孫曉娟,王盤興,汪學(xué)良

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;3.美國國家海洋和大氣管理局 空氣資源實(shí)驗(yàn)室,馬里蘭州 銀泉 21042)

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冬季北半球大氣活動(dòng)中心的環(huán)流指數(shù)及其應(yīng)用

孫曉娟1,2,王盤興2,汪學(xué)良3

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;3.美國國家海洋和大氣管理局 空氣資源實(shí)驗(yàn)室,馬里蘭州 銀泉 21042)

摘要：利用1850—2009年Hadley氣候中心的月平均海平面氣壓(Sea Level Pressure,SLP)場(chǎng)資料(SLP2r),按統(tǒng)一方法定義和計(jì)算了北半球冬季5個(gè)大氣活動(dòng)中心(Atmospheric Center of Action,ACA)—冰島低壓(ICelandic Low,LIC)、北大西洋高壓(North Atlantic subtropical High,HNA)、蒙古高壓(MOngolian High,HMO)、阿留申低壓(ALeutian Low,LAL)和北太平洋高壓(North Pacific subtropical High,HNP)的160 a季(月)環(huán)流指數(shù)序列,分析了它們的變化特征及其與我國氣候異常的關(guān)系。結(jié)果表明:1)5個(gè)ACA冬季、1月的強(qiáng)度指數(shù)P均與面積指數(shù)S強(qiáng)正相關(guān),二者不獨(dú)立,P和位置指數(shù)λc、φc不完全獨(dú)立。2)HNA、LAL在160 a間和近年來(1950—2009年)均顯著增強(qiáng),HMO在160 a間亦顯著增強(qiáng),而LIC則在近年來顯著增強(qiáng)。3)LIC和HNA均經(jīng)歷了弱→強(qiáng)→弱→強(qiáng)的變化過程,強(qiáng)弱轉(zhuǎn)折時(shí)段大致相當(dāng)。HMO強(qiáng)度變化大致可分為三個(gè)階段:1850—1910年偏弱,1910—1940’s中期變化較平緩,1940’s末—2009年偏強(qiáng)。LAL大致上經(jīng)歷了弱→強(qiáng)→弱→強(qiáng)的變化過程,1856—1895年、1945—1973年偏弱,1895—1945年、1973—2009年偏強(qiáng)。HNP的階段性變化不明顯。4)影響中國冬季氣候及異常的ACA主要是HMO,在HMO強(qiáng)年,全國(除西南地區(qū)外)冬季氣溫偏低,四川和華北局部地區(qū)降水偏多;其次是位于上游的LIC、HNA,在LIC、HNA強(qiáng)年,我國“三北”部分地區(qū)氣溫偏高;而LAL、HNP對(duì)中國氣候異常的影響則相對(duì)弱。

關(guān)鍵詞：大氣活動(dòng)中心;環(huán)流指數(shù);中國氣候異常;年代際變化;相關(guān)分析

0引言

大氣活動(dòng)中心(Atmospheric Center of Action,ACA)是月平均海平面氣壓(Sea Level Pressure,SLP)場(chǎng)中全年或季節(jié)地存在于特定地理區(qū)域的巨大高壓、低壓系統(tǒng)(Teisserenc,1883);全年存在的稱為永久性大氣活動(dòng)中心,季節(jié)存在的稱為半永久性大氣活動(dòng)中心。由于ACA前后部經(jīng)向風(fēng)反號(hào),故其控制區(qū)氣候氣溫存在明顯的緯向差異;又因摩擦作用的存在,高壓、低壓ACA控制區(qū)輻散下沉、輻合上升占主導(dǎo),從而決定了ACA控制區(qū)氣候降水的顯著差異;因此,ACA是區(qū)域氣候的環(huán)流成因。當(dāng)ACA異常加強(qiáng)或減弱時(shí),將伴隨ACA控制區(qū)的氣候異常;故ACA又是氣候異常的直接環(huán)流成因。因此ACA一直是環(huán)流異常和短期氣候預(yù)測(cè)研究的重要對(duì)象(Walker and Bliss,1932;涂長望和徐廷煦,1936;Hoskins and Karoly,1981;Wallace and Gutzler,1981;黃榮輝,1986,1990)。

盡管ACA定義明確,但文獻(xiàn)對(duì)ACA基本問題的研究結(jié)果仍存在較大差異。如對(duì)北半球ACA成員及性質(zhì)(指永久性、半永久性)的認(rèn)識(shí),權(quán)威資料《氣象學(xué)詞典》(朱炳海等,1985;簡(jiǎn)稱《詞典》)和《大氣科學(xué)辭典》(《大氣科學(xué)辭典》編委會(huì),1994;簡(jiǎn)稱《辭典》)就存在重大差異。《詞典》給出的北半球ACA總個(gè)數(shù)為9個(gè),《辭典》則為6個(gè);《詞典》給出北半球永久性ACA有4個(gè),《辭典》則未給出明確個(gè)數(shù)。孫曉娟(2013)用Hadley氣候中心160 a(1850—2009年)SLP2r月平均資料分析確認(rèn),北半球ACA共6個(gè),它們是2個(gè)永久性ACA(北大西洋高壓,簡(jiǎn)記為HNA,北太平洋高壓,簡(jiǎn)記為HNP)和4個(gè)半永久性ACA(冰島低壓,簡(jiǎn)記為LIC,蒙古高壓,簡(jiǎn)記為HMO,阿留申低壓,簡(jiǎn)記為LAL,印度低壓,簡(jiǎn)記為LIN);出現(xiàn)于冬季(12—2月)的ACA有5個(gè),它們是LIC、HNA、HMO、LAL和HNP,夏季(6—8月)有3個(gè),它們是HNP、HNA、LIN。它與《詞典》差別大,與《辭典》接近、但對(duì)ACA性質(zhì)的判斷更明確。

為定量描述ACA異常特征,以分析ACA與區(qū)域氣候的關(guān)系,許多研究者引入了不同的ACA環(huán)流指數(shù)。孫曉娟等(2010,2011)通過分析和比較冬季HMO、LAL環(huán)流指數(shù)發(fā)現(xiàn),用不同方法定義的同一ACA的環(huán)流指數(shù),分析ACA異常特征和與區(qū)域氣候異常關(guān)系時(shí),所得結(jié)果往往缺乏可比較性。為給出北半球冬季ACA統(tǒng)一的定義和計(jì)算方法,本文基于王盤興等(2007,2010)提出的閉合氣壓系統(tǒng)環(huán)流指數(shù)定義方法,稍作改進(jìn),給出物理意義清晰的冬季北半球ACA環(huán)流指數(shù)的統(tǒng)一定義和計(jì)算方法,求得了它們的160 a環(huán)流指數(shù)序列(1850—2009年)。并用它們分析了ACA環(huán)流指數(shù)的獨(dú)立性、異常特征,及ACA與中國同期氣候異常的相關(guān)聯(lián)系。

1方法

1.1冬季北半球ACA環(huán)流指數(shù)的定義與計(jì)算

孫曉娟(2013)利用英國Hadley氣候中心整理的1850—2010年全球月平均SLP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集(HadSLP2r;http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadslp2r/,網(wǎng)格距為5°×5°。)資料,繪制了160 a平均逐月及冬季(12月—次年2月)SLP氣候平均分布,圖1是冬季及12、1、2月SLP氣候平均分布?？梢?冬季北半球有5個(gè)ACA。其中,中高緯的三個(gè)ACA(LIC、HMO、LAL)強(qiáng),在ACA所在地理區(qū)域,有多條閉合等壓線(Δp=2.5 hPa);低緯的2個(gè)ACA(HNA、HNP)弱,只有一條閉合等壓線,且其東部延伸至地中海、北美大陸西部。上述ACA是本文的分析對(duì)象。

圖1　1850—2009年冬季(a)、12月(b)、1月(c)和2月(d)北半球海平面氣壓場(chǎng)的氣候平均分布(單位:hPa)Fig.1　Climatological mean sea level pressure fields in the Northern Hemisphere in (a)winter(DJF),(b)December,(c)January,and (d)February from 1850 to 2009

1.1.1環(huán)流指數(shù)定義

(1)

t年冬季某ACA的中心位置指數(shù)(λc(t),φc(t))是D(t)上壓差絕對(duì)值場(chǎng)的“重心”位置。以r=(λ,θ)記球面上任意點(diǎn)(λ,θ)的位置矢量、rc(t)=(λc(t),φc(t))記球面上矢端在D(t)上壓差場(chǎng)重心的位置矢量,則rc(t)由以下積分方程定義

(2)

圖2　冬季ACA環(huán)流指數(shù)定義示意圖　　a.2007年HMO(矩形區(qū)域Ω為搜索區(qū),粗實(shí)線為特征等壓線p0線,陰影區(qū)為計(jì)算域,黑點(diǎn)為HMO中心位置(λc(t),φc(t)));b.1959年LAL(黑點(diǎn)為LAL中心位置(λc,φc))Fig.2　The definitions of circulation indices of ACAs in winter　　a.HMO in 2007(The rectangular is the search area,the thick solid line is the characteristic isobar,the shaded area is the computational domain of this year,and the black dot is the central position of HMO);b.LAL in 1959(The black dot is the central position of LAL)

圖2a是2007年冬季SLP場(chǎng)中HMO ACA環(huán)流指數(shù)定義示意圖,可見,式(1)定義的面積指數(shù)S(t),是該年計(jì)算域D(t)圖上陰影區(qū)的面積;強(qiáng)度指數(shù)P(t)是D(t)上SLP與p0等壓面(注:對(duì)低壓系統(tǒng),它是虛擬的)間大氣的總重量;S、P值越大,ACA越強(qiáng)(指高壓主體區(qū)范圍大、SLP值高,低壓區(qū)范圍大、SLP值低);反之亦然。式(2)定義的中心位置指數(shù)(λc(t),φc(t))是D(t)上壓差絕對(duì)值場(chǎng)重心位置。指數(shù)的環(huán)流意義清晰。

分析表明,SLP季、月平均分布上的ACA中,約占總年數(shù)10%的ACA中心不唯一,例如1959年冬季LAL就是典型的雙中心(圖2b),兩個(gè)中心相隔經(jīng)距約45°,中心氣壓值相當(dāng);若由SLP場(chǎng)中極小值定義為中心位置指數(shù),易帶入主觀隨意性,而由式(2)定義的中心位置指數(shù)(圖2b中所在(λc,φc))則是唯一和客觀的。

1.1.2環(huán)流指數(shù)計(jì)算

S、P、(λc,φc)。

(3)

LIC的p0HNA的p0/^p0HMO的p0LAL的p0HNP的p0/^p0冬季及各月冬季、12、2月1月冬季、12、1月2月冬季及各月冬季及各月10081020/10181022/10181030102810081020/1018

圖3　冬季季、月北半球ACA的搜索域Ω劃分(粗虛線圍成的區(qū)域是兩個(gè)低壓ACA的Ω,粗實(shí)線圍成的區(qū)域是其他三個(gè)高壓ACA的Ω)Fig.3　The division of search domain of ACAs in boreal winter(Areas surrounded by thick dashed and thick solid lines are the search domains of the two low systems and the three high systems,respectively)

1.2相關(guān)分析

下面分別介紹分析用到的復(fù)數(shù)形式的相關(guān)系數(shù)rc=rλ+irφ的定義、計(jì)算、檢驗(yàn)及一張相關(guān)系數(shù)圖的顯著性檢驗(yàn)。

圖4　rc在復(fù)數(shù)域上取值與x的相關(guān)關(guān)系示意圖(Re、Im為實(shí)部、虛部,與局地緯、經(jīng)線重合)Fig.4　Schematic diagram of correlation between rc in the complex domain and x(Re and Im are the real part and the imaginary part,which overlap with local latitude and longitude,respectively)

1)相關(guān)系數(shù)圖及其顯著性檢驗(yàn)

隨機(jī)變量X與隨機(jī)變量場(chǎng)Y間的相關(guān),通過它們的一個(gè)容量為n的樣本

(4)

進(jìn)行分析。將x、ys序列記為向量x、ys則它們的相關(guān)系數(shù)場(chǎng)為r,s場(chǎng)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)

(5)

2)復(fù)數(shù)相關(guān)系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)

某一ACA中心位置指數(shù)λc、φc與某站點(diǎn)實(shí)氣候要素(可以是氣溫T、降水R或其他)的相關(guān)系數(shù)rλ、rφ均為實(shí)數(shù),可以用它們構(gòu)造一個(gè)復(fù)統(tǒng)計(jì)量

rc=rλ+irφ。

(6)

rc表示ACA中心位置(λc,φc)與x間的相關(guān),它的意義可據(jù)rλ、rφ的意義確定(圖4)。

rc的顯著性檢驗(yàn)用隨機(jī)試驗(yàn)方法,檢驗(yàn)對(duì)其模

(7)

進(jìn)行;其臨界值rcα,n-2的方法可參見文獻(xiàn)(王蕊等,2009)。

2S、P、λc、φc統(tǒng)計(jì)特征分析

按第2.1節(jié)所給方法求得了冬季季、月北半球5個(gè)ACA的S、P、(λc,φc)160 a(1850—2009年)序列,現(xiàn)分別分析各個(gè)ACA的環(huán)流指數(shù)的若干統(tǒng)計(jì)特征。

2.1獨(dú)立性分析

表2給出了冬季、1月每個(gè)ACA強(qiáng)度指數(shù)P均與面積指數(shù)S、位置指數(shù)(λc,φc)間的同期相關(guān)系數(shù),可見,5個(gè)ACA冬季、1月的強(qiáng)度指數(shù)P均與面積指數(shù)S強(qiáng)相關(guān),ACA強(qiáng)年,其面積大,二者不獨(dú)立;故實(shí)際分析取其一進(jìn)行,本文取強(qiáng)度指數(shù)P;P～(λc,φc)的同期相關(guān)以HMO最強(qiáng),季、月HMO強(qiáng)年,中心位置偏北、偏西,二者不獨(dú)立;大西洋上的LIC、HNA相關(guān)也較強(qiáng),強(qiáng)年一般有中心位置偏北,偏東的異常(1月LIC、冬季HNA的P～λc例外),二者有一定的獨(dú)立性;太平洋上的LAL、HNP相關(guān)較弱,季、1月LAL強(qiáng)年,中心位置偏東,1月HNP強(qiáng)年,中心位置偏西,二者獨(dú)立性強(qiáng)于大西洋ACA。

表21850—2009年ACA環(huán)流指數(shù)的同期相關(guān)系數(shù)(冬季/1月)

Table 2Correlation coefficients among the circulation indices of ACAs over the same period from 1850 to 2009(in winter/January)

相關(guān)LICHNAHMOLALHNPP~S0.9371)/0.9171)0.8751)/0.9001)0.9351)/0.9291)0.8961)/0.9121)0.9161)/0.9191)P~λc0.3981)/0.0910.055/0.3341)-0.2761)/-0.2441)0.6461)/0.2461)-0.060/-0.7071)P~φc0.5151)/0.4501)0.3261)/0.4581)0.4461)/0.4941)0.006/-0.174-0.189/0.084λc~φc0.7281)/-0.1360.2771)/0.6511)-0.013/0.1920.162/-0.6701)0.4211)/0.3491)

注：1)表示通過信度α=0.01的顯著性檢驗(yàn)(tα,158=0.204).

中心位置指數(shù)λc～φc的同期相關(guān)以低緯洋面上的HNA、HNP季、1月最強(qiáng),中心位置偏東北—西南年占優(yōu)勢(shì),λc、φc不獨(dú)立;高緯洋面上的季的LIC、1月的LAL的λc～φc分別強(qiáng)顯著正、負(fù)相關(guān),前者表現(xiàn)為偏東北—西南年占優(yōu)勢(shì),后者表現(xiàn)為偏西北—東南年占優(yōu)勢(shì),λc、φc有一定獨(dú)立性;陸上系統(tǒng)HMO的λc、φc不相關(guān),二者相互獨(dú)立。由此可見,本文求得并選用于分析的ACA環(huán)流指數(shù)P、λc、φc不完全獨(dú)立,這在某些問題(如ACA遙相關(guān))的分析中是一個(gè)必須考慮的問題。

2.2線性趨勢(shì)分析

因P、S顯著強(qiáng)相關(guān),以下分析僅對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度指數(shù)P、位置指數(shù)C(λc,φc)進(jìn)行。由表3知,HNA、LAL在160 a間和近年來均顯著增強(qiáng),HMO在160 a間亦顯著增強(qiáng),且位置偏西南;而LIC則在近年來顯著增強(qiáng)。

2.3強(qiáng)度指數(shù)時(shí)域特征分析

表3冬季ACA環(huán)流指數(shù)的線性趨勢(shì)((10 a)-1) ((1850—2009年)/(1950—2009年))

Table 3The linear trends of circulation indices of ACAs in winter((1850—2009)/(1950—2009))

ACAPλcφcLIC-0.097/0.3511)0.095/-0.069-0.004/0.082HNA0.1781)/0.3611)0.030/-0.1440.059/0.224HMO0.2631)/-0.049-0.2211)/-0.005-0.3071)/-0.228LAL0.1811)/0.2781)-0.058/0.0290.085/0.128HNP0.139/0.1070.095/-0.0640.052/0.083

注：1)表示通過信度α=0.05的顯著性檢驗(yàn).

圖5　1850—2009年冬季北半球ACA標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度指數(shù)′的時(shí)間演變(細(xì)線為標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度指數(shù)′,粗線為其年代際分量)Fig.5　Evolutions of normalized strength indices of ACAs in boreal winter from 1850 to 2009(The thin lines are the normalized strength indices and the thick lines are the interdecadal components)

3應(yīng)用舉例

對(duì)ACA環(huán)流指數(shù)P、C(λc,φc)與中國1951—2009年160站冬季平均氣溫、季總降水量資料,采用綜合相關(guān)分析方法,分析ACA與中國冬季氣候異常的同期關(guān)系。

3.1P與我國氣溫、降水的關(guān)系分析

圖6、圖7是冬季北半球ACA強(qiáng)度P與中國同期160站T、R相關(guān)系數(shù)分布,表4給出了其上顯著相關(guān)總站數(shù)。

圖6　1951—2009年冬季北半球ACA強(qiáng)度指數(shù)與中國160站地面氣溫的同期相關(guān)系數(shù)(陰影區(qū)表示通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))　　a.LIC;b.HNA;c.HMO;d.LAL;e.HNPFig.6　Contemporaneous correlation coefficients between the normalized strength indices of ACAs in boreal winter and the ground temperature of 160 stations in China from 1951 to 2009(The shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)　　a.LIC;b.HNA;c.HMO;d.LAL;e.HNP

圖7　1951—2009年冬季北半球ACA強(qiáng)度指數(shù)與中國160站降水的同期相關(guān)系數(shù)(陰影區(qū)表示通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))　　a.LIC;b.HNA;c.HMO;d.LAL;e.HNPFig.7　Contemporaneous correlation coefficients between the normalized strength indices of ACAs in boreal winter and the precipitation of 160 stations in China from 1951 to 2009(The shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)　　a.LIC;b.HNA;c.HMO;d.LAL;e.HNP

由圖6可見,HMO的P與中國大部區(qū)域(西南除外)T顯著負(fù)相關(guān)(圖6c),負(fù)相關(guān)站數(shù)達(dá)143(表4);HMO強(qiáng)年,中國大部分區(qū)域冬季氣溫異常偏低(T′<0)。北大西洋上的LIC、HNA的P與中國冬季T則為顯著正相關(guān),正相關(guān)區(qū)主要在中國北方的東北、華北大部和新疆北部(圖6a、b),顯著相關(guān)站數(shù)明顯高于臨界值(表4);LIC、HNA強(qiáng)年,中國北方上述地區(qū)的氣溫異常偏高(T′>0)。北太平洋上的LAL、HNP的P與中國冬季T相關(guān)不顯著。由圖7可見,LIC的P與中國冬季R呈顯著正相關(guān)(圖7a),正相關(guān)區(qū)主要在華北、華中,以及華東、華南局部地區(qū),正相關(guān)站數(shù)達(dá)54(表4);LIC強(qiáng)年,這些地區(qū)的降水偏多(R′>0)。HMO及北太平洋上的LAL、HNP的P與中國華北、華中局部地區(qū)冬季降水的相關(guān)也有一定顯著性,顯著相關(guān)站數(shù)略高于臨界值(表4)。

3.2C與我國氣溫、降水的關(guān)系分析

利用復(fù)相關(guān)系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)方法,繪制了冬季北半球ACA中心位置指數(shù)C(λc,φc)與中國同期160站T、R的相關(guān)系數(shù)圖(圖略),表5給出了其上顯著相關(guān)站數(shù),圖8為HMO中心位置指數(shù)C(λc,φc)與中國同期160站T的同期相關(guān)系數(shù)圖。

表41951—2009年北半球ACA強(qiáng)度指數(shù)(P)與中國同期160站冬季氣溫、降水的顯著相關(guān)站點(diǎn)數(shù)

Table 4The number of stations with significant correlation coefficients between the normalized strength indices(P) of ACAs in boreal winter and the ground temperature/the precipitation of 160 stations in China from 1951 to 2009

ACAP—?dú)鉁豍—降水+-±+-±LIC660661)540541)HNA350351)448HMO31431461)310132)LAL101019191)HNP1001096151)

注：1)、2)分別表示通過α=0.01、0.05的顯著性檢驗(yàn).

由圖8和表5可見,只有HMO中心位置異常與中國冬季T異常存在顯著相關(guān);HMO位置偏南年,從東北經(jīng)華北至華中、華東(局部)的區(qū)域T異常偏高(T′>0)。與ACA強(qiáng)度異常的影響相比,中心位置異常對(duì)中國同期氣候異常的影響較小。

綜上,冬季ACA與同期中國區(qū)域氣候異常關(guān)系存在以下特點(diǎn):1)亞洲內(nèi)陸的HMO影響最大,強(qiáng)度大、位置偏北年,中國冬季氣溫偏低;影響除西南外的中國大部分地區(qū)。2)北大西洋上的LIC的強(qiáng)度顯著影響中國冬季氣溫(北方地區(qū))、降水(華北、華中為主),LIC強(qiáng)年,顯著相關(guān)區(qū)氣溫偏高、降水偏多;北大西洋上的HNA的強(qiáng)度對(duì)中國冬季氣溫也有顯著影響,影響性質(zhì)同LIC,但區(qū)域較小。HMO是我國冬季氣候的控制系統(tǒng),LIC、HNA則為上游系統(tǒng),它們的影響顯著;LAL、HNP則為下游系統(tǒng),它們的影響相對(duì)不顯著。上述統(tǒng)計(jì)結(jié)論符合天氣、氣候分析經(jīng)驗(yàn),它們的環(huán)流意義清晰。

4結(jié)論

利用Hadley氣候中心的月平均SLP場(chǎng)資料(SLP2r)求得1850—2009年160 a平均冬季SLP氣候場(chǎng),用它們確定了北半球冬季共有5個(gè)ACA,它們是冰島低壓(LIC)、北大西洋高壓(HNA)、蒙古高壓(HMO)、阿留申低壓(LAL)和北太平洋高壓(HNP),按統(tǒng)一方法定義和計(jì)算了它們160年季(月)環(huán)流指數(shù)序列,分析了它們的變化特征及其與我國氣候及異常關(guān)系,得到如下結(jié)論:

圖8　1951—2009年冬季HMO中心位置矢量與中國160站地面氣溫的同期相關(guān)系數(shù)(陰影區(qū)表示通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))Fig.8　Contemporaneous correlation coefficients between the center vectors of HMO in winter and the ground temperature of 160 stations in China from 1951 to 2009(The shaded areas passed the significance test at 95% confidence level)

1)5個(gè)ACA冬季、1月的強(qiáng)度指數(shù)P均與面積指數(shù)S強(qiáng)相關(guān),ACA強(qiáng)年,其面積大,二者不獨(dú)立;P～(λc,φc)的同期相關(guān)以HMO最強(qiáng),季、月HMO強(qiáng)表51951—2009年北半球ACA中心位置矢量(r)與中國同期160站冬季氣溫、降水的顯著相關(guān)站點(diǎn)數(shù)年,中心位置偏北、偏西,二者不獨(dú)立;大西洋上的LIC、HNA相關(guān)也較強(qiáng),強(qiáng)年一般有中心位置偏北,偏東的異常(1月LIC、冬季HNA的P～λc例外),二者有一定的獨(dú)立性;太平洋上的LAL、HNP相關(guān)較弱,季、1月LAL強(qiáng)年,中心位置偏東,1月HNP強(qiáng)年,中心位置偏西,二者獨(dú)立性強(qiáng)于大西洋ACA。中心位置指數(shù)λc～φc的同期相關(guān)以低緯洋面上的HNA、HNP季、1月最強(qiáng),中心位置偏東北—西南年占優(yōu)勢(shì),λc、φc不獨(dú)立;高緯洋面上的季的LIC、1月的LAL的λc～φc分別強(qiáng)顯著正、負(fù)相關(guān),前者表現(xiàn)為偏東北—西南年占優(yōu)勢(shì),后者表現(xiàn)為偏西北—東南年占優(yōu)勢(shì),λc、φc有一定獨(dú)立性;陸上系統(tǒng)HMO的λc、φc不相關(guān),二者相互獨(dú)立。由此可見,本文求得并選用于分析的ACA環(huán)流指數(shù)P、λc、φc不完全獨(dú)立。

Table 5The number of stations with significant correlation coefficients between the center vectors(r) of ACA in boreal winter and the ground temperature/the precipitation of 160 stations in China from 1951 to 2009

ACArc—?dú)鉁豶c—降水LIC01HNA03HMO811)1LAL80HNP00

注：1)表示通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn).

2)HNA、LAL在160 a間和近年來均顯著增強(qiáng),HMO在160 a間亦顯著增強(qiáng),且位置偏西南;而LIC則在近年來顯著增強(qiáng)。

3)冬季北大西洋上的LIC和HNA均經(jīng)歷了由弱→強(qiáng)→弱→強(qiáng)的變化過程,強(qiáng)弱轉(zhuǎn)折時(shí)段大致相當(dāng),較好地反映了NAO(Walker,1932)這種大氣環(huán)流南北蹺蹺板變化的現(xiàn)象;HMO強(qiáng)度變化大致可分為三個(gè)階段:1850—1910年偏弱,1910—1940’s中期變化較平緩,1940’s末—2009年(除50’s末—60’s初和80’s末—90’s初)偏強(qiáng)。LAL大致上經(jīng)歷了弱→強(qiáng)→弱→強(qiáng)的變化過程,1856—1895年、1945—1973年為LAL偏弱年,1895—1945年、1973—2009年為LAL偏強(qiáng)年。HNP階段性變化不明顯。

4)HMO的P、(λc,φc)與同期中國T強(qiáng)顯著相關(guān);HMO強(qiáng)、位置偏北年,中國大范圍氣溫異常偏低,是中國冬季氣候異常的控制系統(tǒng)。北大西洋上的LIC、HNA的P與同期中國北方T、R異常存在顯著相關(guān);LIC、HNA強(qiáng)年,T異常偏高、R異常偏多。它們可從控制系統(tǒng)和上游效應(yīng)解釋。

由此證明,本文給出的冬季北半球ACA指數(shù),既具有清晰的環(huán)流意義,又適于冬季北半球ACA與區(qū)域氣候及異常關(guān)系的研究。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

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Circulation indices of atmospheric centers of

action and their applications during boreal winter

SUN Xiao-juan1,2,WANG Pan-xing2,WANG Xue-liang3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Air Resources Laboratory,National Oceanic and Atmospheric Administration,Silver Spring 21042,USA)

Abstract:Based on the Hadley Climtae Center monthly mean sea level pressure(SLP) dataset(SLP2r) from 1850 to 2009,this paper defines and calculates the circulation indices of five atmospheric centers of action(ACAs),including Icelandic low(LIC),North Atlantic subtropical high(HNA),Mongolian high(HMO),Aleutian low(LAL) and North Pacific subtropical high(HNP) in winter season over the Northern Hemisphere,and analyzes the abnormal features of five ACAs and their relationship with climate anomaly in China.The main conclusions are as follows:1)The intensity index(P) of five ACAs in winter and January are positively correlated with the area index(S),so they are not independent.The P and the center position index(λc,φc) are not completely independent.2)HNA and LAL increase significantly in both160 years(from 1850 to 2009) and recent years(from 1950 to 2009).HMO also increases significantly in 160 years,while LIC enhances significantly in recent years.3)LIC and HNA experience the four similar stages of weak,strong,weak and strong.The P index of HMO can be divided into three stages.HMO is weak during 1850—1910,changes slowly from 1910 to the middle of 1940’s,and is strong from the end of 1940’s to 2009.LAL is weak from 1856 to 1895 and from 1945 to 1973,and is strong from 1895 to 1945 and from 1973 to 2009.The stage change of HNP is not obvious.4)HMO is the main ACA that affects winter climate and anomaly over China.In the positive phase of HMO,the temperature is lower in China(except the southwestern China),and the precipitation is higher over Sichuan and some areas of North China in winter.LIC and HNA,which locate in the upstream of China,are secondary ACAs that affects on winter climate anomaly in China.When LIC and HNA are stronger,the temperature is higher in some areas of Northeast China,North China and Northwest China.The impacts of LAL and HNP on climate anomaly in China are relatively weak.

Key words:atmospheric center of action;circulation index;climate anomaly in China;interdecadal variation;correlation analysis

通信作者：劉毅,研究員,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榇髿膺b感與中層大氣動(dòng)力學(xué),liuyi@mail.iap.ac.cn.

基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2010CB428604);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41205041)

收稿日期：2013-06-12;改回日期:2014-06-30

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150403001

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)06-0785-11P462

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A