高空急流是中纬度地区对流层上层和平流层低层环绕纬圈的狭窄强风速带,风速大且具有较强的水平和垂直风速切变。在北半球冬季,从非洲西部经阿拉伯半岛、南亚地区、东亚地区到北太平洋洋面上组成了东半球的亚非副热带急流(Krishnamurti,1961)。其中,位于亚非副热带急流入口区的中东副热带西风急流(Middle East subtropical westerly Jet stream,MEJ),是影响北半球中纬度地区天气气候的重要环流系统之一(Yang et al.,2004;倪东鸿等,2011;曲巧娜等,2012;Ni et al.,2014;Wu et al.,2017;吴玲玲等,2018),与我国冬季气候存在密切联系。张自银等(2008)指出MEJ偏强时,与我国南方冬季异常降水偏多相关联。Yang et al.(2004)认为,冬季MEJ的强度和位置变化与中国华南降水存在显著联系,MEJ一般在北极涛动正位相的时候加强,增强的MEJ受青藏高原阻挡导致南支槽加强,因而华中和华南地区水汽辐合增强。倪东鸿等(2010a,2010b)指出当冬季MEJ加强时,华南地区降水显著增加,我国长江上游地区特别是西南地区气温显著下降,东北地区气温升高。MEJ的异常变化还对我国极端异常事件有影响,2008年1月MEJ强度偏强且位置向东南偏移,使得青藏高原南侧的西风槽增强,因此加大了西亚和孟加拉湾向我国南方的水汽输送,导致了严重的持续性冰雪灾害天气(Wen et al.,2009)。MEJ不仅与冬季大气环流有密切联系,还能影响到后期的亚洲夏季风。冬季MEJ可以作为南亚季风的强前兆信号(Yang et al.,2004)。印度夏季风爆发早晚与MEJ季节转换日期早晚的关系也非常密切(Ni et al.,2014)。

MEJ的变化特征也受到大家关注。首先,MEJ具有明显的季节变化特征。冬半年MEJ较强,轴线南北位置基本在27.5°N附近;夏半年较弱,5月后MEJ中心位置偏北,6—9月位于40°N附近,10月南撤至32.5°N。MEJ强度和南北位置的季节变化与500~200hPa整层平均的南北温差的对应关系很好(倪东鸿等,2011;Ni et al.,2014)。其次,MEJ也具有显著的年际变化特征。Yang et al.(2004)指出MEJ强度具有显著的年际变化特征,并且ENSO以及北大西洋涛动、北极涛动都与MEJ强度的年际变化有着密切联系。青藏高原的异常加热作用对MEJ强度也有重要影响(Bao et al.,2010)。除了MEJ强度外,Wu et al.(2017)指出MEJ轴线位置的年际变化也很重要,MEJ轴线位置的变化不仅受到低纬度ENSO的影响,同时还受到诸如北大西洋涛动、北极涛动、东大西洋遥相关(East Atlantic teleconnection,EA)和地中海辐合(Mediterranean Convergence,MC)异常等中高纬大气环流的共同影响。此外,太阳活动对北大西洋涛动与冬季MEJ轴线位置之间联系存在调制作用(吴玲玲等,2018)。

在探讨冬季亚非副热带西风急流变化特征时,在强度和轴线位置的变化方面已开展了较多的研究工作(Jhun and Lee,2004;Kuang and Zhang,2005;况雪源和张耀存,2007;姚慧茹和李栋梁,2013a,2013b),同时中心位置的变化也受到大家的关注(Yang et al.,2002;Zhang et al.,2006)。但针对MEJ中心位置变化的研究工作目前还不多,本文聚焦MEJ中心位置的年际变化,探讨它与大气环流的联系,并找到与其相联系的大气环流因子。

1 资料和方法

大气环流资料采用了NCEP/DOE逐月再分析资料(Kanamustsu et al.,2002),具有2.5°×2.5°的水平分辨率,17层的垂直分辨率,时间跨度为1979年1月—2020年12月,选取了位势高度和风场等物理量。EA指数由美国Climate Prediction Center(CPC)提供。

利用200hPa高度上的纬向风定义MEJ轴线和中心位置。在中东地区(0°~80°E,0°~60°N)各经度格点上,找出10°~50°N范围内200hPa纬向风极大值所在的位置,将其连成一条线,用该线来表示MEJ轴线(Wu et al.,2017)。将MEJ轴线上纬向风极大值的位置看成是MEJ中心,该方法得到的结果变率较大,便于确定MEJ中心位置(吴玲玲,2016)。

冬季定义为前一年12月—当年2月。例如,2020年冬季指的是2019年12月—2020年2月。

2 MEJ中心的年际变化

利用200hPa纬向风场来讨论MEJ的特征。图1给出了1980—2020年冬季200hPa纬向风的平均分布,冬季200hPa纬向风大于30m/s的区域主要分布在17.5°~37.5°N范围内。MEJ轴线的平均位置呈西南东北走向,在0°~20°E范围内轴线主要位于25°N,在20°~50°E范围内轴线主要位于27.5°N,在大于50°E的范围中轴线则位于30°N。平均态分布中MEJ中心位于(37.5°E,27.5°N),处于阿拉伯半岛的西北部,其中极大值中心纬向风速大于50m/s。

图2统计了1980—2020年(共41a)各格点出现MEJ中心的次数(图2a)。在平均态分布中,急流中心位于(37.5°E,27.5°N)。其中有13a出现在平均位置的西侧,有23a出现在平均位置的东侧。在东西向变化上,MEJ中心最西位于17.5°E,最东位于67.5°E,中间跨度达50个经度。在南北向变化上,MEJ中心主要位于27.5°N,仅8a MEJ中心位于平均位置的南北两侧。因此在后面的讨论中重点分析MEJ中心东西向的位置变化。并将MEJ中心所在的经度值来定义其东西向位置。其时间序列(图2b)也表明冬季MEJ中心东西向位置具有显著的年际变化特征。

通过对冬季MEJ主体范围(0°~60°E)内轴线上200hPa纬向风进行经验正交函数分解(EOF),来讨论MEJ中心位置的时空变化特征(图3)。EOF第一、二特征向量分别解释了57.13%和37.11%的方差贡献,都通过了North准则(North et al.,1982)。EOF第一特征向量(图略)在整个范围内都呈正系数变化分布,表明MEJ轴线上200hPa纬向风呈一致变化,它体现了MEJ整体强度的变化特征。EOF第二特征向量(图3a)为MEJ轴线上200hPa纬向风在东西两侧呈相反的变化分布,其转折点位于37.5°E(即MEJ中心的平均位置)。因此,在冬季MEJ轴线上,当MEJ中心的平均位置东侧200hPa纬向风增大(减小)时,其西侧200hPa纬向风则减小(增大),会使得MEJ轴线上200hPa纬向风极大值(即MEJ中心)容易向东(西)移动。因此,EOF第二特征向量(图3a)表现了MEJ中心东西方向的位置变化,将其称之为MEJC型(MEJ Center eastward-westward movement pattern)。它的时间系数(图3b)表现出非常明显的年际变化特征,与MEJ中心位置变化的时间序列相关系数为0.75,通过了99%置信水平的显著性检验。在后面的讨论分析中,将其时间系数(图3b)看成为MEJC指数。通过EOF分析可知,在年际时间尺度上MEJ中心东西向位置变化也是其非常重要的特征。

在后面讨论中,选取MEJC指数(图3b)大于0.8(小于-0.8)作为MEJC型的正(负)位相年份。其中1990、1994、2007、2008、2014、2016和2020年(共7a)为MEJC正位相年,而1981、1986、1999、2005、2006、2009、2015和2017年(共8a)为MEJC负位相年。

下面对200hPa纬向风场进行合成分析(图4)。对于冬季MEJC型而言,从200hPa纬向风的分布(图4a、4b)可以看出,正、负位相MEJ中心的强度相当,但MEJ中心东西向位置相差较大,在正位相年MEJ中心位于(42.5°E,27.5°N),负位相年MEJ中心位于(25°E,27.5°N),东西向相差17.5个经度。从它们的差值(图4c)可以看出,北印度洋上空有200hPa纬向风负异常,伊朗高原上空存在200hPa纬向风正异常,地中海以南的非洲大陆上空有200hPa纬向风负异常,北大西洋至东欧地区上空有200hPa纬向风正异常。伊朗高原上空的200hPa纬向风正异常和北非上空的200hPa纬向风负异常正好位于MEJ轴线上。当位于正(负)位相时,MEJ轴线东侧的西风增强(减弱),MEJ轴线西侧的西风减弱(增强),200hPa纬向风极大值位于42.5°E(25°E)(图4d),那么MEJ中心位置偏东(西)。通过以上分析可知,MEJC型主要体现急流中心东西向位置移动的变化特征。

3 与大气环流的联系

利用MEJC指数对大气环流场进行回归分析,找出MEJC型与大气环流的联系。从500hPa高度场的回归系数分布(图5a)可以看出,在北大西洋高纬度地区和贝加尔湖西北侧上空存在显著的500hPa位势高度负异常区,中纬度北大西洋至地中海地区以及我国东北至日本海附近上空均存在显著的500hPa位势高度正异常区。此外,阿拉伯半岛北侧以及我国西南地区上空也存在显著的500hPa位势高度负异常区,但强度相对较弱。副热带东大西洋、北大西洋高纬度及地中海地区500hPa位势高度异常场呈正-负-正的空间分布,类似EA型空间结构特征。此外,MEJC指数与EA指数的相关系数为0.70,通过了99%的置信水平的显著性检验。因此,MEJC型与EA之间存在紧密联系。

200hPa高度场的回归系数分布(图5b)在空间结构上与500hPa高度场(图5a)相类似。从高度场的回归系数分布角度来看,MEJC型表现出相当正压结构的变化特征。从MEJC指数对200hPa辐合风场的回归系数分布(图5b)可知,地中海地区四周存在显著的辐合风场异常,同时向该地区辐合,形成显著的辐合异常区。因此,MEJC型可能与MC异常之间存在着密切联系。

以上分析表明,与MEJC型相联系的大气环流场表现出了正压结构,那么可以利用正压涡度方程(Watanabe,2004)讨论MEJC型与Rossby波涡源之间的联系。Rossby波涡源异常可分解成四部分:

$\begin{array}{c}{S}^{\mathrm{\text{'}}}=-\nabla \cdot \left({\stackrel{-}{v}}_{\chi }{\zeta }^{\mathrm{\text{'}}}\right)-\nabla \cdot \left(v_{\chi }^{\mathrm{\text{'}}}\stackrel{-}{\zeta }\right)-\nabla \cdot \left(f{v}_{\chi }^{\mathrm{\text{'}}}\right)-\\ \nabla \cdot \left(v_{\chi }^{\mathrm{\text{'}}}{\zeta }^{\mathrm{\text{'}}}\right)=S_1^{\mathrm{\text{'}}}+S_2^{\mathrm{\text{'}}}+S_3^{\mathrm{\text{'}}}+S_4^{\mathrm{\text{'}}}\end{array}$

其中:v_χ为辐合风场;ζ为涡度场;符号$\stackrel{-}{\zeta }$表示某物理量的平均量;上角标′表示某物理量与MEJC型相关的异常部分,可用回归方法得到。因非线项($S_4^{\mathrm{\text{'}}}=\nabla \cdot \left(v_{\chi }^{\mathrm{\text{'}}}{\zeta }^{\mathrm{\text{'}}}\right)$)量级较小,其作用可以忽略,后面重点讨论前三个线性分量部分的作用。

图6为与MEJC型相关联的Rossby波涡源异常部分及其3个线性分量部分。在MEJ中心位置偏东(西)时,在地中海地区附近分布着一个显著的气旋(反气旋)式Rossby波涡源异常,并且Rossby波涡源异常从北大西洋地区扩展至地中海地区,至地中海地区沿亚非急流向南亚地区延伸(图6a)。图6b—d表明Rossby波涡源的第一、二分量部分$\left(S_1^{\mathrm{\text{'}}}=-\nabla \cdot \left({\stackrel{-}{v}}_x{\zeta }^{\mathrm{\text{'}}}\right)\right.$和$\left.S_2^{\mathrm{\text{'}}}=-\nabla \cdot \left(v_{\chi }^{\mathrm{\text{'}}}\stackrel{-}{\zeta }\right)\right)$与第三分量部分$\left(S_3^{\mathrm{\text{'}}}=-\nabla \cdot \left(f{v}_{\chi }^{\mathrm{\text{'}}}\right)\right)$相比,其重要性要逊色很多。第三分量部分主要体现了辐合强迫(-fD′)的作用(Branstator,1985;Sardeshmukh and Hoskins,1988),其中-D′表示辐合异常。以上分析表明Rossby波涡源异常(图6a)主要来源于与MEJC型相关的辐合强迫异常(图6d),其中地中海地区的辐合强迫异常(Watanabe,2004)尤为重要。

把200hPa高度上(10°~30°E,30°~40°N)区域内(-$\nabla$·v_χ)的平均值进行标准化后定义为MC指数。当MC指数为正(负)时,表示地中海地区对流层高层有风场的辐合(辐散)异常。MEJC指数与MC指数的相关系数为0.67,通过了99%的置信水平的显著性检验,表明MEJC与MC异常之间存在显著的正相关关系。

利用EA指数和MC指数分别对MEJ中心位置进行合成分析(图7)。当EA指数位于正(负)位相时(图7a),在轴线上200hPa纬向风极大值位于45°E(35°E),那么MEJ中心位置偏东(西);当MC指数位于正(负)位相时(图7b),在轴线上200hPa纬向风极大值位于42.5°E(27.5°E),则MEJ中心位置偏东(西)。

以上分析可知,EA和MC是与MEJ中心位置密切联系的大气环流因子。下面通过回归分析方法探讨大气环流因子EA和MC分别与MEJ中心位置之间的关系。

4 大气环流因子

4.1 EA

利用冬季EA指数对各大气环流场进行回归分析。在200hPa位势高度场的回归系数空间分布(图8a)中可以看出,当EA偏强(弱)时,整个北大西洋中高纬度上空位势高度场为负(正)异常,而在北大西洋副热带地区、非洲北部和欧洲南部上空位势高度场为正(负)异常,表现出明显的南正(负)北负(正)的空间分布特征。根据Ekman抽吸原理,在对流层高层出现从负位势高度异常吹向正位势高度异常,对流层低层出现的从正位势高度异常吹向负位势高度异常的二级环流,那么在200hPa高度上出现了从北大西洋中高纬度地区(地中海)吹向地中海(北大西洋中高纬度地区)的辐合(辐散)风异常。

200hPa上位势高度的异常分布,使得北大西洋高纬度地区存在负(正)纬向风异常,北大西洋中纬度地区存在正(负)纬向风异常,热带北大西洋至北非地区存在负(正)纬向风异常。MEJ西侧轴线的平均位置恰好位于北非负(正)200hPa纬向风异常地区(图8b),MEJ西侧轴线上西风减弱(增强),容易使得MEJ中心的位置东(西)移。

4.2 MC

利用冬季MC指数对各大气环流场进行回归分析。Watanabe(2004)指出MC异常容易激发出从地中海至东亚地区的位势高度场异常的波列。在200hPa位势高度场的回归系数分布(图9a)中也可看到,当地中海地区对流层高层出现辐合(辐散)异常时,负(正)位势高度异常覆盖整个极地地区,在欧洲南部-中东地区-阿拉伯海-我国南部地区呈正-负-正-负(负-正-负-正)的位势高度异常,沿着亚非急流呈波列的分布形式。MEJ西侧轴线平均位置正好横穿中东地区附近的负(正)位势高度异常,MEJ西侧轴线平均位置北侧的西风减弱(增强),南侧西风增强(减弱),但MEJ西侧轴线平均位置上的西风基本不变(图9b)。同时,阿拉伯海地区的正(负)位势高度场正好位于MEJ东侧轴线平均位置的南侧,MEJ东侧轴线上的西风增强(减弱)(图9b),容易使得MEJ中心的位置东(西)移。

从图9a还可以看出,在欧洲南部至地中海地区存在200hPa位势高度正异常中心,其四周北大西洋中高纬地区-极地-乌拉尔山-北非上空存在200hPa位势高度负异常中心。根据Ekman抽吸原理,在对流层高层出现从负位势高度异常吹向正位势高度异常,对流层低层出现的从正位势高度异常吹向负位势高度异常的二级环流,在对流层高层地中海地区容易形成辐合异常中心。可以认为中高纬地区的大气环流系统对MC异常的形成起着关键作用。以前研究(Watanabe,2004;Wu et al.,2017;吴玲玲等,2018)也指出MC异常可能与EA、北极涛动、北大西洋涛动等中高纬大气环流存在紧密联系,此外MC异常还可能受到海温异常等外界强迫的影响。

4.3 讨论

由于EA和MC之间存在着显著的正相关关系,EA指数与MC指数的相关系数为0.51(通过了99%的置信水平的显著性检验)。那么,EA和MC单独与MEJC型之间存在怎么样的联系呢?

首先,讨论EA单独与MEJ中心位置的联系。为了排除MC的影响,首先用物理量原始场减去与MC异常相联系的物理量场后,再利用回归分析方法探讨EA与MEJ中心位置的关系(图8c、d)。排除MC的影响后,冬季EA指数对200hPa位势高度场的回归系数空间分布(图8c)可以看出副热带大西洋上东侧出现了一个位势高度的正异常中心,欧洲南部上空正位势高度异常中心强度减弱,中心位置南移至地中海地区。使得北非地区的西风异常区南移,西风异常区的中心恰好位于MEJ西侧轴线上,直接影响到MEJ西部轴线上西风的强弱,MEJ东侧轴线上弱的西风正异常区减弱消失(图8d)。可以认为,EA通过动力作用直接影响到MEJ西部轴线上的纬向风。

其次,讨论MC单独与MEJ中心位置的联系。排除EA的影响后,地中海地区的辐合风场异常减小,特别是从大西洋中纬度地区和北印度洋地区向地中海地区的辐合风场基本都消失(图9c)。但是从北欧、中亚和北非向地中海地区的辐合风场仍然较显著。可以看出除了EA的作用外,其他中高纬大气环流因子也会对MC异常有重要影响。从MEJ轴线上西风的变化(图9d)来看,西侧轴线平均位置上的西风变化不明显,东侧轴线平均位置上的西风强度略微减弱,但它对MEJ中心的位置变化仍然有重要作用。可以认为,MC异常导致地中海地区出现异常的Rossby涡源,涡源所激发沿亚非急流东传的Rossby波活动同时出现异常,在波流相互作用下影响到MEJ东部轴线上的纬向风。

通过以上分析可知,EA影响MEJ西部轴线上纬向风减弱,而MC影响MEJ东部轴线上纬向风减弱,MEJ中心位置的东西向移动是EA和MC共同作用的结果。

EA和MC之间的密切联系也影响着MEJ中心位置的东西向移动。EA首先通过动力作用直接影响MEJ西部轴线上纬向风减弱。同时,在Ekman抽吸作用下形成二级环流,EA环流会引起对流层上层MC异常,使沿亚非急流东传的Rossby波活动出现异常,在波流相互作用下间接影响MEJ东部轴线上纬向风增强。因此,EA和MC是MEJ中心东西向移动的关键因子。

5 结论

利用NCEP/DOE再分析资料和统计学方法,针对年际时间尺度上冬季MEJ中心位置的变化进行研究,探讨了MEJ中心位置年际变化与大气环流的联系。MEJ中心东西向位置变化显著,并表现出显著的年际变化特征,MEJ中心东西向位置变化与中高纬大气环流系统EA和MC异常存在紧密联系。当EA偏强时,通过动力的直接作用使得MEJ西部轴线上纬向风减弱。同时,在Ekman抽吸作用下形成二级环流,偏强的EA环流会使得对流层上层MC异常增强,使得地中海地区出现正异常的Rossby涡源,涡源所激发沿亚非急流东传的Rossby波活动出现异常,波流相互作用间接使得MEJ东部轴线上纬向风增强。在EA和MC的共同作用下,纬向风在MEJ轴线上西侧减弱东侧增强,急流中心易向东移动。反之亦然。此外,其他的环流因子也会影响到MC异常,MEJ中心位置发生变化,它们之间的物理过程和机制,值得后期开展深入的研究工作。

参考文献