（气象学专业论文）全域和局域哈德莱环流气候及异常特征再揭示及应用初探.pdf

摘要 摘要 本文用子午面上的质量流函数定量地表示哈德莱环流( h c ) ，论证了h c 是全( 局) 域气候子午面环流的主要构成部分，比较了e r a 4 0 、n c e p n c a r 两种再分析资料( e 、n ) 对h c 研究的适用性，分析了全( 局) 域h c 的气候 及异常特征，初步探讨了它们的成因，初步分析了东亚季风区h c 与我国气候 异常的关系。得到以下主要结论： 1 ) 通过比较全( 局) 域气候h c 质量流函数妒( 奶) 给出的质量垂直输送 强度呒( 呒，) 与由子午面实际垂直风分量f _ o 决定的实际质量垂直输送强度缈 ( 形) ，定量论证了气候全( 局) 域h c 是热带子午面气候环流的主要构成部分。 2 ) 通过气候射出长波辐射( o l r ) 极小值所在纬度与e r a 4 0 、n c e p n c a r 资料气候h c 公共上升支中心所在纬度的比较，论证了e r a - 4 0 资料较 n c e p n c a r 资料在h c 的分析中更为合理。 3 ) 全域h c 公共上升支强度演变曲线虬与质量流函数异常场y e o f 分析 第一特征向量x ，时间系数曲线正强正相关。它们的年际变化分量与e n s o 显著 正相关；各季中月的x 表明，在e 1n i f i o 事件中出现一个中心位于赤道附近的异 常经圈环流，它使l 、7 月冬半球h c 中心及公共上升支加强并向赤道靠近。该 异常经圈环流由e ln i f i o 事件时纬向平均s s t ( 妒) 在赤道附近出现的显著正异常 强迫产生。 4 ) 东亚季风区( e a ) 、东太平洋区( e p ) 气候h c 存在明显差异，且不同 于全域气候h c 。e a 区h i c 的控制范围较宽，基本在4 0 。s 4 0 0 n 之间，7 月甚 至能到6 0 0 n 以北，4 、7 月h c 公共上升支宽而强。e p 区h c 的活动范围较窄， 基本在2 0 0s 3 0 。n 之间。e a 区h c 季节变化较e p 区明显。上述h c 的区域差 异，既与所在经度区域热带洋面的强烈冷暖对比有关，也与海陆分布及地形的巨 大差异有关。 5 ) 东亚季风区( e a ) 和东太平洋区( e p ) h c 异常有明显的相关关系。e l n i f i o 事件时，e a 区h c 减弱( 7 月除外) ，e p 区h c 增强。这种相关关系与 e n s o 事件及赤道异常西( 东) 风密不可分。7 月e a 区h c 的异常及其与e p 区h c 异常和e n s o 事件的关系与l 、4 、l o 月存在明显差异。 v l 摘要 6 ) 4 、7 月东亚季风区h c 存在热带支和副热带支两个上升中心，分别与热 带辐合带( 季风槽) 和副热带辐合带( 梅雨锋) 对应；因此其异常与南海季风及 副热带季风异常关系密切。春季h c 热带支北移时问偏早，1 0 2 0 。n 上升流出 现异常偏强，南海季风爆发较早。夏季，强的副热带支上升流与江淮流域涝年对 应；反之亦然。 关键词：哈德莱环流，局域哈德莱环流，再分析资料，公共上升支，质量垂直输 送强度，e n s o v 摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e st h er a t i o n a l i t yo ft h em a s ss t r e a mf u n c t i o n ( m s f ) f o r d e s c r i b i n gh a d l e yc i r c u l a t i o n ( h c ) c l i m a t es t a t eo ft w oh c f r o me r a 4 0a n d n c e p n c a r r e a n a l y s i sd a t a s e ta r ec o m p a r e d c l i m a t ea n da n o m a l o u ss t a t eo fg l o b a l h c ，a sw e l la sr e g i o n a lh c i nt h ee a s ta s i a nm o n s o o nr e g i o na n dt h ee a s tp a c i f i c ， a n dt h e i rl i n kw i t he n s oe v e n t sa n dc l i m a t ea n o m a l i e si nc h i n aa r ei n v e s t i g a t e d b y t h ef o l l o w i n gm a j o rc o n c l u s i o n s ： 1 ) b yc o m p a r i n gt h ev e r t i c a la i rm a s sf l u xi n t e n s i t yd e r i v e df r o mg l o b a l ( r e g i o n a l ) z o n a l l ya v e r a g e da i rm a s ss t r e a mf u n c t i o na n dt h ea c t u a lv e r t i c a la i rm a s s f l u xi n t e n s i t yc a l c u l a t e db yv e r t i c a lv e l o c i t yo nt h em e r i d i a np l a n e ，w ed e m o n s t r a t e d t h a t c l i m a t o l o g i c a lg l o b a l ( r e g i o n a l ) h c i s t h em a i n p a r t o fa c t u a lv e r t i c a l t r a n s p o r t a t i o no nt h et r o p i c a lm e r i d i a np l a n e 2 ) t h r o u g hc o m p a r i n gt h el a t i t u d e so fm i n i m u mv a r i a b l e so fc l i m a t o l o g i c a lo l r w i t ht h el a t i t u d e so fa s c e n d i n gb r a n c hc e n t e rd e r i v e df r o me r a 4 0d a t aa sw e l la s n c e p n c a rd a t a ，i ti sv e r i f i e dt h a tu s i n ge r a 4 0d a t af o rh c a n a l y s i si sm o r e r e a s o n a b l et h a nn c e p n c a rd a t a 3 ) t h et i m e e v o l v i n gi n t e n s i t yo ft h ea s c e n d i n gb r a n c ho fg l o b a lh c 虬h a s p o s i t i v er e l a t i o n s h i pw i t hp c 1 a n dt h e i ri n t e r - a n n u a lv a r i a t i o n sa r e s i g n i f i c a n t l y p o s i t i v er e l a t e dt oe n s o d u r i n gt h ee ln i n oe v e n t s ，a na n o m a l o u sm e r i d i o n a l c i r c u l a t i o ni sc e n t e r e di nt h ev i c i n i t yo ft h et r o p i c s ，w h i c hm a k e st h ec e n t e ro ft h e w i n t e rh e m i s p h e r ea n dt h ea s c e n d i n gb r a n c hm o r ei n t e n s ea n dm o v et o w a r dt h e t r o p i c s a n dt h ea n o m a l o u sm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o ni st r i g g e r e db yt h ep o s i t i v e a n o m a l o u sf o r c i n go fz o n a l l ya v e r a g e d s s t 7 ( 缈) p r o f i l ea p p e a r e di nt h ev i c i n i t yo f t h et r o p i c sd u r i n gt h ee ln i n oe v e n t s 4 ) f e a t u r e so fh c i nt h ee a s ta s i a nm o n s o o nr e g i o n ( e a ) ，t h ee a s tp a c i f i c r e g i o n ( e p ) a n dg l o b a ld i f f e ro u t s t a n d i n g l yf r o me a c ho t h e nt h ea c t i v er e g i o no fh c i ne ai sw i d e rw h i c hi sb a s i c a l l yb e t w e e n4 0 。sa n d4 0 。n m o r e o v e r , i ts t r e t c h e st o t h en o r t ho f6 0 。ni nj u l y a n dt h ea s c e n d i n gb r a n c ho fh c i sw i d ea n di n t e n s ei n a p r i la n dj u l y c o m p a r a t i v e l y ，t h ea c t i v er e g i o no fh c i ne pi sn a r r o w e rw h i c hi s b e t w e e n2 0 。sa n d3 0 。n t h es e a s o n a lv a r i a t i o no fh c i nt h et w o r e g i o n si sd i f f e r e n t o b v i o u s l y h c h a sa p p a r e n t ( o b s c u r e ) s e a s o n a lv a r i a t i o ni ne a ( e p ) t h ed i f f e r e n c e s o fh c i nt h ea b o v e r e g i o n sa r er e l a t e dt ot h et h e r m a lc o n t r a s to ft h et r o p i c a ls s ta n d t h el a n d - s e ac o n t r a s ta l o n gw i t ht h ee n o r m o u sd i f f e r e n c e so f t o p o g r a p h y v 1 1 i 摘要 5 ) t h ea n o m a l i e so fh c i nt h et w or e g i o n sa r es i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e d d u r i n g e ln i n op e r i o d s ，t h ei n t e n s i t yo fh c i ne ai sw e a k e n e dw h i l et h a ti ne pi s s t r e n g t h e n e d ( e x c e p ti nj u l y ) t h i sr e l a t i o n s h i pi sr e l a t e dt ot h ee n s o e v e n t sa n d z o n a lw i n da n o m a l i e sn e a rt h ee q u a t o r i nj u l y , t h er e l a t i o n s h i p so fa n o m a l o u sh c i n e aw i t ht h a ti ne pa sw e l la st h ee n s oe v e n t sa r er a t h e rs p e c i a l 6 ) t h e r ea r et w oa s c e n d i n gb r a n c h e sf o rt h ee ah c i nb o t ha p r i la n dj u l y , w h i c ha r ec o n n e c t e dw i t hi t c z ( m o n s o o nt r o u g h ) a n ds u b t r o p i c a lc o n v e r g e n c e z o n e ( m e i - y uf r o n t ) r e s p e c t i v e l y t h e r e f o r ea n o m a l o u sh c i sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h e a n o m a l i e so fs o u t hc h i n as e am o n s o o na n ds u b t r o p i c a lm o n s o o n i ns p r i n g ，t h e t r o p i c a lh c b r a n c hm o v e sn o r t h w a r de a r l i e r , t h ea s c e n d i n gb r a n c hi n10 - 2 0 0n i s a n o m a l o u s l ys t r o n ga n dt h es o u t h c h i n as e am o n s o o nb r e a k so u te a r l i e r i ns u m m e r , t h ei n t e n s es u b t r o p i c a la s c e n d i n gb r a n c hi sr e l a t e dw i t hs u r p l u sr a i n f a l li nt h e y a n g t z e h u a i h er i v e rv a l l e ya n dv i c e v e r s a k e yw o r d s ：h a d l e yc e l l ，l o c a lh a d l e yc e l l ，r e a n a l y s i sd a t a ，a s c e n d i n gb r a n c h ， v e r i t i c a la i rm a s sf l o wi n t e n s i t y , e n s o i x 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：跹签字日期：j 弓乙j 业 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通过网 络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保 密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括干l j 登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究生部办理。 口公开口保密( 年月)( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：勉签字日期： 第一章绪论 第一章绪论另一早三百t 匕 1 1 哈德菜环流的重要性 按叶笃正等( 1 9 5 8 ) 、l o r e n z ( 1 9 7 6 ) 定义1 1 ，2 1 ，哈德莱环流( h a d l e yc e l l ， 以下简记为h c ) ，是热带地区子午面( 即经圈平面) 上行星尺度的直接热力环 流圈。h c 是大气中尺度最大、强度最强的垂直环流系统，它由两个闭合环流圈 构成，其公共上升支与热带辐合带( i t c z ) 对应，而下沉支与两半球副热带高 压带对应，其位置、强度存在明显的季节变化【1 7 1 。为叙述方便，本文将沿纬圈 平均的h c 称为全域h c ，个别经度或经度区间上的h c 称为局域h c 。 h c 的研究历史可追溯至h a d l e y ( 1 7 3 5 ) 的工作8 1 ，且绵延至今。可以认为， h a d l e y 的工作是从物理学角度认识信风的丌端，是科学意义上的大气环流研究 的开端。而在二次大战以来基于现代气象观测( 地面和高空) 的大气科学的发展 中，h c 研究始终处于重要地位【1 ，2 1 。 众所周知，在地气系统的能量平衡中，热带区域是能源所在【1 ，2 1 。根据对地 气系统辐射平衡的估算，年平均辐射平衡的0 值线约位于3 5 0 n ( s ) 附近，热带 是正值区。热带海洋、大气吸收的太阳辐射能量占地气系统吸收太阳辐射总量的 主要部分，通过海、气环流将热量向热带外输送，它驱动了全球海洋和大气环流， 是地球气候系统的主要能量来源。在热量由热带向热带外输送的过程中，h c 是大气环流中最主要的角色。h c 低层将水汽向赤道输送，在上升支中水汽凝结 释放潜热，其垂直支的绝热加热效应平衡着自由大气中热通量的辐散和大气的非 绝热加热1 9 ，1 0 1 。 大量研究表明1 1 ，弘12 1 ，在热带，经圈环流对角动量的输送占主导地位，对维 持全球气候系统的角动量的平衡起着重要作用。角动量通过h c 自东风带的近 地面层被输送到高空去，再由高空通过大型扰动向中高纬度输送，然后由湍流送 到西风带的近地面层，最终回到地面。h c 下部水平支施加于大气的惯性矩与 近地表角动量的制造相平衡，上部水平支反号的惯性矩与涡动角动量通量的辐合 ( 散) 相平衡【l o l 。 h c 的季节变化对两半球之间的质量交换也有显著作用。随着太阳直射点的 南北移动，跨赤道的h c 上下层促进了跨越赤道的质量交冽1 3 ，1 4 1 。 h c 在大气总环流中起着重要的作用【1 0 1 。作为大气环流中的主要成员，h c 第一章绪论 与其它成员东西风带、西风急流、大型涡旋、平均槽脊和平均温度场等之间 有着密切的关系。首先平均经圈环流是大型扰动所引起的热量和角动量的水平输 送和垂直输送，再加上不均匀的非绝热加热作用共同形成的，在三圈环流形成的 同时，在地球自转的作用下必然产生地面的东西风带，这时后者通过摩擦和大型 涡旋对动量的输送又对经圈环流发生作用，因此经圈环流和东西风带是相互作用 的【1 1 。 h c 对全球气候系统有着重要的影响。h c 维持了低纬的温度梯度，h c 的 增强会使赤道附近云量增加，上层水汽增加，副热带地区云量减少【1 5 】，使得中纬 纬向风切变增加1 1 6 1 ，使冬季高纬度地区变吲1 7 1 。h c 和w a l k e r 环流充当了连接 太平洋、大西洋的桥梁，使太平洋的e n s o 信号传到大西洋【1 8 】。南亚季风区的 h c 体现了引起南亚季风变率的非绝热加热梯度的变率，该地区h c 强度与印度 季风降水有显著的正相关关系【1 9 】。撒哈拉和中国西北沙漠地区的经圈环流在干旱 气候的形成中起了决定性的作用【2 0 l 。 1 2 研究进展 虽然纬向平均的子午面上三圈环流已经由f e r r e l ( 1 8 5 6 ) 、b e r g e r o n ( 1 9 2 8 ) 1 2 】确定，但它是基于早期有限地面观测和间接高空观测基础之上的定性研究结 果。二次大战中出现并在其后逐步完善的高空观测为h c 的定量研究提供了可 能，我们可以将1 9 5 0 s 以来的现代气象观测为依据的h c 研究进展划分为两个 阶段来阐述h c 的研究进展。其第一阶段是1 9 7 0 s 末以前，第二阶段是1 9 8 0 s 以来，两阶段的时间跨度均已近3 0 年历史。这种划分的重要科学依据是由h c 性质及热带区域观测系统发展及观测资料状况决定的。h c 几乎占据了热带区域 ( 3 0 0 s 3 0 0 n ) 的整个对流层大气，而热带区域的高空观测系统至少在1 9 6 0 s 末、1 9 7 0 s 初还很不完备，由文献【2 1 】给出的无线电测风台站分布，大西洋、中 东太平洋和印度洋部分区域，测站十分稀疏。1 9 8 0 s 以来，伴随世界天气监测网 ( w w w ) 的建设、全球大气环流模式和客观分析技术的发展，热带区域大气观 测资料的条件已取得突破性进展，e c m w f ( 欧洲中期天气预报中心) 1 2 2 】和 n c e p n c a r ( 美国国家环境预报中心国家大气研究中心) 2 3 , 2 4 】再分析资料的出 现是其标志。另外，1 9 5 0 s 以来，数值模式的发展使h c 的动力学研究成为重要 手段。多元分析技术( 如经验正交函数( e o f ) 分析、奇异值分解( s v d ) 方法 2 第一章绪论 等) 在h c 的诊断分析中也起到了重要的作用。因此，在1 9 5 0 s 以来的两个阶 段中，h c 的研究取得了前所未有的进展。 l ，l9 5 0 7 0 s 阶段 1 ) 全域h c 研究进展 该阶段全域h c 研究集中在两个方面：( 1 ) 利用日益丰富的观测资料直接 计算出h c ，证明全域h c 的存在；( 2 ) 利用角动量等输送的计算以及数值模 式讨论全域h c 成因及其在全球大气环流维持中的作用。 1 9 5 0 年p i e h l 等1 2 5 】利用海上记录证明了全域h c 是存在的。t u c k e r 【2 6 】利用整 个北半球上的表面风证明了低纬正环流( h c ) 和中纬逆环流( e c ) 的存在。 叶笃币纠i 】利用b u c h 所作的关于1 9 5 0 年高空风的统计，给出了该年北半球经圈 环流的图像，这是第一张子午面上纬向平均h c 图象；它表明，北半球h c 冬 季强，范围大，夏季弱、萎缩，且整个h c 作季节性移动。o o r l 掣5 j 和n e w e l l 等【4 】利用资料分析证实南北半球三圈环流的存在，且冬半球h c 占主导地位。以 上观测研究给出了全域h c 的图像，证明了它的存在，并发现了它的季节变化。 这些工作彻底结束了全域h c 是否存在的争论。 同时一些学者对全域h c 的成因及其在全球大气环流维持中的作用进行了 深入的探讨。郭晓岚【2 7 。2 9 l 在1 9 5 4 1 9 5 6 年的一系列工作中以热流量方程代替热传 导方程，将温度场完全作为未知数来处理，得到了经圈环流的略图，在对流层中 低纬度有一个直接环流，并确定了热量源汇和动量源汇的不均匀分布对平均经圈 环流的形成起了重要作用。1 9 5 4 年p h i l l i p s 使用两层斜压模式的小扰动方程，忽 略了摩擦和非绝热作用，只考虑热量和动量的涡旋输送，也得到三个弱的经圈环 流。1 9 5 6 年他1 3 0 】进一步做了非线性大气环流的数值试验，采取两层斜压模式， 考虑非绝热加热作用和摩擦作用后，将运动方程、热流量方程和连续方程沿纬圈 方向的平均，得出了加热、摩擦和涡动项对平均经圈环流的形成起了重要作用。 叶笃正等1 1 】全面总结了这一阶段的研究，指出大气平均状态中存在的三圈环 流和地面东西风带是不均匀加热、地球自转、大型涡旋对动量及热量输送和摩擦 共同作用来形成和维持的；给出了h c 将西风角动量从热带地面源区向热带外 输送并维持中高纬西风带的完整机制。 2 ) 局域h c 研究进展 第一章绪论 局域h c 指某经度上或某经度区间上的子午面h c 。由于热带区域海陆和 海表温度经向分布存在明显的纬向差异，局域h c 应当存在差异；这种差异是 区域气候差异的直接控制因子。上世纪6 0 年代，利用同益丰富的热带区域观测 资料，人们发现，不同经度处h c 存在很大差异【3 1 1 ，从而展开了对局域h c 的 研究。 叶笃j 下等【3 2 1 乇- t - 算了7 月o o 5 0 。n 、5 0 。e 1 3 0 。w 范围平均的各层垂直运动， 指出1 3 0 。e 以西为西南季j x l 区，无论是经向环流或纬向环流，该区域和1 6 0 0 e 以东的东太平洋区都有着巨大的不同。由于孟加拉湾到亚洲大陆在夏季是个巨大 的热源，所以西南季风区的上升气流范围很大，自孟加拉湾到青藏高原都是如此。 1 6 0 0 e 以东的中东太平洋的经圈环流则是经典的热带海洋上升副热带地区下沉 的h c 。 符淙斌【3 3 l 首先对冬、夏季东太平洋( 1 2 0 。1 4 0 。w ) 和西太平洋( 1 4 0 。1 6 0 。w ) 地区的平均经圈环流作了比较研究；为了避免东亚季风区的影响，把西太 平洋区的位置选得较东。他发现热带太平洋地区的平均经圈环流与全纬圈平均比 较，其基本型式和季节变化特点比较相似，但东西太平洋的平均经圈环流却有显 著不同。他认为这是东西太平洋海表温度( s s t ) 的明显差异、特别是东太平洋 赤道冷水带的存在造成的。东太平洋发达的赤道冷水区、西太平洋海洋岛屿的暖 水区造成了东冷西暖的海洋热力结构，由此强迫产生出其上空有显著差异的局域 经圈环流。由多年平均卫星云图可以看到，东太平洋由于赤道冷水的存在，与辐 合带相配合的主要多云带，四季一直维持在5 。n 左右，而冷水区上空为一个少 云带。由此，构成了垂直气流的主要分布特征。雷兆崇i 蚓计算了1 9 7 9 年6 月高 原附近经圈环流的流函数，结果表明，高原中部平均经圈环流及逐日经圈环流第 二模态是由于不均匀的非绝热加热强迫形成的，体现了青藏高原对初夏经圈坏流 的巨大影响。 局域h c 与其下垫面s s t 关系密切，比如东、西太平洋s s t 的差异导致了 其上不同形态的h c ，因此s s t 的异常会使得其上的h c 产生异常。学者们也 对局域h c 的变化与e n s o 的关系进行了研究。陈烈庭等【3 5 】研究了赤道s s t 异 常对其上h c 的影响，发现当赤道东太平洋s s t 异常增暖时，其上空同期的h c 发展，南、北半球各存在一个h c ，北半球的较强；当赤道东太平洋s s t 异常 降温时，其上h c 不发展。符淙斌等【3 6 ，3 7 】分析了赤道太平洋增暖的1 9 7 2 年1 2 4 第一章绪论 月与异常偏冷的1 9 7 3 年1 2 月太平洋低纬地区的月平均环流，指出赤道东太平洋 s s t 异常增暖和冷却的情况下，太平洋上空的局域h c 表现为两种不同形式。 2 ，1 9 8 0 s 以来阶段 1 ) 全域h c 研究进展 该阶段h c 研究，依据改善的资料条件、数值模拟和现代多元分析技术， 对全域h c 的气候及其异常的定量描述、全域h c 的气候变化、全域h c 异常 ( 变化) 与气候系统异常( 变化) 关系进行了深入的研究。 全域h c 气候态及其成因 o o n 等【6 】用1 9 6 4 - - - 1 9 8 9 年的全球高层风场逐日资料的研究表明，h c 中心强 度、纬度及高度存在明显的季节变化，冬半球的h c 在热带地区占主导，其上 升支在夏半球而下沉支在冬半球。再分析资料出现后，全域h c 的季节变化特 征得到了进一步的揭示。d i m a 等1 1 4 】利用经验币交分解( e o f ) 分析了气候态的纬 向平均经向环流圈的年循环，指出经向环流圈可以分解为强度相当的两部分：一 个是关于赤道的不对称型分布，另一部分是经典的关于赤道对称部分。关于赤道 的不对称型分布的主要驱动来自热力赤道位置的改变【4 】，而跨赤道和赤道对称部 分在年循环中强度变化相反，二者共同决定了经向环流圈的强度f 3 8 1 。 h e l d 等【3 9 1 、l i n d z e n 等1 4 0 】和h o u 等【4 l 】在模式中加入潜热加热反馈作用，并 在冬夏季将造成上升运动的加热源置于离赤道一段距离的位置，模拟出了冬夏季 低纬度穿越赤道的经圈环流，l i n d z e n 等进一步指出经圈环流绝大部分是穿越赤 道的，理想的赤道对称型几乎不存在。说明h c 对下垫面温度分布的赤道不对 称性非常敏感，即使将加热源偏离赤道一点点，也会产生不对称分布，且比经典 的赤道对称型环流更强。f a n g 等f 4 2 】考虑了加热随时间的变化，发现季节变化不 像l i n d z e n 预测的那么突然。因此，h c 季节变化的直接原因是热赤道的季节移 动，其根本原因是太阳直射点的南北移动，海陆分布也起了相当大的作用。 全域h c 异常及其成因 h c 的诸成因l lj 中，地球表面加热的经向差异是导致h c 异常最主要的外强 迫因素，因此，热带海温异常可以导致h c 的异常；而地形则是异常的动力强 迫因素【4 3 】。t r e n b e r t h 等【4 4 ，4 5 1 还认为h c 主要的驱动力来自副热带。原因是该地 区全球蒸发量最大，h c f 氐层气流将这里的水汽向赤道输送，水汽在赤道上升运 5 第一章绪论 动作用下凝结释放潜热，影响h c 强度；同时中纬度风暴轴上的瞬变斜压波对 副热带的冷却作用也可以驱动h c 。 王盘兴等( 1 9 9 4 ) 1 4 6 】在分析l a pg c m 数值试验结果时，从1 9 8 3 年的h c 中分离出一个由异常s s t 产生的热力强迫产生的纬向平均异常热力j f 环流，它 在赤道附近的南半球- n 上升，在北半球一侧下沉，从而导致h c 在e ln i f i o 事 件中的异常。o o r t 等( 1 9 9 6 ) 1 6 】的研究表明h c 和e n s o 循环有着显著的相关， 当赤道东太平洋s s t 正异常时，出现在热带证常的冬季环流上的是两个加强的 直接h c 圈，在冷位相时是弱的h c 圈。程亚军等( 2 0 0 2 ) 1 4 7 1 分析了1 9 5 8 1 9 9 8 年间的h c ，结果表明，所有强e ln i f i o 时间同期h c 强度均发生显著异常。周 波涛等( 2 0 0 6 ) 1 4 8 1 研究了全域h c 冬季北半球及夏季南半球环流圈强度的年际、 年代际变化特征及年际尺度上h c 强度与s s t 的关系，结果表明北、南半球环 流幽强度均与n i n 0 3 区s s t 正相关，且这种相关性具有年代际变化特征。马杰 等( 2 0 0 7 ) 4 9 1 的研究表明冬季北半球h c 强度变化在年际尺度上与e n s o 循环 关系密切，但它的增强趋势很可能与e n s o 无关。 以上研究均将南、北半球h c 分开研究，主要针对北半球冬季环流罔。在 冬、夏季，冬半球的h c 强盛，侵入夏半球，使得半球的h c 的影响不仅仅局 限于半球内部，且根据热力适应原理1 5 0 1 ，北、南半球h c 的公共上升支受下挚 面s s t 的影响极大。而将南、北半球的h c 作为一个整体来讨论其异常的研究 相对较少。 全域h c 气候变化 2 l 世纪的头几年，全球变暖背景下的全域h c 气候变化成为人们关注的焦 点。c h e n 等和w i e l i c k i 等【5 1 1 认为19 9 0 ，sh c 有所增强。q u a n 等1 5 2 1 、h u 等 【5 3 1 和c l e m e n t 【5 4 1 的研究也表明在过去的几十年罩冬季h c 有强烈的增强趋势。文 献 4 8 发现冬季北半球h c 呈现出明显的增强趋势，且环流中心位置南移，高度 上升。m i t a s 等阮5 6 1 用多种再分析资料发现过去的几十年里冬季h c 有强烈的增 强趋势，但探空资料及模式结果却发现h c 强度应是减弱的。t r e n b e n h 【5 7 】和h e l d 等【5 8 】认为h c 是否增强仍然是个问题。 研究还发现1 9 7 9 年以来h c 有向极扩展的趋势。文献 5 9 6 1 发现在全球增 暖背景下( 温室气体浓度增加) ，h c 有减弱且向极扩展趋势。h u 等f 6 2 】的研究表 明，三种再分析资料和三种o l r 资料均显示出1 9 7 9 年以来h c 夏秋两季有明 6 第一章绪论 显的向极扩展的趋势。s e i d e l 等( 2 0 0 8 ) 也将h c 的向极扩展作为热带扩张的证 据之一，并且与其他的证据( 平流层臭氧浓度、热带对流层项的高度、副热带急 流的位置等) 相互验证，由此带来的干旱等问题引起了广泛的关注。 2 ) 局域h c 研究进展 上一阶段的研究已经表明，局域h c 与全域h c 有所差别，不同区域的h c 也有明显差异，并认为s s t 的纬向差异是造成东、西太平洋h c 差异的原因。 但受资料限制，多数只对短年代或某些特殊年份进行。 近年来，陈月娟等( 2 0 0 1 ) 【6 3 1 利用较长时段的n c e p n c a r 再分析资料分 析了1 9 6 1 1 9 9 7 年1 、7 月全域h c 和l1 0 - 1 4 0 0e 范围的h c ，发现它们存在很 大差异，并研究了h c 相对强度的年际变化。 学者们也研究了局域h c 对s s t 异常的响应。陈月娟等( 1 9 9 2 ) 1 6 4 l 对 1 9 8 2 1 9 8 3 年和1 9 8 6 1 9 8 7 年两次e ln i f i o 事件太平洋上空的h c 进行了分析和 数值试验，发现同是e ln i f i o 事件，但因s s t 异常的强度、范围和持续时问不一 样，对太平洋上空h c 的影响也很不一样。孙柏民等( 1 9 9 8 ) 1 6 5 】的研究表明热 带太平洋s s t 东冷西暖( 1 9 8 4 - - 1 9 8 5 年冬季) 的海温型使东亚地区h c 加强，而 东暖西冷( 1 9 8 2 1 9 8 3 年冬季) 的海温型使东距地区h c 减弱。w a n g ( 2 0 0 2 ) 1 6 6 1 的研究表明，e n s o 暖位相时西太平洋和大西洋地区h c 减弱，而东太平洋地 区h c 力口强。 g o s w a m i t l 9 】指出用经向风切变( 8 5 0 h p a 与2 0 0 h p a ) 表示的南亚季风区h c 指数与扩展的印度季风降水指数有显著的j 下相关关系，原因是南亚季风区的h c 体现了引起南亚季风变率的非绝热加热梯度的变率。陈月娟等【6 3 】认为7 月 1 l0 - 1 4 0 0e 的h c 可能与我国旱涝有极大的关系。 这一阶段的研究工作包括了局域h c 气候特征，其异常对s s t 异常的响应 及其对区域气候的影响。主要的研究区域为东亚、南亚、及东、西太平洋地区。 而与全域h c 相比，局域h c 的研究工作还较缺乏。东亚季风区( 1 0 0 , - - , 1 4 0 0 e ) 作为热带太平洋、印度洋过渡区域，是南北半球季风相互作用的重要区域，环流 异常的成因较复杂f 6 7 l ，其上h c 应与我国气候异常联系密切。文献【6 8 】认为这一 区域的海气相互作用属二元型，除了e n s o 过程，还应存在另一重要过程； 而热带东太平洋区属单元型，e n s o 是唯一重要的过程。因此，东亚季风区 7 第一章绪论 ( 1 0 0 1 4 0 0 e ) 与东太平洋区( 8 0 1 2 0 0 w ) h c 是研究的焦点。我们认为，这两 个区域的h c 研究尚存在以下问题。 陈月娟等( 2 0 0 1 ) 6 3 1 在研究中采用的h c 相对强度有较大的局限性，且未 讨论东亚季j x l 区h c 的季节变化。而东太平洋区h c 气候态尚未利用较长时段 资料的研究。h c 对s s t 异常的响应也以个例分析为主。由于h c 存在明显的 季节变化，其上升支随热赤道南北移动，因此，不同季节e n s o 事件对局域h c 的影响可能存在明显差异，这是一个有待研究的问题。另外，g o s w a m i l l 9 峙旨出南 亚季风区h c 与印度季风降水有显著的正相关关系，而东亚季风要比南亚季风 复杂；文献【6 3 】认为7 月11 0 - 1 4 0 0 e 的h c 可能与我国旱涝有极大的关系，但没 有进行具体的分析。 值得指出的是，作为 l c 诊断研究的基础，在最近6 0 年的h c 研究历史中， p a l m e n 等( 1 9 6 3 ) 6 9 1 丌始使用子午面上的质量流函数沙表示h c ，以及1 9 8 0 s 以来出现了多种再分析资料。它们推动了h c 的研究，下面对其作简要概括。 1 ，h c 直观定量表示 h c 的直观表示常用两种方法：一种是用子午面上的风矢量即旷= v j + w f c 直 接表示，另一种是用其无辐散部分、即旷= 无+ 吃中的元的质量流函数来表示。 子午面上的质量流函数沙最先是由p a l m e n 等( 1 9 6 3 ) 【6 9 ，7 0 l 用于h c 表示的，因 其客观定量，成为表示全域h c 的常用方法。k i d s o n 等( 1 9 6 9 ) 1 7 h 提出了用修 正后的【1 ，】场计算的方案，这罩称其为传统的计算方法；该方法只用到子午 面上矿的1 ，分量。 吴困雄等( 1 9 8 8 ) 1 7 2 1 指出传统的计算方案在数学和物理两方面均存在若干 问题，并提出了一种迭代求少的方法，这里称其为求缈的迭代方法；该方法用到 子午面上矿的1 ，、w 分量。王盘兴( 1 9 9 4 ) 4 6 1 在计算模式大气平均经圈环流质量 流函数时，从环流定常假设出发，提出了一种计算l f ，的双向( 向上、向下) 叠加 计算方法，避免了迭代运算，这里称为求的叠加方法；该方法只用到子午面上 旷的v 分量。由于叠加方案较迭代方案明显简化，而其计算结果与迭代方案非常 接近【7 3 1 ，本文全部沙计算均采用该方案( 具体计算步骤见第二章) 。 由的定义知，缈是子午面上矿的质量流p 旷= p v j + p w 石无辐散分量对应的 8 第一章绪论 流函数。显然，沙表示的仅是子午面实际环流的一个部分。故矿、沙表示的是子 午面上的两种环流。由此出现一个基本问题：h c 究竟是由疙( 因而也是由缈) 还是由旷给出子午面上的环流圈? 由于p 矿中包含的辐散( 辐合) 分量导致子午 面问的质量交换，它产生等纬面上的环流( 如赤道垂直平面上的沃克环流) ，与 h c 无关；因此，由给出的低纬正热力环流圈应足h c 的更准确的表示。 矿、给出的子午面上环流的差别，至今尚无定量的分析。而这种分析对于 确定h c 在热带垂直环流中的重要性是不可缺少的；同时，它也是确定在何种 场合可以认为子午面上的运动分量旷是h c 的近似表达。 2 ，再分析资料差异 1 9 8 0 s 至2 0 世纪末，出现的多个版本的e c m w f 及n c e p n c a r 再分析资 料。它们是2 0 世纪大气科学发展的综合成果，其应用己涉及到大气科学研究和 业务的各个方面，也为h c 的深入研究提供了前所未有的条件。但是，在用再 分析资料分析实际问题时发现，e c m w f 和n c e p n c a r 两种资料在某些方面存 在较大的差异，甚至同一种再分析资料的不同版本间，也存在很大差异。 b r o m w i c h 等发现在南半球中高纬m s l p 等资料e r a 一4 0 资料与观测资料 更加接近。t r i g o 等【7 5 】认为e r a 4 0 资料对风暴轴的描述更加细致。z h a o 等1 7 6 】 对比了e r a 4 0 、n c e p n c a r 、n c e p d o ea m i p 2 及j r a 2 5 资料的越赤道 气流，表明n c e p n c a r 、n c e p d o