南、北半球大气的相互作用和越赤道气流的气候学研究

摘要

越赤道气流是热带大气环流的重要组成部分，其通道的分布与全球大气环流紧密相联，也可以说，越赤道气流是南、北两半球间大气相互作用的纽带。本文采用评估后认为较可信的再分析资料全面系统地探讨了越赤道气流的分布及气候学特征；分析了由越赤道经向风引起的南、北半球间的大气质量输送；进而，根据牛顿第二运动定律，利用质量输送的结果导出了半球间行星热对流环流对应的“第一推动力”和地表特性差异所导致的准定常行星波所对应的“第二推动力”的比值；最后探讨了越赤道气流与秋季江南降水的关系。主要结论如下： (1)通过计算南、北两半球大气之间的经向质量通量，发现NCEP/NCAR、NCEP-DOE AMIP-2、ERA40和JRA25四种再分析资料之间存在着很明显的差异，采用经向大气质量交换和半球平均地面气压的相互制约关系来衡量资料。总的来说，ERA40和JRA25中，当质量通量越过赤道向北时，对应北半球平均地面气压增高；向南时，气压降低，满足上面的制约关系。然而，NCEP1中地面气压的变化趋势与越赤道大气质量通量的方向相互冲突。进一步，将研究扩展到了60°S～60°N，这四种再分析资料经向质量通量的差异依然非常显著，其中ERA40的结果最为合理，JRA25的结果比较合理。或许，这四种资料的经向风场都存在虚假的趋势，尤其是在NCEP1中，NCEP2较NCEP1有了一定程度的改进，但仍不及ERA40和瓜JRA25。四种资料之间存在差异的原因可能与他们所采用的不同同化过程和参数化过程等有关。 (2)利用较为可靠的ERA40再分析资料作为观测资料，对AMIP中的八个大气环流模式进行了评估。就纬向平均的越赤道整层大气质量通量来说，NCAR-CCSM3_0、MPI-ECHAM5和LJKMO-HADGEMl模式的结果大体上与观测资料较为一致；MIROC3_2-MEDRES和lAP-FGOALS1-0-G两个模式在模拟大气整层质量通量方面有待进一步的改进和提高。根据赤道上经向风速的垂直分布，将大气分为四层，分别为700hPa～Ps，300～700hPa，70～300hPa和10～70hPa。各模式对于700hPa～ps(I1)和70～300hPa(I3)这两层质量通量的模拟能力普遍较好；对于300～700hPa(I2)质量通量的模拟，各模式的结果差别较大，与观测最为接近的模式为UKMO-HADGEM1，而IAP-FGOALS1-0-G、CNRM-CM3和MIROC3-2-MEDRES三个模式对于I2的模拟能力有待提高；除MIROC3-2-MEDRES外，其他七个模式基本能够模拟出10～70hPa(I4)质量通量的季节变化。整体来看，UKMO_HADGEM1在越赤道大气质量通量方面的模拟能力最好，MPI-ECHAM5模式的模拟能力较好；NCAR-CCSM3-0、GISS-MODE[LE-R和GFDL-CM2-1三个模式在某些压力层内具有较好的模拟水平；MIROC3-2-MEDRES模式对整层、300～700hPa层的模拟能力较低，而对700hPa.以下层和70～300hPa层的模拟水平较高；IAP-FGOALS1_0_G和CNRM-CM3模式在模拟越赤道大气质量通量方面有一定的不足之处。 (3)越赤道经向质量输送主要集中在700hPa～(Ps(I1)和70～300hPa(I3)这两层内，高、低层互为补偿。季风区(E)的这两层内的质量通量要明显强于沿纬圈平均以及非季风区(W)的情形。分析可知，可以用质量通量的变化率来表征平均作用力，无论全纬圈，(E)区和(W)区，【F1】和【F3】都较[F2】和[F4】大很多。无论夏季、冬季，还是低层、高层，(E)区内的力都要大于整个纬圈平均的推动力，而(W)区内的力都要小于整个纬圈平均的推动力。“第一推动力”与“第二推动力”之比在夏季对流层低层为4:1，冬季低层为3:1夏、冬季高层均为2.5:1。平均来说，两推动力功效之比大约为3:1。 (4)利用比较可靠的再分析资料ERA40对于越赤道气流的通道分布及其若干气候学特征进行了分析。确定了对流层高、低层越赤道气流的代表层分别为925hPa和200hPa。并通过各经度与经向风速最大格点的相关性，选定了气候平均状态下的越赤道气流通道：对流层低层的夏(冬)季共有8(9)条越赤道气流；对流层高层夏(冬)季共有3(9)条越赤道气流。判定后的越赤道气流通道中，明确认为70°E附近不存在稳定的越赤道气流，提出以往研究中并未公认的西半球夏季低层的102.5°W和12.5°W两支越赤道气流。进一步考察了各支越赤道气流及纬向平均的经向风距平序列的气候变率，结果表明，各越赤道气流具有其特有的长期趋势和年代际变化，不可一概而述(详见正文)。并采用小波分析后得到了各支越赤道气流的显著周期，整体来看，夏季对流层低层的各支越赤道气流除70.0°W外，都曾在某个时段具有2～4年左右的显著周期。 (5)纬向平均的经向风的垂直传播同时具有上传和下传两种模态，对应时间系数序列都以准两年为显著周期，以向上的垂直传播为主，兼有下传，且向上传播要快于向下传播速度。各支越赤道气流的结果如下：42.5°E、105°E、127.5°E和150°E这四支越赤道气流强度距平的垂直传播特征基本相同，它们同时具有上传和下传两种模态，时间系数都以准两年为显著周期；以向上的垂直传播为主，向上传播要快于向下传播速度。87.5°E越赤道气流强度距平的垂直传播同时具有单一上传和上、下传并存两种模态。70.0°W越赤道气流强度距平的垂直传播同时具有上传为主、兼有下传和单一下传两种方式。102.5°W和12.5°W越赤道气流强度距平的垂直传播同时具有下传、上传两种模态，以向下的垂直传播为主。 (6)通过分析夏季越赤道气流与中国秋季降水间的关系，发现夏季105°E越赤道气流与秋季江南降水存在显著的正相关关系。可是，为什么越赤道气流会超前降水的变化一个季节之久?研究表明，秋季此支越赤道气流与同期江南降水的相关比夏季越赤道气流与秋季江南降水的相关性更高。夏季与秋季105°E越赤道气流间的相关也很高，说明夏季105°E越赤道气流的异常比较容易持续到随后的秋季，而秋季105°E越赤道气流与秋季江南降水也有显著的正相关关系，这样，夏季越赤道气流与随后的秋季江南降水也呈现出显著的正相关特征。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文的研究意义

1.2南、北半球大气相互作用和越赤道气流研究回顾

1.2.1越赤道气流通道的时空分布特征

1.2.2越赤道气流的气候学特征

1.2.3越赤道气流与其他天气、气候系统的联系

1.2.4南、北半球大气相互作用及越赤道气流通道的形成机制

1.3问题的提出

1.4研究内容和章节安排

1.5本文主要创新之处

参考文献

第二章从经向质量通量角度对再分析资料的比较

2.1引言

2.2资料和方法

2.2.1资料

2.2.2方法

2.3纬向平均经向质量通量和地面气压变化的对比分析

2.3.1越赤道整层质量通量

2.3.2南、北半球平均地面气压的变化

2.3.3全球整层大气质量经向交换

2.3.4越赤道质量通量的垂直分布

2.4越赤道经向质量通量的纬向分布特征

2.5四种资料越赤道经向质量通量的纬向分布差异

2.5.1 NCEP 1与ERA40

2.5.2 NCEP 2与NCEP 1

2.5.3 NCEP 2与ERA40

2.6赤道地区四种再分析资料经向风的比较

2.7结论和讨论

参考文献

第三章AMIP模式对南、北半球间大气经向质量输送的模拟

3.1引言

3.2采用模式概况

3.3模式对越赤道整层质量通量的模拟

3.4模式对分层的越赤道质量通量的模拟

3.5对越过其它纬度整层大气质量通量的模拟

3.6结论和讨论

参考文献

第四章南、北两半球之间的大气质量输送和推动力

4.1引言

4.2资料和方法

4.2.1资料

4.2.2方法

4.3半球间经向质量通量的气候学特征

4.3.1分层依据

4.3.2越赤道经向质量通量的年变化特征

4.4南、北两半球大气之间的推动力

4.5小结

参考文献

第五章越赤道气流的气候学特征

5.1引言

5.2资料介绍

5.3越赤道气流通道位置的分布和范围

5.3.1对流层高、低层越赤道气流代表气压层的选取

5.3.2气候平均下的通道中心及范围

5.4越赤道气流的季节循环

5.5越赤道气流的多年变化及其主要周期

5.5.1对流层低层

5.5.2对流层高层

5.6越赤道气流的年际变化

5.7越赤道水汽输送

5.8结论和讨论

参考文献

第六章越赤道经向风异常的垂直传播特征

6.1引言

6.2资料和方法

6.2.1资料

6.2.2方法

6.3赤道地区纬向平均经向风的垂直传播特征

6.4各支越赤道气流的垂直传播特征

6.4.1 42.5°E越赤道气流

6.4.2 87.5°E越赤道气流

6.4.3 105°E越赤道气流

6.4.4 127.5°E越赤道气流

6.4.5 150°E越赤道气流

6.4.6 102.5°W越赤道气流

6.4.7 70°W越赤道气流

6.4.8 12.5°W越赤道气流

6.5小结和讨论

参考文献

第七章越赤道气流与中国降水的关系

7.1引言

7.2资料和方法

7.3夏季105°E越赤道气流与秋季江南降水的关系

7.4结论和讨论

参考文献

第八章总结和讨论

8.1主要结论

8.2问题和展望

附录

致谢