RQL's Blog 菜鸟成长记

不同尺度涡旋相互作用

2020-11-20
renql

Jiang et al.,2013, Local kinetic energy budget of high-frequency and intermediate-frequency eddies: winter climatology and interannual variability

能量是我们理解大气环流的重要成分。自Lorenz 1955年的工作后,很多研究开始关注于平均流和不同时空频率涡旋间大气不同形式能量间相互作用的强度和方向。这些研究揭示了大气能量在全球、整体意义上的转换和循环,并采取了类似于最初用于构建Lorenz能量循环的方法。另一方面,局部能量学则强调能量转换的空间结构。 Mak and Cai(1989)和Cai and Mak(1990)利用局部能量学来理解正压急流的模态和非模态不稳定,描绘两层通道模式中区域锋生的动力特性。Orlanski and Katzfey (1991)利用局地能量的概念来解释南半球气旋的生命史,强调了非地转位势通量散度在气旋发展过程中的重要性。Deng and Mak (2005, 2006)和Mak and Deng (2007)采用局地能量学的方法来量化正压调节在北太平洋风暴轴冬季抑制现象中的作用。

从广义上讲,不同尺度扰动之间的相互作用以及能量交换决定了大气内部变化的主要特征以及从天气尺度到季节尺度的相关气候现象。时间尺度超过一周的漩涡的动力学意义早就被认识到了,他们一般被称为“中间频率瞬变涡旋,intermediate-frequency (IF) eddies”,常表现为阻塞、持续的异常、特定的遥相关模态,与天气尺度涡旋活动耦合。Namias(1947)首次尝试在一次阻塞事件中确认天气尺度涡旋的作用。最近的很多研究都进一步表明阻塞事件的爆发和维持与高频涡旋和大尺度低频涡旋间的非线性相互作用有关。然而,在气候模型中实现对阻塞事件的可靠模拟仍是一项具有挑战性的任务。尽管大部分的困难都是因为模式分辨率的限制,在模拟阻塞事件时,大多数的偏差可能是由于对各种非线性过程(包括尺度相互作用)的不满意表述造成的

天气尺度涡旋和中间频率涡旋间的相互作用及其相关的非线性能量转换是局部能量学中重要的组成部分Mak(1991) 将局部能量分析应用于阻塞事件,证明了“天气尺度涡旋变形”机制对阻塞的发展特别重要。Sheng and Derome (1991)计算了季节平均流、短于10天的快速瞬变涡旋、长于10天的瞬变涡旋间有效位能和动能的转换,发现长周期的瞬变涡旋主要通过斜压和非线性转换来维持。最近,Deng and Jiang (2011) 分析了天气尺度和低频涡旋的局地EKE收支,来理解冬季北太平洋风暴轴和热带季节内变率的相互作用。利用相同的方法,Hsu et al.(2010)探究了热带季节内振荡对西太平洋EKE收支的影响。

Deng and Jiang (2011)推导了一种新形式的天气尺度涡旋动能方程,在该方程中,由雷诺应力导致的能量转换被分解成波流相互作用和不同尺度涡旋相互作用导致的能量生成。考虑到中间频率涡旋对热带外气候变率的影响以及他们与高频涡旋的密切关系,该文希望能进一步探索跨频率涡旋相互作用对局地气候态EKE能量收支的影响。此外,该研究也希望用该方法来评估气候模式对中间频率涡旋(例如阻塞)的模拟情况,以确定误差来源。具体目标罗列如下:

  1. 构造高频和中间频率eddy局地气候态动能收支
  2. 理解不同能量转换项的区域变化
  3. 定量冬季局地能量转换项的年际变化,理解能量转换对热带SST强迫的响应。

主要结论:

  • 高频EKE的主要来源是对流层中低层的斜压转换。正压转换会削弱高频EKE,对冬季急流北支有正贡献。
  • 高频和中间频率涡旋的相互作用是高频EKE的汇,中间频率EKE的源,尤其在大洋东岸,从而证实了高频涡旋对中间频率波动发展的影响
  • EKE收支方程中的各项均存在很强的年际变率。在EINino年,高频EKE在北太平洋呈现偶极子异常,在北大西洋呈现三级子异常。斜压转换是引起该变化的主要原因,但正压转换、高低频相互作用及能量通量的作用也不可忽视。
  • 在EINino年,中间频率涡旋在北太平洋减少、北大西洋增强,这主要是因为斜压转换以及由于北太平洋IF和LF、北大西洋HF和IF、IF和LF的相互作用控制的EKE转换。

Xie et al.,2019, Planetary and synoptic-scale dynamic control of extreme cold wave patterns over the United States

极端冷事件Extreme cold wave events(ECW)的特征是快速、强烈的温度下降,伴随有显著的社会经济后果。在全球变暖背景下,ECW的发生、强度、空间范围及持续事件都有显著增长。基于其重要性,关于ECW的科学研究显著增多,主要强调其长期变化及其与行星尺度气候模态(例如ENSO、PDO、NAO)的关系。尽管已经从统计上确认了行星尺度气候模态对区域ECW频率的显著调制作用,但人们还意识到ECW与区域大尺度气象模式(LMPs)的关系比与行星尺度气候模态的关系更直接。

现在人们普遍认识到,行星尺度气候模态对ECWs有统计学影响,会调节美国区域ECW频率。例如,负NAO位相有利于北美东南部ECW的发生,而负PNA遥相关模态则有利于北美西部ECW的发生。

  • Thompson and Wallace (1998)表明北极涛动(AO,Arctic Oscillation)包含北大西洋涛动(NAO),只是水平尺度和位相对称性更高,因此可以解释北半球大部分地表温度变化。AO的对流层信号,也称为北半球环状模NAM,从地表一直延申至平流层。
  • Kolstad et al. (2010)利用再分析资料和一系列耦合气候模式,发现弱的平流层极涡可以增加北美东岸ECW的发生可能性,通过NAM的影响。
  • Xie et al. (2017b)利用球面谐波分析,辨认出六种北半球冬季逐日行星尺度波动模态。其中一种模态与NAM负位相相似,另一种则结合了negative West Pacifc (WP) teleconnection及positive NAO phases,这两种模态都有利于北美大陆ECW的发生。
  • Baxter and Nigam (2015)表明2013/2014年冬季期间,NPO-WP遥相关模态对北美异常环流具有重要贡献。
  • Harnik et al. (2016)发现大部分北美极端冷事件都与急流波动有关,类似于环球北美模态。
    尽管已明确行星尺度气候模态与季节性ECW活动间的统计关系,但不清楚二者在季节内尺度上的关系及其背后的物理机制。

如上述所讨论的那样,区域大尺度气象模态LMP对ECW有更直接的影响,由于LMP也受行星尺度气候模态的调制,因此其可以表示气候模态影响ECW的一种物理路径。

  • Konrad and Colucci (1989) 指出当天气尺度波在位于北美东岸的长波槽中传播时,ECW发展。
  • Konrad (1996)探究了ECW与行星尺度、天气尺度环流的关系,发现行星尺度异常与ECW强度的关系更密切。
  • Konrad (1998)对比了ECW强度与5天、10天、15天平均行星尺度环流的关系,发现强ECW倾向于与10和15天平均环流有关。
  • Walsh et al.(2001)发现北美ECW伴随有北极正的海平面气压异常,该异常往往位于NAO和AO的节点位置。此外,北极正海平面气压异常中心会分离并向东南方向移动,有利于北美东岸的ECW。
  • Loikith and Broccoli(2012, 2014)探究了LMP、行星尺度气候模态与ECW发射的关系,发现LMP可以掩盖行星尺度气候模态,例如NAM负位相。
  • Watt-Meyer and Kushner (2015)将2013/14和2014/15年冬季的逐日异常环流用二维傅里叶转换分解为定常和移动部分,发现移动的LMP对13/14年的槽脊偶极子有重要贡献,而移动的天气尺度分量对14/15年的贡献则减小很多。
  • Xie et al. (2017a)辨认了三种显著的ECW模态,分别集中于北美中西部、西北部和东南部,且分别伴随有相关的LMP。LMP包含行星尺度和天气尺度波动特征,与NAM,WP,NAO的逐日行星尺度模态类似。
    鉴于上述提到的行星尺度波和天气尺度波的不同作用,有必要对逐日行星尺度和天气尺度分量各自对与ECW相关的LMP贡献提供更全面的审查。

行星尺度波动可以调节天气尺度波动的结构。

  • Zeng (1983) and Mak and Cai (1989)发现当独立的扰动与行星波动间存在合适的结构方向,该独立扰动就会有正压增长。当扰动沿着背景变形场的膨胀(收缩)轴延伸时,会正压消散(增长)。
  • Black and Dole (2000)发现最强的正压拉伸变形发生在中纬度急流入口(纬向扩张)和出口(经向扩张)区。于是,最初具有水平各向同性形状的瞬变涡旋会在急流入口(出口)区纬向(经向)拉长。
  • Nielsen-Gammon and Lefevre (1996)基于准地转位涡的平流守恒发展了分段倾向诊断 PTD,它可以辨认Rossby波传播、斜压和正压增长、波波相互作用。当用PTD来探究镶嵌在大尺度流场中的小尺度高层槽的动力发展过程时,发现移动的槽是由上游(太平洋西北部)扰动的Rossby波能量激发的,可以引起槽初期的强非对称结构。当槽发展时,它有利于地表气旋的发展,而该地表气旋又会通过向西的倾向和斜压增长来增强高空槽。
  • Nakamura et al. (1997)利用不同的动力诊断工具发现高频和低频波动在欧洲和北太平洋的阻塞事件中起到不同的作用。
  • Messori et al. (2016)发现北美东南部的ECW伴随有冷空气向南平流,会通过加强北美东海岸海陆对比导致强的斜压环境,从而有利于高层强的准静止气旋环流的形成。
  • Evans and Black (2003)将分段倾向诊断进行扩展,使其包含球形、非绝热加热和非地转效应,从而来辨认持续异常环流形成的主要机制。发现正压形变、斜压增长及非线性涡旋反馈在北太平洋和北大西洋吃席异常环流的不同阶段起到不同的作用。
  • Jiang et al. (2013)发现高频和中频涡旋的相互作用是高频涡旋活动的汇,中频涡旋活动的主要源。
  • Francis and Vavrus (2012, 2015)发现弱中纬度急流会导致大振幅波动的持续发生,从而有利于极端天气事件的持续。
    考虑到不同环流成分的不同物理作用,需要进一步的研究来更全面地了解导致ECW事件相关LMP的动力机制。

该研究聚焦于北美东南部ECW(LMP模态与NAM负位相类似)和西北部ECW(LMP模态与负WP-正NAO类似)的生命史。用球面谐波分解将异常环流分解为行星尺度和天气尺度分量,从而研究他们在ECW动力发展过程中各自的作用。利用分段位势倾向诊断来探究对流层高层行星尺度和天气尺度环流及近地表风场的关系。扩展了Evans and Black (2003)的分段倾向诊断方法,从而解释行星尺度和天气尺度波动相互作用对LMP动力发展的贡献。

在Xie et al.(2017a,b)的工作中,用聚类分析的方法辨认出北美ECW有三类,逐日行星尺度波动的典型模态有6类,其中第四类和第六类行星尺度波动模态分别与东南、西北ECW密切相关,因此该文利用PTD方法来探究二者间的动力关系。

结论:

  • 利用分段倾向诊断方法来研究行星尺度和天气尺度波动对北美东南部和西北部极端冷事件ECW的影响。这两类波动同时工作可以激发ECW。其中,行星波不仅直接参与了造成极端冷波事件的环流场,而且改变了背景环流场,增加了区域正压变形,从而促进了天气波的增长。
  • 北美东南部ECW伴随北半球环状模负位相NAM,高纬地表异常低温增强并向东南移动。在海平面气压和高层上,行星尺度模式对总波模式都有相当大的贡献。此外,NAM负位相的行星尺度异常使急流向赤道偏移,从而增加北美东南部天气尺度异常的正压变形。分段倾向诊断表明行星尺度正压变形在加深负位势高度异常中起到重要作用,其次是斜压增长的贡献。
  • 相比之下,北美西北部ECW的特征是一个局地强化的区域地表低温异常,其与一个含有大量行星尺度波分量的准定常正海平面气压异常相关联。上层环流的特征是阿拉斯加湾上空有一个明显的异常脊,其东部有一个东北-西南倾斜的负位势高度异常。负高度异常轴与行星尺度膨胀正交,导致早期负高度异常有较强的行星正压变形。

Deng and Jiang,2010, Intraseasonal Modulation of the North Pacific Storm Track by Tropical Convection in Boreal Winter

风暴轴是热带外天气尺度扰动剧烈活动的区域。冬季大部分的严重灾害天气都与组成风暴轴的气旋和反气旋有关,例如暴雪、暴风雪、寒潮。由于风暴轴对冬季热带外热量、动量、水汽的有效输送,其对全球气候系统也有重要作用。在过去三十年里,人们已经作出了相当大的努力来研究导致和维持风暴轴的动力过程;特别是,识别、理解和模拟风暴轴不同时间尺度上的变化。北半球冬季有两个主要的风暴轴:北太平洋和北大西洋风暴轴,他们具有显著不同的次季节演变过程。太平洋风暴轴强度在晚秋和早春达到峰值,而北大西洋风暴轴在隆冬最强,与局地背景环流斜压性的变化一致。造成太平洋风暴轴冬季抑制现象的原因可能有:

  1. 由于steering level drop,导致斜压波动被困在地表
  2. 非绝热加热的耗散效应,尤其是涡旋位能收支中的潜热加热
  3. 背景环流变形增强导致强的正压阻尼
  4. 风暴轴上游扰动种子被抑制

太平洋风暴轴的年际变化与ENSO相关,EINino(LaNina)年,风暴轴向赤道(极地)、向东(西)偏移。从长期变化看,北半球的两个风暴轴在20世纪下半叶增强,尽管根据再分析数据、无线电探空仪和船舶观测得出的长期趋势估计的确切程度有所不同。太平洋风暴轴的年代际变化受PDO调控,并与东亚冬季风强度相联系。由于这种年代际变化,太平洋风暴轴的冬季抑制现象在1980年代早期到中期非常明显,但在接下来的十年里几乎不存在。

天气尺度涡旋与相关平均流的相互作用,也叫跨频率耦合,在产生和维持平均流及风暴轴异常上起着关键作用。利用合成与EOF分析,Lau (1988) 发现冬季逐月风暴轴场与显著的大气低频模态(也叫遥相关)密切耦合。太平洋风暴轴强度变化往往伴随着西太平洋对流层上层位势高度的偶极子结构,与WP模态类似,而风暴轴的经向移动看上去则与PNA模态有关。Cai and Mak (1990)利用一个由纬向对称强迫驱动的耗散大气模式发现天气尺度和低频行星尺度波动间存在共生关系。天气波通过向上的能量级联过程将瞬时纬向流中提取的能量部分提供给行星波,行星波产生强斜压性区域,从而有利于天气波的增强。在探究阻塞or持续异常的动力本质、理解环状模位相转变的过程中,已广泛确认波列相互作用、跨频率耦合的显著性。

众所周知,瞬变涡旋是构成热带-热带外相互作用的一个重要成分。一方面,由于ENSO信号的突出,热带海表温度(SST)波动作为温带外变率的一个来源得到了广泛的研究。由于热带外定常波对ENSO的直接响应相对较弱,天气涡旋强迫,特别是与风暴轴异常相关的瞬变涡度通量在建立温带响应中起着至关重要的作用。另一方面,中纬度斜压波动也可以引起热带大气运动。Kiladis and Weickmann (1992a,b) 的诊断工作表明东太平洋热带对流的季节内变化与中纬度槽的入侵相关。Kiladis (1998) 指出自中纬度传入热带东太平洋的Rossby波活动会调节ITCZ周围的云量、静力稳定度、垂直运动,从而导致ITCZ对流的变率,引起赤道捕获的Rossby模态。这些中纬度波动的传播特性依赖于背景环流属性,且可以用Hoskins and Ambrizzi (1993)的波射线理论进行理解。特别的,当波的纬向相速与背景流的纬向四度一致时,即critical latitude,Rossby波传播会被阻碍。这意味着定常波只能在背景西风带中传播。冬季热带东太平洋和大西洋对流层上层存在西风(也叫westerly duct),使得波动可以跨越赤道传播。年际尺度上,ENSO会影响westerly duct的位置和强度,进而影响热带外强迫影响热带变率的有效性。例如1982/83年EINino冬季,对流层高层西风带东移,使得传播进入太平洋中部的波活动减弱。

除了热带外波动向赤道传播这一经典观点外,Hoskins and Yang (2000)表明热带的高纬度强迫也可以采取直接投射到赤道波上的形式。这个机制在组织大尺度热带深对流、激发热带最显著的季节内振荡模态MJO中起到重要作用,因为有研究认为MJO的起源与副热带急流不稳定相关(发现热带和副热带行星尺度波动间存在强耦合)。Lin et al. (2009)发现北大西洋对流层上层纬向风异常的向南传播和向东扩张是由NAO引起,表明热带外低频变率导致MJO发展的可能作用。

热带外环流对冬季MJO的响应在过去30年间得到广泛研究。早期工作 Weickmann (1983) and Weickmann et al. (1985)发现与MJO变率有关的热带外环流异常的主要特征是向西传播的偏心环极涡旋,在热带对流增强(抑制)处扩张(收缩)。Weickmann et al.(1992,1997)进一步研究了与MJO有关的大气角动量循环,并讨论了大气角动量振荡的季节内动力学。最近,Egger and Weickmann (2007)发现在MJO的生命史中,大气角动量异常首先在热带对流层上层发展,两周内向下、向极传播,与此同时,反相的大气角动量异常开始在热带对流层上层出现。Matthews et al. (2004)利用正压模式探究了大气对热带加热的直接响应,发现来自观测MJO异常的随时间变化的热带热源可以激发出准定常热带外波动。Pan and Li (2008)进一步表明天气尺度瞬变活动在热带季节内振荡和中纬度低频流相互作用中起到关键作用。

需要注意的是,从风暴轴中出来的天气尺度瞬变活动不是准定常的,他们对热带的影响并没有严格地局限在东风障碍中or受西风波导的影响。此外,考虑到观测风暴轴的跨越多时间尺度的变率及天气尺度涡旋与多种热带外低频模态间的相互作用,理解风暴轴与热带季节内振荡的耦合成为建立MJO全球影响完整图像的关键。Matthews and Kiladis (1999)提出了一个用于分析高频瞬变涡旋与MJO相互作用的先进方法。他们发现在MJO早期,当加强的对流位于印度洋东部时,高层的亚洲-太平洋急流和热带东风向西移动,导致急流波导上有“漏洞”,加强了中纬度瞬变涡旋活动向热带中太平洋的传播。与ITCZ处增强的瞬变涡旋活动有关的增强的对流变率投影到季节内时间尺度上,就成为缓慢发展的MJO信号之一。当增强的对流移动到南太平洋的ITCZ时,增强的亚洲-太平洋急流扩展到中太平洋,削弱了波活动的向赤道传播。但这篇文章中的“高频”是通过6-25天的带通滤波得到的,与构成风暴轴的天气涡旋的常用时间尺度2-8天不同,尽管这样做会使北太平洋的扰动动能异常振幅翻倍。因此,文献中还缺乏对北方冬季热带对流对北太平洋风暴轴的季节内调制的全面分析。

热带对流引起的风暴轴异常的实际影响包括它对区域水文气候变化的预测。Myoung and Deng (2009)发现太平洋风暴轴中的天气尺度涡旋通过影响沿岸气旋活动,决定了北美西部冬季降水的大部分年际变率。Higgins and Mo (1997), Mo and Higgins (1998a), Mo (1999), and Higgins et al. (2000)这些早期研究表明热带对流在建立北太平洋持续异常环流中起到重要作用,会影响水汽输送强度,引起加利福尼亚上层辐合辐散,从而引起干期和湿期的转变以及北美西海岸极端降水事件的发生。 Mo and Higgins (1998b)特别指出西太平洋加强的热带对流倾向于在太平洋西北部创造湿环境,在西南部创造干环境。Jones (2000) and Jones et al.(2004)进一步表明相比于MJO沉寂期间,区域和全球尺度的极端降水发生频率在MJO活跃期间升高。

该工作的目的是:

  1. 量化一个MJO事件期间,观测的太平洋风暴轴的变化
  2. 通过天气涡旋动能收支分析,辨认导致风暴轴异常的关键动力过程
  3. 探究由MJO引起的异常天气涡旋强迫在驱动热带外环流季节内异常中所起的作用
  4. 研究该风暴轴变率对北美冬季水文状况的季节内变化的指示意义。

通过对30-90天带通滤波的整层垂直积分的瞬变涡旋动能(SEKE)及热带OLR做逐日多变量EOF,得到太平洋风暴轴与热带MJO耦合变化的模态——当OLR偶极子模态自东印度洋向太平洋西中部移动时,太平洋风暴轴的偶极子异常向东北传播。同时还得到如下几点结论:

  1. 根据多变量EOF第二模态的逐日主分量PC超过1.5倍标准差异常进行超前滞后合成,发现前期,140-170E,15-20N瞬变能量的异常向赤道传播有利于热带OLR天气尺度变量的增大,此时对应向东传播的OLR季节内负异常。
  2. 用局地SEKE收支分析表明,三项过程——能量辐合、斜压转换、瞬变涡旋与低频涡旋相互作用导致的SEKE产生——对太平洋风暴轴变化相对比较重要。
  3. 利用正压E矢量的辐合辐散表明,MJO异常时期的异常环流的东部和北部是由天气尺度瞬变涡旋的异常强迫维持的。
  4. 异常的SEKE会导致太平洋东部和北美西海岸异常的水汽堆积和降水。

Nakamura et al.,1996, The Role of High- and Low-Frequency Dynamics in Blocking Formation

由于其持续性和大振幅,阻塞可以造成热带外持续性异常天气事件。因此,几十年来,阻塞都是天气动力学家关注的重点。在早期研究中,Berggren et al. (1949) and Rex (1950)认为与移动的天气尺度瞬变涡旋相互作用有助于阻塞的形成。该相互作用已被认为是维持阻塞反气旋的重要机制。最近的数值模拟表明了该相互作用是导致阻塞反气旋形成的可能性。事实上,一些阻塞反气旋的增强前伴随着上游高频移动涡旋的活跃,这些涡旋以天气尺度爆发性气旋为主要特征。在高频涡旋移动过程中,他们与增强的阻塞脊相互作用,通过涡度通量增强脊,形成正反馈。数值实验和大气环流模式中阻塞事件的模拟分析都表明瞬变涡旋在阻塞发展过程中的重要性。

然而,目前尚未证实观测到的大部分阻塞的形成都仅由高频瞬变涡旋强迫造成。最近的一些研究表明时间尺度大于天气过程的瞬变涡旋的动力过程在阻塞的形成中可能也很关键。Stewart (1993)利用一个长期积分的两层大气环流模式发现持续的异常反气旋的形成前,在其上游有准定常波列的出现。 H.Nakamura (1994)也发现欧洲最强阻塞事件的增强确实伴随着北大西洋的准定常Rossby波列。当阻塞脊减弱时,另一波列从下游发出。他假设,波活动的局部吸收和它的再发射,与“Rossby波传播的暂时障碍”有关,分别导致了欧洲上空强阻塞脊的形成和随后的衰减。事实上,观测到位涡发展(包含与欧洲阻塞相关的反气旋发展)可以在“contour advection with surgery”(CAS)实验中合理地重现。这是M. Nakamura (1994)用低通滤波观测和GCM产生的风场来模拟几个阻塞模态的实验。他假设观测和模式模拟的阻塞时间与准定常Rossby波的破碎有关。这些结果与最近的一些诊断分析一致,即,在阻塞形成过程中,低通滤波环流对位涡的平流作用可能与瞬变涡旋反馈一样重要。

但是,无法确定低频动力本身(例如Rossby波传播的短时阻碍)是否足以形成阻塞反气旋。诊断低频流场的困难在于难以区分高频瞬变涡旋对阻塞增强的持续强迫。假设阻塞反气旋在高频瞬变涡旋移动的西风急流中开始发展。低频动力的贡献完全包括在由低通滤波的风导致的低通滤波位涡的平流。


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