（气象学专业论文）冬季冰岛低压一组环流指数在气候研究中的应用.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：滥硷 签字日期： 关于论文使用授权的说明 2 趴l 一 一2 口 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生院办理。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此 协议) 学位论文作者签名：滥企签字日期： 指导教师签名：签字日期： 2 - o l l 岁一2 口 风f 爹一2 0 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究冰岛低压意义和目的l 1 2 研究工作回顾。l 1 3 主要工作和内容2 第二章冰岛低压环流指数定义和计算5 2 1 资料与方法5 2 2 冰岛低压s 指数和尸指数的定义和计算6 2 3 冰岛低压中心位置指数( 丸、纯) 的定义和计算方案7 2 4 冰岛低压分布特征参数的定义10 2 5 计算举例和结果。1 0 2 5 1s ，p 指数的计算l l 2 5 2 中心位置指数的计算1 3 2 6 ，j 、结。1 6 第三章冰岛低压气候态的分析1 7 3 1 气候态定义1 7 3 2 冰岛低压气候态的分析1 7 3 3 小结18 第四章冰岛低压异常态的分析1 9 4 1 冰岛低压指数p 异常的时频特征2 0 4 2 冰岛低压中心位置指数异常的时频特征2 l 4 3 小结。2 3 第五章冰岛低压指数与北大西洋涛动的关系2 5 5 1 北大西洋涛动指数的构成分析2 5 5 2 北大西洋涛动指数与冰岛低压异常的相关分析2 6 5 3 小结2 7 第六章冰岛低压指数与北大西洋海表温度异常的分析。2 9 6 1 冰岛低压指数p 与北大西洋s s t 异常的关系。3 0 6 2 冰岛低压中心位置指数与北大西洋s s t 异常的关系3 2 6 2 1 中心位置允指数与北大西洋s s t 异常的关系3 2 6 2 2 中心位置纯指数与s s t 异常的关系3 3 6 3 小结3 4 第七章冰岛低压与北半球气候异常的关系3 7 7 1 冰岛低压强度指数尸和北半球气温、降水的关系3 7 7 1 1 冰岛低压强度尸与北半球气温的关系3 7 7 1 2 冰岛低压强度p 与北半球降水的关系。3 9 7 2 冰岛低压中心位置指数( 以，纯) 与北半球气温、降水的关系4 1 7 2 1 冰岛低压允指数与北半球气温( t ) 的相关关系。4 l 7 2 2 冰岛低压纯指数与北半球气温( t ) 的相关关系。4 2 7 2 3 冰岛低压中心位置五指数与北半球降水( r ) 的关系。4 3 7 2 4 冰岛低压中心位置仍指数与北半球降水( r ) 的关系。4 j 4 7 3 冰岛低压环流指数与中国气温、降水的关系4 5 7 3 1 冰岛低压尸指数与5 0 0 h p a 位势高度场的相关关系4 6 7 3 2 冰岛低压尸指数与海平面气压场的关系4 7 7 3 3 冰岛低压与东亚冬季风指数的关系4 8 7 4 小结5 0 第八章总结。5 3 参考文献5 5 论文附图6 1 致谢8 2 摘要 用冬季季、月平均1 0 0 0 h p a 位势高度场定义了一组描述冰岛低压的环流指 数，它包括冰岛低压强度指数( p ) 、面积指数( s ) 、中心位置指数( 疋，织) 。 用n c e p n c a r 再分析资料计算了1 9 4 8 4 9 - 2 0 0 7 0 8 年冬季( 1 2 2 月平均) 、逐 月1 2 2 月冰岛低压的上述环流指数，用它们分析了冬季冰岛低压的气候及异常 特征，研究了其与北大西洋涛动( n a o ) 、北大西洋海温的相关关系，并分析了 冰岛低压与北半球同期气温、降水的相关关系以及其对中国气候异常的影响。 结果表明： 冬季冰岛低压稳定存在。低压强度在1 月达到最强。1 2 2 月，低压中心位 置逐月西移南下移动。冰岛低压强度指数( p ) 存在显著年代际变化，p 在2 0 世纪7 0 s 发生转变，1 9 7 0 s 以前异常偏弱；在经历一段时间的短周期振荡之后， 在8 0 年代中期到9 0 年代中期尸由弱转强；而1 9 9 0 s 后期至今，冰岛低压强度 p 年代际异常变化不明显。冰岛低压中心位置指数( 丸，仍) 年代际变化不显 著，无显著的局域振荡特征。中心位置的分布范围很广，均分布在东西宽，南 北窄的矩形域上。 冰岛低压环流指数p 、纯与北大西洋涛动指数( n a o i ) 关系紧密。涛动强 年，冰岛低压强，位置偏北。冰岛低压环流指数尸、丑、仍均与北大西洋海表 温度( s s t ) 存在显著的相关。尸指数与s s t 的正相关区位于北大西洋中西部， 度而负相关区位于欧洲西海岸。低压中心位置与s s t 的关系则体现在：当北大 西洋中高纬度海域s s t 异常偏高，低纬区s s t 异常偏低时，冰岛低压中心位置 趋于东北移动，即低压趋于暖海区。 冬季冰岛低压环流指数尸、五、纯与北半球气温和降水也有很好的相关性。 相关区域主要位于格陵兰岛至加拿大东部、西北欧及亚洲东北部、美国东部至 北非和阿拉伯半岛北部，显著相关区呈正负相关交替的波列状分布，上下游效 应明显。冰岛低压强度尸对北半球气温的影响较大于其对降水的影响。中心位 置纯指数对北半球气温和降水的影响区域沿纬圈呈带状分布，范围明显大于元 指数对其的影响。冰岛低压强度p 的异常变化对中国东北部的天气也存在一定 的影响。 关键词：冰岛低压，环流指数，气候态及异常分析，异常成因，北半球气温和 降水 a b s 仃a c t as e to fn e wc i r c u l a t i o ni n d i c e sa r ed e f i n e dt oc h a r a c t e r i z es e a s o n a l ( 12 - 2 ) a n d m o n t h l y ( 12 - 2 ) a v e r a g ei c e l a n d i cl o w ( 也) o nl0 0 0 h p ag e o p o t e n t i a lh e i g h tc h a r ti n w i n t e r , i n c l u d i n ga r e a - ( s ) ，i n t e n s i t y 一( 尸) a n dc e n t e rp o s i t i o n 一( 乃，纯) t h e s ei n d i c e s ， c a l c u l a t e db yu s eo fn c e p n c a rd a t af r o m19 4 8 4 9t o2 0 0 7 0 8s u m m i n gt os h a y w i n t e r s ，a r eu s e dt oa n a l y z et h ec 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 so fi c e l a n d i c l o w , a n dt oi n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni c e l a n d i cl o wa n dn o r t ha t l a n t i c o s c i l l a t i o n ( n a o ) a n ds u r f a c et e m p e r a t u r ei nn o r t ha t l a n t i cs e ar e s p e c t i v e l y t h e r e l a t i o n s h i po fi c e l a n d i cl o w , a i rt e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o n i nt h en o r t h e m h e m i s p h e r ec o n t e m p o r a n e o u s l yw 龉a l s or e s e a r c h e d , 淞w e l la st h e e f f e c t so f i c e l a n d i cl o wt ot h ec l i m a t i ca n o m a l yo fc h i n a t h ec o n c l u s i o nf o l l o w s ： c l i m a t i c a l l y , i c e l a n d i cl o ws t e a d i l ye x i s t si nw i n t e r i t si n t e n s i t yi ss t r o n g e s ti n j a n u a r y f r o md e c e m b e rt of e b r u a r y , t h ec e n t e rp o s i t i o nm o v e st ot h es o u t h w e s t m o n t hb ym o n t h t h ea n o m a l yo fi n t e n s i t yi n d i e s s h o w sd i s t i n c ti n t e r - d e c a d a l v a r i a t i o n i tc h a n g e si n19 7 0 s i te x t r e m e l yw e a k e n e db e f o r e19 7 0 s a f t e rat i m eo f s h o r tp e r i o do s c i l l a t i o n , pt u r n ss t r o n g e rb yw e a kf r o mt h em i d d l eo f19 8 0 st o 19 9 0 s i nt h ee n do f19 9 0 s ，ph a sn os i g n i f i c a n ti n t e r - d e c a d a lv a r i a t i o n c e n t e r p o s i t i o ni n d i c e s ( 乃，绥) h a v en os i g n i f i c a n ti n t e r - d e c a d a lv a r i a t i o na n ds i g n i f i c a n t l o c a lo s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s d i s t r i b u t i o nr a n g eo fc e n t e rp o s i t i o ni sw i d e ，t h e y d i s t r i b u t e di nar e c t a n g u l a rr e g i o nw h i c hi sw i d ei ne a s t - w e s ta n dn a r r o wi n n o r t h s o u t h t h ec i r c u l a t i o ni n d i c e spa n d 讫h a v ec l o s er e l a t i o n s h i p 、) r i t l ln a oi n d e x 1 1 1 ( n a o i ) i nh i 曲n a o iy e a r , i c e l a n dl o w - p r e s s u r e i ss t r o n g e ra n dt h ec e n t e rp o s i t i o n i sl o c a t e db yn o r t h t h et h r e ec i r c u l a t i o ni n d i c e sa r es i g n i f i c a n t l ya s s o c i a t e dw i t h s u r f a c et e m p e r a t u r ei nn o r t ha t l a n t i cs e a t h ep o s i t i v ec o r r e l a t i o na r e a sa r el o c a t e di n m i d h i g hl a t i t u d e so fn o r t ha t l a n t i ca n ds o u t h e mg r e e n l a n d , t h en e g a t i v ec o r r e l a t i o n a r e al i e si nt h ew e s tc o a s to fe u r o p e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc e n t e rp o s i t i o n sa n d s s ti ss h o wa s ：w h e ns s to fm i d h i g hl a t i t u d e so fn o r t ha t l a n t i ci se x t r e m l yh i g h e r a n dl o wl a t i t u d ei se x t r e m l yl o w e r , c e n t e rp o s i t i o no fi ll i ei nn o r t h e a s t ，t h a ti s ， i c e l a n d i c1 0 wt e n d st ow a r ms e aa r e a t h ei n t e m i t yi n d i c e s ( p ) a n dc e n t e rp o s i t i o ni n d i c e s ( 五，纯) h a v ec l o s e r e l a t i o n s h i p w i t ht h e t e m p e r a t u r e a n dp r e c i p i t a t i o ni nn h t h e s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o nz o n el o c a t e df r o mg r e e n l a n dt oe a s tc a n a d a , n o r t h w e s te u r o p ea n d n o r t h e a s ta s i a , t h ee a s t eu n i t e ds t a t e st on o r t ha f r i c aa n da r a b i a np e n i n s u l a t h e s i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o nz o n el o c a t e da s + 、一、+ w a v e l i s t e dz o n e ，u p s t r e a ma n d d o w n s t r e a me f f e c ti so b v i o u s t h ei m p a c to fi n t e n s i t yi n d i c e s ( p ) t ot e m p e r a t u r ei s h i g h e rt h a nt op r e c i p i t a t i o n r a n g eo f i n f l u e n c ef r o mc e n t e rp o s i t i o ni n d i t e 口o ct ot h e t e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o ni nn h 1 0 c a t e sl i k ear i b b o na l o n gt h ep a r a l l e l s ，a n d t h ea r e ai sl a r g e rt h a nt h ei n f l u e n c eo f 屯o b v i o u s l y a b n o r m a lc h a n g eo f ph a s c e r t a i ni n f l u e n c eo nt h ec l i m a t eo fn o r t h e a s tc h i n a k e yw o r d s ：i c e l a n d i cl o w ；c i r c u l a t i o ni n d i c e s ；c l i m a t i ca n da b n o r m a la n a l y s i s ， c a u s e so f a n o m a l y ，n o r t ha t l a n t i co s c i l l a t i o n ，a i rt e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o ni n n h i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究冰岛低压意义和目的 月平均气压场或等压面位势高度场上的大气活动中心代表着稳定持久、尺度巨大的大 气环流系统，它们的存在和演变对周围环流和天气有显著影响，其多年变化与我国短期气 候振荡有密切关系1 1 。因此，研究它们的位置和强度的变化规律一直是天气预报研究的重 要内容。多年来，关于西太平洋副高和极涡的研究已取得丰硕成果捌，其中一些已用于长 期天气预报业务当中，这表明研究大气活动中心的性质具有一定的实践意义。 冰岛低压( 以下称为“几”) 是北半球六个“大气活动中心”之一，是北半球冬季主要的 大气环流系统，位于大西洋北部冰岛附近，为副极地低压带上的一个永久性低压中心，其 强度和范围的变化控制着欧洲西北部和北美东部的大范围天气状况网。同时，冰岛低压也 - - 是北大西洋涛动( n a o ) 的重要组成部分。早在1 9 2 3 年沃克( w a l k e r ) 就发现了冰岛低压 与亚速尔高压两个大气活动中心的气压变化为明显的负相关，并称这种现象为北大西洋涛 动( n a o ) 【1 0 1 。研究表明，冬季北大西洋涛动与西伯利亚高压范围呈反向变化关系，对我 国天气气候有一定影响1 1 1 。因此，几的强度和范围异常与欧洲西北部和北美东部大范围气 候异常相关显著，可能与同期西伯利亚高压及我国区域气候异常也存在一定的关系。 1 2 研究工作回顾 在大气环流异常研究中，经常采用环流指数来简洁、定量地描述环流系统的性质。从 2 0 世纪6 0 年代，我国学者就开始对大气活动中心的统计特征( 如强度、位置、周期等) 、相 互间关系和其年际与年代际变化对天气气候的影响等方向进行广泛研究，并对它们与s s t 异常信号、其它环流系统以及大范围降水场、温度场等的相互关系做了一系列分析工作， 最终获得有价值的结果n 2 - 2 0 l 。对于冰岛低压的性质，国内外学者做了长期广泛的研究脚- 2 5 1 ， 南京信息工程大学硕士学位论文 如：任广成等2 1 1 用冬季冰岛低压所在区域9 个格点的海平面气压距平和来表征冰岛低压强 度；闫世明等瞄1 利用5 6 5 。n 、5 0 2 0 。w 区域海平面气压极值表示冰岛低压强度。h a m e e d 等矧定义了一个冰岛低压指数的计算公式，从逐月的海平面气压图上划出冰岛低压中心位 置的活动区域，用该区域内的格点气压值计算低压环流指数。朱乾根等1 4 1 用1 9 8 4 1 9 9 4 年 的5 6 5 。n 、5 0 2 0 。w 海平面气压平均值来表征冰岛低压的强度，指出冰岛低压与北 大西洋高压及亚洲地区纬向环流指数存在显著相关，表明强n a o 对应亚洲地区强纬向环 流。施能等瞄1 分析了1 8 7 3 1 9 9 5 年的月平均海平面气压场，指出此期间阿留申低压与冰岛 低压的基本态改变最大，预测特别弱的西伯利弧高压、特别强的阿留申低压以及强n a o 的 慢变环流还可能维持3 0 年左右，所以北半球冬季还将长期处于气候暖背景下。 一些学者在冰岛低压研究中考虑了其中心位置的变化。吴洪宝等1 3 1 以相应月份冰岛低 压所在区域气压的极小值和它所在格点的经纬度，作为冰岛低压强度和中心位置指数。研 究表明，1 8 9 9 - 1 9 8 0 年间冬季冰岛低压约南移了7 个纬度。冬季阿留申低压和冰岛低压东西 向摆动反位相。s e r r e z e 等2 3 1 用一天两次的海平面气压场资料，通过气旋的自动跟踪检测算 法研究冰岛低压气旋活动范围和中心位置。 由于分析所用资料、方法及分析时段的差异，前人所得结论不尽相同，且大部分仅考虑 了大气活动中心的气压值和中心位置，对年际差异较大的面积和形态未做讨论，因而有必 要用新资料和新方法对冰岛低压的异常特征做进一步的系统性分析。 王盘兴等2 6 2 7 1 在总结前人工作的基础上给出了闭合气压环流指数的普适定义和分析方 法。认为完整描述气压( 位势高度) 场中的一个闭合气压系统，需要定义该系统的强度指 数p 、面积指数s 和中心位置指数( 丸，纯) 。将该方法应用于1 0 h p a 极地涡蒯凇9 】，1 0 0 h p a 南压高压【3 0 1 ，1 0 0 0 h p a 蒙古高斟3 1 1 ，1 0 0 0 h p a 阿留申低压【3 2 培研究中，均取得了有意义的结 果。 1 3 主要工作和内容 用环流指数描述大气环流系统的特征是短期气候预测的一项重要技术，它能简洁、定 2 第一章绪论 量地描述环流系统，并能较好地表征其主要特征，是掌握环流系统的长期演变情况和异常 特征的良好工具。最近，在总结前人工作的基础上，对球面上闭合气压系统环流指数( 强 度指数p 、面积s 、中心位置( 丸，识) ) 的算法进行了改进口3 1 ，并结合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【均，给出了1 0 0 0 h p a 上1 9 4 8 4 9 - 2 0 0 7 0 8 年共6 0 年 冬季( d j - f ) 和1 2 2 月逐月的冰岛低压面积( s ) 、低压强度( 尸) 、中心位置( 疋，织) 三种指数的时间序列。利用它们对冰岛低压的气候态及异常特征作了初步分析，并通过分 析它们与北大西洋涛动( n a o ) 、北大西洋s s t 、北半球气温和降水等的关系，总结了冰岛 低压在天气气候分析中的应用。( 注：若无特殊说明，则本文中所指的冬季为1 2 2 月三个 月平均值。) 本论文的内容安排： 1 、在第二章介绍了环流系统指数的定义和计算方法，并给出环流指数计算结果。 2 、第三章对冰岛低压环流指数的气候态进行分析。 3 、第四章利用小波分析、谐波分析及m o n t ec a r l o 检验等统计方法，对冰岛低压的各 个指数异常态进行分析，包括年际变化以及年代际变化等。 4 、第五章分析了冰岛低压与北大西洋涛动的关系，主要分析北大西洋涛动指数的构成 及其与冰岛低压环流指数的关系。 5 、第六章分析了冰岛低压与北大西洋海表温度( s s t ) 异常的关系，并试图分析北大 西洋s s t 与大气环流的互相影响机制。 6 、第七章分析了冰岛低压与北半球同期气温、降水的关系，及其对我国天气气候的影 响。 3 南京信息： 程大学硕士学位论文 4 第二章冰岛低压环流指数定义和计算 第二章冰岛低压环流指数定义和计算 在大气环流中，表征环流系统的方式有很多，而定义环流指数就是其中一种很直观的 表示方法。环流指数不仅定性而且定量地描述了环流系统的气候特征及其异常特征。文献 【2 6 定义了一组普适的闭合气压系统环流指数，它包括系统的面积指数& 强度指数尸、中 心位置指数( 忍，纯) 。对某闭合气压系统多年序列，在历史资料分析基础上容易确定其搜 索域q ( 该闭合气压系统主体部分所在区域) 和特征等值线五( 界定主体部分的等值线) ， 由此可以确定t 年的计算域d f j ! ) ；d 形是q 上由t 年场中兀线围成的区域。由此求得的单位 半径球面上d 的面积为跗，压差( 高度差) d f ( t ) = 厂( f ) 一兀在d 何上的面积分为尸何， d f j ! j 上矽( f ) 场对应重力场重心所在经、纬度为( 丸( r ) ，o p t ( t ) ) ( f 年的) ，( 丸( f ) ，纯( f ) ) 以 尸为权的权重多年平均为i 屯，吼。 文献捌借助地理坐标系( 五，力和一个球面曲线直角坐标系o x y 完成了北、南半球 5 0 0 h p a 层极涡环流指数文p 、( 丸，织) 的计算。坐标系o x y 的原点0 在北( 南) 极点，x ， j ，轴是a = 0 、x 2 的经线，s ，尸的计算可直接在( a ，伊) 系中完成。( 五，仍) 的计算则需在 o x y 系中通过球面在直角三角形计算公式1 3 5 完成。多种系统( 1 0 h p a 极地涡旋口8 捌、1 0 0 0 h p a 蒙古高压d 1 】和阿留申低压d 2 1 等) ( 丸，纯) 计算的结果验证了文献【2 6 1 给出的计算方案正确。 但是，球面三角形计算公式只对三边和小于万的球面三角形嗍( 注：指对单位半径球面) 精确成立，上述计算方案不能用于低纬系统( 五，纯) 计算。为了解决上述问题，我们对指数 计算方案进行了改进，引进了一个原点设在a 一妒平面上搜索区q 中心( 凡，) 上的新地理 坐标系( 五，矿 ) ，给出一个普适的闭合气压系统( 忍，红) 的计算方案d 3 1 ，用它计算了1 月蒙 古高压、7 月南皿高压的中心位置指数( 丸，纯) ，验证了它对低、高纬系统( 五，纯) 计算的 普适性。 2 1 资料与方法 本文选用资料如下： 5 南京信息工程大学硕士学位论文 1 ) n c e p n c a r 再分析剐：l 0 0 0 h p a 月平均位势高度( g p m ) ，可降水量( 舢) 和温 度( o c ) 格点资料，覆盖时段为1 9 4 8 年1 2 0 0 8 年1 2 月，范围0 0 3 6 0 。、9 0 。s , - - 9 0 0 n ， 幽缈= 2 5 0 x 2 5 0 。 2 ) 海表温度( s s t ) ：n o a ae x t e n d e dr e c o n s t r u 呶ls s tv 3 月平均海表温度资料【3 6 】， 覆盖时段为1 9 4 8 年1 月 - 2 0 0 8 年1 2 月，范围0 0 3 6 0 0 、8 8 。s 8 8 。，m a o = 2 。2 。 3 ) 北大西洋涛动指数( 简称n a o i ) ：采用英国东安吉利大学气候研究室( c r u ) 整编的 j o n e s 定义口7 1 指数版本，覆盖时段同( 1 ) 。 4 ) 海平面气压( s l p ) 站点资料3 8 1 ：采用英国东安吉利大学气候研究室( c r u ) 整编的 g i b m l t a r ( i l e 速尔群岛) 和r e y k j a v i k ( 冰岛) 两个代表站的月平均海平面气压资料，覆盖时段 为1 9 4 8 年1 月- - - 2 0 0 3 年1 2 月。 2 2 冰岛低压s 指数和尸指数的定义和计算 对某季、月平均气压( 位势高度) 场的多年( 三年) 序列 ( 五，口，f ) ，f = l ，l ( 1 ) 定义了t 年面积、强度指数 s ( f ) = j 凼，p ( ，) = ( 厂( 名，o , 0 - a ) 豳 ( 2 ) 式中，名、口为经度、余纬，余纬0 = # 2 一缈。d 似是t 年计算域，它是搜索域q 上 由t 年f o 线围成的区域。图2 = 1 给出了1 9 5 3 年1 2 月冰岛低压的q 、f o 、d 形三者关系。 图2 - 1 1 9 5 3 年1 2 月冰岛低压q 、f o 、d ( f ) 三者关系 图中，粗实线f o = 7 0 9 p m ，粗虚线与圆弧( 1 1 0 。w - 1 3 2 5 。e ) 围成的区域为搜 索区q ，阴影区为d ( t ) 。 计算在单位半径球面上的地理坐标系( 旯，矿) 中进行。 常用资料n c e p n c a r 、e c m w f 再分析资料给出在a 一9 平面上均匀经度、余纬格点 网上。其基本参数为格距从= a o = 石7 2 = 2 5 。，纬圈、经线等分数m = 1 4 4 、以= 7 2 ； 6 第二章冰岛低压环流指数定义和计算 故格点( a ，曰) 与格点序数( f ，_ ，) 关系为 a ( f ，力= 玉a 七o ( i ，) = _ ，p ，f = 0 ，m - l , j = o ，刀 场的多年序列的离散形式为 f ( i ，j ，r ) ，f = o ，m l 、j = o ，、r = 1 ，l 跗，p 何的差分计算式为 ( 3 ) ( 4 ) s ( f ) = 搬( f ，歹 尸o ) = d p ( i ，f ) ( 5 ) t ，je d ( t )i ，je d ( t ) 式中，舔( f ，j ) 为( ，) 格点所在面元的元面积，d p ( i ，j ，) 为t 年d 何l z ( i ，歹) 格点所 在面元上的元压差( 元位势高度差) 。根据文献【2 6 】， 口心( f ，- ，) = 2 石( 1 - c o s 竽) ， ，= o ，行( 南、北极点) 2 五s i i l 弘口) s 抽丁a o ，_ ，= 丽( 非极点) 卯( f ，_ ，f ) = d f ( i ，j ，t ) d s ( i ，) ( 6 ) 2 3 冰岛低压中心位置指数( 厶纯) 的定义和计算方案 按文献闭，f 年的闭合气压系统中心位置指数( a t ( t ) ，纯( f ) ) 是d 何上压差场 d e ( a ，0 ，f ) = 厂( 五，0 ，f ) 一厶对应重力场的“重心”位置。以，记球面上任意点( a ，0 ) 的位 置矢量，( f ) 是球面上矢端在重心( 丸( ，) ，包( f ) ) 上的矢量，、( f ) 分别是从球面上选定 ( 凡，o o ) 点出发至( 五( f ) ，秒( f ) ) 、( 五( f ) ，吃( f ) ) 的与大圆弧重合的矢量。则由积分方 程( 7 ) 定义 ( 厂( 名，0 ，t ) - f 。) ( ，- r e ( t ) ) d a = o ( 7 ) d ( r ) 一一 而该系统气候中心位置指数( 九，0 。) 则由下式定义 i = ( t ) p ( t ) p ( 8 ) 式中，尸= p ( f ) 是强度指数总和。 为了计算t 年中高纬度闭合系统的( f ) ，文献伫q 建立了坐标系o x t z 和o x y ( 图2 - 2 ) 。 o x y z 是原点在地心的三维直角坐标系，其基向量一、l 乏是矢端分别位于单位半径球面上 7 量堕! 塑三墼杰兰堡主堂垡笙茎 ( 五，d 为( o ，州2 ) 、( 衫2 ，z r 2 ) 、( 名，o ) 点的单位向量。o x y 是原点在北极的球面曲线直角 坐标系，其基向量n 、e 2 是矢端分别位于单位半径球面上( 名，印为( o ，1 ) 、( r r 2 ，1 ) 点的单位 向量。g 了，乏) 、( ；，；：) 均为标准正交基。 由图2 - 2 ，球面上任意点q 的地理坐标( a ，印与( x ，y ，z ) 间的转换关系为 叭嗣 _ ( 篓肠) ) 而据球面直角三角形计算公式p 习，可导出点g 的地理坐标( 名，秒) 向球面直角坐标 ( x , y ) 的坐标转换关系( 称为正变换) 蝌= 譬篙 据此可将场( 五，见f ) 转换为厂( 五乃，) ， 统的中心位置 列 o ( t ( 1 1 ) 并在坐标系a 砂中求得t 年的该闭合气压系 篇习 m ， 而由( x ，y ) 向( 五，0 ) 的坐标变换关系( 称为逆变换) 为 = 暑= ，2 m ) 据此可将( t ( ，) ，咒( f ) ) 转换为( 五( f ) ，吃( f ) ) ，求得逐年分析对象的中心位置指数序 ( 五( f ) ，眈( f ) ) ，f = 豇 ( 1 4 ) 文献2 6 1 将( 2 ) 、( 1 2 ) 式给出的闭合系统强度指数及位置参数多年序列 尸( f ) 、k ( f ) ，咒( f ) ) ，f = 豇 8 ( 1 5 ) 吩 力 弘 弘 而 而 ， ， x y 仃柳仃埘 ，l = 、liilflill， 第二章冰岛低压环流指数定义和计算 视为一个力学系统，定义了该系统的气候中心位置指数 刚妻 t = l x c ( t ) e ( o e 只( f ) p ( f ) 尸 ( 1 6 ) 再由( 1 3 ) 式将( ；。，y 。) 转换为该系统的气候中心位置指数( 五。，否c ) 。 闭合气压系统的搜索域q 一般为( 或可处理为) 五一0 平面上的矩形域 【九以，吃色】。这里九、五为q 的西、东界所在经度，幺、见为北、南界所在余纬( 图 2 - 2 ) 。为准确计算低纬系统的( 丸，纪) ，建立新地理坐标系( 允，0 1 ，其北极点d 取在q 的 中心点( 气，岛) 上， 凡= ( 丸+ 旯。) 2 、o o = ( 幺+ 见) 2 ( 1 7 ) 对冰岛低压( 图2 - 1 ) ，九= 1 9 1 5 。e ，吼= 3 7 5 。( 即9 2 5 2 5 。n ) 。经线五= o 从d 出发沿名= 气经线指向南极，经线= 石2 从d 点出发垂直于a = 九经线指向东( 即为 与9 = n 2 - a o 纬圈相切的大圆的向东部分) ：它们分别是新球面曲线直角坐标系d x y 的工、y 轴。简言之，新地理坐标系( 五，矽) 是原地理坐标系( 五。，口 ) 绕地轴逆时针旋转九， 再将北极点沿九经线南移吼角得到。对新地理坐标系( 五，p i ) 建立相应的d x y 和 o x y z 坐标系，它们的相互关系全同于( 旯，、o x y 与o x y z 。 图2 - 2 地理坐标( a ，0 ) 与单位半径球直角坐标系o x y z 、o x y 三者关系 图中，g 是球面上位于( 丸，死) 的任意点 它在o x y z 中的坐标为( x ，】，z ) ，在o x y 中的坐标为( 毛y ) 。 原点位于地心的直角坐标系伽、似】，z 的基向量间关系为 ： = 毫三篡三= 9 匪 ( 1 8 ) 南京信息工程大学硕士学位论文 由此得球面上任意点g ( 旯，0 ) 的坐标( x ，y ，z ) 、( x ：】，2 5 间的正、逆转换关系为 匡 f x c 0 s 岛c o s 九+ y c o s 0 0s i n & 一z s t n e o = i - x s i n 凡+ y c o s 凡 l x , i n o oc o s 凡+ y s i n e os i n 凡+ z c o s e 0 ( 1 9 ) ( 2 0 ) 利用正转换关系( 1 9 ) 式，可将求( 丸，纯) 的问题转入新坐标系中进行。因为新坐标 系的北极点( 即0 ) 位于q 中心，只要q 不很大( 保证计算涉及的球面直角三角形三边和 不超过7 r ) ，新坐标系中( 丸，仍) 的计算将是精确的。而( 五，纪) 可经逆转换关系( 9 ) 、 ( 2 0 ) 式返还原坐标系，最终求得低纬系统中心位置指数( 五，吸) 。 因( 8 ) 式中( 凡，0 0 ) 可在整个球面域上取值( 当然必须是q 中心点) ，故低纬系统 ( 丸，纯) 计算方案理论上也适合于高纬系统( 五，纯) 的计算，是求气压系统( 以，亿) 的普 适计算方案。 2 4 冰岛低压分布特征参数的定义 为了定量描述逐年系统中心c 在其气候中心弓周围的分布特征，引进三个特征掣明： 1 ) 平均距离，它用于度量分布区域的大小；2 ) 压缩系数，它用于度量分布区域的扁 平程度；3 ) 极大异常方向，它给出中心位置异常的主要方向。这三个特征参数的计算都 在球面坐标系中完成。 2 5 计算举例和结果 图2 - l 给出了1 9 5 3 年1 2 月1 0 0 0 h p a 高度上厂y o 在单位半径球面上的范围，它与搜 索区q 共同围成的区域d 厅夕即为该年冰岛低压的面积s ，其上厂f o 的球面积分即该年 冰岛低压的尸指数，而中心位置( 图2 - 1 中的实心圆) 是d 以) 区域上压差s f o 的重 心所在。 1 0 昌矗 鸟|；毛 t 9 n 哦 一 十 铲w 嚣” 岛岛佰 吣邮崛 o o s o o ： 烹一 第二章冰岛低压环流指数定义和计算 2 5 1s ，p 指数的计算 根据对资料( 1 ) 的分析，选择，矗= 1 2 - 2 月逐月和冬季的冰岛低压作为分析对象。在全 面考察1 9 4 8 4 9 - 2 0 0 7 0 8 年历年1 0 0 0h p a 冰岛低压的基础上，取冬季季、1 2 2 月特征等高 线均为f o = 7 0 9 p m ：从综合图上6 0 年的特征等值线厶所包围的区域，可确定计算环流指数 使用的搜索区q 为多边形区域( 图2 3 所示) ，即在全球中高纬度( 3 0 0 n - 9 0 0 n 、0 - 3 6 0 0 ) 范围内，3 0 0 l , 4 纬线上1 1 0 0 w 1 3 2 5 0 e 的圆弧与粗虚线所围成的多边形区域，其各点按逆 时针依次为( 11 0 。w , 3 0 0 、( 1 3 2 5 0 e ，3 0 。n ) 、( 11 0 。w , 6 0 0 l , 0 、( 1 6 0 0 w , 7 5 0 n ) 、( 1 3 2 5 0 e ，6 0 m ) 。 选取这样的搜索区，是为了将冰岛低压与邻近的阿留申低压低值系统区分开。由此，求得 了1 9 4 8 4 9 2 0 0 7 0 8 年1 2 2 月逐月及冬季的冰岛低压指数尸和面积指数s ，列于表l 。 图2 - 31 9 4 8 4 9 - 2 0 0 7 0 8