张礼平253_修订稿.doc

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韧蔺
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1 第 25 卷第 3 期热带气象学报 Vol.25, No 年 06 月 JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY Jun., 2009 文章编号 : (2009) 东亚冬季风系统低空环流特征及其对 1 月华中地区气温异常的影响张礼平 1, 张乐飞 2 (1. 武汉区域气候中心, 湖北武汉 ; 2. 武汉大学 / 测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北武汉 ) 摘要 : 用 NCEP/NCAR 全球再分析月平均 850 hpa 风场资料分析湖北省冬季长连续雨雪华中地区气温异常与东亚冬季风系统低空环流异常的关联 2008 年 1 月东亚冬季风系统低空环流异常主要表现在蒙古高压偏强阿留申低压偏强且位置偏西, 使得东亚大陆边缘中高纬高低压间的地转风 - 偏北风加大, 而中国长江中下游及以南南风偏强, 致使大范围雨雪冰冻天气连续出现出现在 1 2 月湖北省长连续雨雪年份的共同点是 : 发生月中国长江中下游及以南南风较常年明显偏大, 北太平洋出现大范围反气旋气旋环流异常 11 月 850 hpa 风场与次年 1 月华中地区气温场 SVD 分析表明, 若 11 月 850 hpa 风场阿留申气旋环流偏强, 位置偏南, 其次台湾岛以东的气旋环流异常和其以东的反气旋环流异常, 随之而来的次年 1 月华中地区气温将偏低, 反之亦然依据 2007 年 11 月 850 hpa 风场, 成功预测出 2008 年 1 月华中地区气温负异常关键词 : 气候学 ; 环流特征 ; 奇异值分解 ; 东亚冬季风中图分类号 :P434.4 文献标识码 :A Doi: /j.issn 引言 2008 年 1 月 11 日 2 月 3 日, 湖北省出现了一次自 1954/1955 年冬季以来最严重的低温雨雪冰冻灾害, 主要表现在雨雪过程频繁强度大 ; 低温冰冻持续时间长, 积雪冰冻范围广, 对农业交通电力通讯以及日常生活造成了很大的影响 1951 年以来湖北省冬季出现了 6 次长连续雨雪 : 1954 年 12 月 24 日, 持续 16 天 ( 钟祥 );1964 年 2 月 5 日, 持续 21 天 ( 房县 );1969 年 2 月 15 日, 持续 12 天 ( 麻城 );1974 年 1 月 9 日, 持续 17 天 ( 宜昌 ); 1982 年 1 月 25 日, 持续 14 天 ( 枣阳 );2008 年最长, 持续 22 天 ( 鄂东 ) 2008 年 1 月华中大部地区气温较常年同期明显偏低, 其中湖南湖北河南南部等地偏低 2~4, 局部偏低 4 以上东亚冬季风是全球最强的冬季风, 也是北半球冬季最活跃的环流系统, 它的异常可直接导致中国东部冬季气候异常本文将分析湖北省历史上冬季长连续雨雪日数年份的东亚冬季风系统低空环流特征, 并总结利用前期 (2007 年 11 月 ) 东亚冬季风系统低空异常环流预测 2008 年 1 月华中地区气温明显偏低的成功经验 2 资料与方法湖北省冬季长连续雨雪资料取自武汉区域气候中心华中地区气温资料取自国家气候中心 160 代表站中 27 测站 ( 安阳蚌埠阜阳郑州南阳信阳合肥安庆屯溪九江汉口钟祥岳阳宜昌常德贵溪南昌广昌吉安赣州长沙衡阳柳县零陵芷江恩施郧县 ) 850 hpa 风场的 u v 资料取自月平均 NCEP/NCAR 全球再分析资料, 水收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 武汉区域气象中心科技发展基金重点项目 (QY-Z ) 资助通讯作者 : 张礼平, 男, 湖北省武汉市人, 正研级高级工程师, 从事短期气候预测及方法研究 zhangliping_wh@yahoo.com.cn

2 322 热带气象学报 25 卷平分辨率为奇异值分解 (Singular value decomposition) 简称 SVD, 是近年发展起来的分析场与场关系的方法, 被认为具有广泛的应用前景 [1-3] 借助最优化技术, 可实现气象要素场的业务预测或预报 [4-6] 参照文献 [7-8], 定义风场的相关矢量 r = r i + r j, 其中与纬向风 u 的相关系数 r x 作为 x 轴方向的分量, 与经向风 v 的相关系数 r y 作为 y 轴方向的分量 3 东亚冬季风系统低空环流 3.1 东亚冬季风系统低空环流气候概况东亚冬季风环流系统低空由蒙古高压和阿留申低压东亚大陆边缘的强北风组成其中阿留申低压无论是周边风速还是控制范围, 都属亚洲至北太 x y a 平洋最大的环流, 与冰岛低压相当, 被称为半永久性大气活动中心这些成员强度和位置以及配置的变化, 都会影响季风区的天气与气候 60~0 N, 60 E~150 W 850 hpa 风场基本表征这些冬季风成员的强度和位置图 1 给出了 60~0 N,60 E~ 150 W 范围多年平均月平均 850 hpa 矢量风场从图 1 可见,11 月次年 1 月, 阿留申低压季节性逐渐加强和南移, 南侧西风由 10 m/s 增大至 12 m/s 以上, 中心位置从 60 N 南移至 50 N 蒙古高压位置变化不大中国长江中下游及以南 11 月次年 1 月均维持稳定的反气旋环流, 环流中心季节性东移, 1 月中国长江中下游以南为其西侧的偏南风控制年 11 月 2008 年 1 月东亚冬季风系统低空环流特征 b

3 3 期张礼平等 : 东亚冬季风系统低空环流特征及其对 1 月华中地区气温异常的影响 323 c 图 1 11 月 (a) 12 月 (b) 1 月 (c) 多年平均月 850 hpa 矢量风场多年平均基准为年, 下同阴影区风速 6 m/s a

4 324 热带气象学报 25 卷 b c 图年 11 月 (a) 2007 年 12 月 (b) 2008 年 1 月 (c) 850 hpa 矢量风距平场阴影区风速距平 2 m/s 2007 年 11 月对流层底层 (850 hpa, 下同 ) 蒙古高压阿留申低压东亚大陆边缘的偏北风三成员均偏强, 阿留申低压位置偏南, 北太平洋出现 3 个环流异常 : 阿留申群岛中国南海 - 菲律宾气旋环流异常, 夏威夷岛以西反气旋环流异常受 La Niña 影响, 热带中东太平洋出现 2 m/s 以上东风距平 ( 图 2a), 对流层高层 (200 hpa, 下同 ) 为西风距平 ( 图略 ), Walker 环流偏强 2007 年 12 月对流层底层蒙古高压继续偏强, 阿留申低压偏北, 中国长江中下游以南出现西南风距平, 偏南风取代了 11 月的强北风东北太平洋出现大范围反气旋异常环流, 取代了 11 月北太平洋 3 个异常环流热带太平洋维持 2 m/s 以上东风距平 ( 图 2b), 对流层高层热带中太平洋为西风距平, 其余地区接近正常或弱的东风距平 ( 图略 ) Walker 环流持续偏强 2008 年 1 月对流层底层阿留申低压偏强, 位置偏西偏北蒙古高压偏强, 东亚大陆边缘 30 N 以北反气旋环流异常,45 N 以北北风明显偏强, 出现 2 m/s 以上距平而中国大陆边缘出现 2 m/s 以上偏南风距平, 南风也明显偏强 12 月东北太平洋反气旋环流异常持续并进一步加强, 范围扩大热带太平洋维持 2 m/s 以上东风距平 ( 图 2c), 对流层高层中国东部沿岸反气旋环流异常, 热带中东太平洋

5 3 期张礼平等 : 东亚冬季风系统低空环流特征及其对 1 月华中地区气温异常的影响 325 为西风距平 ( 图略 ),Walker 环流持续偏强蒙古高压强度偏强阿留申低压强度偏强且位置偏西, 使得东亚大陆边缘中高纬地区高低压间的地转风 - 偏北风加大, 而北太平洋大范围反气旋环流异常, 中国长江中下游及以南南风加大, 对流层高层中国东部沿岸反气旋环流异常, 造成长江中下游对流层高层辐散和底层辐合加强, 冷暖空气在长江中下游及以南地区频繁交汇, 致使大范围雨雪冰冻天气连续出现 3.3 湖北省冬季长连续雨雪日年份的东亚冬季风系统低空环流特征出现在 1 2 月湖北省长连续雨雪日数的年份中发生月 ( 年为 1 月, 年为 2 月 ) 北太平洋年出现大范围气旋环流异常, 年出现大范围反气旋环流异常年受 La Niña 的影响, 赤道太平洋为明显东风距平 1969 年受 El Niño 的影响, a 赤道太平洋为明显西风距平这 5 年的共同点 : 发生月中国长江中下游及以南出现大片偏南风距平, 即南风明显偏大北太平洋出现大范围反气旋或气旋环流异常 ( 图 2c 图 3) 1954 年出现在 12 月底次年 1 月上旬,12 月中国长江中下游及以南南风距平并不明显, 主要为东风距平, 但其北面的北风距平明显, 即北面的北风加大, 同样也造成了对流层底层辐合的加强 ( 图略 ) 国家气候中心已下发气候模式 850 hpa 风场月尺度预测产品, 为利用 850 hpa 风场预测长连续雨雪气象灾害提供了可能 b

7 4 1 月华中地区气温场气候趋势预测考虑到 11 月资料 12 月可获得, 预测次年 1 月气温场业务可行, 选定 11 月 850 hpa u 和 v 场组合成左场, 次年华中地区 1 月月平均气温场为右场, 用 SVD 定量分析 11 月 850 hpa 风场和次年 1 月华中地区气温场的关联,850 hpa 风场同质相关图 (Homogeneous correlation map) 由 SVD 时间系数与格点风的相关矢量组成进而由 2007 年 11 月 850 hpa 风场实况, 实现对华中地区 1 月月平均气温场气候趋势预测分析样本 11 月 850 hpa u 和 v 场为年,2007 年作为预测华中地区 1 月月平均气温场为年分析样本共月为北半球冬季, 东亚冬季风已经建立对流层底层中国东部由反气旋环流控制, 东亚大陆边缘盛行北风, 亚洲低纬地区盛行东风 35 N 以北的太平洋由气旋环流控制, 即阿留申低压 ( 图 1a) 11 月 850 hpa 风场与次年华中地区 1 月月平均气温场 SVD 第 1 模态可解释总协方差 (Squared covariance fraction, SCF) 的 79%, 两场第 1 时间系数相关系数达到 0.60( 表 1) 图 4 和图 5 分别为第 1 右场同质相关图和第 1 左场同质相关图第 1 右场同质相关图为一致的负相关系数, 表明华中地区 1 月月平均气温场大尺度变化基本相同, 趋势一致由于 SVD 前已标准化, 从图 5 可看出, 若 11 月 110 E 以东出现 4 个环流异常 (2 个气旋环流异常和 2 个反气旋环流异常 ), 特别是阿留申气旋环流异常, 位置偏南, 其次台湾岛以东的气旋环流异常和其以东的反气旋环流异常, 也即东亚冬季风低空环流系统 3 个成员中 2 个 ( 阿留申低压和东亚大陆边缘的偏北风 ) 偏强, 随之而来的华中地区次年 1 月月平均气温将偏低, 反之亦然 k 表 1 11 月 850 hpa 风场与次年 1 月华中地区气温场 SVD 分析结果解释两场总协方差 /% 累积解释两场总协方差 /% 两场时间系数相关系数气温场累积方差贡献 /% 图 4 11 月 850 hpa 矢量风场与次年华中地区 1 月月平均气温场第 1 右场同质相关相关系数扩大 100 倍, 均超过显著性水平 1% 实况 2007 年 11 月北太平洋出现其中 3 个环流异常 : 阿留申群岛中国南海 - 菲律宾气旋环流异常, 其西侧日本 - 中国东南沿海 - 南海出现明显北风距平, 夏威夷岛以西反气旋环流异常 ( 图 2a) 表明预兆次年 1 月华中地区气温场负异常的主要异常环流已出现, 因而可定性判断 2008 年 1 月华中地区气温偏低的可能性较大 [6, 以上仅是定性分析, 下面给出定量预测方案 9] 根据要解决的具体问题, 借助最优化技术, 在预测距平与实况同号率最大意义下确定合理的系数, 建立估计公式, 由 SVD 850 hpa 风场时间系数估计华中地区气温场时间系数, 同时订正 850 hpa 风场客观分析误差及其时间系数本身的估计误差反演过程的分析误差 850 hpa 风场估计气温误差截取足够多的时间系数, 保证华中地区气温场的估计场能反映原场主要特征方案考虑的是 850 hpa 风场对气温场的主要耦合关系, 重点考虑可预报的大尺度信号, 滤去不可预报的小扰动, 尽可能使气温估计场距平同号率最大, 从而使预测技巧水平得到提高截断模态 2 个, 累积解释两场总协方差 88.5%, 拟合距平符号符合率 70.7%, 气温场累积方差贡献 86.0%( 表 1) 预测结果与实况对比, 仅湘南和赣南, 及鄂西局部距平符号不一致, 其他地区均相同, 长江及以北还成功预测出 -1~-2 以上的异常 ( 图 6)

8 328 热带气象学报 25 卷图 5 11 月 850 hpa 矢量风场与次年华中地区 1 月月平均气温场第 1 左场同质相关矢量相关矢量扩大 100 倍, 阴影表示超过显著性水平 1 % 区域 a b 图 6 华中地区 2008 年 1 月月平均气温距平场预测 (a) 和实况 (b) 单位 :0.1 5 结语 2008 年 1 月东亚冬季风系统低空环流异常主要表现在蒙古高压偏强阿留申低压偏强且位置偏西, 使得东亚大陆边缘中高纬地区高低压间的地转风 - 偏北风加大, 而中国长江中下游及以南南风加大, 对流层高层中国东部沿岸反气旋环流异常, 造成长江中下游对流层底层辐合加强, 冷暖空气在长江中下游及以南地区频繁交汇, 致使大范围雨雪冰冻天气连续出现出现在 1 2 月湖北省连续雨雪日数长年份的共同点是 : 发生月中国长江中下游及以南出现大片偏南风距平, 即南风明显加大北太平洋出现大范围反气旋或气旋环流异常 11 月 850 hpa 风场与次年华中地区 1 月月平均气温场 SVD 分析表明, 若 11 月 850 hpa 风场 110 E 以东出现阿留申气旋环流偏强, 位置偏南, 其次台湾岛以东的气旋环流异常和其以东的反气旋环流异常, 随之而来的华中地区次年 1 月月平均气温将偏低, 反之亦然实况 2007 年 11 月北太平洋出现上述 3 个异常环流, 预兆 2008 年 1 月华中地区气温可能偏低场定量预测的结果与实况基本一致, 长江及以北还成功预测出 -1~-2 以上的异常参考文献 :

9 3 期张礼平等 : 东亚冬季风系统低空环流特征及其对 1 月华中地区气温异常的影响 329 [1] BRETHERTON C S, CATHERINE Smith, WALLACE John M,et al. An intercomparison of methods for finding coupled patterns in climate data[j]. J of Climate, 1992,5(6): [2] 张礼平, 丁一汇. 全球地表 ( 海表 ) 前期温度与中国及华中地区夏季降水的关联 [J]. 气象学报,2005,63(3): [3] 张礼平, 丁一汇, 陈正洪, 等. OLR 与长江中游夏季降水的关联 [J]. 气象学报,2007,65(1): [4] 张礼平, 杨志勇, 陈正洪. 典型相关系数及其在短期气候预测中的应用 [J]. 大气科学,2000,15(3) : [5] 张礼平, 柯怡明, 胡江林, 等. SVD 方法在场分析和预测中的应用 [J]. 热带气象学报,2002,18(3): [6] 张礼平, 柯怡明, 王康康. SVD 方法在场的定量预测中的应用 [J]. 热带气象学报,2004,20(4): [7] 邹力, 倪允琪. ENSO 对亚洲夏季风异常和我国夏季降水的影响 [J]. 热带气象学报,1997,13(4): [8] 王盘兴, 周伟灿, 王欣, 等. 气象向量场奇异值分解方法及其应用 [J]. 南京气象学院学报,1997,20(2): [9] 张礼平, 丁一汇, 李清泉, 等. 国家气候中心海气耦合模式汛期降水预报的一种订正方案及其试验 [J]. 气候与环境研究,2005,10(2): CHARACTERISTICS OF LOW-LEVEL EAST ASIAN WINTER MONSOON AND THEIR IMPACT ON ANOMALOUS JANUARY TEMPERATURES OVER CENTRAL CHINA ZHANG Li-ping 1, ZHANG Le-fei 2 (1. Wuhan Regional Climate Center, Wuhan , China; 2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan , China) Abstract: With the NECP/NCAR reanalysis data of 850 hpa wind fields, the anomalous low-level circulation of East Asian winter monsoon (ALCAM) is analyzed for its relationships with long, continuous wintertime spans of rain and snow over Hubei Province and anomalous temperature fields over the central part of China. In January 2008, the ALCAM was mainly displayed as a strong Mongolian high and a strong and westward Aleutian low, which increased the geostrophic (or northerly) wind between high and low pressures at the middle and higher latitudes on the edge of the East Asian continent; the southerly wind is strong over the middle and lower reaches of the Yangtze River and areas to the south so that rain, snow and freezing conditions were continuously present over extended areas. A common characteristic for the years with long durations of rain and snow over Hubei Province in January and February is that the southerly wind is much stronger over the middle and lower reaches of the Yangtze River and areas to the south, with widespread anomalous anticyclonic or cyclonic circulation over the North Pacific. As shown in our SVD analysis of the links between 850 hpa wind fields in November and temperature fields in the subsequent January over central China, when the Aleutian low is strong and locates southward, accompanied in turn by anomalous cyclonic and anticyclonic circulation to the east of the Island of Taiwan, air temperature will be lower in the January that follows over central China, and otherwise is true. Based on the anomalous 850 hpa wind field for November 2007, a negatively anomalous temperature field over central China has been successfully predicted to appear in January Key words: Climatology; Characteristics of circulation; Singular value decomposition; East Asian Winter monsoon

南京气象学院学报第卷

南京气象学院学报第卷 Ò Ò 潘敖大孙照渤在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系并采用大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验结果表明赤道东太平洋区域的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响海温正异常时南支雨带旱北支雨带不明显海温负异常时南支雨带涝北支雨带旱前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布