（气象学专业论文）北半球大气环流对湾流区海温变化响应的数值模拟研究.pdf

冠学球太气环流砖湾流逸海滋蹙纯晌成瀚数蔽模摈研究 北半球大气环流对湾流区海温变化响应的数值模拟研究 捅婴 奉文利腰海，气耦合模式f j ) a m 来研究湾流的海洋热力变化对犬z 环流的 影响。该研究与以往单纯的采埔大气环流模式或是筠单的耩合模式研究不嘲，通 过采麓初值方法来追踪出于海洋的变化所导致的大气坏流变化。 f o a m 模式很好地模拟了北大西洋湾流区的海温“梅现”过程，发现海蕊 热通量受异常与s s t 征异常极值出现昀时间不同步。海谣热通量负异常在饶冬 季节达到最大值，箍s s t 芷异常滞后，在冬季中、晚期达到最大值，这样对北 半球大气环流造成的影响在初冬和晚冬不同。初冬季节北半球大气环流主要是对 海洋热通量异常的嗡应，在北大瞒洋和北太平洋上空为褶当语压熬异常低艇槽响 应，就极极区为弹常高j = 筵脊，类似：汜极涛动的负位褶，造成欧洲南部和北非大陆 气温偏离，亚溯大陆气温偏低。蕊晚冬季节北半球大气环流主要是对s s t 秀常 的响应，在北大躐洋和北太平洋上空为柑警陋压的异常高压脊响应，北极极为 异常低压槽，类似北极涛动的艰健捆，造戚欧洲南部和北非大陆气温编低，亚溯 大陆气温偏商，中国东部降水异常偏多3 0 左右。北太平洋大气环流的异常怒托 大透洋湾流区海洋热运量翻s s t 异常强迫下游大气环流异常，通过r o s s b y 驻波 的能量频散向东传播到北太平洋造成的。 另外，研究发现北大藕洋和北太平洋海气楣互作用存在海瓮阍的遥摆关。在 模式中，理想化的初始海温舜常分别施加于黑潮和湾流延伸体f 2 ( 。实验清楚地表 骧北大薅洋和北太平洋的海气拥瓦俸爝通过海靛间的大气遥糨关紧密地联系在 起。与海洋过程相比，快速的大气海衙问通道可以将海洋变化通过局地海气反 馈作溺两传递。l 芝大西洋和太平洋券遥外大气内部变化在形成这个被海洋变他强 迫的半球尺度的响应中起到了支配作用。 关键词：托半球大气环流海气耦含海瀑再现初值方法 北半球火气环流对湾流区海温变纯响应的数毽模拟研究 t h en u m e r i e a ls i m h l a t i o 魏s t u d yo fa 鼍m o s p h e r i c r e s p o n s e t or e e m e r g e n c eo fn o r t ha t l j 8 i n t i co c e a n v a r i a b i l i t yi ng u l f s t r e a m a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，、ei n v e s t i g a t ei m p a c t s o fa n o m a l o u so c e a n i c t e m p e r a t u r e 羚e m e 唱e 髓e o fg 试fs 骶鑫弧i n 谯en o 硪a t l a n t i co ng e n e r a lc i r c u l a t i o no f a t m o s p h e r ea n dc l i m a t ev a r i a b i l i t yu s i n gag l o b a lf a s to c e a n a t m o s p h e r ec o u p l e d m o d e l f o a ma 砖i n i t i a lv a l u em e 如o d 。 f o a m s u c c e s s 如n ys i m u l a t e so c e a l l i ct e m p e r a t u r er e e m e 瞎e n c ep r o c e s so fg u l f s t r e a mi nt 量l en o l r t ha t l a n t i c ，a n dt h es e as u r f a c eh e a t 鑫u xa n ds s ta n o 搬a l i e sa r e 赞o t s y n c h r o n i z e da n dp e a ka td i 仃e r e n tp h a s eo fm ep r o c e s s t h eh e a tn u xa n o m a l yp e a l 【s i nt h ee 烈l yw i n t e r ，w h i l es s t a n o m a l yp e a k si nt h em i d l a t ew i n t e r la tt h er e s u l t s ，t h e 锄o s p h e r ef e s p o n s e sa r ed i f j f e r e n ti nm ee a r l ya n dm i d l a t e rw i n t e r i nt 1 1 ee a r l y w i n t e r t h eg e n e r a le i r c u l a t i o no fa t m o s p h e r ea n o m a l i e sa r ea n o m a l o u sb a r o t r o p i c t r o u g hr e s p o n s e so v e rt h en o r t ha t l a n t i ca n dt h en o t t hp a c i f i er e s p e c t i v e l y ja n d a n o m a l o u sb a r o t r o p i cr i d g er i e s p o n s e so v e rt h ea r c t i cr e g i o na sn e g a t i v ep h a s eo f a r c t i co s c i l l a t i o n ( a o ) f o r c e db yt h es u r f a c eo c e a n i ch e a tf l u xa n o m a l y ，w h i c hc a u s e w a r m e rt h a nn o r m a li nt h es o u t he u r o p ea n dt h en o r t ha 矗i c aa n dc o l d e rt h a nn o r m a l i nt h ea s i a i nt h el a t ew i n t e r ，t h eg e n e r a le i r c u l a t i o no f 教嗽o s p h e r e 嬲o m a l i e sa r e a n o m a l o u sb a r o t l | o p i cr i d g er e s p o n s e so v e rt h en o i r t ha t l a n t i ca n dt h en o r t hp a c i f i c r e s p e c t i v e l y ；a n da l l 。m a l o u sb a r o t p i ct r o u g hr e s p o n s e so v e r 也ea r c t i cr e g i o na s p o s i t i v ep h a s eo fa of o r c e db yt h ess ta n o m a l y ，w h i c hc a u s ec o l d e rt h a nn o r m a li n t h es o u t he u r o p ea 芏l dt h en o 娃ha 觚c aa n dw a 锄e r 如a nn o r 搬a li nt h ea s i a ，粕d p r e c i p i t a t i o ni s3 0p e r c e n t “c h e rt h a nn o n n a lo v e rt h ee a s t e i nc h i n a t h eg e n e r a l c i r u l a t i o na n o m a l i e so fa t m 。s p h e 抟o v e rt kn o r 饿p a c 谂ca r ep p a g a t e db y s t a t i o n a r yr o s s b yw a v e f l u x行o mt h en o r t ha t l a n t i c ， w h e r et h ea t m o s p h e r i 6 a n o m a l i e sa 羚f o r c e db yt h es 搬叛c eh e 雒n u xa n ds s ta 魏o m a l i e si nl h eg u l fs t r e a m 。 f u r t h e m o r e ，a ni n t e r b a s i nt e l e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h en o i r t ha t l a n t i ca n dt h e 2 北半球火气环流对湾流区海温变化响应的数值模拟研究 n o n i lp a c i f i co c e a n a t m o s p h e r ei n t e r a c t i o nh a sb e e nf 0 u n d i nt h em o d e l ，a ni d e a l i z 甜 o c e a n i ct e m p e r a t u r ea n o m a l yi si n i t i a t e do v e rt 1 1 ek u r o s h i oa n dm eg u l fs t r e a n l e x t e n s i o nr e g i o n ，r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t se x p l i c i t l yd e m o n s t r a t et h a tb o 也也e n o r mp a c i f i ca j l dm en o m la t l a n t i co c e a n a t m o s p h e r ei n t e r a c t i o n sa r ei n t i m a t e l y c o u p l e dt h r o u g ha ni n t e r - b a s i na n n o s p h e r i ct e l e c o n n e c t i o n t h i sf a s ti n t e r - b a s i n c o m m u n i c a t i o nc a nt r a n s m i to c e a n i cv 撕a b i l i t yb e t w e e nt h en o r t ha t l a n t i ca n dt h e n o r t hp a c i f i ct 1 1 r o u g hl o c a lo c e a n t o a t m o s p h e r ef e e d b a c k s t h e1 e a d i n gm o d eo ft h e e x t r a t r o p i c a la t m o s p h e r i ci n t e m a lv a r i a b i l i t yp l a y sad o m i n a n tr o l ei i ls h 印i n g 1 e h e m i s p h e r i c s c a l er e s p o n s ef o r c e db yo c e a n i cv a r i a b i l i 够o v e rm en o r t ha t l 枷i ca n d p a c i 6 c k e yw o r d s ： n o r t h e mh e m i s p h e r e a t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n ； o c e a n a t m o s p h e r e c o u p l i n g ；o c e a n i cr e e m e r g e n c e ；i n i t i a lv a l u ea p p r o a c h ； 独创声明 本人声明所擎交的学位论文楚本人在导师指导一f 进行的研究l ：作及敏得的 研究成采。抛我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦义t p 不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成栗，也不包含来获得 连! 赳邀直甚缝益墨缝型岜鲤竣l 奎壁煎垒2 或其他教育机构的学位或证二 使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任俺贡献均已在论文中作了甥 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名；压雨串签字闩期：川年占胃旧 学位论文版权使用授权书 本学缀论文作者完全了解学校有关保激、使用学位论文的规定，有权保留并 商闺家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阕和借阕。本人 授权学校可以将学位论文的全部或郝分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学佼论文。同时授权。争圈科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中圜学位论文全文数据痒，并通过网络尚社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢压蕊牵鼬滕安坳剥 ；豁纭糁 签字| - | 期：叼年占冀| i h 签字瓣j 辩：叼 j 艺誓球犬，气环流瓣湾流送海滋变纯晌瘴瀚数德筱羧鹾究 1 引言 海气褶互作用是气候研究巾的个重要方向。它是指海洋与大气闻各种物理 量的交换和多种不同尺度运动之间的相互影l 嘲、相互制约和相互适应的过程。海 洋与大气间的褶互作用，包括各科t 时潮和空蚓尺度的过程：小尺度榴瓦侔潮； 天气尺度相互作用；行星尺度楣互作用。海洋和大气是地球上两种密度不同 的连续介质，冀问有着广阑的交界面，构成相互作用的耦合系统。这个相互作潮， 蓠先表现为海气交界西上各种物理量的交换，包括热量、勘量、水分、盐分、尘 埃和其它微粒物质及二氧化碳气体和电荷等。由予海洋和大气的物理性质不丽， 在楣互交换和全球能量的收支中，它们所起的作用也不相同。海洋大气之蒯的物 质交换过程，以海洋惫大气输送热餐、水分翻盐分为主。大气是海一气系统中比 较多变的成员。大气通过运动过程，不断遗过海蔼将湍流动能输送绘海洋。同财，。 太气的运动状况不仅能影响海水的水乎输送，而且能萼| 起海水的锻崖输送。大气 的热力层结、云壁及其分布，也能影响海面对太鞠辐射的吸收和海一气闻的热量 交换，从丽影嘲海洋的热状况和湿度分枢。 已有研究发现，在主要洋流区，如大磷洋的湾流区和太平洋的黑潮区及赤 道东太平洋区即赤道冷水带，海洋期大气阕的楣互捧用最为激烈。海洋向大气翔 热状况的变化，往往可持续几个月甚至一年以上。其空间尺度可达数于公聚，与 大气活动中心的尺度相当。大气活动中心和某些天气系统，如太平洋副热带离滕、 阿留申低压、热带辐合带和东亚沿岸殛风稽的位餐和强度，及平均经潮环流和纬 圈环流鲶强度等，都明显地受到海洋状况羽影嚼。海洋不仅影响其局地上空的大 气，两盈还与大范围的天气气候相关联。许多异常气候往往在海洋上出现先兆， 因丽海蔼温度己成为长期天气预掇的一个重要指标。异常的大气环流对海洋也有 艇著的影响。它可造成舜常的海水输送、辐敝、辐合和舔直运动，形成笄常的海 面温度分布。厄尔尼诺现象是大尺度海洋环流和大气环流褶互作用的明寝例予之 。两极秘高纬度地区的海冰对气候逛有疑藩影响。海气矧互钎；捌的研究，已 经从现象的揭示发展到对相珏作 f j 的机制淞l 魍沦的研究。 海气耦合是气候动力学的一个核心内容。它对箨种尺艘舱气候变率包括 e n s o 和年代际气候变化有着霍嫠的影响。认谚 和邢解海，橘介过稚前l 机制，为 ，l 艺| ，- 球人7 毛环流砖游流必海潍，囊仡响嬲瀚数饿模拟麟究 颁撤全球潞度分布的变化、把撼余球变暖誓l 超的不嗣，度的声毛候嘲威挝供了煎要 的途径。海洋h 人的热弈罐使多l 七钉池忆效成，它f l 勺慢变，挑顾能够反映并迎忆大 气变化的信息，多 ：反过来作弼予大，乏环流，使之产，蠢变诧。这存气候长期变化中 体现的戈其明髓。气候年代际变化对短期气候变化如热带气旋，e n s o 有重要 的溯涮佟用。海洋环流如何调整浆选择特定的年代际时勰尺艘和其调整如何影潮 捌大气环流变化，是尽翦气候年代踩变化呵预测性研究中亟待解决的问题。近年 来的研究发现气候变暖在赢纬地区表现娥为明显。另外，在年代际时闻尺度上， 有可麓怒中纬度海溢的变化影赡热带海温的变化。 中纬度海洋题边界流的经向热输送在全球的热平衡中起着不可低估的作用， 它在串纬度海气摺互作用中扮演着十分重要的角色。近4 0 年来，海气相互馋用墨 为各蹰海洋学家和气象学家共同关注。6 0 年代扔，躅e r k n e s 和n a m i a s 分别提出了 热带海域和中纬度海域海气褶互俸用的科学阅题。近些年束的研究对热带海气褶 互作用的研究爨l 认识h 趋深刻和全藤，与热带穗比，中纬度的海气掴互作用机制 较为复杂，目前对它的认谈还春待深入。在中纬度海洋大气耦含系统中，最关 键的海区楚西边界流的延伸体区( w 毫s 量e 糯b o 轻蕤玉搿c u 般致| se x 耄e n s i o 毂，w b c e ) 。 在北太平洋西边界流出黑潮縻潮缀成，在j 大西洋出湾流崩乏大蘑洋流组成。 w b c e 壹接受蹰边界流控制，其共同特征就是存在着菲常强的急流、涡旋、热力 锋面莉强烈的海气热量交换等。在冬季，副热带西边界流输送过来的低纬度鹱 水，与大陆吹过来的干冷空气在w 8 c 琶襁遇，使褥w 8 c e 成为北半球冬季海洋加 热大气关键的海区，以及模态水的重要形成区；w b c e 也是大气风暴辙的入嗣区， 海洋的熟力变异会诱发风暴路径和大气环流豹改变。因此，w 8 c 别鼍中纬度海洋 动力过程可将崮忍变化的时闻尺度传递给大气的关键海区。剃测表明，w b c e 送 海表温度不仅表现出l o 2 0 年左右的变化，而且表现出多年代时闷尺度的变化。 在已霄的海气福合系统的模式研究中，由于受模式分辫率的限制，西边界流的 调整效应被大大低估。已有的研究表明，酲使在定常飙场的作用下，西边界流也 会出现年代际对阍尺度上的振荡，所以在研究中必须考虑两边界流的调整过程及 其气候效应。 本文嚣次采用仓球海气耦合模式，通过数值模拟实验中的初值方法，模拟北 人口写洋湾流海濡阿现现象，进v 步利，爵统计方法形f 究海湓变化引起的犬气环流 2 北f 球人产环流对湾流湃泓囊诧响麻鲍数 1 = f 模拟磷究 响应，并探讨其气候影嘛，以深优对中纬艘海一气系统年际变化机理的认谚 。 。 北大西洋海洋变化与海温再现现象的研究进展 北大西洋海区存在着全球著名蕊边界暖流一黢诬哥湾流，这暇是海气栩互 俸鹪的关键区。研究发现，中纬度海洋有以下特点：赤道外隧域往往表现出海盆 尺度的s s t 异常。在高分辨率的观测和嗣化资料巾w 以发观与中尺度海洋涡旋 有关的小尺度的s s t 扰动，中纬度s s t 变化存在着和大气低频变化尺度相似的 明显的大尺度信号州a m i a sa n dc a y 鑫n1 9 8 l ；w a l l a e ea n dj i a n g1 9 8 7 ) 。在中纬度大 洋上，月平均和季节平均的s s t 异常与其上的海表面气温异常的耀关系数很高 ( f 潮k i g 黢。毯l1 9 8 5 ) 。充分混合的海洋上层是一个巨大的热量库，s s t 异常是它的 热含量变化的反应。这个特性使s s 零异常，与大气的异常榴比，对海气耦合作 焉的气候变率发摆着重要的作用。研究发现，中纬度s s t 异常的典型e 折时间 尺露芝是3 5 个月( 转a l 髓e 髓l9 8l ；f r a n i ( i g n o u la 髓dr e y n o l d s1 9 8 3 ) 。 观测瓷料的分析结果 ，w a i l a c ea n dj i 氇鞋g ( 1 9 8 7 ) ，a n dn 2 i l 鞋i a se ta l ，1 9 8 8 遵 过研究发现北太平洋s s t 异常在春季和搂下来的秋季存在显著的褶关。他们假 定由大气表面通量形成的冬季s s 彳异常，在夏季的时候隐藏予浅薄，稳定的混 合层之下，当秋季来临时，幽表面风搅拌和热通量共同作用而再次 ：翻于海袭。 a l e x a n d e re la 1 ( 1 9 9 9 ) 威粥了北大西洋一骥地点的海温榭关系数的时潮深度刹 面图。结果表明冬季早春s s t 与夏季的上层海洋的深艨温度( 季节忭混合层下方) 是密切褶关的。存接下来的欲季，秘t 个冬季s s f 的栩天系数值较大，并 聃现 在表面。因此，秋季的大气经历了“海洋施加的s s t 芹常”的影响，而被其哆f 超的同期勰表面热通量变化所强追。 在巾纬度地区，月乎均和季节甲均的s s t 抖常对局地海，e 村l ，c 作川依赖- 陀微 3 就半球久7 环流砖湾流| 海漱蹙仡瓣缱盼数毹模羧锈究 强。规测资料的超漪滞历槲笑分析( d a v i s1 9 粥；w & l l 粒el 鳃7 ) 和海毒专躺合模式的 数值模拟缀粜( s a l 潮。爨1 9 7 6 ，a l e x a 嬲e r1 9 9 2 ) 均袭嘲礁叫，纬度地蜒魁大气驱动海 洋。然丽，也存研究表明巾纬度大气驱动海洋造成海洋温度舜常，海温异常也可 以反过来在特定攀笋影响火气。海水的臣人热容餐使褥海洋具有“避忆”效应， 在黑潮延伸体和湾流等强西边界暖流存在的海区，s s t 异常熊够f 传到次袭层并 在次袭层持续几年( w h i t e1 9 7 4 ) 。在这些海隧，混合层深度的季节变化使冬季的 s s t 舞常信号可以跨越夏季剑次年冬季薅次枣现烈a m i a s1 9 7 0 ，1 9 箨) ，这种瑗象 被称为海温“再现蚪：冬季大气强迫和海洋释热形成s s 善异常，混合的侔用使 得s s t 异常下传铡较深的次表层；春夏季，海洋混合屡变浅使得僳罄在次表层 的s s 誓异常信号被封存在季节性温跃层9 f 西，秋冬季，海洋混合层再次加深， 海水的混合和卷挟作雳健被封存在次表层的s s t 异常信号褥次躜现在表层。如 图1 1 所示，1 ) 冬季异常豹大气嬲热( q 髓烈) 使海洋中产生溢度异常( k ) ；( 2 ) 春 季混合屡变浅，温度异常) 维持在混合层下方；( 3 ) 在接下来的秋冬季，“次混 合层的温度异常再次被卷吸( w e ) 到混合层内，影昀海洋表面的滋度。 图1 1 海温“再现”示意图 f 遥l ls e h e m a t i cd i a g r a mo fs s ta n o m a i e s 辩e 黻e 警n c 嚣 前入在使用大气环流模式研究中纬度海洋对大气环流的作用时，常常给定 s s 鬣弧l a e v ae 蠢2 1 ) 或海洋热逶量( s 喊o ne la l2 0 0 2 ；l i ue la 1 2 0 0 7 ) 异常分布型 强迫大气，但是不黼的模式模拟的绻采存在缀大麓彝。这或许是没有考虑磅t 纬度 海洋对大气俸乒辩的时蝴尺瘦的原凶。最近，联u e a 1 ( 2 7 ) 刷用n c e p 烈c a r 辫 分析资料和海气耦合模式f o a m ( f a s t 虢。醐a l 黻o s 曲e f cm o d e l ) 桶结合研究l 毫 太 平洋罴潮筵 l | l 体海温肄常对大z 环流的影响，并指烈；在季节尺度 ：，海洋对大 气的佟用缀弱，；酊在年际和迸欧时问尺泼 ：，海洋对犬气环流瓣俸j | j f 现得微渡 4 鸵事球入7 专邵漉对涟浚跃海激变纯嘲感嬲数魏援掺秘究 要。由f j 艺大西洋湾流与黑潮延能l 体嚣的槲似髓，研究湾流海溢“再现”对 太气环流的影响对理解气候变，异和短期垂候预测多有。定赡艘沦番l 实际意义。 2 北半球大气环流的研究进展 冬季l 半球的对流层中部环流的最羹要特点是在中高纬发为默极低低压为 中心的邸绕纬圈的瞒风环流，鳃风落中存在尺度很大的平均槽脊，其中有三个明 显大槽分别位于：驻溯东岸，北美东部和欧洲东部。写这三个槽并列有三个平均 脊：分别位于阿拉斯加，嚣欧沿岸翻青藏高原的北部。在对流层低层，高空北荚 大槽的东边，存在个强大的低箍，即冰岛低压( 1 0 e l a n db w ) ；它位于= | 艺大飚洋 上空。在东贬大横的东边阿留串群岛也有个强大低愿，为阿髫申低压( a l e 越i 黼 l o w ) ，主要活动在太平洋上空。这两个低压，在冬攀总是存在着，故称为拳永 久 垒的大气活动中心。 在乾大蔼洋地区的气压场中，大气坏流异常的第一空闻模念是北大两洋涛动 烈。确众t l 嚣n t i c0 s c i l l a l i o 取n a 0 ) ，它足指驻速尔高压弧z o 瓣s 鞭i 曲) 和冰岛低压之 闻海平面气压的反向变化关系，即当盟速尔地区气蘧偏赢时，冰岛地区气压德低， 反之亦然。它是= | 艺半球大气中一个显著的、南北向翘翘板式的低频振荡，它不但 影响欧驻天气和气候，丽虽还影响全球海洋和陆地生态，它与北大荫洋瀑盐环流 之问的褶甄作用对全球气候的长期变纯有调控作用，其动力学枫制及可预报牲闯 题是气象学家和海洋学家嵩度关注的重要科学课题。r o d 姚l l 等( 1 9 9 9 ) 周观测的 海温和海冰强迫大气环流模式，很好地模拟磁了l 舛7 年以来的n a i 年际、年代 际的变化，特别是近3 0 多年来的强烈增强趋势。鼙翁比较统一的观点谈为， n a o 作为一种大气内部现象，剥用大气环流模式就可以较好地模拟融来，傻 是其细节特征及其变率特点，需要考虑气候系统的其他成员，尤其是海洋的藿囊 傺用，力+ 能被模拟出来。两o m p s o n 等( 1 9 9 8 ) 纂 l l ：北半球大气环流的分耩，提出了 北极涛动( a r c t i co s c i l l a t i o n ，a o ) 的概念，它是近年束受到广泛天注的北半球热带 外地区大气环流低频变化模念，和j 大蜉洋涛动m - 起被认为是影响：l 艺半球中赢纬 度气候变化的运要因子。研究发现1 9 0 0 到1 9 9 5 年冬半年的_ n a o 和a o 确关系 数达到o 。6 9 。它嚣j 的变化原渊毛要有大气内部的动力过程，海洋的镦0 题，海洋一 大气系统榭，f ：作用以及外部强迫的作州。 5 列i 球久气臻滚砖游浚文海激变饯嘲绒豹数靛模拟蛾爽 犬气环流对中纬发s s t 变化麓嘲庹慰弹解赤道外候变纯是一个关键闯题。 热骺夫产埘s s f 钉很议的线性静“。蜘应，j 热挣人。不f d ，赤道外人 彳y 更复 杂的l 趣廊，阂为t 堙# 痰大。存在强烈昀内潍变化( i n t r i n s i ev a 痰a b 豫y ) 。研究发现， 在赤道辨地区，爿a 乎均震 季节，f 均的s s t 异常朐典型模念与大气环流异常的t 襞模态褶关性 疑好。这个捆关在当大气领先海洋一个胃的时候和冬零时候最强 ( p 列瓠1 9 7 6 ，1 9 7 8 ；骶l l e 鞠dl f i 鑫臻g1 9 8 7 ) 。在冬季，s s t 变化引起的大气环流异 常表现梵蓬盛的萨压结构，这是大气内部低频变化的典型特征。r o d w e l la 耐 捉张d 2 2 ) 发现了嘏似麴结果。在这掰顼研究中，大气响应表现为n a 0 的形 念，这是大西洋海盆最为显著的大气变化模念，特征是冰岛低蘧和阿留申低蕊强 度的反糍相关。在分析二者豹楣互关系时，也要考虑到是否有第三方外部变量的 作用，例如北大鼯洋海靛铃的遥强追。然丽，海洋和大气在如此长的时闯闯隔上 的褶关，根据研究，主要来自予藏大西洋s s 彳簿常在全年的持续，这能够用海 洋混合层的热攒性翱再现现象来辫释。 先 ； f 些基于g c m ( ( 淹n e 蹦c i 端u l 戳i 蝴m o d 嚣1 ) 的强迫实验褥到的缝果表明， g c m 中大气对赤道外s s ，异常的嘲应，在5 0 0 h p a 高度场上强度可以达到 l m 2 0 9 p m 厥。这个结果与理论相一致，僚与大气内部变化和g e m 对赤道s s 譬异常 响应楣比要小( f e 凇n t ie | 蘸l ，1 9 9 碡) 。大多数g c m 表现出了向上湿静能通量和固定 的s s f 异常的孵褶关，表碉了s s t 的衰减过程。典型的衰减率是 1 0 。2 0 删露k - l ( k 毽s h i fa 髓d 薹e l c l1 9 9 6 ) 。樱反，观测到的s s t 异常通常是被表蕊通 量驱动的。可以认为，g c m 表面通量响应可以被看作是海洋边界层溢度和湿度 对s s 下变化的热力动力润整够f a 瓣l ( i g n o u le la l 。1 9 9 8 ) 。p e 鞋g 等人的研究结果证骥， 大气响应对模式的气候态和风暴轴的变化是敏感瀚( 羚略e ta l ，1 9 9 7 ；p e 鹋敷越。 1 9 9 5 ) 。b l a d e 等的研究表骧，耦合的g c m 中，海洋能够对大气的变化给予响应， 并且麓够产生观测中得到的海洋和大气的联合变化，包括观测到的s s 下和袭慈热 通量的相关关系。耦合的g c m 能够被用束衡量s s 彳时大气反馈的显著性( b l 瑟e l9 9 7 ；s 撑a v a n a nl9 9 8 ：) 。 6 悲事球天7 环漉对湾浚这海滋蹙德昀鹰熬羧靛嫒攘矮究 。3 靶大西洋海气耦合相互终溺的骈究进展 海气耦合这个概念对解释缀多气候瑷象的特性，麸热带熬季萤德环、臻两年 振荡( n o p i c a lb i a n n 凇l0 s c i l l a t o n ，l 游) 刭嚣n s 0 ，及年代际气霰变化郡缀薰要。 海气藕合约思想是：大尺浚的s s 善异常激发了对大气舱嚣绝热宓i 演l 或冷却，跌 而改变了大气环流，进步改变海洋表衙的风庞力希潦；通骚。反过来，风麻力的 变纯改变了海洋酶热力结构和环滚，使其产生系剩的汇反馈，螽l 强襁始的s s t 异常。我们不能将海洋和大气看成是独立的两个系统，s s t 是联系l 者的中麟媒 介。海洋，大气端台是璎代气候动力学研究的基础。海洋羁大气辅趣：佟鲻足遐解 和预测气候变化的芙键。n a m 协( 1 9 5 9 ，1 9 6 5 a ，b ，1 9 7 2 ) 和b j e 傣n o s ( 1 9 5 9 ，1 9 6 4 ) 的 一系列研究致力予罨求短麓气候预报豹方法，为年代琢气候变纯等科学问题奠定 了基础。 海洋，大气藕合在中纬凄地区仍然是一个需要亟待研究的问题。骞研究表囊， 大气能够感髓到中尺度温度变化和海洋中的温度锋( s a m e l s o ne ta i 2 0 0 6 ) 。例如， 券遵不稳定波动和湾流零；超的s s 室变化改变了海嚣上的气流，影魄舞大气逮嚣 层的层结状况。层结的改变引起了边界层商度的变化，改变了表面风应力。然而， 蕊测表臻在很多蒲况下，轰s s t 舞拳伴隧着受静热邋量丽逐逮衰减。一个关键 的闷题是是磷中纬度s s t 异常能够引起个足够强的大尺度大气响应，最终通 过诿反馈热强裙始瓣湿度嚣鬻。 中纬度的暖s s t 舜常导致了个大气的非绝热加热，但和热带不同，这个立 霹产生浆对大气煎斜题响应很微嚣，嚣力潜热的释藏穰微弱。避一步，大气鸸废 是出一个相当藏压的信号通过初始扰动和大气平均流，及中纬度风暴相互作用产 生( p e 驾髓d 晒麟鼗s 黻2 l ，羚n g 馥鑫l 。1 9 9 乃。在太平洋地区，这个过程最终在 海表面压力场产生了与p n a ( p i 氛c 。舳a 瓣e r i c a ) 檩似的模念。在大魏滞，海洋 s s 善变纯麓够产生海表两鹾力辩鬻，与遵j 艺大躐洋涛动芬 起麓穰似( c z 球l 勰琏 f 黼琏矮g n 辕i1 9 9 9 ，s 珏l o n 鞠d p d s o 牲2 0 0 3 ) 。缀多耦食模式都包括了海洋剁热带涡 旋和大气瓣的襁盔俸鲻( 骶蜷鞠琏n l 融l9 鳃，c e e e i2 0 0 0 ，p f 溉e a ua 耐c e s s i 掬q l 。 海洋。大气鹅合的镬要僚在薹e 火鹾洋噬存在存争泛。个教爰的朗题足湾流 链鬣蘼 强艘熬变化毖食弓 起就大p 鸳洋游动船变化。m 疆港h a l l 但0 0 1 ) 挺硪个檄念 7 乾半球人7 环流瓣湾流海滩使亿喻舷的数靛模擞影 究 模了， l 搦合昀炭衙e l ( a n 层，海洋涡旋，和海洋热豁环流及大气急流辅组成。嫩 舷力旋发零线的绛翱移动能够导敛涡殷环流的异常，海气通量巾的渤j 匕 句的鸺极 予能够导致热熊环流的辩常。漏旋恭l 热赫环流能溯爷s s t ，f ：进步影l 秘 ：层黼犬 庐毛急流轴。关予赤道外海洋存气候变化r ，的作耀争论点在于，赤道外海洋的影 响，是甭超越了局地范f 茹l 海洋边界层的髑地热力响应，以及大尺度大气环流麓 动力特征是怎样麴。 近泉的研究发现，北大龋洋海气相互作用存在垒少随种不同的模念：在年 际尺度上，s s 誓异常与表层洋流局地相关性较强；在年代际尺度上，s s 譬异常表 现出种动力枣耋的、海簸宽尺度的特征，与大尺度海洋环流的变化紧密相关。对 予北大滔洋表豢海温与气候变率豹联系，秘e 滚n e s 蕾先注意到了海气耦合系统在 年际到年代际尺度上的褶互作用。阜甥研究诞实，毒艺大西洋高纬地区的年际变率， 表现为在s s t 和风速之阔存在负褶关。但是，透过对s s t 釉s k p 变率的研 究，8 i 棼依魏燃发现以1 9 2 0 年为中心，5 0 。n 以南的大两洋s s t 存在变暖的趋势，同 时在3 0 。n 处( 即驻速尔离藤处 ，s 盛现最距平，丽5 0 。n 以托( 冰岛低压处) ，则 出现受距平( 这种气压型帮经典的凇。图像) 。这意眯着s s t 的变暖，伴有薅风酶 加强，它显然与年际变率特征不符。因此，8 j e 攮n e s 推测，这可能是一种年代际的 变率特征与洋流变化褶联系。郎凼海洋过程决定的s s t 年代际变暖，与褶伴随的 甄速尔高压的增强、北大谣洋暖流的缓慢增强紧密联系。年际变率是混合篡海洋 与大气发生局地热交换的结果，幽大气的扰动所驱动。 北大西洋上空大气变化主要受北大西洋涛动n a o 控制。在冬季，当n a o 最强时，它控制着北半球表层大气温度及降水( 疆雠l l1 9 9 5 ) 通过惑热和潜热遽鐾 的释放柬影响海洋( c a y 被1 9 9 2 ) 。在如此强的大气内在变纯的背景下，= 艺大西洋 s s t 辫常对大气能产生多大影响，是一个值得考虑的问题。许多a g c m 模式磷 究都表明，北大嚣洋的s s t 异常能够对冬季大气的n a o 分布型产生显著彩响。 有学者指出，北大西洋三极子型的s s t 异常与大气的n a 0 之间的花反馈褶互作 用可以作为海洋影昀大气的倒班e 。l a 诋2 0 0 0 ) 隳lh o e r l i n g 篱( 2 0 0 1 ) 刘认，急这种s s t 异常对犬厶e 的影响町能柬自热带，而不是j 艺大西洋区域。这咎争议流明，大气对 海洋的昀应有模式依赖性，罐、= 蓐鼋的模式响应不同。l i u ( 2 0 0 7 ) 的结聚迁明耦余模式 的结粱能够i f 确反映的人气对海i 2 ；l l 变化强迫的响成。 8 匙中球人7 蝰漉砖滚滚涎海滋受纯麴成瓣数簸投羧辨究 c 厕a 鼙lf r a l l 黼g 聃。娃l ( 1 9 9 兮，2 0 0 2 ) 豹研究挝 ；了大气对蹲蜣的_ s s 爹并常麓蛹 应在观测上横敏的谴据。他霞l 研究了s s t 和5 0 跳妇异常磊! 水矧扛l j 黼l 时闽的麟 关系数，与之前的发现绪采不同，发现在统计上显著的桶关存在于冬零5 0 0 b 鹣 位势高度场与6 个月前的s s 彳之间s s t 来翻予主个秋零，夏季，春季) 。链们 蓖次用统汁方法涎明了晚鹱s s t 辩常对譬冬火气n a o 的顶擞町麓辑：。c a s s o u 等( 2 0 酣) 及p e n g 等( 2 0 0 5 ) 分别对晚爱这种马蹄形的s s 簟异常足如何影响早冬大甚 奈a o 盼物理枕捌进彳亍了探讨。f 貔觳心g n o u l ( 2 0 0 2 ) 等对观测资料研究的结果表明， 在北大谣洋海表热通量与s s t 异常反馈过程中，扰动热通最的反馈是主要的， 它们的樱噩作用主要呈受反馈特征。p a r k ( 2 0 0 5 ) 等研究也表明北大蹰洋热通璧与 s s t 异常的最大反馈出现在冬季，海面热通霞在海气褶互作用中似乎扮演着中介 的作爝。 许多学者用大气环流模式来研究中纬度大气对给定s s t 异常的响应( p a j m e r 鞠ds 鳓，1 9 8 5 ；薮狡娥i 鞠d b 挂，1 9 9 2 ；p 铋g 醚a l 。，1 9 鲥，1 9 9 6 ) 。这种方法被称为a m l p 方法，它所得结果差异很大，不同模式可能生成不同结果( k u s h n i re ta l 。，2 0 0 2 ) 。 有的在鹾s s 下异常下游生成楣当正悉结椽峨应；有些是线性斜压响应，暖的s s 茁 异常下游伴随着表层低压；些产生非常强的非线性响应；另外，有些试验不同拳 带魄应也不同，还有的甚至对s s 善茅负异常产生不鞠麴响应。研究表骤，在线 性理论框架下，大气对中纬度的s s t 异常响应没有可预报性( h o s k i n sa n d k 躺l y ，1 9 8 1 ) 。p 铷g 等人1 9 9 7 净q c m 试验结果显示，对同蹉s s 善异常，月 大气会产生斜压响应，而在二月的背景场下，大气却产生一个相当识聪结构。p e n g 等( 1 9 9 辨对大气是如何响应中纬度s s 零异常的物理梳制进行探讨，发现线性斜蘸 模式试验揭示了g c m 达到平衡态的响应主要是异常气旋作用的结果。“u 等人 鞲0 ) 使溺海气完全耦合模式，指磁大气嘲应严重依赖f 海气耦合过程。在搦合 试验中生成的强的暖。裹脊响应与统计结果棚致；圈定的s s t 异常强迫试验和 热动力耦合试验逝产生暖一离脊的响鹿，德强泼大大减小。这种弱的暖商脊响 应与过度内大气释放热量煮关，阂为犬气对海表热通避难黯常的响应踅嫒一低压 响应，它削弱了耦含模式鳓嫒蔚脊响应。 9 ， k 扛球人7 耶流对湾滚涎海激变佬晌癍瓣数傻模攘彰 窕 1 4 大气晌应的遥相关 令球各个域犬声环流的变化与异常是有稿关妻耋的，个嚣域环流的变化与 异常w 以g | 起另一些域环流的变化与异常，这种i 必域性环流变化与异常的棚关 性被称梵大气环流的遥耩关。 在年代际时蒯尺度上，s s t 和海洋热含量的最火异常出现在中纬度，丽并非 在热带海域( g i e s ea n dc a r 埝n1 9 9 9 】) 。关于局部海域海表温度异常导致气候异常 的阎题，现有的模式研究大都基予单纯的大气模式或海洋模式，这并不能同时考 虑大气鞠海洋_ = 二者的稍对贡献，同时也无法考虑到海气耦合过程在热带和热带外 遥楣关过程中的关键作用。 近来，许多观测资料和耦合数值实验的结果都表明j 艺大西洋和北太平洋海瓮 潮，通过海洋和大气的变化丽存在着遥楣关魄应。k e l l ya 则默；n g ( 2 0 0 4 ) 发现在 黑潮区和墨蕊哥湾流避，s s t 和热通量是敦变化的，并通过北半球环状模 斟。确e 糍a n 蕤毽l 馘m o ，n a m ) 的调节来实现。她半球环状模是赤道外北半球冬 季大气环流变化的主要模态( 强o m 黔滩a 谢w a 】l a c el9 9 8 ；翠妇j j a c ea n d 髓n m p s 鳓 2 0 0 2 ) 。h 锄文等人( 2 1 ) 也提壤冬季阿留孛低压和冰鹦低压存在显著的楣关。 此外，缀多耦合模式的研究也表明北太平洋和北大薅洋气候年代际变率有共振的 关系。( 蓊m 】隰e 黼a 嚣稚e 毫“1 9 9 8 ；w 娃勰d 撕聪2 0 0 5 ；d i 黼鑫a 感毛。魏臻糯缝赶2 0 0 7 ) 。 最近的洒水实验b 崤鞠ds 砒o 薹l2 2 ；z h a n g 嬲dd e l 啪r 娥2 0 0 5 ；s 埝u 虢fc t a l 。2 0 0 6 ；裁m m e a 强醚越，2 8 0 7 ) 进一步譬| 发了对北大西洋。太平洋遥楣关响应的 研究兴趣。在洒水实验中，大量的淡水通量异常被施加于北大蘸洋，并以此来模 拟h e i 谢c h 事件发生时，大量的陆地冰出融化进入北大西洋的现象。：l 毫太平洋变 冷被证实是局地海洋对流的关闭耐弓l 起的北大嚣洋变冷的到产品：z h 黼ga 耐 e 埝1 w o 柏2 0 0 5 ；w ue ta 1 0 8 ) 。古气候观测瓷料证明，副极地薯匕太平洋s s t 鞠格 陵兰冰芯记录存在着褶致的协同变化( 融r 磊d ae l 毪1 2 0 0 国，这个结论与近期灏水 实验的结果是致的。最近，一个海气耦合模式研究结采进步谖骥，大琵洋经 向翻转流( a t l a n t i cm e r 磷。黻lc v e 糠u m i 稚gc i 糙疆l 疆l i o a m o c ) 的关闭，会弓| 起大 气环流的变化，这个过程将把j 艺大蹰洋海洋变化的影响传播给鸵太平洋，返对影 响和渊宵东程地区的z 候有着天键的作雕( w t le ta l2 0 鹳 。存年代际时l j ，度， 的研究嗣样衷l 赠，戏测剑的爹年代际的e 半球温度变化是由j 艺犬西洋海温变化弓 i o 梵警球夭，环流_ ) l | 湾浚区海瓣蹙能镌酶熬数髓模叛磷究 越的( z h a n ga n dd e l 、 ，o 斑h2 0 0