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南半球环状模与ENSO的关系研究

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本文使用1979-2002年ERA-40气象观测资料分析了南半球春、夏季南半球环状模(SAM)与El Nino-Southern Oscillation(ENSO)的关系。论文的主要目的是解答为什么在La Nina期间南半球环状模事件多为正位相,而在El Nino期间则多为负位相事件。为此我们对纬向平均纬向风、Elliassen-Palm通量、两个波破碎判别指数(Wave Breaking Index, Wave Breaking Potential Index)等物理量进行了合成分析。对于激发SAM形成的物理机制,本文研究的结果是波-流正反馈作用。SAM发展前10天左右,对流层的基本流场首先发生改变,出现类SAM正位相或类SAM负位相型纬向平均风异常。受基本纬向风场的激发,由于风场结构的改变所引起的瞬变Rossby波破碎在环状模发展过程中起到了促进作用,波破碎产生的动量通量输送使初始风场异常放大,这又激发了更多Rossby波破碎。这一系列改变重复发生,从而最终导致了环状模型风场偶极子结构的出现。在本文的表述中,我们还是简单的认为是Rossby波的破碎驱动生成类SAM模态,而基本流场的初始扰动决定了SAM发展的位相。本文中定义了两个诊断变量用以研究天气尺度Rossby波破碎。首先,我们提出了预测Rossby波破碎可能性的指数(Wave Breaking Potential, WBP)。这一指数是建立在纬向平均基本流场特征上,综合考虑了纬向平均风的经向切变和位涡切变这两个重要因素,从而将计算的无量纲的Rossby波破碎时间尺度作为定量衡量波破碎可能性的指标。其次我们还建立了另一个利用2PVU层的位温梯度反号来判断Rossby波破碎强度的波破碎指数(Wave Breaking Index,WBI)。以SAM事件合成的WBI值与E-P通量分析结果一致:WBI值的最明显变化位于急流北侧,表明SAM的发展主要表现为急流向赤道一侧的反气旋式(LC1)Rossby波破碎的改变,而急流向极地一侧的WBI值的变化相对较小。分析结果表明ENSO期间纬向平均风场、E-P通量、波破碎可能性指数、波破碎指数等基本流场特征都发生了显著变化。La Nina(El Nino)现象对南半球大气基本流场的预调制表现为急流向赤道侧的反气旋式Rossby波破碎在此区域加强(减弱),从而激发SAM正位相事件。WBI的概率分布函数分析显示,La Nina(El Nino)对应急流向赤道一侧的强(弱)反气旋式波破碎的频繁发生。波破碎特征及其对背景流场的依赖性很好地解释了ENSO期间SAM事件的正、负位相发生偏移的原因。此外,研究发现南北球春季对流层的SAM/ENSO事件多由平流层的SAM信号引导。当El Nino发生时,对流层内急流的向极地一侧(60°S附近)易于出现频繁的天气尺度波破碎,通过能量串级作用,这些天气尺度波的破碎将能量传递给更低频波动(行星尺度波),进而造成向平流层传播的行星尺度波强度增强(表现为平流层内的垂直向上的E-P通量矢量异常),致使平流层极涡受到更大的扰动,平流层的纬向风场减速(纬向平均东风异常)。相反,在La Nina时期,对流层的天气尺度波破碎减弱,相应的导致平流层内的行星波上传也受到抑制。同时,春季SAM/ENSO事件期间对流层内的波破碎过程也相应延长(约30天)。这些结果表明ENSO背景流场变化对激发平流层内SAM信号有重要作用,而平流层内SAM异常又可以通过正反馈机制维持对流层SAM。

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