（气象学专业论文）太平洋ssta与冬季北半球大气环流异常关系的初步分析.pdf

摘要 太平洋海温异常对北半球大气环流异常有重要影响，而e n s o 循环是太平 洋海气耦合系统中典型的异常演变过程，不仅描述了热带地区大气和海洋异常 现象，而且与中高纬度豹气候异常变化相联系。观测分析和数值模拟结果表明 中纬度与热带地区的海气相互作用存在差异，但深入讨论不同关键海区的持续 性s s t a 对大气环流影响的工作还不充分。利用1 9 5 l ，i 1 9 9 9 1 2 问n o a a 海洋 和大气环流资料集，分析太平洋s s t a 与北半球冬季大气环流异常的关系。并 着重研究海温异常影响下大气环流的变化特征。 中纬度蘧风漂流区以及热带中东太平洋s s t a 与北半球大气环流存在显著 的相关，是太平洋最主要的两个关键区。时频分析表明，这两个海区区域平均 的s s t a 时阃序列存在显著的2 4 年年际振荡以及准年代际变化。自相关分析 表明西风漂流区与热带中东太平洋s s t a 在冬季的持续性较好。太平洋s s t a 与大气5 0 0h p a 高度场异常的s v d 分析表明，太平洋海温状况与p n a 以及w p 遥相关型存在密切的相关，而8 5 0h p a 风场与太平洋s s t a 的s v d 分析进一步 反映了海温异常与大气遥相关问的联系， 建立两种不同的合成模型分析太平洋s s t a 与大气环流演变特征。合成位 相反映了太平洋s s t a 演变特征，以及相对应的大气环流异常特征：当西风漂 流区处于暖态而热带中东太平洋海温偏低时，合成大气模型当中阿留申低压减 弱5 0 0h p ap n a 指数为负异常；当西风漂流区处于冷态，热带中东太平洋处 于暖态( e ln i n o 峰值一成热期s s t a 典型分布) ，合成大气模型中阿留申低压 加强，5 0 0h p ap n a 指数为正异常。 为确立两个关键海区持续性s s t a 对大气环流中的作用，进行数值试验分 析并分析其物理机制。i a pa g c m 冬季条件下的敏感性试验表明，大气环流对 中纬度西风漂流区与热带中东太平洋持续性s s t a 均有显著的响应。西风漂流 区持续负s s t a 时或者热带中东太平洋持续正s s t a 对，阿留申低压均有所加 强，正p n a 指数型的大气环流特征显著。而当相反符号的s s l a 持续作用时， 大气中阿留申低压减弱，对应p n a 指数为负。数值试验结果与统计分析基本一 致，并初步解释了其物理机制。 关键词：太平洋，s s t a 大气环流，数值试验 a b s c r a c t n 把r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e as u r f a c et e m p e r a t u r ea n o m a l yi n p a c i f i ca n dt h e c i r c u l a t i o no fn o r t h e r nh e m i s p h e r ei st h ef o c u so fa i r - s e ai n t e m c t i o nr e s e a r c hj d r e c e n ty e a r s t h es s t ai np a c i f i cc o n t r i b u t e st or e m o t er e s p o n s ei nm i d l a t i t u d e a t m o s p h e r e a n di sc o n n e c t e d w i t hc l i m a t ec h a n g e si ng l c h a t t h ec y c l i n go fe n s o i st y p i c a l 口h e n o m e n ao f l a r g es c a l ei np a c i f i ca i r - s e ai n t e r a c t i o ns y s t e m r e s u l t so fr e c e n to b s e r v a t i o na n dn u m e r i c a le x p e r i m e n t ss h o wt h a tp r o m i n e n t d i f f e r e n c ee x i s t sb e t w e e na i r - s e ai n t e r a c t i o ni nt r o p i c a la n di nm i d - i 撕【t i d e a n dw o r k i sn o te n o u g hr e i a t e dt ot h ei m p a c to f p e r s i s t e n ts s t ao nt h ec i r c u l a t i o nc o n s i d e r i n g d i f f e r e n td i s t r i c ti np a c i f i c b yu s eo fn o a as s ta n da t m o s p h e r ec i r c u l a t i o n d a t a s e t s t h er e l a t i o nb e t w e e ns s t ai np a c i f i ca n da n o m a l yi nc i r c u l a t i o ni ss t u d i e d v a i l o u ss t a t i s t i c a ir e s e a r c hr e v e a l st h a tt h e r ei ss i g n i f i c a n tc o n - e l a t i o nb e t w e e n n o r t hh e m i s p h e r ec i r c u l a t i o na n ds s t ai nw e s tw i n dd r i f tr e g i o n 勰w e l la si n t r o p i c a le a s t e r np a c i t i c , w h i c ha f et h et w ok e yr e g i o n si np a c i f i c t h ef r e q u e n c y a n a l y s i so fa r e a a v e r a g e ds s t a t i m es e r i e si nk e yr e 昏o n si n d i c a t e st h a tt h ep o w e r s p e c t r u mp e a k si s c e n t e r e da t2 4 y r 觚n u a lo s c i l l a t i o n a n dt h g f f ei sa l s 0 l o n g t e m p o r a is c a l eo s c i l l a t i o ns u c ha sq u a s id e c a d a lo s c i l l a t i o nr e v e a l e db yw a v e l e t a n a l y s i s s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n ( s v d )a n a l y s i s s h e w s s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o ne x i s t sb e t w e e np a c i f i cs s t ap a t t e r ns i m i l a rt op e a k - m a t u r ep h a s eo fe l n i n oe v e n ta n dr e m o t er e s p o n s ep a t t e r no fp n aa n dw pi n5 0 0h p a g e o p o t e n t i a i h c i 曲t ，w h i c hi sf u r t h e rc o n f i r m e db ys v da n a l y s i sb e t w e e ns s t aa n d8 5 0h p a w i n df i e l d s o nb a s eo fr e s u l t sa b o v e c o m p o s i t em o d e lo fs s t ai np a c i f i ca n dc i r c u l a t i o n a n o m a l y 砸c o n s t r u c t e df o ra n a l y s i st h e i re v o l u t i o n d u r i n gm a t u r ep h a s eo f e in i n o u s u a l l yi nw i n t e r , p o s i t i v es s t ad o m i n a t e si nt r o p i c a le a s t e r no c e a na n dn e g a t i v e s s t ad o m i n a t e si nw e s tw i t l dd r i f ld i s 耐c ti nm i d l a t i t u d eo c e a r l ，c o r r e s p o n d i n 舀y t h ep n ai n d e xo f5 0 0h p a g e o p o t e n t i a lh e i g h ti sp o s i t i v ew h i c h m e a n st h ea l e u t i a n l o w g e t ss t r o n g ，a n dt h es i t u a t i o ni ss o m e w h a ti n v e r s e l yd u r i n gl a n i n ap h a s eo f s s t a n u m e r i e a le x p e r i m e n t s 对es e tu nf o ra n a l y s i si m p a c to fs s 曩ai nt w ok e y r e g i o n so na t l q l o s p h c t ec i r c u l a t i o n 。 u r i d e rp e r p e t u a lw i n t e rc o n d i t i o ni a pr 15 l 9a g c mi ss e tu pf o rs e n s i t i v e e x p e r i m e n t so f p a c i f i cs s t aw i t h o u ts e a s o n a lv a r i a b i l i t y t h ec i r c u l a t i o no f p o s i t i v e p n ai n d e x p a t t e r ni sp r o m i l 豫哇i nt h ec a 鼹o f p e r s i s t e n tf o r c i n go f n e g a t i v es s r r ai n w e s tw i n dd r i f tr e g i o no rp o s i t i v es s t ai nt r o p i c a le a s t e r np a c i f i c w h i c hi st h e t y p i c a ls s t a p a t t e r nd u r i n ge ln i n o p e a k - m a t u r ep h a s e a n dt h er e s u l t si ss o m e w h a t i n v e r s e l yf o r e e db y s s t a o f o p p o s i t es i g ni nd i s t r i b u t i o n k e yw o r d s ：p a c i f i c , s s t a ，c i r c u l a t i o n ，n u m e r i c a le x p e r i m e n t s 第一章引言 1 1热带地区海气相互作用 海气相互作用一直是近年来研究的热点，现有研究集中在对热带海气耦合 系统尤其是e n s o 现象的演变机制t 。e n s o 循环是海气耦合系统中典型大尺 度环流异常演变过程t ，其时间尺度从2 一l o 年，空间尺度上可影响到全球范 围。e n s o 循环不仅是热带地区和海洋异常的年际变化的现象，并且与中纬度 气候异常变化相关联。 r a s m u s s o na n dc a r p e n d e 一2 j 根据1 9 4 9 1 9 7 4 年之间6 次主要的e ln i n o 事件 进行合成分析，提出了e ln i n o 演变过程的图像。分析表明e ln i n o 事件的发展 与季节循环存在明显的依赖关系，即所谓对季节循环的“锁相”( 1 0 c k e d p h a s e ) 特征：e ln i n o - 事件一般开始于北半球春季，海温正距平( s e a s u r f a c e t e m p e r a t u r e a n o m a l y ，s s t a ) 在秘鲁沿岸一赤道东太平洋形成；到了晚夏和初秋e ln i n o 事 件的发展期间，暖水从赤道东太平洋扩展到赤道中太平洋：至晚秋和冬季，赤 道中东太平洋的海温距平达到最大值，称为e ln i n o 事件发展的成熟期，此后 热带中东太平洋的j 下s s t a 信号开始减弱，e ln i n o 事件进入衰落期。 e n s o 期问热带太平洋对大气的异常加热影响到全球范围。b j e r k n e s 叫分析 了热带和温带大气环流变化之删的关系，认为e n s o 冬季期间观测到的阿留申 低压的加深是h a d l e y 环流加强的结果，这是由于h a d l e y 的加强增加了高层角 动量向北输送，引起了较强的西风和增大的经向气压梯度。b j e r k n e s 描述的三 个北太平洋一北美环流距平区与太平洋一北美遥相关型( p n a ) 有关。在e n s o 年冬季，这些距平中心和赤道附近的反气旋距平中心形成一支明显的波列， h o r e la n dw a l l a c e 4 1 0 , 为这一遥相关型可能反映了自赤道附近的异常强迫区向 商纬传播的沿大圆路径的r o s s b y 波列。 1 2 热带外地区s s t a 与大气环流相互作用的研究 热带地区s s t a 与大气环流存在显著的相互作用，热带外中纬度s s t a 在 全球海气相互作用中也有相当重要的地位。在中、长期预报中，往往将中纬度 和热带地区的大陆和海表特征的某些统计指标视为大气变化的重要预报因子。 中纬度s s t a 与大气之间的相互作用是大气科学中长期争论的问题，研究 难点主要集中在：一，难以区分中低纬度海洋对大气变化的贡献，需要从物理 规律出发，设计更好的数学方法，评价中纬度海洋对大气变化的影响。二，中 纬度大气对热源的响应与热带大气不同，很难像热带地区一样达到对流层顶。 三，对应观测中的大气环流异常特征，通常从两方面解释原因：w e b s t e r t ”， h o s k i n g s a n dk a r o l y l 6 ) 首先从海温强迫、地形强迫等大气外强追进彳亍模拟研究： 而c h a r n c y 7 1 将大气持续异常同系统内部动力过程导致的非线性多平衡态相联 系。事实上两方面的研究工作都是不充分的。 d a v i s l 3 j 旰究表明，北太平洋s s t a 第l 经验正交函数主分量( e o f ) 以3 5 。n 为轴心有一个横跨太平洋的纬向中心，在阿拉斯加有个与之反号的中心，这 种模态经常发生在e jn i n o 期间。p o l er m 9 1 研究表明北太平洋冬季s s t a 的持 续异常具备从北太平洋中部传播到阿拉斯加湾南部的时空变化特征。 n a m i d “1 2 l 对北太平洋中部s s t a 与大气环流异常的关系进行了分析。北 太平洋中部存在s s t a 方差极大值区，其中心最大值与e ln i n o 区域的均方差 最大值基本相当。n a m i a s 认为7 0 0 h p a 高度场对s s t a 的响应，导致北美西岸 脊发展，东岸槽加深，解释了1 9 7 6 7 7 冬季美国东部的严寒。 尽管个例研究表明在北太平洋s s t a 影响了大尺度大气环流，但中纬度 s s t a 对气嫉是否有显著影响仍然有争论。b a r n e t t 和h a r n a c k t ”i 的经验预测研究 表明。同热带s s t a 相比，中纬s s t a 预测技巧很弱。f r a n k i g n o u l 1 4 - 1 5 利用基于 多变量显著性检验的统计分析方法，发现北太平洋中纬度的s s t a 存在对北半 球大气环流有较弱的影响，但这种影响效果超过了显著性水平检验。 大量的观测分析和理论研究证明中纬度大气的变化既有中纬度海洋的作 用，也有热带海洋的作用。w a l l a c e 遥相关理论、h o s k i n g s a n dk a r o l y 关于r o s s h y 在球面上频散的理论都表明了强迫作用对中纬度大气的变化是重要的。 c l a r ed c s c ta n db l a c k m o n 叼利用e o f 分析，研究了s s t 与表面风场的关 系、热带和北太平洋s s t a 之间的联系以及一个s s t a 指数与冬季位势高度异 常之间的联系。 朱乾根指出北太平洋s s t a 对东亚季风有一定的影响，特别是对我国东 部夏季风降水有明显的作用。太平洋中纬度海温异常首先对同期8 5 0 h p a 斜压波 列施加影响，从而对中国东部夏季降水产生影响。 林学椿i l 副的研究表明，北太平洋异常海温区的海气相互作用是很强的。暖 水区上空附近出现高度场的正距平区。冷水区出现高度的负距平区。当北太平 洋为冷水时，东疆太蹄将建立一一个弱的平均脊区。海水分布的北冷南暖型使太 平洋、北美地区环流指数减少，经向环流加大，南冷4 b 暖型使这两个地区环流 指数增加，纬向环流发展。这种影响对太平洋地区几乎是和海温型的形成是同 步的，并以每月1 5 个经度向东传插。 若干研究表明f 1 9 。】，北太平洋海区海温异常的持续性敏感区与我国夏季降 水关系密切。海温异常分布型可通过夏季热带对流活动以及中高纬环流异常， 与华北夏季降水异常产尘联系。 近年太平洋地区s s t a 的年代际变化1 2 l j ( p a c i f i cd e e a d a lv a r i a b i l i t y 。p d v ) 成为研究的热点。将基于e o f 主分量与e n s o 变化相致的部分，视为年际气 候变化的代表，而其余则认为是年代际时间尺度的变化，并认为与e n s o 模有 类似之处，称为类e n s o 模，也称为北太平洋年代际振荡。李崇银研究了关 于北太平洋海温的年际以及年代际变化与犬气环流、气候的异常之脚的联系， 表明北太平洋s s t 的年代际变化包括2 5 3 5 年以及7 - 1 0 年两个基本模。 1 3 海气系统的数值模拟研究 大气环流模式( g e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l ，g c m ) 是理解大气对s s t a 响应 的有效方法，使用g c m 模拟s s t a 强迫下的大气响应己成为海气系统动力学 研究的重要手段【2 孔。利用模式模拟数据，能够提供可咀和真实大气相比较的模 式大气特征，模拟结果经过分析诊断后能够了解模式大气的对异常s s t a 响应， 以及它与真实大气的关系。 海气问的能量交换由风、温度、湿度以及s s t 控制，大空间尺度范围的s s t a 与大气异常之间存在紧密的相关。滞后相关分析、s s t a 随机模型的发展以及耦 合海气模式的模拟表明在热带外地区是大气驱动海洋，但s s t a 对大气也有反 馈作用，中纬度s s t 相对季节平均的偏差强烈依赖于海气相互作用。一些统计 研究和数值模式结果表明在特定季节中纬度s s t a 影响了大气环流的发展。然 而在早期g c m 中的模拟表明，只有s s t a 振幅放大的数值试验，才能在模式 大气异常试验的数据统计上出现显著的遥相关响应，这种现象的原因可能是是 由于试验个例中信噪比太小，或可能与g c m 性能有关。但在大多数情况下， 模式大气对中纬度s s t a 的响应是可辨别出来的。 b l a c l o n o n l 2 4 使用n c a rc o m m u n i t yc l i m a t em o d e 研究了1 月份大气对太 平洋海温异常的响应。在控制试验中模式使用的气候海温场，暖个例试验中由 气候海温场叠加给定的s s t a 场；冷个例试验中，模式海温场为气候平均场减 去暖个例给定的s s t a 场。模式大气5 0 0h p a 异常在北太平洋和北美地区的异常 中心分布和p n a 遥相关型类似，西欧上空出现负异常中心，西伯利亚地区出现 正异常中心。模式结果表明北半球冬季大气p n a 型的距平场是赤道中太平洋潜 热异常直接强迫的结果。 c h e v i n l 2 5 1 利用n c a rg c m 研究了模式气候对s s t a 的敏感性，验证了g c m 对s s t a 响应在物理上的合理性，并以观测数据的统计分析证明。g c m 响应包 括长波振幅的变化、垂直倾斜结构的变化以及暖水区增强的直接热力环流；对 流层中层的响应延伸到s s t a 区下游。模式大气响应的气候特征是显著的：在 萨s s t a 附近，相对的直接热力环流增强，低层对流层气压降低，对流层上层 气压上升，垂直运动增强。模式大气响应对s s t a 的空间位置，以及该区域模 式大气的气候特征较敏感。中纬度人气异常响应引发了下游波状变化，但副热 带大气异常响应局限于s s t a 区域附近。在研究中证明了g c m 对北太平洋海 域s s t a 强迫响应的一些关键机制，但在模式中使用了不合理的大的s s t a 。 s h u k l a l 2 6 1 的数值研究表明，北半球冬季大气对中纬度s s t a 的响应很弱， 但与赤道s s t a 有较强的遥相关，但一些试验表明p n a 流型也可由北太平洋中 纬度的异常海温激发。某些数值模式巾的2 0 0 h p a 高度场对r a s m u s s o n 合成模型 的s s t a 的响应给出了清晰的p n a 流型，但另外一些试验给出了不清晰的结果， 例如正海温距平和负海温距平所产生的北半球7 0 0 h p a 高度距平场的分布是基 本致的，与p n a 型流场相似。这些问题说明对中纬度海气相互作用的物理机 制还不清晰。 p a l m e ra n ds u n 27 】从观测分析、理论研究和数值模拟三方面分析了北大西洋 纽芬兰湾s s t a 对大气环流的作用，证明了中纬度海洋对大气的强迫作用。研 究表明在中纬度大西洋存在s s t a 持续作用时，大西洋中部有正的位势高度异 常，欧洲有负的位势高度异常。模式结果表明g c m 对中纬度s s t a 的异常响 应弱于对热带地区s s l _ a 的响应，并从物理机制上解释了中纬度海气相互作用 的正反馈过程。 a l e x a n d e r 2 s j 利用c c m 与一个北太平洋海洋模式的耦合研究了e ln i n o l a n i n a 期阳j 北太平洋区域的海气相互作用，指出北太平洋s s l a 对大气的作用可 解释北半球大气异常的1 ，3 。n i 【29 】利用类似的模式模拟了北半球冬季大气对赤 道中东太平洋海温距平的响应。在北半球也同样模拟了类似p n a 、w a 和e u p 型的位势高度异常分布。 y k u s h n i ra n d l a u n c 3 0 t 利用一个g c m 研究了大气对托太平洋s s t a 不同 空问分布特征时的响应。数值试验表明，大气对s s t a 强迫最显著的响应特征 是高度异常的相当正压结构。当北太平洋s s t a 以4 0 0 n 为中心呈双极“+ 一” 型分布时，在s s t a 中心附近存在低压异常，异常低压中心向东伸展。同时对 流层低层的气温的异常响应表明北太平洋上大气斜压性较弱。 l a ua n dn a t h o q 应用一个g f d l 的1 5 波菱形截断的9 层模式进行了若干 s s t a 敏感性试验。热带试验表明，暖异常试验合成代表的5 0 0h p a 高度异常场， 阿留申地区为负异常，加拿大地区j 下异常，北美高纬度东岸存在负异常，响应 值大概在- 5 0 位势米左右，冷异常试验合成的形势大致与此相反。中纬度试验表 明，暖异常试验的5 0 0h p a 高度异常上，中纬度北太平洋有较弱的正异常，加 拿大一北美西岸存在弱的负异常( 1 0 到2 0 位势米) ，北美高纬东岸为正异常， 极区的响应也较强。热带太平洋正s s t a 伴随有异常的表面气旋性环流。在北 太平洋，异常的表面西风以及北太平洋中部北风与负热量通量异常共存，阿拉 斯加湾增强的西南风伴随着正的热量通量。当干冷空气相伴的异常北风越过相 对暖的海洋表面时，将会增强热量和水汽的损失，这样就降低了局地的s s t 。 相反的，当与异常南风相随的暖湿空气入侵将会导致正s s t a 发展。而3 0 一4 0 度之间气候平均西风的加强将会提高从海洋表面的热量通量，这样会降低海表 温度。 z h o ut i a n 1 u n 等p 副研究表明赤道太平洋s s t a 强迫导致了北太平洋大气环 流异常响应，而中纬度大气环流的异常又通过海洋混合层的动力过程强迫局地 s s t a 的发展，大气桥( a t m o s p h e r eb r i d g e ) 1 3 3 1 发挥了关键的物理机制，以此解 释北太平洋西风漂流区与e ln i n o 同时发展的s s t a 的现象。 1 4 海气相互作用的若干物理机制 s i m m o n s ( 3 4 1 根据简单动力学模式研究表明，在冬季北半球大气对热带强迫 的响应可形成类似于p n a 型，具有固定地理位置的正规模态。在这样的背景条 件下，强的降水区及其伴随的对流层高层反气旋的东移或西移都将产生与p n a 型类似的大气响应。 c a y a n 3 5 1 研究了北半球中纬度海洋的潜热和感热通量对s s t a 的驱动作用。 热带太平洋的处于暖位楣时，海洋模式中强的西边界流可能会从热带地区输送 更多的热量到中纬度地区，在亚洲海岸引起微弱的正s s t a 信号，并且中纬度 s s t a 可能由于s s t 气压梯度风速热量通量扰动的正反馈加强。 l a ua n d n a t h i ”l 和j 用一个g f d l 的数值模式研究了热带以及热带外s s t a 在 全球海一气耦合系统中的相对作用。由于洋笳空间尺度决定了其内在变化具有 长期的时间尺度，因而不可能将当前时段异地海洋s s t 变化完全归因于海洋内 部过程。分析表明北太平洋s s t 场首要是由当地的大气环流驱动，是对热带太 平洋s s t 变化的遥响应。 n a m i a sa n db o m 的研究表明中纬度大尺度s s t a 的持续具有季节性特征。 在北大西洋和北太平洋选择的关键区域表明，s s t a 从冬季持续到下一年冬季， s s t a 的持续长达1 年。关键区内s s t a 的持续性表明冬季的影响延长，而夏季 s s t a 并不显著，s s t a 在几个月内很快衰减。c l a r ed e s e r 1 3 7 】对北太平洋中纬度 s s t a 的持续性提出了物理解释，指出上层海洋混合层深度的季节发展可能是关 键因素。研究表明冬季活跃的海气交换导致的温度扰动扩展到冬季混合层的深 部，当晚春混合层变浅时，在夏季混合层高度层分的条件下，冬季s s t a 导致 的热力异常于浅的混合层之下，与海气热交换相绝热，当晚秋以及早冬混合层 有一次加深时，次表层盼热力异常或许会重新进入混合层，这样就在下一个冬 季影响海表温度以及混合层热量平衡。 p v n gs a n djsw h i t a k d ”j 总结了大气对中纬度s s t a 响应的物理机制研究 进展。研究表明对海洋关键区的确定需要更为仔细，包括新的数值模式模拟， 分析冬季之外的其他季节的响应，大气响应的垂直结构，大气响应结构与模式 内部大气变率的比较，大气非线性响应特征的分析以及风暴轴作用的分析等都 需要深入研究。 1 5 进行的研究工作 研究工作探讨太平洋海温异常与j ：半球冬季大气环流异常的关系。并重点 研究太平洋不同关键海区的s s t a 对大气环流的变化的影响。 探讨太平洋地区海温异常基本时空特征，确立与大气环流异常相联系的关 键海区及关键区s s t a 变化特征。 研究北半球大气环流异常的主要信号一遥相关型异常的时空特征。 综合分析海洋一大气系统演变的基本特征，建立s s t a 合成距平模型，研 究同期大气环流的异常的基本特征。 为确立s s t a 在影响大气环流中的作用，进行数值试验分析。应用i a p a g c m ，在控制数值试验的基础上，进行s s t a 强迫试验；分析数值结果，研 究太平洋s s t a 强迫下北半球冬季大气环流异常，确立与观测数据中环流异常 指标的关系。在统计分析和数值试验数据分析的基础上，尝试从物理机制上解 释大气环流对太平洋不同关键海区s s t a 持续作用下的响应机制。 6 第二章太平洋海温异常与北半球大气环流异常 关系的统计分析 2 1 太平洋海温异常基本时空特征分析 2 1 1 资料说明 5 采用资料是n o a a 官方网站( h t t p ：t w , , w c d c 。n o a a g o v ) 提供的1 9 5 l ，l - 1 9 9 9 1 2 期间月平均的海洋一大气资料集：位势高度场、风场、海平面气压场资料以及 海表温度( s s t ) 资料。同期n c a r n c e p 提供的感热、潜热通量资料。 空间分辨率：除海温场为2 0 2 。外，其它资料均为2 5 0 2 5 。 太平洋海温主要研究区域：2 0 0 s 6 0 0 n ，1 2 0 。e 8 0 0 w 。 n o a a 海温资料纬向范围8 8 。s - 8 8 0 n ，经向包括全球范围。n o a a 月平均 全球海温资料从c o a d s ( c o m p r e h e n s i v eo c e a n a t m o s p h e r ed a t as e t ) 原始海温 观测资料处理得来【州，其应用先进统计学方法保证使用较稀疏的观测数据时格 点数据的稳定重建。 f i 9 2 1 冬季海温均方燕 计算表明研究区域内海温在冬季均方差最大的区域位于热带中东太平洋， 均方差最大值在1 8 0 c 左右。在3 0 。- - 4 5 0 n 的西风漂流区，存在弱于于热带中 东太平洋的方差极值中心，中心数值在1 2 。c 左右。 2 1 2 太平洋海温异常旋转e o f 分析 根据1 9 5 1 1 - 1 9 9 9 1 2 之间5 8 8 个月的太平洋s s t 资料，去除季节变化趋势 建立海温距平( s s t a ) 场。经验正交分解( e o f ) 是分析s s t a 时空特征较好 的方法，但e o f 方法对资料取样的要求较高，分离出的空间结构难以表达不同 地理区域的特征，采用旋转经验正交函数( r e o f ) 可以克服以上缺点1 4 0 1 。r e o f 分析的典型空间分布结构清晰，可以较好的反映中纬度和热带太平洋地区s s t a 的区域性时空特征以及相关分布状况。 计算过程中选取e o f 分析的前1 5 个p c ( p r i m a r yc o m p o n e n t ，简称p c ) 进行旋转。旋转后前三个r p c ( r o t a t e dp r i m a r yc o m p o n e n t ，旋转主分量) 的 方差贡献分别为5 0 2 2 ，1 2 4 2 ，8 6 3 。r p c 的空问系数场又称为载荷向量 ( l o a d i n g v e c t o r ) 。 第l 载荷向量( f i 9 2 2 ) 方差贡献占5 0 以上，表明了太平洋海温信号中 最主要的时空特征，此载荷向量主要反映热带东太平洋e ln i n o 信号特征。热 带中东太平洋载荷系数绝对值较大，中纬度西风漂流区载荷系数绝对值相对较 小，其变化的幅度也相应较小。西风漂流区与热带中东太平洋的载荷系数符号 相反，表明两区域s s t a 相反的空间分布特征。第l 载荷向量空间结构与典型 e 1n i n o l an i n a 事件峰值一成熟期s s t a 的分布特征相似，其时间系数也反映 了e ln i n o 事件晟强烈的信号一热带中东太平洋s s t a 时间变化特征，从图中可 清晰分辨在1 9 5 1 年1 9 9 9 年发生的若f 二次e ln i n o l an i n a 事件。 f i 9 2 2 2 4 旋转e o f 分析的前3 个载荷向量及其时问系数 第2 载荷向量( f i 9 2 3 ) 的方差贡献1 2 4 。载荷系数绝对值在热带地区较 小，系数绝对值较大的区域集中在中纬度海区，成东西向偶极子分布。1 5 0 0 w 以西的中纬度西风漂流区( 纬度范围3 5 。4 0 。n ) 均为负系数分布，负值中心位 于1 6 0 。w 左右；正系数区主要分布在1 4 0 0 w 以东的中纬度洋面，f 值中心位于 北美加利福尼亚沿岸附近。该载荷向量主要反映了巾纬度海区的s s t a 时空分 布特征。 第3 载荷向量( f i 9 2 4 ) 的方差贡献为8 3 。载荷系数较大的区域集中在 以4 0 0 n 为中心的东亚急流出口区下的洋面，正值中心位于1 6 0 0 e 附近，其他地 区的空间载荷系数都较小。前三个载荷向量占掘方差贡献的7 0 以上，反映太 平洋s s t a 主要时空分布特征，方差贡献最大的第l 载荷向量主要反映e 1 n i n o l a n i n a 事件中热带中东太平洋s s t a 特征，第2 、3 个载荷向量主要反映 了中纬度海洋西风漂流区的s s t a 特征，方差贡献占2 0 以上。r e o f 的分析 表明，除热带中东太平洋表征e ln i n o 事件的s s t a 信号以外，中纬度西风漂流 区以及黑潮区的s s t a 在太平洋地区s s t a 时空变化中占据相当重要的地位。 2 1 3 太平洋海温异常的持续性分析 t 为研究冬季太平洋s s t a 持续性，使用自相关技术可以比较清楚的辨明 s s t a 持续较好，对大气持续施加影响的区域 f i 9 2 51 月、4 月、7 月和1 0 月s s t a 滞后3 个月的白相荚 滞后时间为k 的自相关系数为： r ( k ) = 对1 9 5 1 年1 9 9 9 年问月均s s t a 场进行滞后时间1 6 个月的自相关分析， 滞后3 个月的自相关系数超过0 ，0 5 信度检验即可认为该区域的s s t a 持续性较 好。春季4 月份s s t a 持续状况( f i 9 2 5 a ) 表明，春季s s t a 变化较快，热带 中太平洋和西风漂流区的自相关系数都较小，这两个区域s s t a 的持续性较差 不具备持续性的特征。夏季7 月份滞后3 个月舶s s t a 自相关( f i 9 2 5 b ) 较好 的区域位于在热带中东太平洋，而西风漂流区s s t a 持续性较差。秋季1 0 月份 热带中东太平洋滞后相关性( f i 9 2 5 c ) 仍然较好，但相关中心较夏季向西漂移： 西风漂流区s s t a 持续性较好。冬季1 月份s s t a 滞后3 个月的自相关系数 ( f i 9 2 5 d ) 超过信度检验的海区位于在中纬度的西风漂流区、热带中东太平洋。 相关中心都在0 s 以上。 在s s t a 滞后3 个月的自相关图上，热带中东太平洋s s t a 信号随季节的 传播特征比较清楚：春季秘鲁沿岸海区丌始增温，夏季s s t a 信号从东太平洋 向西传播，整个热带中东太平洋玎始增温，而在秋冬季节s s t a 振幅的最大值 逐渐漂离秘鲁沿岸，传播到中东太平洋。西风漂流区的s s t a 信号也具备类似 的季节特征，在春、夏季节s s t a 的持续性较差，而在秋、冬季节的持续性较 好。 各个季节s s t a 的自相关分析表明，冬季西风漂流区和热带中东太平洋的 s s t a 具备较好的持续性，对大气变化施加的影响最为重要，并为数值试验s s t a 在时问和空l ；l j 上的设计提供了依据。 2 2 太平洋s s t a 与大气环流的相关关系 2 2 1 逐月p n n w p 指数与海温异常的相关分析 p n a 指数和w p 指数反映北半球大气环流异常的主要特征，并且这种特征 在冬季尤为明显。计算大气遥相关指数与海温场的相关，可表明大气环流异常 与海温异常相关最紧密的区域。p n a 指数定义为i 4 2 l ： p n a = 丢【2 ( 2 0 。n ，1 6 0 。) 一= + ( 4 5 。n , 1 6 5o ) + 2 ( 5 5 。n , 1 1 5 。) 一z + ( 3 0 * n 8 5o w ) 】 其中z 为标准化的5 0 0h p a 位势高度。 对应正p n a 指数值，阿留申地区受5 0 0 h p a 高度负距平控制，阿留申低压 较强；对应负p n a 指数值的大气环流，阿留申低压较弱，p n a 遥相关是相当 正压结构。f i 9 2 6 表明1 9 5 1 1 - 1 9 9 9 1 月平均p n a 指数与北太平洋中部以3 5 0 n 为中心的西风漂流区s s t a 为显著的反相关：另一与s s t a 相关显著的区域在 热带中东太平洋，但表现为j 下相关。大气p n a 型与海温场相关显著的关键海区 是中纬度的西风漂流区班及热带中东太平洋。 f i 9 2 6 1 9 5 1 1 1 9 9 9 1 2 问p n a 指数与s s r a 的相关 w p 指数定义为f 4 2 j ：w p = f z ( 6 0 。n ，1 5 5 。e ) 一z + ( 3 0 0 ，1 5 5 。e ) 】 4 对应正w p 指数，阿留申低压和f 1 本上空的急流较弱：负w p 指数型环流 特征j 下好相反。w p 遥相关也是相当正匿结构。f j 9 2 7 为1 9 5 1 1 1 9 9 9 1 2 问w p 指数与太平洋s s t a 的相关：负相关显著的区域位于闩本东南的黑潮区；币相 关显著的区域主要位于勘察加半岛海域附近以及副热带海区，在热带中东太平 洋w p 指数与s s t a 的相关性并不显著。 f i 9 2 71 9 5 1 1 1 9 9 9 ，1 2 问w p 指数与s s t a 的相关 大气遥相关指数与海温异常的相关表明，与大气p n a w p 型遥相关相关最 显著的区域是北太平洋西风漂流区、热带中东太平洋以及黑潮区。 2 2 2 太平洋海温异常与北半球5 0 0h p a 位势高度异常的奇异值分析 奇异值分析( s v d ) 是研究大尺度海气耦台系统的有力工具，可清晰描绘 两个场之间的高相关区m j 。选取1 9 5 1 1 1 9 9 9 1 2 之间月平均太平洋s s t a 与同 期北半球5 0 0h p a 高度场异常进行s v d 分析。 s v d 第1 对奇异向量解释方差为6 6 9 ，奇异向量时问系数相关0 5 4 。s s t a 异类相关图( f i 9 2 8 a ) 上相关显著的区域分别位于：1 ) 赤道东太平洋，中心的 相关系数在0 8 以上；2 ) 北太平洋以3 5 。n 为中心的西风漂流区，中心相关系数 在- 0 6 以上。另一个相关显著的地区位于以1 0 0n 为轴心的副热带海区 1 4 0 0 e - 1 8 0 。) 。巾纬度西飙漂流区与热带中东太平洋的异性相关系数符号相 o 反。s v d 第1 模态中，北半球5 0 0h p a 高度异常的异性相关系数( f i 9 2 ，8 b ) 表 明热带高海气相关性，中纬度大气有显著的太平洋一北美p n a 遥相关型特征。 第1 对奇异向量表明冬季太平洋s s t a 与北半球p n a 型环流异常可能存在较 好的对应关系。 f i 9 2 8 f i 9 2 9s s t a 与5 0 0 h p a 高度场第1 、2 对奇异向精异性相关 第2 对奇异向量解释方差8 ，8 ，其时间系数相关o 3 8 。s s t a 异类相关 ( f i 譬2 9 a ) 显示了中纬度太平洋海温异常偶极子分布形态，币相关较大的区域 位于以3 0 。n 为轴心，从东亚沿岸到1 8 0 。附近的北太平洋西风漂流区；负相关 区位于阿拉斯船湾一加剥福尼亚太平洋沿岸附近，但异性相关系数绝对值相对 较小热带地区的相关系数也比较小。5 0 0h p a 位势高度异常的异性相关系数 ( f i 9 2 9 b ) 表明，在东亚一西太平洋附近，中高纬度位势高度异常的异性相关