冬季北半球平流层极涡及其对欧亚气温季内变化的影响

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北半球平流层极涡是冬季位于极地的深厚气旋系统,对天气和气候具有一定影响,是次季节尺度气候预测潜在的重要预报来源。由于平流层冬季极涡气候态强度在12-1月最强,极涡变率在1月最大,本文使用再分析资料选取冬季12、1月平流层极涡异常事件,研究不同月份平流层强、弱极涡异常事件的基本特征及对欧亚冬季季内气温的影响差异,主要得到以下结论:
  1、揭示平流层冬季极涡强弱事件的气候态主要特征
  使用1979-2017年冬半年(10-3月)10hPa极区平均位势高度计算平流层极涡强度气候态,结果表明,平流层极涡强度在12-1月最强,极涡变率在1月最大。根据冬季(12-3月)10hPa平流层极区位势高度异常值的负值定义极涡强度指数,以指数值小于其第10百分位为标准选取28个平流层弱极涡事件,以指数值大于其第85百分位为标准选取27个平流层强极涡事件。结果表明:平流层弱极涡事件中,12月弱极涡事件平均异常程度最大,1月弱极涡事件次之。平流层强极涡事件中,12月强极涡事件经历极涡的两次加强,其中第二次强度比第一次更大,1月强极涡事件时极涡经历一次加强,强度大于12月强极涡事件的第一次加强,小于第二次加强。平流层弱极涡事件时,极涡的异常幅度比平流层强极涡事件时更大。
  2、揭示12月和1月平流层弱极涡事件特征及其对欧亚气温季内变化的影响
  1)12月平流层弱极涡事件发生时,对流层行星波上传明显加强,这种加强持续时间较长,有利于极涡减弱,因此12月弱极涡事件中平流层极涡更弱,平流层异常的下传特征也更明显。对欧亚气温的影响分为两个阶段:平流层-对流层相互作用阶段及对流层波动作用阶段。第一阶段(第0-20天),平流层北半球环状模(Northern AnnularMode,NAM)负异常下传,引起对流层NAM负位相,中纬度西风减速,使欧亚大陆北部偏冷、南部偏暖。第二阶段(第25-40天),对流层从北大西洋东传的波列引起北欧异常低压发展,使欧亚高纬地区呈现西北偏冷、东南偏暖的气温分布。12月平流层弱极涡事件伴随热带中东部太平洋对流活动加强,引起热带大气季节内振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)第8位相加强,激发太平洋-北美遥相关型(Pacific-North America,PNA)波列,影响北太平洋和北美,对欧亚气温影响有限。
  2)1月平流层弱极涡事件发生时,行星波上传强度相对较弱,持续时间也相对较短,因此平流层极涡减弱幅度比12月弱极涡事件小,平流层异常的下传也相对不明显。对欧亚气温的影响分为两个阶段:平流层高度场局地作用阶段及MJO遥相关作用阶段。第一阶段(第0-15天),平流层极涡分裂成两个子涡旋,其中一个子涡旋位于西伯利亚,高度场异常下传,引起对流层欧洲异常低压,使欧亚大陆西北部异常偏冷、西南部异常偏暖。第二阶段(第15-30天),行星波加强引起热带中西部太平洋对流活动加强,使MJO第7位相加强,激发PNA波列,在北大西洋出现北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)负位相,并引起欧洲异常低压加强,之后出现从欧洲低压出发影响下游欧亚大陆的罗斯贝波列,使东亚异常低压发展,引起东亚异常偏冷。
  3、揭示12月和1月平流层强极涡事件特征及其对欧亚气温季内变化的影响
  1)12月平流层强极涡事件发生时,对流层行星波上传减弱,引起平流层极涡第一次加强,之后由于行星波1波向下反射,使极涡第二次加强。对欧亚气温的影响过程可以分为三个阶段:平流层异常下传阶段、行星波向下反射阶段,以及对流层波动作用阶段。第一阶段(第10-19天),平流层极涡第一次加强之后,高度场异常下传,对流层出现NAM正位相,引起欧洲北部偏暖。第二阶段(第20-29天),由于平流层上层纬向风出现负切变,形成行星波反射面,行星波1波向下反射,对流层呈现1波特征,1波负值中心位于格陵兰半岛,在北大西洋形成NAO正位相,引起欧洲、西西伯利亚偏暖,北非、中东偏冷。第三阶段(第30-39天),从北大西洋东传的波列引起欧亚北部异常高压发展,使里海北部偏冷、欧洲北部偏暖。
  2)1月平流层强极涡事件发生时,极涡由于上传行星波减弱出现一次加强,高度场异常下传到平流层下层时较弱,对对流层低层欧亚气温的影响与12月强极涡事件相比也较弱。对欧亚气温的影响可以分为两个阶段:平流层-对流层相互作用阶段,以及对流层波动作用阶段。第一阶段(第10-15天),平流层高度场异常下传,引起对流层NAIVl正位相,使欧洲北部偏暖、西伯利亚东部偏冷。第二阶段(第15-29天),北大西洋东传的波列引起西伯利亚异常高压发展,使西伯利亚偏冷、欧洲北部偏暖。
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