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，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)系來衡量資料。總的來說，ERA40和JRA25中，當(dāng)質(zhì)量通量越過赤道向北時(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程和參數(shù)化過程等有關(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)量通量來說，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)量通量的變化率來表征平均作用力，無論全緯圈，(E)區(qū)和(W)區(qū)，【F1】和【F3】都較[F2】和[F4】大很多。無論夏季、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。“第一推動(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。平均來說，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期趨勢(shì)和年代際變化，不可一概而述(詳見正文)。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)通過分析夏季越赤道氣流與中國秋季降水間的關(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?？墒?，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)