（气象学专业论文）北半球10hpa极地涡旋环流指数定义及分析.pdf

摘要 本文定义了北半球1 0 h p a 月平均位势高度图上极地涡旋一组新的环流指数，它包括极 地涡旋的三个指数( 强度指数p 、面积指数s 、和中心位置指数( t ，9 。) ) 及极地涡旋 中心多年集合的三个分布特征量( 平均距离厂、压缩系数p 、主要异常方向卢) 。用 n c e p n c a r1 0 h p a 月平均高度场资料求得了逐月1 9 4 8 2 0 0 7 年共6 0 年这组环流指数的时 间序列。用它们初步分析了北半球1 0 h p a 层极地涡旋的季节变化和年际异常规律，研究了 它们与全球增暖、臭氧( 0 3 ) 异常和极地涛动( a o ) 的关系，获得如下主要结果：1 ) 北 半球1 0 h p a 层高纬6 8 月为反气旋( a ) 控制，其中心在极点附近，7 月达最强：9 月次年 3 月为气旋( c ) 控制，其中心偏于北冰洋欧溯- - n ，1 2 月达最强。春季环流转型( c a ) 缓慢，过渡期长达两个月( 4 、5 月) ：秋季转型( a o ) 迅速，不存在明显过渡期。2 ) p 、s 异常的年际变化具有同步性，故异常分析仅取p 进行。隆冬( 1 月) p 的异常主要表 现为年际尺度( 周期1 0 年以下) 振荡，不存在明显的年代际变化；盛夏( 7 月) 极地反气 旋强度年代际变化显著，9 0 s 以前分别出现两次明显增强和两次减弱；9 0 s 以来在正常态 附近振荡。3 ) 隆冬极地气旋中心位置的异常明显大于盛夏反气旋，1 月平均距离，超过5 。， 7 月平均距离y 不超过3 。，1 月扁率p 较大为0 6 7 ，7 月扁率p 较小不超过o 5 ，是准各向 同性的。4 ) 极区中平流层平均气温的演变l 、7 月迥异，但它们与p 的演变同步：它们与 全球增暖趋势无显著相关，但7 月p 与0 3 异常有显著正相关。5 ) 隆冬( 1 月) 1 0 h p a 气旋 强度指数p 与极地涛动指数a o 存在显著正相关，故可用1 0 b p a p 表示a o 。 关键词：1 0 h p a 极地涡旋系统，环流指数，全球变暖，臭氧异常，北极涛动 i i i a b s t r a c t as e to fc i r c u l a t i o ni n d i c e sa r ed e f i n e dt oc h a r a c t e r i z em o n t h l ym e a np o l a r v o r t e xa t10 h p ag e o p o t e n t i a lh e i g h tc h a r ti nt h en o r t h e r nh e m i s p h e r e ，i n c l u d i n g a r e a - ( s ) ，i n t e n s i t y 一( 尸) a n dc e n t r ep o s i t i o n ( 丸，吼) - i n d i c e s t h e s ei n d i c e s s e r i e s ， c a l c u l a t e db yh u eo f10 h p a19 4 8 - 2 0 0 7n c e p n c a rm o n t h l yh e i g h td a t as u m m i n g t os i x t yy e a r s ，a r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h es e a s o n a lv a r i a t i o na n di n t e r a n n u a la n o m a l y o fp o l a rv o g e x ，t o g e t h e rw i t ht h er e l a t i o nt og l o b a lw a r m i n g ，o z o n ea n o m a l ya n da o t h er e s u l t ss h o wt h a t1 ) t h e r ei sa n t i c y c l o n i c ( c y c l o n i c ) ，w h i c ht h es t r o n g e s ti si n j u l ( d e c ) ，a r o u n dh i g hl a t i t u d ef r o mj t m t oa u g ( f r o ms e p t om a r ) i t s c e n t r e p o s i t i o nl i e sn e a rp o l e ( o nt h ee u r o p es i d eo ft h ea r c t i co c e a n ) t h ec h a n g eo f a u t u m nc i r c u l a t i o np a r e mi ss l o w e rt h a ns p r i n gw h i c hn e e d st w om o n t h s ( a p r a n d m a y ) 2 ) pc a nb er e p l a c e db ysi na n a l y s i sd u et o t h ei n t e r a n n u a ls y n c h r o n a l v a r i a t i o n so ft h ei n t e n s i t ya n da r e af o rp o l a rv o r t e x t h ei n t e r a n n u a l ( i n t e r d e c a d a l ) v a r i a t i o n so fpa n o m a l ya r es i g n i f i c a n t l yi nj a n o u l ) t h ea n o m a l i e so fa n t i c y c l o n i c i n t e n s i t ya p p e a ro b v i o u s l ys t r e n g t h e na n dw e a k e nt w i c er e s p e c t i v e l yb e f o r e9 0 s ，a n d t h e no s c i l l a t ea r o u n dn o r m a ls t a t e 3 ) t h ea n o m a l i e so fs y s t e mc e n t r ep o s i t i o ni nj a n a r em o r ee v i d e n tt h a ni nj u l ，j a n u a r y sa v e r a g ed i s t a n c ey i sm o r et h a n5o ，j u l y s a v e r a g ed i s t a n c e ，i sn o tm o r et h a n3o ，j a n u a r y sf i a tr a t ep i sl a r g e rf o r0 6 7 ， j a n u a r y sf l a tr a t ej l l i ss m a l l e rn o tm o r et h a n0 5 ，i sq u a s i i s o t r o p i c 4 ) t h e v a r i a t i o n so fm e a nt e m p e r a t u r ea tm i d - s t r a t o s p h e r ei nt h ev i c i n i t yo fp o l ez o n ei nj a n a r e d i f f e r e n tf r o mi nj u l ，b u tt h e ya r es y n c h r o n a l 谢t l lc o r r e s p o n d i n g 尸a n dn o t s i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t i v ew i t ht h et r e n do fg l o b a lw a r m i n g h o w e v e rt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e npa n dt o t a lo z o n ei nj u l a l eo b v i o u s l y 5 ) t h e r ei ss on o t a b l ec o r r e l a t i o n b e t w e e npa n da ot h a t 尸c a nr e p r e s e n ta o k e yw o r d s ：p o l a rv o r t e xa t10 h p a ；c i r c u l a t i o ni n d i c e s ；g l o b a lw a r m i n g ；o z o n ea n o m a l y ； a r e t i eo s c i l l a t i o n i v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：妞娅 日 期：扫1 2 五，龟 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：罐盔堕丝 日 期：垭仁啦 第一章绪论 1 1 平流层环流的研究意义与研究进展 平流层是指对流层顶以上到离地面大约5 5 k m 高度的大气层，根据美国标准大气的分 层，中平流层位于约7 0 , , 1 0 h p a ，1 0 h p a 是中平流层顶【l 】o 一般认为，平流层环流的研究具 有两方面重要的意义： 第一，平、对流层环流之间存在相互作用。 大气环流是一个整体，平流层作为地球大气圈的重要一层，它的变化和异常会影响对 流层环流的变化和异常，从而与天气变化及气候异常有关。长期以来的传统观点认为：平 流层仅仅是被动地接受对流层天气系统的能量和波动，平流层大气的动力、热力和化学成 分受到对流层的强烈影响，平流层大气很难驱动对流层大气，从而不会对低层天气和气候 产生重要的影响。 但从2 0 世纪9 0 年代以后，特别是世界气候研究计划( w c g p ) 建立了“平流层过程及其 对气候的作用( s p a r c ) ”后，更多的研究注意到了平流层和对流层之间的相互作用。w a l l a c e 等指出了冬季平流层和对流层的动力耦合对对流层天气系统发展的重要性【2 l 。b a l d w i n 等也 指出发生在平流层强的环流异常会向下传播，和对流层甚至地表的极端天气事件相联系1 3 1 。 田荣湘研究了1 7 月平流层与对流层的关系，指出乎流层高纬度的季节变化引起了对流层 环流调整，平流层的任何一次环流变化都为对流层的季节变化提供了量的积累 4 1 。在平流 层中冬夏间季节转换在高度场上表现为极地气旋与极地反气旋的相互转变【5 , 6 1 。李巧萍等研 究发现平流层大气环流从冬到夏的季节转换早于对流层【7 】 平流层在季节转换过程中的环 流异常可以影响到随后对流层环流，影响地面天气和气候事件以及东亚大气环流【羽。平流 层大气环流与对流层相比有更明显的规律性，平流层大气环流的前期变化对于对流层的某 些天气现象的发生有较好的预报指示意义( 9 ，。刘毅指出2 0 0 8 年1 月我国大范围的雨雪 天气是在对流层东亚大槽北部强度加深、主体偏东和平流层极涡强度偏强、位置偏向欧亚 大陆的形势下发生的。首先平流层极涡从1 2 月上旬开始变形、强度增强，并向亚洲大陆伸 1 出槽线，这种异常随着时间由上向下、由西向东向对流层传播影响对流层，使得雪灾期间 5 0 0 h p 东亚大槽偏东北部加深，欧亚大陆北部高压加强，为我国南方雪灾提供了有利的环 流背景。证明了在冬季平流层不是被动的接受对流层变化的影响，强的平流层异常也可能 影响到对流层的环流，并且造成对流层天气系统的变化，这也为把平流层的异常信号运用 到天气预报的想法提供了可能。 自从t h o m p s o na n dw a l l a c e 1 2 1 1 9 9 8 年提出了北极涛动( a o ) 的概念，对于平流层和对 流层相互作用的研究逐渐深入。a o 也被称作北半球环状模( n a m ) ，表现为北极地区和中 纬度地区气压场的南北“跷跷板”式振荡，a o 具有准正压的垂直结构，从地面一直延伸到 平流层。观测分析发现无论正位相或负位相的a o 异常，它们总是首先在平流层上层发生， 然后向下传播，经过大约3 个星期或2 个月的时间到达地面【1 3 】。当强的a o 异常自平流层 下传到对流层后，能够对对流层天气尺度系统发生重要的影响 1 4 , 1 s l 。 第二，平流层极地臭氧损耗与平流层、对流层环流异常存在相互依存的关系。 平流层集e p - y 大气臭氧的9 0 1 1 6 】，平流层、对流层环流异常与臭氧异常存在相互依存 的关系【17 1 8 l 。1 9 7 0 s 末，南北半球中高纬平流层均出现了臭氧系统性减少f 瑚，并且英国科 学家1 9 8 5 年发现了南极臭氧洞，南极h a l l e yb a y 春季的臭氧总量与l o 年前相比减少 3 0 - 4 0 t 2 们。近二十余年来，全球性臭氧减少的成因和演变趋势受n - f 广泛关注。平流层 极地臭氧损耗是可以通过改变平流层温度场和风场的分布又通过波流之间的相互作用来 影响地面温度的口1 1 。 极地对全球气候变化的响应最为敏感，研究极地对于认识全球气候变化具有重大意义。 作为全球大气的主要冷源，南北极地区在全球大气环流和天气气候的形成，南北两半球热 量、动量和水分的交换中起着重要作用。 目前关于平流层极地涡旋还缺乏系统的研究，特别是国内极地涡旋的相关研究都仅仅 局限于对流层中层。事实上北半球冬季极涡是一个深厚的系统，从对流层低层一直向上到 达平流层高层甚至以上，极涡最强和年际变率最大都发生在平流层，极涡的异常变化可作 为联系对流层和平流层的纽带：夏季中平流层表现为极地反气旋，而环流从气旋形态向反 2 气旋形态的过渡首先出现在春末夏初的中平流层上部，约经两个月，在盛夏到达中平流层 底【7 】。因此将平流层的极地涡旋作为一个天气气候系统进行系统分析非常有必要。 1 2 极地涡旋环流指数概述 在大气环流异常研究中，经常采用环流指数来简洁、定量地描述重要环流系统的性质 2 2 】。月平均气压场是描述大气环流最基本的要素场，其异常与短期气候异常关系密切。因 此一些全年或季节性地出现在特定地理区域的闭合气压系统，如海平面气压场中的诸多大 气活动中心、自由大气中的极涡、副高等，都可以定义相应的环流指数。以国家气候中心 系统诊断预测室公布的“7 4 项环流特征量，【2 3 1 为例，其中大多数是上述闭合气压系统或其局 部的环流指数( 北半球副高指数4 5 种、极涡指数1 2 种) 。 1 9 7 0 s 起，国内外气象学者对绕极极涡特征参量( 即极涡指数) 的定义进行了系统的 研究f 2 4 】。如采用极涡中心位置和极涡绕极率口5 2 6 】；e r t e l 位涡定义极涡边界1 2 7 】；极地涛动指 数反映低平流层以下绕极低压带的强度【2 8 】；文献【2 9 】中提出的5 0 0 h p a 等压面上的极涡面积 和强度指数，取接近西风急流轴的特征线为极涡边界线。这些参数对揭示极涡的演变规律 及对天气和气候的影响都有着一定的参考价值。王盘兴等【3 0 ，3 1 1 利用球面三角计算方法给出 了一种新的计算闭合系统面积( s ) 、强度( p ) 、中心位置( 九，吼) 的方法，该方法给出 的极地涡旋环流指数具有明确的动力学意义，其定义也很严格。同时又给出了其历年中心 在球面上分布的三个特征量( 平均距离y 、扁率p 、主轴方向p ) 的定义，用来描述该系 统的性状。使用表明，用它求得的平、对流层一系列闭合气压系统( 5 0 0 h p a 极涡、l o o h p a 南亚高压、1 0 0 0 h p a 蒙古高压) 的环流指数具有良好的分析性质【3 0 3 2 捌。 1 3 论文主要内容 1 ) 使用n c e p n c a r1 0 h p a1 9 4 8 - - 2 0 0 7 年全年逐月平均位势高度场再分析资料，定义 并计算平流层极地涡旋的环流指数面积( s ) 、强度( p ) 、中心位置( 疋，纯) 和中心分 布特征量平均距离，、压缩系数肛，分析极地涡旋的季节变化规律。 2 ) 用上述环流指数分析极地涡旋面积( s ) 、强度( p ) 、中心位置( 九，皱) 的年际 3 和年代际异常规律；用中心分布特征量定量地分析极地涡旋的中心位置在球面上的分布特 征。 3 ) 在此基础上，研究1 月极地气旋和7 月极地反气旋的强度指数尸与全球变暖、0 3 年际异常的关系。 4 ) 研究i 月极地气旋和7 月极地反气旋的强度指数p 与5 0 0 h p a 位势高度场及北极涛 动( a o ) 的关系。 4 第二章资料和环流指数的定义及计算 2 1 资料 本文使用资料为： 1 位势高度：n c e p n c a r 再分析资料1 0 h p a 月平均等压面位势高度场格点资料，覆盖 时段为1 9 4 8 年1 月2 0 0 7 年1 2 月，范围0 。3 6 0 。、9 0 。s 9 0 。n ，空间分辨率 a a 0 = 2 5 。2 5 。 2 臭氧资料：e c w m f 再分析资料全球整层的月平均格点资料，覆盖时段为1 9 7 8 年l f l j 一2 0 0 2 年1 2 月，范围o 。一3 6 0 。、9 0 。s 9 0 。n ，空间分辨率九a 0 = 2 5 。2 5 6 。 3 。北极涛动指数a o h 由n o a a 提供的月平均的北极涛动指数a o i ，a o i 是2 0 。n 以 北的月平均1 0 0 0 h p a 高度场距平场e o f 分析得到的第一特征向量时间系数【3 4 1 。覆盖时段为 1 9 5 0 年1 月2 0 0 8 年2 月。 2 21 0 h p a 极地涡旋环流指数的定义及计算 根据文献 3 0 】，在全面分析北半球1 0 h p a6 0 年逐月高度场基础上，确定其搜索区q 为 q 4 0 。n 的区域。域内极区环流系统9 - 3 月为气旋、6 8 月为反气旋，其特征等高线石如 表2 1 ：4 、5 月为过渡季节，极区环流系统气旋、反气旋因年而异，故无法给出其完整的 气旋或反气旋环流指数。图2 1 给出了计算2 0 0 7 年1 月、7 月1 0 h p a 北半球极地涡旋环流 指数的图，其五值l 、7 月分别为3 0 1 2 、3 1 7 2 d a g p m 。 表2 1 计算北半球极地涡旋使用的搜索区和特征等高线 5 图2 i 北半球l o h p a 月平均位势高度场 ( a ) 2 0 0 7 年1 月，( b ) 2 0 0 7 年7 月，粗点断线为q ，租实线为厶，单位：d a g p m 2 2 1 、面积指数s 的定义 下面分别给出面积、强度和中心位置的定义和计算。 s ( t ) 是t 年特征等值线五在单位半径球面( 其总面积为4 7 r ) 上围成的区域d ( t ) 的面积，s 是气候图( 即多年平均图) 上相应面积。它们均定义为 s = d s d 其离散形式为 s - - 屿 ( ，。j ) e d ( 2 ) d 域的一个内点( a ，巳) 代表以它为中心的单位半径球面上的一个面元，其面积为 ( 3 ) 显然，由( 1 ) 、( 2 ) 式求得的“面积，或( 3 ) 式求得的元面积乘口2 ( 口是地球半径) 得到它们在地球表面的实际面积。 2 2 2 、强度指数p 的定义 p ( t ) 是t 年系统强度，p 是气候图上系统的强度，它们是系统相对重量的度量参数。 这里，系统相对重量指地球表面d 域上由f 产生的系统总压力与由f o 产生的总压力之差。 对海平面气压场中的闭合系统，它直接定义为 尸= 厂( 允，口) 一f o d s = 肛( 兄，o ) d s 。 ( 4 ) dd 6 、1 ， ，4 舶 账 极 非 ，k k 似 承 o ： 划 卜 塑2 竺2 螂 群 弘 一 幽 万 = s 式中f 、f o 是海平面气压及其特征值；因为、f o 的单位是h p a ，故p 为重量。p 的离 散形式的计算式为 p 兰嵋= 钙钙 ( 5 ) ( ，j ) e d ( ，) d 式中，叱是格点( i ，j ) 所在面元上厂- f o 的总量。 对p 等压面上的闭合系统，p 的定义及计算式同( 4 ) 、( 5 ) 式，但厂、工以d a g p m 计。 可以证明，p 与系统的相对重量间近似相差常数倍。 显然，由p 的定义式，对高、低值气压系统，它们分别为正、负值。 2 2 3 、中心位置指数( 九、眈) 的定义 按文献 3 0 】，闭合气压系统的中心即其“重心”。为求其位置( 九、皱) ，在单位球面上 建立如图2 2 所示的球面曲线坐标系o x y ，坐标系的原点0 在北极点，x 、y 轴从北极点出 发沿o 。、9 0 。e 经线至南极点，对应鼠y 【0 ，石】，相应单位向量取写、e 一2 ；其反向沿 1 8 0 。, 9 0 。w 经线至南极点，对应x 、y o ，- - l 】。 图2 2 单位半径球面上的坐标系o x y 图中，口是球面上位于( a ，9 ) 的任意点，对应坐标( 工，y ) 图2 2 中g 是位于( a ，9 ) 的球面上任意点，其坐标为( x ，y ) ；坐标x 、y 是过q 点且垂 g - t - o x 、o y 轴的大圆与轴的交点。根据单位半径球面上球面直角三角形计算公式【3 5 】，由 ( a ，0 ) 向 ，y ) 的转换关系为 x = 口r c t g ( t g pc o s 九) ( 6 ) y = a r c t g ( t g o s i n1 ) 由0 ，y ) 向( a ，0 ) 的转换关系为 九= a r c t g q 斟n 鳓 0 = a r c t g ( t 9 2 x + t 9 2 y ) 。佗 7 ( 7 ) 分别称( 6 ) 、( 7 ) 式为q ，0 ) 向o ，力的正、逆变换。这是计算( 屯、纯) 的基础a 对给定t 年或气候1 0 h p a 高度图，用厶定出南亚高压范围d 后。按下列步骤求其中心 位置( 丸、t p , ) ： = j i f 工( 兄，p ) 凹( a ，a ) 西产 且0 岁 7 ( 8 ) 儿= y ( a ，8 ) 胪( a ，o ) d s e “。 ( ，9 ) e d 吒= 吻嵋1 竺 i ( 9 ) 儿= 均嵋1 ( ，) e j 9i 3 ) 由逆交换( ( 7 ) 式) 求系统中心的( 丸，晓) 并换算成( 疋? 眈) 。 按文献【3 0 】，气候场系统中心的位置( 夏，死) 、( 丸，记) 有两种算法。对气候高度场， 直接用求t 年系统中心位置求气候中心位置的方案为方案i 。另一种是通过逐年该系统强 度、中心位置户o ) 、( t ( ，) ，y c ( t ) ) 的权重平均求得，称方案i i 。具体步骤为： 1 ) 用下式求系统气候中心位置在o x y 中的坐标 r 乏= w ( f ) t ( ，) - l ( 1 0 ) f 死= w ( f ) 儿( f ) ，i l 式中，w ( f ) 为t 年权重系数，w ( r ) 定义为 w ( f ) = p ( t ) 即) ，t = l 2 ) 将( 1 0 ) 式求得之( 瓦，y o ) 换算为( 疋，玩) 。 8 表2 2 给出了该年北极区1 月气旋、7 月反气旋的环流指数尸、s ( o 、( 丸p ) 、纯( f ) ) 的计算结果。+ 表2 2 2 0 0 7 年北半球1 、7 月极地涡旋环流指数s 、p 、( 九，纯) 2 2 4 中心分布特征参数的定义和计算 2 2 4 1 系统中心分布特征量的描述参数 图2 3 给出了6 0 年极地涡旋1 月、7 月中心。的分布；为按方案i i 求得的极地涡旋1 月、7 月的气候中心位置c = ( 3 8 。e ，8 2 0 。n ) 和c = ( 1 7 6 2 0 w ，8 9 3 0 n ) 。为了定量描述图 3 上逐年系统中心c 在其气候中，b c 周围的分布特征，引进了三个特征量：1 ) 平均距离， 它用于度量分布区域的大小；2 ) 压缩系数，它用于度量分布区域的扁平程度；3 ) 极大 异常方向卢，它给出中心位置异常的主要方向。为此需要在球面上建立两种基本坐标系。 图2 51 9 4 8 - 2 0 0 7 年6 0 年1 0 h p a 北半球极地涡旋中心位置分布 ( a ) 1 月，( b ) 7 月，o 为历年中心位置，为气候中心位置。 2 2 4 2 球面上的两种基本坐标系 在单位半径球球面上，系统中心所在的地理位置c 完全由其( a 、9 ) 确定， c = ( 九，妒) ，旯【o ，2 仃) ，9 卜衫2 ，7 r 2 】。弓f 入余纬口= 7 2 一妒，则 c = ( a ，9 ) ，a 【o ，2 7 r ) 、0 o ，g 】 ( 1 1 ) 为了给出系统中心分布特征量的定义式和计算式，在球面上建立两种球面直角坐标系： 9 1 ) o x y 系：即求s 、p 、c 的球面坐标系。其原点o 在北极：x 轴以0 经线为正向、l 经线为负向；y 轴以衫2 经线为正向、3z r 2 经线为负向：坐标矗y ( 万，7 r 】。o x y 如 图2 4 上实( 点) 线所示。 2 ) o x y 7 系：原点为球面上任意点d q ，p ) ；z 轴是由a 、a + 刀经线构成的大圆，0 点向南( 向北) 长为7 r 的弧线为正( 负) 向，终点在( 九+ 疗、石- 0 ) ，是新系的“南极点”； y 轴是过。与x 轴正交的大圆，它在0 点与妒纬圈相切，0 点向东( 偏东) 方向为正、 向西( 偏西) 方向为负，它与赤道交点的经度为a + 7 r 2 、a 一7 r 2 ，终点也在 ( 允+ 石、，r 一0 ) ：坐标工，、y ( 一7 r ，7 r 】。o x y 的轴x ，、y 如图2 4 上段线、点段线所示。 图2 , 4 球面坐标系d 砂、o x y 关系 图中，o x y z 是原点在地心的三维直角坐标系。 下面，用文献【3 5 】球面直角三角形计算公式，解决两个问题。 1 ) 点0 7 ( 九，0 0 ) 在o x y 中的坐标 设新系原点o 位于( 气，吼) ， - e ：芷o x y 中的坐标 ，y ) ，是d 7 e x 、y 轴上的投影。为 确定( 墨y ) ，过o 点作垂直于x 、y 轴的大圆，它与鼠y 轴的交点( 而力即o 点在o x y 中 的坐标( 图2 5 ) 。 图2 5 点口与它在o x y 中的坐标0 ，y ) ( 局部) 其余同图2 4 。 在球面直角三角形o x o 、o y o7 中，已知 1 0 厶= 勿= 三 翩止九，伽。= 争九 0 0 = o o ( 1 2 ) 由球面直角三角形计算公式，已知斜边( 0 0 ) 及一角，可求得0 的坐标及其余边角 x = o x = t g ( t g o oe o s z o ) ，y = o y = t g 1 ( t s o oc o s e 一九) ) 二 d = s i n 一( s i n s os i n & ) ，o ：v = s i n 一( s i n o os 血( 妥一厶) ) ( 1 3 ) z z x o 0 = c t g ( e o s o o t e , z o ) ，l y o 0 = c t g 一1 ( c o s 0 d t g ( - ”- 4 。- z o ) ) 2 ) 点g ( a ，0 ) 在d 夕中的坐标 球面上任意点q ( z ，0 ) 在o 乡7 中的坐标o ，y ) 是g 在新系o x y 坐标轴工，、夕7 上的 投影。为确定x ( y ) ，过点g 作垂直于x ( y 7 ) 轴的大圆，它与x ( y ) 轴的交点x 7 ( y ) 即点q 在o x y 中的坐标 0 时，主要异常方向为东偏北卢：卢 、中心位置( a 。，饥) 的气候态，初步分析了1 0 h p a 极地涡旋的季节变化，主要结论如下： 1 ) 北半球1 0 h p a 高纬夏季( 6 8 月) 为反气旋( a ) 控制，7 月的极地反气旋最强，8 月次之，6 月最弱：面积7 月最大，6 月次之，8 月最弱；冬季( 1 2 - 2 月) 为气旋( c ) 控 制，1 2 月极地气旋最强、最大，1 月次之、2 月最弱、最小。 2 ) 极地涡旋中心位置( a 。，亿) 的季节变化：夏季( 6 8 月) 极地反气旋中心稳定在极 1 6 点附近北冰洋北美洲一侧；9 月到次年3 月极地气旋中心位于北冰洋欧洲一侧。 3 ) 春季环流转型( c a ) 缓慢，过渡期长达两个月( 4 、5 月) ；秋季转型( a 专c ) 迅速，不存在明显过渡期。 1 7 第四章l o h p a 层极地涡旋异常态分析 按文献 3 0 】，用( 2 9 ) 式给出的环流指数的距平序列分析北半球l o h p a 极地涡旋的异 常规律。但为方便比较不同月的s 、尸年际变化，使用了它们的标准化序列s 、p 7 ：标 准化不改变9 、户的振荡特征( 周期、位相及相对大小) ，不影响异常规律的分析。 4 1s 、p 的同步性 由图4 1a 、b ，1 ( 7 ) 月北半球l o h p a 涡旋系统的s 、尸显著负( 正) 相关，故异常 规律的分析可以只对尸，进行分析。 图4 16 0 年北半球极地涡旋环流指数户( 实线) 、9 ( 段线) 演变曲线 ( a ) 1 月，( b ) 7 月。 4 2 尸的演变特征 由图4 1 ，1 、7 月最明显的差异是：1 月气旋强度以短周期( 年际尺度) 大振幅振荡 为主，趋势和年代际变化不明显。7 月反气旋强度则存在明显年代际变化，p ，的年代际变 化可分为五个阶段：4 0 s 末到5 0 s 末尸最弱，5 0 s 末到7 0 s 初期偏强，7 0 s 中后期p 7 短 期偏弱，7 0 s 末到9 0 s 初p 最强，9 0 s 至今尸，在均值附近。 按王蕊跚对l 、7 月户序列作了小波功率谱分析，并用m o n t ec a r l o 方法对小波功率谱 w ( t ，瓦) 作了显著性( 0 c = o 0 5 ) 检验，如图4 2 。结果表明，1 月的显著周期均为年际尺度 ( 1 0 年以下) ，1 9 7 7 、1 9 8 4 和2 0 0 5 年前后出现显著2 3 年振荡，1 9 6 9 、1 9 8 8 和2 0 0 1 年前 后出现显著3 年以上1 0 年以下振荡；7 月的显著周期均为年代际变化尺度( 1 0 年或以上) 。 二者频域特征迥异。这个分析结果与直接由尸，曲线( 图4 1 ) 给出的特征一致。 1 8 图4 2 北半球1 0 h p a 极地涡旋户，的小波功率谱及其显著区域 ( a ) 1 月，( b ) 7 月，阴影区为通过仪= o 0 5 的m o n t ec a r l o 试验的显著区。 4 3 丸、吼的演变特征 由图2 3 ，极地气旋( 反气旋) 集中在极点( 北冰洋欧洲一侧) 。用文献【3 1 】对系统中 心散布特征量y 、“的计算结果( 表4 1 ) ，二者差别较小。总的特点是：历年北极涡旋中心 1 月位置异常中心分布区域较大，它们与气候中心的平均距离y 超过5 。；7 月位置异常中心 分布区域很小，它们与气候中心的平均距离，不超过3 。，并因7 月气候中心在北极点附近 ( 万= 8 9 3 。) ，故历年反气旋中心均集中在北极点附近。将散布区域视为椭圆时，1 月扁 率肛较大为0 6 7 ，7 月扁率p 较小不超过0 5 ，是准各向同性的( 注：j l l = 1 为各向同性) 。 表4 1 北半球i o h p a 极地涡旋气候中心及分布特征量 注：表中( 无，玩) 据文献【3 l 】中方案i i 求得。 由图4 3 ，北半球l o b p a1 月气旋中心位置异常的年代际变化( 丸、纵) ，类似于户7 的年代际变化分量，( 丸7 、吼7 ) 的年际变化也不显著。7 月反气旋中心位置异常的年代际 变化似乎较显著，但因其异常( 丸、仍) 远小于1 月气旋中心位置的异常，故其在分析 上的实际意义并不大。 图4 3l o ”a 北半球极地涡旋中心位置异常的演变 ( a ) 1 月，( b ) 7 月，实线为年代际变化分量。 1 9 4 4 小结 本章对三个环流指数强度、面积、中心位置异常态和中心位置参数的分析得出如下结 论： 1 ) p 、s 异常的年际变化具有同步性，故异常分析仅取p 进行。 2 ) 隆冬( 1 月) p 的异常主要表现为年际尺度( 周期1 0 年以下) 振荡，不存在明显的 年代际变化；盛夏( 7 月) 极地反气旋强度年代际变化显著，9 0 s 以前分别出现两次明显 增强和两次减弱；9 0 s 以来在正常态附近振荡。 3 ) 隆冬极地气旋中心位置的异常明显大于盛夏反气旋；1 月平均距离y 超过5 。，7 月 平均距离，不超过3 。，1 月扁率j l l 较大为0 6 7 ，7 月扁率j l l 较小不超过0 5 ，是准各向同性 的。 第五章1 0 h p a 极地涡旋强度异常成因的初步分析 5 1 冬季1 0 h p a 层极地气旋强度与全球变暖的关系 地球是由含有c 0 2 、h 2 0 、c h 4 、和c f c s 等痕量气体及其它气体、尘埃的大气所包围， 这些痕量气体在红外光谱区具有较强的吸收特性，其本身也向外发射长波辐射，因而对地 球表面，低层大气具有较强的增温作用。大气中的h 2 0 、c 0 2 和其它痕量气体对太阳短波 辐射吸收很弱，却吸收来自地面的长波辐射，并向下和向上重新发射长波辐射，前者加热 地面和低层大气，后者则在大气顶维持辐射平衡，从而大大提高了地表面的有效辐射平均 温度，从，1 8 c 升为1 5 c 1 3 7 1 。这样一种增温现象称为痕量气体的温室效应。 自1 9 9 0 年以来，人们逐渐认识到造成气候变化的原因除了自然因素外，人类活动的影 响已经不容忽视，特别是工业革命以来，由于人口增长、工农业生产活动和城市的不断扩 大等因素使得温室气体和人为大气气溶胶浓度急剧增加并呈持续增长的态势，直接威胁着 人类赖以生存的地球环境。人类使用化石燃料和人为土地利用转换向大气中排放了c 0 2 、 c h 4 、n 2 0 、和c f c s 等温室气体，导致大气中温室气体浓度增加，温室效应增强，全球近 地表大气温度上升和气候的变化。二十世纪初以来，总体来讲全球、南半球、北半球均出 现了强烈的增温，但这种增温过程中存在着很大的地区差异和季节差异。比如说：( 1 ) 北半 球地面气温在1 9 5 0 、1 9 6 0 年代有一个较强的降温过程，而南半球在同期却没有这样的降温 过程。( 2 ) 在全球变暖的大背景下，并不是整个地球在各处都是增温的，甚至有些区域在某 些时段出现了很强的降温。比如海表温度在北太平洋中纬度洋区和大西洋北部有很强的降 温。就地面气温的年平均来看，在中低纬( 1 5 - - 4 5 。n ) 大陆的许多地方也有明显的降温，比如 北非、北欧、美国大部、澳大利亚、南美中部，以及自巴尔干半岛到中国西部一线的海拔 较高的地区。地面气温增温的地区主要是热带和高纬度地区，其中最强的是两极地区，在 2 0 0 h p a 上，南半球的中高纬地区表现出了强烈的增温，最高达到了3 度以上。而在北半球 的高纬地区，却是强烈的降温，其幅度超过了l 度。2 0 0 8 年1 2 月1 5 日日本气象厅发布的 一项统计数据显示，全球气候变暖呈现出减缓的趋势，与1 9 7 1 - 2 0 0 0 年全球平均温度相比， 2 l 2 0 0 8 年全球平均温度只升高了o 2 【3 8 】。 根据i p c c 第四次评估报告，全球近百年( 1 9 0 6 2 0 0 5 ) x z 均气i g 上黄r y0 7 4 c 3 们，这里， 气温指场面气温。一些研究表明温室气体的增加对整个平流层起降温作用 4 0 , 4 n 。陈权亮1 4 2 1 指出中平流层气温在高纬地区从6 0 s 后期开始呈上升趋势。但这里研究的是全球平均的整 个平流层。郑彬分析出1 9 9 2 2 0 0 4 北半球极区平流层下部有增温趋势。 无论全球、北半球或中国，2 0 世纪气候均明显变暖，但其时间变化和空间分布却与根 据温室效应所预期的不完全一致。因此，虽然我们不能据此完全否定温室效应，但至少应 当承认，在过去百年中，温室效应不是决定气温变化的唯一因素。也就是说，在过去百年 中自然变化是很重要的。特别对高频变率，自然变化可能是决定性的因素。温室效应如果 起作用，也主要是影响低频趋势变化。 我们计算了1 9 4 8 2 0 0 7 年逐年1 、7 月6 0 0 n 9 0 。n 区域内的中平流层厚度的面积平均， 因为它近似地正比于北极区中平流层月平均气温，故以刀记之；尼是t 年i t 的标准化距 平值。由图5 1 ，刀、p ，同步关系极强；但显然盯。不存在单调增长趋势。因此，无论1 、 7 月，北极区域中平流层气温与全球增暖不存在简单关系。 图5 1 北半球极地涡旋环流指数声( 实线) 、t 。( 段线) 演变曲线 ( a ) 1 月，( b ) 7 月 5 2 夏季1 0 h p a 层极地反气旋强度与臭氧异常的关系 臭氧( 0 3 ) 是一种重要的大气微量气体，全球平均整层气柱含量o 3 c m 左右( 标准温度和 压力s t p ) ，大部分集中在1 0 5 0k m 的平流层，对流层0 3 占其总量的i o 左右。0 3 是影响对 流层平流层大气动力、热力、辐射、化学等过程的关键成分，在气候和环境变化中扮演非 常重要的角色。大气中臭氧的含量虽然不多，但却起着重要的作用。 首先，0 3 是大气化学的核心物种。在平流层中，臭氧层可以吸收对生物有害的紫外辐 2 2 射，对地球生命起保护伞作用：在对流层大气中，适量臭氧对清洁大气是有益的【4 5 1 。 其次，0 3 对高层大气具有加热作用。因为臭氧层主要分布在平流层，0 3 在紫外光波 长0 2 0 3 a m 的谱段有强吸收带( h a r t l e y 带) ，在0 3 - 0 3 6 a m 有弱吸收带( h u g g i n s 带) ，在 0 4 4 0 7 4 a m 可见光区还有一个吸收带( c h a p p u i s 带) ，可以大量吸收紫外光和可见光，可 以直接加热平流层大气，平流层大气温度向上递增，同时大气加热率是驱动大气运动的能 源【4 6 1 ，所以臭氧影响平流层的大气环流。 第三，0 3 对低层大气具有温室效应。0 3 在红外波段有许多振转吸收带，特别是在9 6 | u 所 处有一很强的吸收带，使之成为一种重要的温室气体，在平流层中上层产生冷却效应，在 平流层低层和对流层产生增暖效应【4 7 1 ，从而影响对流层大气环流。钱永甫【4 8 1 指出：臭氧确 实具有温室效应，在夜间或永夜地区，温室效应使地气系统的温度下降减少。但臭氧对短 波辐射的吸收作用比温室效应要大，因此，对年平均而言，臭氧浓度的增大将使海平面温 度下降。但臭氧浓度增大时温室效应增强，而短波吸收将达饱和，因此当浓度增至某一值 后，温室效应将占主导地位。 臭氧对大气环流的影响至关重要，但是目前全球的臭氧含量却在减少。雨云7 号卫星臭 氧总量观测系统t o m s ( t o t a lo z o n em a p p i n gs p e c 2 tr o m e t e r ) 的资料( 1 9 7 8 1 1 0 1 9 9 0 1 1 0 ) 得 到的0 3 总量平均每年减少率和纬度、季节的变化特征表现为：北半球随着纬度的增加，0 3 总量减少的幅度在增加( 在4 0 。n 附近，冬春季减少1 8 0 d a ，6 0 。n 附近减少1 d a ) ，赤道地区 的0 3 总量几乎没有变化，南半球随纬度增加0 3 总量减少的趋势越来越显著，在南极地区0 3 总量年平均减少达到最大( 3 a ) ，并在冬末春初形成所谓的南极臭氧洞【4 9 1 。中国地区大气 臭氧层也呈现异常变化。魏鼎文等f 5 川分析了1 9 7 9 1 9 9 3 年北京香河站和昆明d 0 b s o n 站的臭氧 总量数据发现，我国臭氧总量有减少的趋势。周秀骥等5 1 1 利用地面观测与t o m s 资料分析 了中国地区大气臭氧总量近1 3 年来的变化特征，结果表明：1 9 7 9 年以来我国大气臭氧总量 逐年减少，年平均递减率变化范围为l o 7 7 * o - 1 7 5 ，其值随纬度增高而增大。在青藏高 原