基于小波变换的水沙关系特征分析:以长江大通站为例

根据长江大通站近50年(1957～1999年)的水沙数据,利用复Morlet小波变换,分析水沙时间序列多尺度小波特征,建立了不同时间尺度上的水沙关系式.分析结果显示:(1) 大通站水沙序列年内洪、枯季周期波动最为显著,流量的长周期特征明显,含沙量与输沙量的短周期特征显著.(2) 大通站水沙序列多尺度特征明显,流量的振荡周期主要为3～6 a和8～16 a;含沙量多尺度振荡周期较为平稳,4～6 a的周期振荡中心尺度呈明显下降的趋势;输沙量以4～6 a和10～14 a的周期显著振荡,输沙量变化平稳,较含沙量变化有一定的滞后期.(3) 根据流量小波特征分析,近50年的水沙变化过程大致可分为3个时期,分时段拟合水沙关系曲线,发现总体水沙曲线的指数与正常期和丰水期的接近,而与少水期的存在较大的差距.少水期系数较小、指数较大,表明在少水期泥沙的供给量较少,但水流的搬运能力增强.     

图们江流域气温的低频变化特征分析

用奇异谱(SSA)结合Mann-Kendall法分析了图们江流域近50a气温的低频变化特征。结果表明,图们江流域的气温有明显的年际周期振荡和上升的长期趋势变化及突变,年际振荡周期主要是8a、准3~4a和准2a。3~4a的周期振荡主要与ENSO有关,且其变化超前ENSO的年际变化;而准2a振荡(QBO)则主要与印度洋海洋-季风系统的低频振荡和东亚大槽的强度变化有关,并且都表现为最大滞后相关关系。气候突变发生在1972年,1972年以后年平均气温距平值由1972年以前的-0.36℃上升为0.22℃。1972年以前呈波动下降趋势,1972年以后呈上升趋势,但1953~2002年总体上表现为上升趋势。     

非线性波-波相互作用的特征

在海浪研究中,非线性能量传输Snl的概念虽早在60年代提出,但其重要性直至JONSWAP研究成果发表以后才得到证实.某些特征谱的非线性能量传输的数值计算结果,定性地描述了非线性能量传输Snl的主要特征:(1)由给定谱可得到非线性能量传输Snl的理论值.(2)非线性能量传输Snl有三个耳,两侧为正耳,中间为负耳;对充分成长的PM谱,低频正耳位于峰频率,对成长的JONSWAP谱,低频正耳位于峰频率左侧.(3)高频正耳较其它二个耳有较宽的方向分布.(4)低频正耳集中在窄的频带内,有比较窄的方向分布.     

非线性波-波相互作用的特征

在海浪研究中,非线性能量传输Snl的概念虽早在60年代提出,但其重要性直至JONSWAP研究成果发表以后才得到证实.某些特征谱的非线性能量传输的数值计算结果,定性地描述了非线性能量传输Snl的主要特征:(1)由给定谱可得到非线性能量传输Snl的理论值.(2)非线性能量传输Snl有三个耳,两侧为正耳,中间为负耳;对充分成长的PM谱,低频正耳位于峰频率,对成长的JONSWAP谱,低频正耳位于峰频率左侧.(3)高频正耳较其它二个耳有较宽的方向分布.(4)低频正耳集中在窄的频带内,有比较窄的方向分布.(5)相互作用发生在波数空间的一个比较短的范围内,最强的能量传输速率相     

西太平洋副热带高亚季节内振荡的基本模态及其与低频位势波的关系

基于NCEP/NCAR再分析资料,采用分层(500hPa、850hPa)与整层(4层)的EOF分解方法,提取出两个含有垂直结构的副热带高压(副高)的基本模态.分析表明,整层与分层EOF得到的模态有很好的一致性,这说明副高的确存在中下层一致的空间分布特征和时间变化规律;进一步引入小波能量谱讨论其周期特征,发现存在明显的20-30d和30-60d低频振荡现象;结合1995年的天气实况,诊断揭示出不同纬度上的低频位势波影响和制约副高活动的可能机理:副热带地区低频位势波影响和制约着副高主体20d左右的中期变动,而副高西端5-10d的短期过程则与热带和高纬地区低频位势波扰动能量在西太平洋地区聚集有关.     

山东大风天气的低频特征及机理分析

利用山东省122个国家级地面气象观测站的风速数据与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-interim再分析数据,采用小波分析、带通滤波等方法对2015年9月—2020年9月山东的大风天气及相应的低频大气环流形势进行分析。结果表明,近几年山东的大风天气有增加的趋势,春季大风发生频次最多,秋季最少;山东半岛东部大风频次最多,鲁南地区最少;全年只有7月偏南大风站次较偏北大风多,其余月份多以偏北大风为主。山东大风具有显著的11～13 d与20～23 d的低频振荡周期。其中,春季大风以11～13 d的振荡周期为主,秋、冬季以20～23 d的振荡周期为主,夏季大风的振荡周期不明显。振荡周期的演变与大范围的大风过程有对应关系,大范围的大风过程大致发生在振荡的波峰处。春季偏北大风盛行时,多伴有经向风自北向南的传播。秋季大约以35°N为界,对流层中高层在35°N以北,经向风自南向北传播,35°N以南,则是自北向南传播,对流层中低层反之。山东春季大风产生之前,乌拉尔山东侧低频气旋与黄海上空低频反气旋同时出现并东移,之后衍生出华北低频反气旋与渤海低频气旋,这两个系统的加强促使华北上空偏北风加大,为山东大风的产生提供了可能。同时,华北地区经向风正距平逐渐被负距平所代替,是山东大风天气产生的又一先兆。     

西北太平洋表面风应力分布和周期特征分析

根据GSSTF资料给出的日平均风应力资料（1991年1月～2000年12月）,分析了西北太平洋12月份月平均风应力场的分布,然后对四个时期,即冬季季风时期,冬夏季风过渡时期,夏季季风时期,夏冬季风过渡时期的风应力场的特征作了研究,结果发现西北太平洋风应力分布有明显的地域性,即地域不同,则风应力分布不同,风应力的变化亦不同.然后用小波分析方法对所取区域的风应力进行了分析,结果表明：西北太平洋风应力存在非常明显的年周期和天气尺度周期;它的中高纬地区和副热带地区纬向风应力均存在明显的半年周期.大气低频振荡在西北太平洋风应力中也很显著.该地区季节内振荡（30～60d）主要是由东亚季风引起的,准两周振荡（10～20d）同纬向西风有密切联系,所以风应力季节内振荡在纬向或经向的表现因地域而异,准两周振荡则一致地首先体现在纬向上;大洋信风区和中部微风区并不存在明显的准两周振荡;中高纬度地区的风应力季节内振荡和准两周振荡都有极明显的年变化特征,冬季振荡较强,而夏季振荡较弱;在西北太平洋副热带海区,风应力低频振荡也有较明显的年变化,但没有中高纬那么显著;El Nino会对西北太平洋西部副热带海域经向风应力的季节内振荡产生影响,使之强度增强.西北太平洋强度最强的季节振荡存在于中纬西风带洋区;低纬信风带洋区则具有最明显的年际振荡,周期为2～3年和5～7年;中纬西风带洋区纬向风应力也存在明显的年际振荡.     

北太平洋海洋环流遥相关现象

本文着重分析北太平洋海面温度(以下简称海温)的功率谱和相关场特征.结果表明,在赤道东太平洋上,海温的演变表现出显著和一致的准3.5年振荡特点.这一特征振荡还能影响到其他海域的海温变化,并在北太平洋中部和西北太平洋地区激发出一些明显的遥相关现象,从而把热带太平洋上的埃尔尼诺现象与中、高纬度的海洋环流过程紧密联系起来.最后,文章还对各关键海域上的海温异常及其遥相关的可能机制作了深入探讨.     

中国降水、气温的年际振荡及其与埃尔尼诺的联系

本文通过功率谱分析和相关系数分析发现,我国许多地区的降水和气温变化具有明显的准3.5年振荡周期,这一特征与赤道太平洋地区的海温振荡有着紧密联系,文章还具体描述了埃尔尼诺与降水场和气温场的相关结构,并对一些显著响应现象的成因作了深入探讨.     

西太平洋热通量变化及其与中国夏季降水量异常的联系

利用EOF方法分析了1951～2008年间西太平洋湍动热通量的时空特征,并探讨了中国夏季降水异常与同期西太平洋潜热通量时空格局的联系.结果显示,西太平洋潜热和感热通量距平场具有较相似的空间分布以及显著的年际变化,但潜热通量的变化幅度较感热通量大;潜热通量距平场的空间变化存在明显季节差异.冬季潜热通量变化的显著区域位于黑潮流域,而夏季则见于西太平洋暖池区.冬、夏季潜热通量除了具有准4a振荡周期外,还存在着明显的线性增强的长期变化趋势.进一步分析表明,夏季西太平洋潜热通量变异主要存在着偶极型、同一型和三极子型模态,其时间系数分别具有显著的准4a、准2a和29a的周期变化,它们分别对应着不同的中国夏季降水量异常的分布,而大范围的潜热通量负异常则与中国江淮流域大部和华北北部地区的降水偏多相对应.这为中国降水量的异常及机理研究提供了必要基础.     

南海夏季风暴发过程的低频特征

应用1979～1996年共18a的NOAA卫星OLR资料及NCEP/NCAR再分析850hPa风场资料,分析了夏季南海地区及南海季风暴发过程的某些低频特征。认为北半球夏季南海地区的低频活动较活跃,并且具有明显的年际变化,这种年际变化同南海季风的暴发时间有联系。南海地区的低频振荡在南海季风暴发后增强。通过对18a 及K*的时段叠加合成图的分析,发现南海夏季风的暴发同赤道印度洋低频振荡的东传及西太平洋低频扰动西传有密切联系,南海夏季风暴发期间南海地区将印度洋与西太平洋之间的低频活动联系在一起。     

大亚湾大鹏澳夏季余流的分析

1989年夏季在广东大亚湾大鹏澳进行了近2个月的海流锚系观测。本文报道观测结果,并利用谱和经验正交函数分析法研究余流的特性。结果表明,1989年夏季溴内有一弱气旋环流,但存在相当强的低频流.低频流以E-W 方向为主,能量集中在8～16d 和4～5d 频带上,其主分量表现为溴口南部同北部位相相反的低频水平环流。低频流与当地风场有明显的关系。     

海滩碎波带悬沙浊度短期变化特征分析

基于珠江口荷包岛南湾海滩碎波带垂向上的悬沙浊度和同步实测潮位资料,本文利用谱分析和小波分析方法对碎波带的悬沙浊度变化特征和影响因素进行分析.结果表明:(1)碎波带近底层和中层的悬沙浊度变化表现为周期性振荡特征,其中处于低频部分的近底层悬沙浊度周期约为中层悬沙浊度的1.25倍,但处于高频振荡部分的近底层和中层悬沙浊度变化周期基本一致.此外,近底层悬沙浊度峰值滞后于中层的悬沙浊度变化.(2)碎波带的中层悬沙浊度与潮位变化呈明显的负相关,且滞后于潮位变化.(3)近底层的悬沙浊度变化主要受控于波浪动力作用,而潮位变化引起的潮流作用是中层悬沙浊度变化的主要因素.     

西北太平洋海气界面热通量时空分布特征研究

基于第三版本HOAPs (Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite Data)海表面温度、潜热通量、感热通量、海表面空气比湿以及海表面风场5个参量的18 a(1988～2005年)逐月平均资料,利用经验正交函数和奇异值分解方法分析了异常潜热和感热通量场在西北太平洋的时空分布特征及造成这种分布的主要影响因素.EOF的分析结果表明,异常潜热通量场主要体现为第一第二两个模态的变化,第一模态显示整个海域呈同相变化且在时间上呈准年周期变化,第二模态则描述了分别位于10°N,25°N和40°N的3个极值中心并伴随多年振荡,由因子载荷分布可知热带太平洋是第二模态的行为中心,因此该模态可能与ENSO事件相关.异常感热通量场则主要表现为第一模态的变化,在时间上呈准年周期变化并伴随有多年时间尺度的振荡.奇异值分解方法的分析结果表明异常海表面风场是异常潜热和感热通量场时空变化的重要影响因素.     

冷空气低频振荡对淮河流域夏季降水的影响分析

本文研究了我国东部夏季降水的空间异常分布以及时间演变特征,探讨了冷空气低频振荡和东亚季风涌与多雨年淮河流域夏季降水的对应关系。研究结果表明:(1).我国东部夏季降水可分为四个地区,其空间分布及时间序列具有一定的独立性;(2)持续性降水都对应着冷空气低频振荡和东亚季风涌的正值。     

PDO对夏季江淮地区雨量与太平洋海温年际相关的影响

研究了在太平洋年代际振荡(PDO)不同位相中夏季江淮地区降水与太平洋海温年际相关空间分布的差异,讨论了产生这种变化的可能的物理机制.结果表明,PDO冷暖位相中夏季江淮地区降水量与太平洋海温年际耦合振荡周期和强度均存在显著差异.PDO冷位相中, 夏季江淮地区降水与前期冬季西南太平洋和同期夏季黑潮区海温在7～8 a 时间尺度上的耦合最显著;而在PDO暖位相中,与这些地区海温呈现极显著的准2 a耦合振荡,并且与同期夏季赤道东太平洋地区海温的准2 a耦合振荡也迅速加强.西太平洋地区海温的耦合振荡作用区域是时间稳定的,而东太平洋地区海温的耦合振荡作用区域存在时变性.因此,PDO 对夏季江淮地区降水和太平洋海温年际耦合振荡的强度和周期的年代际变化有重要影响.     

中国雨季降水主模态季节演变的时空特征

利用1960～2000年全国436个地面测站的逐日降水量资料,将中国雨季分为江南春雨期(3月16日～5月15日)、夏季风主汛期(5月16～7月15日)、夏季风后汛期(7月16日～9月15日)3个时段,应用S-EOF(Season-reliant Empirical Orthogonal Function)分解的方法研究了中国雨季旱涝型主模态季节演变的空间分布及其时间变化特征.主要分析了前3个主模态的时空分布特征,第一模态(S-EOF1)的旱涝分布为江南初夏旱涝型,主要显示出江南地区在夏季风主汛期以整个长江以南地区的旱或涝为主要特征,具有20～30 a的年代际振荡周期.第二模态(S-EOF2)空间向量集中体现了夏季风主汛期长江中下游流域和华南地区形成南北相反的旱涝分布,为南北跷跷板型,且这种分布在夏季风后汛期发生转变,这种南北旱涝急转型以2～4 a的年际变化为主.第三模态(S-EOF3)主要体现了夏季风后汛期长江中下游地区与华北和华南地区降水异常呈负相关关系,即自南向北呈现三明治夹心型的旱涝分布,以低频年际振荡为主,显著周期为6～8 a,同时还具有准30 a的年代际变化.     

大气环流优势模态对北极海冰变化的响应Ⅰ.北极涛动

利用美国冰雪中心海冰密集度数据,分析了1979-2012年北极海冰面积的时间变化特征,发现北极海冰具有显著的年代际变化特征,分别在1997和2007年前后存在两次年代际转型突变点,相应的大气环流优势模态——北极涛动(AO)也存在显著的时空变化。1979-1996年阶段海冰下降趋势较弱并以较强的年际振荡为主,AO模态较强且显示出低频振荡特征;1997-2006年阶段北极海冰快速减退趋势占优,同时伴随着较弱的年际振荡,AO模态减弱且振荡周期缩短;2007-2012年阶段海冰范围较快下降同时具有极强的年际振荡,方差变化是前两个阶段的2~3倍,AO不仅强度加强,空间结构也发生了变化,极涡中心分别向格陵兰岛和白令海峡一侧延伸,这种结构有利于极地冷空气入侵欧洲和北美。利用ECHAM5大气模式进行的数值试验结果也证实了较强振荡的海冰强迫对AO模态的改变具有决定作用。     

南海表层水温的低频振荡

本文对以西沙为代表的南海海域1961—1984年的表层水温(以下简称水温)进行了分析,结果发现南海水温存在3—5a和准两年周期的低频振荡。这种振荡与南方涛动和赤道东太平洋水温异常之间有密切的关系,显示出南海水温低频振动是热带太平洋水温低频振荡的组成部分,埃尔尼诺事件之后,南海有明显的增温现象发生。但南海水温与热带西太平洋水温的振动相比较,显示出它具有区域性特征。     

南海地区海—气热交换的年变化和年际变化

本文利用ＥＯＦ方法，对南海地区（０°－２０°Ｎ，１０４°－１３６°Ｅ）感热通量和潜热通量的时空变化进行了分析。结果表明：年变化中前三个特征向量具有明显的物理意义，模态一表征了南海地区感热和潜热通量的气候变化特征；模态二反映了南海地区感热和潜热通量变化与南海ＩＴＣＺ变化的联系；模态三反映了南海地区感热和潜热通量西北－东南向的半年周期振荡。在热通量的年际变化中，夏季（６－８月）的第一特征向量含有较强的