亚洲-西太平洋区域夏五年对流季节内振荡的特征

亚洲-西太平洋区域夏五年对流季节内振荡的特征

1天气尺度波动自20世纪70年代初madd发现带性气候季节发生扰动以来，已对40.50天的地表传播现象进行了研究[3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15]。结果表明，该及其传播具有区域和季节性特征。印度洋和西太平洋是相对于东海公风的地区。从冬季到春天，它主要是沿着东方传播的。在北半球夏季，由于北港和亚洲夏季风的作用，故有更复杂的空间结构和传播形式。这种复杂变化的特点可能是平均波浪、海气相互作用和多尺度系统之间的非线性相互作用的结果。在赤道太平洋中部生成的赤道混合Rossby重力波(MRG)接近浅水理论上得到的MRG,是一种大尺度、西传的关于赤道对称的扰动,主要活跃时期在8—11月。实际观测到的对流层低层的对流耦合MRG先出现在太平洋东部,纬向波长为6000~8000km,西传速度约20~25m/s,当MRG西传到西太平洋时会逐渐离开赤道向北移动,纬向波长减小到3000km,西传速度5~10m/s,并失去其关于赤道的对称性,成为热带低压(TD)型波动,这种波动往往成为西太平洋热带气旋(TC)的初始扰动。TC和MRG/TD波动属于相同周期的天气尺度系统,他们之间的关系密切。成熟的台风能量东传容易激发MRG,而MRG在西北传过程中与热带大气季节内振荡(MJO)对流耦合容易转变为TD型波动。MRG和TD型波动具有相同的频率,其主要区别在于MRG波主要活跃在日界线附近的赤道太平洋中部,而TD型波动主要活跃在西太平洋。本文中将MRG/TD波和TC等热带天气尺度波动统称为热带低压波动。在夏半年,西太平洋地区季风、ISO和活跃的热带扰动及台风活动的相互作用,对东亚地区天气产生强烈的影响。许多研究表明,具有行星尺度缓慢移动的低频ISO对高频的天气尺度波动(如TC)的生成有显著的影响,在ISO湿位相期间,TC生成多、发展强。目前已有文献报告了低频ISO对高频TC活动影响的研究,但北半球夏半年ISO的复杂传播特征及其与高频天气尺度波动的相互作用仍未得到充分认识。本文主要从观测事实,研究亚洲-西太平洋(AWP)区域夏半年ISO在不同区域和不同阶段的传播特征,以及初步探讨这种低频现象与高频热带天气尺度波动的联系。2采用波数-频率谱分析方法本文所用资料:(1)美国国家海洋和大气局提供的1979—2007年逐日平均向外长波辐射(OLR)资料和NCEP/NCAR850hPa逐日平均再分析风场资料,格距为2.5°×2.5°;(2)美国国家联合台风预警中心1996年TC资料。文中夏半年为5—10月,所有资料均经过预处理,即利用谐波方法滤除夏半年年平均季节循环后求取各物理量的距平(异常)值。(1)利用有限区域的波数-频率谱分析方法研究AWP区域ISO的传播特征。此方法主要是将Hayashi(1982)发展成熟的全球时空功率谱分析方法应用到一定区域上,分析某要素在某区域的主要振荡的传播方向和周期。(2)利用超前或滞后线性回归方法合成ISO各位相模。该方法在很多对ISO传播位相特征的研究中得到应用。具体步骤为:首先确定能代表某周期振荡的某物理量要素强度指数时间序列,作为代表该振荡强弱变化的指数,其他物理量基于该指数时间序列进行时序滞后线性回归,得到具有相同振荡信号的回归值。采用超前和滞后回归是为了得到周期内的位相模态。(3)用Butterworth带通滤波方法进行低频ISO和高频热带低压波动对流信号的识别。根据功率谱分析选择ISO的主要周期进行滤波。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滤波代表高频热带低压波动的对流信号。3亚洲-西太平洋区夏季和夏季6个月的振幅传播特征3.1对流活跃区域的影响用30~60d滤波的对外长波辐射异常(OLRA)标准差的多年气候平均值(图1),代表对流ISO的平均强度。可见,强度大于12W/m2的对流活跃区域主要位于印度洋和西北太平洋的110~150°E,0~20°N区域上,反映了夏半年对流ISO的主要活跃区域为亚洲季风区,其原因与海温、陆地分布和海洋上空湿度等低层边界条件有关。因此,本文将着重对20°S~30°NAWP整个区域、印度洋与西太平洋区域的ISO传播特征进行对比研究。3.2纬向1波在awp区域的传播特征用有限区域波数-频率谱分析方法可对整个印度洋到西太平洋区域的ISO传播特征进行研究,对不同区域而言,这种特征可能是不同的。本文对印度洋、西太平洋及亚太区域的夏半年OLRA多年平均功率谱能量分析表明,在传播波中各区域纬向1波的能量谱贡献相当于其余(2~10波)能量谱的总和。在不同区域,尽管波长不同,但纬向1波在整个区域传播的ISO为主要分量。因此下面主要讨论各区域纬向1波的传播特征。如图2a,在整个AWP区域(40~180°E),赤道附近南北纬5°范围内,OLRA以约30~60d周期向东传播为主,其最强谱能量约40d周期;在10~20°N,则同时存在东传和西传的特征,东传周期仍约为30~60d周期,而西传周期约为20~50d,以约30d周期为主,西传的速度比东传快。对比印度洋区域(40~110°E,图2b)和西太平洋区域(110°E~180°,图2c)的功率谱特征可见,在印度洋区域,存在以沿赤道约30~60d周期东传为主的传播特征,在10°N附近也保持这种东传特征,西传谱能量较小;在西太平洋区域,能量谱值比在其余两个区域大,表明夏半年ISO的传播在西太平洋区域最活跃,在10~20°N,传播特征以约20~40d周期西传为主,最强周期约为25~30d,而在赤道附近仍以东传约30~40d周期为主。3.3西传波的季节特征ISO初夏(5—7月)和晚夏(8—10月)的季节特征见图3。在整个AWP区域,初夏时期沿赤道东传约30~60d周期的谱能量占主要,而在20°N附近则是西传约50d周期谱能量为主(图3a);晚夏,赤道地区东传约30~60d周期谱能量比初夏的弱,东传约50d周期为主的谱能量北移到10~20°N,该地区同时存在西传约25~35d周期的主要谱能量。从初夏到晚夏,西传波活动中心向南移至10~20°N,且周期变短;东传波活动中心则向北移,因此晚夏时东传和西传波的活动中心都在10~20°N。在西太平洋区域,整个夏季都以在10~20°N西传约25d周期为主,晚夏的西传功率谱能量最大值比初夏大得多,表明晚夏的西传波活动比初夏活跃。因此,除了地域特征,夏季ISO也具有季节特征,初夏以沿赤道东传为主,在晚夏则东传减弱,西传特征加强,赤道东传主要活动区域向北转移。以上对亚太区域夏半年ISO的气候传播特征分析表明,ISO存在东西传播的特征,具有显著的区域和季节特点。在整个AWP区域ISO沿赤道东传以30~60d周期的传播为主,在初夏或在印度洋区域ISO以沿赤道东传为主,而在晚夏或在南海-西太平洋区域沿10~20°N西传以20~40d周期的传播为主。西传波的时空尺度比东传波小,在晚夏的西太平洋区域上活动最强。许多研究用耦合Kelvin-Rossby波机制解释了这种东西传播特征,夏半年的变化主要由季节平均环流变化造成。4td-ora和iso-n-pb-nd-lra的垂直变化夏半年ISO的西传活动最活跃地区为西北太平洋,最活跃时段为8—10月,这个区域和季节恰恰是西北太平洋TC和MRG/TD波活跃的区域和季节。以往很多研究已表明,ISO对TC的活动有调制作用,但影响TC的低频气候因子不仅仅是ISO,TC的活动也可能对ISO产生反馈影响。以下分别构造代表ISO和热带天气尺度波动信号的指数时间序列,进行两种不同时空尺度现象相互联系的探讨。根据功率谱分析,赤道地区以东传30~60d周期为主,而副热带地区存在西传约25d周期为主,因此使用20~70d滤波代表ISO信号,经过该波段滤波的OLRA记为ISO-OLRA。由于夏半年ISO的西传主要位于西北太平洋区域,定义120~140°E,10~20°N为关键区,关键区面积平均的ISO-OLRA值代表ISO对流强度,1979—2007年夏季逐日ISO-OLRA强度序列构成了ISO对流强度指数时间序列,并进行标准化,得到反映ISO信号的标准化指数序列,序列长度为5336d。对29年夏半年OLRA逐日资料进行3~7d带通滤波,代表含有高频热带低压波动信号OLRA(TD-OLRA)。图4为TD-OLRA的夏半年年气候平均标准差,表示热带天气尺度波动的气候平均强度。由图4可见,大于20W/m2的对流最大值区(阴影)位于日界线附近,大于18W/m2最大值主要位于太平洋中部到120°E以东的热带西北太平洋,南北对称的对流活跃区仅在日界线附近,表明这些区域是MRG/TD波对流活跃区域。因此,用TD-OLRA逐日资料可以很好反映MRG/TD对流波动。由于TD波动的时空尺度小,长时间序列的异常平均值会接近零,因此用TD-OLRA平方值代表TD波动的活跃度,平方值越大表示波动越活跃,反之则波动受到抑制。为了反映ISO与环流场、TD波动的关系,利用经过预处理的逐日OLRA、MRG-OLRA平方、850hPa流函数异常与ISO-OLRA对流强度标准化指数序列求-20~+20d的滞后线性回归,回归值以回归系数乘以-2.0的标准差表示。0d代表同时相关,得到与ISO联系的对流、环流和TD波的各位相模态(图5),各位相中的物理量均相当于经过了20~70d的带通滤波。从图5可见,在-20d时,强对流异常区(绿色)伴随着850hPa气旋性环流异常在印度洋区域强盛发展,西北太平洋为对流抑制区(紫色)和850hPa反气旋性环流异常,热带西太平洋上主要为东风异常,反映出此时该区域为副热带高压所控制,此阶段为西太平洋夏季风间断期。-15d,强对流区沿赤道向东发展,进入西太平洋到达日界线附近,低层反气旋性环流异常减弱;-10d,东移到西太平洋的一部分强对流继续沿赤道东移越过日界线,另一部分在(140~160°E)区域向南北传播,对流南侧的850hPa西风异常也进入西太平洋。-5d和0d,强对流异常在日界线附近不再东传,而主要向西北传播,在0d时面积达到最大、强度最强;850hPa气旋性环流异常控制西北太平洋,西风异常也向东伸展,为夏季风盛行阶段,此时印度洋上空为对流抑制区控制,0d与-20d的模态成为反位相。之后直到+15d,强对流在西北太平洋区域逐渐减弱,印度洋的对流抑制区沿赤道东移,重复着-20d到0d时深对流的传播路径,在+20d(图略)时重新回到与-20d相同的形态,正好形成一个约40d周期的对流ISO的完整传播过程。在对流传播过程中,低层西风异常和气旋性环流伴随着强对流,东风异常和反气旋性环流伴随着抑制对流也完成了一个周期的传播。图5中还可以看到,在对流ISO传播过程中,反映TD波动信号的TD-OLRA平方的回归系数值(红粗线)在西太平洋区域达到振幅正最大值,当ISO强对流异常在西太平洋发展向西北传时,回归系数正值也发展增大,并在0d时达到最大值,在西北太平洋区域与ISO深对流区重合,反映了TD波动的活跃。在印度洋上空的强对流异常区,只有小范围的TD-OLRA平方的回归系数正值区与其相伴,且值较小,表明TD波动比西太平洋区域弱。在对流抑制区,是负回归系数值,反映此区域TD波活动受到抑制。这些统计结果表明,TD波动中含有ISO信号,高频天气尺度波动与ISO对流异常同位相,当两者共同传播到西太平洋区域时,TD波动加强,并与ISO深对流一起向西北加强传播。与ISO联系的TD波动主要在西北太平洋区域活跃和加强,与对流ISO活动同位相,是ISO信号的一部分。注意到,同样的低层环流异常,印度洋区域和赤道日界线附近的强ISO对流与TD波动重合后,并未使该区域高频波动进一步加强发展,可见TD波动的加强活跃还与西北太平洋上独特的季风环流、暖池环境和海气相互作用有关。5iso-olra强对流区的表现由于TC的时空尺度及其传播形态与高频天气尺度波动一致,且高频波动中也包含TC的活动,本节通过个例分析西北太平洋TC与ISO的联系。图6是1996年7月21日—8月2日一次ISO强对流在西北太平洋的西北传过程。可以看到,7月21日,ISO-OLRA深对流(红虚线)已到达西太平洋区域,随后不断缓慢增强并向西北传,27、30日达到最西北,强度最强,8月2日强度减弱;ISO的850hPa西风异常(细实线)一直伴随在ISO-OLRA的南侧,这种异常西风从印度洋延伸到西太平洋中部,为TC的发生发展提供了有利环境,在ISO-OLRA强对流区中,总相伴着多个TC的活动。7月21日(图6a),有3个热带低压:9608号Frankie、9609号Gloria和9610号Herb的中心分布在110~155°E,10~20°N区域,处于ISO-OLRA强对流异常区内,随着这3个TD的加强和西北移动,ISO-OLRA强对流区也加强并向西北传;7月24日(图6b)9609号Gloria向西北移动并加强为台风,ISO-OLRA强对流也同时加强并向西北传;7月27日(图6c)9610号Herb加强为强台风,同时一个新的TD(9611)在其东南侧生成;7月30日(图6d)强台风9610号Herb和9611TD继续向西北移动,在它们的东南侧,又一个新的TD-kirk生成。27—30日是TC个数多、强度最强的阶段,ISO对流也达到最强。这种情形与图5中显示的TD-olra强对流与ISO-OLRA强对流的信号在西北太平洋区域重叠是一致的。可见,ISO对流传播到西太平洋地区时,可使大气对流不稳定层结加强,ISO对流为TD/TC的发展提供了更多的初始扰动,且ISO西风异常有利于季风槽的加强,从而产生有利于TD对流发展的环境,促使热带低压群发和TC的发展加强;而当群发的TD对流(包括加强发展的TC对流)与ISO对流同位相时,一方面两者叠加使ISO振幅加强;另一方面,由于积云对流加热反馈为主的CISK-Kelvin和CISK-Rossby波理论、因边界层海气相互作用引起的高频不稳定Kelvin-Rossby耦合波理论是ISO产生的主要物理机制,因此热带气旋群发对流产