（气象学专业论文）黑潮区域海温异常与东亚季风之间相互关系的初步研究.pdf

摘要 本文利用统计分析和数值模拟的方法研究了黑潮区域海温异常与东亚季风之间 的相互作_ | = j ，得到了以下结论。 ( 1 ) 秋季黑潮区域海温异常与东亚冬季风有明显的正相关关系。当秋季黑潮区 域海温异常偏高，东亚地区的海陆气压差异进一步加大，东亚大槽北部减弱、南部 加深、位置东移，东亚地区的偏北风加强，亚洲地区西风环流减弱，即东亚冬季风 加强：反之亦然。 ( 2 ) 东亚冬季风异常对冬季黑潮区域海温异常有密切的联系，当东亚冬季风偏 强时，冬季黑潮区域海温偏低；反之，冬季黑潮区域海温偏高。其联系的途径可能是 通过改变西北太平洋地区的感热和潜热通量来进行的。 ( 3 ) 前期冬季黑潮区域海温异常与东亚夏季风存在显著的联系。当冬季黑潮区 域海温异常偏高时，亚洲热低压强度减弱，西北太平洋副热带高压位置西伸且偏北， 强度明显偏强，梅雨锋位置偏南，长江中下游地区降水偏多。反之，亚堋热低压强 度加强西j t 太平洋副热带高压位置东撤且偏南，强度明显偏弱，梅雨锋位置偏北， 我国华北地区降水偏多。 ( 4 ) 利用n c a r c c m 3 模式模拟冬季黑潮区域海温异常对东亚夏季风的影响，模 式模拟的结果与统计分析结果是一致的即前期冬季黑潮区域海温异常可以通过影 响次年夏季的西太平洋副热带高压的强度和位置变化以及东亚夏季风环流的强弱， 从而进一步影响我国东部地区的降水，尤其是长江中下游地区。 关键词：黑潮东亚季风数值试验 a b s t r a c t b yb s eo ft h eo b s e r v a t i o n a ia n dn u m e r i c a lm e t h o d s t h ei n t e r a c t i o no fk u r o s h i o s s l 、aa n dt h ee a s ta s i a nm o n s o o na r es t u d i e di nt h i sp a p e r c o n c l u s i o n sa r ed r a w na s f o l l o w s ： f 1 ) t h e r e i sac l o s e l yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ea u t u m n k u r o s h i os s l a a n d t h ee a s t a s i a nw i n t e rm o n s o o n ( e a w m l w h e nt h ea u t u m nk u r o s h i os s l ai s p o s i t i v e ，t h e s e a - l a n ds e al e v e lp r e s s u r ed i f f e r e n c e si nt h ee a s ta s i a nr e g i o nb e c o m el a r g ei nw i n t e r ， t h ee a s ta s i a nt r o u g ha t5 0 0 h p as h i f t se a s t w a r da n di sd e e pi ni t ss o u t ha n ds h a l l o wi nt h e n o r t h e m a l o n gw i t hs 订o n gn o a hw i n d si nt h e 曲o v ea r e aa n dw e a kw e s t e r l yc i r c u l a t i o n i nt h ea s i a nr e g i o n n a m e l y , t h ee a w mb e c o m e ss t r o n g ，a n dv i c ev e r s a f 2 ) t h ea n o m a l o u se a w mp r e d o m i n a n t l yr e l a t e st ot h ew i n t e rk u r o s h i os s t a t h e w i n t e rk u r o s h i os s l _ ab e c o m e s p o s i t i v e ( n e g a t i v e ) w h e nt h e r ei sas 订o n g ( w e a k ) e a w m t h e p o s s i b l e l i n k s m i g h t b et h ew i n t e r1 a t e n ta n ds e n s i b l eh e a tr e l e a s ei nt h e w e s t - n o r t h e r np a c i f i co c e a n ( 3 ) t h ep r e v i o u s l yw i n t e rk u r o s h i os s t ar e l a t e sg r e a t l yt ot h ee a s ta s i a ns u m m e r m o n s o o n ( e a s m ) w h e n t h ew i n t e rk u r o s h i os s t ai s h i g h t h e r ei sh i g h ( 1 0 w ) p r e s s u r e ( c o m p a r e d w i t hm e a n ) i nt h ea s i aa n dw e a k ( s t r o n g ) e a s t e r l y j e ta th i g hl e v e li ns u m m e r , a tt h es a r u et i m e , t h ew e s t - n o r t h e r np a c i f i ch i g hb e c o m e ss t r o n g ( w e a k ) a n ds h i f t s w e s t w a r d ( e a s t w a r d ) a n dn o r t h w a r d ( s o u t h w a r d ) a sar e s u l t ，t h em e i y uf r o n tm o v e s s o u t h w a r d ( n o r t h w a r d ) a n db r i n g so nm o r e ( 1 e s s ) r a i n f a l la tt h em i d d l e l o w e rr e a c h e so f t h ey a n g t z er i v e ra n di e s s ( m o r e ) a tn o r t hc h i n a ( 4 ) b a s e do nt h en c a rc c m 3s i m u l a t i o n s ，t h ei n f l u e n c eo ft h ep r e v i o u s l yw i n t e r k u r o s h i os s l ao nt h ee a s mi s i n v e s t i g a t e d r e s u l t sf r o mt h es i m u l a t i o n sa r eh i 曲l v c o i n c i d e n c ew i t ht h eo b s e r v a t i o n s ，n a m e l y , t h ew i n t e rk u r o s h i os s t a m a yi m p a c t st h e s u b s e q u e n ty e a re a s tc h i n as u m m e rr a i n f a l lb ym a k i n gi n f l u e n c i n go nt h es t r e n g t ha n d j o c a t i o no f t h ew a s t - n o r t h e r np a c i f i ch i g ha n dt h ee a s m s y s t e m s k e yw o r d s ：k u r o s h i o e a s t a s i a nm o n s o o nn u m e r i c f le x p e r i m e n t n 第一章引言 1 1 研究意义 黑潮是北太平洋一支强大的西边界流。它源自我国台湾东南及巴士海峡以东海 域，流经我国台湾东岸、东海东部、日本南岸至本闸铫子近海，往东成为黑潮续流。 黑潮以流速强、流量大、流幅狭窄、流路远长和深度大而著称，具有高温、高盐、 透明度大和水色深蓝等特点。黑潮区域的感热、潜热通量很大，净热量释放是全球 海洋中最大的这种热量释放向北半球大气输送了大量的能量。黑潮的存在与变 异，对东亚大气环流、中国沿海、日本南部及东海海域环境、沿海气候、渔业资源 等均有较大影响； 亚洲地区是世界上最著名的季风区，其季风特征主要表现为：存在两支主要的 季风环流，即冬季盛行东北季风和夏季盛行西南季风，并且它们的转换具有爆发性 的突变过程，中间的过渡期较短。我国地处东亚季风区，东亚季风变异严重影响着 我国东部的旱涝等灾害性天气、气候的发生，从而给我国带来严重的经济损失。每 年，由于亚洲季风的异常所引起的早、涝、寒害、雪灾、沙尘暴等灾害，给中国造 成约2 0 0 0 亿元以上的经济损失，占国家g d p 的3 - - - 6 左右。因此，亚澳季风的变 化与异常一直是该地区气象学家的主要研究课题，也是当今国际c l i v a r ( 气候变化 与可预测性) 研究计划的重要研究内容之一。 海气相互作用一直被认为是造成短期气候变化的一个原因。b j e r k n e s s 3 4 1 第一次 提出把海洋和大气结合在一起，研究海洋和大气之间的耦合作用。此后，气象学家、 海洋学家对海气相互作用的问题开展了广泛的研究。然而有关海气相互作用的研 究主要集中于热带地区，中纬度海气相互作用研究的进展则相对缓慢，目前这方面 的研究主要集中于北太平洋中部的n a m i a s 区域和西北大西洋的蹦区域口4 】，对黑潮 区域的海气相互作用的研究还很不够。研究黑潮区域海温异常与东亚季风相互作用 的物理过程和机制，对于进一步提高我国东部气候变化的预测将是很有意义的。 1 2 黑潮区域海温的研究进展 1 2 1 有关黑潮的调查研究 日本是世界上对罴潮研究最多、最深的国家。早在上个世纪，他们就开始了对 黑潮的调查研究。本世纪6 0 年代以后，他们先后组织了国际黑潮及其邻近海域联合 调查( c s k ，1 9 6 2 1 9 7 8 年) 和黑潮开发利用计划( k e r ，1 9 7 7 1 9 8 6 年) 两次大规模 的黑潮调查。我国对黑潮的调查起步较晚，从1 9 5 8 年全国海洋普查以来，也曾在黑 潮海域进行过些调查工作，但基本上是在1 2 4 。e 以西海域范围内：此后，国家海 洋局于1 9 8 4 1 9 8 5 年组织了东海黑潮试验性调查。这些调查研究与日本相比，无论 在调查和研究的广度和深度、调奄手段和观测方法，还是在投入的人力、物力和财 力方面都相差缀大。为了弄清黑潮的变化机制和黑潮给两国附近海域带来的多种影 响，国家海洋局与日本科技厅决定于1 9 8 6 年开始进行黑潮的合作调查研究，并丁 1 9 8 7 年6 月正式签署了为期7 年的关于两国黑潮合作调查研究项目实施协议。1 9 9 1 年一1 9 9 3 年国家海洋局第二海洋研究所与日本筑波大学，九州大学及鹿几岛大学进 行联合调查研究，1 9 9 5 年一1 9 9 8 年开展了中日副热带环流调查研究a 1 9 9 0 年1 0 月 一1 9 9 6 年5 月我国台湾省学者在台湾岛以东p c m i 断面( 2 4 5 0 n 附近) 对黑潮进行了 1 6 个航次调查。国家自然科学基金还有一些其他项目，支持对黑潮及琉球群岛以东 海流进行调查研究。 ， 1 2 2 黑潮区域海温异常与东亚大气环流及我国气候的研究 1 2 2 1 黑潮区域海温异常与我国气候的关系 早在2 0 世纪5 0 年代初，吕炯l l i - i2 1 就注意到西北太平洋海温对我国旱涝的影响， 并揭示了西北太平洋s s t 与长江中下游降水的关系。我国学者f l 川分析北太平洋s s t 距平与我国东部地区夏季降水的关系，发现前冬黑潮和亲潮区的s s t 与长江中f 游 和华北平原的夏季降水存在明显的相关性。这种相关性从上年秋末开始，一直持续 到初春。他们将这一结果用于长期预报，取得了很好的效果。研究”4 1 表明，冬季黑 潮海温加热对副高进退有影响从而影响5 、6 月份长江下游的降水。黑潮海域冬季 与春季的连续加热，对东北地区夏季温度影响很大，尤其是冬季更明显【l ”j 。徐海 明l l “分析表明，华南夏季降水与前期冬季1 月的黑潮海温存在显著的负相关，冬季 1 月黑潮异常增暖有利于华南夏季干旱的产生，而异常偏冷则有利于洪涝的产生。 谭桂容等i l 埘研究我国东部夏季降水型与北半球大气环流和北太平洋海温的关系，指 出若前冬太平洋北部区及黑潮区的海温偏冷时，而赤道中东太平洋的海温偏暖时， 且箍个北太平洋的海温正负距平分布呈经向发展时，我国夏季雨型则多为3 类。北 半球海温距乎场具有北冷南暖的特征，并且黑潮区的海温为正距平时，我国夏季雨 型多为i 类。张耀存等”利用全球大气环流谱模式研究了前期冬季和春季海温异常 的关键区对我国长江中下游地区夏季降水的影响，数值试验结果表明，冬季赤道东 太平洋和黑潮区海温异常及春季印度洋和黑潮区海温异常使得长江中下游地区的夏 季降水明显增多，同时副热带高压和南亚高压增强，但从范围和强度上来看，冬季 赤道东太平洋和黑潮区海温异常时我国西南至长江中下游地区一带的夏季降水异常 比春季印度洋和黑潮区海温异常时更明显。陈烈庭等m l 对中国东部夏季( 6 8 月) 雨带分布分型的基础上，分析了各雨型与同期和前期各季太平洋海温异常的关系。 分析表明对应不同雨型，无论同期或前期整个太平洋海温距平分布的基本形势都 育明显不同的特点，特别是北太平洋黑潮暖流和热带太平洋赤道冷水带海温的异常， 这两个海区的海温变化明显，而且与其周围( 西北太平洋呈“) ”型，热带太平洋呈 “( ”形) 的海温存在反楣的变化，指出西北太平洋和热带太平洋各种海温距平不同 配簧的共同影响，是导致中国东部夏季降水雨带的分布类型的一个重要因素。当前 期冬季赤道印度洋、黑潮、热带东太平洋、赤道大西洋海表温度异常升高( 降低) ， 当年夏季印度西南季风和东热带辐台带减弱( 加强) ，副热带高压位置偏南( 北) ， 副热带辐合带加强( 减弱) ，长江流域易发生洪涝( 干旱) 。相关显著性分析表明， 前冬赤道印度洋和黑潮区海温异常对中冒夏季降水的影响更为显著【l 】。李跃风等1 2 2 j 2 指出夏季黑潮区海温与同期长江流域的降水存在明显的正相关。当前期冬季赤道印 度洋、黑潮、热带东太平洋、赤道大西洋海表温度异常升高( 降低) ，当年夏季印度 西南季风和东亚热带辐台带减弱( 加强) ，副热带高压位置偏南( 北) ，副热带辐合 带加强( 减弱) 长江流域易发生洪涝( 干旱) 。相关显著性分析表明，前冬赤道印 度洋和黑潮区海温异常对中国夏季降水的影响更为显著。 1 2 2 2 黑潮区域海温异常与东亚大气环流的关系 前期冬春季中纬度黑潮区海温偏高，则夏半年副商脊线较平均位置南压l 吧纬 度，江淮流域汛期偏涝。反之，前期冬春季中纬度黑潮区海温偏低，则夏半年副高 脊线较平均位置偏北，江淮流域汛期偏旱田j 。赵汉光口4 ”研究指出夏季副热带高压 脊线位置与黑潮强弱( 3 0 。h 附近) 呈正相关，西伸脊点位置与黑潮海温( 2 0 。n 附 近) 里负相关。夏季各月西太平洋副高脊线位置与同期黑潮地区海温关系较好。即 在月平均副热带高压脊线的北侧黑潮区海温偏高、南侧偏低时，副热带高压易偏北； 反之，副热带高压脊线的北侧黑潮区海温偏低、南侧偏高时，副热带高压易偏南。 常称之为“避冷趋暖移动”。赵永平等口”研究指出冬半年海气相互作用为一正反馈过 程，当亚洲大陆冷空气强时，海洋异常多加热，东亚大槽加深，后者又导致冷空气 进一步加强；夏半年黑潮海域海洋的异常加热主要受青藏高原热力状况制约。大气 中的w p 型强迫作用于黑潮暖流区的海温，海温滞后大气一个月。具体表现为在东 亚冬季风较弱的年份，鄂雀次克海海冰增多，白令海海冰减少，黑潮暖流区海瀑增 高，反之则相反b ”。陈兴芳等田1 研究表明当冬春黑潮加强时，初夏欧洲高压脊和东 皿阻高发展，亚洲西部为低槽区。我国南方和沿海地区高度场偏高，在此环流形势 下冷空气势力较强，副高位置正常偏北，有利于我国北方或长江流域降水。相反， 表明当冬春黑潮减弱时，初夏欧洲为低槽区，亚洲茜部为高压脊，我国南方和沿海 地区高度场偏低，影响我国的冷空气偏西，副高位置偏南，有利于我国华南和江南 地区降水。朱伟军、孙照渤1 2 9 - 3 1 研究表明，冬季黑潮区域海温正异常时，风暴轴和 急流均明显北移，并且风暴轴的强度在入口区明显增强，急流核的中心强度却变化 不大。进一步研究结果表明黑潮区域海温主要影响冬季北太平洋风暴轴入口区和斜 压性，激发或加强5 0 0 h p a 高度场上的、p 遥相关型，主要影响冬季北半球风暴轴载 入口区的强度变化和南北位移。李崇银等p ”利用l a p g c m 就冬季黑潮s s t 正异常 对我国东部汛期降水的影响进行了数值模拟研究结果表明：冬季黑潮s s t 正异常 使华j b 及东北地区汛期降水量偏多。王黎娟等p ”通过数值试验研究表明，黑潮地区 海温正异常，将导致西太平洋副高位置偏南，强度偏强，南海大部分地区还处于副 高南侧的偏东气流之下，阻碍南半球赤道气流的东伸北抬，导致南海夏季风建立较 晚，强度偏弱，江淮流域偏涝：反之亦然。 1 3 本文拟研究的主要内容 以往的研究揭示出了黑潮区域海温异常对大气环流和我国气候的影响事实，并 对这些有意义的物理现象进行了初步解释。但是，对于黑潮区域海濡异常与东弧季 风相互作用的物理过程和机制的研究还不蟛。对于黑潮区域的海气相互作用，还存 在以f 几个阃题需要进步去解决： ( 1 )秋季黑潮区域海温异常是否可能对东亚冬季风产生影响。以往的研究主 要考虑冬季黑潮海温与东亚冬季风之间的关系，对于前期黑潮海温异常变化对东亚 冬季风的作用缺乏了解，该问题的解决对于提高对东亚冬季风强度的预测效果是有 意义的。 ( 2 )对于东亚冬季风与冬季黑潮区域海温异常相互作用的问题，赵永平等 2 7 】【3 4 “】认为中纬度海域海气相互作用的强信号是冷空气强度，即海温的变化是对海 洋失热多少的响应，与热带地区的海气相互作用相反。但是对于这种关系产生的物 理机制还不太清楚。 ( 3 )对于冬季黑潮海湿与东孤夏季风的影响，以往的工作表明，冬季黑潮区 域海温异常与我国东部夏季早涝有密切的联系，研究结果基本上都认为冬季黑潮海 温异常通过影响西太平洋副热带高压位置和强度变化，从而进一步影响我国夏季汛 期降水的。而冬季黑潮海温异常与夏季大气环流中其他系统的关系如何，需要进一 步弄清。 ( 4 )上述结论基本是基于统计分析的结果，有必要采用数值模拟的结果去验 证和解释，从而揭示黑潮海温异常与东亚季风的关系以及相互作用的可能机理。 基于以上存在的问题，本文拟进行以下工作：首先分析秋季黑潮区域海温异常 与东亚冬季风的关系，其次研究东亚冬季风与冬季黑潮区域海温异常的关系，然后 讨论冬季黑潮海温异常与东亚夏季风的联系，最后利用数值模式模拟冬季黑潮海温 异常对东亚夏季风的作用。 第二章资料和方法 2 1 资料说明 l 、海表温度资料：n o a a 提供的1 8 5 4 年1 月一2 0 0 2 年1 1 月延长重构( e x t e n d e d r e c o n s t r u c t e d ) 的月平均海表温度场资料，网格距2 。2 0 ( 经度纬度) ，本文取 其中1 9 5 1 年1 月到2 0 0 0 年1 2 月的资料a 2 、气温和降水资料：中国国家气象局整编的1 6 0 个标准站逐月气温、降水资料， 时间取为1 9 5 1 年1 月至2 0 0 0 年1 2 月。 3 、高度场、风场、1 0 0 0 h p a 气温场、海平面气压、感热、潜热通量资料：美国 n c e p n c a r 提供的再分析月平均资料( 1 9 4 8 年1 月至2 0 0 0 年1 2 月) ，网格距 为2 5 。2 5 0 ( 经度纬度) 。 4 、西太平洋副热带高压指数资料：中国气象局气候中心月气候监测公报的1 9 5 1 年1 月至2 0 0 0 年1 2 月的西太平洋副热带高压指数资料。 2 2 方法简介 1 、相关分析 2 、合成分析 3 、高斯滤波 4 、滑动，_ 检验p 6 】 滑动t _ 检验是用来考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变。 统计量的表达式：2 i 五互三五x 霉2j-蕊xi-i- r 啊j i 2 j i l i r1 i1 主 门l + 九2 一z，z l厅2 式中n 1 、n 2 分别是某一基准点前后两段子序列x l 和的样本数，i 、x 2 分别 是两段子序列的平均值，s l 、s 2 分别是相应的均方差。t _ 统计量具有自由度为 ( 托+ n ，一2 ) 的t 分布，查t 一分布表得到t 。，当r “时，表明通过显著性检验， 当t t 0 时，表明不显著。 5 、小波变换方法p q 小波变换方法是一种时频分析方法，是由f o u r i e r 变换方法发展而来的。传统的 f o u r i e r 变换方法是一种频域分析，对频率( 周期) 具有分辨率，但有其固有的缺陷， 它几乎不能获取信号在任意时刻的频率特征，而在实际问题中所关心的恰恰是信号 局部范围内的特征。而运用小波变换的方法既可以了解时间序列的不同时间域的频 率( 周期) 特征又可以了解不同频率的时间分布特征。 对丁：一维时间序列工( ，) ，其小波变换定义为： 啊，= 弘味肛击弘旷c 争西 其中：( a ，6 ) 是小波系数，盯是尺度参数，b 是位置平移参数，l 6 ( r ) 是小波的 函数，l 壬，+ ( f ) 是小波函数掣m ( t ) 的共扼函数。 上式中小波函数甲( f ) 可以取不同的形式，本文采用m o r l e t 小波进行变换。取 标准m o r l e t 小波为母小波，表达式为：v ( f ) = e j 2 m e 2 其子小波为v ( f ) ：下1 甲【t - b ) ： p “譬p 一；了i - b 2 、a 口 - q a 用来反映时频特征的是小波变换系数r u ( a ，b ) ，小波系数模平方( 陟( 口，6 ) 1 2 ) 的大小可以表示时间尺度信号的强弱，由于m o r l e t 小波的实部也是一个对称的小波 函数，小波系数w ( a ，6 ) 的实部可以表示不同特征时间信号在不同时间的强弱和位 相两方面消息。 6 、滑动相关分析 假设两个一维时间序列x 、y ，其样本蚝度均为n ，那么其滑动相关系数表达式 为： r ( t o ) = f n + i x ( t ) 一一x ( t o ) j i y ( t ) 一而】 ，一i o m 警一而： t b 一吖 jl o + m 一 0 暑y o ) - 灭耐 其中，而：7 1 兰州，y 一( t o ) ：了1 。参上：2 m + 1 为滑动窗口缆 山，= f n m l t m t n - m 6 第三章秋季黑潮区域海温异常与东亚冬季风的关系 本文根据黑潮主流轴所在的位置及其邻近海域【1 】【”i ，将黑潮区域选取为 1 2 2 - 1 4 0 6 e ，2 0 3 6 。n ，黑潮区域内各点s s t 的平均值定义为黑潮区域海温指数， 秋季指9 月、1 0 月、1 1 月三月，冬季指当年1 2 月及次年的1 月、2 月。 3 1 黑潮区域海温指数的季节变化特征 图3 1 ( a ) 、( b ) 给出了1 9 5 0 年至2 0 0 0 年的黑潮区域海温指数的季节变化曲 线。由图3 1 ( a ) 可见，黑潮区域海温平均值在冬春季较低，而在夏秋季则温度较 高。其中2 月份黑潮区域海温在一年中是最低的，仅为1 9 0 7 。c ，8 月份最高，为 2 8 1 2 c 。圈3 。l ( b ) 显示：黑潮区域海温均方差值具有明显的季节变化特征。方 差值在夏秋季较小，而在冬春季较大，均方差值在1 月份最大( 0 4 8 c ) ，而8 月份 的海温均方差值最小( 0 3 0 c ) 。这与平均值的季节变化基本相反，说明黑潮区域海 温年际变化的振幅在冬春季较大，夏秋季较小。 二二二二二二二 图3 1a 多年平均逐月黑潮区域海温平均值( 横坐标是月，纵坐标单位：) b 逐月黑潮区域海温指数均方差值( 横坐标是月，纵坐标单位：) 3 2 秋季黑潮区域海温的年际变化特征 图3 2 给出了1 9 5 1 年至1 9 9 9 年秋季黑潮区域海温指数标准化序列。从图中可 以看出，秋季黑潮区域海温指数具有很显著的年际变化，1 9 6 5 年以前海温指数呈阶 段性地正负交替变化特征；从1 9 6 5 年开始至1 9 9 3 年，秋季黑潮海温指数基本为负 值，表明该阶段海温基本较低；1 9 9 4 年以后海温指数基本上为正值，尤其是1 9 9 8 、 1 9 9 9 年其标准化指数达到3 左右，海温明显偏高。下文中为了具体研究秋季黑潮区 域海温异常对东亚冬季风的影响，从秋季黑潮海温指数标准化序列中挑出其标准化 值大于l 0 的年份( 1 9 5 2 、1 9 6 1 、1 9 8 3 、1 9 9 5 、1 9 9 8 、1 9 9 9 共6 年) 作为秋季黑潮 区域海温的高值年，标准化值小于一1 0 的年份( 1 9 5 7 、1 9 6 5 、1 9 6 8 、1 9 8 6 、1 9 9 2 共 5 年) 作为秋季黑潮区域海温的低值年，进行对比分析。 二二二二二二= 图3 2 1 9 5 1 年至1 9 9 9 年秋季黑潮区域海温指数标准化距平 3 3 秋季黑潮区域海温异常与东亚冬季风的关系 黄荣辉等【2 】指出：由于对季风认识的不同，因此就产生对衡量季风强弱标准一一 季风指数定义的不同。对于东季风指数的定义有很多种3 9 “l ，本文采用施能等【4 0 】 给出的东弧冬季风强度的定义，首先对1 6 0 0 e 和1 1 0 0 e 的气压进行标准化，然后用 1 1 0 0 e 减去1 6 0 。e 的气压，并对其在2 ：n 5 0 0 n 求和，将得到的资料再进行一次标 7 准化即为东亚冬季风强度指数。 图3 3 a 给出了1 9 5 1 年至1 9 9 9 年东亚冬季风指数曲线。图3 3 b 为1 9 5 1 年至 1 9 9 9 年东亚冬季风指数与前期秋季北太平洋海温的相关系数分布，由图上可见，东 弧冬季风指数与秋季赤道东太平洋以及北太平洋中部地区的海温为较好的负相关， 而与西北太平洋地区的海温为正相关，特别是黑潮区域附近，最大相关值达到0 4 以上通过9 9 的显著性水平。秋季黑潮区域海温指数与东亚冬季风指数之间的相 关系数为0 3 7 8 6 ( 通过o 0 1 的信度检验) ，表明当秋季黑潮区域海温偏高时，当年 的东亚冬季风指数也偏高，即东亚冬季风偏强；反之，则当秋季黑潮区域海温偏低 时，当年的东亚冬季风指数也偏低，即东亚冬季风偏弱。 二二二二二二二 图3 3 a1 9 5 1 年至1 9 9 9 年东亚冬季风指数曲线 二二二二二二二二 图3 3 b 1 9 5 1 年至1 9 9 9 年东亚冬季风指数与前期秋季北太平洋海温的相关系数 ( 阴影区为通过0 0 5 的信度检验) 下文从秋季黑潮区域海温异常与大气环流及我国冬季气温、降水的关系方面 进一步分析秋季黑潮海漫异常与东亚冬季风变化的关系。 3 3 ，1 秋季黑潮区域海温异常与冬季东亚地区海平面气压场( s l p ) 的关 系 图3 3 1 给出了秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季北半球s l p 的距平 合成图以及差值和t 检验分布。如图3 3 1 a 所示。在秋季黑潮区域海温高值年，冬 季亚洲大陆的气压距平合成均为正值区，蒙古高压位置有一较大的正值中心，达到 3h p a ，而在西北太平洋地区则为大范围的负值区，负值中心位于( 1 7 0 。e ，4 0 。n ) 。 即表明秋季黑潮区域海温升高时，冬季亚洲大陆上强大的蒙古冷高压将加强，而阿 留申低压将加深南移，使得冬季海陆之间气压差异进一步加大，有利于东皿冬季风 的加强。而在秋季黑潮区域海温低值年( 图3 3 1 b ) ，则刚好相反，亚洲大陆均为 负值区，在蒙古高压位置为一负值中心。中心变压l h p a 左右，而在西北太平洋地区 则为大范围的正值区，最大正值可达3 5 h p a 。这表明秋季黑潮区域海温降低时，冬 季控制亚洲大陆的蒙古冷高压将减弱，同时阿留申低压也将减弱，使得冬季海陆气 压差异减小，将导致东姬冬季风的强度有所减弱。其差值( 高值年份减去低值年份， f 同) 分布图( 图3 3 1 c ) 上同样可以看到，秋季黑潮区域海温的升高有利下冬季 蒙古高压的加强和阿留中低压的加深，从面导致强东亚冬季风的发生。且s l p 差值 t 检验分布表明，上述变压中心均通过0 0 1 的信度检验，具有较高的统计显著性特 征，表明秋季黑潮区域海温异常可以明显的影响冬季东弧地区海陆之间的气压差异， 也说明秋季黑潮区域海温异常与东亚冬季风关系是谁常密切的。 8 二二二二二二二 图3 3 1 秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季北半球s l p 的距平合成图 以及差值和t 检验分布a 高值年b ，低值年c 差值和t 检验分布 ( 阴影区为通过0o l 的信度检验) ( 单位：h p a ) 3 3 2 秋季黑潮区域海温异常与冬季5 0 0 h p a 位势高度场的关系 圈3 3 2 给出了秋季黑潮海温指数高低值年份对应冬季5 0 0 h p a 位势高度场的距平合 成图及其差值和t 检验分布。如图所示，在秋季黑潮区域海温高值年( 图3 3 2 a ) ， 冬季5 0 0 h p a 位势高度场上相应地存在异常的高度距平变化，西北太平洋地区、日本 和我国东海附近有负的高度距平，最大负值中心位于( 】6 0 。e ，4 0 。n ) 附近，为一3 位势什米( d a g p m ) ，面在亚洲太陆上有正的高度距平，这样的高度距平场分布使得 冬季东皿大槽北部被填塞减弱、南部加深东亚大槽位置东移，青藏高原北部上空 的脊抬升加强，有利于东亚冬季风的加强，而且使得影响我国东北地区的冷空气有 所减弱，而日本附近和华南地区加强。反之，秋季黑潮海温低值年( 图3 3 2 b ) ， 上述区域的距平基本反向，使得冬季东亚大槽北部加深、南部减弱，青藏高原北部 上空的脊也出现减弱，表明东亚冬季风将减弱，此时我国东北地区位于东亚大槽附 近，影响该地区的冬季北方强冷空气有所加强，而影响日本附近和华南地区的冷空 气将减弱。从其差值和t 检验分布( 图3 3 2 c ) 可见，在( 1 6 0 。e ，4 0 。n ) 附近的 高度距平值达到一6 位势什米，同时亚洲大陆上空出现两个明显的正变高中心，这样 的高度距平场分布将使得东亚冬季风强度加强，而且从t 检验分布上可以看出，上 述的距平中心均达到0 0 1 的信度检验，表明秋季黑潮区域海温异常造成的5 0 0 b p a 位势高度场差异是很显著的，并且可以看到，冬季5 0 0 h p a 位势高度场的这种差值分 布类似于w p 型大气环流遥相关，说明秋季黑潮区域海温异常可以通过w p 型大气 环流遥相关来影响冬季的大气环流场。 二二二二二二二 图3 3 2 秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季5 0 0 h p a 位势高度场的距平合成 图以及差值和t 检验分布a 高值年b 低值年c 差值和t 检验分布 ( 阴影区为通过0 o l 的信度检验) ( 单位：d a g p m ) 3 3 3 秋季黑潮区域海温异常与冬季8 5 0 h p a 风场的关系 图3 3 3 给出了秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季8 5 0 h p a 水平风场的距平 台成及其差值图。由图3 3 3 a 可以看出，在秋季黑潮区域海温高值年，蒙古地区出 现反气旋式风场距平，西太平洋地区和南海南部出现气旋式风场距平。这样我国东 部地区的风场距平基本上为偏北风说明东砸冬季风加强。反之，在秋季黑潮海温 低值年( 图3 3 3 b ) ，原来在蒙古地区反气旋式风场距平变成气旋式风场距平，而 西太平洋地区出现一个大的反气旋式风场距平，南海南部的风场距平也变成了反气 9 旋式。这样的风场距平分布，使得东亚地区的风场距平基本上为偏南风，说明东亚 冬季风减弱。从其风场差值分布( 图3 3 3 c ) 可以看到东亚地区的风场差值基本上 是偏北风异常，所以秋季黑潮区域海温与东亚冬季风有很好的正相关关系。 二二二二二二二二 图3 3 3 秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季8 5 0 h p a 风场的距平合成图以及 差值a 高值年b 低值年c 差值( 单位：m s ) 3 3 4 秋季黑潮区域海温异常与冬季5 0 0 h p a 风场的关系 图3 3 4 给出了秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季5 0 0 h p a 水平风场的距平 合成及其差值图。由图3 ，3 4 a 可以看出，在秋季黑潮区域海温高值年，5 0 0 h p a 上 中高纬度中西伯利亚地区出现反气旋式风场距平，弧洲地区西风环流减弱。西太平 洋地区、日本附近出现大范围的气旋式风场距平影响我国东北和华北地区的距平 风场为来自北太平洋的偏东气流，同时在我国华南上空也出现一气旋式风场距平 使我国华南地区受偏西气流的影响。这样我国东部地区的经向风距平基本上为偏北 风，说明东亚冬季风加强。反之，在秋季黑潮区域海温低值年( 图3 3 4 b ) ，5 0 0 h p a 上申高纬度中西伯利亚地区出现气旋式风场距平，亚洲地区西风环流加强。而西太 平洋地区出现个火的反气旋式风场距平，我国东部沿海的风场距平主要为东南风。 这样的风场距平分布，使得东亚地区的经向风距平基本上为偏南风，说明东亚冬季 风减弱。从其风场差值分布( 图3 3 4 e ) 可以看到东亚地区的风场差值基本上是偏 北风异常，所以秋季黑潮区域海温与东亚冬季风有很好的正相关关系。 二二二二二二二二 图3 3 4 秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季5 0 0 h p a 风场的距平合成图 以及差值a 高值年b 低值年c 差值( 单位：m s ) 3 3 5 秋季黑潮区域海温异常与冬季2 0 0 h p a 风场的关系 图3 3 ，5 给出了秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季2 0 0 h p a 水平风场的距平 合成及其差值图。由图可见，在秋季黑潮区域海温高值年( 图3 3 5 a ) ，在冬季2 0 0 h p a 风场土中纬度东亚沿海地区出现了一个很强的反气旋式风场距平，在印度北部地厦 有一个气旋式风场距平，使中纬度1 1 5 。e 西风急流加强而且位置偏北，同时低纬度 的南半球向北越赤道气流增强，这些东亚大气环流系统变化表明此时冬季风偏强； 而在秋季黑潮区域海温低值年( 图3 3 5 b ) ，在冬季2 0 0 h p a 风场上，原先位于印度 北部的气旋式风场距平移至孟加拉湾北部，而在西北太平洋上也有一个火范围的气 旋式的风场距平，这样低纬度的南半球向北越赤道气流减弱，在中纬度1 1 5 。e 西风 急流偏弱而且位置偏南，表明冬季风强度偏弱：在其著值场上( 图3 ，3 5 c ) ，可以 清楚地看到，当秋季黑潮区域海温异常偏高时，低纬度的来自南半球的越赤道气流 异常加强而西风急流也明显地偏强，即冬季东亚季风偏强。 o 厂 l - - - - - _ j 图3 3 5 秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应冬季2 0 0 h p a 风场的距平合成图 以及差值a 高值年b 低值年c 差值( 单位：m s ) 3 3 6 秋季黑潮区域海温异常与我国冬季气温的关系 图3 ，3 6 给出了秋季黑潮区域海温指数商低值年份对应中国1 6 0 个站冬季气温 的差值分布。从图上可以看出，我国东北和华北地区气温差值为正距平，其它地区 冬季气温为负距平，华南地区负值最大。表明秋季黑潮海温升高，我国华南地区冬 季将出现大范围的降温，而东北地区冬季气温有所上升。其原因是：由于秋季黑潮 区域海温异常偏高，使得5 0 0 h p a 高度上的东亚大槽北部减弱、南部加深，位置东移， 使得影响我国东北和华北地区的西北风减弱。使该地区的冷空气强度减弱，冬季温 度上升，而华中和华南地区受高纬度中西伯利亚下来的异常东北风影响，到达上述 地区的冷空气强度加强，导致我国南方地区的气温明显下降。 二二二二二二二 图3 3 6 秋季黑潮区域海温指数高低值年对应中国1 6 0 个站冬季气温的差值 ( 单位：) 3 3 7 秋季黑潮区域海温异常与我国冬季降水的关系 图3 3 7 给出了秋季黑潮区域海温指数高低值年份对应中国冬季降水的差值。 如图所示，我国大部份地区的降水差异表现为负值区，尤其在江淮流域及华南地区 负值较大，相对于平均状态，最多降水量下降了2 4 r a m 。即当秋季黑潮海温升高时， 我国大部份地区的冬季降水量将减少，特别是江淮流域及华南地区最为明显。其原 因可能是，秋季黑潮区域海温升高，引起东亚冬季风偏强，使得我国大部分地区主 要受中高纬度吹来的干冷空气的影响，以致冬季降水明显减少，尤其是我国华南地 区。 二二二二二二二二 图3 3 7 秋季黑潮区域海温指数高低值年对应中国1 6 0 个站冬季降水的羞值 ( 单位：) 3 4 本章小结： 综合上述分析，可以看出：秋季黑潮区域海温异常与东弧冬季风有着密切的关 系。当秋季黑潮区域海温异常偏高冬季亚洲大陆上强大的蒙古冷高压将加强，而 阿留申低压将加深南移，使得东哑地区的海陆气压著异进一步加大，东弧大梢北部 减弱、南部加深、位置东移，尔亚地区的偏北风加强，5 0 0 h p a 上亚洲地区两风环流 减弱，2 0 0 h p a 上中纬度1 1 5 6 e 西风急流偏强而且位置偏北，南半球越赤道气流偏 强，郎东亚冬季风加强，使得我国华南地区冬季将出现大范围的降温，而东北地区 冬季气温有所上升，我国大部份地区的冬季降水量将减少：相反，当秋季黑潮区域 海温异常偏低时，冬季控制亚洲大陆的蒙古冷高压将减弱，同时阿留申低压也将减 弱，使得东亚地区的海陆气压差异减小，东亚大槽北部加深，南部减弱，东亚地区 的偏北风减弱，5 0 0 h p a 上亚洲地区西风环流偏强，2 0 0 h p a 上在中纬度1 1 5 。e 西风 急流偏弱而且位置偏南，南半球越赤道气流偏弱，即东亚冬季风偏弱。导致我国华 南地区冬季将出现大范围的增温，而东北地区冬季气温有所下降，我国大部份地区 的冬季降水量将增加。 2 第四章冬季黑潮海温异常与东亚冬季风的关系 黑潮是一支最活跃的暖洋流，它对东皿地区及硅太平洋大气环流产生重要影响， 该海域是太平洋中纬度海气相互作用最强烈的海区。但是，对于黑潮区域海温变化 与大气环流之间相互作用的物理机制问题的看法却存在争议。赵汉光等l ”1 指出夏季 当黑潮地区海面水温异常偏商时，海洋向大气输送的潜热和湍流热能将增加，空气 柱升高。造成正的高度距平；反之，当海温偏冷时，造成负的高度距平。袁佳双1 指出前冬到初夏黑潮区域海温低，使海洋放热量减少，反而减弱了对大气的热量输 送，从而影响了东亚及西太平洋大气环流。而赵永平h ”指出在中纬度海洋，北方冷 空气的强弱对海气热量交换有着决定性的贡献，海气热量交换是引起表层水温变化 的主要因子之。本文将初步探讨冬季巢潮区域海温变化与东亚冬季风强弱之间的 关系。 4 1 冬季黑潮区域海温的年际及年代际变化特征 图4 1 a 给出了冬季黑潮区域海温指数标准化的变化序列。从图中可见，冬季 黑潮区域海温具有明显的年际和年代际变化特征。其年际变化主要表现为存在着异 常的高低值年份，而且低值年份多出现在1 9 8 5 年之前，而高值年份多出现在1 9 8 5 年之后。其9 年高斯滤波序列表明：1 9 8 5 年以前，冬季黑潮区域海温基本处于冷位 相，而1 9 8 5 年后处于暖位相。由其线性回归曲线可知，冬季黑潮区域海温呈线性上 升趋势。 圈4 1 b 给出了冬季黑潮区域海温指数标准化距平的9 年滑动t 检验。由于自由 度是1 6 ，所以通过0 0 5 的信度检验的t 值为2 1 2 。由图可见，在1 9 8 6 年附近冬季 黑潮区域海温发生了突变在1 9 8 6 年以前海温较低，其后海温较高。这与其年代际 变化特征相一致。 图4 1 a 冬季黑潮区域海温指数标准化距平、9 年高斯滤波、线性趋势图 ( 柱型是冬季黑潮区域海温指数标准化距平，实线是9 年高斯滤波，方框是其线性趋势) 二= 二二二二二 图4 1 b 冬季黑潮区域海温指数标准化距平的9 年滑动t 检验 4 2 冬季黑潮区域海温的周期变化 图4 2 a 给出了1 9 5 0 - 1 9 9 9 年冬季黑潮区域海温指数标准化的m o r l e t 小波系数 模的平方。从图上可以清楚地看出，冬季黑潮区域海温具有明显的4 5 年左右、9 - - 1 0 年和6 年左右的周期而且这些周期分布具有明显的年代特征，1 9 7 5 年以后黑潮区 域海温的主要周期为4 - - 5 年左右和i9 1 0 年，而之前的海温变化