利用LPAC图分析北半球夏半年环流季节转换及异常

利用LPAC图分析北半球夏半年环流季节转换及异常 利用LPAC图分析北半球夏半年环流季节 转换及异常 第28卷第5期 2005年l0月 南京气象学院学报 JournalofNanjingInstituteofMeteorology Vo1.28No.5 Oct.2005 文章编号:1000—2022(2005)05-0710-07 利用LPAC图分析北半球 夏半年环流季节转换及异常 蔡新玲,王盘兴, (1.南京信息工程大学大气科学系.江苏南京 杜继稳,刘子臣 210044;2.陕西省气象局,陕西西安710015) 摘要:用NCEP/NCAR再分析月平均风,压场资料得到1958--1997年5—10月月 际场的局地型相似系数(LPAC).多年平均LPAC表明了对流层和平流层低层印度 夏季风环流的建立,东亚夏季风环流的北进和南亚高压上高原的过程,这些区域 LPAC值较同纬度非季风区明显偏低.在平流层中层,夏季型环流表现出纬向对称 性和由高纬向低纬的传播特征.对东亚LPAC气候变率时空剖面及3个涝年LPAC 异常的分析反映出环流型季节转变异常及其与东亚月降水异常的关系. 关键词:局地型相似系数;大气环流;季节转换;气候及异常 中图分类号:P434文献标识码:A 大气环流的季节变化是大气环流变化中最强的信号.大气环流的异常是大气环流变化偏 离于季节变化的部分,它是各种气象灾害产生的直接原因.因此,大气环流的季节变化及其异 常的研究是大气环流研究的重要,许多学者对此做了大量的工作.叶笃正等…的工作指 出大气环流季节变化中存在"六月突变"和"十月突变".对全球资料的分析认为,大气环流季 节转换的突变现象是比较普遍的.但近年来的研究发现环流突变的时间和强度随区域而异, 何金海的研究表明,东亚和太平洋地区由冬人夏季节转换的突变可提前至5月份开始,曾庆 存等指出,东亚和太平洋地区由夏入冬季节转化的相对快速变化的"过渡时期"可能由9,10 月联合组成,Zhu等H对印度季风和东亚季风的比较研究发现,它们是具有明显差异又相互作 用的两类系统,爆发的时间也是不同的.因此,大气环流季节转换的时间可能存在地区差异 性. 通常用差值图研究环流的变化,这种方法的着眼点是场量自身的变化.局地型相似系数 图则是一种着眼于环流型差异的诊断方法.众所周知,一些基本的气象要素场,如气压,风 等,它们的流型较之量值本身与天气,气候的关系更加紧密,其异常关系亦然.局地型相似系 数图(简称LPAC图)的提出即基于此,它曾被用于数值试验结果分析及个别层次环流季节 转换分析,收到良好的效果.本文采用LPAC图方法,从一个新的视角全面研究北半球环流 季节转换及异常特征. 收稿日期:2004-06—17:改回日期~2005-03-28 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40233037) 作者简介:蔡新玲(1969一),女,陕西周至人,高级工程师,硕士.E—mail:caixinling@yahoo.COrn.1211 第5期蔡新玲等:利用LPAC图分析北半球夏半年环流季节转换及异常711 1资料 本文使用NCEP/NCAR再分析资料的月平均位势高度场和风场的格点资料:1)覆盖时段 为1957年l2月,1997年12月,481个月;2)自上而下选取30,150,500和850hPa4个层次; 3)均匀矩形经纬格点网的格距为?AXAO=2.5.X2.5.. 资料可表达为(,oj.,P,tt),V(A,oi,P,t,t).其中=?,oi=(i=1, 144,=1—73);:1,4;t=0(1957年)时,t=12(12月);t=1,40(1958--1997年) 时,t=1,12(1,2,3,…,l2月).式中的A,,Ii2,t,t分别为经度,余纬(与纬度的关系为 0:一),层序号,月序号,年序号. 2局地型相似系数(LPAC)图方法 2.1局地型相似系数的定义 按文献[5],局地型相似系数图由相似系数构成.将同一区域被比较的两个气象要素场 看成是欧氏空间的两个向量,则相似系数可用它们对区域平均场的偏差场对应的向量间夹角 的余弦来表示. 设以(A.,.)为中心的某一经纬网上的矩形区域D上时刻1,2的两个被比较的标量场为 F.(A.,.),F2(A.,.),其相似系数A是由(1)式定义的D区域的中心位置(Ao,o)上的一 个标量. =. ? 式中,F.(A.,.),(A.,.)是D域上F.(A.,.),(A.,.)对其D域均值的偏差. 类似地,对以(A.,.)为中心的D域上的两个向量场(以风场为例)V.(A.,.)和(A., .),将(A,)上的向量写成复数形式场 y1(A,)="1(A,)+iv1(A,),V2(A,)="2(A,)+iv2(A,).(2) 然后可以定义二维向量场的LPAC Ah(Ao,o):Re(V(Ao,0),(Ao,o)) VI*(A.,.)IIll(A.,.)ll.(3) 式中,分子为.,的内积取实部(Re为取实部). 2.2LPAC图的制作 为便于计算,假定被比较的两个场F(A,),(A,)或者.(A,),(A,)定义在矩 形区域上,LPAC图就可以如下方式构造. (1)选择合适的区域D 在公式(1)和公式(3)中,和的计算值依赖于D域的形状和大小.选取区域D时要 考虑到环流的空间尺度,同时也要包含足够多的格点以反映环流型的变化和获得精确而稳定 的相似系数值.本文在分析月平均风场和高度场时,不同高度层选择了不同大小的区域. 在对流层低层,D域的尺度为50.(A)X10.().随层次升高,系统尺度增大,D的尺度随之增 大.如图1所示,当的范围和区域D确定以后,D可在内平移,其中心点(A.,.)可位于 域,故上每点均有A或A值,它们的全体构成一张LPAC图. (2)离散点LPAC的表达式 712南京气象学院学报第28卷 图1计算LPAC的资料范围 (力为资料区域,n为LPAC取值区域,D为计算单个A或A值区域) Fig.1ComputationaldomainfortheLPACcalculation (力isthedatadomain,力istheLAPCvaluearea,andDistheareaforcalculatingsingleAorAh) 记地球半径为时,面元面积Atr=Rcos?A?.以它为权重,可写出(1),(3)式的离 散化形式(4),(5)式用于实际计算. Ah(,,t,) 3环流季节转换分析 (4) .(5) 本文在计算LPAC值时,不同高度层选择了不同大小的区域D.在对流层低层,取,0= 10,J=2,层次越高,区域D的范围越大.LPAC图上低值区是月际环流形势变化大的地理区 域,分析其变化便可获得环流的季节转换信息. 3.1对流层(850,500hPa)环流季节转换 图2是多年平均850hPa风场月际LPAC图.图上低值区(阴影区)表示该地相邻月月平 均环流流型差异较周围非阴影区明显,即存在明显流型季节转变.4—5,5__6月南亚季风区 出现明显的低值区,而在6—7,7—8月低值带出现在东亚季风区,这与南亚夏季风低压5__6 月建立之后相对稳定,东亚夏季风由5月在我国东部逐步向北推进,7月前后副高及我国东部 雨带两次北进的环流转换是一致的.而8—9,9—10月,低值区从东亚南移至南亚及以南地 区,对应该地夏季风撤退冬季风的建立过程.图2表明,南亚,东亚区域是北半球同纬度上 LPAC值最低的区域,清楚地刻画了季风区环流转变的气候特征. 500hPa风场月际LPAC气候图(图略)上也能清楚地看到由冬半年向夏半年的过渡中有 竹 S O C F 一U F ? r? ?一 第5期蔡新玲等:利用LPAC图分析北半球夏半年环流季节转换及异常713 一 条LPAC的低值带由2,3月份位于澳洲北部及印度尼西亚附近位置向西,向北推进;由夏半 年向冬半年的过渡中,大致相反的过程在这一区域重演,反映了夏季风撤退冬季风的建立.可 见,LPAC图简单明了地反映了夏季风的推进过程. 图2多年平均850hPa风场月际LPAC分布 (浅阴影区为0.4<Ah<0.6,深阴影区为Ah<0.4) a.4—5月5—6月;c.6—7月7—8月;e.8—9月.f.9—10月 Fig.2Longtermmeaninter—monthlyLPACmapsof850hPawindfields (1ightshadedareadenotes0.4<Ah<0.6,andheavyshadedareaAh<0.4) a.April—May;b.May—June;e.June—July;d.July?August;e.August?September;f.September?October 3.2平流层(150,30hPa)环流季节转换 图3为多年平均150hPa高度场月际LPAC图.从4月到7月,LPAC低值区由菲律宾以 东的洋面逐步移至高原上空,亚洲低纬环流型季节转变是北半球同纬度最明显的区域的特点 与对流层相同.7—8月整个北半球为LPAC的高值,说明盛夏北半球平流层环流稳定.而在 8-一9月份,从印度经青藏高原至日本南部再次出现LPAC的低值,9一l0月低值区出现在南 亚,LPAC图上低值区的变化与150hPa高度场上南亚高压撤退,环流向冬季型转变相一致,可 见LPAC清楚地反映了东亚平流层环流由冬转夏,由夏转冬的季节性变化过程. 图4为多年平均30hPa高度场月际LPAC图.由文献[8],北半球30hPa高度场在4月 发生了由气旋型向反气旋型的转变,故图4上出现大片低值区.完成此转变后,半球反气旋型 环流稳定维持到9月,故6,7—8月图上北半球LPAC维持高值.8-_9月份,40.N以北的 中高纬度出现明显的LPAC低值,环流向冬季型转换,又开始出现低LPAC值;9一l0月低值带 向南推移,25,42.N之间为LPAC相对低值.l0一l1月低值带南端移到10.N附近,低值中心 分别位于南亚和北美大陆南端(图略). 分析表明,风,压场LPAC图对于半球对流层,平流层环流季节转换有良好的指示作用. 不足之处在于,对区域环流季节转换,月平均场失之过粗. 714南京气象学院学报第28卷 经度经度 图3多年平均150hPa高度场月际LPAC分布 a,4_5月:b.5月;C,6_7月;d.7—8月;e.8_-9月;f.9—1O月 Fig.3Longtermmeaninter—monthlyLPACmapsof150hPaheightfields a,April—May;b,May—June;c.June—July;d.July—August:e.August—September;f.September—October 70.N 40N l0.N 20S 70.N 40.N l0.N 20.S 0.120.E120.W0.0.120.E120.W 经度经度 图4多年平均30hPa高度场月际LPAC分布 a.4_5月;b.5月;c.6—7月;d.7_8月;e.8_-9月;f.9—1O月 F唔.4Longtermmeaninter—monthlyLPACmapsof30hPaheightfields a.April—May;b.May—June;c.June—July;d.July—August;e.August—September;f.September—October 0. 第5期蔡新玲等:利用LPAC图分析北半球夏半年环流季节转换及异常715 4环流季节转换异常分析 上节分析表明,局地型相似系数图能较好地揭示不同等压面上行星尺度环流季节转换的 一 些基本特征,发现对流层及低平流层东亚,南亚地区环流的季节转变在LPAC图上有明显反 映.下面尝试用LPAC对东亚850hPa环流季节转换的异常特征作初步分析. 4.16---9月东亚LPAC气候变率明显偏高 由850hPa风场的月际相似系数A(A,0,t,t)求得相应的均方差(A,0,t),它给出了 |4的气候变率的时(1—12月),空(地理位置)变化,大值表示环流型季节变化年际差异大. 图5为120.E上的纬度一月剖面图.由图可见,6一_9月,20—40.N,LPAC方差较大(0.15 以上);最大值(盯>0.3)出现在7—8月,25,30.N,说明东亚夏半年环流型季节转换发生异 常的频率较高,这与实况相符.对120.E上850hPa风场A的时空剖面图(图略)的分析发现 1980,1991年此期间20,35.N纬带处A值明显偏高,副高季节性北上的过程异常 滞缓,导致 1980,1991年雨带长期维持在江淮区域,造成历史罕见洪涝. 4.21998年夏半年季节转换异常分析 从多年平均6^7,7—8月850hPa风 场LPAC图(图2c,d)来看,北半球环流变 化最为明显的地区是东亚及西北太平洋. 而在6—7月环流转换是西太平洋副热带 高压北跳,脊线从20,25.N跳到25, 30.N,江淮梅雨结束.在7—8月,随着副 热带高压的继续向北增强,华北进入雨季, 雨带也向北推进.与LPAC图表现一致. 这是多年平均,相当于正常年份的情况. 从1998年6月和7—8月的LPAC 图(图略)来看,在正常年环流变化比较明 显的东亚和西北太平洋地区,不存在0.6 以下的等值线,说明该地区6—8月环流变 化都不大.也就是说,1998年夏季东亚季 节转换发生了异常.李维京分析指出, 1998年6—8月西太平洋副高位置较常年 偏南,特别是7月中旬到8月上旬副高较 图5沿120.E850hPa风场月际 LPAC均方差时空剖面图 (图中粗断线为低纬高值轴) Fig.5Latitude—timecross—sectionfortheinter—monthly LPACRMSof850hPawindfieldalone120.E (Thickdashlineistheaxisof highvalueinlowerlatitudes) 常年持续异常偏南,从而形成了长江流域异常降水过程.可见,LPAC图较好地反映 了1998 年东亚环流型季节转换的异常. 5小结 气候LPAC图较好地给出了大尺度环流季节转换发生的过程:在对流层和低平流层,风, 压场月际LPAC图反映了印度夏季风环流型的建立,东亚夏季风环流型的向北推进过程和南 亚高压的上高原过程;其LPAC值较同纬度非季风区的值明显偏低.在中平流层,夏季型环流 的建立表现出纬向对称性和从高纬度向低纬传播的特征.对东亚LPAC气候变率时空剖面图 及3个涝年LPAC异常图的分析反映了环流型季节转变异常及与东亚月降水异常的关系. 716南京气象学院学报第28卷 LPAC图是一种表示环流型相似的工具,当它用于表示环流月际变化异常时,需要结合天 气分析,才能确切判断环流异常的具体形态及可能引起的要素异常.另外,在LPAC计算中, D 域尺度选择对纬度和层次是敏感的,从计算结果的整体看,如中高纬及平流层环流的LPAC计 算偏小,这有待于今后深入研究. 参考文献: [1]叶笃正,陶诗言,李麦村.在六月和十月大气环流的突变现象[J].气象学报,1958,29(2):249-263. 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AdministrationofShaanxiProvince,Xi'an710015,China) Abstract:BasedontheNCEP/NCARreanalyzedmonthlywindandpressuredataset,theLocalPat- ternAnalogueCoefficient(LPAC)mapofMay-Septemberinter-monthlyfieldbetween1958--1997 iscalculated.ThelongtermaveragedLPACmapfairlyreflectstheprocessesoftheestablishmentof Indiasummermonsooncirculationpattern,thenorthwardmovementofeastAsiasummermo nsoon circulation,andthesouthAsiahighmovinguptheTibetPlateauinthetroposphereandlowerstrato- sphere,andtheLPACinthoseareasissignificantlylowerthanthatinnon-monsoonareaofthesame latitude.Inthemiddlestratosphere,theestablishmentofsummerpatterncirculationshowsacharac- teroflongitudinalsymmetryofLPACandthepropagationofthelowvalueareaofLAPCfromhighto lowlatitude.Moreoverthespatial-temporalcross-sectionofEastAsianLPACclimaticvariabilityand threefloodyearsLPACanomalymapsareanalyzed,andtheresultindicatesthatthosemapsobjee- tivelyreflecttheanomalyoftheseasonaltransitionofcirculationpatternandit'Srelationshipwith theanomalyofEastAsianmonthlyprecipitation. Keywords:localpatternanaloguecoefficient(LPAC);atmosphericcirculation;seasonaltransition; climateandanomaly