北半球冬季准定常行星波传播的年代际变化.pdf
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’! 结 果
图!是利用 4.2D(4.-N 再分析资料计算得到 的*%个冬季平均的北半球准定常行星 波 2D 通 量 的 分布#从图!可以清楚地看到!行星波从中纬度附 近的对流层低层向上传播!并逐渐分成两支!其中 一支折向赤道传播到低纬度对流层顶附近"另一支
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! 第 !" 卷 ! 第 # 期 !$%%" 年 # 月
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黑 实 线 表 示 ’ 年 滑 动 平 均 的 结 果 #图 中 !0’0 代 表 !0’))!0’0 冬 季 ! 其 余 类 推
!! 资 料 及 方 法
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图3!3年滑动平均后的行星波活动指数"实线#和 &M 指数 "虚 线 #的 年 代 际 变 化 时 间 序 列
0! 结 论 与 讨 论
本文利用 4.2D(4.-N 再分析资料分析了北半 球 冬 季 大 气 准 定 常 行 星 波 传 播 的 年 代 际 变 化#结 果 表明!传播到低纬度对流层上层的低纬度波导和传 播到平流层的极地波导之间在年代际变化的时间尺 度上也存在着显著的反相振荡关系"当其中一支有 异常的增强时!另外一支会有异常的减弱#进一步 分析与准定常行星波的年代际变化相联系的纬向平 均的纬向风的异常发现!北半球冬季大气准定常行 星波传播的两支波导在年代际变化的时间尺度上的 振荡现象与北极涛动紧密联系在一起#而有关北极 涛动的研究表明它可以在没有外强迫的情况下由大 气中的波流相互作用产生#因此!大气内部的动力 学过程也可以产生气候的长期变化#
大气中的准定常行星波是一种波长与地球半径 相当或大于地球半径的大尺度波动#由于其空间尺 度大!演变周期长!因而它的形成和演变对大气环 流具有十分重要的影响#准定常行星波的演变(传 播和异常一直是大尺度大气动力学!同时也是气候 动力学中一个 非 常 重 要 的 科 学 问 题#"& 世 纪 )& 年 代初!黄荣辉通过理论和数值模拟研究指出准定常 行星波在北半球冬季通过两支波导分别传播到平流 层及低纬度 对流 层上 层!即 极地波导和 低纬度波
性回归的系数矢量分布
象#与此遥相关型对应的准定常行星波传播的异常 分布#见图$#‘%%表明!当准定常行星波 活 动 处于 正 位相时!在对流层有异常强的从中高纬度向低纬度
对流层顶附近的行星波传播!而通过极地波导向平 流层的传播明显减弱#结合气候态下的行星波传播 路径可以认为!气候态意义下的经极地波导穿过对 流层顶向上传播进入平流层的行星波活动与对流层 向中低纬度传播的行星波活动在年代际变化的时间 尺度上并不是相互独立的!两支波导在其年代际变 化上存在着反相振荡关系!即当其中一支有异常增 强时!另外一支会有异常的减弱#
导*)+#准定 常 行 星 波 的 传 播 实 际 上 是 波 能 的 频 散! 在 2987GG=@等 引 *0+ 入 波 作 用 通 量 #2D 通 量 %的 概 念 后!黄荣辉*)+证 明 了 2D 通 量 平 行 于 子 午 面 内 行 星 波的群速度!因而它可以用来很好地描述准定常行 星波的传播#最近陈 文 等 将 *!&!!!+ R7997?=等 所 *!"+ 发 现大气环流遥 相 关 型 的 方 法 应 用 到 经 圈 上 的 2D 通 量散度场上!从而提出了行星波传播异常在经圈平 面上引起的遥相关!并定义了准定常行星波活动指 数!该指数可以很好的描述准定常行星波传播的变 化#研究表明!北半球冬季准定常行星波传播的两 支波导在其年际变化上存在着反相振荡关系!当其 中一 支 有 异 常 增 强 时!另 外 一 支 会 有 异 常 的 减 弱 # *!$+ 然而!在年代际变化的时 间 尺 度 上 北 半 球 冬 季两支波导有什么样的关系还不清楚#
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纬向平均场和任意波数的扰动振幅以及位相分布! 本文取纬向波数 !,$ 来 表 征 准 定 常 行 星 波 的 活 动# 而准定常行星波在经圈平面上的传播用球面对数压 力坐标下准地转变换的 2D 通量矢量来描述#
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Leabharlann Baidu
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北半球冬季准定常行星波传播的年代际变化"
陈!文
中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心 !北京!&&&)&
摘要!!通过利用 4.2D(4.-N 再分析资料对!0’),"&&*年共*% 个冬季 北 半 球 大 气 准 定 常 行 星 波传播的年代际变化进行分析!发现气候态意义下的准定常行星波沿高纬度由对流层向平流层的 传 播 和 在 对 流 层 内 向 低 纬 度 的 传 播 之 间 存 在 显 著 的 反 相 振 荡 关 系 #进 一 步 的 研 究 还 表 明 ! 准 定 常 行 星波传播的年代际变化与北极涛动有密切的联系$北极涛动的正位相对应于在对流层有异常强的 从中高纬度向低纬度对流层顶附近的波动传播!同时通过极地波导向平流层的传播明显减弱#其 结果不仅说明大气内部的准定常行星波与纬向平均流相互作用可以产生年代际尺度的变化$而且 提供了平流层变化影响对流层大气环流长期变化的一种动力学机制#
关键词!!准定常行星波!波传播!年代际变化!北极涛动
! ! 从"&世纪 0& 年 代 起! 随 着 气 候 变 化 及 可 预 测 性 研究计划#.3HX-N%的建立!年代际气候变化的研究成 为国际上气候研究的前沿课题*!+#事实上在此之前!人 们就注意到有比较长周期的气候变化!早期关于年代 际变化的研究主要集中在一些对人类重要的地面变量! 比如温度和降水上*"+#后来发现"&世纪+&年代北太平 洋发生气候突变后!大量的研究集中到海气相互作用 引起的年代际气候变率上*$!*+#进而揭示出太平洋年代 际振荡#D,b%现 象 及 其 与 中 国 气 候 年 代 际 变 化 的 关 系*’!%+#相对而言!通过直接分析大气环流的异常来解 释气候的长期变化的研究非常少*++#
与准定常行星波活动的年代际变化相对应的行 星波传播的异常 可 以 用 对 该 指 数 线 性 回 归 的 2D 通 量散度和 2D 通 量 矢 量 来 描 述# 在 回 归 之 前! 我 们 同样对 2D 通 量 散 度 场 和 2D 通 量 矢 量 的 分 量 分 别 进行了’年滑 动 平 均# 由 图 $#7%可 见!2D 通 量 散 度的异常在中纬度对流层呈现一个倾斜的偶极子形 势!其北偏下有异常的辐散!而南偏上有异常的辐 合"同时极区平流层下层也出现异常的辐散#这一 分布形势与陈文等 所 *!&+ 得到的准 定 常 行 星 波 传 播 年 际变化的 对 流 层 遥 相 关 型 非 常 一 致" 并 且!2D 通 量散度与 行 星 波 活 动 指 数 在 年 代 际 变 化 上 的 相 关 #见图$#7%%都 至 少 超 过 了 &#%# 因 此! 准 定 常 行 星 波2D通 量 的 散 度 在 年 代 际 变 化 上 也 存 在 遥 相 关 现
准定常行 星 波 在 其 传 播 过 程 中 不 但 受 纬 向 平 均流的影响!而且通过其辐合和辐散作用于纬向 平均流!因而有必要研究与准定常行星波活动的 年代际变化 相 联 系 的 纬 向 平 均 流 的 异 常#同 样! 这里也 先 对 纬 向 平 均 流 场 进 行 了 ’ 年 滑 动 平 均# 图*是纬向平均的纬向风在年代际变化的尺度上 对准定常行星波活动指数的线性回归和相关系数 的分布#纬向风的异常是一个相当正压的偶极子! 从对流层低层一直延伸到平流层#对应于准定常 行 星 波 活 动 的 正 位 相 ! 在 ’’j4 附 近 的 中 高 纬 度 带 纬 向 西 风 增 强 ! 而 $’j4 附 近 的 中 低 纬 度 带 纬 向 西 风则减弱#并且这种异常与行星波活动指数在年 代际 变 化 上 的 相 关 系 数 很 高 ! 都 超 过 了 &#%# 事 实 上 ! 中 纬 度 地 区 南 北 方 向 上 西 风 强 度 的 &跷 跷 板 ’ 现象是与北半球海平面气压在极地和中高纬度之 间 的 反 相 振 荡 即 北 极 涛 动 #-b%联 系 在 一 起 的 # 为 了 更 清 楚 地 表 明 准 定 常 行 星 波 活 动 与 -b 在 年 代 际变化的尺度上的关系!图’分别给出了行星波 活 动 指 数 和 -b 指 数 的 ’ 年 滑 动 平 均 后 的 年 代 际 变化 时 间 序 列 # 其 中 -b 指 数 是 利 用 VI56SG5@给 出 的 从 !0’) 年 到 "&&* 年 的 月 平 均 指 数 ! *!%+ 对 !" 月 !! 月 !" 月 求 平 均 ! 构 造 了 *% 个 冬 季 -b 指 数#由图’可见! 两 个 指 数 的 变 化 在 年 代 际 时 间 尺度上有很好的一致性!它们之间的相关系数达 到 &#)+# 由 于 资 料 进 行 了 ’ 年 滑 动 平 均 ! 因 此 有 必要采用有效自由度方法来检验其相关的显著性# 计算表明!对图’中的两个时间序列其有效自由 度 为 !’! 因 而 达 到 00K 的 信 度 检 验 的 临 界 相 关 系 数 是 &#%!# 准 定 常 行 星 波 活 动 的 年 代 际 变 化 与 -b 的 相 关 为 &#)+! 远 远 超 过 了 00K 的 信 度 检 验 ! 由 此 可 见 ! 准 定 常 行 星 波 活 动 的 年 代 际 变 化 与 -b 紧密联系在一起#
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图 1! 纬 向 平 均 的 纬 向 风 的 年 代 际 变 化 对 行 星 波 活 动 指 数 年 代 际 变 化 线 性 回 归 的 系 数 分 布 "等 值 线 #以 及 两 者 之 间 的 相 关 "阴 影 # 等 值 线 间 隔 为 &#$6)G
先折向高纬度地区!并进而向上传播到平流层#因 而!在北半球冬季准定常行星波的传播明显具有两 条路径!即两支波 导# 这 与 理 论 研 究 和 *)+ 简 单 的 描 述行星波的机制模式的模拟均是一致的 # *!’+
上述的北半球冬季准定常行星波的传播形态只 是气候态下对准定常行星波活动的描述#为了研究 准定常行星波活动的变化!陈文 等*!$+定 义 了 准 定 常 行星波活动指数!并利用该指数研究了准定常行星 波传播的年际变化#图 "是利用 4.2D(4.-N 再分 析 资 料 计 算 的!0’))!0’0 至"&&$)"&&* 共*% 个 冬 季 的准定常行星波活动异常的指数变化分布#为了研 究准定常行星波活动的年代际变化!我们将该指数 进行了’年滑 动 平 均!’ 年 滑 动 平 均 的 结 果 也 给 在 图"中#由图"可见!准定常行星波活动有明显的 年代际 变 化! 在 "& 世 纪 八( 九 十 年 代! 行 星 波 活 动处于正 位 相! 而 六( 七 十 年 代 除 了 +& 年 代 中 前 期外均为 负 位 相! 有 意 义 的 是 进 入 "! 世 纪 后! 行 星波活动似乎又开始进入一个负位相阶段#
图!是利用 4.2D(4.-N 再分析资料计算得到 的*%个冬季平均的北半球准定常行星 波 2D 通 量 的 分布#从图!可以清楚地看到!行星波从中纬度附 近的对流层低层向上传播!并逐渐分成两支!其中 一支折向赤道传播到低纬度对流层顶附近"另一支
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0! 结 论 与 讨 论
本文利用 4.2D(4.-N 再分析资料分析了北半 球 冬 季 大 气 准 定 常 行 星 波 传 播 的 年 代 际 变 化#结 果 表明!传播到低纬度对流层上层的低纬度波导和传 播到平流层的极地波导之间在年代际变化的时间尺 度上也存在着显著的反相振荡关系"当其中一支有 异常的增强时!另外一支会有异常的减弱#进一步 分析与准定常行星波的年代际变化相联系的纬向平 均的纬向风的异常发现!北半球冬季大气准定常行 星波传播的两支波导在年代际变化的时间尺度上的 振荡现象与北极涛动紧密联系在一起#而有关北极 涛动的研究表明它可以在没有外强迫的情况下由大 气中的波流相互作用产生#因此!大气内部的动力 学过程也可以产生气候的长期变化#
大气中的准定常行星波是一种波长与地球半径 相当或大于地球半径的大尺度波动#由于其空间尺 度大!演变周期长!因而它的形成和演变对大气环 流具有十分重要的影响#准定常行星波的演变(传 播和异常一直是大尺度大气动力学!同时也是气候 动力学中一个 非 常 重 要 的 科 学 问 题#"& 世 纪 )& 年 代初!黄荣辉通过理论和数值模拟研究指出准定常 行星波在北半球冬季通过两支波导分别传播到平流 层及低纬度 对流 层上 层!即 极地波导和 低纬度波
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象#与此遥相关型对应的准定常行星波传播的异常 分布#见图$#‘%%表明!当准定常行星波 活 动 处于 正 位相时!在对流层有异常强的从中高纬度向低纬度
对流层顶附近的行星波传播!而通过极地波导向平 流层的传播明显减弱#结合气候态下的行星波传播 路径可以认为!气候态意义下的经极地波导穿过对 流层顶向上传播进入平流层的行星波活动与对流层 向中低纬度传播的行星波活动在年代际变化的时间 尺度上并不是相互独立的!两支波导在其年代际变 化上存在着反相振荡关系!即当其中一支有异常增 强时!另外一支会有异常的减弱#
导*)+#准定 常 行 星 波 的 传 播 实 际 上 是 波 能 的 频 散! 在 2987GG=@等 引 *0+ 入 波 作 用 通 量 #2D 通 量 %的 概 念 后!黄荣辉*)+证 明 了 2D 通 量 平 行 于 子 午 面 内 行 星 波的群速度!因而它可以用来很好地描述准定常行 星波的传播#最近陈 文 等 将 *!&!!!+ R7997?=等 所 *!"+ 发 现大气环流遥 相 关 型 的 方 法 应 用 到 经 圈 上 的 2D 通 量散度场上!从而提出了行星波传播异常在经圈平 面上引起的遥相关!并定义了准定常行星波活动指 数!该指数可以很好的描述准定常行星波传播的变 化#研究表明!北半球冬季准定常行星波传播的两 支波导在其年际变化上存在着反相振荡关系!当其 中一 支 有 异 常 增 强 时!另 外 一 支 会 有 异 常 的 减 弱 # *!$+ 然而!在年代际变化的时 间 尺 度 上 北 半 球 冬 季两支波导有什么样的关系还不清楚#
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关键词!!准定常行星波!波传播!年代际变化!北极涛动
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与准定常行星波活动的年代际变化相对应的行 星波传播的异常 可 以 用 对 该 指 数 线 性 回 归 的 2D 通 量散度和 2D 通 量 矢 量 来 描 述# 在 回 归 之 前! 我 们 同样对 2D 通 量 散 度 场 和 2D 通 量 矢 量 的 分 量 分 别 进行了’年滑 动 平 均# 由 图 $#7%可 见!2D 通 量 散 度的异常在中纬度对流层呈现一个倾斜的偶极子形 势!其北偏下有异常的辐散!而南偏上有异常的辐 合"同时极区平流层下层也出现异常的辐散#这一 分布形势与陈文等 所 *!&+ 得到的准 定 常 行 星 波 传 播 年 际变化的 对 流 层 遥 相 关 型 非 常 一 致" 并 且!2D 通 量散度与 行 星 波 活 动 指 数 在 年 代 际 变 化 上 的 相 关 #见图$#7%%都 至 少 超 过 了 &#%# 因 此! 准 定 常 行 星 波2D通 量 的 散 度 在 年 代 际 变 化 上 也 存 在 遥 相 关 现
准定常行 星 波 在 其 传 播 过 程 中 不 但 受 纬 向 平 均流的影响!而且通过其辐合和辐散作用于纬向 平均流!因而有必要研究与准定常行星波活动的 年代际变化 相 联 系 的 纬 向 平 均 流 的 异 常#同 样! 这里也 先 对 纬 向 平 均 流 场 进 行 了 ’ 年 滑 动 平 均# 图*是纬向平均的纬向风在年代际变化的尺度上 对准定常行星波活动指数的线性回归和相关系数 的分布#纬向风的异常是一个相当正压的偶极子! 从对流层低层一直延伸到平流层#对应于准定常 行 星 波 活 动 的 正 位 相 ! 在 ’’j4 附 近 的 中 高 纬 度 带 纬 向 西 风 增 强 ! 而 $’j4 附 近 的 中 低 纬 度 带 纬 向 西 风则减弱#并且这种异常与行星波活动指数在年 代际 变 化 上 的 相 关 系 数 很 高 ! 都 超 过 了 &#%# 事 实 上 ! 中 纬 度 地 区 南 北 方 向 上 西 风 强 度 的 &跷 跷 板 ’ 现象是与北半球海平面气压在极地和中高纬度之 间 的 反 相 振 荡 即 北 极 涛 动 #-b%联 系 在 一 起 的 # 为 了 更 清 楚 地 表 明 准 定 常 行 星 波 活 动 与 -b 在 年 代 际变化的尺度上的关系!图’分别给出了行星波 活 动 指 数 和 -b 指 数 的 ’ 年 滑 动 平 均 后 的 年 代 际 变化 时 间 序 列 # 其 中 -b 指 数 是 利 用 VI56SG5@给 出 的 从 !0’) 年 到 "&&* 年 的 月 平 均 指 数 ! *!%+ 对 !" 月 !! 月 !" 月 求 平 均 ! 构 造 了 *% 个 冬 季 -b 指 数#由图’可见! 两 个 指 数 的 变 化 在 年 代 际 时 间 尺度上有很好的一致性!它们之间的相关系数达 到 &#)+# 由 于 资 料 进 行 了 ’ 年 滑 动 平 均 ! 因 此 有 必要采用有效自由度方法来检验其相关的显著性# 计算表明!对图’中的两个时间序列其有效自由 度 为 !’! 因 而 达 到 00K 的 信 度 检 验 的 临 界 相 关 系 数 是 &#%!# 准 定 常 行 星 波 活 动 的 年 代 际 变 化 与 -b 的 相 关 为 &#)+! 远 远 超 过 了 00K 的 信 度 检 验 ! 由 此 可 见 ! 准 定 常 行 星 波 活 动 的 年 代 际 变 化 与 -b 紧密联系在一起#
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图 1! 纬 向 平 均 的 纬 向 风 的 年 代 际 变 化 对 行 星 波 活 动 指 数 年 代 际 变 化 线 性 回 归 的 系 数 分 布 "等 值 线 #以 及 两 者 之 间 的 相 关 "阴 影 # 等 值 线 间 隔 为 &#$6)G
先折向高纬度地区!并进而向上传播到平流层#因 而!在北半球冬季准定常行星波的传播明显具有两 条路径!即两支波 导# 这 与 理 论 研 究 和 *)+ 简 单 的 描 述行星波的机制模式的模拟均是一致的 # *!’+
上述的北半球冬季准定常行星波的传播形态只 是气候态下对准定常行星波活动的描述#为了研究 准定常行星波活动的变化!陈文 等*!$+定 义 了 准 定 常 行星波活动指数!并利用该指数研究了准定常行星 波传播的年际变化#图 "是利用 4.2D(4.-N 再分 析 资 料 计 算 的!0’))!0’0 至"&&$)"&&* 共*% 个 冬 季 的准定常行星波活动异常的指数变化分布#为了研 究准定常行星波活动的年代际变化!我们将该指数 进行了’年滑 动 平 均!’ 年 滑 动 平 均 的 结 果 也 给 在 图"中#由图"可见!准定常行星波活动有明显的 年代际 变 化! 在 "& 世 纪 八( 九 十 年 代! 行 星 波 活 动处于正 位 相! 而 六( 七 十 年 代 除 了 +& 年 代 中 前 期外均为 负 位 相! 有 意 义 的 是 进 入 "! 世 纪 后! 行 星波活动似乎又开始进入一个负位相阶段#