文档介绍：海气系统不稳定耦合波与年代际气候振荡*已在南京气象学院学报发表
陆维松陶丽张延宾苏磊
(南京信息工程大学大气科学学院,南京, 210044)
摘要
从简单海-气相互作用方程组出发,引进新的海洋对大气加热函数,得到简单海-气相互作用方程组的解析解,结果表明:(1)海-气相互作用可以产生不稳定耦合波,这种波的不稳定程度随海-气相互作用系数和深海对海洋混合层的影响而不同。(2)在中纬度地区不稳定海气耦合波的约为18-105年,特别最不稳定海气耦合波的周期为18年;。(3) 大气扰动在位相上超前于海洋扰动,位相差范围是0到π/2,特别当位相差为π/4时,出现最不稳定海气相互作用; (4)深海作用系数对于海气耦合系统的时间结构(e-折时间尺度、耦合波周期)有很大的影响,但是对于空间结构(位相差、振幅比值)影响很小。
这可能是海-气系统年代际振荡的机制之一,且是Charney斜压不稳定在海气相互作用系统中的一个新进展。
关键词:年代际振荡;不稳定; 海-气耦合波
20世纪90年代以来,年代际时间尺度的气候变率问题引起了国际气候界的高度关注,成了国际气候变化及可预报性(CLIVAR)计划的重要内容。
到目前为止,已经有大量观测分析事实表明无论在海洋还是大气中都存在明显的年代际振荡特征。考虑到海洋的变化较慢,年代际时间尺度的气候变化可能与海洋过程有更密切的关系,因而人们首先是从研究海洋状况变化开始的。例如,人们首先发现北大西洋海表温度(SST)的变化[1,2],北太平洋SST的变化[3,4],及海冰的变化[5,6]都具有明显的年代际变化特征,然而最近的研究表明,不仅海洋信号有明显的年代际变化特征,大气状况也具有年代际变化的现象。李崇银、穆明权用观测资料分析和数值模拟[7,8]所做结果均表明大气环流的演变存在明显的年代际变化信息。主要包括10—20年的准周期变化及30多年的准周期变化,李崇银[9]通过分析表明我国气候变化也有明显的年代际变化特征,这种变化同北半球大气环流有关。但是关于年代际振荡的动力机制问题到目前研究的较少,还没有弄清楚。本文从海洋和大气的相互作用出发,引进新的加热函数,试图找到年代际气候振荡的动力机制。
1 出发方程
李崇银[10]已经论证了对于气候系统的年代际变化动力机制可考虑海-气相互作用,并且从一个理想化的简单海-气耦合模式出发,得出中纬度海-气相互作用可以产生周期为10年左右的甚低频耦合波。海-气相互作用表现为海表面风应力驱动海洋,海洋通过平流、涌升、或沉降作用改变着海表面温度的水平分布并最终通过海-气感热与潜热通量的变化反过来作用于大气。在李的模式中用海洋的厚度变化来参数化表示海洋对大气的热力作用。温盐环流受重力作用下高纬稠密水团的下沉和低纬度较轻水团的上升驱动。因此本文考虑海洋通过沉降作用,将海洋下层的冷水带到表层,从而改变海表的温度状况,进而影响到海洋对大气的加热。所以将沉降作用作为影响海温的主要形式。试图揭露海-气相互作用的基本特征。
本文对中纬度的大气运动采用一层正压大气表示,浅水方程写成
(1)
(2)
(3)
这里,分别是纬向和经向风速,,分别是纬向和经向海流分量;,Ha是大气等效厚度,是大气的厚度扰动,(3)式右端为海洋对大气热力作用的参数化表示,表示深层海洋直接对大气的热力作用,本文采用形式是根据考虑到海水的沉降作用影响海温,即垂直速度影响海温,由于垂直运动,将深层的海水带到表层引起海洋温度的变化,并通过海-气间感热与潜热通量的变化作用于大气,从而作为深层海洋的一种强迫引起大气运动的变化。考虑到海水的不可压缩性,可将其形式写为(3)式右端所示。是海洋对大气的加热系数,的单位是m/s。
对于海洋的运动同李崇银[10]所讨论的,用海洋混合层来表示,在方程中引入了深层海洋对海洋混合层的影响。浅水方程如下
(4)
(5)
(6)
其中,分别是纬向和经向海流分量;,Ho是海洋等效厚度,是海洋的厚度扰动,,表示大气风应力对海洋的动力作用;(6)式右端
表示深层海洋对海洋混合层的影响,是深层海洋对海洋混合层影响系数,见李[10]。的单位是s-1,的单位是m/s。
2 求解过程
将上述大气方程和海洋方程联立,可以得到耦合的方程组
(7)
。(8)
其中:参数,。
将(7), (8)式联立得到海-气耦合方程
(9)
这里表示耦合波的扰动,因为本文讨论的是广义上的大尺度海-气相互作用,而不是专门讨论边界影响的大尺度海-气相互作用,所以在理论研究上将海洋理想化为同大气一样有无限的水平尺度。因而设方程(10)有如下形式的海-气耦合谐波解:
(10)