（气象学专业论文）近60年来赤道印度洋—太平洋纬向环流变化特征.pdf

摘要 本文通过对海平面气压、n c e p n c a r 再分析5 0 0 h p a 垂直速度、2 0 0 h p a 速度势和地球向 外长波辐射等气象要素的分析，研究了近6 0 年来赤道太平洋w a l k e r 环流的变化特征；利 用逐月平均风场资料、纬向质量通量，研究了赤道印度洋纬向环流特征，以及两者的联系。 结果表明从1 9 世纪中期以来，赤道w a l k e r 环流的强度有明显的年( 代) 际变化，主要 周期特征为十年左右，此外也有显著的气候变化趋势，w a l k e r 环流的强度在1 9 7 0 年代后 期发生了气候突变，分析表明，这些变化趋势与海表面温度上升是有关联的。近6 0 年来的 观测显示，热带印度洋太平洋的s l p 梯度减小，w a l k e r 环流的强度减弱。通过使用5 0 0 h p a c o 、2 0 0 h p az 和o l r 资料分别构造表征太平洋w a l k e r 环流的强度指数，以此研究其变化 特征。分析显示2 7 年的振荡是其主要的变化周期，w a l k e r 环流在近6 0 年趋于减弱，但 2 1 世纪后有增强的趋势特征。w a l k e r 环流的位置结构的变化也很重要，在最近6 0 年呈偏 西移动，这种西移特征可能与西太平洋的增暖较快有关。 另外研究也指出，年际尺度上印度洋纬向环流在夏季较强，春秋季相对较弱：用辐散 风u d 和垂直速度国合成的环流形势图能很好的呈现印度洋上空大气环流的基本状况，特别 是能发现位于赤道非洲大陆上空较弱的顺时针环流圈。通过比较利用纬向风和辐散风定义 的表征印度洋纬向环流强度指数，结果表明近6 0 年来该环流的强度有减弱的趋势，纬向风 和辐散风指数的结果虽然有差异，但是不同高度层的值均反应了上述变化特征。用同样的 方法对太平洋w a l k e r 环流上下支的强度进行研究，太平洋上空区域平均的上支西风和下支 东风在近6 0 年有减弱趋势，并且在2 0 世纪7 0 年代中期有强度由强到弱的突变。总之，用 辐散风分析热带大气环流状况比直接用纬向风场更准确。 年际相关分析表明赤道纬向环流强度的年际变化与e n s o 关系密切，当e 1n i f i o 发生时赤 道太平洋w a l k e r 环流强度减弱，印度洋纬向环流也减弱；发生l an i f i a 事件时情况则相反。 印度洋纬向环流和w a l k e r 环流从1 9 7 0 年以后有显著的同相变化，联系更加紧密，这种变化 特征对我们了解两个环流圈的相互关系及全球大气环流的变化特征具有参考意义。 关键词：w a l k e r 环流；赤道印度洋纬向环流；年( 代) 际变化；强度指数 i i i a b s 仃a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u a t o r i a lp a c i f i cw a l k e rc i r c u l a t i o no v e rt h ep a s t6 0 y e a r sa lea n a l y z e db yu s i n gt h em e t e o r o l o g i c a ld a t ao fs u r f a c e - l e v e l p r e s s u r e ( s l p ) 、5 0 0 h p av e r t i c a lv e l o c i t y ) 、2 0 0 h p av e l o c i t yp o t e n t i a l ( ) ( ) a n do u t g o i n g l o n g w a v er a d i a t i o n ( o l r ) ，e ta 1 t h en c e p n c a rw i n df i e l dd a t a s e ta n dz o n a l m a s sf l u xf u n c t i o nh a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e df o re v i d e n c eo fz o n a l - v e r t i c a l c i r c u l a t i o na l o n gt h ei n d i a no c e a ne q u a t o ra n di t sr o l ei nc l i m a t i cv a r i a b i l i t y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee a r t h ss u r f a c eh a sw a r m e ds i n c et h em i d _ n i n e t e e n t h c e n t u r y , t h eo b s e r v e dz o n a ls s tg r a d i e n ta l o n gt h ee q u a t o rp r e f e ra n e 1n i f i o - - 。l i k e w a r m i n gi nt h el a s t6 0y e a r s ( w a r i n gm o r ei nt h ee a s tt h a ni nt h ew e s t ) o b s e r v e d w e a k e no ft h es l pg r a d i e n ti sa l li n t r i n s i cc h a r a c t e r i s t i co ft h et r o p i c a la t m o s p h e r ei n aw a r m e rc l i m a t e ，t h es i z eo ft h i st r e n di sc o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n s t h e w a l k e rc i r c u l a t i o nc o m p r i s e se a s t - w e s ta t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o nc e l l s a l o n gt h e e q u a t o r i a lb e l t t h ep a c i f i cb r a n c ho ft h ew a l k e rc i r c u l a t i o nc o n s i s t so fe a s t e r l y w i n d sa tt h el o w e rt r o p o s p h e r e ，w e s t e r l yw i n d sa tt h eu p p e rt r o p o s p h e r e ，r i s i n g m o t i o no v e rt h ew e s t e r np a c i f i c ，a n ds u b s i d e n c eo v e rt h ee a s t e r np a c i f i c t h i s c i r c u l a t i o ni sc h a r a c t e r i z e d b y ap r o n o u n c e ds e a s o n a l c y c l ea n di n t e r a n n u a l v a r i a b i l i t y , a n di sa ni n t e g r a lc o m p o n e n to ft h ee 1n i f i o - s o u t h e r no s c i l l a t i o nc l i m a t e s y s t e m f l u c t u a t i o n s o ft h ew a l k e rc i r c u l a t i o nc a nl e a dt oe x t r e m e w e a t h e r c o n d i t i o n si nd i f f e r e n tp a r t so ft h ew o r l d t i m es e r i e so ft h ei n t e n s i t yo ft h ew a l k e r c i r c u l a t i o nw h i c ha r ed e f i n e db y5 0 0 h p ac o ，2 0 0 h p a ) ca n do l r ，c o i n c i d ew i t l lt h e s o u t h e r no s c i l l a t i o ni n d e x ( s o d ，a n dt h ec e l lh a sw e a k e n e di nr e c e n td e c a d e s t h e w e s t e r nu p w e l l i n g 、e a s t e r nd o w n w a r db r a n c ho fw a l k e rc i r c u l a t i o ns h o wa w e s t e r n - s i d em o v e m e n ti nl a s t6 0y e a r s t h er e s u l t sp r o v i d ea ni n d i r e c te v i d e n c eo f t h er e d u c t i o no fa t m o s p h e r ev e r t i c a lo v e r t u r n i n gc i r c u l a t i o ni nt h et r o p i c a lp a c i f i c i v t h el o n g - t e r mm e a no fz o n a lc i r c u l a t i o no v e rt h ee q u a t o r i a li n d i a n p a c i f i c o c e a nh a sb e e na l s oe x p l o r e db yu s i n gt h em o n t h l yw i n dr e a n a l y s i sd a t aa n dz o n a l m a s sf l u xf r o m 1 9 4 8t o2 0 0 8 o v e rt h ee a s t e r nt ow e s t e r ni n d i a no c e a naw e l l d e v e l o p e dc e l lp e r s i s t sa l ly e a rr o u n d ，w i t hs u b s i d e n c ei nt h ee a s t e r nc o a s to f e q u a t o r i a la f r i c aa n de a s t w a r df l o wi nt h el o w e rt r o p o p h e r e i th a sas t r o n g e r i n t e n s i t yi nb o r e a ls u n l m e rt h a no t h e rs e a s o n s t h ei n t e n s i t yi n d e xo fz o n a li n d i a n c i r c u l a t i o ni sd e f i n e da n dc a l c u l a t e db yu s i n gz o n a la n dd i v e r g e n tw i n dr e s p e c t i v e l y i nt h r e eh e i g h tl e v e l s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n t e n s i t yo ft h i sc i r c u l a t i o ns h o w e d n o to n l yas t a b l ei n t e r a n n u a lc h a n g e sb u ta l s oi n t e r d e c a d a lv a r i a b i l i t y a no b v i o u s r e d u c t i o nt r e n do fz o n a li n d i a no c e a nc i r c u l a t i o ni sd i a g n o s e d w i t ht h ei n t c r d e c a d a l s h i f to ft h el a r g e - s c a l eg e n e r a lc i f c u l a t i o np a r e r no c c u r r e di nt h el a t e19 7 0 a tl a s t ， e s s e n t i a lf o rt h es t u d yo fc i r c u l a t i o nc e l l s i nt h et r o p i c si st h ea n a l y s i so ft h e d i v e r g e n tp a r to ft h ew i n df i e l da n do fd i v e r g e n c ea tv a r i o u sl e v e l sa n de s p e c i a l l yi n t h eu p p e rt r o p o s p h e r e t h ei n t e r a n n u a lv a r i a t i o no fi n d i a n p a c i f i co c e a nc i r c u l a t i o ni n t e n s i t yw a sc l o s e r e l a t e dw i t he n s o ，a n dt h e r ei sas t r o n gc o u p l i n gb e t w e e nt h ee q u a t o r i a li n d i a n o c e a nz o n a lc i r c u l a f i o na n dt h ew r a l k e rc i r c u l a t i o no v e rt h ep a c i f i co c e a na f t e r 1 9 7 0 s k e yw o r d ：w a l k e rc i r c u l a t i o n ；e q u a t o r i a li n d i a no c e a nz o n a lc i r c u l a t i o n ；i n t e r a n n u a l a n di n t e r d e c a d a lv a r i a b i l i t y ；t h ei n d e xo fi n t e n s i t y 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：奎塑 日 期：强q ：妄：喀 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：熟 日 期： 互盈i q ：s = 埠 1 1 引言 第一章绪论 大气环流包含着及其丰富的内容，对这个名词从不同的角度着眼有着不用的含义。一 般说来，大气环流是指全球范围的大尺度大气运行的基本状况。大气环流的直接能源来自 下垫面的加热，水汽相变的潜热加热和大气对太阳短波辐射的少量吸收。然而最终的能源 还是来自太阳辐射，赤道和极地的下垫面接受太阳辐射的差异及其年变化支配着大气环流 及其年变化。 环流圈即闭合闭合环流圈，通常指的是径向的三圈环流( 分布于两半球低、中和高纬度 的h a d l e y 、f e r r e l 和p o l o r 环流圈) 和纬向的环流圈( w a l k e r 环流) 。 1 2 研究动态 1 2 1 赤道太平洋w a l k e r 环流的定义 在东太平洋赤道区，由于秘鲁寒流带来了冷海水，又由于东风所引起的厄瓜多尔和秘 鲁沿岸的海水上翻，形成了一条从南美西岸沿赤道向话伸延的冷水舌，致使赤道区太平洋 西部和东部之间，出现很大的温度差异。赤道太平洋中东部存在大范围冷水带，其上空的 大气冷却下沉并由低空流向西太平洋。同时西太平洋印度尼西亚地区海温明显比同纬度其 它地区海温高，通过海洋对大气的加热作用，这就使得流入该地区的空气被加热，形成大 范围的上升气流。其上升到达对流层高层后又向东返回太平洋中东部，补充下层向西运动 所造成的质量损失，这样就形成了一个与热带西太平洋表层暖水和热带东太平洋表层冷水 配置格局相伴随的、横跨太平洋的、闭合的纬向大尺度热力直接大气环流圈。1 9 6 9 年， b j e r k n e s 将其命名为“w a l k e r 环流”，其动力机制是，在近赤道地区科里奥利力消失，大 气环流主要受气压梯度力和摩擦力平衡的影响。该环流的特征是低层东风，高层西风。在 热带西太平洋，这里的空气被较高海温加热，气压较低，空气产生上升运动。该区域的暖 湿空气上升形成深厚云系，在澳大利亚南部、印度尼西亚和菲律宾产生大量降水。相反， 在热带东太平洋区域，这里空气相对较冷，表面气压较高，空气产生下沉运动，该区域降 水较少。 西太平洋和印度尼西亚地区的温度，每年变化虽然很小，但由于东南信风有强有弱， 加上每年秘鲁冷洋流和海水上翻的强弱不同，冷水舌强度和西伸程度不同，因此w a l k e r 环 流的强度和位置相应地变化。这种模态每隔几年变化一次，热带东太平洋的海表温度大范 围变暖，就会发生厄尔尼诺( e 1n i f i o ) 。暖水期后常常尾随而来的是冷水期( 即发生拉尼娜 l an i f i a ) ，此时东太平洋海温比常年偏冷。厄尔尼诺( 暖水期) 和拉尼娜( 冷水期) 是厄尔尼 诺南方涛动( s o ) 循环的两个极端。厄尔尼诺意味着海表温度升高，而南方涛动意味着 w a l k e r 环流变化( p h il a n d e r ，1 9 9 0 ) 。 1 2 2 对赤道纬向环流的研究 k r i s h n a m u r t i 等( 1 9 7 1 ，1 9 7 3 ) 用2 0 0 h p a 速度位势场的分布讨论了冬夏季的纬向环流 圈，认为赤道带w a l k e r 环流只是纬向环流圈的一部分，其位于赤道以南、年位置不变。 w e b s t e r ( 1 9 7 3 ) 认为w a l k e r 环流是k e l v i n 波对季节变化强迫作用的响应。c o r n e j o - g a r r i d o 等( 1 9 7 7 ) 通过研究冬季( j u n e a u g u s t ) 南太平洋1 0 0 s 附近w a l k e r 环流的热量收支，认为凝 结( 水汽辐合) 加热的纬向差异是驱动w a l k e r 环流的主要动力，海表温度梯度是产生w a l k e r 环流的次要因素。j u l i a n 等( 1 9 7 8 ) 模拟证明潜热凝结可以诱发产生热力直接驱动的纬向环 流，但没有完全阐明海气相互作用的大气闭合系统的循环反馈过程中的机制。g e i s l e r ( 1 9 8 1 ) 模拟研究了积云摩擦对w a l k e r 环流结构和强度的影响。l i m 等( 1 9 8 1 ) 研究了瞬时西风强迫 对w a l k e r 环流影响，r o s s b y 背风波东部强迫大幅度减少了纬向风带径向范围。c h e r v i n 等 ( 1 9 8 4 ) 利用模式研究了海洋温度梯度和大陆对w a l k e r 环流变化的影响，模拟出了赤道带上 存在的三个顺时针和三个逆时针纬向环流圈，并对影响w a l k e r 环流和全球纬向环流系统结 构、强度的原因进行了深入探讨。b a t t i s t i 等( 1 9 9 5 ) 研究了h a d l e y 和w a l k e r 环流对赤道 低空东风急流结构与维持的作用，指出w a l k e r 环流的垂直结构使得在赤道对流中心的东侧 形成低空急流。l i u ( 1 9 9 7 a ，1 9 9 7 b ) 提出了西太平洋暖池、东太平洋冷舌和w a l k e r 环流系 2 统的耦合理论，认为太平洋( w a l k e r ) 环流处于一种饱和的状态，辐射对流平衡海水表面温 度纬度差异的四分之一，即是这种饱和状态的东一西纬向海表温度差的上界；同时指出大 西洋纬向环流较弱，主要是由于和大西洋所毗邻的大陆改变了纬向东风的分布所致。 x i e ( 1 9 9 8 ) 指出太平洋海气系统在径向和纬向有明显的非对称性，纬向的非对称性对w a l k e r 环流和赤道太平洋冷舌有重要影响，越赤道南风对赤道中东太平洋冷舌的结构、强度、维 持等有重要的作用。k a w a m u r a ( 2 0 0 4 ) 等发现以1 9 7 0 年末的气候突变为分界点，太平洋一印 度洋的w a l k e r 环流系统在前后两个时期内气候特征发生了改变：在7 0 年代末以前，e n s o 的发展阶段，有高层( 2 0 0 h p a ) 的速度势异常从印度洋向西太平洋移动；在7 0 年代末期以后， e n s o 的消亡阶段，却存在异常速度势从菲律宾海向印度洋北部和南亚移动。这种跨流域海 洋之间关系的转变对e n s o 在两个时期内的特点有重要影响。 中国学者对太平洋w a l k e r 环流有以下的研究成果： 叶笃正等( 1 9 7 9 ) 利用风场资料，计算了东亚和太平洋上空( 5 0 0 e 1 3 0 唧，0 - - 5 0 0 n ) 不同 区域的冬季、夏季的垂直环流，并给出青藏高原及其邻近地区三维空间的垂直环流示意图。 叶笃正等( 1 9 8 1 ) 从大气冷热源分布的状况指出，夏季北半球中低纬主要上升运动区和下沉 区各有两个，构成夏季北半球中低纬地区的纬向垂直环流形势。赵黔源( 1 9 8 6 ) 讨论了西太 平洋低纬地区纬向垂直环流圈的长期变化与赤道太平洋东一西部海温场之间的辐合关系。 王绍武等( 1 9 8 8 ) 利用地面风场资料定义了w a l k e r 环流指数与h a d l e y 环流指数，并研究指 数的变化及其与e 1n i h o 的关系。 总之，w a l k e r 环流通过其纬向垂直结构，调节赤道地区动量、热量、水汽交换平衡， 对热带天气、气候特征有重要影响。w a l k e r 环流对热带、副热带环太平洋区域的大气影响 最强，e 1n i f i o 发生时w a l k e r 环流的减弱，易使得印度尼西亚海洋大陆、巴西东北部出 现普遍干旱，秘鲁、厄瓜多尔、巴西东南部和阿根廷东北部发生洪灾；l an i h a 时情况相 反，w a l k e r 环流增强，上述发生干旱的区域出现较强降水，而原先易在e 1n i f i o 发生时呈 洪灾的地区，降水较少。w a l k e r 环流作为东太平洋海温和亚澳季风变化之间的纽带，季风 和e n s o 相互影响的机制在一定程度上和w a l k e r 环流变化有关。虽然在个别情况下可能会 有所不同，在e 1n i h o 盛期( 一般在冬季) 发生前的夏季，由于太平洋东一西向海温梯度减 3 弱，w a l k e r 环流也减弱东移，这使得西太平洋东印度洋对流减弱并且南亚季风也减弱。 人为因素( 例如巴西和印尼的滥伐森林) 同样能影响w a l k e r 环流的长期变化，由于陆地温度 的改变，进一步赤道带东一西温度梯度改变。除了调节热带天气和气候，b j e r k n e s 通过对 w a l k e r 环流和径向h a d l e y 环流相互关系的研究，指出w a l k e r 环流是热带和高纬度地区之 间能量交换的媒介。 事实上，还有很多研究指出纬向环流圈不只存在于太平洋，赤道带其它地区同样存在 闭合的纬向环流圈。 f l o h n ( 1 9 7 1 ) 通过研究海温的纬向分布和卫星反演的对流状况，指出全球赤道带上存在 4 个闭合的环流圈，分别位于太平洋、大西洋、印度洋等地区上空。n e w e l l ( 1 9 7 9 ) 通过风 场观测资料，推断赤道纬向存在5 个环流圈，在赤道附近的大西洋和印度洋地区，也都有 纬向的环流。h a s t e n r a t h ( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ，2 0 0 7 ) 用n c e p n c a r 资料研究了印度洋上空纬向环 流的变化特征。印度洋上由于东暖西冷的海温分布，其纬向环流的方向和太平洋相反：暖 空气在印度尼西亚岛屿和东印度洋一带上升，到高层向西流动，在西印度洋下沉，到低层 之后再向东流。 w a n g ( 2 0 0 1 ，2 0 0 9 ) 研究了赤道大西洋纬向环流的特征，大西洋和太平洋的纬向环流方 向相同。并且指出热带太平洋一大西洋海气系统的气候变化存在一个正反馈机制，纬向风 异常作为连接两大洋盆地的桥梁，加强了跨流域海温梯度( i n t e r b a s i ns s tg r a d i e n t ， 即太平洋和大西洋之间的海温梯度) 。k l e i n 等( 1 9 9 9 ) 指出，通过“热带大气桥( t r o p i c a l a t m o s p h e r i cb r i d g e ) ”的作用，e n s o 对赤道其它地区的纬向环流均有影响。吴国雄等( 1 9 9 8 ) 利用利用印度洋海表温度观测数据，证实赤道印度洋上空存在着纬向季风环流，它和太平 洋上空w a l k e r 环流之间存在着齿轮式的强耦合一”印太齿轮式耦合( g i p ) ”，e n s o 事件与g i p 的年际异常存在很好的对应关系。商树荣和蒋尚城( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 用卫星资料反演了气候平 均的全年、四季纬向垂直环流，讨论了其气候学特征。李崇银等( 2 0 0 1 ) 指出，赤道印度洋 海温偶极子与赤道太平洋海温偶极子( 类似反e n s o 模) 有很好负相关，联系它们的主要物理 过程主要是赤道大气纬向( w a l k e r ) 环流的异常。巢纪平等( 2 0 0 3 ) 通过在印度洋海温距平的 极值面上分析海温距平的分布和变化，发现在海温距平的西、东方向分布上存在物理意义下 4 的偶极子模态，海洋中的这种偶极子模态，与上空大气中的距平纬圈环流( 距平w a l k e r 环 流) 有着很好的耦合关系。f i s c h e r ( 2 0 0 4 ) 等发现e ln i f i o 发展阶段w a l k e r 环流异常是北半 球春季印度洋偶极子( i o d ) 或称为印度洋纬向模态( i o z m ) 年际变化的触发机制之一。 1 2 3 赤道太平洋w a l k e r 环流的气候变化 许多观察研究发现，热带太平洋海洋和大气状况改变与w a l k e r 环流在2 0 世纪以来的 减弱相一致。 m c p h a d e n 和z h a n g ( 2 0 0 2 ) 发现，由于太平洋”经向翻转环流”( m e r i d i o n a lo v e r t u r n i n g c i r c u l a t i o n ) 速度从2 0 世纪7 0 年代开始放慢，过去3 0 年中，从副热带到达赤道海域的海 水减少了2 5 ，赤道太平洋海域的s s t 过去3 0 年来已上升了o 8 0 c ，可能与2 0 世纪7 0 年 代中期以来e 1n i f i o 现象越来越频繁而且持久有关。常规观测资料和气候模式结果表明， 从1 9 世纪中叶以来，s s t 上升了0 5 0 6 0 c 左右( h o u g h t o n 等，2 0 0 1 ：r a y n e r 等，2 0 0 3 ) 。 气候模式预测：由于温室效应的加剧，会引起s s t 的进一步上升，从而减弱大气对流循环， 最终影响到以赤道纬向风为底层的w a l k e r 环流( t a n a k a 等，2 0 0 4 ) 。t r e n b e r t h 等( 2 0 0 5 ) 指出，根据w a l k e r 环流的上升支的能量和质量守恒原理，按照克劳修斯一克拉伯龙方程和 固定相对湿度的变化，海表温度每上升1 0 c ，对流层底层的水汽辐合大约增加7 ，而降水 量的变化相对缓慢，上升约为2 左右，全球平均的降水量比率变化和由大气边界层到自由 对流层的水汽通量是平衡的。由此伴随降水量和水汽通量的增长率的差异，海表温度每上 升1 0 c ，边界层和对流层空气质量交换减弱5 ，海表温度的上升将导致赤道大气环流的强 度减弱2 5 3 ( s o d e n 等，2 0 0 5 ) 。v e c c h i 等( 2 0 0 7 ) 通过i p c c 第4 次评估报告中的模式结 果，证明在当今气候变暖的背景下，热带大气海洋环流强度减弱，这种大气对流强度的减 小主要是指热带大气环流的纬向非对称成分( w a l k e r 环流) ，而不是热带环流的纬向平均成 分( h a d l e y 环流) ，并且热带海洋的热力学结构和环流形势也发生了实质的改变：太平洋中 部的对流中心减弱东移，太平洋温跃层的倾斜度变小，东太平洋海温相对升高，太平洋、 印度洋纬向s l p 梯度均减弱。h e l d 等( 2 0 0 6 ) 指出气候变暖时，全球平均降水量、大气湿度 的变化会导致热带大气环流的减慢。n o r r i s ( 2 0 0 5 ) 通过研究1 9 5 2 1 9 9 7 年以来热带印度洋 5 一太平洋高层云量、底层散度以及降水的长期变化，表明西太平洋云量增加，印度洋、中 东太平洋云量减少，整个赤道带的对流活动均减弱。c l a r k e ( 1 9 9 6 ) 通过对赤道纬向平均风 应力长期变化的研究，指出太平洋信风的减弱；西太平洋温跃层的深度变浅。z h a n g 和 s o n g ( 2 0 0 6 ) 、v e c c h i 等( 2 0 0 6 ) 指出赤道太平洋s l p 梯度的减弱表明w a l k e r 环流强度发生 变化，并且人为强迫对近代w a l k e r 环流强度趋势的变化有重要影响。 在以往对w a l k e r 环流的研究中，不同作者定义了各种指数，衡量环流的强度变化，主 要有以下几种： ( 1 ) w a l k e r 和b l i s s ( 1 9 3 2 ) 最早提出南方涛动指数( s o i ) ，即太平洋大溪地岛与达尔文 岛两地的气压差，反映e n s o 现象的活跃程度；由于s o i 是赤道东一西向环流圈最显著的信 号，t r e n b e r t h ( 1 9 7 6 ) 将其作为研究赤道w a l k e r 环流年际变化指标。 ( 2 ) w a n g ( 1 9 8 8 ) 利用纬向地面风场资料定义w a l k e r 环流指数1 w ： 1 w = ( 一虬) 一( 一眈) ，其中u 。、u b 、u 。、u d 分别为1 0 。n 至u i o 。s 赤道地区9 0 1 0 0 0 e 、1 5 0 1 6 0 0 e 、1 5 0 1 6 0 唧、9 0 - - - 1 0 0 唧四个区域上纬向风的距平值。用东太平洋的纬 向风散度减西太平洋的纬向风散度，反映太平洋地区纬向环流的强弱。 ( 3 ) 何敏( 1 9 9 9 ) 通过定义w a l k e r 环流指数为5 0 s 5 0 n 、1 6 0 0 e i o o o w 范围内的8 5 0 h p a 和 2 0 0 h p a 纬向风平均距平差，用来表示热带中东太平洋地区w a l k e r 环流的强弱和位置，结合 季风指数，以此研究热带环流变化与我国夏季降水的关系。 ( 4 ) v e c c h i 等( 2 0 0 6 ) 通过观测资料的计算和模式的结果输出证明，大尺度热带印度洋 一太平洋的海平面气压梯度能很好的表征赤道太平洋上的信风平均强度，并以此研究 w a l k e r 环流强度变化。 ( 5 ) o o r ta n dy i e n g e r ( 1 9 9 6 ) 、w a n g ( 2 0 0 2 ) 选取5 0 0 h p a 等压面上垂直速度在东一西太 平洋之差作为w a l k e r 环流圈的强度指数，以此研究e n s o 发生时，w a l k e r 环流、h a d l e y 环 流强度和结构的变化。 ( 6 ) t a n a k a 等( 2 0 0 4 ) 将2 0 0 h p a 速度势场分解为h a d l e y 环流、w a l k e r 环流和m o n s o o n 环流的线性组合，采用分解后的速度势场的极值代表环流圈强度，研究其年际变化。 6 1 3 本文的研究意义和主要任务 之前的研究指出，w a l k e r 环流及其变化与热带太平洋海域海表温度有强的耦合，气候 平均的w a l k e r 环流系统，赤道表层东风维持平衡状态，西( 东) 太平洋海平面高( 低) 、斜温 层深( 浅) 、海温高( 低) 、海平面气压低( 高) 、对流活动强( 弱) 。当发生e 1n i f i o 时，赤道 东风减弱，w a l k e r 环流减弱，东太平洋出现弱的上升运动，温跃层变平坦，减弱了东一西 向海温梯度；l an i f i a 发生时情况相反。 w a l k e r 环流圈在大气环流系统中占有重要地位，它的存在对全球热量、水汽、大气质 量等的平衡起着重要作用。虽然前人对w a l k e r 环流形成、维持、发展的机制做了研究，但 是作为一个重要的气候系统，它存在着从年、年际到年代际以及更长时间尺度的变化，有 必要在这些方面做更为清楚的研究。在借鉴前人对w a l k e r 环流特征研究成果的基础上，本 文最终将着眼点放在研究其年代际变化方面。通过分析热带各气象要素场的变化特征，在 参考前人方法的同时，定义出表征w a l k e r 环流强度变化的指数，以此对其特征做较为全面 的认识。 除了关注太平洋地区的w a l k e r 环流，我们对印度洋地区的纬向环流也做了研究。印度 洋面积较小，三面是陆地，北面亚欧大陆为全球最大的大陆，并且临近印度洋的青藏高原 也非常重要，广阔的海洋位于南面，使得该地区为世界上最大的季风区之一。印度洋通过 纬向环流及其印尼贯穿流( i n d o n e s i a nt h r o u g h f l o w ) 在纬向上与太平洋相连，互相影响。 其独立的气候系统在全球海气系统中有着必不可少的作用，我们尝试对印度洋纬向环流强 度的年( 代) 际变化做探讨，并且也研究其与w a l k e r 环流之间的关系特征。 7 2 1 资料说明 第二章资料与方法 文章中所使用的资料包括：英国c l i m a t i cr e s e a r c hu n i t ( c r u ) 提供的达尔文岛( 1 3 0 0 e ， 1 1 0 s ) 和大溪地岛( 1 5 1 0 w ，1 8 0 s ) 实测海平面气压月平均资料，资料时间长度为1 8 8 0 年1 月 2 0 0 5 年1 2 月。重建的h a d l e yc e n t r e 月平均海平面气压资料v e r s i o n1 ，分辨率为5 0 5 0 ， 时间长度1 8 8 0 年1 月1 9 9 8 年1 2 月。 扩展重建的n o a a 月平均海表面温度资料v e r s i o n3 b ( n o a as s t ) ，分辨率为2 0 2 0 ； h a d l e yc e n t r e 月平均海冰和海表面温度资料( h a d i s s t ) ，分辨率为1 0 1 0 ；扩展k a p l a n 月平均海表面温度资料v e r s i o n2 ( k a p l a ns s t ) ，分辨率为5 0 5 0 ；h a d l e yc e n t r e 提供的 月平均n i n o3 ( 1 5 0 。w - - 一9 0 0 w ，5 0 s 5 0 n ) 海表温度指数( n i n 0 3s s ti n d e x ) 。以上海温资料时 间长度均为1 8 8 0 年1 月 - - - 2 0 0 8 年1 2 月。 n c e p n c a i 再分析纬向风速u 、径向风速v 、垂直速度、海平面气压s l p 、速度势) c 月平均资料，分辨率为2 5 0 2 5 0 ，资料年代为1 9 4 8 年1 月 - 2 0 0 8 年1 2 月。 美国n o a a 卫星观测的o l r 月平均资料，分辨率为2 5 0 x 2 5 0 ，所取资料时间长度为1 9 7 9 年1 月 - - - 2 0 0 8 年1 2 月。 文章中所涉及的距平，均是上述月平均资料减去各月气候平均值后得到月距平值。 2 2 方法简介 2 2 1 趋势判定方法 一元线性回归：用五表示样本量为n 的某一气候变量，用表示玉所对应的时间，建 立五与之间的一元线性回归方程： 毫= a + b t f ，i = l ，2 ，n 上式可以看做一种特殊的、最简单的线性回归形式。它的含意是用一条合理的直线表示x 8 与时间t 之间的关系，属于时间序列分析范畴。a 为回归常数，b 为回归系数，f t 和b 可以 用最小二乘法经行估计。 对于线性回归计算结果，主要分析回归系数b ，回归系数b 的符号表示气候变量x 的 趋势倾向。b 的符号为正，即当b o 时，说明随时间t 的增加x 呈上升趋势；当b 的符号 为负，即当b 虬，则表明序列存在明显的趋势变化。 按时间序列x 逆序，- l ，x l ，再重复上述过程，同时使呸= 一呱( k = n ，n 一1 ， 1 ) ，u b , = 0 。 1 0 n 3 2 = k r 1 。瑚 = 七 s 0 0 一薯誓 当当 h q ，f【 = r 吖 2 2 3 气候序列周期提取方法 连续小波变换( c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ，c w t ) ：m o r l e t 小波功率谱图可以显 示任意时刻最显著尺度和各尺度变化贡献的大小，因而可以从谱曲线中的谱值最大来确定 局部时间范围内的主要振荡及其对应的周期。 本文选用m o r l e t 小波是一个复数形式小波，可以将小波变换系数的模和位相分离出 来，模代表某一尺度成分的多少，位相可以用来研究信号的奇异性和即时频率。其母函数 少。( 叩) ：万砒口咖p - r 么2 ， 式中c o o 是无量纲频率，对于m o r l e t 小波，取= 6 o ；r 为位相。 离散时间序列吒的连续小波变换，即时间序列吒和选定的小波函数族( ，7 ) 的卷积： 噼 学 ， 呢( j ) = w | 半l ， 一= o o 式中( 木) 表示复共轭；s 为伸缩尺度；谚为时间步长。 定义单个时间序列的小波功率谱( 能量谱) 密度为：i 形( j ) 1 2 ，睨( s ) 的复角即代表局 部位相。由于时间序列的数据有限，以及小波在时域上并非完全局部化，所以小波变换要 受到边界效应的影响，于是也要引入影响锥曲线( c o i ) ，在该曲线以为的功率谱由于收到外 界效应的影响而不予考虑。 交叉小波变换( c r o s sw a v e l e tt r a n s f o r m ，x 盯) ：是将小波变换与交叉谱分析相结合 的信号分析技术，可以研究两个时间序列在多时间尺度时频域中的相互关系，揭示其共同 的高能量区以及位相关系。设嵫( s ) 、晖( s ) 分别是给定的两个时间序列x 、y 连续小波 变换，它们的交叉小波谱为哆盯( s ) - - 哗( j ) 研? ( s ) ，其中“水”表示复共轭，s 为伸缩 尺度；对应交叉小波功率谱密度为l 形_ ( s ) l ，其值越大，表明两者具有共同的高能量区， 彼此相关显著。 噪音谱和硭，奴小波功率谱分布滟瞪划：地厨。和 仃，仉 v 均数，简称平均角，其其计算公式为云= a r g ( ；，歹) ；= 窆c o s ( ) ；歹= 主s i n ( a ，) 。 g = 2 l n ( ) 称为圆标准差或角离差，q 表示其离散趋势量度，其值的范围在o 0 0 2 _ _ n 。r ：i 丽表示角度资料的集中趋势量度，r 值的范围在。12 _ n 。采用 反相三三j三同相 1 2 可能很显著。定义两个时间序列x 和y 的小波相干谱为 擀烈一 这种定义类似于传统意义上相关系数表达式，它是两个时间序列在某一频率上波振幅 的交叉积与各个振动波的振幅乘积之比，这里s 是平滑器。 s ( 形) = 。比( 。( 形( s ) ) ) ，鼠址表示沿着小波伸缩尺度轴平滑；瓯。则表示沿着 小波时间平移轴平滑。对于m o r l e t t j 、波的平滑器表达式如下： 。( 形) i ，= ( 呢( s ) 奉i 2