（大气物理学与大气环境专业论文）不同时间尺度系统扰动动能特征分析.pdf

不同时间尺度系统扰动动能特征分析 摘要 利用1 9 5 8 - 2 0 0 6 年n c e p n c a r 再分析资料，研究了不同时间尺度系统扰动 能量在风场和位势高度场的全球分布。利用正交经验函数( e o f ) 分解，研究了 天气尺度和季节内尺度系统扰动能量全球分布的时空变化。 在研究不同时间尺度系统扰动能量的全球分布时，使用各尺度时间扰动能量 与总气候扰动能量的比值。使用百分比值进行全球扰动能量分布研究，比较了不 同地区间各时间尺度系统扰动能量的差异和各时间尺度系统在气候变化所起作 用的大小。不同尺度系统扰动能量在全球的分布特征各不相同，反映了大气环流 的不同特点。 天气尺度系统扰动能量在风场和位势高度场8 5 0 h p a 和2 0 0 h p a 的活跃于中 高纬地区，热带地位地区相对较小，并且风场计算的扰动能量百分比分布与位势 场扰动能量百分比分布存在一定的对应关系。分布特征显示天气尺度扰动动能的 分布与高空时间平均槽脊的位置有一定的联系。 季节内尺度系统扰动能量百分比在8 5 0 l l p a 风场最大值区位于孟加拉湾地区 及两半球暖热带暖水区；2 0 0 h p a 风场最大值区位于高纬地区和偏离赤道的低纬 地区：8 5 0 h p a 位势高度场的大值区主要位于北半球的高纬度和南半球的中纬度 海域；2 0 0 h p a 位势高度场上大值区主要位于北半球的高纬地区，和南半球的南 美南部海域。这些分布特征既与已有的研究结论相符，也有不同。 年际尺度系统扰动能量百分比在全球风场和位势高度场主要位于热带低纬 地区。在8 5 0 h p a 风场上最大值区位于热带中太平洋地区，次大值区位于非洲东 部：在2 0 0 h p a 风场上最大值区也位于热带中太平洋，但范围比8 5 0 1 1 p a 相比要向 东延伸；在8 5 0 l l p a 位势高度场上最大值区位于印度尼西亚地区；2 0 0 h p a 位势场 最大值区位子热带东太平洋地区，并且是全球8 5 0 h p a 和2 0 0 h p a 风场和高度场年 际尺度系统能量最高的区域。 年代际尺度系统扰动能量在全球风场和位势高度场也活跃于热带低纬地区。 与年际时间尺度不同的是，在8 5 0 h p a 风场上最大值区位于非洲东部地区；在 2 0 0 h p a 风场最大值区位于热带东太平洋地区；8 5 0 h p a 位势高度场最大值区位于 非洲东部地区；2 0 0 h p a 位势高度场最大值区位于印度尼西亚地区，次大值区位 于热带大西洋地区，从热带对流加热激发球面行星波动影响气候变化的角度，热 带海洋年际与年代际时间尺度对流加热对气候变化影响的空间分布具有明显的 差别。 对天气尺度和季节内尺度天气系统扰动能量百分比进行e o f 分析发现，其 空间变化大体与多年平均态基本一致，并具有年际周期，表明年际时间尺度的变 化对天气尺度与季节内尺度系统的影响是明显的。 关键词：尺度分析，天气尺度，季节内尺度，年际尺度，年代际尺度，扰动动能， 位势扰动能 c h a r a c t e ris tica n aiy si8o fgio b a idia t u r b e de n e r g y dis i rib u tio nindi f f e r e n ttim e - s o aie s a b s t r a c t t h eg l o b a ld i s t u r b e de n e r g yp e r c e n t a g ed i s t r i b u t i o n si nd i f f e r e n tt i m e s c a l ea r e i n v e s t i g a t e du s i n gn c e p n c a rr e a n a l y s i s d a t af o r4 9y e a r s ( 19 5 8 - 2 0 0 6 ) o f 2 0 0 h p a 8 5 0 h p aw i n da n dp o t e n t i a lh e i g h t t h es p a t i a la n dt e m p o r a lg l o b a lc h a r a c t e r o ft h ed i s t u r b e de n e r g yp e r c e n t a g ei nt h es y n o p t i cs c a l ea n di n t r a s e a s o n a ls c a l ea r e a l s os t u d i e du s i n ge o f a n a l y s i sm e t h o d t h ep e r c e n t a g eo fd i s t u r b e de n e r g yi su s e dt os t u d yt h eg l o b a ls p a t i a ld i s t r i b u t i o n o fd i s t u r b e dc h a r a c t e r , w h i c hi sc a l c u l a t e du s i n gt h ed i s t u r b e de n e r g yi nd i f f e r e n t t i m e - s c a l e sb yt h et o t a ld i s t u r b e de n e r g y , s ot h ed i s t r i b u t i o n sn o to n l ys h o wt h e d i s t u r b e de n e r g yd i f f e r e n c e sa m o n gd i f f e r e n t + r e g i o n s ，b u ta l s ot h ee f f e c tm a g n i t u d eo f t h ed i f f e r e n tt i m e s c a l es y s t e m si nl o c a lc l i m a t ec h a n g e t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so f t h ed i s t u r b e de n e r g ya r ed i f f e r e n ti nt h ed i f f e r e n tt i m e - s c a l e s ，w h i c hd e n o t et h e d i f f e r e n tp a r to f t h ea t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o nc h a r a c t e r t h ed i s t u r b e de n e r g i e si ns y n o p t i cs c a l ea r eh i g hi nh i g hl a t i t u d e sa n dl o wi nl o w l a t i t u d e sb o t hi n8 5 0 h p aa n d2 0 0 h p aw i n df i e l d ，a sw e l la si np o t e n t i a lh e i g h tf i e l d t h ed i s t r i b u t i o n so ft h ed i s t u r b e de n e r g yc a l c u l a t e db yw i n dd a t ai n d i c a t es o m e c o n n e c t i o nw i t ht h o s ec a l c u l a t e db yp o t e n t i a lh e i g h td a t a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r e 剐s o m er e l a t i o n s h i pb c t w nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so ft h es y n o p t i cd i s t u r b e d e n e r g yp e r c e n t a g ea n dt h el o c a t i o n so f t h em o n t h l ym e a nt r o u g ho rr i d g e t h em a x i m u mo ft h ed i s t u r b e de n e r g yi nt h ei n t r a s e a s o n a ls c a l el o c a t e si nt h e b e n g a lb a y a n dt h ew a r m - w a t e rr e g i o n si nb o t hh e m i s p h e r e si n9 5 0 h p aw i n df i e l d ； t h en l a x i m u mi n2 0 0 h p a w i n df i e l dl o c a t e si nh i f g hl a t i t u d ea n dt h el o wl a t i t u d eo f f t h e e q u a t o r ；t h em a x i m u mi n8 5 0 h p ap o t e n t i a lh e i g h tf i e l dl o c a t e si nh i g hl a t i t u d eo ft h e n o r t h e r nh e m i s p h e r ea n dm i d d l el a t i t u d e si ns o u t h e r nh e m i s p h e r e ；t h em a x i m u mi n 2 0 0 h p ap o t e n t i a lh e i g h tf i e l dl o c a t e si nh i i g hl a t i t u d e so ft h en o r t h e r nh e m i s p h e r ea n d t h es o u t h e r ns e ar e g i o no ft h es o u t h e r na m e r i c ai ns o u t hh e m i s p h e r e t h i s d i s t r i b u t i o na r ei na c c o r d a n c ew i t hs o m er e s u l t sh a v eb e e nc o n f i r m e d ，a n da l s os o m e d i 髋r e n c e s t h em o s td i s t u r b e de n e r g i e si ni n t e r a n n u a ls c a l ea l m o s tl o c a t ei nl o wt r o p i c a l l a t i t u d er e g i o n s t h em a x i m u mo ft h ed i s t u r b e de n e r g yi n8 5 0 h p aw i n df i e l dl o c a t e s i nm i d d l et r o p i c a lp a c i f i co c e a n ，t h es e c o n dl o c a t e si ne a s tp a r to ft h ea f r i c a ；t h e m a x i m u mo f t h ed i s t u r b e de n e r g yi n2 0 0 h p aw i n df i e l da l s ol o c a t e si nm i d d l et r o p i c a l p a c i f i co c e a n ，w h i c hm o r ee x t e n d st ot h ee a s t ；t h em a x i m u mi n8 5 0 h p ap o t e n t i a l h e i g h tf i e l dl o c a t e si ni n d o n e s i ar e g i o n ；t h em a x i m u mi n2 0 0 h p ap o t e n t i a lh e i g h tf i e l d l o c a t e si ne a s tt r o p i c a lp a c i f i co c e a n ，w h i c hi sa l s ot h em a x i m u mi n8 5 0 h p a 2 0 0 h p a w i n da n dp o t e n t i a lh e i g h tf i e l d t h em o s td i s t u r b e de n e r g i e si ni n t r a - d e c a d a ls c a l ea r ea l s oa c t i v ei nt h el o w t r o p i c a ll a t i t u d er e g i o n t h em a x i m u mo ft h ed i s t u r b e de n e r g yi ni n t r a d e c a d a ls c a l ei s i nt h ee a s tp a r to ft h ea f r i c ai n9 5 0 h p aw i n df i e l d ；t h em a x i m u mi n2 0 0 h p a w i n df i e l d l o c a t e si ne a s tt r o p i c a lp a c i f i co c e a n ；t h em a x i m u mi n8 5 0 h p ap o t e n t i a lh e i g h tf i e l d l o c a t e si ne a s tp a r to fa f r i c a ；t h em a x i m u mi n2 0 0 h p ap o t e n t i a lh e i g h tf i e l dl o c a t e si n i n d o n e s i aa r e a ，t h es e c o n dl o c a t e si nt h e t r o p i c a l a t l a n t i co c e a n t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o n sc a u s e db yt h ei n t e r - a n n u a la n di n t r a - d e c a d a ls c a l et h r o u g hp l a n e t a r y w a v et r i g g e r e db yc o n v e c t i v eh e a t i n gi nt h et r o p i c a lo c e a ni nt h ec l i m a t ec h a n g ea r e d i s t i n c td i f i e r e n t t h ee o fa n a l y s i so fd i s t u r b e de n e r g yi ns y n o p t i ca n di n t r a s e a s o n a ls c a l es h o w s t h a tt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n sa r ea l m o s ts i m i l a rw i t ht h el o n g - t e r mm e a nr e s u l t ，a n d h a v et h ei n t e r - a n n u a la n di n t r a - d e c a d a lp e r i o d i ta l s oi n d i c a t e st h a tt h ei n t e r - a n n u a l a n di n t r a d e c a d a ls c a l es y s t e m sp l a yas t r o n gi n f l u e n c et os y n o p t i ca n di n t r a s e a s o n a l s c a l es y s t e m k e yw o r d ：s y n o p t i ct i m es c a l e ，i n t r a s e a s o n a lt i m es c a l e ，i n t e r a n n u a it i m es c a l e ， i n t r a - d e c a d a lt i m es c a l e ，d m t n r b e de n e r g ya n a l y s i s 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含未获得( 注! 垫邀直基 丝置墨挂赳重明盥二奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：在瓶 签字日期：游月胗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名： 在叔 导师签字： 签字日期：加湃6 月i - z 日签字日期：砌罨年f 月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：山东南搦电话：d s ；，一跳知印，吣 通讯地址：灞韵槲疋无鹃山路乃笔 邮编塔弓7 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 第一章引言 全球气候变化对全球的自然环境和社会发展造成的影响已经越来越成为各 国政府和社会公众所十分关注的问题，因为全球范围内的一些气候异常给粮食生 产，降水以及能源等都造成了严峻的形势。据统计，全世界每年因自然灾害造成 的经济损失达6 0 0 亿美元以上，其中约7 0 左右是天气气候灾害造成的。气候变化 正以不可抗拒的姿态影响着人类社会的发展。 气候变化已无法避免，它是全球变化的核心问题和重要内容。i p c c 第四次 综合报告指出：未来1 0 0 年，全球地表温度可能会升高1 6 到6 4 摄氏度。在此 背景下，对自然系统的影响是不可估量的，包括：极地部分冰盖进一步融化，造 成几米幅度的海平面上升，淹没或改变低洼地区海岸线分布，2 0 到3 0 的物种 会因为变暖进一步增大灭绝的危险性。因此了解气候变化的扰动特征，提高对气 候异常变化的预报和预测，已成为一个迫切需要解决的问题。 1 1 当代气候学研究 气候是指地球上某一地区多年间大气的一般状态。它既反映平均情况，也 反映极端情况，是多年间各种天气过程的综合表现。气候变化通常是指气候要素 ( 如温度、降水等) 和气候系统所出现的显著变化，即气候在较长时间尺度上的 平均状态或变率范围具有统计上的显著性改变，或者两者同时具备。 气候变化是由气候系统的变化引起的。气候系统包括大气圈、冰雪圈、生 物圈、水圈、岩石圈和陆地。引起气候系统变化的原因可分成自然的气候波动与 人类活动的影响二大类，前者包括太阳辐射的变化、火山爆发等，后者包括人类 燃烧化石燃料以及毁林引起的大气中温室气体浓度的增加，硫化物气溶胶浓度的 变化，陆面覆盖和土地利用的变化等。因此，气候的变化不仅仅是大气内部的过 程，还受到与大气上下边界状况有直接关系的其他因子影响。所以，研究气候变 化除了要考虑大气自身的运动外，还必须考虑海洋、冰雪、陆地表面、地球上生 物的分布状况以及太阳辐射的影响。气候及气候变化，也就是各个相互作用的子 系统组成的复杂气象系统的总体行为。( 李崇银等，2 0 0 0 ) 传统的气候学只是把气候视为某种统计平均状态，对一些参数( 如温度、 气压、湿度和风等) 进行统计平均即可描述气候及其变化。当代气候学则把各种 时间尺度的气候变化，即相对于某种平均状态的扰动，作为研究和预测的主要对 1 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 象。在空间域上，则更为广泛的关注气候异常或气候距平的全球分布，尤其是它 们之间的相互关系和影响，例如“遥相关型等”。( 李崇银等，2 0 0 0 ) 1 9 8 4 年，w m o 和i c s u 共同正式公布了“世界气候研究计划”( w c r p ) 。 w c r p 是世界气候计划中的最重要部分，它的总目标是要确定气候的可预报程度 以及人类活动对气候影响的可能程度。为了w c r p 的需要，在全球范围又组织 了一系列观测试验，包括“全球能量和水循环试验”( w o c e ) 、 “热带海洋和 全球大气”计划( t o g a ) 、“世界海洋环流试验”( w o c e ) 、“海冰预测国际气 候试验”( s i p i c e ) 、“国际卫星陆面气候学计划 ( i s l s c p ) 、“国际卫星云气候 学计划”( i s c c p ) 等等。各种实验为气候研究提供了丰富的数据资料，大大推 动了气候研究的发展。 计算机科技的发展大大促进了气候学的研究，用比较完善的数值模式对气候 及其变化进行广泛的数值模拟，为揭露气候变化的过程和动力学机制提供了重要 的手段，己成为当代气候学研究的重要工具之一。 1 2 不同时间尺度系统的研究 气候变化是一个非常复杂的理论和实际问题，复杂的原因主要是气候包含很 宽的时间尺度，上至几十万年，下至季节和几十天。大大小小的时间尺度变化混 在一起形成复杂系统。把不同的天气系统分开，分析其各自在气候变化中的特征， 原因和发展变化有重要的实际意义。 基于气候变化的时间变化特征，本研究在四个时间尺度上：即天气尺度( 天 的变化) ，季节内尺度( 月和季的变化) ，年际尺度( 年际间的变化) ，年代际尺 度( 十年以上的变化) 。对不同时间尺度气候系统异常变化在天气异常变化中的 比重和在气候变化中的角色进行分析，开展研究。 1 2 1 天气尺度系统的研究 天气尺度时间系统( 如温带气旋和台风等) 是引起天气变化的主要系统。天 气尺度系统的气候分布和变化既是短期预报中最关注的问题，也也是气候变化研 究中关注的问题。 天气尺度时间系统很多，关注比较多的有温带气旋、热带气旋、暴风轴等等。 温带气旋的活动时间一般是5 天左右，但在不同的地方有一定的差异。在北大西 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 洋与欧洲有时锢囚时间较长，可以远远超过5 天。但在东亚，一般一次气旋活动 过程在5 天以下，经常3 天左右即可完成。从图1 1 上的气旋发生次数百分率可 以看出，在东亚的气旋无论在冬半年或夏半年都有两个百分比率最大的地带，一 个在3 0 。3 5 。n ，另一个在4 5 。5 0 。n ，说明在这两个区域天气尺度系统活跃， 温带气旋季节变化明显，春、夏季节温带气旋出现频数比秋、冬季节高，但强温 带气旋集中在冬季，其次是春、秋季节，夏季最少( 张崇耀，2 0 0 1 ) 。 图1 1 东亚气旋发生频数的地区分布冬半年( 左) ，夏半年( 右) ( 1 9 5 1 - 1 9 6 0 ) ( 朱乾根等，2 0 0 0 ) f i g u r e 1 1t h ed i s t r i b u t i o no ft h ef r e q u e n c yo ft h ec y c l o n ei ne a s ta s i aw i n t e r ( 1 e f t ) a n ds u m m e r ( r i g h 0 ( q i a n g e nz h u ，2 0 0 0 ) 热带气旋是发生在热带或副热带洋面上的强烈的气旋性涡旋，具有很强的 破坏力。在全球几大热带气旋生成区中，西北太平洋是热带气旋发生频率最高( 占 全球总发生数的1 3 以上) 、强度最强( 约有一半以上的热带气旋发展成台风) 的一个海l 夏( a n d r e a sh f i n k ，1 9 9 8 ) 。西北太平洋有三个热带气旋的主要发生地， 分别是南海中北部偏东洋面、菲律宾以东至加罗林群岛之间的洋面、加罗林群岛 一带洋面；热带气旋强度越强，发生位置越偏南、偏东；热带气旋平均发生源地 存在明显的季节变化特征，冬季平均发生源地偏南偏东，以后逐渐向北向西偏移， 夏季以后又向南向东偏移( 杨亚新，2 0 0 5 ) 。热带气旋的发生频数与发生强度具 有季节变化特征，并与准两年振荡( q b o ) 和大气季节内振荡( m j o ) 活动有 3 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 关( 胡邦辉等，2 0 0 6 ) ，并且热带气旋的活动也具有年代际变化特征( 叶英和董 波，1 9 9 8 ) 。 风暴轴区域是北半球天气尺度涡动活动最频繁的地区之一，它不仅对大气 环流的维持有一定影响，对北半球气候变化和天气现象的活动规律起着重要的作 用。风暴轴是时间尺度小于1 周的瞬变涡动最为活跃、最为强烈的区域，反映为 扰动方差或协方差统计量的最大值( b l a c k m o n ，1 9 7 6 ，1 9 7 7 ；l a u ，1 9 7 8 ，1 9 7 9 ) 。 气候平均而言，北太平洋风暴轴冬季强且偏西南，夏季弱且偏东北。风暴轴在整个 对流层、尤其是对流层中上层具有整体一致的年际和年代际变化特征，冬季风暴 轴于1 9 8 5 年前后一致性地发生了由弱至强的年代际跃变，由之前的偏弱转变为 之后的偏强( 丁叶风等，2 0 0 6 ) 。 1 2 2 季节内尺度系统的研究 季节内变化，是气候变化中最显著的特征之一，在热带和中高纬度地区尤 其明显。季节内尺度时间系统中最重要的是季节内( 3 0 , - - 6 0 d ) 振荡。由于它直接 同长期天气变化和短期气候异常有着密切关系，又同e ln i n o 的发生有一定的联 系，成为大气科学研究的重要内容之一。 大气中的季节内振荡，即大气中的3 0 6 0 d 低频振荡，是由m a d d e n 和 j u l i a n 在热带首先发现的( m a d d e nr a ，j u l i a npr ，1 9 7 1 ，1 9 7 2 ) ，故常称其为 m a d d e nj u l i a no s c i l l a t i o n 简称m j o 。m j o 是大气环流的一个重要部分，由于其 频率变化范围介于天气尺度变化和季节变化之间，因而同月、季时间尺度长期天 气预报和短期气候预测均有密切关系。大气中的季节内振荡影响着许多地区的降 水变化，如亚洲季风区、热带太平洋岛屿、澳大利亚、北美西岸、南美以及非洲 等地。副热带地区甚至中纬度地区的降水与早涝也受相应的季节内振荡的影 响。热带季节内振荡对热带气旋( 台风) 的生成有明显的调制作用，季节内振荡指 数( i s o ) 处于西风阶段时有利热带气旋的生成。而i s o 为东风阶段时会抑制热 带气旋的生成和发展( l i e b m a n nb 1 9 9 4 ) 。 热带大气的季节内振荡在南亚季风区和赤道西太平洋地区很明显，而 a n d e r s o n 在研究纬向平均西风角动量的向北输送时指出了中纬度m j o 的存在。 虽然中高纬m j o 的结构和传播特征与热带m j o 有很大的差别，但二者之间是 4 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 相互联系、相互影响的。已有的研究指出，全球大气存在着4 个基本的低频遥相 关型和低频波列( 李崇银，1 9 9 1 ) 。其中北半球的欧亚一太平洋( e t y p ) 型和太平洋 一北美( p n a ) 型两个基本波列，是北半球热带与中高纬度m j o 能量传递的通 道。另外，南、北半球间也存在着m j o 的相互影响。另外，全球低频波列( 跨赤 道) 、低频涡旋系统的跨赤道活动和跨赤道低频经圈环流的活动是m j o 跨赤道相 互影响的3 种重要途径( 李崇银，1 9 9 1 ) 。 近年研究指出，热带大气季节内振荡的年际变化，作为一种外强迫，对e l n i n o 的形成起着十分重要的作用。龙振夏，李崇银指出，热带大气季节内振荡 的年际变化在热带中西太平洋地区最强烈。在e ln i n o 成熟之前的春夏季，热带 西太平洋的3 0 “0 d 真当异常活跃，其动能明显增加且逐渐东移，在e ln i n o 成 熟以后，热带西太平洋大气3 0 - - 6 0 d 低频振荡迅速减弱，与这种加强的3 0 6 0 d 振荡相伴随，在赤道北侧为异常的气旋式环流，赤道地区出现西风异常。相反， 在l an i n a 成熟之前的春夏季，热带西太平洋大气3 0 - - 6 0 d 低频振荡偏弱。分析 还指出，东亚季风的年纪变化是引起热带西太平洋大气3 0 - - 6 0 d 振荡年际变化的 主要机制：强东亚冬季风导致热带西太平洋积云对流加强，从而引起热带西太平 洋3 0 , - - 6 0 d 振荡加强；相反，弱东亚冬季风导致热带西太平洋积云对流偏弱，从 而引起热带西太平洋3 0 6 0 d 振荡加强偏弱( 龙振夏和李崇银，2 0 0 1 ) 。 1 2 3 年际尺度系统的研究 年际时间尺度气候系统的研究还比较粗浅，研究主要集中在气候系统中的 强信号，即厄尔尼诺南方涛动( d q s o ) 现象。因为年际时间尺度的气候变化能 反映气候系统的整体行为，引起了人们的普遍重视。 e ln i n o 是发生在热带太平洋的年际变化现象，南方涛动( s o u t h e r n o s c i l l a t i o n ) 是热带大气的年际变化现象，因此，e n s o 是进行年际气候预测所必 须考虑的因素。e n s o 是海气相互作用，特别是热带大尺度海气相互作用的突出 表现，它的平均准周期是3 - 4 年。许多研究证明e n s o 会引起全球大气环流和 气候的持续异常，并且与东亚冬季风的异常有紧密的关系。 e ln i n o 作为海温变化中的最强信号，对大气环流及天气气候的影响已为人 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 们所熟悉。b j e r k n e s 首先指出，e ln i n o 是赤道东太平洋海气相互作用的结果。 1 9 8 0 年代以来，由于资料的增多，发现了许多新的事实，特别是近年研究发现西太 平洋暖池地区的西风爆发对e 1n i n o 事件的发生具有重要作用，热带西太平洋地 区赤道两侧的气旋与西太平洋暖池区的西风异常有关( k e e nra ，1 9 8 2 ) ( k e e n ra ，1 9 8 6 ，1 9 8 7 ) 。分析研究表明，e ln i n o 事件的发生不仅与赤道西风异常 有直接关系，而西风异常又与异常东亚冬季风活动有关，持续强东亚冬季风对激 发e ln i n o 起着重要作用( 李崇银，1 9 9 5 ) 。通过数值模拟表明强东亚冬季风可 在赤道西太平洋地区引起赤道西风异常和强对流活动( 李崇银等，1 9 9 8 ) 。同时， 赤道西风异常将使西太平洋暖池区已存在的次表层海温正距平东传，从而激发 e ln i n o 事件。也有研究表明，在e ln i n o 事件发展前，热带西太平洋出现气旋性 环流异常，有利于在赤道西太平洋上空产生西风异常；而当e ln i n o 发展到成熟 阶段。热带西太平洋上空就会出现反气旋性环流异常，从而在赤道西太平洋上空 易于产生东风异常( 黄荣辉等，1 9 9 6 ) 。 e ln i n o 事件的发生与亚洲夏季风的异 常，乃至与澳洲季风异常有关( 陈烈庭，2 0 0 0 ) 。e ln i n o 年西北太平洋台风频 数减少，台风生成位置偏东、偏南，中心气压偏低、风速偏强。l an i n a 年台风 增加，位置偏西、偏北，强度偏弱( 何敏等，1 9 9 9 ) 。因此，e ln i n o 事件的发 生和演变过程无不与大气环流异常相联系。 在e n s o 的机制方面，已有的研究从广义上讲，可以分为两种框架( c h u n z a i ， w a n g ，2 0 0 4 ) 。第一种，e n s o 是靠自身维持的、不稳定的状态，并且是海气耦 合系统得一种自然振荡模式；第二种，厄尔尼诺是被大气随机的强迫激发的稳定 模态。这两种框架的厄尔尼诺机制都包含b j e 凼1 e s 关于海气的正反馈机制，即最 初的赤道东太平洋的高温异常，减弱了赤道纬向的温度梯度，加强了沃克环流， 减弱了赤道上空的信风，从而影响了海洋环流，进一步加强了高温异常信号。但 对于e n s o 来说，高温的信号不可能无限制的加强下去，需要有一个负反馈的机 制来使得这个循环进行下去，因此从8 0 年代到现在，主要提出了4 种负反馈机制 分别是西边界的波反射，充放电过程，西太风驱动的开尔文波，异常的 纬向平流。这四种负反馈机制分别对应4 种振子模型，分别是延迟振子 ( s u a r e za n ds c h o p f , 1 9 8 8 ；b a t t i s t ia n dh i r s t ，1 9 8 9 ) ，充放电振子( j i n ，1 9 9 7 ) ， 西太振子( w e i s b e r ga n dw a n g ，1 9 9 7 a ；w a n g ，1 9 9 9 b ) ，和平流反射振- 子( p i c a u t , 6 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 1 9 9 7 ) 。研究表明，e n s 0 事件可能不是一种振子模型的作用的结果，而是多种振 子模型共同作用的产物。 1 2 4 年代际尺度系统的研究 自2 0 世纪9 0 年代以来，年代际时间尺度气候变化已成为气候研究的重要内 容之一。其原因有两点：一是7 0 年代中后期北太平洋出现了一次显著的年代际 变化，在此之后的大量研究揭示了这一突变在气候系统各成员中的反映、对生态 环境的影响及可能的机制；二是因为年代际气候变化是月、季、年际气候变化及 预测的背景，也影响着更长时间尺度的气候变化另一方面，对于世纪尺度的全 球变暖，它又是一种极为重要的扰动。1 9 9 5 年提出的“气候变率与可预报性研 究计划”( c l i w 恨) 中的研究课题之一就是年代际到世纪时间尺度气候变化和可 预报性。 年代际时间尺度的气候变化可以使重大天气现象的发生和分布维持多年的 异常，如2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代非洲持续2 0 年之久的干旱；它也可以影响短 期事件的特征，如e ln i n o 的发生频率、持续时间和强度。虽然气候变化在全球 范围内都有年代际时间尺度特征，但并不是全球一致升高或降低，而是在不同的 区域有不同的形式。 早在2 0 世纪6 0 年代，王绍武就分析了地面气压资料，指出地面气压的变化有 明显的年代际特征，李崇银也指出，西北太平洋和东亚地区的海气系统存在着明 显的准l o 年时间尺度的振荡现象。穆明权等利用n c e p n c a r 再分析资料 ( 1 9 5 8 1 9 9 2 ) 、n m c 资料( 1 9 5 0 一1 9 5 7 年) 以及h a d l e y 中心的海平面气压资料分 析和数值模拟研究北半球大气环流的年代际变化特征，结果表明无论是热带大气 还是中高纬度的大气环流，存在着明显的年代际特征，且主要表现为1 0 - - 2 0 年 准周期振荡和3 0 多年准周期振荡。北大西洋涛动( n a o ) 和北太平洋涛动( n p o ) 的1 0 2 0 年准周期振荡有近乎同位相特征，而它们的3 0 多年准周期振荡却有近 乎反位相特征。而西太平洋副高与北美大槽强度的变化在1 0 , - - - 2 0 年时间尺度既 有同位相情况，也有反位相情况；但在3 0 多年时间尺度却是基本反位相的。西 太平洋副高强度与东亚大槽强度变化在3 0 多年时间尺度上也是基本同位相的， 且副高变化超前约5 7 年( 李崇银等，1 9 9 9 ) 。 7 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 目前对气候系统的年代际变化机制的研究，主要有两种观点，一类是认为 年代际的变化是由太阳活动、火山活动、人类活动等外强迫引起的，并试图寻找 气候变化中与外强迫一致的气象要素变化周期；另一种观点认为年代际变化是由 年代际变率的内部因子引起的，许多研究结果显示气候系统中存在的年代际低频 变化可能源自海气系统中不同时空尺度物理过程的相互作用，是海气系统自振荡 的反映。主要的机制有热带海洋对中纬度海气相互作用的年代际变率强迫作用 ( t r e n b e r t h ，1 9 9 4 ；1 9 9 6 ) ，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 m ，1 9 9 8 ) ，与温盐环流有关的年代际变率产生机制( d e l w o r t htl ，1 9 9 3 ： t i m m e r m a n na ，1 9 9 8 ) ，热带一中纬度海气相互作用机制( g ud ，1 9 9 7 ) 。 1 - 3 小结 总结气候研究的成果，可以看到不同时间尺度的天气系统各自有着不同的 时空特征和影响区域，但又交织在一起，相互作用，相互影响。气候的变化是不 同时间尺度天气系统共同作用产生的结果。在气候的长期变化是中、短期气候变 化的背景，中、短期气候变化是气候长期变化中的扰动，中期气候变化则承上启 下，既是短期气候变化的背景又是长期气候变化的扰动。因此，把不同时间尺度 的天气系统分离出来，各自研究它们的扰动状态及其时空变化特征，对于研究不 同尺度时间系统间的作用是十分有意义的，也将会对气候预测有很大的帮助。 对不同时间尺度气候系统的研究，已经有丰富的成果，但是这些研究都是 针对具体的气候系统或气候现象，在特定的区域的变化特征，而对全球整体的气 候系统分析则比较少。把不同的时间尺度气候系统进行分离，定量分析它们在区 域气候变化中作用的大小，不同地区间分布的差异和全球整体分布特征，有利于 抓住不同时间尺度系统气候变化的关键区域及时空联系，这就是本文研究的目 的。 第二章资料与方法 本文所用的资料是美国国家环境预报中心国家大气研究中( n c e p n c a r ) 联合执行的全球大气再分析资料。该资料是写在均匀格距矩形经纬格点网上的全 球资料，格距为2 5 。掌2 5 。，对应经、纬向格点数目分别为7 3 、1 4 4 。 8 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 n c e p n c a r 再分析资料由美国国家环境预报中心和美国国家大气科学研 究中心在网络提供。n c e p n c a r 再分析系统采用了当今最先进的全球资料同化 系统和其他的数据库，对各种来源的观测资料( 包括地基观测、船舶观测、气球 观测、无线电探空观风观测、飞机观测、卫星观测等) ，用统一的资料同化系统 进行质量控制和同化。n c e p n c a r 再分析资料有两个独特之处：覆盖的时段长 和非常综合的观测资料集，该资料集自1 9 9 6 年公开发行c d r o m 以来，已在全 世界大气科学研究、教育和业务机构得到广泛的应用，n c e p n c a r 大气再分析 研究项目的成果提供了至今为止最完整、最系统和使用最方便的大气资料数据 集。 本文采用的n c e 洲c a r 数据覆盖时间段为1 9 5 8 2 0 0 6 年，共4 9 年。在从 原始数据中分离天气尺度和季节内尺度时间尺度系统时，因为其变化频率相对较 高，采用的是日平均的资料；分析年际和年代际尺度的天气系统时，则采用的是 月平均的资料。因为在时间变化中年际间的变化是最明显的，可能会影响到数据 中其他时间尺度系统能量的信号，所以首先将多年平均值从数据中剔除，再进行 滤波处理，分离出不同时间尺度系统的扰动能量场。 本文在比较不同时间尺度系统能量的全球分布特征时，采用各个时间尺度气 候系统扰动能量与总扰动能量的百分比进行分析。使用扰动能量与其总能量的百 分比进行全球空间分析，既可以定量地考察特定区域中各个时间尺度气候系统在 总能量中的作用的大小，又可以比较不同区域之间扰动能量变化的分布特征。 为综合了解不同尺度气候系统扰动能量百分比的全球分布特征，本文选取两 个气象要素场进行分析，即风场和位势场，考察大气扰动动能和扰动位势波动能 量百分比的全球分布特征；在研究不同时间尺度系统的空间垂直分布差异时，选 取两层气压面8 5 0 h p a 和2 0 0 h p a 来代表大气环流中低层和高层，考察其空间垂直 分布差异。 为研究不同时间尺度气候系统扰动能量百分比全球分布随时间的演变特征， 将各尺度扰动能量百分比处理为以月为单位的时间序列，对其进行e o f 分析， 考察其变化的主要模态和变化规律。 本文运用的方法主要有： ( 1 ) 、滑动平均分离不同时间尺度要素场。用于从原始数据中分离出代表不 9 不同时间尺度系统扰动动能特征分析 同时间尺度气候系统的时间序列。根据不同时间尺度气候系统特征时间的长短分 别进行滑动平均计算，滤出各个时间尺度气候系统的时间序列，研究其在整个气 候系统中方差贡献的空间分布特征，考察其在气候长期变化中贡献的大小。 ( 2 ) 、经验正交函数分析法( e m p i r i c a lo r t h o g o n a if u n c t i o nm e t h o d ) 。用于对 不同时间尺度气候系统进行时空特征变化分析，考察不同时间尺度气候系统扰动 能量百分比的主要空间分布模态和其时间变化规律。 ( 3 ) 、功率谱分析。在使用经验正交函数分析后，得到不同时