大气角动量和力矩的时空变化及其与太阳活动的联系
发布时间：2020-05-15 10:58
【摘要】：地球是太阳系的一个行星,由大气层包裹,大气环流作为气象学中重要的一部分,表征了大气的动力过程,大气角动量及其平衡是主要诱因之一。固体地球和大气之间的角动量平衡及传输,直接影响着大气环流的变化,进而决定了全球气候的变化方向。本文利用大气再分析数据计算出了近70年的大气角动量及力矩的值,详细分析了其在不同空间尺度和时间尺度上的变化,讨论了基于再分析数据计算的地气角动量与理论推导结果之间的差异。结合太阳黑子数据和太阳总辐射数据,通过太阳活动峰谷年合成差异和EMD信号分解方法,分析了太阳活动对大气角动量和力矩的影响,并试图寻找太阳活动影响气候变化的可能物理机制,通过分析研究,本文的主要结论如下:(1)基于NCEP/NCAR从1948到2015年间的第一套再分析数据,本文计算出了全球范围内日平均的大气角动量和力矩,并对其时空变化特征进行了分析研究。从长期变化趋势来看,大气相对角动量和欧米伽角动量呈显著上升趋势;摩擦力矩呈显著下降趋势;山脉力矩和重力波力矩为上升趋势。总的大气角动量呈显著上升趋势,但是总力矩呈下降趋势。在季节尺度上,大气相对角动量和摩擦力矩、山脉力矩变化较大,在北半球受夏季风影响显著,但是大气欧米伽角动量和重力波力矩变化较小。在年际以上时间尺度,摩擦力矩对于地气角动量传输的作用要远大于山脉力矩和重力波力矩。全球山脉力矩主要源自青藏高原、安第斯山脉和落基山脉区域,其中青藏高原贡献最大。本文还对摩擦力矩与纬向风速之间的关系及影响过程进行了详细研究,发现两者具有很高的相关性,其中南半球中低纬的纬向风对全球摩擦力矩贡献比北半球要大。(2)在前人理论研究中,公式是在理想情况下推导出来的,忽略了很多小量,但是在现实中部分量随着时间的累积,其作用将越来越大,最终成为不可忽视的量。本文从接近于现实的大气再分析数据出发,从各个时间尺度上分析力矩和大气角动量之间的关系以及现有理论公式的适用范围。加入被前人研究中忽视的重力波力矩,使得短时间范围内力矩与大气角动量更好的耦合起来。在年代际时间尺度上,即便加入重力波力矩,总力矩与大气角动量也无法完全一致,两者之间出现很大的误差。(3)整个地球作为一个封闭的系统,固体地球的角动量变化,通过地气耦合,也会影响大气角动量及运动的改变。通过固体地球自转速度变化的表征量一日长,就可以看出地气轴向角动量传输变化的过程及其环流的变化,也可以验证大气数据计算结果的正确性。本文利用IERS高精度日长数据,通过信号分解,研究了日长与大气角动量、力矩在不同时间尺度上的关系。在季节尺度上,大气角动量和日长相关系数达到0.9以上。随着时间尺度的增加,大气角动量与日长的相关性也开始减弱。总力矩与日长的相关性并不显著,但摩擦力矩的累积值与日长具有很好的相关关系。(4)在经过前文的研究后,能够了解到大气角动量、力矩的分布特征和变化规律,对大气角动量与大气环流之间的关系有了深刻了解。只要将太阳活动与大气角动量联系起来,就可以通过大气动力学方法解释一部分的太阳与气候变化之间的关系。太阳黑子数与太阳总辐射数据作为表征太阳活动的量,将被利用起来。本文通过太阳黑子峰谷年差异分析发现,太阳活动峰值年的全球大气相对角动量、欧米伽角动量和山脉力矩均高于谷值年,而摩擦力矩则低于谷值年,其中夏季低纬范围内的大气相对角动量和摩擦力矩差异最明显。通过太阳黑子与大气相对角动量之间的相关分析,发现在400hPa高度,大气角动量对太阳活动变化响应最显著。
【图文】：
这需要ＳＯＲＣＥ卫星坚持对太阳的观测至少要持续一个太阳活动周。Ｔｕｎｇ邋ａｎｄ逡逑Ｃａｍｐ邋（２００８）在研究全球地表平均气温与太阳总辐照度（ＴＳＩ）关系的时候发现，两者有逡逑较好的相关性，相关系数０．４８邋（图１．１）。Ｓｃａｆｅｔｔａ邋（２０１０）认为１９７０年以来的全球变暖逡逑至少６０邋％可以归因于太阳周期活动的变化。太阳活动与全球区域温度的关系也比较明逡逑显，，Ｒａｓｐｏｐｏｖｅｔａｌ（２００４0利用欧亚高yN地区实测温度和的树木年轮序列发现了欧亚尚炜逡逑地区气候系统可能存在类似太阳活动周期的准９０、准２２和准１１年周期。Ｓｏｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ（２０１１）逡逑用多种实测和再分析资料确认了邋２０世纪中国陆面气温与太阳辐射存在不容忽视的关系。逡逑在气候中检测太阳信号的强烈程度依赖于气候系统如何响应特定的强迫。由于气候逡逑系统变化的非线性特征，因此大气的响应函数与太阳的强迫函数可能完全不同。解决这逡逑一问题的唯一方法就是采用适当的气候模式，虽然现有模型并不完善，误差较大，但对逡逑于特定的强迫机制能有效的模拟对应气候系统的时空变化，并且可以利用多模式对比评逡逑估来减小误差，来研究分析太阳活动在气候系统中的作用。逡逑由于这一领域的研[偢崭照箍谕庋д卟⑽吹玫矫魅沸缘慕峁皇堑玫搅艘诲义闲┎虏庑缘慕崧郏⒎⑾中矶辔侍庑枰饩觯谙纸锥蔚难绣持腥衔艋疃跋炱义虾蛳低车目赡芑浦饕腥郑ǎ牵颍幔澹澹簦幔欤
本文编号：2664922
【图文】：
这需要ＳＯＲＣＥ卫星坚持对太阳的观测至少要持续一个太阳活动周。Ｔｕｎｇ邋ａｎｄ逡逑Ｃａｍｐ邋（２００８）在研究全球地表平均气温与太阳总辐照度（ＴＳＩ）关系的时候发现，两者有逡逑较好的相关性，相关系数０．４８邋（图１．１）。Ｓｃａｆｅｔｔａ邋（２０１０）认为１９７０年以来的全球变暖逡逑至少６０邋％可以归因于太阳周期活动的变化。太阳活动与全球区域温度的关系也比较明逡逑显，，Ｒａｓｐｏｐｏｖｅｔａｌ（２００４0利用欧亚高yN地区实测温度和的树木年轮序列发现了欧亚尚炜逡逑地区气候系统可能存在类似太阳活动周期的准９０、准２２和准１１年周期。Ｓｏｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ（２０１１）逡逑用多种实测和再分析资料确认了邋２０世纪中国陆面气温与太阳辐射存在不容忽视的关系。逡逑在气候中检测太阳信号的强烈程度依赖于气候系统如何响应特定的强迫。由于气候逡逑系统变化的非线性特征，因此大气的响应函数与太阳的强迫函数可能完全不同。解决这逡逑一问题的唯一方法就是采用适当的气候模式，虽然现有模型并不完善，误差较大，但对逡逑于特定的强迫机制能有效的模拟对应气候系统的时空变化，并且可以利用多模式对比评逡逑估来减小误差，来研究分析太阳活动在气候系统中的作用。逡逑由于这一领域的研[偢崭照箍谕庋д卟⑽吹玫矫魅沸缘慕峁皇堑玫搅艘诲义闲┎虏庑缘慕崧郏⒎⑾中矶辔侍庑枰饩觯谙纸锥蔚难绣持腥衔艋疃跋炱义虾蛳低车目赡芑浦饕腥郑ǎ牵颍幔澹澹簦幔欤
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