（气象学专业论文）春季iod与enso影响东亚季风的数值研究.pdf

摘要 本文基于美国国家大气中心的c a m 3 0 模式，设计7 组数值试验，以研究春 季印度洋偶极子( i o d ) 和e n s o 对东亚夏季风的影响及其可能机制。 ( 1 ) 模式可以较好地模拟出影响东亚季风的大气环流系统，如太平洋副热 带高压、南海夏季西南季风、南海夏季风槽、印度西南季风等系统。这说明c a m 3 0 模式对夏季东亚大气环流具有较强的模拟能力，能够满足本文研究需要。 ( 2 ) 春季i o d 对东亚夏季风有明显影响。i o d 正位相将造成东亚夏季风偏 弱：副热带高压位置偏南，长江流域上升运动加强、降水偏多，南海地区下沉 运动加强、降水偏少。其影响机制可能为：i o d 正位相年，热带西印度洋约7 5 0 e 附近能激发出上升运动，热带东印度洋大约1 1 0 0 e 附近出现下沉运动；1 1 0 0 e 附 近的下沉运动又可能通过经向垂直环流圈影响南海和东亚副热带地区，造成赤 道地区为上升运动、南海地区为下沉运动、长江流域为上升运动的异常经圈环 流，使得东亚夏季风( 包括南海季风和东亚副热带季风) 整体偏弱。 ( 3 ) 春季e n s o 正位相将造成南海季风偏弱、东亚副热带季风偏强。其影 响机制可能为：e n s o 正位相年，中东太平洋能激发出上升运动，1 6 0 0 e 附近出现 下沉运动，1 2 0 0 e 附近出现上升气流，w a l k e r 环流减弱且被压缩在西太平洋；1 2 0 0 e 附近的上升运动通过经向一垂直环流影响南海和东亚副热带地区，造成赤道地区 为上升运动、南海地区为下沉运动、长江流域以南( 2 5 0 n ) 为上升运动、华北平 原地区( 3 5 0 n ) 为下沉运动，从而使得长江流域以南多雨，南海季风偏弱、东亚 副热带季风偏强。 ( 4 ) 春季i o d 和e n s o 协同作用下，正位相年长江流域多雨、南海地区少 雨。这与i o d 单独影响下的情况类似，而与e n s o 单独影响下江南地区多雨的情 况有所不同，这说明同等s s t a 强度下，春季i o d 对东亚副热带夏季风的影响可 能比e n s o 更占优势。 关键词：i o d ，e n s o ，东亚季风，数值模拟 i i i a b s t r a c t b a s e do nc a m 3 0m o d e lo fn a t i o n a lc e n t e rf o ra t m o s p h e r i cr e s e a r c h ( n c a r ) ，i d e s i g n e d7g r o u p sn u m e r i c a le x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r ，t or e s e a r c ht h ei m p a c ti ns e a s u r f a c et e m p e r a t u r ea n o m a l i e s o ft h es p r i n gi n d i a no c e a nd i p o l e ( i o d ) a n dt h e e n s oo nt h ee a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o na n di t sp o s s i b l em e c h a n i s m ( 1 ) m o d e lc a ns i m u l a t et h ec i r c u l a t i o ns y s t e mw h i c hi m p a c t t h ee a s ta s i a n m o n s o o n ，s u c ha st h ep a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ，t h es o u t hc h i n as e as u m m e rm o n s o o n ， s u m m e rm o n s o o nt r o u g h ，t h ei n d i a ns o u t h w e s tm o n s o o na n do t h e rs y s t e m s t h i s s h o w st h a tc a m 3 0m o d e lh a sas t r o n gs i m u l a t i o na b i l i t yi na t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n o ft h es u m m e re a s ta s i a n ( 2 ) s p r i n gi o dh a v es i g n i f i c a n te f f e c to nt h ee a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o n i o d p o s i t i v ep h a s ew i l lr e s u l ti nw e a ke a s ta s i a ns l i m m e rm o n s o o n ，s p e c i f i ci n d i c a t i o n s w e r e ：t h ep o s i t i o no fs u b t r o p i c a ls o u t h e r l y , a s c e n d i n gm o v e m e n to v e ry a n g t z er i v e r b e c o m es t r o n g e ra n dp r e c i p i i t a t i o nb e c o m em o r e ，；f a l l i n gm o v e m e n to v e rt h es o u t h c h i n as e a , b e c o m es t r o n g e ra n dp r e c i p i t a t i o nb e c o m em o r ea n dr a i n f a l lb e c o m el e s s s p r i n gi o dm a yi m p a c t t h ee a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o na n dr a i n f a l lb yt h e v e r t i c a lc i r c u l a t i o no fz o n a la n dm e r i d i o n a l i nt h ey e a ro fl o dp o s i t i v ep h a s e ，t r o p i c a l w e s t e r ni n d i a no c e a na b o u t7 5 ”ec a ns t i m u l a t ea nu p w a r dm o v e m e n ti nt h ev i c i n i t y t h et r o p i c a le a s t e r ni n d i a no c e a na b o u t110 0 ec a ns t i m u l a t ea nd o w n w a r d m o v e m e n ti nt h ev i c i n i t y t h es i n km o v e m e n tn e a r110 0 ec a na l s oi m p a c tt h es o u t h c h i n as e aa n dt h ee a s ta s i a ns u b t r o p i c a lr e g i o nb yv e r t i c a lc i r c u l a t i o n ，c a u s e dt h e a b n o r m a lm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o nw h i c hc o m p o s e db yt h et h eu p w a r dm o t i o no v e rt h e e q u a t o r i a lr e g i o n s ，d o w n w a r dm o t i o no v e rt h es o u t hc h i n as e a ，a n du p w a r dm o t i o n o v e ry a n g t z er i v e r , i tm a k e st h ee a s ta s i a ns u n l m e rm o n s o o n ( i n c l u d i n gt h es o u t h c h i n as e am o n s o o na n dt h ee a s ta s i a ns u b t r o p i c a lm o n s o o n ) b e c o m ew e a k e r o v e r a l l ( 3 ) s p r i n ge n s op o s i t i v ep h a s ew i l lr e s u l t i nt h es o u t hc h i n as e am o n s o o n w e a k e r , t h ee a s ta s i a ns u b t r o p i c a lm o n s o o ns t r o n g e r t h ei m p a c tm e c h a n i s mm a y b e ： i np o s i t i v ep h a s ee n s oy e a r s ，t h em i d d l ee a s tp a c i f i cc a ns t i m u l a t et h eu p w a r d 1 v m o t i o n ，c a ns t i m u l a t et h es i n k i n gm o t i o nn e a r16 0 ”e ，c a ns t i m u l a t et h eu p w o r dm o t i o n n e & r12 0 ”e w a l k e rc i r c u l a t i o nb e c o m ew e a k e ra n di sc o m p r e s s e di nt h ew e s t e r n p a c i f i c ；t h e nu p w a r dm o t i o nn e a r12 0 u ee f f e c tt h es o u t hc h i n as e aa n dt h ee a s t a s i a n s u b t r o p i c a lr e g i o n sb yt h e m e r i d i o n a l - v e r t i c a lc i r c u l a t i o n ，c a u s e dt h e u p w a r dm o t i o na b o v et h ee q u a t o r ，t h ed e s c e n d i n gm o v e m e n ta b o v es o u t hc h i n a s e a ，t l l eu p w a r dm o t i o na b o v es o u t ho ft h ey a n g t z er i v e r ( 2 5 0 n ) ，t h es i n k i n g m o v e m e n ta b o v et h en o r t hc h i n ap l a i n ( 3 5 0 n ) t h u sc a u s e dt h es o u t hc h i n as e a m o n s o o nw e a k e r , t h ee a s ta s i a n s u b t r o p i c a lm o n s o o ns t r o n g e r ( 4 ) u n d e rt h ea c t i o no fs p r i n gi o da n de n s oi ns y n e r g y ，t h ey a n g t z er i v e r j a p a ni sr a i nb e l t ，s o u t hc h i n as e ai sd r yz o n ei nt h ep o s i t i v ep h a s ey e a r s t h e c o n c l u s i o ni st h es a m ea sc o n c l u s i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo fl o da l o n e t h i si sd i 伍。啪t w i t ht h ec o n c l u s i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo fe n s oa l o n et h a tt h es o u t ho fy a n g t z er i v e ri sr a i n b e l t t h i ss h o w st h a t ：e q u a li n t e n s i t yo fs s t a ，t h ei n f l u e n c eo fs p r i n gi o di sm o r e d o m i n a n tt h a ne n s oo ne a s ta s i a ns u b t r o p i c a ls r m i l e rm o n s o o n k e y w o r d ：i o d ，e n s o ，e a s ta s i a nm o n s o o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 叠惫l 签字日期：j 趋位。$ l 关于论文使用授权的说明 本学位论文是在南京信息工程大学攻读学位期间在导师指导下完成的博士 学位论文。本论文的研究成果归南京信息工程大学所有，本论文的研究内容不 得以其它单位的名义发表。本人完全了解南京信息工程大学关于保存、使用学 位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允 许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕士学位论文全文数 据库和编入中国知识资源总库，同意按中国优秀博硕士学位论文全文数 据库出版章程规定享受相关权益。本人授权南京信息工程大学，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 口公开口保密( 年月)( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：玉鸷耸 导师签名： 签字日期 ： 立q 出! 工。 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 海洋是迄今为止地球上最不可知和最神秘的领地，但同时，由于海洋面积 占地球总面积的7 1 左右，全球海洋吸收的太阳辐射量约占到地球总辐射量的 7 0 左右，因此，海洋在形成地球气候中起着非常重要的作用。非绝热性是短 期气候最本质的物理特征，海洋是比陆地更为重要的热源，海洋热源的异常分 布是气候异常的重要原因之【l 】。2 0 世纪6 0 年代，气象学家对海气相互关系进 行了广泛的研究，其中，j n a m i a s 2 1 及j b j e r k n e s 3 1 从广泛的资料和物理观点方面 比较有力地论证了这种观点的存在。对于当今的气候研究，海洋表面温度变化 特征的重要性是不言而喻的。但由于海洋对气候影响的广泛性和海气耦合的复 杂性，很多问题至今仍然还很不清楚，主要的研究工作也基本上集中在太平洋 地区，对于其他大洋包括印度洋地区研究相对较少。 印度洋是世界第三大水体，约占地球水表面的2 0 ，且大部分处于热带。 印度洋北面为南亚大陆环绕，东部是马来半岛、苏门答腊群岛和澳洲大陆，南 临南极洲，处于季风气候区，因受季风影响，在季风风向转向的海区，海温的 年较差和年际变化都很大。在东亚夏季风期间，不仅印度洋夏季风的季风环流 能够影响东亚季风区，印度洋上空大量的水汽也被输送到东亚季风区，是东亚 季风区夏季降水的一个主要水汽来源。 1 9 9 4 年夏季印度洋季风强，中国华南地区出现特大洪涝，而日本却非常炎 热，出现了干旱天气。这一年虽然印度洋上出现了弱e 1n i n o 现象，但显然不能 解释亚洲季风区如此极端的气候异常。1 9 9 7 年初夏发生了一次强厄尔尼诺事件， 并在全球许多地方引起了严重的气候灾害，根据过去多年观测资料的分析研究 结果，当年印度地区应该出现弱夏季风和干旱，但相反，1 9 9 7 年夏季印度的平 均降雨量为正常，部分地区甚至还略偏多，东非地区也明显多雨。为什么会出 现这样的情况呢? 资料分析结果表明，这些现象与印度洋的海温异常有关。此 后，人们越来越注意热带印度洋对大气的影响。并将这种异常的海温分布称为 第一章绪论 印度洋偶极子。a n d e r s o n 等【4 】指出印度洋次表层海温也存在偶极子。海洋表面 的热力状况通过影响西南季风的异常变化及其印度洋热带系统的活动，对东亚 包括我国天气气候的变化有着重要的影响。因此，研究e n s o 和i o d 相互作用 对东亚季风特别是对我国的影响具有非常重要的意义。 1 21 0 d 的研究 实际上，中国科学家早就注意到印度洋海表温度异常( s s t a ) 对气候的影 响，并提出要考虑印度洋s s t a 的纬向变化，在e 1n i n o 情况下印度洋海温异常 对亚洲气候的影响也已有讨论。1 9 9 9 年，s a j i 等【5 卅分析了异常海温，发现热带 印度洋地区存在着一种十分有趣的现象，其典型表现是在海表温度场中出现东 西向偶极型分布，即赤道印度洋东西部海表温度距平( s s t 久) 有反位相变化的 特征，他正式提出了赤道印度洋海温偶极子型振荡( i o d ，i n d i a no c e a nd i p o l e m o d ee v e n t s ) 的概念，将西印度洋( 1 0 0 s - 一，1 0 0 n ，5 0 0 - 7 0 0 e ) 和东印度洋( 1 0 0 s 0 0 ，9 0 0 1 1 0 0 e ) 的区域平均的海表温度距平之差定义为印度洋偶极子指数 ( i o d i ) ，并根据这个指数选择了6 次极端事件( 1 9 6 1 、1 9 6 7 、1 9 7 2 、1 9 8 2 、1 9 9 4 和1 9 9 7 年) 合成了偶极子的演变，发现了它是一种客观存在的海气耦合物理模 态，具有很强的季节锁相，其环流变化具有很强的耦合，偶极子期间赤道中印 度洋存在很强的东风异常。 李崇银等【7 1 研究证明了赤道印度洋的s s t 和s s t a 存在着偶极子型振荡特 征。他指出正位相型的强度平均比负位相型的强度大，且此种偶极子既有年际 变化，也有年代际变化；同时还有清楚的季节变化，卜1 1 月最强，而1 - 4 月 最弱。a s h o k 等【8 】发现印度洋偶极子在印度夏季季风降水和e n s o 的关系中扮演 着重要的角色。晏红明等对印度洋海表温度距平场的时空特征进行分析，发现 其空间分布主要存在3 种定常型，即全区一致型、东西差异型( 偶极型) 和南 北差异型，并且第二特征向量的时间系数变化同e n s o 有较密切的联系。b e h e r a 等【9 1 发现，i o d 的影响不仅局限于赤道印度洋地区，它还影响到了南方涛动、 印度夏季季风区甚至东亚季风区的夏季天气气候变化。肖子牛等【l o 】用大气环流 2 第一章绪论 模式研究了e 1n i n o 期间要使用海温异常对亚洲气候的影响。殷永红等研究发 现印度洋偶极子模的强弱存在年代差异，8 0 年代偏弱，9 0 年代偏强。谭言科等 【1 2 1 的研究进一步表明，热带印度洋海温距平变化存在单一型和偶极型，并得出 了单极向偶极转换的两种方式。 1 3e n s 0 的研究 e n s o 是目前国际上公认的引起世界气候异常的强信号，但对不同地区，其 影响的方式、强度和稳定性不同，表现出显著的区域性特征。e n s o 的影响在 热带太平洋地区更加显著和直接，而在热带的其它地区和中、高纬地区，e n s o 的影响是间接的，以遥相关的关系存在【1 3 】。2 0 世纪8 0 年代以来，我国气象工 作者对e n s o 与我国气候的关系做了大量的研究工作1 4 棚】，研究结果表明， e n s o 对我国区域的影响比较复杂，概括起来说，一般暖事件年我国易出现暖 冬，夏季东北地区易发生冷夏，长江中下游地区易发生洪涝，黄河和华北地区 易干旱少雨，影响和登陆我国东南沿海地区的热带气旋数量偏少，冷事件年则 相反。这些成果已作为季节预测业务的重要参考使用多年。随着研究的进展， 一些学者还注意到，e n s o 对我国区域气候的影响具有年代际变化特征 1 6 。1 9 1 ， 高辉等还报道，2 0 世纪8 0 年代以后，e n s o 对我国淮河流域降水和梅雨开始 早晚的预测意义减弱，在汛期预测业务中必须充分考虑e n s o 影响的年代际背 景的差异。 1 41 0 d 与e n s 0 的关系 对于印度洋偶极子( i o d ) 与e n s o 之间的关系，一直是近来学者们争论 的热点。概括起来有以下四种观点： ( 1 ) e n s o 主动论：l i s a ny u 等认为1 9 9 7 1 9 9 8 年热带印度洋s s t a 是由于 太平洋e n s o 事件通过赤道上空的反w a l k e r 环流影响印度洋海表风场，进而引 发了印度洋的海温异常。m o t o k i 等 2 1 】发现e 1n i n o 的建立时间会影响到赤道东 印度洋( e e i o ) 的表面风异常，通过风场异常作用于e e i o 的海温，从而影响 3 第一章绪论 i o d 中东部极子的形成。l a t i f 等【2 2 1 认为热带印度洋具有较深的温跃层，在缺乏赤 道上翻流情况下，温跃层深度的变化对s s t 的影响很有限，这就导致了热带印度 洋不能产生其自身的年际变率而必须被动地受到热带太平洋e n s o 的影响。 ( 2 ) i o d 主动论：巢清尘等【2 3 】指出，在热带西太平洋西风距平爆发前，赤道东 印度洋己经有西风异常，并且该异常持续维持了年左右西南季风，然后西风距平 快速地向东扩展到热带西太平洋，有利于西太平洋西风爆发，这是发生不可缺少 的条件之一。 ( 3 ) e n s o 与i o d 相互作用论：吴国雄等【2 4 发现赤道印度洋和东太平洋海表 温度年际变化有显著的正相关，指出这种正相关是由于沿赤道印度洋上空纬向季 风环流和太平洋上空w a l k e r 环流之间显著的耦合造成。孟文等 2 5 】的数值模拟结 果也证明了这一点。殷永红等【l l 】研究表明太平洋与印度洋海气系统间存在着相 互作用，太平洋e n s o 和印度洋内部偶极子模都是影响印度洋s s t a 变化的因 子。晏红明等【2 6 研究得出印度洋偶极子变化同e n s o 有较密切的关系。李崇银 等【7 】通过资料观测得出尽管在年赤道印度洋海温偶极子似乎独立于e n s o ，但总 体而论，赤道印度洋海温偶极子与赤道太平洋海温偶极子有很好的负相关，联 系它们的只要物理过程主要是w a l k e r 环流的异常。而陈烈庭等 2 7 】的研究表明， 西印度洋的海温不仅有明显的年际变化，而且与东赤道太平洋的海温有密切的 正相关关系。刘娜等【2 8 】也分析了印度洋偶极子型振荡与热带太平洋之间的相互 关系，指出在热带太平洋上空的对流层存在明显和i o d 变化密切联系的要相关 作用中心，并利用大气行星波理论对两者之间的遥相关进行了机制解释。 ( 4 ) e n s o 与i o d 相对独立论：利用小波分析，s a j i 等【2 9 】从以下3 点说明e n s o 与i o d 是各自独立、相关性小的事件。其一，i o d 功率在6 0 、9 0 年代达到峰 值，而e n s o 的峰值出现在7 0 - - - 8 0 年代；其二，e n s o 的宽带谱较为连续，由 7 0 年代直至8 0 年代末，而i o d 功率谱分为2 段；其三，在年代际时间尺度上， e n s o 和i o d 之间呈反相关关系，即强e n s o 事件对应着弱i o d 事件，反之亦然。 w e b s t e r 等【6 】认为1 9 9 7 1 9 9 8 年的热带印度洋s s t a 增暖事件可能不是对太平洋 e n s o 事件的响应，而是由印度洋自身系统的海气相互作用引起的对年循环的 4 第一章绪论 显著性扰动。 1 51 0 d 对东亚季风的影响 研究揭示，i o d 对东亚季风有重要影响。s a j i 等【3 0 】运用偏相关方法去除 e n s 0 事件对气候影响后，来研究1 0 d 事件对气候的影响，发现1 0 d 与印度周边 国家的温度和降水量相关关系甚好。g u a n 等【3 l 】研究了i o d 对1 9 9 4 年东亚地 区干热气候的影响；肖子牛、晏红明掣3 2 】通过相关普查指出印度洋海表温度偶 极子指数与中国夏季6 - - - 8 月降水有较好的相关关系；印度洋偶极指数正位相比 负位相对中国气候影响大，1 0 d 指数正位相可能通过西南季风较直接影响中国夏 季降水，而1 0 d 指数负位相可能通过p j 波列来影响中国的降水；印度洋偶极指 数与中国南方冬季温度也有密切的联系。闵锦忠等【3 3 】研究了南海和印度洋海温 异常对东亚大气环流及降水的影响，认为当南海、孟加拉湾和阿拉伯春季海温 一直正异常时，夏季副高偏南偏西偏强，长江流域降水偏多；反之华北和华南 降水偏多。刘宣飞等【3 4 】研究了印度洋偶极子与中国秋季降水的关系，得到夏季 1 0 d 和秋季1 0 d 与中国南方秋季降水有显著的相关关系。闫晓勇等【3 5 粕】研究表 明，印度洋偶极子对东亚季风区天气气候，特别是夏季影响显著。b e h e r a 等 3 刀 的研究发现印度洋偶极子的影响不仅仅局限于赤道印度洋地区，还影响到南方 涛动、印度夏季风甚至东亚季风区的夏季天气气候变化。赵永晶等【38 】研究指出 印度洋南海关键区影响我国降水的显著关键时段在前1 年1 0 月一当年1 0 月。 g u a n 等3 1 】【3 9 】研究了i o d 对1 9 9 4 年东亚地区干热气候的影响，认为由i o d 引起 的东亚环流变化至少有两种方式，一是由i o d 导致的印度、华南上空涡源激发 的对流层上层的r o s s b y 波列从华南向东北方向的传播，另一种方式是由i o d 引 起的印度、孟加拉湾非绝热加热激发r o s s b y 位于加热区西侧。 许多研究也分析了i o d 影响东亚季风的机制。李崇银等【柏】指出，i o d 通过 影响对流层低层流场直接对亚洲夏季风有明显影响，对应i o d 正位相，有较强 的南海夏季风和印度夏季风，对应i o d 负位相，南海夏季风偏弱，印度南部地 区夏季风偏强，而且i o d 还通过影响对流层上层南亚高压以及西太平洋副热带 第一章绪论 高压，对亚洲夏季风也有明显影响。唐卫亚等【4 l 】研究表明，印度洋海温偶极振 荡引起了中高纬大气环流异常，影响了东亚夏季风的进程和强度，进而影响了 我国降水的分布。印度洋海温偶极振荡正位相年，东亚夏季风偏强，华南降水 偏多，长江流域降水偏少；负位相年，东亚夏季风偏弱，华北处于异常辐合区， 降水偏多。晏红明、肖子牛等【4 2 】研究表明，印度洋赤道低纬地区的暖( 冷) s s t a 可以通过在北半球中高纬度地区激发产生与p n a 和e a p 类似的冬季遥相关型 或夏季遥相关型波列，从而对亚洲季风区中低纬度地区的环流异常或天气气候 异常产生重要作用。 1 61 0 d 和e n s 0 相互作用对东亚季风的影响 很多学者对印度洋偶极子和e n s o 联合作用对东亚季风影响进行了研究。 肖子牛、李崇银等【4 3 】指出，在e n s o 发生期间，东冷西暖的印度洋海温结构加 大了东太平洋海温异常给东亚季风区带来的影响，它使中南半岛到印尼更加干 旱，中国华北到山东半岛的降水减少，而使中国西南到华南的降水明显增加。 杨辉、贾小龙等m 】研究发现，对于中国夏季降水和气温来讲，单独太平洋海温 异常的影响与太平洋印度洋海温异常的综合影响是很不一样的。分析和预测亚 洲的气候变化，需要综合考虑太平洋和印度洋的海温异常形势。刘宣飞等 4 5 通 过资料观测，讨论e n s o 的发生对i o d 与中国秋季降水关系的影响，结果表明： 仅有i o d 与e n s o 伴随出现时，i o d 正位相年和e l n i n o 使得中国西南地区秋 季降水正异常区域维持并向东扩展，还使得黄河流域秋季降水转为负异常。随 后，刘宣飞等【4 6 】又讨论了e n s o 对i o d 与中国夏季降水关系的影响，结果表明 e n s o 的发生将对i o d 与中国华南西部、江淮流域、河套及华北地区夏季降水 关系起抵消作用；对东南沿海地区降水起协同作用。闰晓勇、张铭等【4 7 】模拟了 在存在和没有赤道东太平洋海温异常影响下，印度洋偶极子对东亚季风区天气 气候的影响。结果表明：后者东亚地区西南季风的爆发偏晚，南海下季风增强， 此时我国大陆降水偏多；赤道东太平洋海温异常和印度洋偶极子有协同作用。 6 第一章绪论 1 7 本文拟解决的问题与创新之处 近年来，不少学者对印度洋偶极子的发生、发展机制以及年际、年代际变化 特征做了不少研究。印度洋海温的偶极振荡作为海温异常现象对东亚大气环流和 气候产生了重要影响，同样也对中国降水有着重要影响。最近两年，有学者将 e n s o 的影响考虑进来，得出e n s o 作为与i o d 有着密切关系的海温异常现象， 对于i o d 与中国降水关系是有一定影响的。 但这些研究大多是观测基础上的诊断分析，难以揭示起物理机制，而本文对 此现象进行数值模拟，通过数值模拟分析得到i o d 与e n s o 影响东亚季风的可 能机制。另外，文章主要研究春季i o d 年对同年夏季东亚气候的影响，弥补了 以往学者只关注i o d 最强的秋季和夏季，而忽视春季i o d 影响的不足。 7 第二章资料与模式 2 1 资料 第二章资料与模式 1 、美国n c e p n c a r 的1 9 4 8 2 0 0 8 年月平均u 、v 风场资料，垂直方向从 1 0 0 0 1 0 h p a 共1 7 个层次，水平分辨率2 5 0 2 5 0 经、纬度格距，纬向有均匀分 布的1 4 4 个格点，经向有7 3 个格点。 2 、美国n c e p n c a r 的1 8 5 4 2 0 1 0 年1 0 1 0 全球气候月平均海温资料。 3 、美国n c e p n c a r 的1 8 5 6 2 0 1 0 年1 0 1 0 全球气候月平均海温异常资 料。 4 、美国n c e p n c a r 的1 9 4 8 2 0 0 7 年2 5 0 2 5 0 全球气候月平均位势高度 资料。 5 、美国n c e p n c a r 的1 9 4 8 2 0 0 7 年2 5 0 2 5 0 全球气候月平均s l p 资 料。 其中所有春季资料都取3 - 5 月的平均，夏季资料都取为6 8 月的平均。 图2 1 是根据资料3 所得出的1 9 5 0 年- 2 0 0 0 年的春季1 0 d 指数、n i n 0 3 指 数年际变化曲线图，三角曲线代表i o d i ，方块曲线代表n i n 0 3 指数，图中可以看 出，在不少年份上数值都较吻合，如：1 9 5 1 ，1 9 5 2 ，1 9 5 7 ，1 9 6 1 ，1 9 6 3 ，1 9 7 0 ， 1 9 7 2 ，1 9 8 2 ，1 9 8 4 ，1 9 8 6 ，1 9 9 1 ，1 9 9 6 ，1 9 9 9 ，同号年份共2 6 年，同号率达到 5 0 。这说明，春季1 0 d 和e n s 0 虽然不处于其成熟位相，但仍存在，且它们既 相对独立又存在正相关的变化关系。这为后面数值试验的方案设计提供观测基 础。 第二章资料与模式 匡三画j 三五圃 黔” ”。75 ”：”。”y 。 。j 9 “? ”一灞 _ _ i 八 1 l al 懒叠刖斩粕m。工腻厶7 yv ufj i ， vr 弋卜泮v ”p f v 。一v - v 一； 。 ，罐 1 8 6 0 9 5 51 8 e o1 9 e 51 9 7 0 9 7 5 8 8 01 8 8 51 9 9 01 52 0 图2 11 9 5 0 2 0 0 0 年的春季i o d 指数、n i n 0 3 指数年际变化曲线( 单位：o c ) 2 2 模式简介 本文采用的气候模式为美国国家大气中心( n c a r ) 的c a m 3 0 大气环流模 式，此模式是该中心研究的公共气候系统模式( c c s m ) 中的大气部分，是由 n c a r 最新研制的第六代全球大气环流模式，它是由2 0 世纪8 0 年代的 c o m m u n i t y c l i m a t em o d e l ( c c m ) 逐步发展而成，依次经历了c c m o 、c c m l 、 c c m 2 、c c m 3 、c a m 2 0 等版本。模式的第一个版本c c m o a ( w a s h i n g t o n ，1 9 8 2 ) 4 8 1 和c c m o b ( w i l l i a m s o n ，1 9 8 3 ) 4 9 】，分别是在澳大利亚的全球谱模式和绝热、无 粘的e c m w f 谱模式的基础上发展起来的。1 9 8 7 年，第2 代公共气候模式c c m l 面世，对模式方程和参数化方案都进行了重大修改。第3 代模式c c m 2 于1 9 9 2 年发布，与以前的各版本相比都有了明显的改进，大幅度提高了模式对主要气 候过程的模拟能力，其中包括了云和辐射、湿对流过程，行星边界层和能量传 输等方面。第4 代公共气候模式是c c m 3 ，它的主体框架和流程沿袭了c c m 2 ， 增加了物理过程参数化方案，对动力框架进行了少许修改。模式完成后，研制 人员分别对c c m 3 的辐射收支，水循环和热力结构，极地气候模拟和动力过程 进行了检验。结果表明c c m 3 对大气的基本特征能很好的描述，特别是对大气 环流的大尺度特征和季节循环有很好的模拟能力。而c a m 模式是对c c m 3 的 9 第二章资料与模式 进一步改进，是n c a r 发布的最新一代公共气候模式。它延续了c c m 3 的动力 核心，另外增加了2 种动力选择，一种是半拉格朗日动力选择，另一种是有限 体积动力选择。 该模式是一个全球谱模式，采用三角截断，水平分辨率为t 4 2 ( 相当于纬经 格距为2 8 1 2 5 0 2 8 1 2 5 0 ，全球1 2 8 6 4 个格点) ，垂直方向采用s i g m a - p 混合坐 标，共分为2 6 层，模式层顶在2 9 1 7 h p a 高度。模式包括辐射( 长、短波辐射传 输) 、云、对流、陆面( 植被、冰雪、土壤水分) 及边界层( 垂直扩散、重力波 拖曳) 等各种物理过程，考虑了大气水汽、二氧化碳含量对辐射的影响。 c a m 模式包含两个子模式，一个是a t m 大气模式，一个是e l m 陆面模式以 及可供选择的海洋模式。时间积分采用半隐式方案，积分步长为2 0 分钟。模式 在给定初始场和边界场的情况下，通过时间积分来预报下一时刻的大气状态和 相关物理因子的变化影响情况。模式在计算水汽输送时采用半拉格朗日方法。 a r m 模式中自带的输入数据分为温室强迫数据，臭氧数据，辐射数据，单个模 式数据，表面强迫数据及海表面温度数据。c l m 模式自带的输入数据为植被生 理数据，高分辨率表面数据及固定时刻表面数据。本文中所用的数据均运行了 数年，已达到平衡状态。模式的详细情况可参考文献【删。 2 3 数值试验方案设计 为了研究春季印度洋地区的i o d 型和e n s o 型s s t a 对东亚地区夏季大气 环流和降水的影响，本文设计了7 个试验，包括一个控制实验和7 个敏感性试 验： ( 1 ) 控制试验( e x 0 ) 采用模式自带的含季节变化的海温场作为下边界条件，选模式o o 年的9 月 1 日o o 时作为控制实验的初始场积分9 年，取模式0 4 0 8 年夏季( 6 8 月) 的平 均作为控制实验结果。 ( 2 ) i o d 正位相试验( e x l ) 对模式自带的春季( 3 5 月) 海温叠加异常强迫，具体为在( 1 0 0 s 1 0 0 n ， 1 0 第二章资料与模式 5 0 0 7 0 0 e ) 关键海区加入+ 2 0 c 的海温异常，在( 1 0 0 s o o ，9 0 0 。1 1 0 0 e ) 关键海区 加入2 0 c 的海温异常。其它条件同控制试验。分别从5 个不同的大气初始条件 ( 控制实验中第0 4 、0 5 、0 6 、0 7 、0 8 年6 月1 日) 开始，积分3 个月。5 次积 分的平均结果作为e x l 试验的模拟结果。 ( 3 ) i o d 负位相试验( e x 2 ) 对模式自带的春季( 3 5 月) 海温叠加异常强迫，具体为在( 1 0 0 s 1 0 0 n ， 5 0 0 7 0 0 e ) 关键海区加入2 0 c 的海温异常，在( 1 0 0 s 0 0 n ，9 0 0 1 1 0 0 e ) 关键海 区加入+ 2 0 c 的海温异常。其它条件同控制试验。积分方式同正位相试验。 ( 4 ) e n s o 正位相试验( e x 3 ) 对模式自带的春季( 3 - 5 月) 海温叠加异常强迫，具体为在 ( 5 0 s 5 0 n ；1 5 0 0 w 9 0 0 w ) 关键海区加入+ 2 0 c 的海温异常。其它条件同控制试验。 积分方式同上。 ( 5 ) e n s o 负位相试验( e x 4 ) 对模式自带的春季( 3 5 月) 海温叠加异常强迫，具体为在( 5 0 s 5 0 n ； 1 5 0 0 w 9 0 0 w ) 关键海区加入2 0 c 的海温异常。其它条件同控制试验。积分方式 同上。 ( 6 ) i o d 和e n s o 协同作用正位相试验( e x 5 ) 对模式自带的春季( 3 5 月) 海温叠加异常强迫，具体为在( 1 0 0 s 1 0 0 n ， 5 0 0 7 0 0 e ) 关键海区加入+ 2 0 c 的海温异常，在( 1 0 0 s 0 0 ，9 0 0 - 1 1 0 0 e ) 关键海 区加入一2 0 c 的海温异常，同时在( 5 0 s 5 0 n ；1 5 0 0 w - 9 0 0 w ) 关键海区加入+ 2 0 c 的海温异常。其它条件同控制试验，积分方式同上。 ( 7 ) i o d 和e n s o 协同作用负位相试验( e x 6 ) 对模式自带的春季( 3 5 月) 海温叠加异常强迫，具体为在( 1 0 0 s 1 0 0 n ， 5 0 0 7 0 0 e ) 关键海区) 3 n e k 2 0 c 的海温异常，在( 1 0 0 s 0 0 ，9 0 0 1 1 0 0 e ) 关键海区 j n e k + 2 0 c 的海温异常，同时在( 5 0 s s o n ；1 5 0 0 w 9 0 0 w ) 关键海区加入2 0 c 的 海温异常。其它条件同控制试验，积分方式同上。 第二章资料与模式 2 4 控制试验结果分析 许多研究u 6 - 1 9 壤明，n c a rc a m 30 大气环流模式能较好描述东亚地区环 流的变化特征，在气候模拟研究中得到了广泛应用。为检验模式对大气环流形 势的模拟性能，下面将控制试验模拟的结果与n c e p n c a r 再分析资料的气候 基本态进行对比分析。 图22 a 和图2 2 b 分别是控制实验所模拟的和再分析资料的8 5 0 h p a 东亚地 区夏季水平风场气候平均态，从图中流场分布来看，模式可以较好地模拟出影 响东亚季风的大气环流系统，如太平洋副热带高压、南海夏季西南季风、南海 夏季风槽、印度西南季风等系统。这说明c a m 30 模式对夏季东亚大气环流具 有较强的模拟能力，能够满足本文研究需要。但此模式与观测也存在着一些系 统偏差，如在1 0 0 0 1 4 0 0 e 的越赤道气流，观测资料表现为西南风，而控制试验 结果表现为东南风：控制试验结果太平洋副热带高压较观测资料上西伸范围更 广。从副高的脊线位置来看，控制试验模拟的副高位置比观测资料偏北。 第二章资料与模式 ( b ) 图2 2 夏季( 6 - 8 月) 8 5 0 h p a 流场( 阴影区表示高原) ( a ) e x 0 试验 ( b ) n c e p n c a r 资料 图2 3 ( a ) 和图2 3 ( b ) 分别是控制实验和n c e p 再分析资料的7 月5 0 0 h p a 位势高度场图，从图中可以看出，模式控制实验的结果与n c e p 资料基本一致， 较准确的模拟出西太平洋副热带高压的脊线位置，但强度比实际资料略高。位 于3 5 0 n 以北的等位势线的分布和实际资料基本一致，但疏密程度略低于实际资 料，以及槽脊分布略微偏西。从总体来看