高层西风响应副热带海洋锋变化的数值研究

【作者】 陈秋宇； 胡海波； 任雪娟； 杨修群；

【机构】 南京大学大气科学学院；

【摘要】 相对于海面温度本身,海洋锋强度异常与中纬度高层纬向风异常有着更加密切的关系。观测中北太平洋冬季副热带海洋锋(STFZ, Subtropical frontal zone)强度异常对应着中纬度地区高层纬向风的相当正压结构的变化。本文使用WRF3.5(The Weather Research and Forecasting model)区域大气模式,设计了五组模式试验,通过对冬季STFZ强度变化模拟分析,探讨了STFZ强度变化下中纬度高层纬向风的响应过程和动力学机制。本文利用NCEP/FNL2000-2009年冬季数据作为北太平洋地区模拟的初始和边界条件,设计的五组模式试验为:1)控制试验(CTL):大气边界为2000-2009年冬季6小时1次的NCEP/FNL观测资料,下边界为2000-2009年冬季平均的海温(SST,SeaSurface Temperature)。2)敏感性试验(DBI):在控制试验的基础上,将模拟区域的海温强迫场数据替换为重构的理想海温,即对控制试验中2000-2009年北太平洋冬季平均的海温做经度平均,再将其纬向延展得到只有南北梯度而保持纬向均匀的海温。3)副热带海洋锋加强试验(DST):在敏感性试验的基础上,在STFZ区域内加入海温异常。通过对加强试验和敏感性试验的对比,本文发现副热带海洋锋的加强对中纬度地区高层纬向风的影响并不显著。这可能是由于北太平洋区域外的大尺度环流系统的异常信号可以通过大气侧边界条件进入到模式区域内影响北太平洋区域的海气相互作用导致的。因此,为了排除模式模拟区域外大气的影响,突出STFZ对中纬度大气的影响,本文在后面两组试验中使大气侧边界保持定常,即:4)定常边界下理想海温试验(CLI):在敏感性试验的基础上,使大气侧边界保持定常。5)定常边界下副热带海洋锋加强试验(STR):在定常边界下重构理想海温试验的基础上,在北太平洋副热带海洋锋区加入海温异常。后文主要通过比较定常边界下的两组试验的差值来分析大气对STFZ强度变化的响应机制。五组试验的积分时段都是12月1日00时到次年2月28日18时。首先,为了验证模式的可行性,将CTL试验和DBI试验的结果与观测中的2000-2009年冬季北太平洋中纬度大气瞬变扰动场和高低层纬向风进行对比,结果表明本文所采用的WRF3.5模式能较好地模拟中纬度大气瞬变扰动。随后,通过对比分析侧边界定常后的两组模式试验中,中纬度冬季高层大气达到平衡后的差别来研究STFZ强度的变化对高层纬向风的影响。研究表明,不考虑大气侧边界的正压及斜压扰动输入时,在STFZ加强的初期,通过海表面向上的感热输送的变化,快速引起大气低层经向温度梯度的增加,通过热成风引起低层西风的增强。同时,增强的经向温度梯度上传,使得整层大气斜压不稳定增长率出现南侧增强北侧减弱的变化,进而引起中纬度大气风暴轴南侧增强北侧减弱,促使天气尺度瞬变扰动与平均流之间的动力相互作用区域发生变化,引起副热带地区南侧有更多能量从瞬变扰动向平均流输送,进而使得急流主体区南侧的西风增强。而南侧天气尺度瞬变扰动活动的增强,又激发对流层上层出现更强的波破碎(RWB, Rossby Wave Breaking)事件,从而进一步增强了急流南侧的纬向西风,使中纬度高层西风偏强且南移。更多还原