全球海氣系統(tǒng)年代際突變的研究.pdf

1、本文結(jié)合歷史器測(cè)資料，NCEP/NCAR再分析資料，中國站點(diǎn)資料和20C3M耦合模式資料，運(yùn)用滑動(dòng)t-檢驗(yàn)法研究了1880至今全球海氣系統(tǒng)年代際突變的時(shí)空特征及其模態(tài)，分析了1970s，1980s和1990s全球海氣系統(tǒng)年代際突變的時(shí)空特征和物理過程，檢測(cè)了中國氣候的年代際突變，并評(píng)估了耦合模式對(duì)這三次突變時(shí)空特征的模擬。得到了以下主要結(jié)論： (1)揭示了從1880年至今全球海洋和大氣年代際突變的分布特征及其模態(tài)。從1880年至

2、今，全球海表溫度(GSST)共有7個(gè)主要的突變時(shí)期：1894-1901、1905-1909、1920-1930、1939-1945、1954-1958、1973-1979和1994-1998。太平洋上主要呈現(xiàn)PDO模態(tài)。從EOF分析第二模態(tài)的時(shí)間系數(shù)可以看出，從1880年至今，GSST經(jīng)歷的年代際突變發(fā)生在1894、1907、1924、1942、1956、1976和1997年。PDO的突變年份除1894年外，其余突變時(shí)間與GSST的突變

3、時(shí)間基本是一致的，表明PDO是全球海表溫度場年代際突變的重要成員之一。海平面氣壓(SLP)共有9個(gè)主要的突變時(shí)期：1892-1898、1907-1914、1917-1922、1932-1936、1939-1947、1954-1958、1973-1978、1984-1988和1994-1998時(shí)段。其中有7個(gè)突變時(shí)期和SST的7個(gè)突變時(shí)期在時(shí)間上有對(duì)應(yīng)關(guān)系。 (2)揭示了1970s全球海氣系統(tǒng)的年代際突變的時(shí)間和空間特征以及其可能

4、的成因。1970s全球海氣系統(tǒng)的年代際突變?cè)诤Ｑ笊?，主要表現(xiàn)為南、北太平洋的降溫突變和赤道東太平洋，美洲西海岸，南太平洋的南部和南印度洋的升溫突變。在大氣中，對(duì)流層低層的增加突變主要發(fā)生在東半球熱帶地區(qū)，對(duì)流層中高層和平流層主要發(fā)生在熱帶地區(qū)。整體而言，越到高層，突變區(qū)域的范圍越大，突變時(shí)間也越晚。1970s風(fēng)應(yīng)力的突變晚于最早的海洋的突變。因此，不能用風(fēng)應(yīng)力的強(qiáng)迫來解釋這次海洋的突變，即這次突變的信號(hào)來源于海洋。此外，冬季北太平洋存在

5、年代際尺度的海氣耦合模態(tài)。 (3)提出了1970s熱帶大氣年代際突變的可能機(jī)制。由于暖池和熱帶東太平洋的突變所造成的熱帶地區(qū)下墊面加熱場的變化，導(dǎo)致了熱帶大氣緯向環(huán)流的異常，Walker環(huán)流在1975年后減弱。并且由于南、北太平洋，南印度洋，南、北大西洋等熱源以及地形等的共同作用，驅(qū)動(dòng)了經(jīng)向氣流向熱帶匯聚，從而導(dǎo)致了熱帶大氣的位勢(shì)高度和SLP在1970s發(fā)生了升高突變。 (4)揭示了1980s全球海氣系統(tǒng)年代際突變的水平

6、、垂直和時(shí)間特征，以及大氣年代際突變的機(jī)制。SST的增加突變主要發(fā)生在熱帶大西洋，中太平洋，北太平洋北部和西歐沿岸。大氣中的突變主要表現(xiàn)為北極SLP降低，北極位勢(shì)高度降低并且中緯度位勢(shì)高度升高。緯向平均的經(jīng)向環(huán)流顯示出Ferrel環(huán)流異常型，而且NAM指數(shù)在1985年顯著增強(qiáng)，以上的這兩點(diǎn)事實(shí)表明1980s北半球熱帶外大氣的突變本質(zhì)上而言是NAM的突變。我們提出了一種可能的機(jī)制來解釋北半球大氣年代際突變。北半球中緯度熱源的加熱作用，使得

7、極地和中緯度地區(qū)的溫度梯度加大，根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系，極地附近西風(fēng)異常，對(duì)流層低層由于摩擦力作用，使得地轉(zhuǎn)風(fēng)向極地偏轉(zhuǎn)，在極地輻合上升并在中緯度熱源區(qū)下沉，從而造成了極地位勢(shì)高度和SLP的降低，以及中緯度熱源區(qū)域位勢(shì)高度升高，進(jìn)而導(dǎo)致NAM的突變。 (5)揭示了1990s全球海氣系統(tǒng)年代際突變的時(shí)間和空間特征，以及對(duì)流層南、北副熱帶及極地大氣位勢(shì)高度升高和平流層熱帶大氣變冷的機(jī)制。在海洋上表現(xiàn)為，北大西洋，北、西、南太平洋和熱帶印度洋

8、SST發(fā)生升溫突變。升溫突變所呈現(xiàn)的是PDO的反位相模態(tài)。大氣中的增加突變?cè)趯?duì)流層南、北半球副熱帶和整層大氣的北極地區(qū)呈現(xiàn)出明顯的帶狀分布。我們提出一種可能的機(jī)制來解釋1990s大氣年代際突變。由于西太平洋，熱帶印度洋和熱帶大西洋的海溫異常升高，導(dǎo)致了熱帶下墊面加熱場的變化，從而導(dǎo)致了赤道緯向環(huán)流的異常，其中太平洋上的Walker環(huán)流的減弱。由于南、北太平洋和北大西洋等熱源的共同作用，導(dǎo)致大氣在南、北副熱帶地區(qū)下沉堆積，造成了南、北副熱

9、帶地區(qū)的位勢(shì)高度的升高。極地大氣年代際突變的機(jī)制和1980s的類似，只是成因不同。由于北極地區(qū)的地表溫度升高，導(dǎo)致極地和中緯度溫差縮小，根據(jù)地轉(zhuǎn)風(fēng)原理，極地附近東風(fēng)異常，在對(duì)流層低層由于摩擦力的作用使得氣流流出極地，在中緯度地區(qū)上升回到極地下沉，造成了極地大氣質(zhì)量的堆積。因此，導(dǎo)致了極地SLP和位勢(shì)高度升高。平流層熱帶地區(qū)在1992-1993年發(fā)生了降溫突變和位勢(shì)高度降低的突變，可能是由于1991年6月12-16日皮納圖博火山的爆發(fā)在平

10、流層觸發(fā)了的一系列化學(xué)反應(yīng)，通過硫酸鹽，OH自由基和Cl元素反應(yīng)鏈等的作用導(dǎo)致了平流層臭氧總量在1991年發(fā)生了減少突變，從而臭氧在平流層吸收的太陽輻射減少，導(dǎo)致了平流層氣溫的減低。 (6)用1880至今的代用資料和1951年至今站點(diǎn)資料檢驗(yàn)了中國氣候的年代際突變。中國氣溫在1920s-1940s是偏暖期，1950s-1980s屬于偏冷期，近來的氣候變暖主要是由于1990s的突變?cè)斐傻?。中國?950s，1960s，1970s和

11、1980s和1990s都發(fā)生了升溫突變，突變的分布存在季節(jié)和區(qū)域的差異。在1950s，中國的升溫突變主要發(fā)生在春季，秋季為明顯的降溫突變。1960s夏季和秋季中國氣溫為降溫突變。1970s中國氣溫的升高突變主要發(fā)生在夏季，夏季為南方升溫而北方降溫。1980s突變主要發(fā)生在冬季。1990s中國氣溫的升高主要發(fā)生在春季。中國的降水的“南澇北旱”分布型始于1960s中期的突變，1970s的突變加強(qiáng)了這一趨勢(shì)。 (7)評(píng)估了ECHAM5

12、/MPI＿OM和GFDL_CM2.1的耦合模式對(duì)1970s，1980s和1990s全球海氣系統(tǒng)年代際突變時(shí)空特征的模擬。ECHAM5和CM2.1耦合模式?jīng)]有模擬出1970s，1980s和1990s(平流層降溫除外)全球海氣系統(tǒng)年代際突變。CM2.1耦合模式由于考慮了火山灰的作用模擬出了1990s平流層的變冷，而沒有考慮火山灰的作用的ECHAM5和FGOALS-g1.0耦合模式均沒有模擬出來。因此，ECHAM5和FGOALS-g1.0耦合