氣候系統(tǒng)的空間結構及遙相關型年代際配置特征研究.pdf

1、本文結合NCEP/NCAR再分析資料和國家氣候中心常規(guī)觀測站日降水資料，運用關聯(lián)矩陣分析方法，基于復雜網(wǎng)絡理論構建溫度場和環(huán)流系統(tǒng)的復雜網(wǎng)絡。針對(1)傳統(tǒng)的遙相關型研究僅考慮負相關，未考慮正相關，且多集中研究某一遙相關型，不能從整體上揭示了氣候系統(tǒng)的空間結構特征；(2)遙相關指數(shù)主要通過SST或SLP的差值等進行定義，能夠體現(xiàn)遙相關型信號的強弱，但不能體現(xiàn)遙相關型對氣候系統(tǒng)作用的強弱；(3)對遙相關型的年代際配置特征及其與中國氣候變化

2、聯(lián)系的研究相對較少等科學問題做了初步探討。得到了以下一些主要結論： (1)概率統(tǒng)計角度揭示溫度場內部的關聯(lián)性及其時空演化特征。全球格點溫度序列間既存在關聯(lián)“噪聲”，又存在真實關聯(lián)；格點溫度序列之間存在的關聯(lián)既包括近鄰或次近鄰格點之間的短程關聯(lián)，又包括如太平洋年代際濤動等遠程格點之間的遙相關。關聯(lián)系數(shù)的均值在1977年前后表現(xiàn)為兩種不同變化態(tài)，對應了20世紀70年代中后期的溫度突變；關聯(lián)系數(shù)的空間分布在兩種尺度下都表現(xiàn)為沿緯向呈帶

3、狀分布，赤道太平洋、赤道印度洋和赤道大西洋及北太平洋是關聯(lián)異常區(qū)域。關聯(lián)性的研究為溫度關聯(lián)網(wǎng)絡的構建奠定了理論基礎。 (2)溫度場和環(huán)流系統(tǒng)內部關聯(lián)作用的空間結構特征。構建了溫度場和環(huán)流系統(tǒng)的關聯(lián)網(wǎng)絡，結構特征量的引入為氣候系統(tǒng)空間結構復雜性提供了衡量指標。兩種系統(tǒng)都具有典型的小世界效應，即系統(tǒng)中大量短程關聯(lián)的存在保證了系統(tǒng)的結構穩(wěn)定性，部分遙相關的存在提高了系統(tǒng)內部信息傳遞的效率。網(wǎng)絡的頂點度分布都表明低緯度和中高緯度系統(tǒng)的空

4、間結構存在顯著差異，環(huán)流系統(tǒng)關聯(lián)網(wǎng)絡則明確界定了兩種系統(tǒng)的分界為南北緯27.5附近。低緯度環(huán)流子系統(tǒng)頂點度較高且空間分布一致性較好，主要體現(xiàn)了全局耦合的性質，格點間主要以直接關聯(lián)作用為主；中高緯度環(huán)流子系統(tǒng)頂點度相對較小，遙相關型對應的局部區(qū)域頂點度較高，具有典型的小世界效應。換而言之，低緯度和中高緯度系統(tǒng)內格點間的作用機制存在很大差異。 (3)遙相關型對環(huán)流系統(tǒng)空間結構的影響。建立氣候系統(tǒng)空間結構復雜性衡量指標的基礎上，研究了

5、各種遙相關型對系統(tǒng)結構影響的主次關系。北半球中高緯度系統(tǒng)中，濾除AO和NAO后，系統(tǒng)的短程連邊和長程連邊均顯著減少，網(wǎng)絡的平均路徑長度顯著增加，網(wǎng)絡信息傳遞的效率顯著減小。相比較而言AO的作用較NAO更大一下。PNA在北半球環(huán)流系統(tǒng)中是一種相對獨立的型，其作用主要體現(xiàn)了中高緯度和低緯度之間的聯(lián)系。對于南半球中高緯度系統(tǒng)而言，AAO的作用最強，濾除AAO網(wǎng)絡的平均頂點度減少了45％，平均道路長則增加了34％，因此在南半球環(huán)流系統(tǒng)中AAO是

6、要首要關注的對象；南極偶極子在200hPA和800hPa高度場中均存在，因此對應了一種相對穩(wěn)定的遙相關型，它的存在對AAO及南半球中高緯度環(huán)流系統(tǒng)均有一定的影響。 (4)赤道中東太平洋海表溫度和遙相關型作用強弱指標體系的建立。網(wǎng)絡的頂點度直接體現(xiàn)頂點作用的強弱，因此采用頂點度區(qū)域平均的方法，定義了赤道中東太平洋溫度關聯(lián)指數(shù)(TPTI指數(shù))和五種遙相關型作用指數(shù)，從而構建了一組新的指標體系。TPTI指數(shù)較以往通過SST距平值等的定

7、義更深入的體現(xiàn)了該區(qū)域對全球氣候變化作用的強弱。TPTI指數(shù)偏強的年份基本對應了強El nino年和La nina年，并將E1 nino年和La nina年分為強作用年和弱作用年，進一步說明氣候系統(tǒng)中關鍵區(qū)域的信號強和作用強是未必等價的。春季和夏季TPTI指數(shù)與中國夏季降水EOF第一模態(tài)的相關系數(shù)分別為-0.34和-0.35，具有應用于夏季降水預測的潛在價值。五種遙相關型作用指數(shù)直接體現(xiàn)其在氣候系統(tǒng)中作用的變化，并且根據(jù)各種指數(shù)的強弱變

8、化確定中國夏季降水各個區(qū)域的主要相關因子。 (5)遙相關型的年代際配置特征。PNA，NAO，AO，EUPA和WP五種顯著的遙相關型年代際尺度的配置主要存在以下幾個特征：(1)作用中心的移動，NAO，EUPA和WP的作用中心在年代際尺度存在顯著的移動的特征，且70年代中后期及80年代末期90年代初存在共同的跳躍過程。AO型在1976年以前作用較弱，80年代末期以來作用則顯著增強；PNA型模態(tài)的空間分布則相對穩(wěn)定，作用中心移動的特征

9、較弱，這也進一步體現(xiàn)了其在北半球中高緯度系統(tǒng)中是一種相對獨立的模態(tài)。(2)根據(jù)各種指數(shù)確定了不同時段北半球中高緯度起主導作用的主要遙相關型：1976年以前是PNA，EUPA和WP三種模態(tài)的配置為主導，1977年以后NAO的作用顯著增強，五種模態(tài)共同作用，1985年以后AO的作用顯著增強，其它模態(tài)的作用則相對較弱。70年代中期及90年代初期的氣候突變可能與行星際尺度遙相關型的調整有聯(lián)系。 (6)多因子物理統(tǒng)計模型的構建及其在夏季降