论文总字数：14633字

目 录

1. 引言···················································1
2. 资料和方法·············································2

2.1 资料·································································2

2.2 方法·································································2

1. 赤道大西洋上空纬向垂直环流的存在性·····················3
2. 赤道大西洋纬向垂直环流的环流强度·······················5

4.1 春季赤道大西洋纬向垂直环流的环流强度································5

4.2 冬季赤道大西洋纬向垂直环流的环流强度································5

1. 赤道大西洋纬向垂直环流与Walker环流的相关性············6

5.1 春季赤道大西洋纬向垂直环流与Walker环流的关系························6

5.2 冬季赤道大西洋纬向垂直环流与Walker环流的关系························8

1. 赤道大西洋纬向垂直环流强度与海温的关系·················9
2. 结论与讨论············································10

参考文献·················································11

致谢·····················································12

赤道大西洋纬向垂直环流的变化特征及其与Walker环流的关系

沈旻昱

，China

Abstract：Based on NCEP reanalysis wind fieldand vertical velocity data from 1948 to 2015, the existence of equatorial Atlantic zonal vertical circulation, changes of thecirculation intensityand its relationship with the Walker Circulation are investigated. The existence of the equatorial Atlantic zonal vertical circulation in four seasons is analyzed, and it is found that the equatorial Atlantic zonal vertical circulation only appears in spring and winter. The results also show that the equatorial Atlantic zonal vertical circulation intensity experienced a continuous enhancement from 1960s to 1990s. Also, its correlation with the Walker circulation in spring and winter underwent a turning point. From 1971, they began to be significantly correlated in spring and winter. After 2000, they were no longer correlated significantlyin spring, but still correlated in winter. What’s more, the relationship between the equatorial Atlantic zonal vertical circulation and SST exhibited different patterns in different periods, indicating that the equatorial Atlantic zonal vertical circulation in winter and spring was influenced primarily by the Pacific ENSO-like signal and equatorial Indian Ocean SST signal in the latter period.

Key words：the equatorial Atlantic zonal vertical circulation；the Walker Circulation； Variations；Correlation

1.引言

大气环流是指全球范围内的大尺度大气运行的基本状况，它完成地球大气系统角动量、热量和水分的输送与平衡，也是各种能量相互转换的重要机制，更是角动量、热量以及水分输送和平衡的重要结果。大气环流通常由平均的纬向环流、水平环流和经圈环流3部分组成。大气环流的研究不仅对于改进和提高天气预报的准确率、探索全球气候变化有极高的价值，而且在利用气候资源等领域都有重要的意义。在赤道附近，科里奥利力消失，大气环流主要受到气压梯度力和摩擦力平衡的影响，大气热力不均匀导致辐散环流出现，其中行星尺度的辐散环流主要有以下两种类型，一是出现在经向剖面中的Hadley型（南北型），而另一种是出现在纬向平面中的Walker型（东西型）。

热带环流系统是全球天气与气候重要的影响因子，热带大气环流的低频变化不仅影响着热带地区的天气和气候，还可能导致全球范围内的大气环流、天气和气候的异常。大西洋是世界第二大洋，位于欧洲、非洲与南、北美洲和南极洲之间，占地球表面积的近20%（7676.2万平方千米），平均深度3627米。大西洋的北部盛行东北信风，而南部盛行东南信风，此外北半球的热带区域在5-10月常有飓风，故而该区域内的赤道纬向环流的活动强度及其变化与热带、中纬地区甚至全球的大气环流变化都有密切的联系。

关于赤道区域内的纬向大气环流的研究，过去的大多数研究着眼于Walker环流。Walker环流是由于热带地区东、西太平洋海温差造成的东西型环流, Walker环流在海温偏高的热带西太平洋上升,在海温偏低的热带东太平洋下沉。在全球增暖的大背景下，Walker环流的强度和位置都发生了变化。已有非常多的研究，例如Collins等^[1]认为Walker环流的强度在过去的60年间减弱；也有根据近期高质量的观测资料的研究发现在过去20-30年Walker环流增强^[2]。对于其变化的原因，Mcgregor等^[3]认为大西洋增暖而东太平洋变冷是导致其变化的部分原因；Bayr等^[4]认为这与Modoki事件的增多有关。周丽雅^[5]等认为赤道太平洋东西向的Walker环流的年际、年代际变化特征为：强度和范围存在5年、15-16年的振荡周期，而位置存在4年、12年的震荡周期。艾丽坤^[6]认为1975年前后Walker环流不断减弱，同时亚洲夏季风也在减弱。通过对海平面气压场的长期变化特征的分析,发现1975年以后,副热带西太平洋(20-30°N，130-150°E)的海平面气压不断下降,与不断增加的热带西太平洋(10°S-0°,130-150°E)海平面气压形成了一个年代际尺度的反相关型震荡。

相较于针对Walker环流的大量的研究工作而言，对赤道大西洋纬向垂直环流的研究相对较少。毫无疑问，热带大西洋是热带海洋的重要组成部分之一，Flohn等 ^[7]通过研究海温的经向分布和卫星所反演的对流情况，指出太平洋、大西洋、印度洋等地区的上空分别存在四个环流圈。除了太平洋的Walker环流外，南美地区的亚马逊暖中心和西非的冷水上翻区之间也有一个类似的纬向型环流；同时在冷的西印度洋和湿润的东南亚地区之间的纬向环流则与上述的两个纬向环流圈方向相反。Holton等 ^[8]通过卫星遥感技术推测出了赤道地区的6个纬向环流，即太平洋、大西洋、印度洋等地区的上空也都有纬向环流的存在。既然在过去的研究中，少有学者关注赤道大西洋纬向垂直环流，而大西洋又是全球气候变化的重要因子，故而有必要针对大西洋上空的纬向垂直环流进行研究。大西洋上是否存在有类似于Walker环流的纬向垂直环流？如果存在，其是否也有如Walker环流一样复杂的变化情况？造成变化的原因是什么？自从ENSO信号提出以后，全球的海洋之间的联系又成为了研究的热点话题，那么作为大西洋和太平洋上空的纬向垂直环流，大西洋纬向垂直环流是否与Walker环流的强度变化存在相关，其关系是否随着时间而改变？带着这些问题，本文将分季节讨论赤道大西洋垂直环流的存在性、强度的变化以及其与Walker环流的关系等问题。此外，海温通过海气相互作用对纬向垂直环流的强度有重要影响，如Tokinaga等^[9]认为Walker环流的强度的变化与海温的纬向梯度有关，因而本文也对全球海温与赤道大西洋纬向垂直环流的关系进行了初步探究。

2.资料和方法

2.1资料

本文中所使用的资料包括：（1）美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，简称NCEP）提供的再分析资料中的月平均风场资料，该资料的水平分辨率为2.5°×2.5°，本文选取的时段为1948年1月至2015年12月；（2）Hadley中心提供的月平均海表温度资料（Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set，简称HadISST），该资料的水平分辨率为1°×1°，本文选取时段为1948年1月至2015年12月。

2.2方法

通过分析多年平均（1948年-2015年）的四季赤道大西洋纬向垂直环流剖面图（100°W

-20°E范围内，5°S-5°N平均），以及40-15°W，5°S-5°N区域平均的200hPa纬向风（U₂₀₀）与850hPa纬向风（U₈₅₀）的风切变（高层减低层，数值大表示环流强）随季节的变化，讨论不同季节赤道大西洋纬向垂直环流是否存在，以及其所在的位置。

根据存在的赤道大西洋纬向垂直环流所在的位置，本文采用40-15°W，5°S-5°N区域平均的200hPa与850hPa的风切变的距平时间序列作为赤道大西洋纬向垂直环流强度指数。类似的，采用赤道太平洋上空的160°E-100°W、5°S-5°N区域平均的850hPa和200hPa纬向风切变的距平时间序列作为Walker环流强度指数^[10]。通过计算其环流指数的11年滑动平均，探究赤道大西洋纬向垂直环流强度的强度变化以及变化趋势。

为了解赤道大西洋纬向垂直环流与Walker环流的关系，作出两个环流强度的15年滑动相关系数时间序列图(计算时去除了两个强度指数的显著长期线性趋势)，并根据两者关系的变化选取研究时段（春季：1948-1970年，1971-2000年；冬季1948-1970年，1971-2015年）。分时段对海表温度（180°W-180°E，60°S-60°N）与赤道大西洋纬向垂直环流强度指数进行一元线性回归分析（计算时去除了赤道大西洋纬向垂直环流的强度指数的显著长期线性趋势），以探究赤道大西洋纬向垂直环流与海温的关系。

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