（气象学专业论文）太平洋暖池三维海温异常影响的初步研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声 明: 1 , 2、 成果 . 3 、 4. 坚持以 “ 求实、创新”的科学精神从事研究工作 。 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 本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 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, 了谢 意 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 作者签名: 日期: 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豪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: 日期: 南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 关键词:太平洋暖 池; 海 温距平: 阶 梯 模型; 东亚 大气环流; e n s o 循 环 本文首先就近几年来太平洋暖池的现场观测、 物理机制以 及暖池异常变化对气候的影唯 等方面的研究进展给予回 顾。同时，对目 前暖池研究中尚存在的 几个问 题进行简单的讨论。 然后， 利用n c e p / n c a r逐月再分析资料对西太平洋暖池区海表水温冷、 暖异常年夏季 东亚大气环流作了 合成分析， 与气候平均比 较后发现: 夏季暖池区暖异常时， 在西太平洋上 空的对流层低层产生一个强的反气旋偏差环流，不利于南海南部和赤道太平洋地区西风发 展， 热带夏季风强度减弱: 在南海的西部和中南半岛的东部有偏差气流转向大陆， 增强了偏 南风， 副热带夏季风强度增强: 在对流层中、下层副高脊线位置偏南， 大约以4 0 0 h p a 为分 界面， 低层副高强 度增强， 高 层副高强 度减弱。 西太平洋暖池 冷异常年夏季东亚大气环流特 征则大致与 上述情况相反， 同 时强度或变化幅 度小于暖异常年。 另外， 与气候平均比 较， 暖 异常年纬向w a l k e r 环流上升支大幅西移，冷异常年该环流上升支则东移。 最后， 本文应用太平洋次表层海温距平资料构造了一个西低东高的四级阶梯模型， 使用 e o f 方法对此模型 进行时 空分解， 并初步讨论 其与e n s o循环在海洋内 部的 关系。结果表 明，e o f分解的前两个主分量方差贡献达到 4 2 . 5 8 %， 其中第一主分量代表了暖池一 厄尔尼 诺 ( 拉尼娜) 模态; 第二主分量代表了次表层海温距平的东西运移模态。 后者存在着突变和 渐变两个过程， 厄尔尼诺正是东西运移模态突变的结果。 时滞相关分析估算， 一次e n s o循 环的 平均周期约为4 1 个月， 即3 . 4 2 年。 运用逐步回 归法求得一个对n i n o 3 指数回 报效果比 较理想的方程，初步证明了e n s o循环在三维空间的不可分割性。其中e o f 分解的第一时 间系数对n i n o 3 距平指数有着重要的可预报前景。 南京信息工程大学硕士学位论文 abs t ract k e y w o r d s : p a c i f i c w a r m p o o l ; s s t a ; l a d d e r m o d e l ; e a s t e n a s i a a t m o s p h e r i c c i r c u l a t i o n ;e n s o c y c l e f i r s t o f a l l , a s i m p l e r e v i e w o f p a c i f i c w a r m p o o l r e s e a r c h i s g i v e d i n t h i s p 即e r . w h i l e s o m e q u e s t i o n s i s d i s c u s s e d . b a s e d o n n c e p / n c a r r e a n a l y z e d d a t a , a c o m p o s i t e a n a l y s i s o f e a s t a s i a a t m o s p h e r i c c i r c u l a t i o n i n s u m m e r o f a b n o r m i t y y e a r s o f t h e w e s t e r n p a c i f i c w a r m p o o l s s t i s m a d e . c o n t r a s t w i t h a v e r a g e o f c l i m a t e , t h e r e s u l t s s h o w t h a t a s t r o n g a n t i c y c l o n e d e v i a t i o n c i r c u l a t i o n o c c u r s i n t h e l o w e r t r o p o s p h e r e o v e r t h e w e s t e r n p a c i f i c o c e a n a l o n g w i t h p o s i t i v e s s t a n o m a l i e s o f t h e w a r m p o o l , i t g o a g a i n s t t h e d e v e l o p m e n t o f t h e w e s t e r l y o v e r t h e s o u t h o f t h e s o u t h c h i n a s e a a n d t h e e q u a t o r i a l p a c i f i c o c e a n , t h e i n t e n s i t y o f t r o p i c a l s u m m e r m o n s o o n i s w e a k e n ; a d e v i a t i o n f l o w b e t w e e n t h e w e s t o f t h e s o u t h c h i n a s e a a n d t h e e a s t e r n p a r t o f t h e i n d o - c h i n a p e n i n s u l a t u r n a r o u n d c h i n e s e m a i n l a n d , p a r t i a l s o u t h e r i s b o o s t e d u p a n d t h e s u b t r o p i c a l s u m m e r m o n s o o n i s s t r o n g e r ; i n t h e m i d d l e a n d l o w e r t r o p o s p h e r e , t h e p o s i t i o n o f t h e r i d g e l i n e o f t h e w e s t e r n p a c i f i c s u b t r o p i c a l h i 沙 t u rn s o u t h w a r d , a p p r o x i m a t e l y 4 0 0 h p a i s b o u n d a r y , i n t e n s i t y o f s u b t r o p i c a l h i g h i n t h e l o w e r t r o p o s p h e r e g a t h e r h e a d , w h e r e a s i t i s w e a k e r i n t h e h i g h e r t r o p o s p h e r e . w h e n s s t a n o m a l i e s o f t h e w a r m p o o l i s n e g a t i v e , s i t u a t i o n s a r e r e v e r s e b a s i c a l l y , i n t e n s i t y o r e x t e n t i s w e a k e r t h a n t h e w a r m a b n o r m i t y y e a r s . o t h e r w i s e , t h e a s c e n d i n g b r a n c h o f t h e w a l k e r c i r c u l a t i o n m o v e w e s t w a r d l a r g e l y i n t h e w a r m a b n o r m i t y y e a r s , i t s h i f t e a s t w a r d i n t h e c o l d a b n o r m i t y y e a r s. 2 南京信息工程大学硕士学位论文 f i n a l l y , b a s e d o n j e d a c s e a s u b s u r f a c e t e m p e r a t u r e d a t a , a s e a s u b s u r f a c e t e m p e r a t u r e l a d d e r m o d e l i s m a d e . w e a p p l y t h e e o f t e c h n i q u e t o m o d e l a n d d i s c u s s t h e c o n n e c t i o n b e t w e e n e n s o c y c l e a n d t h e s e a s u b s u r f a c e t e m p e r a t u r e l a d d e r m o d e l . t h e r e s u l t s s h o w t h a t a n t e r i o r t w o p o n d e r a n c e s v a r i s 4 2 .5 8 % . t h e f i r s t p o n d e r a n c e r e p r e s e n t t h e m o d e l a b o u t p a c i f i c w a r m p o o l - e n s o c y c l e c o n f i g u r a t i o n ; t h e s e c o n d p o n d e r a n c e r e p r e s e n t t h e m o d e l a b o u t s e a s u b s u r f a c e t e m p e r a t u r e a b n o r m i t y i n t r a n s m e r i d i o n a l c o n f i g u r a t i o n , i n t h i s m o d e l t h e r e a r e b r e a k a n d g r a d u a l c h a n g e c o u r s e s , e n s o c y c l e i s a f f e c t e d b y c o u r s e s , a e n s o c y c l e p e r i o d i s a b o u t 4 1 m o n t h s . a e q u a t i o n t h a t p r o v e p r i m a r i l y e n s o c y c l e i n d i v i s i b i l i t y i n t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l s p a c e i s o b t a i n e d , i n t h i s e q u a t i o n t h e f i r s t t i m e c o e f f i c i e n t o f e o f p o n d e r a n c e i s s i g n i f i c a n t v a l u a b l e f o r f o r e c a s t o f n i n o 3 a b n o r m i t y i n d e x . 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . ，本文研究工作的主要意义及主要内容 热带西太平洋位于赤道太平洋西部， 是全球海洋中海水温度最高、 贮存能量最多的地区 之一， 故有西太平洋暖 池 ( w e s t e r n p a c i fi c w a r m p o o l . w p w p ) 之称。 热带西太平洋是纬向 w a l k e r 环流上升支的所在地，该区域是全球海一 气相互作用最强的 地区之一。 太平洋暖 池它 的异常变化对包括中国在内的亚洲和太平洋区域的气候变化和自 然灾害的形成关系密切。 同 时， 西太平洋暖池也是影响侵袭我国的台 风及中国 海洋热动力和渔业状况的关键海区， 它对 我国乃至全球都具有重要的科学研究、 社会经济和战略意义。 长期以来， 国内 外的科学家们 一直关注这片海域。 近几年来， 国内外学者对热带西太平洋暖池提出了一些新看法，本文首先将给与简单的 回顾。 这其中 主要包括最近几年西太平洋暖池的 现场观测部分、 暖池物理机制的探讨和暖池 异常变化对气候的影响等几方面的内容。 同时， 还对目 前暖池研究中尚存在的几个问题进行 一些简单的讨论。 然后， 本文针 对西 太平洋暖池海表温度异常年夏季东亚 大气环特征展开讨论。 西太平洋 暖池海表温度异常与东亚大气环流、 夏季风和副热带高压等系统异常有着密切的关系。 但是， 由于选取的 w p w p 范围不同以及海一 气相互作用使w p w p 的海表温度分布存在显著的区域性差 异， 上述研究的一些结果还有待于进一步证明。 尤其是w p w p 的冷异常并不十分明显， 因此以 往对w p w p 的研究多集中在暖异常年， 对w p w p 冷、 暖异常年的对比研究较少。 本文通过对w p w p 冷、 暖异常年夏季大气环流的合成分析，比较冷、 暖异常年对流层低层的风场异常， 并利用 两个季风指数分别对比 研究了 冷、 暖异常年夏季热带、 副热带季风的变化情况， 然后又对异 常年副 热带高压和纬向 w a l k e r 环 流上升支进行了比 较， 从而进一步揭示了 w p w p 海表温度 异常 与东亚大气环流异常变化的关系。 最后， 本文构建了一 个太平洋次 表层四级 海温阶梯模型， 重点 讨论了 热带太平洋次 表层 海温异常与厄尔尼诺、 拉尼娜事件循环的关系。 近来一系列的 研究结果表明， 厄尔尼诺和拉 尼娜事件发生在一个环路 上， 当赤道附近有次表层海温异常向东传播时， 在南、 北纬1 0 度左 a 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . ，本文研究工作的主要意义及主要内容 热带西太平洋位于赤道太平洋西部， 是全球海洋中海水温度最高、 贮存能量最多的地区 之一， 故有西太平洋暖 池 ( w e s t e r n p a c i fi c w a r m p o o l . w p w p ) 之称。 热带西太平洋是纬向 w a l k e r 环流上升支的所在地，该区域是全球海一 气相互作用最强的 地区之一。 太平洋暖 池它 的异常变化对包括中国在内的亚洲和太平洋区域的气候变化和自 然灾害的形成关系密切。 同 时， 西太平洋暖池也是影响侵袭我国的台 风及中国 海洋热动力和渔业状况的关键海区， 它对 我国乃至全球都具有重要的科学研究、 社会经济和战略意义。 长期以来， 国内 外的科学家们 一直关注这片海域。 近几年来， 国内外学者对热带西太平洋暖池提出了一些新看法，本文首先将给与简单的 回顾。 这其中 主要包括最近几年西太平洋暖池的 现场观测部分、 暖池物理机制的探讨和暖池 异常变化对气候的影响等几方面的内容。 同时， 还对目 前暖池研究中尚存在的几个问题进行 一些简单的讨论。 然后， 本文针 对西 太平洋暖池海表温度异常年夏季东亚 大气环特征展开讨论。 西太平洋 暖池海表温度异常与东亚大气环流、 夏季风和副热带高压等系统异常有着密切的关系。 但是， 由于选取的 w p w p 范围不同以及海一 气相互作用使w p w p 的海表温度分布存在显著的区域性差 异， 上述研究的一些结果还有待于进一步证明。 尤其是w p w p 的冷异常并不十分明显， 因此以 往对w p w p 的研究多集中在暖异常年， 对w p w p 冷、 暖异常年的对比研究较少。 本文通过对w p w p 冷、 暖异常年夏季大气环流的合成分析，比较冷、 暖异常年对流层低层的风场异常， 并利用 两个季风指数分别对比 研究了 冷、 暖异常年夏季热带、 副热带季风的变化情况， 然后又对异 常年副 热带高压和纬向 w a l k e r 环 流上升支进行了比 较， 从而进一步揭示了 w p w p 海表温度 异常 与东亚大气环流异常变化的关系。 最后， 本文构建了一 个太平洋次 表层四级 海温阶梯模型， 重点 讨论了 热带太平洋次 表层 海温异常与厄尔尼诺、 拉尼娜事件循环的关系。 近来一系列的 研究结果表明， 厄尔尼诺和拉 尼娜事件发生在一个环路 上， 当赤道附近有次表层海温异常向东传播时， 在南、 北纬1 0 度左 a 南京信息工程大学硕士学位论文 右， 有反位相的 海温异常反向 传播， 这在温跃层上更为明 显。 但是以上诸多研究结果多集中 在水平或垂直剖面上。 实际上， e n s o 在海洋内 部不是独立的事件而是一个循环， 而且是在三 维空间上循环， 单独地停留 在水平面或垂直剖面上的切片式研究都可能会割裂这一循环。 本 文在构建一个太平洋次表层四级海温阶梯模型的研究基础上，建立了一个对n i n o 3 指数回报 效果比 较理想的方程，初步证明了e n s o 循环在三维空间上的不可分割性。 1 . 2太平洋暖池现场观测研究的新进展 上个世纪8 0 年代以 前， 人们并不特别关注西太平洋暖池， 对西太平洋暖池的调查工作也 不多。 国 外对西太平洋暖池的研究大体是从2 0 世纪8 0 年代开始的， 科学家们首先关注的是厄 尔尼诺和南方涛动， 因为两者对全球气候异常的影响很大。 研究中许多事实表明，东、西太 平洋关系密切， 特别是暖池与厄尔尼诺的 形成和发展有直接关系， 于是8 0 年代后暖 池成了 人 们关注和研究的热点。 1 9 8 5 年国 际上开始在赤 道太平洋区域实 施t o g a ( 热带 海洋和全球大气) 计划， t o g a 计划 的主要任务是研究2 0 0 n - 2 0 s 范围内 热带海洋和全球气候的年际变化; 研究厄尔尼诺现象发生 与发展的机制。在前5 年的 观测期建立了一个观测系统， 对赤道海区的海气相互作用进行研 究; 特别是研究了热带太平洋海温异常和e n s o 形成的关系。 t o g a 计划的实施， 开启了人们认 识厄尔尼诺的新纪元。为了更进一步了解西太平洋暖池海一 气祸合的主要过程，科学家们又 提出 t o g a - c o a r e( 海洋一 大气藕合响 应实验)。 值得一提的 是， 我国 科学 家在对西 太平洋暖池的 研究中 做出了 特别重要的贡献。 在1 9 8 5 至1 9 9 3 年期间， 中国 科学院 组织了 六所1 0 个航次的 现场观测与 基础 研究: 国 家海洋局等单位 也开展了“ 中美热带西太平洋海气相互作用的研究”，进行了8 个肮次沿三条纬向 和三条经 向 剖面的现场考察。 这次考察， 是迄今在热带西太平洋进行的时空尺度最大、 获取资料最多 的 考察。 尤其宝贵的是， 获取了1 9 8 6 年至1 9 8 7 年厄尔尼诺发生、 发展和消亡的全过程系统的 海洋与大气资料， 也首次发现厄尔尼诺盛期时西太平洋赤道潜流不仅消失， 而且反其道而行 之即向西流。 我国科学家在对西 太平洋暖池的研究中一直追踪世界先进研究水平， 在许 南京信息工程大学硕士学位论文 右， 有反位相的 海温异常反向 传播， 这在温跃层上更为明 显。 但是以上诸多研究结果多集中 在水平或垂直剖面上。 实际上， e n s o 在海洋内 部不是独立的事件而是一个循环， 而且是在三 维空间上循环， 单独地停留 在水平面或垂直剖面上的切片式研究都可能会割裂这一循环。 本 文在构建一个太平洋次表层四级海温阶梯模型的研究基础上，建立了一个对n i n o 3 指数回报 效果比 较理想的方程，初步证明了e n s o 循环在三维空间上的不可分割性。 1 . 2太平洋暖池现场观测研究的新进展 上个世纪8 0 年代以 前， 人们并不特别关注西太平洋暖池， 对西太平洋暖池的调查工作也 不多。 国 外对西太平洋暖池的研究大体是从2 0 世纪8 0 年代开始的， 科学家们首先关注的是厄 尔尼诺和南方涛动， 因为两者对全球气候异常的影响很大。 研究中许多事实表明，东、西太 平洋关系密切， 特别是暖池与厄尔尼诺的 形成和发展有直接关系， 于是8 0 年代后暖 池成了 人 们关注和研究的热点。 1 9 8 5 年国 际上开始在赤 道太平洋区域实 施t o g a ( 热带 海洋和全球大气) 计划， t o g a 计划 的主要任务是研究2 0 0 n - 2 0 s 范围内 热带海洋和全球气候的年际变化; 研究厄尔尼诺现象发生 与发展的机制。在前5 年的 观测期建立了一个观测系统， 对赤道海区的海气相互作用进行研 究; 特别是研究了热带太平洋海温异常和e n s o 形成的关系。 t o g a 计划的实施， 开启了人们认 识厄尔尼诺的新纪元。为了更进一步了解西太平洋暖池海一 气祸合的主要过程，科学家们又 提出 t o g a - c o a r e( 海洋一 大气藕合响 应实验)。 值得一提的 是， 我国 科学 家在对西 太平洋暖池的 研究中 做出了 特别重要的贡献。 在1 9 8 5 至1 9 9 3 年期间， 中国 科学院 组织了 六所1 0 个航次的 现场观测与 基础 研究: 国 家海洋局等单位 也开展了“ 中美热带西太平洋海气相互作用的研究”，进行了8 个肮次沿三条纬向 和三条经 向 剖面的现场考察。 这次考察， 是迄今在热带西太平洋进行的时空尺度最大、 获取资料最多 的 考察。 尤其宝贵的是， 获取了1 9 8 6 年至1 9 8 7 年厄尔尼诺发生、 发展和消亡的全过程系统的 海洋与大气资料， 也首次发现厄尔尼诺盛期时西太平洋赤道潜流不仅消失， 而且反其道而行 之即向西流。 我国科学家在对西 太平洋暖池的研究中一直追踪世界先进研究水平， 在许 南京信息工程大学硕士学位论文 多研究领域中都独占鳌头，成为研究西太平洋暖池的重要力量。 由 美国海洋大气局 n o a a )发起的t a o( 热带大气海洋)观测网自 1 9 9 4 年建成以 来，就 不断地获取热带太平洋中的海表气温、 风速、 风向 和海洋表层温度、 盐度等数据。 这些资料 帮助美国 科学家成功地提前6 个月预报了1 9 9 7 / 1 9 9 8 年厄尔尼诺事件， 为美国 经济挽回 近百 亿 美元的损失。 1 9 9 7 年，由世界气候研究计划 ( w c r p ) 联合科学委员会 ( j s c )和气候变化与海洋联合 委员会 ( c c c o )共同 发起的世界大洋环流实验 ( w o c e )，是另一项国际大型观测研究计划。 该计划从1 9 9 0 年进入全面实施阶段， 其中前五年为 集中 观测期。 它的主要目 标之一是收集验 证模式所需的资料， 包括测定世界大洋的环流和体积输送等大尺度海水运动和水团分布的物 理特征。 除了厄尔尼诺和拉尼娜， 全球海洋中还有其它的异常现象， 如太平洋十年振荡、 北大西 洋振荡等。 这些现象同 样对气候变化产生影响。 要研究这些海洋现象， 局地的海洋观测网显 然是不够的。 近年来， 国外建立了一个卫星观测网， 可它仅能提供海洋表面的信息。 高精度卫星高度 计可以 每隔工 0 夭对全球洋面高度进行一次测量， 但迫切需要现场数据库来解译和补充海面分 布状况。 为此， 需要建立一个实时的 ( 与卫星观测同步) 、援盖全球海洋的观测网。 一种自 律式的拉格朗日 环流剖面观测浮标的开发成功， 使人们能够对全球海洋中任何一处的 海洋物 理性质进行实时的 连续观测， 再借助现有的 卫星观测系统， 使在全球海洋中 建立大洋观测网 成为可能。 1 9 9 8 年， 美国 和日 本 等国 家 大气、 海 洋科 学 家推出 a r g o ( 地 转海洋 学实时 观 测阵 减划. 其目 的是利 用高 新海洋技术， 如 a r g o 剖面浮标和卫星通讯系统等， 建立一个实时的、 高 分辨 率的 全球海洋中、 上层监测系统， 以 便能 快速、 准确地收集全球海洋上层的 海水温度和盐度 剖面资料。 a r g o 全球海洋观测网的建成， 也正如天气观测中用了大量的无线电 探空仪可以 准 确地 预报 3 - 5 天内的 天 气一样， 将为 人们 更 准 确地 进行气 候和 海 洋预 报作出 贡 献r l 。 无 疑, a r g o 计划的实施必将加深人们对西太平洋暖池的认识。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 . 3太平洋暖池物理机制研究的新进展 西太平洋海温异常一直让人关注， 海表s s t 和次表层海温异常则是西太平洋海温异常的 两个关键问题。 1 . 3 . 1暖池海温异常 热 带西 太 平洋s s t 异常直 接 关 系东 亚 夏季短 期 气 候异常 及预 测 ， 瓦 ， 。 与热 带中 、 东 太平 洋相比 ， 热带西太平洋s s t 和大气 环流 年际 异常受厄尔尼诺一 拉尼娜现象的 影响 并不显著， 反 倒是 热带 西 太 平洋 海 气相互作 用的 年际 变化 特征 对厄尔 尼诺 一 拉 尼娜的 影响 更显 著些b , ， 。 王 盘 兴 等” 在 分析 整 个热带 海洋 s s t 长期 变化 规 律基 础上， 揭 示了 5 0 年 代以 来， 热带 三大 洋s s t 长 期变化的两个基本构成， 即线性增 温及厄尔尼诺一 拉尼娜振荡， 并比 较它们在三大洋 中的典型程度。对比 热带太平洋西、中、东部 s s t 长期变化的差异，指出热带西太平洋s s t 长期变化中厄尔尼诺一 拉尼娜振荡相对较弱，线性增温被年代际时间尺度的s s t 强弱振荡代 替。 根据热带西太平洋s s t 长期变化的区域特殊性， 可以认为由 于热带西太平洋s s t 变化明 显 不同于热带海洋的其他区域， 受它直接影响的当地区域大气环流异常也将明显不同于其他热 带 海 域 ， 。 应用热带 太平洋上层x e t 温度资 料， 研究发现西太平洋暖池区( 0 一 工 6 0 n , 1 2 5 - 1 4 5 0 e ) 的垂 向 温度 存在 显 著的 年际 变化， 尤其 是 在次 表 层1 2 0 - 2 0 0 。 之间 变化 最为明 显b 暖 池区的 温度 信号明显早于整个西太平洋次表层的海温变化， 暖池区海温异常是导致整个西太平洋次表层 海温场变异的关键区。 进一步 研究1 0 0 n 附 近北赤道流海域的 海温距平与西太平洋暖池区域的 次表层海温距平的关系，发现在e n s o 循环的初期， 北赤道流可将中、东太平洋温跃层附近的 暖水向 西输运， 使其聚积在西 太 平洋暖池区 域， 并向 赤道方向 扩展。因 此。 可以 认为北赤道流 的暖 水 输 运是 e n s o 发 生的 机制 之 一cio 口 在更长的 时间 尺度上， 热带 西 太平 洋海 温年 代际 变化 讯号 来自 于 南 太平 洋， 它具 有 温 跃 层环 流的 特征叫。 此 外， 蒲书 篇等 h -0 b 还就 热 带 西 太 平 洋 暖 池的 海 气相互 作用， 热带西 太 平 洋 浮力 频 率的 垂 直分 布 和经向 变化， 以 及暖 池的 热 结 构 变化等问 题进行了 较 为系 统的 研究。 张 启 龙等i-1 阐明西 太平洋暖池热状态的时空特征及变异规律， 发现西太平洋暖池热状态的年际变化具有 明显的区域性，提出 西太平洋暖 池热状态与南方涛动、副热带高压和e n s o 循环的对应关系。 南京信息工程大学硕士学位论文 互 1 . 3 . 2暖池流场的运动特征以及对大气风场的响应 r o b e r t . w . h 和r . h . w e i s b e r g 估算了 西太平洋暖池 部分海区 上 层的 垂 直 运动。 结 果显 示， 洋面下7 0 - 2 5 0 m 之间 为平均意义的 上升运动。 引 起上升运动出 现的 水平散度，是作 用在 赤道上西向的纬向压力梯度力所引起的地转辐散造成的。 经向辐散和纬向风应力的非相关性 暗示， 由 局地西风引 起的 e k m a n 漂流是唯一的局地影响因子。 在海洋表层没有发现下沉运动， 那里的局地风场和地转辐散的贡献恰好相反。 赤道西太平洋暖池区的上升运动与中、 东太平 洋相比，不仅量级相当，而且前者的影响深度更深。 在赤道西太平洋海区，上层海洋的纬向洋流在时间和深度上还都存在很大的方向 性变 率。 海表大范围的海流由局地风驱动， 东向加速与西风爆发相联系， 西向加速则与信风相联 系。 赤道信风盛行时， 赤道洋流只有两层结构， 从表层到6 0 。 左右为西向的 南赤道流，从 6 0 m - 3 0 0 m 大致为东向的赤道潜流。 在表层为了部分平衡爆发的 风场， 海表压力梯度得以 建立。 表层之下， 压力梯度有加速上层温、 盐流的趋势， 其方向与局地风场方向相反。 结果， 西风 爆发 ( w w b ) 期间，反向急流结构得以发展，即表层的东向流叠加在瞬时西向 流上，其下仍 为东向 的 赤 道 潜流y s ) 。 反向 急 流结 构的 动力 成因 认 为 有以 下 几方面， 即 与 k e l v i n 波 传播相关 的压力梯度变化、与西风爆发相关的压力梯度变化和扰动混合的作用以及非线性项的作用。 海洋对风应力响应的分析和数值模拟还显示， 西风爆发时细微的差别能引起海洋差异很 大的响应。西风爆发并以1 0 耐s 的速度传播， 将主要激发重力内 波，当西风的 风区缓慢地向 东和向 西传播时， 则分别激发接近共 振的 k e l v i n 波或r o s s b y 波。 用准 静止的西风爆发场强迫 海气环流模式， 发现次表层西向 加速的 主要原因是 斜压r o s s b y 波和k e l v i n 波的 传播与分离作 用， 这些 斜 压波 一 般 产生 于 风区 ( w i n d p a t c h ) 的 边 界处， 尤其 是东 边界 271 w w b 对西太平洋暖池s s t 的影响，是 w w b 与e n s o 相互作用的一个重要环节。 从能量 平衡的 角度分 析赤 道1 5 6 0 e 附 近s s t 对 w w b 的 响 应ga l 。结 果 表明， 在 季节内 时间 尺 度 上， 海表 热 通量 是导致赤道西太平洋暖池混合层温度变化的主要因 素。短波辐射和潜热是变化量最大的两 项，决定着净通量的正负。水平平流项有时可以超过海表热通量的作用，其影响不可忽略。 南京信息工程大学硕士学位论文 圣 1 . 3 . 3西太平洋暖池振子理论对e n s o 的解释 观测事实显示， e n s o 暖位相阶段， 赤道东太平洋正的s s t a 和负的 s l p a ( 海平面压力距平) 以及赤道中太平洋负的o l r a 向 外长波辐射距平)总是伴随西太平洋赤道外区域负的s s t a . 正的 s l p a 和正的 o l r a 出现。 当异常纬向风在赤道中太平洋有西风距平时， 赤道西太平洋有东 风 距平出 现。 e n s o 循 环冷 位相阶 段， 上 述信号也 大多可 以 观测 到， 但 位 相 相反as , m 7 延迟振子理论仅考虑了东太平洋的异常在e n s o 循环中的作用， 忽略了西太平洋的异常形 态。 鉴 于 观 测 事 实 与 数 值 试 验 的 一 致 性d - )， w e i s b e r g 和 ， an g 发 展了 一 个 西 太 平洋 振 子 概 念模型。 它强调在延迟振子理论中被忽略的西太平洋的作用。 尤其是， 在西太平洋引 起西风 异常的 赤道外s s t a 和s l p a 对e n s o 演变的 作用。 对流加热在对称于赤道的中 太平洋赤道外海域 产生 一个气旋对， 同时， 伴随中 太平洋赤道海域西 风距平的 产生。 后者使东赤道太平洋温跃 层加深，s s t 升高，为整个异常形态的发展提供正的反馈机制。另一方面，赤道外气旋对通 过e k m a n 漂移使得中 太平洋的温跃层深度抬升， 这样， 一个浅薄的赤 道外温跃层异常扩展到 西 太 平洋， 并 导致西 太 平洋赤 道 外 海域 s s t 降 低， k ip 升 高au 。 在厄 尔 尼诺 位 相成熟 期间， 赤 道外正的s l p a 会在西太平洋产生东风异常。 由 于海洋反射的作用， 上述东风异常引起的上升 运动和冷却作用向东传播，为祸合海气系统的振荡提供负的反馈机制。 1 . 3 . 4暖池的数值研究解释 观测研究 表明， 产生厄尔尼诺或拉尼娜的 初始海温距平， 主要出 现在赤道西 太平洋暖池 工 5 0 m 左右的 温跃层， 发展到一定强 度后， 沿气候温跃层向 赤道东太平洋传播， 并上升到海面。 注意到 近年 来 在 动力 学上 研究 热 带 西 太 平洋 对风 应力响 应时 ， 使 用等 值浅 水 模式划 ， 该 模式 虽然可以 研究扰动东 传的物理机制， 但是不能用于研究海温距平在温跃层附近响应最强的物 理机制. c a n e 最 早 提出 一 个 简单的 线 性 海洋 两层 模 式， 研究 赤 道 地区的 表层 风 驱海流的 演变。 南京信息工程大学硕士学位论文 佘 丰宁 等 3 b 将c a n e 的 模 式 作了 改 进 ， 但 为了 使 模 式 简 化， 他 们 认 为 温 跃 层 和 混 合 层的 密 度、 温度是相同的。 因 此， 仍不适合研究为何温跃层海温对风应力的响应要大于混合层这一问 题。 巢纪平 等3 8 采用 低 频 近似， 发 展了 一 个线 性 热带 西 太 平洋两 层 模式， 分 别 代 表混 合 层和 温跃 层， 它们的 密度、 温度各不相同。 利用此模式分析热带西 太平洋对纬向 风应力的响应， 结果 热带西太平洋物理量的变异在厄尔尼诺和拉尼娜事件中起着重要作用， 在温跃层中海温变化 振幅明显大于混合层，这从理论上支持了近年来的观测事实。 一 个简单的 海 气祸 合 模式 还 被 应用于 研究 西 太 平洋暖 池的 形成 机 制4 0 。 它 较好 地 模拟出 热带太平洋海温 “ 西高东低”的分布，以 及 “ 暖池”附近s s t 水平梯度较小等特征。在垂直 方向上， 海洋混合层深度在赤道呈准对称的“ 马鞍” 型分布特征， 也可以 从理论上和数值模 拟的结果中得到证实。“ 暖池” 形成的动力学机制认为是海气藕合系统中海洋r o s s b y 波振幅 的不稳定增长所致。 提高海气之间的祸合强度会降低扰动的传播速度， 使传播周期明显加大。 不考虑海气之间的祸合作用时，模拟得到的扰动传播周期明显比 用藕合模式得到的 要小。 此 外， 王 启 等f+ n 还 建 立一 个解析 模式 用以 解释 南海 和热 带西 太 平洋 之间 的 类咖n s o 的 涛 动。模式的解析解与观测资料的分析结果一致。他们进一步讨论模式中参数的影响， 并且提 出 一种确定参数的 方法 ， 使之适用于年际时间 尺度变化c, z 1 . 4太平洋暖池异常变化对气候影响的研究 西太平洋暖池是影响我国气候系统中至为重要的一环， 它的异常变化对气候的影响研究 一直是气象学和海洋学界的重要课题之一。 1 . 4 . 1暖池的异常与e n s o 的关系 近几年， 随着对e n s o 研究的逐步深入， 关于西太平洋暖池暖水运移对e n s o 事件发生的研 究引起人们的莫大关注。 研究表明， 处于暖状态的西太平洋暖池是厄尔尼诺发生必不可少的条件， 厄尔尼诺事件 南京信息工程大学硕士学位论文 佘 丰宁 等 3 b 将c a n e 的 模 式 作了 改 进 ， 但 为了 使 模 式 简 化， 他 们 认 为 温 跃 层 和 混 合 层的 密 度、 温度是相同的。 因 此， 仍不适合研究为何温跃层海温对风应力的响应要大于混合层这一问 题。 巢纪平 等3 8 采用 低 频 近似， 发 展了 一 个线 性 热带 西 太 平洋两 层 模式， 分 别 代 表混 合 层和 温跃 层， 它们的 密度、 温度各不相同。 利用此模式分析热带西 太平洋对纬向 风应力的响应， 结果 热带西太平洋物理量的变异在厄尔尼诺和拉尼娜事件中起着重要作用， 在温跃层中海温变化 振幅明显大于混合层，这从理论上支持了近年来的观测事实。 一 个简单的 海 气祸 合 模式 还 被 应用于 研究 西 太 平洋暖 池的 形成 机 制4 0 。 它 较好 地 模拟出 热带太平洋海温 “ 西高东低”的分布，以 及 “ 暖池”附近s s t 水平梯度较小等特征。在垂直 方向上， 海洋混合层深度在赤道呈准对称的“ 马鞍” 型分布特征， 也可以 从理论上和数值模 拟的结果中得到证实。“ 暖池” 形成的动力学机制认为是海气藕合系统中海洋r o s s b y 波振幅 的不稳定增长所致。 提高海气之间的祸合强度会降低扰动的传播速度， 使传播周期明显加大。 不考虑海气之间的祸合作用时，模拟得到的扰动传播周期明显比 用藕合模式得到的 要小。 此 外， 王 启 等f+ n 还 建 立一 个解析 模式 用以 解释 南海 和热 带西 太 平洋 之间 的 类咖n s o 的 涛 动。模式的解析解与观测资料的分析结果一致。他们进一步讨论模式中参数的影响， 并且提 出 一种确定参数的 方法 ， 使之适用于年际时间 尺度变化c, z 1 . 4太平洋暖池异常变化对气候影响的研究 西太平洋暖池是影响我国气候系统中至为重要的一环， 它的异常变化对气候的影响研究 一直是气象学和海洋学界的重要课题之一。 1 . 4 . 1暖池的异常与e n s o 的关系 近几年， 随着对e n s o 研究的逐步深入， 关于西太平洋暖池暖水运移对e n s o 事件发生的研 究引起人们的莫大关注。 研究表明， 处于暖状态的西太平洋暖池是厄尔尼诺发生必不可少的条件， 厄尔尼诺事件 南京信息工程大学硕士学位论文 西 太 平洋暖 池向 东 扩展 是导 致e n s 。 发生的 重要 原因9 , 9 . 4 5 。 其中 尤其是暖 池 次表 层 海 温的 冷( 暖) 异常及其东 传 对e n s 。 的 发 生起 着十分 重要、 且更直接的 作 用“， 9b ) 。 正 是次 表 层 水温的 距平导致厄尔尼诺或拉尼娜的发生， 而次 表层水温的 年际 变化则与东亚季风异常有密 切关系 所以本文选择0 。- 1 0 n 之间计算w p w p 夏季平均纬向 环流。 图2 . 8为0 “- 1 0 0 n 平均纬向环流经度一 高 度剖面图。 从图2 . 8 ( a ) 可以 清楚地看到， 在 6 0 0 h ? a 以下气候平均纬向w a l k e r 环流上升支大致位于 1 4 5 0 e 附近，与之比 较，暖异常年 该上升支位于 1 1 5 0 e附近【 图2 . 8 ( b ) ，向西平移近 3 0个经距，显然该结果与暖异常年夏 南京信息工程大学硕士学位论文 季低纬地区对流层低层的东风异常紧密相关;冷异常年该上升支位于 工 5 5 0 e附近【 图 2 . 8 ( c ) i ， 与气候平均比 较向东平移近 1 0 个经距， 同时 冷异常年夏季低纬地区对流层低层出 现了西风异常。 当w p w p 夏季海温出 现冷、暖异常时，在东南亚和西太平洋上空还分别产生一支偏差环 流:暖异常年时它有利于底层东风加强和高层西风加强【 图 2 . 9 ( a ) 7 ;冷异常年时它有利于 低层西 风加强， 高层东风加强 图2 . 9 ( 6 ) 7 。以 上结果充分说明w p w p 的 冷、 暖异常对热带地 区纬向 环流异常有重要的作用，尤其是在东亚热带地区其作用更为明显。 2 .3本章小结 通过对夏季w p w p 区s s t 冷、 暖异常年份8 5 0 h p a 矢量风场距平、 纬向 风经向 风垂直切变、 副高脊线位置及其强度变化和垂直纬向环流的分析，得出如下结果: ( 1 )在暖 异常年西太平洋上空的对流层低层有一支反气旋偏差环流， 该偏差环流大幅 增强副高南侧的东风， 并向西延伸到孟加拉湾， 这支偏差气流在南海西部和中南半岛东部转 向大陆，增强了偏南气流，可能使副热带夏季风发生异常;在冷异常年风场距平合成图中， 位于5 0 - 2 0 0 n . 1 3 0 0 e 以东 有一支气旋性偏差环流， 其北部的中 纬度地区还存在一支更弱 的反气旋性偏差环流， 在长江中游、 华南等地有向北的偏差气流， 削弱了来自 西南的平均气 流。 ( 2 ) 应用 w p i 指数判断，暖 异常年从南海南部到赤道太平洋地区纬向 风垂直切变明 显小于 气候 平均; 冷异常 年 相 反。 应 用i . 指 数 判断， 暖 异常 年