高等天氣學(xué)系列講座第十八講大氣遙相關(guān)型和低頻運(yùn)動(dòng)及其對(duì)中國天氣造成的影響

1、第十八講大氣遙相關(guān)型和低頻運(yùn)動(dòng)及其對(duì)中國天氣造成的影響高等天氣學(xué)系列講座單元六：大尺度環(huán)流的遙相關(guān)與低頻運(yùn)動(dòng)18.1 二維Rossby波頻散與大氣遙相關(guān)起源于熱帶的擾動(dòng)可以向中緯度傳播，影響那里的平均環(huán)流。圖是這樣一個(gè)例子?？梢钥吹綗釒Мa(chǎn)生擾動(dòng)以后以波列的形式向東北方向傳播，從而影響中高緯度的天氣和氣候。這種波動(dòng)向極地方向傳播的機(jī)制為二維羅斯貝波的能量頻散過程。如果一旦海表溫度異?；驖摕峒訜岙惓０l(fā)生在副熱帶西風(fēng)帶中，則可激發(fā)向外傳播的羅斯貝波，這種波的活動(dòng)與相當(dāng)正壓的羅斯貝外波相同。根據(jù)射線追蹤方法，其傳播路徑接近于球面上的大圓。 圖18.1 五層斜壓模式中北半球冬季平均氣流下的定常、線性解的

2、300hPa擾動(dòng)高度場(chǎng)。斜壓區(qū)為熱源，其垂直分布取的形式；實(shí)線表示正的等值線。當(dāng)垂直平均的最大加熱率為2.5Kd-1時(shí)，等值線間隔為20gpm 圖18.2 對(duì)類似于冬季300hPa氣流的平均風(fēng)而言的分布。把傳播解和衰減解分開；箭頭所指是55附近三波可能的范圍18.2 亞洲與太平洋地區(qū)的主要遙相關(guān)型（PNA型，JP型，EPA型，ISM-EASM型等）由熱帶熱源強(qiáng)迫的大氣運(yùn)動(dòng)大致上可以分成兩種主要的類型。一種是哈得萊型的環(huán)流。這也包括瓦克環(huán)流；另一種是遙相關(guān)場(chǎng)。這兩種類型響應(yīng)的基本差別在于它們的垂直結(jié)構(gòu)。在哈得萊型環(huán)流的響應(yīng)中，加熱引起低空輻合和高空輻散，對(duì)流層上部的反氣旋流出位于對(duì)流層下部的氣旋

3、性流入之上。大部分熱帶大尺度系統(tǒng)具有這種結(jié)構(gòu)。它們可以被稱作“斜壓”運(yùn)動(dòng)。哈得萊環(huán)流和瓦克環(huán)流實(shí)際上是準(zhǔn)靜止的斜壓響應(yīng)。第二種大氣響應(yīng)即遙相關(guān)場(chǎng)可以傳播到很高的緯度。這種類型的響應(yīng)基本上是正壓的，它在整個(gè)對(duì)流層具有相同的水平氣流結(jié)構(gòu)。 暖水期與北半球中緯度有一定遙相關(guān)。在暖水期，在北太平洋通常出現(xiàn)負(fù)的700hPa高度距平帶，這條帶向西擴(kuò)展到西伯利亞。在加拿大西部為正距平，美國東南為負(fù)距平。根據(jù)上面的討論可以概括出暖水期全球遙相關(guān)的分布（圖），其主要特征（PNA型）如下：（1）太平洋地區(qū)急流較強(qiáng)，并比常年位置偏南，結(jié)果夏威夷位于急流的反氣旋一側(cè)，即下沉區(qū)。這種關(guān)系反映在夏威夷降水和SO指數(shù)的相關(guān)

4、中，也反映在夏威夷和萊恩群島降水的負(fù)相關(guān)及10。N10。S，180。90。W地區(qū)海溫平均值與夏威夷降水負(fù)相關(guān)中；（2）在北太平洋中緯地區(qū)對(duì)流層中部高度距平為負(fù)。這種負(fù)距平也應(yīng)反映在海平面氣壓場(chǎng)上，因?yàn)樵谶@個(gè)地區(qū)系統(tǒng)是非常正壓的，因而上圖與Bjerknes和Namias對(duì)阿留申低壓的觀測(cè)分析（暖水期加深）是一致的；（3）在加拿大西部，對(duì)流層中部的位勢(shì)高度距平為正。因?yàn)檫@個(gè)地區(qū)低頻脈動(dòng)常常是高度斜壓的，所有這一點(diǎn)應(yīng)該更明顯地反映在地面溫度上，而不是更明顯的反映在海平面氣壓上；（4）在美國東南部為負(fù)高度距平中心。這既反映在地面溫度，又反映在海平面氣壓上。因?yàn)橛腥税l(fā)現(xiàn)在這個(gè)地區(qū)，海平面氣壓、500hP

5、a高度和1000500hPa厚度都互為正相關(guān)。圖18. 3 赤道太平洋暖水期北半球冬季中上對(duì)流層位勢(shì)高度距平分布的概略圖（PNA型）。雙箭頭代表南北半球副熱帶急流和東風(fēng)急流加強(qiáng)。小箭頭代表中部對(duì)流層流線，槽位于中太平洋，脊在加拿大西部；陰影區(qū)代表卷狀云和降水增加區(qū)；黑點(diǎn)代表4個(gè)臺(tái)站位置。熱帶地區(qū)熱源的變化或強(qiáng)迫作用是否也可以向中高緯度傳播呢？近年來的一些工作初步肯定了這種能量的傳播過程。圖是說明西太平洋地區(qū)夏季羅斯貝波列傳播的示意圖。在夏季，當(dāng)熱帶西太平洋的海表面溫度偏暖的時(shí)候，副熱帶地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)加強(qiáng)。從而產(chǎn)生云量的正PJ型（太平洋日本型）。對(duì)流活動(dòng)加強(qiáng)的結(jié)果，使菲律賓海15。N20。N地區(qū)

6、的熱源加強(qiáng)。以后大氣Rossby波對(duì)這種加強(qiáng)的熱源強(qiáng)迫產(chǎn)生響應(yīng)，并且通過北太平洋向北美傳播，這大約需5天時(shí)間。在東亞地區(qū)（包括中國大陸和日本地區(qū)）出現(xiàn)反氣旋環(huán)流異常，從而產(chǎn)生干熱的天氣。在30oN出現(xiàn)負(fù)相關(guān)，也就是低壓環(huán)流距平對(duì)應(yīng)于對(duì)流活動(dòng)的加強(qiáng)與海溫的增加。 圖18.4 說明SST異常，對(duì)流活動(dòng)和大氣Rossby波列關(guān)系的概略示意圖。這是對(duì)PJ型的。李崇銀與張利平進(jìn)一步指出，南海夏季風(fēng)的異常，通過東亞太平洋北美（EPA）大氣遙相關(guān)（波列）不僅會(huì)影響中國，韓國和日本地區(qū)的天氣氣候，而且也將影響美國的天氣氣候，尤其是夏季的旱澇。另一方面，印度夏季風(fēng)時(shí)期大量降水釋放的潛熱，通過激發(fā)Rossby波也

7、可以產(chǎn)生向北傳播的明顯的遙相關(guān)型。梁平德和郭其蘊(yùn)與王繼琴曾指出印度與華北的夏季降水存在穩(wěn)定而一致的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了，信度超過99.9 %。即這兩個(gè)地區(qū)旱澇具有同時(shí)發(fā)上的趨勢(shì)。近年來，許多的研究者十分關(guān)注這個(gè)遙相關(guān)型，不但以顯著性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)一步指出它的存在，而且給出了物理解釋。并且，又發(fā)現(xiàn)日本南部與印度的夏季降水呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能反映了由上述遙相關(guān)激發(fā)的亞洲中緯度地區(qū)波狀環(huán)流型的下游傳播。 圖18.5 強(qiáng)(上)和弱(下)南海夏季風(fēng)年北半球夏季500hPa高度場(chǎng)的相關(guān)形勢(shì) 李崇銀，張利平，1999陶詩言與陳隆勛（1985）的研究表明，在印度季風(fēng)強(qiáng)的夏季，東亞季風(fēng)的梅雨鋒往往偏弱，甚至有

8、的年份發(fā)生空梅。郭其蘊(yùn)與王繼琴（1988）發(fā)現(xiàn)印度夏季降水與我國華北降水存在顯著正相關(guān)。張人禾（1999）從印度季風(fēng)區(qū)水汽輸送的角度來解釋我國華北降水的異常，發(fā)現(xiàn)El Nio期間往往對(duì)應(yīng)著弱印度季風(fēng)，即El Nio盛期與弱印度季風(fēng)相聯(lián)系的弱水汽輸送不僅造成了印度地區(qū)水汽輸送的減弱，還導(dǎo)致向我國華北的經(jīng)向水汽輸送大幅削弱，使華北地區(qū)上空大氣可降水量產(chǎn)生顯著負(fù)異常，由此導(dǎo)致負(fù)的降水異常。Kripalani與Kulkarni（2001）從更大的空間尺度討論了印度夏季風(fēng)與東亞夏季風(fēng)的可能聯(lián)系。圖給出了全印度夏季降水與東亞夏季降水的相關(guān)。該圖不僅證實(shí)了印度夏季風(fēng)與中國華北夏季降水之間存在正相關(guān)關(guān)系，而且

9、還揭示了印度季風(fēng)降水與同期日本南部降水異常的負(fù)相關(guān)關(guān)系（ISM-EASM型）。圖18.6 69月全印度季風(fēng)降水量與同期東亞降水的相關(guān)（相關(guān)系數(shù)放大了10倍）。陰影區(qū)為通過95%信度水平的區(qū)域。（引自Kripalani與Kulkarni，2001） 關(guān)于印度季風(fēng)與東亞季風(fēng)降水異常的遙相關(guān)關(guān)系形成的物理機(jī)制目前還不十分清楚，Kripalani與Kulkarni（2001）推測(cè)有可能是通過北半球中緯度大氣環(huán)流與熱帶環(huán)流的相互作用實(shí)現(xiàn)的。最近，戴新剛等（2002）通過資料診斷發(fā)現(xiàn)印度夏季降水與東亞500hPa位勢(shì)高度有顯著的相關(guān)，印度夏季風(fēng)降水異常的潛熱釋放會(huì)激發(fā)一個(gè)區(qū)域的印度東亞遙相關(guān)型。當(dāng)印度夏季

10、風(fēng)降水偏多（少）時(shí)，中國大陸中東部易受正（負(fù)）高度距平或異常高（低）壓控制，副高易西伸（東縮），不（有）利于中國中東部尤其是江淮地區(qū)降水。氣候模式的數(shù)值試驗(yàn)還表明，這一遙相關(guān)型對(duì)東亞氣候異常十分重要，并且與印度洋海溫異常有關(guān)。印度洋海溫或南亞季風(fēng)降水異常不僅會(huì)引起500hPa高度場(chǎng)改變，而且會(huì)造成中低緯度緯向風(fēng)切變異常，然后通過斜壓波列和Walker環(huán)流影響到東亞，同時(shí)還可通過正壓波列影響東亞甚至北美的位勢(shì)高度場(chǎng)。18.3 北半球夏季的全球遙相關(guān)以上說明了存在著不少區(qū)域的遙相關(guān)如Tokyo-Chicago express, the silk road, IAM-EASM, J-P, EAP等。

11、這些遙相關(guān)型是否是獨(dú)立的？是否是由一種更大尺度的遙相關(guān)把它們聯(lián)系在一起？Hoskins與Ambrizzi（1993）揭示，基本氣流的結(jié)構(gòu)可能對(duì)Rossby波路徑有約束作用。高空急流區(qū)的強(qiáng)渦度梯度能夠形成一個(gè)波導(dǎo)，限制波活動(dòng)在一緯向帶中，并在頻散完前可向下游傳播到很長距離。Branstator（2002）發(fā)現(xiàn)北半求冬季全球遙相關(guān)被限制在急流波導(dǎo)中。Ding與Wang（2005）指出，夏季的高空急流與全球遙相關(guān)（CGT）有密切關(guān)系。圖是夏季平均200hPa高度標(biāo)準(zhǔn)差分布（6-9月）。最突出的變率中心位于東北大西洋與西歐北大西洋急流出口區(qū)。其它依次排列的最大變率的中心在亞洲中西部（N，65E），東亞

12、到阿拉斯加灣和北美北部。特別值得注意的是這些中心與夏季高空急流密切相關(guān)或位于下游急流的出口區(qū)。印度西北部的大變率中心區(qū)相應(yīng)于ISM-EASM遙相關(guān)的上游異常環(huán)流中心（烏茲別克和土庫曼斯坦東部）。圖是一點(diǎn)相關(guān)圖，其最明顯特點(diǎn)是東北大西洋西歐，東北亞，北太平洋和北美的氣壓變化近于與中亞西部同相（明顯正相關(guān)）。反之，俄羅斯歐洲部分（參考區(qū)上游）氣壓變化為明顯負(fù)相關(guān)。這種分布類似于ISM-EASM遙相關(guān)，是全球遙相關(guān)的一部分，即由一連串從歐亞到北美再到北大西洋的圍繞所有經(jīng)度的槽脊組成。如果相關(guān)點(diǎn)移到任一正相關(guān)中心，所得相關(guān)圖都得到同樣的全球波列分布（圖），有5個(gè)異常高壓（脊）中心固定在同一位置。這些異

13、常高壓中心的準(zhǔn)緯向排列主要位于35-45N，且CGT型近于有波數(shù)5的結(jié)構(gòu)。因而CGT可用于描述這種全球緯向波數(shù)-5遙相關(guān)型，即在西歐，俄羅斯歐洲部分，中亞西部，東亞，北大西洋，北美有6個(gè)主要活動(dòng)中心（見圖中的“+”與“-”號(hào)）。圖18.7 （a）200hPa北半球高度夏季（6-9月）標(biāo)準(zhǔn)差（等值線）與1948-2003年氣候平均的200hPa急流（15m/s區(qū)）（陰影）。(b)1948-2003年基點(diǎn)（方形區(qū)）與夏季200hPa高度（6-9月）單點(diǎn)相關(guān)圖。(c)說明CGT的6個(gè)活動(dòng)中心的概略圖（Ding與Wang，2005）與CGT相關(guān)聯(lián)的降水異常CGTI的定義：印度西北部參考區(qū)平均的200h

14、Pa位勢(shì)高度的年際變率（35-40N，60-70E），可用月平均值或季平均值。如脊位于此區(qū)，則CGTI符號(hào)為正。圖是6-9月各月正負(fù)CGTI年差值的降水分布。其共同特征是當(dāng)中亞西部有強(qiáng)高空正高度偏差時(shí)，在印度西北和巴基斯坦的ISM降水增加。這可能是季風(fēng)加熱產(chǎn)生了Gill型Rossby波型。它表明了與降水異常有關(guān)的局地環(huán)流異常的斜壓結(jié)構(gòu)。反映了中緯度西風(fēng)對(duì)ISM加熱源的一種響應(yīng)。明顯的降水距平也位于歐亞中緯地區(qū)與北美，它們與圖圖中的等值線分布密切相關(guān)。在每一月，西歐中部總是降水偏少，但負(fù)異常中心每月位置與強(qiáng)度都發(fā)生變化。北美的降水型每月變化更大，但總是出現(xiàn)西北東南的偶極型分布，尤其是7，8，9月

15、。7月的極性與其它月反向，這與遙相關(guān)型位相的相應(yīng)變化一致（圖與圖）。因?yàn)闁|亞CGT的反氣旋渦旋從6月到9月不斷北上，9月撤退，所以東亞降水異常略顯復(fù)雜。但主要特征是：沿黃河流域的華北地區(qū)（尤其在6，8月）降水增加，長江流域降水減少，8月和9月東南沿海降水明顯增加。由上可見與CGT異常有關(guān)，在西歐，俄羅斯歐洲部分，南亞，東亞和北美降水變化之間建立了密切聯(lián)系。一般當(dāng)印度西北和巴基斯坦有洪水時(shí)，西歐中部或北歐有干旱，而東歐多雨。同時(shí)在東亞，有一南北向偶極型，即華北多雨，長江少雨（圖）。在北美，6月為南北向seesaw，7，8，9月為西北東南向偶極分布。圖正負(fù)CGTI年Delaware全球降水（背景圖

16、）與臺(tái)站降水（小圖）差綜合圖。(a)6月，(b),7月，(c)8月，(d)9月。陰影區(qū)代表統(tǒng)計(jì)顯著性水平90%區(qū)（陰影；mm/月）。相應(yīng)的CGT在圖中由等值線給出。小圖中等值線間隔是30mm/月（-60，-30，30，60.）(Ding and Wang,2005)圖18.9 正負(fù)CGTI年200hPa高度差值綜合分布。(a)6月，(b),7月，(c)8月，(d)9月。等高線間隔是20m。陰影區(qū)超過95%信度區(qū)。(Ding and Wang, 2005)圖正負(fù)CGTI年700hPa高度差值綜合分布。(a)6月，(b),7月，(c)8月，(d)9月。等高線間隔是10m。陰影區(qū)超過95%信度區(qū)。(

17、Ding and Wang, 2005)。注意每一活動(dòng)中心的正壓結(jié)構(gòu)。圖18.11 8月正負(fù)CGTI年水汽輸送（1000-300hPa）差綜合圖。等值線代表水汽輸送散度。由圖可見，偏東氣流輸送十分明顯。由長江流域輸入，然后在內(nèi)陸分別轉(zhuǎn)向北與轉(zhuǎn)向南。結(jié)果在華北造成水汽輻合有利于降水，而在長江流域造成輻散，不利于降水（Ding and Wang，2005）。類似地表溫度差綜合圖也表現(xiàn)了沿CGT路徑的異常變化。例如相應(yīng)于中亞西部到北美的異常反氣旋環(huán)流，在帕米爾高原（每月），東北亞（6-8月），北美（6，8，9月），皆為正溫度距平，7月北美中部情況相反。圖18.12 正負(fù)CGTI年Delaware全球

18、地表溫度（陸地）與海洋ERSST差的綜合圖。(a)6月，(b)7月，(c)8月，(d)9月。陰影區(qū)代表統(tǒng)計(jì)顯著性水平95%區(qū)。相應(yīng)的CGT在圖中由等值線給出。 (Ding and Wang,2005)200hPa基本氣流的定常Rossby波數(shù)（Ks）分布圖表明（圖），對(duì)于6-9月，沿急流的主要總波數(shù)Ks在6-8之間。根據(jù)波導(dǎo)的寬度，經(jīng)向波數(shù)估計(jì)為5。因而，推出的沿全球波導(dǎo)的定常Rossby波緯向波數(shù)大約是5。顯然，這個(gè)結(jié)果與觀測(cè)到的CGT緯向波數(shù)-5結(jié)構(gòu)是一致的。上述結(jié)果強(qiáng)調(diào)了：強(qiáng)ISM可引起歐洲少雨，華北和俄羅斯歐洲部分多雨。而北美是反向的偶極型分布。而對(duì)于弱的ISM，異常降水分布相反。因?yàn)榕c強(qiáng)弱季風(fēng)有關(guān)的大氣環(huán)流型，大致上是互為鏡像。圖18.13 根據(jù)1948-2003年200hPa緯向氣流得到的定常Rossby波數(shù)（據(jù)Hoskins與Ambrizzi（1993）定義）。（a）6月，(b)7月，(