（气象学专业论文）太平洋海温年代际变化结构及传播机制的初步研究.pdf

摘要 利用美国m a ry l a n d大学的s o d a海洋资 料集分析了 太平洋海温年代际变化的 主要形 式， 并初步探讨了其年代际变化的可能原因，结果表明: ( 1 ) 太平洋上层海温存在很强的 年代际变化，其分布在不同 层次有不同的分布形式，但 年 代际 变率的 大值层都 对 应于 温 度随 深度 变 化的 极 大 值处， 表明 年 代际 变率的 垂直 结构 与 温度层结有关。 ( 2 ) 源自 北太平洋中部海表的信号向深层延伸，并由 窗口 地区向西南 潜沉，热带西南太 平洋的 信号越过赤道向 东 北挺进，两处信号沿2 0 0 c 等温线传播， 在副 热带等温线转折处 汇合， 表明潜沉路径与温跃层的结构有关， 海温年代际信号沿着温度随深度变化的极大值处 传播，其优势周期在3 0 年左右。 3 ) 北太平洋的年代际信号起源于海表的海气祸合， 并由表面向 深层传播，引起深层时 间上的 滞后。 在海气藕合的过程中， 海表风场的改变起了 主导作用。 通过改变潜热通量， 风 场的年代际变化极大地影响了海表温度，引起了北太平洋海温的年代际变化。 ( 4 ) 在年代际尺 度上， 风应力异常通过风驱埃克曼关系改变了 洋流， 而洋流的年 代际 变 化， 会产生3 种效应: ( 1 ) 在经向 上产生了 异常的经向海流， 改变了 冷暖平流输送项: ( 2 ) 在赤 道地区，纬向急流的加速或减速产生了 异常的e la n a n 漂流，通过热带和热带外的 三维循环 影响了 海流的垂直运动; ( 3 ) 洋流旋度的 变化， 通过辐散辐合引起的抽吸或下沉作用使得海温 也发生了 很大变化， 即表层气旋式旋度加强， 海流上升加强或下沉减弱， 使海表温度变冷或 变暖， 若反气 旋式旋 度加强， 则 情况正好与之相反。 因 此， 洋流的 年代际 变化对海温的影响 也是不可忽视的。 本文对太平洋海温年代际变化的 成因作了分析， 但仅局限于诊断分析的初步探讨， 至于 其具体机制，有赖于洋流数值模式的论证。 关键词:太平洋 海温 年代际变化 海气相互作用 洋流 ab s t r a c t t h e m a in f o r m o f p a c i f i c o c e a n t e m p e r a t u r e d e c a d a l v a r i a t io n a n d it s p r o b a b l e o r i g i n a t i o n i n v e s t i g a t e d u s in g m a r y l a n d o c e a n d a t a a s s i m i l a t i o n a n a l y s i s d a t a s e t s . t h e r e s u l t s h o w: ( 1 ) t h e r e i s s i g n i f i c a n t v a r i a t io n i n t h e u p p e r l e v e l o f p a c i f i c o c e a n , i t s d i s t r i b u t i o n v a r i e s i n d i ff e r e n t l e v e l s , b u t t h e r e m a r k a b l e l e v e l s a l l l o c a t e i n t h e l e v e l s o f t h e m o s t v a r i a t i o n w i t h d e p t h s , w h i c h in d i c a t e s t h a t t h e v e rt i c a l s t r u c t u r e o f p a c i f i c d e c a d a l v a r i a t i o n h a s t h e r e l a t i o n s h ip w i t h t h e s t r a t i f i c a t r i o n o f t e m p e r a t u r e . i n t h e r m o c l in e , c o l d w a t e r is o n t o p a n d w a r m w a t e r i s a t b e lo w , c o n v e c t i o n i s s t a b l e , t u r b u le n c e a n d m i x t u r e a r e n o t t h e s a m e s t r o n g a s i n m i x t u r e l e v e l , s o i t s t h e r m a l s t a t u s i s m o r e s t a b l e . a c t u a l l y t h e r m o c l in e p e r f o r m s t h e c h a r a c t e r t h a t t r a p s t h e s i g n a l p r o p a g a t i n g t o d e e p e r l e v e l s , w h i c h a b s o r b e s a n d r e s e r v e s m o s t s i g n a l s , s o t h e p o s i t i o n o f s i g n i f i c a n t t e m p e r a t u r e d e c a d a l v a r ia t i o n a c c o r d s w it h t h e l e v e l o f t h e m o s t v a r i a t i o n w i t h d e p t h s . ( 2 ) t h e d e c a d a l s i g n a l fr o m t h e s u r f a c e o f c e n t r a l n o r th p a c i f i c r e g io n e x t e n d t o l o w e r le v e l s a n d s u b d u c t t o w a r d s w e s t e rn s o u t h , t h e o n e fr o m t ro p i c a l w e s t e rn s o u t h p a c i f i c g e t a c r o s s e q u a t o r a n d p u s h f o r w a r d t o e a s t e rn n o r th , t h e d i r e c t i o n o f p r o p a g a t i o n i s a l o n g t h e p o s i t i o n o f m o s t v a r i a t i o n o f t e m p e r a t u r e w i t h d e p t h , i t s m a i n c y c l e i s a b o u t 3 0 y r s . t h e d ir e c t c h a r a c t e r i s t h a t t h e w a t e r m a s s w i t h g re a t e r d e n s it y s u b d u c t s b e l o w t h e o n e w it h l itt l e d e n s i t y , t h e d i s t r ib u t i o n o f d e n s ity r e l a t e s w it h t e m p e r a t u r e , s a l in it y a n d p r e s s u r e , t h e p r e s s u r e t e r m i s l itt l e i n u p p e r l e v e l s a n d s a l in i t y t e r m i s q u it e l e s s t h a n t e m p e r a t u re t e r m. i n f a c t , t h e d i s t r i b u t i o n o f i s o t h e r m a l s u r f a c e r e p r e s e n t s th e d is t r i b u t io n o f is o p y c n a l s u r f a c e i n u p p e r l e v e l s . s o t h e s u b d u c t i n g p r o c e s s l i e s o n t h e s t r u c t u re o f t h e r m o c l in e . ( 3 ) t h e d e c a d a l s i g n a l o f n o r t h p a c i f ic o r i g i n a l s fr o m o c e a n - a t m o s p h e r e c o u p l i n g , p r o p a g a t e s f r o m s u r f a c e t o d e e p e r l e v e l s , a n d b r in g t h e l a g o f d e e p e r l e v e l s . d u r i n g t h e o c e a n - a t m o s p h e r e c o 叩l i n g , t h e c h a n g e o f s u r f a c e w i n d p e r f o r m t h e k e y a c t i o n b y c h a n g i n g t h e s u r f a c e l a t e n t h e a t fl u x , t h e d e c a d a l c h a n g e o f s u r f a c e w i n d g r e a t l y a ff e c t s t h e s u r f a c e t e m p e r a t u r e , w h i c h a r o s e s t h e p a c i f i c d e c a d a l v a r i a t io n . t h i s i s t h e d ir e c t a f f e c t io n o f a t m o s p h e r e c i r c u l a t i o n t o p a c i f i c o c e a n . ( 4 ) i n d e c a d a l s c a l e , w i n d f o r c e a n o m a l y c h a n g e s o c e a n c u r r e n t b y e k m a n c o n n e c t i o n , a n d c u r r e n t s c h a n g e a f f e c t s o c e a n t e m p e r a t u r e , b r i n g it s d e c a d a l c h a n g e . 1 1 t h e d i s t r i b u t i o n o f b o t h c u r r e n t a n d t e m p e r a t u r e a r e c o r r e s p o n d e n t , t h e d e c a d a l c h a n g e o f o c e a n t e m p e r a t u r e c h a n g e s o f w a r m c u r r e n t s a n d c o l d c u r r e n t s , a n d a f f e c t s t h e v e r t ic a l m o t i o n b y t h r e e - d im e n s i o n c i r c u l a t i o n , m a k e s t h e g r e a t ly c h a n g e s o f o c e a n t e m p e r a t u r e . s o t h e a ff e c t i o n o f o c e a n c u r r e n t t o o c e a n t e m p e r a t u r e i s n o t n e g l e c t a b l e . t h e c h a n g e o f c o l d c u r r e n t s o r w a r m c u r r e n t s a n d v e rt i c a l m o t i o n i s t h e m a i n f o r m o f o c e a n c u r r e n t s a f f e c t i o n t o o c e a n t e m p e r a t u r e , a n d it s t h e i n d i r e c t a f f e c t i o n o f a t m o s p h e re c i r c u l a t i o n t o o c e a n t e m p e r a t u r e . o u r a r t i c l e a n a l y s e t h e r e a s o n o f p a c i f i c o c e a n t e m p e r a t u r e d e c a d a l v a r i a b i l it y , b u t t h e y o n l y f o c u s o n d i a g n o s e s , t h e o r i g i n l i e s o n o c e a n n u m e r i c a l m o d e l s . k e y w o r d s : p a c i f i co c e a n t e mp e r a t u r e d e c a d a l v a ri a t i o n o c e a n - a t m o s p h e r e i n t e r a c t i o n o c e a n c ur r e nt i i i 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。 z 、 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己在论文中作了声明井表示了谢 意 。 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燕利 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 : 颧 日期: 之 妇 了 了 . 多 太平洋海温年 代际变化结构及传播机制的 初步研究 第一章 引言 加世纪9 0 年代以来， 年代际尺度的气候变率问 题越来越引起了国际 社会的关注， 其原 因在于，一方面，7 0年代中 后期， 世界范围的气候异常给许多国家的粮食生产、水资源和 能源带 来了 严重影响， 尤其是长达十几年的持续气候异常， 给人类及整个世界经济带 来了巨 大的影响和压力， 它严重影响到农业、 能源、 渔业、 保险业和运输等各个经济领域， 使得水 源、 水质、 空气质量、 人类健康和自 然生态环境也会因之发生重大改变。 本世纪七八十年代 非洲持续2 0 年之久的干早， 使许多国家出 现严重的粮食危机， 甚至上百万人处于饥荒之中， 年代际异常甚至影响到了南美渔业和佛罗里达柠檬的收成; 另一方面， 年代际不仅是迭加在 长期变化趋势上的扰动， 例如2 0 世纪4 0 年代到7 0 年代中全球气温的下降 减缓了2 0 世纪气 候变暖的势头，也是年际 变率的 重要背景， 例如从1 9 7 9 1 9 9 8 年2 0 a 期间仅发生了2 次 拉 尼 娜事 件， 却 发生了6 次 厄 尔 尼诺 事 件 ， 其中1 9 9 7 -1 9 9 8 年 及1 9 8 2 - 1 9 8 3 年是 本世 纪 最强的 2 次厄尔尼诺，自1 9 世纪中期以来还没有出 现过这种情况，不少学者于是提出了e n s o年 代际变率的说法。 因 此， 如何认识了 解该尺度气候变化的特征极其可能机制， 进而确定其可 预报性程度， 以 成为一个 跨世纪的全球性重大科学前沿问 题， 这也是正在实施的气候变率与 可预报性计划 ( c l i v a r ) 核心内 容之一。 互 1 . 1 海温年代际时间 尺度气候变化的 研究现状 海洋在地球气候的形 成和变化中 起着举足轻重的作用， 被认为是 气候系统的 最重要的组 成部分。 海洋的表层直接影响气候， 因为海洋过程通过海气界面的交换影响着大气。 而循环 系统如风生环流和热盐环流又把表层水和深层水联系起来， 所以深层水也可以影响气候。 海 洋这一漫变成份在气候的 年代际变化中的作用越来越为人们所重视。 在北大西洋，与n a o 长 期 变 化 较 一 致 的s s t 的 冷 、 暖 期 时 间 尺 度 是 多 年 代 际 的 ( k u s h n i r l 1) 。 在 亚 热 带 大 西 洋 ， 南 北 偶 极 子 的 振荡 周 期 近 似 于1 0 年 ( m e h t a r b 。 不 仅 海 温的 年 代际 变 化 被 人 们 记 录 下 来 ， 盐 度 ( 如 始于 拉 布 拉 多 海的 长 达2 0 年 之 久的 低 盐 事 件( ( d ic k s o n 等p 1 ) 、 热 盐 环 流 如 拉 布 拉多 海 盆 中 水 柱 的 年 代 际 变 化( l a z ie 鹉以 及 海 冰r e a d 15 1 等 : m y s a k (6 1等) 的 年 代 际 变 化 的 证 据 也 被 人们所掌握。 从印度洋 1 9 0 0 年以后的资料分析中人们也发现有明显的s s t异常年代际变化 ( a ll a n 等c 1 ) . 7 0 年代中 后 期以 来， 北 太平 洋中 部的 海温 大范围 变 冷也 海 温年 代际 变化 的 一 种表现， 互 1 . 2 国内 外关于太平洋年代际气候变化的 研究 海洋是大气的加热场， 对大气变化会起到记忆和强迫作用。 而研究太平洋年代际海洋变 率有助 于解 释紧 邻西 北 太 平洋的 东亚 地区 气 候变化 规律因 . 研究 表明 ， 我国 气候 变 化有明 显 的年代际时间尺度特征， 2 0 世纪5 0 年代为多雨期的代表， 8 0 年代为少雨期的代表， 究其原 因在于北半球大气环流存在着明显的差异，尤其是与西北太平洋的大气环流形势关系密切， 而北太平洋的年代际尺度上的调整的形式和对大气所造成的影响引起了国际社会的广泛关 注。 g r a h a m r 1 从观测资料分析和模式模拟两方面研究7 0 年代至 8 0 年代太平洋的 年代际 变 率， 指出自1 9 7 6 / 1 9 7 7 冬季起， 整个太平洋地区 有显著年代际 变化， 表现为赤道中 、 东 太平 洋地区 的 大 面 积 增暖， 而 北太 平洋中 部 显 著 变冷。 m a n t a u d l 0 1等对2 0 0 s 以 北 太平 洋s s t 场 进行经验正交函数( e o f ) 分解， 也发现类似的s s t 分布型态， m a n t a u d 称这一型态为p d o . z h a n g 等 (i t 利 用1 9 0 0 - 1 9 9 3 年 的 资 料 将s s t 分 成 低 频 ( 年 代际 变 率 ) 和 高 频 ( e n s o变 率 ) 两 部 太平洋海温年 代际变化结构及传播机制的 初步研究 第一章 引言 加世纪9 0 年代以来， 年代际尺度的气候变率问 题越来越引起了国际 社会的关注， 其原 因在于，一方面，7 0年代中 后期， 世界范围的气候异常给许多国家的粮食生产、水资源和 能源带 来了 严重影响， 尤其是长达十几年的持续气候异常， 给人类及整个世界经济带 来了巨 大的影响和压力， 它严重影响到农业、 能源、 渔业、 保险业和运输等各个经济领域， 使得水 源、 水质、 空气质量、 人类健康和自 然生态环境也会因之发生重大改变。 本世纪七八十年代 非洲持续2 0 年之久的干早， 使许多国家出 现严重的粮食危机， 甚至上百万人处于饥荒之中， 年代际异常甚至影响到了南美渔业和佛罗里达柠檬的收成; 另一方面， 年代际不仅是迭加在 长期变化趋势上的扰动， 例如2 0 世纪4 0 年代到7 0 年代中全球气温的下降 减缓了2 0 世纪气 候变暖的势头，也是年际 变率的 重要背景， 例如从1 9 7 9 1 9 9 8 年2 0 a 期间仅发生了2 次 拉 尼 娜事 件， 却 发生了6 次 厄 尔 尼诺 事 件 ， 其中1 9 9 7 -1 9 9 8 年 及1 9 8 2 - 1 9 8 3 年是 本世 纪 最强的 2 次厄尔尼诺，自1 9 世纪中期以来还没有出 现过这种情况，不少学者于是提出了e n s o年 代际变率的说法。 因 此， 如何认识了 解该尺度气候变化的特征极其可能机制， 进而确定其可 预报性程度， 以 成为一个 跨世纪的全球性重大科学前沿问 题， 这也是正在实施的气候变率与 可预报性计划 ( c l i v a r ) 核心内 容之一。 互 1 . 1 海温年代际时间 尺度气候变化的 研究现状 海洋在地球气候的形 成和变化中 起着举足轻重的作用， 被认为是 气候系统的 最重要的组 成部分。 海洋的表层直接影响气候， 因为海洋过程通过海气界面的交换影响着大气。 而循环 系统如风生环流和热盐环流又把表层水和深层水联系起来， 所以深层水也可以影响气候。 海 洋这一漫变成份在气候的 年代际变化中的作用越来越为人们所重视。 在北大西洋，与n a o 长 期 变 化 较 一 致 的s s t 的 冷 、 暖 期 时 间 尺 度 是 多 年 代 际 的 ( k u s h n i r l 1) 。 在 亚 热 带 大 西 洋 ， 南 北 偶 极 子 的 振荡 周 期 近 似 于1 0 年 ( m e h t a r b 。 不 仅 海 温的 年 代际 变 化 被 人 们 记 录 下 来 ， 盐 度 ( 如 始于 拉 布 拉 多 海的 长 达2 0 年 之 久的 低 盐 事 件( ( d ic k s o n 等p 1 ) 、 热 盐 环 流 如 拉 布 拉多 海 盆 中 水 柱 的 年 代 际 变 化( l a z ie 鹉以 及 海 冰r e a d 15 1 等 : m y s a k (6 1等) 的 年 代 际 变 化 的 证 据 也 被 人们所掌握。 从印度洋 1 9 0 0 年以后的资料分析中人们也发现有明显的s s t异常年代际变化 ( a ll a n 等c 1 ) . 7 0 年代中 后 期以 来， 北 太平 洋中 部的 海温 大范围 变 冷也 海 温年 代际 变化 的 一 种表现， 互 1 . 2 国内 外关于太平洋年代际气候变化的 研究 海洋是大气的加热场， 对大气变化会起到记忆和强迫作用。 而研究太平洋年代际海洋变 率有助 于解 释紧 邻西 北 太 平洋的 东亚 地区 气 候变化 规律因 . 研究 表明 ， 我国 气候 变 化有明 显 的年代际时间尺度特征， 2 0 世纪5 0 年代为多雨期的代表， 8 0 年代为少雨期的代表， 究其原 因在于北半球大气环流存在着明显的差异，尤其是与西北太平洋的大气环流形势关系密切， 而北太平洋的年代际尺度上的调整的形式和对大气所造成的影响引起了国际社会的广泛关 注。 g r a h a m r 1 从观测资料分析和模式模拟两方面研究7 0 年代至 8 0 年代太平洋的 年代际 变 率， 指出自1 9 7 6 / 1 9 7 7 冬季起， 整个太平洋地区 有显著年代际 变化， 表现为赤道中 、 东 太平 洋地区 的 大 面 积 增暖， 而 北太 平洋中 部 显 著 变冷。 m a n t a u d l 0 1等对2 0 0 s 以 北 太平 洋s s t 场 进行经验正交函数( e o f ) 分解， 也发现类似的s s t 分布型态， m a n t a u d 称这一型态为p d o . z h a n g 等 (i t 利 用1 9 0 0 - 1 9 9 3 年 的 资 料 将s s t 分 成 低 频 ( 年 代际 变 率 ) 和 高 频 ( e n s o变 率 ) 两 部 太平洋海温年代际变化结构及传播机制的初步研究 分， 发 现低频的空间结构与高频的非常 相似， 称为类e n s o模态， 时间分 量中 低频部分有明 显的 年 代际 变化。 近 些年的 研究 表明 ， 不同 年代际背 景 下的e n s o事 件也 存 在差 异 性1 2 1 表现为: ( 1 ) e n s o 事件 演变的 差 异 性。 r a s m u s s o n 等1 3对海 表温 度距平 和海 平 面风场 作了 合 成分析， 指出5 0 年代到7 0 年代的几次e n s o事件中， s s t正距平首先在南美西部沿海出现， 然后沿赤道向西扩张， 在冬季海温正距平达到最强，这一过程即为西传型.而8 0 年代以 后 的厄尔尼诺事件不仅在强度上， 而且在时间的演变上与典型的e n s o事件不同， 且以东 传型 为主， 即首 先在中 太平洋增暖， 然后向 东 传播。 ( 2 ) e n s o事件的 周期性和不规则性。 e n s o 模态从2 0 世纪6 0 年代到9 0 年代， 振幅不断增强，而且整个波列向低频方向发展，即实际 上e n s o模态的周期变长， 能量向 低频方向 集中。 除了以 上的 s s t的 这一 年代际 分布形态， 最近的 观测事实 表明， 年代际 信号在次表层 深层较 洋 表显著 14 1 ， 海 温 异常 在 洋 表 产生 并 随时 间向 下 传到 主 温跃 层至 少4 0 0 m的深 度， 年 代际变化最明显的是在 1 5 0 m以 下， 而不是在表层。 因此， 对太平洋海温年代际变率成因的研究是太平洋年代际变率研究的核心， 也是难点 问 题， 主 要 有两 大 类 ， 一 类是 外强 迫 ( 如 太阳 黑 子、 火山 活动、 温室 效应 等 ) ; 另一 类是 海 气 系统内 部自 振荡。 近年来越来越多的 研究 侧重于在海气系统内 部寻找产生 年代际变率的原因， 主要集中在以下几个方面: ( 1 ) 热带海洋通过加热强迫和大气环流翰送产生中 纬度海气系统的年代际变率 t r e n b e r t h 等 1 5 取 北 太 平 洋( 3 0 - 6 5 n . 1 6 0 e - 1 4 0 0 w ) 1 1 3 个月 平 均的s l p 距 平 序 列 作 为n p 指数， 利用低通滤波后的n p 指数与赤道中东太平洋、北太平洋s s t a 和高度场的相关 分析及滞后相关分析， 发现北太平洋s s t 变化滞后热带太平洋s s t 变化3 - 4 个月， 而热带太 平洋s s t 的变化又超前北太平洋大气变化1 2 个月，由 此指出北太平洋年代际变率的源地在 热带太平洋。 再利用高低n p 指数对天气尺度祸动热量的经向输送等物理量的合成分析指出， 大气系统对热带太平洋异常强迫的响 应在北太平洋年代际变率的产生中起重要作用， 当热带 中东太平洋出现暖距平时， 中东太平洋的斜压性增强， 导致北太平洋中东部风暴轴的南移加 强， 同时伴随天气尺度扰动及其相关涡动热量输送的增强， 进一步有助于对流层这种异常环 流的 加 强 维持。 g r a h a m 等0 6 1通 过数 值 模 拟证 实了 上述 观点. g r a h a m 等 取3 种 不同 的s s t 作 边界条件， 利用e c h a m z 的a g c m 模拟1 9 7 0 - 1 9 8 8 年大气环流的变化， 发现当2 5 0 s - 2 5 0 n 的 s s t a取观测值，其余地区 用气候 值时， 强迫产生的北太平洋大气环流的 年代际变化最为显 著， 与观测事实也最为接近， 表明 热带s s t 异常在北太平洋大气环流年代际变化中 起重要作 用。 这些学者的工作表明， 热带太平洋海表温度的异常通过海气藕合、 大气遥相关影响副热 带大气， 并对中纬度s s t 产生强迫作用， 导致北太平洋s s t 显著的 年代际变率。 但是， 这种 源于热带太平洋的强迫作用尚 没有相应的负反馈机制， 因此， 仍无法解释北太平洋海气系统 年代际振荡现象。 ( 2 )中纬度不稳定海气相互作用产生年代际振荡机制 l a t i f 等 17 ,18 3采用44 合 模式( e c h o ) 1 2 5 a 的 积 分结果， 并以 模拟序 列的c e o f 重 建了 北 太 平洋上层海洋的热含量演变， 发现北太平洋上层海洋的热含量距平存在围绕副热带涡旋变化 的准2 0 a 振荡。由 此， l a t i f 等详细描述了 源于北太平洋中纬度海域不稳定海气相互作用产 生年代际振荡机制的反馈过程。 当中纬度北太平洋中部出现s s t 的正距平时。 大气中伴随着 阿留申低压、西风气流的减弱， 而西风的减弱可以带来两种相反的效应， 其一是可以带来海 表热通量的减少( 即海洋对大气潜热、 感热等输送的减少) ， 导致局地s s t 的进一步上升，即 太平洋海温年代际变化结构及传播机制的初步研究 引起正反馈; 另一方面，由于西风的减弱，副热带风应力旋度变小，导致通过黑潮向北输送 热量减少， 带来中纬度海洋s s t 的下降， 即产生负反馈。 由 于海洋涡旋对风应力强迫的调整 时间很长， 通过这种风一涡旋的负反馈、 局地海一气的正反馈， 即可产生年代际尺度的 低频 振荡。 为进一步证实北太平洋中纬度海温在年代际振荡中的重要作用。 l a t i f 等还利用a g c n 做北太平洋中纬度s s t 异常的敏感性试验，发现在年代际尺度上，大气对中纬度的s s t a 是 敏感的:即 使取2 5 in 以 南区 域s s t 异常为零，同 样可以 得到 相似的 大气环流年代际变化。 x u 等 19 )利 用h c hl 模式的 模 拟结 果 证实， 北 太平 洋 存 在周 期 为2 0 a 的自 然振 荡， 它 与中 纬度地区不稳定的海气相互作用有关。 敏感性试验的结果还表明， 其振荡周期主要取决于风 应力的大小，振幅则由表面热通量等调节。 ( 3 ) 热带一 中纬度的相互作用机制 z h a n g 等 r o l利 用 逐 年 次 表 层 海 温 资 料 研 究 了 该 振 荡 的 三 维 结 构 ， 发 现 北 太 平 洋 海 温 距 平 有 沿着北 太 平洋副 热带 大涡 顺时 针旋 转的 特征， 即 信号由 窗口 区 哟 4 0 n . 1 5 0 0 w ) 围 绕副 热 带 大 涡向 西 南 沿 等 密 度 面 传 播， 称 之 为 潜沉 。 d e s e r c 等 a l利 用 观 测 事 实 证 实了 这 一 现 象。 进而， g u等p 2 1 提出 了 热 带 一中 纬 度 海 气间 的 相互作 用产生 北 太 平洋的 年 代际 变 化 机制，即 热带海洋通过大气影响中纬度海洋，而中 纬度影响热带则是通过海洋次表层流。 g u等利用 简单的盒式模式模拟了 这一反馈过程， 他们认为位于赤道东太平洋的初始暖区可以 有两种不 同 的效应， 一方面因b j e r k n e s 的 正反馈 机制使暖区得 到进一步增强: 另一方面， 热带s s t 的 正 距平引 起h a d l e y 环流的增强，阿留申 低压、中纬度西风气流同时加强，而增强的西风带 来潜热、 感热输送、 冷e k m a n 平流等的 加大， 导致北太平洋出 现负s s t 距平， 这种冷距平通 过潜沉沿等密度面流向赤道。 经过 1 0 a 或以 上到达赤道斜温层， 经涌升作用使赤道地区s s t 下降。 这一机制把低纬和中高纬的 大 气和海洋祸合考虑在一 起， 大气和海洋不同时间 尺度的 响 应 过程 也 可能 造成反 馈， 但k a r s p e c k 等2 3 用 风驱 动的 热带 海 洋 模 式再 现了1 9 7 6 - 1 9 7 7 年 温跃层厚 度异常的年代际突变这一p d o 特征: 来自 北太平洋中 部的s s t 异常会潜沉到次表层 且向西南移动，到达 1 8 0 n 时，受i t c z 产生的位涡障碍影响，会渐渐扩散并消失，不会到 达赤道地区，因此这一机制还有进一步探讨的必要。 ( 4 ) 大气对海洋的随机强迫作用 j in 2 0 1 , f r a n k ig n o u 工 等 2 6 1提出 高 频 天 气 系 统 对 海 洋 的 随 机 强 迫 也 能 产 生 气 候 系 统 年 代际 及以上尺度变率的机制， 他们认为海洋对大气高频随机作用的响应是低频红噪声谱， 而缓慢 变化的海洋异常又能反作用于大气，使大气产生低频变化。j i n利用理论气候模式发现，具 有 观 测空 间 尺 度的 风应力 随机 强 迫， 可以 产生中 纬 度 洋流涡 旋的 年代际 变率 l a t i f 等 2 6 1 则 利用海气祸合模式的长期积分表明， 加入与e n s o变率有关的 随机强迫可引起热带s s t显 著的年代际变率。 1 . 4 本文研究的目 的 及拟 解决的问 题 如上所述， 太平洋海气系 统存在着显著的 年代际 变化， 且 在次 表层海洋中 存在对大 气的 较强的响 应。 但对于太平洋海温年代际变化形式和起源的研究尚 存在很多分歧， 而其中洋流 对海温年代际变化影响的 研究较少， 且以 数值模式为主， 但是洋流模式较大气环流模式相比 又欠完善， 因此难以从 三维空间 尺度上和多 要素范围内 全面地把握太平洋 海温年代际变化的 起源。 针对这一目 的， 本 文拟利用太 平洋海气系统的资料分析 其年代际变化的三维 分布， 并 从大气环流和洋流异常的角度诊断分析海温年代际变化的可能原因， 主要试图回答以下几方 太平洋海温年代际变化结构及传播机制的初步研究 引起正反馈; 另一方面，由于西风的减弱，副热带风应力旋度变小，导致通过黑潮向北输送 热量减少， 带来中纬度海洋s s t 的下降， 即产生负反馈。 由 于海洋涡旋对风应力强迫的调整 时间很长， 通过这种风一涡旋的负反馈、 局地海一气的正反馈， 即可产生年代际尺度的 低频 振荡。 为进一步证实北太平洋中纬度海温在年代际振荡中的重要作用。 l a t i f 等还利用a g c n 做北太平洋中纬度s s t 异常的敏感性试验，发现在年代际尺度上，大气对中纬度的s s t a 是 敏感的:即 使取2 5 in 以 南区 域s s t 异常为零，同 样可以 得到 相似的 大气环流年代际变化。 x u 等 19 )利 用h c hl 模式的 模 拟结 果 证实， 北 太平 洋 存 在周 期 为2 0 a 的自 然振 荡， 它 与中 纬度地区不稳定的海气相互作用有关。 敏感性试验的结果还表明， 其振荡周期主要取决于风 应力的大小，振幅则由表面热通量等调节。 ( 3 ) 热带一 中纬度的相互作用机制 z h a n g 等 r o l利 用 逐 年 次 表 层 海 温 资 料 研 究 了 该 振 荡 的 三 维 结 构 ， 发 现 北 太 平 洋 海 温 距 平 有 沿着北 太 平洋副 热带 大涡 顺时 针旋 转的 特征， 即 信号由 窗口 区 哟 4 0 n . 1 5 0 0 w ) 围 绕副 热 带 大 涡向 西 南 沿 等 密 度 面 传 播， 称 之 为 潜沉 。 d e s e r c 等 a l利 用 观 测 事 实 证 实了 这 一 现 象。 进而， g u等p 2 1 提出 了 热 带 一中 纬 度 海 气间 的 相互作 用产生 北 太 平洋的 年 代际 变 化 机制，即 热带海洋通过大气影响中纬度海洋，而中 纬度影响热带则是通过海洋次表层流。 g u等利用 简单的盒式模式模拟了 这一反馈过程， 他们认为位于赤道东太平洋的初始暖区可以 有两种不 同 的效应， 一方面因b j e r k n e s 的 正反馈 机制使暖区得 到进一步增强: 另一方面， 热带s s t 的 正 距平引 起h a d l e y 环流的增强，阿留申 低压、中纬度西风气流同时加强，而增强的西风带 来潜热、 感热输送、 冷e k m a n 平流等的 加大， 导致北太平洋出 现负s s t 距平， 这种冷距平通 过潜沉沿等密度面流向赤道。 经过 1 0 a 或以 上到达赤道斜温层， 经涌升作用使赤道地区s s t 下降。 这一机制把低纬和中高纬的 大 气和海洋祸合考虑在一 起， 大气和海洋不同时间 尺度的 响 应 过程 也 可能 造成反 馈， 但k a r s p e c k 等2 3 用 风驱 动的 热带 海 洋 模 式再 现了1 9 7 6 - 1 9 7 7 年 温跃层厚 度异常的年代际突变这一p d o 特征: 来自 北太平洋中 部的s s t 异常会潜沉到次表层 且向西南移动，到达 1 8 0 n 时，受i t c z 产生的位涡障碍影响，会渐渐扩散并消失，不会到 达赤道地区，因此这一机制还有进一步探讨的必要。 ( 4 ) 大气对海洋的随机强迫作用 j in 2 0 1 , f r a n k ig n o u 工 等 2 6 1提出 高 频 天 气 系 统 对 海 洋 的 随 机 强 迫 也 能 产 生 气 候 系 统 年 代际 及以上尺度变率的机制， 他们认为海洋对大气高频随机作用的响应是低频红噪声谱， 而缓慢 变化的海洋异常又能反作用于大气，使大气产生低频变化。j i n利用理论气候模式发现，具 有 观 测空 间 尺 度的 风应力 随机 强 迫， 可以 产生中 纬 度 洋流涡 旋的 年代际 变率 l a t i f 等 2 6 1 则 利用海气祸合模式的长期积分表明， 加入与e n s o变率有关的 随机强迫可引起热带s s t显 著的年代际变率。 1 . 4 本文研究的目 的 及拟 解决的问 题 如上所述， 太平洋海气系 统存在着显著的 年代际 变化， 且 在次 表层海洋中 存在对大 气的 较强的响 应。 但对于太平洋海温年代际变化形式和起源的研究尚 存在很多分歧， 而其中洋流 对海温年代际变化影响的 研究较少， 且以 数值模式为主， 但是洋流模式较大气环流模式相比 又欠完善， 因此难以从 三维空间 尺度上和多 要素范围内 全面地把握太平洋 海温年代际变化的 起源。 针对这一目 的， 本 文拟利用太 平洋海气系统的资料分析 其年代际变化的三维 分布， 并 从大气环流和洋流异常的角度诊断分析海温年代际变化的可能原因， 主要试图回答以下几方 太平洋海温年代际变化结构及传播机制的初步研究 面的问题: 1 北半球太平洋在 7 0年代中后期发生了一次年代际变化，其年代际变化的 水平分布形式 和垂直分布是什么，传播特征又是什么? 2 .太平洋年代际变化的起源是什么，是否风场的改变对其起了 启动作用? 3 .在风生洋流盛行的太平洋表层， 风应力以 何种方式影响了海流， 而海流的年代际变化将 产十何种作 用 ? 本章参考文献: k u s h n ir ,y , 1 9 9 4 .i n t e r d a m d a l v a ri a t io n s i n n o r th a t l a n t i c s e a s u r f a c e t e m p e r a t u r e a n d a s s o c i a t e d a t m o s p h e r i c c o n d it i o n s . j c l i m a t e 9 , 1 2 0 8 . 1 2 2 0 . 2 m e h t a , v m., a n d d e l w o r th , 工 ， 1 9 9 5 . d e c a d a l v a r i a b i l i ty o f th e t ro p i c a l a t m o s p h t i c o c e a n s u r fa c e t e m p e r a t u r e i n s h i p b o a r d m e a s u r e m e n ts a n d in a g l o b a l o c e a n - a t m o s p h e r e m o d e l. j c li m a t e s , 1 7 2 - 1 9 0 . 3 d i c k o n , r r ., m e in c k e , 7 ., m a lm b e r g , s .a ., a n d l e e , a . i ., 1 9 8 8 . t h e c roa t s a l in ity a n o m a l