（气象学专业论文）西南低涡的气候特征及与降水的关系研究.pdf

摘要 西南低涡是我国重要的暴雨天气系统。本文利用n c e p n c a r 再分析的一日 四次高度场、风场资料，尝试用天气学和统计学的方法确定西南低涡的定量统 计指标，统计分析5 4 年西南低涡发生的时次及其时空分布等。 对1 9 5 1 2 0 0 4 年低涡发生时次的统计研究表明；源地低涡的年平均统计时 次逐年变化表现出明显的年际年代际规律，总体呈现出下降趋势，在1 9 6 5 年左 右低涡出现时次由多变少的突变，在源地出现时次具有较显著的四年，十年左 右的周期。低涡在源地有明显的月变化，在空间分布上从5 月到9 月依次减少。 移动低涡的年平均统计时次逐年变化表现出显著的上升趋势，具有明显的月变 化。低涡统计时次与长江中下游及其周边的降水量在年代际尺度上的相关较好， 低涡引起降水的逐年变化也呈现上升趋势，从5 月到9 月逐月减少。引起降水 的低涡与对应降水的逐年变化很相似，也有明显的月变化。 考虑到低涡的发展分为东北、偏东、东南方向，根据低涡不同路径上的统 计分析及其对应的时空分布。低涡在偏东方向和东北方向出现时次的比率距平 表现出的年代际变化大概有十年左右的周期。低涡发展偏多年份合成场表明低 涡受到高原东部槽前西南气流和西太平洋副热带高压西侧的偏西气流引导下向 东部移动，夏季充足的水汽来源也为低涡的移动发展提供动力条件。不同发展 方向低涡对应的降水影响不同区域，其中偏东方向发展的低涡最多，引起降水 比率最大，影响的范围最广，降水量级也最大。 关键词：西南低涡，移向，长江中下游降水 l l i a b s t r a c t t h es o u t h w e s tv o r t e xi so n eo f t h em a j o rh e a v yr a i ns y s t e m si nc h i n ad u r i n g 鄹咖瓶 t h es t a d s t i c a tm 鼓嘟瑚m 圮n ti sa 土t e m p t e dt h l o u 毛豇s y n o p t i ca n ds t a t i s t i c a lm e t h o d , b y u s i n gt h en c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t ao ft h eg e o p o t e n t i a lh e i g h ta n dw i n df o r5 4 y e a r s ( 1 9 5 1 2 0 0 4 ) ，t or e v e a l s t a t i s t i c a la n a l y s i so na c t i v i e so fs o u t h w e s tv o r t e x s d i s t r i b u t i o ni nt h es p a c ea n dt i m e t h es t a t i s t i c a la n a l y s i so na c t i v i t i e so fs o u t h w e s tv o r t e xd u r i n g1 9 5 1a n d2 0 0 4 i n d i c a t et h a tt h ea v e r a g ef e q u e n c yy e a r l yo f t h es o u t h w e s tv o r t e xi ns o u f c er e g i o ni s r e g u l a ri ni m e r a n n u a la n dd e c a d a lt i m es c a l e a ta b o u t1 9 6 5t h ef r e q u e n c yi nw h o l e s e q u e n c eo f t h es o u t h w e s tv o r t e xc h a n g et ob el e s sa b r u p t l y t h ef r e q u e n c yi ns o u r c , e r e g i o no fv o r t e xh a v ep r o m i n e n tp e r i o di n f o u ra n dt e ny e a r sa n dc h a n g ev i s i b l y m o n t h l y t h ed i s t r i b u t i o ni nt h es p a c ei sd e c r e e i n g f r o mm a yt os e p t e m b e r t h em o v i n gv o r t e x sy e a r l ya v e r a g ef i e q u e n c yi si n c r e a s i n gy e a rb yy e a ra n dh a v e v i s i b l ec h a n g e sm o n t h l y t h ec o r r e l a t i o nw i t ht h ef r e q u e n c yo ft h em o v i n gv o r t e x a n dt h ep r e c i p i t a t i o na r o u n dt h em i d d l ea n dl o w e rv a l l yo fy a n g t z er i v e ri sm u c h b e t t e r t h ep r e c i p i t a t i o nb yv o r t e xi sa l s oi n c r e a s i n gy e a rb yy e a ra n dd e c r e a s i n g f r o mm a yt os e p t e m b e r t h ev o r t e xa r o u s i n gt h ep r e c i p i t a t i o ni ss i m i l a rt ot h a t p r e c i p i t a t i o ni nc h a n g e sy e a r l y t h em o v i n gv o r t e xh a v et h r e ed i r e c t i o n s ：n o r t h e a s t , e a s ta n ds o u t h e a s t , a c c o r d i n g t ow h i c hs t a t i s t i c a la n a l y s i s0 na c t i v i t i e so fr e l e v a n tv o r t e x si ns p a c ed i s t r i b u t i o ni n d o n e t h ea n o m a l o u sf r e q u e n c yo fv o r t e xn o r t h e a s t w a r da n de a s t w a r di n d i c a t ei n d e c a d a lt i m es c a l ec h a n g e ，w h i c hh a v et h et e ny e a r sp e r i o d t h ec o m p o s i t eo ft h ey e a r si nw h i c ht h em o v i n go fv o r t e xi sm o r er e v e a lt h a t v o r t e xi sm o v i n ge a s t w a r dl e a d i n gb ya i r f l o wl e a n i n gt ow e s ta n dt h ea b u n d a n tv a p o r i ns u n 3 1 n e rc o u l da f f o r dt h ev o r t e xd y n a m i ct om o v e t h ev o r t e xw i t hd i f f e r e n t i v d i l 矗2 t i o n bi n f l u e n c ed i f f e r e n t 雒r e a s ，t h c r c m t ow h e r ei sv a s t e ra f f e c t e db yt h ev o r t e x e a s t w a r da n dt h ep r e c i p i t a t i o ni sm u c hm o 聪 k e y w o r d ：s o u t h w e s tv o r t e x ，m o v i n gd i r e c t i o n ，p r e c i p i t a t i o no f t h em i d d l ea n dl o w e r v m l e yo f y a n g t z er i v e r v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意 作者签名：障 日 期：垣酗血泣一一 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名：罩盘i 墼一 日期：丑涟6 龟i 蛆 第一章引言 l - l 西南低涡简介 正因为涡度这一物理量有一定的天气学意义，特别是低压涡旋与发生强烈的天气现象 有直接的关系，作为天气预报实践和理论研究的需要，常以低涡生成的准定常源地的地名 给以命名。例如，。东北低压”，。江淮气旋”，“西南低涡”等等。 我国老一辈气象工作者早就注意到西南低涡夏半年对我国降水的影响。我国近代地理 学、气象学的奠基者竺可桢先生1 9 1 6 年发表在“科学”杂志上的他的第一篇气象论文“中 国之暴雨及风暴说”一文中，就曾指出；“中国东南部之风暴，多起源于西藏或四川，所取 道大多数均沿长江流域，然亦有循黄河流域者。行程自四川至东海或黄海2 日”竺先生 在这段话中指的风暴，无论是源地，还是移向、移速，都与今日的西南低涡( 也可能包括 西北或高原低涡) 相同，因此，可以断言，它包括西南低涡。 众所周知，西南低涡是中尺度的浅薄系统，主要反映在7 0 0 百帕等压面上。在本世纪 的初期，由于历史条件的限制，根本没有高空图分析，所以明确提出砥南低涡的概念只能 是后来的事情。解放以后，气象事业得到迅速发展，比较丰富的气象观测资料为研究西南 低涡提供了条件。 l 1 1 西南低涡定义 究竟什么是西南低涡? 最早关于西南低涡的定义有两重意思：一是在7 0 0 百帕等压面 上在川西附近有一个气旋性的低涡；二是在地面图上与低涡对应的地区，2 4 小时变压为负 变压。这两层含义组合起来就构成了西南低涡( 早期也有叫西南低压) 关于西南低涡比较严格的定义，四川省成都中心气象台1 9 6 4 年4 月的一份研究材料中 这样规定：( 1 ) 西南低涡有别于西北涡，它产生于西南地区；( 2 ) 西南低涡主要是7 0 0 百 帕上的高空中型气旋，因此它产生的地区仅限于高原东麓3 5 0 0 米以下的地区。在2 8 。3 0 n 以北地区，7 0 0 百帕低涡不应分析到1 0 3 。e 以西；在2 8 。3 0 n 以南则可向西延伸到 1 0 0 。e ；( 3 ) 西南低涡虽然是比较浅薄的高空气旋，但不能单凭四周风向来确定低涡，还 必须根据周围高度值画一条闭合等高线为确定低涡的补充条件。 l 以后揭露出更多的实事说明，西南低涡在源她新生以后，有的有强烈的天气现象配合， 有的则没有出现强烈的天气现象而逐渐填塞；有的能从源地外移它区，有的在源地附近消 失；有的能完整地画出一条以上的闭合等高线，有的只在流场上存在气旋性环流，伴随强 烈对流性天气现象后，才出现闭合低涡，不同的实际和理论工作者，又往往根据自己具体 工作的需要作出这样或那样的约定，因此，对西南低涡的含义表现出明显的差异。但是， 也充实了新的内容。突出的有以下两个方面： ( 1 ) 随着气象卫星的发射成功，卫星云团的问世并投入天气预报业务，出现了所谓低涡云 团的看法。看法认为，在西南低涡生成之前，常有云团或云系在“雅一布河谷”和四川盆地 积聚。 ( z ) 西南地区，特别是四川省所属气象台站的工程师和预报人员，根据多年实际工作的经 验，提出所谓“气旋曲度”的概念。所谓“气旋曲度”是指出现在7 0 0 百帕等压面上，在 青藏高原东南缘( 包括四川西部) 的中尺度气旋性环流，从高度场的数值上，在上述地区 画不出c j j 合等值线。 肘至今日，关于西南低涡的定义还存在分歧，这是人们认识事物的必然发展过程。但 是，有一点很明确。这就是西南低涡是在青藏高原东南缘特殊地形影响下，出现在我国西 南地区7 0 0 百帕等压面上的，浅薄的中尺度气旋式涡旋。 1 1 2 西南低涡的涡源 西南低涡的涡源是指低涡新生的相对集中的地区，它同西南低涡的定义一样，随着探 测技术的发展，对涡源的认识也有一个发展过程。最初认为低涡只能在1 0 0 。e 以东产生， 后来通过卫星云图的分析，又提出了一些新的看法。有的认为，低涡初生地点全部集中在 9 5 。e 以西的高原西部和中部；有的认为，某些低涡由咸海及其附近移来，高原低涡主要 发生在昆仑山和阿尔金山南麓，其次发生在拉萨及班戈湖附近；还有的认为，低涡生成前， 红外线云图上在西部高原常有清楚的指示性云系产生，这些聚集的云团在特定的流场条件 下，可形成西南低涡，称此种云团为云涡，云涡出现的地区主要集中于三个地区“1 ：雅一布 河谷；黑河；四川盆地。此外，有的还零星分散在主要地区的附近地区，他们称上述三个 主要地区为西南低涡的“涡源”。显然，后面这几种意见把高原涡与西南低涡混为一谈了 2 即使从云涡概念出发，把。黑河涡”归并入西南低涡，也不恰当。 本文引用的涡源是参考陈忠明对西南低涡活动的统计研究所得到的高频区”：其一是 1 0 0 1 0 3 。e ，2 7 3 0 。n ，中心位于1 0 1 5 。e ，2 8 5 。n ，这就是过去人们常说的九龙生 成区；其次是1 0 5 1 0 8 。e 。3 0 3 3 。n ，中心位于1 0 6 4e ，3 1 。n 即四川盆地生成区； 其三是1 0 0 1 0 4 6e ，3 0 3 2 。n ，中心位于1 0 2 5 。e ，3 1 。n 称为小金生成区。 1 1 3 西南低涡的形成 早在五十年代初期就有人提出，西南低涡是在青藏高原特殊地形影响下所引起的动力 性低涡。并与高原东倒南边北上的暖空气及北边南下的冷空气在此形成显著的切变线有关。 以后的工作进一步深化了这个见解，强调不变的地形影响和多变的流场形势的相互作用。 西南低涡的形成与其源地的特殊地形有密切关系。四川盆地西部地处青藏高原的东南 缘，由于高原作用，有下列一些地形动力效应： ( 1 ) 青藏高原东南缘为横断山脉，山脉的走向为西北至东南偏南方向。在春季，南支西风 由高原南缘向东沿横断山脉的谷地n - f l ：流去，由于地形的作用，使气流不断产生气旋性涡 旋，五月以后，西风带北撤，高原南缘盛行西南季风，西南气流沿高原南缘并通过横断山 脉河谷时，也同样会产生气旋性涡旋。 ( 2 ) 当低层的西南气流进入横断山脉时，由于左侧为青藏高原的主体部位，地势比右方高， 且地势自西北向东南倾斜，加上边界层内的摩擦作用，使得右边的风速比左边大，呈现气 旋性切变，有利于低涡的形成。 ( 3 ) 四川盆地低空形成的西南涡，其原因是当高原南缘为偏西或西南气流时，位于高原东 侧的四川盆地风速较小，而西南气流较强，由于绕流作用，遂产生气旋性切变，有利于低 涡的形成。此外，随着西南暖湿气流的加强，形成低空急流，带来大量的水汽，一般在低 涡的东南方，水汽比较充沛，由于潜熟的作用会使气旋性环流更加显著。 上述因地形而产生的动力辐合作用和西南气流输送水汽的条件是经常存在的但并不 是每天都产生西南低涡，说明西南低涡的形成还与当时的天气形势存在着一定的内在联系。 总之，西南低涡的成因是比较复杂的。除地形作用以外，急流汇合，高原南缘的西风切变， 不同来源的气流辐合，温度的不均匀分布，高空低槽和低层环流型等等，无一不参与作用。 3 然而从天气学观点来说，某些经常趁作用的因素，如地形、急流汇合，匿风切变和气流辐 合等，可以视作低涡形成的基本条件。之所以在高原东麓的西南地区能产生此种低涡，就 在于西南地区具有此项基本条件，但具有此项基本条件并不等于定会产生低涡。 1 1 4 西南低涡的结构 许多气象工作者对西南低涡的结构作过不少个例分析。由于这些个例各具特点，又不 处在同一发展期，还难于得出一个模式性的结论。此处只作简单说明。 ( 一) 流场：西南低涡在流场上一个共同特征是：低涡气流星气旋性向内辐合( 低层) ， 而高层呈反气旋式向外辐散，从低层到高层有上升运动，且低涡的东南部上升运动 最大。 ( 1 ) 涡度场中、低层( 指5 0 0 ，7 0 0 和8 5 0 百帕) 是正涡度区，只是在低层西部出现了 部分的负涡度场。这是由于低涡处在脊前槽后的位置。高层( 指3 0 0 和2 0 0 百帕) 是负涡 度区，仅在西部出现部分的正涡度场，这是由于低涡处在高空槽前的缘故。 ( 2 ) 散度场低层( 指8 5 0 和7 0 0 百帕) 的散度均是辐合占优势。高层则为辐散。在中层 ( 5 0 0 百帕) ，涡的北部是辐合，涡的南部为辐敖。 ( 3 ) 垂直运动由地面到中层的上升运动范围逐渐增大，到了5 0 0 百帕上升运动范围达最 大。而上升运动首先是低涡东部开始，到了3 0 0 - 2 0 0 百帕，低涡的北部是上升运动区，而 涡的南部是下沉运动区。这是因为低涡的北部处于高空槽前气旋性弯曲的地方，同时由下 层到上层皆为辐台，因此有上升运动；而涡的南部处于高空槽前的南部和副热带高压北缘 气流汇合处。 ( 二) 温湿场结构：低涡的温湿特性比较复杂，不同类型的低涡结构不一 ( - - - ) 冷涡及暖涡：有人根据低涡与5 0 0 百帕形势及地面温压场的配置关系，又将西南低 涡分为冷涡和暖涡。 ( 1 ) 冷涡这类低涡在7 0 0 百帕图上刚生成时都是暖性的，一般位于槽的底部或槽前，离 锋区较近，小股冷空气能在涡生成后卜2 天内侵入，使涡得以东移发展，所以叫冷涡。 ( 2 ) 暖涡在7 0 0 百帕图上暖涡与冷涡的主要区别是北边的锋区离低涡比较远，冷空气不 侵入涡内，所以称为暖涡( 或无锋面低涡) 。 4 1 2 西南低涡研究进展 因西南低涡发展引起一些地区的一些特大洪灾，国内外许多气象专家都对西南低涡的 研究产生了极大的兴趣k o u 、w a n g ，姜勇强、王智等对西南低涡的发生、发展及其 降水等作了动力诊断和模拟研究。程麟生等“1 对一次西南低涡的演变进行了一系列数值试 验，讨论初始条件和青藏高原对低涡演变的影响。韦统健“1 用合成分析方法研究了一次西 南低涡的三维流场结构，分析了低涡的铅直运动形式造成的不同天气类型。陈忠明将西 南低涡视为迭加在环境场上的一个扰动，把考虑环境场和非绝热作用下的次天气尺度扰动 方程组写在一个简单斜压两层模式上，由此分析了影响西南低涡移动的主要因子。丁治英 等嘲研究了移动与不动涡之间的主要差别，在1 9 8 11 9 8 7 年4 7 月西南低涡生成次数最 多的地区选取发展东移与不发展东移各8 个个例进行了合成对比分析，从天气学预报的角 度出发，确定低涡移出的条件。马振锋“采用低频重力波指数法，从应用角度出发，对西 南低涡发展演变及其暴雨强度、落区进行了诊断分析与预测。卢敬华等“从描述西南低涡 运动的中尺度原始方程组出发，得到影响低涡移动的较为全面的因子，为认识低涡移动约 物理机制及其用于业务预报提供参考。邹波等【1 封采用常规和非常规观测资料对一次西南低 涡发生、发展过程进行了初步诊断分析，强调了大气边界层顶的非平衡动力强迫的重要贡 献。 陈忠明等“3 1 简要总结近1 0 年来取得的成果指出了存在的问题，对深化西南低涡的研 究工作具有积极意义。高守亭等“从环流与地形的相互作用方面对西南低涡活动的气候特 征进行了动力学研究，较好地解释了初夏低涡发生频繁的气候特征。朱禾等“”对1 9 9 9 年8 月l 2 日西南低涡暴雨过程的模拟分析强调地形与环流的恰当配置与耦合作用应该是西 南低涡生成的主要因素。近来。人们不仅重视西南低涡与周围环境系统的相互作用，而且 还注意到了西南低涡与热带气旋之间的远距离相互作用。陈忠明等“的分析发现，活跃于 南海的热带气旋，与活动于四j i f 盆地的西南低涡东侧的偏南气流贯通，实现两者的直接相 互作用，促进西南低涡发展与暴雨发生。对高原涡与西南低涡的相互作用又有了新的认识， 陈忠明等“指出：高原低涡与西南低涡的相互作用，由上下涡度平流强弱不同造成的垂 直差动涡度平流激发的上升运动增强与涡区内上下大气运动非平衡负值垂直叠加激发的辐 合与正涡度增长是导致高原低涡与西南低涡共同发展的动力机崩徐亚梅1 1 9 1 分析了低空急 流的加强对深厚西南低涡发展及稳定维持的作用，低空急流加强引起的低层强辐合产生的 潜热释放使得低涡深厚 1 3 研究意义 西南低涡是在青藏高原特殊地形与一定环流形势相互作用下形成于我国西南地区对流 层中低层( 通常在7 0 0 b p a 高度附近) 的中尺度涡旋，它是夏半年造成我国暴雨的重要天气 系统之一，就其所引起的暴雨天气的强度、频数和范围而言，可以说仅次于台风( 及其残 留低压) 。因此，关于西南低涡的研究，历来为我国气象工作者所重视。尽管过去已对西南 低涡作了大量的研究工作，但许多研究都是针对典型个例而进行的，对多年的统计方面的 工作还不够。因此加强对西南低涡话动的统计分析工作具有十分重要的意义。 1 4 本文拟研究的主要内容及框架 西南低涡的影响范围远远超出它的源地，此处将重心放在长江中下游地及其周边地区。 统计1 9 5 1 2 0 0 4 年西南低涡在源地及其移动到东部地区出现的时次。至今对西南低涡没有 一个统一的定义，一般的统计工作是从天气图上观察，能较好的记录下系统的生成、发展、 演变，而此处所傲是将统计工作简化成一个类似于批处理的过程。西南低涡是中低层的浅 薄系统，在演变过程中受很多因素的影响，几乎每个个例中的低涡演变的过程都是不太一 样的，所以要确立一个统计指标始终把握住低涡并不容易。根据低涡发展移动的不同路径 分别进行统计，记录在不同路径低涡出现时次的逐年变化及其相应的环流特征。用西南低 涡活动的多年统计结果结合降水资料进行分析，将西南低涡在长江中下游洪涝中的重要地 位尽量独立出来，单独分析其引起的降水，希望能从中找出西南低涡在影响长江中下游洪 涝灾害中的年际和年代际变化规律，如图1 1 。 6 圈1 1 7 第二章资料方法 2 1 资料说明 1 n c e p n c a r 提供的高度场、风场一日四次再分析资料( 0 0 时、0 6 时、1 2 时、1 8 时) ， 网格距为2 5 。2 5 。( 经度纬度) ，时问长度取为1 9 5 1 年至2 0 0 4 年，每年取5 月1 日0 0 时至9 月3 1 日1 8 时。 2 n c e p n c a r 提供的高度场、风场、垂直速度、比湿月平均再分析资料，网格距为2 5 。x 2 5 。( 经度纬度) ，时间长度取为1 9 5 1 年至2 0 0 4 年，每年取5 月1 日至9 月3 1 日。 3 降水量资料：国家气象局提供的中国7 4 0 站逐日降水量资料 2 2 方法说明 研究工作中主要采用了带通滤波、突变检验、小波分析、滑动平均分析、相关分析， 合成分析等方法。下面对其中一些方法进行说明。 2 2 1 带通滤波 大尺度系统可以提供中尺度系统形成的条件和环境场。中尺度系统才是直接造成暴雨 的天气系统，通过中小尺度系统内的对流活动，暴雨过程又可对大尺度背景场起反馈作用， 改变原有的风场、湿度场和大气层结等。 为研究不同尺度系统之间的相互作用，可以对空间场进行尺度分离。对于区域的尺度 分离，b a r n e ss l 于1 9 6 4 年根据高斯( g a u s s i a n ) 权重函数发展了一个中尺度滤波法， 后又于1 9 7 3 、1 9 7 5 、1 9 8 0 、1 9 9 6 年发表论文对此方法进行修正提高。人们称其为b a r n e s 中 尺度空间滤波法。目前，在m 晒、a r p s 、r a m s 等世界著名的中尺度模式中均使用这种方法。 原理 设p 等压面上某一气象要素的观测值为f k ，几l 七= 1 2 3 ，k 为测站序号，取，儿 分别为铡站的坐标。根据断n e s 滤波原理，由观测值f ( 颤，致) 确定的低远滤波初值场为 3 幽= 皆其中，= d 一割，幽连续函数，c 为激常数，咯为测站， k ，儿) 到仁y ) 的距离，h 为参加点g ，y ) 处滤波的资料样本数。响应函数为 砒班e x p ( - 叫= d 一竽) 她t 为城a 为龇c 为权重戮 响应函数的性质 ( 1 ) 对波长很长的波，响应函数趋于1 ，即民哼1 ( 2 ) c 减小时可以相当好地滤去极小尺度的波，即某些噪音。 测站处要素值与初值的差值可直接得到z k ，n ) = 亿m ) 一曜以) 改进方案 拣黜椭吼，牌期正蜘跏麓q 。舯 以= d 丢) ( 2 2 ) ，g 为另一个滤波常数，取值通常为0 2 o 4 。 与( 2 2 1 ) 对应的响应函数为墨= 风( 1 + r 孑一簖) 砒c ) _ d 一丁4 7 r 2 c g 与初始响应函数、新响应函数的关系简表： ( 2 3 ) ( 2 4 ) g初始响应函数新的响应函数 o 50 7 5 g = o 1 o 2o 3 6 o 5 0 8 5 g = o 5 o 2o 5 6 9 h靠q 忱 新响应函数的性质： ( 1 ) 新的响应函数r 可使短波振幅很快得到回复。 ( 2 ) g o 5 ，很难快速收敛。 ( 4 ) g 最好在0 2 o 4 之间。 对上述滤波结果再作一次订正： 罐l 一- - 硭，) + 丢晚，) 一噶) 】_ 羔巨k y ) 兰m ( 2 5 ) r k - ik - i 瓯g ，y ) = ) 一谍，) ( 2 6 ) = d 一荆 c z ， 其对应的响应函数为： 心= 墨+ 瓴一蜀三一心 汜s ， 低通滤波器( 2 1 ) 或( 2 5 ) 对不同的滤波常数c 和g 有不同的滤波性能。 选择两组合适的滤波常数c i 、g l 和c j 、g 2 使两个低通滤波器兄、b 分别保留中尺度 以上的波动信息和大尺度以上的波动信息。 低通场只减去低通场昂，即得带通滤波场：昂= 兄一日 ( 2 9 ) 2 2 2 突变检验 从统计学的角度，可以把突变现象定义为从一个统计特性到另一个统计特性的急剧变 化，即从考察统计特征值的变化来定义突变。此处应用了滑动t 检验( m o v i n gt - t e s t t e c h n i q u e ) 和砥检验( 1 l a n n - k e n d a l l ) 方法，对低涡出现时次进行突变检验。 ( 1 ) 滑动t 检验o f f r ) 滑动t - t t 验是考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变。其基本思想是把一气 候序列中两段子序列均值有无显著差异看为两个总体均值有无显著差异的问题来检验。如 1 0 果两段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平，可以认为均值发生了质变，有突变发 生 对于具有n 个样本量的时间序列x ，人为设置某一时刻为基准点，基准点前后两段子 序列而和而的样本分别为n a n 2 两段子序列平均值为写和五，方差为巧2 删屯2 。定义 统计量； t = 上式遵从自由度y = ，l i + 嘞一2 的t 分布 其中瑶n ，- n 2 - 2 这一方法的缺点是子序列时段的选择带有人为性。为避免任意选择子序列长度造成突 变点的漂移，具体使用这一方法时，可以反复变动子序列长度进行试验比较，提高计算结 果的可靠性。 ( 2 ) i ( m a n n - k e n d a l l ) 抛n n - k e n d a tl 法是一种非参数统计检验方法，亦称无分布检验，其优点是不需要样本 遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。 其中 对于具有n 个样本量的时间序列x ，构造一秩序列： i 以= 0 = 2 3 a ，玎) = 裟p 址啦川 可见，秩序列是第i 时刻数值大于j 时刻数值个数的累计数。 在时间序列随机独立的假定下，定义统计量： 呱=o = 1 ，2 ，a ，曲 其中l z = o ，e 仅) ，l , a r ( s k ) 是累计数的均值和方差，在而，屯a ，而相互独立，且 有相同连续分布时，它们可由下式算出： e 瓴) = 掣 v a r ( s 。) = n ( n - l 万x 2 一n + 5 ) v f , 为标准正态分布，它是按时间序列z 顺序而，x 2 a ，而计算出的统计量序列，给定显著 性水平口，查正态分布表，若c 砭p 虬，则表明序列存在明显的趋势变化。 2 2 3 小波分析 小波分析是最近十几年国际上十分热门的前沿领域，被认为是傅立叶分析方法的突 破性进展1 9 8 4 年法国地质学家j m o r l e t 在分析地震波的局部性质时，将小波概念引入 到信号分析中。进入2 0 世纪9 0 年代，小波分析在信号处理，图像处理、数字电路包括气 候诊断等许多领域得到了广泛的应用。 ( 1 )小波分析的来源 经典的傅立叶分析的本质是将任意一个关于时问t 的函数o ) 变换到频域上， f ) = f ，( f - d t 其中w 为频率；r 为实数域。f ( w ) 确定，o ) 在整个时间域上的频率特征。可见，经典的 傅立叶分析是一种频域分析。对时间域上分辨不清的信号，通过频率分析便可以清晰地描 述信号的频率特征。但经典的傅立叶变换有其固有的缺陷，即它几乎不能获取信号在任一 时刻的频率特征。这里就存在时域与频域的局部化矛盾。在实际问题中，我们恰恰关心信 号在局部范围内的特征。这就需要寻找时频分析方法。 1 9 6 4 年g a b o r 引入了窗口傅立叶变换 户 ，6 ) = 再1 f ，( f 风一6 p 毋 其中函数( f ) 是固定的，称为窗函数；矿( f ) 是妒o ) 的复数共轭：b 是时间参数。由上式可 知，为了达到时间域上的局部化，在基本变换函数之前乘上一个时间上有限的时限函数 矿( f ) 。这样口一“起到频限作用，缈( f ) 起到时限作用。随着时间b 的变换，妒确定的时闻 窗在t 轴上移动，逐步对，o ) 进行变换。从上式中看出窗口傅立叶变换是一种窗口大小及 形状均固定的时频局部分析，它能够提供整体上和任一局部化只是一次性的，不可能灵敏 地反映信号的突变。事实上，反映信号高频成分需用窄的时间窗，低频成分用宽的时闻窗。 在加窗傅立叶变换局部化思想基t t i 上产生了窗口大小固定、形状可以改变的时频局部分析 一小波分析。 ( 2 )小波变换 若函数妒( ，) 满足下列条件的任意函数 j ：y m = o i 臀 其中矿( w ) 是( f ) 的频谱。令 山) 埘ii j 1 妒( 等 为连续小波，吵叫基本小波或母小波，它是双窗函数，一个是时间窗，一个是频率谱。j o ) 的振荡随南增大而增大因此，a 是频率参数，b 是时间参数，表示波动在时间上的平移- 那么，函数( f ) 小波变换的连续形式是： w ，。删口| 一；l 厂( ，h 等卜 由上式看到，小波交换函数是通过对母小波的伸缩和平移得到的。小波变换的离散形式是： m ( 口，6 ) = i a i z 1 - 眦台 八r 出( 了i a t - b ) 式中a t 为取样间隔；n 为样本量。离散化的小波变换构成标准正交系，从而扩充了实际应 用的领域。 2 2 4 滑动平均分析 滑动平均是趋势拟合技术最基础的方法，它相当于低通滤波器。用确定时间序列的平 滑值来显示变化趋势。对样本量为n 的序列x ，其滑动平均序列表示为： 毛= 撼x t + j - i ( ，= l 2 ，万一k + 1 ) ，一i - i 式中k 为滑动长度。作为一种规则，k 最好取奇数，以使平均值可以加到时间序列中项的 时间坐标上。若k 取偶数，可以对滑动平均后的新序列取每两项的平均值，以使滑动平均 对准中间排列 可以证明，经过滑动平均后，序列中短于滑动长度的周期大大削弱，显示出变化趋势。 1 4 第三章西南低涡统计研究 3 1 前言 西南低涡是源于我国西南山区的特殊的中尺度涡旋，它在影响我国的降水天气系统中 占有相当重要的地位。故此，早在本世纪如年代，我国老一辈的气象科技工作者在资料缺 乏的条件下，就己对它着手进行研究。至此，已有大量的专题文献“1 和专著“”1 关注到 相关内容，研究水平已达到一定的广度和深度。这些工作归结起来，可以粗略地分为3 个 阶段：初期，气象业务部门为业务预报的需要，主要研究西南低涡的天气事实和运动路 径，研究方法多以统计和天气学分析；中期，由于研究部门和高等学院介入，主要研究西 南低涡的结构，同时，也注意到物理机制研究的重要性；8 0 年代，更着重于西南低涡生成 机制的研究，以动力学分析和数值试验为主要研究方法。 对西南低涡产生频率的统计，以前已作了许多的工作，但有些时限均较短。黄家信 使用1 9 7 2 1 9 7 6 年的资料，统计了四川地区上空出现的低涡，确定了低涡移动路径的预报。 也有傲了十年及更长时间的统计工作。卢敬华。等统计了1 9 7 0 1 9 8 9 年2 0 年西南低涡生 成的资料，得到了西南低涡生成的月际和年际分布的基本事实。马振锋等利用1 9 8 0 1 9 9 1 年天气图资料对西南低涡的发生、发展及其移动进行了若干统计分析，从而对西南低 涡规律得到了一些新的认识山东省气象台朱官忠等1 对1 9 7 1 1 9 8 0 年5 9 月份的影响 山东的西南低涡进行了较详细的分析，得到了一些可供业务预报中使用的统计规律。段炼 利用1 9 6 0 1 9 9 9 年汛期西南低涡不同移向的致据资料与同期移向相对应站点的降水量 进行同步相关分析和检验，在1 0 年以上时间尺度上找到良好的对应关系。陈忠明等“1 用 l o 年逐日资料对西南低涡的活动进行统计分析。揭示了西南低涡活动的年，季、月和日变 化特征。刘国忠“删等利用1 9 9 6 - 2 0 0 5 年近l o 年的再分析资料，对影响华南地区的西南 低涡以及致洪低涡嚣动进行系统性的统计研究，为华南地区低涡以及致洪暴雨预报提供依 据。 本章利用n c e p 籼再分析的一日四次高度场、风场资料，尝试用天气学和统计学的 方法确定西南低涡的定量统计指标，统计分析5 4 年西南低涡发生的时次及其时空分布等。 1 5 3 2 资料处理 此处所用的数据是1 9 5 1 - 2 0 0 4 年n c e p n c a l c 高度场、风场一日四次再分析资料。分辨 率2 5 。x 2 5 。 陈忠明0 8 曾详细研究大尺度环境场对次天气尺度系统发展和移动的影响。为了剔除小 尺度波动的干扰及大尺度环境场的影响，将资料进行滤波处理。根据气象场中尺度带通 滤波方法研究嗍，选取如表3 i 1 澹波常数： 表3 i 带通滤波常数 b r 卸5 最大响应 最大响应主要保留强度指数 干扰指数 滤波常数 对应波长 波长以 函数值 波带 翟 d q = 5 0 0 0 g l = 0 3 5 一3 0 0 5 0 00 9 63 0 0 2 8 0 00 8 4 10 2 1 7 c 22 7 0 0 0 0如* 8 0 0 ( 最卸3 5 保留了最大响应波长为5 0 0 公里的波。西南低涡的尺度一般在3 5 0 5 0 0 公里，由此资 料中保留了所需要的中尺度信息。 3 3 定义低涡统计方法 对于西南低涡的统计，至今尚没有一个统一的定义，只是大家普遍接受的一条规定是， 普查高空7 0 0 h p a 天气图在青藏高原东麓特定地区生成的，至少有一条闭合等高线的气旋式 低涡环流为西南低涡 王赛西1 根据大气动力原理，设计了西南低涡移动路径客观预报系统，并利用该预报 系统对1 9 7 1 1 9 8 5 年1 5 次西南涡东移过程进行检验。成都气象台“”建立了知识库，用人工智 能专家系统的方法预报西南低涡的发生、发展，制作夏季西南低涡的短期预报。类似本文 所作的统计工作，如姚素香等1 统计的近5 0 年春季东亚温带气旋活动频数的气候特征及其 变化。 本文所用的统计方法是应用一个计算质量中心的程序对数据进行整理，提出符合条件 1 6 的低涡数据。首先定义发生源地：1 0 0 1 0 7 5 e ，2 7 5 3 5 。n 。定义关键区：1 1 0 1 1 2 。5 。e ，2 7 5 3 5 n ，由于本文主要考虑西南低涡对长江中下游的影响，所以确定关键区时 取的网格范围重点在长江中下游地区。 西南低涡为7 0 0 h p ai - 的一个浅薄系统。如果将它作为一个质点，其正涡度与毗邻地区 比较为极大，据极值原理有：兰錾坚：o ；a f u ：o 。若以低涡中心为原点，取随之移动 的运动坐繇则有施丢( 翔= o ；叭- f 笪砂l o 。 定义低涡确定条件： 7 0 0 h p a ：存在u - - 1 o e 5 秒； 垂直方向：9 2 5 h p a 5 0 0 h p a 涡度值均为正。 参照图3 1 计算步骤如下：在源地1 0 0 1 0 7 5 。e ，2 7 5 3 5 9n 搜索连续两个时次， t 时刻和t + l 时刻有满足条件的低涡；下个时次，即t + 2 时刻在关键区搜索到满足条件 的低涡，确定低涡位置a ；从位置a 开始在关键区1 1 0 1 2 5 。e ，2 7 5 3 5 。n 搜索连续四 个时次，即t + 2 t + 5 时刻，至连续十个时次，即t + 2 t + 1 2 时刻，搜索到满足条件的低涡， 确定低涡位置b 这里连续时次的选取是考虑到低涡的移动速度，而b 即为统计到的低涡 位置，可记录下对应的低涡强度等。 搜索时以低涡半径为搜索半径，在搜索范围内从中心向外围计算在格点上的涡度值， 并按权重做区域上的涡度值的累加，在整个区域寻找最小值位置，将最小值位置再插值到 格点上。以确定低涡位置。 从上述方法可以了解到，最后统计得到的b 的次数并不是传统统计方法得到豹低涡发 生次数，而是每个时次对应格点上搜索到满足条件的低涡的一次记录，然后将这些记录按 日、月、年累加起来即得到对应格点低涡发生的累积时次，这不仅与低涡发生的次数有关， 而且还与低涡持续时间的长短有关。， 1 7 3 4 西南低涡的时空分布 3 4 1 低涡生成的时间分布 按照确定的统计标准，在1 9 5 1 2 0 0 4 年每年5 4 9 月份中源地共统计西南低涡出现时 次3 9 9 1 次，平均每年7 3 9 次，统计时每年的总时次都平均到月，即5 得到。由图3 3 ， 变化规律不显著，统计西南低涡时次最多的1 9 5 4 年有9 6 次，而最少的1 9 7 7 年有5 8 次， 两者相差不到一倍。而6 0 年代中期往后的低涡出现时次明显减少，尤其是1 9 6 5 1 9 7 9 年 间出现的低涡时次持续偏低，这应该与大气环流形势的变化影响有关 图3 31 9 5 1 - 2 0 0 4 年源地低涡出现时次的年变化直方图 图3 41 9 5 1 - 2 0 0 4 年源地低涡出现时次年变化距平 图3 4 展示了西南低涡出现时次的年变化距平图，从此图可以更明显地看到低涡出现 时次的年际年代际变化，在1 9 7 9 年之前主要表现出年代际变化的规律，1 9 7 9 年之后主要 表现出年际变化的规律。1 9 7 9 年之前，从5 0 年代初到6 0 年代中均是正距平，从6 0 年代 中到7 0 年代末除了1 9 6 8 年和1 9 7 4 年外均是负距平。1 9 7 9 年之后，低涡出现时次表现以 较规律的年际变化，从图上看周期约在4 年以下。而1 9 5 1 年2 0 0 4 年总体呈现出了明显的 下降趋势。 查看图3 4 中，在1 9 6 5 年和1 9 7 9 年表现出年际上的转变，这样的转变是否是年际的 突变，为了验证这一想法采用气候突变检验。如图3 5 用滑动t 检验检测1 9 5 1 2 0 0 4 年 源地低涡出现时次序列的突变。这里两子序列长度，l t = 以，= 5 给定显著性水平口= 0 0 1 和口= 0 0 5 。从图中看出，t 统计量有两处超出0 0 1 显著性水平，一处是正值，出现在 1 9 6 5 年。一处是负值，出现在1 9 8 0 年。说明在6 0 年代中，源地低涡出现时次有一次由多 转少的明显突变。8 0 年代初源地低涡出现时次有一次由少转多的明显突变。 但是滑动t 一检验的子序列时段的选择带有人为性，为了避免这一缺点且不受少数异常 值的干扰，再应用m a n n - k e n d a l i 法进一步检验图3 6 展示了1 9 5 1 - 2 0 0 4 年源地低涡出 现时次的m k 检验，由i j f 曲线可见，自6 0 年代以来，源地西南低涡的出现时次有明显的 减少趋