一種東亞冬季風指數的環流意義及優化

劉晴晴,王盤興,徐祥德,李麗平

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

0 引言

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

高輝[4]將多年來許多氣象學家定義的多種冬季風指數歸納為四類:(1)基于海陸熱力差異可導致海平面地轉風北風分量(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指數,它僅適用于日本海臨近區域。郭其蘊[1]定義10～60°N間110°E與160°E經線上整10°緯度格點海平面氣壓差之和為冬季風強度,記為Iwe;Shi和Zhu[6]將Iwe改進為20～50°N間上述經線整5°緯度格點海平面氣壓差標準化之和的標準化值,記為Is;Wu和Wang[7]后將定義Is的7個緯帶(間隔5.0°)擴展到21個緯帶(間隔2.5°),記為Iw;它們適用于東亞廣闊區域。(2)基于區域平均低層經向風異常,Ji和Sun[8]將(115～130°E,10～30°N)區域平均的1 000 hPa經向風作為東亞冬季風指數;Chen等[9]提出用(110～130°E,10～25°N)、(120～140°E,25～40°N)區域平均的1 000 hPa經向風,作為東亞熱帶、副熱帶季風指數。(3)基于高層西風急流的異常,Jhun和Lee[10]將(110～170°E,27.5～37.5°N)和(80～140°E,50～60°N)兩個區域平均的300 hPa緯向風差作為季風指數以及王會軍和姜大膀[11]還用(115～145°E,25～50°N)區域的850 hPa西風速表示季風強弱。(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)區域平均的500 hPa位勢高度作為東亞冬季風強弱的指標。此外,還有一些學者定義的指數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)區域定義了東亞區域西風指數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指數來分析其與我國冬季氣溫和降水的相關關系;嚴厲等[16]探討了北大西洋和北太平洋海表溫度的遙聯指數與同期中國冬季氣溫的相關性。由此可見,用以研究東亞冬季風狀況的物理指標較為多樣化,著眼點也各不相同。

除以上歸納的幾類指數外,郭其蘊[1]1994年定義了東亞冬季(12月—次年2月)風指數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[17]指出指標點位于東亞冬季風主導系統北側,故蒙古高亞中心IG與蒙古高壓強度、位置異常關系密切,環流意義清晰。分析表明,IG與我國冬季160站平均氣溫的同期相關明顯強于一些常用的東亞冬季風指數,是一個性質優良的東亞冬季風指數。

本文用長序列資料(1951—2007年)驗證、分析了IG環流意義及其與我國冬季氣溫異常關系;在不改變指數IG環流意義及結構的前提下,用普查的方法給出了一批新的東亞冬季風指數IM。IM與我國冬季氣溫異常的關系較IG更緊密,從而實現了對IG的優化。

1 資料及預處理

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,t=1對應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,圖上三角形標出了文獻[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三點的P′均值構成的指數;而由圖1b上三角形所在位置知,當蒙古高壓強度、位置發生年際變化時,IG將發生變化。因此,IG是蒙古高壓強度、位置異常的度量參數,環流意義清晰。

文獻[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Ω[18]內特征等高線f0=220gpm圍成區域上高度差Δf=f(λ,φ)-f0的球面面積分嚴格定義了冬季蒙古高壓強度P,并求得了與Δf對應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的冬季蒙古高壓環流指數P、λc、φc的時間序列。IG與P、λc、φc的相關系數r分別為0.85、0.21、0.58,IG-P、IG-φc的相關系數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給出了標準化IG與標準化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](三角形標出了定義IG的三個格點,虛線矩形是文獻[17]計算蒙古高壓指數的搜索區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、經向位置存在顯著正相關,蒙古高壓異常強(弱)和異常偏北(南)年,IG偏高(低),東亞冬季風偏強(弱)。

3 IG與中國冬季氣溫變化的關系

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]的相關關系,統計結果及相關分布如表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的氣溫存在顯著的負相關關系,且相關程度明顯強于另外三種常用的東亞冬季風指數。

4 IG的優化

綜上可知,IG有明確的環流意義和簡單的結構,又與我國冬季氣溫有強相關,故IG是一個很好的東亞冬季風指數。一個值得研究的問題是,IG是否為具有上述優良性質指數中最好的一個。從圖1中Ω(60～130°E,20～70°N)區域內的

圖2 IG與蒙古高壓強度P(a)、中心所在緯度φc(b)的標準化年際變化曲線(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年冬季風指數與中國160站冬季氣溫的相關系數分布(陰影區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 東亞冬季風指數IG、Iwe、Is、Iw與中國冬季160站氣溫顯著相關站點數統計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)式構造指數I,由此獲得類似于IG的I序列數共=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的相關系數,統計其通過α=0.01、0.05顯著性水平檢驗的站數N。表2給出了兩種信度下I-T顯著格點數超過表1中IG-T顯著站點數145、147的I序列個數統計。可見,與T相關關系優于IG的指數I大量存在,與α=0.01、0.05對應的分別有48、1 051個。從中挑出r0.01(r0.05)站數達147(151)的5(1)個I,記為IM,定義為優化的東亞冬季風指數。圖4,由實(虛)線三角形連接的三點給出了定義這些IM優化指數用到的點集,這些點集的信息列于表3。的值見文獻[21]。

表2 顯著相關站點個數高于IG的I個數Table2 Number of index Iwhose significantly correlated station number greater than index IG

表3 優化的東亞冬季風環流指數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)均與蒙古高壓關系密切,故IM也是優化的蒙古高壓環流指數;并由于蒙古高壓是一個尺度很大的系統,定義IM時使用了較IG更廣闊區域的資料,能更好反映該系統的異常,故IM較IG更為合理。

將圖4中H、J、K三點上的P′均值作為優化東亞冬季風指數的例子,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。由圖2、圖5上的相關系數r可見,IM0與P、φc顯著相關,而由表1、表2中α=0.05可知IM0與中國冬季氣溫之負相關較IG更好。顯然,IM確實優化了IG。

4 小結

郭其蘊1994年構造了一個結構簡單的東亞冬季風環流指數IG,它與我國冬季平均氣溫的負相關

圖4 優化的東亞冬季風環流指數IM使用的點集示意(斜線三角形的三點標出了定義IG的格點位置;實、虛線三角形的三點標出了定義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)的標準化年際變化曲線及其與中國160站冬季氣溫的相關系數(c)(a、b中實線為IM0,虛線為P(a)、φc(b);c中陰影區≥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流指數。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,故IG本質上也是蒙古高壓指數。在此基礎上,構造了與IG結構相同的環流指數,從中篩選出一批優化的東亞冬季風指數IM。IM保持了IG結構簡單、環流意義清晰的優點,且其格點選擇更為合理,與中國同期氣溫負相關聯系更強。因為定義IM的格點與蒙古高壓關系密切,故IM也可稱為蒙古高壓指數。

致謝:本文使用的NCEP/NCAR再分析資料由國家自然科學基金委地球科學部南京大氣資料服務中心提供,謹致謝。

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