（气象学专业论文）enso与北半球大气环流异常关系的年代际变化研究.pdf

e n s 0 与北半球大气环流异常关系的年代际变化研究 摘要 文中首先根据n 墒0 3 4 区s s t a 与北半球冬季5 0 0 ”a 高度异常的相关关系，选取了亚 洲东北部的高相关区作为关键区，通过该区的5 0 0 1 1 p a 标准化高度距平与n i f i 0 3 4 区海温距 平序列的滑动相关分析，确定了近5 0 年中北半球冬季大气环流与e n s o 关系发生改变的 年份。接着以关系改变年为界，分别讨论其前后e n s o 对北半球冬季大气环流的不同影响。 然后以同样的方法研究了北半球夏季大气环流与e n s o 的年代际关系。最后用数值模式对 冬季的诊断结果进行了验证。结果表明： 1 近5 0 年中，北半球冬、夏季大气环流对e n s o 事件的响应均在7 0 年代末发生了 改变。7 0 年代末以前，e n s o 事件对近赤道大气环流的影响可以延伸至中纬的亚洲地区， 而7 0 年代末以后其影响则局限在热带、副热带地区。 2 7 0 年代末以后，e n s o 事件对东半球中高纬大气环流的影响有所减弱，而对西半 球的作用有所增强。夏季大气环流对e n s o 事件的响应在中高纬地区的变化与冬季不同， 东半球大气环流异常与e n s o 事件的关系有所增强，而西半球则有所减弱。 3 数值试验中，各个要素场的模拟都较好的验证了冬季北半球大气环流对e n s 0 事件 在不同年代响应的诊断结果。一致地表现出在低纬地区响应较强的区域明显南撤，东半球 中高纬地区响应减弱，西半球中高纬地区响应增强。 4 引起e n s o 事件与北半球冬季大气环流异常的年代际关系演变的机制中，最主要 的影响因子是海温背景场在7 0 年代末由冷至暖的跃变和e n s o 事件本身强度的增强。海 温背景场增暖后，e n s o 事件的强度和影响范围增大，热带地区对流加强，e 1 n i f i o 事件使 w a l k e r 环流减弱及其上升支东移的现象更明显，h a d l e y 环流在东半球减弱而在西半球增强， 由其上升支带至中纬的角动量在东半球减少，西半球增多，造成影响西半球大气环流的 p n a 型遥相关增强，影响东半球的太平洋东亚型遥相关减弱，进而使得e n s o 对东半球 大气环流的影响减弱而对西半球大气环流的影响则有所增强。 关键词：e n s 0 ，北半球大气环流，年代际变化，数值模拟 r e s e a r c h e so ni n t e r d e c a d a lv a r i a t i o no fr e l a t i o n s h i p b e t w e e ne n s oa n dt h en o r t h e r nh e m i s p h e r e a t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es s t ao fn i f i 0 3 4a r e aa n dg e o p o t e n t i a lh e i g h t a n o m a l yo f5 0 0 h p ai nt h ew i n t e rn o r t h e r nh e m i s p h e r e ，ak e yr e g i o no fh i g hc o h e r e n c e c o e f f i c i e n ti nt h ee a s t e r nn o r t ha s i ai ss e l e c t e d t h es w i t c ho ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n s o a n dt h ew i n t e rn o r t h e r nh e m i s p h e r i ca t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o ni nr e c e n t5 0y e a r si sf i x e d ，b y c a l c u l a t i n gr u n n i n gc o r r e l a t i o nc o e f f f i c i e n tb e t w e e nt h es s t ao f n i f i 0 3 4a r e aa n dt h es t a n d a r d a n o m a l yo fg e o p o t e n t i a lh e i g h ta n o m a l yo f5 0 0 h p ai nt h ek e yr e g i o n t h e nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne n s op h a s e sa n dt h ew i n t e rn o r t h e r nh e m i s p h e r i cc i r c u l a t i o ni nd i f f e r e n tp e r i o d s p r e a n dp o s t s w i t c hi sr e s e a r c h e d a f t e rt h a t ，b yt h es a m em e a n s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n e n s op h a s ea n dt h es u r m n e rn o r t h e r nh e m i s p h e r i cc i r c u l a t i o ni ss t u d i e d i nt h ee n d ，t h e a n a l y s i so f t h ew i n t e rt i m ei sp r o v e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w ： 1 i nt h e5 0y e a r s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n s op h a s e sa n dt h ew i n t e rn o r t h e r n h e m i s p h e r i cc i r c u l a t i o ni ss w i t c h e d i nt h el a t e1 9 7 0 s ，a n ds oa st h es u m m e rn o r t h e r n h e m i s p h e r i cc i r c u l a t i o n b e f o r el a t e1 9 7 0 s ，t h ei m p a c to f e n s oo nn e a r - e q u a t o r i a lc i r c u l a t i o n c a nr e a c ht om i d - l a t i t u d ea s i a , w h i l ei t si m p a c t sa r el o c a i i z e dt ot r o p i c a l s u b t r o p i c a la f t e rt h a t t i m e 2 a f t e rl a t e1 9 7 0 s ，t h ee n s op h a s e sh a v ee v i d e n t l yf a i n ti m p a c to i lt h ew i n t e rm i d h i g h l a t i t u d ee a s t e r nh e m i s p h e r i ca t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n ，b u to b v i o u s l ys t r o n g l yo r lt h ew e s t e r n h e m i s p h e r i ca t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n t h es u m m e rn o r t h e r nh e m i s p h e r i cc i r c u l a t i o n sr e p o n s e t ot h ee n s oe v e n t sv a r i e si nd i f f e r e n tl a t i t u d e s i nt h em i d h i g hl a t i t u d e s ，r e l a t i o n s h i p b e t w e e na t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o na n de n s oe v e n t si nt h ee a s t e r nh e m i s p h e r ei m p r o v e s ，b u t t h a ti nt h ew e s t e r nh e m i s p h e r ed i m i n i s h e sd i s t i n c t l y 3 ，a 1 1t h es e l e c t e de l e m e n t ss i m u l a t e di nt h en u m e r i c a im o d e la r ec o n s i s t e n tw i t ht h e d i a g n o s i sa n a l y s i sh at h e3 r dc h a p t e r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w st h ec o h e r e n tr e s u l t st h a t i i t h ei n s t i t u t er e g i o ni nl o wl a t i t u d em o v e ss o u t h w a r da n dt h ee a s t e r nh e m i s p h e r i cm i d - h i g h l a t i t u d ea t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o nh a sd i m i n i s h i n gi n f l u e n c eb yt h ee n s op h a s e s ，w h i l et h e w e s t e r nh e m i s p h e r i cm i d - h i g hl a t i t u d ec i r c u l a t i o nr e s p o n d st ot h ee n s oe v e n t se v i d e n t l y 5 t h em o s ti m p o r t a n tr e a s o n st h a tm a ym a k et h ei n t e r - d e c a d a lc h a r a c t e r i s t i co ft h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e ne n s op h a s e sa n dt h ew i n t e rn o , h e mh e m i s p h e r i ca t m o s p h e r i c c i r c u l a t i o nc o m ei n t ob e i n ga r et h ec h a n g eo ft h eb a c k g r o u n ds s ta n dt h ei n c r e a s eo ft h e s t r e n g t ho fe n s op h a s e s ，w h i c hc h a n g e sf r o mc o l dt ow a r mn e a rt h e e n do f1 9 7 0 s t h e b a c k g r o u n ds s ts h i f tt ow a r ms t a t e ，w h i l et h es t r e n g t h ，i n f l u e n c ea r e a so ft h ee n s op h a s e s a n dt h et r o p i c a lc o n v e c t i o na r ei n c r e a s e d ，w h i c hi n p r o v et h es t r e n g t ho fw a l k e rc i r c u l a t i o n ， a n da s c e n d i n gb r a n c hs i t eo fi tm o v e se a s t w a r d t h e nt h eh a d l e yc i r c u l a t i o ni nt h ee a s t e r n h e m i s p h e r ei sw e a k e n e da n dt h a th it h ew e s t e r nh e m i s p h e r ei se n h a n c e d ，f o l l o w e dw i t ht h e m o m e n to fm o m e n t u mt a k e nb yi t sa s c e n d i n gb r a n c hi n c r e a s e di nt h ew e s t e r nh e m i s p h e r e w h i l ew e a k e n e di nt h ee a s t e r nh e m i s p h e r et h ep n a p a t t e r ni se n h a n c e da n dt h ep a c i f i c e a s t a s i a nt e l e c o n n e c t i o ni sw e a k e n e d a sar e s u l t ，t h ea t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n sr e s p o n s et ot h e e n s oe v e n t si nt h ee a s t e r nh e m i s p h e r ei sw e a k e n e da n dt h a ti nt h ew e s t e r nh e m i s p h e r ei s e n h a n c e d k e yw o r d s ：e n s o ；t h en o r t h e r nh e m i s p h e r i c a t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n ；i n t e r d e c a d a l v a r i a t i o n ：n u m e f i c a ls i m u l a t i o n 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。 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：壹趱 日期：趔缝篁旦 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：鸯鼬 日 期：型耋s 目 第一章绪论 1 1 酬s o 与大气环流异常关系的研究意义 海气相互作用一直是近年来研究的热点，现有研究集中在对热带海气耦合系统尤其是 e n s o 现象的演变机制上。太平洋海温异常对北半球大气环流异常有重要影响，而e n s o 循环是太平洋海气耦合系统中典型的异常演变过程，其时间尺度为2 1 0 年，空间尺度上 可影响到全球范围，不仅描述了热带地区大气和海洋异常现象，而且与中高纬度的气候异 常变化相联系。 大气环流会把某地的异常信息由近及远地传播开去，不仅使其周围的地区受到影响， 而且还会波及到非常遥远的地区。异常程度越大，范围越广，影响的地区也就越大。e 1n i f i o 正是通过大气环流的作用，把热带地区大气、海洋发生的这种异常信号传给了热带的其它 地区和中、高纬地区，甚至给全球气候带来影响。除热带太平洋地区，e l n i f l o 还与世界上 很多地区的气候都存在着遥相关关系。它常常造成非洲东南部和巴西东北部的干旱、加拿 大西部和美国北部暖冬以及美国南部的冬季潮湿多雨等；也与我国和日本的降水、我国东 北和日本的夏季低温等具有一定的相关性。当然，e 1 n i f i o 带来的也不全是灾难，它还会使 西北太平洋和北大西洋热带风暴有所减少，使一些常年不见雨水的地方喜得甘霖，甚至沙 漠地区的植被得以繁衍。 l an i f i a 对气候的影响与e 1n i f i o 大致相反，影响程度也不如e 1n i f i o 强。l an i f i a 发生 时，南美沿岸降水更加稀少，印度尼西亚、澳大利亚东部更加多雨；赤道太平洋中、东部、 阿根廷、赤道非洲、美国东南部等地常常发生干旱；巴西东北部、印度及非洲南部等地容 易出现拱涝。 鉴于e l n 访。和l a n i f i a 对全球气候产生的巨大影响，它已经成为迄今为止我们所认识 的全球气候系统中最强的气候年际变化信号，受到联合国组织及有关国家的各个部门的广 泛关注和重视，我国也把它们作为短期气候预测的一项重要依据。因此，人们普遍关注e 1 n i f i o 现象及其对大气环流的影响，进而为中长期天气预报和气候预测提供有效的理论依据。 1 2 相关的研究进展 1 2 1e n s o 与大气环流异常 2 0 世纪7 0 年代以来，尤其是在8 0 年代，有关e n s o 对大气环流和气候异常的影响的 研究非常多。明显的结论是，e n s o 对大气环流以及全球许多地方的天气气候异常有重要 的影响。 e ln n o 期间的s s t 正距平持续出现在赤道太平洋，因此，e ln i f i o 事件对热带环流的 影响最为直接。众所属知，在正常情况下，沿赤道存在一种东西向的w a l k e r 环流圈，其上 升支位于主要积云对流活动区的印度尼西亚上空。在e 1 n i f i o 事件发生的情况下，主要增暖 区的东边，也就是在日界线附近及其西面地区将有异常积云对流的强烈发展，因此在e l n i f i o 期间主要降水区由印度尼西亚地区东移到了那里。同时，w a l k e r 环流也出现了明显的 异常，其上升支由印度尼西亚地区东移到了目界线附近。杨修群等 1 1 利用全球大气热带太 平洋耦合距平模式模拟了一次类似于实际的e n s o 增暖过程，并对由e n s o 增暖引起的海 洋和全球大气环流异常的主要特征进行了分析，耦合模式中的e n s o 增暖在热带地区主要 伴随着赤道中西太平洋w a l k e r 环流的减弱、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的 增强；夏季和冬季低纬环流异常具有明显的差异性，夏季主要表现为印度夏季风环流的显 著减弱和东亚季风的增强，而冬季则主要表现为赤道所有纬向环流圈均减弱；温带大气环 流异常冬夏季也具有明显不同特征，夏季温带大气异常主要限于东半球，且发源于亚洲季 风区，和赤道中东太平洋海温异常似无直接联系，但冬季温带大气异常则主要是发源于海 温异常区的波列响应，反映了海温异常直接热力强迫的结果。 b j e r k n e s 2 j 早就指出，由于赤道东太平洋s s t 异常( e ln i f i o 事件) ，大气中的h a d l e y 环流将会加强。r a s m l l s s o r l 和c a r p e n t e r n 所作的1 9 8 2 1 9 8 3 年e 1 n i f i o 期间热带太平洋地区 s s t 和大气环流异常及地面风场的异常中，同赤道中东太平洋s s t 异常相伴，在赤道太平 洋地区的北半球有明显的北风异常而在南半球有明显的南风异常，特别是在中、东太平洋 更为显著。因此，同赤道东太平洋s s t 正异常相伴，将有h a d l e y 环流的加强。 e n s o 对西太平洋副热带高压的活动也有明显的影响，包括对副高位置和强度的影响。 2 首先，同e ln i f i o 年i t c z 位置偏南相匹配，西太平洋副高的位置在e ln i f i o 年一般也偏南。 对1 9 5 0 1 9 7 9 年5 0 0h p a 高度距平的合成分析h 表明，在e 1n i f i o 年夏季，5 0 0h p a 高度距平 圈上，正距平出现在西太平洋地区的2 5 n 以南，表明平均副高位置较正常偏南。1 9 5 0 1 9 7 9 年间e 1 n i f i o 年和l a n i f i a 年平均的7 9 月5 0 0 h p a 高度差的分布图( 图略) 中，可以看到， 在东亚和西北太平洋地区的2 5 0 4 8 0 n 其差值为负，2 5 2 , 以南差值为正，表明e tn f f i o 年 西太平洋副高位置偏南，而l a n i f i a 年西太平洋副高位置偏北。李崇银”】对1 3 0o 1 4 0 。e 地 区5 0 0h p a 副高脊线的月平均纬度位置所进行的对比分析也表明，在e 1n i i l o 年西太平洋副 高脊线位置较常年平均位置偏南，而在l a n i f i a 年西太平洋副高脊线位置较常年偏北。 关于西太平洋副高在e ln i f i o 年是西伸的还是东退的，不同的研究者有不同的结果。陈 烈庭吩日出在e l n i f i o 年副高有西伸的特征；而符淙斌和滕星林6 协到了相反的结论。后者 的研究中用副高脊线西端的经度位置表示西伸情况并不太妥。因为脊线的南北位置较好确 定，而东西端点却难以确定。西太平洋副高在e 1n i f i o 年平均来讲西伸更明显，多呈东西带 状。关于西太平洋副高强度( 一般用面积指数表示) 的分析研究表明，在e l n i f i o 年夏季西 太平洋副高往往偏弱。但是，对于持续型e ln i f i o 事件，其第二年里西太平洋副高往往偏强， 例如1 9 6 9 、1 9 8 3 、1 9 8 7 年。王成林，邹力口1 对西太平洋副高的年际变率和e n s o 的相关性 研究中指出，在年际尺度上，副高脊线位置首先出现异常南移同时副高强度减弱，副高南 侧正的西风距平加强了赤道纬向西风，1 个月后赤道中西太平洋8 5 0h p a 纬向西风出现异常 增大。异常的西风激发出东传的暖k e l v i n 波，使得暖水向东传播，约2 个月后n i f i 0 3 区海 温异常升高并西传，其后约1 个月中太平洋海表温度异常升高。中太平洋海水升温的同时 加热大气，在h a d l e y 环流的作用下，约3 个月以后，副高开始增强。 倪允琪等和刘颖，倪允琪9 】关于e n s o 和我国气候的诊断研究表明，e ln i f i o 年印度 夏季风减弱，东亚夏季风加强，而l an i f i a 年相反，印度夏季风加强，东亚夏季风减弱。 通过相关矢量图分析和统计显著检验表明热带中东太平洋s s t a 对亚洲夏季风环流影自显 著区主要在长江流域南北气流交汇区和索马里急流区，这充分反映了热带中东太平洋 s s t a 通过赤道纬向垂直环流对索马里急流的影响以及通过h a d l e y 环流对副热带高压的影 响。e l n i f i o 年冬季为强冬季风年，而l a n i f i a 年冬季为弱冬季风年，通过相关矢量图分析 和统计检验表明e n s o 对亚洲冬季风影响显著区为高层的东亚大槽区和低层的东亚冷空气 活动区。 李崇银等4 1 研究表明，e l n i f i o 事件对q b o 也有明显影响，e 1 n i f i o 事件会使所在的西 风位相或紧接着的西风位相( 若e 1n i f i o 在东风位相爆发) 的持续时间缩短。 e 1n i f o 事件的发生不仅引起热带大气环流的明显异常，而且通过大气的遥响应，中高 纬度大气环流也将出现明显的异常。资料分析和数值模拟都说明e l n i f i o 事件可以在中高纬 度大气中引起p n a 型异常环流。当然，这并不意味着p n a 型的出现都仅是e l n i f i o 事件的 影响。 同e 1n i f i o 冬季h a d l e y 环流和p e t r e l 环流都明显偏强相联系，在e 1n i f i o 情况下，中纬 度地区的纬向西风平均来讲也是偏强的。而在l a n i f i a 情况下，却有相反的变化发生。5 0 0 h p a 环流异常的分析还表明，北半球极地涡旋的活动也同南方蒋动有一定的关系。在s o i 偏高的时候，5 0 0h p a 上极涡偏强，阿留申高压偏弱：在s o i 偏低的时候，极涡偏弱，阿留 申高压偏强( v a n l o o n 等【1 0 】) 。 e n s o 对平流层大气环流也有明显的影响，一般当e 1 n i f i o 事件发生时平流层的位势高 度和温度都将偏高；平流层急流偏弱，副热带西风偏强( v a nl o o n 等【1 1 】) 。在南方涛动指 数( 8 - 1 0 月) 同2 0 0h p a 纬向风异常( 1 2 2 月) 以及与3 0h p a 纬向风异常( 第二年2 - 4 月) 之间的相关系数图( q u i r o z ，a r k i n l l 3 ) 中可以看到，在4 5 。n 以北相关系数为正( 最大 正相关在6 0 。n 附近) ，而在4 5 。n 以南为负( 最大负相关在3 0 。n 附近) 。也就是说，在e l n i f i o 事件( l a n i f m ) 发生之后，对流层上层和平流层低层纬向风会有明显变化，高纬度地区西 风明显偏弱( 偏强) ，丽副热带地区西风明显偏强( 偏弱) 。比较热带地区风场的e o f 展开 的第一分量的年际变化与南方涛动指数年际变化，可以清楚地看到，当s o 处于高指数时， 热带地区西风偏强，而当s o 处于低指数时，热带地区西风偏弱或东风偏强。 1 2 2 大气环流的年代际变化 2 0 世纪9 0 年代中期年代际气候变率( i n t e r - d e e a d a lc l i m a t ev 耐曲i i i 劬成为国际气候学 研究的热门问题，这一趋势由于气候变率与可预报性研究计划( c l i v a r ) 的建立而得到了 加强。 大气环流的年代际( 或称十年际) 变化最初集中在北太平洋地区。k a s h i a w a b a r a p 4 1 最 早提出，1 9 7 7 1 9 8 6 年期间，北太平洋5 0 0 ”a 冬季平均高度特别低。之后，n i t t a , 和y a m a d a ”、 t r e n b e n 1 f 1 6 的文章更明确地指出，1 9 7 6 年开始，北太平洋大气环流呈现出十分明显的十年 时问尺度的变化。y a m a d a 和t r e n b e r t h 指出，大气环流的年代际变化表现为1 9 7 7 - 1 9 8 8 年 间，对流层冬半年阿留申低压加深并东移，它使暖湿空气进入北美西岸及阿拉斯加，而北 太平洋变冷。g r a h a m ”1 对此作了总结，还用e c h a m l 模式作了模拟，用1 9 7 0 - 1 9 8 6 年4 0 。s 7 0 。n 海表温度观测场强迫，成功的模拟出这次大气环流的变化。 t r e n b e r t h 和h o 一”峙日出9 0 年代创历史纪录的暖事件的增加可能与人类活动释放的 c 0 2 增加导致的全球气候变暖有关。根据近几十年的观测资料分析，全球气候增暖的趋势越 来越明显，并且在1 9 7 6 年前后有一次明显的气候突变。杨修群等研究也表明，在年代际 时间尺度上，全球海洋大气系统大约在2 0 世纪7 0 年底附近，均一致性的经历了一次跃变， 且这种变化主要位于中高纬尤其是两极地区。 1 2 3e n s o 的年代际变化 t r e n b e r t h 和w 曲s t e r 口0 1 应用1 5 a 滑动平滑s s t a 资料发现e n s o 事件的频率和振幅都 有明显的年代际尺度的变化。r a s m u s s o n 和c a r p e n t e r p 根据多年e 1n i 矗0 事件的演变特征， 研究认为8 0 年代以前的事件为东部型，即海温主要增暖区首先发生在赤道东太平洋，而后 向西扩展；8 0 年代以后，e ln i f i o 事件与过去归纳的模型完全相反，海温主要增暖区首先发 生在赤道中、西太平洋，而后东传。b i nw a n 9 0 1 】对1 9 7 7 年前后e 1n 璇。事件进行合成对比 分析，得出两组事件的海温分布存在显著差异。然而8 0 年代前后的大气环流同样存在显著 的差异，这种环流场的差异同样会对e n s o 事件产生不同的影响。朱乾根等2 2 1 根据n m c 客观分析资料进行诊断分析，揭示了1 9 7 6 - 7 7 年及1 9 8 2 - 8 3 年这两次e 1n i f i o 事件海气相互 作用过程中的若干特征。结果表明：7 0 年代末赤道西风异常背景场、s s t 背景场及其准4 年周期振荡均存在年代际变化：s s t 背景场冷( 暖) 、8 0 0 w o 。e 赤道区域8 5 0 h p a 纬向风异 常西( 东) 风以及赤道太平洋s s t a 准4 年周期振荡东传型( 西传型) 共同决定了这两次事件 的强度与类型的差异，即1 9 7 6 7 7 年事件为较弱的东部型e in i 矗。事件，而1 9 8 2 8 3 年事件 表现为很强的西部型e in i f i o 事件。 f e d o r o v 和p h i l a n d e r 2 3 1 从大气、海洋、海气相互作用、南方涛动的调制、背景场等五 个角度阐述了e l n i f i o 的变化。文中阐明了e l n i f l o 的变化不仅仅是由海洋差异造成的，而 是年代际背景下海气相互作用的结果。尤其是在提到背景场对e l n i f i o 变化的作用时，将全 球变暖与e n s o 相联系，这在其他文章中也有提及。 李清泉，丁一汇 2 4 】根据所采用的划分e 1n i f i o 事件的标准和指数，发现9 0 年代初的5 年里共发生了3 次e 1n i f l o 事件。这3 次事件都是中部型，间隔时间短( 以年尺度为主) 是 它们的一个显著特点。9 0 年代初的5 年里，无论是e l n i f i o 发生前的冬季，还是e 1 n i f i o 发 生后的冬季，5 0 0h p a 上，东亚大部地区被正高度距平控制，副高偏强、偏北，1 t c z 亦偏 北。东亚冬季风偏弱，中国冬季呈暖冬状态。但e 1 n i f i o 发生后，东亚冬季风比e l n i f i o 发 生前要弱得多，气温更加异常偏暖。造成东亚地区冬季环流异常和中国天气、气候异常的 可能原因与赤道附近西一中太平洋海温冷暖异常有关。前已述及，n i f i 0 4 区海温自1 9 8 9 年 下半年起就较正常年持续偏高，从而引起西太平洋副高偏强、面积偏大，副高脊线偏北， 冷空气不易南下，东亚冬季风偏弱，冬季气温偏高。 张勤，丁一汇为了研究平均气候态的变化与e n s o 的关系，分别将1 9 7 6 年以前和 以后的e 1n i f i o 事件以及l an i f i a 事件合成，很明显地看出，1 9 7 6 年以后暖态平均气候态时， 无论是引n i f i o 事件还是l a n i f i a 事件，都比1 9 7 6 年以前要强。1 9 7 7 年以后的暖平均气候 态使l a n i f i a 的强度与e l n i f l o 相比明显减小，但是l a n i f l a 比1 9 7 6 年以前还是增强了，这 就是说暖态平均气候态与e n s o 的关系不仅是简单的线性倾向的影响，还包含了更复杂的 热力和动力过程。暖的气候态背景不仅使e l n i f i o 和l a n i f i a 的发生产生不对称，还使e n s o 循环的振荡加强了。即除了由于线性倾向变化在计算距平时的影响外，暖态的平均气候态 可能还加强了海气之间的相互作用，使e n s o 的暖位相和冷位相同时略有增强。 1 3 本文拟研究的问题 以上回顾说明，e n s o 事件对北半球大气环流的异常变化有明显的作用，其不同的位 相和发展阶段对北半球的天气、气候的影响也不尽相同。目前国内外对e n s o 的研究除了 资料和方法上的不足，使得研究范围和精度受到影响外，对不同年代的e n s o 和大气环流 异常关系的研究也较少。 因此，本文拟从诊断分析和数值模式两个方面来共同说明不同年代的e n s o 和大气环 流异常的关系：】) 首先要确定两者关系在近5 0 年中的变化到底有什么特征：2 ) 然后根据 不同的变化特征，分阶段诊断e n s o 与北半球大气环流的关系，并对两者的异常关系在不 同阶段的表现进行对比：3 ) 尝试在物理机制上对上述现象进行初步解释；4 ) 通过数值模 式来验证诊断分析的结果。 7 2 1 资料说明 第二章资料和方法 本文使用的资料有： i 南京大气资料中心提供的n c e p n c a r 再分析全球逐月的1 7 层风场( u 、v ) 、1 2 层垂直速度场、位势高度场( + ) 资料、海平面气压资料。分辨率为2 5 。2 5 。，时间长度为 1 9 4 8 年1 月- - 2 0 0 3 年2 月。 2 国家气候中心整编的1 9 5 1 年1 月一2 0 0 3 年1 2 月中国1 6 0 站气温资料a 3 英国气象局h a d l e y 中心整编的全球海洋一海冰及海面温度数据集( g i s s t ) ，分辨 率为ic 1 。，时间长度从1 9 5 0 年1 月一2 0 0 2 年1 2 月。 4 c p c ( 美国国家气候预测中心) 提供的n i f i 0 3 4 区逐月海表温度序列。 5 本文取夏季为6 - - 8 月，冬季为1 2 - - 2 月。 2 2 方法 1 滑动平均”3 ： 滑动平均相当于低通滤波器，用确定时间序列的平滑值来显示变化趋势。对样本为n 的序列x ，其滑动平均序列表示为： 毛= 圭 j 矗( 2 1 ) 式中k 为滑动长度，通常取作奇数。通过滑动平均后，序列中短于滑动长度的周期大 大削弱，显示出变化趋势。 2 线性相关分析。： 用来描述两个时间序列之间相互关系的方法，主要用相关系数r 来表示，绝对值r 越 大表示两者之间关系越密切。一般用t 检验来判断其相关的可信程度。假设两个时间序列x 、 r y ，其样本长度均为n ，其中必须有一个一维时间序列( 设为x ) ，那么，相关系数表达式 为： ( x 。一；) ( y ；一歹) 1 亍一 jx , - x ) 2 酗一习2 ( 2 2 ) 3 滑动相关分析脚1 ： 为了反映相关的年代际变化，采用了滑动相关的计算方法。滑动相关系数可表示为 o ( t o ) = d + b ( f ) 一i ( 吒) y ( r ) 一，( “) ：i n n f t o + o + 也暑“。巧( ，0 ) r 。奢。卜贝岛) 2 1 “+ p 这里f m ) = x p ) ，= 2 n + l 为滑动窗口长度。 i t = t a n 4 合成分析 ( 2 3 ) 合成分析的置信水平：检验两组样本序列平均值差异的显著性，两序列样本个数分别 为：1 和n 2 ，两个序列的平均值分别表示为：i 及瓦。 原假设日o ：“0 - p i = o 定义一个统计量为 盟二! 遥! 些二! 毽 l + n 2 2 ( 2 4 ) 显然f t ( n a + n 2 2 ) 分布，给出信度口，查表可以得到临界值乞，计算r 后在凰下 比较，与屯，当绝对值f 大于等于名，否定原假设风，即说明其存在显著性差异；当f 小于 9 藤 ，则接受原假设。 5 t 检验 a 、差值t 检验 分别对e n s o 的冷、暖位相所对应的各种场进行差值显著性检验0 6 】 x y 0 ，一l 埒+ 0 ：一1 ) s ；盯 撵j + 拜2 2 l拧2 ( 2 5 ) 式中、也分别是e l n i f i o 、l a n i f i a 年的年数，；、一y 分别是e 1 n i f i o 、l a n i f i a 年 段要素的多年平均值，霹，2 是相应的方差。 对于风场差值检验，文中采取在给定信度下对格点的u 和v 分量的分别进行t 检验， 得到l 和l 。 b 、单序列相关性的t 检验 对于气候变量不同时刻的线性相关( 自相关系数) 和两气候变量的线性相关是否显著， 即相关系数达到多少算是存在显著相关关系，必须进行统计检验。 持；五! x 1 - r 2 ( 2 6 ) 6 e n s o 事件的确定 本文采用n i f i 0 3 4 区( 5 0 s 5 0 n ，1 2 0 0 - 1 7 0 。w ) 的月海温距平( s s t a ) 来划分e ln i f i o 事件和l an i f i a 事件。按照t r e n b e r t h 【2 8 1 的定义，如果n i f i 0 3 4 区( 5 0 n 5 。s ，1 2 0 。- 1 7 0 。w ) 的海表面温度异常( n 3 4 ) 的5 个月滑动平均超过0 4 。c 达到6 个月或以上就分别定义 为e l n i f i o 和l a n i f i a 事件。图2 1 给出了n i f i 0 3 4 区的月平均s s t a 从1 9 5 0 年1 月一2 0 0 3 年1 2 月的5 个月滑动平均值的演变图。 正如t r e n b e r t h 指出的那样，图中几乎所有的e l n i f i o 事件都是在北半球春季或夏季开 始的，大约从1 1 月到1 月达到盛期。每一次e n s o 事件的具体起止时间和持续时间见表 2 1 。 表2 ie n s 0 事件发生年份一览表 e l ? , i f i ol an i f i a 开始月份结束月份持续时间开始月份结束月份持续时间 1 9 5 1 81 9 5 2 271 9 5 0 31 9 5 1 21 2 1 9 5 3 31 9 5 3 1 1 91 9 8 4 61 9 5 6 32 2 1 9 5 7 41 9 5 8 6 1 5 1 9 5 6 51 9 5 6 1 1 7 1 9 6 3 61 9 6 4 291 9 6 4 51 9 6 5 19 1 9 6 5 51 9 6 6 61 41 9 7 0 71 9 7 2 11 9 1 9 6 8 91 9 7 0 21 91 9 7 3 61 9 7 4 6i 3 1 9 7 2 41 9 7 3 31 21 9 7 4 91 9 7 6 42 0 1 9 7 6 81 9 7 7 381 9 8 4 91 9 8 5 61 0 1 9 7 7 71 9 7 8 171 9 8 8 81 9 8 9 61 4 1 9 7 9 1 01 9 8 0 471 9 9 5 91 9 9 6 37 1 9 8 2 41 9 8 3 71 61 9 9 8 72 0 0 0 51 l 1 9 8 6 81 9 8 8 2 1 9 2 0 0 0 92 0 0 1 26 1 9 9 1 31 9 9 2 71 7 1 9 9 3 21 9 9 3 98 1 9 9 4 61 9 9 5 31 0 1 9 9 7 41 9 9 8 41 3 2 0 0 2 42 0 0 3 31 2 7 m o t i e t 小波分析方法 小波分析方法在时域和频域上同时具有趋好的局部性质，可以分析出时间序列周期变 化的局部特征，从而能更清楚的看到各周期随时间的变化情况，因而在气候分析中得到广 泛的应用。 小波变换的基本思想是用一簇函数去表示或逼近一个信号或函数，它通过一个基本小 波函数的平移和伸缩得到。复数形式的小波，因其实部和虚部的位相差为石2 ，用复小波 变换系数的模来作为判别气候资料中包含的各尺度周期性的大小及这些周期在时域中分布 的判据，能够消除用实型小波变换系数作为判据而产生的虚假振荡，使分析结果更准确。 所以本文中采用连续m o r l e t 小波作为基函数进行小波变换，它能够很好的对资料序列连续 1 】 进行时频局部化分析。 胁m 小波的形式为：y 。g ) = 著e 一手 ( 2 7 ) 小波系数模、小波系数实部是m o r l e t 小波变换得到的最重要的变量。小波系数模的大 小表示特征时间尺度信号的强弱，其模值越大，表示其所对应的时段和尺度的周期性越明 显。m o r l e t 小波系数的实部包含所给定时间和尺度信号相对于其它时间和尺度信号的强度 和位相两方面的信息 1 2 第三章e n s o