（气象学专业论文）平流层极涡异常对enso信号的响应及其与对流层的耦合过程.pdf

摘要 本文运用欧洲中心e c m w f 月平均再分析资料，分析了北半球平流层极涡 的主要时空分布特征和振荡周期，研究了e n s o 信号与平流层极涡活动异常的 关系，探讨了大气对热带海温异常的热力适应过程及其在平流层中的经向传播。 结合0 8 年冬季我国南方地区发生的极端灾害性天气事件，利用n c e p n c a r 逐日的再分析资料研究了平流层和对流层的耦合过程，主要结论包括： 1 北半球极涡主要的异常信号集中在冬季平流层高层，其中平流层极涡主 要的特征模态表现为极涡环流强度的变化以及极涡的纬向非对称结构， 其振荡周期具有多尺度特征 2 e n s o 信号与平流层极涡异常指数之间呈负的线性相关，两者在年际尺 度上显著相关，说明e ln i f l o 年冬季平流层极涡偏弱，反之亦然 3 在e 1n i f i o 背景下，大气对热带海洋加热作用的热力适应使得对流层顶 上出现“过流现象”，平流层低层偏冷；平流层热带地区等熵面下压，加 大了等熵面向极的坡度，使得平流层经向环流异常向极区传播；来自热 带地区的暖支气流在极区下沉，造成极区绕极纬向西风环流减弱，极区 偏暖，平流层极涡活动趋于减弱和崩溃 4 0 8 年冬季平流层极涡持续偏强，极涡从1 2 月下旬开始向东亚和大西洋 上空偏心发展，同时在欧洲地中海地区减弱向极区收缩，从而在欧亚 地区的平流层高层最早形成“一脊一槽”的1 波环流形势；该地区的平流 层异常信号1 0h p a 向下传播到对流层中低层需要约1 5 2 0 天的时间 5 0 8 年冬季平流层对流层经向耦合环流的冷支在我国中东部地区异常偏 强，使得极区冷空气异常南下影响到我国中纬度地区 关键词：平流层极涡e n s o 信号热力适应平流层对流层耦合 a b s t r a c t b a s e do nm o n t h l ye c m w fr e a n a l y s i sd a t a , t h em a i nt e m p o r a la n ds p a t i a l f e a t u r e sa n dt h el e a d i n go s c i l l a t i o nm o d e so fs t r a t o s p h e r i cp o l a rv o r t e xi nt h en o r t h h e m i s p h e r ea r ei n v e s t i g a t e d t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ne n s os i g n a la n ds t r a t o s p h e r i c p o l a ro s c i l l a t i o ni sd i s c u s s e d ；f u r t h e r m o r e ，t h ei m p a c to fe n s os i g n a lo nt h e a n o m a l yt r e n do fs t r a t o s p h e r i cp o l a rv o r t e xi se x p l a i n e db yt h et h e o r yo ft h e r m a l a d a p t a t i o ni nt r o p i c a la t m o s p h e r e w i mt h ec a s ea n a l y s i so f t h ec o l dw i n t e ri ns o u t h c h i n a2 0 0 8 ，t h ed y n a m i c a lc o u p l i n gb e t w e e ns t r a t o s p h e r ea n dt r o p o s p h e r ei ss t u d i e d b yu s i n gt h ed a i l yd a t af r o mn c e p n c a r t h em a i n c o n c l u s i o n si n c l u d e ： 1 t h ep o l a rv o r t e xo s c i l l a t i o n sd o m a i nm o s t l yi nt h ew i n t e r t i m ea tt h eh i 曲l e v e l s o fs t r a t o s p h e r e t h ef i r s tt w ol e a d i n gm o d e sb e h a v et h es t r e n g t ho fs t r a t o s p h e r i c p o l a r , o t h e r w i s et h ea s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o n 2 a tt h ei n t e r a n n u a l t i m es c a l e ，e n s oa n ds t r a t o s p h e r i cp o l a ro s c i l l a t i o nh a sa n e g a t i v ec o r r e l a t i o n ，w h i c hm e a n se 1n i f i oi sf o l l o w e db ya w e a k e rs t r a t o s p h e r i c p o l a rv o r t e xi nt h ew i n t e r 3 i nt h ep h a s eo fe 1n i f i o ，t h et h e r m a la d a p t a t i o nb e t w e e na t m o s p h e r ea n do c e a n h e a t i n gc a nl e a d st ot h e o v e r s h o o t i n g p h e n o m e n o na tt h et r o p o p a u s ea n d t h e n t h ec o o l i n ge f f e c ti nl o w e rs t r a t o s p h e r e f o r c e db yt h ea n o m a l o u sc i r c u l a t i o n ， t h es l o p eo fi s e n t r o p i cs u r f a c ei nn o r t hh e m i s p h e r ei si n c r e a s e d ，w h i c hi s f o l l o w e db yt h ep o l e w a r dp r o p a g a t i o ni ns t r a t o s p h e r e t h es u r f - p o l a rc i r c u l a t i o n d e c r e a s ea n dt h es t r a t o s p h e r i cp o l a rv o r t e xb e c o m ew e a k e rs i n c et h ew a r m b r a n c ho fs u c hm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o nl e a d st ot h ew a r mu po fp o l a rr e g i o n 4 t h es t r a t o s p h e r i cp o l a rv o r t e xw a sp e r s i s t e n t l ys t r o n g e rd u r i n gt h ew i n t e r2 0 0 8 i tw a se l o n g a t e da n de c c e n t r i c a l l yd e v e l o p e da l o n ge a s t e r na s i aa n da t l a n t i c ， a n ds h r a n ka l o n gw e s t e m - e u r oa n dm e d i t e r r a n e a ns i n c et h ee a r l yd e c e m b e r t h e o n er i d g ea n do n et r o u g h ”p a t t e r nf i r s ta p p e a r e di nt h eh i g hs t r a t o s p h e r ei n t h ee a s t e r nh e m i s p h e r e i tt o o ka b o u t15 - 2 0d a y sf o rt h e mt op r o p a g a t ef r o m 10 h p at ol o w e r t r o p o s p h e r i cl e v e l s 5 i nt h ew i n t e ro f2 0 0 8 ，t h ec o l db r a n c ho fm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o nb e t w e e n s t r a t o s p h e r ea n dt r o p o s p h e r eb e c a m es t r o n g e ri nt h em i d d l e - e a s tp a r to fc h i n a , w h i c hb r o u g h to nt h ec o l ds u r g ef r o mp o l a rr e g i o nt om i d d l el a t i t u d ei nc h i n a k e yw o r d s ：s t r a t o s p h e r i cp o l a rv o r r t e x ，e n s o s i g n a l ，t h e r m a la d a p t a t i o n ， s t r a t o s p h e r e t r o p o s p h e r ec o u p l i n g 1 1 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：l 壹丝! 隆 日期：出：妄：f ! 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：l 壹堡! 隆 日 期：塑乙：c ! 1 1 引言 第一章绪论 近年来，由于极端天气、气候事件的多发、频发，以及人们对全球气候变化重要性认 识的逐步深化，极地对全球气候变化的影响问题已受到高度关注。世界气象研究计划 ( w c r p ) 专门开展了关于北极环流系统的研究计划( a c s y s ) ，世界气象组织( w m o ) 和国际科学理事会( i c s u ) 也共同发起了极地科学考察活动( i p y ) ，其主要目的就是研究 极地与全球气候变化之间的联系。我国自1 9 9 9 年以来已经开展了多次对极地的科学考察活 动，这些重要的科学探索对认识极地气候对全球气候变化的影响起到了非常重要的作用。 同时随着全球气候异常范围的不断扩大，极地对全球气候变化的响应也变得越来越明显。 最早人们关注到北半球冬季高纬环流与中纬度地区气压场上的反位相结构，并由t h o m p s o n 和w a l l a c e 【1 ，2 l ( 1 9 9 8 ，2 0 0 0 ) 提出了北极涛动( a r c t i co s c i l l a t i o n ) 的概念，后来也有研究提出了 北半球环状模( n o r t ha n n u l a rm o d e ) 及北大西洋涛动( n o r t ha t l a n t i co s c i l l a t i o n ) 的理论 概念，其主要反映的也是中高纬与低纬度地区南北方向上“跷跷板”式的振荡结构。不论是 a o 还是n a m 都表现出极区范围内的绕极环流系统具有准正压结构，从地面一直向上可以 发展到平流层高层。由于平流层大气的温度随高度增加，大气的稳定度更高，空气运动以 水平方向的大尺度运动为主，因此绕极的环流系统在平流层中表现得更为明显。对a o 的研 究就表明，不论是a o 的正位相还是负位相，极涡的异常都首先发生于平流层中高层，并逐 步向下传播，从平流层高层3 0 公里通过2 3 周左右的时间传到地面( b a l d w i na n dd l m k e n o n 【3 1 ， 1 9 9 9 ；b a l d w i n ，e ta l 【4 】2 0 0 1 ：c h r i s t i a n s e n 【5 ，6 11 9 9 9 ，2 0 0 1 ) ，对冬季大陆气候异常产生影响 o e o n ga n dh 0 1 7 1 ，2 0 0 5 ；g o n g ，e ta 1 【8 12 0 01 ；b l a c k 9 1 ，2 0 0 2 ) 。由于平流层信号超前于对流层天 气异常信号，且平流层大气因具有长时间尺度特征而具有很强的“记忆 性，( b a l d w i n 1 0 , l l 】，2 0 0 3 a , 2 0 0 3 b ) ，因此可有助于提高对流层气候趋势的延伸预报水平 ( c h r i s t i a n s e n t l 2 1 2 0 0 5 ) 。 平流层极涡北半球冬季高纬地区一个重要的天气气候系统，其振荡过程对平流层一 对流层耦合过程产生的影响也引起了人们的高度重视。尽管受观测资料和技术手段的限制， 1 近年来关于平流层极涡的活动特征及其机理方面的研究还是取得了很多有意义的进展。以 期平流层被认为是被动的接受对流层行星上传作用的影响，随着平流层爆发性增温现象 ( s t r a t o s p h e r i c s u d d e nw a r m i n g ) 以及平流层臭氧耗损等一系列问题的发现 ( m a t s u n o l l3 1 ，1 9 7 1 ；q u i o s t l 4 1 ，1 9 7 7 ；l i m p a s u v a n t l5 1 ，2 0 0 3 ，c h a r l t o n 16 1 ，2 0 0 6 ) ，平流层环流异常的气 候效益开始被逐渐认识。同时现伴随极涡振荡的发生，大气质量环流异常在高层向极地输 送，低层向赤道输送；异常信号在平流层由热带向极地传播，在对流层有极地向赤道传播。 这些研究均表明平流层极涡振荡与对流层的环流异常之间可能存在有动力和热力上的联系 ( c a ia n dr e n t l 7 1 ，2 0 0 7 ) 。 平流层极涡活动的异常可能受到很多因子的影响，其中臭氧浓度的变化、大气中温室 气体量的增加( g r a n i e ra n db r a s e u r 1 8 0 1 9 9 2 ；a u s t i ne ta 1 1 19 1 ，1 9 9 2 ) 、火山活动 ( k o d e r a z 们，19 9 5 ) 、太f i lm 动( v a n l o o na n dl a b i t z l 【e 【2 l 】，2 0 0 0 ；k o d e r aa n ds h i b a t a l 2 2 1 ，2 0 0 6 ) 以 及大气内部准两年振荡( q b o ) 现象( h o l t o na n dt a n t 2 3 1 ，1 9 8 0 ；d u n k e r t o na n d b a l d w i n l 2 4 ，1 9 9 1 ) 和热带海表面温度变化( a n g e l l t 2 5 1 ，1 9 8 1 ；s a s s ie ta 1 t 2 6 1 ，2 0 0 4 ；g a r c i ae ta 1 【2 7 1 ， 2 0 0 6 ) 都可能对平流层大气的活动产生影响。同时，对于极区气候和热带海气相互作用之 间关系的研究有了新的进展：一是认为高纬度的环流调整会影响到热带海气相互作用 ( t h o m p s o na n dw a l l a c e 1 1 1 9 9 8 ；g r a f a n dw a l t e r 2 羽，2 0 0 5 ；n a k a m u r ae ta 1 【2 9 t2 0 0 7 ) ；二是强调 热带对流活动通过波一流相互作用影响中高纬度大气运动和气候异常( 1 ( o d e r a l 3 0 1 ，1 9 9 6 ； h o e r l i n ga n dp e n g t 3 ，2 0 0 4 ；g r a s s ie ta 1 【3 2 1 2 0 0 5 ) 。 1 2 国内外相关研究进展 1 2 1 关于平流层极涡的研究 由于冬季极地受到太阳辐射加热作用显著减小，北半球高纬度地区温度下降很快，特 别是在平流层中强大的经向温度梯度使得极区出现强大的绕极西风环流。极涡一般从秋季 开始发展，在整个冬半年都稳定维持，其中可能会包括几次振荡调整过程，到春季极区环 流开始衰退，极涡趋于崩溃。 平流层极涡在平流层- 对流层耦合过程中也起到了重要的作用，它作为平流层中最主要 2 的一个大尺度环流系统，其异常过程会对整个中高层大气的动力、热力以及质量分布产生 影响。h o l t o n 3 3 1 ( 1 9 9 5 ) 利用波流相互作用的理论也解释了由平流层热带外地区行星波活 动所驱动的流体“气泵”能在热带地区产生抽吸作用，其结果是加剧了热带地区穿越对流层 项的大尺度上升运动。b a l d w i n 等( 1 9 9 5 t 3 4 1 ，1 9 9 9 t 3 1 ，2 0 0 1 t 4 1 ，2 0 0 3a 【1 们，2 0 0 3 b t l l l ) 的一系 列研究揭示a o 异常从平流层高层下传到地面并改变对流层中风暴轴的位置，因而对整个 半球尺度的环流产生了重要影响。p e r l w i t z 和g r a f f l 9 9 5 t 3 5 1 ，2 0 0 1 t 3 6 j ) 用统计的方法发现平 流层位势高度场和对流层的位势高度场在北半球冬季具有很好的相关性，其最主要的两个 典型相关模态分别表现为平流层极涡和北大西洋环流之间的相关性以及平流层纬向1 波结 构和对流层p n a 型的相关性。t h o m p s o n 和w a l l a c e ( 1 9 9 8 t 1 1 。2 0 0 0 t 2 1 ，2 0 0 2 1 3 7 1 ) 比较经典 的研究是用北半球冬季的海平面气压场来表示高低纬之间的环状结构，并说明平流层与对 流层之间存在很强的耦合作用。r e na n dc a i 3 8 1 ( 2 0 0 6 ) 通过在半拉格朗日坐标系( 0 一 p v l a t ) 中建立等位势涡度平面，给出了逐日的位涡振荡指数( p v oi n d e x ) 。研究发现平 流层环流异常具有同时向极和向下传播的特征，从赤道传到极区的特征时间尺度为5 5 天 ( r e n2 0 0 7 ) 。这种经向上的传播不仅解释了高低纬环流之间“跷跷板”式的振荡，而且非常 重要地将低纬热带环流异常同高纬度环流以及极涡振荡联系起来，把平流层的异常和对流 层的异常联系起来。另外，全球质量环流的理论概念可以用来解释低纬热带与高纬度存在 的相互作用和联系的可能途径。 1 2 2 关于平流层极涡对热带海温异常响应的研究 e n s o 是一个具有全球尺度的振荡现象，既包括了海洋分量( e ln i f l o 和l an i f i a ) 也 包括了大气分量( 南方涛动s o ) 。由e n s o 事件所引起大气环流调整会导致全球范围的气 候异常，对于平流层中是否存在e n s o 信号及其海温对平流层极涡活动可能的影响等问题 也备受关注( c a l v o ，g a r c i a - h e r r e r aa n dg a r c i a l 3 9 】，2 0 0 8 ) 。通过观测资料分析说明在e ln i f l o 期间，平流层冬季更容易出现极涡强度偏弱极区温度偏暖。a n g e l l 【4 川( 1 9 9 1 ) 基于观测资料 给出了3 0 0 m b 极涡的面积与海表面温度之间的关系，两者相关系数达到一o 3 9 。c h e ne t a l 3 4 1 1 ( 2 0 0 3 ) 用n c e p 季节平均资料，发现e n s o 会影响上传行星波的强度从而对平流层波 动通量强度的年际变率s i o ( s t r a t o s p h e r i ci n t e r a n n u a lo s c i l l a t i o n ) 产生影响。g r a s s ia n d v i s e o n t i 【4 2 1 ( 2 0 0 6 ) 研究了热带海温与南极气候之间的可能联系，并解释了其物理机制。在其 研究中指出了热带海温扰动和热带对流活动，可以影响到热带向上传播的行星波动的强度。 不同模式模拟的结果得到的结果并不统一，h a m i l t o n l 4 3 1 ( 1 9 9 3 ) 利用普林斯顿流体动 力实验室的s k y h i 模式模拟了平流层大气中的e n s o 信号，发现与观测中所得到的结果 相一致，即e n s o 事件通过调整大尺度的行星1 波和2 波对平流层环流产生影响，表现为 中层大气中阿留申高压增强。l a h o z 4 4 1 ( 2 0 0 0 ) 用英国u m 模式集合了9 个北半球冬季的 样本研究了s s t 变率对平流层温度异常趋势的影响，结果并没有发现对e n s o 可靠的响应。 s a s s ie ta l ( 2 0 0 4 ) 利用n c a r 的w a c c m 模式进行研究表明，e n s o 对于平流层中高纬度 的平均环流有一定的影响，但其影响的具体过程具有一定不确定性。m a n z i n i 4 习( 2 0 0 6 ) 结 合e r a 4 0 资料和m a e c h a m 5 模式模拟的结果发现，热带外环流对暖e n s o 事件的响应， 是会增加准定常行星波从对流层向平流层的垂直传播，从而造成极涡强度的减弱。t a g u c h i 和h a r t m a n n l 4 6 1 ( 2 0 0 6 ) 用该模式模拟的结果也说明，在e ln i f i o 发生的背景下，冬季极涡 强度偏弱，平流层爆发性增温事件出现的概率约是l an i f i a 背景下的两倍。 在关注热带太平洋海温异常影响的同时，也有不少研究着重说明大西洋部分的海温在很 大程度上可以影响到更高纬度的大气环流异常。c z a j aa n df r a n l d g n o u l 4 7 ( 2 0 0 1 ) 运用最大相 关分析( m c a ) 研究发现冬季的泛大西洋海温异常超前于北大西洋涛动( n a o ) 异常6 个 月，并分别讨论了热带和副热带海温异常对5 0 0 h p a 大气环流产生的不同影响。h o e d i n g 3 1 1 ( 2 0 0 4 ) 指出热带印度洋加热也可以使得中高纬的大气环流产生异常的环状响应。 这些研究都只是从单方面考虑了热带海气相互作用与中高纬环流之间的关系，并没有 给出热带海气相互作用与极涡振荡之间确切的联系和作用机制。因此，本文从分析平流层 极涡活动的基本特征出发，进一步揭示了热带海温异常与平流层极涡异常关系。 1 2 3 关于极涡气候效应的研究 由于极涡控制着北半球冬季中高纬大部分地区，其具体强度和形态的变化可以影响到 4 整个大尺度环流的异常。在对东亚冬季季风系统的研究中，g o n g l 8 1 等( 2 0 0 1 ) 发现西伯利 亚高压的强度与a o 之间有很好的关系，a o 的强度将直接影响到东亚冬季风的强弱。龚 道溢等1 4 8 1 ( 2 0 0 4 ) 发现我国的地面气温变率通过西伯利亚高压的高频变率与北极涛动的振 荡相联系。北半球极涡活动的强度和范围会影响到冬季大陆的地面温度和降水( 顾思南， 杨修群【4 9 1 ，2 0 0 6 ) 。p a r k 5 0 1 ( 2 0 0 8 ) 研究了东亚地区冬季冷涌与a o 之间的关系，说明极区 的冷空气会造成东亚地区出现极端的低温异常天气。d i n g 和“5 1 1 ( 2 0 0 5 ) 说明春季频繁 的沙尘暴天气等也与极区冷空气的异常活动有关。 对于0 8 年初我国南方地区出现的持续性大范围的雨雪冰冻天气，不少研究都指出前 期1 2 月份a o 的持续增强可能是此次极端天气事件的影响因素之一( 王东海【5 2 1 ，2 0 0 8 ； 刘毅【5 3 】，2 0 0 8 ) 。由于平流层极涡通常相对于对流层具有一定超前性，对于预测和分析对 流层中极端环流系统的出现具有很好的指示意义，往往可以更早地预示出大气环流的异常 信息，因而对于分析和预测我国的天气气候异常起到了非常重要的作用。 1 3 研究内容简介 本文主要的研究内容分为： 第三章，通过多年的再分析资料，揭示等熵面上平流层极涡活动季节演变特征，提取 可以用来描述平流层极涡动力和热力特性的极涡异常指数，并分析平流层极涡振荡的主要 特征以及显著性周期： 第四章，讨论与平流层极涡振荡关系最密切的热带海温异常区，提取出海温异常指数 并讨论了q b o 信号和e n s o 信号在影响平流层极涡活动中是否具有不同线性关系。接下 来用热力适应理论解释热带大气对下界面海温冷、暖异常的不同响应过程，合成不同海温 背景下平流层极涡的异常特征； 第五章，结合0 8 年我国南方地区发生的低温雨雪冰冻极端天气事件，分析等熵面上的 环流异常和高层冷空气的输送过程，并分析了平流层极涡异常演变在对流层中高纬环流系 统维持中的作用，最后通过平流层与对流层之间环流的演变具体分析了平流层与对流层的 经向耦合过程。 5 2 1 资料说明 第二章资料和方法 2 1 1e c n d n f 再分析资料 e r a 资料是欧洲中心e c m w f ( e u r o p e a nc e n t e rf o rm e d i u mr a n gw e a t h e rf o r e c a s t s ) 采 用最新的t 1 5 9 l 6 0 谱模式和三维变分同化技术得到的多变量再分析气象资料。目前月平均 的资料起止范围为1 9 5 7 年9 月到2 0 0 2 年8 月。该套资料的水平分辨率为1 1 2 5 。1 1 2 5 。， 垂直方向包括等压面和等熵面两种。等压面资料从1 0 0 0 h p a 到l h p a 共2 3 层，等熵面共1 5 层( 2 6 5 k ，2 7 5 k ，2 8 5 k ，3 0 0 k ，31 5 k ，3 3 0 k ，3 5 0 k ，3 7 0 k ，3 9 5 k ，4 3 0 k ，4 7 5 k ，5 3 0 k ， 6 0 0 k ，7 0 0 k ，8 5 0 k ) 。 2 1 2n c e p n c a r 再分析资料 n c e p n c a r ( 美国大气研究中心环境预测中心) 第二套再分析资料，用到2 0 0 7 年和 2 0 0 0 8 年的逐日资料，垂直分层从1 0 0 0h p a 到1 0h p a 共1 7 层，水平分辨率为2 5o 2 5o ， 主要的变量包括：温度、位势高度、纬向风分量和经向风分量 2 1 3 全球海温资料 全球的海温异常资料来自于英国气象局提供的k a p l a n 延伸的海温异常，该套资料是通 过多种技术手段处理的月平均的全球海温异常资料，气候态为1 9 5 1 - - - 1 9 8 0 ，资料为相对于 气候平均态的距平场，水平分辨率为5 0 5 。 2 2 方法说明 2 2 1 经验正交函数分解( e o d 经验正交函数( e m p i r i c a lo r t h o g o n a lf u n c t i o n ) 分解是气象中常用的一种分析方法， 其功能是从多样本( 变量) 的气象要素场中识别出主要的并相互正交的空间分布型。其目 的在于能从用数量较少的几个空间分布模态来描述原变量场，且又能基本涵盖原变量场的 6 信息，也就是寻找某种数学表达式将变量场的主要空间分布结构有效地分离出来。 设抽取样本容量为n 的资料，对某个包含m 个空间点的气象要素场x 进行分e o f 分 解。x t t = l ，2 ，皿可以看做是m 维空间中的n 个向量。自然正交展开就是要寻找一组正 交基向量，将原场x 。尽可能的表示出来： x t = a l ( f ) 圪+ 其中v i 为空间型( s p a t i a lp a t t e n ) ，也就是原场x t 的典型样子， 口t ( t ) 为对于空间型v 七 的时间系数，q 为误差。 由于不同的资料阵，就可以有不同的经验正交函数分解。用经验正交函数分解气象要 素场的重要优点在于：第一，它没有固定的函数形式，它可以用前几个分量的时间函数和空 间函数来反映场的主要特征；第二，它能在有限区域上对不规则分布的站点进行分解，这 对降水场、温度场的分解特别方便。它还可以在小区域的气象要素场分析及天气过程分析 上使用。 2 2 2 一元线性回归及检验 回归分析是气象中常用的一种方法，是用来寻找若干变量之间统计联系的一种方法。 一元线性回顾处理的是两个变量之间的联系，即预报量和一个因子之间的关系。 一般来说，对于样本容量为n 的预报量y 和预报因子x ，如果y 与x 存在线性关系， 那么预报量的估计量夕与x 之间有如下的关系： 兜= b o + b x i ( i - 1 ，2 ，n ) 采用最小二乘法求得回归方程中的回归系数b 回归系数的检验为在总体回归系数为。的条件下，统计量f 2 虿天 酉遵从分子自 由度为1 ，分母自由度为( n - 2 ) 的f 分布。 7 2 2 3 功率谱分析及交叉谱分析 波谱分析是对时间序列在频域上进行分析的方法。一般利用功率谱作周期分析，由于 功率谱图已经显示了不同频率振荡的功率大小，因而可以从谱曲线中对应的谱值大小来确 认主要的振荡周期。为了确认该振荡周期是否显著，同时还需要做显著性检验。功率谱的 检验是利用红噪声( 即一阶的m a r k o v 过程) 功率谱作原假设，算出红噪声谱9 5 的置信 上界和样本的自由度，如果功率谱值超过这一置信上界，则认为该振荡周期是显著的。 交叉谱揭示的是两个时间序列在不同频率上相关的关系。实际上交叉谱为复谱： s ( ) = p ( c o ) 一f q ( 国) 其中实部p ( c o ) 为协谱，虚部q ( ) 为正交谱。凝聚谱可以反映两个时间函数在频率上 的相关密切程度，r 2 ( 国) = ! 揣，凝聚谱值在。，之间变动，实际反映了两 个时间序列的密切程度。另外也可以通过计算落后时间谱来发现两个时间系数在不同频率 上位相的关系。对凝聚谱值的显著检验，可以计算统计量f = 墅三等 分母自由度有2 ( n - 1 ) ，f 分子自由度为2 的f 分布。 2 2 4 等熵面上位势涡度的计算 等熵面上位势涡度的具体计算步骤为：1 ) 计算等压面各格点上位温，静力稳定度和牵 连虢媪o u d k ) = “ ，杉，如韶蝴一绝热舰阶界面位一 上界，则采用保持该层平均位温不变的方法，以保证0 随高度是单调递增的：静力稳定度， 0 0 一一= 一 觏i ) q m ) 一q h ) 毁七+ 1 ) 一毁i 1 ) ，在上下边界处采用外推法求该层的静力稳定度；随纬度变化的 牵连涡度，石) = 2 n s i n q ( j ) ，其中q = 7 2 9 e 一5 ； 2 ) 将等压面上的各变量值线性内插到等熵面上：根据需要选取位温从2 7 0 k 至t j 9 0 0 k 共 8 2 3 层等熵面，差值公式为：k a ) = k t ) + 格( k ) 一k t ) ) 。需要差值的变量包括：纬 向风u ，经向风v ，气压p ，位温0 ，牵连涡度及静力稳定度。 3 ) 计算各层等熵面上的位涡v ) ：1 p v o , j , o ) = - g ( 钆u 棚) ) 嚣，其中 槲涡晚 ，= 迎学一一丛学一毕。 9 第三章平流层极涡活动的基本特征 2 0 世纪6 0 年代以来，随着飞机、雷达和卫星等探测技术的出现以及高空气象资料的 不断丰富，科学界对平流层大气基本特征的认识也进一步加深。在传统上，平流层被认为 是被动地接受对流层的信号，而随着对平流层大气的深入研究发现平流层自身也存在着很 强的振荡特征，并通过与对流层之间相互耦合过程影响到对流层中环流演变，因而平流层 的有关问题得到了前所未有的关注。 平流层大气中最主要的增温效应来自于臭氧对紫外线辐射的吸收，而c 0 2 等温室气体 的红外长波辐射则是大气辐射冷却的重要途径。在平流层大气中，这两种辐射的不平衡是 平流层大气经向运动的主要推动力。在北半球夏季，辐射平衡温度基本接近于实际大气中 的观测温度；而到了北半球的冬季，由于辐射冷却作用的加强使得北半球高纬地区温度变 冷，位势高度降低，大气形成围绕极点的强大气旋性运动。此时，平流层极涡是北半球高 纬度主要的环流系统，其强度和位置的变化不仅会影响到平流层大气环流的调整，而且自 上而下深厚的极涡系统也会造成对流层高纬地区大气环流的异常。平流层爆发性增温现象 ( s t r a t o s p h e r i cs u d d e nw a r m i n g ) 就是从无线电探空仪的观测资料中发现的，后来探空网络 的建立和一系列火箭探空研究都提供了更多平流层低层和中层爆发性增温现象的事实。 1 9 6 9 年以后利用卫星红外辐射强度观测资料进行了很多研究，特别是进入到上世纪7 0 8 0 年代以后大量卫星资料的使用，使平流层和中层大气资料开始有了足够的水平和垂直分辨 率，这更使得进一步深入研究平流层极涡的异常活动特征变为可能。 本章将结合欧洲中心多年的再分析资料，给出了平流层极涡活动气候平均特征，包括 其环流的季节演变特征和经向温度分布结构；在此基础上，进一步分析了平流层极涡异常 主要的时空演变特征以及平流层极涡所具有的显著性振荡周期，说明平流层极涡所对应的 整个北半球极区环流结构，为后文的进一步讨论热带海温异常影响平流层极涡异常的机理 提供了理论背景。 1 0 3 1 极涡的气候态特征 极涡在空间上表现为中高纬存在着明显的绕极低涡环流系统，其与低纬之间存在的反 位相结构也被称为北极涛动或北半球环状模。冬季受到太阳辐射冷却作用的影响使得平流 层极区处于很大的温度梯度中，平均的纬向风气流为适合这样的温度梯度而出现围绕极区 的西风环流，即极夜急流。从图3 1 所给出的纬向风分量的纬向对称分量的看，气候平均 态中极涡环流在冬半球是最强的。 嘲髑o3 0 h 图3 1 气候态中纬向平均的纬向风的季节演变： 依次为冬季( d j f ) 。春季( m a m ) ，夏季( j j a ) 和秋季( s o n ) ；单位：m ，s 在北半球冬季( d j f ) 平流层高层l h p a 附近的最大的纬向西风风速达到4 0 m s 以上， 而到了北半球的夏季( j j a ) 变为3 0 m s ，说明极区环流存在着明显的季节性转变；春季 ( m a m ) 和秋季( s o n ) 作为环流过渡性时期，平流层极区环流要弱于冬季，但是在平流 层热带地区为弱的东风气流，同时该东风带位置随季节发生变动，冬季从赤道向南半球高 纬延伸，夏季由赤道向北半球延伸。在南半球的冬季( 北半球夏季) 也出现了两支类似的 对流层和平流层急流，其中平流层急流较北半球冬季的更强，达到北半球冬季极夜急流的 近两倍。对比对流层高层2 0 0 h p a 附近的西风急流可以看出，平流层环流季节性调整的幅度 m 帆 嫩 哦 吼 挑= = = 9 o 明显要大于对流层，其随季节变化的幅度几乎是对流层西风急流变化幅度的近两倍。根据 实际观测，平流层的中高层在热带外地区几乎受到一致的西风急流所控制，最大的急流中 心在6 0 公里附近，这说明冬季平流层极区的气旋性环流是一个非常稳定而深厚的系统。可 以发现，出现在平流层高层的极夜急流仅存在于冬季，而在其他季节基本消失，而对流层 内的副热带西风急流却全年存在。这说明平流层环流的季节调整要比对流层更明显。 依次为冬季( d j f ) ，春季( m a m ) ，夏季( j j a ) 和秋季( s o n ：单位：k 图3 2 是季节平均的位温纬向对称分布结构，可以用来描述等熵面( 等位温线) 在不 脚刺黼据位温的蝴“朋砥。去虿m 层撇随高觥 增且气压逐渐降低，位温自下而上是逐渐增大的。对流层中3 0 0 k 以下的等位温线与地面 相交，而到3 2 0 k 时不论是那个季节都位于对流层中。从整体来看，极区的等位温线随季 节的变化最大，而且这种变化的趋势越往高层越明显，比如北半球极区1 0 h p a 在夏季位于 8 0 0 k 等熵面以上，而到了冬季则位于8 0 0 k 等熵面以下，说明极区的温度随季节振荡的幅 度很大。 1 2 南北半球之间由于太阳辐射差异引起的经向温度梯度是驱动全球经向单圈环流的主要 推动力，为说明平流层中南北半球经向热力差异的季节性演变特征，图3 3 给出了不同季 节平均的位温的经向梯度分布，可以看到在北半球冬季( d j f ) 越往高层南北半球之间的 经向位温梯度越大，这主要是由于平流层中太阳辐射的非均匀加热引起的。平流层高层存 的这种热力的不平衡性会驱动一个单圈的经向环流，从夏半球极地到冬半球极地，其上升 、 支在夏半球，下沉支在冬半球极区，由此带来了南北半球之间热量、动量以及物质的交换。 平流层的这种经向环流带来的绝热冷却( 加热) 维持了观测到的温度和辐射平衡温度之间 的差异。而如图3 ，1 所表示的纬向风分布也正是在保持局地热成风平衡条件下的必然结果。 图3 3 气候态中纬向平均的位温经向梯度的季节演变： 依次为冬季( d j f ) ，春季( m a m ) ，夏季( j j a ) 和秋季( s o n ) ；单位：k 根据经典动力学理论，在绝热和无摩擦条件下大气沿等熵面的运动是保守的，等熵面 上的位势涡度可以被认为是准守恒的。考虑到平流层大气属于自由大气，受边界摩擦作用 的影响非常小，且平流层大气中的非绝热过程是非常小的，因此结合等熵面上位势涡度的 守恒性来研究平流层大气的活动特征不仅仅有利于简化问题，也更符合实际大气的运动规 律。 1 3 图3 4 给出的冬季平均的8 5 0 k 等熵面位势涡度的分布，可以看到极涡是平流层北半球 冬季最主要的大尺度环流系统，其范围影响到北半球整个中高纬地区。由于平流层中大气 稳定度较高，根据位涡的定义口y ：一g ( + ) 罢，高位涡值表示极涡自身的涡旋运 印 动很强。因此用等熵面上的位势涡度可以形象地描述出极涡的位置和强度变化。从气候平 均态上看，平流层极涡从极点出发在各个方向上基本都是纬向对称分布，其经向梯度在西 半球要略小于东半球。平流层极涡空间上的这种近似于对称的分布结构对应着围绕极涡的 纬向西风很强，经向风较弱，平流层的行星尺度波动也较弱。由于极涡是一种深厚的准正 压系统，因而平流层高层的这种绕极环流形势会自上而下影响到整层的极区环流。 图3 4 冬季平均的8 5 0 k 等熵面上的位涡分布 单位：p v u ( i p v u = k m 2 k g s 一1 ) 为进一步分析平流层极涡异常振荡的季节演变特征，我们对北半球极冠区( 7 0 - 9 0 。n ) 范围内平均等熵位涡i p v 做了纬向平均，讨论其总的标准方差在各层上年循环分布，如图 3 5 所示。各层等熵面上纬向平均的位涡标准差大小表示了极涡活动异常的振幅大小，对应 极涡的异常信号也更加明显。从该图上可以明显看到，北半球极区位涡的主要变率信号集 中在平流层高层，向下呈逐渐递减的趋势。在年循环的特征上，极涡的异常变率从每年的 1 0 月开始增大到次年的l 、2 月份达到最大的异常振幅，随后逐渐减小，而在春夏季的变 率振荡幅度非常小。通过对北半球极冠区平均的总标准差分析可知，冬半年平流层极涡活 1 4 动是最显著的，冬季( d j f ) 包含了极涡异常变率的主要信息。 o o o o o o o o 图3 5 极区( 7 0 9 0 0 n ) 纬向平均的位涡标准差在等熵面上的年循环分布 横坐标对应1 1 2 月，纵坐标为等熵面( 单位：k ) ，等值线表示标准差大小 3 2 平流层极涡的时空演变特征 通过上节中对极涡季节演变特征的分析可知，平流层极涡变率随高度( 等熵面) 向上 是逐渐增加的。这是由于平流层中高层的大气运动主要是以大尺度行星波动为主，较平流 层低层具有更大的时空尺度。通常平流层中天气系统的时间尺度大约是1 2 个月，其异常 变化所带来的温度场和环流场调整的幅度也明显大于对流层。一般平流层爆发性增温时极 区的温度为在较短时间内升高几十度，而平流层极夜急流的东西风转换的年振幅在1 4 0 m s 左右。因此可以认为更多的极涡异常变率信息是集中在平流层的中高层。但由于资料垂直 分辨率的限制，我们