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本文以简单准地转β平面模式为主要工具,同时结合55年美国NECP/NCAR大气再分析资料和英国Hadlay中心的GISST 海表面温度资料,通过理论分析与诊断分析相结合的手段,研究了中纬度地区低频大气环流对北太平洋年代际海温异常所引起的直接非绝热加热和间接瞬变涡旋热量和涡度输送强迫的响应问题。得到主要结论如下:
1.中纬度大气对中层直接非绝热加热的多重响应结构
大气对直接置于其中层的非绝热加热源的响应形式对该加热源水平尺度,对流层高低层基本纬向气流强度实际上相当敏感,理论上存在着四种可能的形式,分别是:热源下游相当正压结构的高/低压异常;热源下游斜压结构的表面低/高压异常。只不过上述形式的响应出现的可能性之间存在着一定的差异;在中纬度地区的实际条件下,当背景态西风的垂直切变和非绝热加热源的水平尺度比较大时,更容易产生相当正压结构的响应;考虑到中纬度北太平洋上空真实的纬向基本气流的强度以及和北太平洋年代际SST 异常相联系的非绝热加热异常的典型尺度,大气柱中层的增暖作用将会在其下游(即其东侧)引起相当正压结构的负的位势高度场扰动,其上游(西侧)则是相当正压结构的位势高度正异常;表面摩擦的作用将响应中心向西移动,使之和热源中心在水平方向上更为接近。
2.北太平洋风暴轴的时空变率及其与SST 和大气低频环流异常的对应关系
北太平洋SST异常可能通过移动北太平洋风暴轴以及改变其强度来间接影响中纬度地区的低频大气环流。因此,本文还利用海温和大气资料,利用滤波,EOF分析,SVD分析,合成分析,以及显著性检验等统计诊断手段,分析了北太平洋风暴轴的时空变率以及其与北太平洋SST异常,中纬度北太平洋地区大气低频环流异常之间的对应关系。发现,北太平洋风暴轴的位置和强度都具有显著的年际和年代际变率,上世纪七十年代后期开始,对应于PDO正位相,风暴轴的强度减弱,位置偏南;除此之外,对应于风暴轴的向北(南)移动,北太平洋中部上空都受到相当正压结构的反气旋式(气旋式)异常环流的控制。对应于北太平洋风暴轴强度减弱(增强),对流层上层250hPa高度上的40°~50°附近为东风(西风)异常;相应的,各个高度上均一致地表现为北高(低)南低(高)的双极型位势高度场异常。
3.中纬度低频大气环流对和PDO相对应的瞬变涡旋强迫作用的响应
在北太平洋中纬度地区,和天气现象有关的瞬变涡旋通过对热量和涡度的输送是大气位势高度场低频变率的形成和维持的重要源汇相。通过理论分析和诊断分析相结合的手段,了解了对应于北太平洋海温年代际异常的瞬变涡旋输送通量的三维分布特征,得到了大气低频扰动对这样的瞬变涡旋强迫源的响应情况。我们发现,瞬变涡旋涡度输送强迫和温度强迫在北太平洋气候态风暴轴东北侧分别表现为相当正压结构和第一斜压模态。大气对这样的瞬变涡旋涡度输送强迫产生低频响应,PDO正(负)位相年,扰动的强度中心在北太平洋情况下即150°W附近,并且在垂直方向上表现为相当正压结构的低(高)压异常。而对瞬变涡旋温度输送强迫的响应在垂直方向上表现为斜压结构。在对流层低层,响应为低(高)压异常,在对流层高层情况则相反。但由于瞬变涡旋温度输送强迫要比涡度输送强迫弱,因此,大气的整体响应特征仍然表现为相当正压结构的暖—脊(冷—槽)响应,扰动振幅约为20~60位势米。