毕业论文范文——南海夏季风季节内振荡的活动特征.doc

1、南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化分类号 密级 UDC 编号 硕士研究生学位论文题 目 南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化年 月学院（所、中心） 资源环境与地球科学学院 专 业 名 称 气 象 学 研究生姓名 学号 导 师 姓 名 职称 南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化摘 要为了研究 30-60 天短期气候预测的理论基础，本项工作利用了 NCEP/NCAR风场、垂直速度再分析资料和 NOAA 的逐日向外长波辐射（简称 OLR）资料，运用 Butterworth 带通滤波方法，对 30-60 天周期的南海夏季风季节内振荡（ISO）的特征和年际变化情况进行了初步分析。结果

2、表明，在气候平均状况下亚洲季风区存在 5 个 ISO 活动中心，其中包括南海南部地区（5N15N，110E120 E） 。该区域的 ISO 活动集中在 59月，并表现为三次比较明显的活跃过程。将 850hPa 风投影至西南方向(V sw)，经3060 天带通滤波后，取其绝对值在南海区域的夏季平均值作为当年南海夏季风ISO 活动的年际变化指数。以该指数标准差大于 1（或小于-1）的年份作为南海夏季风 ISO 的活跃年（或不活跃年） ，得到 29 年来(19792007)南海夏季风 ISO活跃的年份有：1979、1996、1999、2007 年，不活跃的年份有：1993、1994、1995、199

3、8 年。在南海夏季风 ISO 活动较活跃年份的一个低频循环周期中，零位相时低频对流中心位于热带印度洋西部，先东传到达南海，之后转向东北到达西北太平洋，最后回到热带印度洋完成一个循环周期。通过对南海夏季风 ISO 活跃年与不活跃年前期信号差别的研究发现，春季较强的 Walker 环流和南海地区增强的对流活动有可能作为该地区夏季 ISO 活跃的前期信号。热带季节内振荡（MJO）与南海地区的 ISO 活动（ SCSISO）之间也存在联系。对比夏季 SCSISO 与 MJO 指数，结果表明，MJO 位相可一定程度上反映SCSISO 的活动，在 MJO 活动的 1-4 位相，SCSISO 通常处于负位相

4、（不活跃期） ，而 MJO 活动的 5-8 位相则多与 SCSISO 的正位相（活跃期）相对应。相关计算显示 MJO 序列 1(RMM1)和序列 2(RMM2)与 SCSISO 之间存在较稳定的高滞后相关。这种相关关系具有明确的物理意义，因此有可能利用春季和初夏 MJO 的活动提前 15-50 天对后期初、盛夏南海 ISO 的活动做出预测。这样的预测试验在 2008年取得了成功。这种建立在季节内振荡理论物理基础上的预测方法，较单纯的经验、统计预测有了一定的进步，有可能为我国短期气候预测服务提供一种新的思路和理论依据。关键词 南海夏季风 季节内振荡 年际变化 MJO 预测试验南海夏季风季节内振荡

5、的活动特征及其年际变化AbstractIn this thesis, we focus on the theoretical foundation of 30-60 days short-term climate prediction. And the characteristics and inter-annual variability of Intra-seasonal Oscillation (ISO) of South China Sea (SCS) summer monsoon are preliminarily examined by method of Butterworth

6、band-pass filtering, using the NCEP / NCAR reanalysis wind fields and vertical speed and the NOAA outgoing long wave radiation (OLR) data. Climatologically, there exist five ISO activity centers over Asian summer monsoon region, including the SCS (5 N-15 N, 110 E-120 E). And there are also three obv

7、ious active processes of SCS ISO from May to September, under average climate condition. We first project 850hPa wind to the southwest, get the data that we call Vsw ,then process it with 30-60 days band-pass filtering method, and calculate its absolute value in the SCS area during the summer time ,

8、after that ,we define it as the inter-annual variability index of SCS summer monsoon ISO activity. With the standard deviation of this index, we define one year as SCS summer monsoon ISO active year when the standard deviation is above 1, and inactive year when it is below -1. Then, 1979, 1996, 1999

9、, and 2007 would be the SCS summer monsoon ISO active years during this 29 years (1979-2007), and 1993, 1994, 1995, and 1998 are inactive ones. And we find that, in the eight phases of a complete cycle activity of the SCS summer monsoon ISO active years, the low-frequency convection center first sta

10、rts moving east from the tropical western Indian Ocean, then turns to northeast when it reaches SCS, and finally arrive in the north-west Pacific Ocean. We study the differences between the SCS summer monsoon ISO active years and inactive years in terms of the ISO signal. The strong Walker circulati

11、on and convective activity in spring could be considered as early signals of the following active SCS summer monsoon ISO. The relationship between Madden Julian Oscillation (MJO) and South China Sea Intra-seasonal Oscillation (SCSISO) is also obvious. After comparing these two oscillations, we concl

12、ude that some aspects of the SCSISO could be found from the 南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化phase of MJO. Normally, SCSISO is in negative phase (namely inactive period) when MJO is in 1-4 phases and positive one (namely active period) when MJO is in 5-8 phases. The result shows that there is a significant lag

13、correlation between these two oscillations. This relationship is very important theoretically. In this method, we are able to predict the ISO activities over the South China Sea with the MJO in spring and early summer, 15-50 days earlier than before. We actually achieved this in 2008. This approach

14、based on the theory of intra-seasonal oscillation is more advanced than the traditional approach which just relies on pure experiences and data. Thus, it shows us a new kind of thought and theory for our short-term climate prediction. Key words: South China Sea summer monsoon，ISO，Inter-annual Variab

15、ility, MJO，Prediction Experiment南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化1目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 国内外研究情况分析 .21.2.1 南海夏季风季节内振荡与东亚地区季风活动和降水分布的联系 .21.2.2 大气季节内振荡的年际变化 .31.2.3 热带 MJO 的国际研究及实时 MJO 指数的发展 .41.3 本文研究的内容及方法概要 .61.3.1 主要研究内容 .61.3.2 资料和方法 .61.3.3 全年实时多变量 MJO 指数(RMMs) 介绍 .72 ISO 活动的气候特征 .112.1 引言 .112.2 亚洲季风区 ISO

16、 活动的气候态特征 .112.3 东亚季风区 ISO 的传播 .142.4 南海与副热带 ISO 活动的关系 .162.5 结论 .173 南海夏季风季节内振荡的年际变化 .193.1 引言 .193.2 南海夏季风 ISO 活动年际变化指数的建立 .203.3 南海夏季风 ISO 活动的环流背景 .233.4 南海夏季风 ISO 年际变化的成因及前期信号 .263.5 结论与讨论 .304 南海地区的 ISO 活动与热带 MJO 的关系 .324.1 引言 .324.2 MJO 活动位相与南海夏季风 ISO 的关系 .334.3 热带 MJO 指数与夏季南海 ISO 的关系 .344.4 春

17、季 MJO 对夏季南海 ISO 活动预测的初步试验 .384.5 结论与讨论 .405 结论与讨论 .41南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化11 绪论1.1 引言大气季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation,ISO)一般指时间频率大于 7-10 天小于 90 天的大气振荡。20 世纪 70 年代 Madden 和 Julian1-2通过谱分析方法首先发现热带大气纬向风和气压场存在 4050 天周期的低频振荡。随后他们又进一步分析证实了全球热带地区都存在 4050 天低频振荡，指出这种振荡具有纬向波数 1 的扰动及向东传播，振荡起源于热带印度洋和西太平洋，与移动性

18、 Walker环流有联系。因此人们习惯于把热带或者赤道附近的大气季节内振荡称为Madden Julian Oscillation(简称 MJO)。后来发现除了热带或赤道附近地区，热带外大气活动也有季节内振荡现象，称为 ISO。ISO 与 MJO 是同一种现象在不同地区的名称。季节内振荡普遍存在于全球大气之中，从热带到中高纬度、从对流层到平流层都存在 3，它可以说是全球大气运动的基本特征之一。目前大气 ISO 已被视为重要的大气环流系统之一，它的活动及其异常对不少地区的天气和气候都有重大影响。数值天气预报结果清楚地表明，模式对大气 ISO 的描写(预报)如何，对预报效果有十分重要的影响。最近，李

19、崇银等 4的研究结果清楚表明,模式模拟结果的均方根误差中有 30%40%是来自于模拟的大气 ISO 的均方根误差。尤其是大气 ISO 模拟的均方根误差的分布形势与总的均方根误差的分布形势几乎完全一致。因此可以认为，大气 ISO 在天气气候模拟中极为重要。近年来的研究表明，季风系统的演变(季风的爆发、活跃、中断及撤退)具有显著的 ISO 特征 5,6,7,8，ISO 被认为是季风变化的重要分量。因此，与季风活动相联系的 ISO 对我国天气气候变化(特别是降水异常活动) 将产生显著的影响，提高对 ISO 的认识是改进短期气候预测的有效途径。因而对 ISO 的研究工作一直都得到国内外科学家的高度重视

20、，在亚澳季风系统研究计划(Asian-Australian Monsoon Research Prospectus，AAMRP)中将 ISO 研究列为主要研究目标之一，是今后几年国际研究的前沿和重点之一 9，具有显著的科学意义。南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化21.2 国内外研究情况分析1.2.1 南海夏季风季节内振荡与东亚地区季风活动和降水分布的联系大量的研究证实了 ISO 是亚洲季风活动的重要组成部分。一些学者根据风场资料和 TBB 资料的分析都表明 1011 ，南海夏季风的爆发与该地区的大气 ISO 的活动有密切关系。从 1998 年南海夏季风爆发前后 850 hPa 上大气

21、ISO 的水平风场的演变可以明显看到，5 月 18 日或更前,菲律宾以东洋面上一直存在一个低频气旋，其中心位于 20N,130E，该气旋随着时间在不断发展。这个低频气旋的存在、发展和向南海的扩展对南海夏季风爆发具有十分重要的作用，因为在这个低频气旋的影响下，其南侧低频纬向西风也在不断发展，并不断向西扩展，加强南海低频纬向西风，从而最终激发南海夏季风的爆发 12。分析其它年南海夏季风爆发前后大气 ISO 的活动情况,其结果与 1998 年有类似的特征，进一步说明菲律宾东面大气 ISO 的强烈发展及其向西扩展对南海地区大气 ISO 活动有重要作用，并进而激发夏季风的爆发。利用 19751993 年

22、(其中 1978 年缺)的向外长波辐射(OLR)资料分析表明 13，南海夏季风一般在初夏第一个较强低频振荡的负值位相开始建立。温之平等 14(2006)分析指出，5 月 115 日菲律宾南部周围低频对流发展西移，华南地区低频对流活动南移以及加里曼丹低频对流活跃北移，有利于南海夏季风爆发偏早。大气 ISO 不仅影响南海夏季风的爆发，还与南海夏季风强度密切相关。强、弱南海夏季风的 850 hPa 合成分析表明 15，强南海夏季风时，在南海及西太平洋地区有强 ISO 流场，弱南海夏季风时，大气 ISO 流场相当弱；此外，对应强南海夏季风，大气 ISO 流场在南海-西太平洋地区为强气旋性环流，与弱南海

23、夏季风对应的却为弱反气旋环流。可见大气 ISO 在南海及附近地区的活动对于强东亚夏季风形势的建立起着重要的作用。我国东部地区处于东亚季风影响范围之内，东亚季风系统的异常变化是我国灾害性天气气候( 特别是降水)异常的主要影响因子。研究表明，我国东部洪涝灾害很大程度上与热带大气 ISO 有关，特别是长江中下游、华南地区降水与低频振荡及其传播联系密切。观测资料分析表明 16,17,18，1998 年长江中下游 6、7 月两次大暴雨均与低频气旋系统自热带向北传播、中高纬向西南传播并于长江中下游南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化3汇合有关，中国中东部地区低频降水经向传播都与南海季风和印度季风的变

24、化相对应。通过分析江淮流域旱、涝年南海地区 TBB 季节内振荡及其经向传播特征 19，结果表明江淮流域涝年，南海地区 TBB 3060 天和 1020 天振荡十分活跃，向北传播非常明显，而旱年则相反。史学丽等 20诊断分析了 1994 华南地区的两次特大暴雨过程发现：这一年的夏季风十分活跃，南海夏季风与表征对流活动的TBB 低值带以低频振荡的形式(周期约为 3060 天 )传播到暴雨区,与暴雨的发生有着密切的联系，强暴雨过程对应着季风的脉动或加强期。最近的诊断分析表明 21，2005 年 6 月华南持续性暴雨(6 月 1823 日)与热带季风 ISO 向北传播到华南有关。以上大量分析结果告诉我

25、们这样一个事实：我国东部地区降水异常与大气 ISO 及其传播有着相当密切的联系，而南海及热带地区的季节内振荡又在其中扮演了重要的作用。但是，大气季节内振荡也存在明显的年际变化，不同的年份其变化特征及对天气气候的影响不尽相同。1.2.2 大气季节内振荡的年际变化19 世纪 80 年代气象学家就注意到热带大气 ISO 年际变化特征 22,23,24,25,26。不少专家学者研究海温异常(主要是 ENSO)对 ISO 的影响，Dayton 等 27研究表明，在 ENSO 暖事件期间，MJO 在中太平洋偏强、在西太平洋偏弱。 Li 等 7利用 11年资料分析表明，东太平洋海温年际变化与局地 MJO 强

26、度呈正相关，而西太平洋海温年际变化幅度小，与局地 MJO 强度无直接联系。李崇银 28,22研究表明，异常强的东亚冬季风是激发产生 El Nio 的重要机制，而其中一个重要的物理过程就是东亚冬季风所激发的较强大气 ISO 的活动，因为冬季东亚地区的冷空气活动偏强，赤道西太平洋地区的积云对流也将加强，而这种加强的积云对流会激发强的大气 3060 天低频振荡。进一步研究表明 29-31，ENSO 发生之前赤道西太平洋 ISO 较强，ENSO 发生之后赤道西太平洋 ISO 较弱。Hendon 等 32、Slingo等 33、Zhang 等 34认为，总体 MJO 与 ENSO 无关。 Lawrenc

27、e 等 35同样认为，南亚地区夏季 ISO 强度年际变化与任何同时或超前海表温度无相关。Chen 等 36利用 NCEP/NCAR 资料揭示了全球不同纬度带之间的大气 ISO 年际变化具有同步性，以及大气 ISO 与东太平洋海温相关的复杂性。从现有研究结果来看，东太平洋海温(即 ENSO 事件)对 ISO 强度年际变化是否有影响，不同分析结果存在一定的差南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化4异。1.2.3 热带 MJO 的国际研究及实时 MJO 指数的发展20 世纪 70 年代，R.D.Madden 和 P.Julian1-2利用 19571967 年坎顿岛的观测资料，通过谱分析方法首先

28、发现热带大气纬向风和气压场存在 4050 天周期的低频振荡。随后他们又进一步分析证实了全球热带地区都存在 4050 天低频振荡，指出这种振荡具有纬向波数 1 的扰动及向东传播，振荡起源于热带印度洋和西太平洋，与移动性 Walker 环流有联系。Krisnamurti37等分析了 MONEX 资料，指出南亚季风槽的活动存在着 30-50天振荡，而且这种振荡有缓慢向北传播的特征，并认为季风的爆发、季风的活跃和中断与低频振荡有关。Barlow 38等使用 OLR 滤波分析了 MJO 活动对西南亚逐日降水的影响，指出东印度洋的 MJO 强度对西南亚冬季降水有调节作用， MJO相关的热带对流的变化影响急

29、流和中高层风，进而影响急流出口区的密集程度。当 MJO 处于正位相，即东印度洋对流受到抑制时，急流风速增加而风速梯度减小，急流区域扩散，降水增多。有些年份 MJO 信号的影响甚至超过年际变化信号的影响。Vecchi 39等以 850hPa 纬向风 EOF 的前两个模态作为 MJO 活动信号分析 MJO 的活动与北半球高纬地区冬季地表气温之间的关系，指出 MJO 对冬季地表气温的季节内变化有影响，并通过位势高度和比湿的 MJO 位相合成说明这种影响通过辐射和平流起作用。此外还有很多研究都揭示出热带、副热带甚至中高纬的季节内振荡活动与天气、气候异常之间的关系。但是由于使用带通滤波方法提取某一时刻的

30、季节内振荡情况需要其后一段时间内的资料，无法实时监测季节内振荡活动和及时根据季节内振荡的活动情况进行短期气候预测。因此，发展一种可以用于实时监测低频振荡活动的指数成为一项迫切的需要。2000 年 Lo 和 Hendon40以实时预测 MJO 活动的演变为目的提出用 OLR 的EOF 分析的前两个模态和 200hPa 流函数 EOF 分析的前三个模态来表征 MJO 的活动。进而 Wheeler 和 Hendon41(WH04)提出将 OLR、850hPa 和 200hPa 纬向风分量三者组合场进行 EOF 分析的前两个模态作为全年实时多变量 MJO 指数（RMM 指数）来表征 MJO 的活动特征

31、，并证实了这对指数在去除季节内尺度以南海夏季风季节内振荡的活动特征及其年际变化5外的噪音、提取 MJO 活动信号方面的能力。另外，他们通过 RMM 指数定义的MJO 位相合成讨论了季风爆发和极端降水与 MJO 活动的关系，结果表明：澳大利亚和印度季风爆发日期的 MJO 在某些位相内较集中， 80的情况下澳大利亚季风爆发于 MJO 的强对流发生在澳大利亚北部附近时，而印度季风也倾向于在MJO 强对流出现在该地区附近时爆发；澳大利亚各地区极端降水的发生概率在MJO 的不同位相下也表现出很大的变动。RMM 指数作为有效的 MJO 过滤器，消除了与 MJO 空间结构相似的低频变化部分，提取出 MJO

32、活动信号，同时避免使用传统带通滤波器，使得该指数能够与实时观测同时进行，因而通过预测 RMM 指数的变化趋势能够及时预测与MJO 活动有关的短期气候异常。国际上也已经开始进行应用 RMM 指数预报的研究并取得了较好的效果，所以揭示由这一指数反映的 MJO 活动对天气、气候异常的影响，对于利用 RMM 指数预报结果进行短期气候预测有重要意义。Jeong42等采用 WH04 提出的 RMM 指数，针对一般冷涌和强冷涌两种情况，通过冬季的东亚地面气温、500hPa 位势高度和 700hPa 湿度场的位相合成，讨论了 MJO 活动对东亚地面气温和冷涌发生频率的影响。结果表明，冬季东亚地面气温随 MJO

33、 活动表现出明显的空间振荡，这主要受到低层平流的影响。此外，在 2-3 位相下与 MJO 有关的天气学条件为冷涌的发生提供了有利条件。Jeong 43等还使用 WH04 的 RMM 指数，使用 MJO 位相合成的方法得出： MJO 的 2-3 与6-7、4-5 与 8-1 位相下东亚冬季的降水量、降水频率、流函数、比湿、OLR 和垂直速度均分别呈现出完全相反的空间分布型，MJO 主要通过东亚高空急流入口区的强垂直速度距平和低层水汽输送与东亚冬季降水产生联系，东亚垂直速度距平主要来自于 MJO 活动的准地转强迫。Donald 44等利用 WH04 的 RMM 指数定义MJO 位相，通过讨论 MJO 活动与平均海平面气压（MSLP）之间的关系分析了MJO 对降水的影响。 （MSLP ）由负位相向正位相转变反映了中太平洋区域 MJO活跃对流的中断。Jones 45也采用 RMM 指数研究了加利福尼亚极端降水与 MJO的关系，极端降水在 MJO 活跃时发生概率大，在 MJO 强对流位于印度洋时发生概率略大，而极端降水与 MJO 活动的年际变化之间则联系不大。