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北极海冰异常对中国夏季气候的可能影响

作　者: 张若楠
导　师: 武炳义
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 气象学
关键词: 海冰敏感性试验瞬变过程波活动通量
分类号: P461.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

北极海冰变化对大气的反馈作用主要表现在其作为冷热源对大气的外强迫过程。这种外强迫作用可以造成不同时间尺度的影响,包括季节尺度、年际尺度甚至年代际时间尺度。研究结果表明,海冰外强迫不仅与同期的大气环流关系密切,而且与后期中国夏季大气环流和降水有显著的相关关系,因此,北极海冰是预测气候变化的潜在补充预测因子,对东亚气候变化有重要影响。本文对北极海冰的研究分为统计分析和模式试验两个方面:首先,用奇异值分解(SVD)和线性回归方法来研究春、秋、冬季海冰变化与后期北半球夏季气候场之间的相关关系。北极海冰密集度(SeaSICConcentration,SIC)异常产生大气低层热通量异常,在复杂的热、动力机制作用下,可以造成500hPa位势高度(Z500)呈现明显的欧亚波列异常结构和中高纬度阻塞高压型异常,进而影响东亚地区气候的异常。春季,Z500场上原来位于西南欧、乌拉尔山的负中心,到了夏季分别移向北欧和东亚;而春季位于北欧的正中心也移到了喀拉海附近。相应的海平面气压场(SLP)也呈现类似的异常分布。大气高低层环流场通过动力机制相互耦合起来,中国东北地区、长江黄河之间的中国中部地区位于高脊前部偏冷的西北气流处,促使冷空气向南倾泻并发生抬升运动,形成对流不稳定层结,利于该区降水偏多,而华南地区降水偏少。秋季,当SIC和夏季降水处于SVD分析正位相时,SIC异常空间分布的第一模态在北极大部分地区偏少,夏季Z500有中心位于南欧、乌拉尔山、贝加尔湖的波列异常结构,高度场的这种遥相关结构利于干冷空气向南方的侵袭,导致长江、黄河之间的中国中部地区和华南地区降水偏多,而北方偏少;SIC空间异常分布的第二模态或者第三模态在60E以西半球偏多、60E以东半球偏少,夏季Z500有正的异常中心位于乌拉尔山和鄂霍茨克海附近,这种双阻型异常结构阻挡了西风带低值系统向东移动,导致河套以东和中国中南地区降水偏多,东北地区降水偏少。冬季,当SIC和夏季降水处于SVD分析正位相时,SIC异常空间分布的第一模态在大西洋和太平洋的极地海域偏少,北冰洋其它海域偏多, Z500有中心位于北欧、喀拉海、中国东北地区的欧亚波列异常型遥相关,导致降水异常在中国南部、淮河流域偏多,东北、河套地区降水偏少;SIC异常空间分布的第三模态在格陵兰海、喀拉海和白令海偏多,其他海域偏少,与秋季SIC分析相似,冬季SIC影响的夏季高度场上同样存在中心位于乌拉尔山和鄂霍茨克海的双阻型异常结构,中国北方地区为低压带控制,这种双阻型异常有利于江南梅雨期降水的增多,造成降水场在东北和华北、江南地区降水偏多,华南地区显著偏少。其次,本文用CAM3.0数值模拟试验来研究北半球大气环流对北极海冰密集度(Sea SIC Concentration, SIC)强迫的响应和热动力机制。先将SIC第二模态(EOF2)的时间系数回归到原场,并把这个空间异常场作为敏感性试验的异常强迫,然后可以得到模式试验结果:在季节尺度上,大气环流由春季逐渐向夏季演变,春季SIC异常与春、夏季北半球大气环流、地表温度,以及降水异常有显著关系,尤其是对春季中国东部降水负异常,夏季东北部、东南沿海降水正异常有很大贡献。在逐日和逐周时间尺度瞬态演变上,局地高、低层大气环流对海冰强迫的响应呈现斜压结构,2周之后大气由斜压结构逐渐转变为正压结构,强迫响应可以通过遥相关波列异常传播到北极以外地区,到了第6周大气的响应基本达到正压平衡状态。这种遥相关的产生与极区热通量异常所激发的波活动通量有关:北极SIC异常首先通过直接热力强迫过程来改变表层热通量空间分布,这种表面热通量异常通过与大气环流的相互作用可以激发出大尺度罗斯贝波。在初始斜压区的低层有波动能量向上传播,并在对流层中高层向南传播,最后通过直接热力强迫和大气内部动力学相互作用引发的遥相关过程将能量频散到东亚地区,进而影响东亚地区的天气和气候。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-13
  1. 引言  9-10
  2.国内外研究进展  10-12
    2.1 北极海冰对中国气候的影响  10-11
    2.2 北极海冰对大气环流和气候影响的机理研究  11-12
  3. 问题的提出和本论文研究重点  12-13
第二章资料方法和模式介绍  13-17
  1. 资料说明  13
  2. 方法说明  13-14
    2.1 经验正交函数分解（EOF）方法  13-14
    2.2 奇异值分解(SVD)方法  14
  3. 模式介绍  14-17
第三章北极海冰与夏季中国气候变化的统计关系  17-41
  1. 观测的北极海冰时空变化  17-20
    1.1 北极海冰的时空变化趋势和自然变率  17-19
    1.2 北极海冰范围的季节变化  19-20
  2. 春季北极海冰与夏季中国降水的统计关系  20-23
  3. 秋季北极海冰对夏季中国气候的影响  23-32
    3.1 秋季海冰与夏季降水之间的统计联系  23-28
    3.2 秋季北极海冰与夏季位势高度场之间的统计联系  28-32
  4. 冬季北极海冰对夏季气候的影响  32-41
    4.1 冬季北极海冰与夏季降水之间的统计联系  32-37
    4.2 冬季北极海冰与夏季位势高度场之间的统计联系  37-41
第四章大气环流对春季海冰变率在CAM3.0 模式中的响应  41-55
  1. 模式试验  41-42
    1.1 控制试验  41
    1.2 敏感性试验性试验  41-42
  2. 试验结果分析  42-55
    2.1 模式大气环流对北极海冰变化的季节响应  42-48
      2.1.1 位势高度场响应  42-44
      2.1.2 海平面气压场响应  44
      2.1.3 表层热通量  44-45
      2.1.4 地表温度场响应和垂直方向温度响应  45-46
      2.1.5 850hPa 风场响应  46-47
      2.1.6 降水响应  47-48
    2.2 模式大气环流对北极SIC 响应的演变过程  48-51
    2.3 动力机制研究  51-55
第五章结论和讨论  55-57
  1. 统计分析方法  55-56
  2. 模式试验  56-57
参考文献(References)  57-64
致谢  64-65
个人简介  65

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