD對流(包括加強發(fā)展的TC對流)與ISO對流同位相時,一方面兩者疊加使ISO振幅加強;另一方面,由于積云對流加熱反饋為主的CISK-Kelvin和CISK-Rossby波理論、因邊界層海氣相互作用引起的高頻不穩(wěn)定Kelvin-Rossby耦合波理論是ISO產(chǎn)生的主要物理機制,因此熱帶氣旋群發(fā)對流產(chǎn)