改变的特点北半球500 - hpa环极涡
Nazla Bushra
罗伯特诉Rohli
春燕李
保罗·w·米勒
Rubayet本Mostafiz- 1海洋和沿海科学、海岸和环境学院路易斯安那州立大学巴吞鲁日,洛杉矶,美国
- 2沿海研究所,路易斯安那州立大学巴吞鲁日,洛杉矶,美国
对流层环极涡(CPV),一个重要的标志性的过程转向一般的大气环流,围绕每个杆和与天气条件。可以将CPV的特点是它的面积和循环比(Rc),这两个暂时改变。这研究进展之前工作确定每日500 - hpa半球CPV (NHCPV)北部地区,Rc和时间趋势在其质心通过检查NHCPV地区和线性趋势和周期性的周期Rc(1979 - 2017)。结果表明,NHCPV面积随时间线性增加。然而,一个更有代表性的信号行星变暖可能暂时削弱梯度已模糊NHCPV distinctiveness-perhaps北极放大的一个新的指标。Rc显示反对亚纪的趋势和一个无关紧要的总体趋势。不同的年度和半年度周期存在区域和Rc在所有的亚纪。这些特性的NHCPV随时间变化可能会影响表面天气/气候。
介绍
对流层极地漩涡(cpv沃et al ., 2017)是两个hemispheric-scale温带发行量环游每个北半球极地这里(NHCPV)和其他南部。尽管不连续表面附近的cpv是定位在给定的时间极面,位于附近最陡的位势高度梯度,空气温度的最大梯度,quasi-westerly风带的和最快的流,包括极地急流。NHCPV区域的空间特性和循环检查Bushra和Rohli (2019,2021)的时空特性,NHCPV质心位置描述Bushra和Rohli (2021 b)。
向极的振幅和长度(即。,ridges in the Northern Hemisphere) and equatorward (i.e., troughs in the Northern Hemisphere) meanders in the Rossby waves in the CPV's westerly flow support surface storminess (Di加普亚Coumou, 2016)通过上层散度(ULD和气旋性涡度平流(CVA),由上层和抑制表面猛烈收敛(城市)和反气旋涡度平流(瓦)。还有用于货物集装器,同样地,城市和艾娃(CVA),由罗斯比波驱动,支持(抑制)表面反气旋。当CPV的质心位置和尺寸的变化(即。,area and wave amplitudes in the form of ridges/troughs) are likely to affect the location and degree to which surface storms or anticyclones beneath the CPV are supported, surface features may also influence the CPV properties (天使和Korshover, 1985;Kirby et al ., 2002)。在强度、位置、波振幅,CPV的位置是众所周知的直接链接到表面环境变化特性,比如表面空气温度和风力(van den Broeke和van Lipzig, 2002年;白痴et al ., 2018)、降水(斯et al ., 2018),海洋表面温度(Frauenfeld et al ., 2005)、海洋盐度(陈et al ., 2018)、水蒸气运输(王,叮,2009)、空气质量特性(Vanos Cakmak, 2014),风暴跟踪(Kidston et al ., 2015)、臭氧(Glovin et al ., 2016)、海冰范围(奥姆镇et al ., 2017)、气溶胶分布(巴特利特et al ., 2018),和大气阻塞(Altenhoff et al ., 2008;Tyrlis霍斯金斯,2008),就像地球表面地形直接关联到转向循环(Tang和陈,2016年)。
在早期的研究中,天使和Korshover (1977)指出,300 - hpa annual-averaged NHCPV面积从1970增加到1975,尽管同时收缩随时间在冬季。天使(1998,2006)后建议300 - hpa - nhcpv面积减少1963 - 2001年期间,特别是在西半球,每十年1.5%的速度。天使(1998)证明了最强烈的300 - hpa - nhcpv收缩开始于1990年前后。相比之下,戴维斯和Benkovic (1992,1994)指出扩大500 hpa NHCPV从1966年到1990年1月,主要造成加剧地区电缆走线架在北太平洋和北美东部和并发暖气团侵入阿拉斯加和加拿大西部。伯内特(1993)NHCPV 1月发现了类似的结果在1960年代中期后,与区域增长由于沿太平洋和北美东部/大西洋扩张领域,但在1980年代末开始收缩。Frauenfeld和戴维斯(2003)调查的时间趋势NHCPV区域多个定压水平在1949 - 2000年期间;各级他们发现重大NHCPV扩张,直到1970年,面积收缩之后,与扩张/收缩的主要领域在亚洲、欧洲和北美,和更少的变化在北半球海洋。在对流层上部趋势强于附近的表面(Frauenfeld和戴维斯,2003年),可能因为表面的复杂性的影响。使用阈值温度在850 hPa水平作为指标,马丁(2015)观察到北半球冷池的萎缩。
虽然上述研究划定NHCPV区域使用一个预先确定的等高线,推荐Frauenfeld和戴维斯(2003),汤普森和所罗门(2002)应用位势高度的垂直梯度相对粗radiosonde-based站网络定义NHCPV。Bushra和Rohli (2019)划定CPV的前缘500 - hpa最大纬度梯度的位势高度。
尽管NHCPV的面积已经研究了几十年,分析CPV的形状已经很大程度上局限于报告的相对面积不同象限内杆直到Rohli et al。(2005),Wrona和Rohli (2007),Bushra和Rohli (2019)借用了流域水文学家流域指标(城市肖利et al ., 1984)通过使用“循环比率”(Rc),从0(即。,infinitely amplified ridges and troughs) to 1.0 (i.e., perfectly circular, west-to-east-flowing CPV). CPV sinuosity (i.e., ratio of CPV length to the length of the corresponding parallel of latitude segment) has also been analyzed for the 500-hPa level in the North American sector (Vavrus et al ., 2017在半球尺度)和(Cattiaux et al ., 2016;Di加普亚Coumou, 2016),使用快速傅里叶变换(FFT)方法(屏幕和西蒙兹,2013年),和罗斯贝波起始potential-vorticity-based识别(Rothlisberger et al ., 2016)。然而,尽管这些和其他一些重要的研究(例如,Zakinyan et al ., 2016),仍然是一个需要研究和解释CPV的形状。
分析颞NHCPV及其趋势Rc可能揭示hemispheric-scale响应表面变暖的重要特征。尽管全球气温正在上升,过去几十年的变暖趋势可能在高纬度地区最为明显,特别是在北极(2003年荷兰和来自主办国的;Pithan Mauritsen, 2014;et al ., 2019后)。这种“北极放大”减少了横向温度梯度和影响tropics-to-poles在大气中传输的能量(例如,科恩et al ., 2014)和海洋(例如,拉姆斯托夫et al ., 2015;Praetorius 2018)。北极放大提出了削弱纬向风,这是连接到增强的罗斯贝波培土,电缆走线架和支持还有用于货物集装器和恶劣天气增加地区的患者。基于模型的研究指出,这些子午蜿蜒将增加在未来(弗朗西斯和Vavrus, 2012年,2015年;Peings Magnusdottir, 2014),但Cattiaux et al。(2016)不同意,Vavrus (2018)总结了相互矛盾的证据和哀叹缺乏共识。
周期性变化的大规模转向循环包括分析大气运动和波浪的能量分布。这个振荡可以通过线性化来解释/ non-linearized能量转移光谱与傅里叶分析在空间和时间。波数和频率之间的关系的理解,和可变性的大小和相位可以帮助理解能量的动态影响表面的天气。Hayashi (1974)进行了时空交叉谱分析了解热带扰动对大气环流的影响。陈et al。(1981)模拟冬季风场在90天时间内通过应用改进的傅里叶分析来反映wavenumber-frequency光谱特征。Hayashi (1982)使用时空理解大规模大气波频谱分析。Higuchi et al。(1999)采用多分辨率傅里叶变换光谱分析解决的时间结构变异的北大西洋涛动(NAO);房龙和罗杰斯,1978年;华莱士和Gutzler, 1981年;Barnston Livezey, 1987;Hurrell 1995),一个组件NHCPV,各种频率成分。一如和混合涂料(1998)解释的影响小波分析在大气科学使用的例子厄尔尼诺-南方涛动(ENSO;玩弄女性,1990)时间序列。佩尔蒂埃(1998)探索当地的高频分量变化温度时间序列使用功率谱。Ghil et al。(2002)应用时间序列分析,把大气作为一个非线性动态系统。Rodionov (2004)应用序贯算法在时间序列数据探测政权转移和跟踪级更改。最近的研究包括日常的考试500 - hpa南半球的位势高度数据分析的时空频率特征膨胀系数(太阳和李,2012年)。
时空的综合分析周期性NHCPV面积和性质Rc仍然缺乏。线性回归模型的含义代表了在时域时间趋势,而FFT提取信息的可变性分析频率变化的大小和振荡。
目的
本研究的目的是评估NHCPV的区域和时间变化Rc在500 - hpa位势高度的水平。时间序列分析将确定周期性/频率特性和可变性。分析内部、年际NHCPV区域和可变性Rc提供了一个索引的大气转向流量之间的关系和表面变暖,也可以说最近的结果(Bushra Rohli, 2019)。分析内部、年际变异性NHCPV形状是重要的不仅是一个潜在的北极放大反应的特征,也是一个可能的斜压不稳定的指标与严重的温带天气在未来的工作中。NHCPV区域和分析Rc也告知研究温带恶劣天气,依赖于热带和极地气团的并列(例如,陆路et al ., 2015)。
数据和方法
为了便于比较的结果Bushra和Rohli (2019,2021年,一个,b),每日500 - hpa位势高度数据从国家获得环境信息中心(NCEI) /国家大气研究中心(NCAR)再分析2项目(Kanamitsu et al ., 2002)。这个数据集的空间分辨率允许描述长波流过滤短波流,这有助于克服从日常CPV穿孔形状的计算挑战截止低点,ω街区,雷克斯块(卢波2021)。在每个2.5°全球经度的增量从20°N的北极,每日500 - hpa NHCPV划定在1979 - 2017年期间使用更充分地描述的方法Bushra和Rohli (2019)。具体来说,NHCPV多边形是由连接这些点代表最陡梯度的纬度500 - hpa位势高度为每一子午线在北半球经度。这种方法避免了脆弱的假设的前缘CPV遵循相同的等高线穿过空间,尽管不同的地形,海洋和空气质量的影响。贝塞尔曲线平滑后(Jekeli 2005),然后NHCPV面积测量,Rc是计算
在哪里一个代表该地区在NHCPV和封闭一个c表示圆的面积与周长一样NHCPV那天。因为段长度的计算Rcresolution-dependent,重要的是相同的数据用于计算NHCPV属性(早些时候Bushra Rohli, 2019,2021年,一个,b这里使用。
然后使用统计回归分析的线性趋势NHCPV的区域Rc500 - hpa水平整个时间和亚纪通过断点分析(白和阶石,2003;Muggeo 2008)。断点标识的数量取决于测试和偏离稳定的线性回归模型系数的变化从一个稳定的回归关系不同(巴姨,1994,1997年,一个,b;白和阶石,1998)。如果有断点,段的数量的回归系数是常数将m + 1。
去除高频噪声,巴特沃斯(巴特沃斯,1930)低通滤波器应用于3.65年的分界点−1之前的数据集,应用FFT (韦尔奇,1967)。然后,费舍尔的确切G测试多个时间序列(基因),或“fisher.g。测试”(Ahdesmaki et al ., 2021),应用于NHCPV的区域Rc整个数据记录和分段时间从断点分析结果确认剩余噪声不是问题。任何p值< 0.001支持拒绝零假设的白噪声的重要存在。
lag-1相关两个连续观测之间的存在表明红噪声(舒尔茨和Mudelsee, 2002),对低频功率谱加权(Ghil et al ., 2002)。应用Durbin-Watson (dw)测试(1977年新疆圆柏和白色)和< 2的检验统计量(p值< 0.001)为所有数据系列证实lag-1的存在自相关的数据集。确认合成功率谱不从红色噪音,这个Cochrane-Orcutt(切断)方法(蒙哥马利et al ., 2012)用于移除任何这样的自相关的数据集在时间(独立Vanhatalo Kulahci, 2016)。再次,dw应用测试的检验统计量> 2 (p值< 0.001)表明lag-1自相关(即。删除,红色噪音)成功地从每个数据集。
最后,应用FFT谱分析。光谱分析确定的时空傅里叶分量NHCPV属性评估的周期性特征区域Rc时间序列数据对所有时间段通过分解时间序列信号频域(即。,量化级的变化在不同的频率)。
结果与讨论
长期趋势
线性回归分析表明,1979 - 2017年期间,该地区在500 - hpa NHCPV显示了重要的时间增加(125公里2一天−1;p< 0.001;图1一个)尽管全球平均地表温度一致的增加(福兰德et al ., 2018)。全球变暖可能已经将以减少冷池NHCPV所代表的。时间序列断点标识在95%置信水平在1986年,1994年和2001年,NHCPV面积显著增加在所有四个分段时间(图1 b与1979 - 1986年),但段表现出日益增长的面积只在90%的置信水平(表1)。95%置信区间的断点位置所示图1 b和表1。NHCPV区域的最大速度增加(1305公里2一天−1)发生在1994 - 2001年期间,也许是因为冷却结束时扩展厄尔尼诺事件在1990年代早期,它可以放大太平洋NHCPV而萎缩的美国部门的部门(Frauenfeld和戴维斯,2000年)。菲律宾的皮纳图博火山喷发的火山喷发显然不是一个重要的因素,因为它已被证明是相关的萎缩,在加强,NHCPV (Ottera 2008)。188公里的最低水平2一天−1发生在2001 - 2017年期间,可能相应的转移在太平洋年代际振荡(PDO);纽曼et al ., 2003),一个寒冷的阶段(国家海洋大气管理局,2021年),这可能部分抵消NHCPV扩张的趋势,尤其是在太平洋盆地。这两个假设邀请进一步调查,但不足够长的时间序列识别多个周期的影响从大西洋数十年震荡(克尔,2000)或PDO (Rohli et al ., 2022)。注意,因为突然向下转变区域的断点,亚纪的最小面积增长率仍然超过平均时间增加整个时间序列。
图1。(一)统计学意义(p< 0.001)线性增加的趋势在日常500 - hpa NHCPV面积在1979 - 2017年期间。从巴特沃斯低通滤波,平滑黑线显示年度周期。(B)线性回归从断点分析四种亚纪的1979 - 1986,1986 - 1994,1994 - 2001和2001 - 2017年NHCPV区(p所示值表1)和95%置信区间的断点位置沿x轴和显示表1。(C)就像在(一)但显示统计微不足道(p= 0.445)在500 - hpa线性递减的趋势Rc。(D)就像在(B),但是对于四亚纪1979 - 1988,1988 - 1994,1994 - 2001,和2001 - 2017年NHCPVRc。(E)就像在(一),但显示统计学意义(p= 0.001)线性递减趋势500 - hpa的意思是最大程度上的每日南北500 - hpa位势高度梯度。(F)就像在(B)1979 - 1986年,但对于四个亚纪(p= 0.016),1986 - 1993 (p= 0.718),1993 - 2004 (p< 0.001),2004 - 2017 (p< 0.001)NHCPV梯度。
表1。回归线斜率的意义,和95%置信区间的断点,NHCPV区域Rc。
NHCPV地区时间增加的另一个可能的解释可能是在变暖的世界在这几十年的前缘NHCPV可能越来越不明显,导致案件中,亚热带飞机(STJ)可能错误地描述CPV,导致越来越大的CPV区域。这是一个在夏季尤其令人担忧,因为数据点的考虑只向极20°N将限制的可能性包含的STJ寒冷的季节。大区域范围的STJ-based NHCPV温暖季节可能过度补偿的polar-front-based萎缩,种冷NHCPV,导致净NHCPV扩张。
500 - hpa NHCPV的线性回归分析Rc显示没有明显的趋势(−4.258×10−8一天−1;p= 0.445)在整个时间序列(图1 c)。四个时间序列段500 - hpa NHCPV也确定了Rc断点在1988年,1994年和2001年的95%置信区间每个断点位置所示图1 d和表1。这些断点类似区域分析,可能表明趋势波动的山脊和低谷NHCPV相关区域,这对于NHCPV政权转移面积和循环同时发生。
在1979 - 1988和1994 - 2001段,Rc增加显著(分别在90年和95%置信水平)增长率最高的0.02×10−8一天−1在后者。然而,这些亚纪打断了间隔减少趋势的1988 - 1994和2001 - 2017年(分别在95和90%置信水平)的最大下降率−0.017×10−8一天−1在早期。
明显波动但总体CPV在暂时的暂时增加区域气候变暖可能会让剩下的冷空气池的体积更小,从而导致增加循环。也可能是相关的事实,与冷池的分析马丁(2015)这里只考虑DJF,分析认为整个年。但这里的趋势确定可以抵消的趋势增加波振幅在减少equator-to-pole温度梯度,所观察到的马丁(2021)地转流的力量削弱,在某种程度上类似于一条小溪蜿蜒的增加在河口附近的一个温和的梯度。最终的结果将是一个面积和循环之间的关系但是没有整体的线性时间趋势Rc尽管暂时减少NHCPV区域。
这一结果表明,500 - hpa NHCPV的形状可能表现为交替增加和减少在罗斯贝波放大。减少循环性能将会发生在500 - hpa equator-to-pole疲软的环境梯度的位势高度和削弱地带性的风,这可能反过来放大罗斯比波(弗朗西斯和Vavrus, 2012年),提供增加极端天气的频率和大小。但是这种模式是“重置”最终,作为增加的趋势循环集在一段时间前模式重新建立。区域扩张与认为500 - hpa NHCPV区域会随着时间减少冷池撤退向极响应表面变暖,而是表明,其他因素可能推动的结果。
因此,在后续的分析,证实了daily-averaged 500 - hpa位势高度梯度,划定的前缘NHCPV确实明显减小,以0.1661公里的速度−1一天−1(p< 0.001)在研究期间(图1 e)。这个值是计算从趋势线(y = 89.44 - -1.661×10−4(注意这里的单位方程的斜率是m m−1一天−1);p< 0.001)14245年的每日144每日纵向最大的平均值500 - hpa每日位势高度差(m)在给定的经度发生在两个相邻网格点之间的水平距离2.5°的纬度(或279.23公里)。这种梯度减弱的可能是一个更强的症状比NHCPV北极放大区域。四亚纪的下降趋势在每个研究期间也明显但有不同程度的统计学意义(图1 f)。
季节循环
功率谱允许评估的频率和振幅500 - hpa NHCPV特征。NHCPV地区具有明显的年周期变化的暗示北半球太阳辐射在每年由于地轴的倾斜革命和半年周期也许寒湿季节性流的反射,在整个研究期间(1979 - 2017)。然而,年度周期的大小不同的亚纪模糊或较弱的半年一次的循环(图2 a e)。半年一次的信号在这些区域的日常标准化值表明,z得分至少可以提供某种程度的理解的z得分区域未来6个月。FFT也揭示了一个高频intra-annual ~ 7.5年的周期−1但只有在1994 - 2001年期间(图2 d)。这个频率匹配40-60-day振荡,也被称为Madden-Julian振荡(;MJO就可马登和朱利安,1994;亨德森et al ., 2016;高兰Greatbatch, 2017),这是一个热带对流活动的eastward-propagating序列识别通过在热带太平洋纬向风异常(马登和朱利安,1971)。考虑到热带和温带环流异常之间的关系(例如,刘et al ., 2012)之间的联系和NHCPV MJO就可就是权证未来的研究主题。1994 - 2001年的亚纪NHCPV地区显示最强劲的增长趋势。
图2。大小功率谱的日常NHCPV区域(一)1979 - 2017,(B)1979 - 1986,(C)1986 - 1994,(D)1994 - 2001,(E)2001 - 2017期。峰值表明高频变化的大小。最高的山峰在1周期−1表明年度周期时间。
NHCPV FFT分析Rc也显示了不同的年度周期在1979 - 2017年期间,但少的证据半年周期(图3 a e)。一年一度的信号也有类似的强度在1979 - 1988,1988 - 1994和1994 - 2001年亚纪(图3罪犯),而2001 - 2017年的大小(图3 e)更大。小振幅的时间序列的三个亚纪早期暗示CPV的形状有协会的年度周期太阳辐射低于在2001 - 2017年亚纪(即。最热的十年)。此外,1979 - 1988和2001 - 2017时期(图3 b,E)显示第二个周期3年−1。
图3。就像在图2,但对于Rc在(一)1979 - 2017,(B)1979 - 1988,(C)1988 - 1994,(D)1994 - 2001,(E)2001 - 2017期。
只有这两个亚纪的原因周期还不清楚,值得未来研究考虑。不过,国家审计署和有关北极振荡(汤普森和华莱士,1998,2000年)有可能反应的强制机制已被证明是NHCPV紧密相连,即使在日常时间尺度(Bushra Rohli, 2021 a)。
摘要和结论
分析区域的日常变化和循环的定义的NHCPV最大500 - hpa位势高度梯度提供潜在的改善对中纬度环流的理解。在这个研究中,在该地区的长期变化Rc500 - hpa NHCPV提出了1979 - 2017年期间的记录。
线性回归分析表明,NHCPV面积显著增加随着时间的推移,包括时间增加随着时间序列的每个亚纪了断点分析。并发的面积变化是一个暂时的显著减少的趋势在500 - hpa位势高度梯度分离极地冷池的温带大气和划定的前缘NHCPV。因此,的特殊性NHCPV模糊了随着时间的推移,这可能会影响天气趋势和NHCPV共变的表面。没有线性变化Rc观察在1979 - 2017年的时间内,但四个亚纪类似区域的分析,表明控制区域的政权也管理循环。相邻亚纪的Rc显示扭转趋势和不同的意义(即水平。90 - 95%)。
应用低通滤过时间序列的功率谱显示,NHCPV区域Rc有不同的年度周期但不同振幅。亚纪的FFT还确定intra-annual周期。
总的来说,这些结果是协会的全球温度变化的重要指标在不同时间尺度的上层转向循环。CPV特征分析揭示了重要的信息关于半球表面循环可能与环境和极端大气事件可能有关联。分析intra-annual NHCPV面积的变化提供了一个实实在在的指数之间的联系大气转向流和观察到的表面变暖。
数据可用性声明
原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。
作者的贡献
NB发达的详细方法,收集和分析数据,并开发初始文本。RR帮助开发方法和编辑早期和晚期的草案文本。下午CL和概念化的方法和修改后的文本,提供反馈和修改后的文本。RM帮助组织,准备数据,解决了评论家的评论。所有作者的文章和批准提交的版本。
资金
作者感谢来自路易斯安那州立大学的经济发展助教奖学金和论文年奖学金项目。这篇文章的出版补贴的路易斯安那州立大学图书馆开放存取作者基金。
确认
作者感谢助教奖学金计划资金从路易斯安那州立大学经济发展这个项目的完成和NB博士学位项目。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
补充材料
方法与本研究中使用的数据的生成的NHCPV属性是更详细地描述Bushra和Rohli (2019)。网格数据集获得国家环境预报中心(NCEP) /能源部(DOE)再分析2项目。数据是可用的https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis2.pressure.html。
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引用:Bushra N, Rohli房车,李C,米勒PW和Mostafiz RB(2023)的变化特征北半球500 - hpa环极涡。前面。大数据5:1009158。doi: 10.3389 / fdata.2022.1009158
收到:2022年8月01;接受:07年12月2022;
发表:2023年1月09年。
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*通信:Nazla Bushra,
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