论大气环流的季节划分和季节突变 Ⅰ:概念和方法

本工作系列讨论大气环流的季节划分和季节突变问题.本文是第一篇,提出普适的概念、理论和方法,使大气环流和其他气候场的季节划分和季节突变定义建立在客观定量的基础之上.首先用两个场的相关系数R作为其相似性度量,也可以用归范化的两个场之差的根方值d作为差异性的度量.当存在着冬、夏季的典型场F_n和F_s时,取任何时刻t函数F与F~*≡(F_w+F_s)/2之差F~'作为变量场,则其与F~'_w≡F_w-F~*的相关系数R_w(t)及标准根方差d_w(t)可以作为F与其冬季典型的相似性或差异性度量.R_w与d_w~2之间有一定关系,一般只研究R_w即可.(1)可以定义冬季对应于1≥R_w(t)>0.5,夏季为-1≤R_w(t)<-0.5,过渡季节为-0.5相似文献   

论大气环流的季节划分和季节突变 I:概念和方法

本工作系列讨论大气环流的季节划分和季节突变问题.本文是第一篇,提出普适的概念、理论和方法,使大气环流和其他气候场的季节划分和季节突变定义建立在客观定量的基础之上.首先用两个场的相关系数R作为其相似性度量,也可以用归范化的两个场之差的根方值d作为差异性的度量.当存在着冬、夏季的典型场F_n和F_s时,取任何时刻t函数F与F~*≡(F_w+F_s)/2之差F~'作为变量场,则其与F~'_w≡F_w-F~*的相关系数R_w(t)及标准根方差d_w(t)可以作为F与其冬季典型的相似性或差异性度量.R_w与d_w~2之间有一定关系,一般只研究R_w即可.(1)可以定义冬季对应于1≥R_w(t)>0.5,夏季为-1≤R_w(t)<-0.5,过渡季节为-0.5相似文献   

论大气环流的季节划分和季节突变 II. 个别年份的分析

根据本文第一部分提出的概念、理论和方法,利用ECMWF客观分析的几个特定等压面上的位势高度场和东西风场资料,计算和分析了个别年份（1981年）北半球大气环流的季节变化,尤其是对亚洲西太平洋地区季节突变进行了详细的研究。（1）首先给出了1981年大气环流各季的一些基本特征。减去年平均后,发现冬季和夏季环流型相反,而春、秋季环流型则与冬季环流型几乎正交。（2）计算了各候平均场偏差和典型的冬季偏差场F'w的相似性系数Rw(t),分析它们的特征并加以比较,结果是半球尺度的大气环流过渡季节（春、秋）虽然短些,但突变性不很明显。（3）为了研究与行星尺度相联系的南北向季节推移,本文给出了纬圈平均偏差场的Rw(t)分布,发现在大多数纬度中,对流层大气环流的季节变化都有突变性,纬度越低,春季来临越早,秋季来临越迟。（4）为了研究大气中行星波,东西向环流结构的季节变化及调整,本文给出了按经圈平均偏差场的Rw(t)分布,发现在低空和对流层高层及平流层低层季风区内季节突变十分显著,鲜明地反映了季风环流和季节变化的关系。（5）最后,本文计算了北半球各个20o×10o经纬距分区域中的Rw(t)分布,发现在许多分区域中,季节突变都很明显,尤其是在亚洲和西太平洋季风区里,但突变的早晚随高度和区域而变,即有时空四维结构。总之,本文第一部分所提出的参数Rw(t)及其他一些概念和方法确能很好地描述大气环流的季节变化及其突变性。     

论大气环流的季节划分和季节突变：Ⅱ.个别年份的分析

根据本文第一部分提出的概念,理论和方法,利用ＥＣＭＷＦ客观分析的几个特定等压面上的位势高度场和东西风场资料,计算和分析了个别年份北半球大气环流的季节变化,尤其是对亚洲西太平洋地区季节突变进行了详细的研究。（１）首先给出了１９８１年大气环流各季的一些基本特征。减去年平均后,发现冬季和夏季环流型相反,而春,秋季环流型则与冬季环流型几乎正交。（２）计算了各候平均场偏差和典型的冬季偏差场ＦＷ的相似性系数Ｒ     

热带气旋环境场相似检索方法的对比分析

比较了欧氏距离、相似离度、相似系数、相关系数及最优相似系数等作为气象格点场相似性度量的适用性,结果发现以“距离”为主的算法无法准确地反映环境场中的一些特定系统的位置和强度,相似检索效果较差;而相似离度、相似系数、相关系数及最优相似系数可分别考虑两个场之间的形状和强度、空间分布及变化趋势,能找到较相似的场,可供业务参考。通过将不同指标检索到的相似环境场的演变对热带气旋(Tropical Cyclone,TC)路径的影响量引入到TC路径预报中,检验其业务应用效果,发现单纯移向的预报效果好于路径预报,路径预报中相似离度的效果稍好于其他方法,而移向预报中最优系数法最好。另通过相似环境场检索,能找到由相似环境场所对应的相似历史TC,并依据不同度量性指标得到一个历史相似TC集,为台风业务、科研提供参考。     

典型相关系数及其在短期气候 预测中的应用

借助典型相关系数,对场与场的关系进行分析,并由短期气候预测理论与实践以及线性方程组理论,提出了多因子场预测未来要素场的新方法。     

热带环流强度变化与我国夏季降水异常的关系

该文用850 hPa和200 hPa纬向风距平差定义南海热带季风、沃克环流及热带环流强度指数,并讨论它们的天气气候学意义。指出由南海热带季风指数和沃克环流指数之差表征的热带环流强度指数与我国夏季降水,尤其是与长江流域降水有密切的关系;通过热带环流强度指数与冬、春、夏季500 hPa高度场、SLP、SST、OLR的相关分析,揭示用热带环流强度指数表征的热带环流异常影响我国夏季降水的可能途径。热带环流强度指数的季节变化规律及其与前期环境场的相关关系,对夏季雨带位置的预报有一定的参考价值。     

北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究

使用1979～2005年NCEP/NCAR 再分析数据,分析了北半球平流层中低层（300 hPa至10 hPa）纬向风的季节转换规律,并采用二维空间场相似性方法确定了平流层的季节过渡日期。分析表明,平流层大气环流基本为冬夏二元状态,冬夏转换具有突变性;其季节过渡在纬向是接近同步进行的,而在经向则有时间差异,无论是冬夏转换还是夏冬转换高纬都要早于低纬。在平流层中部（10～70 hPa）季节过渡是自上而向下进行的;而在平流层下部（100～200 hPa）季节过渡的上下传递关系则比较复杂,在不同的纬度带有不同的表现。在北半球热带外地区,平流层中部东风期的起止日期与相似性方法计算得到的平流层季节过渡日期之间具有较好的对应关系,在东风期之前和之后往往各存在持续10天左右的零风—弱风期。     

典型场选取对多要素气候态相似季节划分的影响

多要素气候态相似季节划分法作为一种新的季节划分客观化方法,在近几年被广泛应用于气候变化研究、气候监测和短期气候预测等。该方法的关键之处在于多要素的融合和典型场的选取,其中典型场是指多要素气候态相似法中所选取的能代表冬季和夏季平均气候特征的气候态距平场。文中采用3种不同方案选取典型场：方法一,基于60年平均气候态选取典型场;方法二,基于30年平均气候态选取典型场;方法三,基于逐年气候态状况选取典型场。研究不同典型场的选取对多要素气候态相似季节划分法划分结果的可能影响,进而以1998年和2013年华中地区的季节划分为例,对第3种典型场划分方法的准确性进行论证。结果显示,典型场作为多要素气候态相似季节划分法的划分基准,对季节划分的结果至关重要,基于单年气候状况选取的典型场与基于多年平均气候态选取的典型场之间的差异存在年代际变化,且在气候变化的转折阶段差异尤为显著。基于第3种典型场选取方案的1998年和2013年季节划分结果能准确地反映当年华中地区气候态和大气环流的季节变化情况。     

甘肃黄土高原地温与冬小麦发育期的关系分析

用黄土高原代表站甘肃省庆阳西峰站1971～2005年5、10、15、20 cm地温和1981～2005年冬小麦发育期资料,分析了地温的时间变化规律及对冬小麦发育期的影响.结果表明,西峰10 cm地温除夏季外,其余季节呈持续升高的趋势.地温与冬小麦发育期成负相关,与冬季地温相关最显著的是乳熟期,相关系数为-0.57～-0.65,与春季地温相关最显著的是返青期,相关系数为-0.60～-0.63.冬季典型年份各平均发育期差异最显著的是冬小麦的起身期提前了15 d,春季典型年份最显著的是冬小麦的全生育期提前了23 d.     

T213产品在东亚中纬度地区预报精度检验

利用分型求预报场与实况场绝对误差和相关系数,对T213物理量场资料进行预报精度检验,结果表明物理量场预报效果近期比远期好,绝对误差随预报时效延长而加大,相关系数随预报时效延长而减小;冬半年比夏半年预报精度高.物理量预报最好的是假相当位温,所有各型各时次各层次相关系数都>0.6;最差的是垂直速度,除冬半年西北气流型24h外,所有各时次各层次相关系数均<0.6.环流型预报最好的是冬半年西北气流型,最差的是夏半年台风型.     

华南热带气旋相关物理量场的线性及非线性统计分析研究

选取西太平洋海平面温度场、海平面气压场、500 hPa位势高度场作为物理因子场,并普查计算1949—2013年影响我国华南地区的热带气旋的年均频数、年均最低气压、年均最大风速作为相关物理量场。对因子场分别应用主成分分析 (PCA) 与核主成分分析 (KPCA) 算法进行主成分提取,在此基础上,对因子场的前六主成分进行功率谱估计与凝聚谱分析。最后,利用典型相关分析 (CCA) 与核典型相关分析 (KCCA) 算法对因子场与物理量场进行典型相关分析。结果表明,基于非线性的KPCA算法提取出西太平洋物理因子场前六成分的解释方差贡献率,均高于PCA算法;海温场、海压场、高度场的第一成分各自存在大概18年的周期性振荡变化,同时,在周期为2~3年的范围内,这三者的振荡频率的互相关性最强;而因子场与物理量场的非线性典型相关系数,明显高于线性典型相关系数。      

四川盆地气温的时空分布变化分析

本文利用正交分解(EOF)方法,对四川盆地气温的时空分布进行研究分析,识别出了盆地气温的主要空间型和时间演变特征.在春夏秋冬不同季节,四川盆地气温场呈一致性的正值,反映四川盆地气温大范围位相一致的变化,表现为全盆地性冷(暖),并且气温场在不同的季节,其分布特征具有较大的相似性和稳定性.从第一特征向量场对应时间系数演变过程来看,冬、夏两季的波动范围较春、秋两季的波动范围小;从第一时间系数年际变化分析,除盆地夏季平均气温没有明显变化外,冬、春、秋季的气温从20世纪90年代后期均持续表现为上升趋势,出现明显的气候变暖突变.冬季与秋季的气温分布及春季与秋季的气温分布具有较为显著的正相关关系.     

北半球30 hPa环流春季转变过程的诊断研究

利用1965—1986年30 hPa逐日高度、温度资料和月平均臭氧资料，对环流的春季转变过程进行了诊断研究。结果表明:50°N以北极冠地区高度场涡动方差E指数小于4×104（dagpm）2的初日可以作为30 hPa自然天气季节进入春节的近拟度量；冬末至早春环流在压、温和经、纬向风场方面均有显著变化；定常和瞬变涡旋动量、热量通量和通量辐散（合）的时-空变化特征明显；春季转变早、迟两类情况下极区平流层热源——臭氧在经向、纬向和垂直分布方面呈现异常。     

我国秋、冬月降水、气温场的时空结构特征及其在我国初夏降水预报中的应用

将我国35个测站的秋、冬逐月降水量和平均气温进行经验正交展开,分析不同展开方案时的天气学、收敛性等意义.计算距平场的展开系数与初夏35站降水量的相关系数,用具有最大特征值的展开系数作为因子组成回归方程。得出:1)我国降水分布,冬季的大尺度特征比秋季明显;温度分布,则相反.2)我国秋、冬大尺度降水场与我国初夏降水有很好的相关;3)我国冬季大尺度温度场亦能对初夏降水提供预报信息,但秋季的温度场则不能.最后,用非独立和独立样本资料对回归方程作了检验.     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.     

不同区域海温异常对中国夏季旱涝影响的诊断研究和预测试验

利用季降水异常的典型集合相关预测模式, 研究了前期和同期不同季节全球海表温度距平场与中国夏季旱涝的遥相关分布特征以及这种相关型随季节的变化, 揭示了全球海温的异常变化在中国夏季旱涝中的信号特征.研究表明, 全球不同区域海温对我国夏季降水的影响存在着明显的季节差异.全球特定的海温分布可以作为中国夏季旱涝预报的信号因子.选取不同区域及不同时段的海温场作为因子场分别对1998、 1999年这两个典型年份的我国夏季降水进行了诊断研究和预测试验, 并通过不同区域海温的影响权重做集成预测.试验结果表明:不同区域海温的集成预测不仅可以有效地提高预测的准确性, 而且可以揭示不同时段不同区域海温的异常变化在夏季旱涝中的强信号现象.     

多因子序数的非线性回归分析及其在天气预报中的应用

本文将预报对象y_((t))~((o))和因子xi_((t))~((o))变换成相应的序数数列y(t)、xi(t),运用xi与y间秩相关系数作t检验,进行因子筛选,选取与预报对象序数差之总和最小的因子组合,建立正交多项式预报方程,取得了较好的效果。     

近百年夏季西太平洋副热带高压的变化

利用国家气候中心给出的1951～1998年副高强度(Is)、西界(Iw)、北界(IN)3个指数与国家气候中心同期的500hPa观测高度场分别作相关分析,并在高度场中分别找出几个有意义的点,用其高度计算副高3个指数I＇s、I＇N和I＇w,计算出I＇s与Is、I'N与IN、I＇w与IW的相关系数均大于Is、IN和IW与单点高度的相关系数.对NCEP资料作同样分析,结果相同,说明可以利用500hPa高度场数值计算副高活动指数.于是利用重建的1880～1950年北半球高度场资料将副高3个指数向前恢复到1880年.对1880～1999年副高强度、西界、北界作功率谱及小波分析,发现副高强度、北界具有明显的40年周期,西界具有明显的16年周期,即副高指数的变化以低频振荡为主.北界还有3～5年的年际变化.     

MM5V3对东亚区域大气环流模拟能力的检测

为了检验参加亚洲区域气候模式国际比较计划(RMIP)的数值模式MM5V3模拟气候及其变化的能力,对利用该模式完成的东亚区域(包括大部分亚洲大陆、西太平洋、孟加拉湾和南海地区)1989～1998年10年模拟试验积分结果,用奇异值分解(SVD)分析了模式模拟和观测(NCEP/NCAR再分析资料)的500 hPa月平均高度场之间的关系,得到检验数值模式模拟气候及其变化能力的两种有效指标:模态相关系数和异性相关系数.对500 hPa月平均高度场及其距平场和冬、夏季的月平均高度距平场进行SVD分析,由North检验显著的前两对模态都有很高的模态相关系数和异性相关系数分布.结果表明: MM5V3对500 hPa月平均高度场气候态及其异常变化有一定的模拟能力,模拟的冬季比模拟的夏季情况要更好.