南、北半球大氣的相互作用和越赤道氣流的氣候?qū)W研究.pdf

1、越赤道氣流是熱帶大氣環(huán)流的重要組成部分，其通道的分布與全球大氣環(huán)流緊密相聯(lián)，也可以說(shuō)，越赤道氣流是南、北兩半球間大氣相互作用的紐帶。本文采用評(píng)估后認(rèn)為較可信的再分析資料全面系統(tǒng)地探討了越赤道氣流的分布及氣候?qū)W特征；分析了由越赤道經(jīng)向風(fēng)引起的南、北半球間的大氣質(zhì)量輸送；進(jìn)而，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，利用質(zhì)量輸送的結(jié)果導(dǎo)出了半球間行星熱對(duì)流環(huán)流對(duì)應(yīng)的“第一推動(dòng)力”和地表特性差異所導(dǎo)致的準(zhǔn)定常行星波所對(duì)應(yīng)的“第二推動(dòng)力”的比值；最后探討了越赤道

2、氣流與秋季江南降水的關(guān)系。主要結(jié)論如下： (1)通過(guò)計(jì)算南、北兩半球大氣之間的經(jīng)向質(zhì)量通量，發(fā)現(xiàn)NCEP/NCAR、NCEP-DOE AMIP-2、ERA40和JRA25四種再分析資料之間存在著很明顯的差異，采用經(jīng)向大氣質(zhì)量交換和半球平均地面氣壓的相互制約關(guān)系來(lái)衡量資料?？偟膩?lái)說(shuō)，ERA40和JRA25中，當(dāng)質(zhì)量通量越過(guò)赤道向北時(shí)，對(duì)應(yīng)北半球平均地面氣壓增高；向南時(shí)，氣壓降低，滿足上面的制約關(guān)系。然而，NCEP1中地面氣壓的變化

3、趨勢(shì)與越赤道大氣質(zhì)量通量的方向相互沖突。進(jìn)一步，將研究擴(kuò)展到了60°S～60°N，這四種再分析資料經(jīng)向質(zhì)量通量的差異依然非常顯著，其中ERA40的結(jié)果最為合理，JRA25的結(jié)果比較合理?；蛟S，這四種資料的經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)都存在虛假的趨勢(shì)，尤其是在NCEP1中，NCEP2較NCEP1有了一定程度的改進(jìn)，但仍不及ERA40和瓜JRA25。四種資料之間存在差異的原因可能與他們所采用的不同同化過(guò)程和參數(shù)化過(guò)程等有關(guān)。 (2)利用較為可靠的ERA

4、40再分析資料作為觀測(cè)資料，對(duì)AMIP中的八個(gè)大氣環(huán)流模式進(jìn)行了評(píng)估。就緯向平均的越赤道整層大氣質(zhì)量通量來(lái)說(shuō)，NCAR-CCSM3_0、MPI-ECHAM5和LJKMO-HADGEMl模式的結(jié)果大體上與觀測(cè)資料較為一致；MIROC3_2-MEDRES和lAP-FGOALS1-0-G兩個(gè)模式在模擬大氣整層質(zhì)量通量方面有待進(jìn)一步的改進(jìn)和提高。根據(jù)赤道上經(jīng)向風(fēng)速的垂直分布，將大氣分為四層，分別為700hPa～Ps，300～700hPa，70～

5、300hPa和10～70hPa。各模式對(duì)于700hPa～ps(I1)和70～300hPa(I3)這兩層質(zhì)量通量的模擬能力普遍較好；對(duì)于300～700hPa(I2)質(zhì)量通量的模擬，各模式的結(jié)果差別較大，與觀測(cè)最為接近的模式為UKMO-HADGEM1，而IAP-FGOALS1-0-G、CNRM-CM3和MIROC3-2-MEDRES三個(gè)模式對(duì)于I2的模擬能力有待提高；除MIROC3-2-MEDRES外，其他七個(gè)模式基本能夠模擬出10～70h

6、Pa(I4)質(zhì)量通量的季節(jié)變化。整體來(lái)看，UKMO_HADGEM1在越赤道大氣質(zhì)量通量方面的模擬能力最好，MPI-ECHAM5模式的模擬能力較好；NCAR-CCSM3-0、GISS-MODE[LE-R和GFDL-CM2-1三個(gè)模式在某些壓力層內(nèi)具有較好的模擬水平；MIROC3-2-MEDRES模式對(duì)整層、300～700hPa層的模擬能力較低，而對(duì)700hPa.以下層和70～300hPa層的模擬水平較高；IAP-FGOALS1_0_G和C

7、NRM-CM3模式在模擬越赤道大氣質(zhì)量通量方面有一定的不足之處。 (3)越赤道經(jīng)向質(zhì)量輸送主要集中在700hPa～(Ps(I1)和70～300hPa(I3)這兩層內(nèi)，高、低層互為補(bǔ)償。季風(fēng)區(qū)(E)的這兩層內(nèi)的質(zhì)量通量要明顯強(qiáng)于沿緯圈平均以及非季風(fēng)區(qū)(W)的情形。分析可知，可以用質(zhì)量通量的變化率來(lái)表征平均作用力，無(wú)論全緯圈，(E)區(qū)和(W)區(qū)，【F1】和【F3】都較[F2】和[F4】大很多。無(wú)論夏季、冬季，還是低層、高層，(E)區(qū)

8、內(nèi)的力都要大于整個(gè)緯圈平均的推動(dòng)力，而(W)區(qū)內(nèi)的力都要小于整個(gè)緯圈平均的推動(dòng)力?！暗谝煌苿?dòng)力”與“第二推動(dòng)力”之比在夏季對(duì)流層低層為4:1，冬季低層為3:1夏、冬季高層均為2.5:1。平均來(lái)說(shuō)，兩推動(dòng)力功效之比大約為3:1。 (4)利用比較可靠的再分析資料ERA40對(duì)于越赤道氣流的通道分布及其若干氣候?qū)W特征進(jìn)行了分析。確定了對(duì)流層高、低層越赤道氣流的代表層分別為925hPa和200hPa。并通過(guò)各經(jīng)度與經(jīng)向風(fēng)速最大格點(diǎn)的相關(guān)性

9、，選定了氣候平均狀態(tài)下的越赤道氣流通道：對(duì)流層低層的夏(冬)季共有8(9)條越赤道氣流；對(duì)流層高層夏(冬)季共有3(9)條越赤道氣流。判定后的越赤道氣流通道中，明確認(rèn)為70°E附近不存在穩(wěn)定的越赤道氣流，提出以往研究中并未公認(rèn)的西半球夏季低層的102.5°W和12.5°W兩支越赤道氣流。進(jìn)一步考察了各支越赤道氣流及緯向平均的經(jīng)向風(fēng)距平序列的氣候變率，結(jié)果表明，各越赤道氣流具有其特有的長(zhǎng)期趨勢(shì)和年代際變化，不可一概而述(詳見(jiàn)正文)。并采用

10、小波分析后得到了各支越赤道氣流的顯著周期，整體來(lái)看，夏季對(duì)流層低層的各支越赤道氣流除70.0°W外，都曾在某個(gè)時(shí)段具有2～4年左右的顯著周期。 (5)緯向平均的經(jīng)向風(fēng)的垂直傳播同時(shí)具有上傳和下傳兩種模態(tài)，對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)序列都以準(zhǔn)兩年為顯著周期，以向上的垂直傳播為主，兼有下傳，且向上傳播要快于向下傳播速度。各支越赤道氣流的結(jié)果如下：42.5°E、105°E、127.5°E和150°E這四支越赤道氣流強(qiáng)度距平的垂直傳播特征基本相同，它

11、們同時(shí)具有上傳和下傳兩種模態(tài)，時(shí)間系數(shù)都以準(zhǔn)兩年為顯著周期；以向上的垂直傳播為主，向上傳播要快于向下傳播速度。87.5°E越赤道氣流強(qiáng)度距平的垂直傳播同時(shí)具有單一上傳和上、下傳并存兩種模態(tài)。70.0°W越赤道氣流強(qiáng)度距平的垂直傳播同時(shí)具有上傳為主、兼有下傳和單一下傳兩種方式。102.5°W和12.5°W越赤道氣流強(qiáng)度距平的垂直傳播同時(shí)具有下傳、上傳兩種模態(tài)，以向下的垂直傳播為主。 (6)通過(guò)分析夏季越赤道氣流與中國(guó)秋季降水間的關(guān)

12、系，發(fā)現(xiàn)夏季105°E越赤道氣流與秋季江南降水存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。可是，為什么越赤道氣流會(huì)超前降水的變化一個(gè)季節(jié)之久?研究表明，秋季此支越赤道氣流與同期江南降水的相關(guān)比夏季越赤道氣流與秋季江南降水的相關(guān)性更高。夏季與秋季105°E越赤道氣流間的相關(guān)也很高，說(shuō)明夏季105°E越赤道氣流的異常比較容易持續(xù)到隨后的秋季，而秋季105°E越赤道氣流與秋季江南降水也有顯著的正相關(guān)關(guān)系，這樣，夏季越赤道氣流與隨后的秋季江南降水也呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)