赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控.pdf
《赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控.pdf(14页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、姚彬彬,施春华,郭栋,等.2023.赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控 J.大气科学,47(4):12171230.YAOBinbin,SHIChunhua,GUODong,etal.2023.StratosphericArcticPolarVortexModulatedbytheSeaSurfaceTemperatureWarmingintheWesternEquatorialPacificinEarlySpringJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):12171230.doi:10.3878/j.issn.
2、1006-9895.2202.21254赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控姚彬彬施春华郭栋饶建南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/大气科学学院,南京 210044摘要平流层极涡异常对冬春季极端天气和极地臭氧亏损有重要指示意义。在 19792020 年 ERA5 再分析资料中,早春北极平流层极涡年际变率与热带太平洋海温第二模态(主要空间型为赤道西太平洋海温异常)有关。通过 CAM5 数值模拟,进一步揭示了赤道西太平洋海温异常影响平流层极涡的途径:冬春季赤道西太平洋增暖时,在暖海温区深对流降水加强,异常的潜热加热通过 Matsuno-Gill 响应在其西北侧激发了 Rossby
3、波(对流层上层的高压异常)。该 Rossby 波沿大圆路径在北太平洋调整了北半球最强的槽脊系统的强度和位置,从而使得经向风 1 波分量的振幅减小,经向风 3 波和温度 3 波分量的位相差增大。两者分别减弱了下平流层的 1 波和 3 波的波作用通量上传,更少的涡动热量通量向极输送促进了春季北极平流层极涡增强。关键词平流层极涡赤道西太平洋海面温度Rossby 波文章编号1006-9895(2023)04-1217-14中图分类号P434文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21254Stratospheric Arctic Polar Vortex Mod
4、ulated by the Sea SurfaceTemperature Warming in the Western Equatorial Pacific in Early SpringYAOBinbin,SHIChunhua,GUODong,andRAOJianKey Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME)/School of Atmospheric Sciences,Nanjing University of InformationScience&Technology,Nanjing 210044
5、AbstractStratosphericArcticvortex(SAV)anomaliescanprovideindicationsforsevereweatherandArcticozonelossesinwinterandspring.Inearlyspring,theSAVisconnectedtothesecondmodeoftheinterannualseasurfacetemperature(SST)intheTropicalPacificfrom1979to2020andthespatialpatternofSSTanomaliesinthewesternequatorial
6、PacificfromtheERA5reanalysisdata.ThespecificprogressofthewesternequatorialPacificSSTanomaliesaffectingtheSAVisrevealedusingCAM5numericalsimulations.Inwinterandspring,theSSTwarminginthewesternequatorialPacificcanintensifylocaldeepconvectiveprecipitation.TheanomalouslatentheatinginducesaRossbywave(hig
7、h-pressureanomaliesintheuppertroposphere)toitsnorthwestsideviatheMatsunoGillatmosphericresponse.TheRossbywavemodifiesthestrengthandpositionofthestrongesttrough-ridgesystemoftheNorthernHemisphereintheNorthPacificalongthegreatcirclepath,decreasingtheamplitudeofthemeridionalwindswave1andanincreaseinthe
8、phasedifferenceofwave3betweenthemeridionalwindandtemperature,resultinginlesswaveactivityfluxesofwaves1and3propagatingtothestratosphere.Finally,inthespring,decreasedpolewardtransmissionofeddyheatfluxenhancestheSAV.收稿日期2021-12-27;网络预出版日期2022-04-14作者简介姚彬彬,男,1995 年出生,硕士研究生,主要从事平流层对流层耦合研究。E-mail:通讯作者施春华,
9、E-mail:资助项目国家重点研发计划项目 2022YFF0801703,国家自然科学基金项目 41875048Funded byNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(Grant2022YFF0801703),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grant41875048)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023KeywordsStratosphere,Arcticvortex,Western
10、equatorialPacific,Seasurfacetemperature,Rossbywave 1 引言北极平流层极涡在影响冬春季对流层天气和气候的中扮演重要的角色(陈文和魏科,2009;WangandChen,2010;邓淑梅等,2015)。在冬春季,由于对流层异常信号的上传,平流层极涡会快速做出调整并产生下传信号,继而对地面天气产生影响(Reichleretal,2005;易明建等,2013;魏麟骁等,2014)。在这一过程中平流层极涡处于调整变化的状态。近年来备受关注的北极春季臭氧低值事件(1997、2011 和 2020 年)也与平流层强极涡背景密切相关(Manneyetal.,
11、2011;HuandXia,2013;Zhangetal.,2018;Hu,2020;Manneyetal.,2020),平流层极涡的持续性增强是其重要的动力背景。索春男等(2017)通过分析 1997 年和 2011 年北极地区平流层臭氧异常偏低事件,发现上传到平流层的行星波活动减弱,导致这两年平流层极涡异常加强,极地平流层温度异常偏低,生成了更多极地平流层云,从而导致了更强的臭氧化学损耗。同样的,行星波活动的减弱所造成的北极平流层持续的强极涡也是导致 2020 年创纪录的臭氧损耗事件的主要动力原因(Lawrenceetal.,2020;RaoandGarfinkel,2020)。因此,春季
12、平流层极涡持续性增强的归因分析就显得很重要。海温变化被认为是导致平流层极涡异常的重要原因之一(Hurwitz,2012;Huetal.,2018)。热带太平洋作为全球海面温度最高的区域,其增暖后会造成对大气的非绝热加热,使得大气对流活跃(Lau,1997),继而导致热带及热带外的环流异常(Xieetal.,2012;陶威和陈权亮,2018)。ENSO(ElNioSouthernOscillation)作为热带太平洋海温异常的一个最重要的年际模态,其影响平流层极涡的过程和机制已有不少讨论(如:任荣彩和向纯怡,2010;任 荣 彩,2012)。Garca-Herrera et al.(2006)发
13、现在厄尔尼诺(ElNio)年,热带海温异常会在其之后的冬春季,诱发正太平洋北美遥 相 关(PacificNorth American teleconnection,PNA)波列,导致阿留申低压加深(BarnstonandLivezey,1987),加强的阿留申低压与气候态大气波动相互作用,使得进入到平流层的行星波作用通量增多(GarfinkelandHartmann,2008;InesonandScaife,2009;SmithandKushner,2012),特别是纬向 1 波(LiandLau,2012;BarriopedroandCalvo,2014);异常向上传播的行星波进入到平流层后
14、破碎,减弱了平流层极涡。且厄尔尼诺强度越强,平流层极涡也会相应地变得更弱(Zhouetal.,2018)。而在拉尼娜(LaNia)年,平流层极涡会变的更强更冷(FreeandSeidel,2009;Izaetal.,2016)。除此之外,中部型 ElNio 对平对流层的影响与传统的东部型 ElNio 的影响是不同的,一些研究发现中部型厄尔尼诺类似 LaNia,增强平流层极涡(HegyiandDeng,2011;Xieetal.,2012)。也有研究关注北太平洋海温与平流层极涡的关系。PDO(PacificDecadalOscillation)是北太平洋海温异常的第一模态,它对平流层极涡有重要影
15、响。在PDO 的正位相,平流层极涡会显著减弱(Wooetal.,2015;Krenetal.,2016)。但是,也有研究(HuandGuan,2018)指出,在年代际尺度上,PDO 正位相时,平流层极涡反而会增强,主要由 1 波的减弱导致上传到平流层的行星波作用通量减少所引起的。鉴于平流层极涡异常对冬春季极端天气和极地臭氧异常有重要指示意义,进一步弄清平流层极涡异常的动力机制是有科学价值的。目前有关海温异常对北极平流层极涡的研究,主要关注了海温变化后平流层行星尺度 1 波和 2 波的响应。但区域性海温异常,究竟如何通过区域性环流异常影响到平流层行星尺度 1 波和 2 波,这些中间过程目前较少被
16、提及。此外,以往研究多关注行星波作用通量本身的整体变化,对于影响行星波作用通量的多个因子的详细讨论尚不多见。因此,我们试图从这些方面,揭示热带太平洋海温异常影响北极春季平流层极涡强度的物理过程和机制。2 数据和方法 2.1 数据欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的19792020 年的 ERA5 逐日再分析资料(Hersbachetal.,2020)。变量有海表温度、气温、位势、经大气科学47卷1218ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47向风和纬向风等。资料水平分辨率为 11,垂直等压面从 1000hPa 到 1hPa 共 37 层。2.2 波
17、活动通量二维子午圈平面上的准地转 Eliassen-Palm 通量(Edmonetal.,1980)被广泛用来诊断行星波活动和传播,其散度项是在动量方程的驱动因子之一。球面 p 坐标下二维 E-P 通量的分量及其散度可以表示为F=acosvu,(1)Fp=facospv,(2)(F,Fp)=1acos(Fcos)+pFp,(3)假设经向风和温度的 k 波分量的纬向分布为Vk=Vkcos(kk),(4)Tk=Tkcos(kk),(5)那么等压面上 k 波 E-P 通量的垂直分量,也就是公式(2)可以表达为Fp=a(p0p)2pVkTkcos(kk)sin(2),(6)也就是 k 波的 E-P 通
18、量垂直分量主要取决于经向风 k 波振幅、温度 k 波振幅、经向风 k 波和温度 k波的位相差以及所在纬度。尽管 E-P 通量可以描述波作用通量的经向垂直 传 播,但 在 表 征 其 纬 向 等 三 维 传 播 时,Plumb(1985)波活动通量被广泛使用,球坐标下Plumb 三维波活动通量可表示为Fs=pp0cosv212asin2(v)uv+12asin2(u)fSvT12asin2(T),(7)p0S=T/z+T/Hz=Hln(p/p0)Vk式中,F 和 Fp 分别表示二维 E-P 通量的水平分量和 垂 直 分 量,=1000 hPa,是关于 log-p 的垂直坐标,0.286是气体常数
19、与定压比热之比,H=8km 是标高。、kTkk、和分别表示经向风 k 波振幅、初始位相角、温度 k 波振幅和初始位相角。u、v、T、a、f、p、和 分别表示纬向风、经向风、位温、温度、经度、纬度、地球半径、科氏参数、气压、地转角速度和位势。上标“”、“”分别表示纬向平均和纬向偏差。2.3 数值模拟The Community Earth System Model(CESM)with the fifth version of Community AtmosphereModel(CAM5)被采用进行敏感性试验和控制试验(Ghanetal.,2012)。模拟时的水平分辨率为1.92.5(纬度经度),两
20、组试验它们仅在赤道中太平洋的海温强迫存在差异。控制试验的海温强迫使用的是气候态的月平均海温。敏感试验使用的海温度强迫与控制试验相同,但在赤道中太平洋,常年(每个月)叠加了海表温度异常,异常值是图 1b 矩形内的两倍。两组试验都模拟了 20 年,前 5 年作为启动适应期,剩余的模拟结果被用来分析。3 早春北极平流层极涡异常与赤道太平洋海温的关系 3.1 与早春平流层极涡变率相关的赤道太平洋海温模态热带太平洋(TP)海表温度异常是控制全球大气环流的重要因子之一,在以往研究中发现,ENSO 异常是影响平流层极涡的一个重要原因(例如:任荣彩和向纯怡,2010)。由于 1997、2011、2020 年春
21、季发生的北极臭氧低值事件与早春持续性强平流层极涡背景密切相关(HuandXia,2013;Hu,2020;Manneyetal.,2020),因此热带太平洋海温异常是否也能影响早春(23 月)北极平流层极涡异常?其相关模态和关键区位置如何?将去趋势后的热带太平洋 23 月海温年际异常进行了 EOF 分解,第一模态方差贡献率为 54%,其空间分布主要表现为 ENSO 模态(图 1a)。第一模态时间系数(PC1)与早春极区平流层位势高度序列的分布见图 2,两者没有相关性(相关系数为 0.07,未通过 80%检验)。而海温的第二模态有 18%的方差贡献率,空间模态的绝对值大值区主要分布在赤道西太平洋
22、,并且区别于中部型ENSO 模态(Modoki 模态),位置更加偏西(图1b)。4期姚彬彬等:赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控No.4YAOBinbinetal.StratosphericArcticPolarVortexModulatedbytheSeaSurfaceTemperature.1219第二模态时间系数 PC2 与极区平流层位势高度序列的分布见图 2,两者显著相关,相关系数为0.40,通过 99%信度检验。这表明热带太平洋海温 EOF的第二模态关键区(图 1b 矩形内)海温增暖时,对应于偏强的早春北极平流层极涡。这里关键区的位置,与影响冬季极涡的中部型 ENSO 的
23、海温关键区的位置,是稍有差异的(Xieetal.,2012)。而早春平流层极涡强度与热带太平洋海温的相关分图119792020 年 23 月热带太平洋海表温度(单位:K)EOF 的(a)第一和(b)第二模态空间分布。矩形区是第二模态的关键区Fig.1Spatialpatternof(a)thefirstand(b)secondmodeofseasurfacetemperature(SST)(units:K)derivedfromempiricalorthogonalfunction(EOF)intheTropicalPacificinFebruaryMarchfrom1979to2020.Th
24、ecrucialregionofthesecondmodeistheareainsidetherectangle图219792020 年 3 月 50hPa 上 60N 以北的极冠区位势高度异常时间序列(柱状,单位:gpm),23 月热带太平洋海温 EOF 主成分 PC1(蓝线)和 PC2(红线)的标准化时间序列。PC1 和位势高度异常的相关系数为 0.07,未通过 80%的显著性检验;PC2 和位势高度异常的相关系数为0.40,通过 99%的显著性检验Fig.2Timeseriesof50hPageopotentialheightanomaly(bars,units:gpm)inthepol
25、arcapregionlocatednorthof60NinMarch,andthenormalizedprincipalcomponents(PC1,bluelineandPC2,redline)ofSSTEOFintheTropicalPacificinFebruaryMarch.ThecorrelationcoefficientbetweenthePC1andthe50hPageopotentialheightanomalyis0.07,whichisnotsignificantata80%confidencelevel.Thecorrelationcoefficientbetweent
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 赤道 西太平洋 海面 早春 北极 平流层 调控
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。