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低频环流在热带外大气环流变率中占有较大的比重,控制着热带外大气环流的缓变部分。因此,对热带外低频环流的研究有助于理解大气环流的变化规律,具有重要的科学和理论价值,并且,对短期气候预测和天气预报的延伸具有重要的现实意义。本文从资料诊断和理论分析两个方面研究了北半球热带外环流的时空特征和变化机理,重点关注了低频环流的时空谱特征及其年代际变化。
利用再分析资料诊断研究了北半球热带外逐日环流的时空谱和月季平均环流的空间谱特征。通过引入三维的时空谱分析方法,将逐日500hPa位势高度场分解为不同的谐波分量,相比传统方法突出了热带外环流的经向结构。结果表明,低频变化的纬向对称和非对称环流其经向结构均以经向1波为主,对应低频环流多为经向偶极子型。经向偶极子型环流的主导特征在冬季最为显著。进一步对月季平均的环流场进行空间谱分析。结果表明,经向1波所对应的谐波分量具有最大的振幅和方差,表明月季环流的经向结构以南北偶极子型为主。与此同时,北半球热带外地区主导的遥相关型也表现出经向偶极子型的特点,其中,北极涛动(AO或北半球环状模NAM)、北大西洋涛动(NAO)、北太平洋涛动(NPO)、太平洋北美遥相关型(PNA)和东大西洋遥相关型(EA)最为明显。这些诊断结果揭示了经向偶极子型是热带外低频环流特有的经向尺度,为理论研究低频环流的时空特征提供了事实依据。针对资料分析的结果进行理论研究。对传统的定常波数理论进行了改进,建立了准定常波特征波数理论。结果表明,在冬季基本气流作用下,热带外地区准定常波特征经向波数表现为一致的经向1波,对应着低频环流特有的经向偶极子型;不同纬向波数的波经向传播能力不同,纬向1波可以在较高纬度传播而波数较大的波则不能,符合行星波的经向传播规律。夏季热带外地区准定常波动经向尺度不单一,对应观测中夏季环流复杂的经向结构,而年平均的结果与冬季一致。这部分研究提出了准定常波特征波数的理论概念,揭示了其空间分布特征,较好的解释了热带外低频环流特有的空间尺度。
进一步,建立了具有球面大气特点的区域正压涡度模型,分析低频振荡的维持机制。结果表明,增长率较大的热带外大气低频特征模态与观测到的遥相关型(如NAM,NAO,EA和PNA)和在空间型上存在对应关系,并且区域模型相比传统模型能够区分冬夏低频环流间的差异。根据不稳定机制的不同,将上述四种主导遥相关型分为两类,并在此基础上,提出了“正交法则”,将其用于描述纬向急流出口区经向偶极子型低频环流不稳定增长的物理机制。资料分析和模式模拟表明了急流入口区和出口区截然不同的动力特性。急流入口区不利于扰动的经向发展。热带外区域模型的特征值理论分析深化了对热带外低频遥相关型的物理本质的认识,为进一步研究热带外低频振荡的变化提供了理论基础。
对热带外低频振荡年代际变化特征的分析结果表明,1984.年前后冬季(NDJF)季节内振荡经历了年代际减弱,这种年代际减弱的特征在高低层环流中均有表现。并且,通过时空谱的分析发现热带外季节内振荡的年代际减弱与NAM的低频振荡减弱紧密联系。1984年以后高低层NAM的季节内活动明显减弱。热带外区域正压涡度模型的敏感性试验和理论推导证实了冬季定常波空间尺度的年代际增大是导致热带外环流季节内振荡年代际减弱的深层次原因。这部分研究揭示了热带外季节内振荡年代际变化的主要特征,解释了造成季节内振荡年代际减弱的原因和物理机制,为研究气候变化对大气低频振荡的影响提供一个新的思路和理论途径。