（气象学专业论文）svd揭示的热带印度洋海气变率及其与北半球环流变化的联系.pdf

摘要 本文利用n c e p n c a r 再分析资料，g i s s t 海温资料以及国家气候中心整 编的降水资料，采用s v d 、相关、合成等方法，对印度洋地区的海气相互作用 现象及其气候影响、大气变量场和中东太平洋对印度洋海温偶极子的预报意义 以及印度洋偶极子对我国降水的影响等方面作了分析，结果表明： ( 1 ) 夏季印度洋海温场与8 5 0 h p a 风场存在很好的耦含关系，s v d 分析得 到的s v d l 、s v d 2 能够很好的表示出印度洋海气相互作用的主要部分。s v d l 显示印度洋海温变化的单极模态，是对太平洋e n s o 信号的滞后响应；s v d 2 与i o d 模态对应，显示了印度洋的海气相互作用现象。部分i o d 事件的形成可 能与e n s o 活动有关。s v d 2 是i o d 事件与e n s o 事件的混合模态。 ( 2 ) 北半球5 0 0 h p a 高度场和印度洋海温场存在很强的关联。印度洋海温 异常可能存在对全球5 0 0 h p a 高度场变化的4 - 6 个月左右的滞后响应。s v d 分析 结果显示：s v d l 左场是印度洋地区海温一致的单极型模态，而右场出现了类似 p n a 遥相关型波列，说明e n s o 对中高纬度大气环流的强追影响在i o d 发生之 前就已存在。s v d 2 左场是i o d 与e n s o 的混合模态。i o d 在发展阶段和成熟 阶段虽有很大不同，但前期5 0 0 h p a 高度场中高纬度均出现了较大的异常中心， 意味着i o d 事件的发生可能与全球环流系统的异常变动有关。 ( 3 ) 区域平均的印度洋和太平洋海温场时滞关系的s v d 分析显示，印度 洋海温场对太平洋海温场存在4 个月以上的滞后响应。进一步分析i o d 指数与 n i n 0 3 指数的时滞相关显示，i o d 对n i n 0 3 海温存在7 个月以上的滞后关系。 1 0 月份至次年1 月份太平洋海温场与次年4 6 月份印度洋海温的s v d 的分析结 果表明，s v d i ( 左) 是存在于印度洋的单极模态，但它与e n s o 关系并不密切： s v d 2 ( 左) 海温表现为印度洋的偶极型分布，但它是i o d 与e n s o 的混合模态。 ( 4 ) 印度洋海温异常与我国夏季( 6 8 月) 各月降水存在关联。i o d 指数与 我国1 6 0 站平均降水序列时滞相关分析表明，我国夏季各月均可能受到印度洋 异常海温的影响。通过对时滞分析得到的关键时段进行s v d 分析，可以得到： 受印度洋偶极子正位相型异常海温影响，我国6 月福建和四川一带降水增多， 而全国其它大部分地区降水偏少；7 月降水分布型与6 月基本一致：8 月江淮地 区降水偏多，而中、西部降水偏少，反之亦然。受印度洋单极正位相型异常海 温影响，我国6 月份降水主要集中在江南、华南和西南一带地区，而黄淮以及 四川以西会出现干旱天气；8 月份降水南北向会出现“+ ，- ，+ ”降水距平分布， 反之亦然。 关键词：印度洋偶极子( i o d ) ；e n s o ；奇异值分解 i i a b s t r c t b a s e do nt h em o n t h l ym e a l ld a t af r o mn c e p n c a rr e a n a l y s i s s e as u r f a c e t e m p e r a t u r ef r o mg i s s t d a t as e ta sw e l la s1 6 0s t a t i o np r e c i p i t a t i o nd a t ai nc h i n a ， w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h ea i r - s e ai n t e r a c t i o n si nt h e 订o p i c a li n d i a no c e a na n dt h e i r r e l a t i o n sw i t ht h ec l i m a t ev a r i a t i o n si nb o t ht h et r o p i c a lp a c i f i ca n dt h en o r t h e r n h e m i s p h e r e t h er e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n d i a no c e a ni sw e l lc o u p l e dw i t ht h ea t m o s p h e r ea si n d i c a t e db ys v d l a n ds v d 2m o d e s t h es v d a n a l y s i sh a sb e e np e r f o r m e df o rs s ta n dw i n da t 8 5 0 h p ai nt h ei n d i a no c e a n s v d la n ds v d 2e x p l a i nl a r g ep a r t so ft h ei n d i a n o c e a nv a r i a b i l i t i e s n l ef i r s tm o d e ( s v d l ) d i s p l a y st h el a gr e s p o n s eo ft h ei n d i a n o c e a nt oe 1n i n oi n p a c i f i c ，c h a r a c t e r i z e dw i t ht h es a m es i n g e ds s t ai nt h e b a s i n w i d ei n d i a no c e a n t h es e c o n dm o d e ( s v d 2 ) r e l a t e dt oi o dd i s p l a y sa n a i r - s e ac o u p l e dm o d ei ni n d i a no c e a n , c h a r a c t e r i z e dw i t ht h ed i p o l e l i k ep a a e mi n s s t a t h es v d 2i sw e l lc o r r e l a t e dw i t hb o t ht h ei o d m ia n dn i n 0 3i n d e x s h o w i n g s o m es t a t i s t i c a lr e l a t i o n sb e t w e e ni o da n de n s oa sr e p o r t e di ns o m er e c e n t r e f e r e n c e s ( 2 ) t h es t r o n gc o r r e l a t i o n sh a v eb e e no b s e r v e db e t w e e nt h ei n d i a no c e a ns s l a a n dt h eg e o p o t e n f i a lh e i g h tf i e l da t5 0 0 h p ai nt h en o r t h e r nh e m i s p h e r e t h er e s p o n s e o f t h ei n d i a no c e a ns s t aw i t ht h et i m eh gb y4 6m o n t h st ot h ev a r i a t i o n so f g l o b a l g e o p o t e n t i a lh e i g h ta t5 0 0 h p ai sr e v e a l l e d 耽el e rc o m p o n e n to fs v d ls h o w sa m o n o - p o l a rm o d ei nt h et r o p i c a li n d i a no c e a n , w h e r e a st h ef i g h tc o m p o n e n tr f o r g e o p o t e n t i a lh e i g h t ) o fs v d ld i s p l a y sap n a - l i k ep a u e mo v e rp a c i f i c - n o r t h a m e r i c ar e g i o n s ，i n d i c a t i n gt h ec l o s er e l a t i o n so fi n d i a no c e a ns s t aw i t ht h ee n s o s v d 2s h o w si t sl e f tc o m p o n e n tam o d ea sam i x t u r eo ft h ei o da n de n s o i n d i c a t i n gt h a tt h ei o di sp r o b a b l yr e l a t e dt ot h ea n o m a l o u sc h a n g e so ft h eg l o b a l c k c u l a t i o n s ( 3 ) t h es v da n a l y s i sh a sb e e np e r f o r m e df o rt h et i m e - s e r i e so fs s t aa v e r a g e d o v e rt h et r o p i c a li n d i a no c e a na n dt h a ta v e r a g e do v e rt h et r o p i c a lp a c i f i c n 地r e s u l t s s h o w a 4 m o n t h s l a gr e s p o n s e o f t h e i n d i a n o c e a ns s t a t o t h e p a c i f i cs s t a f o r c i n g t h es v d a n a l y s i sf o ri o d a n dn i n 0 3i n d i c e ss h o w sah i g hi o d - n 1 n 0 3c o r r e l a t i o n b yt h el a go f7m o n t h s t h es v da n a l y s i sf o ro c t o b e r - n o v e m b e r - d e c e m b e r - j a n u a r y m e a np a c i f i es s t aa n da p r i l m a y - j u n em e a ni n d i a no c e a ns s t ao ft h en e x ty e a r y i e l d st h es v d l o e f fc o m p o n e n t ) ，am o m o - p o l a rm o d eo f i n d i a no c e a ns s t a ， i n d e p e n to f e n s o ，a n dt h es v d 2 0 e f lc o m p o n e n t ) t h ed i p o l ep a 札e mo f i n d i a no c e a n s s t a ，am i x e dm o d eo f l o da n de n s o ( 4 ) t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ni n d i a no c e a ns s ta n o m a l i e sa n dt h es u m m e r r a i n f a l li nc h i n ah a v eb e e ne x a m i n e d t h et i m e l a gc o r r e l a t i o n so fi o di n d e xw i t h a r e a la v e r a g e dp r e c i p i t a t i o ni nc h i n as h o wt h a tt h ei n d i a no c e a ns s t ah a ss t r o n g i n f l u e n c e so nt h es u m m e r t i m ep r e c i p i t a t i o ni nc h i l m w h e nt h e r ei sap o s i t i v e ( n e g a t i v e ) i o de v e n t ，t h er a i n f a l li nj u n et e n d st oi n c r e a s e ( d e c r e a s e ) i nf u j i a na n d s i c h u a np r o v i n c e i no t h e rp l a c e s ，r a i n f a l lt e n d st od e c r e a s e ( i n c r e a s e ) t h ep a t t e r n s o ft h er a i n f a l la n o d e si nj u n ea n dj m yl o o ka l m o s tt h es a m e t h ep r e c i p i t a t i o ni n t h ec h a n g j i a n g - h u a i h er i v e rr e g i o nt e n d st ob em o r e0 e s s ) t h a nn o r m a la n dt h a ti n t h em i d d l ea n dw e s t e r np a r to fc h i n at e n d st ob el e s s ( m o r e ) t h a nn o r m a l w h e nt h e b a s i n - w i d ep o s i t i v e ( n e g a t i v e ) a n o m a l i e so fu n i f o r mp o l a r i t yo fs s t ad o m i n a t et h e i n d i a no c e a ns s t a v a r i a b i l i t y , t h er a i n f a l li nj i a n g n a n , t h es o u t h e r np a r to fc h i n a a n dt h es o u t h w e s t e r np a r to fc h i n at e n d st ob em o r e ( 1 e s s ) t h a nn o r m a la n dt h a ti n h u a n g h e - h u a i h er i v e rr e g i o n sa n dw e s to fs i c h u a np r o v i n c et e n d st ob el e s s ( m o r e li nj u n e t h er a i n f a l la n o m a l i e sd i s p l a ya p o s i t i v e n e g a t i v e - p o s i t i v e ”p a t t e r n f r o ml o w - l a t i t u d e st oh i g h l a t i t u d e si na u g u s t k e yw o r d s ：i n d i a no c e a nd i p o l ei o d ；e n s o ；s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n v 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：挂坠 日期：型型： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京气象学院有关保留、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：王盔釜墼 日期：型匹 1 1 引言 第一章绪论 占地球表面三分之二以上的海洋由于其物理学特性而对大气环流、长期天气过程和气 候变化产生重要影响，早在二十世纪二十年代就受到人们的重视。海洋科学日益发展，海 洋观测技术不断完善，特g 是上世纪六十年代后期开始的“全球大气研究计划”( g a r p ) 、 七十年代后期开始的“世界气候计划”( w c r p ) 和八十年代的“热带海洋与全球大气计划” ( t o g a ) ，通过利用卫星进行的气象资料、海洋资料的观测，为测站十分稀少的广阔海洋 区域提供了十分丰富的资料。二十世纪六十年代以来，气象学家对海气相互作用进行了广 泛的研究，其中，j n a m i a s l l l 和j b j e r k n e s f 2 l 从广泛的资料和物理观点方面比较有力地论证 了这种关系的存在。大尺度海气相互作用及其在短期气候预测中的应用已成为短期气候预 测的一个重要研究课题。许多学者分别从不同的角度对太平洋海温的变化特征和该地区的 海气相互作用作了全面系统地分析，揭示了太平洋地区大量的海洋现象及其与大气之间的 遥相关关系。越来越多的资料分析和数值模拟都表明e n s o 事件的发生不仅直接影响热带 地区的大气环流和气候，而且通过遥相关过程影响到全球的大气环流和气候变化。 人们对热带太平洋与全球气候异常的联系有了比较清楚地认识，但是对于热带印度洋 对全球气候异常的作用及影响认识还很少。印度洋是世界上第三大水体，占地球水表面积 的2 0 ，北面为南亚大陆环绕，西部是阿拉伯半岛和非洲高地东部是马来半岛、s u m a t r a 群岛和澳洲太陆，南临南极 | 。与太平洋和大西洋相比，印度洋的北面被高耸的喜马拉雅 山脉所阻，东面是星罗棋布的岛屿。这种地理状况导致北印度洋受到强大的亚洲季风和东 非季风的影响，东南印度洋受到印尼穿过流的作用例，使印度洋呈现出独特的海洋特征。 就平均状况而言6 0 。e 以东、南北纬1 0 。之间的热带印度洋的海表温度在2 8 ( 2 以上，与 西太平洋暖池连为一体。印度洋海温的这种西冷东暖的分布对季风气流的结构将产生东西 方向上的差异，有利于形成次一级的垂直环流和赤道西风。印度洋上空的大气环流强烈地 受到印度季风的影响，具有明显的季节循环特征，北半球冬半年盛行东北气流，夏半年盛 行谣南气流i i j 。南热带印度洋为东南信风区，夏季强而接近赤道，冬季弱而远离赤道。赤 道印度洋东部和中部为弱风区。印度洋南部和北部的海温分布是通然不同的，南印度洋主 要受太阳辐射的影响，海温分布具有明显的纬向性，由于海洋大环流的作用，形成了西脊 东槽的形势，海温分布西高东低。这种分布型常年变化不大。北印度洋，海温强烈的受到 季风的影响，纬向分布遭到破坏。大洋的北部和西部出现了明显的经向分布，为东暖西冷。 在夏季风盛行期间，东西海温差异最大。北印度洋海温变化一年中至少有两个极大值和极 小值。北印度洋海表温度的季节变化具有明显的季风特征。而南印度洋为信风气候区。 热带印度洋与热带太平洋不同，其洋流和海温变化受季风的影响很大，具有明显的季 节变化特征。印度洋海表温度变化受季风影响较大，反过来，海表温度异常也会引起季风 的异常。在东亚夏季风期间，印度夏季风的季风环流不仅能够直接影响衷亚季风流场，而 且从印度洋上空将大量的水汽输送到东亚季风区，是东亚季风区夏季降水的一个主要水汽 来源吼 气候变率、降水、气温等与e n s o 的相关虽然明显高于与印度洋海温变率的相关，但 是印度洋作为我国西南季风的发源地与流经地，同时也是我国季风与水汽和各种能量供给 的主要源地之一，该海区海温的异常对西南季风的异常活动有着重要的作用。海洋的表面 热力状况通过影响西南季风的异常变化及印度洋热带系统的活动，对我国天气气候的变化 有着重要的影响。因此，研究印度洋海温变化的异常特征及其与东亚气候的关系对于进一 步探索影响东亚大气环流和气候异常的因子具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 _ 2 国内外研究进展 由于地理位置的差异，不同地区海洋与大气相互作用的特征也不同。印度洋以其独特 的地理位置和海洋学特征，自二十世纪六十年代后期以来一直受到科学家的关注。研究表 明热带印度洋s s t a 存在着一种类似太平洋e 1n i n o 的模态，而印度洋s s t a 同印度洋周边 地区的气候异常、中国的汛期降水、太平洋e n s o 都有重要关系。 1 2 1 印度洋海温偶极型振荡与太平洋e n s o 的关系 印度洋海温距平纬向分布的特征与太平洋东西向海温距平梯度存在密切的方向关系， 印度洋至太平洋赤道地区海温距平的纬向分布可分为两种主要类型，一类是西印度洋和东 太平洋海温偏低、西太平洋海温偏高，另一类是西印度洋和东太平洋海温偏高、西太平洋 海温偏低。陈烈庭等睁”的研究表明，西印度洋的海温变化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。吴国雄等p 1 在分析赤道谣部印度洋和赤道东太 平洋的月平均海表温度变化时发现两者之间的正相关系数高达0 7 6 。后来，吴固雄等”又 指出了存在于印度洋和太平洋s s t a 之间显著的正相关是由沿赤道印度洋上空( 8 5 0 h p a 和 2 2 0 0 h p a ) 的纬向季风环流与太平洋上空的w a l k e r 环流之间显著的耦合作用造成的，并指出， 从大气环流的角度来说，印度洋地区季风环流的异常可能是e n s o 事件形成的一种触发机 制，即印度洋海表的风场和温度的异常可能就是通过这样的海气系统引发了e n s o 事件最 终发生：太平洋或印度洋上的大气异常信号通过印太齿轮作为桥梁，影响另一地的海气相 互作用。李崇银等 1 1 - 1 2 】、巢纪平等通过统计分析表明赤道印度洋s s t a 偶极子事件与太 平洋e n s o 事件有较好的负相关，并指出是w a l k e r 环流异常把两大洋的海温距平变化联系 起来。谭言科等口4 】研究了印度洋单极和偶极期间的耦合特征，发现单极和偶极期间赤道印 度洋与对流层环流的变化是耦合在一起的，偶极型海温分布的形成可能与热带印度洋局地 的海气相互作用有关，而单极型海温分布的形成可能与热带外和热带太平洋的海气相互作 用有关。晏红明等f 1 8 认为，印度洋地区的s s t a 是e n s o 循环的重要组成部分。周天军等 旧认为赤道印度洋s s t 变化可能是对赤道中东太平洋s s t 变暖的响应。同时，巢清尘等旧 则认为东印度洋在e l n i n o t l a n i n a ) 事件中有触发西( 东) 风异常发展的重要作用。武术等 ”目将太平洋、南海和印度洋作为一个整体研究时，发现在热带太平洋上为e n s o 模态；在 热带印度洋上为对应于e n s o 模态的“单极型”模态；在南海则为整个海盆尺度上的一致 型。 t o u r r e 等【l ”研究了印度洋和西太平洋e n s o 信号的演变特征，指出s s t 、风应力是沿 赤道缓慢向东传播，异常信号在西印度洋出现后向东传播，然后在西太平洋和e n s o 信号 合并。s a j i 等印惮一次提出了热带印度洋s s t a 的偶极子“d i p o l e ”分布模态的概念，即一 种东冷西暖型s s t a 空间分布，同时指出印度洋s s t a 偶极子事件是独立与太平洋e n s o 事件的。w e b s t e r 等口l j 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 1 n i n 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显著性扰动， 因为印度洋这次海温异常超出了典型意义上e 1 n i n o 所能引起的印度洋海温变化的幅度，同 时印度洋周边地区的气候异常，例如印度尼西亚出现的严重干旱，东非地区降水异常。并 不能用e 1n i n o 事件来解释。l i s a ny u 等 2 2 1 认为1 9 9 7 1 9 9 8 年e ln i n o 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 环流影响的印度洋海表风场，进而引起 了印度洋的海温异常。a s h o kk 等1 2 3 研究指出，e n s o 与大部分i o d 不相关，印度洋偶极 予指数( i o d h 缸) 与中印度洋的赤道纬向风耦合相当好。但是当中印度洋的赤道纬向风与 e n s o 指数相关时，却不发生e n s o 现象。 1 2 2 印度洋海温偶极振荡与季风活动异常的关系 亚洲季风系统是全球大气系统中的一个熏要成员，陶诗言彤】指出季风的变异在全球热 带大气环流的季节和年际变化中起着重要作用，季风也是东亚大气环流的一个非常重要的 特征，是直接控制我国天气和气候变化的一个重要因素。亚洲季风是由印度季风和东亚季 风两个子系统构成，印度季风与东亚季风不仅组成成分不同，变化特征也存在明显不同。 朱乾根等进一步指出东亚季风区还可以分成南海- 西太平洋热带季风区和中国大陆日本 副热带季风区。季风主要是由于海陆热力差异随季节的变化所造成，因此印度洋海温偶极 振荡对亚洲季风活动异常也有一定的影响作用。 陈月娟【2 6 】曾用环流模式研究了印度洋关键区海温对我国夏季风的影响，结果表明，当 印度洋海温升高时，进入我国的西南季风减弱，而东南季风加强。我国西南地区降水减少， 而华东、长江流域和华南降水量增加。王东晓等1 发现热带印度洋强冷暖事件会导致强的 气候异常信号。赵永平等f 刎的分析结果表明，以苏门答腊为中心的熟带海温异常与南海季 风爆发有密切联系，当海温较常年偏暖( 冷) 时，南海季风爆发往往偏迟( 早) ，并指出这 有可能是通过影响中南半岛与其南方热带海洋之间经向热力差异的变化来实现的。李崇银 等口”对印度洋海温偶极子也进行了研究，指出印度洋偶极子在9 1 1 月最强，在l _ 4 月最弱， 他们的研究结果还表明，印度洋偶极子与太平洋偶极子有很好的负相关，其相互作用的主 要纽带是赤道地区大气纬向( w a l k e r ) 环流，不仅可以通过影响对流层低层流场直接作用 于夏季风，还可以通过影响对流层上层青藏高原反气旋以及西太平洋副热带高压影响夏季 风。晏红明等9 1 模拟研究了印度洋s s t a 对亚洲季风区大气环流和天气气候异常的影响， 结果表明，印度洋赤道低纬地区的暖( 冷) s s t a ，可以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波列，亚洲季风建立较正常偏碗( 偏早) ，撤退较旱( 较 晚) 季风季节长度较短( 较长) ，季风较弱( 较强) 。梁建茵等p l 】分析了南海西南季风与东 太平洋海温、南海阿拉伯海海温存在显著负相关，西南季风强( 弱) 导致男孩- 阿拉伯海 海温降低( 升高) ，但前期海温正( 负) 距平有利于西南季风增强( 减弱) 。 s a h a ”】在研究了印度洋海表温度纬向异常的作用后，指出印度洋东西向海温梯度异常 可以修正季风环流，并通过垂直环流对亚洲季风系统产生影响。b e h e ms i c 1 等( 1 9 9 9 ) 研究指出印度洋海温异常加强了东亚地区的水汽辐台。l i c h o n g y i n 等”( 2 0 0 1 ) 研究指 出，印度洋海温偶极子对亚洲南部流场、青藏高压和西太平洋副热带高压都有明显的关系， 而它们是东亚夏季风系统的成员，故表明印度洋偶极子对东亚夏季风活动有重要影响。 a s h o k 3 5 】也指出i o d 影响到亚洲季风环流。z h a o y o n go u a n 等1 3 q ( 2 0 0 3 ) 也研究指出，i o d 可能影响到东亚夏季风环流。 4 1 2 3 印度洋偶极子对东亚环流及降水的影响 2 0 世纪6 0 年代以来，东亚季风区夏季经常会出现极端的气候异常。1 9 6 1 年，太平洋 上并没有发生e n s o ，而印度季风降水却是1 5 0 年来最强的，同时非洲东部也出现了强降 水导致尼罗河泛滥成灾；1 9 9 4 年夏季我国华南地区出现了特大洪涝，印度的夏季风很强， 而日本却非常炎热，出现了干旱天气；1 9 9 7 年下半年，太平洋出现了2 0 世纪最强的e 1 n i n o ， 印度季风降水却趋于正常，非洲又出现了大洪水，而印尼却经历了罕见的千旱天气。后来 发现，造成这种灾害性气候的原因是热带印度洋东部出现海温负距平，而西部出现正异常， 并将它称之为印度洋偶极子( i o d ) 。s a j i 等口”发现，与显著的1 9 6 1 、1 9 6 7 和1 9 9 4 年偶极 子事件对应的分别是非e n s o 年、l an i n a 年和弱e 1n i n o 年，也有偶极子事件出现在e n s o 年。从偶极子期间海洋、陆地和大气之间的相互作用来看，偶极子是能够自我维持的强耦 合系统，对季节循环能够产生显著的扰动，在季节到年际尺度的气候变率中能够起到非常 积极和独立的作用。 印度洋海表温度的异常以及这种偶极型振荡不仅会对印度次大陆的气候产生影响，也 会对东亚地区的气候产生影响。n i t t a a ”、黄荣辉等【3 8 】、吴国雄等口9 1 的研究均发现，海温对 邻近地区的降水和区域气候具有重要的影响，且降水变化特征与海温异常的空间分布型密 切相关。陈烈庭9 】对印度洋海温和长江中下游梅雨期降水的联系给出了可能的物理解释， 即当南海海温偏高、谣印度洋海温偏低，印度洋上空沃克( w a l k e r ) 环流发展，印度西南 季风偏强，南海热带辐合带活跃并使得经向哈得莱( h a d l e y ) 环流发展，造成西太平洋副 热带高压脊加强并西伸，由此造成了长江中下游梅雨期的多雨。金祖辉和沈如桂州j ( 1 9 8 7 ) 分析了印度洋和南海海表温度与长江中下游梅雨期降水的关系，发现在涝年，南海海表温 度为正距平，而印度洋西部沿岸为负距平；旱季则相反。闵锦忠等j ( 2 0 0 0 ) 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，当南海、孟加拉湾和阿拉伯海春季( 3 - 5 月) 海表温度为一致正( 负) 异常时，夏季( 6 8 月) 副高偏南( 北) 偏话( 东) 偏强( 弱) ， 我国长江流域降水偏多( 少) ，华南和华北降水偏少( 多) 。晏红明等j ( 2 0 0 1 ) 研究了印 度洋海表温度距平与中国汛期降水场的遥想关分布特征，揭示了中图汛期旱涝异常分布的 印度洋海温变化的强信号现象，说明特定的印度洋海温分布可以作为中国汛期旱涝预报的 强信号因子。肖子牛等m 1 研究了印度洋地区异常海温的偶极振荡与中国降水及温度的关系。 结果表明有较好的相关关系。1 9 9 4 年印度洋上出现了海表温度的偶极振荡事件，同年夏季， 我国江淮流域出现了特大洪涝，印度的夏季风很强，而日本却非常炎热，出现了干旱。这 一年，虽然赤道中东太平洋为弱的e 1n i n o ，但是显然不能解释亚洲季风区如此极端的气候 异常。而印度洋的异常特征却很典型：热带东南印度洋的海温异常偏低，热带中西印度洋 的海温偏高，秋季赤道印度洋的w y r t k i 急流消失。管兆勇等i 1 ( 2 0 0 3 ) 研究了1 9 9 4 年东 亚气候异常与印度洋偶极子( i o d ) 的遥相关，指出i o d 对1 9 9 4 年东亚环流变化的影响至 少有两个方式，1 ) 对流层上层由i o d 产生的涡源激发的r o s s b y 波列从华南向东北方向传 播，类似于波列：2 ) 由i o d 产生的位于印度、孟加拉湾附近的非绝热加热激发的位于 热源西侧的r o s s b y 波型。 a s h o k 等m j 发现印度洋偶极子在印度夏季季风降水中可起到非常积极和独立的作用。 y a m a g a t a 4 6 研究发现在暖e n s o 位相期间发生印度洋正偶极子使得远东地区( 日本、朝鲜 等) 出现炎热干旱的灾害性气候，这与该地区对流层下沉气流有关。 1 3 本文研究的目的 1 9 6 1 年印度出现了百年来最强的季风降水：1 9 9 4 年夏季我国华南地区出现了特大洪 涝，印度的夏季风很强，而日本和我国东北地区却非常炎热，出现了干早天气，这些极端 的天气给当地人民的生活带来了很多不便，给当地经济造成了严重的损失。然而太平洋地 区的e n s o 事件并不能解释这些极端的气候异常。 印度洋偶极子作为印度洋地区强烈的海气相互作用现象，对印度季风和东亚季风影响 很大。我国处于亚洲季风区，季风活动及其异常与我国夏季降水的分布和气温的高低变化 有直接的联系。印度洋作为我国西南季风的发源地和流经地，同时也是影响我国夏季降水 异常的重要因素之一，该海区的海温异常对西南季风的异常活动有重要的作用，对我国的 天气和气候异常产生重要影响。因此，进一步研究印度洋偶极子的海气相互作用现象及其 影响因子，试图找到印度洋偶极子发生前大气和海洋的异常特征，以此来预测印度洋偶极 子可能发生的时间，对于进一步探索海气相互作用现象和寻找激发印度洋偶极子的可能机 制具有重要的理论意义和实际应用参考价值，可为短期气候预测提供依据，以进一步提高 预防和减轻旱涝等重大灾害对国民经济的损失的能力。 1 4 本文的主要研究内容 ( 1 ) 研究1 9 5 8 - 1 9 9 9 年夏季印度洋区域海温距平与8 5 0 h p a 风场的关系，着重讨论s v d 分析的前两个模态与热带大气环流之间的联系及其气候影响。 6 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 研究1 9 5 8 1 9 9 9 年印度洋偶极子指数与5 0 0 h p a 高度场的相互关系，并采用s v d 方 法研究印度洋海温异常与5 0 0 h p a 高度场之间的联系。 采用s v d 方法研究印度洋海温异常与e n s o 的时滞关联。 采用s v d 方法研究印度洋海温异常与我国夏季( 6 _ 8 月) 各月降水的可能联系。 1 5 本研究的特色和创新之处 本文利用n c e p n c a r 再分析资料，英国气象局提供的g i s s t 海温资料和国家气候中 心整编的降水资料，采用s v d 、相关、合成等方法，研究了印度洋存在的海气耦合模态及 其与北半球大气、中东太平洋海温之间的关系，并对印度洋海温异常对我固降水的影响作 了分析，得到了一些有意义的结果。有如下新结果： ( 1 ) 用s v d 方法可获得印度洋地区存在的海气相互作用模态，并研究了各模态的特 征及其气候影响。 ( 2 ) 印度洋海温异常与北半球5 0 0 h p a 高度场之间存在着关联，5 0 0 h p a 高度场对印度 洋单极和偶极型海温变化存在可能的滞后影响。 ( 3 ) 印度洋海温异常与e n s o 之间存在关联，采用s v d 方法得到了印度洋和太平洋 区域平均的时间序列的时滞关系以及i o d 指数与e n s o 指数之间的时滞关系。 ( 4 3 印度洋的单极和偶极型海温均对我国夏季各月降水分布及其强度产生不同影响。 7 2 1 资料说明 第二章资料和方法 主要使用n c e p n c a r 再分析资料m 】，其水平分辨率为2 5 。2 5 。e 变量包括1 7 层的气温资料，1 7 层纬向风，经向风资料，1 7 层位势高度资料，1 2 层垂直速度资料，地 面气压资料，o l r 资料，地表温度资料等。资料长度从1 9 4 8 年1 月一2 0 0 3 年4 月，共6 6 4 个月。全球降水资料，分辨率为1 8 7 59 1 8 7 56 。全球海表温度资料取自g i s s t 资料集 【4 8 】，资料的水平分辨率为1 。l 。，时间从1 8 7 1 年1 月一1 9 9 9 年1 2 月。取自国家气候中 心整编的1 9 5 1 1 2 0 0 0 1 2 月中国1 6 0 站月平均降水资料和气温资料。 2 2 方法说明 2 2 1 线性倾向估计睁5 0 】 用x i 表示样本数为”的某一气候变量，用n 表示自然数序列，建立置与 之间的一元 线性回归 宝f = 口+ 岛 ( f - 1 ，2 ，n )( 2 1 ) ( 2 1 ) 式可以看作一种特殊的、最简单的线性回归形式。式中口为回归常数，b 为回归 系数。a 和b 可以用最小二乘进行估计。 对观测数据新及自然数序列 ，回归系数b 和常数口的最小二乘估计为 b =和一瓣硝c 挈一耪f ) 2 a ；i 一6 f 其中牙= 丢缸，= 漕a g 回归系数6 的符号表示气候变量的趋势倾向。b 0 时，说明随t 的增加x 里上升趋势； b 0 时，说明随t 的增加x 呈下降趋势。b 值的大小反映了上升或下降的速率，即表示上升 或下降的倾向程度。 回归效果可以用f 检验法来检验之( 参见文献 4 9 】，p 2 5 1 - 2 5 5 ) 。 2 2 2 合成分析 合成分析的信度检验：检验两组样本序列平均值的差异的显著性，两序列样本个数分 别为：n 1 和n 2 ，两个序列的平均值分别表示为：夏及五。 原假设h o ：u0 ，u1 = 0 定义一个统计量为 t = z 1 一x 2 ( 2 3 ) 显然卜t ( n 1 廿堙2 ) 分布，给出信度口查表可以得到临界值乞，计算t 后在凰下比 较t 与t 。，当绝对值t 大于等于屯，否定原假设 1 0 ，即说明其存在显著性差异：当t 小于f 。， 则接受原假设。 2 。2 4t 检验【”】 某一地区的气候是否稳定，可以通过比较不同时段气候变量的均值或方差是否发生显 著变化来判断。t 检验给出了一种均值检验方法，可以在合成分析时对其进行检验。 构造检验总体均值的t 统计量 t ：生丛矗 ( 2 5 ) 占 其中，i 和s 分别代表了样本均值和标准差；为总体均值；月为样本量。在确定显 著性水平口以后，根据自由度，= n - 1 查f 分布表t 若t 。，则证明所取得样本显著。 2 2 5 奇异值分解( s v d ) 方法 $ 2 - 5 3 1 奇异值分解法( s v d ) 是研究两个气象变量场相关结构的诊断技术广泛应用于气候 诊断研究中，用于分析两个气象要素场序列之间的相关关系，给出两个要素场之间相互配 对的典型空间分布和每个典型空间分布的权重系数序列。所谓相互配对的典型空间分布是 指每一对空间分布之间有尽可能大的协方差。 9 设有两个零均值气象要素场 放0 嘞1 ( 0 尥( f ) 南l ( o ) 1 r ( t ) 2 0 , l ( t ) c 2 ( t ) ，p 2 ( 0 ) 1( 2 6 ) 分别由p l ，p 2 个网格点( 测站) 或变量构成，序列长度均为n ，通常称x ( i ) 为左气象 场( 左场) ，y ( t ) 为右气象场( 右场) ，两气象场之间的交叉协方差阵为 q y = ( 2 n 式中符号 表示求平均。y t ( t ) 表示矩阵的转置。 分别由左、右气象场构造两组新变量 a = b = 吼( ，) a 2 ( r ) ( f ) 6 l o ) 屯( f ) ； ： 钆( r ) x 1 0 ) 石2 ( ，) z 。l ( t ) 在l 、m 的列向量为正交化向量的条件下， 即l l t = im m t = i 使a 、b 之间有极大化协方差 c o v ( a ，b ) = = l t c x y m = m a x 根据条件极值求解，可以证明 c 1 x y l f m t = x ( 2 8 ) y 。o ) y ：( ，) y p ：( r ) = m 7 y ( 2 9 ) p m i n 0 1 ，p 2 ) ( 2 1 0 ) r 2 1 2 ) ( 2 1 1 ) c t x y m k = o l l 女k = l ，2 ，pp - - - i n ( p 1 ，p 2 ) 写成矩阵形式 1 0 i j 2 2 2 ，i，j；月m甜z； 屯勺k7 k k； 或 煽m ：后 ( 2 1 4 ) 其中= 击昭p 。，盯2 ，巳) ，上式就是矩阵理论中的奇异值分解，盯。为矩阵c x y 的奇异值，l 的列向量是矩阵的左奇异向量，m 的列向量为矩阵c x y 的右奇异向量。可见 从数学上讲，$ v d 实际上是非方阵和非对称阵的广义对角化运算。 根据式( 2 8 ) ( 2 9 ) ，并利用( 2 1 0 ) ，可得 = “ y ( ) = ，m ：，呜1 b 2 1