中文摘要 本文利用g i s s t 全球海表海溫資料以及n c e p n c a r 再分析月平均資料， 研究了熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的持續(xù)性。對熱帶印度洋與熱帶太平 洋海表溫度的持續(xù)性進行分析，發(fā)現(xiàn)熱帶東印度洋海溫持續(xù)性在秋季顯著下降， 即：熱帶東印度洋存在“秋季障礙”現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)中東太平洋海溫持續(xù)性在春季 顯著下降，驗證了“春季障礙”現(xiàn)象。 在發(fā)現(xiàn)熱帶印度洋存在“秋季障礙與熱帶太平洋存在“春季障礙”的基 礎上，對熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的季節(jié)變化特征進行討論，表明： 在春季，中東太平洋海溫持續(xù)性顯著下降的時期，太平洋海氣系統(tǒng)很弱而印度 洋季風系統(tǒng)急劇增強，熱帶印度洋與熱帶太平洋地區(qū)由以太平洋海氣系統(tǒng)為主 導轉向以印度洋季風系統(tǒng)為主導；在秋季，東印度洋上海溫持續(xù)性顯著下降的 時期，印度洋季風系統(tǒng)急劇減弱而太平洋海氣系統(tǒng)處于增強期，熱帶印度洋與 熱帶太平洋地區(qū)由以印度洋季風系統(tǒng)為主導轉向以太平洋海氣系統(tǒng)為主導。 進一步分析熱帶印度洋“秋季障礙”與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的關系，表明： 熱帶東印度洋“秋季障礙后冬季海溫與其前期海氣系統(tǒng)關系微弱，而熱帶太 平洋秋季海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了冬季東印度洋海表溫度的異常， 由此認為秋季急劇增強的太平洋海氣系統(tǒng)對東印度洋海表溫度持續(xù)性“秋季障 礙”起著重要的作用。 關鍵詞：持續(xù)性，秋季障礙，太平洋海氣系統(tǒng)，印度洋季風系統(tǒng)，季節(jié)差異 a b s t r a c t b a s e do nt h em o n t h l yn c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t a s e ta n dg i s s td a t a ，t h e d u r a t i v eo ft h eo c e a n a t m o s p h e r es y s t e mi nt r o p i c a li n d i a na n dt r o p i c a lp a c i f i co c e a n h a v eb e e ns t u d i e d i ti ss h o w nt h a tt h e “f a l lb a r r i e r e x i s t si ne a s t i n d i a no c e a nw h i l e t h e “s p r i n gb a r r i e r i sv a l i d a t e db ya n a l y z i n gt h ed u r a b i l i t yo fs s ti nt r o p i c a lp a c i f i c o c e a na n dt r o p i c a li n d i a no c e a n o nt h eb a s i so ft h e “f a l lb a r r i e r a n dt h e s p r i n gb a r r i e r ”- t h es e a s o n a lc h a n g i n g o ft h eo c e a n - a t m o s p h e r es y s t e mi n t r o p i c a li n d i a na n dp a c i f i co c e a nh a sb e e n a n a l y z e d r e s u l t si n d i c a t et h a ti nt h ep e r i o do f s p r i n gb a r r i e r ，t h ep a c i f i cs y s t e mi s w e a kw h i l et h em o n s o o nc i r c u m f l u e n c eo v e ri n d i a no c e a nd e v e l o p ss t r o n g l y ，t h e ni t t u r n st ot h ed o m i n a t i n go fm o n s o o nc i r c u m f l u e n c ef r o mt h ep a c i f i cs y s t e mi nt r o p i c a l i n d i a na n dp a c i f i co c e a n i nt h ep e r i o do f “f a l lb a r r i e r ，t h em o n s o o ns y s t e mi s w e a kw h i l et h ep a c i f i cs y s t e m d e v e l o p ss t r o n g l y ，t h e ni tt u r n st ot h ed o m i n a t i n go f t h ep a c i f i cs y s t e mf r o mt h em o n s o o nc i r c u m f l u e n c ei nt r o p i c a li n d i a na n dp a c i f i c o c e a n f u r t h e rm o r e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eo c e a n a t m o s p h e r es y s t e mo fp a c i f i c o c e a na n dt h e “f a l lb a r r i e r o ft r o p i ci n d i a no c e a nh a sb e e na n a l y z e d i ti ss h o w n t h a tt h ew i n t e rs s t ao ft r o p i ce a s t i n d i a no c e a nh a sl i t t l ec o e l a t i o nw i 也t h e p r o p h a s es y s t e mo fi t s e l fw h i l ei ti sl e db yt h ep a c i f i cs y s t e mi nag r e a td e g r e e t h e n i ti st h o u g h tt h a tt h e “f a l lb a r r i e r i nt r o p i ce a s t i n d i a no c e a ni sg r e a t l ye f f e c t e db y t h eo c e a n - a t m o s p h e r es y s t e mo fp a c i f i co c e a n k e y w o r d s ：d u r a b i l i t y ，f a l lb a r r i e r ，o c e a n a t m o s p h e r es y s t e mo f p a c i f i co c e a n ， m o n s o o ni ni n d i a no c e a n ， s e a s o n a ld i f f e r e n t i a u 學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 1 、堅持以“求實、創(chuàng)新刀的科學精神從事研究工作。 2 、本論文是我個人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本論文中除引文外，所有實驗、數(shù)據(jù)和有關材料均是真實的。 4 、本論文中除引文和致謝的內容外，不包含其他人或其它機構 已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。 5 、其他同志對本研究所做的貢獻均已在論文中作了聲明并表示 了謝意。 作者簽名：物盈趁 日期：筮盜：至 學位論文使用授權聲明 本人完全了解南京信息工程大學有關保留、使用學位論文的規(guī) 定，學校有權保留學位論文并向國家主管部門或其指定機構送交論 文的電子版和紙質版：有權將學位論文用于非贏利目的的少量復制 并允許論文進入學校圖書館被查閱：有權將學位論文的內容編入有 關數(shù)據(jù)庫進行檢索；有權將學位論文的標題和摘要匯編出版。保密 的學位論文在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名：空丕酗強 日 期：絲星：( 第一章緒論 占地球表面積三分之二以上的海洋由于其幾何和物理學特性而對大氣環(huán)流、長 期天氣過程和氣候變化的影響，早在上世紀二十年代就受到人們的重視。近幾十年 來，海洋與大氣相互作用的研究空前活躍，6 0 年代后期開始的“全球大氣研究計劃” ( g a r p ) 和7 0 年代后期開始的世界氣候計劃( w c p ) $ n 8 0 年代的熱帶海洋與全球 大氣( t o g a ) 計劃利用通過衛(wèi)星的氣象、海洋觀測，為測站十分稀少的廣闊的海 洋區(qū)域提供了十分豐富的資料，推動了海氣相互作用研究的進展。海洋面積占地球 表面積的7 0 8 因此，到達地球表面的太陽輻射能大部分被洋面吸收再轉化成其 他形式的能量穩(wěn)定地加熱大氣。海面的蒸發(fā)量是地表總蒸發(fā)量的8 4 ，海洋也是大 氣中水汽的主要源地。海洋的熱力和動力學慣性使它對大氣具有一種獨特的“記憶 功能”和“低通濾波作用”。因此，大氣一海洋這個耦合系統(tǒng)是全球氣候系統(tǒng)中最 重要的子系統(tǒng)之一。 熱帶海氣相互作用非常強烈，熱帶大氣中各種尺度的運動都受到海氣相互作用 的影響，然后又通過大氣環(huán)流進一步影響中高緯度的天氣氣候變化，所以，熱帶海 表溫度和它的異常也就扮演了海洋對大氣運動影響的重要角色。隨著t o u r r e 和 w h i t e t i 】提出全球尺度的e n s o 信號后，人們逐漸把全球海洋聯(lián)系起來。近年來許多 研究表明，在熱帶海氣系統(tǒng)中，太平洋與印度洋海洋與大氣變化之間既存在聯(lián)系， 又存在獨立性。下面首先對熱帶太平洋與印度洋海氣系統(tǒng)的研究進行簡單的回顧。 1 1 熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的研究回顧 熱帶太平洋海域東、西伸展達1 4 0 個經度，接近赤道的半周長，占據(jù)了熱帶海 洋面積的大部分，這里海洋的溫度狀況具有明顯的經、緯方向的不均勻。在信風的 驅動下，赤道表層暖海水向西流動，大量的海水在西太平洋堆積，使西太平洋海溫 常年大于2 8 。c ，是全球海洋暖池之一。由于西太平洋暖池的空間尺度很大，它的 熱力狀態(tài)的變化將對大氣環(huán)流和短期氣候的變化有很大的影響【2 1 。東太平洋冷海水 向洋面上翻，并從赤道向兩側延伸，形成一個很寬的冷水舌，東西最大溫差達到1 0 。c 。在赤道中東太平洋，某些年份的海表溫度可以超出氣候平均值很多，這些強 的暖水事件成為e 1n i f i o ，相反的冷水事件成為l an i f i a 。此外，w a l k e r 首先發(fā)現(xiàn)， 熱帶中東太平洋的塔希提島與熱帶西太平洋暖池附近靠近澳大利亞北部的達爾文 海平面氣壓變化常常反相，稱之為南方濤動( s o ) 。6 0 年代b j e “( n e s 【】指出，s o 和e 1n i f i o l an i f i a 存在密切的聯(lián)系，是熱帶大氣和海洋相互作用的表現(xiàn)，因此 把它們合稱為e n s o i 引。 e n s o 機制研究可以追溯到六、七十年代b j e r k n e s 的熱帶太平洋海氣相互作用 假說：假設初始赤道東太平洋有一個正海溫異常，它將減弱赤道太平洋東西部之間 的緯向溫度梯度，從而減弱w a l k e r 環(huán)流的強度，導致赤道信風減弱。減弱的信風反 過來通過減小水平溫度平流、東太平洋的垂直上翻以及溫躍層向下位移等過程，從 而加強了原來的正海溫異常。b i e r k n e s 提出了e n s o 的正反饋機制，并沒有提到對 其進行約束的負反饋機制。關于e n s o 循環(huán)的負反饋機制，a n d e r s o n l 6 等指 k e l v i n 和r o s s b y 波在太平洋東、西岸的來回反射、傳播并通過異常的上翻或者下沉來改變 海洋混合層的厚度，引起海溫異常，從而提出了赤道波動理論。g r a m 和w h i t e l 7 j 、 s u r a z e 和s c h o p f 8 】提出了e n s o 循環(huán)的自然振蕩子或時滯振蕩子理論，其主要思想是 借助赤道地區(qū)k e l v i n 波的向東傳播，將赤道西太平洋暖池地區(qū)的暖冷異常信號帶到 赤道中東太平洋，東太平洋的海面暖冷異常進一步減弱加強了赤道附近的w a l k e r 環(huán)流，構成了e 1n i f i o l an i f i a 事件的正反饋過程；與此同時，赤道外風應力旋 度通過e k m a n 抽吸產生向西傳播的冷暖r o s s b y 波，到達西邊界后反射成為赤道冷 暖k e l v i n 波，繼續(xù)向東傳播構成一種負反饋過程，完成這一循環(huán)需時約3 - 4 年，該 循環(huán)的不斷往復造成了e 1n i f i o 事件和l an i f i a 事件的交替出現(xiàn)。 近年來人們對e n s o 進行了更深入的研究。黃榮輝等一j 指出e n s o 發(fā)生應滿足的 兩個條件：西太平洋暖池有暖水積聚、西太平洋有異常的西風出現(xiàn)。楊修群掣1 0 l 指出e 1n i f i o 開始于春季，這時在秘魯沿岸的海面溫度升高；到了晚夏和初秋，暖 水逐漸從赤道東太平洋延伸到赤道中太平洋，e n s o 現(xiàn)象進入發(fā)展時期；到了晚秋 與早冬，從赤道東太平洋到赤道中太平洋的海面溫度增暖到了頂點，這時進入 e n s o 現(xiàn)象的成熟期：到第二年春季，從赤道東太平洋到赤道中太平洋的海溫逐漸 下降，恢復正常，即從赤道東太平洋到赤道中太平洋又漸漸變成了冷水，年循環(huán)使 得e n s o 季節(jié)循環(huán)具有明顯的“鎖相”特征。巢紀平和張人禾i l l j 從動力學角度上較 好地解釋東傳、西傳型e n s o 及其強度的差異，當海氣相互作用較弱時，可以產生 向西傳播的不穩(wěn)定的波動，并且不穩(wěn)定增長率較小、e n s o 的強度較?。寒敽庀?互作用較強時，在很大范圍均出現(xiàn)向東傳播的不穩(wěn)定波，且不穩(wěn)定增長率較大、 e n s o 的強度較大。李崇銀等陋1 5 1 研究指出：赤道太平洋次表層海溫與e n s o 的發(fā) 生有著密切的關系，他們認為：次表層水溫的正( 負) 距平導致了e li l i f i o l a n i f i a 2 的發(fā)生，而次表層水溫的年際變化則與東亞季風異常有著密切關系，他們還利用耦 合模式( c g c m ) 較好地模擬了西太平洋暖池次表層水溫異常與e n s o 發(fā)生之間的關 系。張人禾等【l6 j 研究指出：在e n s o 期間，西風距平首先出現(xiàn)在熱帶西、中太平洋 一帶，然后向東推進；當西風距平增強并逐步東傳之后，赤道東太平洋的s s t 開始 升高：當西風距平位于中太平洋時，東太平洋s s t 升至最高。然后s s t 開始下降， 并在熱帶西太平洋出現(xiàn)東風距平：最后，重新恢復常態(tài)。蒲書箴等7 j 根據(jù)實測資 料，討論了1 9 9 7 1 9 9 8e n s o 事件的發(fā)展和演變。他們通過個例研究認為：發(fā)生在 溫躍層的溫度距平和k e l v i n 波的傳播對e n s o 的發(fā)生和發(fā)展，以及海面溫度的增暖 是至關重要的。緊隨西風爆發(fā)之后，首先是躍層增暖，然后海面開始增暖。前者明 顯領先于后者。朱乾根等f l8 】說明了1 9 7 6 1 9 7 7e n s o 事件和1 9 8 2 1 9 8 3e n s o 事件的 特點，發(fā)現(xiàn)了它們所發(fā)生的年代際變化的背景有所不同。前者發(fā)生在s s t 相對較冷， 赤道東太平洋( o 。8 0 。w ) 上空8 5 0h p a 為西風距平，4 a 周期s s t a 濤動為西向傳播 的背景條件下。而后者發(fā)生在s s t 相對較暖，赤道東太平洋( 0 。 - 8 0 。、聊上空8 5 0 h p a 為東風距平，4 a 周期的s s t a 濤動為東向傳播的背景條件下。此外，l a u 等【1 9 】認 為大氣3 0 - - 4 5 0 天的季節(jié)內振蕩可能對e n s o 起觸發(fā)作用。李崇銀等1 2 0 】研究表明東亞 地區(qū)冬季寒潮的頻繁爆發(fā)對e n s o 的產生起了重要作用。張慶云等【2 l j 研究指出，赤 道東太平洋海面溫度異常變化與冬夏東亞季風環(huán)流隔季韻律關系及其年際變化密 切相關。穆明權和李崇銀【2 2 l 發(fā)現(xiàn)：在e n s o 發(fā)生之前，東亞冬季風增強( 減弱) ，東 亞冬季風的年際變化較好地反映并隱含著e ns o 的信息。鄒力等1 2 3 j 研究表明，南下 的亞洲冬季風能夠誘發(fā)熱帶西太平洋的強對流活動，并且影響e n s o 循環(huán)。 總之，e n s o 是熱帶海氣相互作用的典型例子，是年際尺度氣候變化中最強的 信號。e n s o 循環(huán)的轉換過程機制十分復雜，氣象學家對其進行了綜合，指出它首 先是海洋運動的一種結果，再加上熱帶地區(qū)海洋和大氣運動特征時間尺度基本匹 配，海洋、大氣在動力和熱力方面都存在相互調整，一旦異常條件能達到破壞海洋 和大氣之間的動力、熱力平衡，則可以在新的條件下相互適應和調整，使得異常持 續(xù)發(fā)展，完成一次e n s o 過程。e n s o 研究成果被認為是2 0 世紀物理海洋學的最重 大進展之一。 1 2 熱帶印度洋海氣系統(tǒng)的研究回顧 熱帶印度洋一直以來被認為是在全球氣候系統(tǒng)中處于從屬地位，許多研究表 明，印度洋海溫年際異常是對季風【2 4 - 2 6 或e n s o 2 7 - 2 9 1 的響應。近來的研究表明，熱 3 帶印度洋本身也存在海洋大氣相互作用。s a j i - - 等 3 0 提出了印度洋偶極子( i o d ) ， 并將印度洋西部赤道附近的海表溫度距平減去印度洋東部赤道附近的海表溫度距 平的值稱為偶極子模態(tài)指數(shù)( d m i ) ，d m i 可呈有正、負值的年際時間變化形式，通 過對大氣中風和降水等資料分析后指出，這是熱帶印度洋的海氣相互作用現(xiàn)象。 w e b s t e r 等【3 l 】指出i o d 是印度洋氣候系統(tǒng)內部的可自我維持的特征模態(tài)，在季節(jié)到 年際尺度的氣候變率中起到主動和獨立的作用。 此后人們對印度洋偶極子進行了更深入的研究，李崇銀等【3 2 3 3 】研究了赤道印度 洋偶極子特征和s s t 的變化，正位相型的偶極子為s s t 西高東低分布，負位相型的 偶極子為東高西低分布；正位相型的振幅大于負位相型的振幅，偶極子的年變化是 9 11 月最強，1 - 4 月最弱。年際變化為4 - 5 a 的準周期。年代際變化為2 5 3 0 a 。 v i n a y a c h a n d r a n 等1 3 4 】模擬結果表明，在偶極子正位相期間，東風異常強迫出上翻的 赤道k e l v i n 波，在印度洋東岸反射為西傳上翻的r o s s b y 波，在r o s s b y 波傳過后，東 印度洋的異常減弱。i i z u k a l 3 5 1 利用海氣耦合模式成功模擬了印度洋偶極子，模式熱 通量分析表明，受海洋動力過程強烈影響的熱帶海氣相互作用對偶極子的產生至關 重要。巢紀平等【3 6 】分析了熱帶溫躍層上海溫距平資料后指出，在印度洋東西方向 的海溫距平分布呈現(xiàn)出距平符號相反的偶極子現(xiàn)象，在大氣中的緯圈環(huán)流即w a l k e r 環(huán)流上也呈現(xiàn)出與海溫距平相協(xié)調的或匹配的上升和下沉分支( 距平意義下) 分布。 錢海峰等【37 i 的研究表明，海洋次表層的偶極子比表層更穩(wěn)定。 此外，晏紅明等【3g 】選取印度洋4 8 年的海表溫度距平資料，研究表明，印度洋 海表溫度多年的年季平均距平的空間分布主要表現(xiàn)為三種定常類型：( 1 ) 全區(qū)一致 型：( 2 ) 東西差異型；( 3 ) 南北差異型。研究還表明，印度洋4 8 年的海表溫度變化相 對于較大時間尺度的演變來說，主要特征是由冷到暖的年代際變化，5 0 - - 6 0 年代為 偏冷期，7 0 年代為冷暖交替的過渡期，8 0 9 0 年代為偏暖期；次主要特征反映了印 度洋海溫東西熱力場的異常年際變化，平均海溫距平場第二特征向量的時間系數(shù)變 化同e n s o 有較密切的關系，大( 小) 的時間系數(shù)對應l a n i f i a ( e 1n i f i o ) 事件。譚言 科等3 9 1 以及杜振彩等h 0 1 研究發(fā)現(xiàn)，熱帶印度洋海溫距平的變化存在顯著的距平符 號東西一致的單極型和距平符號東西相反的偶極型，其出現(xiàn)的概率分別為6 7 和 3 3 。偶極期間在熱帶印度洋和西太平洋海洋性大陸上空的大氣中存在著明顯的 w a l k e r 類型的環(huán)流，具有顯著的局地海氣耦合特征，而單極期間這種特征不明顯。 大部分偶極子的生命史都非常短暫，其持續(xù)發(fā)展的主要特征表現(xiàn)為西印度洋正距平 4 的增加、東移和東印度洋負距平的不斷加強。單極既存在長期增暖趨勢，也存在年 際振蕩，偶極則以年際變化為主。單極在長期趨勢和年際時間尺度上對偶極的影響 是不同的，長期趨勢縮短了偶極子的生命期，在冷期，印度洋海溫經歷了由負單極 到正偶極再到負單極的演變，偶極子異常信號最早出現(xiàn)在熱帶西印度洋：在暖期， 印度洋海溫經歷了由正單極到正偶極再到正單極的演變，偶極子異常信號最早出現(xiàn) 在熱帶東印度洋。 1 3 熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)相互作用的研究回顧 前人對熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)相互作用從不同的角度進行了研究， 取得了大量的研究成果，為我們全面認識熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)提供了 豐富的背景知識。 吳國雄等【4 3 】分析赤道中部印度洋和赤道東部太平洋在1 9 7 9 1 9 8 8 年期間的 月平均s s t 變化時發(fā)現(xiàn)，兩者之間的正相關競高達+ 0 7 6 ，遠高于9 9 的信度水準 ( 0 2 4 ) ，進一步研究指出這種正相關是由于沿赤道印度洋上空緯向季風環(huán)流和太平 洋上空w a l k e r 環(huán)流之間顯著的耦合造成的。這兩個異常的緯向環(huán)流圈之間的耦合形 式看起來很象是存在于赤道印度洋和太平洋上空的一對齒輪( g i p ) ，當一個作順 時向變化時，另一個則作反時向變化。此外其研究還表明，e n s o 事件與g i p 的年 際異常存在很好的對應關系，暖事件時g i p 為反向運轉；冷事件時g i p 為正向運轉， 異常的g i p 的嚙合點位于印尼群島附近。對8 0 年代以來的e n s o 事件的分析表明， 每次事件前期異常的g i p 的嚙合點首先出現(xiàn)在印度洋上空，然后逐漸傳入太平洋， 引起g i p 東側的大氣緯向風u 和s s t 同時發(fā)生異常變化。當這種風場和s s t 的異常變 化發(fā)展東傳到達赤道中東太平洋時，導致e n s o 事件最終出現(xiàn)。 巢紀平等【“4 6 1 在熱帶印度洋太平洋次表層構造一個最大溫度距平極值曲面 ( 這個曲面接近氣候的溫躍層面) ，并在這個面上來分析海溫距平的動態(tài)行為，結果 表明，在熱帶印度洋和太平洋都存在海溫距平的偶極子模態(tài)，即在赤道附近大洋東、 西兩個部分的海溫距平在不少年份呈反符號分布，迸一步分析表明，兩大洋海溫距 平的偶極子模態(tài)間有密切的聯(lián)系。在分析它們和8 5 0 h p a 緯向風距平后指出，正式 w a l k e r 環(huán)流異常把兩大洋的海溫距平變化聯(lián)系起來。 趙姍姍等【4 7 1 通過數(shù)值試驗結果表明：熱帶某海盆s s t 暖( 冷) 異常一般總是引起 該海盆上空西部西( 東) 風異常和東部東( 西) 風異常；熱帶太平洋s s t 暖( 冷) 異常導致 年際尺度上印度洋上空東( 西) 風異常和年代際尺度上熱帶印度洋風場輻散( 合) ，該 丐 風應力導致熱帶印度洋年際s s t 暖( 冷) 異常以及年代際s s t 冷( 暖) 異常，但這種異常 均較弱；熱帶印度洋s s t 暖( 冷) 異常導致熱帶太平洋上空東( 西) 風異常，該風應力 異常在年際和年代際尺度上均導致熱帶太平洋s s t 冷( 暖) 異常，但年代際尺度上異 常更明顯?？紤]到熱帶印度洋s s t a 受熱帶太平洋s s t a 影響大，并且熱帶太平洋s s t 暖( 冷) 異常主要通過表面熱通量導致熱帶印度洋s s t 變暖( 冷) 的觀測事實，文中揭 示的熱帶印度洋s s t 暖( 冷) 異常通過風應力橋梁作用導致熱帶太平洋s s t 冷( 暖) 異 常的結果表明，熱帶印度洋s s t a 對于熱帶太平洋s s t a 主要起著一種負反饋作用， 并且這種負反饋作用在年代際尺度上更為明顯。 殷永紅等f 4 8 】對近2 0 年來熱帶印度洋與太平洋海溫異常及相關的環(huán)流特征量進 行綜合分析和研究，發(fā)現(xiàn)熱帶印度洋的內部耦合動力特征模態(tài)一偶極子模的強度， 存在著年代間的差異，8 0 年代偏弱，9 0 年代偏強，而熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣 耦合系統(tǒng)之間存在著相互作用，8 0 年代熱帶印度洋的s s t a 主要是對太平洋e n s o 的響應，9 0 年代太平洋e n s o 的異常發(fā)展在一定程度上是受印度洋偶極子模態(tài)異常 活躍影響的結果。 周天軍等【4 9 - 5 0 】從觀測和模擬兩個角度，證實熱帶印度洋s s t 的變化是對東太平 洋s s t 強迫的一種遙響應，當赤道中東太平洋出現(xiàn)暖異常時，2 0 。s 以北的熱帶印 度洋海域同樣出現(xiàn)暖異常，赤道印度洋s s t 與n i n 0 3 區(qū)指數(shù)的相關系數(shù)，在滯后 n i n 0 3 區(qū)指數(shù)4 5 個月左右達到最大。其研究還表明，西太平洋暖池區(qū)s s t 的變化 與南印度洋西風漂流區(qū)、赤道北印度洋存在顯著的正相關，在年代際的時間尺度上， 赤道印度洋和西太平洋暖池區(qū)s s t 的變率特征極為一致。； 晏紅明等【5 l 】通過對e n s o 循環(huán)的兩個不同位相中印度洋地區(qū)海表溫度變化特 征的分析，指出印度洋地區(qū)的海溫變化與赤道東太平洋地區(qū)的海溫變化有較好的相 關關系，是e n s o 循環(huán)的重要組成部分。對應于赤道東太平洋暖位相期，印度洋地 區(qū)的海溫分布為東冷西暖；與此相反，在赤道東太平洋冷位相期，印度洋地區(qū)的海 溫分布為東暖西冷。進一步的分析還發(fā)現(xiàn)，印度洋東、西部地區(qū)海溫變化緯向差異 最明顯的區(qū)域位于印度洋赤道以南0 2 5 。s 附近，且這種差異具有明顯的年季變 化特征，在整個夏季風期間差異較大，而冬季風期間較小，其中冷位相期間的緯向 差異比暖位相期間的緯向差異大。代表印度洋緯向差異的i d m ( 偶極指數(shù)) 變化與赤 道東太平洋地區(qū)的海溫變化有很好的正相關關系。 王東曉等【5 2 1 分析了1 9 9 7 1 9 9 8 年e ln i f i o 期間熱帶東印度洋和西太平洋海洋上 6 層熱含量之間的聯(lián)系后，認為印度尼西亞貫穿流在連接這兩大洋海溫變化中起著重 要作用。m e y e r s 5 3 l f i = 1 1 g o r d o n 5 4 】等分析發(fā)現(xiàn)在e n s o 期間印度尼西亞貫穿流的流量與 正常年份相比有減少。李雁翎等例用一個耦合模式f g c m o 來說明印度尼西亞貫穿 流可以顯著影響熱帶太平洋和印度洋年際變化的特征。 此外，w e b s t e ra n dy a n g 5 6 】選用南方濤動指數(shù)( s 0 1 ) ，研究發(fā)現(xiàn)熱帶中東太平 洋海溫的持續(xù)性在春季明顯減弱，e n s o 系統(tǒng)的持續(xù)性及其預測存在“春季障礙”， 并認為是熱帶印度洋季風系統(tǒng)作用的結果。他們提出季風與e n s o 選擇性相互作 用原理闡明了熱帶印度洋季風系統(tǒng)對“春季障礙”的作用：春季，太平洋海氣系統(tǒng) 很弱而印度洋上季風系統(tǒng)發(fā)展增強，熱帶印度洋太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)由以太平洋 系統(tǒng)為主導轉向以印度洋季風環(huán)流為主導，急劇增強的印度洋季風系統(tǒng)的作用，導 致中東太平洋海溫的持續(xù)性明顯下降。 1 4 本文工作的主要思想及內容安排 w e b s t e ra n dy a n g 5 6 1 的季風與e n s o 選擇性相互作用原理對本文的寫作有一定 的啟發(fā)性，該原理指出：在春季，太平洋w a l k e r 環(huán)流很弱而印度洋季風系統(tǒng)發(fā)展 增強，熱帶印度洋太平洋地區(qū)以印度洋季風環(huán)流為主導，e n s o 受急劇增強的印 度洋季風系統(tǒng)的作用，導致中東太平洋海溫的持續(xù)性明顯下降。那么，在秋季，當 太平洋海氣系統(tǒng)急劇增強而印度洋上季風系統(tǒng)減弱【5 7 。5 8 1 時，印度洋海溫持續(xù)性是否 會出現(xiàn)類似中東太平洋海溫持續(xù)性下降的現(xiàn)象? 為此，本文研究熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的持續(xù)性，將主要進行以 下幾個方面的工作： ( 1 ) 研究熱帶印度洋海表溫度的持續(xù)性，同時采用海表溫度的指標驗證熱帶中東 太平洋海溫持續(xù)勝的“春季障礙”。 ( 2 ) 分析熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的季節(jié)差異，主要分析春秋季熱帶印 度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的特征。 ( 3 ) 進一步研究熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的相互作用，考察太平洋海氣 系統(tǒng)與印度洋秋季海表溫度持續(xù)性下降的關系；驗證印度洋海氣系統(tǒng)與“春季障礙” 的關系。 7 2 1 資料說明 本文使用的資料有： 第二章資料和方法 1 英國氣象局h a d l e y 氣候預測和研究中心編輯的全球海表海溫資料 ( g i s s t ) ，時間跨度為1 9 3 8 年1 月2 0 0 3 年1 2 月，全球格點數(shù)為3 6 0 x1 8 0 個， 格距為1 。( 經度) l 。( 緯度) 。 2 n c e p n c a r 再分析月平均風場、溫度場、海平面氣壓場、陸地月降水資料 資料，時間跨度為1 9 4 8 年1 月- - 2 0 0 3 年1 2 月。全球格點數(shù)為1 4 4 x 7 3 個，格距 為2 5 。( 經度) x 2 5 。( 緯度) 。 3 n c e p n c a r 再分析逐日風場、溫度場、濕度場、位勢高度場資料，時間跨 度為1 9 4 8 年1 月1 日- - 2 0 0 3 年1 2 月3 1 日。全球格點數(shù)為1 4 4 x 7 3 個，格距為2 5 。( 經度) 2 5 。( 緯度) 。 2 2 研究方法 本文采用的方法主要有經驗正交分解( e o f ) 、線性相關分析、t 檢驗、大氣 熱源計算方法，下面將分別介紹。 2 2 1e o f 方法1 5 9 l 經驗正交函數(shù)( e o f ) 展開就是將氣象變量場分解成相互正交的空間典型場和 與之相對應的時間序列兩部分，功能是將最主要的空間分布結構有效地分離出來。 將某氣象變量場以矩陣表示( m 是空間點，1 1 是時間數(shù)) x = x 1 1 x 2 1 ： x m l x 1 2 x 2 2 2 五。 而。 ： x m n 將上述矩陣分解為空間函數(shù)礦和時間函數(shù)z 兩部分： x = 眩 其中y 、z 分別稱為空間函數(shù)矩陣和時間函數(shù)矩陣。y 的每一列表示一個空間典 8 型場，只與空間有關。根據(jù)正交性，空間典型場和時間權重系數(shù)應滿足以下條件： y7 1 礦= 阿7 ：， 專z z t = a 2 2 2 線性相關分析唧i 用來描述兩個時間序列之間相互關系的方法，主要用相關系數(shù)r 來表示，絕對 值r 越大表示兩者之間關系越密切。一般用t 檢驗來判斷其相關的可信程度。假設 兩個時間序列x 、y ，其樣本長度均為n ，其中必須有一個一維時間序列( 設為x ) ， 那么，相關系數(shù)表達式為： ( 誓一；) ( 只一歹) t = l 2 2 3 單序列相關性的t 檢驗1 6 1 i 對于氣候變量不同時刻的線性相關( 自相關系數(shù)) 和兩氣候變量的線性相關是 否顯著，即相關系數(shù)達到多少算是存在顯著相關關系，必須進行統(tǒng)計檢驗。 由相關系數(shù)r ，反算，值 r ：歷三 1 一廠2 上式服從自由度n - - 2 的t 分布，給出信度a ，查表可以得到臨界值f 。，當絕對值t 大于等于f 。，表明這兩個序列存在顯著的相關關系。 2 2 4 大氣熱源的計算方法1 6 2 l 大氣中的熱源q l 可由大尺度的觀測通過下面的方程求得： 峭p i a o 卅叭器塒 其中0 為位溫，v 為水平風矢量，國為p 坐標系中的垂直速度，k = r c 。， r 和c p 分別是氣體常數(shù)和干空氣的等壓比熱，p o = 1 0 0 0 h p a 。 9 ( 1 ) 式甲明迥遼連 實萬程積分得劍： 磊1 + 南( u c o s ) + 考= o 下邊界條慨詛一即，u , o h a c o s lo a 囂) p 詛 ( 3 ) d 妒 假定在1 0 0 h p a 和1 5 0 h p a 層之間是絕熱的，i j i a _ k 邊界條件： 噸一( 詈肌v a ) 囂一， 其中，“和d 分為風的緯向和經向分量，a 為經度，為緯度，p 為空氣密度， h 為地形高度。 對( 1 ) 式從p ，到p ，垂直積分得到： = + 上尸+ s ( 5 ) 其中： 一吉( 場 = 一il 矽 g 唯l ( 6 ) o r 為輻射加熱率，三為水汽凝結潛熱，p 、s 分別為降水和地面感熱通量。 從上面的方程，可以看到垂直積分的熱源( q 1 ) 由三項組成：輻射加熱或冷 卻，凝結潛熱加熱和地表感熱輸送。 1 0 第三章熱帶印度洋與熱帶太平洋 海表溫度持續(xù)性的分析 海表溫度的變化是熱帶海氣相互作用的重要指標，海表溫度持續(xù)性的研究對 氣候預測有著重要意義。彭勇剛等【6 3 】研究表明，印度洋太平洋海表溫度距平s s t a 的持續(xù)性在空間上分布不均勻，可將有明顯差異的s s t a 持續(xù)性特征的海區(qū)分為三 類：全年各月持續(xù)性好的區(qū)域；全年各月持續(xù)性差的區(qū)域：各月持續(xù)性有季節(jié)性變 化的區(qū)域。w e b s t e ra n ds y a n 9 1 5 6 】研究發(fā)現(xiàn)中東太平洋海溫的持續(xù)性在春季明顯減 弱，e n s o 預測存在“春季障礙”，并提出季風與e n s o 選擇性相互作用原理：在 春季，太平洋w a l k e r 環(huán)流很弱而印度洋上季風系統(tǒng)發(fā)展增強，熱帶印度洋太平洋 地區(qū)以印度洋上季風環(huán)流為主導，e n s o 受急劇增強的印度洋季風系統(tǒng)的作用，導 致中東太平洋海溫的持續(xù)性明顯下降。那么，在秋季，當太平洋海氣系統(tǒng)急劇增強 而印度洋上季風系統(tǒng)減弱1 5 7 - 5 8 1 時，印度洋海溫持續(xù)性是否會出現(xiàn)類似中東太平洋海 溫持續(xù)性下降的現(xiàn)象? 為此，本章以1 月代表冬季( 1 2 月一2 月) ，4 月代表春季( 3 月5 月) ，7 月代 表夏季( 6 月8 月) ，1 0 月代表秋季( 9 月1 1 月) ，從季節(jié)的角度研究熱帶印度洋 與熱帶太平洋海表溫度的持續(xù)性。 3 1 熱帶印度洋海表溫度持續(xù)性的“秋季障礙 為了了解熱帶印度洋海表溫度異常的時、空間分布，這里對熱帶印度洋整個海 區(qū)的s s t a ( 3 0 。e 1 2 0 。e ，2 0 。s 2 0 。n ) 進行e o f 分析，圖3 1 給出了第一主 模態(tài)的空間分布及其時間演變系數(shù)，第一特征向量在整個印度洋符號一致，較大值 區(qū)主要在西印度洋( 5 0 。e 7 0 。e ) ：圖3 2 是第二主模態(tài)的空間分布及其時間演變 系數(shù)，第二特征向量表現(xiàn)出東西印度洋符號相反的特征，較大值區(qū)主要在東印度洋 ( 9 0 。e 1 1 0 。e ) 。由此說明，熱帶印度洋海表溫度的變化型以整個海區(qū)符號一致 的單極型為主，其次是東西部符號相反的偶極型，但這兩種型的空間分布都是不均 勻的。因此，我們將印度洋分為東、中、西三個區(qū)域，分別考察它們的海表溫度持 續(xù)性。西印度洋為( 5 0 。e 7 0 。e ，1 0 。s - 1 0 。n ) 的區(qū)域、中印度洋為( 7 0 。e - 9 0 。e ，1 0 。s 1 0 。n ) 的區(qū)域、東印度洋為( 9 0 。e 一1 1 0 。e ，1 0 。s - 1 0 。n ) 的區(qū) 域。 圖3 1 熱帶印度洋海表溫度年際異常的e o f 分析的第一特征向量( a ) 及其時間 演變系數(shù)( b ) ( 陰影區(qū)為負值，解釋方差為3 5 ) 圖3 2 熱帶印度洋海表溫度年際異常的e o f 分析的第二特征向量( a ) 及其時間 演變系數(shù)( b ) ( 陰影區(qū)為負值，解釋方差為8 ) 為了考察熱帶東印度洋海溫變化的季節(jié)差異，文中計算了東印度洋各季節(jié)海溫 與隨后季節(jié)海溫的自相關。圖3 3 給出了東印度洋冬季和夏季海溫的相關。圖中( a ) 表示的是冬季( 1 月) 海溫與隨后兩個季節(jié)的夏季海溫的相關關系，( b ) 表示的是 夏季( 7 月) 海溫與隨后兩個季節(jié)的冬季海溫的相關關系。兩個相差很大的相關系 數(shù)取決于冬季是超前還是滯后的：冬季超前相關系數(shù)達到0 5 8 8 ，夏季超前相關系 數(shù)僅0 1 6 9 。因此，若已知某冬季的海溫，可以較精確地預測接下來的夏季海溫； 顯然，反過來是不準確的，夏季海溫與接下來冬季海溫相關很小。所以，從夏季到 冬季，東印度洋海溫的持續(xù)性是顯著減弱的。 圖3 3 ( a ) 上圖，東印度洋1 月和之后的7 月海溫的相關( 實線為1 月海溫， 虛線為7 月海溫) ，( b ) 下圖，東印度洋7 月和之后的1 月的海溫的相關( 實線 為7 月海溫，虛線為1 月海溫) 表3 1 列出了熱帶東印度洋四個季節(jié)海溫的相關系數(shù)，將每個季節(jié)的海溫與隨 后季節(jié)的海溫作相關，表中向下的箭頭表示，從箭頭所在欄代表的季節(jié)開始計算該 季節(jié)的海溫與隨后季節(jié)海溫的相關系數(shù)。粗實線表示，下方欄目中的系數(shù)比粗實線 上方欄目的系數(shù)小得多，有的粗實線下方的系數(shù)幾乎不到上方系數(shù)的一半，有的從 粗實線上方到下方，由通過9 0 置信度檢驗的降為不能通過檢驗的。表中粗實線 是位于秋季與冬季之間或夏季和秋季之間，說明跨秋季海溫的自相關性顯著減弱， 即跨秋季海溫的持續(xù)性顯著下降。此外，秋季與其他季節(jié)海溫的相關系數(shù)都不大， 秋季與冬季的相關( o 4 7 1 1 0 0 7 ) 明顯小于其他兩相鄰季節(jié)的海溫的相關系數(shù)：春 季與夏季( o 8 2 2 5 6 7 5 ) ；夏季與秋季( 0 8 4 6 1 0 1 9 ) ；冬季與春季( 0 8 1 8 9 4 9 8 ) 。由 此說明，秋季海溫的自相關性降低，海溫的持續(xù)性下降。 1 2 表3 1 東印度洋各季節(jié)海溫與其滯后季節(jié)海溫的相關系數(shù)( 陰影部分表示沒有 通過9 0 的置信度檢驗) 以上對各季節(jié)海溫之間的相關進行了分析，下面計算了東印度洋各月海溫與隨 后月份海溫的自相關( 如圖3 4 ) 。圖中每條曲線上方的字母是月份的縮寫，表示每 條曲線開始進行自相關計算的月份，例如j a 所指的曲線表示1 月份的海溫距平與 隨后的各個月份的海溫距平的相關。由圖可見，在秋季以前，東印度洋海溫的自相 關系數(shù)幾乎都大于0 5 ，海溫具有很好的持續(xù)性，但在秋季以后，自相關系數(shù)都顯 著減小，東印度洋海溫的持續(xù)性明顯下降。無論從哪個月份開始計算海溫的自相關， 自相關系數(shù)都會在秋季發(fā)生大幅減小( 如圖中框形區(qū)) ，意味著東印度洋海溫的持 續(xù)性在秋季顯著減弱，即東印度洋海溫持續(xù)性存在“秋季障礙”。 圖3 4 東印度洋月平均海溫距平的自相關關系( 框形區(qū)為曲線顯著下降區(qū)，圖 中的虛線值分別為0 2 1 0 8 、0 ，大于0 2 1 0 8 的部分表示通過9 0 的置信度檢驗) 以上是對東印度洋海表溫度持續(xù)性的研究，下面考察中印度洋海表溫度的持續(xù) 性。圖3 5 是中印度洋各月海溫與隨后月份海溫的自相關系數(shù)圖，圖中曲線上方字 母的意義同圖3 4 ，由圖可見，各月海溫的自相關系數(shù)隨距離起始月份的長度而減 小，持續(xù)性呈總體下降趨勢，自相關系數(shù)較平緩地減小，沒有顯著的大幅減小，表 示海表溫度持續(xù)性的下降沒有特殊規(guī)律，熱帶中印度洋海表溫度的持續(xù)性并不存在 “障礙”。 圖3 5 中印度洋月平均海溫距平的自相關系數(shù)( 圖中的虛線值分別為0 2 1 0 8 、0 ， 大于0 2 1 0 8 的部分表示通過9 0 的置信度檢驗) 接下來考察西印度洋海表溫度的持續(xù)性。同理，圖3 6 是西印度洋各月海溫與 隨后月份海溫的自相關系數(shù)圖，圖中曲線上方字母的意義同圖3 4 ，由圖可見，曲 線的下降和上升較頻繁，較大幅度的下降沒有特殊規(guī)律，例如，7 月海溫與隨后月 份海溫的自相關系數(shù)在9 月以及1 月減小得較顯著；8 月海溫與隨后月份海溫的自 1 3 相關系數(shù)在1 月以及5 月減小得較顯著。由此，西印度洋海表溫度的持續(xù)性的季節(jié) 變化沒有顯著的“障礙”。 圖3 6 西印度洋月平均海溫距平的自相關系數(shù)( 圖中的虛線值分別為0 2 1 0 8 、0 ， 大于0 2 10 8 的部分表示通過9 0 的置信度檢驗) 由此說明，在熱帶印度洋地區(qū)，東印度洋海表溫度持續(xù)性在秋季存在顯著的下 降，而中印度洋以及西印度洋海表溫度的持續(xù)性沒有顯著的季節(jié)障礙。 3 2 熱帶太平洋海表溫度持續(xù)性的“春季障礙 為了了解熱帶太平洋海表溫度異常的時、空間分布，這里對熱帶太平洋整個 海區(qū)的s s t a ( 1 2 0 。e - 6 0 。w ，2 0 。s _ 2 0 。n ) 進行e o f 分析，圖3 7 給出了 占解釋方差最大的第一主模態(tài)的空間分布及其時間演變系數(shù)。圖中熱帶太平洋 s s t a 的空間分布最主要的模態(tài)是呈橫“v ”型結構。中東太平洋和西太平洋符號 相反，空間特征向量的分布的大值區(qū)位于赤道中東太平洋( 1 7 0 。e 以東的區(qū)域) ， 其余地區(qū)的空間特征值都很小，是典型的e 1n i f i o 型s s t a 的空間分布，與n i n 0 3 區(qū)( 1 5 0 。e 叫0 。w ，5 。s 一5 。n ) 的位置基本重合，空間特征向量分布的大值 區(qū)與n i n 0 3 區(qū)s s t a 的變化一致，所以本文中用n i n 0 3 區(qū)的s s t a 來代表熱帶中東 太平洋s s t a 的變化。 圖3 7 熱帶太平洋海表溫度年際異常的e o f 分析的第一特征向量( a ) 及其時間 演變系數(shù)( b ) ，陰影區(qū)為負值，解釋方差為4 1 為了了解熱帶太平洋海溫變化的季節(jié)差異，下面計算了中東太平洋每個月海 溫與隨后月份海溫的相關。圖3 8 中每條曲線上方的字母是月份的縮寫，表示每條 曲線開始進行自相關計算的月份，例如a u 所指的曲線表示8 月份的海溫距平與隨 后的各個月份的海溫距平的相關。由圖可知，各條自相關曲線存在顯著的共同點： 無論從哪個月份開始計算海溫的自相關，相關性曲線都會在同一時期發(fā)生大幅下 降，3 5 月( 春季) 時每條曲線都顯著下降，相關性明顯減弱，意味著中東太平洋 海表溫度的持續(xù)性在春季大幅減弱。這與w e b s t e r 、s y a n g 5 6 1