急流变率

Wu et al., 2017, Wintertime Middle East Substropical Westerly Jet Stream Interannual Variation Characteristics and Its Possible Physical Factors
Wen et al., 2009, An Analysis of the Large-Scale Climate Anomalies Associated with the Snowstorms Affecting China in January 2008
Schiemann et al., 2009, Seasonality and interannual variability of the westerley jet in the Tibetan Plateau region
Riviere&Orlanski,2006, Characteristics of the Atlantic Storm-Track Eddy Activity and Its Relation with the North Atlantic Oscillation
Wu and Sun,2017, Variability in zonal location of winter East Asian jet stream

Wu et al., 2017, Wintertime Middle East Substropical Westerly Jet Stream Interannual Variation Characteristics and Its Possible Physical Factors

副热带西风急流是中纬度地区在对流层上层和平流层下层围绕平行线旋转的狭长的强风带，其风速超过30m/s，有强水平和垂直切变。根据观测，在200hPa高度，北半球冬季有三个副热带急流中心，分别位于阿拉伯半岛、日本海东南部、美国东岸。其中，位于东半球的亚非副热带急流在西非形成，经过阿拉伯半岛、南亚、东亚，直到太平洋北部。如今，很多研究亚非副热带急流的文章都主要关注于东亚急流，很少研究中东急流MEJ。

已有一些工作研究了MEJ的季节和年际变化。Ni等人发现MEJ在冬季更强且更南，表明MEJ有显著的季节变化特征。其季节变化与500-200hPa南北温度差异有较好的吻合。在年际尺度上，MEJ有三个主要的EOF模态，伴随位于急流底部、中部、上部的西风异常。yang等人强调了MEJ强度及其西北-东南移动的年际变化与AO/NAO/ENSO密切联系。此外，很多学者发现地表强迫在MEJ的变化中起到重要作用。观测和模拟结果都表明北大西洋的SSTA可以影响MEJ强度。此外，大气环流模式表明，TP异常增暖和中亚异常冷却可以增强中纬度温度梯度，进而增强MEJ强度。

位于亚非副热带急流入口区的MEJ是影响北半球中纬度气候的重要环流系统，与中国气候密切联系。2008年1月，过去50年最严重的强降雪发生在中国南部。长期低温和冰冻灾害对通讯交通系统、电网和农作物造成严重危害。异常MEJ是造成该自然灾害的因子之一。2008年1月，MEJ增强并向东南移动，使南支槽增强，从而增强向中国南部的水汽输送，带来严重的雪灾。Mao等人发现冬季AO正位相可以增强MEJ和南支槽，从而导致中国中南部有更多极端降水。MEJ异常变化不仅会导致中国的极端天气事件，也与中国的气候异常密切联系。Zhang等人表明MEJ强度和中国南方降水存在正相关。Ni等人发现当冬季MEJ增强时，中国南方降水显著增多，长江上游（尤其是中国西南地区）温度显著下降，中国东北地区温度上升。此外，有研究表明，冬季MEJ和中国西南地区的冰冻程度有密切联系。

高层西风急流也是波导。一方面，它是斜压波导，使瞬变波沿急流传播；另一方面，它是连接大西洋-欧洲上空大气环流异常和东亚气候变化的桥梁。NAO和AO的信号通过亚非副热带急流波导传播到东亚和太平洋。作为波导，西风急流是中纬度波流相互作用的重要介质，使得上游信号可以以西风急流上定常波的形式传播到下游。当2008年的雨雪冰冻灾害在中国发生时，沿着西风急流传播的准定常波动非常显著。Song等人发现NAO可以通过沿亚非急流传播的准定常Rossby波来影响南支槽，从而造成中国西南地区2009/2010的严重干旱。Li and Sun发现来自地中海东部的冷空气入侵可以产生向东传播的Rossby波，进而造成中国南方的冬季强降水。很明显，作为亚非急流的一个重要组成部分，MEJ将上游NAO和下游东亚急流联系了起来。MEJ的变化可以显著影响亚非急流上准定常Rossby波的传播。

MEJ异常对中国气候变化有重要影响。因此，进一步研究MEJ的变化特征对全面理解大气环流、提高冬季短期气候预测是有利的。目前，对MEJ变化的特征和机制的认识还很有限，迫切需要深入研究。

该文剩余部分组织如下。第二部分介绍数据，第三部分呈现MEJ的气候态特征。第四部分分析了冬季MEJ的时空变化特征。第五部分分析了MEJ和大气环流的关系。第六部分研究了影响MEJ年际变率的可能物理因子。第七部分是总结。

研究结果表明：

MEJ的南北位移及其强度有明显的年际变化，并与ENSO和中高纬度大气环流密切联系。
亚洲急流对与ENSO有关的热带对流强迫的纬向对称响应能造成MEJ轴的偏移，AO能引起中西部MEJ轴的偏移，二者共同引起东西不同位相的MEJ轴偏移。
对与ENSO有关的热带对流强迫的纬向非对称响应能在地中海对流层高层引起一个异常气旋。该异常气旋能激发一个沿亚非急流传播的纬向波列，从而使中西MEJ轴偏移。
在2和3的共同作用下，东西同相的MEJ轴偏移出现。最后，AO能影响MEJ轴强度，而东大西洋遥相关能影响中西MEJ强度。

Wen et al., 2009, An Analysis of the Large-Scale Climate Anomalies Associated with the Snowstorms Affecting China in January 2008

2008年1月，异常频繁且持续时间长的暴风雪影响中国，导致中国中部和南部异常多的降雪、低温和严重的冰冻灾害。暴风雪发生在四个主要的时期：2008年1月10-16,18-22,25-29,31-2月2日。它们给广大地区带来了雨雪冰冻灾害，并可以影响异常低纬度。图1是基于NOAA卫星积雪数据（本研究没有直接降雪观测资料）的2008年1月降雪天数及其异常。在这一月，积雪在中国东北部及西北部几乎一直存在，在中国中部时常出现。然而，正是中国中部的积雪天数显著异常高，以往无雪的中国南方也出现了积雪。图1c表明2008年1月中国中南部地区的降雪日数绝对高于过去几十年的平均水平。这些雪灾给中国人民的生命财产造成了巨大的损失，引起了极大的公众和科学关注。因此，该研究分析了与这些暴风雪相关的异常大尺度环流。

中国气候受东亚季风系统显著影响。冬季，来自西伯利亚、欧洲南部及亚洲西部大气系统向南侵袭造成的频繁冷涌事件使我国大部分地区的气候都是低温、暴风雪和冰冻降水。东亚冬季风的强扰动会导致中国气候显著的年际变化。例如，当冬季风强时，中国东部温度下降，南方降水减少，反之亦然。

以往的研究将东亚冬季风及中国冬季气候的年际变率归因于ENSO。LaNina年冬季风强，EINino年冬季风弱，影响中国南方和东南亚的冷涌减弱且频率减少。Wang et al. (2000)认为ENSO通过西北太平洋底层异常反气旋影响东亚季风。

东亚冬季风及中国冬季温度降水也与北极涛动AO相联系。当AO为正时，冬季风减弱，中国温度和降水增加。当中国大部分地区的降水都增加时，中国北部和东北部的增暖被限制。Li等人2005研究了中国冬季降水和ENSO及其他大气变率主模态在过去一百年的关系，发现除了东北地区的降水与NPO及PDO有显著关系外，中国其他地区的降水与AO显著相关。中国南方的降水还与热带中东太平洋的SST正相关。

为了进一步理解其气候影响，很多研究通过研究与AO变化相联系的热带外大气环流系统（如西伯利亚高压、东亚急流，都会显著影响中国气候）来强调AO的重要性。然而，AO也伴随着中东急流和TP南支急流的显著变化。He et al. (2006) and Q. Li et al. (2007)的研究已强调了南支急流通过水汽输送对中国冬季气候的重要性。

中国冬季气候也可能受其他因子的影响，例如副热带西太平洋高压、印度洋SST、西太平洋暖池，尽管这些因子间并不完全独立。例如，暖池SST变化会引起西太副高、东亚急流、东亚冬季风变化。此外，热带印度洋的增暖会增加经向温度梯度，从而影响中东急流，并因此影响南亚。

该文通过多种观测资料分析与2008年1月暴风雪相关的温度、降水及大气和海洋热证，主要聚焦于可能引起该过程的大尺度气候特征。结果发现，2008年1月的暴风雪与中东急流密切相关，此时该急流增强并向东南移动，伴随欧洲和西亚槽脊的东南移动。此外，这个增强的中东急流也会增强TP南支槽，从而增强向中国南部的水汽输送。同时，西太副高也有所增强，其脊线位置偏北。这个异常高压减慢了向东移动的天气系统，有利于水汽在中国中南部辅合。中东急流一般在AO正位相时增强，西太副高一般在LaNina冬季位置偏北。与西太副高、Nino3.4海温相比，中东急流和AO对中国中南部降水和气温的影响更强，尽管这些可能的影响因子并不完全相互独立。尽管LaNina事件会通过其与西太副高的关系影响2008年1月的气候，但历史事件分析表明只有LaNina事件无法引起中国中南部严重和持续的降雪状况。此外，与Nino3.4 SST和西太副高相比，12月中东急流和AO的状况更能作为中国中南部1月气温变率的前期信号。

Schiemann et al., 2009, Seasonality and interannual variability of the westerley jet in the Tibetan Plateau region

在飞行员早期遭遇急流后不久，气象学家就开始高度重视这些气流特征。研究急流变率的基本原理是建立在它在天气尺度气旋作用中的动力学意义上的，以及其他和急流变率动力联系的现象（如阻塞、Rossby波的传播和频散）。Chang等人2002年的综述就主要聚焦于与风暴轴动力学有关的物理过程。

急流在亚洲中部、南部和东亚受到特别关注是有原因的。首先，与急流动力学相关的众多过程使其研究成为一项有趣且具有挑战性的任务。在青藏高原地区，上层环流响应亚洲大陆和地球上最大的地形障碍的机械和热力强迫，也响应于与亚洲夏季风或印度洋冬季降水有关的非绝热加热。此外，该区域位于北非急流出口区和东亚急流入口区。从各个角度来看，这都是一个值得研究的区域。第二，环流与地形的相互作用在区域和半球尺度上都有明显的影响。例如，Nigam and Lindzen (1989)研究了TP区域急流纬度位置的微小变化是如何调节到达中高纬度定常波通量总量。由于地形重力波阻力对热带外环流的重要性，外加次级地形相互作用对热带加热异常的响应对温带环流异常的产生起决定性作用，这些过程具有特别的意义。从区域来看，地形的影响包括西风带的分裂和汇合、大型槽的阻尼、在所谓的死水区域的遮蔽以及热效应。第三，急流位置的变化可以反映盛行环流的大规模季节性变化。例如，5月初东亚上空的西风急流向北跳，通常预示着南海夏季风的来临。在青藏高原的上游和下游地区，人们早就认识到急流的季节性经向平移是确定自然天气季节的良好指标。

由中国学者做的关于东亚大气环流的早期工作都总结在一系列英文论文中。这些研究基于一个相对密集的探空站点网络，包含TP上空大气场的分析。北半球大范围高层环流的季节演变例子可以在Yeh et al.(1959)的文章中找到。半球尺度上，Sadler（1975）对高层环流提供了一个早期分析的例子。这被用于Newton2004年的工作中用于检查东半球期限路径和急流变率，包括80E的TP区域上的急流纬度的气候态季节循环。Blackmon et al.(1997)的分析包含了500hPa的风场和300hPa位势高度。2.5-6天带通滤波场被用于分析北半球风暴轴（位于急流轴下游和向极一侧）。

只有少于研究利用现代再分析资料分析了TP区域急流的季节循环和年际变率。Nakamura (1992)利用NMC资料研究了北大西洋和北太平洋急流强度与斜压波的关系，发现当急流风速超过45m/s，斜压波活动与急流风速成负相关，并将该关系与北太平洋斜压波活动的冬季抑制现象相联系。Kuang and Zhang (2005)利用NCEP-NCAR逐月资料研究东亚副热带西风急流。考察了急流的季节循环及其与高层经向温度梯度的关系。Koch et al. (2006)利用逐6h的15年的ECMWF ReAnalysis建立了一个高时间分辨率的全球急流气候态。利用如此高分辨率数据得到的结果与Shapiro and Keyser (1990)一致，即季节或纬向平均的大气垂直剖面可以描述副热带急流，但不能用于研究较短暂的极地和北极急流。

该文的目的是在上述研究基础上重点研究（1）TP上空西风急流的年际变率；（2）急流位置的季节循环，聚焦于春秋时急流的南北移动；（3）急流位置和强度与对流层温度场变化的关系以更好的理解上述分析的气候态。我们不仅考虑了月平均场，而且考虑了更为瞬时的急流特性。为此，我们采用类似Koch等人(2006)的方法，得出了基于急流事件的气候态。

Riviere&Orlanski,2006, Characteristics of the Atlantic Storm-Track Eddy Activity and Its Relation with the North Atlantic Oscillation

北大西洋涛动NAO是北大西洋区域大气环流变率的主导模态，在多个时间尺度上都是显著的（天气尺度、年际、年代际）。他的一个著名变化是从20世纪下半叶开始的年代际变化，转变为NAO正位相，这改变了大西洋很多区域的气候态。这个显著趋势的出现可以解释一个现象：很多人开始研究低频外部强迫（如海洋、温室气体）对NAO年代际和年际涛动的影响。然而，值得注意的是这个年代际趋势在过去几年中发生了翻转，使得很难将其与全年变暖联系起来。

最近的一些研究开始关注NAO更短时间尺度上的变化，并强调其季节内变化的重要性。Feldstein(2000)认为NAO以及太平洋-北美遥相关（PNA）可以看做e-folding时间尺度约为一周的随机过程。Feldstein(2003)揭示NAO异常可以维持两周，而周期小于10天的高频涡旋在引起NAO增长中非常关键。 Vallis et al. (2004)也强调了天气涡旋对NAO的重要性，并提出了一个简单的NAO和环状模正压模式，还表明类似于斜压涡旋发展的随机搅拌可以产生这种遥相关。最近，Benedict et al. (2004, hereafter B04) and Franzke et al. (2004, hereafter F04)表明高频天气尺度涡旋的波破碎可以形成NAO的物理实体。更精确地说，反气旋波破碎伴随NAO正位相，气旋性波破碎与负位相的形成有关。

NAO现象的主要特征是对流层高层急流的经向位移，正位相时急流位置偏北，负位相时急流位置偏南。因此，B04和F04的结果与以往研究波破碎过程与急流位移关系的工作一致。Simmons and Hoskins(1980)和Thorncroft et al. (1993, hereafter T93)的初始结果表明有两类斜压波生命史。一类以反气旋性波破碎结束（LC1)，即波动在西南-东北方向延伸，伴随急流向极偏移。另一类以气旋性波破碎结束(LC2），即波动西北-东南倾斜，伴随急流向赤道偏移。为确定这两种截然不同的行为，T93利用两个正压分量不同的初始急流，发现：能导致LC2的急流有很强的气旋性切变。Lee and Feldstein (1996)在全水球试验中也发现了这两类波破碎，并将其与对流层上层的经向切变强度相联系。

Orlanski (2003, hereafter Or03)在浅水模式中也重现了上述两种波破碎。但是，与前人研究不同的是，该研究没有强调基本流正压分量在控制波破碎中的作用，反之强调了可由低层斜压性或水汽通量控制的涡旋相互作用的机制。对于弱强度，由于Beta效应，高层波动往往反气旋性破碎，使得急流向极移动。对于中等强度，反气旋面积大于气旋。因此，气旋上空是反气旋，这使得底层气旋沿西南-东北方向拉伸，造成全球性的反气旋性波破碎，急流向极偏移。当强迫强度增加时，气旋可能比反气旋更强烈，但后者仍然占主导地位，因为它们的面积大，于是发生更猛烈的反气旋性波破碎。然而，对于更强的强迫，由于反气旋涡度不能低于-f（科氏参数），而气旋没有这样的限制。这使得气旋变得强烈而占主导，同时也会在西北-东南方向拉伸反气旋。这样的配置会产生气旋性波破碎，使急流偏南。Orlanski (2005, hereafter Or05)将上述理论结果用于理解PNA遥相关，发现反气旋（气旋）性波破碎会在太平洋东部产生一个脊（槽），且破碎类型部分受由ENSO产生的SSTA控制，因此他们可以直接影响底层斜压性。

上述论文都一致认为波破碎和对流层高层急流经向位移间存在密切关系，且都认为波破碎会导致急流移动。此外，这也表明研究波破碎有助于我们理解NAO和PNA遥相关。然而，解释波破碎方式的原因的论点并不是朝着同一个方向进行的，而且似乎提出了开放式的问题。

该文的研究和B04以及F04类似，主要聚焦于天气尺度涡旋对与NAO相关的大尺度大气环流的反馈及波破碎的作用。拟解决的问题有：

如何将涡旋动量通量、波破碎及NAO联系起来？
如何定量波破碎？
什么样的波特性会影响他们波破碎的方式（从波动时空尺度和能量考虑）

B04是一个观测研究，证明了反气旋（气旋）性波破碎主要发生在NAO正（负）位相，但未讨论大部分上述问题。通过分析原始方程模式中的初值问题，F04探究了控制波破碎方式的特征，发现其严重依赖于来自太平洋瞬变波的纬度位置。该研究在使用的研究方法及强调的影响波破碎因子方面与前人不同。

该研究聚焦于高频涡旋活动对准定常环流的反馈，特别是与北大西洋涛动NAO有关的反馈。用到的数据包括NCEP-NCAR再分析资料和来自高分辨率非静力区域模式的敏感性实验。与以往研究一致，结果表明：

NAO的急流位置变化特征强烈依赖于瞬变涡旋动力学及其破碎方式。NAO的正or负位相分别与反气旋、气旋涡旋破碎密切相关。事实上，正负符号与波破碎类型相关的高频动量通量与NAO指数相关。动量通量峰值信号超前NAO几天，意味着波破碎可以直接引起NAO事件。
两个例子可以说明单个风暴的显著影响，尤其是发生在北美东岸的风暴。在气旋生命史最后发生的波破碎可以在几天之内迅速改变NAO指数。由于回归平衡需要的时间比较长，因此波破碎可以在接下来一整个月中影响NAO符号。
确定NAO符号的一个重要问题与上游效应有关。通过考虑一个从太平洋东部到欧洲西部的区域，并用观测数据驱动区域模式的西边界，敏感性实验可以重现NAO的符号。这表明，来自太平洋东部的波列对觉得NAO位相非常关键。根据风暴到达大西洋区域时的空间尺度和频率，他们可以以这样或那样的方式破碎，将大西洋急流推向赤道或极地。
周期介于5-12天的天气波以反气旋性方式破碎，而周期介于2-5天的天气波则以反气旋和气旋方式破碎，其中主要以气旋性破碎为主。
地表效应也是一个关键因子。高层气旋性破碎与地表爆发性气旋发展密切相关，并伴随强的地表水汽输送。然而，在反气旋性破碎事件中，这样的爆发性增长不存在。
这里的结果不仅对解释NAO季节内变率有用，也为理解其年际和年代际变率奠定基础。

Wu and Sun,2017, Variability in zonal location of winter East Asian jet stream

急流是狭窄而强劲的西风带分支，常年存在于两个半球的中纬度地区。东亚急流位于东亚和西北太平洋中纬度区域，在东亚的天气气候中起到重要作用。

早夏，EAJS的径向移动同东亚夏季风的爆发撤退相关，EAJS的两次北跳也与中国meiyu密切相关。作为定常波导的EAJS有利于夏季北大西洋涛动信号向东亚地区传播。在年代际尺度上，夏季EAJS轴在过去几十年内向南偏移，且EAJS的年代际变率自1990s年代中期显著减弱。以往的研究还表明有一系列因子对夏季EAJS变率有影响，如TP感热、热带SST异常、春季北极海冰、夏季大气内部变率。

EAJS具有很强的季节循环。冬季EAJS的空间分布及相关机制与其他季节不同。以往研究表明冬季EAJS与很多天气尺度现象相关，例如气旋生成、锋生、阻塞、风暴轴活动、严重的暴雪、冰雨。有很多研究关注于季节或更长时间尺度内，EAJS的强度变化及其与东亚冬季风的关系。

冬季EAJS变率包括强度和位置变化。以往研究表明冬季EAJS强度具有很强的变率，而这对东亚大气环流和气候态具有显著影响。这自然而然地让我们提出这样一个科学问题：冬季EAJS核心位置是否具有强变化。与冬季EAJS强度相比，很少有学者关注于EAJS的纬向位移。如果EAJS存在很强的纬向位移变化，那么进一步会研究这种变化对东亚大气环流和气候的影响。

用200hPa冬季平均20-70N、90E-150W区域内的纬向风最大值作为东亚急流核。发现冬季EAJS核的径向位置变动幅度不大（但夏季EAJS的径向位置变动很大），但纬向位置变动较大。此外，EAJS核纬向位置和强度的关系较低。由于以往很多研究都聚焦于EAJS强度，因此该文主要聚焦于EAJS纬向位置的变化。研究年份1958-2012，其中EAJS偏东样本为9个，偏西样本为8个，正常年份样本23个。

该研究发现东亚急流向东移动与中高纬度系统密切相关，而向西移动的东亚急流则与热带系统密切相关。

当北太平洋涛动(北太平洋海平面气压的南北振荡)处于正位相时，伴随北太平洋马蹄型海温异常，导致40N以南的径向温度梯度增加，以北的径向温度梯度减弱，根据热成风原理，使EAJS向东偏移，而这与增强的阿留申低压及增强的东亚大槽相关，导致中国东北部、朝鲜半岛及日本经历低温。
当印度洋热带对流增强时，通过从热带向副热带输送的纬向角动量，使EAJS向西偏移，而这往往与减弱的中亚脊及东亚南部弱冷平流相关，导致中亚东南部及中国南部经历冷平流。
因此EAJS的纬向位置是衡量东亚温度异常的一个很好的指标。

此处，只有EAJS向西偏移时有一些LaNina的影子，向东偏移时完全没有ENSO的信号。