北太平洋冬季大气上游扰动与副热带海洋锋强度变化对上空西风急流的协同作用

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已有研究证明冬季大气上游扰动及副热带海洋锋强度变化都可以单独对北太平洋西风急流产生影响,并产生显著的气候效应。本文利用NCEP/CFSR再分析资料和WRF3.5模式研究冬季大气上游扰动与副热带海洋锋强度变化对北太平洋西风急流的协同作用,给出了大气上游扰动与副热带海洋锋的不同配置对北太平洋西风急流强度和位置变化的具体影响,揭示了两者通过斜压能量传输影响西风急流的协同作用机理,并探究了次表层海流输运下副热带海洋锋强度变化的机制。本文的主要结论如下:分析副热带海洋锋强弱年对应的大气响应时,发现NCEP/CFSR数据中北太平洋西风急流的响应区域位于其气候平均态大值区的南侧,副热带海洋锋区的北侧。这与以往的研究结论存在差异,本文研究表明,大气上游涡旋扰动的不同是产生这一现象的主要原因。进一步将20°N-55°N,127°E-129°E,100h Pa-700h Pa区域平均的涡旋动能定义为大气上游扰动强度指数。利用这一指数的强弱年合成分析发现,观测中强大气上游扰动可以将北太平洋西风急流锚定在约25°N-45°N,对应着西风急流气候态的大值区。此时,北太平洋西风急流的强度受到副热带海洋锋强度变化的影响,增强(减弱)的副热带海洋锋对应着增强(减弱)的北太平洋西风急流。然而,在大气上游扰动较弱时,副热带海洋锋的增强会使北太平洋西风急流南移至约20°N-35°N,对应着副热带海洋锋区的位置,比西风急流气候态的大值区偏南。这一现象在数值试验中得到了验证。进一步分析大气上游扰动和副热带海洋锋影响北太平洋西风急流过程中的大气斜压性和斜压能量输送,发现在大气上游扰动较强时,低层大气同时从副极地海洋锋区和副热带海洋锋区吸收能量,因此,北太平洋西风急流被锚定在两条海洋锋区的中间。副热带海洋锋的增强(减弱),会使得向上传输的斜压能量增强(减弱),并进一步影响北太平洋西风急流的强度。但此时,向上传输的斜压能量的位置是被锚定的。在大气上游扰动较弱时,副热带海洋锋的增强会使得向上传输的斜压能量的位置南移,对应着北太平洋西风急流的南移。研究中还发现大气上游扰动与副热带海洋锋强度变化对北太平洋西风急流的影响,会引起下游地区的降水异常,这对北美地区的气候预测和灾害防范有一定作用。此外,为了探究海表面副热带海洋锋强度变化的原因,分析了冬季副热带海洋锋区经向海温梯度的垂直分布,并发现次表层(80-160米)的经向海温梯度要强于表层(0-80米)。通过对副热带海洋锋区垂直剖面上的经向海温梯度进行EOF分析,得到两个主要模态,进而利用回归分析探讨两个模态对应的具体物理过程。分析表明,EOF第一模态对应的是一个大气影响海洋的过程。在-8天,纬向西风出现明显的正异常,海洋向大气传输的热通量,使得海表面温度在0天出现明显的负异常,并通过垂直方向的温度输送,进一步影响次表层海温。在这一过程中,增强的大气西风急流会使得表层副热带海洋锋增强,而冷海温异常的下传,会使得表层副热带海洋锋减弱。而EOF第二模态对应的是一个次表层海洋影响表层海洋和大气的过程。在-8天,海洋次表层出现明显的负温度异常,并通过垂直方向的温度输送,不断上传,使得海表面温度下降,海表面经向温度梯度增加。在0天,低层的斜压增长率出现了微弱的正异常,即低层大气斜压性开始增强。之后,随着斜压性增长率的正异常向中层、高层大气扩散,西风急流开始增强,这使得海表面温度下降,海表面经向温度梯度增加。在这一过程中,冷海温异常的上传,以及0天后西风的增强,使得表层副热带海洋锋持续增强,形成一个正反馈的过程。
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