氣候系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)及遙相關(guān)型年代際配置特征研究.pdf

1、本文結(jié)合NCEP/NCAR再分析資料和國家氣候中心常規(guī)觀測(cè)站日降水資料，運(yùn)用關(guān)聯(lián)矩陣分析方法，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建溫度場(chǎng)和環(huán)流系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)(1)傳統(tǒng)的遙相關(guān)型研究僅考慮負(fù)相關(guān)，未考慮正相關(guān)，且多集中研究某一遙相關(guān)型，不能從整體上揭示了氣候系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)特征；(2)遙相關(guān)指數(shù)主要通過SST或SLP的差值等進(jìn)行定義，能夠體現(xiàn)遙相關(guān)型信號(hào)的強(qiáng)弱，但不能體現(xiàn)遙相關(guān)型對(duì)氣候系統(tǒng)作用的強(qiáng)弱；(3)對(duì)遙相關(guān)型的年代際配置特征及其與中國氣候變化

2、聯(lián)系的研究相對(duì)較少等科學(xué)問題做了初步探討。得到了以下一些主要結(jié)論： (1)概率統(tǒng)計(jì)角度揭示溫度場(chǎng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)性及其時(shí)空演化特征。全球格點(diǎn)溫度序列間既存在關(guān)聯(lián)“噪聲”，又存在真實(shí)關(guān)聯(lián)；格點(diǎn)溫度序列之間存在的關(guān)聯(lián)既包括近鄰或次近鄰格點(diǎn)之間的短程關(guān)聯(lián)，又包括如太平洋年代際濤動(dòng)等遠(yuǎn)程格點(diǎn)之間的遙相關(guān)。關(guān)聯(lián)系數(shù)的均值在1977年前后表現(xiàn)為兩種不同變化態(tài)，對(duì)應(yīng)了20世紀(jì)70年代中后期的溫度突變；關(guān)聯(lián)系數(shù)的空間分布在兩種尺度下都表現(xiàn)為沿緯向呈帶

3、狀分布，赤道太平洋、赤道印度洋和赤道大西洋及北太平洋是關(guān)聯(lián)異常區(qū)域。關(guān)聯(lián)性的研究為溫度關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建奠定了理論基礎(chǔ)。 (2)溫度場(chǎng)和環(huán)流系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)作用的空間結(jié)構(gòu)特征。構(gòu)建了溫度場(chǎng)和環(huán)流系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)特征量的引入為氣候系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性提供了衡量指標(biāo)。兩種系統(tǒng)都具有典型的小世界效應(yīng)，即系統(tǒng)中大量短程關(guān)聯(lián)的存在保證了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，部分遙相關(guān)的存在提高了系統(tǒng)內(nèi)部信息傳遞的效率。網(wǎng)絡(luò)的頂點(diǎn)度分布都表明低緯度和中高緯度系統(tǒng)的空

4、間結(jié)構(gòu)存在顯著差異，環(huán)流系統(tǒng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則明確界定了兩種系統(tǒng)的分界為南北緯27.5附近。低緯度環(huán)流子系統(tǒng)頂點(diǎn)度較高且空間分布一致性較好，主要體現(xiàn)了全局耦合的性質(zhì)，格點(diǎn)間主要以直接關(guān)聯(lián)作用為主；中高緯度環(huán)流子系統(tǒng)頂點(diǎn)度相對(duì)較小，遙相關(guān)型對(duì)應(yīng)的局部區(qū)域頂點(diǎn)度較高，具有典型的小世界效應(yīng)。換而言之，低緯度和中高緯度系統(tǒng)內(nèi)格點(diǎn)間的作用機(jī)制存在很大差異。 (3)遙相關(guān)型對(duì)環(huán)流系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的影響。建立氣候系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性衡量指標(biāo)的基礎(chǔ)上，研究了

5、各種遙相關(guān)型對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響的主次關(guān)系。北半球中高緯度系統(tǒng)中，濾除AO和NAO后，系統(tǒng)的短程連邊和長程連邊均顯著減少，網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度顯著增加，網(wǎng)絡(luò)信息傳遞的效率顯著減小。相比較而言AO的作用較NAO更大一下。PNA在北半球環(huán)流系統(tǒng)中是一種相對(duì)獨(dú)立的型，其作用主要體現(xiàn)了中高緯度和低緯度之間的聯(lián)系。對(duì)于南半球中高緯度系統(tǒng)而言，AAO的作用最強(qiáng)，濾除AAO網(wǎng)絡(luò)的平均頂點(diǎn)度減少了45％，平均道路長則增加了34％，因此在南半球環(huán)流系統(tǒng)中AAO是

6、要首要關(guān)注的對(duì)象；南極偶極子在200hPA和800hPa高度場(chǎng)中均存在，因此對(duì)應(yīng)了一種相對(duì)穩(wěn)定的遙相關(guān)型，它的存在對(duì)AAO及南半球中高緯度環(huán)流系統(tǒng)均有一定的影響。 (4)赤道中東太平洋海表溫度和遙相關(guān)型作用強(qiáng)弱指標(biāo)體系的建立。網(wǎng)絡(luò)的頂點(diǎn)度直接體現(xiàn)頂點(diǎn)作用的強(qiáng)弱，因此采用頂點(diǎn)度區(qū)域平均的方法，定義了赤道中東太平洋溫度關(guān)聯(lián)指數(shù)(TPTI指數(shù))和五種遙相關(guān)型作用指數(shù)，從而構(gòu)建了一組新的指標(biāo)體系。TPTI指數(shù)較以往通過SST距平值等的定

7、義更深入的體現(xiàn)了該區(qū)域?qū)θ驓夂蜃兓饔玫膹?qiáng)弱。TPTI指數(shù)偏強(qiáng)的年份基本對(duì)應(yīng)了強(qiáng)El nino年和La nina年，并將E1 nino年和La nina年分為強(qiáng)作用年和弱作用年，進(jìn)一步說明氣候系統(tǒng)中關(guān)鍵區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)和作用強(qiáng)是未必等價(jià)的。春季和夏季TPTI指數(shù)與中國夏季降水EOF第一模態(tài)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.34和-0.35，具有應(yīng)用于夏季降水預(yù)測(cè)的潛在價(jià)值。五種遙相關(guān)型作用指數(shù)直接體現(xiàn)其在氣候系統(tǒng)中作用的變化，并且根據(jù)各種指數(shù)的強(qiáng)弱變

8、化確定中國夏季降水各個(gè)區(qū)域的主要相關(guān)因子。 (5)遙相關(guān)型的年代際配置特征。PNA，NAO，AO，EUPA和WP五種顯著的遙相關(guān)型年代際尺度的配置主要存在以下幾個(gè)特征：(1)作用中心的移動(dòng)，NAO，EUPA和WP的作用中心在年代際尺度存在顯著的移動(dòng)的特征，且70年代中后期及80年代末期90年代初存在共同的跳躍過程。AO型在1976年以前作用較弱，80年代末期以來作用則顯著增強(qiáng)；PNA型模態(tài)的空間分布則相對(duì)穩(wěn)定，作用中心移動(dòng)的特征

9、較弱，這也進(jìn)一步體現(xiàn)了其在北半球中高緯度系統(tǒng)中是一種相對(duì)獨(dú)立的模態(tài)。(2)根據(jù)各種指數(shù)確定了不同時(shí)段北半球中高緯度起主導(dǎo)作用的主要遙相關(guān)型：1976年以前是PNA，EUPA和WP三種模態(tài)的配置為主導(dǎo)，1977年以后NAO的作用顯著增強(qiáng)，五種模態(tài)共同作用，1985年以后AO的作用顯著增強(qiáng)，其它模態(tài)的作用則相對(duì)較弱。70年代中期及90年代初期的氣候突變可能與行星際尺度遙相關(guān)型的調(diào)整有聯(lián)系。 (6)多因子物理統(tǒng)計(jì)模型的構(gòu)建及其在夏季降