（气象学专业论文）南亚高压中期纬向运动过程的气候学分析.pdf

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 了谢意。 l 州 作者签名：堇蕉 日期：皇2 曼：s ： 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：啦壁矿 日 期：21 查：茎：( 南亚高压中期纬向运动过程的气候学分析 摘要 本文采用1 9 9 7 - 2 0 0 7 年共1 1 年的n c e p n c a r 再分析逐日高度场等资料，根据 闭合气压系统环流指数的一般定义方法，定义了夏季( 6 - 8 月) 逐日l o o h p a 南亚 高压和5 0 0 h p a 西太平洋副热带高压中心位置指数乃，据此分析了夏季南亚高压 的中期纬向运动过程特征，研究了南亚高压与西太平洋副高中期纬向运动的关 系，用较长资料证明了南亚高压与西太平洋副热带高压存在“相向、相背运动” 的联系。分析过程中提出了诊断判别这一现象的有效方法。分析了夏季南亚高 压中期纬向运动的天气学特征，以及这一过程与我国夏季降水的关系。得到如 下主要结论：( 1 ) 用夏季l o o h p a 和5 0 0 h p a 中心位置经度变化来代表夏季南亚高 压和西太平洋副高主体的东西活动是适当的。( 2 ) 两者的纬向运动周期以7 6 1 5 3 天为主，故主要表现为中期时间尺度上的现象。( 3 ) 南亚高压的纬向运动 过程可分为两种，一种为南亚高压单纯的向东向西移动过程，另种为南亚高 压纬向振荡过程；纬向运动是夏季南亚高压的一个主要特征，它普遍存在于各 年夏季。( 4 ) 西太平洋副高与南亚高压对应存在的相向、相背运动过程占南亚 高压显著东西运动总发生率的3 0 3 ，1 1 年间发生此型天气过程的占7 年，年出 现频率1 - 2 次，故该现象并非夏季一种必然和高概率发生的现象。( 5 ) 南亚高压 与西太平洋副高的相向、相背运动过程，多发生在夏季6 月中旬开始至7 月上旬， 及7 月中旬至8 月上中旬的时段中，这正是我国长江中下游地区从初夏的梅雨进 入盛夏伏旱的时期。( 6 ) 当南亚高压与西太平洋副高存在相向、相背运动过程 时的合成环流场清楚显示了南亚高压中心向东( 西) 运动，与其下方中层的西 太平洋副高向西( 东) 发展相对应的特征。( 7 ) 当南亚高压和西太平洋副高存 在相向、相背运动关系时，南亚高压东西运动与中国夏季降水的异常分布存在 如下相关关系：南亚高压位置偏西，长江中下游、西南华北一线多雨，西北地 区少雨；南亚高压位置偏东，西北地区降水增多，而长江中下游，华南，青藏 高原东部少雨。且降水的增多、减少与南亚高压的向东向西运动有良好的一致 性。 关键词：南亚高压，中期纬向运动过程，气候学分析，西太平洋副高；中国降 水分布 2 c l i m a t o l o g i c a la n a l y s i s o nm e d i u m r a n g el o n g i t u d i n a l e x c u r s i o no fs o u t ha s i ah i g h a b s t r a c t t h i sp a p e ru s e st h en c e p n c a r19 9 7 - 2 0 0 7o v e r11y e a r sd a i l yr e a n a l y s i sd a t a a n ds oo n ，a c c o r d i n gt ot h ed e f i n i t i o no fc i r c u l a t i o ni n d e xf o rc l o s ep r e s s u r es y s t e m s ， ac e n t e rp o s i t i o ni n d e xf o rd a i l y10 0 h p as o u t ha s i ah i g ha n d5 0 0 h p aw e s t e r n p a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hw a sd e f i n e d ，f u r t h e r m o r e ，t h em e d i u m r a n g el o n g i t u d i n a l e x c u r s i o nf e a t u r e so fs o u t ha s i ah i g hw a sa n a l y s e d ，t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e s o u t ha s i ah i 曲a n dw e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hw a ss t u d i e d ，b yu s i n g r e l a t i v e l yl o n g e rd a t as e t s ，p r o v e dt h a t ，a n o m a l o u sl o n g i t u d ep o s i t i o no fs o u t ha s i a h i g h ( e x t e n de a s t w a r d s w e s t w a r d s ) i ns u m m e rw i t hd i f f e r e n te x c u r s i o np a t t e r no f w e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ，i t 、o u l de x t e n dw e s t w a r d s ( w i t h d r a we a s t w a r d s ) d u r i n gt h ep r o c e s s ，i n t r o d u c e da ne f f i c i e n tm e t h o df o rd i a g n o s et h i sp h e n o m e n o n ， a n a l y s e dt h es y n o p t i cf e a t u r eo ft h em e d i u m r a n g el o n g i t u d i n a le x c u r s i o no fs o u t h a s i ah i g h ，a n di t sc o r r e l a t i o n 谢t hs u m m e rp r e c i p i t a t i o nd i s t r i b u t i o ni nc h i n a t h e m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) i tp r o v e ss u i t a b l et ou s et h ei n d e xd e f i n e di nt h i s p a p e rt or e p r e s e n t st h el o n g i t u d i n a le x c u r s i o no fs o u t ha s i ah i g ha n dt h ew e s t e r n p a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hi ns u m m e r ( 2 ) t h em a i n l yp e r i o d so ft h i sp h e n o m e n o ni s 7 6 15 3d a y s ，t h e r e f o r ei tr e p r e s e n tm e d i u m r a n g ef e a t u r e s ( 3 ) t h em e d i u m r a n g e l o n g i t u d i n a le x c u r s i o nf e a t u r e so f s o u t ha s i ah i g hc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w ok i n d s ： o n es h o u l db et h es i n g l ee a s t w a r d so rw e s t w a r d se x c u r s i o n ，a n o t h e rs h o u l db et h e l o n g i t u d i n a lo s c i l l a t i o n ；l o n g i t u d i n a le x c u r s i o ni s am a i n l yf e a t u r eo fs o u t ha s i a h i g h ，m e a n w h i l e ，e x i s t sc o m m o n l yi ns u m m e r ( 4 ) a n o m a l o u sl o n g i t u d ep o s i t i o no f s o u t ha s i ah i g h ( e x t e n de a s t w a r d s w e s t w a r d s ) i ns u m m e rw i t hd i f f e r e n te x c u r s i o n p a t t e r no fw e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hw o u l de x t e n dw e s t w a r d s ( w i t h d r a w e a s t w a r d s ) w a s3 0 3 o fa l lt h el o n g i t u d i n a le x c u r s i o n ，a n di te x i s t e di n7 y e a r so u t o ft h e11y e a r s ，1 - 2 t i m e sf o ro n ey e a r , s oi ti sn o tap h e n o m e n o ni n e v i t a b l ea n dh i g h 盘e q u e n c ye x i s t e di ns u n l t t l e r ( 5 ) t h el o n g i t u d i n a le x c u r s i o no fs o u t ha s i ah i 幽 f o l l o w e db yt h ec e r t a i nv a r i a t i o n so ft h ew e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g ho r e nh a p p e ni n f r o mt h em i d d l et e nd a y so fj u n et ot h ef i r s tt e nd a y so fj u l ya n df r o mt h em i d d l et e nd a y so fj u l y t ot h ef i r s tt e nd a y so fa u g u s ti ns u m m e r , w h e nt h et r a n s i t i o nf r o mm e i y up e r i o di n t o m i d s u m m e ro c c u r so v e rm i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so fy a n g t s er i v e r ( 6 ) w h e nt h e l o n g i t u d i n a le x c u r s i o no fs o u t ha s i ah i g hf o l l o w e db yt h ec e r t a i nv a r i a t i o n so ft h e w e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hc o m p o s i t ec i r c u l a t i o np a t t e m so b v i o u s l ys h o wt h a tt h e w e s t w a r d ( e a s t w a r d ) m o v e m e n t so ft h ec e n t r eo ft h es o u t ha s i ah i g hg ow i t l l c o r r e s p o n d i n ge a s t w a r d ( w e s t w a r d ) d e v e l o p m e n t o ft h ew e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ( 7 ) w h e nt h el o n g i t u d i n a le x c u r s i o no fs o u t h a s i ah i g hf o l l o w e db yt h ec e r t a i n v a r i a t i o n so ft h ew e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ，c o r r e l a t i o nw i t hs u m m e rp r e c i p i t a t i o n a n o m a l y d i s t r i b u t i o ni sa sf o l l o w s ：w h e nt h ep o s i t i o no ft h es o u t ha s i ah i g he x t e n d s w e s t w a r d s ，t h ep r e c i p i t a t i o ni n c r e a s e si nm i d a n dl o w - b a s i no fy a n g t s er i v e ra n d t h ea r e af r o ms o u t h w e s tt on o r t hc h i n a ，w h i l ed e c r e a s e si nn o r t h w e s tc h i n a ；w h e n t h ep o s i t i o no ft h es o u t ha s i ah i g he x t e n d se a s t w a r d s ，t h ep r e c i p i t a t i o ni n c r e a s e si n n o r t h w e s tc h i n a ，w h i l ed e c r e a s e si nm i d a n dl o w v a l l e yo fy a n g t s er i v e r , s o u t h c h i n aa n de a s t e r nq i n g h a i x i z a n gp l a t e a u ，a n dt h a tt h ew a xa n dw a n eo fr a i n f a l li s l a r g e l yc o n s i s t e n tw i t ht h el o n g i t u d i n a le x c u r s i o no f t h es o u t ha s i ah i g h k e yw o r d s ：s o u t h a s i ah i g h ，m i d d l e - r a n g el o n g i t u d i n a le x c u r s i o n ，c l i m a t o l o g i c a l a n a l y s i s ，w e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ，p r e c i p i t a t i o nd i s t r i b u t i o ni nc h i n a 4 第一章前言 1 1 南亚高压中期纬向运动的意义 南亚高压，也称为“青藏高压”或“亚洲季风高压 ，是夏季位于亚洲南部 对流层上层和平流层低层的强大而稳定的大气活动中心，其范围从亚洲一直延 伸到太平洋，夏季整个东亚地区都处于它的控制下。因此它对我国夏季大范围 的旱涝分布以及整个亚洲的天气活动都有重大影响【l j 。 南亚高压是大气环流副热带高压系统中的一个重要成员，与高低纬不同环 流系统存在相互作用和相互影响【2 】。南亚高压作为高层夏季大气环流的背景， 与低层环流相比，其变化更具有稳定性和持续性，并有一定的提前性，具有预 测价值。 它的两种主要活动方式即南亚高压的变动，包括季节变动和中期变化，对 北半球大气环流的演变具有重要作用，对我国乃至亚洲区域天气、气候的旱涝 分布有重要的影响，是天气、气候变化的强信号 3 1 。南亚高压季节变化的主要 特征是高压脊线的南北摆动，中期变动则主要是指高压中心的东西振荡【4 】。多 年来的天气实践证明，南亚高压东西振荡过程，确实存在。特别是初夏时期南 亚高压从青藏高原上空第一次移出并稳定在我国东部平原上空时，西太平洋副 热带高压相应地有一次西伸北跳过程，我国长江中下游地区从初夏的梅雨期进 入盛夏伏早期。这时段的南亚高压东西振荡过程表现得较为明显，深得我国气 象工作者的重视【6 】。 南亚高压的移动是与整个大气环流的调整联系在一起的。在讨论南亚高压 的移动时，不但要注意其内在活动规律，更重要的是要注意其四周环流的调整 【1 1 。高空南亚高压是影响副热带高压的主要系统之一，他的东西振荡直接影响 着西太平洋副热带高压的加强西伸和减弱东退【5 1 。研究南亚高压的活动，特别 是其变化规律，对进一步了解副热带环流调整是很重要的。南亚高压振荡的变 化对影响中期天气过程的作用，值得进一步研究。 1 2 南亚高压中期纬向运动的研究现状 南亚高压开创性工作始于2 0 世纪中期，1 9 6 3 年m a s o n 和a n d e r s o n 根据1 9 5 7 年国际地球物理年资料分析指出，除极地涡旋外，亚洲1 0 0 h p a 南亚高压是北半 球1 0 0 h p a 等压面上最强大和稳定的环流系统，并指出其行星尺度规模影响范围 和长期离开高原东西方向移动现象 7 】。 6 0 年代以来，我国许多气象工作者着手研究了南亚高压的活动及其影响。 1 9 6 4 年陶诗言、朱福康进一步联系我国天气实际，重点研究了南亚高压与 低层西太平洋副热带高压在大陆上的进退关系，指出：亚洲南部1 0 0 h p a 流型表 现成2 类基本流型，在其转变期间，西太平洋副热带高压在中国大陆上出现一次 进退过程【8 】。他们最早指出了南亚高压东西振荡的概念，在分析1 9 5 7 1 9 6 2 年夏 季1 0 0 h p a 的流型变化时发现，南亚高压有绕其平均中心位置东西振荡的现象。 这些开创性工作使人们认识到南亚高压的演变对整个北半球大气环流及我国天 气气候的重要性。 1 9 7 8 年钱永甫等【9 】从动力学角度通过计算加热场发现，当梅雨期积累的潜 热量超过高原上的感热量时，南亚高压就移到东部地区上空：一定时期随着东 部潜热减少，高原热量积累超过东部地区，高压中心又返回到高原上空，多次 反复就形成东西振荡。1 9 8 0 年朱福康等【2 】从环流系统之间相互作用动力学角度 分析南亚高压经度变化，指出了南亚高压东西振荡准双周周期特征。 1 9 8 2 年罗四维等【l o 】根据南亚高压位置和形状的资料统计分析，以1 0 0 。e 为界，将南亚高压分为3 种主要类型，即东部型、西部型和带状型，这一分型 使我国对南亚高压分析研究的主要成果之一，该分型被广泛地应用于天气学分 析中，并明确地将东、西部型高压的相互转换称为南亚高压的东西振荡，这种 6 振荡基本上是一种中期天气过程，具有明显的天气学意义。 1 9 8 3 年陆龙骅等 1 1 】研究了夏季我国副热带地区对流层上部中期振荡特征的 年际变化，指出我国副热带地区1 0 0 毫巴上的中期振荡可能是南亚高压振荡的 一种反映，中期振荡特征不同时，南亚高压的状况有明显的差异。这些研究比 较深入的探讨了南亚高压东西振荡活动特征和规律。 天气事实分析表明，夏季南亚高压活动与我国夏季大范围旱涝分布关系密 切。1 9 8 2 年罗四维等【l o 通过分析1 3a 资料将南亚高压分成东、西部型和带状型。 指出在东部型和带状型期间，长江中下游、川东及贵州少雨；川西及华北多雨。 相反，在西部型中，长江中下游、川东及贵州多雨，川西少雨；并指出1 2 0 。e 经线处南亚高压脊线位置对划分长江流域入梅、出梅有指示意义。后来许多省 区的研究也证实了这一结果。1 9 8 4 年陆龙骅等【1 2 】以及四川省气象科研所的工作 指出我国夏季雨带北移与南亚高压从西部型转东部型对应关系好，而夏季雨带 南压过程与西太平洋副热带高压南撤对应关系好。这一时期的研究工作多集中 在联系我国天气、气候实际预测方面，并在实践指导应用方面起了很大作用。 2 0 世纪9 0 年代中后期，南亚高压不同时间尺度演变规律及机制的研究继续 深入展开。1 9 9 9 年，张琼掣1 3 】在以往2 0 世纪7 0 8 0 年代南亚高压研究的成果基础 上，利用4 0 年月平均资料，揭示出夏季南亚高压的长期演变特征是与地形热力 作用密切相关的双模态分布，即南亚高压分别稳定维持于青藏高原和伊朗高原 上空，呈现青藏高压和伊朗高压。南亚高压分别维持稳定于两类平衡模态的振 荡活动，就是以前所指的天气学意义上的东西振荡。气候统计表明，高层南亚 高压发生东西振荡，中低层副热带高压即发生明显变化，并相应的造成持续性 旱涝等天气过程【5 】。 近年来，任荣彩和吴国雄【1 4 】在分析1 9 9 8 年7 月副高活动时的研究表明，副高 短期变异的动力和热力机制与南亚高压的异常活动和中高纬度环流系统的异常 有着密切的联系。钱永甫【l5 】等利用1 9 8 0 1 9 9 4 逐年盛夏( 7 - 8 ) 月各候资料，并 根据南亚高压中心经度位置变化，分为两种平衡态，并对两种模态的“东西振 7 荡”进行了细致的研究。刘梅等【1 6 1 总结了南亚高压进退振荡周期和南亚高压与 副热带高压的响应关系，研究讨论了南亚高压在我国东部梅汛期中期预报中的 贡献。另外，不少学者还寻求台风、降水等天气与西太副高和南亚高压的关系， 许多人的工作从不同角度肯定了东亚l o o h p a 流型的调整与西太平洋副高进退的 关系【1 7 抛】。 回顾南亚高压的研究历史发现，过去的研究多从天气学观点出发，从较长 时间尺度宏观的对南亚高压进行分析【2 3 彩】，一些工作也多集中于南亚高压与我 国各地旱涝分布的天气学个例分析方面8 1 4 、2 6 之7 】；从气候角度对南亚高压中期 时间尺度( 1 3 周) 活动的研究还较少。因为南亚高压中期纬向运动对我国夏季 降水的直接和间接影响，其研究对中期天气变化具有重要意义。 1 3 论文主要研究内容 从以上介绍可看出，气象工作者对南亚高压活动规律已有不少研究，虽然 许多研究指出，夏季南亚高压与西太平洋副高活动存在东西方向上的相向、相 背而行的运动趋势，并认为该现象在动力学上有依据【1 4 、2 8 1 ，在短期天气预报中 有应用价值；但对该现象的客观界定和出现频数缺乏量化的判别和系统的研究。 关于夏季南亚高压纬向运动的确定无论是陶诗言等提出的三个基本的天气型过 程及其它们之间的相互转换还是后来罗四维提出的有关南亚高压的分型，都是 基于南亚高压中心而言。本文试图用南亚高压与西太平洋副高中心位置经度随 时间的变化来探讨两者的纬向运动，揭示夏季两系统中期纬向运动的变化特征， 并讨论了中期纬向运动特征所对应的天气学意义。主要研究内容如下： 1 、定义一个适于描述夏季南亚高压和西太平洋副高中心位置的指数，在此 基础上研究1 9 9 7 2 0 0 7 年夏季( 6 8 月) 两系统中心位置纬向变化的特征。 2 、对1 9 9 7 2 0 0 7 年1 1 年夏季期间南亚高压纬向运动过程进行类型划分， 确定南亚高压和西太平洋副高的显著纬向运动个例。 3 、用上面确定的个例进行合成分析，研究不同分型的夏季南亚高压中期纬 向振荡过程对应的环流形势特征，对比其差异。 4 、进而讨论夏季南亚高压中期纬向运动与我国夏季降水分布的关系。 9 2 1 资料 第二章资料和方法 我国气象工作者对南亚高压的研究常以1 0 0 h p a 高度层为代表，南亚高压大 致在1 0 0 b _ p a 上达到最强。而经常关注的副热带高压主要是指夏季对流层中下层 5 0 0 h p a 及以下出现的西太平洋副高【5 】，在我国业务天气分析和一般研究中，主 要抓住5 0 0 h p a 副高的活动。 本文使用的资料如下： 1 、n c e p n c a r 再分析逐日1 0 0 、5 0 0 h p a 位势高度场资料，水平均匀网格 分辨率为a ；l a q o = 2 5 。2 5 。时间范围：1 9 9 7 2 0 0 7 年共1 1 年的夏季6 月1 日8 月3 1 日。 2 、国家气候中心整编的全国7 4 3 站逐日降水量资料，时间范围选取： 1 9 9 7 2 0 0 4 年的6 月1 日8 月3 1 日。 2 2 逐日系统中心位置的确定 本文讨论南亚高压与西太平洋副高的东西位置的振荡关系，为此首先要定 义一个描述其逐日纬向( 即东西向) 位置的合理指标。 王盘兴等在文献 2 9 】中提出了月平均高度( 气压) 场中闭合气压系统环流指 数的计算方法，对确定的闭合气压系统，只要适当选择界定系统范围的特征等 高线( 等压线) f o 和搜索区q ，便能求得闭合气压系统的面积( s ) 、强度( p ) 、 和中心所在经度( 丸) 、纬度( 讧) ，本文称其为方法一。 闭合气压系统的中心即其“重心”。建立o x y 坐标系，原点0 在北极点，x 、 j o y 轴是从北极点出发的0 。、9 0 。e 经线，终止于南极点。球面上任意一点在o x y 的 坐标x 、y 是过该点且垂直于o x 、o y 轴的大圆与轴的交点。系统中心位置( 疋、鲠) 按下列步骤求： 1 、根据正变换 x = a r c t g ( t 9 8 c o sa ) y = a r c t g ( t g o s i n 旯) ，求得其全部内点( 乃，岛) d 的坐标( 勺，均) ； 2 、按系统中心坐标( 艺，儿) 定义式 铲；3 e ) 3 e d x 蛳q 心岫i p ( 丑， 胪e ) e dy ( 允，口) p ( 允，p ) 西户( 五， 确定该年系统的中心坐标( t ，以) ；式中力矩的计算考虑了重力指向地心。实际 计算用上式的离散形式 t = 勺嵋p ( j ，j ) e d 儿= 嵋p ( f ，j ) e d， 3 、由逆变换式 a = a r c t g ( t g y t g x ) 0 = a r c t g ( t 9 2 x + t 9 2 y ) 2 ，求系统中心的( 丸，包) 并换算为( 疋，织) 。 因为夏季南亚高压和西太副高是逐1 0 0 、5 0 0 h p a 图上稳定存在的系统，故 可在适当选择五、q 前提下，用1 0 0 、5 0 0 h p a 高度场资料求得逐日上述系统的 s 、p 、和( 疋，纯) ；后者实质是q 区域内由五界定的系统的重心所在位置。 对1 0 0 h p a 南亚高压中心位置的计算，选择f o = 1 6 6 8 d g p m ，选择q 为 6 0 1 8 0o e 、5 0 1 0o n 的矩形区域；对5 0 0 h p a 西太平洋副高中心位置的计算， 选择f o = 5 8 8d g p m ( 个别西太平洋副高弱年选用5 8 6d g p m 线) ，选择q 为 1 1 0 - 1 8 0o e 、5 0 - 1 0o n 的矩形区域。计算所得的中心位置( 丸，级) 供下文分析使 用。 为便于南亚高压的规律的研究，近年来不同研究者定义了一些表征南亚高 压中心位置的参数，张琼等【3 叼给出了南亚高压的面积、强度和中心位置指数， 中心位置指数为西风零线上位势高度最大处的经、纬度，文中称其为方法二。 图1 是1 9 9 7 2 0 0 7 年两种方法计算所得南亚高压中心位置( 疋，依) 相关分析 图，用( ，咙) ，( ，噍) 分别代表由方法一和方法二得到的南亚高压中心位置 距平，两种方法采用相同的搜索区域。其中方法二在选取搜索区内位势高度最 ， 大值时，由于资料分辨率2 5 * 2 。5 网格不够精细，采用了m a t l a b 里的二维插值 内部函数。 图1 两种方法所得南亚高压中心位置参数的相关图 a ，允：b ，。 从两者的相关分析上看，两种方法所得南亚高压中心位置经度之间的相关 关系不显著，相关系数为0 4 7 8 ，两者关系可用下式表示：】，= 一o 6 0 1 8 + 1 1 3 8 6 x 。 而两种方法所得南亚高压中心位置纬度具有较好的线性相关关系，较密切的同 步性，两者之间的关系可表示为：y = 一0 0 0 2 9 + o 5 6 3 5 x ，相关系数为0 7 0 2 。 验证了本文所采用的方法一是具可行性和合理性的。 2 3 滑动同时相关分析 1 2 对于逐年6 月1 日8 月3 1 日l o o h p a 南亚高压中心位置经度的时间序列 a ( 岛) ，t a = 1 ，9 2 ) ，及5 0 0 h p a 西太平洋副高中心位置经度的时间序列 五( 乞) ，乙= 1 ，9 2 ) 。它们之间的滑动相关系数表示为： 似户篆幽案裟铲 式中，f 为滑动步长，仃为时间序列的方差。 其显著性检验用t 一检验，r 的显著性检验临界值为 屹2 式中，t f 一2 可查表得。 2 4m o r l e t 小波功率谱分析 小波分析方法是一种揭示时间序列( 或空间分布) 局域振荡特征的方法 3 1 - 3 2 ，分析气象量时间序列( 或场) 的局域振荡特征对于认识分析对象变化规 律及预测均有重要意义。本文采用m o r l e t 小波功率谱对上述夏季南亚高压和西 太平洋副高逐日纬向位置以的时间序列进行分析，并提出一个用m o n t ec a r l o 方法对气象量序列m o r l e t 小波功率谱作显著性检验的简单易行的方法，以期对 最常用的实气象量序列小波功率谱分析结果的显著性作出统计判断。结果表明， 由它给出的时间周期域上功率谱显著区域与分析对象相应时域上的振荡特征 相符，表明该简易方法具有识别振荡强度随时间变化的能力。 对长为n 的实序列 允( f ) ，f = 1 ，z ) ，求得其标准( 中心) 化序列 f = 1 ，甩 其总能量( 或总方差) 矿= 彳2 ( f ) = 胛 工一 、7 t = l ( 2 ) 标准化不改变序列 旯( f ) ，t = 历) 的振荡特征。为计算方便，类似于文献【3 3 1 ，将 序列( 1 ) 向前、后各作了n 年延拓，得 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 叠p ) ，f = - - , + 1 ，2 n ( 3 ) 不过，为减小人为性对分析结果的影响，其向前( f = 一 + 1 ，0 ) 、向后( f = 疗+ 1 ，2 n ) 延拓的n 年的舅( f ) 均取为0 ，中间的n 年( r = 一1 , n ) 的王o ) 保留真值互( r ) 。 虬， 参照文献【3 1 1 ，在，= 彳磊可i 上构造适于分析序列( 3 ) 的m o r l e t 小波函数 虬( ，) = 2 i 2 r t l r ke 2 7 2 = p 竹2c o s 2 n - t 瓦+ i e - t 2 1 2s i n 2 x t 瓦 ( 4 ) 式中，瓦= n k 是一般谐波分析选用的周期，故k 为f = 1 ，z 上完整振荡个数， k = l ， 门2 】， 为取整算符。分别以y c 。、y & 记的实部、虚部，它们均是 实变量函数；、y & 的标准化形式为面。、函。， 面。( f ) = y c 。( f ) 1 y c 。0 ，石。( f ) = y ( f ) l | y & 式中，| | i l 为向量模的算符。 据此，可求得序列暑( 它是以t 为中心时刻的、长为2 n 一1 的时间序y o ) i ) ，t 7 = f 一( 咒一1 ) ，t + ( n - 1 ) 的标准化小波系数 a c ( t ，k ) = ( 暑，炉i ) ，a s ( t ，k ) = ( y e t ，y s 女) ，r = l ，n 1 4 ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 式中，( ，) 为向量内积算符。本文采用与文献 3 4 - - 3 6 相同的小波功率谱的定义， 即复小波系数的模方，它可与f o u r i e r 功率谱相比较。 因为面。、面。正交，故在以t 时刻为中心的长为2 n - 1 时域上周期为 瓦= n k 的小波功率为 r v ( t ，妨：a c 2 ，k ) + a s z p ，t ：万，七= 订而 ( 8 a ) 特别地，当k = n 2 】时， w 协、：厂c 2 ( 咿1 ) 2 ) 舶2 ( 咿1 ) 7 2 ) ，n 为奇数(8b)(t i n ， 2 】) = 叫 b c 2 ( f ，n 2 ) ， n 为偶数 w ( t , k ) 是待检验的小波统计量之一。由( 8 ) 式知，对大部分瓦，w ( t , k ) 由 面。、y s 。两个小波的功率合成；而对n 为偶数时的取样周期陬，：) ，它仅由面m 一个小波的功率构成。 2 5 小波功率谱w ( t , k ) 的m o n t ec a r l o 检验 1 、原理 按m o n t ec a r l o 方法思路，我们将分析对象随机序列量看作e 2 ”1 中的一个 向量，面。、茹。则可视为该空间中两个相互正交的单位向量。并因为舅p ) 只在 f = 一1 , n 上为非0 值，茹。( f ) 、面。( f 7 ) 在it 1 大于e 折时间的时域上迅速趋于0 ， 故置实际是上述e 2 ”1 中e ”子空间中的一个向量；而在以f = f ( 尼) ，n - r ( k ) + 1 为中 心的长为2 n 一1 的曼，的小波分析中，面。、! g s 。也可近似地视为该f 子空间中的 单位正交向量。 当模拟暑的向量是 f 、，= 甄随机地产生时，据能量按自由度分配的原理， 暑，在面七、面。上的投影平方和 彬( f ，k ) = ( y e t ，面t ) 2 + ( 暑，石i ) 2 = a c t 2 ( f ，k ) + a s t 2 ( f ，尼) ( 9 ) 的均值满足 三f 2 n ( n 一1 ) ，n 为奇数或n 为偶数但k n 2 1 i m 艺形( f ，k ) l - - ( 1 0 ) l 厅( 行一1 ) ，n 为偶数且后：刀2 ( 8 ) 式的矽 尼) 的临界值睨庄 七) 可由m o n t ec a r l o 试验得到。 2 、求吸口 尼) 的步骤 1 ) 产生随机序列暑、，= i , l ：在时域f = 而上对序列曼作随机排序，得 写，=砸(11) 其操作方法是用随机数产生程序产生l 个长为n 的时间序列 晏( ，) ，= 历、：豇 对每个与( f ) 、忙1 ，九作非升序排列( 即排列后的孝( f ) 满足孝( ，) 孝o + 1 ) ) ，并带 动更) 、t = l ，2 变换时序，由此得暑；重复l 次得( 1 1 ) 式。由上述操作过程 知，( 1 1 ) 式中葺的分布全同于分析对象曼。 2 ) 求葺、，= 1 ，l 的m o r l e t 小波功率谱啉矽：对( 1 1 ) 式中每个葺作m o r l e t 小波分析，得 彬p ，k ) 、忙1 ，z 、k = 1 ， n 2 、z = 1 ，三。 ( 1 2 ) 对f 瓦剖面上一点的功率试验结果形( r ，七) 、z = 一1 , l 作非升序排列，得 1 6 r v , ，( f ，尼) 、，7 = 1 ，l ( 1 3 ) 对信度口，取第r o = a l4 y - j j 率值( f ，七) 为睨，。( f ，七) ，它是检验形( r ，尼) 的临 界值。在由e 折时间r ( k ) 决定的有效时段f = r ( k ) ，万一f ( 七) + 1 内，当 r r ( t ，尼) 呢。( f ，七) 时，判断以t 为中心时刻、周期为瓦的振荡显著；反之则不显 著。 第三章夏季南亚高压中期纬向运动特征分析 3 1 夏季高压系统中心位置变化特征 表1 给出了分析期间( 1 1 个夏季) 南亚高压、西太平洋副高中心位置( 丸，纯) 的统计特征，图2 举例给出了1 1 年中2 0 0 3 年的逐日两系统中心的地理分布。 可见，夏季两系统中心的纬向季内变化较大，故主要分析二者纬向位置变化的 关系。 表l a1 9 9 7 - 2 0 0 7 年夏季逐年l o o h p a 平均位置( 九，仍) 表l b1 9 9 7 - 2 0 0 7 年夏季逐年5 0 0 h p a 平均位置( 丸，鲠) 图2 2 0 0 3 年夏季逐日系统中心位置分布( 五，纯) a ，南亚高压；b ，西太平洋副高 为考察1 9 9 7 2 0 0 7 年夏季南亚高压和西太平洋副高的东西位置演变，给出 各年6 月1 日8 月3 1 日l o o h p a 南亚高压中心位置经度时间序列 五( 乞) ，乞= 1 ，9 2 ，及5 0 0 h p a 西太平洋副高中心位置经度时间序列 _ _ _ _ _ _ _ _ 一 以) ，岛= 1 ，9 2 ) 的演变特征( 图3 ) 。 图3 1 1 年夏季l o o h p a 南亚高压( 左) 、5 0 0 h p a 西太平洋副高( 右) 九的逐日变化曲线 如图3 所示i 两个系统中心位置经度随时间的东西运动从曲线上看，趋势 是直观的，但运动幅度及运动周期的长短各有差异，不容易识别出明显的实质 性差别。精确的分析两系统的变化规律，需进行较定量的分析。 对两个系统的乃指标进行分析表明，两者的纬向运动以6 1 2 波为最显著， 对应周期为1 5 3 - - 7 6 天，故主要表现为中期时间尺度上的现象。这与诸多研 究【2 、1 0 3 7 1 中的结论是基本一致的。因此，分析主要着眼于这种卜3 周时间尺度 上的纬向运动现象。 3 2 夏季南亚高压中期纬向运动的两个概念 陶诗言和朱福康哺】指出，夏季南亚高压与5 0 0 h p a 西太平洋副热带高压的进 退有紧密的联系，两者有相向、相背运动的趋势。文献 5 对此纬向运动现象的 定义是，相向而行指南亚高压东部型建立过程中西太平洋副高有一次西伸北上 过程，相背而行是指南亚高压西部型建立过程中西太平洋副高向东南撤。 由以上分析，我们已经比较清楚地看到了南亚高压东西移动和周期性振荡 的特征，这些特征在其逐日中心经度变化图上能比较直观的反应出来。同时这 1 9 种纬向运动特征明确反映为两种现象，南亚高压单纯的向东( 西) 移动过程和 南亚高压纬向振荡过程。单纯的向东( 西) 移动过程指某一时段内南亚高压有 一定跨度的由西向东或者由东向西的单程移动过程；而纬向振荡过程指某一时 段内，南亚高压经历一次由西向东再向西，或者由东向西再向东的往返过程。 3 3 夏季南亚高压中期纬向运动统计特征 1 、滑动同时相关分析结果 我们在采用滑动同时相关的方法对各年 五( 乞) ，名= 1 ，9 2 及 2 5 ( t a ) ，t a = 1 ，9 2 ) 进行相关分析时，注意到一些有意义的现象。如图4 所示， 滑动步长分别取5 、7 、9 、1 1 、1 3 、1 5 、1 7 、2 1 天，并以逐个滑动步长表示变 化的时间尺度。各年的图上均有显著的负相关区域，负相关系数通过口= o 0 5 显 著性水平检验( 阴影区) ，这意味着两者中心位置经度的时间序列在某一时间段 上有一致的周期性，而振荡方向的变化是相反的，较好的体现了各年南亚高压 和西太平洋副高中心位置在东西向上的反向变化。 图4 逐年夏季南亚高压与西太平洋副高中心经度丸的滑动同时相关系数图 阴影区为通过显著性检验的区域 这种统计方法所反映的特征同时包括了南亚高压单纯向东( 西) 移动和周 期性纬向振荡的两种现象时南亚高压和西太平洋副高中心位移所具有的相关关 系。 以上分析简单地从形态和相关关系上揭示出南亚高压与西太平洋副高之间 2 0 纬向运动一些有意义的现象和关联，但量化描述和判别标准不够客观严格，可 供参照借鉴。它们也描述和刻画出了南亚高压与西太平洋副高相向、相背纬向 运动关系的事实。 2 、小波功率谱分析结果 两个系统中心位置经度的时间变化信号在特定频率( 周期) 的强弱和能量 大小可能是不一样的，小波分析方法可以准确地表现或度量不同波动周期的扰