热带海洋是驱动大气运动重要的能量来源,热带海表温度(Sea Surface Temperature,SST)变率是短期气候预测中重要的可预报源,全球最强年际变率信号ENSO(El Ni?o and Southern Oscillation)也包含于其中。前人广泛研究了热带三大洋中存在的海温异常现象及对全球气候的影响,其中最强年际信号ENSO的海温异常形态、强度、梯度结构及其气候影响具有复杂的多样性,且存在显著的年代际变化。近些年的研究表明ENSO现象与印度洋和大西洋的海温异常现象之间存在多种相互作用,热带海洋是一个具有广泛联系的统一整体。热带海洋对大气的影响有时并非来自单一海区的作用,而是不同海区间海温异常共同作用的结果。ENSO现象的复杂性和泛热带地区海温整体的伴随性变化是目前国际气象气候学研究的前沿问题,有必要从海温异常的大尺度空间配置及演变的角度出发,进一步研究热带海温异常现象的特征和及对大气的影响。本文首先分析了冬季全球主要的海温异常信号变率类型。然后通过海温距平纬偏场的EOF(Empirical Orthogonal Function)分析,提取了年际变率最强的热带太平洋地区冬季的海温异常纬向梯度结构主要模态。并考察了热带太平洋海温异常纬向梯度结构与Walker环流的耦合形态。在两类梯度结构基础上,建立了基于梯度结构配置视角的太平洋地区海温异常空间结构划分,并以该视角分析了冬季ENSO现象及其同期影响过程的复杂性。此外,将热带太平洋与印度洋、大西洋联系为一体,从热带海洋整体性和演变角度,对泛热带海温异常结构秋季至春季的伴随演变特征进行了分析和验证,并探讨了这种方法提取的海温信号对夏季大气环流预测的指示意义。本文的主要结论如下:(1)冬季全球海温区域性变率间的主要关联通过对25项海温指数1951/52-2014/15年冬季平均序列的系统聚类分析,获得了4类意义较明确的海温变率类型。其中前两类表现出强烈的年际振荡特征,分别代表了东部型ENSO与PDO(Pacific Decadal Oscillation)型海温的伴随变化、及中部型ENSO下太平洋中部与东西两侧的反向变化。第三类反映了在20世纪90年代印太暖池和北大西洋相近的年代际突变。第四类反映了三大洋的湾流区及邻近赤道信风洋流区相似的海温变率,变率的相近是由信风洋流和西边界流作用下赤道暖水向中纬度扩散过程所导致,年际变率振幅弱于第一、二类,同时也具有较显著的年代际增强趋势。全球海温最强的两种年际变率类型均位于热带太平洋;印太暖池区域气候平均海表温度最高,但年际变率振幅较小。(2)冬季太平洋纬向海温异常梯度结构与Walker环流的耦合关系以计算纬偏场的方式,将反映局地距平的海温异常场(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)转化为一种反映距平值在太平洋纬向上相对高低的形式,突出了纬向海温异常梯度结构中的相对冷暖中心,并平衡了西太平洋和东太平洋变率在梯度变化中的贡献。EOF分析结果表明,冬季热带太平洋纬向海温异常梯度存在“东西反向型”和“纬向三极型”两种主要结构,可代表梯度结构变率的93.7%。SSTA纬偏场与垂直风场纬圈环流分量的EOF对比和两者的SVD(Singular Value Decomposition)分析表明,纬向海温异常梯度与Walker环流异常间存在极强的时空关联。相对冷暖中心位置与Walker环流异常上升、下沉支位置基本吻合,并且也表现为“东西反向型”与“纬向三极型”两种耦合结构。SVD分析中这两种耦合结构的累计协方差平方和贡献率达到99.32%,代表了海温异常梯度与Walker环流异常耦合关系的绝大部分变率。低层风场、海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)和南方涛动指数的响应也表明,两种纬向海温异常梯度结构的海气耦合过程具有明显的差异。证明了海气耦合过程中不仅仅是局地性海温异常的作用,海温异常的纬向空间相对结构也具有重要贡献。传统东部型ENSO指数可对“东西反向型”结构有很好的表征,但中部型ENSO指数与“纬向三极型”和“东西反向型”两种结构均具有近似且略低的相关性。而由于EOF的正交性,本文所提取的纬向海温异常梯度和Walker环流异常对应主模态间具有高于传统指数的强相关,且交叉模态间不存在明显关系。因而有利于将两种具有不同海气耦合特征的梯度分量作为两个独立变量进行研究。(3)冬季热带太平洋纬向海温异常梯度结构不同配置对大气环流的影响从两种纬向海温异常梯度结构标准化时间序列的不同配置角度,将冬季热带太平洋地区海温异常划分为“EOF1独立偏强型”、“EOF2独立偏强型”、“EOF1+2混合偏强I型”和“EOF1+2混合偏强II型”以及剩余的梯度结构不显著型,并对1979年以来个例数量具有统计学意义的前三种类型进行了详细分析。“EOF1+2混合I型”下海温显著异常范围最广、强度最强,“EOF1独立型”次之,强度略弱,“EOF2独立型”下异常范围最小,强度最弱。泛太平洋海温异常配置上,“EOF1+2混合I型”与Mega-ENSO空间型相似;“EOF1独立型”中北太平洋地区黑潮区显著偏暖、东北部为显著偏冷;“EOF2独立型”下北太平洋呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)负位相结构,但显著性略弱。“EOF1独立型”和“EOF1+2混合I型”引起的热带深对流运动可抵达对流层高层,从而激发明显的大气遥相关作用。前者在欧亚中高纬及北美地区均有较强的环流异常响应,后者欧亚中高纬响应不强,但北太平洋东部至北美地区响应强度强于前者。两类型均能引起北太平洋至北美显著的纬向风异常波列和北美副热带西风急流加强。“EOF1独立型”中急流加强由太平洋中低纬异常环流圈的和欧亚中高纬西风异常远距离传输两种作用共同产生,“EOF1+2混合I型”中则主要由太平洋中低纬异常环流圈起作用。这些差异与两者北太平洋出现的不同的海温异常配置的作用有关。而EOF2型独立出现时,引起的热带深对流运动强度与大气环流响应则要弱的多,向中高纬的遥相关波列传播特征也不明显,主要影响局限于热带地区,不具有另两类中的全球尺度的影响。(4)冬季热带太平洋纬向海温异常梯度结构的年代际变化特征对1900年以来的冬季海温距平场的分析表明:“东西反向型”和“纬向三极型”两种梯度结构的趋势并非单调的,在20世纪40年代末至70年代初两个结构的振幅均存在一个衰弱期,百年尺度下振幅均表现为先减弱后增强的特征。“东西反向型”在1970年以后正位相最大振幅显著增强,但显著异常频率减少。“纬向三极型”正位相在1970年代末以后频率与强度均明显增强。这从梯度结构振幅变化角度解释了70年代末以来ENSO强度、频率和暖中心西移的年代际变化。相较于1900-2018年,1980年以后“EOF2独立型”和“EOF1+2混合I型”发生频率增幅分别达到29.5%和27.6%,表明“纬向三极型”分量对海温结构的贡献显著增加。纬向梯度不显著的年份在1950-1970年梯度衰弱期密集出现,但在70s年代末以后显著减少,表明太平洋地区海温异常纬向梯度振荡在加强,海温异常梯度结构振幅的加大导致了近年来ENSO事件变得愈发强烈、频繁的特点。(5)泛热带地区秋-冬-春海温异常结构伴随演变及对夏季环流的影响利用拓展经验正交函数(Extended empirical orthogonal functions,EEOF)方法从准年际SSTA变率中提取出了泛热带地区三大洋在秋冬春三个季节里的海温异常结构连续伴随演变模态。第一演变模包含热带太平洋东部型ENSO的冬季锁相-春季衰减过程及印度洋和大西洋伴随其衰减期的增暖过程;第二演变模表现为秋季至春季热带印度洋和大西洋的冷暖翻转及东部型ENSO在春季的迅速发展过程;第三演变模表现为中部型ENSO发展过程中太平洋纬向三极海温异常梯度的生成过程,并伴有印度洋由暖转冷和热带大西洋由整体偏冷转向北冷南暖分布的演变。前三模态占泛热带海温异常三个季节连续演变过程总解释方差的44.7%。各模态中海区间海温异常结构伴随演变的存在性通过区域非正交投影得到了验证。各演变模态均对夏季大尺度位势高度场异常存在不同形态的显著影响:第一演变模与热带地区大气环流异常存在强烈相关,尤其反映了ENSO衰减过程中三大洋海温异常对西北太平洋异常反气旋的共同加强作用;第二模态对热带地区的滞后影响则倾向于印太地区。对夏季高度场回归模型的回归效果表明,以多海区伴随演变型作为变量相较时空孤立的海温指数模型对夏季环流的模拟效果有显著提高。