（气象学专业论文）夏季iod对热带和热带外地区季节内振荡的影响.pdf

摘要 利用n c e p 小c a r 再分析逐日资料和g i s s t 逐月海温资料，研究了i o d 对 夏季季节内振荡强度的影响及其可能机制，结果表明： ( 1 ) i o d 对印度洋地区季节内振荡强度的影响主要集中在东南印度洋地 区，d m i 与该地区纬向风和经向风季节内振荡强度都存在显著的负相关。初 步分析说明i o d 可能通过季节平均对流和季内对流来影响季内风场的变化。 进一步分析表明，东南印度洋地区的对流活动主要由i o d 引起的大尺度s s t 梯度来驱动。 ( 2 ) 分析1 9 8 9 年这一典型负偶极子年的风场特征表明：1 9 8 9 年纬向风和经 向风的季节内振荡强度在东南印度洋地区存在显著的正异常，且低频分量能体 现风场的主要振荡。在7 0 。e 以东地区，纬向风和经向风低频振荡的位相向东 移动，并且其位相有沿赤道分别向南北方向移动的倾向。 ( 3 ) i o d 对北半球夏季季节内振荡强度存在显著影响。在非洲地区，i o d 对s l p 季节内振荡强度的影响主要集中在非洲中部、西部和南部地区。在亚洲 地区，i o d 与2 0 0 h p a 纬向风、经向风和高度场的季节内振荡强度都存在显著关 联。 ( 4 ) i o d 与e n s o 对季节内振荡强度的作用差别显著，在有些地区其作用 甚至相反。 ( 5 ) 1 9 9 4 和1 9 9 2 年夏季，8 5 0 h p a 、2 0 0 h p a 纬向风和经向风季节内振荡强 度都存在明显差异，这两年纬向风和经向风的传播方向相反。1 9 9 4 和1 9 9 2 年降 水也存在差异。在降水较多的地区，存在着明显的3 0 一6 0 天季节内振荡，低频 部分基本能反映实际降水的特征。分析了1 9 9 4 和1 9 9 2 年低频环流及水汽条件， 在降水活跃( 中断) 期，低频环流和水汽条件都表现出利于( 不利于) 降水的 形势。 关键词：印度洋偶极子；季节内振荡；夏季 a b s t r a c t i n f l u e n c e so ft h ei n d i a no c e a nd i p o l e ( i o d ) o nt h ei n t e n s i t yo fm j oi nt h e a t m o s p h e r ei nb o r e a is u m m e ra n dt h er e l a t e dp o s s i b l em e c h a n i s m sh a v eb e e ns t u d i e d i nt h ep r e s e n ta r t i c l e ，u s i n gt h ed a i l yn e c p n c a rr e a n a l y s i sa n dm o n t h l yg i s s t s s td a t af r o m19 7 9t h r o u g ht o19 9 8t 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 ) i n f l u e n c e so ft h e o do nt h eb d j oi n t e n s i t ya r en o t i c e a b l e 蛔t h ee a s t s o u t h i n d i a no c e a n t h en e g a t i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nd m ia n dt h em j oi m e n s i t yo f z o n a lw i n d sa n dt h o s eb e t w e e nd m ia n dt h em j oi n t e n s i t yo fm e r i d i o n a lw i n d sa r e f o u n ds i g n i f i c a n tt h ei n f l u e n c e s o fi o do nw i n df i e l d sm a yb em o d u l a t e db y t r o p i c a l c o n v e c t i v ea c t i v i t i e sa sd e t e c t e df r o mm e a no l ra n do l rm j o ，t h e f u r t h e ra n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ec o n v e c t i v ea c t i v i t yi sd r i v e nb yl a r g e s c a l es s t g r a d i e n t sa s s o c i a t e dw i t hi o d ( 2 ) i nl9 8 9 ，at y p i c a ln e g a t i v ei o dy e a r , f e a t u r e so ft h ew i n df i e l d ss h o wt h a tt h e p o s i t i v ea n o m a l i e so ft h em j oi n t e n s i t yo fz o n a la n dm e r i d i o n a lw i n d sh a v eb e e n f o u n di ne a s t s o u t hi n d i a no c e a n t h ei n t r a s e a s o n a lc o m p o n e n t sd o m i n a t et h e v a r i a t i o n so ft h ew i n df i e l d s t h em j o si nz o n a la n dm e r i d i o n a lw i n d sp r o p a g a t e e a s t w a r di nt h ee a s to f 7 0 。ea n dp o l e w a r df i o me q u a t o r i a lr e g i o n ( 3 ) t h ei o dh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so nt h em j oi n t e n s i t yi nb o r e a ls u r f l l t l e r , t h ei n f l u e n c e so fi o do ns l pm j o i n t e n s i t ya r eo b s e r v e di nt h ec e n t r a l ，w e s t e r n a n ds o u t h e r np a r t si na f r i c a t h ev a r i a t i o n so ft h ez o n a lw i n d s ，m e r i d i o n a lw i n d sa n d g e o p o t e n t i a lh e i g h t so ni n t r a s e a s o n a lt i m e s c a l e sa t2 0 0 h p ah a v eb e e nm o d u l a * e db y t h e i o d ( 4 ) t h ei m p a c t so fi o da n de n s oo nm j oi n t e n s i t ya r ed i f f e r e n t ；o p p o s i t e l y s i g n e dd i f f e r e n c e sa r ef o u n di ns o m er e 。g i o n s ( 5 ) t h ed i s t i n c td i f f e r e n c e sb e t w e e n19 9 4a n d19 9 2a r eo b s e r v e di nt h ei n t e n s i t y a n dt h ep r o p a g a t i o n so fm j oo ft h ez o n a la n dm e r i d i o n a lw i n d so i l8 5 0 h p aa n d 2 0 0 h p a ，c l e a r3 0 6 0 do s c i l l a t i o n sa r ef o u n di nt h ea r e a sw h e r et h ep r e c i p i t a t i o ni s l a r g e t h ei n t r a s e a s o n a lc i r c u l a t i o n sa n dw a t e rv a p o rc o n d i t i o n sa p p e a rt of a c i l i t a t e t h ep r e c i p i t a t i o no ni n t r a s e a s o n a lt i m e s c a l e s k e y w o r d s ：f n d i a no c e a nd i p o l e ；m a d d e n j u l i a no s c i l l a t i o n ；b o r e a ! s u m m e r 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：弛魁 日 期：如61 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 文的电子版和纸质舨；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：并b 靶娜 日期：丛叠 第一章绪论 1 1 大气m 3 0 研究进展 大气中的3 0 6 0 天低频振荡( m j o ) ，是季节时间尺度上大气变化的强信号p ，由m a d d e n 和j u l i m a 首先发现，并指出热带m 3 0 是向东传播的，且具有纬向1 波的全球尺度特征”。1 。 1 1 1 热带和热带以外m j o 的地域特征 m j o 在全球热带地区广泛存在【”，旦具有明显的地域特征。王盘兴等”1 研究s l p 和u m 的准4 0 天振荡，认为准4 0 天振荡主要分布在热带西太平洋、热带中太平洋和热带南荚洲 ( 包括与其毗邻的大西洋南部) 。李崇银 4 0 5 1 指出南亚地区、赤道两太平洋地区和赤道东太 平洋地区( 1 6 0 1 0 0 。w ) 都是持续的低频动能大值区，也就是热带大气m j o 的主要活动区。 董敏等”1 也指出，热带大气季节内振荡主要活跃在三个地区，最强的是西太平洋地区，其 次是印度洋地区，然后是东太平洋沿岸的赤道以北地区。 m j o 在中高纬度也存在。a n d e r s o n 等研究了热带大气相对角动量的4 0 - 5 0 犬振荡分 量分别向南向北传播到中纬度地区，指出了中纬度m j o 的存在。k r i s l m a m u r t i 等p 1 用f g g e i i i b 资料做了单点功率谱分析并计算了3 0 5 0 天周期振荡的全球分布，发现3 0 5 0 天振荡最 大振幅明显存在于高纬地区的高层对流层和夏季风区。m a t s u o 9 1 和k a j u 研究表明日本南部 风场存在4 0 。5 0 天谱峰。张可苏”分析了北半球5 0 0 h p a 几个纬圈上平均温度的经向梯度序 列，发现其功率谱大多在4 5 天周期处有极大值。何金海等【l2 j 发现南半球中纬度火范围的斜 压性和冷空气活动具有准4 0 天的周期眭。李崇银l j “和用3 0 - 6 0 d 带通滤波的u ，v 计算纬向 平均扰动动能，发现高纬地区有极大值，说明在高纬度地区有较突出的3 0 一6 0 天振荡。朱 乾根等 1 4 1 计算了冬季平均大气低频动能在对流层整层积分值，发现在北大西洋中部、欧洲 大陆西部和前苏联北部地区存在大值区。模式结果也显示了大西洋和北太平洋地区存在显 著的低频振荡 ”1 。 研究指出热带和中高纬大气季节内振荡是相互作用的。李崇银【4 1 指出北半球普遍存在欧 亚一太平洋但u p ) 和太平洋一北美( p n a ) 两个基本低频波列，通过它们把热带大气季节内振 荡与中高纬度大气季节内振荡联系起来。南北偶极子涡对的存在，也使两者相互影响。 1 1 2 亚洲季风区的季节内振荡 弧洲季风区存在着明显的3 0 6 0 天振荡，并且m j o 对季风的爆发及亚洲地区的天气气 候等都有显著的影响，y a s u n a r i 等”指出夏季季风期云量存在3 0 4 0 天周期变化。 k r s h n a m u r t i 等【l7 j 等利用m o n e x 资料，发现8 5 0 r o b 风场存在显著的3 0 5 0 天振荡，并且 南亚槽脊缓慢向北移动，认为季风的爆发、活跃和中断与低频振荡有关。陈隆勋等”“”1 研 究发现南海季风系统存在4 0 天周期振荡，并研究了它的来源和传播特征，得到了不少有意 义的研究结果。m u r a k a m i 等”等基于f g g e b 资料证实了1 9 7 9 年4 0 5 0 天周期的低频 波在夏季风区域( 6 0 。e l5 0 。e ) 的存在。李崇银等 5 1 认为亚洲夏季风的爆发和南海地区 3 0 。6 0 天低频振荡活动关系密切，夏季风爆发前大气季节内振荡的活动在南海地区显著加 强，并指出菲律宾以东地区的大气3 0 一6 0 天低频气旋发展及其向西扩展对亚洲夏季风的爆 发有重要作用。朱乾根”用1 9 8 0 1 9 8 1 年冬季8 5 0 h p a 气候资料研究也指出，在冬季风活 动期强冷空气的活动具有准4 0 天周期的振荡，并可向南传播至南海地区。智协飞”1 研究 表明准4 0 天周期振荡也是南海季风区和副热带季风区的重要信号。c h e nl o n g x u n ( 陈隆勋) 等”“对1 9 9 8 年5 8 月南海季风试验( s c s m e x ) 期间东亚地区8 5 0 h p a 中低纬环流指数、东 砭季风指数和长江中下游降水进行了m o n e t 小波分析，结果表明在此期间这些要素均具有 明显的3 0 6 0 天周期低频振荡，东亚季风活动受东亚季风系统中低频活动影响。穆明权等 “”利用n c e p 再分析及t b b 资料分析表明，1 9 9 8 年南海夏季风爆发与南海及其临近地区 3 0 6 0 天低频振荡的发展有着极为密切的关系。林爱兰等口5 1 分析了南海夏季风的低频特 征，指出南海低频振荡在夏季风期间比冬季风期间明显较强，南海夏季风一般在初夏第一 个较强低频振荡的负值位相开始建立；南海夏季风期间低频振荡的环流实体是i t c z 的南 北振荡和西太平洋高压西脊点的东西摆动，低频振荡与南海季风的活跃和中断f 或减弱1 密 切相关；南海低频振荡与大气环流的季节变化相叠加，造成夏季风经历了第一个低频振荡 的建立，到第二、三个振荡的加强，再到第四个振荡的减弱这种演变过程。琚建华等口“指 出东亚夏季风区内低频振荡主要是以3 0 一6 0 天周期的振荡为主，东亚夏季风的季节内振荡 在东亚沿海呈波列的形式，并表现为随时间向北传播的季风涌，对长江中下游降水产生影 响。很多研究也表明大气季节内振荡对江淮流域的降水有一定影响【2 9 - 3 3 j ，早年和涝年的低 频环流形势基本相反口7 2 8 】。 1 1 3 m j o 与e n s o 的关系 m j o 的活动存在着明显的季节变化3 4 - 3 6 1 和年际变化，并且其年际变化与e n s o 有着密 切的联系。陈兴跃等3 7 1 分析发现，大气季节内振荡强度的年际变化存在着明显的全球同步 信号，该信号在2 0 0 h p a 速度势场中尤为显著。刘家铭等最先提出4 0 - 5 0 天向东传播的低 2 频振荡可能是e n s o 事件的促发机制，而e n s o 现象又会改变低频振荡的大尺度特征和传 播特性，两者的关系是相互反馈的。翟盘茂等即l 发现大气季节内振荡对e n s o 的发生和发 展具有一定的促进作用。李崇银等1 4 “4 1 】的资料分析和数值模拟指出伴随e ln i n o 事件的发 生，热带大气m j o 明显减弱。龙振夏等”研究结果表明，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。在e 1n i n o 成熟前的夏季，热带西太平洋的3 0 6 0 天振荡异 常活跃，其动能明显增加且逐渐东移；在e 1n ir i o 成熟以后，热带西太平洋3 0 一6 0 天低频 振荡迅速减弱。m c p h a d e n l 4 “指出1 9 9 7 1 9 9 8 年e ln i n o 的发生与m j o 活动有关，1 9 9 6 年后 期西太平洋上表面风场的m j o 变率增强，从而对e 1 n i n o 的发生造成了影响。g u n d i 等” 研究表明e ln i n o 的冷暖位相对m j o 的空间传播有一定的影响。b e r g m a n 等【4 “指出m j o 与e in i n o 的初期发展相联系，且西太平洋暖池地区的s s t 变化可对大气低频变化的位置 和强度造成影响 4 5 。4 6 1 。c h a k a b o r t y 等。4 ”用模式研究了e n s o 、m j o 和印度季风降雨的关系， 指出在印度季风降雨正常年，m j 0 信号较强，而e n s 0 信号较弱；在印度季风降雨少年，m j o 信号较弱而e n s o 信号较强。 1 1 4 埘o 形成的动力学机制研究 在热带大气中，对流凝结反馈是热带大气系统形成和维持的关键性因素。李崇银【4 首 先把c i s k 机制引入到3 0 6 0 天振荡的研究，认为移动性c i s k 波是驱动南亚季风槽 3 0 5 0 天振荡的机制。l a u 等【4 进一步研究了热带3 0 6 0 天振荡的积云对流反馈机制，把 热带大气的3 0 6 0 天振荡的产生归因于活动性波动一c i s kf m o b i l ew a v e - - - c i s k ) ，这一理论 能较好地解释3 0 6 0 天振荡的缓慢东传现象。t a k a h a s h i 5 0 和c h a n g 等”1 对l a u 的理论 作了进一步的研究。为了更好的解释热带大气中3 0 6 0 天振荡既可以东传，又可以西移的 现象，李崇银p 。”又提出了另一种重要机制，即c i s k - - r o s s b y 波。这种由积云对流加热 产生的c i s k - - r o s s b y 波与经典的热带r o s s b y 波不同，它既可以西移，也可以向东传播， 更符合实际热带大气中3 0 一6 0 天振荡的情况。这些研究均表明了对流凝结加热的反馈在热 带大气低频振荡中的重要作用。 n e e l i n 等p “提出了蒸发一风反馈机制。一些研究认为若同时考虑对流加热和蒸发一风 反馈作用更符合热带大气i s o 的情况9j 。然而这一理论要求地面基本气流为东风气流， 这与观测事实不符p ”。 研究表明，大气对外源强迫的响应 5 6 - 5 7 】、大气中的非线性作用【5 8 - 5 9 1 和海气耦合作用f 6 0 6 1 】 也是产生m j o 的重要机制。 综上可见，m j o 在全球范围内广泛存在，且具有明显的地域特征。在热带、中高纬和 亚洲季风区都存在明显的季节内振荡，m j o 对亚洲地区的天气气候产生了重要影响。m j o 具有明显的年际变化，对e n s o 的发生发展具有一定的影响：同时e n s o 对m j o 的传播 等特征县有一定的影响。对流凝结加热反馈、蒸发一风反馈机制、大气对外源强迫的响应、 和海气耦合作用等是热带大气m j o 形成的主要动力学机制，而中高纬大气m j o 的重要机 制主要是大气中的菲线性作用。 1 2 印度洋偶极子的研究进展 1 2 1 印度洋偶极子的定义 印度洋地区存在显著的海温年际变化，其中印度洋偶极子( i n d i a no c e a nd i p o l e ，简称 i o d ) 是热带印度洋地区的一个十分有趣的海气耦合现象。s a j i 等 6 2 1 通过4 0 年资料统计研 究，最早发现印度洋上存在偶极子事件。这一事件以海表温度异常( s s t a ) 的偶极结构为 特征：在西部海盆的大部分地区出现了异常暖的s s t ，而在苏门答腊沿岸附近则出现了异 常冷的s s ta 他还定义了热带西印度洋( 5 0 。e 一7 0 。e ，1 0 。s 1 0 。n ) 与热带东南印度 洋( 9 0 。e _ 11 0 。e ，1 0 。s o 。) s s t a 之差为偶极子模指数。偶极子事件具有很强的季 节锁相，其四月发生，在十月发展到最强。 1 2 2 印度洋偶极子与e n s o 的关系 w e b s t e r 等1 分析了1 9 9 7 1 9 9 8 年印度洋地区s s t a 、纬向风、o l r 及s s h 异常的空间 结构，发现了其偶极子结构特征。并详细分析了1 9 9 7 1 9 9 8 年这一印度洋上异常事件的发 生、发展及消亡的过程，认为这一异常事件是自我维持的海气耦合系统，是独立于e n s o 发展的。s a j i 和y a m a g a t a 等p “用资料分析也说明了i o d 事件是印度洋上固有的海气耦合系 统。这一结论被以后的研究所证实 6 4 , 6 7 j 。 1 2 3 印度洋偶极子与亚洲季风的关系 i o d 这- - e n 度洋上的海气耦合现象，对亚洲季风产生了重要的影响。b e h e r a 等1 6 8 坤目出， 1 9 9 4 年东南印度洋异常偏冷，使该地区对流受到抑制，降水偏少，同时，赤道中印度洋、 印度和东亚地区对流加强，印度地区降水偏多。k a r u m u r ia s h o k 等研究了近4 0 年i o d 和印度季风降水的关系，发现i o d 和e n s o 对印度季风降水的作用是相互补充的，i o d 对 印度季风降水起了重要的调制作用，并影响了其与e n s o 的关系。模式结果【7 3 1 也得到了相 4 似的结论。y a m a g a t a 等俐研究表明正偶极子事件发生时印度季风降雨( i s m r ) 增加，而 负偶极子事件发生时i s i v 哦减少。s a i 等f 7 0 1 利用偏相关和回归方法研究了印度洋偶极子对 全球气候的影响。在偶极子事件发生时，西印度洋周边国家温度和降水都出现正异常，而 东印度洋周围地区出现负异常：亚洲季风槽附近降水偏多，降水区域从巴基斯坦延伸到华 南地区。g u a n 等7 1 1 研究认为1 9 9 4 年东距夏季天气气候异常是由i o d 事件引起的，发现了 印度洋变率影响东亚夏季风变动可能通过一个三角形遥相关机制实现。l a r e e fz u b a i r 等“ 研究表明由正 o d 引起的西印度洋低层对流层辐合扩展至斯里兰卡地区，造成该地区秋季 降水明显增加。 国内也有许多学者研究了印度洋海温异常对亚洲季风的影响。李崇银等 4 。“研究认为， 印度洋偶极子对南亚地区低层对流风场、对流层上层的南亚高压和西北太平洋副热带高压 都有显著的影响，所以，偶极子会对亚洲季风活动产生影响。对应海温偶极子的正位相， 有较强南海夏季风和印度夏季风；对应海温偶极子负位相。南海夏季风将偏弱，而印度南 部地区夏季风将偏强。晏红明等p 8 的模拟结果表明冷s s t a 对亚洲夏季风建立的甲晚及前 汛期中国降水有显著影响，而暖s s t a 则对亚洲季风区夏季风的活动及主汛期中国降水作 用明显。张卫青等”1 认为暖海温异常引起东亚季风明显偏强，冷海温异常引起印度季风明 显偏强。肖子牛等”8 1 利用r a p g c m 9 l 模式研究了e l n i n o 期间印度洋海温异常对亚洲天气 气候的影响，他发现在考虑印度洋海温异常时模拟效果要好，所以印度洋海温异常对弧洲 气候的影响不可忽视。假拉等【_ ”1 研究表明，印度洋西部s s t a 年际变化与印度夏季风关系 密切，当索马里急流区域春、夏季海温为正距平时，印度季风偏弱；反之t 当该区海温为 负距平时，印度夏季风偏弱。闫晓勇等 7 q 研究结果表明，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。 1 3 本文的主要研究内容 本文通过统计方法研究印度洋偶极子对夏季大气m j o 强度的影响，主要有以下几个 方面内容： ( 1 ) 印度洋偶极子对印度洋地区m j o 强度的影响及其可能机制，并进一步分析了1 9 8 9 这一典型负偶极子年的风场演变特征， ( 2 ) 印度洋偶极子对北半球夏季m o 强度的影响及其地理分布。 ( 3 ) 对1 9 9 4 年这一强正偶极子年和1 9 9 2 年这一强负偶极子年的季节内振荡强度异常及 其传搔特征进行分析；同时分析了这两年降水的低频特征，并通过环流分析解释了其原因。 1 , 4 本研究的特色与创新之处 ( 1 ) o d 和e n s o 现象都是热带海洋上的海温异常现象，通过海气相互作用，对天气 气候产生影响，但是以往大部分研究都集中在热带太平洋海温及其变化对大气m j o 的影响， 而印度洋上的海温变化，尤其是印度洋偶板子对大气m j 0 的影响如何，并未做系统的研究。 本文主要研究1 0 d 对热带和中高纬大气m j 0 的影响，并且在计算中滤除了e n s o 信号的 作用，得到的结果更能显示i o d 的作用。 ( 2 ) 经过国内外学者的统计研究及数值模拟，印度洋偶极子对亚洲季风的影响已逐渐 清晰。在印度洋偶极子影响亚洲夏季风的过程中，季节内振荡是否起了一定的作用，起了 什么样的作用，并且是如何起作用的，却没有得到系统的研究。这也是本文的一个创新点， 本文在这方面取得了一些有意义的结果。 第二章资料和方法 2 1 资料说明 逐日资料：1 9 7 9 1 9 9 8 年n c e p n c a r 再分析川1 7 层逐日风场资料( u 、v ) ，位势高 度场资料，8 层比湿( q ) 资料，海平面气压( s l p ) 、外逸长波辐射( o l r ) 和地面气压资 料( 分辨率皆为25 。25 。) 。 逐月资料：1 9 7 9 1 9 9 8 年g i s s t i 删逐月海温( s s t ) 资料( 分辨率为l 。1 。) ： n c e p n c a r 再分析逐月降水资料( 高斯格点) 。 2 2 方法说明 2 2 1 l a n c z o s 滤波 对文中所有逐日资料进行3 0 _ 巧。天带通滤波时，均采用了l a n c z o s 带通滤波器。 l a n c z o s 带通滤波器和b u t t e r w o r t h 滤波器通常作为季节内振荡研究中的滤波工具。以往 国内低频振荡的研究工作中主要采用的是b u t t e r w o r t h 滤波器，但由于l a n c z o s 带通滤波 器表现的优越性”7 8 “1 ，近年来l a n c z o s 带通滤波器在国内外犬气科学领域得到了日益广 泛的应用。以下对此滤波器作简单的介绍。 通常，时间滤波器的输入和输出信号间的关系为： n y ( f ) = y w ( 女) 工( f k ) ( 2 1 ) 在= ；l 其中，x ( f ) 为输入资料时间序列，y ( t ) 为输出资料时间序列，为时间变量，w ( 克) 是时间 滤波器的脉冲响应函数( 或称权重函数) 。 理想低通滤波器的权重函数为： ( 七) ：s i n 2 _ , f 一c k 七：，一，0 ，c 0 ( 2 2 ) 脯 它将频率厂厂。的振荡全部滤去，而完整保留厂 厂。的全部振荡。 l a n c z o s 低通滤波器的权重函数为： w ( 七) = s i n 2 f - 一c k s i n _ z d _ c - n 七= 一，o ，一，| v ( 2 3 ) 、+ 7 交戚 n 其中厂。为截断频率，( 2 n * 1 ) 为权重函数窗宽。可以看出，其权重函数是理想低通滤 波器的权函数和皇罢旦的乘积，这个sinfx项被larlczos称为盯园子。而n矗 l a n c z o s 带通滤波器由两个l a n c z o s 低通滤波器构成，其权重函数为： w 心，= 鼍筹n 一鼍筹n m n ，眨t ， 一。 斌 寐衣斌 ：。 其中厂。、f 。：为截断频率。 输入和输出资料的傅立叶振幅密度( 厂) 和y ( 厂) 的关系可通过对( 1 ) 进行傅立叶变 换获得，即 y ( 厂) = 吃( 厂瑙扩) ( 25 ) 这里，置c 厂) 是lf 的频率响应函数，权函数和频率响应互为傅立叶变换，即 也c 厂) = w 。( k ) e x p ( i 2 , r f k a ) ( 2 6 ) k c 2 寺c 扩，e 坤c r ：狐，妒，七= 一，n ， c ： 这里是样本间隔，为n y q u j 虬频率，当= 1 时，= 去= o 5 日。 理想带通滤波器的响应频率为 r ( 厂) = ! 笋“厂。： 粤 r 。表明 这两个序列存在显著的相关关系。 2 2 4 小波变换 傅立叶变换方法是将时间序列在频率域上展开，将时间序列分解成不同的波动但其 缺点是不能给出各种频率波动的能量随时间的变化。小波分析是当前数学中一个迅速发展 的领域，对时间序列可以既对时间，也对频率展开，因而能更有效地从信号中提取信息 通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，解决了f o u r i e r 变换不能 解决的许多困难问题。本文所用的小波为m o r l e t 小波。t o r r e n c e 等”对小波分析的原理 和步骤做过详细的说明。 对于任意一维时间序列，其小波变换的连续形式为： w ( 以6 ) ： 卜( f ) 甲( ! 皇) d r ( 2 1 2 ) 、，d 。 d 这里w ( 口，b ) 是小波系数，口是频率系数，b 是位置平移参数，甲( f ) 是小波的母函数，￥( f ) 是小渡母函数w ( t ) 的共扼函数。可以看到，小波变换函数是通过对母小波的伸缩和平移得 到的。小波变换的离散彤式为： 。( 啪) ： 蓬坤_ ( 兰譬) 忆13 ) a= 1 “ 其中，为取样间隔，n 为样本量。离散化的小波变换构成标准正交系，从而扩充了实际应 用的领域。 m o r l e t 子波是一个复数形式的子波。复数形式的子波在应用中有比实数形式的子波更多 的优点，由于它的实部与虚部位相相差万2 ，消除了实数形式子波变换系数模的振荡，它 可以将子波变换系数的模和位相分离开来，模代表某一尺度成分的多少，位相可以用来研 究信号的奇异性和即时频率。 第三章i o d 对印度洋地区夏季风时期季节内振荡的影响 3 1 引言 热带大气的季节内变化( 主要是3 0 6 0 天振荡，即m j o ) 对热带天气气候具有重要影 响。m j o 与印度季风的活跃和中断、澳大利亚季风和南海季风等具有非常密切的联系。 y a s u n a r i 等口”分析了印度洋及周围地区夏季风期间的位势高度场和风场，发现存上层对流 层，季风的活跃和中断存在准4 0 天周期振荡。印度季风的活跃和中断与3 0 一5 0 天气旋、 反气旋活动关系密切，而热带低压一般形成在具有3 0 5 0 天时间尺度的气旋性涡度区内 8 7 1 。t s i n g c h a n gc h e n 等”】研究指出印度季风系统由行星尺度的3 0 一5 0 天低频模调制，建 立了季风爆发一活跃一中断一复苏一撤退的循环。h e n d o n 等 8 9 - 9 0 1 基于合成分析，得到澳大 利砸季风爆发是由m j o 激发的，其后的研究也支持了这一观点【9 ”。低频振荡的位相可以影 响南海季风的建立【2 5 ”1 ，并与南海季风的活跃和中断( 或减弱) 密切相关”1 。李崇银 5 研究 也表明人气季节内振荡与南海夏季风的爆发有密切关系。 i o d 对热带地区季节内振荡的影响，必然会对热带天气气候产生影响。本章着重讨论 印度洋偶极子对热带印度洋地区m j o 的影响，并对其可能机制进行了简要的说明。 3 。2 资料和方法 1 9 7 9 1 9 9 8 年n c e p n c a r 再分析的1 7 层逐日风场资料( u ，v ) ，逐日o l r 资料 分辨率为2 5 。2 5 。；1 9 7 9 1 9 9 8 年g s s t i “嚏月海温资料，分辨率为1 。r 。 本章主要方法：l a n c z o s 滤波器和偏相关方法。 3 3i o d 对印度洋地区m j o 强度的影响及其可能机制 很多学者研究过季节内振荡强度，可用低频动能来表示季节内振荡强度 4 “1 ，也可采 用季节内振荡能量占总能量的方差百分比作为m j o 强度指数 8 3 | 。本文用各物理量季节内振 荡的方差来表示季节内振荡强度。 3 3 1i o d 对印度洋地区m j o 强度的影响 t o s h i a k is h i n o d a 等【9 3 】研究发现秋季i o d 对印度洋地区6 3 0 天月内振荡和3 0 一6 0 大 季节内振荡都具有显著影响，并着重讨论了i o d 对63 0 天月内振荡的影响，而对3 0 6 0 天季节内振荡则未作系统研究。本文侧重于研究夏季印度洋偶极子对该地区季节内振荡强 度的影响。1 9 7 9 1 9 9 8 年8 5 0 h p a 纬向风和经向风季节内振荡强度与偶极子指数的偏相关系 数分布( 图31 a 、b ) ，分别显示了印度洋偶极子与8 5 0 h p a 纬向风和经向风季节内振荡强度 的关联。可以看出，在东南印度洋地区，即印度洋偶极子的冷极区域存在很好的负相关， 且最大相关区都在( 1 0 5 。e ，1 0 s ) 附近。表明印度洋偶极子对纬向风和经向风季节内 振荡强度的影响在东南印度洋地区比较鼎著。在正偶极子事件发生时，东南印度洋区域的 纬向风和经向风季节内振荡强度明显减弱，而在负偶极子发生时，该地区的季节内振荡强 度显著增强。尽管m j o 具有全球尺度( 纬向i 波) 且向东传播岬j ，但在印度洋区域，i o d 对m j o 强度的影响还是非常显著。 5 c e4 0 e! d 6。7 0 e8 c ej c f 0 0 e 、10 e2 0 3 0 e4 0 5 0 e 6 0 f7 0 f8 0 e自c 1 c o f 1 10 f 1 ，f ( a ) 0 相关系敷3 l f l 蔬，m 一掣。沙味。、。丫、n i i v 9 8 01 9 8 21 9 8 4t9 8 61 9 8 819 9 09 9 7 9 9 49 9 51 9 9 8 ( c ) ( b ) v 相美系数0 5 5 d m i 旷。矶、a 以厂 u v 战j 八 v g ( d ) 图3i 1 9 7 9 1 9 9 8 年8 5 0 h p a 纬向风( a ) 、经向风( b ) 季节内振荡强度与偶极子指数的偏相关系数 1 9 7 9 - 1 9 9 8 年偶极了指数与 9 0 。e - 儿0 。e ，1 0 。s 04 平均纬向风( c ) 、经向风( d ) 季节内振荡强度随时间的演变。( 阴影区为t 检验达到9 0 的置信水平区) 9 7 9 一i 9 9 8 年偶极子指数- 与 9 0 。e 一1 1 0 。e ，1 0 。s ，0 平均的纬向风和经向风季节内 振荡强度随时间的演变( 图3 1 c 、d ) 进一步显示了显著相关区内1 0 d 对8 5 0 h p a 纬向风和 经向风季节内振荡强度的影响。d m i 与u 、v 季节内振荡强度存在很明显的反位相变化关 系，该变化在图1 d 中表现得更加清楚。例如，在1 9 8 3 、1 9 9 4 和1 9 9 7 年等正偶极子年中， 纬向风和经向风的季节内振荡强度都显著减弱。 以上分析说明印度洋偶极子对东南印度洋地区的季节内振荡强度存在显著影响，当印 度洋正偶极子事件发生时，东南印度洋附近纬向风、经向风的季节内振荡强度显著减弱； 当负偶极子事件发生时，东南印度洋附近纬向风、经向风的季节内振荡强度显著增强。 ( a ) ( b ) ( c ) 图3 2 1 9 7 9 - 1 9 9 8 年8 5 0 h p a 纬向风( a ) 、经向风( b ) 和o l r ( c ) 季节内振荡强度 与n i n 0 3 指数的偏相关系数。( 阴影区为t 检验达到9 0 的置信水平区) 很多研究都认为由e n s o 引起的大尺度环流异常对季节内振荡具有重要影响4 0 - 4 2 1 。为 了验证e n s o 对印度洋地区的季节内振荡强度是否也存在影响，或存在什么样的影响，本 文计算了n i n 0 3 指数与纬向风、经向风和o l r 季节内振荡强度的偏相关系数( 图3 2 ) 。可 以看出，无论是纬向风、经向风还是o l r ，在印度洋地区，e n s o 对季节内振荡强度的影 响并不明显，而在纬度稍高地区存在一些显著相关区。这表明e n s o 对季节内振荡强度的 影响与1 0 d 明显不同，印度洋地区大气季内变率更多的受到印度洋海温变化的驱动。例如， i 9 9 4 年是典型的1 0 d 年，在这一年里，纬向风和经向风季节内振荡强度都明显变弱( 图 3 1c 、d ) 。k u m a r 等 9 5 1 研究发现近十年来e n s o 与印度夏季风的反相关关系逐渐变弱。a s h o k 和g u a n 等【6 ”用4 1 年滑动相关说明在晟近4 0 年中，i o d 和e n s o 对印度季风降雨的影响 存在显著的反位相关系。这与本文的研究结果相近，i o d 和e n s o 对印度洋地区的季节内 振荡强度的影响存在明显差异，i o d 对该地区m a o 强度影响显著，而e n s o 的影响则很弱。 3 3 2 i o d 对印度洋地区m j o 强度影响的可能机制 很多研究表明，积云对流加热反馈作用是激发热带大气季节内振荡的重要机制【4 s - e u ， 我国学者还提出了波动一c i s k 理论【5 2 】。那么i o d 对东南印度洋地区季节内振荡强度的影响 是否也与对流活动有关? 本童对1 9 7 9 - 1 9 9 8 年夏季平均o l r 和季内o l r 进行了分析。 3 0 e4 0 15 0 e6 0 ej o e8 0 e9 0 eo o e1 io e2 0 e ( a ) o l r 相关系数o7 0 、”天 舞、觚 咧v 9 蝣 ( b ) 图331 9 7 9 - 1 9 9 8 年夏季平均o l r 与d m i 的偏相关系数c a ) ；d m _ 与 9 0 。e 一1 1 0 。e ，1 0 。s 一0 。 平均o l r 随时间的演变( b ) 。( 阴影区为t 检验达到9 0 的置信水平区) 印度洋偶极子事件发生的一个最显著的现象就是东西印度洋海温的变化，东南印度洋 地区海温异常偏低，而西印度洋地区海温异常偏高，同时伴随着东南印度洋地区的对流活 动减弱，西印度洋地区对流活动增强【6 5 - 6 6 1 。这一现象在图3 , 3 中也得到说明。图3 3 显示了 1 9 7 9 1 9 9 8 年夏季平均o l r 与偶极子指数的偏相关系数分布。可以看出在东南印度洋地 区存在十分显著的正相关，在两印度洋地区存在显著的负相关。并且d m i 与 9 0 。e 一11 0 。e ，1 0 。s 0 。 区域平均o l r 的时间演变也表现出明显的同位相变化( 图33 b ) 。也就是 说，当印度洋t 正偶极子事件发牛时，东南印度洋上对流活动显著减弱，西印度洋：对流 活动显著增强，这与以前的研究结果一致 6 5 - 6 6 】。 热带地区积云对流活动明显，印度洋偶极子对o l r 季节内振荡强度也具有显著的影 响。从印度洋偶极子与o l r 季内振荡强度的偏相关系数分布( 图3 4 a ) 中可以看出，在东 南印度洋地区存在显著负相关，显著相关区与图3l a 、b 中大致相同，图3 ，4 b 进一步显示 出d m i 与东南印度洋地区o l r 季节内振荡强度的反位相关系。i o d 对东南印度洋上复季 平均o l r 和季内o l r 强度都存在显著影响，这说明i o d 可能通过季节平均对流和季内对 流活动来影响季内风场的变化。 ( a ) o l r 一一 相关系数o4 7 、八 础 l 蜘妒n ：4 9 8 0 9 82 9 8 419 8 69 8 8 ( b ) 图3 41 9 7 9 1 9 9 8 年o l r 季节内振荡强度与偶极予指数的偏相关系数( a ) ： 偶板子指数与 9 0 。e 一1 1 0 。e ，1 0 。s 一0 。i 平均o l r 季节内振荡强度随时间的演变( b ) (