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地面10m风是最重要的气象基本观测要素之一,目前地面10m风的研究主要集中于陆地日平均风速的长期趋势(Wan et al.,2010)。过去几十年来,中纬度地面10m日平均风速趋势呈下降趋势(McVicar et al.,2008)。与研究广泛的地面日平均风速趋势相比,在过去的二十年中对日最大风速的研究仅受到了较少的关注(Wu et al.,2018)。近年来随着天气过程模拟水平的提高和生产生活的需求增加,日最大风速越来越多地受到广泛的关注(常蕊等,2019;王叶红和赵玉春,2020),比如风电行业更关注瞬时风速(Karnauskas et al.,2018)。研究表明大规模大气环流模态在调节日最大风速中起着关键作用,其中西太平洋模态对我国陆地日最大风速有明显的反馈作用,西太平洋模态可以解释我国中纬度夏季地面日最大风速的变化(Zhang et al.,2020)。
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热带西太平洋是全球海洋温度最高的海域,集中了全球最多的暖水体,称之为西太平洋暖池(简称暖池;黄荣辉等,2016)。西太平洋暖池在全球气候系统中起着十分重要的作用,是整个地球气候系统的热动力引擎。同时西太平洋暖池所包含的巨大热容量,也深刻地影响着东亚地区尤其是我国的天气和气候。近来研究表明江南北部地区梅雨期降水异常与西太平洋海温相关最显著(陈科艺等,2006)。菲律宾东侧的暖池附近产生辐合(辐散)对中国夏季气温有影响(张蓬勃等,2010)。西太平洋SST偏高可以产生偏强的东亚Hadley环流,使华南地区存在异常下沉运动不利于产生降水(曾刚和高琳慧,2017),更有研究发现(任倩等,2018),暖池关键区热含量高(低)可以作为预报江南雨季旱(涝)的一个很好的指标,特别要注意的是热带西太平洋感热加热影响了夏季副高北跳的时间,副高北跳时间的早晚直接影响着我国东部暴雨带位置的变动和长江中下游的持久高温酷暑天气(陶诗言和卫捷,2006)。
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华东近海海上运输、经济活动和海事活动频繁,实施这些活动都要考虑海面10m风的状况,对海面风研究具有迫切的需求。目前国内研究主要集中在三大海岸带区,分别是环渤海地区、华南沿海地区和长三角沿海地区,前两片区域因为其典型性,都有相对完整的研究结果,而对于长三角区域,现有研究主要集中于杭州湾、上海沿海等地(徐经纬等,2015)。目前针对华东近海海域的研究较少,夏季华东海面风速的多年变化趋势和引起海面风速变化机制还需要深入研究。
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为响应实际工作需求,本文开展了西太平洋暖池对华东近海风场日最大风速变化规律的研究。利用近海海表面风场等再分析资料,分析华东近海风场的时空变化特征,探寻华东近海风场风速变化与西太平洋暖池SST的关键海域的潜在联系,进而诊断其中蕴含的物理联系。
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1 资料和方法
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1.1 资料
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1)利用1979—2018年欧洲气象中心ERA-Interim模式各个标准等压面纬向风速(单位:m·s-1)、经向风速(单位:m·s-1)、地表气压(单位:hPa)资料以及位势高度(单位:m2·s-2)的逐6h再分析资料,水平分辨率为0.75°×0.75°。2)英国Hadley中心(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature Dataset,HadISST version 2.0)月平均海表面温度(SST)再分析海温资料,水平分辨率为1°×1°。
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1.2 方法
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Lorenz于1956年将经验正交函数分解方法(EOF)引入气象问题分析中。EOF分析的本质是将一个物理量场的演变分解成各正交模态的独立演变过程,该过程反映了各模态对该物理量演变的影响和贡献(Hannachi et al.,2007)。分解出的模态是否为无意义的噪音,还需进行显著性检验,检验方法一般有North检验和MonteCarlo方法(Overland and Preisendorfer,1982)。本文根据EOF分析第一模态风速变率最大区域定为研究区域,117°~127.5°E、26.25°~40.5°N,将该区域逐日4次10m风场数据挑选出逐日最大风速。再对逐日最大风速做月平均,计算季节平均,将40a季节平均风场进行EOF分解。
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为了研究华东海面10m风场变化(作为左场)和西太平洋暖池SST(作为右场)两者之间的联系,运用SVD方法确定敏感区和时间系数的关系。该方法广泛地应用于气象要素场耦合模态的分离(丁裕国和江志红,1996;魏凤英,2007)。
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由于副高水平结构复杂,利用西太平洋副高脊线位置来表示副高位置。副高脊线位置采用如下算法,在500hPa高度场上110°~150°E、10°~60°N区域内,逐条经线上副热带高压中心(即纬向风u=0且)位置所在纬度的平均值。
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2 华东近海风场的时空特征
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经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,简称EOF)可以从气象变量场资料中识别出主要的相互正交的空间分布型和从多变量中提取主要的相互独立的新变量序列(周国华等,2012)。利用月平均逐日最大风速计算逐年夏季平均,将40a逐年夏季平均距平进行EOF分解,得到的结果中前5个模态均通过North检验。其中第一模态解释方差88%,第一模态反映华东10m风速变化比较一致,尤其是华东近海。其中2个极大值点分别位于山东半岛和浙江沿海,数值的空间分布有明显的南北走向(图1a)。第二模态解释方差6.1%,有明显的空间“跷跷板”结构,正负位相中心分别位于研究区域的东南部分和东北部(图1b)。第三模态解释方差1.6%,也呈现“跷跷板”结构,正负位相中心分别位于研究区域的西南和东部(图1c)。
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奇异值分解(Singular Value Decomposition,简称SVD),它是两个场的最大协方差为基础展开,是分析两个场空间相关结构的有效诊断工具(Xu et al.,2021)。本文利用SVD方法分析西太平洋暖池SST与华东近海10m风速的联系。SVD展开模态中,第一模态解释方差贡献率为88.9%(图2a,b),此模态左、右场时间系数的相关系数为0.58,通过置信度为95%显著性检验(图2c)。此外,SVD异性相关系数是指一个模态中两个空间向量时间系数的相关程度,可以揭示两个空间向量联系的紧密程度(李丽平等,2018)。SVD第一模态中两个向量的空间分布可以看出华东近海10m风速联系紧密的海温关键区(图2b)。既华东近海10m风速与菲律宾以东海域的SST有较高的负相关关系。暖池SST时间系数与副高脊线位置有较高的正相关关系(图2c),这与任倩等(2018)所得结论相似,表明暖池SST、西北太平洋副高和华东近海10m风速之间很可能存在潜在的物理联系。
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图1 经验正交分解夏季华东近海日最大风速空间分布(a、b、c分别对应前三模态;红色线为华东边界)
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Fig.1 Empirical orthogonal decomposition of the spatial distribution of the maximum daily wind speed in the coastal waters of Jiangsu in summer (a,b,c correspond to the first three modes.The red line is the border of Jiangsu)
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为了更好揭示西太平洋暖池SST影响华东夏季近海海面风速的物理联系,以SVD第一模态为研究对象,将40a西太平洋暖池SST时间系数大于正1倍标准差的年份作为正异常年,小于负1倍标准差的作为负异常年,共挑选出6个正异常年(1990、1994、1997、2002、2015、2018年),8个负异常年(1983、1984、1987、1988、1998、1999、2008、2010年),分别对位势高度场、风场、气温和散度场进行合成分析,研究西太平洋暖池SST与华东夏季近海海面风速变化的内在联系。
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3 西太平洋暖池SST与华东近海风场变化的物理联系
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近来研究指出西太平洋暖池和西北太平洋副高脊线位置有密切联系(苏同华等,2017),两者可以视为经向东亚Hadley环流的上升支和下沉支,低纬度地区(如暖池)的热量输送是Hadley环流的直接动力。为了分析暖池SST对西北太平洋副高位置的影响,对比了暖池SST异常年和40a平均500hPa位势高度场(图3a—c)。相对于40a平均位势高度场,在暖池SST正异常年副高明显增强西伸,在华东近海海域有位势高度正偏差中心(图3d),华东海域位势高度增高。在暖池SST负异常年,相对于40a平均500hPa位势高度场,副高大幅度东退南撤,在我国23°N附近有负位势高度偏差中心(图3e),华东海域位势高度降低,这与菲律宾东侧的暖池附近产生辐合(辐散)对中国夏季气温有影响(张蓬勃等,2010)结论一致。
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为了分析暖池SST异常年份垂直方向上副高的变化和副高对华东近海10m风速的影响,对比了暖池SST正、负异常年和40a平均120°~140°E纬向平均风和气温垂直剖面(图4a—c)。风场剖面图上可以看到当暖池SST正异常时,副高增强,中纬度地区对流层中层偏南风和下沉运动较40a平均强(图4d)。下沉气流最北端较40a平均更偏北,华东30°N附近近海海域偏北风增强,副高内部多个等压面上呈现温度正异常。在暖池SST负异常时,副高内部下沉运动明显减弱,华东30°N近地面有偏南风异常(图4e),多个等压面上出现温度负异常。从以上现象可以看出,在暖池SST正异常年华东近海海域受增强的副高控制,在副高西部系统控制下,华东近海海域大气下沉运动增强,日最大风速减小;在暖池SST负异常年副高位置偏南,冷空气活动加强、伴随降温和日最大风速增大。
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此外,进一步分析在暖池SST异常年华东近海海域的垂直运动状况,对比了暖池SST正、负异常年与40a平均925hPa和500hPa风场和散度场(图5a—f)。在暖池SST正异常年份(图5a、d),500hPa华东近海海域有辐合加强,低层925hPa华东近海海域辐散加强,表明较40a平均下沉运动增强。华东近海海域500hPa上有异常反气旋环流,副高较40a平均增强,尤其是25°N附近,在增强副高控制下,近地面华东海域有偏北风异常(图4d),参考10m高度40a平均为偏南风,华东近海海域10m风速和925hPa风速均呈现异常减小,较40a平均减小约30%以上(图6a)。在暖池SST负异常年华东近海海域有明显偏南风异常(图6b),华东近海对流层低层风速增大,海面10m风速显著增大,较40a平均增大20%以上。
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图2 SVD第一模态10m风速标准化奇异向量(a)、SVD第一模态暖池SST标准化奇异向量(b;阴影区分别为高绝对值正、负区)以及第一模态异性相关系数及时间系数(c;左、右场时间系数相关达-0.58,通过置信度为95%的显著性检验,SST(蓝线)与西北太平洋副高脊线位置(绿线)时间相关系数达0.46,通过置信度为95%显著性检验。红色线为10m风场时间系数,绿色线为去线性趋势后标准化的西北太平洋副高脊线位置)
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Fig.2 (a) SVD first mode standardized singular vector of 10m sea surface wind,(b) SVD first mode standardized singular vector of SST over Pacific warm pool.The shaded areas are high,absolute,positive,and negative value areas;(c) correlation coefficient and time coefficient,the left and right field time coefficients are correlated to-0.58,passing the 95%confidence test.The time correlation coefficient reached 0.46of SST (blue line) and the position of the Northwest Pacific Subtropical High ridgeline (green line),passing the 95%confidence test.The red line is the10m wind field time coefficient,and the green line is the normalized position of the ridgeline of the Northwest Pacific subtropical high after the de-linear trend
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综上所述,多项研究表明在暖池SST正异常年份,海洋对大气的热量输送增大,低层流场辐合加强,引起东亚Hadley上升支上升运动加强,副高加强并西伸北进(黄荣辉等,2016;Xu et al.,2018)。华东近海海域此时恰恰处于副高控制,近地面有偏北风异常,华东近海海域10m风速减小;反之,在暖池SST负异常年份,海洋对大气的热量输送减小,较40a平均西太平洋暖池区对流层低层有辐散流场,副高南撤东退,华东近海海域10m风有偏南风异常,风速增大。
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图3 夏季500hPa位势高度场正异常年(a;单位:dagpm)、负异常年(b;单位:dagpm)、40a平均(c;单位:dagpm)、正异常年与40a平均位势高度偏差(d;单位:gpm);负异常年与40a平均位势高度场偏差(e;单位:gpm)(图中红色线为江苏省省界,阴影区域通过90%显著性检验)
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Fig.3 500hPa geopotential height field in JJA (a) positive anomaly year (unit:dagpm);(b) negative anomaly year (unit:dagpm);(c) 40years mean (unit:dagpm);(d) geopotential height difference between positive anomaly years and 40years mean (unit:gpm);(e) geopotential height difference between negative anomaly years and 40years mean (unit:gpm).The red line in the figure is the provincial boundary of Jiangsu Province,and the shaded area has passed the 90%significance test
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4 讨论和结论
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华东近海海域风场与经济生产和海事活动密切相关,该海域风场的研究结果可以直接指导工程实践,有重要应用意义。近年来华东近海日最大风场的机制研究仍存在不足,尤其是风场变化受哪些环流因子影响仍不明确。本文将研究重点放在暖池SST与华东近海夏季海面风速变化的物理联系上,通过正、负异常年份和40a平均环流场的对比分析,研究了在暖池SST正、负异常年背景环流场的变化特征,厘清西太平洋暖池SST变化影响华东近海风场的物理联系。主要结论如下:
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1)利用EOF分析方法将40a华东近海夏季海面风速分解,第一模态解释方差高达88.9%,前5个模态均通过North检验。对应SVD分析有类似结果,华东近海风速变化与菲律宾以东海域SST有密切联系,SVD第一模态左、右向量变化高度相关,两者时间系数的相关系数为0.58,通过了置信度为95%的显著性检验。
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2)夏季暖池SST与华东近海10m风速之间存在显著负相关关系。两者联系为:在夏季暖池SST正(负)异常年,西北太平洋副高增强西伸北抬(减弱东撤南退),华东近海10m风速减少(增加)。
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图4 夏季在中纬度华东海域120°~140°E平均,经向风速和气温垂直剖面正异常年(a)、负异常年(b)、40a平均(c)、正异常年与40a平均经向风速和气温偏差(d)、负异常年与40a平均经向风速以及气温偏差(e),阴影区域通过95%显著性检验(气温单位:k;风速单位:m/s)
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Fig.4 A vertical profile of JJA mean winds and temperatures is recorded at 120°—140°E in the mid-latitude East China Sea.(a) positive anomaly year;(b) negative anomaly year;(c) 40years mean;(d) difference of meridional wind speed and temperature between positive anomaly years and 40years mean;(e) difference of meridional wind speed and temperature between negative anomaly years and 40years mean,and the shaded area has passed the95%significance test
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3)在暖池SST正异常年,较暖的海面对大气热量输送增大,低层流场辐合加强,东亚Hadley上升支上升运动加强,副高加强西伸北进,500hPa上华东近海海域下沉运动和偏南风增强,大气垂直剖面有普遍增温现象,相对于40a平均风场10m风场有偏北风异常,华东近海海域10m风速减小;反之在暖池SST负异常年,副高东撤南退,对流层中层冷空气活动显著,大气垂直剖面存在显著降温现象,华东近海海域有偏南风异常,华东近海海域风速增加。
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由此可见,不仅暖池SST对西北太平洋副高变化有影响,而且与华东近海海面风速变化有联系。这进一步说明了暖池SST异常可以作为一个有效的预报因子应用于华东近海海面风速变化的气候预测中。
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致谢:ECMWF提供了ERA-Interim的位势高度场、气温、风场资料的在线下载服务。Hadley中心提供了Had ISST再分析海温资料在线下载服务。衷心感谢两位审稿专家对论文的悉心审阅,并提出了建设性修改建议,再次感谢。
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图5 500hPa(a、b、c)和925hPa(d、e、f)夏季正异常年与40a平均风场和散度偏差(a、d);负异常年与40a平均风场和散度场偏差(b、e);40a平均风场和散度场(c、f),图中红色线为江苏边界,阴影区域通过95%显著性检验,风速单位:106 m/s
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Fig.5 (a,b,c) 500hPa and (d,e,f) 925hPa in JJA (a,d) the difference of wind field and divergence between the positive anomaly years and the 40years mean;(b,e) for negative year difference;(c,f) the40years mean wind field and divergence,the shaded area passes the 95%significance test
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图6 夏季10m风场正异常年与40a平均10m风速偏差(a;单位:%);负异常年与40a平均10m风速偏差(b;单位:%);40a平均(c;单位:m/s),图中红色线为江苏边界,阴影区域通过95%显著性检验
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Fig.6 10m wind field in JJA (a) The difference of wind speed of 10m between positive anomaly years and 40years mean (unit:%);(b) The difference of wind speed of 10m between negative anomaly years and 40years mean (unit:%);(c) 40years mean (unit:m/s),the red line in the figure is the border of Jiangsu,the shaded area passes the 95%significance test
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参考文献
摘要
利用1979—2018年ERA Interim地面10 m风场、位势高度场、温度场和风场,Hadley中心HadISST再分析海温资料,采用SVD分析、合成分析等方法,研究了夏季(6—8月)西太平洋暖池关键海域海表面温度(Sea Surface Temperature,简称SST)对华东海域夏季10 m日最大风速变化的影响关系。SVD分析结果表明,夏季华东近海风速变化与菲律宾以东海域SST有明显负相关,第一模态左、右空间向量的时间系数相关达0.58,通过了置信度为95%的显著性检验。当西太平洋暖池SST正异常时,暖池海域SST增高,西北太平洋副热带高压(以下简称副高)加强,副高脊线北进(西北太平洋副高脊线纬度位置与暖池SST相关系数达到0.46,通过置信度为95%显著性检验)。此时华东近海正处于副高控制,近海下沉运动增强,大气温度垂直剖面有普遍增温现象,10 m风场有偏北风异常,海面风速减小约占40 a平均风速的约30%;当暖池SST负异常时,副高东撤南退,华东近海冷空气活动加强,温度垂直剖面存在显著降温现象,华东近海风速增加占40 a平均风速的20%以上。本研究进一步说明了暖池SST异常是一个有效的预报因子,可用于华东近海海面风速预测预报。
Abstract
With 10 m wind speed,geopotential height field,temperature,and wind field from ERA-Interim from 1979 to 2018,HadISST reanalyzed Sea Surface Temperature (SST) from the Hadley Center,applying SVD analysis and synthetic analysis methods.We examined the relationship between the Western Pacific Warm Pool SST and the 10 m daily maximum wind speed anomaly in summer (June-August) in Eastern China offshore waters.The SVD analysis results show there is a significant negative correlation between the 10 m wind speed changes in the offshore waters of East China and the SST in the east of the Philippines.The correlation coefficient of the left and right spatial vectors of the first mode is 0.58,which passes the 95% confidence test.When the SST of the Western Pacific Warm Pool is in a positive anomaly year,the SST of the warm pool area increases,the Northwest Pacific Subtropical High (NPSH) strengthens,and the subtropical high ridge usually moves northward,where the correlation coefficient of the latitude of the NPSH ridge and the SST from warm pool reached 0.46,passing the 95% confidence test.At this time,the offshore waters of East China are under the control of the subtropical high,and the sinking motion has increased over the offshore waters,the vertical temperature profile of the troposphere has generally increased,and the 10 m wind shows north wind abnormal over the offshore waters.The reduction of sea surface wind speed has accounted for about 30% of the mean wind speedover the past 40 years.When the warm pool SST is negative,the subtropical high retreats to the southeastward.The activity of cold air in the offshore waters of East China has strengthened.The vertical temperature profile has a significant cooling phenomenon.The increase in wind speed has accounted for more than 20% of the averagewind speed over the past 40 years.This study further demonstrates that the SST anomaly in the warm pool is an effective predictor,which can be used to predict the sea surface wind speed in the offshore waters of Eastern Chinaand to guide economic production and maritime activities in related fields.
