（气象学专业论文）南海季风区28天短周期振荡特征初步研究.pdf

南海季风区2 8 天短周期振荡 特征初步研究 专业 气象学 硕士生 刘子杰 指导老师 黎伟标副教授 摘要 本文采用高分辨率的卫星资料t r m m3 8 4 2 和q u i k s c a t 对南海季风区的大气 2 8 天短周期振荡进行研究 研究发现 2 8 天短周期振荡活跃于夏季风爆发前 的4 月末 一直持续至夏季风撤退的1 0 月 并表现出一种不连续的特征 其受 南海季风活动所调制 与季风的中断 活跃等活动紧密相关 2 8 天振荡有着明 显的年际变化 在e 1n i n o 年 短周期振荡在夏季风时期很活跃 而在l an i n a 年 短周期振荡不仅在夏季风爆发时期活跃 甚至在夏季风撤退后仍然活跃 另 外短周期振荡在e 1n i n o 年明显强于l an i n a 年 2 8 天振荡与1 0 2 0 天振荡有 较好的正相关关系 而与3 0 6 0 天振荡呈负相关关系 在南海夏季风爆发以前 短周期振荡主要以向南传播为主 间或有较弱的向北方向的传播 季风爆发后 短周期振荡以较一致的北传为主 经向传播上 季风爆发前后2 8 天振荡都表现 出较一致的向西传的特征 这种传播特征不仅与季风爆发时期西风中心的移动有 关 也与副高的位置有关 关键词 短周期振荡 南海夏季风 t r m m 传播 t h er e s e a r c ha b o u t 2 8 d a yv a r i a b i l i t y o v e rs o u t hc h i n as e a m a j o r n a m e m e t e o r o l o g y 一一 l i u z i j i e s u p e r v i s o r l iw e i b i a o a b s t r a c t b yu s i n gt h et r m m a n dq u i k s c a td a t a t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e2 8d a ys y n o p t i ct i m e s c a l e v a r i a b i l i t yo v e rt h es o u t hc h i n as e aa r es t u d i e di nt h i sp a p e r i t sf o u n dt h a tt h eh i g h f r e q u e n c y s i g n a l sa r es i g n i f i c a n tn o to n l y w i n gt h ep e r i o d so ft h es o u t h c h i n as e as u m m e r m o n s o o n s c s s m b u ta l s oa f t e rt h er e t r e a to ft h es c s s m i ti ss t r o n g l yr e l a t e dt ot h es c s s m t h es i g n a l se x h i b i ts t r o n gt r a n s i e n tf e a t u r e sa n di n t c r a n n u a lv a r i a t i o n s d u r i n ge ln i n oy e a r s t h e s y n o p t i ct i m e s c a l ev a r i a b i l i t yi sa c t i v ei nt h ep e r i o d so ft h es c s s m w h e r e a si nl a n i n ay e a r s t h e s i g n a l sa r eo b v i o u sn o to n l yi np e r i o d so ft h es c s s m b u ta l s oa f t e rt h er e t r e a to ft h es c s s m d u r i n gt h es c s s mp e d o d s t h e2 8d a yh i g h f r e q u e n c ys i g n a l sa r em u c hs t r o n g e ri ne 1n i n o y e a r st h a ni nl an i n ay e a r s 2 8d a yh i g h f r e q u e n c ys i g n a l sh a v ep o s i t i v er e l a t i o n sw i t h1 0 2 0d a y s i g n a l s w h i l ei th a sn e g a t i v er e l a t i o n s 谢t l l3 0 6 0d a ys i g n a l s b e f o r et h eo n s e to fs c s s m m o s t s i g n a l sp r o p a g a t es o u t h w a r d a f t e rt h eo n s e to fs c s s m h o w e v e r m o s to fh i g h f i e q u e n c ys i g n a l s p r o p a g a t en o r t h w a r da n dw e s t w a r d t h em e r i d i o n a la n dl a t i t u d i n a lp r o p a g a t i o ns i g n a l si sp r o b a b l y r e l a t e dt ot h el o c o m o t i o n so fw e s t e r l yw i n do v e rt h es c s k e yw o r d s s y n o p t i ct i m e s c a l ev a r i a b i l i t y s o u t hc h i n as e as u m m e rm o n s o o n t r m m p r o p a g a t e l i 论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 句弓表 日期 2 0 0 9 年6 月1 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留 使用学位论文的规定 即 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 院系资料室被查阅 有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索 可以采用复印 缩印或其他方法保存学位论文 学位论文作者签名 l 庥 导师签名 一 f 日期 2 0 0 9 年6 月7 日 1 1研究现状 第一章引言 南海是一个被大陆和岛屿环抱的热带海洋 东起菲律宾群岛 西至中南半岛 北濒我国大陆 南达印度尼西亚群岛 1 l 它是亚 澳季风系统的重要气流通道 也 是中国东部和东南部降水的主要水汽来源1 2 捌 南海地区的降雨以及由此导致的潜 热释放对东亚的大气环流 能量收支有重要的影响 其间接作用甚至远达美洲1 4 5 1 南海夏季风是一个重要的天气系统 它能对东亚的天气和气候变化产生深远 的影响 这是由于夏季风爆发时所带来的水汽对于东亚地区的降水起着一种至关 重要的触发机制嘲 所以 南海夏季风不仅对东亚地区有着深远的影响 甚至于对 其他许多相关地区也通过遥相关进行着影响 d i n ga n dc h a n 2 0 0 5 嘲 南海作为南海夏季风建立的发源地 它的爆发标志着东亚季风的来临和中国 华南前汛期即将开始 甚至于有学者认为亚洲的夏季风是首先在南海建立 称为南 海季风 因此南海夏季风的建立对东亚和南亚季风的建立具有重要意义1 7 i 因此在 过去的几十年 许多学者对南海夏季风进行了广泛而深入的研究 d i n g 1 9 9 4 l a u e ta l 2 0 0 0 c h a n g 2 0 0 4 z h o ua n dc h a r t 2 0 0 7 岬们 为了获取更准确科学的数据以 及对南海夏季风的特性进行更好的研究 在1 9 9 8 年许多国家联合进行了规模巨大 的南海夏季风实验 s c s m e x 为南海夏季风的研究提供了更为丰富的资料 l a u e ta 1 2 0 0 0 d i n g e ta 1 2 0 0 4 i s 1 1 l 南海夏季风实验 s c s m e x 中得出了几个重要 的研究发现 1 南海夏季风有3 0 6 0 天和1 0 2 0 天两种主要的振荡模态 2 1 9 9 8 年南海夏季风的爆发与斯里兰卡以东两个气旋的迅速发展有着密切的关系 3 1 9 9 8 年南海夏季风爆发期间 多普勒雷达中能够观测到在南海北部存在大范围 的中尺度对流系统 m c s s 地球大气的运动是极其复杂的 在空间上有各种不同尺度的运动系统 在时 间变化方面也是多种多样的 可以粗略地把大气运动的时间变化分为高频变化 天气变化 低频变化 季节变化 甚低频变化 年代际变化和地质纪变化 时间 尺度在几小时至l o 天的大气运动变化是天气变化 它是人们能直接感觉到的大气 运动变化 时间尺度在7 1 0 天以上 1 0 0 天以内的大气运动变化称为大气低频变 化 它包括引起大家普遍注意的季节内 3 0 6 0 天 振荡和准双周 1 0 2 0 天 振 荡i i 自m a d d e n 和j u l i a n l l 2 i 利用1 9 5 7 1 9 6 7 年坎顿岛的观测资料通过谱分析方法 首先发现热带大气纬向风和气压场存在4 0 5 0 天周期的低频振荡开始 季节内振 荡便成为了热门研究对象 在其传播方向 年际变化特征 遥相关型等方面都做 了深入的探讨 k r i s h n a m u r t i 和m u r a k a m i 等 1 9 8 2 就指出南亚夏季风活动存在 明显的3 0 5 0 天振荡1 1 3 1 4 l s u m a t h i p a l a i l 5 l 的研究指出南海夏季风区也有明显的季节 内振荡活动 而李崇银1 1 6 i 的研究也表明大气季节内振荡的活动对南海夏季风的爆 发有着重要的作用 在l o 2 0 天振荡方面 k r i s h n a m u r t i f l 7 1 对南亚季风区的云量和 降水进行了周期分析 指出这两者都存在1 0 2 0 天的低频振荡 相比较前面两种 振荡 1 0 天以下的高频振荡方面的研究相对还比较少 特别是对于南海地区大气 振荡的研究绝大部分都是集中于各种低频波段 例如3 0 6 0 天和1 0 2 0 天振荡 然而实际上 大气的短周期振荡对于天气的变化和大气的循环有着非常重要的影 响 它包含了许多重要的物理现象 如 超级单体 s u p e rc l o u dc l u s t e r s 季风 低压 m o n s o o nd e p r e s s i o n s 热带气旋 t r o p i c a lc y c l o n e s r o s s b y 波列 r o s s b y w a v et r a i n s 和副热带急流 s u b t r o p i c a lj e ts t r e a k s 1 1 3 l 另外 短周期振荡的重 要意义还在于 1 对于短期天气预报来说非常重要 2 在云和降水的形成过程中 很重要 从而影响大气的加热过程 3 被观测到的降水的日变化特征能用来检验 模式的物理过程 4 短周期振荡还与大尺度环流的季节内振荡有着密切联系 5 此外 高频振荡对于了解1 t c z 的动力结构 影响飓风的活跃因子 甚至于对于研 究全球气候变暖还有很重要的意义1 1 4 l 因此 大气高频振荡在近十年受到很多关注并由此取得了很大的发展 早在 上世纪7 0 年代 人们就已经通过卫星云图资料 肉眼看到在热带赤道辐合带 i t c z 上 云团向西传播 做时间一经度剖面图研究得出 这是一种西传的天气尺度 s y n o p i t cs c a l e 的高频振荡i 协l y o l a n d el s e r r a l l 9 1 利用t e p p s t r o p i c a l e a s t e r np a c i f i cp r o c e s ss t u d y 2 0 0 0 实验中获取的资料对东太平洋地区的i t c z 进 行分析 研究发现 东太平洋上的i t c z 有明显的3 6 天振荡 而这种高频振荡在纬 向风场和湿度场中最为明显 另外 发现风场 湿度场和温度场3 6 天的振荡与东 风波理论很一致 对风场资料进行波谱分析 发现在7 9 月 3 6 天振荡与东风波 2 的活动最为活跃 s e r g e ykg u l e v i 驯利用n c e p n c a r 资料 1 9 5 8 9 8 年 运用带通滤波方法分为 0 5 2 天 u l 打a h i g h 一丘明u e n c yv 撕a b i l 时 2 6 天 s y n o p t i c s o m ev a d a b i l i w 6 1 2 天 f l o ws y n o p t i cp r o c e s s e s 1 2 3 0 天 1 0 w 一丘e q u e l l c y v 耐a b i l i 够 4 个波段 进行分析对比研究 研究结果表明 各个不同波段的最大 最小值出现时间不一致 这在低层大气更明显 各个波段的高频振荡有着年纪和 年代纪的变化 高频振荡与北大西洋的海表温度梯度 1 l r f a c et 锄p e m t u r eg r a d i e l l t 有很好的相关关系 不同时间尺度的高频振荡与n o a n o r t ha t l a n t i co s o l l a t i o n 有不同的联系 k a j m a w a y a s u n a r i l 2 l l 利用19 7 9 2 0 0 2 年o l r 和n c e p 资料对南海地 区夏季1 0 2 5 天和3 0 6 0 天振荡进行分析比较 研究表明 南海地区的l o 2 5 天和 3 0 6 0 天振荡在早期夏季 6 月 7 月 和晚期夏季 9 月底 时期通常呈反向相关 的关系 f l o l 0 2 5 天振荡活跃时 3 0 6 0 天振荡是不活跃的 这种1 0 2 5 天的振荡是 源于赤道中西部太平洋并西传到南海地区 相对于南海地区低频振荡的研究 高频振荡的研究相对较少 这其中的一个 主要难点在于缺少高分辨率的资料 而随着t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s m o n t r m m 卫星和q u i k s c a t 卫星分别于1 9 9 7 1 9 9 9 年升空 高时空分辨率的降水 和近洋面风场资料便成为可能 由此更容易获取到热带地区准确的四维降水资料 和加热层结构特征1 2 埘l 并且可以运用q u i k s c a t 资料来进行天气预报及对飓风进 行警报和修正 1 2 本文研究内容 综上所述 国内外对于大气短周期振荡的研究在近十年获得了很大的发展 但 是对于大气短周期振荡的研究多集中在东太平洋和大西洋 对于南海地区的研究 却非常少 而且以前用于研究的资料分辩率比较低 为此 针对上述问题 本文 采用高分辨率的卫星资料t r m m3 8 4 2 和q u i l s c a t 对南海季风区的大气2 8 天短 周期振荡进行研究 着重分析南海季风区大气短周期振荡季节 年际变化特征以 及纬向 经向传播特征 分析季风活动对于短周期振荡的影响 第二章资料与研究方法介绍 2 1 资料来源和处理 t r m m t r o p i c a l r a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o n d 星于1 9 9 7 年1 1 月成功发射 能够满足对热带区域加密观测的要求 卫星上搭载的用于降雨观测的主要传感器 有 降雨雷达 p r 被动式微波辐射计 t m i 以及可见 红外传感器 v i r s 其中p r 是第一个星载降雨雷达 能够观测降雨的三维结构 3 8 4 2 算法是由t r m m 科学小组开发的一种综合降水评估算法 它结合了 2 8 31 2 a 1 2 微波成像专用传感器 s s m i 改进的微波扫描辐射计 a m s r 高级微波探测器 a m s u 等多种被认为是高质量的降水评估算法 并对地球同 步红外观测系统获得的红外辐射资料进行了校准 高质量的准全球降水评估资料 是通过对红外亮温资料进行校准获得的 估测3 h 降水 指该时刻9 0 m i n 前和9 0 m i n 后 3 h 内平均降水强度 覆盖范围0 0 3 6 0 0 5 0 s 5 0 n 分辨率0 2 5 0 x 0 2 5 0 本文使 用的是1 9 9 8 2 0 0 6 年3 8 4 2 的降水资料来研究南海地区的短周期振荡特征 q u i k s c a t n c e pb l e n d e dw i n d s 1 9 9 9 2 0 0 6 q u i k s c a t 与n c e p 洋面整合风 场资料 这个资料是由高分辨率的卫星资料 q s c a t 和全球预报模式的再分析 资料 n c e p 整合而成 它有着高时间分辩率和高空间分辩率的特点 6 h o u r l y a n d 0 5x0 5d e g r e e 资料来源于n a s a 发射的q u i c ks c a t t e r o m e t e r 卫星获取的洋面 散射风资料 采用d i r t h 算法 1 t d i r e c t i o ni n t e r v a lr e t r i e v a lw i t ht h r e s h o l d n u d g i n g 资料的整合方法应用c h i ne ta 1 1 9 9 8 胆7 1 的方法 n c e p n c a r 美国环境预测中心和大气研究中心 全球大气每日四次再分 析资料 资料再分析中所用的数据同化系统是在1 9 9 5 年n c e p 的全球预报模式基 础上发展的 系统用谱分析对所有能够得到的实时观测资料进行插值 用三维数 据分析方法进行同化处理 本文中用到的要素场主要为8 5 0 h p a 和5 0 0 h p a 两层的 纬向风u 经向风v 以及5 0 0 h p a 高度场1 9 7 4 2 0 0 6 年的日平均资料 资料格式为经 纬网格点 分辨率是2 5 2 5 4 2 2 计算和分析方法 本文使用的分析方法主要有 m o r l e t 小波分析 带通滤波 合成分析等 以 上分析方法具体可参考魏凤英编著的 现代气候统计诊断与预测技术 以及黄嘉 佑编著的 气象统计分析与预报方法 1 2 1 1 2 9 1 1 小波变换和小波方差 1 m o r l e t 小波变换 气候变化具有多时间尺度和多空间尺度的特性 包含了多层次的突变 但以 往的分析方法 包括f o u r i e r 分析 因为不具有局部 多层次和多分辨的性质而不 能客观地反映这种多层次结构规律 而小波分析基于平移和伸缩的不变性 具有正 则性 局部性和k 阶消失矩等良好的性质i 郸n 小波分析方法将时间序列引入频率 时间和空间来描述 因此特别适合于对信号进行多尺度分析 局部分析和奇异性分 析1 3 2 翔l 这无疑为研究气候变化的多层次结构和突变特征提供了新方法 本文选取m o r l e t 子波来分析 其分析函数的形式为 妙o e i a d e 卑7 2 2 1 其中 o 为波矢量 一般取 0 6 0 定义信号坟t 的子波变换为 以 6 j 二d 厂 f f 渺 击j 二 饨炒 t 口b 以口 o 6 r 2 2 其中率表示复共轭 沙口 6 0 1 1 t b 称为子波函数 a 为尺度参数 b 为 吖a a 平移参数 孵 口 b 为子波变换系数 利用p a r s e v a l 恒等式和傅立叶变换的基本性质 2 2 可变为 啪 尝 他 e u 口b 妙 删d 缈 2 3 2 单尺度下的小波方差 由帕斯瓦尔方程可知 正交小波基下的小波变换具有能量守恒的性质 2 4 l 妙 厅 1 2 对应于能量密度 定义某个尺度m 下的小波能量为 巳 l 哆仞 刀 1 2 尺度m 下的小波方差为 2 5 y 2 删 2 专厶 专 l 妙 肼 刀圹 2 6 比较单一尺度下的小波能量及小波方差的定义 可以看出两者有共同的量 纲 而小波方差可以看作随机信号序列在单一尺度下的平均能量 2 b a t t e r w o r t h 带通滤波 带通滤波是将感兴趣的波段或频率带的振动滤出 设某一测站或格点观测值 序列 而 x 2 吒 l 带通滤波计算公式为 y i a x k x k 一2 一b y k i 一6 2 以一2 2 7 由 2 7 式可见 在做k 时刻滤波时用到过去前2 个时刻的数据和k 时刻以 前2 个时刻的滤波结果 问题归纳为确定系数口 6 l 如 6 眨 刀 1磅 刀现 垆 剽 删 渊 百先 需要先给出二个频翠 q 和呸 是带遁 谵波器的中心频翠 q 和哆是 两边的两个频率值 系数口 岛 如由下式计算 口 一一竺垒一 2 一 8 一 口 三l i 4 2 a q 9 0 2 龟 兰墼 2 9 4 2 a q 珐2 6 4 2 a q q 0 2 2 1 0 珥十 z 蟛 其中 q 2l 坚坠一 唑i 2 1 1 1 c o s c o a tl c o s c o a t q z 竺咝坐唑型二 2 1 2 f 上 j 兰 一 7 1 c 0 s c o i a t 1 c o s c o a t 丁为取样时间间隔 三个频率 q 和哆可以根据具体滤波的周期长度来 确帝 7 第三章南海季风区大气2 8 夭振荡基本特征分析 本章将使用第二章介绍的资料计算南海地区大气各种周期的振荡 过去在对 南海地区进行研究时 大多数将南海区域定为 0 0 2 0 n o 1 0 5 0 1 2 0 0 e 或者 5 0 2 0 n 1 0 5 1 2 0 0 e d i n ga n dc h a n 2 0 0 5 1 6 k a j i k a w aa n dy a s u n a r i 2 0 0 5 1 2 1 1 季风 的爆发通常可以用一个地区季节性的降雨变化来定义 这是因为季风地区的气候 一个非常明显的标志就是夏季的多雨和冬季的干燥少雨 两个季节降水有着明显 的差异 乔云亭等 2 0 0 2 1 3 4 1 分析指出 南海地区四个区域的降水有着显著的差 异 1 0 5 0 1 1 0 0 e 0 0 2 0 0 n 1 1 0 1 2 0 0 e 0 0 5 0 n 1 1 0 1 2 0 0 e 5 0 1 0 0 n 1 1 0 0 1 2 0 0 e 1 0 0 2 0 0 n 而其中区域 1 1 0 0 1 2 0 0 e 1 0 0 2 0 0 n 的降水最能体现整个南海区域的 夏季风降水特征 w a n ge t a l 1 3 5 i 也认为这一区域平均的降水可以作为南海夏季风爆 发指数 因为在8 5 0 h p a 纬向风的转向和这一区域降水的突然增加在时间上一致 因此本文在研究南海地区的短周期振荡时选择了 1 1 0 0 1 2 0 e 1 0 0 2 0 0 n 作为主 要的计算和分析区域 3 1 南海地区各种周期的振荡特征 自从7 0 年代初 m a d d e n 和j u l i a n t l 2 i 利用1 9 5 7 1 9 6 7 年坎顿岛的观测资料 通过谱分析方法首先发现热带大气纬向风和气压场存在4 0 5 0 天周期的低频振荡 人们开始对大气环流的季节内振荡现象进行了广泛的研究 而对于大气高频振荡 的研究不多 以往对于降水方面的研究着重于准双周振荡 季节内变化 年变化 以及年际变化特征研究 本章使用对周期具有较强分析能力的m o f l e t 小波研究南海区域 1 0 2 0 0 n 1 1 0 1 2 0o e 降水场的周期变化特征 以确定各种振荡的周期 图3 1 给出了南海地区 1 0 2 0 0 n 1 1 0 1 2 0o e 1 9 9 8 2 0 0 6 年平均降水的m o r l e t 小波变换的模 由图可见 小波系数反映小波的波谱能量主要集中在o 6 0 天这一 频域范围内 其中3 0 6 0 天的振荡在夏季风爆发时期 5 9 月 非常活跃 1 0 2 0 天和2 8 天的振荡在4 1 0 月也很显著 由于之前对于低频振荡的研究已经比较多 了 如1 0 2 0 天和3 0 6 0 天振荡 本文着重于对研究较少的2 8 天的短周期振 荡进行研究 图3 1 l g g 昏2 0 0 6 年9 年平均降水m 钟l c t 小被波模图 1 o 啊 1 1 0 1 2 0 e 为了研究各个尺度的振荡占南海季风区大气活动的比例 本文采用b a t t e r w o r t h 带通滤波分别对t r m m 降水资料进行带通滤波 将原降水资料分别滤成2 8 1 0 2 0 3 0 6 0 天的波段 图3 2 给出了南海季风区各个尺度全年降水小波方差贡献 1 9 9 8 2 0 0 6 年平均 可以看到 3 06 0 天的振荡是最活跃的 1 0 2 0 天振荡次之 虽然从方差贡献来看2 8 天振荡所占的比例最小 但它却与逐日的天气变化紧密 相连 从图3 2 还可以看出 在南海夏季风时期 是各个周期振荡的活跃期 三 二 二 自目习习 爿1 腑 1234 56 7 891 0 l l 1 2 口2 8 天振荡 1 0 2 0 天振荡 口3 0 6 0 天振荡 图3 2 南海降水逐月小波方差图 1 9 9 8 2 0 0 6 年平均 9 g暮 暮 帅 阳 蚰鲫卸旧0 图3 3 分另 给出了南海地区 1 0 2 0 n 1 1 0 1 2 0 e 3 0 6 0 天和1 0 2 0 天带通滤波的 小波变换的波模图 可以看到3 0 6 0 天振荡在全年都很活跃 其中在南海季风时 期达到最高值 并且表现出一种连续的特征 1 0 2 0 天振荡从4 月初便开始活跃起 来 在南海季风时期明显增强 并有两个大值中心 随着夏季风的撤退 1 0 2 0 天 振荡也随之减弱 而到了1 0 1 1 月又出现一个次强的高值区域 整个过程表现一 种中断的特征 且强度较3 0 6 0 天振荡来得弱 图3 3 1 9 9 日 2 0 0 6 年9 年平均降水m o c l d 小波波模图 1 们o o n l l 2 0 锄 a 3 0 6 0 天 带通滤波 b 1 0 2 0 天带通滤波 3 2 南海地区2 8 天振荡的特征 从以上分析可以看至4 南海季风时期 大气除了有明显的3 0 6 0 天 1 0 2 0 天振 荡外 仍然有着比较明显的2 8 天的短周期振荡 图3 4 给出的是经过带通滤波的 2 8 天频段的m o r l e t 小波波模图 我们可以看到 2 8 天短周期振荡活跃于4 1 2 月 不同于m j o 的仅在南海季风爆发时期活跃 2 8 天振荡还出现于季风的撤退 时期 甚至在冬季风爆发时 2 8 天振荡也表现出很活跃的信号 2 8 天振荡于4 月下旬开始活跃 较早于南海夏季风爆发的5 月份 另外 短周期振荡不同于m j o 振荡是种连续的信号 d i i i ga l i dc h a 轧2 0 0 5 它表现出一种离散的信号特征 t l i n e m o n t h 图3 5 1 9 9 8 2 0 0 6 年降水平均2 8 天带通滤波小渡方差图 1 帕 1 1 0 1 2 0 0 e 平均 为了能更清楚的研究2 8 天短周期振荡的季节变化特征 对降水2 8 天振荡做小 波方差图 从围3 5 可以看出 短周期振荡从4 月开始逐渐活跃 在夏季风爆发时 的5 月有一次比较大的增强 然而6 月却比5 月略微减弱 此后在7 8 月达到最 大值 之后随着夏季风的撤退逐渐减弱 另外为了对比南海海洋和华南内陆的短 周期振荡的不同 选取受季风影响典型的陆地地区 s 2 5 n 1 1 0 1 1 5 口e 来分析比 较 该区域包括了两广地区的近南海的绝大部分陆地 从图3 击可以看到 华南 1 1 p m o一 n 地区陆地2 8 天的振荡也是随着南海夏季风的爆发开始活跃起来 并在6 7 8 月达到最高值 这点和南海地区相似 但是也有差异 即陆地地区2 8 天的振荡 仅在夏季风爆发的时期活跃 而在冬半年却基本不存在 而南海地区却在冬季风 时 2 8 天振荡也很活跃 这可能是与冬半年南海冷涌的活跃有关的 由于冷涌的周期 也在1 0 天以内 这与我们的推测比较接近 由于本文仅研究夏季风时短周期振荡 的变化 冬季风的活动现象暂时不展开分析说明 圈3 6 华南内陆地区1 9 9 8 2 0 0 6 年平均2 8 天带通滤波小 波横田 2 2 5 2 5 n 1 1 0 1 1 5 嚯平坳 3 3 南海地区季风爆发时期各种振荡的贡献 为了研究各种周期振荡在南海季风时期所占的贡献 本文对降水资料进行了高 通滤波 将8 0 天以上的季节性变化滤掉 来分析比较剩下来的各个波段在南海季 风时期所占的贡献大小 图3 7 分别给出了2 8 天 1 0 2 0 天 3 0 6 0 天振荡所占 的比例贡献 可以看到2 8 天撮荡虽然不如1 0 2 0 天 3 0 6 0 天振荡明显 但也占 到了1 1 的比例贡献 圈3 4 南海季风 9 月 小渡方差贡献图 8 0 天高通滤波后 1 9 9 8 2 6 0 6 平均 3 4 小结 用t r m m 高分辨率降水赍科研究分析表明 南海季风区的大气存在三个明显 的振荡周期 3 0 6 0 天 1 0 2 0 天 2 8 天振荡 其中3 0 6 0 天振荡最强 1 0 2 0 天 次之 2 8 天振荡所占的比例摄小 但仍然占到总能量的1 1 在南海夏季风时 期 南海季风 三个周期的振荡都很活跃 全年的能量大部分都集中在了这个时 期 3 0 6 0 天振荡表现出一种连续的特征 而2 8 天振荡寰现出一种中断的特征 南海地 区的2 8 天振荡不仅话跃于夏季风爆发时期 也活跃于冬季风时期 这与华南陆 地地区的2 8 天振荡表现不同 其仅在夏季风爆发时期活跃 第四章2 8 天振荡季节内和年际变化特征 4 1 南海季风活动与2 8 天振荡 从上面的分析可以看到 2 8 天振荡在季风爆发时期表现出一种离散的特征 而南海夏季风爆发时也表现出中断 不活跃的特征 金祖辉 陶诗言h 指出南海 夏季风的建立 活跃和中断与南海地区偏西 偏东风场的转换是紧密相关的 当整 个南海地区 1 0 2 0 n 由偏东风转为伴有强对流爆发的西风 偏西南风 以及强 对流自5 n 附近向北快速扩展到整个南海时作为南海季风爆发的标志 而南海季 风爆发后出现由西南风转为偏东风并持续3 天以上的过程为南海季风中断 为了研 究2 8 天振荡与南海季风活动的关系 选取2 0 0 0 年8 5 0 h p a 风场资料作时间 纬度剖面 图4 1 由南海季风网 h t t p 2 1 8 1 9 1 6 4 2 1 9 g r a p e s m o m o o n m o n s o o n h t m l 对季风爆发 时间的确定可知2 0 0 0 年南海季风爆发于5 月第4 侯 从图4 1 可以看到 5 月1 6 日后 5 月第4 侯 1 0 2 0 n 转为一致的偏西风 这与季风爆发时间是相对应的 季风 爆发后的5 月2 7 日至6 月8 日 偏西风转为偏东风 这时南海季风出现中断 6 q 9 日至6 月1 5 日转回西风 南海季风从中断期转回短时间的活跃期 之后6 月2 0 b 至7 月1 日又转为偏东风 而从图4 2 中2 8 天的振荡也能很好的得到反映 5 月1 6 日前后 季风爆发 2 8 天振荡开始增强 随着季风的中断 5 月2 7 日至6 月8 日 短周期振 荡也出现减弱 而6 月2 0 h 至7 月1 日的中断期以及7 月1 日之后的活跃期 与2 8 天 振荡的强弱对应得非常好 因此可以得出结论 2 8 天振荡是受南海季风活动所调 制的 其在夏季风时期表现出的离散特征是与季风的中断 活跃等活动紧密相关 的 1 4 燮 蚓 l 衫形玩 l j 4f t 硼l i 0 过 m f 一肛 洲 泌 j 嫩1 7 1 7 矿h k 翁 t t f 怒hs1 一 以 2 二 二二 t t t 二 w t l 一 tt 一币 一 弋 j 一彤 硎 一一一n 0 l 一 衫彤 么也一 乃 d i l t 潲寻斧 j j 一竖二 j j i 奎 i 萧一了 图4 1年季风爆发前后 风场时间 纬度剖面图 1 e 平均 零线是东西风分界线 图4 2 年季风爆发前后2 8 天振荡小波波模图 1 5 4 22 8 天振荡年际变化特征 为了研究南海地区短周期振荡的年际变化特征 我们选择e 1n i f i o 和l an i f i a 年来进行研究比较 前人的研究表明热带大气的季节内振荡与e 1n i f i o 之间有着密 切的联系 董兆俊啪1 等人通过对西太平洋 南海 阿拉伯海等近赤道季风区8 5 0h p a 纬向风场低频振荡与e 1n i f i o 发生发展的相关特征分析发现 在e 1n i n o 发生前 期 3 0 6 0 天低频振荡会出现显著的增强 e 1n i n o 发生后 3 0 6 0 天低频振荡 明显减小 1 9 9 8 2 0 0 6 年间 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 为l a n i f i a 年 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 为e ln i f i o 年 h t t p w w w e p c n c e p n o a a g o v p r o d u c t s a n a l y s i s m o n i t o r i n g e n s o s t u f f e n s o y e a r s s h t m l 在l an i f i a 年3 0 6 0 天的振荡比较明显 1 0 2 0 天振荡和l o 天以下的高频 振荡都较弱 而在e 1n i n o 年 3 0 6 0 天振荡较弱 1 0 2 0 天振荡较强 下表给出了南海地区e 1n i n o 年和l an i f i a 年各个周期振荡在季风强盛时期口妇 6 月 7 月 的小波方差 通过分析各个周期振荡的小波方差来研究它们之间的 相互关系 可以看到在l an i f i a 年 1 9 9 8 1 9 9 9 年 的夏季 2 8 天振荡较弱 1 0 2 0 天振荡也较e ln i n o 年弱 而3 0 6 0 天振荡除了1 9 9 8 年较弱以外 其余两年都很 强烈 而在e 1n i n o 年 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 年 却表现出完全相反的特征 即高 频振荡较强 而低频振荡较弱 对2 8 天和1 0 2 0 天振荡 2 8 天与3 0 6 0 天振荡 分别做相关系数运算 可知2 8 天和l o 2 0 天振荡有很强的正相关性 而2 8 天与 3 0 6 0 天振荡有较强的负相关性 但由于资料样本数太少 只能对此序列做无偏估 计 因此会与真实的情况有所出入 但是仍然可以得到2 8 天和1 0 2 0 天振荡有很 强的正相关性 而2 8 天与3 0 6 0 天振荡有较强的负相关性 这与之前研究的结果 是非常吻合的n9 2 l 蚓 1 6 表一 南海地区六 七月份各个周期小波方差及相关系数 年份6 月7 月 2 8 天 1 95 6 1 9 9 8 1 0 2 0 天 9 7 8 8 年 3 0 6 0 天 2 72 9 5 2 8 天 3 39 7 1 9 9 9 1 0 2 0 天 4 2 11 4 4 年 3 0 6 0 天 9 7 78 3 5 2 8 天 8 81 1 4 2 0 0 0 1 0 2 0 天 3 6 22 2 年 3 0 6 0 天 1 0 5 71 6 0 4 2 8 天 6 73 2 2 0 0 2 l o 2 0 天 2 8 75 2 6 年 3 0 6 0 天 4 15 4 8 2 8 天 72 5 4 2 0 0 3 1 0 2 0 一天 3 3 3 4 3 9 年 3 0 6 0 天 6 0 37 7 8 2 8 天 1 5 91 8 3 2 0 0 4 1 0 2 0 天 7 7 3 3 0 年 3 0 6 0 天 5 7 36 7 2 2 8 天与1o 2 0 天无偏 相关系数 0 9 50 9 9 2 8 天与3 0 6 0 天无偏 相关系数 一0 3 5 o 5 7 1 7 图4 3 给出了2 8 天振荡在1 9 9 8 2 0 0 6 年6 月 7 月啪 的小波方差距平图 以 此来分析对比短周期振荡的年际变化和活跃程度 图中可以看到 2 8 天振荡比 较活跃的年份为2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 年 其中2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 年为e 1 n i n o 年 短周期振荡不活跃的年份为 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 6 年 其中1 9 9 8 1 9 9 9 年为 l an i f i a 年 我们可以看到在e ln i n o 年的南海夏季风期2 8 天振荡比较活跃 而 在l a n i f i a 年相对不活跃 y e a r 图4 3 8 天振荡在6 月 7 月的小波方差距平i 雪 t o 2 0 啊 1 1 0 1 2 0o e 1 9 9 8 2 0 0 6 年 平均1 为了更好的研究e l n i f i o 年与l a n i 日a 年短周期振荡的年际变化和季节内变 化特征 下面将进行更具体的分析 在1 9 9 8 2 0 0 6 九年中 有三个e ln n 如年 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 年 和两个l an i f l a 年 1 9 9 8 1 9 9 9 年 图4 4 分别给 出了e l n i o 和l a n 血年南海地区短周期振荡的小波波模图 经过分析比较 可咀看出 在e l n i n o 年 2 8 天的振荡在南海夏季风时期很活跃 而在l a n i n a 年 2 8 一天振荡不仅在南海夏季风时期活跃 在夏季风减弱后仍然表现得很活 跃 南海季风时期 2 8 天振荡在e l n i n o 年比在l a n i n a 年活跃 2 8 天振荡 的活跃除了受季风活动的影响 还与太平洋 印度洋的大尺度环流背景紧密联 系 e l n i n o 年2 8 天振荡的活跃可能是与赤道上中东太平洋对流的增强还有印 度洋至太平洋的东 西向环流相联系的 在2 8 天振荡不活跃的l a n i n a 年 这 种情况则相反 i 图4 4 2 8 天带通滤波小波模圈 1 蚴喇 1 l 舡1 加 e a b 1 9 9 8 1 9 9 9 l a n i m t y c m 4 3小结 综上所述 2 8 天振荡季节内变化表现出一种不连续的特征 它稍早于南 海夏季风爆发而开始活跃 随着季风爆发开始受季风活动的调制 它表现出的 分离 离散的信号特征 是与季风的中断 活跃等活动有关的 2 8 天振荡与 1 0 2 0 天振荡有较好的正相关关系 而与3 0 6 0 天振荡呈负相关关系 其中 2 8 天振荡和l o 2 0 天振荡在e ln i 矗0 年较强 在l a n i f i a 年却较弱 在e 1n i n o 年 2 8 天的振荡在南海夏季风时期很活跃 在l an i n a 年 2 8 天振荡不仅在 南海夏季风时期活跃 在夏季风减弱后仍然表现得很活跃 南海季风时期 在 e 1 n i n o 年2 8 天振荡比在l a n i n a 年活跃 这种差异除了受季风活动的影响外 还与太平洋 印度洋的大尺度环流背景紧密联系 它可能是与赤道上中东太平 洋对流的增强以及印度洋至太平洋的东一西向环流相联系的 第五章2 咱天振荡传播特征的分析 随着南海夏季风的建立 季风区的环流 天气和雨量状况都会发生突变 气 候特征由干旱少雨变为潮湿多雨t 天气方面则由于季风的变化和季风扰动的影 响 使降水在时空上的分布根不均匀 常带来复杂天气和对流活动 2 0 世纪舯 年代以来 关于南海夏季风爆发和机制的研究已取得了不少进展 在南海夏季 风爆赞特征的主要标志研究方面 陶诗言和陈隆勋 虬1 以降水量的突增为主要标 志研究了幕南亚夏季风爆发的时间进程 在5 月1 0 日左右东亚夏季风己推进判 华南沿海 估计南海季风爆发于5 月上旬左右 但由于南海地区降水资料稀少 南海区域没能详细区分 随后不少研究者分别用风场 对流 指数或者多要素的 综合等作为南海季风爆发标志深入研究了南海季风爆发的特征似1 这些研究结果 进一步表明南海夏季风多年平均爆发时间为5 月中旬 并有显著的年际变化等 现在比较通用的是采用伴有强对流爆发的西风 偏西南风建立作为南海季风爆发 的标志 其次 用风场和黑体辐射云顶温度 t b b 要素 1 1 0 1 2 0 e 平均 的时 间一纬度剖面图的时空变化特征来确定南海季风辱发时间 下表便是粱建苗 蝴 给出的1 9 9 8 2 0 0 6 年南海夏季风爆发的日期 下面将研究在季风爆发前后2 8 天振荡的传播特征 表二 南海夏季风爆发日斯 业卫1 1 土l 唑扯 o r 幽3 1 韭 i 垡 删 年份爆发只期 侯 1 9 9 95 5 9 9 94 5 2 0 0 0 5 4 2 0 0 454 2 0 0 5 5 6 2 0 0 65 4 5 1 2 8 天振荡在夏季风爆发时期的传播特征 短周期振荡信号的传播对于短期预报有着非常重要的意义 国外的 y o l a n d e ls e r r a o 利用t e p p s t r o p i c a le a s t e r n p a c i f i c p r o c e s ss t u d y 2 0 0 0 史验中获取的资料对东太平洋地区的i t c z 进行分析 研究发现 东太平洋卜的 i