ISSN 1004-4965

CN 44-1326/P

用微信扫描二维码

分享至好友和朋友圈

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于探空资料评估再分析资料中的QBO特征

罗福海 雒佳丽 杨振 田红瑛 袁雷烨 王丽娟

罗福海, 雒佳丽, 杨振, 田红瑛, 袁雷烨, 王丽娟. 基于探空资料评估再分析资料中的QBO特征[J]. 热带气象学报, 2023, 39(6): 940-954. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.080
引用本文: 罗福海, 雒佳丽, 杨振, 田红瑛, 袁雷烨, 王丽娟. 基于探空资料评估再分析资料中的QBO特征[J]. 热带气象学报, 2023, 39(6): 940-954. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.080
LUO Fuhai, LUO Jiali, YANG Zhen, TIAN Hongying, YUAN Leiye, WANG Lijuan. EVALUATING THE QUASI-BIENNIAL OSCILLATION IN REANALYSIS DATASETS BASED ON RADIOSONDE DATA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2023, 39(6): 940-954. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.080
Citation: LUO Fuhai, LUO Jiali, YANG Zhen, TIAN Hongying, YUAN Leiye, WANG Lijuan. EVALUATING THE QUASI-BIENNIAL OSCILLATION IN REANALYSIS DATASETS BASED ON RADIOSONDE DATA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2023, 39(6): 940-954. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.080

基于探空资料评估再分析资料中的QBO特征

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2023.080
基金项目: 

国家重点研究发展计划项目 2018YFC1506003

国家自然科学基金项目 42075060

甘肃省自然科学基金 20JR10RA626

详细信息
    通讯作者:

    雒佳丽,女,甘肃省人,副教授,主要研究方向为平流层-对流层相互作用、平流层-对流层物质交换、亚洲季风。E-mail: luojl@lzu.edu.cn

  • 中图分类号: P425.72

EVALUATING THE QUASI-BIENNIAL OSCILLATION IN REANALYSIS DATASETS BASED ON RADIOSONDE DATA

  • 摘要: 使用柏林自由大学发布的1980—2020年近赤道站点探空月平均纬向风资料,首先评估ERA5赤道地区平流层中低层纬向风,然后结合ERA5、NCEP1、NCEP2、CFSR、JRA55和MERRA2等六套再分析资料和探空资料,分析了热带平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation,QBO)位相转换时间、周期和振幅的年际变化以及QBO周期和振幅的长期变化趋势。结果表明,ERA5的赤道平流层中低层纬向风存在明显的QBO信号,且ERA5的各层纬向风与探空资料的相关系数都大于0.97,除10 hPa外,均方根误差(RMSE)都小于3;再分析资料与探空资料的QBO位相转换时间的差异主要为超前或滞后1个月,总体上,ERA5和MERRA2与探空资料最接近;再分析资料与探空资料QBO周期以及东、西风位相持续时间都很接近,相关系数高达0.97以上,RMSE几乎都小于1,且几乎都无显著长期变化趋势,但都表现出随时间越来越不稳定的特征,其中ERA5和MERRA2同样与探空资料更接近;探空资料的QBO振幅在10 hPa和50 hPa显著减弱,30 hPa和70 hPa显著增强,但在20 hPa变化趋势不明显,ERA5的QBO振幅变化趋势和年际变化与探空资料最接近,其次是JRA55和MERRA2。

     

  • 图  1  探空资料(a)和ERA5再分析资料(b)在Singapore的纬向风的时间-高度演变

    图  2  ERA5与探空资料的误差(a)、均方根误差(b)及相关系数(c)

    a中黑色等值线为探空资料零风速线,c中相关系数均通过置信水平为95%的t检验。

    图  3  探空资料和再分析资料在Singapore的纬向风经过五点平滑后的零风速线的时间-高度演变

    图中W和E分别表示西风位相和东风位相。

    图  4  各高度上探空资料QBO东风位相向西风位相转换的时间以及各再分析相较探空资料的超前、滞后时间

    横轴为时间(年/月),轴上黑点表示探空资料的位相转换时间,纵轴为再分析资料较探空资料超前(正值)、滞后(负值)和相同(0)的月。折线与“rea”轴相交表示在交点时间探空资料不存在位相转换,而再分析资料存在;与“obs”轴相交表示在交点时间探空资料存在位相转换,而再分析资料不存在;当折线与“obs”轴和“rea”轴都不相交时,表示探空资料和再分析资料都存在同一个位相转换。

    图  5  图 4,不过为西风位相向东风位相转换

    图  6  1980~2020年各资料20 hPa和50 hPa高度上QBO周期(T)和东风(Te)、西风(Tw)位相持续时间的时间序列

    虚线表示线性回归趋势线,仅CFSR资料在50 hPa的东风位相持续时间的变化趋势通过置信水平为95%的t检验。
    横轴表示周期或东(西)风位相持续时间的中间时刻,纵轴表示周期或东、西风位相持续时间(单位:月)。

    图  7  1980—2020年,探空资料与再分析资料20 hPa和50 hPa上的QBO周期(T)和东风(Te)、西风(Tw)位相持续时间的相关系数和均方根误差(RMSE)

    相关系数均通过置信水平为95%的t检验。

    图  8  1980—2020年探空资料和再分析资料20 hPa和50 hPa上的QBO平均周期(a)以及东风位相(b)、西风位相(c)的平均持续时间

    图  9  1980—2020年,各资料QBO振幅的时间-高度演变以及各高度上振幅的变化趋势

    各资料右图线性回归趋势中误差线表示趋势的95%置信区间,空心点表示拟合趋势通过置信水平为95%的t检验。

    图  10  1980—2020年,再分析资料与探空资料QBO振幅在各高度上的相关系数和均方根误差(RMSE)

    相关系数均通过置信水平为95%的t检验。

    表  1  再分析资料QBO位相转换时间与探空资料相同的次数

    再分析资料和探空资料高度(hPa) 东风位相转西风位相 西风位相转东风位相
    10 20 30 50 70 10~70 10 20 30 50 70 10~70
    OBS 17 17 16 19 19 88 18 17 16 18 18 87
    ERA5 12 17 15 16 14 74 6 14 12 10 7 49
    NCEP1 7 13 14 9 5 48 14 9 8 13 5 49
    NCEP2 6 9 14 8 4 41 16 8 11 11 5 51
    CFSR 6 7 8 7 4 32 10 11 8 5 3 37
    JRA55 6 5 14 16 11 52 9 12 13 13 13 60
    MERRA2 11 13 14 15 13 66 12 15 13 10 10 61
    下载: 导出CSV
  • [1] BALDWIN M, GRAY L, DUNKERTON T, et al. The quasi-biennial oscillation[J]. Reviews of Geophysics, 2001, 39(2): 179-229.
    [2] HOLTON J R, TAN H C. The Influence of the Equatorial Quasi-Biennial Oscillation on the Global Circulation at 50 Mb[J]. J Atmos Sci, 1980, 37(10): 2200-2208.
    [3] ZHANG R H, TIAN W S, WANG T. Role of the quasi-biennial oscillation in the downward extension of stratospheric northern annular mode anomalies[J]. Climate Dyn, 2020, 55(3-4): 595-612.
    [4] TIAN W, CHIPPERFIELD M P, GRAY L J, et al. Quasi-biennial oscillation and tracer distributions in a coupled chemistry-climate model [J]. J Geophys Res: Atmos, 2006, 111(D20): D20301.
    [5] YUCJUAN C, BIN Z, HONG Z. The features of ozone quasi-biennial oscillation in tropical stratosphere and its numerical simulation[J]. Adv Atmos Sci, 2002, 19(5): 777-793.
    [6] ZHENG B, CHEN Y, JIAN J. Quasi-biennial oscillation in NOx and its relation to quasi-biennial oscillation in O3, Part I: Data analysis[J]. Chinese J Atmos Sci, 2003, 27(3): 280-292.
    [7] ZHENG B, CHEN Y, ZHANG H. Quasi-biennial oscillation in NOx and its relation to quasi-biennial oscillation in O3, Part Ⅱ: Numerical experiment[J]. Chinese J Atmos Sci, 2003, 27(4): 387-398.
    [8] 陆春晖, 丁一汇. 平流层与对流层相互作用的研究进展[J]. 气象科技进展, 2013, 3(2): 6-21.
    [9] 郑彬, 施春华. 平流层准两年周期振荡对CH4双峰的影响[J]. 热带气象学报, 2008, 24(2): 111-116.
    [10] GRAY L J, ANSTEY J A, KAWATANI Y, et al. Surface impacts of the Quasi Biennial Oscillation[J]. Atmos Chem Phys, 2018, 18(11): 8227-8247.
    [11] ZHENG B, GU D, LIN A, et al. Dynamical mechanism of the stratospheric quasi-biennial oscillation impact on the South China Sea Summer Monsoon[J]. Science in China Series D: Earth Sciences, 2007, 50(9): 1424-1432.
    [12] 黄荣辉, 陈文, 魏科, 等. 平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用的研究: 进展与问题[J]. 大气科学, 2018, 42(3): 463-487.
    [13] 李崇银, 龙振夏. 准两年振荡及其对东亚大气环流和气候的影响[J]. 大气科学, 1992, (2): 167-176.
    [14] 刘楚薇, 饶建, 吴志文, 等. ENSO与中国夏季降水的联系: 冬季QBO的调制作用[J]. 热带气象学报, 2019, 35(2): 210-223.
    [15] 田文寿, 黄金龙, 郄锴, 等. 平流层大气环流的典型系统及变化特征综述[J]. 气象科学, 2020, 40(5): 628-638.
    [16] 田文寿, 田红瑛, 商林, 等. 热带平流层与对流层之间相互作用的研究进展[J]. 热带气象学报, 2011, 27(5): 765-774.
    [17] BALDWIN M P, STEPHENSON D B, Thompson D W, et al. Stratospheric memory and skill of extended-range weather forecasts[J]. Science, 2003, 301(5633): 636-640.
    [18] DUNKERTON, TIMOTHY J. Annual Variation of Deseasonalized Mean Flow Acceleration in the Equatorial Lower Stratosphere[J]. J Meteor Soc Japan, 1990, 68(4): 499-508.
    [19] GRUZDEV A N, BEZVERKHNY V A. Two regimes of the quasi‐biennial oscillation in the equatorial stratospheric wind[J]. J Geophys Res: Atmos, 2000, 105(D24): 29435-29443.
    [20] GABIS I, TROSHICHEV O A. QBO cycle identified by changes in height profile of the zonal winds: new regularities[J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 2005, 67(1-2): 33-44.
    [21] 韩浦城, 简茂球. 热带平流层纬向风场准两年振荡的年代际变化[J]. 热带气象学报, 2016, 32(4): 458-466.
    [22] WATANABE S, KAWATANI Y. Sensitivity of the QBO to Mean Tropical Upwelling under a Changing Climate Simulated with an Earth System Model[J]. J Meteor Soc Japan, 2012, 90A: 351-360.
    [23] KAWATANI Y, HAMILTON K. Weakened stratospheric quasibiennial oscillation driven by increased tropical mean upwelling[J]. Nature, 2013, 497: 478-481.
    [24] SCHIRBER S, MANZINI E, KRISMER T, et al. The quasi-biennial oscillation in a warmer climate: sensitivity to different gravity wave parameterizations[J]. Climate Dyn, 2015, 45(3-4): 825-836.
    [25] 王子威. 平流层准两年振荡和残余环流的变化趋势及其相互联系[D]. 兰州: 兰州大学, 2016.
    [26] RAO J, GARFINKEL C I, WHITE I P. Projected strengthening of the extratropical surface impacts of the stratospheric quasi-biennial oscillation[J]. Geophys Res Lett, 2020, 47(20): e2020GL089149.
    [27] RICHTER J H, ANSTEY J A, BUTCHART N, et al. Progress in simulating the quasi-biennial oscillation in CMIP models[J]. J Geophys Res: Atmos, 2020, 125(8): e2019JD032362.
    [28] BUTCHART N, ANSTEY J A, KAWATANI Y, et al. QBO Changes in CMIP6 Climate Projections[J]. Geophysical research letters, 2020, 47 (7): e2019GL086903.
    [29] KAWATANI Y, HAMILTON K, MIYAZAKI K, et al. Representation of the tropical stratospheric zonal wind in global atmospheric reanalyses[J]. Atmos Chem Phys, 2016, 16(11): 6681-6699.
    [30] RANDEL W, UDELHOFEN P, FLEMING E, et al. The SPARC intercomparison of middle-atmosphere climatologies[J]. J Climate, 2004, 17 (5): 986-1003.
    [31] PAWSON S, FIORINO M. A comparison of reanalyses in the tropical stratosphere. Part 2: The quasi biennial oscillation[J]. Climate Dyn, 1998, 14(9): 645-658.
    [32] YOO J M, WON Y I, JEONG M J, et al. Intensity of climate variability derived from the satellite and MERRA reanalysis temperatures: AO, ENSO, and QBO[J]. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 2013, 95-96: 15-27.
    [33] COY L, WARGAN K, MOLOD A M, et al. Structure and Dynamics of the Quasi-Biennial Oscillation in MERRA-2[J]. J Climate, 2016, 29(14): 5339-5354.
    [34] DAS S S, UMA K, BINEESHA V, et al. Four-decadal climatological intercomparison of rocketsonde and radiosonde with different reanalysis data: results from Thumba Equatorial Station[J]. Quart J Royal Meteor Soc, 2016, 142(694): 91-101.
    [35] LONG C S, FUJIWARA M, DAVIS S, et al. Climatology and interannual variability of dynamic variables in multiple reanalyses evaluated by the SPARC Reanalysis Intercomparison Project (S-RIP)[J]. Atmos Chem Phys, 2017, 17(23): 14593-14629.
    [36] RAO J, YU Y, GUO D, et al. Evaluating the Brewer-Dobson circulation and its responses to ENSO, QBO, and the solar cycle in different reanalyses[J]. Earth and Planetary Physics, 2019, 3(2): 166-181.
    [37] FUJIWARA M, MANNEY G L, GRAY L J, et al. SPARC Reanalysis Intercomparison Project (S-RIP) Final Report[R]. SPARC Office, 2022.
    [38] 梁维亮, 简茂球, 乔云亭. QBO与南海夏季风爆发的关系[J]. 热带气象学报, 2012, 28(2): 237-242.
    [39] SON S-W, LIM Y, YOO C, et al. Stratospheric control of the Madden-Julian oscillation[J]. J Climate, 2017, 30(6): 1909-1922.
    [40] HUANGFU J L, TANG Y L, MA T J, et al. Influence of the QBO on tropical convection and its impact on tropical cyclone activity over the western North Pacific[J]. Climate Dyn, 2021, 57(3-4): 657-669.
  • 加载中
图(10) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  64
  • HTML全文浏览量:  19
  • PDF下载量:  25
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-17
  • 修回日期:  2023-11-01
  • 网络出版日期:  2024-03-16
  • 刊出日期:  2023-12-20

目录

    /

    返回文章
    返回