冬季北半球大气活动中心的环流指数及其应用

孙晓娟,王盘兴,汪学良

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

2.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;3.美国国家海洋和大气管理局 空气资源实验室,马里兰州 银泉 21042)



冬季北半球大气活动中心的环流指数及其应用

孙晓娟1,2,王盘兴2,汪学良3

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

2.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;3.美国国家海洋和大气管理局 空气资源实验室,马里兰州 银泉 21042)

摘要：利用1850—2009年Hadley气候中心的月平均海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)场资料(SLP2r),按统一方法定义和计算了北半球冬季5个大气活动中心(Atmospheric Center of Action,ACA)—冰岛低压(ICelandic Low,LIC)、北大西洋高压(North Atlantic subtropical High,HNA)、蒙古高压(MOngolian High,HMO)、阿留申低压(ALeutian Low,LAL)和北太平洋高压(North Pacific subtropical High,HNP)的160 a季(月)环流指数序列,分析了它们的变化特征及其与我国气候异常的关系。结果表明:1)5个ACA冬季、1月的强度指数P均与面积指数S强正相关,二者不独立,P和位置指数λc、φc不完全独立。2)HNA、LAL在160 a间和近年来(1950—2009年)均显著增强,HMO在160 a间亦显著增强,而LIC则在近年来显著增强。3)LIC和HNA均经历了弱→强→弱→强的变化过程,强弱转折时段大致相当。HMO强度变化大致可分为三个阶段:1850—1910年偏弱,1910—1940’s中期变化较平缓,1940’s末—2009年偏强。LAL大致上经历了弱→强→弱→强的变化过程,1856—1895年、1945—1973年偏弱,1895—1945年、1973—2009年偏强。HNP的阶段性变化不明显。4)影响中国冬季气候及异常的ACA主要是HMO,在HMO强年,全国(除西南地区外)冬季气温偏低,四川和华北局部地区降水偏多;其次是位于上游的LIC、HNA,在LIC、HNA强年,我国“三北”部分地区气温偏高;而LAL、HNP对中国气候异常的影响则相对弱。

关键词：大气活动中心;环流指数;中国气候异常;年代际变化;相关分析

0引言

大气活动中心(Atmospheric Center of Action,ACA)是月平均海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)场中全年或季节地存在于特定地理区域的巨大高压、低压系统(Teisserenc,1883);全年存在的称为永久性大气活动中心,季节存在的称为半永久性大气活动中心。由于ACA前后部经向风反号,故其控制区气候气温存在明显的纬向差异;又因摩擦作用的存在,高压、低压ACA控制区辐散下沉、辐合上升占主导,从而决定了ACA控制区气候降水的显著差异;因此,ACA是区域气候的环流成因。当ACA异常加强或减弱时,将伴随ACA控制区的气候异常;故ACA又是气候异常的直接环流成因。因此ACA一直是环流异常和短期气候预测研究的重要对象(Walker and Bliss,1932;涂长望和徐廷煦,1936;Hoskins and Karoly,1981;Wallace and Gutzler,1981;黄荣辉,1986,1990)。

尽管ACA定义明确,但文献对ACA基本问题的研究结果仍存在较大差异。如对北半球ACA成员及性质(指永久性、半永久性)的认识,权威资料《气象学词典》(朱炳海等,1985;简称《词典》)和《大气科学辞典》(《大气科学辞典》编委会,1994;简称《辞典》)就存在重大差异。《词典》给出的北半球ACA总个数为9个,《辞典》则为6个;《词典》给出北半球永久性ACA有4个,《辞典》则未给出明确个数。孙晓娟(2013)用Hadley气候中心160 a(1850—2009年)SLP2r月平均资料分析确认,北半球ACA共6个,它们是2个永久性ACA(北大西洋高压,简记为HNA,北太平洋高压,简记为HNP)和4个半永久性ACA(冰岛低压,简记为LIC,蒙古高压,简记为HMO,阿留申低压,简记为LAL,印度低压,简记为LIN);出现于冬季(12—2月)的ACA有5个,它们是LIC、HNA、HMO、LAL和HNP,夏季(6—8月)有3个,它们是HNP、HNA、LIN。它与《词典》差别大,与《辞典》接近、但对ACA性质的判断更明确。

为定量描述ACA异常特征,以分析ACA与区域气候的关系,许多研究者引入了不同的ACA环流指数。孙晓娟等(2010,2011)通过分析和比较冬季HMO、LAL环流指数发现,用不同方法定义的同一ACA的环流指数,分析ACA异常特征和与区域气候异常关系时,所得结果往往缺乏可比较性。为给出北半球冬季ACA统一的定义和计算方法,本文基于王盘兴等(2007,2010)提出的闭合气压系统环流指数定义方法,稍作改进,给出物理意义清晰的冬季北半球ACA环流指数的统一定义和计算方法,求得了它们的160 a环流指数序列(1850—2009年)。并用它们分析了ACA环流指数的独立性、异常特征,及ACA与中国同期气候异常的相关联系。

1方法

1.1冬季北半球ACA环流指数的定义与计算

孙晓娟(2013)利用英国Hadley气候中心整理的1850—2010年全球月平均SLP实时数据集(HadSLP2r;http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadslp2r/,网格距为5°×5°。)资料,绘制了160 a平均逐月及冬季(12月—次年2月)SLP气候平均分布,图1是冬季及12、1、2月SLP气候平均分布。可见,冬季北半球有5个ACA。其中,中高纬的三个ACA(LIC、HMO、LAL)强,在ACA所在地理区域,有多条闭合等压线(Δp=2.5 hPa);低纬的2个ACA(HNA、HNP)弱,只有一条闭合等压线,且其东部延伸至地中海、北美大陆西部。上述ACA是本文的分析对象。

图1　1850—2009年冬季(a)、12月(b)、1月(c)和2月(d)北半球海平面气压场的气候平均分布(单位:hPa)Fig.1　Climatological mean sea level pressure fields in the Northern Hemisphere in (a)winter(DJF),(b)December,(c)January,and (d)February from 1850 to 2009

1.1.1环流指数定义

(1)

t年冬季某ACA的中心位置指数(λc(t),φc(t))是D(t)上压差绝对值场的“重心”位置。以r=(λ,θ)记球面上任意点(λ,θ)的位置矢量、rc(t)=(λc(t),φc(t))记球面上矢端在D(t)上压差场重心的位置矢量,则rc(t)由以下积分方程定义

(2)

图2　冬季ACA环流指数定义示意图　　a.2007年HMO(矩形区域Ω为搜索区,粗实线为特征等压线p0线,阴影区为计算域,黑点为HMO中心位置(λc(t),φc(t)));b.1959年LAL(黑点为LAL中心位置(λc,φc))Fig.2　The definitions of circulation indices of ACAs in winter　　a.HMO in 2007(The rectangular is the search area,the thick solid line is the characteristic isobar,the shaded area is the computational domain of this year,and the black dot is the central position of HMO);b.LAL in 1959(The black dot is the central position of LAL)

图2a是2007年冬季SLP场中HMO ACA环流指数定义示意图,可见,式(1)定义的面积指数S(t),是该年计算域D(t)图上阴影区的面积;强度指数P(t)是D(t)上SLP与p0等压面(注:对低压系统,它是虚拟的)间大气的总重量;S、P值越大,ACA越强(指高压主体区范围大、SLP值高,低压区范围大、SLP值低);反之亦然。式(2)定义的中心位置指数(λc(t),φc(t))是D(t)上压差绝对值场重心位置。指数的环流意义清晰。

分析表明,SLP季、月平均分布上的ACA中,约占总年数10%的ACA中心不唯一,例如1959年冬季LAL就是典型的双中心(图2b),两个中心相隔经距约45°,中心气压值相当;若由SLP场中极小值定义为中心位置指数,易带入主观随意性,而由式(2)定义的中心位置指数(图2b中所在(λc,φc))则是唯一和客观的。

1.1.2环流指数计算

S、P、(λc,φc)。

(3)

LIC的p0HNA的p0/^p0HMO的p0LAL的p0HNP的p0/^p0冬季及各月冬季、12、2月1月冬季、12、1月2月冬季及各月冬季及各月10081020/10181022/10181030102810081020/1018

图3　冬季季、月北半球ACA的搜索域Ω划分(粗虚线围成的区域是两个低压ACA的Ω,粗实线围成的区域是其他三个高压ACA的Ω)Fig.3　The division of search domain of ACAs in boreal winter(Areas surrounded by thick dashed and thick solid lines are the search domains of the two low systems and the three high systems,respectively)

1.2相关分析

下面分别介绍分析用到的复数形式的相关系数rc=rλ+irφ的定义、计算、检验及一张相关系数图的显著性检验。

图4　rc在复数域上取值与x的相关关系示意图(Re、Im为实部、虚部,与局地纬、经线重合)Fig.4　Schematic diagram of correlation between rc in the complex domain and x(Re and Im are the real part and the imaginary part,which overlap with local latitude and longitude,respectively)

1)相关系数图及其显著性检验

随机变量X与随机变量场Y间的相关,通过它们的一个容量为n的样本

(4)

进行分析。将x、ys序列记为向量x、ys则它们的相关系数场为r,s场点的相关系数

(5)

2)复数相关系数及其显著性检验

某一ACA中心位置指数λc、φc与某站点实气候要素(可以是气温T、降水R或其他)的相关系数rλ、rφ均为实数,可以用它们构造一个复统计量

rc=rλ+irφ。

(6)

rc表示ACA中心位置(λc,φc)与x间的相关,它的意义可据rλ、rφ的意义确定(图4)。

rc的显著性检验用随机试验方法,检验对其模

(7)

进行;其临界值rcα,n-2的方法可参见文献(王蕊等,2009)。

2S、P、λc、φc统计特征分析

按第2.1节所给方法求得了冬季季、月北半球5个ACA的S、P、(λc,φc)160 a(1850—2009年)序列,现分别分析各个ACA的环流指数的若干统计特征。

2.1独立性分析

表2给出了冬季、1月每个ACA强度指数P均与面积指数S、位置指数(λc,φc)间的同期相关系数,可见,5个ACA冬季、1月的强度指数P均与面积指数S强相关,ACA强年,其面积大,二者不独立;故实际分析取其一进行,本文取强度指数P;P～(λc,φc)的同期相关以HMO最强,季、月HMO强年,中心位置偏北、偏西,二者不独立;大西洋上的LIC、HNA相关也较强,强年一般有中心位置偏北,偏东的异常(1月LIC、冬季HNA的P～λc例外),二者有一定的独立性;太平洋上的LAL、HNP相关较弱,季、1月LAL强年,中心位置偏东,1月HNP强年,中心位置偏西,二者独立性强于大西洋ACA。

表21850—2009年ACA环流指数的同期相关系数(冬季/1月)

Table 2Correlation coefficients among the circulation indices of ACAs over the same period from 1850 to 2009(in winter/January)

相关LICHNAHMOLALHNPP~S0.9371)/0.9171)0.8751)/0.9001)0.9351)/0.9291)0.8961)/0.9121)0.9161)/0.9191)P~λc0.3981)/0.0910.055/0.3341)-0.2761)/-0.2441)0.6461)/0.2461)-0.060/-0.7071)P~φc0.5151)/0.4501)0.3261)/0.4581)0.4461)/0.4941)0.006/-0.174-0.189/0.084λc~φc0.7281)/-0.1360.2771)/0.6511)-0.013/0.1920.162/-0.6701)0.4211)/0.3491)

注：1)表示通过信度α=0.01的显著性检验(tα,158=0.204).

中心位置指数λc～φc的同期相关以低纬洋面上的HNA、HNP季、1月最强,中心位置偏东北—西南年占优势,λc、φc不独立;高纬洋面上的季的LIC、1月的LAL的λc～φc分别强显著正、负相关,前者表现为偏东北—西南年占优势,后者表现为偏西北—东南年占优势,λc、φc有一定独立性;陆上系统HMO的λc、φc不相关,二者相互独立。由此可见,本文求得并选用于分析的ACA环流指数P、λc、φc不完全独立,这在某些问题(如ACA遥相关)的分析中是一个必须考虑的问题。

2.2线性趋势分析

因P、S显著强相关,以下分析仅对标准化强度指数P、位置指数C(λc,φc)进行。由表3知,HNA、LAL在160 a间和近年来均显著增强,HMO在160 a间亦显著增强,且位置偏西南;而LIC则在近年来显著增强。

2.3强度指数时域特征分析

表3冬季ACA环流指数的线性趋势((10 a)-1) ((1850—2009年)/(1950—2009年))

Table 3The linear trends of circulation indices of ACAs in winter((1850—2009)/(1950—2009))

ACAPλcφcLIC-0.097/0.3511)0.095/-0.069-0.004/0.082HNA0.1781)/0.3611)0.030/-0.1440.059/0.224HMO0.2631)/-0.049-0.2211)/-0.005-0.3071)/-0.228LAL0.1811)/0.2781)-0.058/0.0290.085/0.128HNP0.139/0.1070.095/-0.0640.052/0.083

注：1)表示通过信度α=0.05的显著性检验.

图5　1850—2009年冬季北半球ACA标准化强度指数′的时间演变(细线为标准化强度指数′,粗线为其年代际分量)Fig.5　Evolutions of normalized strength indices of ACAs in boreal winter from 1850 to 2009(The thin lines are the normalized strength indices and the thick lines are the interdecadal components)

3应用举例

对ACA环流指数P、C(λc,φc)与中国1951—2009年160站冬季平均气温、季总降水量资料,采用综合相关分析方法,分析ACA与中国冬季气候异常的同期关系。

3.1P与我国气温、降水的关系分析

图6、图7是冬季北半球ACA强度P与中国同期160站T、R相关系数分布,表4给出了其上显著相关总站数。

图6　1951—2009年冬季北半球ACA强度指数与中国160站地面气温的同期相关系数(阴影区表示通过α=0.05的显著性检验)　　a.LIC;b.HNA;c.HMO;d.LAL;e.HNPFig.6　Contemporaneous correlation coefficients between the normalized strength indices of ACAs in boreal winter and the ground temperature of 160 stations in China from 1951 to 2009(The shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)　　a.LIC;b.HNA;c.HMO;d.LAL;e.HNP

图7　1951—2009年冬季北半球ACA强度指数与中国160站降水的同期相关系数(阴影区表示通过α=0.05的显著性检验)　　a.LIC;b.HNA;c.HMO;d.LAL;e.HNPFig.7　Contemporaneous correlation coefficients between the normalized strength indices of ACAs in boreal winter and the precipitation of 160 stations in China from 1951 to 2009(The shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)　　a.LIC;b.HNA;c.HMO;d.LAL;e.HNP

由图6可见,HMO的P与中国大部区域(西南除外)T显著负相关(图6c),负相关站数达143(表4);HMO强年,中国大部分区域冬季气温异常偏低(T′<0)。北大西洋上的LIC、HNA的P与中国冬季T则为显著正相关,正相关区主要在中国北方的东北、华北大部和新疆北部(图6a、b),显著相关站数明显高于临界值(表4);LIC、HNA强年,中国北方上述地区的气温异常偏高(T′>0)。北太平洋上的LAL、HNP的P与中国冬季T相关不显著。由图7可见,LIC的P与中国冬季R呈显著正相关(图7a),正相关区主要在华北、华中,以及华东、华南局部地区,正相关站数达54(表4);LIC强年,这些地区的降水偏多(R′>0)。HMO及北太平洋上的LAL、HNP的P与中国华北、华中局部地区冬季降水的相关也有一定显著性,显著相关站数略高于临界值(表4)。

3.2C与我国气温、降水的关系分析

利用复相关系数及其显著性检验方法,绘制了冬季北半球ACA中心位置指数C(λc,φc)与中国同期160站T、R的相关系数图(图略),表5给出了其上显著相关站数,图8为HMO中心位置指数C(λc,φc)与中国同期160站T的同期相关系数图。

表41951—2009年北半球ACA强度指数(P)与中国同期160站冬季气温、降水的显著相关站点数

Table 4The number of stations with significant correlation coefficients between the normalized strength indices(P) of ACAs in boreal winter and the ground temperature/the precipitation of 160 stations in China from 1951 to 2009

ACAP—气温P—降水+-±+-±LIC660661)540541)HNA350351)448HMO31431461)310132)LAL101019191)HNP1001096151)

注：1)、2)分别表示通过α=0.01、0.05的显著性检验.

由图8和表5可见,只有HMO中心位置异常与中国冬季T异常存在显著相关;HMO位置偏南年,从东北经华北至华中、华东(局部)的区域T异常偏高(T′>0)。与ACA强度异常的影响相比,中心位置异常对中国同期气候异常的影响较小。

综上,冬季ACA与同期中国区域气候异常关系存在以下特点:1)亚洲内陆的HMO影响最大,强度大、位置偏北年,中国冬季气温偏低;影响除西南外的中国大部分地区。2)北大西洋上的LIC的强度显著影响中国冬季气温(北方地区)、降水(华北、华中为主),LIC强年,显著相关区气温偏高、降水偏多;北大西洋上的HNA的强度对中国冬季气温也有显著影响,影响性质同LIC,但区域较小。HMO是我国冬季气候的控制系统,LIC、HNA则为上游系统,它们的影响显著;LAL、HNP则为下游系统,它们的影响相对不显著。上述统计结论符合天气、气候分析经验,它们的环流意义清晰。

4结论

利用Hadley气候中心的月平均SLP场资料(SLP2r)求得1850—2009年160 a平均冬季SLP气候场,用它们确定了北半球冬季共有5个ACA,它们是冰岛低压(LIC)、北大西洋高压(HNA)、蒙古高压(HMO)、阿留申低压(LAL)和北太平洋高压(HNP),按统一方法定义和计算了它们160年季(月)环流指数序列,分析了它们的变化特征及其与我国气候及异常关系,得到如下结论:

图8　1951—2009年冬季HMO中心位置矢量与中国160站地面气温的同期相关系数(阴影区表示通过α=0.05的显著性检验)Fig.8　Contemporaneous correlation coefficients between the center vectors of HMO in winter and the ground temperature of 160 stations in China from 1951 to 2009(The shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

1)5个ACA冬季、1月的强度指数P均与面积指数S强相关,ACA强年,其面积大,二者不独立;P～(λc,φc)的同期相关以HMO最强,季、月HMO强表51951—2009年北半球ACA中心位置矢量(r)与中国同期160站冬季气温、降水的显著相关站点数年,中心位置偏北、偏西,二者不独立;大西洋上的LIC、HNA相关也较强,强年一般有中心位置偏北,偏东的异常(1月LIC、冬季HNA的P～λc例外),二者有一定的独立性;太平洋上的LAL、HNP相关较弱,季、1月LAL强年,中心位置偏东,1月HNP强年,中心位置偏西,二者独立性强于大西洋ACA。中心位置指数λc～φc的同期相关以低纬洋面上的HNA、HNP季、1月最强,中心位置偏东北—西南年占优势,λc、φc不独立;高纬洋面上的季的LIC、1月的LAL的λc～φc分别强显著正、负相关,前者表现为偏东北—西南年占优势,后者表现为偏西北—东南年占优势,λc、φc有一定独立性;陆上系统HMO的λc、φc不相关,二者相互独立。由此可见,本文求得并选用于分析的ACA环流指数P、λc、φc不完全独立。

Table 5The number of stations with significant correlation coefficients between the center vectors(r) of ACA in boreal winter and the ground temperature/the precipitation of 160 stations in China from 1951 to 2009

ACArc—气温rc—降水LIC01HNA03HMO811)1LAL80HNP00

注：1)表示通过α=0.01的显著性检验.

2)HNA、LAL在160 a间和近年来均显著增强,HMO在160 a间亦显著增强,且位置偏西南;而LIC则在近年来显著增强。

3)冬季北大西洋上的LIC和HNA均经历了由弱→强→弱→强的变化过程,强弱转折时段大致相当,较好地反映了NAO(Walker,1932)这种大气环流南北跷跷板变化的现象;HMO强度变化大致可分为三个阶段:1850—1910年偏弱,1910—1940’s中期变化较平缓,1940’s末—2009年(除50’s末—60’s初和80’s末—90’s初)偏强。LAL大致上经历了弱→强→弱→强的变化过程,1856—1895年、1945—1973年为LAL偏弱年,1895—1945年、1973—2009年为LAL偏强年。HNP阶段性变化不明显。

4)HMO的P、(λc,φc)与同期中国T强显著相关;HMO强、位置偏北年,中国大范围气温异常偏低,是中国冬季气候异常的控制系统。北大西洋上的LIC、HNA的P与同期中国北方T、R异常存在显著相关;LIC、HNA强年,T异常偏高、R异常偏多。它们可从控制系统和上游效应解释。

由此证明,本文给出的冬季北半球ACA指数,既具有清晰的环流意义,又适于冬季北半球ACA与区域气候及异常关系的研究。

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(责任编辑：张福颖)

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Circulation indices of atmospheric centers of

action and their applications during boreal winter

SUN Xiao-juan1,2,WANG Pan-xing2,WANG Xue-liang3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Air Resources Laboratory,National Oceanic and Atmospheric Administration,Silver Spring 21042,USA)

Abstract:Based on the Hadley Climtae Center monthly mean sea level pressure(SLP) dataset(SLP2r) from 1850 to 2009,this paper defines and calculates the circulation indices of five atmospheric centers of action(ACAs),including Icelandic low(LIC),North Atlantic subtropical high(HNA),Mongolian high(HMO),Aleutian low(LAL) and North Pacific subtropical high(HNP) in winter season over the Northern Hemisphere,and analyzes the abnormal features of five ACAs and their relationship with climate anomaly in China.The main conclusions are as follows:1)The intensity index(P) of five ACAs in winter and January are positively correlated with the area index(S),so they are not independent.The P and the center position index(λc,φc) are not completely independent.2)HNA and LAL increase significantly in both160 years(from 1850 to 2009) and recent years(from 1950 to 2009).HMO also increases significantly in 160 years,while LIC enhances significantly in recent years.3)LIC and HNA experience the four similar stages of weak,strong,weak and strong.The P index of HMO can be divided into three stages.HMO is weak during 1850—1910,changes slowly from 1910 to the middle of 1940’s,and is strong from the end of 1940’s to 2009.LAL is weak from 1856 to 1895 and from 1945 to 1973,and is strong from 1895 to 1945 and from 1973 to 2009.The stage change of HNP is not obvious.4)HMO is the main ACA that affects winter climate and anomaly over China.In the positive phase of HMO,the temperature is lower in China(except the southwestern China),and the precipitation is higher over Sichuan and some areas of North China in winter.LIC and HNA,which locate in the upstream of China,are secondary ACAs that affects on winter climate anomaly in China.When LIC and HNA are stronger,the temperature is higher in some areas of Northeast China,North China and Northwest China.The impacts of LAL and HNP on climate anomaly in China are relatively weak.

Key words:atmospheric center of action;circulation index;climate anomaly in China;interdecadal variation;correlation analysis

通信作者：刘毅,研究员,博士生导师,研究方向为大气遥感与中层大气动力学,liuyi@mail.iap.ac.cn.

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB428604);国家自然科学基金资助项目(41205041)

收稿日期：2013-06-12;改回日期:2014-06-30

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150403001

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)06-0785-11P462

文献标志码：A