全球低频遥相关年代际变化规律研究

【摘要】：大气遥相关是大气环流低频变化的主要模态,具有很好的持续性和稳定性。大量的观测事实表明低频波在固定地理区域内的重复出现将使大气环流出现异常和变异,导致相应区域甚至全球范围的气候异常和气候灾害的发生。因此,对大气低频遥相关时空演变规律的研究既具有重要的理论意义,又具有实际应用价值,长期以来都是气象研究领域的重点和热点问题。 本项工作在总结前人研究的基础上,(1)利用凝聚小波分析和EOF分析对全球纬向平均大气环流基本模态的年代际变化进行分析。分析结果表明全球纬向平均大气环流基本模态存在显著的18年以上的年代际变化。小波凝聚位相的结果清楚地显示了纬向平均大气环流基本模态的变化顺序。在大于18年的年代际变化时间尺度上,全球纬向平均温度变化超前纬向平均流3年,同时超前纬向平均位势高度1年；全球纬向平均位势高度变化又超前纬向平均流2年。全球温度上升(下降),将使高纬度的纬向平均位势高度降低(升高),中低纬度的纬向平均位势高度升高(降低)；进而使得中高纬和热带的纬向平均西风加(减)速或东风减(加)速,同时使极地和副热带的西风减(加)速或东风加(减)速。 (2)利用Buttworth滤波、EOF分析等统计方法对全球500hPa大气30-60天低频变化的时空分布特征进行了研究。分析结果发现：全球500hPa大气30-60天低频模态主要是由4个典型的遥相关型构成,分别是PNA、EA、Polar/Eurasia以及AAO型遥相关。我们将这个大气低频遥相关模态称为GLT,并客观定义了描述GLT随时间变化的指数GLTI, GLTI具有显著的年代际变化特征。在20世纪70年代中期以前为低指数时期,相应GLT为负位相；在20世纪70年代中期以后为高指数时期,其反映PNA, WA, WP,和AAO的共变特征。进一步分析GLT与全球500hPa纬向平均温度、纬向基本流、海表温度以及海冰覆盖面积的相关关系。结果发现：在大于18年的年代际时间尺度上,外源强迫、纬向基本流以及GLT之间联系密切,并且各变量之间的变化存在先后性。首先是海温和海冰发生年代际变化,其次是纬向平均温度、然后是纬向基本流变化,最后才是GLT发生改变。海表温度和海冰作为主要的外源强迫对GLT年代际变化的影响是通过首先改变500hPa纬向平均流的空间分布进而对GLT产生影响。结合全球500hPa大气环流基本态的空间分布可以获得三者之间在年代际尺度上的基本演变规律：正(负)位相的PDO型海温分布以及全球海冰面积减少(增加)使得中高纬和热带的纬向平均西风加速(减速)或东风减速(加速),同时使极地和副热带的西风减速(加速)或东风加速(减速),导致全球低频遥相关处于正(负)位相。 (3)通过空间谱分析的方法分析了GLT年代际变化前后反映气候基本态的空间谱系数的变化,发现外源强迫发生年代际变化后,大气环流对其作出响应,气候基本态特别是纬向平均流发生了显著变化。进一步利用正压原始方程组,探讨气候基本态的变化对大气不稳定增长模的影响。结果表明,在不同气候基本态背景下都可以激发出周期为准15d以及准60d的低频不稳定增长模,但这些不稳定增长模态的e倍增长时间存在显著差异。年代际变化后,准15d以及准60d周期的不稳定e倍增长时间均明显缩短,不稳定增长率变大,即低频振荡加强,相应的GLT在500hPa位势高度场的低频扰动特征模对应的指数也由低指数演变为高指数,动力模型的分析结果与实际观测结果十分一致。 (4)通过数值模拟进一步证实了海温和海冰异常影响GLT年代际变化的物理机制。在正负PDO型海温的强迫下,在21-50模式年的GLTI存在显著差异。在正位相的PDO型海温强迫下,GLTI基本都为正数。在负位相的PDO型海温强迫下,GLTI基本都为负数。这和实际观测事实基本一致。在PDO正位相强迫下,北半球中纬度和高纬度大气环流具有大致反向的变化特征,纬向对称结构突出。南半球500hPa位势高度场上正负中心的主要分布特征与北半球类似。与观测事实中揭露的500hPa纬向平均流的空间分布相比,模拟结果中纬向平均流差值场上南北半球正负异常中心纬度关于赤道对称的特点更加明显。数值模拟中南半球纬向平均流的空间分布与实际观测相差较大；北半球的空间分布特征与实际观测结果较为相似,只是中心位置向赤道偏移。说明PDO型海温异常是造成北半球低频遥相关年代际变化的主要原因之一,而可能不是造成南半球低频遥相关年代际变化的原因。在海冰面积为正异常时,GLTI基本为负数,全球低频遥相关处于负位相。而全球海冰面积为负异常时,GLTI大致为正数,全球低频遥相关处于正位相。这也与观测事实中GLTI与全球海冰面积指数呈显著负相关关系的结论十分一致。在全球海冰面积的正、负位相背景下,500hPa纬向平均流存在显著差异。当全球海冰面积由多向少转变时,相应的纬向平均流的空间分布由“+,-,+,-,+,-,+’,向“-,+,-,+,-,+,-”转变；反之,当全球海冰面积由少向多转变时,相应的纬向平均流的空间分布由“-,+,-,+,-,+,-”向“+,-,+,-,+,-,+”转变。可见海冰异常是造成全球低频遥相关年代际变化的主要原因之 应用数理统计、理论研究和数值模拟相结合的研究方法对GLT年代际变化规律研究后,最终获得了GLT年代际变化的物理机制为：外源强迫发生年代际变化后,大气基本态特别是纬向平均流产生了显著变化,表征大气低频变化的不稳定增长模产生差异,低频振荡增强,GLT在位势高度场的低频扰动特征模对应的指数为高指数,相应的GLT处于正位相。