劉晴晴,王盤興,徐祥德,李麗平

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044;2.中國氣象科學(xué)研究院,北京 100081)

0 引言

我國地處東亞季風(fēng)區(qū),冬季風(fēng)異常對我國氣候異常變化的影響顯著。研究表明,冬季風(fēng)強(弱)年,我國冬季氣溫整體偏低(高)[1];冬季風(fēng)的異常還可隔季影響到我國夏季天氣氣候異常,文獻(xiàn)[2]指出1月冬季風(fēng)強度與7月江淮流域降水的年代際變化呈相反趨勢,文獻(xiàn)[3]也指出長江中下游夏季降水(氣溫)與前期的東亞冬季風(fēng)強度有明顯負(fù)(正)相關(guān)。因此,建立合理的東亞冬季風(fēng)指數(shù)是研究冬季風(fēng)異常規(guī)律及其與我國氣候關(guān)系的有意義的工作。

高輝[4]將多年來許多氣象學(xué)家定義的多種冬季風(fēng)指數(shù)歸納為四類:(1)基于海陸熱力差異可導(dǎo)致海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)北風(fēng)分量(vg)的異常,Hanawa等[5]用海參威和日本根室兩站海平面氣壓差作為冬季風(fēng)指數(shù),它僅適用于日本海臨近區(qū)域。郭其蘊[1]定義10～60°N間110°E與160°E經(jīng)線上整10°緯度格點海平面氣壓差之和為冬季風(fēng)強度,記為Iwe;Shi和Zhu[6]將Iwe改進(jìn)為20～50°N間上述經(jīng)線整5°緯度格點海平面氣壓差標(biāo)準(zhǔn)化之和的標(biāo)準(zhǔn)化值,記為Is;Wu和Wang[7]后將定義Is的7個緯帶(間隔5.0°)擴(kuò)展到21個緯帶(間隔2.5°),記為Iw;它們適用于東亞廣闊區(qū)域。(2)基于區(qū)域平均低層經(jīng)向風(fēng)異常,Ji和Sun[8]將(115～130°E,10～30°N)區(qū)域平均的1 000 hPa經(jīng)向風(fēng)作為東亞冬季風(fēng)指數(shù);Chen等[9]提出用(110～130°E,10～25°N)、(120～140°E,25～40°N)區(qū)域平均的1 000 hPa經(jīng)向風(fēng),作為東亞熱帶、副熱帶季風(fēng)指數(shù)。(3)基于高層西風(fēng)急流的異常,Jhun和Lee[10]將(110～170°E,27.5～37.5°N)和(80～140°E,50～60°N)兩個區(qū)域平均的300 hPa緯向風(fēng)差作為季風(fēng)指數(shù)以及王會軍和姜大膀[11]還用(115～145°E,25～50°N)區(qū)域的850 hPa西風(fēng)速表示季風(fēng)強弱。(4)基于東亞大槽附近位勢高度場異常,孫淑清和孫伯民[12]用(125～145°E,30～45°N)、崔曉鵬和孫照渤[13]用(110～130°E,35～40°N)區(qū)域平均的500 hPa位勢高度作為東亞冬季風(fēng)強弱的指標(biāo)。此外,還有一些學(xué)者定義的指數(shù)也有重要的參考意義。如陳海山和孫照渤[14]選取500 hPa的(80～120°E,40～70°N)區(qū)域定義了東亞區(qū)域西風(fēng)指數(shù)來反映中國冬季氣溫異常;李勇等[15]利用冬季西太平洋遙相關(guān)指數(shù)來分析其與我國冬季氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系;嚴(yán)厲等[16]探討了北大西洋和北太平洋海表溫度的遙聯(lián)指數(shù)與同期中國冬季氣溫的相關(guān)性。由此可見,用以研究東亞冬季風(fēng)狀況的物理指標(biāo)較為多樣化,著眼點也各不相同。

除以上歸納的幾類指數(shù)外,郭其蘊[1]1994年定義了東亞冬季(12月—次年2月)風(fēng)指數(shù)IG,它是貝加爾湖以西三個格點(90°E,60°N;100°E,60°N和100°E,50°N)上冬季海平面的氣壓距平均值。文獻(xiàn)[17]指出指標(biāo)點位于東亞冬季風(fēng)主導(dǎo)系統(tǒng)北側(cè),故蒙古高亞中心IG與蒙古高壓強度、位置異常關(guān)系密切,環(huán)流意義清晰。分析表明,IG與我國冬季160站平均氣溫的同期相關(guān)明顯強于一些常用的東亞冬季風(fēng)指數(shù),是一個性質(zhì)優(yōu)良的東亞冬季風(fēng)指數(shù)。

本文用長序列資料(1951—2007年)驗證、分析了IG環(huán)流意義及其與我國冬季氣溫異常關(guān)系;在不改變指數(shù)IG環(huán)流意義及結(jié)構(gòu)的前提下,用普查的方法給出了一批新的東亞冬季風(fēng)指數(shù)IM。IM與我國冬季氣溫異常的關(guān)系較IG更緊密,從而實現(xiàn)了對IG的優(yōu)化。

1 資料及預(yù)處理

所用資料為NCEP/NCAR再分析SLP(sea level pressure)資料,時段為1951—2007年期間的56個完整冬季(12月—次年2月),空間分辨率Δ λ×Δ φ=2.5°×2.5°,以及同期中國第t個冬季、第s站的平均氣溫

由SLP資料,按

求得IG(t),t=t為冬季序數(shù),t=1對應(yīng)1951年12月—1952年2月;S1、S2、S3是格點(90°E,60°N)、(100°E,60°N)、(100°E,50°N);P′(t,Si)為第t個冬季點的海平面氣壓距平值;IG的單位為hPa。

2 IG的環(huán)流意義

圖1給出了冬季1 000hPa氣候位勢高度場及歷年冬季1 000hPa高度場平均圖上特征等高線f0=220gpm綜合,圖上三角形標(biāo)出了文獻(xiàn)[1]定義IG用到的三個格點。由圖1a可見,IG是用蒙古高壓中心北側(cè)三點的P′均值構(gòu)成的指數(shù);而由圖1b上三角形所在位置知,當(dāng)蒙古高壓強度、位置發(fā)生年際變化時,IG將發(fā)生變化。因此,IG是蒙古高壓強度、位置異常的度量參數(shù),環(huán)流意義清晰。

文獻(xiàn)[17]用冬季(12月—次年2月)平均1 000 hPa位勢高度場圖上搜索區(qū)Ω[18]內(nèi)特征等高線f0=220gpm圍成區(qū)域上高度差Δf=f(λ,φ)-f0的球面面積分嚴(yán)格定義了冬季蒙古高壓強度P,并求得了與Δf對應(yīng)的壓力場的重心位置(λc,φc),稱為蒙古高壓中心位置。用SLP資料求得了1951—2007年1 000hPa的冬季蒙古高壓環(huán)流指數(shù)P、λc、φc的時間序列。IG與P、λc、φc的相關(guān)系數(shù)r分別為0.85、0.21、0.58,IG-P、IG-φc的相關(guān)系數(shù)r均通過α=0.001(r0.001=0.39)的顯著性檢驗。為了便于比較,圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)化IG與標(biāo)準(zhǔn)化P、φc的時序。

圖1 1951—2007年冬季1 000hPa氣候位勢高度場(a;單位:gpm)及逐年蒙古高壓特征等高線(f=220gpm)綜合(b)[17](三角形標(biāo)出了定義IG的三個格點,虛線矩形是文獻(xiàn)[17]計算蒙古高壓指數(shù)的搜索區(qū)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])

由此可見,IG與蒙古高壓強度、經(jīng)向位置存在顯著正相關(guān),蒙古高壓異常強(弱)和異常偏北(南)年,IG偏高(低),東亞冬季風(fēng)偏強(弱)。

3 IG與中國冬季氣溫變化的關(guān)系

用NCEP/NCAR再分析SLP資料[19]分別計算了1951—2007年期間56個完整冬季的IG、Iwe、Is和Iw與中國同期160站氣溫[20]的相關(guān)關(guān)系,統(tǒng)計結(jié)果及相關(guān)分布如表1和圖3所示。從表1和圖3可以看出,IG與我國冬季大部分地區(qū)的氣溫存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)程度明顯強于另外三種常用的東亞冬季風(fēng)指數(shù)。

4 IG的優(yōu)化

綜上可知,IG有明確的環(huán)流意義和簡單的結(jié)構(gòu),又與我國冬季氣溫有強相關(guān),故IG是一個很好的東亞冬季風(fēng)指數(shù)。一個值得研究的問題是,IG是否為具有上述優(yōu)良性質(zhì)指數(shù)中最好的一個。從圖1中Ω(60～130°E,20～70°N)區(qū)域內(nèi)的

圖2 IG與蒙古高壓強度P(a)、中心所在緯度φc(b)的標(biāo)準(zhǔn)化年際變化曲線(實線為IG,虛線為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

圖3 1951—2007年冬季風(fēng)指數(shù)與中國160站冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)分布(陰影區(qū)r≥r0.05,臨界值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 東亞冬季風(fēng)指數(shù)IG、Iwe、Is、Iw與中國冬季160站氣溫顯著相關(guān)站點數(shù)統(tǒng)計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個格點(分辨率為Δ λ×Δ φ=10°×10°)中任取三點,按(1)式構(gòu)造指數(shù)I,由此獲得類似于IG的I序列數(shù)共=17 296種,求其中每個序列I與中國160站冬季平均氣溫序列T的相關(guān)系數(shù),統(tǒng)計其通過α=0.01、0.05顯著性水平檢驗的站數(shù)N。表2給出了兩種信度下I-T顯著格點數(shù)超過表1中IG-T顯著站點數(shù)145、147的I序列個數(shù)統(tǒng)計?？梢?與T相關(guān)關(guān)系優(yōu)于IG的指數(shù)I大量存在,與α=0.01、0.05對應(yīng)的分別有48、1 051個。從中挑出r0.01(r0.05)站數(shù)達(dá)147(151)的5(1)個I,記為IM,定義為優(yōu)化的東亞冬季風(fēng)指數(shù)。圖4,由實(虛)線三角形連接的三點給出了定義這些IM優(yōu)化指數(shù)用到的點集,這些點集的信息列于表3。的值見文獻(xiàn)[21]。

表2 顯著相關(guān)站點個數(shù)高于IG的I個數(shù)Table2 Number of index Iwhose significantly correlated station number greater than index IG

表3 優(yōu)化的東亞冬季風(fēng)環(huán)流指數(shù)IM使用的點集Table3 Gridpoint-sets used in the definition of optimized East Asian winter monsoon circulation index IM

由圖4可見,從氣候圖中三角形與蒙古高壓中心及特征等高線關(guān)系看,用以定義IM的點集(用實、虛三角形連接)均與蒙古高壓關(guān)系密切,故IM也是優(yōu)化的蒙古高壓環(huán)流指數(shù);并由于蒙古高壓是一個尺度很大的系統(tǒng),定義IM時使用了較IG更廣闊區(qū)域的資料,能更好反映該系統(tǒng)的異常,故IM較IG更為合理。

將圖4中H、J、K三點上的P′均值作為優(yōu)化東亞冬季風(fēng)指數(shù)的例子,圖5a、b給出了IM0與蒙古高壓強度P、中心所在緯度φc的比較;圖5c給出了IM0與中國160站冬季氣溫的相關(guān)。由圖2、圖5上的相關(guān)系數(shù)r可見,IM0與P、φc顯著相關(guān),而由表1、表2中α=0.05可知IM0與中國冬季氣溫之負(fù)相關(guān)較IG更好。顯然,IM確實優(yōu)化了IG。

4 小結(jié)

郭其蘊1994年構(gòu)造了一個結(jié)構(gòu)簡單的東亞冬季風(fēng)環(huán)流指數(shù)IG,它與我國冬季平均氣溫的負(fù)相關(guān)

圖4 優(yōu)化的東亞冬季風(fēng)環(huán)流指數(shù)IM使用的點集示意(斜線三角形的三點標(biāo)出了定義IG的格點位置;實、虛線三角形的三點標(biāo)出了定義α=0.01、0.05的IM的格點位置;·為蒙古高壓的氣候中心,粗閉合實線為220gpm等高線)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)

圖5 IM0與蒙古高壓強度P(a)、中心所在緯度φc(b)的標(biāo)準(zhǔn)化年際變化曲線及其與中國160站冬季氣溫的相關(guān)系數(shù)(c)(a、b中實線為IM0,虛線為P(a)、φc(b);c中陰影區(qū)≥r0.05,臨界值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

明顯強于一些常用的同類環(huán)流指數(shù)。本文論證了IG與冬季蒙古高壓強度和南北位置存在顯著的同時相關(guān),故IG本質(zhì)上也是蒙古高壓指數(shù)。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)造了與IG結(jié)構(gòu)相同的環(huán)流指數(shù),從中篩選出一批優(yōu)化的東亞冬季風(fēng)指數(shù)IM。IM保持了IG結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)流意義清晰的優(yōu)點,且其格點選擇更為合理,與中國同期氣溫負(fù)相關(guān)聯(lián)系更強。因為定義IM的格點與蒙古高壓關(guān)系密切,故IM也可稱為蒙古高壓指數(shù)。

致謝:本文使用的NCEP/NCAR再分析資料由國家自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部南京大氣資料服務(wù)中心提供,謹(jǐn)致謝。

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