（气象学专业论文）亚洲大气热源低频振荡的时间变化及其对中国夏季降水的影响.pdf

亚洲大气热源低频振荡的时间变化及其对 中国夏季降水的影响 专业：气象学 硕士生：高斯 指导老师：简茂球教授 摘要 本文利用1 9 5 8 - 2 0 0 0 年共4 3 年的n e c p n c a r 再分析资料计算的全球逐日 的大气显热源资料，及我国1 6 0 站1 9 5 8 - 2 0 0 0 年的逐月降水资料，应用带通滤波、 经验正交函数分解、奇异值分解、小波分析等统计分析方法，研究了整层积分大 气热源低频振荡( i s o ) 的季节演变、年际变化特征及其对华南6 月、长江中下 游夏季降水的影响，得到以下结果。 气候平均大气热源i s o 的季节演变特征为：北半球冬季，i s 0 活跃区主要位 于澳大利亚季风区及其附近地区；春季为冬夏型的过渡时期；夏季，i s o 活跃区 转移到亚洲季风区及北美季风区；秋季，亚洲和北美季风区的i s o 仍较活跃。 亚洲季风区气候平均大气热源3 0 - - 6 0 d 振荡( i s o - 1 ) 的传播特征与季风的爆发和 推进有很好的对应关系 亚澳季风区和北美季风区是大气热源i s o 1 年际变化的主要中心区。亚澳 季风区春季热源i s o 1 强度三种主要变异型的变异中心分别位于：( 1 ) 热带中印 度洋、澳大利亚北部和东北侧的热带西南太平洋；( 2 ) 澳大利亚西北部和菲律宾 以东的热带西太平洋；( 3 ) 菲律宾北部及其以东的西太平洋低纬。亚洲季风区夏 季热源i s o 1 强度的三种主要变异型的变异中心分别位于：( 1 ) 阿拉伯海东部、 盂加拉湾和南海一菲律宾海域( 亚洲季风区低纬型) ；( 2 ) 日本南面海域和菲律 宾及其以东海域( 西北太平洋( w n p ) 南北反相型) ；( 3 ) 副热带w n p ( w n i 副 热带型) 。除春、夏季第1 型对应的时间变化同时具有年际、年代际变化特征外， 其余异常型的时间变化以年际变化为主。夏季日本东南部海域、菲律宾北部及其 以东海域及海洋性大陆西部这一东北一西南倾斜带的i s o - 1 强度与同期长江中 下游地区的降水有很好的正相关。 对长江中下游地区夏季早、涝年的合成分析表明，涝( 早) 年长江中下游、 日本岛西南部附近、日本南面的w n p 及菲律宾东北面海域的i s o 1 活动明显偏 强( 弱) 。涝年i s o 1 大气热源伴随着i s o 1 气旋从南海南部的北传，暖池区的 西北传、1 6 0 * e 左右w n p 中纬度的西传都十分明显，是造成降水偏多的主要原 因，北传和西传的速度分别约为0 6m s 和1 3 m s ，平均而言两次从南海北上的 时间分别约在两个峰值之前3 3 天和4 4 天；而早年i s o 1 大气热源的北传、西北 传及西传都不明显，i s o 1 大气热汇从1 6 0 。e 左右w n p 中纬度的西传明显，传 播速度约为1 8r i g s 。 对华南地区6 月旱、涝年的合成分析表明，涝( 旱) 年该地区i s o - 1 大气热 源明显偏强( 弱) ，月平均的8 5 0 h p ai s o 1 风场表现为南海西太平洋一日本东 南部存在反气旋( 气旋) ，华南地区是辐合( 辐散) 区。此外，涝年i s o - 1 大气 热源伴随着i s o - 1 气旋约在华南峰值位相前一个月( 平均约5 月1 6 日) 从南海 南部的北传、前2 0 天( 平均约5 月2 5 日) 从1 4 0 6 e 左右w n p 的西传都十分明 显，北传和西传的速度分别约为0 6m s 和1 4m s ；而旱年i s o 1 大气热源从 w n p 上的西传不明显，i s o 1 大气热源在华南峰值位相前7 天( 平均约6 月1 5 日) 才开始北上，与从江南地区南移的i s o 1 大气热源交汇在华南( 平均约6 月 2 2 日) 关键词：大气热源，低频振荡，时间变化，长江中下游，华南 t e m p o r a lv a r i a t i o no f a s i a ni n t r a s e a s o n a lo s c i l l a t i o no f a t m o s p h e r i c h e a ts o u r c e sa n di t si n f l u e n c eo ns u m m e rr a i n f a ui nc h i n a m a j o r ：m e t e o r o l o g y n a m e ：g a o 融 s u p e r v i s o r ：p r o f j i a nm a o q l u u s m gm o n t h l yp r e c i r i i t a t i o nd a t a 砒1 6 0s t a t i o n s i nc h i n aa n dt h eg l o b a l a t m o s p h e r i ch e a ts o u r sc a l c u l a t e du s i n gt h en c e p n c a rd a f l yr e a n a l y s i sd a t a f t o m1 9 5 8t o2 0 0 0 9w i t hb a n d - p a s sf i l t e r , e o f , s v da n dw a v e l e ta n a l y s i sm e t h o d s , t h es e a s o n a l , i n t e r a n n u a lv a r i a t i o n so fi n t r a s e a s o n a lo s c i l l a t i o n ( i s 伪o ft h ev e r t i c a l l y i n t e g r a t e dh e a ts o t t r c e $ ( ) a n dt h e i ri n f l u e n c eo nt h em 缸矗l l lo v e rs o u t h c h i n ai n j u n ea n dm i d d l ea n dl o w e rr e a c ho fy a n g t z er i v e rr e g i o ni ns u m m e rh a v eb e e n a n a l y z e d t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： b a s e do nt h ec l i m a t o l o g y , i nb o r e a lw i n t e r , a c t i v ci s oi sl o c a t e da ta u s t r a l i a n m o b s o o nr e g i o na n di t sv i c i n i t y s p r i n gi st h ei n t e r i mf r o mw i n t e rt os u m m e li n s u n n n e r , i s oa c t i v ea r e a sa r el o c a t e d 缸a s i a na n dn o r ha m e r i c a nm o b s o o l lr e g i o n s r e s p e c t i v e l y i s o so v e ra s i a na n dn o a ha m e r i c a nm o n s o o nr e g i o n sa r es t i l la c t i v ei n a u t u m n p r o p a g a t i o no fc l i m a t o l o g i c a l3 0 - 6 0d a yo s c i l l a t i o no s o 一1 ) o f o v e r a s i a nm o n s o o nr e g i o ni sc o n s i s t e n tw e l lw i t hm o n s o o no n s e ta n da d v a n c e i n t e r a n n u a lv a r i a t i o n so f i s 0 - 1a r em o s tp r o n o u n c e do v e ra u s t r a l i a n , a s i a n , a n dn o a ha m e r i c a nm o n s o o l lr e g i o n s t h et h r e em a i ns p a t i a la n o m a l o u s p a t t e r n so v e ra s i a n - a u s t r a l i a ni i i o n s o o nr e g i o ni ns p r i n gs h o wt h em a i nc e n t e r s r e s p e c t i v e l yl o c a t e da t ( 1 ) m i d d l et r o p i c a li n d i a no c e a n , n o r t h e ma u s t r a l i aa n d t r o p i c a lw e s t e r ns o u t hp a c i f i c , ( 2 ) n o r t h w e s t e r na u s t r a l i aa n dt r o p i c a lw e s t e mp a c i f i c e a s tt op h i l i p p i n e , ( 3 ) n o r t b e mp h i l i p p i n ea n dl o w l a t i t u d ew e s t e r np a c i f i ce a s tt oi t t h et h r e em a i ns p a t i a la n o m a l o u sp a t t e r n so v c ra s i a nm o n s o o ns e a s o ni ns u m m e ra r e ( 1 ) t h ec o n s i s t e n tp o s i t i v eo ro p p o s i t ep a t t e r no v e rt r o p i c a la r e a s , a n o m a l o u sc e n t e r s l o c a t ea te a s t e r na r a b i a ns e a , b a yo fb e n g a la n ds o u t hc h i n as e a ( s c s ) 一p h i l i p p i n e s e a , ( 2 ) t h et w os p a t i a l l y - o p p o s i t ep a t t e r n sf r o mn o a ht os o u t hi nw e s t e r nn o r t h p a c i f i c ( w n p ) ，a n o m a l o u sc e n t e r sl o c a t ea ts e aa t c as o u t ht oj a p a na n de a s tt o p h i l i p p i n e ，a n d ( 3 ) s u b t r o p i c a lw n pp a t t e r n , a n o m a l o u sc e n t e r sl o c a t ea ts u b t r o p i c a l w n et h cf i r s tp a t t e 娜i n s p r i n ga n ds u m m e rd i s p l a yt h ei n t e r a n n u a la n di n t e r d e c a d a l v a r i a t i o n s ，a n do t h e rp a u e m sh a v ed o m i n a n ti n t e r a n n u a lv a r i a t i o n s i ns u m m e rt h e r e i sas i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e np r e c i p i t a t i o no fm i d d l e l o w e rr e a c ho f y a n g t z er i v e rr e g i o na n di s o - 1i n t e n s i t yo v e ran o r t h e a s t - s o u t h w e s tb e l to fs e aa r f a s o u t h e a s tt oj a p a n , n o r t h e r na n de a s tt op h i l i p p i n e , a n dw e s t e r nm a r i t i m ec o n t i n e n t t h ec o m p o s i t ea n a l y s i so fs u m m e rf l o o da n dd r o u g h ty e a r si nt h em i d d l ea n d l o w e rr e a c ho fy a n g t z er i v e rs h o w st h a t ，t h e r ee x i s t s i g n i f i c a n tt h en o r t h w a r d p r o p a g a t i o n sf r o mt h es o u t h e r ns c ss i n c em a y2 7 血a n dj u n e2 9 i h t h cn o r t h w e s t w a r d p r o p a g a t i o n sf r o mw e s t e r np a c i f i cw a r mp o o la r e aa n dt h ew e s t w a r dp r o p a g a t i o n s f r o mm i d l a t i t u d ew n pa r o u n d1 6 0 * eo fh e a ts o u r c ei s o - 1d u r i n gt h ef l o o dy e a r s t h ew e s t w a r da n dn o r t h w a r dp r o p a g a t i o n ss p e e d sa r ea b o u t1 3m sa n d0 6m s , r e s p e c t i v e l y h o w e v e rt h e r ei sn oo b v i o u sn o r t h w a r d , w e s t w a r da n dn o r t h w e s t w a r d p r o p a g a t i o no fh e a t s o u r c ei s o - 1d u r i n gt h ed r o u g h t y e a r s ，e x c e p tt h eo b v i o u s w e s t w a r dp r o p a g a t i o no fh e a ts i n ki s o - 1f r o mt h em i d - l a t i t u l a d ea t1 6 0 。ei nt h e w n pw i t hap h a s es p e e do f1 8m s t h ec o m p o s i t ea n a l y s i so fj u n ef l o o da n dd r o u g h ty e a r so v e rs o u t hc h i n as h o w s t h a t , d u r i n gt h en d ( d r o u g h t ) y e a r s , t h em o n t h l ym e a n h e a ts o u r c e ( s i n k ) i s o - 1o v e r s o u t hc h i n ai ss i g n f i c a n t l ye n h a n c e d ，t h em o n t m ym e a nl o w - l c v e ! ( 8 5 0 h p a ) w i n d i s o - 1p a t t e r ni sc h a r a c t e r i z e db ya na n o m a l o u sa n t i c y c l o n e ( c y c l o n e ) o v e rs c s ，w n p a n dt h ea r e as o u t h e a s tt o j a p a n , a c c o m p a n i e dw i t ha n o m a l o u sc o n v e r g e n c e ( d i v e r g e n c e ) o v e rs o u t hc h i n a f u r t h e r m o r e ，d u r i n gt h ef l o o dy e a r s , t h e r ee x i s t r e m a r k a b l en o r t h w a r dp r o p a g a t i o n so fh e a ts o u r c ei s o - 1f r o mt h es o u t h e r ns c s b e g i n n i n g a tt h et i m eo fm a y1 6 h , o r em o n t hb e f o r et h ep e a kd a yo f i s o 1o v e r t h es o u t ha l 缸a a n dt h ew e s t w a r dp r o p a g a t i o n so fh e a ts o u r c ei s o - 1f r o m m i d - l a t i t u d ew n pa r o u n d1 4 0 。eh e g i n i n go nm a y2 5 恤2 0d a y sb e f o r et h ep e a kd a y o f i s o 1o v e rt h es o u t hc h i n a t h ew e s t w a r da n dn o r t h w a r dp r o p a g a t i o n s p e e d sa r ea b o u t1 4m sa n d0 6m s , r e s p e c t i v e l y h o w e v e r , d u r i n gt h ed r o u g h ty e a r s , t h en o r t h w a r dp r o p a g a t i o no f i s o 1f r o mt h es c s b e g i n so nj u n e1 5 恤，7d a d b e f o r et h ep e a l 【d a yo f i s o - 1o v e rt h es o u t hc h i n aa n dt h e r ea g et h es o u t h w a r d p r o p a g a t i o nf r o ms o u t hy a n g t z ea n dt h en o r t h w a r dp r o p a g a t i o nf r o mt h es c s c o n v e r g i n go v e rt h es o u t hc h i n a ；a n dt h ew e s t w a r dp r o p a g a t i o no fi s o 1 i sn o t 0 b v i o u s k e y w o r d s ：a t m o s p h e r i ch e a ts o u r c e s , i n t r a s c a s o n a lo s c i l l a t i o n , t e m p o r a lv a r i a t i o n s , m i d d l ea n dl o w e rr e a c ho f y a n g t z er i v e r , s o u t hc h i n a i v 第1 章前言 1 1 研究意义 第1 章前言 大气低频振荡( 也叫季节内振荡，i n t r a s e a s o n a lo s c i l l a t i o n ) ( i s o ) 已被视为 重要的大气环流系统周期性振荡现象之一，它的活动及其异常对许多地区的天气 和短期气候都有重大影响。2 0 世纪8 0 年代以来一直是大气科学的重要前沿研究课 题。 大气热源是指大气中的非绝热加热，是大气环流的驱动力。亚洲季风区夏季 热源又是全球大气的主要热源所在。所以了解该区的热源i s o 的时空分布特征及 其与季风等大气环流系统的关系，不仅对于认识大气环流系统运动的特征和规律 十分重要，而且对于提高和改进数值天气预报和短期气候预报有重要意义。 1 2 研究现状 关于大气i s o 的研究非常多，主要从其发现、与南海夏季风的关系、与西北 太平洋夏季风的关系、与东亚夏季风及中国降水的关系等方面进行回顾。 1 2 1 大气低频振荡的发现 自m a d d e n 和j u l 一1 , 2 1 在2 0 世纪7 0 年代发现热带地区4 0 - 5 0 d 的振荡以来， 1 9 7 8 - 1 9 7 9 实施的全球大气研究计划第一次全球试验( f g g e ) 及同期进行的印度季 风试验( m o n e ) ( ) 的重要观测资料，为进一步探索亚洲夏季风活动的低频振荡提供 了机会。在观测基础上许多学者( k r i s h n a m u r t i 和s u b r a h m a n y a m l 3 1 ；l o n c 【4 】； m u r a k a m i 和n a k a z a w a 5 ，6 1 ；l a u 和p e n 9 1 7 1 ) 证实了亚洲夏季风存在3 0 - 石o d ( 或 3 0 5 0 d 、4 0 - 5 0 d ) 的i s o ，他们指出，在北半球夏季3 0 - 6 0 d 振荡除东移之外，还 出现北移。这种振荡与季风建立和中断，印度和东南亚上空的低空急流的变动等 第1 章前言 区域特征有关。k r i s h n a m u r t 和a r d a n u y s l 还发现了印度夏季风( i s m ) 西移的1 0 - - 2 0 d 振荡。c h e n 和c h e n l 9 1 发现1 9 7 9 年i s m 的1 0 ，2 0 d 振荡表现出双细胞结构( 双高 或双低) ，它们分别沿着印度季风槽和赤道西传。 1 2 2 大气低频振荡与南海夏季风的关系 ( 1 ) 大气i s o 与南海夏季风( s c s s m ) 爆发的关系：c h e n 和c h e n 【加】研究 了1 9 7 9 年s c s s m 的i s o ，他们指出，1 9 7 9 年s c s s m 被北移的3 0 - 6 0 d 振荡的季 风槽脊所调制，在5 月中旬南海北部3 0 - - 6 0 d 振荡和1 0 - - 2 0 d 振荡锁相时s c s s m 爆 发，之后反相时s c s s m 中断。他们推测，因为i s m 的1 0 - 2 0 d 振荡始于南海西 太平洋地区，所以s c s s m 对印度夏季风有影响。 穆明权和李崇银【1 1 】研究指出1 9 9 8 年s c s s m 的爆发与3 0 - 6 0 d 的i s o 的活动 关系密切，南海及其临近地区i s o 的活动主要为局地振荡型，夏季风爆发后才有 明显的向北传播，成为s c s s m 爆发影响东亚大气环流和天气的重要途径之一。 c h a n 掣1 2 增察了1 9 9 8 年s c s s m 的演变过程，发现3 0 - 6 0 d 振荡控制了s c s s m 的维持和中断，1 0 - - 2 0 d 振荡也起到进一步的调制作用。 温之平等【1 3 l 研究表明，当5 月1 1 5e t 期间乌拉尔山及其以西地区对流层出现 位势高度负距平( 低频气旋) 、中纬度大陆为位势高度正距平( 低频反气旋) 、我 国东部沿岸地区为位势高度负距平( 低频气旋) 、鄂霍次克海地区为位势高度正距 平( 低频反气旋) 时，副热带高压脊较早撤出南海，与此同时，孟加拉湾东部低 频对流活跃东传，菲律宾南部周围低频对流发展西移，华南地区低频对流活动南 移以及加里曼丹低频对流活跃北移。在这种情况下，南海夏季风爆发偏早。相反， 当5 月l 。1 5 日期间乌拉尔山及其以西地区对流层出现位势高度正距平( 低频反气 旋) ，中纬度大陆为位势高度负距平( 低频气旋) 、我国东部沿岸地区为位势高度 正距平( 低频反气旋) 、鄂霍次克海地区为位势高度负距平( 低频气旋) 时，副热 带高压脊撤出南海较迟；与此同时，孟加拉湾东部低频对流不活跃，东传晚，菲 律宾南部周围低频对流不活跃、其西移与孟加拉湾东部低频对流的东传反位相， 华南地区低频对流活动也不活跃，加里曼丹低频对流较弱。在这种情况下，南海 夏季风爆发偏迟。w e nz h o u 等1 1 4 1 分析了从赤道印度洋东北传的3 0 - - 6 0 d 振荡和从 2 第1 章前言 赤道西太平洋西北传的1 0 - 2 0 d 振荡的耦合对s c s s m 爆发和发展的作用。 林爱型1 5 1 用多年o l r 资料分析了南海i s o 的季节变化特征及其与s c s s m 建 立和活动的关系。结果表明：南海i s o 在夏季风期间比冬季风期间明显较强， s c s s m 一般在初夏第一个较强i s o 循环的负值位相( 即湿位相) 开始建立；s c s s m 期间i s o 的环流实体是i t c z 的南北振荡和西太平洋高压西脊点的东西摆动，i s o 与s c s s m 的活跃和中断( 或减弱) 密切相关。 ( 2 ) 南海夏季风i s o 的年际变化：林爱兰等【1 6 1 用t b b 资料分析了南海对流 季节内变化频谱及强度的变化特征，发现南海对流季节内变化强度及频谱存在明 显的年际变化和年代际变化特征。m a o 和c h a r t l l 7 1 研究了s c s s mi s o 的年际变化， 指出3 0 , - 6 0 d 和1 0 乏伽振荡是在多数年份控制s c s s m 的活动的两种i s o 型。 s c s s m 的3 0 , - - 6 0 d 振荡呈槽脊跷跷板分布：南海上空的气旋( 反气旋) 距平伴 随着对流的加强( 减弱) 从赤道向中纬度北移；而1 0 之0 d 振荡表现为西太平洋上 空的一个气旋( 反气旋) 系统向西北移到南海。 1 2 3 大气低频振荡与西北太平洋夏季风的关系 g u a n 和c h a n 埔1 利用o l r 资料研究了西北太平洋夏季风( w n p s m ) i s o 的 年际变化，发现1 帖2 0 d 和3 0 - - 6 ( o 振荡的调制作用及其相对强度具有明显的年际 变化，个例分析表明，o l r 低值的发展机制可能每年不同，1 0 砣0 d 振荡、3 0 - , 6 0 d 振荡和季节循环都可能在不同年份起支配作用。王慧等【1 9 l 发现w n ps m 气候平均 的i s o ( a s o ) 主要由3 0 - 6 ( o 和1 0 砣o d 两种周期组成，但是主要以3 0 删的低 频振荡为主。根据w n p 的对流和低层西风在不同位相分布的分析，可以看出w n p 的低频对流和西风是向西向北传播的。w n p 的季风降水、对流与西风的活跃一中 断循环在很大程度上受3 0 - - 6 0 d 和l 眦0 d 低频振荡的调制。 1 2 4 大气低频振荡与东亚夏季风及中国降水的关系 l a u 和y a n g 冽考察了季风雨区的季节和亚季节性进程，包括南海季风槽和 m e i - y u b a i u 锋( m b f ) 的形成和移动。m b f 的降水伴随着源于南海一西太平洋 3 第1 章前言 地区的水汽输送；而且南海一西太平洋地区的水汽和水汽通量是季节内变动的 ( e l l e n 等1 2 1 】) c h e n 掣2 2 悃o l r 和8 5 0 h p a 纬向风定义季风指数，从滤波后的指 数的时间演变图上看出，南海和华东呈反相关系。 琚建华等例研究了东亚夏季风( e a s m ) 中的季节内振荡，东亚夏季风区内 低频振荡在夏季主要是以3 0 - 6 0 d 周期的振荡为主，e a s m 的季节内振荡在东亚沿 海里波列的形式，并表现为随时间向北传播的季风涌，由于该季节内振荡的波动， 造成了东亚热带夏季风在东亚热带和副热带地区活动的反位相关系。 b i nw a n g 等州把亚洲季风区的c i s o 分成4 个循环来研究其演变特征，并指 出i s m 、w n p s m 和东亚副热带夏季风( e a s m ) 之间的联系是季节独立的，在第 一个循环对流活动在3 个季风区几乎同相，然而在第3 个循环对流活动在i s m 和 w n p s m 之间是反相的，同时w n p s m 和e a s m 之间几乎没有联系 关于i s o 与中国降水的联系的研究很多。c h e n 等t 2 - q 、陈桂兴等郾l 都发现1 9 9 8 年夏季长江流域洪涝灾害的发生与低纬和中高纬低频气旋在长江流域附近地区的 汇合过程有关。z h u 等期进一步研究了1 9 9 8 年长江中下游洪涝，指出该年夏季西北 太平洋季风槽和副热带气旋出现反时针旋转的传播，出现3 0 - 6 ( 0 振荡式的对流异 常加强和抑制，使长江中下游得到更多降水，形成洪涝。朱乾根等l 发现1 9 9 8 年 准4 5 天东西向低频槽脊由南海不断向北传播，以及低槽中的低频低涡向西传播是 形成长江流域低频降水的重要原因。黄静等】通过梅雨前后低频风场和速度势场 的分析，发现1 9 s o 年长江流域降水与东亚季风区内低频振荡的北传以及南半球高 纬的涡旋列不断东移相联系。陆尔等【蚓，张秀丽等【3 1 】分别从位涡场和风场低频振 荡传播的角度分析了1 9 9 1 年江淮地区暴雨与低频振荡特征。最近，韩荣青等 3 2 1 研究了4 3 年东亚不同纬带的降水分别与太平洋同一纬带上大气i s o 沿纬圈传播的 关系，发现太平洋上经向风i s o 向西传播的强或弱，是东亚夏季风区降水偏多或偏 少的必要条件。对逐年夏季的分析表明，无论当年东亚夏季风强与否，在所划分 的几个东亚季风区所有涝的年份里，太平洋同一纬带上大气i s o 向西传播都明显较 强，而在这些区域绝大多数旱的年份里，相应的i s o 向西传播明显较弱。琚建华等 1 3 3 】研究发现东亚季风涌势力异常强( 弱) 的年份对应着长江中下游地区的降水多 ( 少) 年，强季风涌年主要是f h i s o 1 起主导作用。 4 第1 章前言 1 3 本文拟研究的内容 以上研究指出亚洲季风区i s o 存在3 0 - 6 0 d ( i s o - 1 ) 和1 0 - 2 0 d ( i s o 2 ) 两种振 荡型，且与夏季风活动联系密切。但这些研究一般采用水平风场、气压场、位势 高低场、降水、o l r 、t b b 等资料，极少分析大气热源的，只有江宁波等刚利用 e c m w f l 9 8 0 - - 1 9 8 3 年资料发现在亚洲季风区大气热源存在着3 0 6 0 d 的低频振荡。 其所用资料时段比较短，亚洲季风区大气热源是否普遍存在3 0 - - 6 0 d 和1 0 - 2 0 d 振荡 呢? 如果存在，其季节、年际变化、空间异常分布特征如何? 其强度与传播对中 国夏季降水有何影响? 这些都是值得研究的问题。 基于以上问题，本文拟订的研究内容包括以下部分： ( 1 ) 大气热源低频振荡的气候特征 ( 2 ) 大气热源低频振荡强度的年际变化及其与中国夏季降水的关系 ( 3 ) 长江中下游地区夏季旱涝与i s o 1 的关系 ( 4 ) 华南6 月旱涝与i s o - 1 的关系 5 第2 章资料与分析方法 2 1 资料 第2 章资料和分析方法 本文所使用的资料有： 1 11 9 5 8 - - 2 0 0 0 年共4 3 年n c a r n c e p 再分析资料逐日资料子集中的高 空1 2 层纬向风u 、经向风v 、p 坐标垂直速度及温度t 等资料，具体来讲，高 空1 2 层分别为1 0 0 0h p a ，9 2 5h p a ，8 5 0h p a ，7 0 0h p a ，6 0 0h p a ，5 0 0h p a ，4 0 0h p a ， 3 0 0h p a ，2 5 0h p a ，2 0 0h p a ，1 5 0h p a ，1 0 0h p a 。上述资料格式为经纬度网格点， 分辨率为2 5 0 2 5 。 国家气候中心整编的中国1 6 0 站1 9 5 8 - 2 0 0 0 年共4 3 年月平均降水资料。 2 2 计算和分析方法 2 2 1 大气热源的计算方法 本文采用倒算法刈计算t 全球逐日高空逐层视热源，兵计算公式卿r ： ，陟叫舻矧 其中r 为温度，口为位温，为p 坐标的垂直速度，p 0 为1 0 0 0 h p a , r r i c ，矿 为水平风矢量，q l 为大气热源。大气热源的垂直积分值可表示为： ( q 1 ) 。x q l d p - l p + s + ( 绋) ( 2 - 2 ) 其中l 为凝结潜热，尸为降水量，s 为地表感热通量，( 级) 为垂直积分的辐射加 6 第2 章资料与分析方法 热项，b 及b 分别为地面气压和大气层顶气压( 取l o o h p a ) 。本文采用大气热源 的垂直积分值( q 1 ) ( 以下简称大气热源) 来研究。 在本文分析研究中，还用到经验正交函数分解( e o f ) 、奇异值分解( s v d ) 、 m o r l e t 小波分析、b u t t c r w o r t h 带通滤波、合成分析等统计分析方法下面对这些 分析方法进行简单的介绍。 2 2 2 经验正交函数分解( e o f ) 方法简介【3 7 3 8 l 经验正交函数分解，又称主分量分析或主成分分析，自然正交函数分解或特 征向量分析。它是气象统计分析的常用方法之一。它能够把随时间变化的气象要 素场分解为空间函数部分和时间函数( 主分量) 部分。空间函数部分概括场的地 域分布特点，这部分是不随时间变化的；而时间函数部分则由空间点( 变量) 的 线性组合所构成，成为主分量，这些主分量的头几个占有原空间点( 变量) 的方 差的很大部分。研究主分量随时间变化的规律就可以代替对场的随时间变化的研 究。 设抽取气象要素场样本容量为n 的资料，则场中任一空间点i 和任一时间点j 的距平观测值勺可看成由p 个空间函数和时间函数) ，q ( k - 1 , 2 , ，p ) 的线性 组合，表示成 嘞。荟。吩l y l l + 慨+ “+ ( 2 - 3 ) 上述分解还可以表示成矩阵形式x -vy(2q 式中z ) b p x n 资料阵，阵中元素嘞( f - 1 , 2 , io 9 p ；j a l2 ，厅) 为距平值， 即阵中元素满足下式 昙蠢毛- 。( f 协唧) ( 2 - 5 ) ( 2 4 ) 式中 7 第2 章资料与分析方法 v - v 1 1 屹lv 笠 v p l 2 y y ny l z y 2 1y 笠 y ，iy p 2 ) ，h ) ， 分别称为空间函数矩阵和时间函数矩阵。由于它们是根据场的资料阵x 进行 分解，分解的函数没有固有的函数形式，因而称为“经验”的。但是我们还希望这 种分解和其它正交函数类似具有“正交”性的特点，即要求 有 “羹一。 川 欺) ，：一套蜘- 。 一d g 。乃 事实上，对( 2 4 ) 式右乘z 有 x x 唧矿 ( 2 - 8 ) 但届。是p p 对称阵，阵中元素为距平变量的交叉积。据实对称阵分解定理 掰。v a v ( 2 9 ) 式中a 为届矩阵的特征值组成的对角度，v 为对应的特征向量为列向量组 成的矩阵，比较( 2 8 ) 与( 2 9 ) 式可知 yy一a(2-10) 又据特征向量性质有 y 矿- - i ( 2 - 1 1 ) 显然( 2 1 0 ) 及( 2 n ) 式满足( 2 7 ) 式的要求。由此可知空间函数矩阵可从肠矩阵 的特征向量求得，而时间函数可利用( 2 4 ) 式左乘v 阵得到，即 y - v z ( 2 1 2 ) 至此，完成矩阵x 的经验正交函数分解。 由时间函数( 或主分量) 性质，我们就可以用头几个方差较大的时间函数与 8 第2 章资料与分析方法 和相应的时间函数( ，- 1 , 2 , “以；甩为样本数) ( 或主分量) 还原的时间序列 魄1 ，儿2 ，妖3 ，蜘，) ( 2 1 3 ) 其方差为：彳- 畦生，其中 为第| 个特征值。则第f 点原始时间序列的 n ” 2 。荟露4 ( 荟吒。九) 玎 ( 2 1 4 ) m 为e o f 的特征值个数。因此，对空间点f ，由该点第七个特征向量值和 相应的时间函数( ，一1 ，2 ，一j ； 为样本数) ( 或主分量) 还原的时间序列的方 差占该点原始时间序列方差的百分比丑f 艮( 后面亦称空间点方差贡献率，以区别 b f b a 。善。里 ( 2 1 5 ) 荟荟以九) 一 2 2 3 奇异值分解( s 、m ) 分析方法简介【3 9 l 奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，简称s v d ) 分析方法是提取两 个气象场耦合信号的诊断工具，是对在时空上有变化的两个变量场同时进行统计 分析的方法。s v d 的基本原理是对两个要素场的交叉协方差阵的对角化运算，并 找到两要素场中若干对相对应的空间分布，且少数的几对特征向量能解释要素场 的大部分方差。一般认为s v d 分析方法是揭示两个场相关模态的优良方法，特 别适合大尺度气象场遥相关型的研究。 9 第2 章资料与分析方法 设有两个零均值的气象序列：z o ) 一 ，埘 一o ) 屯o ) ( f ) ，y ( o 一 y 。o ) _ ) ，2 ( t ) i o ) 分别有p ，q 个 网格点或变量组成，序列长度均为，称z p ) 为左气象场( 左场) ，y ( f ) 为右气象 场( 右场) ，两气象场之间的交叉协方差阵为： c 脚x r 一( 葛) 鬈g ) ) p - 回 式中符号( ) 表示求平均，下同；y ( f ) 表示y o ) 的转置。c 0 的奇异值分解为： 一，l 。m m ( 2 - 1 7 ) p x qp “看磊“m 其中- 扔g ( 吼，q ，一吒) ，m - m i n ( p ，口) ，q 为矩阵c 耵的奇异值；的列 向量是矩阵巴，的左奇异向量，有l c - i ；m 的列向量是矩阵g ，的右奇异向量， 有m m - i 。可见，从数学上讲，s v d 实际上是非方阵和非对称阵的广义对角化 运算。 根据上面的公式，可将左、右气象场按各自的奇异向量完全展开： z o ) ( 厶，岛，l ) 吼o ) 口2 0 ) ( f ) - l a ；y ( f ) = ( 材l ，埘2 ，i ) 岛o ) b 2 ( t ) ： k o ) 一m b ( 2 - 1 8 ) 4 ，置分别为左、右场的展开系数，也称时间权重系数。通常称( 厶，时，) 为一对 。 变量型( p a t t e r n ) ：每一对变量型和相应的展开系数确定了一种模态( m o d e ) 。 为衡量各模态对交叉协方差阵的贡献大小，引入第k 各模态对平方协方差阵的贡 献百分率配e ： 脚饼圣 前t 个模态的累计平方协方差贡献百分率c 配目为： 1 0 ( 2 - 1 外 第2 章资料与分析方法 一器 嘲以卜器 ， 懈a 咖器。赫耆( 粕) ) = 1 刁 峭以m 黼2 崭省( 啪) ) - 1 啦以伽器。赫省) | 1 ( 2 一砷 峨啪胪器。赫若( 舶沪l 陆四 2 2 4m o r l e t 小波分析方法简介时4 2 1 l l 第2 章资料与分析方法 小波分析是近年新发展起来的一种数学分析方法，二十世纪九十年代以来， 它在大气科学中的应用日益增多。小波分析具有时频局部化的功能，通过伸缩和 平移对函数和信号进行多尺度分析，能有效地从中提取信息，特别使用于对非平 稳时间序列的分析。它是在傅立叶分析的基础上发展起来的，与传统的傅立叶分 析相比，主要具有以下两个优点：( 1 ) 给出要素序列的瞬时振动频率随时问的变 化情况；( 2 ) 可以