北半球平流层极涡的衰变和切断低压系统的出现：一项探索性研究外文翻译资料

 2022-11-09 15:39:05

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北半球平流层极涡的衰变和切断低压系统的出现：一项探索性研究

L. Gimeno1;2, R. Nieto1;2, and R. M. Trigo2;3

1 Departamento de F ́ısica Aplicada, Facultad de Ciencias de Ourense, Universidad de Vigo, Ourense, Spain

2 University of Lisbon, CGUL, IDL, Lisbon, Portugal


3 Universidade Lus?ofona, Departamento de Engenherias, Lisbon, Portugal

摘要：作者对北半球切断低压系统（COLs）发生时平流层旋涡破裂时间的影响进行了探索性分析。分析中使用了第一个覆盖41年（1958-1998年）的多年代北半球Cols数据库（Nieto et al.，2005年）。平流层涡旋破裂的日期是使用最近在潜在涡度和纬向风的文献中使用的两种不同方法得出的。对五个早期（后期）分裂年的Cols发生率差异的分析表明：在纬度低于45°N时，Cols在随后的春季和夏季的早期涡旋年份更频繁。月度分析表明，总体而言，显著差异始于5月，持续到9月，尤其与欧洲委员会有关，该地区是北半球COL发生率最高的地区。

    1. 引言

冬季平流层环流最显着的特征是以冬季极点为中心的大型旋涡（Haynes，2005）。与涡流相关的强大的极地西风环流隔离了涡流内的空气，减少了与外部的质量交换。潜在的涡度提供了可以说是最好的大规模场来表征这种隔离状态。平流层涡旋是高势涡度（PV）的区域，风最大值的位置与涡旋边缘处的陡峭PV梯度区域一致。近年来，人们对研究涡流的几个特征，例如其内部平均温度，面积，形状或强度，产生了相当大的兴趣。这种兴趣的增加是因为极地涡旋对平流层臭氧浓度的影响或其在动态平流层-对流层耦合中的调制作用（Knudsen and Andersen，2001; Newman et al.，2001）。最近基于NCEP-NCAR（Waugh and Randel，1999）和ECMWF（Kapetchko et al.，2005，以下称K05）再分析，已经开发了两种完全平流层涡旋的气候学。这些先前研究的主要结果之一是北极涡（位置，面积或强度）在其整个生命周期中是高度可变的，但特别是在春季涡旋破裂期间。在平流层下部（涡旋衰变）爆发NH冬季极涡的时间具有重要的化学和动力学意义（Waugh and Rong，2002）。此外，考虑到涡旋衰减与冬季到夏季过渡有关，这些事件发生的精确时间对水文循环（Cayan et al.，2001）和天气条件（Wang and Key，2003）有影响。一般而言，由于富含臭氧的空气向极地低层平流层的运输减少，因此在晚期分解期间臭氧的浓度降低（Knudsen et al.，1998）。

动态地，Black et al.（2006）（以下称B06）发现的结果特别重要。他们发现涡旋破裂使平流层和对流层中的极地西风带每年减弱，这与平流层和对流层的大规模动力耦合有关。在涡旋衰变之后，对流层水平的西风减弱是如此强烈，之后触发了一个准稳定的夏季状态。如果在90年代与80年代发现更持久的漩涡的趋势得到证实，这些结果将特别令人感兴趣，因为较长时间的涡旋与较冷的极地平流层相关，其会导致更强的臭氧损失，也影响平流层动力学（Zhou et al.，2000）。然而，K05最近的研究表明，1975年至2002年期间涡旋寿命没有显著变化趋势，主要原因是2000/2001年冬季的早期分裂。关于涡旋衰变的其他重要动力学方面是在分裂后持续存在相干势涡结构。Waugh和Rong（2002）表明，在早期的分裂年（3月初的涡旋衰变）中，涡旋的残余物作为连贯的潜在涡度结构存活了大约两个月，而在晚期的分裂年份（4月下旬或5月的涡旋衰变）潜在的涡度残余迅速消散。

最具代表性的相干潜在涡度结构是切断低系统（COLs），它可以被认为是影响平流层和对流层的高潜在涡度的孤立区域。就大气压而言，COL是天然尺度-低压系统，由于在对流层上层（约200hPa）的射流的经向位移（Palmen and Newton，1969; Winkler et al.，2005）而形成。这些系统在高空等压地图上呈现闭合循环，在对流层与平流层之间的大多数交换过程中发挥重要作用（Holton et al.，1995），特别是在臭氧交换中（Kentarchos et al.，2000）。COLs在天气中的影响，主要是指对流降水和山洪，也是众所周知的（例如，Porcu et al.，2003; Tripoli et al.，2005）。根据最近的综合报道COLs的气候学（Nieto et al.，2005）这项研究有两个相关的结果，（1）夏季的COLs比冬季更频繁，（2）有三个公认的COLs发生的首选区域：南欧和东大西洋沿岸（欧洲部门），东北太平洋（太平洋部门），以及中国北部和西伯利亚地区，包括西北太平洋沿岸（亚洲部门），是发生率最高的欧洲部门。

有两个动力学原因认为COLs的发生可能受到平流层涡旋持续性的影响，（a）涡旋衰变后的准稳定夏季状态，伴随的西风带强减弱有利于COLs的发展，以及（b）在早期分裂年，涡旋的残余物作为连贯的潜在涡度结构存活了大约两个月的事实。这两个论点表明，在涡旋早期衰变的那些年中，COLs在春末和夏季应该更频繁。本文的主要目的是评估这一假设的合理性。

    1. 数据和方法

2.1北极漩涡的持久性

平流层涡旋破裂有两种主要的诊断模式，一种基于潜在涡度，另一种基于纬向风。尽管有几种方法可以估算潜在涡度的分裂时间，但最常见的是由Nash et al.（1996）开发的。他们首先将涡流边缘定义为最大PV梯度的位置，该最大PV梯度由PV等值线周围计算的最大风速位置约束，然后将分裂日期定义为沿PV等值线的最大风速低于临界值的日期值。当使用纬向风时，标准方法是基于计算压力水平（通常为10至50hPa）的纬向平均纬向风并且在靠近平流层涡旋核心的纬度（通常为700 N）。然后将分解日期定义为平均纬向风降至零而不返回到指定阈值直到随后的下降的日期。我们使用了两次研究中1958-1998年期间的涡旋破裂数据，一次使用潜在涡量分析（K05），另一次使用平均纬向风（B06）。K05计算了来自ECMWF再分析的几个等熵水平的分裂，并且涡旋破裂日期被定义为最大风速（在涡旋边缘附近平均）下降到15.2m/s以下的日期。B06使用NCAR-NCEP再分析并将分解日期确定为700 N和50hPa的纬向平均纬向风降至零以下而不返回正值直至下一个秋季的最终时间。

2.2 COLs发生

使用来自Nieto et al.（2005）的每日多年代数据集。使用41年（1958-1998）的NCEP-NCAR在200hPa和300hPa水平（位势高度，纬向风和温度）和2.50 times;2.50 分辨率的每日再分析数据构建了COL数据集。该分析基于对COLs的识别，基于COL概念模型的物理特征（Winkler et al.，2005），在200 N至700 范围内的温带北半球的物理特征使用了三个连续步骤。这三个步骤是：（a）200hPa的位势最小和切断循环。在该步骤中，考虑了COL的两个特征，即200hPa处的最小位势场的条件以及对流层上层的西风总体环流系统的隔离。（b）等效厚度。在COL中，该区域的特征在于低系统前面的厚度脊。选择用于计算该场的压力水平为200和300hPa。（c）热前沿参数 （TFP）。TFP是温度梯度的变化，在200hPa水平，在温度梯度的方向上。COL中的两个斜压区域中的一个放置在低位的前面，其与正面的云带连接。因此，COL代表点向东的网格点必须具有高于此COL点的TFP值才能继续将系统视为COL。对于所有步骤，他们还需要以下规则来考虑COL的点来自相同的COL：当这些点相邻时，网格点属于相同的COL，并且认为COL在连续的两天中是相同的，当符合COL条件的任何网格点在第二天至少有一个符合条件的连续网格点时。当几个相邻点在同一天符合这些标准时，最北端和最西端的网格点被用作COL的代表性位置。该选择允许识别循环被切断的基本环流的最近点。

2.3 确定早期和晚期的分裂年份

使用持续时间或低或高的五年来评估COL发生时间的对比度。这是使用四个不同的分解日期系列完成的，称为B06，K05-475，K05-600和K05-875，其中K05后的数字是指使用的等熵水平（475,600和875跨越平流层约80至10hPa）。之前的研究（Waugh and Randel，1999）得出的结论是，估算分裂日期的不同方法给出了非常相似的结果，即分解时间的变化在定性上是相同的。然而，由于选择用于表征涡流的不同高度以及在风强度中选择的不同阈值来定义分裂，因此可能存在重要差异。分裂通常需要一周时间从平流层中部发展到较低平流层，因此预计分裂发生在875K早于475K.由于K05使用的临界风速约为15m/s且B06为0m/s，预计使用K05系列比使用B06更早发生分裂。最后的差异对于个别年份的分解日期非常重要。如果在那一年中风速降至15.2m/s以下而未在接下来的几周内达到负值，则B06和K05之间的分解日期差异可能很重要。正如我们在分析涡旋持续存在的五年中所使用的那样，包含任何这些非一致年份都会影响结果。表1显示了所使用的四个系列的五个早期和晚期分解年份及其阈值。

表1.根据Karpetchko et al.，2005（K05），Black等人，2006（B06）和组合标准的五个早期（晚期）分裂年。K05后的数字是指使用的等熵水平（K）。阈值是指早期分解年份的最大日期和晚期分解的最小日期。B06-K05组合年份后的斜体数字分别表示根据B06，K05-475，K05-600和K05-875的那一年的分解日期

五个早期分解年

五个晚期分解年

阈值

B06

1984，1971，1961，1975，1983

1973，1981，1990，1967，1987

80/118

K05-475

1958，1987，1989，1984，1973

1997，1990，1967，1962，1968

81/117

K05-600

1958，1987，1989，1984，1973

1997，1965，1990，1962，1967

84/120

K05-875

1989，1991，1973，1984，1959

1962，1965，1960，1997，1970

83/116

综合B06-K05

1984（73，79，76，81）

1990（133，130，121，112）

94/111

1971（75，90，88，84）

1967（128，121，120，112）

1961（78，94，91，88）

1962（126，119，121，130）

1975（79，88，89，86）

1968（124，117，114，111）

1964（83，92，91，90）

1997（123，130，130，120）

以分解日期表示。在大多数年份（例如，1984年）都会达成一个很好的一致，但有一个明显的非一致年（1973年）的例子被认为是使用K05-475和K05-600的早期分解年，但作为后一年使用B06。因此，为了保证早期和晚期分裂的一致性，我们选择使用不同系列中最佳协议的五年组来对比COL发生。该选项被标记为“组合B06-K05”（表1），使用94和111天的分解日期阈值，比使用原始系列略微限制，但更安全并且更适合我们的分析。1964年和1989年是说明综合选择的好例子。第一个并不是在四个单独的分解日期中的任何一个中的五个早期涡旋破裂年中的一个，而第二个包括在四组中的三组。然而，1964年四组的最高分裂日期为92，而1989年最高日期为104（B06组，表1中未显示）。

3.结果

我们首先检查COLs总数相对于较短和较长涡旋持久性的差异。表2显示了分析中包含的十个极端年份的COL数量（N）和根据B06-K05标准的五个晚期和五个早期分解年份。对Nieto et al.（2005）研究的200 N和70<su

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