IOD与北半球对流层大气之间遥相关模态的确定及动力机制探讨

论文摘要

印度洋海温偶极子型振荡（Indian Ocean Dipole Mode events，IOD）是近年来在热带印度洋发现的令人瞩目的大尺度海表面温度场年际变化现象，它在全球气候和海洋系统的变化中起着相当积极活跃的作用。在众多研究中，IOD和南半球高纬度低频气候异常之间的关系已经得到了前人的认识，这为人们研究南半球中高纬度低频气候变化诸如南极绕极波，南极振荡等提供了新的思路。我们知道，北半球也存在诸如北极振荡、北大西洋涛动等大尺度低频气候变化现象，对它们激发机制的探讨是当前国内外的一个研究热点。在遥相关领域，前人研究大多集中在热带太平洋ENSO（El Ni（?）o-Southern Oscillation）对这些气候异常的激发上，而对于IOD对其产生的影响至今仍然没有得到深入的认识。本文以此为研究背景，将IOD和北半球对流层大气异常联系起来，探讨它们之间的遥相关和相应的动力机制，进一步探索北半球对流层低频气候异常在热带海洋的激发源。利用GISST和NCEP／NCAR再分析数据，研究了北半球秋季印度洋海温偶极子型振荡和北半球对流层大气异常之间的遥相关模态。本文主要做了以下几方面的工作：首先，以海平面气压、海表面以及陆地表面的空气温度、对流层上、中、下层的位势高度等气候要素为例，采用偏相关和合成分析等研究方法，给出了IOD变化指数时间序列和北半球对流层大气异常之间的遥相关空间模态。其次，从大气行星波能量传播的角度对遥相关空间模态给出了可能的动力机制解释。最后，从数值模式的角度对诊断结果进行进一步的验证。论文的基本结论如下：在北半球的秋季即IOD的鼎盛期，IOD的变化在北半球对流层大气产生较为显著的影响，其遥相关的作用中心主要集中在：北极及其以南的中高纬近环形区域，以及埃及和印度东北部等地。在中高纬遥相关的强度要比低纬强。遥相关模态最为明显的特征是IOD的变化在北半球对流层激发出一列明显的Rossby波列，从印度东北部出发，向东北方向经过贝加尔湖北部，进入北冰洋东部海域，最后到达加拿大东部。在对流层的各层，该遥相关模态呈现近似正压的变化。另外，超前滞后相关分析的结果表明北半球对流层位势高度异常对IOD变化遥响应的时间尺度约为1-3个月。根据从正压大气的线性无辐散方程出发，推导出的静止大气行星波传播的波射线方程，得到北半球纬向波数为1～3的大气行星波的能量传播路径为从孟加拉湾北部，缅甸附近出发，向东北方向经过印度东北部，贝加尔湖附近，在北冰洋海域附近达到转向点，继而向东南方向经过加拿大，最后到达墨西哥附近，该路径与由热带印度洋激发而从印度东北部出发的遥相关Rossby波列路径基本相符。由此可认为，纬向波数为1～3的大气行星波的能量传播极有可能是IOD与北半球对流层大气异常之间遥相关的一种联系方式。利用CAM大气环流模式对北半球秋季IOD与北半球对流层大气之间遥相关模态进行了数值模拟，模拟结果进一步证实了IOD的变化能在北半球对流层激发出一列由印度东北部出发到达加拿大东部的Rossby波列，并且其遥相关模态具有近似正压的结构。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究的领域
• 1.2 印度洋海温偶极子型振荡
• 1.2.1 印度洋偶极子现象
• 1.2.2 IOD与 ENSO的关系
• 1.2.3 IOD对全球气候变化的影响
• 1.3 北半球低频气候变化
• 1.4 问题的提出与论文结构
• 1.5 论文的创新点
• 第二章 资料与方法
• 2.1 资料来源
• 2.2 资料预处理
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 经验正交函数分解
• 2.3.2 偏相关分析
• 2.3.3 T检验
• 2.3.4 离散傅立叶变换
• 第三章 IOD和北半球对流层大气异常的遥相关模态
• 3.1 遥相关模态的空间分布特征
• 3.1.1 遥相关模态的初步探讨
• 3.1.2 遥相关模态的垂直结构
• 3.2 遥相关模态的季节变化特征
• 3.3 遥响应的时间尺度
• 3.4 本章的结论
• 第四章 遥相关的一种可能的动力机制解释
• 4.1 由IOD引起的大气遥相关型存在的可能性分析
• 4.2 行星波能量传播理论
• 4.3 波射线公式推导
• 4.4 北半球占主导地位的大气行星波
• 4.5 大气行星波能量传播的路径
• 4.6 本章的结论与讨论
• 第五章 遥相关模态的数值模拟
• 5.1 模式简介
• 5.2 方案设计
• 5.2.1 控制实验方案
• 5.2.2 敏感性实验方案
• 5.3 模式实验结果分析
• 5.3.1 控制实验结果分析
• 5.3.2 敏感性实验结果分析
• 5.4 本章结论与讨论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文的基本结论
• 6.2 进一步的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 论文附图