（物理海洋学专业论文）南极绕极波的传播系统研究.pdf

亩拯缝拯渡的笾搔丕筮班究 摘要 本文主要使用欧洲中尺度气象预报中心e c m w f 的海表气压( s l p ) 资 料，对南极绕极波的波动形态和传播过程进行分析，得到南极绕极波的基本波动 参数，对南极绕极波的波动进行拟合。得到模拟的南极绕极波波解，并对南极绕 极波的传播过程和与其相关的过程进行探讨和分析。研究时段集中在1 9 8 5 年到 2 0 0 2 年，研究范围为整个南大洋乃至整个南半球的海表气压体系。本文主要包 括以下几部分： 第一，利用1 9 5 8 2 0 0 2 的s l p 资料得到南极绕极流海域年际变化的主要信息， 并分析各个时段的传播情况。这里使用的5 阶的b u t t e r w o r t h 滤波器对s l p 资料 进行3 7 年的带通滤波，并使用功率谱分析证实了这种滤波器的可行性。分析结 果表明：南极绕极波只在1 9 8 5 1 9 9 4 年间存在明显的东向行波传播，这。段时间 的传播形态与w h i t e 的南极绕极波的空间形态是一致的；而在其他时段则不存在 明显的传播，而是本地维持的年际信号自我振荡占据主要地位。对年代际变化的 分析结果表明，9 0 年代以前，海表气压的年代际变化要整体早于n i n 0 3 指数的 年代际变化信号，南大洋海表气压的年代际变化的整体信号存在气候跃变。而滑 动t 检验的结果则表明，南大洋气候跃变的发生时间( 1 9 7 4 年前后) 也要早于 n i n 0 3 指数的跃变时间( 1 9 7 8 年前后) ； 第二，确定南极绕极波明显传播时段存在一个行波和驻波的传播系统。在理 想波解的情况下，利用最小的误差估计，采用非线性拟合的方法对1 9 8 5 - 1 9 9 2 年间南极绕极波的行波和驻波进行了叠加，在能够收敛的前提下，得至n 绕极波的 基本行波波速和波数，以及驻波明显的印度洋区的驻波波数和振动周期。结果表 明：在误差为2 0 0 _ + 7 的情况下，首次得到南极绕极波的理论波解，这个模拟的波 形和实际的波形有很好的相似性，可以基本代表南极绕极波的理想波解；南极绕 极波的行波和驻波是共存的一个体系，两者具有非常相近的角速度和频率。是南 极绕极波的共同组成部分； 第三，对南极绕极波的空间传播过程进行了分析。分析表明，南极绕极波和 中低纬度的e n s o 尺度的传播存在明显的联系，这种扰动是南极绕极波传播的 扰动端；s l p 在太平洋海域存在比较明显的行波传播，在大西洋海域传播则明显 减弱；而在印度洋区域则存在着比较明显的驻波体系，是明显的局地变化；三者 具有共同的周期也体现了三者共属于同一个动力学体系，行波和驻波共存系统可 以很好的表达南极绕极波的时空特性和传播特性； 第四，利用空间分段e o f 方法分解s l p 时空序列，研究波动的传播特性。 结果表明，分段的e o f 方法可以完全可以体现波动的传播特性，并从该方法的 结论中进一步证实了，绕极波是印度洋驻波和太平洋以及大西洋行波的共存系统 的结论，并对波动在海域之间的传播速度进行了分析。 关键词：南极绕极波海表气压行波和驻波共存系统经验正交分解 a s t u d yo nt h ep r o p a g a t i o n s y s t e mo f t h ea n t a r c t i cc i r c u m p o l a rw a v e a b s t r a c t l i lm i sp a p e r , t h es e al e v e lp r e s s u r ed a t a s e tf r o me u r o p e a nc e n t r ef o r m e r i d i o n a iw e a t h e rf o r e c a s tm c m w f ) i su s e dt oa n a l y z et h ew a v em o d ea n d p r o p a g a t i o np r o c e s so ft h ea n t a r c t i cc i r c u m p o l a rw a v e ( a c w ) t h eg e n e r a lw a v e p a r a m e t e ro fa c wi sd e r i v e du s i n gan o n - l i n e a ra p p r o x i m a t i o nm e t h o dt og e tt h e s o l u t i o no fa cw a l s o t h ep r o p a g a t i o np r o c e s so fa c wi sc a r e 如i l ye x a m i n e da n d w eg i v ed i s c u s s i o n st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e na c w p r o p a g a t i o na n d o t h e ra n o m a l i e sa s e n s os i g n a l s t h ed a t ae n d u r e s 仃o mt h ey e a r1 9 8 5t o2 0 0 2 w h i l et h er e g i o n sr a n g e s a m o n gt h ew h o l es o u t h e mh e m i s p h e r e t h em a i nc o n c l u s i o n so f t i l i sp a p e ra r e - f i r s t l y , a5o r d e rb a n d - p a s sb u t t e r w o r t hf i l t e r i n gm e t h o do f3 - 7y e a r si su s e dt o g e tt h em a i ni n f o r m a t i o no fi n t e r a n n u a ls l pv a r i a b i l i t yi nt h es o u t h e r no c e a nt h e s p e c t r u ma n a l y s i sp r o v e st h ea v a i l a b i l i t yo ft h i sm e t h o d t h er e s u l to ft h i sa n a l y s i s i n d i c a t e st h a ta c wm e r e l yp r o p a g a t ec l e a r l ya m o n gt h ey e a r19 8 5 - l9 9 4 a n dt h e s p a t i a lm o d eo f t h er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t hw h i t e sr e s u l t a l s o d u r i n gt h ey e a r sw i t h n oc l e a rp r o p a g a t i o n s ，t h em a i ns i g n a la p p e a r st ob et h ei o c a lo s c i l l a t i o no ft h e s o u t h e r no c e a n t h er e s u l to f t h ei n t e r d e c a d a lv a r i a b i l i t yr e v e a l st h ed e c a d a is i g n a lo f s l pi nt h es o u t h e r no c e a ni sp r i o rt ot h a to fe n s os i g n a l a l s o t h ec l i m a t e e r u p t i o n o f a c w ( t h ey e a r l 9 7 4 ) o c c u r se a r l i e rt h a nt h en i n 0 3s i g n a l ( t h ey e a r1 9 7 8 ) ； s e c o n d l y t h er e s u l td e t e r m i n e sac o e x i s t e n c es y s t e mo ft h es t a n d i n ga n d t r a v e l i n gw a v ee x i s t sd u r i n gt h ec l e a rp r o p a g a t i o np e r i o do fa c w 1 1 1 el e a s t - s q u a r e n o n - l i n e a ra p p r o x i m a t i o ne v a l u a t i o ns h o w st h a td u r i n gt h e1 9 8 5 1 9 9 2 ，t h es t a n d i n g a n dt r a v e l i n gp a r tg e t st h es i m i l a rw a v ep e r i o da n dw a v en u m b e r , p r o v i n gt h e i r b e l o n g i n gt ot h es a m es y s t e m b e s i d e sg e t t i n gt h eg e n e r a lw a v ep a r a m e t e ro fa c w t h et h e o r e t i c a ls o l u t i o no fa c wi sa l s od e r i v e da tt h ef i r s tt i m ea n dt h er e s u l t c o r r e l a t e se x a c t l yw e l lw i t ht h er e a lw a v em o d e w h i c hc o u l dw e l lr e p r e s e n tt h ew a v e m o d eo f a c w t h es t a n d i n ga n dt r a v e l i n gp a r to f a c wi sac o e x i s t e n c es y s t e mw h i c h g e tt h es a m ef r e q u e n c ya n dw a v es p e e d a n da r ea l li m p o r t a n tp a r to f a c wd y n a m i c a l i n t e g r a l s ； t h i r d l y , t h es p a t i a lp r o p a g a t i o np r o c e s so fa c wi sg i v e na n da n a l y z e d n e r e s u l t ss h o w st h a te n s os c a l ep r o c e s sc l e a r l yi n t e r a c t sw i t ht h ep r o p a g a t i o np r o c e s s o fa c w , w h i c hi st h ed i s t u r b a l i c e o r i g i no fa c w ：t h et r a v e l i n gw a v e1 0 0 k s p e r m a n e n ti nt h ep a c i f i co c e a nb u ti sw e a k e ri nt h ea t l a n t i c a n di nt h es o u t h e r n i n d i a n0 c e a nt h es t a n d i n gw a v ei sd o m i n a n t w h i c hi st h el o c a lo s c i l l a t i o n t h et h r e e p a r t sp o s s e s st h es a m ew a v ep e r i o dp r o v e st h a tt h e yb e l o n g st ot h es a m ed y n a m i c a l p r o c e s sa n dt h ec o e x i s t e n c es y s t e mc a l lb eu s e dt or e p r e s e n ts p a t i a la n dt e m p o r a l c h a r a c t e ro f a c w c l e a r l y ； f o u r t h l ya n dl a s t l y , t h es p a t i a l d e p a r t e de m p i r i c a lo r t h o g o n a lf u n c t i o n ( e o f ) i s u s e dt oa n a l y z et h et i m e s e r i e so fs l pt os t u d yt h ep r o p a g a t i o np r o c e s s t h er e s u l t s h o w st h a tt h i sm e t h o dc a nd e f i n i t e l yb eu s e dt os h o wt h ep r o p a g a t i o np r o c e s so fa w a v em o d ev i ac o m p a r i n gt h e i rt i m e s e r i e so ft h e i rp r i n c i p a lc o m p o n e n t s t h er e s u l t a g a i np r o v e st h a tt h e r ea l ei n d i a no c e a ns t a n d i n gw a v ea n dt h et r a v e l i n gw a v ei nt h e p a c i f i ca n da t l a n t i c a l s o ，t h ep r o p a g a t i o ns p e e da m o n gt h e s e p a r t si sd i s c u s s e d c a r e f u l l y k e yw o r d s ：t h ea n t a r c t i cc i r c u m p o l a rw a v e ，s e al e v e lp r e s s u r e ，s t a n d i n g w a v e ，t r a v e l i n gw a v e ，e o f 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 l 注；翅遗查基丝盏要技型童明的：奎拦互窒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 导师签字起也f 签字日期：坍年6 ，副日签字目期：卯年6 月f f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 南极绕极波的传播系统研究 1 引言 1 1 南大洋、南极绕极流和南大洋海气系统简介 南大洋指的是亚热带辐合带以南的海域，位于3 5 。s 以南，约占全球大洋表 面积的1 4 。最早是由c o o k 船长为了寻找南大陆，在1 7 7 2 年到1 7 7 5 年间进行 的环南极调查中使用了南大洋这一名词来强调这一地区海洋和大气的整体性。南 大洋是唯一一个环绕全球的海洋区域，东向的强大的南极绕极流( t h ea n t a r c t i c c i r c u m p o l a r c u r r e n t , a c c ) 位于其中，使南大洋成为全球主要海盆间不同深度的 水团交换的纽带。由于这些水团间的交换对于全球气候有很重要的调制作用，因 此南大洋对于传递全球气候异常方面也应该有很重要的作用。 很久以前，人们就认识到南极存在一个是南极表层水和亚南极表层水过渡的 水带，与之相联系的向东的表层流就是南极绕极流。南极绕极流是南大洋中最著 名的环流，是大洋环流中唯一没有经向陆地边界障碍的纬圈环流，也是世界大洋 中最具有特色的环流之一。它环绕整个南极大陆2 1 0 0 0 k m ，流量达到1 5 0 s v ，是世 界大洋中最大的，整体流轴自西向东，与其他流一太平洋东岸的秘鲁流、大西洋 的本格拉流、印度洋的西澳流共同组成了南半球的反气旋式的大环流。位置上看， a c c 呈带状分布，平均流轴在南大西洋中为4 9 0 s ，印度洋中平均为5 0 。s ，澳 大利亚以南和东南太平洋约为5 2 0 s 和5 7 0 s ，6 2 。s 和6 6 0 s 是绕极流的南缘，极 地海区干冷，亚南极海区为极地气团和温带海洋气团轮流控制，季节性明显，常 伴有强大的流，这是a c c 带状分布的重要原因。而且a c c 的流轴并不是固定 不变的。南极绕极流在全球能量输送和调节气候方面有很重要的作用。 a c c 毗邻强大的西风带，因此，影响绕极流的主要影响因素为风场，风场 会使绕极流以南发生辐散( 上升流) 和绕极流以北的下降流，这一点已经为广大 海洋学家所公认。国际南大洋研究( i n t e r n a t i o n a ls o u t h e r no c e a ns t u d y , i s o s ) 表 明，d r a k ep a s s a g e 的a c c 输送存在3 0 天或者更长时间的显著的变化，这种变 化和整个南大洋总的风应力变化有很好的相关关系，但是前者滞后大概9 天左右 ( 正压) ：正斜压取决与时间长度；另外的研究也表明，风应力的变化会被局地耗 散，直接影响该海域的表面流，而不是使整个南极绕极流的输运得到加速。除此 第1 页 南极绕极渡的传播系统研究 以外，制约绕极流动力学机制，对外强迫风驱动力平衡可能影响因子还包括：地 形拖拽力、斜压性、陆架水团、南极洲融化后水的泄放( 黄吕明等，1 9 9 9 ) 。 图1 1 南大洋多年平均的绕极流流速图 a c c 的主要变化方式有与风暴相联系的高频变化( 对a c c 流量不会有太大 影响) ，有与海底地形相联系的中尺度流形弯曲和涡旋结构，还有大范围的低频 变化。能量上讲，a c c 所在的逆时针反气旋式大环流连接南极和赤道，成为影 响全球气候变化最主要的因子之一，并与许多气候异常相联系，对海洋的影响体 现为气候性异常遥通讯的途径( t e l e c o m m u n i c a t i o n t e l e c o n n e c t i o n ) 。 a c c 区内存在着明显的温度经线方向梯度的区域，即大洋极锋。多数学者认 为存在三个主要锋面：亚南极锋( s u b a n m r c t i c 的蝇s a f ) 、南极锋( p o l a rf f o n 0 、 南极陆缘水边界( c o n t i n e n t a lw a t e rb o u n d a r y ，c w b ，又称南极陆坡锋，有的学者 不把其作为主要锋面) 。锋区内存在着明显的温度经线方向梯度，这也是a c c 作 为西风漂流最为显著的特点其中s a f 区内有a c c 区内最大的水平温度梯度， 尤其是在印度洋扇形区，s a f 的锋面两侧的温度差超过了6 0 c 。而南极锋区则是 南极深层水尤其是慢的南极深层水的主要存在处。极锋两侧海水特性、气候特征 有明显差异、极地海区干冷、亚南极海区为极地气团与温带海洋气团轮流控制， 季节性明显。p f 又称为南极辐合带，大约在5 3 0 s ，他是南极表层冷水的边界 第2 页 南极绕极波的传播系统研究 ( d e a c o ne ta l ，1 9 3 7 ) 。关于各个锋面的位置划分标准和绝对位置目前仍存在争 论( d e a c o ne ta l ，1 9 3 3 ；p e t e r s o ne ta l ，1 9 8 8 ，g o r d o nc ta l ，1 9 8 2 ) 1 2 南大洋动力学机制的主要研究历史 对a c c 的研究最早可追溯到上世纪2 0 年代发现号对d r a k e 海峡的考察， 但是对a c c 物理特性的研究工作是在近二三十年才开始的。在德雷克海峡，a c c 平均流是斜压的，但是它的变化却是以正压为主，海洋内部的压力场是比较稳定 的，而大尺度的近表层流速有一个明显的半年变化，在3 月和9 月达到最大值 但是在垂向上却是高度一致的，相应的输运范围是6 0 s v ( l a r g ea n dv a n l o o n ，1 9 8 9 ) 。 1 9 6 1 1 9 7 9 年美国国家科学基金( n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ，n s f ) 项目资 助下确定了a c c 经向大尺度变化范围，并提供了证实南大洋大尺度平均流场资 料的调查资料的7 0 。 2 0 世纪7 0 年代的国际南大洋研究( i s o s ) 以d r a k ep a s s a g e 为重点，重要 成果之一是确定了a c c 的平均流量和a c c 在时间尺度上变化的长期特征，为 研究a c c 动力学机制奠定了基础。其中7 0 年代开始，中尺度涡的研究成为热点： 主要是在1 9 7 5 年以后的中尺度涡旋研究阶段完成的( b r y d o n ，1 9 8 3 ) 。此类模式 的优缺点：能模拟出较强的a c c ，显示出涡旋在物质能量输运中的作用：为了 模拟中纬度地区西边界流和a c c 不稳定性需要进一步提高分辨率。绕极流海域 有数不清的涡( l e g e c k i s ，1 9 7 7 ) 这种涡无处不在( b r y d o n ，1 9 8 3 ) 涡的大致宽 度3 0 1 0 0 k m ，表面速度一般为3 0 c m s 或者更大一些，从表到底连贯的。涡旋和 平均流的相互作用导致能量和涡度在水平和垂直方向上都将平均分配。在集中观 测的d r a k ep a s s a g e ，由于a c c 包含了各种时间尺度的变化，因此斜压不稳定产 生的涡旋导致不同观测的流量差别很大( j o y c e 等，1 9 7 8 ) ；斜压不稳定过程中大 尺度斜压场中的可变势能转化为涡旋动能和势能，将能量向极输送( j o h n s o na n d b r y d e n ，1 9 8 9 ) 。 w o c e ( w o r l do c e a nc i r c u l a t i o ne x p e r i m e n o 自上世纪9 0 年代开始，完成了 第3 页 南极绕极波的传播系统研究 一系列对a c c 水文断面的调查。w o c e 证实涡旋对a c c 向极能量输送中占主 要成分和其对经向输运的重要性，而且一个重要贡献就是确定了a c c 锋面的结构 和大体位置。国内的乐肯堂等也对涡进行了研究，结果认为，南印度洋扇形区辐 散带流涡的时空变化是a c c 与沿岸流相互作用的表现，并可用位涡度变化解释 该海区a c c 的非纬向性。 利用卫星高度计资料的研究主要起源于对于g c o s a t 和t o p e x p o s e i d o n 卫星 高度计资料的分析得到的。主要的进展体现为：卫星高度计可以检测大洋中的涡， a c c 海域的涡能只有相对很少的季节和年际变化，即相对于平均流的大尺度变 化，绕极流的任何季节和年际变化都是微弱的( c h e l t o n 等，1 9 9 0 ) ：普遍认同 海底地形对a c c 有决定性的影响；m u n ka n dp a l m e n ( 1 9 5 1 ) 最早提出海底地形形 状拖拽力是a c c 动力平衡最主要因子的理论：利用高度计数据研究海底地形对 a c c 的影响。如：c h e n e ya n db e c k l y ( 1 9 8 3 ) 用s e a s a t 高度计数据算出了全球 海面中尺度分布，指出绕极流变化和海底地形起伏联系在一起，变化剧烈的地方 位于地形间距大于3 0 0 0 k m 的海盆处。卫星高度计观测资料：如周琴等( 2 0 0 0 ) 用e o f 方法分析t p 卫星高度计海面距平资料，第三模态体现了a c c 对表面风 场不均匀变化的响应。 第4 页 南极绕极渡的传播系统研究 图1 2 南大洋各个锋面位置图( d e a c o n ，1 9 3 7 ) 图1 3 ：南大洋水深俯视图 第5 页 南极绕极波的传播系统研究 1 3 南极绕极波的基本概念 南极绕极波研究是南大洋海气研究领域的前沿内容，是近些年来海洋和大气 学界非常关心的海气耦合现象之一。 南极绕极波的基本概念首先由w h i t e 提出，他使用多种观测方法研究南大洋 的年际变化，其中包含海表气压、经向风应力、海表温度以及海冰范围等这些参 数都体现了明显的年际变化信息。结果表明：这些异常信号随着南极绕极流向东 传播，周期约为4 - 5 年，8 1 0 年环绕南极一周，并将此现象命名为南极绕极波( t h e a n t a r c t i cc i r c u m p o l a rw a v e ，a c w ) ，并指出了该现象可能对全球气候调节的动力 学机制有着非常重要的作用。 1 3 1 使用的资料 ( 1 ) 欧洲中尺度预报中心( e c m w f ) 的1 天2 次的海表气压资料和经向 风应力资料( m e r i d i o n a lw i n ds t r e s s ，m w s ) ，网格精度为1 8 7 5 ”1 8 7 5 。, 时长为 1 9 8 5 1 9 9 4 年。 ( 2 ) 1 9 8 2 - 1 9 9 4 年的2 。+ 2 6 的海面温度场( s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ，s s t ) ，该 资料为依据现场观测和卫星辐射计观测得到的复合产品。 ( 3 ) 1 9 7 9 年1 9 9 1 年间，空间分辨率为2 5 k m 的每日一次海冰强度资料， 该资料依据太空微波传感器。由此资料，依据经度每增加5 度时1 5 的海冰强度 极值确定北向的海冰范围( s e ai c ee x t e n t ，s i e ) 。 1 3 2 研究方法和结论 以每个月的资料减掉比照得到的多年的每月平均资料，去掉了平均的季节循 环，另考虑到残留的季节变化和可能出现的2 年际变化，并去掉长期变化趋势项， 对以上各个数据的时间序列进行了3 7 年带通滤波进行处理，以得到最重要的年 际变化信息。 第6 页 南极绕极波的传播系统研究 图1 4 ：海表气压、经向风、海表温度以及北向冰范围在南纬5 6 0 s 纬圈上的 时间一经度图( w h i t ee ta l ，1 9 9 6 ) 依据上图可以发现，四个参数在5 6 0 s 的时间经度图上存在很明显的东向传 播，其中s l p 的变化范围为8 m b a r ，m w s 的变化范围是0 3 d y n c m 2 ，s s t 变化范围 是1 6 0 c ，s i e 的变化范围是3 5 0 k m ，这种参数的变化在太平洋扇形区最为剧烈， 而且对各种参数的变化而言都是以首尾相连的约2 个波形环绕全球的波形( 当 然，实际上从图中可以看出这种波形并不是完全首尾相接的，而是存在定的错 位；且波速也并不是确切的2 个，这将在后文中加以提及) 。虽然有的时段，这 种传播的信号并不清楚，但是总体而言，绕极波的形态为东向传播的行波形态， 平均波速约为6 - - $ c m s ，对某个个体相位而言，要花费8 l o 年环绕地球一圈，因 此，对某个既定位置而言，这种变化的时间尺度是以4 5 年为周期的。 同时，分析南纬6 0 5 度，西经4 5 5 度的一段长时间的固定冰记录表明，观 测到的本地年际变化异常与上图中的位相保持一致，且年际变化异常以3 0 6 0 个经度的速度东向传播，这也与绕极波4 0 度年的传播速度相一致。但是，整体 的覆盖量对于本地的生态环境的影响并不是很大。 第7 页 南极绕极波的传播系统研究 图1 5 滤波前时间序列的二维自功率谱，其中正波长对应东向的 传播，每条等值线之间是统计独立的关系( w h i t ee ta 1 1 9 9 6 ) 未滤波的二维自功率谱表明，这个波动主要变化集中体现在和5 年的尺度， 这个尺度的变化是年际尺度上能量最集中的变化，这与使用同时期的卫星高度计 观测得到的海面高度异常反映的形态是一致的( j a e o b se t a l ，1 9 9 6 ) 。 1 3 3 不同参数之间的位相关系 南极绕极波的有趣之处在于，在以上海洋、大气以及海冰相关的参数中都 体现了明显的异常传播，这自然体现了一种可能的海气耦合机制。滞后相关的结 果表明，暖的s s t 异常滞后高的s l p 一年，而与指向赤道的经向风应力和北向 冰范围s i e 的相位差是1 8 0 0 ，人们称之为锁位相的现象( p h a s e l o c k e d ) 。 第8 页 南极绕扳波的干专播系统研究 l a g s m o n t h s 图1 6s s t 异常和其他几个参数的滞后交叉相关情况( w h i t ec ta l ，1 9 9 6 ) 图1 7 南极绕极波的。锁位相情况，其中绿色曲线给出了绕极流的极锋位置和路径，红色代表 暖的s s t ，蓝色代表冷的s s t , h 代表高的大气压，l 代表低的大气压，箭头则代表风应力方向， 灰线代表冰密集度( 十三年数据的平均) ( w 1 1 i t ec ta l ，1 9 9 6 ) 第9 页 南极绕极波的传播系统研究 该文还概括的指出了南极绕极波在s s t 上的传播情况；历史上一些水文资 料表明，s s t 异常的年际变化e e o f 主模态的时间序列体现了波动的最主要形态， 在一个周期即约4 年时间的数据分析中得到以下的s s t 传播路径：起初位于澳 大利亚以南和德雷克海峡附近的2 块暖s s t 异常介于冷的异常中间，南澳大刹 亚暖异常向东北方向延伸，穿过大多数亚热带太平洋，随后在中纬度海区挤压， 并向东南冲入南大洋，一部分随着秘鲁流沿着秘鲁沿岸转向北，但是在此进程的 剩余部分，穿过德雷克海峡，在四年内穿越了超过1 8 0 个经度的相位；而对于冷 的s s t 异常而言，这种穿越太平洋的传播方式也体现的很明显。 对于绕极波传播路径的动力学解释，尤其是西太平洋异常的东南向传播 以及随后环绕南大洋并北向进入三个主要海盆的过程，该文并没有给出很清楚的 解释，然而其直白的指出了南极绕极波的起源可能与赤道太平洋的e l - - n i n o 等 相关过程有关，并猜测这种相关通过大气的遥相关完成这种关联，并预测存在海 洋、大气和海冰范围的耦合来实现净反馈，展现了除考虑平流作用外，更加丰富 的动力学形态。以上的问题也这将在本硕士论文中略做探讨。 1 4 南极绕极波的研究进展、存在的问题及本文的主要研究内容 1 4 ，1 南极绕极波的研究进展 自w h i t e 提出南极绕极波的概念后的1 0 多年，对南极绕极波的研究迅速展 开，并成为人们关注的焦点。总结而言，对绕极波的研究的科学问题主要集中在 对绕极波行波和驻波模态组分的关注和绕极波与其他气候异常( 如e n s o ) 等相 互关系以及绕极波的传播机制几个方面。 早期的研究集中在对绕极波的形态描述。在w h i t e 倡导提出了南极绕极波概 念的同年， a c o b s ( 1 9 9 6 年) 分析1 9 8 6 到1 9 9 6 年的g e o s a t e r m 高度计相融合 得到的海面高度低频变化，发现海面高度距平也绕极波的其他参数如s l p 、s i e 和m w s 等一样，也存在着明显环绕南极大陆的东向传播，速度和周期也和其他 几个参数体现了较好的一致性。然而，由于观测时长有限，这些资料只局限于 8 0 年代中期到9 0 年代一共不到1 0 年左右的时间，因此需要对更长时段的资料 第1 0 页 南极绕极波的传播系统研究 进行分析。 绕极波的传播路径和耗散和l s t 是人们最关注的焦点。w h i t e ( 1 9 9 6 ) 已经概 括性的指出，南极绕极波的形成和传播可能和热带与e n s o 相关的一些气候异 常有关系，这主要体现在海面温度距平似乎是从西太平洋的低纬度进入南大洋 的，并推测赤道太平洋的e n s o 事件与绕极波之间的遥相关。p e t e r s o n 等( 1 9 9 8 ) 通过对n c e p n c a r ( n a t i o n a lc e n t e rf o ra t m o s p h e r i cr e s e a r c h ) 以及现场和辐射 图1 8 ：从西热带太平洋起源的s s t 距平传播路线示意图( 引自j a c o b se t a l ，1 9 9 6 ) 计观测的1 9 8 2 - 1 9 9 4 年间月平均海面温度场，对遥相关的结果表明绕极波的起源 是来自于热带南太平洋s s t ，s s t 与海平面气压似乎耦合在一起向南进入南大 洋，并随着平流作用围绕南极向东运动，这个过程中也明显的体现了e n s o 事 件和绕极波之间缓慢的遥相关；c a iwe ta l ( 2 0 0 1 ) 的研究表明这种遥相关是通 过p s a ( 太平洋南美遥相关) 完成的。无论如何，有一点是确定的，就是南极 绕极波和e n s o 时间存在着一定的相关性。但是，事实上，目前位置，还没有 人能清楚的解释绕极波的传播机制，更多的结论是处于不确定阶段。 由于观测资料有限，人们试图使用更多的模式结果对其进行模拟，但是，不 同的模式得到了不同的结论。c h r i s t o p h 等( 1 9 9 8 ) 在海气耦合气候模式( c o u p l e d o c e a n - a t m o s p h e r eg c m 。a o g c m ) 的结果中看到了和南极绕极波类似的波。在波 数为2 的情形下，海面温度距平的传播速度和w h i t e 等( 1 9 9 6 ) 所描述的相吻合。 但是，波数为2 的情形只占全部时间的2 0 ，在大部分时间里，耦合的a o g c m 通常产生出波数为3 的信号，传播也并不总是环绕南极进行，而且平均海平面气 第1 l 页 南极绕极波的传播系统研究 压距平中出现的主要是驻波而不是行波的特征。c a i 等( 1 9 9 9 ) 计算的a o g c m 结论表明，在平均海平面气压( m e a ns e al e v e lp r e s s u r e ，m s l p ) 存在着固定的振 荡，而在海表面气温中则存在着传播的信号，二者的波数均为3 。e c m w f ( e u r o p e a nc e n t e rf o rm e d i u m r a n g ew h e t h e rf o r e c a s t s ) 的再分析数据及用这些数 据驱动的海洋模式( b o n e k a m p ，1 9 9 9 ) 和n c e p ( n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a l p r e d i c t i o n ) 的再分析数据( c o n n o u e yw m ，2 0 0 3 ) 的研究结果均表明，南极绕极波 的现象只清楚的存在于1 9 8 5 9 4 年间。非常巧合的是，这恰好就是w h i t e 等( 1 9 9 6 ) 所选取数据资料的时间段。而在这之前或是之后，南极绕极波的信号( 特别是在 平均海平面气压中) 没有明显的传播迹象，而且呈现出波数为3 的空间形态。可 以看到，不同的模式对于绕极波的模拟是不同的，而且对绕极波的波动模态究竟 各自占据多大成分仍然存在很大的争论，需要进行定性的研究。而且，这些研究 更多的关注于行波占优势时段的行波形态和传播不明显时段的驻波形态，对于绕 极波的行波占优势时段，波动断裂的原因则没有给出清晰的答案，这需要我们进 行进一步的研究。 a c w 维持耗散机制的主要因子到底是大气对海洋的单向驱动、还是海气耦 合也存在争论。一些地转模式的结果认为，a c w 一类的海洋信号似乎是由大气 向海洋单向驱动的，这个结果中体现了2 波和3 波的混合形态( b o n e k a m p ，1 9 9 9 ) ； w i e s s e ( 1 9 9 9 ) 的实验结果则表明，施加不同的大气驱动，可以产生一系列类似 南极绕极波的现象。以上的实验虽然结果不同，但都认为绕极波是依赖于海洋平 流对大气距平的响应得到的。但是，对a c w 的解析模式( w h i t ee ta l ，2 0 0 1 ；m o t o i e ta l ，1 9 9 8 ) 却表明绕极波在很大程度上是依赖于海洋和大气的相互耦合，而不是 a c c 向东的平流。绕极波的海气耦合机制和相互作用关系还需要进一步研究。 1 4 2 本文的主要研究内容 以上介绍了绕极波的研究历史和主要研究进展和些存在的问题，本文 的主要内容就是针对以上存在的问题展开。由于以前使用的观测资料较短，因此 我们这次使用更长时段的观测资料对绕极波进行分析；另外，针对绕极波的传播 主轴，我们对南大洋每个经度上的传播情况进行了分析，对南极绕极波的弥散特 第1 2 页 南极绕极波的传播系统研究 性进行了阐述；使用非线性最小二乘的方法，定量得到了绕极波波动随纬度的变 化，以最小的误差定量模拟了行波和驻波各自组分，对行波占优势期间行波和驻 波的相互关系做了探讨；通过对反映在s l p 上的绕极波的空间传播过程的分析， 得到了绕极波的整体传播过程，对绕极波与热带过程的相互作用进行了定性的描 述，通过使用分段e o f 方法，克服了普通e o f 无法体现传播特性的弱点，在空 间平滑变化的情况下，通过对时间系数的分析，得到了各段之间的传播特性：并 对南大洋年代际变化进行了初步探讨。 第1 3 页 南极绕极波的传播系统研究 2 南大洋s l p 各个频段信息的提取 2 0 使用的资料和方法介绍 2 0 1e c m w f 的海表气压( s l p ) 资料介绍 本文使用欧洲中尺度气象预报中心( e u r o p e a nc e n t e rf o rm e d i u m - r a n g e w e a t h e r f o r e c a s t ，e c m w f ) 发布的中尺度气候预报产品中月平均海面气压( s l p ) 数据，空间步长为1 8 7 5 0 1 8 7 5 。，数据长度为1 9 5 8 年1 月1 日到2 0 0 1 年1 2 月。气象信息的获取主要依赖于分布于世界各地的大气站的观测资料，辅以不同 的技术处理方法进行分析，这些资料提供了日常资料的基础。同时，卫星遥感技 术在全球范围内提供了可靠的观测资料。遥感资料通过同化进入到气象站的观测 资料中得到了新的观测资料，这种新的观测资料也被用来作为气象预报数值模式 ( n u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o n ，n w p ) 模式的初始条件，而且这些资料有时也用 来体现模式结果和实测资料的比对和差异。但是实际上，同时的站位观测资料往 往范围比较小，无法体现模式中许多复杂的物理过程之间相互反馈带来的问题。 尤其是对于气象参数而言，云辐射的相互作用仍然只能使用参数化的方式来解 决，这种方式仍然存在很大的问题。欧洲气象研究中心真正进行实时预报是从 2 0 世纪7 0 年代末，由于有了遥感资料的介入以及大量现场主动和被动的遥感仪 器的观测资料，气象卫星遥感对覆盖全球的气象参数化问题进行了很好的解决。 最早构建这种遥感仪器的包括美国能源局( u sd e p a r t m e n to f e n e r g y , d o e ) 的大 气辐射测量项目( a t m o s p h e r i cr a d i m i o nm e a s u r e m e n tp r o g r a m ，a r m ) ，e w m w f 则对该资料进行了同化。因此，e c m w f 的观测资料在8 0 年代前后的资料一致 性可能存在一定的问题( c h e i n e t ，2 0 0 5 ) 。 2 0 2b u t t e r w o r t h 滤波器以及频率响应函数、功率谱分析，滑动t 检验 本文中使用的是b u t t e r w o r t h 滤波器。b u t t e r w o r t h 滤波器滤波原理就是在把 时域内的原始信号做傅立叶变换，转换到频域内然后与脉冲响应函数相乘，荐傅 立叶逆变换到时域内。判断滤波器好坏的主要因素就是判断其平方幅度响应函 数，b u t t o 刑o n h