北半球冬季风暴轴与热带外海洋的相互作用

【摘要】风暴轴代表了强烈的中纬度天气尺度瞬变涡动活动，在中纬度天气和气候系统中具有十分重要的地位。不仅如此，从中纬度海-气相互作用的角度来讲，风暴轴对热带外海表面温度（SST）异常响应所产生的非线性反馈在大尺度海-气耦合过程中起着重要的调控作用。因此，认识和理解风暴轴在不同时间尺度上的变化及其与下垫面SST异常的关系对理解热带外气候变化及其可预测性具有重要的科学意义。然而，关于风暴轴异常与中纬度SST异常之间的耦合关系以及风暴轴的长期变化趋势，目前还缺乏清晰的认识。风暴轴的长期变化很可能在一定程度上预示中纬度海气耦合的变化。本文利用百年时间长度的海洋同化资料和20世纪大气再分析资料（20CRv2），结合超前-滞后的最大协方差分析（MCA）等多种统计分析方法，阐明了北太平洋和北大西洋冬季风暴轴异常分别与其下垫面SST异常之间的季节和年际耦合关系。对于北太平洋而言：①在季节时间尺度上，秋季副极地海区的海盆尺度SST冷异常能够使早冬时期的风暴轴在30°N以北产生海盆尺度的正异常响应，从而使风暴轴活动向北加强。秋季这种海盆尺度SST冷异常实际上能够向北加强早冬大气的斜压性和斜压能量转换，这很可能导致相应的风暴轴活动加强。然而，风暴轴的这种响应模态与早冬风暴轴对SST的强迫模态完全不同，后者表现为：向南移动并加强的风暴轴能够在北太平洋中西部诱导产生SST冷异常，而在北美西海岸沿岸产生SST暖异常。②在年际时间尺度上，研究发现在冬季（DJF）中纬度海区，类似太平洋年代际振荡（PDO）模态的马蹄型SST异常（其中北太平洋中西部海区表现为SST暖异常）与40°N以北海盆尺度的风暴轴正异常之间存在相互加强的正反馈效应。该耦合模态具有显著的年代际变化特征。进一步分析发现：上述风暴轴异常响应与由SST异常变化引起的大气低层斜压性的增强密切相关；风暴轴的异常变化则主要通过引起异常的表面净热通量和Ekman平流输运来诱导产生SST异常。对于北大西洋而言：①在季节时间尺度上，早冬时期中纬度海区的经向偶极子型SST异常（冷异常中心位于纽芬兰外东南部；暖异常中心位于副热带海区西部）能够使早春时期的风暴轴活动显著增强。早冬时期的这种经向偶极子型SST异常实际上能够显著加强早春大气的斜压性和斜压能量转换，这很可能导致相应的风暴轴活动加强。然而与北太平洋不同的是，风暴轴的这种响应模态与早春风暴轴对SST的强迫模态非常类似。②在年际时间尺度上，研究发现在冬季（JFM）中纬度海区，单极子型的SST暖异常（异常中心位于纽芬兰以东和以南海区）与类似纬向偶极子型的风暴轴异常（以下游区域中的负异常为主导）之间存在相互加强的正反馈效应。该耦合模态具有显著的年代际变化特征。进一步研究发现：单极子型的SST暖异常能够使低层大气斜压性在40°N-50°N纬度带显著减弱，这很可能导致风暴轴活动减弱；风暴轴的异常变化则主要通过引起向下的异常净热通量和异常Ekman暖平流输运进而诱导产生单极子型的SST暖异常。基于20CRv2资料提供的56个集合样本数据集，本文还系统地揭示了北半球冬季风暴轴的百年变化趋势。研究发现，20世纪北半球冬季风暴轴在对流层高层和低层具有不同的百年变化趋势特征。在对流层高层，由天气尺度的瞬变涡动运动能（EKE）以及位势高度场标准差表征的北太平洋和北大西洋风暴轴均在其北部以及下游区域呈现出显著增强的趋势。这表明在20世纪后半叶，北半球冬季风暴轴显著向东北方向扩展。此外，在北太平洋以及美国上空的高层大气中，瞬变涡动对西风动量的经向输送也同样显著增强。然而，在对流层低层，风暴轴活动（尤其体现在EKE以及瞬变涡动对热量的经向输送）在北太平洋副极地海区的中西部上空以及北大西洋风暴轴上游地区呈现出显著减弱的趋势。进一步分析发现，在对流层高层（低层），风暴轴的增强（减弱）与大气斜压不稳定的增大（减小）密切相关。在上述分析基础上，我们以中纬度大气对黑潮-亲潮延伸体（KOE）区SST异常的响应为切入点，揭示了北太平洋中纬度海-气耦合在全球变暖背景下的变化。研究发现，早冬时期（NDJ）大气位势高度对KOE区SST暖异常的响应在阿留申低压区呈现出相当正压结构的脊响应特征。在20世纪中，这种暖SST-准正压脊响应具有显著增强的趋势，这很可能由全球变暖所致。IPCC-AR4多气候模式试验结果也进一步证实：在全球变暖场景下，暖SST-准正压脊响应显著增强。这表明全球变暖使早冬时期的北太平洋中纬度海-气耦合显著加强。
【作者】甘波澜；
【导师】吴立新；
【作者基本信息】中国海洋大学，物理海洋学，2014，博士
【关键词】中纬度海—气耦合；风暴轴；大气斜压性；百年变化趋势；全球变暖；

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