春季东亚副热带西风急流的变化特征及其与中国沙尘天气的关系

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副热带高空西风急流作为北半球的二个主要环流因子,其位置及强度的变化会对沙尘暴的发生频次产生重要影响。近些年来,随着对沙尘暴天气研究的不断深入,高空急流的作用逐渐受到重视。本文分析了春季中国上空副热带西风急流的演变特征及其与同期我国北方沙区上空风场、近地面风之间的关系,进而对中国北方沙尘暴天气发生频次的影响,提出了一种从风动力学角度来解释中国北方春季沙尘暴成因的途径。首先,本文利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA-Interim全球大气再分析资料,采用多年候平均的方法对我国上空副热带西风急流各特征参数的变化特征进行了分析。从年内变化来看,位于中国上空的副热带西风急流轴纬度、急流中心经度以及表征副热带急流区域性强弱特征的急流相对强度都呈现出规律性的变化,其演变特征可以总结为:在一年之中副热带西风急流轴纬度大致经历了3个阶段的变化,即隆冬至初春的位置稳定阶段、春季至盛夏的北进阶段以及夏末至初冬的南撤阶段;急流中心在冬季位于西太平洋上空,之后受高原热源加热作用的影响,其位置迅速西移,八月初到达一年之中最西位置,此后随着太阳辐射强度的减弱,急流中心又向东移至冬半年平均位置;急流相对强度在一年内的变化呈余弦分布,其中在2月初达到最大,7月末最小。而从年际变化情况来看,1980-2012年共33年间我国上空副热带西风急流轴的位置在冬、春、夏季均出现向北移动的趋势,而秋季基本保持稳定;急流中心的位置在冬季除了个别年份外均位于最东经度,在春季有所东移,而在夏季和秋季则有明显向西移动的趋势;急流相对强度在冬季和春季都有所增强,夏季则有减弱的趋势,而秋季基本上保持不变。其次,通过对近几十年我国春季沙尘暴发生次数以及各站点月平均风速的统计,并计算了同期中国上空副热带西风急流的相对强度,发现它们之间存在显著的相关关系:从总体上看,我国春季沙尘暴发生总站日数与同期中国上空副热带西风急流相对强度呈显著负相关关系;而沙尘源地近地面的风速与副热带急流相对强度之间也呈显著负相关。从站点的角度来看,春季西北大部分地区站点的沙尘暴发生次数与中国上空副热带西风急流相对强度为负相关关系;而在北方大部分地区站点的月平均风速与我国上空副热带西风急流相对强度也呈负相关的关系。因此,春季我国上空副热带西风急流与沙尘暴发生频次之间的关系我们可以理解为:当我国上空副热带西风急流相对强度增强(减弱)时,使得位于急流北侧沙尘源地上空的风速减弱(增强),进而导致我国北方沙尘物质丰富的地区近地面风速减小(增大),最终影响我国沙尘暴发生频次较高的南疆西部地区、和田地区和内蒙古阿拉善地区沙尘暴发生次数减少(增多)。最后,采用合成分析的方法,比较沙尘暴多发年和少发年春季东亚副热带地区高空西风急流以及中低空位势高度场、风场的差异,得出:春季沙尘暴多发年,东亚副热带西风急流强度有所减弱,而在哈萨克斯坦东部、蒙古、内蒙古大部分地区以及南疆地区等沙尘源地,200hPa纬向风速增大;500、850hPa风速、位势高度差值场的分布都有利于中国沙尘源地近地面风速增大。在中国沙尘源地,高层纬向风速增大,使得动量有效下传到近地面,引起地面大风,从而容易产生沙尘暴。综上所述,东亚副热带西风急流通过影响我国沙区上空西风的强度而间接影响近地面风场的变化,进而导致中国北方沙尘暴发生频次的变化。由此揭示了造成我国北方沙尘暴发生频次变化的另一种遥相关机制。
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