曲线切线斜率在海洋温度变化研究中的应用.docVIP

曲线切线斜率在海洋温度变化研究中的应用摘 要：针对常常引起我国发生重大自然灾害并且受到公众广泛关注的厄尔尼诺事件，本文通过函数拟合赤道东太平洋海温的变化，用该函数关于时间的导数，从曲线切线斜率的变化的角度分析了海温的季节变化特征。结果表明，在厄尔尼诺时期，描述海温变化的曲线的切线斜率在春季最大，说明赤道东太平洋海表温度总是在春季发展最快。该结果为厄尔尼诺通常在春季发生提供了数学解释。另外，厄尔尼诺时期，由春季最大曲线切线斜率表征的赤道东太平洋海温在春季的快速增长，也意味着海温的发展在春季最不稳定，从而使得跨春季成功预报厄尔尼诺最困难。关键词：曲线;切线斜率;海洋温度;研究;应用【中图分类号】 G633.6 【文献标识码】 B 【文章编号】 1671-8437（2015）02-0054-031 引言今天的人们恐怕没有多少人不知道“厄尔尼诺”的含义，最简单的了解便是它与某些异常天气、气候有关，如暴雨、洪水、高温干旱等[1，2]。这些自然灾害常常使受灾国家蒙难惨重。最典型的例子，如2008年发生在我国南方罕见的雨雪冰冻灾害，以及2010年发生在我国西南五省百年一遇的特大干旱等极端气候事件，还有气象人通常谈论的我国“南涝北旱”现象，都对我国人民的生命财产造成了严重影响，而这些极端事件的发生都与厄尔尼诺的发生有千丝万缕的联系，因而引起了人们对“厄尔尼诺”的恐惧，从而加大了各国政府和民众的广泛关注。近年来，关于对厄尔尼诺的预测与推断，或肯定或否定的消息较为频繁地见诸于报端，也就是说，厄尔尼诺的发生与否并不只是科学家们关注的事情，同时也成为了广大民众希望知道的信息。那么，“狼”到底来不来？科学家们预测有多大把握？常常让人们无所适从[3]。“厄尔尼诺”的科学定义是指赤道太平洋东部和中部海表温度大范围持续异常增暖和变冷的现象[1，2]（见图1）。当“厄尔尼诺”发生时，整个赤道中、东太平洋的大气状况都被改变，这种大范围的变化，必然会打乱正常的秩序，影响到热带其它地区，并通过大气环流的作用，影响到中高纬度地区，甚至给全球气候带来异常，造成全球众多地区发生严重的自然灾害[2]。“厄尔尼诺”这个名称最早起源于十九世纪末秘鲁沿岸的渔民中间，指季节性的向南流动的暖洋流入侵，取代了往常他们捕鱼时向北流动的冷洋流，这种现象一般发生在圣诞节前后，因此被称为厄尔尼诺，西班牙语为“圣婴”（上帝之子）的意思。自1950年以来，世界上发生了很多次厄尔尼诺现象，尤其自1970年以来，较强的厄尔尼诺事件变得更加频繁，尤以1997年发生的厄尔尼诺事件最为严重。主要表现在：从北半球到南半球，从非洲到拉美，气候变得古怪而不可思议，该凉爽的地方骄阳似火，温暖如春的季节突然下起来大雪，雨季到来却迟迟滴雨不下，正值旱季却洪水泛滥[2]。科学家们认为，极端厄尔尼诺现象的发生与人类自然环境的日益恶化有关，是地球温室效应增加的直接结果，与人类向大自然过多索取而不注意环境保护有关。厄尔尼诺对我国天气和气候有重要影响[3]。一般来说，厄尔尼诺发生年的冬季，我国往往出现暖冬，夏季则表现为在黄河以南地区，长江中下游地区多雨以致发生洪涝，而黄河及华北一带少雨并形成干旱;另外，厄尔尼诺发生年，我国东北夏季气温异常偏低，形成低温冷害，造成粮食减产，而在热带西太平洋上的热带风暴和台风的数量则一般会减少。既然厄尔尼诺的发生是指赤道东太平洋海表温度的异常变暖，那么我国天气和气候变化的季节性必然和赤道东太平洋海温的季节变化有必然联系。那么，在厄尔尼诺期间，赤道东太平洋海表温度的季节变化具有什么样的典型特征呢？该特征对该区域海表温度以及我国天气和气候的预报具有什么启示？本文将用美国国家环境预报中心（NCEP）发布的海表温度观测数据，通过函数拟合，用函数曲线切线斜率的变化分析厄尔尼诺期间赤道东太平洋海表温度季节演变的特征，并讨论该特征对赤道东太平洋海表温度预报的影响，从而为海温演变特征提供数学解释。2 海温数据本文使用的观测数据是美国NCEP发布的1980-2013年赤道东太平洋月平均海表温度距平（见表1; 参考链接：http：///data/indices/ersst3b.nino.mth.81-10.ascii）. 上述海表温度距平是通过将观测的月平均海表温度减去连续30年逐月海温的平均得到的，气象上称为“海表温度距平”。月平均海表温度距平为正时，表示该月的海表温度相比通常状况异常升高;相反，海表温度距平为负时，表示该月的海表温度相比通常状况异常降低。3 海表温度数据的函数拟合以及关于时间的导数求解用Matlab软件，将表1中数据描绘于海温-时间的坐标系中，得到海温随时间变化的散点图（图2）。由散点图可以看出，赤道东太平洋海表温度距平随时间的演变呈现不规则性振荡。该不规则性不仅表现在海表温度距平振幅的