北大西洋海温对NAO型大气环流异常的影响研究

摘要

本文利用NCEP-NCAR再分析资料中的位势高度、风场、气温等数据，HadISST1再分析海温资料、OAFLUX热通量数据、CPC逐月NAO指数、ERA-40再分析臭氧数据等，分析了北大西洋SST异常对北大西洋涛动(NAO)型大气环流的影响。以北大西洋马蹄型海温(NAH)分布为基础，将北大西洋9月海温距平EOF主成分定义为NAH指数，进一步用统计分析和ECHAM4全球大气环流模式模拟讨论了NAH与前期和后期大气环流异常之间的相互作用。发现:热带大西洋海温异常（对流异常）可激发向中高纬度传播的遥相关波列。与太平洋中的PNA波列和PJ波列不同，该波列向高纬度的传播具有秋季锁相的特征。NAH与后期NAO存在显著相关，NAH对大气的局地强迫联合热带大西洋异常海温的遥相关作用使得秋季NAO完成一次正负位相转换。
　　与基于冬季NAO与前期北大西洋海温距平相关分析，以二者耦合场定义的北大西洋马蹄型海温NAH不同，本文从秋初海洋海温异常场中提取相对独立的马蹄型海温信号，建立新的NAH指数。统计分析得出，其与冬季三极子型海温相关并不显著。与超前的大气环流异常场进行回归分析，发现NAH可由前期NAO型大气环流形势驱动。将NAH与大气场进行滞后回归分析，得到9月NAH正指数型海温与后期NAO负位相环流形势显著相关。利用ECHAM4数值模式考察NAH对NAO的预报性能，发现其对11月NAO冰岛低压部分的贡献达到12％，对12月NAO则无显著关系。ECHAM4数值模拟试验结果证实，NAH型海温异常可在较短时期内强迫出NAO型环流异常。NAH与滞后大气的回归分析中还发现，10月回归结果中出现NAO位相转换事件，判断除中高纬度NAH信号以外，还受其他外源强迫影响。
　　为确定外源强迫信号，进一步通过相关分析和合成分析得出与NAO位相转换有显著关系的热带大西洋加勒比海区。加勒比海异常增暖，增强局地对流活动，激发向中高纬度传播的Rossby波列，该波列对北大西洋的影响与NAH的强迫作用相反，从而影响NAO正负位相的转变。
　　北大西洋SST异常影响NAO，进而对中国区域大气产生影响。对NAH高低指数进行合成分析发现NAH正指数年对应NAO负位相，由于副极地高压异常使得东亚大槽位置偏北且强度减弱，高纬度冷空气活动减弱;NAH负指数年对应NAO正位相，东亚大槽加深，我国东北一带气温偏低。但ECHAM4数值试验结果中NAH正指数试验在东亚区域的结果较差，而且NAH负指数试验则较好的印证了合成分析中的结论。加勒比海增暖激发遥相关波列传播到中国区域上空而影响秋季气候，回归分析与数值试验均显示，对应东北区域气压偏高。
　　通过考察NAO对中国区域平流层臭氧总量变化的影响，分析发现NAO与影响平流层辐射环境最关键的因子臭氧的变化显著相关，尤其在东北地区，正NAO指数年对流层上传到平流层的涡动热量通量减少，该区域温度偏低，利于臭氧损耗。根据东北区域臭氧总量等数据，利用SBDART辐射传输模型设计敏感性试验模拟臭氧变化造成的辐射强迫，发现平流层大气对太阳辐射的吸收作用在夏季更强，相比正常年份，NAO正指数年东北上空20-50km各层年均和逐月全波段太阳辐射均较强，但年较差较小;在紫外波段，NAO正指数年对应的冬季臭氧变化造成的紫外辐射强迫显著，标准化辐射强迫为0.051W/(m2·DU)，而夏季产生辐射强迫的臭氧条件至少为25.6DU变化幅度以上，结果可为平流层气温变化及航空器设计等提供数据支撑和参考。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 北大西洋涛动定义

1．2．2 北大西洋海温与北大西洋涛动的关系

1．2．3 热带大西洋海温与北大西洋涛动的关系

1．2．4 北大西洋涛动对全球气候系统的影响

1．3 研究目的与研究内容

1．4 附图

2 资料和方法

2．1 资料介绍

2．2 分析方法介绍

2．2．1 回归分析

2．2．2 相关分析

2．2．3 合成分析

2．2．4 经验正交函数分解

2．2．5 奇异值分解

2．2．6 E-P通量

2．3 模型介绍

2．3．1 ECHAM4全球大气环流模型

2．3．2 模型偏差校验

2．4 SBDART辐射传输模型介绍

2．5 附图

3 北大西洋马蹄型海温异常的影响

3．1 引言

3．2 北大西洋马蹄型海温

3．3 北大西洋马蹄型海温的形成

3．4 北大西洋马蹄型海温的季节演变

3．5 北大西洋马蹄型海温与冬季三极型海温的区别

3．6 北大西洋马蹄型海温对后期大气环流的影响

3．7 北大西洋马蹄型海温预报能力

3．8 ECHAM4数值模拟试验

3．9 小结与讨论

3．9．1 小结

3．9．2 讨论

3．10 附图

4 热带大西洋海温异常的影响

4．1 引言

4．2 遥相关波列的强迫源

4．3 NAO正负位相转换事件

4．4 ECHAM4数值模拟

4．5 遥相关波列传播的物理机制

4．6 典型个例分析

4．7 小结与讨论

4．7．1 小结

4．7．2 讨论

4．8 附图

5 北大西洋海温异常对中国区域气候和平流层辐射环境的影响

5．1 引言

5．2 NAH对中国冬季气候的影响

5．2．1 观测数据分析

5．2．2 数值试验结果

5．3 热带加勒比海温对中国秋季气候的影响

5．4 NAO对中国区域臭氧总量的影响及平流层辐射强迫

5．4．1 NAO对中国区域臭氧总量分布特征的影响

5．4．2 东北臭氧总量变化的辐射强迫数值试验

5．5 小结与讨论

5．5．1 小结

5．5．2 讨论

5．6 附图

6 结论与讨论

6．1 结论与创新点

6．2 讨论

参考文献

致谢

已发表的学术论文