（气象学专业论文）平流层环状模的分类特征及其与对流层关系的研究.pdf

摘要 摘要 使用n c e p n c a r 逐日再分析资料，通过对北半球环状模指数的分析，将平 流层异常分为两类：s 型和d 型，研究了两类平流层异常过程在逐日资料中表现 的差异、与波流相互作用的关系及其与对流层大气环流的关系。 结果表明，两种类型的异常特征在平流层类似，而主要的差别发生在对流 层。s 型平流层异常期间，平流层纬向风异常有随时间向下传播的趋势，对流层 表现为与平流层一致连续的纬向风异常；而d 型平流层异常期间，平流层纬向 风异常随时间向下传播的趋势不存在，另外平流层纬向风异常仅局限在平流层 范围内，对流层表现为与平流层相反的纬向风异常。 平均纬向风异常的高度一纬度剖面图上，s 型平流层环状模异常期间，平均 纬向风在平流层和对流层也是连续的；临界风速线从平流层高层一直延伸至对 流层并到达地面，且最大风速轴随高度向高纬度倾斜。而d 型平流层环状模异 常所表现的特征与s 型环状模有显著的区别：首先，无论在中高纬度还是低纬 度，平流层和对流层纬向风异常符号相反。i 临界风速线也仅局限在平流层的范 围内，不能延伸至对流层。 不同类型的平流层环状模异常与波一流相互作用紧密相连。s 型环状模异常 期间波动的传播促进了环状模特征的传播，使平流层和对流层的大气环流表现 出了连续的特征，而d 型环状模异常期间波动对环状模异常特征的传播和影响 起到了抑制的作用，因而大气环流在平流层和对流层不连续，甚至是相反的变 化趋势，并且这种作用发生在整个异常事件的后期。 分析与平流层环状模异常密切相关的平流层极地增温的发展过程得到，波 动的强迫以及对流层的热量能否输送到平流层，对平流层极地温度异常的传播 起到了至关重要的作用。如果平流层的波动强迫较强并且可以到达较低的高度， 同时对流层的热量能够传输到平流层，那么极地平流层的温度异常可以向下延 伸；相反，如果平流层的波动强迫相对较弱并且垂直方向上的厚度较薄，同时 对流层向上的热量输送被抑制，则极地平流层的温度异常很难向下延伸。这与 摘要 前面分析的两种环状模异常的特征类似。 通过对平流层环状模异常及平流层极地温度异常升高的发展过程的分析认 为，平流层环状模异常，或者是温度的异常，能否向下延伸至对流层甚至地面， 在很大的程度上取决于行星波与平流层基本气流之间的相互作用，以下几个因 素可能对平流层异常能否向下延伸起到关键作用：首先，平流层的波动强迫要 足够强，能把平流层的西风气流转变为东风；然后，临界风速线要向下到达更 低的高度，因为波动不能在东风气流中传播，因此i 临界风速线的向下传播会导 致波动所携带的能量在更低的高度释放，伴随着这个过程，平流层的异常特征 也随之向下延伸：最后，仅有波一流的相互作用仅能使平流层的异常特征延伸到 临界风速线到达的高度，若使平流层的异常能到达更低的高度，还需要从对流 层向上和向极的能量的输送。 对s 型和d 型环状模异常期间温度场和位势高度距平场做合成分析得到，s 型环状模异常期间，位势高度距平、温度距平场在水平方向上都呈现了明显的 纬向对称结构；在垂直方向上，高低层之间的相当正压结构明显。d 型环状模异 常期间位势高度距平场在平流层的中高层位势高度距平表现出了与s 型相类似 的特征，但是从平流层的低层开始至整个对流层，与s 型位势高度距平场之间 存在显著的差异，主要体现在：首先，南北反位相的振荡结构不存在了，在对 流层极区甚至表现出了与平流层高层正好相反的位势高度距平：其次，高低层 之间的相当正压结构消失了，随着时间的向前发展，平流层异常的变化与对流 层没有连续性甚至是相反的变化。 关键词：北半球环状模( n a 6 i ) ；平流层和对流层：e - p 通量：波一流相互作用 a b s 仃a c t t h ed a i l yn c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t aa n dn o r t h e r na n n u l a rm o d ei n d e xh a v e b e e nu s e dt od i v i d et h es t r a t o s p h e r i cn o r t h e r na n n u l a rm o d ei n t ot w ot y p e s t h e nt h e d e v e l o p m e n t a la n dd i a g n o s t i cd i f f e r e n c e so ft w ot y p e s ，a n d i t sr e l a t i o nw i t h w a v e f l o wi n t e r a c t i o na r em e a s u r e d t h em a j o rr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ：t h ef e a t u r e so fa n o m a l i e sa r ev e r ys i m i l a ri n t h es t r a t o s p h e r e ，w h i l eg r e a td i f f e r e n c e sa p p e a r e di nt h et r o p o s p h e r e d u r i n gt y p es ， t h ez o n a lm e a nw i n da n o m a l i e sh a v et h et e n d e n c yo fd o w n w a r dp r o p a g a t i n gf r o m t h es t r a t o s p h e r et ot h et r o p o s p h e r e ，a n dh a v ec o n t i n u i t yi nt h et w ol e v e l s w h i l e d u r i n gt y p ed ，t h ed o w n w a r dp r o p a g a t i n gt r e n dd i s a p p e a r e d ，a l lt h ea n o m a l i e so f z o n a lm e a nw i n da r ec o n f i n e dt ot h es t r a t o s p h e r e ，a tt h es a m et i m e ，i td i s p l a y e d o p p o s i t ea n o m a l i e si nt h et r o p o s p h e r e i nt h el a t i t u d e - h e i g h tc r o s ss e c t i o n so fz o n a lm e a na n o m a l yf i e l d s ，z o n a lm e a n w i n d sa l s oh a v et h ec o n t i n u i t yi nt h es t r a t o s p h e r ea n dt r o p o s p h e r ed u r i n gt y p es ，a n d t h ec r i t i c a lw i i l dv e l o c i t yl i n er u nt h r o u g ht h et w ol e v e l s m o r e o v e r , t h em a x i m u m w i n ds p e e da x i ss l o p e dt o w a r d sh i 曲l a t i t u d ew i t hh e i g h t w h i l ei t sf e a t u r e sd u r i n g t y p ed h a v ed i s t i n c td i f f e r e n c e s 、i t l lt y p es ，s u c ha s ，z o n a lm e a n 、v i n da n o m a l i e sa r c o p p o s i t ei nt h es t r a t o s p h e r ea n dt r o p o s p h e r e a tt h es a m et i m e ，t h ec r i t i c a lw i n d v e l o c i t yl i n ew a sc o n f i n et ot h es t r a t o s p h e r e d i f f e r e n tt y p e so fn a ma n o m a l i e sa r ec l o s e l yc o r r e l a t e dw i mt h ew a v ea c t i v i t y a n dt h es t r u c t u r eo fz o n a l m e a nf l o w d u r i n gt y p es ，t h ea c t i v i t yo fw a v ea d v a n c e d t h ed o w n w a r dp r o p a g a t i o no fs t r a t o s p h e r i ca n o m a l i e s ，i tp r o m o t e st h ec o n t i n u i t y b e t w e e ns t r a t o s p h e r ea n dt r o p o s p h e r e w h i l et h ew a v ea c t i v 时d u r i n gt y p ed i n h i b i t e dt h ep r o p a g a t i o no fn a mi nt h es t r a t o s p h e r e ，s ot h ef e a t u r eo fa t m o s p h e r i c c i r c u l a t i o ns h o w e di n v e r s et r e n d ，a n di tw a se s p e c i a l l yc l e a ri nt h el a t e rp e r i o do ft h e w h o l ee v e n t s i i i a b s t r a c t b ym e a n so fa n a l y z i n g t h ed e v e l o p m e n t a lp r o c e s so fs t r a t o s p h e r i cp o l a r w a r m i n g ，w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dt o t h es t r a t o s p h e r i cn a ma n o m a l i e s ，w ec a l l c o n c l u d et h a tw a v ef o r c i n ga n dt h et r a n s p o r t i n go fe n e r g yf r o mt h et r o p o s p h e r ei s c r u c i a lt ot h ep r o p a g a t i o no f p o l a rw a r mt e m p e r a t u r ea n o m a l i e s i f t h ew a v ef o r c i n g i nt h es t r a t o s p h e r ei sv e r ys t r o n ga n dc a l la r r i v el o w e rl e v e l s ，m e a n w h i l et h eh e a tc a n t r a n s p o r tf r o mt h et r o p o s p h e r et ot h es t r a t o s p h e r e ，t h ep o l a rw a r m i n gc a ns p r e a d d o w n w a r d o t h e r w i s ei t i sd i f f i c u l tf o rt h ed o w n w a r dp r o p a g a t i o no fs t r a t o s p h e r i c p o l a rw a r m i n g i nt h i sr e g a r d ，i ti ss i m i l a rt ot h es t r a t o s p h e r i cn a m g e n e r a l l ys p e a k i n g ，w h e t h e ra nu p p e r - s t r a t o s p h e r i ca n o m a l yp r o p a g a t e sd o w n d e p e n d so nh o wp l a n e t a r yw a v e si n t e r a c t 、析t l ls t r a t o s p h e r i cz o n a lf l o w s p e c i f i c a l l y , t h e r ea r et h r e ee l e m e n t st h a ta r ei m p o r t a n tf o rd o w n w a r dp r o p a g a t i o n f i r s t ，t h ew a v e f o r c i n gm u s tb es t r o n ge n o u g ht or e v e r s et h ep o l a rw e s t e r l i e sb e l o wc e r t a i nl e v e l s s e c o n d ，a f t e rt h ew i n dr e v e r s e s ，t h ec r i t i c a ll i n em u s td e s c e n dt ol o w e ra l t i t u d e s b e c a u s ew a v e sc a n n o tp r o p a g a t eu p w a r di ne a s t e r l yw i n d s ，t h ed e s c e n d i n gc r i t i c a l l i n ef o r c e sw a v ee n e r g yt ob ed e p o s i t e da tl o w e ra l t i t u d e s c o n s e q u e n t l y , t h ew a r m a n o m a l yg r a d u a l l yp r o p a g a t e sd o w n w a r d b u tt h i sm e c h a n i s mo fw a v e m e a nf l o w i n t e r a c t i o no n l yw o r k sa b o v et h el o w e s ta l t i t u d eo ft h ec r i t i c a ll i n e f o rf u r t h e r d o w n w a r dp r o p a g a t i o n , t h et h i r de l e m e n tt h a ti sr e q u i r e di sc o n t i n u o u sw a v e t r a n s p o r ti n t ot h ep o l a rs t r a t o s p h e r e a tl a s t , i nt h eg e o p o t e n t i a lh e i g h ta n dt e m p e r a t u r ea n o m a l yf i e l d s ，w ec a ns e e t h a tt h em o s tr e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i c si nt y p esa r et h ei n v e r s ep h a s eo s c i l l a t i o n b e t w e e np o l a rr e g i o na n dm i d d l el a t i t u d ei nt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，a n dt h e e q u i v a l e n tb a r o t r o p i cs t r u c t u r ef r o mt h es t r a t o s p h e r et ot h et r o p o s p h e r ei nt h ev e r t i c a l d i r e c t i o n t h e r e f o r e ，t h et y p esd e m o n s t r a t e dat y p i c a lf e a t u r eo fa r c t i co s c i l l a t i o n w h i l ei nt h et y p ed ，i th a ss i m i l a rf e a t u r e si nt h eu p p e r - s t r a t o s p h e r i cw i t hst y p e ， w h i l et h ep r o m i n e n td i s c r e p a n c yr e f l e c t e di nt h el o w e r - s t r a t o s p h e r ea n dt h e i v 竺塑坚 t r o p o s p h e r e f i r s t ，t h ei n v e r s ep h a s eo s c i l l a t i o ns t r u c t u r ed i s a p p e a r e d ，t h eh e i g h ti n t w ol e v e l se v e ne m e r g e de n t i r e l yo p p o s i t ea n o m a l i e s s e c o n d ，t h ee q u i v a l e n t b a r o t r o p i cs t r u c t u r ed i s a p p e a r e dt o o ，t h ec o n t i n u i t yf a d e da w a ya l o n gw i t ht h e t i m e k e y w o r d s ：n o n h e m a n n u l a rm o d e ，s t r a t o s p h e r ea n dt r o p o s p h e r e ，e - pf l u x , w a v e - m e a nf l o wi n t e r a c t i o n 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：盗塑堡 日期：2 馥金! 上生 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：谄吐鱼丝 日期： 2 衄以五生 第一章绪论 第一章绪论 引言 2 0 世纪末期，t h o m p s o n 和w a l l a c e “1 发现在北半球热带外地区( 2 0 n ) 海平面气压 场的变率中最突出的模态与北大西洋涛动( n a o ) 相似海平面气压场e o f 第一特征向量呈 中纬度和极区反位相变化的南北振荡“跷跷板”形式，但是与n a o 相比其纬向对称特征更 加明显，因此，t h o m p s o n 和w a l l a c e 将北半球热带外地区冬季海平面气压场的这种环形模 态称为“北极涛动”( a z c t i co s c i l l a t i o n ，简称a o ) 。并且进一步的分析表明，其相当正 压结构从对流层一直延伸到低平流层，因此又将这种模态称为北半球环状模( n o r t h e r n a n n u l a rm o d e ，简称n 蛳) 。t h o m p s o n 和w a l l a c e 指出，n a m 的强弱直接导致北半球中纬度 地区与极地地区气压和大气质量的反向涛动。在冬季，n a m 活动尤其活跃。 人们传统上一般认为平流层仅被动地接受对流层变化的影响，而很难或很少能够对对 流层的天气和气候产生重要影响，所以人们过去在研究天气和气候变化时主要关心的是对 流层的变化以及对流层变化对平流层的影响”1 ，而很少关心平流层变化及其对对流层的可 能影响。最近几年，这种“平流层仅被动地接受对流层变化的影响”的传统观点由于两大 问题的研究进展而有所改变，第一是关于平流层臭氧损耗的问题，自2 0 世界7 0 年代末， 平流层臭氧系统性地减少，尤其是在两极地区”，观测分析研究表明平流层两极的臭氧损 耗通过动力学过程造成了近二三十年来两个半球中高纬度冬末春初对流层大气环流的改变 和地面的增温现象”“。第二是关于北极涛动的提出和研究“3 。同时，随着“平流层过程及 其在气候中的作用”( s p a r c ) ”3 计划的开展，从各方面极大丰富了我们对于平流层的了解， 同时我们也得到了一些更全面、更准确的资料。通过对这些资料的分析，人们大致了解了 平流层大气的组成，基本结构，主要的物理过程和化学过程。 本文将重点关注有两个方面。首先分析北半球平流层环状模的分类特征，在此基础上 讨论与n a m 相联系的平流层与对流层的相互作用，尤其是平流层异常对对流层大气环流的 第一章绪论 可能影响。 1 1 环状模现象的揭示及其意义 大气环流的运动和变化是直接影响世界各地气温、降水、风等气候要素的因子之一。 近地面的环流状况更是与人们生活息息相关，因此，海平面气压很为人们所重视和研究。 海平面气压图的使用使人们建立了大气活动中心的概念，所谓大气活动中心即指在海平面 气压图上经常看到的高压区或低压区，全年都存在的为永久性大气活动中心。只存在于冬 半年或夏半年的称为半永久性活动中心。进一步研究表明，某些大气活动中心之间存在显 著的负相关，当某个大气活动中心气压偏高时，另一个中心气压则偏低，这种类似跷跷板 式的现象被称为“大气涛动”。 涛动是一种重要的大气现象。w a l k e r ”1 在著名的论文世界天气v 中，首次给出了 三大涛动的概念，即北大西洋涛动( n a o ) 、北太平洋涛动( n p o ) 、和南方涛动( s o ) ，在北半 球冬季海平面气压场中，除上述三大行星尺度的涛动外，l o r e n z “还发现在极区和中纬度 地区之间也存在着行星尺度的涛动。k u t z b a c h l ”1 通过对北半球冬季海平面距平场进行e o f 分解，得到的第一特征向量表现为在极区和中低纬度间具有相反的符号，这一结果在 w a l l a c e 等“2 3 的工作中得到了验证，反映的是一种纬向对称的涛动关系。此后还有一些学 者发现些新的大气涛动现象和大气遥相关型。陈烈庭“等发现并提出了北方涛动( n o ) 的概念，丰富了涛动研究的内容。龚道溢和王绍武1 发现南半球也存在大气涛动的现象， 即南极涛动( a a o ) ，它表现为以南极及相邻地区为中心的气压变化与4 0 。5 0 。s 地区相反， 这是一种驻波性质的涛动。 除了海平面气压场上的涛动现象对流层中也存在远距离的大气环流变化的相关，称 为“遥相关”。w a l l a c e 和g u t z e r “2 1 利用托半球冬季5 0 0 b p a 高度计算逐点相关，发现了 5 种遥相关型，即东大西洋型( e a ) ，西大西洋( w a ) ，西太平洋型( 肝) ，太平洋一北美型( p n a ) 和欧亚型( e u ) 。t t o r e l “”在独立的工作中，用不同的方法褥到了类似的结果，证实五种遥相 关型的存在。杨修群“6 1 指出在北半球夏季主要存在四种遥相关型。分别为亚洲北美型 2 第一章绪论 ( a n a ) 、欧亚型( e u ) 、东北太平洋型( n e p ) 和北美西欧型( a w 王) 。黄荣辉等”7 1 提出北半球 夏季在南亚、东亚与北美地区存在着个大气环流异常的遥相关型，称之为东亚太平洋型 ( e a p ) 。各种涛动及遥相关型有清楚的环流意义，同时对涛动现象的揭示表明了大尺度气 压系统之间的变化不是孤立存在而是相互影响、存在着内在的联系的。 t h o m p s o n 和w a l l a c e ( 1 9 9 8 ) 在研究冬季海平面气压距平场的形态特征时发现，北半 球热带外地区( 2 0 。n 以j g ) 冬季( 卜4 月) 海平面气压距平场e o f 第一特征向量呈中纬度和 极区反位相变化的南北振荡“跷跷板”形式，当北极涛动正位相时，极区海平面气压为负 距平，整个中纬度带为正距平变化，中心位于北大西洋和北太平洋地区。此模态在中纬度 北大西洋上表现出与北大西洋涛动类似的空间型，但与北大西洋涛动相比其南北两个中心 都更偏向东半球的欧洲大陆地区，并且由于同纬度带存在与北大西洋中心同位相变化的北 太平洋活动中心，因而呈现更强的纬向对称性，t h o m p s o n 和w a l l a c e 将北半球热带外地区 冬季海平面气压场的这种环形模态称为“北极涛动”( a r c t i co s c i l l a t i o n ，简称a o ) 。同 时他们将此海平面气压距平场f o f 主模态的时间序列定义为北极涛动指数。 在上述研究的基础上，t h o m p s o n 等“”又进一步指出，a 0 是纬向对称的活动型，在s l p 、 5 0 0 h p a 、5 0 h p a 等层次上都有很强的表现，其特征为一个位于极地的主要活动中心和一 个相应的围绕极地，以4 5 。为中心。呈环状分布，与极地变化相反的活动中心，故又称 为环状模态( a n n u l a rm o d e ) 。b a l d w i n 等“”进一步应用n e c p n c a r 逐日再分析资料，对1 7 个标准气压层的位势高度距平场进行e o f 分析，滤波等相关处理明确提出了北半球环状模 ( n o r t h e r na n n u l a rm o d e ，简称n 埘) 的概念，以及对应的1 7 个气压层逐日的环状模指数 ( n a mi n d e x ) 。 1 2 环状模现象的研究进展 1 2 1h a m 的气候效应 环状模作为北半球环流变率的第一模态，与北半球天气事件、气候变化及气候变率之 间均有密切的联系。对这方面的研究也越来越多，其主要的研究方向可概括为两个方面： 3 第一章绪论 第一，对流层及地面环状模( a o ) 对对流层及地面大气环流和气候变率的影响。 w a l l a c e 。”通过1 9 5 8 - 1 9 9 7 年阻高发生次数与a o 指数间变化情况的统计发现，a o 通 过对北半球阻高形势的控制影响着北半球大部分地区的极端天气事件。当a 0 处于正位相 时，北美和欧亚大陆的阻塞事件较少，中纬度大陆地区较温暖，而当a o 处于负位相时，阻 塞事件较多，阻塞高压的崩溃把极地冷空气带往中纬度地区，所以中纬度地区偏冷。他们 给出统计结果是，在1 9 5 8 1 9 9 7 年这4 0 年里北大西大洋阻塞在a o 正负位相期间的数目分 别是1 和2 2 5 ，俄国境内阻塞在a o 正负位相期间的数目分别是2 9 和8 2 。t h o m p s o n 和 w a l l a c e 。”的观测分析还表明，环状模与极端低温、暴雪等极端天气事件紧密相连，当a o 处于低指数时，阿拉斯加、北大西洋和俄罗斯地区极端低温和暴雪发生频繁。w a l l a c e 等1 还发现是近3 0 年北极海平面气压降低与北大西洋和西欧的海平面气压升高主要是a o 贡献 所致。另外，t h o m p s o n 和v a l l a c e 指出北半球增暖的3 0 、北极地区平流层降温的4 0 和 3 月份4 0 。n 臭氧减少的4 0 都可以用a o 解释。 w ub i n g y i 和w a n gj i a 等。“研究了冬季a 0 对西伯利亚高压和东亚冬季风的影响，结 果表明，当a o 为( 负) 位相时，冬季西伯利亚高压偏弱( 强) ：而冬季西伯利亚高压对北极和 北大西洋地区的气候变化没有明显影响，与a o 相比，其影响范围和强度明显偏弱；同时研 究的结果还表明，冬季a 0 对同时期的巴伦支海、喀拉海海冰范围有显著的影响。龚道溢、 王绍武”63 还研究了近百年a o 对中国冬季气候的影响研究表明a o 指数偏强时，我国大 部分地区冬季气温偏高，降水偏多，a o 和西伯利亚高压一起能够解释近百年来我国冬季温 度和降水方差的3 5 和1 1 。龚道溢”的研究认为，a o 对东亚夏季年级降水异常具有一定 的预测意义。龚道溢等”进一步分析了春季a 0 的变化对随后夏季长江中下游地区降水的影 响，结果表明在年际尺度上，近百年的5 月北极涛动指数与夏季降水相关最高，相关系数 达一0 3 9 ，当a o 偏强时，整个中国长江中下游地区到日本南部一带降水减少，而中国华北 到俄罗斯远东地区则偏多：如果春季a 0 强，长江中下游地区降水减少而北方降水的增加。 龚道溢等”研究了北极涛动对中国冬季日气温方差的显著影响。发现北极涛动处于较强的 正位相时，我国日平均气温方差偏小，反之则偏强并且主要是通过影响西伯利亚高压中 心区的海平面气压的高频变率而影响我国日气温的波动。另外，琚建华等“3 分析了冬季 4 第一章绪论 a o 年代际变化与东北地区冬季气温的关系，结果表明，冬季a o 处于低( 高) 指数期东 北冬季气温为持续冷冬( 暖冬) 期。何春、何金海等1 分析了冬季a o 与华北冬季气温变化 的关系，认为冬季a o 高( 低) 指数年，华北地区为暖( 冷) 冬年。 第二，平流层环状模( n m ) 向下传播引起的对流层大气环流的改变及其对对流层天气 系统的重大影响。 近三十年来，h o i t o n 、r o b i n s o n 等”1 诸多学者通过观测分析、数值模拟、理论研究 等多种方法和手段证明了平流层环流异常可以对对流层天气系统产生影响。q u i r o z 。”通过 对1 9 7 7 年1 月一次爆发性增温过程的分析发现当平流层北极出现爆发性增温时，平流层中 高纬度纬向环流出现反气旋性异常，而且该反气旋异常从平流层一直延伸到地面并影响对 流层的天气系统。b a l d w i n 等“发现无论正位相或负位相的n a m 异常，它们通常是在平流 层上层首先发生，然后向下传播，经过大约3 个星期到达地面并在那里持续将近2 个月时 间，与此同时，对流层n a l 4 出现明显的异常。通过分析北大西洋和欧洲大陆的天气系统对 平流层n a m 异常下传的垂直对应关系，b a l d w i n 等“”发现正的平流层a o 异常向下传播常伴 随着较强的北大西洋西偏南气流，这样的流场把温暖的海洋空气吹向欧洲大陆中南部，又 由于欧洲大陆中南部被高压控制，该区域温暖晴朗，而北部欧洲多风暴和寒冷天气：与此 相反的是，当负的平流层n a m 异常下传至对流层时，欧洲大陆盛行偏西北气流且被低压控 制，该区域多寒冷风暴天气。 b l a c k 和m c d a n i e l “”通过位涡反演、个例诊断和合成分析等手段证明，平流层n a m 在 一定的条件下向下传播并对对流层大气环流产生影响。b a l d w i n 等”1 的分析发现，n 埘与平 流层爆发性增温，平均纬向风相关密切，6 0 。，1 0 h p a n a m 指数与纬向平均风的相关高 达0 9 6 。z h o u 1 和c h r i s t i a n s e n 等1 的研究发现，平流层极区温度异常、平均纬向风在 一定条件下也随时间向下传播，并且当温度异常或纬向风异常向下传播时，对流层的a o 较 之不向下传播的情形更显著。 另外，谭本馗等“”的研究还表明，不同层次上的n a m 异常与地面大气温度( s a t ) 的关 系是不一样的，分析认为，1 月对流层中高层的n a m 异常与1 月s a t 异常关系最密切，密 切程度超过其他气压层的n a m 异常；1 月平流层低层的n a m 异常与2 月s a t 关系最显著。 5 第一章绪论 1 2 2n a m 的物理结构 c h r i s t i a n s e n “”的研究证明，n 6 1 是一个物理模型而非单纯的数学计算结果，从地面 直到平流层中层位势高度场的主e o f 都呈现纬向对称的环形模式和高低空的耦合形式。 y a m a z a k i 和s h i n y a “”模拟了与n a m 相联系的缓慢向下传播的平流层一对流层耦合模式： c h r i s t i a n s e n 1 利用北半球冬季5 0 0 卉p 口高度场前两个旋转e o f 的统计相关性及概率密度 函数分析了n a m 的物理特性，认为前两个e o f 分别代表p n a 型和a o 型。此外，他还考虑了 对流层和平流层的耦合，发现平流层中纬向平均纬向风的正距平很有可能导致3 0 天后n a m 的正位相。k o d e r a 等“”发现与n a l l 相联系的纬向平均风具有从对流层到平流层低层的垂直 耦合结果，这种结构起初被认为是相当正压的，但b a l d w i n 和d u n k e r t o n ，k u r o d a 和 k o d e r a 等”研究都表明这种从地面到平流层的耦合具有斜压性。 m o r i t z 等“1 指出大气环流中，北极平流层的极夜急流、气旋波和行星波对纬向动量 的涡动输送及由此涡动输送形成的平均经圈环流等因素可能对n a m 的存在做出贡献。h a l l i n 和j a c q u e sd e r o m e 等“”认为，除了涉及涡流相互作用的大气内部动力过程外，n r m 的 年际变化很大程度上还与热带强迫相关联，联系机制可能涉及到与热带加热相关的中纬度 西风带和瞬变涡动的增强。c h e n 和e n t e k h a b i 认为秋季欧亚雪盖通过其对西伯利亚高压( 绕 极向西北的移动) 和经向温度梯度( 决定大西洋风暴轴的向南移动) 的影响来激发北半球 变化的主模态( n 埘) 。 1 ，2 3 平流层n a m 异常对对流层影响的可能机制 关于平流层一对流层动力耦合，a n d r e w s 等”1 认为，大气的平流层和对流层主要是通过 行星波的活动而动力地耦合在一起的，并且大气的这两层中任何一层的改变都会对行星波 的传播产生影响并通过行星波的变化而影响另一层。根据观测事实和c h a r n e y 等”的理论， 行星波只能在西风气流中传播，那么平流层一对流层的动力耦合应仅发生在冬半年( 球) 。 目前，关于平流层n a m 异常对对流层影响的机制主要有直接机制和间接机制两种。直接机 6 第一章绪论 制( b a l d w i n 1 ，a m b a u m 和h o s k i n s ，b l a c k 等) 认为，平流层n a m 异常影响对流层天 气系统是平流层环流的变化直接作用在对流层的行星尺度波或天气系统上造成的他们认 为天气尺度波可以延伸到对流层顶以上几公里的地方，这些天气尺度波可以感应到平流层 底层风场的变化：h a r t l e y 等”通过对平流层一对流层位势涡度场的相关性分析发现，平流 层位势涡度异常可以诱发对流层位势涡度的变化并对对流层的天气系统产生影响。而间接 机制( t h e n 和r o b i n s o n “1 ，s h i n d e l l 1 ，h a r t m a n n ，h uy o n g y u n “6 ”等) 认为，平流层变 化首先对对流层行星波活动产生影响再通过行星波和天气尺度波如斜压波之间的相互作 用来影响对流层天气系统。他们通过分析和计算行星波的折射指数发现行星波自对流层向 平流层传播对对流层顶附近的风速变化非常敏感，当6 0 。对流层顶附近的风速较大时， 行星波倾向于向赤道传播，对流层中高纬度的波动较弱；相反，较弱的对流层顶附近的风 速有利于中纬度地区的行星波向上和向极地传播。 但是，p o l v a n i 等3 通过分析和计算表明，对流层上中层中高纬度地区e - p 通量的平 均垂直分量与平流层极涡的负相关系数达一0 8 ，( 对流层项附近e p 通量垂直分量的大小代 表着进入平流层的行星波的强弱) ，因此他们建议与其使用平流层n a m 异常的信号作为预报 对流层天气变化的先行指标，还不如使用对流层高层e p 通量的垂直分量作为先行指标，他 们还发现对流层高层强的e - p 通量垂直分量异常通常领先对流层天气系统异常6 0 天左右。 己有研究表明了平流层异常确实对对流层天气系统有着重要影响，但是，这方面的 研究才刚刚起步，关于平流层异常影响对流层天气系统的物理机制还存在争议，能否使用 平流层的异常信号预报对流层天气变化以及如何把这一信号运用到实际天气预报中等基本 问题还需要深入的研究。 1 3 本文拟解决的问题和方案 ( 1 ) 由于n a m 的概念是基于月平均海平面气压距平场的主模态提出的，因此上面提到 与n a m 相关的研究很大一部分是在月平均的基础上进行的，本文将对n a m 逐日特征进行分 7 第一章绪论 析。第三章将依据一定的标准将平流层n h m 异常分类，分别讨论其时间演变、空间分布等 特征。 ( 2 ) 已有的研究表明了平流层n a t t 异常确实存在向下传播的现象，并且能够对对流层 大气环流产生影响，但这些研究同时也指出了不是所有的平流层n h l 异常都能向下传播并 对低层大气环流产生影响，那么，究竟是哪些类型的平流层n a m 异常能够向下传播，在什 么条件下可以传播，哪些类型的平流层异常不能传播呢? 本文第四章拟通过波一流相互作用 与n a m 异常关系的诊断来分析这个问题。 ( 3 ) 最后，分析不同类型的平流层n a m 异常情形下，与之相对应的对流层大气环流的 响应。 8 第二章资科和方法介绍 2 1 资料说明 第二章资料和方法介绍 本文使用的资料包括： ( i ) n c e p - n c a r 逐日再分析资料，包括纬向风速、经向风速、大气温度、位势高度。 数据的空间分辨率是2 5 。x 2 5 。垂直方向包括1 7 个气压层( 1 0 0 0 、9 2 5 、8 5 0 、7 0 0 、 6 0 0 、5 0 0 、4 0 0 、3 0 0 、2 5 0 、2 0 0 、1 5 0 、i 0 0 、7 0 、5 0 、3 0 、2 0 、1 0 觑p ) ，时间段取为1 9 5 8 - - 2 0 0 5 年。由于北半球环状模是北半球热带外地区的气候现象，故本文采用的纬度范围是 1 0 。一9 0 。n 。 ( 2 ) 北半球环状模指数采用b a l d w i n 和d u n k e r t o n ( 2 0 0 1 ) 的1 7 个标准气压层逐日 的标准化环状模指数“。 ( h t t p ：w w w n w r a c o m r e s u m e s b a l d w i n n a m , p h p ) 。 2 2 分析方法介绍1 本文采用的主要统计方法有经验正交函数分解( e o f ) 、带通滤波、元线性回归和线 性相关等方法。 1 经验正交函数分解( e o f ) 方法 某一区域的气候变量场通常由许多个观测站点或网格点构成，这给直接研究其时空 变化特征带来困难。如果能用个数较少的几个空间分布模态来描述原变量场，且又能基本 涵盖原变量场的信息，也就是寻找某种数学表达式将变量场的主要空间分布结构有效地分 离出来。气候统计诊断中应用最为普遍的办法是原变量场分解为正交函数的线性组合，构 成为数很少的不相关典型模态，代替原始变量场，每个典型模态都含有尽可能多的原始场 9 第二章资料和方法介绍 的信息。其中经验正交函数( e o f ) 分解( 又称为主成分分析) 就是这样一种方法。 经验正交函数分解的基本原理是把包含m 个空间点( 变量) 的气象要素场x 进行分解。 设抽取样本容量为n 的资料，x 中的第j 列t = b ，屯，y 就是第j 个空间场。气象 场的自然正交展开，是将z 分解为时间函数z 和空间函数矿两部分 z = v z 或 这种分解要求正交，即典型场( 自然正交函数) 正交：矿7 矿= i 。时间权重系数也要 求正交： 由于不同的资料阵，就可以有不同的经验正交函数分解。用经验正交函数分解气象要 素场的重要优点在于：第一，它没有固定的函数形式，它可以用前几个分量的时间函数和 空间函数来反映场的主要特征；第二，它能在有限区域上对不规则分布的站点进行分解 这对降水场、气温场的分解特别方便。它还可以在小区域