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近千年印度季风的多尺度分析

余小霞  
【摘要】:印度季风是指印度洋地区上的盛行风系统,通过热量、水汽等控制南亚和非洲的赤道和热带地区的气候,从而影响该地区人们的生产、生活。因此多尺度探究近千年印度季风的变化规律和形成机制,有利于人们从新的视角深入认识季风演化规律,预测未来气候变化趋势。 经验模态分解(EMD)方法适用于非线性、非平稳时间序列分析,能够迅速把信号中不同周期的波动按照频率从高至低逐级分离出来,最后剩下一个数据序列的趋势分量。本论文利用经验模态分解方法对印度中部Jhumar洞石笋δ18O(1075-2008年)序列与和尚洞石笋δ18O(1071-2002年)序列以及三个驱动因子——厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)指数、10Be序列、北太平洋年代际振荡指数(PDO)进行多尺度分析,探讨近千年印度季风的演变特征及其形成机制;对比分析印度季风与东亚季风不同尺度变化和形成机制;分析近千年印度季风和东亚季风在相位上的关系。 利用经验模态分解印度Jhumar洞石笋δ180序列,发现近千年印度夏季风变化存在2.4、5.4、13、28、61、132、292、682、932年等准周期变化,其中13、61、132、292年是印度夏季风的主要周期。趋势项的方差贡献率最大,且石笋δ18O的值逐渐变小,这一过程相对缓慢且稳定,表明近千年印度季风有加强的趋势。 利用功率谱分析近千年印度Jhumar洞石笋δ18O演化序列,得到27、55、133、311、933年等比较明显的周期成分,这些周期分别与经过经验模态分解得到的28、61、132、292、932年等准周期基本一致。但是印度季风存在的2.4、5.4、13年等小尺度周期没有在功率谱中明显表现出来,说明经验模态分解方法具有能够很好地分解出小尺度波动周期的优势。 应用EMD方法对以下三个驱动因子进行多尺度分析,得到ENSO序列的波动变化存在3、5.9、11、20、46.7、87、210、351和846年等9个准周期变化;代表太阳活动的’0Be数据序列的波动变化存在3.4、8、62、123、218、955、977年等8个准周期变化;近千年来PDO指数序列存在3.4、7.5、15、38、67、184、457、607等8个准周期的波动。可以看出近千年印度夏季风变化中的准2.4、5.4年与ENSO指数在3、5.9年两个尺度上波动很吻合,因此近千年印度夏季风短周期显著的波动与ENSO有关。此外近千年夏季风存在准13年周期的变化,也可能与ENSO的准11年周期有关。印度夏季风的61、132、932年准周期变化分别与10Be的62、123、955年准周期基本吻合,说明在年代、百年与千年尺度上均与太阳活动有关。印度夏季风波动2.4、5.4、13、61、682年的准周期分别与PDO的3.4、7.5、13、61、607年基本接近,说明在年际、年代、千年尺度上与PDO相关。结合方差贡献率大小,得知年际尺度主要与ENSO有关,其次与PDO相关;年代尺度与三个驱动因子都有关,主要与PDO有关,其次是ENSO和太阳活动;百年尺度上与太阳活动有关;千年尺度可能与PDO有关;且太阳活动的趋势项对印度夏季风总体变化趋势影响最大。 通过对近千年印度季风与东亚季风多尺度分析及形成机制对比研究,发现年际尺度上,印度季风的2.4、5.4年及东亚季风的4.7年年际尺度上波动变化均主要受到厄尔尼诺/南方涛动的影响,其次受到北太平洋年际涛动的影响。十年尺度上,印度季风变化序列存在的13年周期与东亚季风变化序列存在的10年周期波动一定程度上均受厄尔尼诺/南方涛动的影响,但前者主要受到北太平洋年际涛动的影响。年代尺度印度季风与PDO、太阳活动有关;东亚季风与3个驱动因子关系不明显;百年尺度上,印度季风变化存在的132年准周期和东亚季风存在的112年准周期均受到太阳活动的驱动。此外,印度季风的千年尺度与太阳活动有关。 对近千年印度季风与东亚季风的相位关系进行了探讨,从两原始曲线的整体特征发现两者基本同步变化。相同时间尺度的对比也发现,百年、甚至千年尺度上基本同步,只是存在滞后或者提前的现象。但是不同尺度上不同时间段,两者相位关系却表现不同,呈现正反相位交替变化。本文还发现印度季风与东亚季风在年际、年代和百年尺度上存在准倍频关系,在大尺度上则分属不同的动力系统所控制。


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