黑潮海濫異常的機制發(fā)j 對我國降水影響的確f 究 摘要 本文采用海溫資料和n c e p n c a r 再分析的海平面氣壓場( s l p ) 、高度場、風場等資 料，利用e o f 、s v d 、相關分析和合成分析方法，重點研究了黑潮海溫異常的機制及其對我 國夏季降水的影響。 對與黑潮海溫異常變化關系密切的風場關鍵區(qū)及兩者的相互關系研究表明：黑潮本身 的風場和其源地北赤道流海域的風場異常對黑潮海溫的影響僅限于同期及海溫滯后l 到2 個月，而能持續(xù)影響黑潮海溫異常的經向風場的關鍵區(qū)出現在赤道西太平洋 ( 1 4 0 1 6 0 e ，5 s 一5 n ) ，緯向的關鍵區(qū)則在赤道中太平洋( 1 6 0 e 一1 5 0 w ，5 s 一5 n ) ，且緯向關鍵區(qū)的 強度利范圍均大于經向，兩者對黑潮海溫的影響均能持續(xù)六個月左右。 考慮到赤道中太平洋風場異常與e 1 一n i n o 及l(fā) a n i n a 事件關系密切，進一步的研究證 實e 卜n i n o 及l(fā) a n i n a 事件與黑潮海溫異常有著密切的關系。海溫變化主要分為三個階段： e 1 一n i n o ( l a n i n a ) 當年1 1 月份一次年5 月份黑潮海溫正( 負) 異常；次年6 7 月份出現 反復：從8 月份開始起重新建立正( 負) 異常。分析還顯示影響黑潮海溫異常的主要機制 有：由赤道中太平洋西風異常而產生的p e a 遙相關、夏季太陽輻射的加強、低緯向高緯暖 水輸送的增加及黑潮自身海表水的輻合。 最后分析了黑潮海溫與夏季東亞火氣環(huán)流及我國降水的時滯關系，發(fā)現：當前冬黑潮 區(qū)域海溫異常偏高時，后期夏季亞洲低壓的強度減弱，陌北太平洋副熱帶高壓強度加強， 而且位置西伸、偏北，梅雨鋒位置偏南，長江中下游地區(qū)降水偏多，北太平洋冬季海域的 海溫分布呈+ 、+ 趨勢( 順序為赤道中東太平洋、西北太平洋、我國近海) ；反之亦然。 關鍵詞黑潮風應力 e n s o 熱通量p e a 遙相關夏季風。 第4 頁共7 3 頁 黑潮海溫異常的機制及典對我國降水影響的硎宄 r e s e a r c ho nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n ds t r e s s a n o m a l i e si nt h et r o p i c a lp a c a f l ca n ds s t a i nk u r o s h l 0r e c i o n a b s t r a c tt h ec h i e f c o n t e n to f t h i sa r t i c l ec o n e l u d e st h r e ep a r t s a m o n gi t t h er e s e a r c ho f t h i r d c h a p t e ri n v o l v e ：u s ee x t e n d e ds v da n dc o r r e l a t i o na n a l y s eb e t w e e nn c e p 謝n ds t r e s sd a t ai n p a c a f i ca n ds s tf i e l do fk u r o s h i on e a r l y5 0y e a r ss h o wt h a tt h e f ca r ed i s t i n c t l yp o s i t i v e c o r r e l a t i v i t yb e t w e e nl a g g i n gs s to fk u r o s h i oa n dz o n a lw i n df i e l d i nt r o p i c a lp a c a f i cr e g i o n t h eb e s tc o r r e l a t i o no c c a s i o ni so ns s to fk u r o s h i ol a g g i n gf o r5 - 9m o n t h t h ew e l lc o r r e l a t i o n t i m e sp e r s i s tf o ra b o u ts i xm o r t t h sa n dt h ei n c i d e n c el e v e li sr e a c ho rp a s s0 0 1 t h em e r i d i o n a l w i n df i e l dw h i c hp e r s i s t l yi m p a c t i n go ns s ti nk u r o s h i or e g i o ni sn e a rt h ew e s tt r o p i c a l p a c a f i c t h er e s u l ta l s ob e h a v ea sd i s t i n c t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i v i t y a f t e r w a r d sw ei n v e s t i g a t et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns s ti nk u r o s h i or e 百o na n dn i n o c 、4r e g i o na n di n t e g r a t et h ef i - o n t c o n c l u s i o n a sar e s u l t ，i td i s p l a yt h a tt h es s ti nk u r o s h i or e g i o np e r s i s t sf o rp o s i t i v er e l e v a n c e d u r i n gt h ec o l l r s eo fe 1 - n i n oa n di n v e r s e l yd u r i n gt h ec o u r s eo fl a - n i n a ，s u b s e q u e n t l yt h e s y n t h e t i cf i e l d so fk u r o s h i or e g i o n ss s t ai ne i - n i n oa n dl a - n i n ay e a r sh a v ep r o v e dt h ef r o n t o u t c o m e f i n a l l yt h ea r t i c l e d i s c l i s s c st h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fm e r i d i n n a la n dz o n a lw i n d f i e l d se f f e c to ns s ti nk u r o s h i or e g i o na n dt h i n kt h a tj u s t l yt h ea d j u s t i o no fm a c r o d i m e n s i o n w i n df i e l dc o n n e c t st h et w of a c t s s t u d yc o n t e n to f t h ef o r t hc h a p t e rg o e sf o r w a r d f i t s t l yw ec h o o s et h o s ee l - n i n o o rl a - n i n n y e a r sw h i e hi se x c i t a t e db yt h ew e s t e r l ya b n o r m i t yi nt l l ee q u a m r i a lm i d p a c i f i co c e & r 1 w em a k e s u r et h a tt h et l l ec h a r a c t e r so fk u r o s h i os s t ai nt l l o s ey e a r sa r cs i m i l a rt ot h ey e a r so fa 1 1t h e e 1 - n i n oo rl a - n i n au s e di nt h eu p p e rs e c t i o n f o l l o w e dt h i s ) w et r yt of i n dt h ev a r i e t yr e a s o no f k u r o s h i o ss s t aa n dt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo o n n e c t ss s tc h a n g eo fk u r o s h i oa n 屯w i n df i e l di n t h ee q u a t o r i a lm i d p a c i f i co c e a n o u rc o n l u s i o ni s ：d u r i n gt h ec o l n d s eo ft h en o vi ne 1 - n i n o y e a r ( s t a r tf r o mt h ew e s t e r l ya n o m a l o u s ) t oh p ro f n e x ty e a r ，i ti s j u s tt h ei n t e n s i t yo f e a s ta s i a n m o n s o o nt h a ti n f l u e n t st h es s tv a r i e t yi nk u r o s h i or e g i o n t h eh e a tf l u xi st h eb r i d g el i n k st h et w o f a c t s a n dt h eg e n ew h i c ha f f e c t sw i n t e rm o n s o o ni st h ep e ac i r c u m f l u e n c e i ta l s oe x p l a i nt h a t t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ns s t ao f k u r o s h i oa n dt h ec h a n g eo f w i n df i e l d i ne q u a s o r a lm i d - p a c i f i c i sr e s u i t so fa i r - s e ai n t e r a c t i o n ：h o w e v e r w h e nt i m ec o m e si n t os l m l m e r t h ei n s t a n c es t a t u so f o c e li sd i f f e r e n tf r o mt h el a s tw i n t e rt on e x te a r l ys p r i n g t i m e , t h es e as u r f a c et e m p e r a t u r et u r n i n t ot h ed e f t n i f i v ef a c t o r s ot h ei n c r e a s eo fh e a tf l u xi nm a vt oj u nm o l l t h w h i c hi sr e a l i z e db y a b s o r b i n gm o r eh e a tf r o mt h es u nr a d i a t i o nr e s u l t si nt h ed e c r e a s eo f s s ti nk u r o s h i oi nt h es e a s o n o fj u n j u i f i n a l l y ，d u r i n gt h ea u gt od e cs e a s o no fn e x ty e a r ，t h es s to fk u r o s h i oi si n c r e a s i n g a g a i n i td u e st ot h es 1 l 蕾a c es e a w a t e r sc o n v e r g e n c ei ni t s e l f r e g i o n i nt h el a s tc h a p t e r w em o s t l yi n v e s t i g a t et h er e l a t i o n sa m o n gw i n t e rs s l l ai nk u r o s h i o r e 西o na n dt h ee a s ta s i as u m m e rm o n s o o n 、a t m o s p h e r ec k c u m f i u e n c ea n dt h es m l r n e r p r e c i 講m t i o ni nc h i n ao ft h es u b s e q u e n ty e a r t h es t u d yg e t ss o m e t h i n gs i g n i f i c a t i v e ( o m i t t e d h e r e ) k e y w e l r d sk u r o s h i o w i n ds t r e s se n s oh e a tf l u xp e as u m m e rm o n s o o n 第5 頁共7 3 頁 黑潮海溫異常的機制發(fā)掉對我國降水影響的馴究 1 1 黑潮簡介 第一章引言 黑潮是北太平洋里一支強大的兩邊界流，由于地轉效應，在北太平洋風應力場的支持 f ，北赤道流沿菲律賓以東北上并得到加強，在臺灣東南海域形成黑潮，而后從臺灣以東 繼續(xù)北上，沿中國東部陸架外緣前進，從吐噶喇海峽進入e t 本南方海域，沿日本列島南面 海區(qū)流向東北。黑潮從它的源頭，從太平洋的低緯度海域流向高緯度，南北方向的范圍約 為北緯2 0 。一3 6 。，而東西方向的范同大致為東經1 1 0 。一1 6 5 。，流經東海和日本南面海 區(qū)。行程4 0 0 0 多公里，如果加上黑潮續(xù)流，全程約6 0 0 0 公里。 其實，黑潮的水并不黑，甚至比一般海水更清澈透明。這是網為黑潮水質極少雜質， 能見度達3 0 _ - 4 0 米深。不過，當太陽的散射光照射到黑潮海面時，水分子偏重于散射藍色 光波，其他光波如紅、黃等色為長波，被水分子吸收。所以，當人們從上往下看海水時， 海水成了藍黑色。這樣，人們就習慣地稱它為“黑潮”，以區(qū)別于其他的一般海水。 黑潮與墨西哥灣流齊名為世界矚目的兩支強邊界流，以流速強、流量大、流幅狹窄、 流路遠長和深度大而著稱，具有高溫、高鹽、透明度大和水色深藍等特點。黑潮區(qū)域的感 熱、潛熱通量很大，凈熱量釋放是全球海洋中最火的，這種熱量釋放向北半球大氣輸送了 人量的能量，在曰本東南，黑潮最大速度可達1 5 2 m s 【l j 。黑潮海區(qū)作為太平洋海一氣相互 作用的活躍區(qū)，將大量的熱量從較低緯區(qū)向較高緯區(qū)輸送。根據我國學者關于黑潮對我國 氣候影響的研究結果表明引，黑潮海區(qū)表層海溫變化以及感熟和潛熱交換與我國沿海地區(qū)、 長江中f 游流域及菲律賓群島的降水、西太平洋副高、青藏高壓的環(huán)流調整均有密切聯系， 也和西北太平洋熱帶氣旋的發(fā)生頻數和路徑趨勢有關。因此研究黑潮海域海溫異常是十分 有意義和必要的。 1 2 黑潮區(qū)域研究成果概述 1 2 1 黑潮自身物理特征的研究 黑潮本身是太平洋中的暖洋流，所以，國內的海洋學家們對黑潮自身的一些物理特征 如海溫、流量、流幅、路徑等作了詳細的研究。孫湘平”3 對黑潮流系中的重要部分一東海黑 潮作了研究，得出：東海黑潮的表層流軸具有顯著的季節(jié)變化，并以臺灣東北海域流軸季 節(jié)變異攝為復雜。而且從東海東、西兩側氣象要素的分析對比看出，黑潮對東海氣候的某 些特征影響是顯著的。以后，袁耀初等人“研究了1 9 9 7 1 9 9 8 年東海黑潮的變異，發(fā)現東 海黑潮在1 9 9 8 年也出現異?，F象即黑潮通過p n 斷面的流量夏季時較小，而春季時則最 大，并指出這可能是與沖繩島以南出現的反氣旋渦的強度變化以及從厄爾尼諾現象過渡到 拉尼娜現象時期有關。許東峰等人”通過數值模擬，得出在臺灣以東黑潮明顯地分為主流 及東分支：主流穿過蘇澳海脊進入東海東分支則流向琉球群島以東海域但是，在1 9 9 7 年強厄爾尼諾現象時期，7 月霸11 2 月都未發(fā)現存在黑潮的這個東分支流向琉球群島以東海 域”“。這表明在臺灣以東海域黑潮存在兩種不同的流態(tài)。袁耀初等人”。j 指山在臺灣以 第6 頁共7 3 頁 黑潮海溫異 ? i i f j 聃l 制及其對我國降水影響的研究 東黑潮存在上述兩種不同流態(tài)是與黑潮鄰近海域存在的氣旋式渦、反氣旋式渦強度及其相 對位置密切相關的。王惠群等人”的計算結果都表明黑潮的最大流速總是出現在東海海 區(qū)南部最人的地形坡度處。郭炳火等人“指山東海黑潮鋒面渦旋在陸架水與黑潮水的交換 中起著十分重要的作用對于菇個東海陸絮邊緣，鋒面渦作用可使大量的陸架混合水卷入 黑潮。有關研究還指出：黑潮以東及以下都存在南向逆流，地形變化是造成南向逆流的原 因之一1 1 2 j ；l i u 等人【j “通過實測流及水文資料也指出在臺灣島以東海域、蘭嶼東南存在逆 流，并認為造成這支逆流的主要原因是地形變化的影響。關于海溫的研究主要有：趙振國 ”“指出：1 9 5 1 年以來，黑潮區(qū)海溫經歷了三個上升期和二個下降期，經歷了三個年代際 變化周期，黑潮i 夏海溫最明顯的變化周期為3 3 6 個月，其次是7 4 0 個月和1 8 ，0 個月的周 期。李永康”“研究發(fā)現：黑潮區(qū)平均海溫從4 月開始逐月上升，8 月達到全年最高，9 月開 始下降，最低在2 、3 月，海溫全年各月均方差較小，經向海溫梯度冬季超過夏季。 1 2 2 黑潮異常與e 1 一n i n o ( l a - n i n a ) 事件的關系 y u a n 【l “等人認為，1 9 9 7 年強厄爾尼諾期間臺灣以東黑潮的強度與流量都明顯減少；此 外，1 9 9 7 年最強厄爾尼諾期間黑潮的路徑與往常不同“。潘華盛【l ”研究了厄爾尼諾與黑潮 的海溫關系，認為在e l - n i n o 持續(xù)期間，黑潮海區(qū)維持冷水，黑潮海溫的變化總是先與 e 1 - n i n o 變化，而且呈反位相關系。李坤平等【l ”對8 l 8 3 年黑潮彎衄和e 1n i n o 事件進行 分析后認為：1 0 。2 0 。n 海區(qū)的風場變化不僅對黑潮人彎曲有直接影響，而且也是判斷這 次e 1 - n i n o 事件爆發(fā)的重要依據，從而把黑潮彎曲和e 1 - n i n o 事件緊密聯系起來。陳烈庭” 分析了東海黑潮與東太平洋赤道海區(qū)水溫的關系，指出，影響模式為：東太平洋赤道海區(qū) 水溫異常一北赤道流區(qū)海溫異常一太平洋副高異常東海黑潮異常，并認為若赤道東太平洋海 區(qū)為暖水年，次年黑潮流軸極易向西擺動。袁耀初還發(fā)現1 9 9 7 年強e 1 - n i n o 期間臺灣以東 黑潮的強度與流量都明顯地減少，最強e 1 - n i n o 期間黑潮在臺灣東南的位置要比任何航次 都要遠離臺灣島，并且還發(fā)現在此期間黑潮沒有分支入侵南海。還有學者1 研究了厄爾尼 諾現象與東海黑潮區(qū)及其鄰近海域水文結構和環(huán)流的變異，得出了一些有意義的結論。 1 2 3 黑潮區(qū)域異常與我國降水的關系 由于黑潮區(qū)域的特殊特征，其放熱量及海溫的異常會對我國東部地區(qū)的降水產生重要 影響。r 照模“研究了黑潮關鍵區(qū)的海面放熱量對長江地區(qū)梅雨降水的影響，得出：黑潮 關鍵區(qū)的海面放熱量對長江地區(qū)6 、7 月間的梅雨降水有一定的影響，長江地區(qū)五個測站的 擬合率為9 2 0 1 3 2 0 ，海面放熱量對均勻型梅雨降水影響較火。陳錦年“研究了青島夏季 降水與副高及黑潮海域海氣熱交換量之間的定性關系，把青島夏季降水與黑潮海域的海氣 熱交換狀況聯系起來。曲維政等”研究了黑潮區(qū)海溫異常分布與夏季7 月黃河中下游地區(qū) 的洪澇的關系，得出：有利于我國黃河中下游地區(qū)偏澇的環(huán)流形勢及海溫場分布情況為： 鄂霍次克海附近存在阻塞高壓，烏拉爾山脊穩(wěn)定，副熱帶高壓位置異常偏北；黑潮海域海 面水溫在副熱帶高壓平均脊線以北為正距平。以南為負距平。李永康”1 對黑潮海溫與我國 黑潮海溫異常的機制鼓e 對我國降水影響的研究 汛期降水及東距高空流場的關系作了統計分析，得出：我國汛期( 5 8 月) 降水與前期l 至4 月黑潮海溫存在遙相關，相關場形勢火體呈緯向分布，且各月基本一致。徐海明”“分析得 出：華南夏季降水與前期冬季1 月的黑潮海溫存在顯著的負相關，冬季1 月黑潮異常增暖 有利于華南夏季干旱的產生，而異常偏冷則有利丁洪澇的產生。余曼平u ”研究了黑潮暖流 與洞庭湖區(qū)汛期降水和洪澇的關系，并指f u ：黑潮暖流與洞庭湖區(qū)汛期降水和洪澇有著十 分密切的關系。黑潮暖流對洞庭湖區(qū)汛期降水的影響，主要是通過影響東弧大氣環(huán)流，特 別是影響西太平洋副高而使得洞庭湖區(qū)汛期降水異常。同時，黑潮暖流爰海溫與洞庭湖區(qū) 汛期降水有著較好的正相關關系。殷永紅等口”對江淮流域夏季降水異常及與全球中低緯海 溫異常熒系進行了診斷研究，指出：前冬各關鍵區(qū)海溫異常對弧洲夏季風環(huán)流的影響特征 為：當前期冬季赤道印度洋、黑潮、赤道大西洋和熱帶東太平洋海表溫度異常升高( 降低) ， 印度西南季風和東亞熱帶輻合帶減弱( 加強) ，副熱帶高壓位置偏南( 北) ，副熱帶輻合帶加 強( 減弱) ，長江流域易發(fā)生洪澇( 干旱) ，相關顯著性表明，前冬赤道印度洋和黑期區(qū)的海 溫異常對中國夏季長江流域降水的影響更為顯著。 1 2 4 黑潮區(qū)域的海氣相互作用研究 隨著海氣相互作用研究越來越受到重視，黑潮海域不再被單純的看作是一個海洋洋流， 許多氣象學家及海洋學家紛紛對巽 潮海域的海氣關系進行r 研究。趙永平及g a m c b e a n 口w 對黑潮海域海洋異常加熱對厲期北半球大氣環(huán)流影響進行了分析，得出：冬半年黑潮海域 海洋異常加熱主要影響后期夏半年加拿大東部低壓和北美低緯低壓倒槽及次年冬半年兩歐 低壓和烏拉爾山以東高壓；夏半年黑潮海域海洋異常加熱主要影響后期冬半年北火西洋高 壓和冬春季中國東北至日本南部氣壓場及次年夏半年七美低緯低壓倒槽。方之芳等”冬季 大氣環(huán)流對北太平洋海冰和黑潮暖流海溫的強迫作用，得出：w p 型強迫作用舌黑潮暖流區(qū) 的海溫，且海溫滯后大氣一個月。朱偉軍、孫照渤1 指出：冬季黑潮區(qū)域海溫正異常時， 風暴軸和急流均明顯北移，并且風暴輔的強度在入口區(qū)明顯增強，急流核的中心強度卻變 化不大。陳涉等”“用數值模擬的方法研究了黑潮暖流對臺灣海域人氣流場影響，得出：臺 灣島地形可形成明顯的海陸風環(huán)流，而黑潮暖流對該島局地環(huán)流有明顯的影響冬季當背 景風場較弱時，在臺灣海峽兩岸能形成明顯的海陸風環(huán)流，在臺灣島的東南岸，由于黑潮 暖流的影響難以生成海風。張秀芝1 分析發(fā)現，6 月份該海域開始出現熱帶氣旋增強，但 大多沿琉球群島軸線一帶活動：7 月黑潮區(qū)增強次數增多，且穿越黑潮于區(qū)移動；8 月東海 水溫普遍增高，熱帶氣旋增強遍布東海，黑潮區(qū)增強無明顯優(yōu)勢：9 爿除黑潮區(qū)有增強外， 東海已很少有增強出現。倪東鴻等1 對冬季黑潮區(qū)域s s t a 的時空演變及其與大氣環(huán)流的 聯系作了研究，指出：黑潮海溫負異常年時，黑潮海域s l p 和7 0 0 h p a 高度場為負距平，冬季 風加強，正異常年則反之；冬季黑潮區(qū)域s s t a 與8 5 0 h p a 風場距平的分布形態(tài)莢系密切。趙 宗慈 3 5 j 研究指出：暖洋流對大氣高度場的影響在冬季1 3 月晟明顯，而冷洋流在夏季7 - 9 月最顯著，而大氣對海溫的影響主要表現在兩個大氣活動中心，即太平洋高壓和阿留申低 壓對海溫的牽引和上翻作用。王黎娟等”研究了黑潮海溫對南海季風的影響，得出：季節(jié) 轉換時期( 4 6 月) 黑潮地區(qū)海溫對南海夏季風爆發(fā)早遲有一定影響，數值模擬結果迸一步表 明：該地區(qū)海溫正異常將導致西太平洋副高位置偏南，強度偏強，南海夏季風建立較晚，強 黑潮海溫異常的機制發(fā)其對我困降水影i 向的研究 度偏弱，反之亦然。 1 3 研究意義 對于海洋- 大氣系統來說，海氣相互作_ i = 是一種相互調整，相互制約和相互適應的反饋 過程，大氣和海洋是兩種不同的介質，它們之間緊密相連，它們的運動相互作_ j 、相互制 約。一方面，海洋對大氣加熱影響大氣運動：另一方面，太氣運動通過風應力對海流產生 影響，使海水產生風吹流和上翻運動，使海溫分布發(fā)生變化，以致改變海洋對大氣的加熱 作用，這樣海洋對大氣產生熱力影響，而大氣對海洋產生動力影響，使海氣相互作用過程 復雜化。 海氣相互作用一直被認為是造成短期氣候變化的一個原因。a j e r k n e s 【3 7 3 ”第一次提出把 海洋和大氣結合在起，研究海洋和大氣之間的耦合作用。此后，氣象學家、海洋學家對 海氣相互作用的問題開展了廣泛的研究。然而，有關海氣相互的研究主要集中于熱帶地區(qū)， 中緯度海氣相互作用研究的進展則相對緩慢，目前這方面的研究主要集中丁北太平洋中部 的n a m i a s 區(qū)域和西北大西洋的刪區(qū)域”，對黑潮區(qū)域的海氣相互作用的研究還很不夠。 從以上的國內外關丁：黑潮海溫的研究中我們也發(fā)現，大多數從事黑潮研究的學者把注 意力集中在黑潮本身的變化，對黑潮海域的海氣相互作用研究較少。僅有的研究也只是集 中于一些研究海溫、海氣熱交換等各種海洋熱力岡子及其對人氣的影響，但對大洋風場、 風應力及其對海洋的影響研究較少。研究影響黑潮區(qū)域海溫異常變化的風場關鍵區(qū)，對= 二 從海氣相互作用方面了解黑潮變化的機制非常重要，另外，還可以通過： 風場變化黑潮海溫異常我國部分地區(qū)氣候的變化 的關系鏈來進行短期氣候預測。所以，研究風場或大氣環(huán)流對黑潮海溫的影響具有十分重 要的物理意義。 1 4 本文研究的主要內容 針對以上的論述，本文主要著眼于探索與黑潮海域海溫異常關系密切的風場關鍵區(qū)，并 研究兩者之間的關系及作用機制，進而討論它們對我國氣候的影響。主要內容為： ( 1 ) 找出對黑潮海域海溫變化影響最為顯著的風場關鍵區(qū)，并對風場關鍵區(qū)與黑潮 海溫的相互關系作詳細的探索。 ( 2 )研究與風場異常關系密切的e 1 n i n o 及l(fā) a n i n a 循環(huán)與黑潮海溫變化的關系。 ( 3 ) 分析風場關鍵區(qū)與黑潮海溫變化的內在關系及影響的物理機制。 ( 4 ) 作為黑潮區(qū)域研究的應用，簡要分析黑潮海溫異常與夏季北半球大氣環(huán)流及我 國夏季降水的關系。 第9 頁共7 3 頁 黑潮海濫異常的機制鼓j e 對我困降水影響的研究 第二章資料和方法 2 1 資料說明 1 ，海溫資料：n o t s & 提供的1 8 5 4 年1 月一2 0 0 2 年1 1 月延長重構( e x t e n d e dr e c o n s w u c t e d ) 的月平均海表溫度場資料，網格距2 0 2 0 ( 經度緯度) ， 2 ，降水資料：中國氣象局整編的1 6 0 個標準站逐月氣溫、降水資料，時間取為1 9 5 1 年1 月至2 0 0 0 年1 2 月。 3 ，g i s s t 的海溫資料，時間為1 9 0 3 年1 月1 9 9 9 年1 2 月，網格距為l o l 。( 經度 緯度) 。 4 ，高度場、海平面氣壓、感熱、潛熱、長波輻射和太陽輻射通量：美國n c e p n c a r 提供的再分析月平均資料( 1 9 4 8 年1 月至2 0 0 0 年1 2 月) ，網格距為2 5 。x 2 5 。( 經 度緯度) 。 5 ，風場資料：n c e p 再分析的海表風場( 1 0 0 0 m b ) 資料( 2 5 * 2 5 ) ，資料年代為1 9 5 8 1 9 9 7 年，風應力場( 2 5 * 2 5 ) 年代長度為1 9 5 8 1 9 9 8 年。 6 ，太平洋洋流資料：美國n c e p n c a r 提供的再分析月平均資料( 1 9 8 0 年1 月至2 0 0 0 年 1 2 月) ，1 5 。1 0 。( 經度x 緯度) 。 2 2 方法說明 研究工作中主要采用了合成分析、相關分析、小波分析、滑動t 一檢驗、滑動平均分析、 e o f 分析、s v d 方法、r e o f 分析等方法。下面對其中一些方法進行說明。 2 2 1 小波分析 小波分析是最近十幾年國際上十分熱門的前沿領域，被認為是傅立葉分析方法的突破 性進展。1 9 8 4 年法國地質學家j m o r l e t 在分析地震波的局部性質時，將小波概念引入到信 號分析中。進入2 0 世紀9 0 年代，小波分析在信號處理、圖象處理、數字電路包括氣候診 斷等許多領域得到了j “泛的應用。 小波分析的來源 經典的傅立葉分析的本質是將任意一個關于時間t ( n n j 數f ( t ) 變換到頻域上 f ( w ) = i rf ( t ) e i w d t 其中w 為頻率；r 為實數域。f ( w ) 確定了f ( t ) 在整個時間域上的頻率特征?？梢?，經典 的傅立葉分析是一種頻域分析。對時間域上分辨不清的信號，通過頻域分析便可以清晰地 描述信號的頻率特征。但經典的傅立葉變換有其同有的缺陷，即它幾乎不能獲取信號在任 一時刻的頻率特征。這里就存在時域與頻域的局部化矛盾。在實際問題中，我們恰恰關心 信號在局部范隔內的特征。這就需要尋找時頻分析方法。 第1 0 頁共7 3 頁 黑潮j 姆溫異常的機制及其對我嘣降水影響的研究 1 9 4 6 年g a b o r 引入了窗r _ | 傅立葉變換 眠壚去l 鄺) 吼_ 6 ) e “出 其中函數v ( t ) 是吲定的，稱為窗函數；、壬，( f ) 是1 壬，( f ) 的復數共軛；b 是時間參數。由上式 可知，為了達到時間域上的局部化，在基本變換函數之前乘上一個時間上有限的時限函數 w ( t ) 。這樣9 1 “起到頻限作用，甲( f ) 起到時限作用。隨著時間b 的變換，v 確定的時間 窗在t 軸上移動，逐步x c f ( t ) 進行變換。從上式中看出窗口傅立葉變換是一種窗口大小及 形狀均固定的時頻局部分析，它能夠提供整體上和任一局部時間內信號變化的強弱程度。 由于窗口傅立葉變換的窗口大小及形狀固定不變，因此局部化只是一次性的，不可能靈敏 地反映信號的突變。事實上，反映信號高頻成分需用窄的時間窗，低頻成分用寬的時間窗。 在加窗傅立葉變換局部化思想基礎上產生了窗口大小固定、形狀可以改變的時頻局部分析 小波分析。 小波變換 若函數v ( t ) 滿足下列條件的任意函數 上甲( f 沖= 0 l 曾2 其中甲( w ) 是、王，0 ) 的頻譜。令 甲m ( f )口i l v ( t - b ) 為連續(xù)小波，、王，叫基本小波或母小波，它是雙窗函數，一個是時間窗，一個是頻率譜。 l ，。( f ) 的振蕩隨去增大而增大。因此，。是頻率參數，b 是時間參數，表示波動在時間上 的平移。那么，函數廠( f ) 小波變換的連續(xù)形式是： ( 咖) = i 。1 1 x ( 孵譬渺 黑潮海溫異常的機制及j 對我國降水影響的研究 由上式看到，小波變換函數是通過對母小波的伸縮和平移得到的。小波變換的離散形 式是： 吩( 口，6 ) ：腎1 f 窆，( f f ) y ( 竺2 )吩( 口，6 ) = h 1 f ，( f 出) y ( 竺孑 式中a t 為取樣間隔；n 為樣本量。離散化的小波變換構成標準正交系，從而擴充了實 際應用的領域。 2 2 2 滑動t 一檢驗 滑動t 一檢驗是考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變。對于具有1 3 個樣本量 的時間序列x ，人為設置某一時刻為基準點，基準點前后兩段子序列和x 2 的樣本分別為 ”和，z ：，兩段子序列平均值為i 和- 2 ，均方差為s 1 和s 2 。定義t 統計量： 蘭二墨 c 曩墨# c 去+ 1 2 - 一 一具有自由度為( m + 1 , 2 2 ) 的t 一分布，查t _ 分布表得到f o ，當t 2 t o 時，表明通 過顯著性檢驗，當t n 時，需要做時空 變換。利用j a c o b i 方法求協方差距陣：s = x x t 的特征值( ) 和特征向量( v ) ，將特征 值按大小順序排隊： a 2 a 。0 ，并求出其對應時間系數：t = v x ，再分別 m 計算每個特征向量的方差貢獻：r t = t a ；，( k = 1 、2 、3 、p m ) ，及前p 個特征 j 0 p m 向量的累積方差貢獻：g = 旯。，o c m ) 。 p lf = l 2 2 4s v d 方法 第1 2 頁共7 3 頁 黑湖海濫異常的機制及l(fā) e 對我國降水蟛響的研究 s v d ( s i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 是研究兩個氣象要素場之間相互關系的重要方法， 它實際上是e o f 分解法在非方陣和非對稱陣上的延伸旨在從兩個場中，識別出耦合的空間 型。其具體算法見文獻 4 2 】，值得強調的是，反映各個模態(tài)的相對重要性、對左右場的貢 獻率以及同一模態(tài)左右奇異向量的關系的物理量有以下兒個： 兩個場的總相關程度用協方差的模方來度量0 c l l = d 。2 k = l p 女，q l ，a i o ) ，b l ( f ) ，o - t 表示一個s v d 模態(tài) 表示各個模態(tài)的相對重要性的物理且為：溉。偷 第k 個模態(tài)對左場的方差貢獻率為 第k 個模態(tài)對右場的方差貢獻率為 去口。2 ( f ) 1f ；】 5 場的總方差 = 1 t6 。2 ( f ) 1t = l z 場的總方差 此外，定義各模態(tài)左右場展開式系數間的時間相關系數為模態(tài)相關系數，各模態(tài)左( 右) 場展開式系數與右( 左) 場序列之間的時間相關系數為異類相關，它們分別反映了每一模 態(tài)左右場的遙相關程度和相互作h 的關鍵區(qū)。 2 2 5r e o f 方法 經驗正交函數展開法( e o f ) 是資料分析時的常用方法之一，它能夠把原始數據中最 主要的時空特征分離出來。但是因為e o f 要求相關系數的平方根之和最人化，使得相關系 數分配不當，即很多載荷具有相同的強度，從而導致空間模態(tài)難以解釋，給場的分區(qū)增加 了困難，不能清晰地反映區(qū)域變化特征。旋轉e o f ( r j ! o f ) 方法，是在通常的e o f 方法 基礎上，把所得到的時間系數即主分量進行旋轉，使每兩個主成分之間的相關系數平方根 的方差最大，使得主成分的載荷分布為少數兒個大載荷和很多個趨干零的載荷，載荷問的 差距增人，更易干解釋。而且r e o f 穩(wěn)定性更好，較少受到數據長度及分布特征的影響， 更少依賴選取的分析區(qū)域，載荷向鼉更符合客觀的氣候形態(tài)。 第1 3 頁共7 3 頁 黑潮海溫異常的機制投其對我國降水影響的研究 第三章赤道太平洋風應力與黑潮海溫的關系研究 研究黑潮海域的海氣相互作用，特別是風應力對黑潮海溫的影響，具有非常重要的意 義。已有的研究表明，黑潮海域s s t 異常對北半球大氣環(huán)流及我國的氣候有重要影響，因 此如能找出影響黑潮海溫變化的風場關鍵區(qū)，就可以提前預報黑潮的變化，也就可以預測 我國氣候的異常。而要實現這一目的，首要任務就是尋找兩者相互作用的關鍵區(qū)并研究二 者的關系。岡此本章就致力于準確的定義二者相互作用的關鍵區(qū)域，以方便后面的研究。 3 1 關鍵區(qū)的選取 3 1 1 黑潮的選取 要研究黑潮海溫與大洋風應力的相互關系，關鍵是要找到兩者相互作用的關鍵區(qū)，黑 潮是海洋中的洋流，要十分準確的選出它的位置很難，根據文獻中的黑潮圖及引言中所 描述的黑潮經緯向的跨度，可以暫取( 1 2 0 。e 1 6 0 。e ，】5 。n - 4 5 。n ) 區(qū)域為黑潮區(qū)域。 對選定的的黑潮區(qū)進行e o f 分解，第一特征向量方差貢獻為5 4 ，所以其反映了黑潮 地區(qū)海溫的主要變化特征。根據圈2 ，可將( 1 2 1 。e ，1 6 0 。e ，2 1 。n 3 5 。n ) 作為黑潮區(qū) 域研究對象，用其米進行統計分析，以便選出與風應力關系最為顯著的黑潮關鍵區(qū)。 3 1 2 風場的選取 眾所周知，風應力包括經緯向兩個分量。所以，要想研究影響黑潮區(qū)域的風應力，必 須分別找到影響黑潮海溫的經緯向風場的關鍵區(qū)。在赤道地區(qū)。由于大洋西部溫度高而東 部低，因此形成了高空吹西風，低空吹東風的沃克環(huán)流。與人氣環(huán)流相對應的大洋環(huán)流， 為來自加利福尼亞沿岸流和秘魯沿岸流向東太平洋赤道海區(qū)堆積，形成爾太平洋冷水，并 自東向西流動，形成赤道流。大約在北緯7 。n - 2 0 。n 左右稱為北赤道流，赤道流遇到西 海岸有一部分北折經呂宋島和我國臺灣東側進入東海，叫做黑潮這就是黑潮的來源。由 此可見，中低緯太平洋大尺度的風場變化必然會引起黑潮本身物理特征的變化( 如流量， 流速等) ，進而導致黑潮海溫的異常。因此我們將太平洋地區(qū)選作為風場研究的初始對象， 再從中找到與黑潮海溫變化關系密切的經、緯向風場關鍵區(qū)。 另外，從赤道太平洋地區(qū)緯向風場的e o f 分析第一特征向量( 方差貢獻為4 3 ) 圖可 以看出，赤道中太平洋( 1 6 0 。e 1 4 0 。w ，5 。s - 5 。n ) 區(qū)域呈較致的空間變化分布。 第1 4 頁共7 3 頁 黑潮海溫異常的機制及j l - 對我圈降水夠響的研究 3 1 3 相互作用關鍵區(qū)的確定 s v d 是研究兩個氣象變量場相關結構的診斷技術，由于計算簡便，近年來已被廣泛麻 用于氣候診斷研究中，并得到了很多有益的結果。而且，s v d 的異性相關場可以用來分析 兩個場相互影響的關鍵區(qū)。岡此本文也使用了這一常用的方法來尋求黑潮和風場的關鍵區(qū)。 分別使用上面的原始黑潮區(qū)域與太平洋經緯向海表風場做了滯后( 黑潮海溫滯后) 1 2 個月的擴展s v d 分析，序列艮度為4 6 8 個月，結果如r ： ( 1 ) ，緯向風場與黑潮的相互作用： 圖4 黑潮海溫異常與赤道太平洋海表緯向風場異常的擴展s v d 分析的異性 相關圖( a - 1 為黑潮區(qū)域，一x 為風場) 。黑潮海溫滯后卜1 2 個月 從黑潮海溫的異性相關圖可以很清楚地看到，滯后一兩個月時，黑潮區(qū)域有兩個相關 的大值區(qū)，分別在1 2 0 。1 4 0 。e 和1 4 0 。一1 6 0 。e 之間，右邊的火值區(qū)較為偏北。從滯后 三個月開始，右邊的相關大值區(qū)已經變得不太明顯，只在滯后4 個月和5 個月時出現過小 范同的人值。而在左邊的相關區(qū)開始變大，并且從滯后5 個月開始穩(wěn)定在 1 2 3 。1 4 1 。e ，2 1 。2 9 。n 之間，持續(xù)6 個月以上，在滯后1 2 個月時變d - p 移。 從緯向風場的異性相關幽我們可以了解到，在黑潮海溫滯后風場l ，2 個月時，有兩個 相關大值區(qū)，一個在中緯度北赤道流區(qū)，另一個在赤道中太平洋地區(qū)，北赤道流區(qū)的范同 和相關值都要大于赤道地區(qū)。然而從滯后三個月開始，北赤道流區(qū)的大值區(qū)已經開始變得 不明顯，反而赤道中太平洋地區(qū)的大值區(qū)開始發(fā)展起來，并且穩(wěn)定在 1 6 0 。e - 1 4 0 。w , 5 。s - 5 。n 之間，且能持續(xù)6 個月以上。相關大值區(qū)以1 8 0 。e 為分界，在 左右各有一個中心，且左邊的范圍和強度均大于右邊，滯后l o 個月以后，右中心減弱消失。 由上面的分析可以得出，緯向風場和黑潮海溫相互作用( 滯后相關) 的關鍵區(qū)分別為 赤道中太平洋地區(qū)( 1 6 0 。e 1 4 0 。w ，5 。s 5 。n ) 和( 1 2 3 。e 1 4 1 。e ，2 1 。n 2 9 。n ) 。 ( 2 ) ，經向風場與黑潮的相互作用 經向風場的情況與緯向的則人不相同，從經向風場與黑潮海溫的擴展s v d 分析圖( 圖 略) 可以看出，在海溫與風場同期及滯后1 ，2 個月時，影響黑潮海溫的經向風關鍵區(qū)有兩 個，一個是黑潮本身區(qū)域的經向風場，另一個是中緯度北赤道流區(qū)。從滯后3 個月開始， 這兩個大值區(qū)便逐漸減弱消失，相應的在赤道西太平洋地區(qū)( 1 4 0 。- 1 6 0 。e ，5 。s - 5 。n ) 出現一個大值區(qū)，且能持續(xù)高值6 個月左右，到滯后1 2 個月以后減弱消失。黑潮海溫關鍵 區(qū)相對于緯向關鍵區(qū)變動不大，可視為一致。 從上面的統計分析可以看出，對于黑潮區(qū)域來講，自身的緯向風場對其影響不大，只 有經向風場在海溫同期及滯后l ，2 個月時對其有影響，呈明顯的正相關，即南風增強時， 第1 5 頁共7 3 頁 黑潮海溫異常的機制發(fā)j 對我國降水蟛響的研究 黑潮海溫正異常；而對丁- 黑潮的起源北赤道流區(qū)來講，其經緯向風場對黑潮海溫有一定的 影響，但與黑潮自身風場類似的是，它的影響也停留在黑潮海溫同期及滯后1 ，2 個月左右， 上面的兩個區(qū)域對丁黑潮的影響與常識相符合，較易理解。值得注意的是，在黑潮海 溫滯后風場3 個月以后，赤道太平洋地區(qū)經緯向均出現一個大值區(qū)，緯向大值區(qū)出現在中 太平洋地區(qū)，經向出現在西太平洋地區(qū)( 1 4 0 。1 6 0 。e ，5 。s 5 ：n ) ，且對黑潮的影響均能 持續(xù)6 個月左右。分析表明：經向關鍵區(qū)南風增強，黑潮海溫正異常；北風加大時，黑潮 海溫降低。這也可以解釋為，南風的加強使得赤道地區(qū)的暖水向中緯度黑潮海區(qū)的輸送加 強，所以導致黑潮海溫升高，而且是滯后相關，反之則相反。緯向關鍵區(qū)與黑潮海溫的關 系是：西風增強，黑潮海溫升高：東風增強時，海溫降低。雖然赤道地區(qū)緯向風場與黑潮 海域并無直接聯系，但卻能出現如此大而持久的相關，其中機制值得研究和探索。 3 2 赤道太平洋風場與黑潮海溫的關系。 3 2 1 緯向風場 上一節(jié)的分析，緯向風場的關鍵區(qū)為赤道中太平洋地區(qū)，與其對應的黑