（气象学专业论文）南海北部冷涌年际变化及其可能成因.pdf

摘要 南海北部冷涌的年际变化及其可能成因 摘要 利用1 9 7 4 2 0 0 8 年逐日站点资料和n c e p n c a r 再分析资料，对南海北部北 风冷涌及其环流变化特征进行研究。利用诊断分析、数值试验等方法对南海北部 冷涌的年际变化及其可能原因进行讨论。此外，还利用n c a rc a m 3 进行青藏 高原地形高度敏感性试验，讨论大地形对冷涌及其相关环流的影响。 结果表明，南海北部冷涌频率具有显著的年际变化特征，且具有2 4 年的振 荡周期。冷涌的发生与影响全国的冷空气爆发关系密切，是中高纬环流和中低纬 环流共同作用的结果。冷涌发生时，贝加尔湖以西高压脊偏强，中高纬环流经向 度加大，有利于冷空气南下。与此同时，西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏 东，h a d l e y 环流、副热带西风急流偏强。进一步研究发现，冷涌频率指数的年 际变化与赤道中东太平洋海温、北太平洋海温存在显著的负相关关系。当赤道中 东太平洋海温为负( 正) 异常，即l a n i f i a ( e ln i f i o ) 年，或者北太平洋海温为 负( 正) 异常时，南海北部冷涌出现的频率较常年偏多( 少) 。当赤道中东太平 洋海温出现冷( 暖) 异常时，w a l k e r 环流显著增强( 减弱) ，中国大陆东南部沿 海为北风异常( 南风距平) ，南海及其邻近地区的对流加强( 减弱) ，进一步加强 ( 减弱) w a l k e r 环流。而北太平洋海温异常和东亚中高纬环流异常密切相关， 进而影响南海北部冷涌发生频率。当北太平洋海温场冷( 暖) 异常时，北太平洋 上空南北温度梯度加大( 减小) ，导致西风急流显著增强( 减弱) ，阿留申低压显 著增强( 减弱) ，东亚中高纬环流经向度加大( 减小) ，冷涌出现频率较常年偏强 ( 弱) 。数值试验的结果进一步验证了以上结果。 南海北部经向风的m j o 、q b w o 活动具有显著的年际变化。南海北部经向 风的m j o 活动与冷涌频率指数存在显著的正相关关系。冷涌异常年份的m j o 演 变特征与q b w o 演变特征存在较大差异。m j o 的o l r 场与环流场的演变特征 与冷涌事件的演变特征联系紧密，而q b w o 的演变特征与冷涌事件联系并不密 切。 南海北部冷涌与东亚冬季风强度存在显著的正相关关系。当东亚冬季风偏强 ( 弱) 时，南海北部冷涌活动频繁( 较弱) ，中国冬季大陆干冷( 暖湿) 。虽然东 摘要 亚冬季风强度与冷涌频率密切相关，二者变化较为一致，亦存在差异。当东亚冬 季风强度偏强而冷涌频率较少时，冬季中国南方低温、雨雪天气同时发生，易形 成冰冻灾害。 阿留申低压和东亚大槽的产生与地形的绕流作用密切相关，而地形高度的变 化并不影响大陆冷高压的形成，但会影响高压的强度。高原大地形对中高纬行星 尺度平均槽脊具有重要作用：地形高度降低会导致中高纬环流经向度减小，不利 于冷空气向南爆发。当无地形存在时，东亚中高纬环流经向度显著减小，同时没 有大地形激发冷锋后的k e l v i n 波向南运动，南海北部北风强度减弱，从而使得 南海北部冷涌出现频率显著减少。 关键词：冷涌，年际变化，海温异常，高原地形，数值试验 a b s t r a c t i n t e r a n n u a lv a r i a t i o no fc o l ds u r g eo v e rt h en s c sa n di t s p o s s i b l ec a u s e s a b s t r a c t b a s e d6 nt h ed a i l yo b s e r v a t i o n a ld a t aa ts t a t i o n sa n dn c e p n c a rr e a n a l y s i s d a t af o rt h ep e d o df r o m19 7 4t o2 0 0 8 ，t h en o r t h e r l yc o l ds u r g eo v e rt h en o r t h e r n s o u t hc h i n as e a ( n s c s ) a n dt h ev a r i a t i o no fi t sa s s o c i a t e dc k c u l a t i o nh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h ei n t e r a n n u a lv a r i a t i o no ft h ec o l ds u r g eo v e rn s c sa n di t sp o s s i b l e c a u s e sw e r ed i s c u s s e db yu s i n gd i a g n o s t i ca n a l y s i sa n dn u m e r i c a le x p e r i m e n t s i n a d d i t i o n , t h es e n s i t i v ee x p e r i m e n t so ft h ep l a t e a uo nt h ec o l ds u r g ea n di t sa s s o c i a t e d c i r c u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e db ym e a n so f n c a rc a m 3c l i m a t em o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo c c u r r e n c ef r e q u e n c yo ft h ec o l ds u r g eo v e rn s c sh a s a ni n t e r a n n u a lv a r i a t i o n 、访mas i g n i f i c a n tp e r i o do f2 - 4y e a r s t h eo c c u r r e n c eo ft h e c o l ds u r g ei sc l o s e l ya s s o c i a t e d 、析t ht h eo u t b r e a k so ft h ec o l da i rw h i c hi n f l u e n c e s m o s tp a r to fc h i n a , a n dr e s u i t sf r o mt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h em i d d l ea n dh j 【g h l a t i t u d ec k c u l a t i o na n dl o w e rl a t i t u d ec k c u l a t i o n w h e nt h ec o l ds u r g eo c c u r s ，t h e r i d g eo v e rt h ew e s to ft h el a k eb a i k a li ss 仃o n g e rt h a nn o r m a l ；t h em e r i d i o n a l i t yo f t h ec i r c u l a t i o no v e rm i d d l ea n dh i g hl a t i t u d e sb e c o m e sl a r g e rw h i c hi sf a v o r a b l eo f t h es o u t h w a r dm o v e m e n to ft h ec o l da i r a tt h es a m et i m e ，t h es u b t r o p i c a lw e s t e r n p a c i f i ch i g hi sw e a k e ra n di sl o c a t e df u r t h e re a s tt h a nn o r m a l ，t h eh a d l e yc e l la n dt h e s u b t r o p i c a lw e s t e r l yj e tb e c o m e ss t r o n g e r t h ei n t e r a n n u a lv a r i a t i o no ft h ec o l ds u r g e o c c u r r e n c ef r e q u e n c yi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h a to ft h es e as u r f a c et e m p e r a t u r e s ( s s t s ) i nt h ee q u a t o r i a lc e n t r a la n de a s t e r np a c i f i ca sw e l la sn o r t h e r np a c i f i c w h e nt h es s t a n o m a l yi nt h ee q u a t o r i a lc e n t r a la n de a s t e r np a c i f i ci sn e g a t i v e ( p o s i t i v e ) ，i e w h e n l an i f i a ( e ln i f i o ) o c c u r s ，o rt h es s ta n o m a l yi nt h en o r t h e r np a c i f i ci sn e g a t i v e ( p o s i t i v e ) ，t h eo c c u r r e n c ef r e q u e n c yo ft h ec o u l ds u r g eo v e rn s c si sh i g h e r ( 1 0 w e r ) t h a nn o r m a l w h e nt h es s t a n o m a l yi nt h ee q u a t o r i a lc e n t r a la n de a s t e r np a c i f i ci s n e g a t i v e ( p o s i t i v e ) ，t h ew a l k e rc i r c u l a t i o nb e c o m e ss t r o n g e r ( w e a k e r ) t h a nn o r m a l a t t h es a l t l et i m e ，t h en o r t h e r l y ( s o u t h e r l y ) a n o m a l yo c c u r s o v e rt h es o u t h e a s tc h i n aa n d i a b s t r a c t i t sa d j a c e n tr e g i o n sa n dt h ec o n v e c t i o n so v e rs o u t hc h i n as e a ( s c s ) a n di t sa a j a c e n t r e g i o n sa r ei n t e n s i f i e d ( w e a k e n e d ) ，w h i c hf u r t h e ri n t e n s i f i e s ( w e a k e n s ) t h ew a l k e r c k c u l a t i o n t h es s ta n o m a l yo v e rt h en o r t h e r np a c i f i ci sc l o s e l ya s s o c i a t e d 、析mt h a t o ft h em i d d l ea n dh i g h e rc i r c u l a t i o nw h i c hm a yi n f l u e n c et h eo c c u r r e n c ef r e q u e n c yo f t h ec o l ds u r g eo v e rn s c s w h e nt h es s to v e rt h en o r t h e r np a c i f i ci sl o w e r ( h i g h e r ) t h a nn o r m a l ，t h em e r i d i o n a lg r a d i e n to ft h et e m p e r a t u r eo v e rt h en o r t h e r np a c i f i c i n c r e a s e s ( d e c r e a s e s ) ，w h i c hm a yi n t e n s i f y ( w e a k e n ) t h es u b t r o p i c a lw e s t e r l yj e ti n u p p e rt r o p o s p h e r ea n dh e n c et h ea l e u t i a nl o w i nt h i sc a s e ，t h em e r i d i o n a l i t yo ft h e c i r c u l a t i o no v e re a s ta s i ab e c o m e sl a r g e r ( s m a l l e r ) t h a nn o r m a l ，w h i c hl e a d st o h i g h e r ( 1 0 w e r ) o c c u r r e n c ef r e q u e n c yo ft h ec o l ds u r g eo v e rn s c s t h en u m e r i c a l e x p e r i m e n t sv e r i f yt h ea b o v er e s u l t s t h em a d d e n - j u l i a no s c i l l a t i o n ( m j o ) a n dq u a s ib i w e e k l yo s c i l l a t i o n ( q b w o ) o ft h em e r i d i o n a lw i n do v e rn s c sh a v eas i g n i f i c a n ti n t e r a n n u a lv a r i a t i o n t h em j o i n t e n s i t yo ft h em e r i d i o n a lw i n di ss i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e d 、析廿lt h eo c c u r r e n c e f r e q u e n c yo ft h ec o l ds u r g eo v e rn s c s d u r i n gt h ea n o m a l o u sy e a r so ft h ec o l ds u r g e o v e rn s c st h ee v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em j oa n dq b w oa r es i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t t h em j oe v o l u t i o no ft h eo l ra n dw i n df i e l d si sc l o s e l ya s s o c i a t e dw i t h t h ee v o l u t i o no ft h ec o l ds u r g eo v e rn s c s ，w h i l et h eq b w oe v o l u t i o no ft h eo l r a n dw i n df i e l d si sn o tr e l a t e dt oe v o l u t i o no ft h ec o l ds u r g eo v e rn s c s t h ec o l ds u r g eo v e rn s c si sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i mt h ei n t e n s i t yo ft h ee a s t a s i a nw i n t e rm o n s o o n w h e nt h ee a s ta s i a nw i n t e rm o n s o o ni ss t r o n g e r ( w e a k e r ) t h a nn o r m a l ，t h eo c c u r r e n c ef r e q u e n c yo ft h ec o l ds u r g eo v e rn s c si sh i g h e r ( 1 0 w e r ) t h a nn o r m a l ，t h ew i n t e ri sc o l da n dd r y ( w a r ma n dm o i s t ) o v e rc h i n am a i n l a n d a l t h o u g ht h ee a s ta s i a nw i n t e rm o n s o o ni sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ec o l ds u r g eo v e r n s c s ，t h e r ei sd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e m w h e nt h ei n t e n s i t yo ft h ee a s ta s i a nw i n t e r m o n s o o ni sl a r g e rb u tt h ec o l ds u r g eo v e rn s c so c c u r sl e s sf r e q u e n t l y , t h el o w t e m p e r a t u r e ，s n o w ya n dr a i n yw e a t h e rm a yc o i n c i d e ，w h i c hm a yl e a dt of r e e z i n g d i s a s t e r s t h ef o r m a t i o no ft h ea l e u t i a nl o wa n de a s ta s i a nt r o u g hi sc l o s e l ya s s o c i a t e d i v a b s t r a c t w i t ht h ef l o wa r o u n dt h et i b e t a np l a t e a ut o p o g r a p h y t h ec h a n g eo ft h et o p o g r a p h y h e i g h tm a yn o ti n f l u e n c et h ef o r m a t i o no f t h ec o l dh i g ho v e rt h ec o n t i n e n t ，b u tt h e i n t e n s i t yo ft h eh i g h t h et o p o g r a p h yo ft h et i b e t a np l a t e a up l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t h ef o r m a t i o no ft h ep l a n e t a r yt r o u g ha n dr i d g e t h er e d u c t i o no ft h et o p o g r a p h y w o u l dl e a dt ot h ed e c r e a s eo ft h em e r i d i o n a l i t yo ft h ec k c u l a t i o no v e rm i d d l ea n d h i g hl a t i t u d e s ，a n dw o u l dn o tb ef a v o r a b l ef o rt h es o u t h w a r do u t b r e a k so ft h ec o l da i r w h e nt h e r ew e r en o tt o p o g r a p h y , t h em e r i d i o n a l i t yo ft h ec i r c u l a t i o no v e rm i d d l ea n d l l i 曲l a t i t u d e sw o u l db e c o m es m a l l e r , a n dt h es o u t h w a r dm o v e m e n to ft h en o r t h e r l yi n t h ef o r mo ft h ek e l v i nw a v et r i g g e r e db yt h et i b e t a np l a t e a uw o u l dd i s a p p e a r , h e n c e t h ei n t e n s i t yo ft h en o r t h e r l yo v e rn s c sw o u l dd e c r e a s e ，w h i c hw o u l dr e s u l ti nt h e l o w e ro c c u r r e n c ef r e q u e n c yo f t h ec o l ds u r g eo v e rn s c s k e yw o r d s ：c o l ds u r g e ，i n t e r a n n u a lv a r i a t i o n s ，s s ta n o m a l y , p l a t e a ut o p o g r a p h y , n u m e r i c a le x p e r i m e n t s 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：猛型釜 e t 期：2 垒f q ：鱼：! 竺 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：邀捡 日 期：之竺1 2 ，6 j 翌 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近2 0 多年来，随着全球气候变暖，东亚季风系统异常所致的暴风雪、寒流、 暴雨等极端天气气候事件发生的频率增加，强度加大。2 0 0 5 年冬季，中国湖南、 贵州发生严重的冰冻灾害。2 0 0 8 年1 月1 0 日至2 月2 日，中国南方大部分地区 遭受了历史罕见的低温、雨雪、冰冻灾害。据民政部门统计，全国受灾人口1 亿多人，直接经济损失达1 5 0 0 多亿元，农作物受灾面积和直接经济损失均已超 过2 0 0 7 年全年低温冷害造成的损失。此次灾害对电力、交通运输、农业及人民 群众生活造成了严重影响和巨大经济损失。由于近年来，冬季发生的灾害性天气 逐渐增多，关于冬季天气气候异常的讨论和可能成因亦受到学者们的普遍关注。 冷涌是东亚冬季风系统的重要组成成分。冷涌不但给东亚地区带来低温冷害 等灾害性天气【l 】，还对东亚季风降水产生重要影响【2 】。由于冷涌在东亚冬季风系 统中的重要作用，上世纪8 0 年代、9 0 年代东亚冬季风的研究重点主要集中在冷涌 的天气特征。早期气候资料相对缺乏，有关冷涌年际变化的讨论相对较少，对其 年际变化异常的可能成因和机制的讨论相对薄弱。冷涌是引起中低纬环流相互作 用的纽带，其对中国天气气候具有显著的影响。近年来，国内有关冷涌的研究相 对较少，有关其年际变化，频率指数的讨论相对较弱。冷涌存在其区域性特征， 对中国天气气候具有显著影响的主要是位于南海北部的北风冷涌，因此有针对性 地对南海北部北风冷涌年际变化特征及其可能影响机制进行统计和分析，对于进 一步了解南海北部冷涌的环流特征及其对中国天气气候的影响具有重要的理论 意义和应用价值。 1 2 冷涌研究的进展 1 2 1 冷涌的基本物理特征 第一章绪论 冷涌根据冷空气的传播路径不同，分为北风冷涌和东风冷涌【3 一。伴随着一 次强冷空气爆发，地面图上冷空气到达长江流域中下游时，地面高压值仍可达 1 0 3 8 h p a 。但冷锋本身并不一定南移到低纬地区，因为随着冷空气的变性，常以 冷涌的形式出现，表现为地面气压增加，温度稍下降，湿度骤减，东北风加强， 尤其是北风分量加大。这种影响可一直到达南海南部等低纬度地区【5 】。通常把冷 空气突然向南爆发，南海一带东北风迅速加强的现象称为“冷涌，【6 1 。在水平方 向上，南海冷涌以华南沿海和越南北部沿海最强，南海东南部最弱。冷涌影响的 平均南界约为从吕宋岛中部至越南南端的连线。在垂直方向上，冷涌强度随高度 增加而衰减，主要表现为7 0 0 h p a 以下的天气现象，其厚度一般为3 0 0 0 米，在南 海中部为1 5 0 0 米，而在南部则更低。因此，冷涌仅在低空和海面上出现，属于 浅薄系统【7 胡。 一次冷涌过程，在华南沿岸常常能分析出一条冷锋，但到海上以后，锋面结 构便不清楚。观测表明，当暖海面上的东北风加大时，即使没有锋面，云和降水 也能发展起来。冬季风试验( w m o n e x ) 期间，冷涌的个例研究发现，半数以 上的冷涌在其过境时可分为两个阶段：第一阶段为气压突升，称为冷涌的“前缘 ； 第二阶段为露点温度的骤降，称为“锋面过境”。其时间间隔从几小时到一天 左右，两个时段内都伴有地面偏北风风力加强。冬季，当地面高压中心自北向南 移到长江流域或更南的地区，华东、华南一带陆地上地面气压普遍升高，沿海 地区气压梯度明显加大，有可能导致一次冷涌的发生。对华南及其以南地区的某 一台站而言，当本站气压6 小时之内升高0 5 h p a 以上，一般认为是冷涌的前缘过 境。此后，当气压上升6 小时之内超过l h p a ，露点温度6 小时内下降2 以上，且 至少在1 2 小时内没有回升的趋势，表示有锋面过境。值得注意的是，一次冷涌 过程，并非所有台站都能观测到上述两个时段。当某一台站能先后观测到两种过 程时，称之为“双事件 ，若只能观测到其中之一时，称之为“单事件 7 1 。 1 2 2 冷涌的动力学特征 单独的冷涌，其时间尺度较小，空间尺度则较大。c h a n g 等【1o 】对南海附近的 站点数据分析发现，冷涌前缘向南的平均移速约为4 0 m s ，远大于平流的移动速 度( 平流约为1 0 m s ) ，具有重力波特征。当锋面进入南海北部后，一般会很快 消失。所以，到达低纬地区时，一般只有冷涌的前缘。周学群等f l l 】分析南沙海 2 第一章绪论 区地面加密观测资料时发现，冷涌期间该海区的风速具有平均时间间隔为4 小时 的脉动过程。大风和阵雨( 有时还可以出现雷暴、龙卷等强对流天气) 往往相伴出 现，冷涌表现为叠加在大尺度冬季风经圈环流之上的中b 尺度重力波扰动。它具 有一定时间长度的生命史和较大的波振幅，波形结构和移速都较稳定，具有行波 的特征。张韧等1 1 2 】利用一个部分非线性的二维经向重力内波动力模式，通过求 行波解，发现冷涌的传播表现为具有非线性效应的无频散或弱频散的重力行波， 其向南传播速度远大于平流速度，更接近重力内波的波速。 c h a n g 等【1 3 ，1 4 1 在讨论冷涌的动力学特征时指出，冷涌在南下过程中具有重力 波特征，并指出大尺度山脉对冷涌具有重要的影响。m u r a k a m i 等【l5 j 指出冷涌可 能是大尺度山脉边界激发的k e l v i n 波。随后s u m i t t 6 l n 数值试验进一步验证了这 一结论。朱乾根等【l 7 】通过对一次大尺度冷涌过程的模拟发现，青藏高原大地形 的热力作用对东亚冬季风无明显影响，而其动力作用则非常明显。青藏高原能强 迫冷涌绕高原东侧南下，激发出冷锋后的开尔文波，从而产生东北大风区。陆维 松等【l8 】利用包含大地形效应的线性浅水波方程，考虑青藏高原大地形的动力作 用，导得两类重力波解：一类是两个高频重力惯性波解，另一类是由地形激发的 低频地形重力波解，其与k e l v i n 波有类似之处。这两类波分别对应的是冷涌前 锋和冷涌风速极大值中心的传播。 1 2 3 冷涌与环流系统的联系 冷涌与西伯利亚高压活动关系密切。西伯利亚高压在东海和南海可产生很强 的水平气压梯度，这可能是冷涌发展的一个重要因子【s j 。冷涌活跃期，极锋急流 向东传播随后与东亚副热带急流合并，副热带急流从而得到加强。随着冷涌的发 展，由于赤道地区的回流作用副热带急流进一步加强【1 9 1 。这一观点与c h a n g 等【1 o 】 的基本一致，其指出东北季风涌非常活跃时期，h a d l e y 环流、海洋性大陆地区( 指 印尼至马来西亚一带) 上空的辐散气流、赤道沃克环流都稳定地加强，赤道对流 区上空的向北气流输送净科氏力，在冷涌爆发后的较短时间内可使东亚急流入口 区的风速得到明显加强。杨松等【2 0 】在讨论冷涌期间中低纬环流相互作用时指出， 冷涌南下能引起低纬地区的对流加强和中纬度对流层高层的西风急流增强，且冷 涌越强效果越明显。冷涌加强了中低纬环流之间的相互作用，其作用过程是冷涌 激发赤道地区的扰动以增强上升运动和冷空气的下沉运动相结合，通过h a d l e y 第一章绪论 环流加强来实现。在能量场上表现为冷涌期间中低纬地区能量增大，通过能量的 辐合辐散把中低纬环流联系起来。朱复成【2 l 】指出冷涌南下侵入低纬后，常可引 起加里曼丹西北海面上积云对流的发展和扰动的加强。由于强对流降水，水汽大 量凝结释放潜热，使得这里成为北半球冬季的热源中心。陈隆勋等【2 2 】计算了亚 洲季风区各月的热源结构，指出夏季亚洲的热源中心在孟加拉湾，冬季亚洲大陆 成为冷源，热源中心移至西太平洋低纬地区。低纬对流的发展对低纬环流具有重 要的影响。朱抱真【2 3 】的数值试验表明，由东亚大陆进入低纬的东北冷涌，可导 致局地环流和西太平洋环流的加强。 对于冷涌的中纬度激发机制，目前主要有两种观点：一种认为3 0 0 h p a 上的一 对准静止长波槽脊是冷涌发生的背景场。当短波叠加在长波槽上并向东传播时， 中纬度斜压性加强，在黄海、东海一带形成强的下沉气流，由此而产生的低空辐 散气流为冷涌向南爆发提供了动力条件。下沉气流与急流入口区的热力直接环流 有关，因而冷涌可看成是纬向有效位能由“冷极 向外释放的结果。高空短波常 在东亚沿岸诱生出地面气旋，这类气旋具有快速发展的特征，一般迅速东移后并 入阿留申低压。强烈发展的气旋后部的冷平流作用可促使冷涌向南爆发【2 4 j 。另 一种则认为，季风环流的非地转补偿作用激发中纬度天气系统的发展，从而导致 冷涌的发生。中纬度天气系统一般为移动性槽，当其叠加到急流的汇合区时，西 风动量辐合增强，急流也加强，由此产生的急流入口区次级环流加强了低层偏北 的等变压风，冷涌便向南爆发【2 5 】。 1 2 4 冷涌的时间变化特征 m u r a k a m i 6 】对风场和温度场资料进行了谱分析。结果表明，低层的冷涌存在 周期性振荡。但在不同地区其振荡周期不一样。东海地区以4 3 4 6 天的周期为 主，南海则主要为6 o 一6 7 天和4 3 4 6 天周期。此外，对位势高度场合成资料的 分析表明，热带地区向东传播的波动具有2 0 一3 0 天振荡，在孟加拉湾至南海一带 尤为清楚。冬季与冷涌关系密切的天气系统和气象要素的低频变化特征也很显 著。仇永炎f 2 印指出，寒潮的活动周期为2 0 天左右。陈隆勋【2 刀指出，北半球冬季 长波辐射( o l r ) 具有1 4 天和3 0 6 0 天的周期振荡。杨松等【2 8 】用1 9 8 0 1 9 8 1 年冬季 8 5 0 h p a 气候资料研究指出，冷空气活动存在明显的单周和4 0 天的活动周期，其中 强冷空气的活动主要受准4 0 天周期振荡控制，并向南传播至南海地区。2 0 0 4 2 0 0 5 4 第一章绪论 年冬季两次主要强寒潮事件是在强1 0 2 0 天低频振荡背景下发生的。1 0 一2 0 天低频 波动在4 0 0 n 南北独立传播，南北波列耦合，寒潮全面爆发。寒潮爆发后期低频 波动引起中国东南部低空辐散和高空辐合的异常，从而导致中国南部地区偏北风 加强，使寒潮向南爆发，高空东亚副热带急流明显加强【2 9 1 。智协飞等p 川研究了 北半球冬季低频风场活动与南半球低频夏季风对流的联系。冬季8 5 0 h p a 来自东亚 沿岸的3 0 6 0 天的低频东北风，向南传播越过赤道后可以转为印度尼西亚一澳大 利亚北部地区的夏季西北风。当其与澳大利亚热低压西侧的低频偏南风辐合时， 可以产生强烈的对流，该地区因而进入夏季风的活跃期。 冷涌不仅具有短期脉动，在动力和热力特征上也具有从重力波到行星尺度 波的变化特征。冷涌是大尺度环流的组成部分并与之有相互作用。早期有关冷涌 年际变化的研究多集中在两个年份的对比上，且相关研究也较少。随着气候资料 的不断增加，对冷涌的年际变化的研究也逐渐增多。王启等( 7 】统计了多年的冷涌， 发现南海地区的冷涌在1 2 月份出现频率最高，而西太平洋地区的冷涌在1 月份出 现频率最高。南亚地区的冷涌在1 2 月份出现频率最高，但远小于东亚地区冷涌出 现的频率，且衰减速度很快。另一个重要区别是，东亚地区的冷涌强度随高度衰 减，而南亚地区的冷涌强度则随高度增强。 e n s o 与东亚冬季风的关系也备受关注。- 许多研究【3 1 。7 】指出，e 1n i f i o 冬半 年东亚5 0 0 h p a 位势高度为正距平，海平面气压为负距平，东亚冬季风偏弱；l a n i f i a 冬半年东亚环流形势则正好相反。e n s o 与东亚冬季风的作用也反映了东亚 冷涌的年际变化 3 8 - 4 0 。z h a n g 箸f 1 4 1 1 研究指出，南海北部的经向风速与s o 指数有显 著的联系。通过统计到达东南亚的冷涌个数，c h e n 等【4 2 j 发现冷涌活动的年际变 化与e n s o 循环有密切的联系，即冷涌频率的年际变化与n i f i 0 3 4 区的海温场显著 相关。c h e n 等【4 3 】进一步指出，冷涌偶极子的出现都是伴随着高空天气短波，因 此任何作用于短波活动的因素都会对冷涌活动有影响。通过分析流函数发现，东 亚和西北太平洋上空的冷涌短波波列的发展是受北太平洋e n s o 短波波列的控 制。冷涌的变化与西伯利亚高压的强度变化具有密切的联系m 。但l u 等【4 5 】在分 析2 0 0 5 年冷涌时指出，在西伯利亚高压偏弱时即暖冬年份，中亚反气旋与a o 、 n a o 有密切的联系，因此冷涌的发生与a o 、n a o 联系紧密。此外g o n g 等1 4 6 j 及 j e o n g 等 4 7 】通过对a o 、n a o 的分析指出，近十年正位相的a o 、n a o 环流背景不 第一章绪论 利于东南亚强冷涌的发生。 1 3 本文拟研究的内容和章节安排 根据前人大量的研究结果，有关冷涌的基本特征已得到较为清楚的认识，但 冷涌也存在明显的地域差异。冷涌本身虽然时间尺度较短，但其具有明显的低频 和年际变化特征。早期由于资料的缺乏，有关冷涌年际变化特征的统计分析相对 较少，对年际变化异常及其可能机理的讨论也不多。南海北部北风冷涌( 以下简 称冷涌) 事件与中国天气气候的联系较为密切，本文着重讨论发生在南海北部的 冷涌的年际变化特征。通过对南海北部冷涌频率的统计，进一步分析冷涌频繁发 生年份与较少发生年份的环流异常特征。还利用统计诊断和数值模拟的方法对南 海北部冷涌年际异常的可能成因进行分析研究。通过数值试验讨论地形对冷涌及 其相关环流的影响。 本文的具体安排如下： 第一章：主要对前人有关冷涌的研究工作进行系统的回顾。 第二章：介绍本文所使用的资料、方法，并对所使用的模式进行简要的说明。 第三章：对南海北部的冷涌进行定义，计算冷涌的频率指数，通过对比分析 检验本文定义标准的准确性及其表现特征。 第四章：讨论南海北部冷涌的年际异常与海温场的关系，通过诊断分析和数 值试验讨论海温场异常对冷涌频率异常的影响，揭示其可能物理机制。 第五章：分析南海北部冷涌经向风场低频变化的年际变化特征，并对冷涌异 常年份东亚环流系统的季节内振荡、准双周振荡的演变特征进行讨论。 第六章：讨论南海北部冷涌频率的年际变化与东亚冬季风强度的联系与区 别。 第七章：利用c a m 3 进行地形高度变化的敏感性试验，讨论青藏高原大地形 对冷涌及其环流系统的影响。 第八章：总结与讨论。 6 第一章绪论 参考文献 【1 c h e n , t 一c an o r t hp a c i f i cs h o r t - w a v et r a i nd u r i n gt h ee x t r e m ep h a s e so f e n s o j c l i m a t e ，2 0 0 2 ，1 5 ：2 3 5 9 - 2 3 7 6 【2 】c h e a n g ，b - k s h o r t - a n dl o n g r a n g em o n s o o np r e d i c t i o ni ns o u t h e a s ta s i a m o n s o o n s ，j s f e i na n dp l s t e p h e n s ，e d s j o h nw i l e ya n ds o n s ，19 8 7 ： 5 7 9 _ 一6 1 9 【3 】m o n s o o ns u r g e s e a s ta s i a nm o n s o o n ，c ec h a n g ，e d s ，m a i n l a n dp r e s s ，2 0 0 4 ： 6 2 【4 】余斌，朱乾根，徐祥德源地冷空气强度变异与冷涌活动特征的数值试验 中国科学院研究生院学报，1 9 9 2 ，9 ( 4 ) ：3 5 6 2 6 6 【5 】赵思雄，曾庆存东亚强寒潮冷涌越过赤道并引发南半球热带气旋和强降水 的个例研究气候与环境研究，2 0 0 5 ，1 0 ( 3 ) ：5 0 7 5 2 5 【6 】卢文通，丁一汇近年来国外关于东亚冬季风期间冷涌对热带环流影响的研 究热带气象，1 9 8 7 ，3 ( 2 ) ：1 7 7 1 8 7 【7 】王启，丁一汇东亚冬季风的演变特征应用气象学报，1 9 9 7 ，8 ( 2 ) ：1 8 6 1 9 6 8 】丁一汇东亚冬季风的统计研究热带气象，1 9 9 0 ，6 ( 2 ) ：1 1 9 1 2 8 9 】陈奇礼对南海季风进退及强度的气候分析热带气象学报，1 9 9 3 ，9 ( 2 ) ： 1 2 4 1 3 2 【1o c h a n gc p a n dp j w e b s t e r r e p o r t so faw o r k s h o pf o rt h ew i n t e rm o n s o o n e x p e r i m e n t ，1 4 15j u n e19 8 2 ，m o n t e r e y , c a l i f o r n i a , t e c h r e p ，n a t i o n a l a c a d e m yo fs c i e n c e s ，w a s h i n g t o n ，d c 2 0 4 18 ，19 8 3 【1 1 】周学群两次冷涌过程的分析热带气象，1 9 8 9 ，5 ：5 7 - 6 1 1 2 】张韧，张为付冬季风期间南海地区冷涌的动力学分析热带气象学报，1 9 9 4 ， 1 0 ( 2 ) ：1 2 2 1 2 9 【13 c h a n gc p a n dk m w l a u p l a n e t a r ys c a l em o t i o n so fw i n t e rm o n s o o n s d u r i n gc o l ds u r g ea n db r e a kp e r i o d s ，p r o i n t c o n f o ne a r l yr e s u l t so ff g g ea n d l a r g e s