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《兰州大学》 2008年
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南、北半球大气的相互作用和越赤道气流的气候学研究

赵煜飞  
【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,NCEP 1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NCEP 1中,NCEP 2较NCEP1有了一定程度的改进,但仍不及ERA40和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UKMO_HADGEM1模式的结果大体上与观测资料较为一致;MIROC3_2_MEDRES和IAP_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700 hPa~p_s,300~700 hPa,70~300 hPa和10~70hPa。各模式对于700 hPa~p_s(I_1)和70~300 hPa(I_3)这两层质量通量的模拟能力普遍较好;对于300~700 hPa(I_2)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I_2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10~70 hPa(I_4)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_MODEL_E_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、300~700 hPa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700 hPa~p_s(I_1)和70~300 hPa(I_3)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,[F_1]和[F_3]都较[F_2]和[F_4]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200 hPa。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。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:P46

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