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大气环流圈变化特征以及与ENSO的关系

作　者: 马杰
导　师: 李建平
学　校: 兰州大学
专　业: 气象学
关键词: Hadley环流年际变化年代际变化主要模态 ENSO
分类号: P434
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文定义了一种新的刻画大气环流圈的矢量指数。与传统的质量流函数比较发现，新指数不但很好地刻画了两半球的各经向环流圈的强度、中心位置以及环流圈强度之间的关系，而且可以描述经向环流圈在水平方向的分布。同样在纬向方向，新指数也描述出了全球尤其是太平洋、印度洋和大西洋上空闭合的纬向环流圈的水平分布。此外，本文还对冬季北半球Hadley环流圈的增强原因以及其与ENSO之间的联系进行了讨论。本文主要结论如下：1基于1960～2000年NCEP／MCAR再分析资料，我们讨论了新指数所描述的经向、纬向环流圈在水平方向分布。结果显示：对于纬向平均的经向环流圈，新指数很好刻画了各个环流圈的强度、中心位置以及各环流圈之间强度对比关系；新指数还描述了四季经向环流圈的水平分布，结果显示季风区经向环流圈在冬春季方向刚好反向，且冬季存在两个显著的经向环流带，分别位于欧亚大陆和北美大陆东岸地区，它们从低纬一直延伸到高纬地区。这与传统认为的低纬度经向环流圈只能向北运动到30°N明显不同；在纬向方向上，结果显示闭合的环流圈主要分布在两半球低纬度地区大洋上，并且印度洋上空反向的环流圈中心随季节变化明显。此外，在高纬度白令海峡上空还存在一闭合的环流圈，其全年位置基本稳定；最后我们利用矢量指数讨论了四季环流圈的真实分布以及环流圈在运动中方向的改变，结果表明低纬度热源地区是主要的环流圈源。2基于经向指数，本章分析了两半球各经向环流圈强度在年循环尺度上的变化。结果显示：两半球Hadley环流圈均有显著年循环，且二者强度变化趋势均关于7月份对称。7月之前，北(南)半球Hadley环流随时间强度减弱(增强)，之后其又随着时间增强(减弱)。两环流圈中心位置随时间也变化明显：北半球Hadley环流自1～8月向北的运动，8月份到达最北端，之后开始向南运动。而南半球中心位置移动轨迹呈现基本对称分布，它在1～6月向北运动，6～8月在最北端维持，之后向南移动。类似，本章还讨论了两半球中高纬度环流的变化。此外，利用EOF方法还分析了经向指数场的年循环，结果显示它包含两个主要模态：赤道非对称和对称模态。同时这两个模态随时间它们的强度变化明显、且二者变化趋势刚好相反。这就说明了二者之间相互平衡、共同决定了每个月环流圈的强度。3本章主要了讨论各大洋上空的纬向闭合环流圈强度的年循环。结果显示赤道上各大洋的全年均存在环流圈。对它们进行比较后发现，热带的太平洋和北大西洋上空的环流圈强度具有相似年循环趋势，它们与印度洋上空反方向的环流圈变化刚好相反。三地纬向环流圈强度比较，印度洋最强、大西洋次之，太平洋最弱。另外，大西洋在两半球均存在闭合的环流圈，且二者相互独立、变化趋势完全不同，前者呈现出正玄曲线似变化，后者的变化则接近抛物线型。本章还讨论了它们在发生ENSO事件时的变化，当发生厄尔尼诺时，太平洋上空的Walker环流圈减弱，而位于印度洋的纬向环流圈增强。此时在大西洋上空，其北半球的环流圈增强，而南半球部分强度基本不变。与上章类似，本章利用EOF分析了年循环的纬向指数场，结果表明它的变化有两个主要模态：关于对称和非对称模态。前者的解释方差高达70.2％，同时它的时间系数呈现明显的一年周期，而非对称模态的变化只有半年周期。4本章利用NCEP和ERA资料计算了四季的经向指数和质量流函数，对比了它们定义的各个经向环流圈的强度变化趋势。四种结果能一致体现出：冬春季北半球Hadley环流、春季北半球Ferrel环流、夏季南半球Ferrel环流以及冬季南半球Polor环流在过去几十年存在明显的增强趋势。另外，通过对各季节经向指数场在1948～2005年的线性趋势的分析，两半球低纬度的非洲到印度洋是线性趋势最显著的区域，另外还有南海、亚洲大陆东部等地区变化也很明显。此外，各个季节经向指数场的变化均包含两个主要模态：关于赤道对称和非对称模态。前者代表了指数场的年际变化，其与ENSO相关显著。且该模态在四个季节的分布很相似，说明其在全年稳定存在。后者描述了其在年际尺度上的变化趋势，该模态的分布与各季节线性趋势的显著区域一致，说明这些区域的变化可能受同一系统的作用。5分析了冬季北半球Hadley环流圈的增强以及其与ENSO之间的联系。本章通过对1948～2005年冬季质量做EOF分析，结果显示出北半球Hadley环流在年代际、年际时间尺度上的变化分别由EOF的前两个主要模态(关于非赤道对称和对称模态)代表。即冬季北半球Hadley环流由两部分组成：非对称和对称部分。进一步分析表明Hadley环流非对称部分的增强使得其在过去几十年明显增强，并且这部分与热带海温的增强关系密切。它与ENSO之间相关系数在1970年代后期存在明显突变，解释了冬季北半球Hadley环流强度指数与ENSO相关系数变化的原因。而环流对称部分与ENSO之间的相关系数在整个研究时段均是显著的。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
目录  11-13
第一章绪论  13-33
  1.1 引言  13-15
  1.2 经向环流圈的研究历史回顾  15-20
    1.2.1 理论研究  15-16
    1.2.2 资料分析  16-17
    1.2.3 对全球热量、角动量等的输送所起作用  17-19
    1.2.4 对气候的影响  19-20
  1.3 纬向环流圈的研究  20-22
  1.4 对环流圈的描述  22-23
  1.5 问题的提出  23-24
  1.6 本文的研究内容以及框架安排  24-28
  1.7 本文的主要创新之处  28-29
  参考文献  29-33
第二章一种描述环流圈之矢量指数  33-71
  2.1 引言  33-35
  2.2 资料  35
  2.3 方法  35-37
    2.3.1 质量流函数计算  35-36
    2.3.2 指数的定义  36-37
  2.4 经向分析结果  37-41
    2.4.1 纬向平均的情形  37-39
    2.4.2 经向环流在全球范围内的分布  39-41
  2.5 纬向环流指数的水平分布  41-45
  2.6 矢量指数场  45-48
  2.7 总结和讨论  48-49
  参考文献  49-71
第三章经向环流圈之年循环  71-95
  3.1 引言  71-72
  3.2 资料说明  72
  3.3 各环流圈的季节循环  72-76
    3.3.1 南北半球Hadley环流  73-74
    3.3.2 两半球中纬度的Ferrel环流  74-75
    3.3.3 南北半球Polar环流  75-76
  3.4 环流圈中心在垂直方向的变化  76-77
  3.5 经向指数场的年循环  77-79
  3.6 经向环流圈的年循环在其他变量场上的体现  79
  3.7 年循环经向指数场的主要模态  79-80
  3.8 总结  80-82
  参考文献  82-95
第四章纬向环流圈之年循环  95-131
  4.1 引言  95-96
  4.2 资料  96
  4.3 太平洋上空纬向环流圈的年循环  96-100
    4.3.1 太平洋Walker环流的年循环  96-98
    4.3.2 ENSO事件的影响  98-99
    4.3.3 太平洋中高纬度纬向环流圈的年循环  99-100
  4.4 印度洋上空纬向环流圈的年循环  100-103
    4.4.1 热带印度洋上空纬向环流圈的年循环  101-102
    4.4.2 ENSO事件对热带印度洋纬向环流圈的影响  102-103
  4.5 大西洋上空纬向环流圈的年循环  103-106
    4.5.1 南北半球大西洋纬向环流圈的年循环  104-105
    4.5.2 ENSO对大西洋纬向环流圈年循环的影响  105-106
  4.6 纬向指数场的主要模态  106-107
  4.7 总结  107-110
  参考文献  110-131
第五章经向环流圈的年变化特征  131-163
  5.1 引言  131
  5.2 资料说明  131-132
  5.3 南北半球Hadley环流的年际变化  132-137
    5.3.1 纬向平均环流圈强度变化  132
    5.3.2 四季经向指数的年变化特征  132-137
  5.4 纬向平均经向环流圈在垂直切面上的变化  137-139
  5.5 总结  139-141
  参考文献  141-163
第六章冬季北半球Hadley环流圈的增强及其与ENSO关系  163-195
  6.1 引言  163
  6.2 资料说明  163-164
  6.3 冬季质量流函数的时空变化  164-174
    6.3.1 质量流函数的主要空间模态  164-165
    6.3.2 质量流函数主要空间模态的变化  165
    6.3.3 质量流函数主要模态的三维结构  165-169
    6.3.4 质量流函数主要空间模态与北半球Hadley环流  169-170
    6.3.5 空间模态与海温、ENSO的关系  170-174
  6.4 季风区经向环流的增强  174-175
  6.5 结论和讨论  175-177
  参考文献  177-195
第七章总结和讨论  195-199
  7.1 全文的总结  195-197
    7.1.1 矢量指数  195
    7.1.2 大气环流圈强度变化特征  195-196
    7.1.3 冬季北半球Hadley环流增强及其与ENSO关系  196-197
  7.2 讨论及展望  197-199
在学期间的主要研究成果  199-201
致谢  201

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