一种东亚冬季风指数的环流意义及优化

刘晴晴,王盘兴,徐祥德,李丽平

(1.南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京 210044;2.中国气象科学研究院,北京 100081)

0 引言

我国地处东亚季风区,冬季风异常对我国气候异常变化的影响显著。研究表明,冬季风强(弱)年,我国冬季气温整体偏低(高)[1];冬季风的异常还可隔季影响到我国夏季天气气候异常,文献[2]指出1月冬季风强度与7月江淮流域降水的年代际变化呈相反趋势,文献[3]也指出长江中下游夏季降水(气温)与前期的东亚冬季风强度有明显负(正)相关。因此,建立合理的东亚冬季风指数是研究冬季风异常规律及其与我国气候关系的有意义的工作。

高辉[4]将多年来许多气象学家定义的多种冬季风指数归纳为四类:(1)基于海陆热力差异可导致海平面地转风北风分量(vg)的异常,Hanawa等[5]用海参威和日本根室两站海平面气压差作为冬季风指数,它仅适用于日本海临近区域。郭其蕴[1]定义10～60°N间110°E与160°E经线上整10°纬度格点海平面气压差之和为冬季风强度,记为Iwe;Shi和Zhu[6]将Iwe改进为20～50°N间上述经线整5°纬度格点海平面气压差标准化之和的标准化值,记为Is;Wu和Wang[7]后将定义Is的7个纬带(间隔5.0°)扩展到21个纬带(间隔2.5°),记为Iw;它们适用于东亚广阔区域。(2)基于区域平均低层经向风异常,Ji和Sun[8]将(115～130°E,10～30°N)区域平均的1 000 hPa经向风作为东亚冬季风指数;Chen等[9]提出用(110～130°E,10～25°N)、(120～140°E,25～40°N)区域平均的1 000 hPa经向风,作为东亚热带、副热带季风指数。(3)基于高层西风急流的异常,Jhun和Lee[10]将(110～170°E,27.5～37.5°N)和(80～140°E,50～60°N)两个区域平均的300 hPa纬向风差作为季风指数以及王会军和姜大膀[11]还用(115～145°E,25～50°N)区域的850 hPa西风速表示季风强弱。(4)基于东亚大槽附近位势高度场异常,孙淑清和孙伯民[12]用(125～145°E,30～45°N)、崔晓鹏和孙照渤[13]用(110～130°E,35～40°N)区域平均的500 hPa位势高度作为东亚冬季风强弱的指标。此外,还有一些学者定义的指数也有重要的参考意义。如陈海山和孙照渤[14]选取500 hPa的(80～120°E,40～70°N)区域定义了东亚区域西风指数来反映中国冬季气温异常;李勇等[15]利用冬季西太平洋遥相关指数来分析其与我国冬季气温和降水的相关关系;严厉等[16]探讨了北大西洋和北太平洋海表温度的遥联指数与同期中国冬季气温的相关性。由此可见,用以研究东亚冬季风状况的物理指标较为多样化,着眼点也各不相同。

除以上归纳的几类指数外,郭其蕴[1]1994年定义了东亚冬季(12月—次年2月)风指数IG,它是贝加尔湖以西三个格点(90°E,60°N;100°E,60°N和100°E,50°N)上冬季海平面的气压距平均值。文献[17]指出指标点位于东亚冬季风主导系统北侧,故蒙古高亚中心IG与蒙古高压强度、位置异常关系密切,环流意义清晰。分析表明,IG与我国冬季160站平均气温的同期相关明显强于一些常用的东亚冬季风指数,是一个性质优良的东亚冬季风指数。

本文用长序列资料(1951—2007年)验证、分析了IG环流意义及其与我国冬季气温异常关系;在不改变指数IG环流意义及结构的前提下,用普查的方法给出了一批新的东亚冬季风指数IM。IM与我国冬季气温异常的关系较IG更紧密,从而实现了对IG的优化。

1 资料及预处理

所用资料为NCEP/NCAR再分析SLP(sea level pressure)资料,时段为1951—2007年期间的56个完整冬季(12月—次年2月),空间分辨率Δ λ×Δ φ=2.5°×2.5°,以及同期中国第t个冬季、第s站的平均气温

由SLP资料,按

求得IG(t),t=t为冬季序数,t=1对应1951年12月—1952年2月;S1、S2、S3是格点(90°E,60°N)、(100°E,60°N)、(100°E,50°N);P′(t,Si)为第t个冬季点的海平面气压距平值;IG的单位为hPa。

2 IG的环流意义

图1给出了冬季1 000hPa气候位势高度场及历年冬季1 000hPa高度场平均图上特征等高线f0=220gpm综合,图上三角形标出了文献[1]定义IG用到的三个格点。由图1a可见,IG是用蒙古高压中心北侧三点的P′均值构成的指数;而由图1b上三角形所在位置知,当蒙古高压强度、位置发生年际变化时,IG将发生变化。因此,IG是蒙古高压强度、位置异常的度量参数,环流意义清晰。

文献[17]用冬季(12月—次年2月)平均1 000 hPa位势高度场图上搜索区Ω[18]内特征等高线f0=220gpm围成区域上高度差Δf=f(λ,φ)-f0的球面面积分严格定义了冬季蒙古高压强度P,并求得了与Δf对应的压力场的重心位置(λc,φc),称为蒙古高压中心位置。用SLP资料求得了1951—2007年1 000hPa的冬季蒙古高压环流指数P、λc、φc的时间序列。IG与P、λc、φc的相关系数r分别为0.85、0.21、0.58,IG-P、IG-φc的相关系数r均通过α=0.001(r0.001=0.39)的显著性检验。为了便于比较,图2给出了标准化IG与标准化P、φc的时序。

图1 1951—2007年冬季1 000hPa气候位势高度场(a;单位:gpm)及逐年蒙古高压特征等高线(f=220gpm)综合(b)[17](三角形标出了定义IG的三个格点,虚线矩形是文献[17]计算蒙古高压指数的搜索区Ω[18])Fig.1 (a)Winter1 000hPa geopotential height(gpm)field averaged from1951—2007and(b)yearly characteristic is ohypses(f0=220gpm)of Mongolian high[17](The vertices of the triangle m arks the three grid-points used to define IG,and the dash-line rectangle denotes the searching areaΩ[18]in the calculation ofM ongolian high circulation index[17])

由此可见,IG与蒙古高压强度、经向位置存在显著正相关,蒙古高压异常强(弱)和异常偏北(南)年,IG偏高(低),东亚冬季风偏强(弱)。

3 IG与中国冬季气温变化的关系

用NCEP/NCAR再分析SLP资料[19]分别计算了1951—2007年期间56个完整冬季的IG、Iwe、Is和Iw与中国同期160站气温[20]的相关关系,统计结果及相关分布如表1和图3所示。从表1和图3可以看出,IG与我国冬季大部分地区的气温存在显著的负相关关系,且相关程度明显强于另外三种常用的东亚冬季风指数。

4 IG的优化

综上可知,IG有明确的环流意义和简单的结构,又与我国冬季气温有强相关,故IG是一个很好的东亚冬季风指数。一个值得研究的问题是,IG是否为具有上述优良性质指数中最好的一个。从图1中Ω(60～130°E,20～70°N)区域内的

图2 IG与蒙古高压强度P(a)、中心所在纬度φc(b)的标准化年际变化曲线(实线为IG,虚线为P、φc)Fig.2 Yearly variations of standardized IG(solid line)and(a)the intensity P(dash line)and(b)central latitude(dash line)φcof Mongolian high,with their correlation coefficients indicated,respectively

图3 1951—2007年冬季风指数与中国160站冬季气温的相关系数分布(阴影区r≥r0.05,临界值r0.05=0.26,r0.01=0.34) a.IG;b.Iwe;c.Is;d.IwFig.3 Correlation be tween a group of East Asian winter monsoon in dices and winter temperatures observed by160stations in China from1951—2007(The shaded region represents wherer≥r0.05;threshold values r0.05=0.26,and r0.01=0.34) a.IG;b.Iwe;c.Is;d.Iw

表1 东亚冬季风指数IG、Iwe、Is、Iw与中国冬季160站气温显著相关站点数统计Table1 Number of stations at which winter temperature is significantly correlated with East Asian winter monsoon circulation in dices IG,Iwe,Is,and Iw

48个格点(分辨率为Δ λ×Δ φ=10°×10°)中任取三点,按(1)式构造指数I,由此获得类似于IG的I序列数共=17 296种,求其中每个序列I与中国160站冬季平均气温序列T的相关系数,统计其通过α=0.01、0.05显著性水平检验的站数N。表2给出了两种信度下I-T显著格点数超过表1中IG-T显著站点数145、147的I序列个数统计。可见,与T相关关系优于IG的指数I大量存在,与α=0.01、0.05对应的分别有48、1 051个。从中挑出r0.01(r0.05)站数达147(151)的5(1)个I,记为IM,定义为优化的东亚冬季风指数。图4,由实(虚)线三角形连接的三点给出了定义这些IM优化指数用到的点集,这些点集的信息列于表3。的值见文献[21]。

表2 显著相关站点个数高于IG的I个数Table2 Number of index Iwhose significantly correlated station number greater than index IG

表3 优化的东亚冬季风环流指数IM使用的点集Table3 Gridpoint-sets used in the definition of optimized East Asian winter monsoon circulation index IM

由图4可见,从气候图中三角形与蒙古高压中心及特征等高线关系看,用以定义IM的点集(用实、虚三角形连接)均与蒙古高压关系密切,故IM也是优化的蒙古高压环流指数;并由于蒙古高压是一个尺度很大的系统,定义IM时使用了较IG更广阔区域的资料,能更好反映该系统的异常,故IM较IG更为合理。

将图4中H、J、K三点上的P′均值作为优化东亚冬季风指数的例子,图5a、b给出了IM0与蒙古高压强度P、中心所在纬度φc的比较;图5c给出了IM0与中国160站冬季气温的相关。由图2、图5上的相关系数r可见,IM0与P、φc显著相关,而由表1、表2中α=0.05可知IM0与中国冬季气温之负相关较IG更好。显然,IM确实优化了IG。

4 小结

郭其蕴1994年构造了一个结构简单的东亚冬季风环流指数IG,它与我国冬季平均气温的负相关

图4 优化的东亚冬季风环流指数IM使用的点集示意(斜线三角形的三点标出了定义IG的格点位置;实、虚线三角形的三点标出了定义α=0.01、0.05的IM的格点位置;·为蒙古高压的气候中心,粗闭合实线为220gpm等高线)Fig.4 Gridpoint-set used in the definition of the optimized East Asian winter monsoon circulation index IM(The vertices of the hatched triangle mark the three gridpoints used to define IG;the vertices of solid and dash line triangles mark gridpoints used to define IMofα=0.01and0.05;·indicates the climatic center of winter Mongolian high;and the thick solid closed line is the contour of220gpm)

图5 IM0与蒙古高压强度P(a)、中心所在纬度φc(b)的标准化年际变化曲线及其与中国160站冬季气温的相关系数(c)(a、b中实线为IM0,虚线为P(a)、φc(b);c中阴影区≥r0.05,临界值r0.05=0.26,r0.01=0.34)Fig.5 (a),(b)Sam e as Fig.2 but for IM0,and(c)sam e as Fig.3 but for IM0

明显强于一些常用的同类环流指数。本文论证了IG与冬季蒙古高压强度和南北位置存在显著的同时相关,故IG本质上也是蒙古高压指数。在此基础上,构造了与IG结构相同的环流指数,从中筛选出一批优化的东亚冬季风指数IM。IM保持了IG结构简单、环流意义清晰的优点,且其格点选择更为合理,与中国同期气温负相关联系更强。因为定义IM的格点与蒙古高压关系密切,故IM也可称为蒙古高压指数。

致谢:本文使用的NCEP/NCAR再分析资料由国家自然科学基金委地球科学部南京大气资料服务中心提供,谨致谢。

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