（气象学专业论文）全球加热场的气候学特征及其年代际变化.pdf

全球加热场的气候学特征及其年代际变化 摘要 本文利用n c e p n c a r 再分析逐日及月平均资料 计算了1 9 4 8 2 0 0 2 年全球 大气热源的气候分布 并对其季节及年代际变化规律进行分析 最后着重研究 了夏 冬季大气热源的变化特征 结果表明 1 全球大气热源在南北半球呈不对称分布 北半球的加热强于南半球 夏季大气热源位置较赤道偏北 而冬季较偏南 全球存在四个主要的大气热源 中心 且位置随季节的改变而改变 夏季分别位于中非 孟加拉湾附近 热带 西太平洋菲律宾群岛附近及加勒比海西南部 冬季则移至南非 海洋大陆至印 度洋一带 澳大利亚西北部至南太平洋附近及南美洲北部 2 全球热源季节变化显著区主要限于季风活跃区及其附近区域 夏季大 气热源的范围最大 强度最强 秋 冬季依次变小 变弱 春季开始又变大变 强 总的水汽潜热汇与总的大气热源变化的步调比较一致 夏季陆地上清楚 冬季海洋上明显 3 e o f 分析的结果表明全球大气热源年代际变化显著区主要集中在三个 地区 亚洲 非洲和南美洲 热源异常存在明显的地域差异 近赤道地区最强 两极较弱 大多数年份热源异常在经向方向呈明显的正负相间排列 纬向方向 则表现为有几个异常加热 失热中心 4 夏季中非 热带西太平洋菲律宾群岛附近及加勒比海西南部的大气热 源都表现出明显的年代际变化特征 中非热源在2 0 世纪7 0 年代存在减弱突变 而热带西太平洋菲律宾群岛和加勒比海西南部热源存在增强突变 盂加拉湾热 源存在减弱变化趋势 5 冬季南美洲北部热源具有明显的年代际变化 7 0 年代中期存在增强 突变 南非和海洋大陆至印度洋一带热源存在增强变化趋势 而澳大利亚西北 至南太平洋一带热源存在减弱变化趋势 关键词 大气热源 气候学特征 年际变化 年代际变化 t h ec l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r d e c a d a lc h a n g e so f t h eg i o b a ih e a ts o u r c e a b s t r a c t m a k i n gu s eo f t h ed a i l ya n dm o n t h l yn c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t a t h ec l i m a t i cd i s t r i b u t i o n o f e v e r ys e a s o no f t h e h e a ts o u r c ea r ec o m p u t e d t h e l a w so f s e a s o n a la n d i n t e r d e c a d a l v a r i a t i o n o ft h eg l o b a lh e a ts o u r c ea r ea n a l y s e dd u r i n g1 9 4 8 2 0 0 2 t h ev a r i a t i o n si ns u m m e ra n dw i n t e r a r es t u d i e de m p h a t i c a l l y w i t ht h er e s u l t sa sf o l l o w s 1 t h ea t m o s p h e r i ch e a ts o u r c e sa r e n o ts y m m e t r i c a li nb o t hs o u t h e r na n dn o r t h e r n h e m i s p h e r e a n dt h eh e a t i n gi nn o r t h e r ni ss t r o n g e rt h a ns o u t h e r n t h ep o s i t i o n sl o c a t ei 1 1t h e n o r t ho fe q u a t o ri ns u m m e r b u ti so p p o s i t ei nw i n t e r t h e r ea r ef o u rp r i m a r ya t m o s p h e r i ch e a t s o u r c ec e n t e r sa n dt h e i rp o s i t i o n se n r a g ew i t hs e a s o n i ns u m m e r t h e ya r el o c a t e dr e s p e c t i v e l y i l lm i d a f r i c a t h eb e yo fb e n g a l t h ep h i l i p p i n e si nt h et r o p i c a lw e s t e r np a c i f i ca n dt h e s o u t h w e s to fc a r i b b e a n i nw i n t e r t h e ym o v et ot h es o u t ha f r i c a a r o u n dt h eo c e a n c o n t i n e n tt o t h e i n d i a n o c e a n t h e n o r t h w e s t a u s t r a l i a t o t h es o u t h e r n p a c i f i c a n d n o r t ho f s o u t h a m e r i c a 2 t h ek e ya r e a so f t h es e a s o n a lv a r i a t i o no f t h eh e a ts o l c c sa r em o s t l yi na c t i v en l o n s o o n r e g i o n sa n d i t ss u r r o u n d i n ga r e a s t h ec o v e r a g ea n di n t e n s i t yo f t h ea t m o s p h e r i ch e a ts o u r c e sa r e t h el a r g e s ta n ds t r o n g e s ti ns u m m e ra n dt h a nt u r ns m a l l e ra n dw e a k e ri na u t u n l na n dw i n t e r t h e n i nt u r nb e g i nt ob e c o m el a r g e ra n ds t r o n g e ri ns p r i n ga g a i n t h ep o s i t i o no f t h em o i s t u r es o u i c e s i n k s a r ci na c c o r d a n c ew i t ht h eh e a ts i n k s s o u r c e s w h i c hi sc l e a ri nl a n di ns u m m e ra n d o b v i o u si no c e a ni nw i n t e l 3 t h er e s u l to f e o ft e c h n i q u ei st h a tt h ed o m i n a n tr e g i o n so fi n t e r d e c a d a lc h a n g e so f t h e g l o b a lh e a ts o a r e el o c a t ei na s i a n a f r i c aa n ds o u t ha m e r i c a t h ea b n o r m i t yo f t h eh e a ts o u r c e h a so b v i o u s l yr e g i o nd i f f e r e n t w h i c hi ss t r o n g e rn e a rt h ee q u a t o ra n d w e a k e ri nt h et w op o l e s i n m o s ty e a r s t h ea b n o r m i b p r e s e n t so b v i o u s l yp o s i 戗e n e g a t i v ei n t e r v a la r r a yi nm e d d i o n a l a s p e c t a n di nl o n g i t u d i n a la s p e c t i ts h o w ss o m ea b n o r m a lh e a t i n go rl o s e h e a t i n gc e n t e r s i i 4 i ns u m m e r t h ev a r i e t yo ft h eh e a ts o u r c ei nm i d a f r i c a t h ep h i l i p p i n e si nt r o p i c a l w e s t e h lp a c i f i ca n dt h es o u t h w e s to fc a r i b b e a nt a k e so no b v i o u s l yi n t e r d e c a d a lc h a n g e s t h e h e a ts o u r c ei nm i d a f r i c ap r e s e n t sw e a k e nm u t a t i o ni n7 0 s b u tt h a ti nt h ep h i l i p p i n e si nt h e t r o p i c a lw e s t e r np a c i f i ca n dt h es o u t h w e s to fc a r i b b e a np r e s e n te r t h a n c i v em u t a t i o n t h eh e a t s o u r c ei nt h eb e yo f b e n g a lp r e s e n tw e a k e nt r e n d 5 i nw i m e r t h eh e a ts o u l ei nt h en o r t ho fs o u t ha m e r i c ar a k e so no b v i o u s l yi n t e r d e c a d a l c h a n g e s i tp r e s e n t se n h a n c i v em u t a t i o ni nm i d d l e7 0 s t h eh e a ts o u r c e si ns o u t ha f r i c aa n d a r o u n do c e a n c o n t i n e n tt ot h ei n d i a no c e a np r e s e me n h a n e i v et r e n d b u ti tp r e s e n t sw e a k e n 廿 n di n 也en o r t h w e s to f a u s t r a l i at ot h es o u t h e r np a c i t i c k e yw o r d s a t m o s p h e r i c h e a t s o u r c e c l i m a t o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s i n t e r a n n u a lc h a n g e s i n t e r d e c a d a lc h a n g e s 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傲的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意 作者签名 童盏 日期 塑 茎 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 日期 于蓓辜 曲o b s 第一章引论 1 1 引言 当今 全球气候的异常变化是人们最关心的问题之一 而海洋和陆地下垫面状态是影 响气候变化 尤其是短期气候变化 季节 年际时间尺度 的重要物理因子 非绝热加热 的非均匀分布是驱动大气运动的主要原因 这个过程对大尺度运动有重要影响 大气加热 场的形成过程是十分复杂的 它是太阳 大气和下垫面之间的辐射 感热和潜热转换以及 大气运动等物理过程共同作用结果 正是由于大气加热场形成的复杂性 使得不同地区不 同时间大气中热量的得失有很大不同 一般而言 大气中得到热萱的地区为热源 失去热 量的地区为冷源 大气中冷热源状况是决定大气环流变化及其异常的主要因素之一 大气 加热场的特征及其变化对全球气候变化具有重要影响 其异常对大气环流的演变起着重要 的作用 这一直是人们研究的热门课题 1 2 全球大气热源的研究概况 关于大气中冷热源分布 许多人都计算过 尽管所用方法不同 资料 年代也不一样 但所得的冷热源分布形式大致是相同的 在8 0 年代之前 由于观测资料的限制 大多用多 年平均资料研究大气冷热源的平均状况 其后 对观测资料较好的第一次全球大气试验 f g g e 期间对大气热源分布有较深入的研究 由于非绝热加热不能被直接观测 只能间 接推断 在数值模式中 它是通过对诸如辐射 感热和潜热输送 水汽相变等物理过程参 数化来计算的 这种参数化计算加热的方法称为正算法 非绝热加热的计算误差是模式系 统性误差的主要来源之一 另一方面 总非绝热加热又可以通过实况资料根据热力学方程 计算出来 称为反算法 正 反算法各有其长 短处 反算法不能区别出加热场的性质 至多可把潜热分量区分开来 而正算法虽然能区分出各种加热分量的贡献 但凝结潜热的 垂直分布只能经验地结出 姚兰昌 用正算法计算了亚洲地区的大气加热场 巢纪平 1 用反算法计算了东亚地区 的大气冷熟源 朱抱真等 也计算了北半球的大气冷热源 h s a k u r a t 等 3 则以两种方法 计算了北半球的大气冷热源 并且对比分析了两者的结果 丑纪范等 3 用正算法对1 9 5 6 7 5 年北半球大气加热场进行了全面的计算 但未进行分析 f o r t e l i u s 1 对1 9 7 9 年2 月的 f g g e i i 资料正 反算法加热场和水汽汇进行了定性和定量分析 发现e c m w ft 6 3 模式生成 的总加热场的水平分布定性上是合理的 水汽汇的垂直分布二者也类似 但正 反算法的 非绝热加热的垂直分布二者相差较大 在热带对流层低层模式正算法的加热场是强的辐射 冷却而倒算法是净的加热 这种不合理的冷却甚至在强烈的净凝结加熟的地方也存在 从 定量上看 正 反算法的非绝热加热和水汽汇也存在较大差别 e li n k e r 等 1 将e 删孵模 式直接计算的加热场与反算法计算的加热场进行比较 分析了e c m w f 预报模式的系统性误 差 t o d d k s c h a a c k 等 利用e 叫w f 模式分析了1 9 7 8 年1 2 月一1 9 7 9 年1 1 月期间全球大气 加热场的三维分布 指出 加热场垂直平均的全球分布是为了说明行星型的季节演变 不 同地理位置的剖面图是为了说明在不同气候情况下大气加热垂直结构的季节演变 全球分 布的主要特点是包括位于巴西 赤道非洲 i t c z 亚洲季风环流和北半球西部大洋上海洋 气旋轨迹的深水汽对流区的加热作用 主要加热中心随季节有经向和纬向的迁移 热带 一副热带区域 最强的加热作用发生在6 0 0 m b 与亚洲季风环流相联系的主要加热中心里 最大加热场位于4 0 0 m b 附近 北半球海洋风暴轨迹上 加热作用发生在大部分的对流层中 低对流层加热在i 胃达到最大 7 月很小 撒哈拉和西澳大利亚沙漠地区体现了低层加热 到高层冷却的过渡 冬季盛行的海洋加热和大陆冷却 而夏季相反 这一点在北半球尤为 明显 m i n g y i n gw e i 等 1 研究了全球大气研究计划第一期全球试验期间非绝热加热的季 节分布 结果表明 热带辐合区和西太平洋深水汽对流优势区有加热作用 北半球冬季沿 亚洲东岸和美洲大陆有加热作用 副热带反气旋区域和极地区域有冷却作用 亚洲季风期 间的加热作用是一个持续的能量源 它在赤道西太平洋的位置随季节变化 他们认为 北 半球的非绝热加热与陆地和海洋的分布是紧密联系在一起的 北半球冬季期间 当欧亚和 北美盛行冷却作用 沿这两个大陆东部海岸发生加热作用 相反在夏季时大部分大陆有加 热作用 海洋有冷却作用 热带的加热作用大多数是由于水汽对流 并随季节的变化有明 显的经向变化 而最重要的是亚洲季风主要加热中心的季节性前进 j o h n s o n 等 提出 垂直气团在热源区向上穿过等熵面 而在热汇区向下 水平气团在高等熵层的传输是从热 2 源区到热汇区 反之亦然 大气内行星尺度能量传输也与不同的加热有密切关系 净能量 的传输发生在下面条件下 高层环流从热源区到熟汇区传输的能量比低层环流由热汇区到 热源区传输的多 l a u 在每日两次国家气象中心分析资料基础上对1 9 6 5 6 6 1 9 7 5 7 6 年 1 1 个冬季的加热场进行了计算 空间范围包括北半球2 0 n 以北 l a u 也观察到最大加热 区位于亚洲东岸到北太平洋东部和从北美延伸穿过海洋到4 0 0 n 一6 0 n 附近的大西洋 他的 结果指出 短暂涡漩引起的热通量较大的偏差需要用位于美洲西南部及邻近海域的加热来 平衡 h a n t e l 等 研究了1 5 s 以北的半球纬向平均的非绝热加热的季节分布 认为经向 非绝熟加热以热带和中纬度的加热 副热带和极冠的冷却为特点 在雨带以凝结加热占优 势 在干区以辐射加热占优势 他们的经向剖面图在结构上与m i n g y i n gw e i 1 等的结论 在秋 冬季节一致 而春夏不同 前者认为北半球中纬度对流层大部分是加热的 而后者 认为中上对流层都是冷却的 除了夏季 前者计算的热带的加热和副热带的冷却总的说比 后者强2 3 倍 而在中纬度低对流层的加热与斜压扰动的联系在后者的文章中更明显 m a s u d a 及k a s a h a r a 等 利用f g g e m b 资料用热力学能量方程计算了全球非绝热加热的 分布 c h e n 等 使用戈达德大气科学实验室的f g g e i i i b 资料分析了全球非绝热加热 认 为赤道处的非绝热加热比其它地方大 极区没有明显的加热 k u b o t a 73 的计算结果表明有 四个比较强的热源中心 分别位于青藏高原及其邻近地区 我国东部沿海到日本列岛一带 菲律宾附近的洋面上及大西洋的热带海洋上 h o l o p a i n e n 等 认为非绝热加热温带比热带 要强 傅逸贤 倒算了北半球大气冷热源的分布 结果表明冬季的冷熟源在范围和强度上 都较强大 热源以欧亚东岸地区最强 冷源以北美大陆较强 而夏季相反 春 秋季的冷 热源分布特点介于冬 夏季之间 但秋季较接近于冬季 国内也有不少人对非绝热加热的特征进行了分析 钱永甫等 模拟了夏季季风区的气 候特征 其中模拟的加热场的特征是 赤道辐合带内均为加热区 海洋上基本为冷却区 大陆上基本为加热区 对总加热率贡献最大的是积云对流凝结加热 王谦谦等4 对七月中 低纬地区的定常波动及非绝熟加热场进行了数值模拟 加热扬的模拟结果指出 七月份的 热源区除了主要分布在北半球的几个主要大陆上 还分布在热带海洋上i t c z 所在区 其余 的广大洋面则显示出冷源的性质 其中热带海洋的热源以潜热加热为主 主要分布于大气的 中高层 大陆上的热源有的以感热为主 主要分布于大气的低层 有的仍以潜热加热贡献 较大 海洋的冷源是由长波辐射冷却造成的 王谦谦 又对夏季东半球中低纬的非绝热加 热场进行了数值模拟 指出太陆是热源区 其中9 0 0e 以东的加热场以大尺度凝结加热的 贡献为主 大陆西部的加热区是以感热加热为主 模拟较差的是热带海洋区 王建德等 利用e c 腓f 删o 客观分析格点资料分析了丰梅年和空梅年大气非绝热加热场特征 结果表 明 梅雨期降水与大气非绝热加热场有密切联系 梅雨各阶段的加热场具有不同的特征 丰梅年与空梅年的加热场有显著差异 空梅年低层q l 和q 2 较弱 丰梅年加热场在中低层 有明显的峰值 不同形式的加热场与这两年完全不同的梅雨天气有关 智协飞 利用1 9 8 6 年5 9 月e c i 唧f t 1 i o 资料计算了非洲季风区 印度季风区 南海季风区和副热带季风区的 视热源 q 1 和视水汽汇 q 2 结果表明非洲季风区和印度季风区q l q 2 的准4 0 天周期 显著 南海季风区准双周振荡明显 副热带季风区盛行8 天左右的周期 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 王启炜等 发现视热源和视水汽汇的分布存 在明显的季节性变化 而且在1 9 8 2 年这一强厄尔尼诺年 视热源及视水汽汇分布和强度也 有相应的异常变化 在5 6 月 厄尔尼诺开始时 印度尼西亚表现为视热汇及视水汽源 而赤道中太平洋为较强的视热源及视水汽汇 随着e n s o 事件的发展 这一现象有增强的 趋势 赤道太平洋的强视熟源及视水汽汇也进一步向东发展 南海 西太平洋副热带及赤 道东太平洋等区域强视热源和强视水汇的垂直分布相差很大 在海洋区域多为对流性降水 l i 等 3 用1 9 7 9 1 9 9 2 年的1 4 年资料计算了q 1 和q 2 研究了亚洲夏季风的爆发 年际变 化与海陆热力差异的关系 揭示出 亚洲夏季风的爆发是与青藏高原以南对流层上层的经 向温度梯度反转同时发生 这种反转是由以青藏高原为中心的欧亚大陆在5 6 月份的温度 明显增加产生的 而此时在印度洋上空由于潜热加热被空气上升引起的绝热冷却所抵消 使得印度洋上的温度变化不明显 因此春季高原地区的感热加热造成了这种经向温度梯度 的反转 综上所述 对大气加热场的研究有重要的学术意义和深远的经济及社会意义 因而是 非常有必要的 4 1 3 全球热源年代际问题的研究概况 在对年代际问题的研究中 a l l e n 等 7 3 的研究结果发现温度变化具有2 0 年左右的周期 这是气候趋势之外最显著的年代际气候变率 杨修群等 1 的研究表明 在年代际时间尺度 上 全球海洋大气系统大约在2 0 世纪7 0 年代附近 均一致性地经历了一次跃变 施能等 对大气环流的年代际变化问题的研究工作和结果作了综合评述 而对于热源问题的研 究 不少人研究了其年际变化问题 蓝光东等 分析了热带太平洋上空大气热源及水汽汇 的年际变化及其与海袁温度异常之间的联系 发现大气热源的垂直积分和水汽汇垂直积分 异常与s s t 异常有着较高正相关关系的热带太平洋区域主要集中在1 7 0 0e 以东的5 s 一3 0 n 之间的一个狭长带中 而分析大气热源和水汽汇的空间结构 则发现在赤道太平洋中 东 部地区 除了最低层 9 6 2 5 h p a 和最高层 8 5 0 h p a 以外 对流层其余各层q i q 2 异常与 s s t 异常都存在较高的正相关关系 而在赤道西太平洋地区 8 5 0 h p a 层以下 蜴异常与 s s t 异常为负相关关系 在9 6 2 5 h p a 相关系数甚至为一0 5 9 其余备层9 q 2 异常与s s t 异常也只有很弱的正相关关系 王召民等 讨论了冬夏季全球加热场分布及年际变化特 点 指出中国东部降水异常与加热场异常之间有较一致的关系 凝结潜热在加热场中起主 要作用 加热场特点同我国长江中下游区域旱涝存在一定关系 早涝前期某些区域的加热 率有明显差异 江宁波等 船3 讨论了亚洲季风区大气热源的季节内变化特点 分析表明 季 节内变化显著区主要限于季风活跃区及其附近地区 并且存在季节 年际差异 e o f 分析 的主要空间型反映了印度到中南半岛 带 中国东部 西大平洋地区的振荡存在一定的关 系 相应时间系数功率谱分析表明大气热源主要存在3 0 一6 0 天振荡 但1 9 8 0 年夏半年和 1 9 8 2 1 9 8 3 年e n s 0 事件期间 尤其是冬半年 这一振荡不显著 夏半年亚洲季风区3 0 6 0 天变化的传播并不一定向东 而是存在明显的地区差异 1 4 存在的问题 综上所述 人们已经从观测资料分析和数值试验等方面 对全球大气热源状况及其对 季风和降水的影响作了许多研究 也得到了许多重要的结论 为这一领域的进一步研究奠 定了坚实的基础 然而 在这方面的研究还存在着许多问题 1 到目前为止 关于全球热源分布的各种计算结果仍然存在分歧 热源中心位置和 中心强度仍存在差异 而且对热源年际和年代际变化的研究也较少 2 关于热源对季风的作用 以前的研究大多是基于数值试验的基础上得出的结论 而且由于前期的工作所用的资料时段普遍较短 很少有人计算过大气热源的长时间序列 4 0 年以上 因此所得的结果在表征大气热源的气候特征方面可能缺乏代表性 因而也就无法 研究季风区热源热力作用的年际变化对季风区气候变化的影响 3 用大气加热场研究对大气环流的影响问题 虽然已有众多的工作 但由于各自工 作的研究目的不同 对于大气加热场的计算与分析方法也不尽相同 虽然用倒算法计算全 球加热场的分布比较好 但它不能区别出加热场的性质 至多可把潜熟分量区分开来 而正 算法虽然能区分出各种加热分量的贡献 但凝结潜热的垂直分布只能经验地结出 加上资 料所带来的局限性 计算的范围受到很大限制 1 5 本文拟解决的问题 通过以上分析可以发现 很少有人对全球热源各季节的年际 年代际变化特征进行研 究 用长时间序列的大气热源来分析大气热源异常对大气环流影响的工作还不多见 因此 本文在对大气冷热源多年状况傲了更细致分析的基础上 对全球大气热源的气候特征及其 季节 年代际变化特征进行了研究 而由于夏 冬季热源变化比较显著 有代表性 因此 本文着重研究了夏 冬两个季节大气热源的变化特征 本文进行以下工作 i 分析全球各季大气熟源的气候特征及季节变化规律 2 分析全球加热场的年代际变化规律 3 分析全球夏 冬季加热场的年际 年代际变化规律 6 2 1 资料 第二章资料和方法 本文使用的资料主要来源是南京大气资料中心提供的n c e p n c a r 再分析逐日资料 包 括风场 温度场 湿度场资料 月平均风场资料 时间跨度为1 9 4 8 年1 月一2 0 0 2 年1 2 月 全球格点数为1 4 4 x 7 3 个 格距为2 5 经度 x 2 5 纬度 2 2 研究方法 本文采用的方法主要是线性相关分析 m o r l e t 小波分析 滑动平均 m a n n k e n d a l l 气候突变检测方法 e o f 方法 下面分别介绍 2 2 1 线性相关分析 1 用来描述两个时间序列之间相互关系的方法 主要用相关系数r 来表示 绝对值r 越 大 表示两者之间关系越密切 一般用t 检验来判断其相关的可信程度 假设两个时闻序 列x y 其样本长度为n 其中必须有一个一维时间序列 设为x 那么 相关系数表达 式为 瓴 x y 9 r2 摆 矿玎 z u 则表明序列存在明显的趋势变化 按时间序列x 逆序z x 1 孔 再重复上述过程 同时使u b 呱 k l 一1 1 呱 0 这一方法的优点在于不仅计算简便 而且可以明确突变开始的时间 并指出突变区域a 2 2 5e o f 方法 气候统计特征中应用最为普遍的办法是把原变量场分解为正交函数的线性组合 构成 为数很少的不相关典型模态 代替原始变量场 每个典型模态都含有尽量多的原始场的信 息 其中经验正交函数 e o f 分解技术就是这样一种方法 e o f 分解就是将三维的气候变 理量场分解成相互正交的空间典型场和与之相对应的时间序列两部分 将最主要的空间分 布结构有效地分离出来 将某气候变量场以矩阵表示 m 是空间点 n 是时间点 j x 1 1 x 1 2 x h x 2 1x x 2 h x m l x m 2 x 日m 将上矩阵分解成空间函数y 和时间函数z 两部分 z v z 其中v z 分别称为空间函数矩阵和时间函数矩阵 矿的每一列表是一个空间典型场 只 与空间有关 根据正交性 空间典型场和时间权重系数应满足以下条件 v 7 v 阿7 z z t a 2 3 热源和水汽汇的计算 大气中的热源q 和水汽汇如可由大尺度的观测量通过下面两式的方程求得 h e 等 q 1 以l 陋o t 小v 口 蚓o p j l 旦p j t 1 q l 渺a q 哪国朝 其中曰为位温 q 为比湿 v 为水平风矢量 为p 坐标系中的垂直速度 k 月 c r 和c 分别是气体常数和干空气的等压比热 l 为水气凝结潜热 p 1 0 0 0 h p a 1 2 式中的功通过连续方程积分得到 三面 嘉 品 c s 詈 c 下边界条件为 f o h u o h1 2 吼2 卯t 磊南丽 言面j p 邓s 假定在l o o h p a 和1 5 0 h p a 层之间是绝热的 引入上边界条件 4 一 詈彤v 口腭 其中 和d 为风的纬向和经向分量 丑为经度 为纬度 p 为空气密度 h 为地形高 度 对 1 式从p 到p 垂直积分得到 其中 q 1 l p 4 s g 工c p e 当 场 6 7 8 繇为辐射加热率 三为水汽凝结潜热 p s 和e 分别为降水量 地面感热通量和蒸发 从以上的方程 可以看到垂直积分的热源 q 1 由三项组成 辐射加热或冷却 凝结 潜热加热和地表感热输送 垂直积分的水汽汇 q 2 包括两项 降水产生的凝结潜热以 及地表蒸发潜热 用1 9 4 8 2 0 0 2 年的逐日资料 根据 1 2 式计算的四个季节的气候平均的大气热源 q 和水汽汇 q 2 分布 q 1 0 为热源 q 1 0 为冷源a 幺 o 为永汽 汇 q 2 0 为水汽源a 为了检查计算的 q 1 和 q 2 的合理性 将其与其他作者计算的夏季值进行比较 结果表明 q 1 和水汽汇 q 2 与y a n a i 陈隆勋 李维亮 3 张艳焕等 人所得 到的 9 1 和 q 2 空间分布对应较好 热源 q 1 的数值大小与l u o h e 等人 8 1 的计算结果比较接近 因此 这里所计算的 q 1 和 q 2 是可以用于气候研究的 2 4 不同时间尺度变化的分离 为了研究年际尺度的变化关系 参照文献 1 的方法 以本文计算的 q 1 和原始资料 减去1 1 年滑动平均滤波后的时间序列作为年际尺度的变化场 并且都以1 1 年滑动平均后 的时间序列长度作为年际尺度时间长度 即本文中涉及到的年际尺度时间序列长度从1 9 5 3 年开始 1 9 9 7 年结束 第三章全球大气热量源汇和水汽源汇季节变化的气候特征 图3 卜3 8 分别为利用n c e p a r 再分析逐日风场 温度场 湿度场资料计算的全球 1 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年平均的春季 3 5 月 夏季 6 8 月 秋季 9 1 1 月 冬季 1 2 2 月 四个季节整层积分的大气总热量及水汽潜热源汇分布 单位为 w m 2 下面我们分别 进行分析 3 1 春季大气热量源汇和水汽潜热源汇水平分布的气候特征 由图3 1 可知 全球春季主要存在四个范围较大 强度较强的大气热源区 个位于 赤道西太平洋的大部分区域 即处于赤道辐合带中 最大中心强度为1 8 4w m 2 位于太平 洋上马绍儿群岛与斐济群岛之间 一个位于中南半岛著向西南延伸直到马达加斯加附近 最大中心强度为1 3 9t v m 2 另一个熟源区域从南美洲圭亚那高原向东南延伸至巴西高原一 带 最大中心强度为1 7 3w m 2 非洲的刚果盆地也是一个较强的大气热源区 最大中心强 度为1 4 0w m 3 此外在日本群岛以东也是一块热源区 同时还存在三个范屡较大 强度较 强的冷源区 分别位于太平洋上大部分区域 大西洋和南回归线以南大部分区域 另外阿 拉伯半岛 撒哈拉沙漠 南非高原一带也是冷源区 位于西太平洋1 5 0n 3 0 n 之间 印度 半岛 阿拉伯海及中东地区的冷源区 与副热带高压位置相一致 由图上可以明显看出春 季大洋上基本都是冷源区 但不全为冷源区 大陆上基本都是热源区 但也不全为热源区 水汽潜热源汇的水平分布状况可由图3 2 中看到 主要水汽潜热汇区大致位于非洲赤 道区域 中国的华南地区 太平洋一带及南美洲的北部 对比总的大气热源及水汽潜热源 汇的分布可见 主要水汽潜热汇区域与上述热源区的位置基本一致 但强度有所差异 大 陆上较大热源值与较小水汽汇值的对比暗示了地表感热加热是这些陆地热源的主要组成方 面 热源和水汽汇在热带地区的分布明显沿赤道对称 与其它季节相比 热带地区的加热 作用和对流在春季是最弱的 由以上的分析可知 春季 全球存在四个主要的大气热源区域 主要水汽潜热汇区与 上述热源区位置基本一致 但强度有所差异 t 3 图3 21 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年平均的春季 3 5 月 大气总水汽潜热源 汇的水平分布图 单位 w m 2 3 2 夏季大气热量源汇和水汽潜热源汇水平分布的气候特征 从图3 3 可以看到 夏季全球有四个主要的热源区 一个从青藏高原南部到孟加拉湾 一带 中心位于盂加拉湾东北部 最大中心强度为3 5 8w m 2 相对而言 青藏高原夏季的 大气熟源并不是很强 仅在其东南部出现范围较小的熟源中心 其中心强度为i 5 9w 2 另一个位于热带西太平洋菲律宾群岛附近 中心强度为2 0 6w m 2 而这里也就是著名的东 亚季风区 上述两个强热源中心均在3 0 n 以南 也就是在南亚季风槽和赤道辐合带地 区 还有一个热源区位于墨西哥湾向东南延伸至南美洲西北部地区 中心位于加勒比海西 南部 最大中心强度为3 0 7w m 2 此外非洲刚果盆地以北也是一个热源区 中心位于尼罗 河上游盆地 最大中心强度为1 9 9w m 2 这里是与非洲季风相联系的 此时日本群岛以东 的海洋也由热源区变成冷源区 冷源位于南半球副热带大部分地区 主要冷源区位于中东 太平洋大部分地区 大西洋 南美洲大部分地区以及南回归线以南大部分地区 马达加斯 加岛以北也有一个冷源区 由图上可以看出大陆不全为熟源区 海洋也不全为冷源区 我 们计算的热源最强中心强度比叶笃正 黄荣辉 的结果 2 8 4w m 2 偏大 但热源的水平 分布结构与之相似 与赵声蓉 宋正山 等的计算结果比较一致 夏季水汽潜热源汇的水平分布状况由图3 4 中可以看到 主要水汽潜热汇区从印度半 岛到孟加拉湾向东至中国江淮流域及南海 西太平洋一带 最强中心位于孟加拉湾东北部 中心值为3 3 1w m 2 而这里剐好是夏季最强的大气热源中心位置 另一个较强的水汽 汇区从墨西哥湾向南延伸经东太平洋区域直到圣地亚哥 成南北带状分布 中心位于巴拿 马附近 最大中心强度为2 2 8w m 2 非洲刚果盆地以北的水汽潜热汇区 范围和强度均没 有上述区域大 中心强度仅为1 4 0w m 2 另外日本群岛以东也是一承汽汇区 1 4 整体上看 夏季j e 半球气温明显高于南半球 南北半球的热力差异对季风环流的形成 有重要作用 对比总的大气热源及水汽潜热源汇的分布可见 低纬度地区的各主要热源与 水汽潜热汇的中心位置与强度相近 说明这些热源主要是凝结潜热释放形成的 与这些地 区强大的对流活动相对应 丽另外一个比较重要的加热因子是太阳短波辐射加热 比较图3 i 与3 3 可见 在自春到夏的季节转换中 热源的强度和范围均变大 而且 位置向北向西伸展 春季大范围热源区域的北界在2 0 0n 附近 在夏季已经到达5 0 n 以北 塌大强度中心值也由1 8 4w m 2 增大到3 5 8w m 2 变化最明显的是南美洲附近的大气热源 它不但向西北移动 而且原先位于南美洲赤道附近的热源区此时也已转变为冷源区 图3 31 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年平均的夏季 6 8 月 大气总热量源汇的 水平分布图 单位 w m 2 圈3 41 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年平均的夏季 6 8 月 大气总水汽潜热源 汇的水平分布图 单位 w m 2 以上分析表明 夏季全球有四个主要的大气热源中心 分别位于中非 1 9 9w m 2 盂 加拉湾附近 3 5 8w m 2 热带西太平洋菲律宾群岛附近 2 0 6w m 2 及加勒比海鹾南部 3 0 7 w m 2 相对于上述的热源中心而言 青藏高原夏季的大气热源并不是很强 仅在其东南部 出现范围较小的热源中心 1 5 9w m 2 水汽潜热汇的最强中心 3 3 1w m 2 位于盂加拉湾 的东北部 与大气热源最强中心位置和强度都相当一致 在低纬度海洋上 各主要热源同 水汽潜热汇的位置与强度相近 说明这些热源主要是凝结潜热释放形成的 与这些地区强 大的对流活动有关 3 3 秋季大气热量源汇和水汽潜热源汇水平分布的气候特征 秋季 图3 5 为从夏到冬的过渡季节 此时大气热源已开始南退 热源北部边界在2 5 n 附近 位于亚洲及其附近熟源区的范围和强度与夏季比均变小 但仍比春季大 此时 大 气热源最强中心己南退至海洋上 位子马绍儿群岛附近 位于南美洲加勒比海南部热源区 的强度也变小 范围变窄且向西南延伸 成带状分布 最大强度中心位于巴拿马附近 中 心强度为2 7 4w 一 日本群岛以东的海洋由夏季的冷源区变成热源区 青藏高原以北地区 开始出现冷源区 青藏高原以东的中国大陆也由热源区变成冷源区 印度半岛以西的阿拉 伯海及中东地区仍为冷源区 南回归线以南的冷源区的范围也明显减小 与夏季相比 秋季水汽潜热汇 图3 6 区范围和强度均变小 但仍比春季大 最强 的水汽潜热汇区位于南美洲加勒比海南部 中心在巴拿马附近 中心强度为2 1 9w m 2 另 一个较强的水汽汇区位于北印度洋向东至西太平洋一带 中心在孟加拉湾附近 中心强度 为1 4 9w 酽 此外还有两个水汽汇区分别位于北太平洋上和东非高原附近 比较3 5 和3 6 这两张图 可以看出强热源区和强水汽汇区的位置对应的相当不错 范围也相当 图3 51 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年平均的秋季 9 1 1 月 大气总热量源汇 的水平分布图 单位 w m 2 图3 61 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年平均的秋季 9 1 1 月 大气总水汽潜热 源汇的水平分布圈 单位 w m 2 3 4 冬季大气热量源汇和水汽潜热源汇水平分布的气候特征 冬季的分布可由图3 7 中看出 此时主要热潺中心基本位于海洋上 位子亚洲季风区 的大气热源继续南退 退至1 0 n 以南的海洋上 位子海洋大陆至印度洋一带 在2 0 s 一1 0 n 之间形成东西向带状分布 强度与秋季相比稍有减弱 但范围和强度均没有春季大 冬 季 较强的热源区位于澳大利亚西北至南太平洋一带 最大中心强度为1 9 3w m 2 位于斐 济群岛和图瓦卢群岛之间 次强中心的强度为1 7 1w m 2 位于马绍儿群岛南部 夏季位于 非洲的熟源在冬季南移越过赤道 强度有所减小 而位于印度洋上的热源区西伸且范围扩 大 位于南美洲的热源区继续向东南延伸 最大中心强度为2 3 7w m 2 位于巴西高原北部 位于日本以东海洋上的热源也变强 范围增大 而这个地方亦正好是黑潮暖流区 冷源区 的范围开始变太 东亚一西太平洋地区出现较强的冷源中 这里正是东亚大槽活动的地区 东亚地区大气得到热量对 东亚大槽多偏强 反之 东亚地区大气失去热量时 东亚大槽 多偏弱 青藏高原上是冷源 并向东延伸 经中国大陆至西太平洋形成一条东西向的冷 1 6 源带 强度比秋季明显变强 位于东太平洋上的冷源范围变小 强度也有所减弱 冬季 图3 8 最大的水汽汇区仍位于南美洲加勒比海南部 中心位于巴拿马偏南 其余水汽汇区位置均与秋季相当 大洋洲新几内亚岛以西的区域由秋季的水汽汇区变为水 汽源区 低纬度海洋上的水汽潜热源汇与秋季相比位置和范围变化不大 仍与赤道辐合带 相一致 但强度有所减弱 与春季相比变化也不是很明显 综合四季分布 印度到孟加拉 湾一带的极大值区夏强冬弱 而这里也正是夏季风雨带的位置所在 水汽汇的季节变化中 夏季陆地上清楚 冬季海洋上明显 冬季的主要热源中心位于北太平洋 北大西洋风暴轴和南非 南美 及南印度洋辐合 带 而主要水汽汇中心位于北半球大陆 副热带太平洋及大西洋的东部 热带的热源伴有 类似大小的水汽汇值 这意味着凝结潜热的释放是热源的主要组成 沿北太平洋风暴轴轨 迹上游的热源伴随有负的水汽汇值 下游为正的水汽汇值 这暗示了热源从暖海表面感热 向潜热转化的变化特征 热带地区热源和水汽汇较大正值的分布暗示了热源是与深积云对 流相联系的 图3 71 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年平均的冬季 1 2 2 月 大气总热量源汇 的水平分布图 单位 w m 2 图3 81 9 4 8 2 0 0 2 年5 5 年平均的冬季 1 2 2 月 大气总水汽潜热 源汇的水平分布图 单位 w m 2 以上分析表明 全球热源季节变化显著区主要限于季风活跃区及其附近区域 热源季 节变化较强的地区基本位于亚洲 非洲和南美洲地区 亚洲热源中心夏季 冬季 热源中 心是向北 南 离赤道最远的位置 夏季强度较大 非洲与南美洲热源季节强度变化不显 著 熟源中心在赤道附近移动 冬季到次年春季至夏季一直北穆 夏季经秋季转到冬季 直南移 热源在南北半球呈不对称分布 北半球 夏半球 的加热强于南半球 冬半球 这从一个侧面说明了非绝热加热的季节变化特征 在大气热源的季节变化中 春季属于冬到蔑的过渡时期 由于太阳季节性位移 海陆 1 7 热力对比发生变化 因此冷热源强度都趋子减弱 加热梯度显著变小 热源中心基本移向 海上 全球大气热源在夏季范围最大 强度最强 从秋季开始