（气象学专业论文）近6年北太平洋风暴轴空间结构和时间演变特征研究.pdf

近6 年北太平洋风暴轴宅闻结构和时间演变特征研究 近6 年北太平洋风暴轴空间结构和时间演变特征研究 摘要 风暴轴( s t o r m t r a c k ) 是时间尺度小于1 周的瞬变涡动最为活跃、最为强烈 的区域。在风暴轴区域，位势高度方差、扰动动能和向极热量输送均具有最大值， 冬季风暴轴的强度强，位置偏南，夏季风暴轴的强度弱，位置偏北。在北半球最 显著的风暴轴区域分别位于中纬度的太平洋和大西洋上。风暴轴与每日天气图上 的气旋和反气旋路径紧密联系，对天气演变、天气预报和短期气候预测具有重要 的指示意义。根据风暴轴的变化规律，制定合理的航线对于保障我国航海作业、 科学考察等海上事业也具有十分重要的意义。本文利用最新q u i k s c a t ( q u i k b i r ds a t e l l i t em i c r o w a v es c a t t e r o m e t e rs e aw i n d sd a t a ) 高分辨率海面风场 资料、n c e p ( n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n ) 高斯网格资料和各 气压层再分析资料，对北太平洋风暴轴的高空、低层特征及其时间演变进行了分 析。验证了前人的部分研究成果，并取得了一些新的发现。 5 0 0h p a 以下北太平洋风暴轴的垂直变化较小，向极热量输送最大值出现在 8 5 0h p a 附近，扰动动能在5 0 0h p a 出现断裂多中心现象。本文利用最新的 q u i k s c a t 高分辨率海面风场资料验证了n a k a m u r a 在南大洋发现的双风暴轴现 象，并发现在北太平洋和北大西洋均存在“双风暴轴”现象。根据北太平洋双风 暴轴各自的纬度位置，本文命名北太平洋双风暴轴分别为副热带风暴轴和副极地 风暴轴，并统计了近6 年冬季北太平洋气旋和反气旋移动路径，为北太平洋双风 暴轴提供了观测依据。本文初步分析了北太平洋双风暴轴的时间演变，发现北太 平洋的双风暴轴仅出现于每年冬季，且副热带风暴轴的强度变化具有准2 年的振 荡特征，南北纬度位置变化具有准3 年的周期振荡特征。而副极地风暴轴则表现 出“强偏南，弱偏北”的配置特征。 关键词：风暴轴、双风暴轴、三维结构、时间演变 近6 年北太平洋风暴轴宅问结构和时问演变特征研究 s t r u c t u r ea n dt e m p o r aiv a ria tio no fs t o r mt r a c ko v e r t h en o r t hp a c i “ci n6r e c e n ty e a r s a b s t r a c t s t o r mt r a c ki sab a n d - r e g i o nw h e r eb a r o c l i n i cc y c l o n e sa l ed o m i n a n tw h o s ep e r i o d s a l el e s st h a no n ew e e k u s u a l l y , i nas t o r mt r a c kr e g i o no v e ro c e a l t s ，g e o p o t e n t i a l h e i g h tv a r i a n c e ，e d d yk i n e t i ce n e r g ya n dm e r i d i o n a lh e a t 仃a i l s p o r ta r em a x i m a l t h e r e a r et w oo b v i o u sr e g i o n so fm i d l a t i t u d es t o r mt m c k so v e rt h ep a c i f i ca n da t l a n t i ci n t h en o r t h e r nh e m i s p h e r e s t o r mt r a c ki sa s s o c i a t e dw i t ht r a c k so fc y c l o n e sa n d a n t i c y c l o n e s i nd a i l ys y n o p t i cc h a r t ，t h u si t m a yi m p a c tw e a t h e rc h a n g ea n d s h o r t - t e r mc l i m a t ev a r i a t i o n f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h es t o r mt r a c kv a r i a t i o n , p e o p l em a yd e s i g nm o r er e a s o n a b l eo c e a n i cn a v i g a t i o nr o u t e t h e r e f o r e ，s t u d yo f s t o r mt r a c ki so f g r e a ti m p o r t a n c e i nt h i sp a p e r , t h eh i g h - r e s o l u t i o nq u i k s c a t ( q u i k b i r ds a t e l l i t em i c r o w a v e s c a t t e r o m e t e rs e aw i n d sd a t a ) s e aw i n d sd a t a , n c e p ( n a t i o n a lc e n t e r sf o r e n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n ) 1 0 m - h e i g h tg a l l s s i a ng r i dd a t aa n dp r e s s u r el e v e l r e a n a l y s i sd a t aa l eu s e dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t o r mt r a c ki nu p p e r - a n d l o w e pt r o p o s p h e r eo v e rt h en o r t hp a c i f i c 舔w e l la si t st e m p o r a lv a r i a t i o n s o m e p r e v i o u sr e s u l t so ns t o r mt r a c ka l ec o n f i r m e d ，a n ds o m en e wd i s c o v e r i e sa b o u ts t o r m t r a c ko v e rt h en o r t hp a c i f i cs u c ha sd o u b l e s t o r mt r a c ka l ea l s of o u n d t h ei n t e n s i t yo fs t o r mt r a c ko v e rt h en o r t hp a c i f i ci st h em a x i m u mi nw i n t e ra n d t h em i n i m u mi ns l i m m e r i t sl o c a t i o ni si nl o w e r - l a t i t u d ei nw i n t e ra n d m h i g h e r - l a t i t u d ei ns u m m e r m e a n w h i l e ，t h em a x i m u mo fm e r i d i o n a lh e a tt r a n s p o r t v t e x i s ta r o u n d8 5 0h p a , a n ds e v e r a lc e n t e r so fe d d yk i n e t i ce n e r g ya l ef o u n di n 5 0 0h p a d o u b l e - s t o r mt r a c k ，n a m e da ss u b t r o p i c a la n ds u b p o l a rs t o r mt r a c k s ，i s f o u n do v e rt h en o r t hp a c i f i cb a s e du p o nt h ea n a l y s i so fh i g h r e s o l u t i o nq u i k s c a t s e aw i n d sd a t a d o u b l e s t o r mt r a c ki sd i v i d e da r o u n d4 5 0 n 1 1 1 e6m o s tr e c e n t w i n t e r sc y c l o n e sa n da n t i c y c l o n e st r a c k so v e rt h en o r t hp a c i f i ca r es u m m a r i z e dt o 近6 年北太平洋风暴轴宅问结构和时问演变特征研究 p r o v et h ef a c tt h a td o u b l e s t o r mt r a c ke x i s t si ne v e r yw i n t e r t h ep e r i o do fs u b t r o p i c a l s t o r mt r a c ki n t e n s i t yi sn e a r2 - y e a ra n dt h a to fi t sl o c a t i o ni sa r o u n d3 - y e a r s u b p o l a r s t o r mt r a c kb e h a v e st h a ti tm o v e st ol o w e r - l a t i t u d ei fi ti si n t e n s e ，b u tt o h i g h e r - l a t i t u d ei f i ti sw e a k e r k e y w o r d s ：s t o r mt r a c k ，d o u b l e s t o r mt r a c k , t h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ，t e m p o r a l v a r i a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ! 洼! 翅遗直基丝置要鳖型重盟 笪：查拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弩弗 签字日期：加饵月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储魏料 签字日期：沙西年6 月易日 学位论文作者毕业后去向： ” 工作单位：青岛午益筠缸为 通讯母址； 为昂磊却压伏龙山i 哆 导师签字： 彳 签字日期：歹工年石月宫日 电话：，j 2 阳铭8 形 邮编淄奶 近6 年北太平洋风暴轴宅问结构和时间演变特征研究 第一章引言 风暴轴( s t o r m t r a c k ) 一般是指天气尺度瞬变扰动最活跃的区域。在北半球 最显著的风暴轴区域有两个，分别位于中纬度太平洋和大西洋上。南半球的风暴 轴则分别位于中纬度印度洋、大西洋和太平洋上。风暴轴与每日天气图上的气旋 路径和反气旋路径是紧密联系在一起的，这就决定了风暴轴对天气演变、天气预 报和短期气候预测具有十分重要的指示意义( 朱伟军等，1 9 9 9 ) 。同时，根据风 暴轴强度和位置的变化规律，制定合理的航线对于保障我国航海作业、科学考察 等海上事业也具有十分重要的意义。 1 1 风暴轴的定义 中纬度风暴轴是斜压性气旋盛行的带状区域，在冬季较为强大，至今为止有 两种较为流行的风暴轴定义方法( h a r n i k ，2 0 0 3 ) 。早在1 9 5 6 年，p e t t e r s s e n 就从 天气学的观点出发，定义风暴轴为气旋的统计物理量，风暴轴区域是气旋常经过 的带状地区。这种定义直观的表明了风暴轴的位置和强度变化与气旋控制或经过 区域天气和气候变化之间的重要联系。 上世纪7 0 年代末，b l a c k m o n ( 1 9 7 6 ，1 9 7 7 ) 和l a u ( 1 9 7 8 ，1 9 7 9 ) 利用滤 波资料首次给出风暴轴的明确定义，即：风暴轴是时间尺度小于1 周的瞬变涡动 最为活跃、最为强烈的区域，反映为扰动方差或协方差统计量的最大值。这一定 义指出了风暴轴的统计特征和表现形式，也暗含了气旋与斜压波之间的内在联 系，而斜压波又通过传输热量、水汽和动量进一步影响着行星尺度流场( c h a n g ， 2 0 0 2 ) ，所以风暴轴的变化必定会导致行星尺度流场发生改变，从而影响天气和 气候变化。 1 2 风暴轴的前人研究工作 上世纪7 0 年代末，b l a e k m o n ( 1 9 7 6 ，1 9 7 7 ) ，l a u ( 1 9 7 8 ，1 9 7 9 ) 利用滤波 资料首次给出风暴轴的明确定义以来，风暴轴研究逐渐成为三维瞬变波动力学研 究中的一个重要分支。此后，h o s k i n s ( 1 9 8 3 ，1 9 9 0 ，2 0 0 2 。2 0 0 5 ) ，n a k a m u r a 近6 年北太平洋风暴轴宅问结构和时间演变特征研究 ( 1 9 9 2 ，2 0 0 2 ，2 0 0 4 ) ，朱伟军和孙照渤( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 等许多国内外学者对风 暴轴的结构、时间演变、维持机制及能量转换进行了深入的研究，揭示了风暴轴 的许多特征。 1 2 1 风暴轴的结构特征 观测特征：早在1 9 7 8 年，l a u 将北半球划分为7 大区域1 ，详细分析了周 期为2 5 6 天涡动的风速、温度和位势高度的方差和协方差的垂直分布，结果 表明这7 大区域存在显著不同的特征。在本文关注的北太平洋风暴轴区域，斜压 波活动频繁，瞬变波扰动动能和位势高度方差在3 0 0h p a 附近存在最大值中心， 西风动量通量的最强辐合和位涡最大经向输送也出现在3 0 0h p a 层附近。在对流 层低层和中层都具有较大的温度方差，涡动的向极和向上热量输送最大值出现在 对流层低层8 5 0 h p a 附近，涡动的向极热量输送几乎是纬向平均向极热量输送的 两倍。而在北美和欧洲大陆西部地区，温度方差和涡动向极热量输送在8 5 0h p a 均出现最小值。在北美和亚洲大陆东部，向极热量输送随高度的增加而减小。 斜压性：在分析中纬度天气系统的发展和移动过程中，分析其斜压性是惯 用的研究手段。研究学者常采用的度量斜压性强弱的参数有两个，一个是由 e a d y ( 1 9 4 9 ) 提出的e a d y 增长率( e a d yg r o w t hr a t e ) ： 盯= 0 3 1 f 筇& l n 一1 另一个是c h a m e y ( 1 9 4 7 ) 提出的斜压性参数 ，= f 2 防，瑟l 泅2 皿) 1 其中，n 是b r u n t - v a i s i l a 频率，h s 是密度标高( d e n s i t ys c a l eh e i g h t ) 。从斜压 性的分布情况来看，风暴轴东、西两端的结构存在明显差异，其西端为强的斜压 性结构，到了东端逐渐转交为相当正压结构( 朱伟军和孙照渤，1 9 9 9 ) 。 三维结构：h o s k i n s 等( 1 9 8 3 ) 给出了高通滤波后北半球冬季风暴轴涡动e 矢量三维分布示意图( 图1 1 ) 。示意图表示，由于低层大气斜压性的增强，在风 暴轴始端( 入口处) 的低层大气中有涡旋运动产生。涡动向上和向东传播，垂直 风切变减弱。涡动到达对流层上层并以水平方向向风暴轴末端( 出口处) 继续传 7 大区域为北半球两大急流入口区域、太平洋和大西洋风暴轴区域，北美和欧洲大陆西部地区班及亚洲大 陆中部地区。 2 近6 年北太平洋风暴轴守间结构和时问演变特征研究 播。经向拉伸的涡动形成东北西南向低压槽，出现向赤道传播的分量。示意图 从涡旋运动的角度出发，揭示了北半球冬季风暴轴的三维结构。此后许多学者都 对风暴轴的三维结构进行了分析，得到的结论都比较一致。朱伟军等人( 1 9 9 8 ) 就曾指出，风暴轴区域在3 0 0h p a 出现天气尺度西风动量的经向通量的强烈辐合， 辐合带位于北太平洋中、西部4 5 0 n 附近。在5 0 0h p a 高度上，风暴轴区域表现 为中纬度海洋上纬向拉长的天气尺度瞬交位势高度方差的极大值，这一特征被广 大研究人员作为5 0 0h p a 层上判断风暴轴强度和位置的重要依据。同时，在5 0 0 b p a 层上，天气尺度扰动动能增大的区域与天气尺度位势高度方差增大的区域是 对应一致的，说明在5 0 0h p a 风暴轴区域亦表现为天气尺度扰动动能的极大值， 这是判断风暴轴强度和位置的又一有效依据。在8 5 0h p a 气压层上，风暴轴区域 天气尺度涡动的向极热量输送和向上热量输送均显著增强。 前人对风暴轴结构的研究主要集中在3 0 0b p a 、5 0 0b p a 和8 5 0h p a 这三个气 压层上，对低层风暴轴的特征分析涉及较少。因此，利用高分辨率资料分析低层 风暴轴的特征，对于进一步认识风暴轴的三维结构和时间演变是十分必要和重要 的研究工作。 1 2 2 风暴轴的时间演变特征 用带通滤波( 2 5 - - 6 天) 后的5 0 0h p a 月平均位势高度方差纬向拉伸极大值 表示风暴轴的月平均强度，用其最大值中心所在经纬度表示风暴轴位置。太平洋 和大西洋风暴轴的强度均存在明显的月变化，即夏季风暴轴强度最弱，秋季开始 逐渐增强，到冬季达到最强，但冬季风暴轴强度峰值不唯一，会出现“双峰”现 象( 邓兴秀和孙照渤，1 9 9 4 ) ( 图1 2 a ) 。n a k a m u r a ( 1 9 9 2 ) 曾指出太平洋上的 斜压波在晚秋和早春活动频繁，而在冬季中期则明显减弱，这种特征在对流层上 表现明显。这主要是由于对流层中上层的西风急流大于临界值( 4 5m s ) 时，海 上的斜压波活动与其成反相关关系，波动振幅、经向通量和纬向动量都随风速的 增加而减小，这在一定程度上解释了“双峰”现象出现的原因。邓兴秀和孙照渤 ( 1 9 9 4 ) 还指出，风暴轴位置的南北摆动季节性变化规律明显，夏季风暴轴位置 偏北，冬季风暴轴位置偏南，春秋则处于过渡位置，但是风暴轴中心强度和位置 南北摆动的月变化是很复杂的( 图1 2 b ) 。 近6 年北太平洋风暴轴窄问结构和时间演变特征研究 此后胡增臻和黄荣辉( 1 9 9 7 ) 利用e c m w f ( e u r o p e a nc e n t r e f o r m e d i u m - r a n g ew e a t h e rf o r e c a s t s ) 1 9 8 0 一1 9 8 9 年客观分析逐日风场资料，以3 0 0 h p a l 月天气尺度扰动动能的极大值代表冬季风暴轴的强度和位置，指出风暴轴 中心强度在强年和弱年可相差l 倍以上，风暴轴中心纬度变化范围在3 0 0 n 一6 0 0 n 之间，北太平洋风暴轴中心强度和纬度位置的年际变化具有线性增强、北移的趋 势，且具有2 4 年周期振荡的显著特征( 图1 3 ) 。朱伟军和孙照渤( 2 0 0 0 ) 分 析了1 9 7 9 1 9 9 4 年1 5 个冬季平均的5 0 0h p a 滤波位势高度方差场，得到了类似 的结果。 1 2 3 风暴轴的维持机制 h o s k i n s 和v a l d e s ( 1 9 9 0 ) 考虑到中纬度天气系统热量输送在某种意义上对 于系统的发展具有至关重要的作用，采用线性静止波模式( l i n e a r s t a t i o n a r y w a v e m o d e l ) 分析了风暴轴的存在及其自维持机制。结论指出，风暴轴区域的非绝热 加热效应对北半球两大风暴轴区域斜压性的增强和风暴轴的维持有重要作用。初 始扰动是风暴轴区域的初始生成阶段的必要条件，如前一天气系统的残余就能够 诱发其生成，不断的上升运动导致的大气相互作用也能够为初始场扰动提供适当 条件。在暖气团中生成的天气系统在大尺度潜热释放的作用下得以发展，在冷气 团中低层感热有利于加强地面低压中心。风暴轴区域的非绝热加热与单个风暴的 水平和垂直运动有关，因此h o s k i n s 和v a l d e s ( 1 9 9 0 ) 提出了风暴轴的自维持机 制。同时，他们指出远离亚洲大陆和美洲大陆东海岸的暖洋面为冬季风暴轴的存 在也提供了必要的条件，这可以作为风暴轴自维持机制的另一依据。另外，涡动 作用引发的低层平均气流的风应力旋度驱动了湾流和黑潮，因此风暴轴驱动暖的 西边界流对风暴轴的存在也起到了重要作用。 基本气流及其局地不稳定对风暴轴的局地维持也具有重要作用，且这种作用 并不受到基本气流斜压性的影响( m a ka n dc a i ，1 9 8 9 ，1 9 9 0 ) 。l e e ( 1 9 9 5 ) 采 用简单正压模式证明了在没有斜压过程的条件下，基本气流的变化能导致局地瞬 变涡动动能极大值的出现，从而产生局地风暴轴。此外，下游发展机制和地形影 响也是风暴轴维持的原因。根据下游发展机制理论，在没有海陆分布造成的纬向 地表摩擦变化的假设下，风暴轴可以一直向下游延伸( c h a n ga n do r l a n s k i ，1 9 9 3 ) ， 4 近6 年北太平洋风暴轴空问结构和时间演变特征研究 可见地形对风暴轴的维持作用明显( l e ea n dm a l 【，1 9 9 6 ) 。根据上述的研究结果， 朱伟军和孙照渤( 1 9 9 9 ) 给出了风暴轴维持影响因素的示意图( 图1 4 ) 。从图上 可以直观的看到，基本气流的斜压不稳定和非绝热加热效应使得风暴轴西端( 入 口处) 斜压性增强，配合下游发展机制、地形影响，以及正常的能量耗敌，风暴 轴能够在一相对稳定的区域得以维持。 1 2 4 风暴轴的能量转换 根据l a u 在1 9 7 8 年的研究发现，在太平洋和大西洋西部，涡动的有效位能 向扰动动能转化，而在北美和欧洲大陆西部则有涡动的扰动动能向有效位能转 化，这两大区域恰好对应北半球两大风暴轴的入口区和出口区。可见，风暴轴区 域不仅具有最大的天气尺度涡动动能、有效位能，以及天气尺度涡动与时间平均 气流间剧烈的能量交换，在风暴轴的入口区和出口区，天气尺度涡动与时间平均 气流之间的能量转换同样存在，而且是反向的。 在风暴轴入口区，时间平均动能向涡动动能转换，时间平均有效位能向涡动 有效位能转换，涡动有效位能又向涡动动能转换。这样的能量转换效应使得风暴 轴入口区不断获得来自时间平均气流源源不断的能量，天气尺度涡动动能持续增 加，天气尺度涡旋得以发展而向东传播。在风暴轴的出口区，涡动动能向时间平 均动能和涡动有效位能转换，涡动有效位能又向时间平均有效位能转换，风暴轴 出口区不断消耗自身能量，使天气尺度涡动在此处减弱甚至消亡。如此的能量转 换过程循环往复，天气尺度涡动有规律的沿着风暴轴发生和移动( 邓兴秀和孙照 渤，1 9 9 5 ) 。风暴轴如此的能量转换机制也正是风暴轴能够停留在一个相对稳定 区域的维持机制。 1 3 北太平洋风暴轴的研究意义 北太平洋风暴轴区域是北半球天气尺度涡动活动最频繁的地区之一，它不仅 对大气环流的维持有一定影响，对北半球气候变化和天气现象的活动规律起着重 要的作用，而且北太平洋风暴轴的变化直接影响着我国的东部沿海地区及以东洋 面的天气变化，对我国的航海、科研和经济发展有着重要的研究意义。h o s k i n s ( 2 0 0 2 ) 利用1 9 7 9 - - 2 0 0 0 年e c m w f 资料详细分析了北半球冬季风暴轴海平面 近6 年北太平洋风暴轴空间结构和时间演变特征研究 气压、对流层低层和高层的经向风速、涡度、温度等物理量的分布特征，并根据 这些特征给出t ：l k , 大西洋对流层低层和高层风暴活动的主要路径示意图。值得指 出的是，前人对北太平洋风暴轴的研究多集中于8 5 0 h p a 至对流层顶，目前对使 用高分辨率观测资料更加细致地分析风暴轴低层特征的并不多，对风暴轴的认识 仍然是不够的，许多问题尚待进一步的研究。本文将利用最新的q u i k s c a t ( q u i k b i r ds a t e l l i t em i c r o w a v es c a t t e r o m e t e rs e aw i n d sd a t a ) 高分辨率资料、 n c e p ( n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n ) 海面1 0m 高度高斯网格资 料和各气压层再分析资料，对北太平洋风暴轴的三维结构特征，尤其是低层特征， 以及低层风暴轴的时间演变进行探讨。 1 4 本章小结 本章详细介绍了国内外风暴轴研究的发展程度和研究现状2 。自上世纪5 0 一 7 0 年代，p e t t e r s s e n ( 1 9 5 6 ) b l a e k m o n ( 1 9 7 6 ，1 9 7 7 ) ，l a u ( 1 9 7 8 ，1 9 7 9 ) 从不 同的角度出发给出风暴轴定义以来，风暴轴研究逐渐成为三维瞬变波动力学研究 中的一个重要分支。此后，h o s k i n s ( 1 9 8 3 ，1 9 9 0 ，2 0 0 2 ，2 0 0 5 ) ，n a k a m u r a ( 1 9 9 2 ， 2 0 0 2 ，2 0 0 4 ) ，朱伟军和孙照渤( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 等许多国内外学者对风暴轴的结 构、时间演变、维持机制及能量转换进行了深入的研究，揭示了风暴轴的许多特 征。至今为止，对北太平洋风暴轴的研究结果主要有以下几点： 1 ) 北太平洋风暴轴是北半球天气尺度涡动活动最为剧烈的地区之一； 2 ) 在北太平洋风暴轴区域内，涡动的平均动能、扰动动能、有效位能最大； 3 ) 北太平洋风暴轴西端入口区为强的斜压性结构，到东端出口区逐渐转变为相 当正压结构； 4 ) 北太平洋风暴轴区域在3 0 0h r a 出现西风动量经向通量的强烈辐合带，在5 0 0 h p a 表现为中纬度纬向拉伸的天气尺度瞬变位势高度方差的极大值和天气尺 度扰动动能的极大值，8 5 0h p a 上天气尺度涡动的向极热量输送和向上热量 输送均显著增强： 5 ) 北太平洋风暴轴的位置有明显南北摆动的季节性变化规律，且呈“冬强夏弱” 的变化趋势，冬季位置偏南，夏季位置偏北； 2 搜集并引用自1 9 5 6 年至2 0 0 5 年中外参考文献共3 8 篇。 6 近6 年北太平洋风暴轴空问结构和时间演变特钲研究 6 ) 北太平洋风暴轴年际变化具有线性增强、北移的趋势，而且强度具有2 4 年周期振荡的显著特征； 7 ) 北太平洋风暴轴维持机制的主要影响因素包括：基本气流的斜压不稳定、非 绝热加热、非地转平流效应( 下游发展机制) 和地形影响，其中斜压不稳定 和非绝热加热作用对北太平洋风暴轴的维持起主要作用； 8 ) 在风暴轴的入口区和出口区，天气尺度涡动与时间平均气流之间的能量转换 是反向的，这样的能量转换机制使得天气尺度涡动有规律地沿着风暴轴发生 和移动，风暴轴能够停留在一个相对稳定的区域。 7 近6 年北太平洋风暴轴空间结构和时间演变特征研究 、j 呸专白秀9 | 弋矿一 j 蓑娶， 一 确” 图1 1 北半球冬季风暴轴涡动e 矢量三维分布示意图( 引自h o s k i n s ，1 9 8 3 ) f i g 1 1 as c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l d i s t r i b u t i o n o f e v e c t o r f o r t h e h i g h - p a s s f i l t e r e de d d i e si nas t o r mt r a c k ( f r o mh o s k i n s ，1 9 8 3 ) 8 近6 年北太平洋风暴轴窄间结构和时间演变特符研究 图1 2 北太平洋风暴轴的月变化( 引自邓兴秀和孙照渤。1 9 9 4 ) ( a ) ：强度变化( g r a 2 ) ：( ”：位置变化 f i g 1 2m o n t h l yv a r i a b i l i t yo f s t o r mt r a c ki nt h en o r t hp a c i f i c ( f r o md e n ga n ds u n , 1 9 9 4 ) ( a ) ：i n t e n s i t y ( g m 2 ) ；( b ) ：l o c a t i o n 9 近6 年北太平洋风暴轴空间结构和时间演变特征研究 份 份) 图1 3 北太平洋风暴轴的年际变化( 引自胡增臻和黄荣辉，1 9 9 7 ) ( a ) ：强度变化( m 2 s 2 ) ；c o ) ：位置变化 f i g 1 3i n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo f s t o r mt r a c ki nt h en o r t hp a c i f i c ( f r o mh ua n dh u a n g , 1 9 9 7 ) ( a ) ：i n t e n s i t y ；( b ) ：l o c a t i o n 1 0 近6 年北太平洋风暴轴卒问结构和时问演变特征研究 图1 4 风暴轴维持机制的影响因素( 引自朱伟军和孙照渤，1 9 9 9 ) f i g 1 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f f a c t o r si nr e l a t i o nt ot h em a i n t e n a n c eo f s t o r mt r a c k ( f r o mz h ua n ds u n , 1 9 9 9 ) 堑! 兰! ! 奎兰堂垦墨塑! 塑笙塑塑堕旦堕奎堑堡墅壅 2 1 资科 第二章资料和方法 本文采用了最新的高分辨率q u i k s c a t 海面风场资料、n c e p 海面1 0i n 高 度高斯网格资料和各气压层再分析资料，分析北太平洋风暴轴的三维结构、低层 特征，以及风暴轴位置和强度的变化规律。使用的资料信息如下： q u i k s c a t 海面1 0m 高度风场资料是由美国国家航空航天局n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 提供的，该资料是利用雷达回波 判断海表面粗糙度，从而反演得到海面1 0m 高度风的风速和风向3 ，水平格距为 0 5o 0 5o ，时间间隔为1 2 h ，每日0 0 ，1 2u t c 有资料，下载地址为h t t p ：a i r s e & j p l n a s a g o v d a t a q u i k s c a t 。 2 1 2n c e p 资料 本文使用的n c e p 资料是由美国国家环境预报中心提供的海面1 0 m 高度高斯 网格资料和各气压层再分析资料。 高斯网格资料：海面1 0m 高度高斯网格资料采用t 6 2 高斯网格4 ，覆盖范围 为8 8 5 4 2o s - - 8 8 5 4 2o n 。00 e 一3 5 8 1 2 5o e ，时间间隔为6h ，每日0 0 ，0 6 ，1 2 ， 1 8u t c 有资料，下载地址为h t t p ：w w w c d c n o a a g o v d a t a s e t s n c e p r e a n a l y s i s 2 g a u s s i a n _ g r i d 。 3q u i k s c a t 资料的详细介绍摘自n a s a 官方网站h t t p a i r s e a j p l n a s a g o v d a t a d a t ah t m l 4t 6 2 高斯网格格点数为1 9 2 9 4 东西分辨率为1 8 7 5 0 ，南北为非均匀纠格，具体纬度为8 8 5 4 2 。8 6 6 5 3 ， 8 4 7 5 3 ，- 8 2 8 5 1 。8 0 9 4 7 ，- 7 吼0 4 3 ，7 7 1 3 9 ，- 7 52 3 5 ，7 3 3 3 l ，- 7 1 4 2 6 ，- 6 9 5 2 2 ，舯6 1 7 。- 6 5 7 1 3 ，6 38 0 8 ， - 6 1 9 0 3 ，一5 9 9 9 9 ，5 8 0 9 4 ，- 5 6 1 8 9 ，- 5 4 2 8 5 ，- 5 2 3 8 0 ，5 0 4 7 5 - 4 85 7 1 ，埘6 6 6 ，- 4 4 7 6 1 ，- 4 2 8 5 6 ，- 4 n 9 5 2 ， 3 9 0 4 7 ，- 3 7 1 4 2 ，3 5 2 3 8 ，- 3 3 3 3 3 ，3 i 4 2 8 ，- 29 5 2 3 ，- 2 7 6 1 9 ，- 2 5 7 1 4 ，- 2 3 8 0 9 ，2 1 9 0 4 ，- 2 0 0 0 0 ，1 8 0 9 5 ， - 1 6 1 9 0 ，1 4 2 8 6 1 2 3 8 1 ，1 0 4 7 6 ，一8 5 7 1 ，- 6 6 6 7 ，- 4 7 6 2 ，- 2 8 5 7 ，0 9 5 2 ，0 9 5 2 ，2 8 5 7 ，4 7 6 2 ，6 6 6 7 ， 8 5 7 1 ，1 0 4 7 6 ，1 2 3 8 l ，1 4 2 8 6 ，1 6 1 9 0 ，1 8 0 9 5 ，2 0 0 0 0 ，2 1 9 0 4 。2 3 8 0 9 ，2 5 7 1 4 ，2 7 6 1 9 ，2 9 5 2 3 ，3 1 4 2 8 ， 3 3 3 3 ，3 5 2 3 8 ，3 7 1 4 2 ，3 9 0 4 7 ，4 0 9 5 2 ，4 2 8 5 6 ，4 4 7 6 l t4 6 6 6 6 4 85 7 l ，5 0 4 7 5 ，5 2 3 8 0 5 4 2 8 5 ，5 6 1 8 9 ， 5 80 9 4 ，5 9 9 9 9 ，6 1 9 0 3 ，6 3 8 0 8 ，6 5 7 1 3 ，6 7 6 1 7 ，6 9 5 2 2 ，7 1 4 2 6 ，7 3 3 3 l ，7 5 2 3 5 7 7 1 3 9 。7 9 0 4 3 ，8 0 9 4 7 ， 8 2 8 5 1 8 4 7 5 3 ，8 6 6 5 3 ，8 8 5 4 2 。 近6 年北太平洋风暴轴空间结构和时间演变特缸研究 各气压层再分析资料：水平格距为2 5o x 2 5o ，垂直分为1 0 0 0 ，9 2 5 ，8 5 0 ， 7 0 0 ，6 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 ，3 0 0 ，2 5 0 ，2 0 0 ，1 5 0 ，1 0 0 ，7 0 ，5 0 ，3 0 ，2 0 ，1 0h p a 共 1 7 层，时间间隔为6 h ，每日o o ，0 6 ，1 2 ，1 8 u t c 有资料，本文使用到的物理 量有气温、位势高度、风的东西和南北分量，下载地址为h t t p ：w w w e d c n o a a g o v d a t a s e t s n c e p r e a n a l y s i s 2 p r e s s u r e 。 2 2 滤波方法 风暴轴是时间尺度小于1 周的瞬变涡动最为活跃、最为强烈的区域。在研究 中常采用2 5 6 天的带通滤波方法滤除噪音，以便更好的分析风暴轴的特征 ( h o s k i n sa n dh o d g e s ，2 0 0 2 ) 。本文采用以下两种滤波方法对资料进行处理： 2 2 1 理想带通滤波器 黄嘉佑、李黄( 1 9 8 4 ) 介绍的带通滤波器，是一种滤出中心频率f o ，频率范 围在2 2 的理想带通滤波器。对频率为的大气波动没有任何的削弱。该 带通滤波器的响应函数为： 滑动系数为： 日( 力= 滤波后的序列为： o ，p 季 参隧 眨1 ) m = 如l 岬f = 塞l 2 n 聊破卅 晓2 ， w o ：万1 1 2 2 日( d “，c l 2 月 z = 嵋一。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 近6 年北太平洋风暴轴宅问结构和时问演变特征研究 其中：1 1 为时间序列长度；t o = u f o 1 ；f = l 2 n ，2 2 n ，3 2 n ，l 2 ；当f d 2 _ f 2 f o 时，有h ( 0 0 。 由于该理想带通滤波器对于滤波频率要求是2 倍的关系，故本文选取的中心 频率为l 4 ，带通滤波范围为2 8 天，包含了风暴轴2 5 6 天的周期范围。 2 2 2 谐波分析 为了消除滤波器对滤波频率的限制，滤出2 5 6 天的波动，本文又采用了 谐波分析方法对数据进行带通滤波处理。根据谐波分析的原理，具有任意基本周 期t 的时问序列为： 肛”磐c o s 学咖删详f ) l ( 2 5 ) i z ll 11 j 傅氏系数： 铲丢参 。 眨s ， 吼2 三n t = o 薯c 。s ( 后埘) 2 7 ) b k2 音萎删n ( 砌) q 盘 其中，n 为时间序列长度，亦为基本周期t ；= 2 丌t 为基波频率；谐波周期 为t k = n k ，k = 1 ，2 ，p ；当n 为偶数时，p - - - - n 2 ；当n 为奇数时，p = ( n - 1 ) 2 。 本文研究的北太平洋风暴轴的周期范围为2 5 - - 6 天，若时间序列n = 6 2 ，则k = 5 ，6 ，1 2 。 2 3 物理量的定义 本文在对北太平洋风暴轴的研究过程中主要分析了以下3 个物理量： 1 ) 位势高度方差： 歹：t n ( z ，一- 2 ) ： ( 2 9 ) ，l 智一 1 4 近6 年北太平洋风暴轴空问结构和时间演变特征研究 其中，z l 代表t 时刻的位势高度场，乏是经时间平均后的平均位势高度场，n 为 时间序列长度。 2 ) 扰动动能： i = 主( 万+ 乃= 丢( 丢弘- - ) 2 + 去喜( v ，前) 包 其中，l | t 和v t 分别代表t 时刻的东西和南北风速分量，”和v 是经时间平均后东 西和南北平均风速分量，n 为时间序列长度。 3 ) 南北向热量输送： 一万= 丢喜( h 一) ( i 一乃 ( 2 1 1 ) 其中，v t 和t t 分别代表t 时刻的经向风速分量和温度，v 和t 是经时间平均后的 平均经向风速分量和平均温度，n 为时问序列长度。 2 4 本章小结 在研究中使用的数据是影响分析结果的重要因素之一，本文利用最新的全球 高分辨率海面1 0m 高度风场资料q l l 救s c a t 资料，弥补以往数据分辨率低、 海面资料少的不足，分析北太平洋风暴轴的低层特征。同时结合n c e p 各气压层 再分析资料，对风暴轴的高空特征进行分析验证。 由于风暴轴是时间尺度小于1 周的瞬变涡动最为活跃、最为强烈的区域，所 以观测和分析风暴轴特征必须将相应的波动滤出。理想带通器的优点在于运算简 便，但对滤波范围有必须为2 倍关系的限制。谐波分析方法的滤波范围相对比较 灵活，但对谐波的波数也做五限制，运算中要计算傅氏系数相对比较复杂。滤波 器各有利弊，得到的结果也往往存在一定的差异。本文在选取滤波器时，经过了 大量的文献考证和数据验证，最终选择理想带通滤波器和谐波分析两种方法对数 据进行滤波处理，以便全面地分析北太平洋风暴轴的低层特征，及其位置和强度 的变化规律。 近6 年北太平洋风暴轴宅问结构和时间演变特征研究 第三章风暴轴的结构特征 自1 9 5 6 年至今，前人对风暴轴结构的研究主要集中在8 5 0h p a 、5 0 0h p a 和 3 0 0h p a 这三个气压层上，揭示了许多风暴轴的高空特征，但对低层风暴轴的特 征分析较少。本文利用n c e p 各气压层再分析资料、海面1 0n l 高度高斯网格海 面风场资料和高分辨率q u i k s c a t 资料，通过比较冬