（气象学专业论文）阿留申低压异常的气候统计学分析.pdf

摘要 根据闭合气压系统环流指数和中心分布特征量的定义，给出了阿留申低压 的面积( s ) 、强度( 尸) 和中心位置( 九，纯) 指数以及阿留申低压的中心特征量( 平 均距离，、压缩系数弘、主要异常方向卢) 的计算方法。使用1 9 4 8 2 0 0 7 年冬季 1 2 2 月n c e p n c a r1 0 0 0 h p a 月平均高度场资料，计算了整个冬季通用的阿留 申低压环流指数和中心分布特征量。对阿留申低压的气候态和异常变化，及其 与e n s o 和北半球相关区域气候变化关系进行了分析，分析结果表明： 阿留申低压在1 月份的强度最强；在整个冬季中心基本位于阿留申群岛附 近，以经向散布为主；主要控制区域位于3 0 0 n 以北的北太平洋海域；整个冬季 和逐月平均阿留申低压的面积、强度指数的分析价值相当：随阿留申低压的强 度增强( 减弱) ，其中心位置易偏东( 偏西) 。1 9 7 07 s 中期以前强度尸指数基本 位于高值期，阿留申低压强度较弱；1 9 7 07 s 中期到2 0 0 0 s 中p 指数基本处于低 值期，阿留申低压比较强；从本世纪初开始尸指数逐渐增大，阿留申低压相应 减弱。 o n i 指数和p 指数有显著的负相关关系，和指数有显著的正相关关系。 由于强e 1n i f i o 年阿留申群岛附近海域s s t a 在整个冬季和逐月均保持正距平， 并且在东部阿拉斯加湾海面正距平明显，受下垫面异常加热的影响，在强e ln i f i o 年阿留申低压强度偏强，位置偏东。 阿留低申压强度对北半球1 3 5 0 e 以东至f j 4 5 0 w 以西的区域气温和降水有较显 著的相关关系，其中太平洋北部地区、北美大陆西部地区、墨西哥湾地区几个 显著的相关区，这些显著相关区呈正负相关交替的波列状分布，下游效应明显。 关键词：阿留申低压；指数；分布特征量；气候态及异常分析。 a b s t r a c t u s i n g10 0 0 h p an c e p n c a rm o n t h l ym e a ng e o p o t e n t i a lh e i g h t ，s i xc i r c u l a t i o n i n d i c e sa r ed e f i n e df o rd e s c r i b i n gw i n t e r ( j j a ) c l i m a t i ca n da n o m a l o u sc h a r a c t e r i s t i c s o fa l e u t i a ni o w ( a l ) ，w h i c ha r ea r e ai n d e xs ，i n t e n s i t yi n d e xp ，c e n t e rl o c a t i o n i n d e x ( 丸，饥) ，a v e r a g ed i s t a n c e ，c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n tpa n d m a x i m u m a n o m a l y d i r e c t i o n9 。t h e i rr e l a t i o n s h i p sw i t he n s oa n d r e g i o n a l c l i m a t i c a n o m a l o u si nt h en o r t h e r nh e m i s p h e r ea r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u k ss h o wt h a t ： t h ei n t e n s i t yo fa li nj a n u a r yr e a c h e sm a x i m u m ，i t sc e n t e r ss c a t t e rm e r i d i o n a l yi n t h ea l e u t i a na r c h i p e l a g on e a r b y , a n dd o m i n a t em a i n l yi nt h en o r t ho f30 。no ft h e n o r t h e r np a c i f i c b o t hsa n dpi n d i c e sf o ra li nt h ew i n t e rh a v es i m i l a rs e n s ef o r d e s c r i b i n gt h es t r e n g t ho fa l t h ec e n t e r so fa lt e n dt ob er e a c h i n ge a s t ( w e s t ) ， w h e na l g e ts t r o n g e r ( w e a k e r ) t h ei n t e n s i t yo ft h ew i n t e ra li sw e a kb e f o r em i d 一 19 7 0 s ，a n dt h e ng e t ss t r o n gu n t i l2 0 0 0 s ，a n dt u r n sw e a ka f t e r2 0 0 0 s o n ii n d e xs h o w ss i g n i f i c a n t l yn e g a t i v ec o r r e l a t i o n 埘也p ，w h i l es i g n i f i c a n t l y p o s i t i v ec o r r e l a t i o n 、访也疋i nt h ew i n t e r , p o s i t i v es s t a sa p p e a rn e a rt h ea l e u t i a n a r c h i p e l a g os e aa r e a sc o r r e s p o n d i n gt os t r o n ge 1n i f i oy e a r , e s p e c i a l l yn e a rt h ee a s t o ft h ea l a s k ab a y d u et oa b n o r m a l l yh e a t i n gf r o mu n d e r l y i n gs u r f a c e ，a lg e t s t r o n g e ri n t e n s i t ya n di t s c e n t e rl o c a t e se a s t a l spi n d e xs h o w ss i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o nw i t hr e g i o n a la i rt e m p e r a t u r e sa n dp r e c i p i t a t i o n s ，i n c l u d i n gt h en o r t h p a c i f i c ，w e s t e r nm a i n l a n do ft h en o r t ha m e r i c aa n dt h em e x i c a nb a y , a n dt h e s e s i g n i f i c a n ta r e a sf e a t u r eb yw a v ep a t t e r n , i n d i c a t i n go u t s t a n d i n gd o w n s t r e a me f f e c t s k e yw o r d s ：a l e u t i a nl o w , c i r c u l a t i o ni n d i c e s ，d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t y , c l i m a t i ca n da n o m a l o u sa n a l y s i s n 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、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 yi 躺t 。 作者签名：至垂：墨 日 期：之翌：上： 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。 、1q 一 作者签名：里盘丝 日 期：丝z ：互。 第一章绪论 1 1 研究阿留申低压意义和目的 大气环流是大气最基本的特征，是天气、气候形成和演变的基本原因之一 【l 】。尤其近地面大气环流异常对区域气候要素的变化有直接和重要的影响，是 我们更深入地了解气候变化规律和气候变化原因之一【2 】。阿留申低压作为大气 环流的重要组成部分，是指北太平洋阿留申群岛附近的半永久性低压，它是北 半球半永久性大气活动中心之一。阿留申低压的强弱、位置变化对气候变化具 有重要的影响：其中心东侧和西侧的气流位置、强弱变化直接影响着极地和温 带太平洋之间的热量交换，中心南侧气流的强弱影响着西风漂流的强度，阿留申 低压的位置和强度对北太平洋沿岸的天气、气候有重要的影唰孓5 1 。同时，阿留 申低压冬季稳定存在于北太平洋对流层下部，是极地海洋气团的源地，它的存 在影响着周围区域的气候变化【6 - 7 】。近年的研究结果表明北极涛动与太平洋年代 际振荡耦合的关键可能在于阿留申低压：强的北极涛动导致阿留申低压加深， 进而通过北半球中纬度的海气相互作用影响到太平洋年代际振荡，反之亦然【引。 在太平洋年代际振荡的研究中，阿留申低压在中纬度海气相互作用过程中具有 重要的影响 9 - 1 3 】。因此开展阿留申低压的气候态和异常变化、与e n s o 和北半 球区域气候关系的研究对于研究气候变化是非常有必要的。 1 2 研究工作回顾 在北太平洋冬季月平均海平面图上，最明显的大气活动中心是与高空东亚 大槽相对应的阿留申低压关于阿留申低压的年际、年代际变化，已有许多工作 开展了研究【9 - 1 1 1 。王绍武论证了大气活动中心的多年变化，发现存在着明显的周 期性，主要周期有2 2 年周期，3 5 年周期，可能还有世纪周期，其中东亚大气活 动中心存在着多年变化的3 5 年周期最明显【1 4 】。北太平洋的年代际变率具有多时 间尺度性，其中最显著的是周期约为1 0 一- - 2 0a 左右的准2 0 年振荡模态【1 5 】。而北 太平洋风场具有7 年和1 4 年的低频振荡和2 3 个月的高频振荡周期【1 6 1 。对于本 章的研究重点，以往的研究也表明冬季阿留申低压有显著的1 6 年和2 2 年周期 t l t 0 李崇银等认为北太平洋涛动( 0 ) 的振幅在6 0 年代发生了明显的增大， 其主要振荡周期也由6 0 年代以前的3 - - - 4a 变成了8 1 5 a i l 3 】。年代际变化是该 区域海气相互作用的主要时域特征，“突变”发生在1 9 7 0 年代后半期，年代际 变化的环流实质是北太平洋中部前期( 1 9 7 0 年代中叶以前) s s t 持续偏高，相应1 ( 7 ) 月阿留申低压( 北太平洋副高) 偏弱、位置偏西( 变化不明显) ，而东亚冬( 夏) 季 风偏弱，反之亦然【l 引。北太平洋涛动在1 9 7 6 年左右存在着一次明显的气候突变， 而突变前后大气环流场及遥相关型均发生了显著的变化【5 】。冬季阿留申低压地 区上空存在较强的凝结加热，该处凝结加热在2 0 世纪7 0 年代末发生了一次明 显的阶段性转折【l9 】。朱乾根等更进步指出北半球冬季主要的大气活动中心在 近1 1 0 a 内分别发生了3 次气候突变，时间约1 9 2 0 年代，1 9 4 0 年代中期，1 9 7 0 年代中后期、各活动中心变化时间差别不大【2 0 1 。 美国气象工作者首先发现了阿留申低压的海平面气压同美国西部的高原高 压存在着负相判2 1 】。2 0 世纪8 0 s ，人们的研究逐渐关注阿留申低压在海气相关 中的作用。例如，在阿留申低压与夏威夷高压同时增强或减弱( n p o ) 翰及其与 太平洋和北美的气候变化1 3 、影响中纬度海气相互作用1 4 7 】、阿留申低压和 e 1n i f i o 事件的关系【1 2 】，以及阿留申低压和北半球区域气候的关系【1 3 】等方面做了 大量的研究。认为a o 的异常变化通过西伯利亚高压、阿留申低压、东亚地区 极地东风以及东亚冬季风异常，进而影响我国东北地区冬季温度异常1 2 3 】；同时与 次年夏季我国淮河流域降水异常呈明显的负相关：强( 弱) 涛动年，次年夏季淮河流 域降水偏少( 多) 口4 】。郭冬等指出北太平洋涛动异常变化与我国冬季天气、气候 关系密切。强涛动年，东亚冬季风偏弱，我国气温普遍偏高，长江中下游地区降水偏 少，而华南降水偏多；而弱涛动指数年，东亚冬季风偏强，我国气温普遍偏低，降水 2 偏少【5 。 许多研究讨论了北太平洋上空的阿留申低压和海洋副热带环流圈的作用： 当副热带环流异常强时，黑潮及黑潮延伸体将更多的暖水向极输送，导致北太 平洋出现海表面温度( s s t ) 暖异常，大气响应为弱的阿留申低压，从而海气之间 的热通量输送减弱，增强了最初的s s t 暖异常。同时，弱的阿留申低压对应的 风应力旋度减弱，使得海洋副热带环流圈减弱，进而使得最初s s t 暖异常信号 减弱3 , 2 4 】。在北太平洋地区，还有其他的系统，如高空西风急流、副极地环流圈 等他们在海气相互作用过程中扮演重要角色。通过分析阿留申低压、西风急流、 中纬度海表面温度水平梯度变化之间在年代际时间尺度上的关系，发现了阿留 申低压一南北向s s t 差一西风急流阿留申低压的正反馈机制【2 6 1 。q i a ne ta 1 利用历 史海平面气压资料分析了近百年来冬季西伯利亚高压、阿留申低压强度和位置 变化特征及与不同区域气温的关系【2 7 1 。曹艳艳等认为北半球大气环流对e n s o 事件的响应在1 9 7 8 1 9 7 9 年有一个明显的跃变。跃变后，低纬中高层大气环流对 e n s o 事件的响应明显减弱，而低层大气环流对e n s o 事件的响应则有所增强 2 s 】。北太平洋年代际变率对年际e n s o 循环的发生频率和强度有明显的调制作 用【1 5 】。而且阿留申低压与e n s o 主要是线性相关，而北半球其它大气活动中心 则以非线性影响为主1 2 9 】。在年代际尺度上，北太平洋上层热含量增热过程对应于 弱的阿留申低压，减热过程对应于强的阿留申低压，阿留申低压的响应一般滞后 热含量增、减热趋势变化1 2a l s o ! 。进一步研究发现阿留申低压增强时，其西 侧北风增强，海洋上层的副极地环流圈增强，上层海洋对低温海水的平流输送 亦增强，使亲潮影响区s s t 下降，加大了南北向海表面温差海表面温差的增大， 使位于其上空的西风急流加强，西风急流的增强使位于急流出口区左侧下方海 面上阿留申低压的加强作用，形成一个正反馈过程【2 6 】。 在大气环流异常研究与短期气候预测实践中，经常采用环流指数来简洁、 定量地描述重要环流系统的性质 3 1 1 。因此，一些全年或季节性地出现在特定地 理区域的闭合气压系统，如海平面气压场中的诸多大气活动中心、自由大气中 3 的极涡、副高等，都可以定义相应的环流指数。以国家气候中心系统诊断预测 室公布的t 7 4 项环流特征量，【3 2 】为例，其中大多数是上述闭合气压系统或其局部 的环流指数( h l 半球副高指数4 5 种、极涡指数1 2 种) 。近年来，根据需要还不 断出现此类新定义的环流指数，如对南亚高压指数3 3 。3 4 1 、蒙古高压指数【3 5 1 、马 斯克林高压指数【36 。 为便于阿留申低压异常规律的研究，不同研究者定义了一些表征阿留申低 压强度、面积、位置等参数，其中，t r e n b e r t h l 9 选取冬半年( 1 1 月 3 月) 区域 ( 2 7 5 0 n 7 2 5 。n ，1 4 7 5 。e 1 2 2 5 0 w ) 平均的海平面气压来分析阿留申低压的强 弱，o v e r l a n d 1 1 】贝0 取冬季平均( 1 2 月) 的阿留申低压区域( 4 0 。n - - 6 0 0 n ，1 6 0 0 e 1 6 0 0 w ) 内海平面气压场低压中心气压值进行分析；t r e n b e r t h 和h u r r e l l 4 选取 3 0 。n - 6 5 9 n 、1 6 0 。e 1 4 0 。w 海平面气压场的面积加权平均值来分析阿留申 f 氐压强度的变化，任广成【17 】使用6 0 9n 以南的太平洋区域，对1 0 1 0 h p a 范围内 的每个网格点，加权累加作为月阿留申低压强度指数。 近年来，各国学者利用求得的阿留申低压环流指数，研究了何留申低压面 积、强度、位置等自身演变规律，并对它们与海表温度异常信号( e ln i f i o 、l a n i n a ) 、其它环流系统( 西太平洋副高、太平洋洋中槽、墨西哥高压) 以及大范 围降水或温度场等的相互关系做了一系列分析工作，得到了有价值的研究结果 1 2 s 3 7 。 1 3 主要内容和工作 用环流指数描述环流系统特征是短期气候预测的一项重要技术。最近，我 们在总结前人工作【3 8 4 4 1 的基础上。结合2 0 世纪9 0 年代以来出现的n c e p n c a r 大气再分析资料【4 5 1 ，引入了球面上闭合气压系统环流指数( 系统的面积s 、强 度尸、中心位置疋，纯) 的一般定义方法。本文用文献【4 6 】提出的定义和计算方 法，给出了1 9 4 8 - 2 0 0 7 年冬季，季及1 2 、l 、2 月1 0 0 0 h p a 阿留申低压面积( s ) 、 4 强度( 尸) 、中心位置( 九，纯) 三种指数的时间序列，利用它们对阿留申低压 的气候态及异常作了初步分析，并且通过分析它们与e n s o 、s s t 、北半球气温 和降水的分布的关系，总结了阿留申低压在天气气候分析中的应用。 本论文的内容安排： 第二章介绍环流系统指数的定义和计算方法；并以2 0 0 7 年为例进行说明。 第三章和第四章对阿留申低压的气候态和年际变化的异常进行系统分析。 第五章对阿留申低压的异常与太平洋海温s s t 异常关系进行分析，重点关 注其与赤道太平洋n i f i o 指数的相关关系，并阐述阿留申低压的异常成因。 第六章分析阿留申低压异常对区域气候的影响，着重对北美地区的气温和 降水进行相关分析。 第二章阿留申低压环流指数的定义和计算 大气环流在演变过程中既有形态的变化，也有强度、位置的变化。这些变 化集中表现为随季节交替的年变化和与大型环流调整相联系的中短期变化。在 大气环流异常研究中，经常采用环流指数来简洁、定量地描述重要环流系统的 性质。文献1 4 7 】对半球月平均位势高度场构造了高度概括的气候场强度，气候异 常场平均强度及气候场不稳定度指数i c ，i a ，i u s ，它简要给出了全球大气月平 均环流由冬入夏的转变在中平流层表现最明显，4 、5 月间出现在1 0 h p a 层，7 月出现在5 0 7 0 h p a 层，分析结果表明，短期气候预测业务中应重视平流层位势 高度场异常的分析研究。最近，文献【4 8 4 9 1 给出了闭合气压系统的三项指数( 面 积：s 、强度：p 、中心位置：) 和其历年中心在球面上分布的三个特征 量( 平均距离y 、扁率p 、主轴方向卢) 的定义，用来描述该系统的性状。对 5 0 0 h p a 极涡分析证明了其实用价值【5 0 l 。 2 1 资料 本文选用资料如下： 1 ) n c e p n c a r 再分析【5 l j ：1 0 0 0 h p a 月平均等压面位势高度场格点、地 面温度场格点、地面降水场格点资料，覆盖时段为1 9 4 8 年1 月 2 0 0 8 年1 2 月， 范围0 。3 6 0 。、9 0 。s 9 0 。n ，从a 0 = 2 5 。2 y 。 2 ) 海表温度s s t 5 2 】：n o a ae x t e n d e dr e c o n s t r u c t e ds s tv 3 月平均海表温 度资料，覆盖时段为1 8 5 4 年1 月 2 0 0 8 年1 2 月，范围0 。3 6 0 。、8 8 。s 8 8 。n ， 越9 = 2 。x 2 。 3 ) 海洋n i f i o 指数( o c e a n i cn i f i oi n d e x ，简称o n i ) 5 3 】：n o a a 在e n s o 诊 6 断分析中使用的海洋n i f i o 指数，n i f i 0 3 4 区( 5 。n 5 。s ，1 2 0 。- 1 7 0 。聊海温 ( e r s s t v 3 b ) 三个月滑动平均，覆盖时段为1 9 5 0 年1 月- 2 0 0 8 年1 2 月。 2 2 阿留申低压面积、强度指数的定义 根据文献m ，t f f - t 月阿留申低压的面积( s ) 定义为该月阿留申低压的特 征等高线f o ( t ) 在单位半径球面上围成的f - f o ( t ) 的区域的面积，强度( p ) 定义为该区域_ k f ( t ，t , ) - f o ( t 。) 的面积分。下面分别给出面积和强度的定义及算 式。 1 ) 面积指数s 的定义 s ( t ) 是t 年特征等值线石在单位半径球面( 其总面积为4 r e ) 上围成的区 域d ( t ) 的面积，曩是气候图( 即多年平均图) 上相应面积。它们均定义为 s = i i d s ( 1 ) d 其离散形式为 s 兰屿 ( 2 ) ( ，) e d d 域的一个内点( 九，巳) 代表以它为中心的单位半径球面上的一个面元，其 面积为 峨= 显然，由( 1 ) 、( 2 ) 式求得的“面积”或( 3 ) 式求得的元面积乘a 2 ( a 是 地球半径) 得到它们在地球表面的实际面积。 2 、强度指数p 的定义 7 、1 ， - n 舶 贻 ， k 2 一 7 ：一 似 丽 0 ： 划 产 塑2 等帆 。卜 俭 o o ， l | m 川 口 p ( t ) 是t 年系统强度，f 是气候图上系统的强度，它们是系统相对重量的 度量参数。这里，系统相对重量指地球表面d 域t - _ # af 产生的系统总压力与由五 产生的总压力之差。 对海平面气压场中的闭合系统，它直接定义为 尸= ( a ，p ) 一五弦= 矽( a ，o ) d s 。 ( 4 ) dd 式中厂、石是海平面气压及其特征值；因为、五的单位是h p a ，故p 为重 量。p 的离散形式的计算式为 p 兰钙= 辑钙 ( 5 ) ( ，j ) e d ( f 。j ) e d 式中，必是格点( i ，j ) 所在面元上厂一石的重量。 对p 等压面上的闭合系统，p 的定义及计算式同( 4 ) 、( 5 ) 式，但 五以 d a g p m 计。可以证明，p 与系统的相对重量间近似相差常数倍。 显然，由p 的定义式，对高、低值气压系统，它们分别为正、负值。 2 3 阿留申低压中心位置指数的定义 按文献【4 6 1 ，闭合气压系统的中心即其“重心 。为求其位置( o 纯) ，在 单位球面上建立如图1 所示的球面曲线坐标系o x y ，坐标系的原点o 在北极点， x 、y 轴从北极点出发0 。, 9 0 。e 经线至南极点，对应x 、y 【0 ，丌】，相应单位向 量取昏e z ；其反向沿1 8 0 。、9 0 。矿经线至南极点，x c 应x , y e o ，一石】。 图2 - 1 单位半径球面上的坐标系o x y 图中，g 是球面上位于( a ，9 ) 的任意点，对应坐标( 工，j ，) 8 图2 - 1 中g 是位于( a ，9 ) 的球面上任意点，其坐标为( 毛y ) ；坐标x 、y 是过 g 点且垂直于o x 、o y 轴的大圆与轴的交点。根据单位半径球面上球面直角三角 形计算公式5 4 1 ，由( a ，d ) 向( j f ，y ) 的转换关系为 x = a r c t g ( t g oc o s x ) y ：钟c t g ( t g os i n ；t ) ( 6 ) 由( x ，y ) 向( 允，臼) 的转换关系为 a = a r c t g ( t g y t g x ) p ：a r c t g ( t 9 2 x + 培2 y ) 刈2 ( 7 ) 分别称( 6 ) 、( 7 ) 式为q ，8 ) 向瓴力的正、逆变换。这是计算( 疋、纯) 的基础。 对给定t 年或气候1 0 0 0 h p a 高度图，用f o 定出阿留申低压范围d 后，按下 列步骤求其中心位置( 丸、亿) ： 1 ) 根据正变换( ( 6 ) 式) 将d 域全部内点( 乃，岛) 的坐标转换为锄，均) ； 2 ) 按定义式 屯= x ( a ，9 ) 肿( a ，9 ) 豳 咒：仃y ( 允，8 ) 凹( 力，8 ) 二户 8 j ；l ，口) e d 确定t 年系统的中心坐标纯，儿) ；式中力矩的计算考虑了重力指向地心。 实际计算用( 8 ) 式的离散形式 艺= 勃嵋p 儿= 均蜴p 9 i , j ) e 刁 3 ) 由逆变换( ( 7 ) 式) 求系统中心的( 丸，见) 并换算成( 九，眈) 。 9 按文献h 6 1 ，气候场系统中心的位置( 瓦，见) 、( 五，既) 有两种算法。对气候高 度场，直接用求t 年系统中心位置求气候中心位置的方案为方案i 。另一种是 通过逐年该系统强度、中心位置尸( f ) 、( t ( ，) ，儿( f ) ) 的权重平均求得，称方案i i 。 具体步骤为： 1 ) 用下式求系统气候中心位置在o x y 中的坐标 7 _ 乏= w ( ，) 艺( f ) 。i l ( 1 0 ) r 兑= w ( f ) 雎( f ) 式中，w q ) 为t 年权重系数，w ( t ) 定义为 ，r w ( f ) = 尸( f ) 尸o ) it = l 2 ) 将( 1 0 ) 式求得之( 瓦，z ) 换算为( 五，讧) 。 2 4 阿留申低压中心分布特征参数的定义 2 4 1 系统中心分布特征量的描述参数 为了定量描述逐年系统中心c 在其气候中心e 周围的分布特征，引进了三 个特征量：1 ) 平均距离，它用于度量分布区域的大小；2 ) 压缩系数| u ，它用 于度量分布区域的扁平程度；3 ) 极大异常方向p ，它给出中心位置异常的主要 方向。为此需要在球面上建立两种基本坐标系。 球面上的两种基本坐标系 在单位半径球面上，系统中心所在的地理位置c 完全由其( 瓜9 ) 确定， c = ( 允，妒) ，允 o ，2 7 r ) ，t p 【- z 2 ，万2 】。弓f 入余纬0 = 丌2 9 ，贝0 l o c = ( a ，p ae o ，2 万) 、0e o ，趸】( 1 1 ) 为了给出系统中心分布特征量的定义式和计算式，在球面上建立两种球面 直角坐标系： 1 ) o x y 系：即求s 、p 、c 的球面坐标系。其原点0 在北极；x 轴以0 经线 为正向、7 r 经线为负向； ，轴以州2 经线为正向、3 ，r 2 经线为负向；坐标 溉夕( 一乃，乃】。o x y 如图2 - 2 上实( 点) 线所示。 2 ) d k 歹系：原点为球面上任意点d7 ( 九，p ) ：x 轴是由八a + 7 r 经线构成的 大圆，d 点向南( 向北) 长为石的弧线为正( 负) 向，终点在( a + 万、石一p ) ， 是新系的“南极点”；，轴是过0 与z 轴正交的大圆，它在0 点与妒纬圈相切， 0 点向东( 偏东) 方向为正、向西( 偏西) 方向为负，它与赤道交点的经度为 a + 万2 、a 一万2 ，终点也在( 九+ 石、7 - 0 ) ：坐标x ，、j ，( 一尼，丌】。o x y 的轴 x 、j ，如图2 - 2 上段线、点段线所示。 图2 - 2 球面坐标系o x y 、o x y 7 关系 图中，o x y z 是原点在地心的三维直角坐标系。 下面，用文献【5 4 】球面直角三角形计算公式，解决两个问题。 1 ) 点0 7 ( 九，e o ) 在o x y 中的坐标 设新系原点d 位于( 九，0 0 ) ，它在咧中的坐标( x ，y ) ，是d 在飘y 轴上的投 影。为确定 ，力，过d 7 点作垂直于矗y 轴的大圆，它与氨y 轴的交点0 ，”即 口点在o x y 中的坐标( 图2 3 ) 。 1 1 图2 - 3 点o n 占n o x y 中的坐标 ，y ) ( n l g ) 其余同图2 - 2 。 在球面直n - - 角g 眵o x o 、o y 0 7 中，已知 z x ：么1 ，：三 。 2 , f f x 0 0 r = 九，l y 0 0 = 罢一九 ( 1 2 ) o o = o o 由球面直角三角形计算公式，已知斜边( o o ) 及一角，可求得o 的坐标及 其余边角 x = 傩= t g 。1 ( t g o oc 。s 九) ，y = 缈= t g 。1 ( t g o oc 。s 呼一九) ) 。k = s i n 司( s i n o os i i l 九) ，。夕= s i l l - 1 ( s i n o o s 畸一九) ) ( 1 3 ) 厶o r o = c t g 一1 ( c 。so o t g & ) ，匆。r o = c t g 一1 ( c 。s o o t g ( 2 一九) ) 2 ) 点g ( a ，9 ) 在d 夕7 中的坐标 球面上任意点q ( z ，9 ) 在o k 夕中的坐标( x ，y ) 是g 在新系o x y 坐标轴x 、y 上的投影。为确定x ( y ) ，过点g 作垂直于x ( 少) 轴的大圆，它与x 7 ( y ) 轴的交点 x ( y ) 即点q 在o x y 中的坐标( 图2 - - 4 ) 。 1 2 图2 - 4 点g ( a ，0 ) 在d 夕中的坐标( x ，y ) ( 局部) 其余同图2 2 。 在球面直角三角形o x q 中，己知 厶，：三 2 z x o q = 九一九 o q = 0 解得 o x = t g ( t g oc o s ( ：一九) ) x q = s i n 1 ( s i n os i i l ( a 一九) ) 在球面直角三角形o x q 中，可解出 o x = o x t 0 0 7 = t g 一1 ( t g oc o s ( a - 九) ) - o o o q = c o s 。1 ( c o s x q c o s o x ) 。 厶0 7 9 = s i n 一1 ( s i nx q s i n0 7 留) 在球面直角三角形o y q 中，可解出 4 铂= 争砒，g o y = t g 一1 ( t 9 0 7 qc o s y 0 7 9 ) y q = s i n 。1 ( s i no qs i nz y o g ) 由此求得g 点在o x y 中的坐标 = o x 7 ，y 7 = o y 和经度、余纬 九7 = z x o q ，97 = o q 1 3 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) 2 4 2 、中心分布特征参数的定义 由方案i i ，。k 夕的坐标原点位于。砂中点集 九( f ) 、o a t ) ；f = 耵) 的重心上， 故在o v 中点集坐标满足 7 形( ，k ( f ) = 0 f = l r 矿( ，珑( f ) = o ，= l 其中，t 年权重系数( ，) 为 眦m ) 和， ( 2 0 ) ( 2 1 ) 因此，用新系下的系统中心坐标构造目标函数 r q ( a ) = ( f ) 办2 ( f ) ( 2 2 ) 式中，n i j f ) 是f 年系统中心位置异常向量c ( f ) 在d 方向( 它是新系t a 经 线，它与x 轴的夹角为a ) 上的投影，由图2 5 ， p ，0 ) = a r c t g t g o ( t ) c o s ( , v ( f ) 一口) 】( 2 3 ) 故目标函数q ( a ) 是所有年份系统中心位置异常向量在新系a 经线方向上 投影平方的权重和。 图2 - 5 o x y 中某年系统中心c ( f ) 在待定方向d ( a ) 上的投影刃示意图。 q ) 的极大值出现的方向口一可视为系统中心位置年际异常的主要 1 4 方向，而极小值出现的方向a 岫可视为系统中心位置年际异常次要的方向。 由q ( a ) 的结构知，它在【0 ，2 乃) 上两次取得极大值，所在经度a 一，、a 一：相 差7 r ；两次取得极小值。，所在经度a 。i n 。、位i n i n ：相差万；且相邻的a 一、a 。i n 交 角均为衫2 ( 即正交) 。我们取a o ，万) 上的红、红和口一、a 曲为其主值。 对给定的环流系统时间序列，其环流指数时间序列 p ( ，) 、九( f ) 、妒( f ) ；f = 耵) 随之确定；因此可以在给定a 精度下用数值计算方法求得、“及 a 一、a m i n 的主值。 根据主值、纰和a 一、a 曲，可以定义系统中心分布的如下分布特征 量： i ) 平均距离， ，= ( + 绌) 必 ( 2 4 ) 它是单位半径球面上系统中心与气候中心e 的权重几何平均距离，或系统 中心位置异常c ( f ) 模的权重几何平均，单位是弧度或度。，是描述中心位置异 常大小的特征量，或称为系统中心位置气候变率。 2 ) 方向距离仉b 及压缩系数 口2 鲶，62 鳐 ( 2 5 ) = b a 口、b 是单位半径球面上系统中心位置在口一、口血方向上偏离于气候中心 弓的权重平均距离，单位为弧度或度。一般情况下，是将分布区域视为椭圆 时的扁平程度， p 值越小，区域在长轴方向的延伸越明显，系统中心位置异常 的各向异性更明显。 3 ) 主要异常方向卢 卢= a 一一互2 ( 2 6 ) 它是以弓点正东方( 即d k 夕系的y 方向) 为参考的系统中心位置主要异常 方向，卢的单位为弧度或度，变化区间为 - , , 2 ，万2 ) 。3 0 时，主要异常方向 为东偏北卢；卢 r o 0 5 ，浅色区域为正相关，深色区域为负相关 综合上面的分析可以看出，冬季、1 2 月、1 月、2 月阿留申低压强度和北太 平洋中部海温呈正相关，即随着阿留申低压气压下降( 上升) ，该区域海温下降 ( 上升) ，只是在1 2 月显著正相关区域减小；阿留申低压强度和北美大陆附近 太平洋海温都有负相关关系，随着阿留申低压气压下降( 上升) ，该区域海温上 升( 下降) 。该负相关区，从1 2 月到2 月逐渐向东退，向南发展。阿留申低压 强度和北太平洋西南部海域无明显相关关系。 5 2 中心冠指数与o n i 指数的关系 根据强度p 指数定义可以得出该指数为负数，并根据前面表( 5 1 ) 的结果 3 5 可知，n i f i 0 3 4 区s s t 和阿留申低压强度同步加强或减弱。根据大气定常波理论， 低压系统随着下垫面海温升高( 下降) 而加强( 减弱) ，因此，分析了o n i 指数和 s s t 相关系数分布图及强厄尔尼诺年的s s t 合成图，以此来验证阿留申低压加 强减弱与下垫面s s t 的关系。 由1 9 5 0 年冬季2 0 0 7 年冬季共5 8 年o n i 指数和同期s s t 相关系数图( 图 5 2 ) 可以看出，冬季( 图5 - 2 a ) 、1 2 月( 图5 - 2 b ) 、1 月( 图5 - 2 c ) 和2 月( 图 5 - 2 d ) 都很相似，都是有一个从阿拉斯加附近太平洋海域沿北美大陆到赤道的 正相关区，相关系数中心值在0 8 以上，表明该区域海温随n i f i 0 3 4 的海温上升 ( 下降) 而上升( 下降) ；在北太平洋东部到西南部有一个负相关区，相关系数 中心值1 2 月在o 4 以下，其他季和月均在0 6 以下，表明该区域海温随n i f i 0 3 4 的海温上升( 下降) 而下降( 上升) 。联系前面3 5 节的内容随阿留申低压 强度增强( 减弱) ，其中心位置易偏东( 偏西) ，可以看出阿留申低压强度偏强、 位置偏东，主要是由于受下垫面海温的影响。由于东部阿拉斯加一带海域海温 上升，从而引起阿留申低压的加深东移。 图5 2o n i 指数和海温s s t 相关系数分布图( 1 9 5 0 年冬季2 0 0 7 年冬季共5 8 年) 冬季( 1 2 2 月) ；b ，1 2 月；c ，1 月；d ，2 月 阴影区为l ，l 磕0 5 ，浅色区域为正相关，深色区域为负相关 为了更好的分析阿留申低压强度p 和强e 1n i f i o 、强l an i f i a 事件的关系， 参考文献【6 1 】，确定了强e 1n i f i o 、强l a n i n a 事件的标准( o n i t 1 2 和o n i 弋 - r o 0 5 ，浅色区域为正相关，深色区域为负相关 1 2 、1 、2 月的北太平洋南部的负相关区仅在1 2 月比较明显，在1 月、2 月 明显减弱消失，显示阿留申低压与该地区的相关性仅限于1 2 月份；北太平洋北 部的正相关区，在1 2 、1 、2 月图中均比较明显，l 、2 月中心值均达到0 6 以上， 显示阿留申低压气压下降( 上升) ，该地区气温同步下降( 上升) 关系明显；北 美大陆西部及北太平洋东部地区温度和阿留申低压强度的负相关关系，其范围 和相关系数在1 2 、l 、2 月变化不明显，显示该地区和阿留申低压的相关关系， 并不伴随这阿留申低压的平均强度变化而有所变化，阿留申低压气压下降( 上 升) ，该地区气温上升( 下降) ；墨西哥湾附近的正相关区，在1 月范围大，相 关系数高，1 2 月、2 月相关系数中心值相当，范围大小相当，说明该区域和阿 留申低压的相关性随着阿留申低压强度的变化而变化，当阿留申低压加深( 减 弱) 时，该地区和阿留申低压的相关性亦随之加强( 减弱) 。 从图上可以看出北太平洋北部地区、北美洲西部地区、墨西哥湾地区、中 美洲地区，上述几个地方基本呈波列状分布，下游效应明显。并且在1 月份下 游的墨西哥湾和中美洲地区相关明显增加。 6 2 强度和北半球降水的关系 采用分析和北半球温度相关关系的办法，制作了阿留申低压尸指数和 n c e p 全球格点降水资料的北半球相关分布图( 图6 2 ) 。从图( 6 2 a ) 的冬季图 中可以看出，在北太平洋有一个大范围的正相关区，从9 0 0 e 一直延伸到1 4 0 。e 左右，有两个最大值中心，分别在( 1 8 0 。w 、4 0 。n ) 附近和( 1 5 0 0 w 、1 5 0 n ) 4 2 附近，中心值分别达到o 8 和0 6 以上，表明随着阿留申低压的气压降低( 上升) ， 对应地区的降水减少( 增加) ；北美大陆西部和太平洋东部有一个负相关区，中 心值达到0 6 以下，表明随着阿留申低压的气压降低fl - 升) ，对应地区的降水 增加( 减少) ；墨西哥湾一带有一个正相关区，中心值在0 4 以上，表明随着阿 留申低压的气压降低( 上升) ，对应地区的降水减少( 增加) ；中美洲加勒比海 一带为一个负相关区，中心值在0 4 以下，表明随着阿留申低压的气压降低( 上 升) ，对应地区的降水增加( 减少) 。 从1 2 月阿留申低压尸指数和n c e p 地面降水格点数据的北半球温度的相关 系数分布图( 图6 - 2 b ) 中可以看出，北太平洋南部在1 0 0 0 e 1 7 0 0 e 、0 0 3 0 0 n 有 一个负相关区，中心值为0 4 以下，表明随着阿留申低压的气压降低( 上升) ， 对应地区的降水增加( 减少) ；北太平洋北部1 0 0 0 e 1 4 0 0 w 、3 0 0 n - 6 0 0 n 之间的 区域有一个正相关区，中心值在0 6 以上，表明随着阿留申低压的气压降低( 上 升) ，对应地区的降水减少( 增加) ；1 7 0 0 w 1 3 5 0 w 、1 5 0 n - 2 5 0 n 有一个正相关 区，中心值在0 4 以上，表明随着阿留申低压的气压降低( 上升) ，对应地区的 降水减少( 增加) ；阿拉斯加附近的北美大陆有一个负相关区，中心值在0 6 以 下，表明随着阿留申低压的气压降低( 上升) ，对应地区的降水增加( 减少) ； 此外，还有墨西哥湾附近有一个中心通过了o 0 5 显著性检验的正相关区；加勒 比海附近有几个小的负相关中心能通过o 0 5 显著检验。 利用1 月阿留申低压p 指数和北半球降水相关图( 图6 2 c ) 和图( 6 2 b ) 对比 可以看出，北太平洋南部