气候态大气超长波的时空特征初探

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摘 要:利用谐波分析方法对NCEP再分析资料的气候态位势高度场进行纬向分解,针对分离出的大气超长波1至3波和为便于参考而被列入研究范围的大气长波4波,讨论其空间分布特征、时间变化规律、活动中心的南北向移动,对比了南北半球各分波的差异,并对部分分析结果给出初步的解释。

关键词:大气超长波 气候态 位势高度 谐波分析

中图分类号:P4文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 05-068-02

1引言

大气波动是大气运动的重要形式之一,大气波动按其时空尺度的不同可分为超长波、长波和短波,其中超长波和长波在很大程度上调节着大气环流的低频变异,是气候预测的重要指标。对于大气超长波来说,研究其性质对中、长期天气预报具有重要意义,尤其在中高纬度地区,大气超长波1至3波约占大气环流纬向距平总方差的90%,超长波尺度的准地转运动与天气尺度的准地转运动具有不同的动力学特征。60年代以来,气象学界对超长波作了一些理论研究,然而对超长波的认识仍较为不足。对大气超长波的气候态这一基本问题一直缺少深入细致的探讨,超长波的气候态是大气超长波研究的重要基石,对基态的把握有助于对其时间演变规律的认识和理解。因此本文拟对NCEP气候态位势高度场进行谐波分析,进而获得多年平均意义下大气超长波的基本特征。

2 资料和方法简介

本文选用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)气候态位势高度场再分析资料,空间覆盖率为全球,空间分辨率为2.5.5，时间长度65天,时间分辨率为1天。此处所用的气候态资料是使用1968至1996年共29年的位势高度场合成的,某天的值为这29年中该天的数据取平均,形成反映气候平均态的该天的位置高度场,对365天的每一天都如此操作,即形成反映气候平均态的一年的资料。

谐波分析即是对数据进行傅里叶变换,将其由时域空间的信号转换为频域空间的信号,然后根据研究目的保留对应频率的信号,将其余不需要的信号设置为0,然后再对处理后的数据进行傅里叶逆变换,即还原为时域空间的信号。本文对整个纬圈的数据进行谐波分析,分别保留了纬向1至4个波的信号。

3大气超长波的时空分布

在本部分内容展开之前首先要指出两点:第一,本文的结论均是以500hPa为参考面,因为500hPa为大气的无辐散层,是研究大气运动的代表性层次,故本文选取该层为研究对象;第二,按照定义大气超长波是指纬向1至3波,但是本文将纬向4波也列入研究范围,这是为了给1至3波的研究提供对比参考。

3.1空间分布特征

首先从直观上来看大气长波的形态及空间分布情况,图1为年平均的各分波在全球的分布情况,总体可见,各分波主要活动中心均位于中高纬度地区,同时各分波表现出不同的活动特征。1波在北半球的主要活动中心位于30N至60N之间,南半球的1波活动较北半球更强,并且中心位置更加偏向高纬,位于40S到70S之间,同时在南半球中纬度30S附近存在一个相对较弱的活动中心。2波在北半球的活动中心位于比1波更高的纬度(30N至80N之间), 相比而言,南半球2波的活动则弱得多,没有明显的活动中心,自20S到80S呈现南北方向弱三极子分布。3波在北半球的活动中心与1波位置相仿(位于30N至60N之间),南半球3波的活动也较北半球弱,中心位置位于30S至60S之间。4波的分布特征与2波和3波类似。

3.2 时间变化特征

图2为各分波的振幅随月份的变化,总体来讲各分波的振幅随波长减小而减小,波长越短振幅越小,即对应的波动能量越小。从全球平均(图8a)来看,1、2、3波的振幅均是冬季强于夏季,同时注意到北半球平均(图8d)的情形也是冬季强于夏季,并且季节差异相差较大,从而证明了全球平均各分波的能量在很大程度上取决于北半球各分波的能量。那么再注意南半球平均(图8c)的各分波振幅,发现南半球主要以1波为主,并且其季节变化不显著,夏秋季略强,2波3波则振幅非常小。在低纬度地区(图8b),各分波的振幅都较小,但是季节变化很明显,冬夏季强春秋季弱,呈现出半年周期的变化规律。 综合上述结果,我们看到南北半球地区各分波振幅的季节变化均是呈现年周期,而赤道地位地区却为半年周期,这表明大气超长波的受到太阳辐射的显著影响。

图3为各分波活动中心的经向分布,与图1的结果一致,在北半球,1波和3波的活动中心在45N附近,2波的活动中心比1波和3波偏北,位于60N附近,夏季各分波的振幅较小,相对不活跃,同时活动中心的经向位置更偏高纬。而在南半球以1波为主,活动中心位于60S附近,位置不随季节而改变。振幅夏季略强于冬季,但不如北半球的分波季节变化那样显著。2波3波的振幅都较小,2波活动中心偏南,位于70S附近。3波活动中心偏北,位于50S附近。

a为年平均,b为冬季平均,c为夏季平均,单位:位势米

4总结与讨论

从全球平均来看1至4波的振幅逐渐依次递减,在北半球1至3波均显著,4波较弱,而在南半球只有1波显著,2至4波均较弱。在北半球1至3波均有明显的季节变化,冬季最强夏季最弱,而在南半球只有1波有一定的季节变化,夏秋季略强于其他季节,在赤道低纬度地区各分波的振幅都很小,但是季节变化显著,冬夏季振幅大,春秋季振幅小。同时北半球1至3波的活动中心在夏季比在冬季更偏北,南半球各分波的活动中心变化不大。

上述结论中2波3波在南北半球的差异较大,北半球远强于南半球,推测这是由于南北半球海陆地形差异造成的,北半球两大洋两大陆的地形敲好可能是2波形成的主要原因,而海陆地形的分布并不是等间距分布的,所以推测海陆地形的不均匀性是3波形成的主要原因。另外南北半球的个分波季节变化为年周期,而赤道低纬度地区为半年周期,推测这主要是由于太阳辐射的季节变化所导致的。

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