阿留申低压四种环流指数的分析和比较

孙晓娟,王盘兴,智海,郭栋

(南京信息工程大学大气科学学院,江苏南京210044)

0 引言

阿留申低压(Aleutian Low,AL)是冬季中心位于北太平洋阿留申群岛附近的副极地气旋,是北半球主要的半永久性大气活动中心之一,其强度和位置异常对北半球的天气、气候异常有重要的影响(Latif and Bernett,1994;Trenberth and Hurrell,1994;郭冬和孙照渤,2004)。已有研究(Trenberth,1990;Latif and Bernett,1994;Trenberth and Hurrell,1994;Overland et al.,1999)指出,阿留申低压中心东、西部的南北气流的位置、强弱变化直接影响着极地和温带太平洋之间的热量交换,而其南部西风气流的强弱直接影响着西风漂流的强度,所以气象学家十分关注AL异常规律的研究。

在AL的气候及异常研究中,学者们提出了多种AL环流指数,用以简洁、定量地描述AL。其中,20世纪90年代以来,Trenberth(1990)定义了一种AL强度指数,据此发现,冬季AL在1976年以后明显加强。Beamish et al.(1997)也定义了一种AL强度指数,钱诚和符淙斌(2006)据其进行的研究指出,20世纪70年代末冬季阿留申地区上空存在的凝结加热增强,从而有利于AL同期加强。后来,O-verland et al.(1999)又定义了一组AL环流指数,对其进行研究发现,AL的强度和中心位置存在年际、年代际变化,AL加强时,位置偏东。在总结前人工作的基础上,王盘兴等(2007)提出了定义闭合气压系统环流指数的普适方法;他们用该方法定义了冬季(12月—次年2月)、月AL的面积S、强度P、中心位置(λc,φc)指数;据其分析了AL强度、位置异常的时频特征,以及它们与同期太平洋SST及北半球气候异常的相关关系,得到一系列有价值的分析结果。

为了深刻认识AL异常规律和成因,更好地将它们用于气候异常分析及短期气候预测,本文分析和比较了上述文献中冬季4种AL强度指数及两种中心位置指数。分析的重点是它们的自身演变规律和互相关关系,以及它们与北太平洋同期海温异常,强El N i~no/La N i~na事件及北半球同期气温、降水的相关联系。

1 环流指数的定义和计算

1.1 资料

本文使用的资料主要有:1)1948/1949—2007/2008年共60个冬季(12月—次年2月)的NCEP/NCAR1 000hPa月、季平均位势高度场H的格点资料,网格距为2.5°×2.5°。2)NCEP/NCAR的同期月平均海平面气压场SLP的格点资料,其数据结构同1)。3)NOAA Extended Reconstructed SST月平均海表温度资料(Sm ith and Reynolds,2004),覆盖时段同1),范围为0°～360°、88°S～88°N,Δ λ×Δ φ=2°×2°。4)1950年1月—2008年12月的海洋N i~no指数(O ceanic N i~no Index,简称ON I),为NOAA在ENSO诊断分析中使用的N i~no指数,是N i~no3.4区(120～170°W,5°N～5°S)海温(ERSST.V3)3个月滑动平均。

1.2 环流指数的定义及计算

上述文献共给出4种AL强度指数:1)Trenberth(1990)将冬半年(11月—次年3月)区域(147.5°E～180°～122.5°W,27.5～72.5°N)上SLP(sea level pressure)的区域平均值定义为AL强度指数,记为I1。2)Beamish et al.(1997)将冬季(12月—次年2月)SLP≤1 005hPa区域上SL P格点的反距平值定义为AL的强度指数,记为I2。3)O verland et al.(1999)将冬季(1—2月)区域(160°E～160°W,40～60°N)上最小的SL P格点值定义为AL的强度指数,记为I3。4)Wang et al.(2010)将计算域D(t)上冬季1 000hPa等压面位势高度H与特征等高线值H0之差(ΔH=H-H0)的面积分定义为AL的强度指数,记为I4(D(t)是搜索域Ω中由H0围成的区域)。4种强度指数中,I1为5个月平均,更接近于冬半年的AL强度,其余则基本为冬季AL强度。

Overland et al.(1999)、Wang et al.(2010)提出了两种AL中心位置指数:1)Overland et al.(1999)将区域(160°E～180°～160°W,40～60°N)上1—2月SL P平均图上SL P最小值所在格点的经、纬度定义为AL中心位置指数,记为(λ3,φ3)。2)Wang et al.(2010)在1 000hPa图域D(t)上将ΔH对应的重力场重心所在经、纬度定义为AL中心位置指数,记为(λ4,φ4)。

上述阿留申低压环流指数中,只有Wang et al.(2010)提出的I4、(λ4,φ4)由1 000hPa等压面位势高度资料求得,其他均由SL P资料求得。为统一,按与Wang et al.(2010)相同原理用SLP替代1 000 hPa高度资料求得了它们的I4、(λ4,φ4)序列;比较1 000hPa高度场和SL P的I4、(λ4,φ4),其相关系数分别为1.000、0.999、0.999(r0.001=0.414),故两种资料求得的AL环流指数等价。本文用1948/1949—2007/2008年共60个冬季,NCEP/NCAR提供的SL P数据计算得到的I4、(λ4,φ4)参与分析和比较。

2 四种强度指数的分析和比较

2.1 互相关关系分析

4种AL强度指数标准化距平值60a时间序列,

为了便于比较,已将Beam is h et al.(1997)定义的I2反号,处理为距平值。由图1可见,它们在多数时间段内十分相似,均通过信度为0.001的显著性检验(表1)。比较而言,总体上I4与其余Ii间相关最强,I1与其余Ii间相关最弱;其原因与不同Ii来自平均时段不同(I1是11月—次年3月,I3是1月—次年2月,I2、I4是12月—次年2月)有关,也与Ii的定义方式有关。对描述冬季AL强度,I4的代表性最强,I1的代表性最弱。

表1 AL强度指数Ii(i=)的互相关关系Table 1 The correlation coefficients of Aleutian Low intensity index Ii(i=

表1 AL强度指数Ii(i=)的互相关关系Table 1 The correlation coefficients of Aleutian Low intensity index Ii(i=

注:均通过α=0.001显著性检验.

I1I2I3 I20.788 I30.7160.852 I40.8530.9550.821

图1 AL标准化强度指数~I′(i=)随时间变化Fig.1 The tim e series of standardized intensity index~I′(i=)of Aleutian Low

2.2 年代际分量分析

按Li et al.(2004),将标准化AL强度指数Ii(i=)作周期分解,其中:ty=60为序列总年数;k为波数;ak、bk为k波余弦、正弦谐波系数,k=波(对应周期为60～10 a)之和。构成,t=的慢变分量,它对应分解对象的年代际变化。

由图2可见,20世纪90年代前,~I′s1与其它三种~I′s的正负(60年代)和峰、谷位置(50年代、1980年前后)差别较大,与其选择冬半年区域SLP均值计算AL强度指数有关;这和相关关系分析得出的结果一致。60a中,AL经历了三弱(50年代及以前、1970年前后、90年代前期)、三强(60年代、1980年前后、2000年前后)的变化。近年来,AL又出现偏弱趋势。

2.3 小波功率谱分析

图2 AL标准化强度指数慢变分量~I′si(i=1,4)时间曲线Fig.2 The time series of slowly-varying component of standardized intensity index(i=)of Aleutian Low

3 两种中心位置指数的分析和比较

这里分析和比较Overland et al.(1999)和Wang et al.(2010)定义的两种AL中心位置指数。由图4可见,(λc3,φc3)的分布范围较(λc4,φc4)分散,这与二者分别是1—2月2个月平均、12月—次年2月3个月平均SL P场有关,也与其定义方式直接有关。下面重点分析与比较纬向位置指数λc3和λc4。

图3 AL强度指数~I′的小波功率谱W(t,Tk)及其显著区域(阴影区为通过α=0.05的显著区域,U型线给出了e折时间τ(Tk)决定的有效区域) a.;b.;c.d.Fig.3 The w avelet power spectrum(W(t,Tk))of intensity index(′)of Aleutian Low(1948/1949—2007/2008)(the shaded areas denote the significance at95%confidence level;U line denotes the valid area verified by efolding timeτ(Tk)) a.;b.;c.;d.

图4 AL中心位置分布(+为(λc3,φc3),○为(λc4,φc4);实、虚矩形为中心位置(λc3,φc3)、(λc4,φc4)的出现范围)Fig.4 Center position distribution of A leutian Low(+is(λc3,φc3),○is(λc4,φc4),the solid-line rectangle denotes the range of center(λc3,φc3)while the dotted-line rectangle denotes that of center(λc4,φc4))

3.1 λc的年代际分量分析

由图5可见,20世纪70年代中后期,AL中心位置发生由偏西为主转为偏东为主的年代际变化;~λ′c4的转折时间略早于。这与周期分析给出的年代际变化分量(i=3、4)(图2中实线)相一致。

3.2 λc小波功率谱分析

3.3 λc与I的相关分析

λc3～I3、λc4～I4间均存在显著负相关,但λc4～I4的相关系数(-0.702)明显强于λc3～I3的相关系数(-0.509)。证实了AL加强偏东、减弱偏西的这一统计性质。

4 AL环流指数与SST的相关分析和比较

这里重点分析和比较强度指数I、中心位置指数λc与太平洋SST(北半球部分)及强El NLa N i~na事件的相关。

图5 AL中心纬向位置λ~′演变(曲线为的年代际变化分量) a.;b.Fig.5 The evolution of latitudinal center position(′)of Aleutian Low(solid line indicates inter-decadal component()) a.;b.

4.1 I与SST的相关分析和比较

由图7可见,北太平洋中部(中心约在170°W,42°N)均有显著正相关区,而其东北方均有显著负相关区;气候AL主体(特征等值线f0围成区域,见图4中1 008线围成的区域,其中f0定义与王盘兴等(2007)遵循的原则相同)位于显著正负相关区的分界部分。热带中、东太平洋区域,则存在大片显著负相关区。它表明,El N事件中AL加强,L a N事件中AL减弱。

图6 AL纬向位置指数′的小波功率谱W(t,Tk)及其显著区域(阴影区为通过α=0.05的显著区域,U型线给出了e折时间τ(Tk)决定的有效区域)Fig.6 The wavelet power spectrum(W(t,Tk))of latitudinal position index)of Aleutian Low(the shaded areas denote the significance at95%confidence level;U line denotes the valid area verified by e-folding timeτ(Tk))

图7 AL强度指数I与冬季太平洋SST相关系数(阴影区为|r|≥r0.05,深色区域为正相关,浅色区域为负相关) a.I1;b.I2;c.I3;d.I4。Fig.7 The correlation coefficients of Aleutian Low intensity index I and the SST in winter(the shaded area denotes|r|≥r0.05,the dark area denotes positive correlation while the light area denotes negative correlation) a.I1;b.I2;c.I3;d.I4

按Sm ith and Reynolds(2004)提出的月ON I≥+1.2、ON I≤-1.3确定,60个冬季(12月—次年2月)共有18个强El N/L a N事件;其中强El N、La N事件各9次。由图8、表2可见,强El N(L a N i~na)事件冬季,AL偏强(偏弱);比较而言,I2、I4与强El N/La N事件关系更为密切,特别是在1975/1976年冬季以后。

图8 AL标准化强度指数′时间曲线与冬季强El N/La N对应关系(●为强El N年,○为强La N年) a.I1;b.I2;c.I3;d.I4Fig.8 The relationship betw een standardized intensity index(′)of A leutian Low and El N/La N in w inter(●indicates stronger EI N,○indicates stronger La N) a.I1;b.I2;c.I3;d.I4

表2 强El N(La N)事件与负(正)重合率统计Table 2 The statistics of the negative(positive)coincidence rate between stronger El N(La N)events and

表2 强El N(La N)事件与负(正)重合率统计Table 2 The statistics of the negative(positive)coincidence rate between stronger El N(La N)events and

时段~I′1~I′2~I′3~I′4 1948/1949—1974/19755/76/76/75/7 1975/1976—2007/20088/1111/117/1111/11 1948/1949—2007/200813/1817/1813/1816/18

4.2 λc与太平洋SST的相关分析和比较

由冬季λc3、λc4与同期太平洋SST相关关系图(图略)可知,其显著相关区位置分布与图7c、7d类似,但符号相反。图9、表3给出了强El N i~no(L a N)事件与两种′c正(负)号的高重合率,它们表明强El N(L a N)事件中AL中心易偏东(偏西)。比较而言,λc4数据更好。

图9 AL纬向位置指数时间曲线与冬季强El N/La N对应关系(●为强Ei N年,○为强La N年) a.′c3;b.′c4Fig.9 The relationship between the latitudinal position index()of Aleutian Low and EiN/La N in winter(●indicates stronger EI N,○indicates stronger La N) a.;b.4

表3 强Ei N(La N)事件与′c正(负)重合率统计Table 3 The statistics of the positive(negative)coincidence rate between stronger Ei N(La N)events and

表3 强Ei N(La N)事件与′c正(负)重合率统计Table 3 The statistics of the positive(negative)coincidence rate between stronger Ei N(La N)events and

时段~λ′c3~λ′c4 1948/1949—1974/19754/74/7 1975/1976—2007/20089/1110/11 1948/1949—2007/200813/1814/18

综上所述,AL环流指数与太平洋SST显著相关集中反映在它们与强El N(La N)事件的关系上,强ElN(La N)事件发生时,AL加强(减弱)、中心位置偏东(偏西)。强度指数I2、I4和位置指数λc4能更好地反映上述相关关系。

5 AL环流指数与气候异常的相关分析与比较

Wang et al.(2010)分析了AL环流指数I、λc、φc与北半球同期气温(T)、降水(R)的相关联系,发现I、λc与太平洋—北美区域的相关显著、且组织性好。下面重点分析和比较四种强度指数I和两种纬向位置指数λc与北半球同期T、R的相关。

5.1 I与气候异常的相关

5.1.1 I与T的相关

由图10可见,冬季AL强度指数Ii()与同期北半球气温T相关的基本特征是:中高纬度区从北太平洋中部经北美西北海岸、北美洲东南部到巴哈马群岛规则地排列着+、-、+、-显著相关区,其相关区中心分布在与PNA波列接近的大圆上(Horel and W allace,1981);低纬区域则为宽阔的显著负相关区。另外,4种AL强度指数Ii与欧亚大陆同期气温的相关均不显著。

5.1.2 I与R的相关

由图11可见,冬季AL强度指数Ii()与同期北半球降水R相关的基本特征是:中高纬度与图10给出的I-T相关分布类似,存在一个性质相同位置相近的+、-、+、-显著相关区波列。而其低纬区域与I-T的相关分布(图10)迥异,只在热带中、东太平洋有一对强+、-相关区。另外,四种强度指数I与亚欧大陆相关不显著的特征同I-T。

图10 AL强度指数I与冬季北半球气温相关系数(阴影区为|r|≥r0.05,深色区域为正相关,浅色区域为负相关) a.I1;b.I2;c.I3;d.I4Fig.10 The correlation coefficients of the Aleutian Low intensity index(I)and the air temperature in Northern Hemisphere in winter(the shaded area denotes|r|≥r0.05;the dark area denotes positive correlation while the light area denotes negative correlation) a.I1;b.I2;c.I3;d.I4

图11 AL强度指数I与冬季北半球降水相关系数图(阴影区为|r|≥r0.05,浅色区域为负相关,深色区域为正相关) a.I1;b.I2;c.I3;d.I4Fig.11 The correlation coefficients of intensity index(I)of Aleutian Low and the precipitation in Northern Hemisphere in winter(the shaded area denotes|r|≥r0.05;the dark area denotes positive correlation while the light area denotes negative correlation) a.I1;b.I2;c.I3;d.I4

5.2 λc与气候异常的相关

分析和比较仅对λc3、λc4-T、R相关进行。

由图12可见,λc3、λc4-T的显著相关区分布的基本特征是:中高纬度从北太平洋中部经北美西北海岸到墨西哥附近规则地排列着-、+、-、+显著相关区,位置与PNA波列接近,相关性质(指+、-)与I3、I4-T(图10c、d)相反。

由图13可见,λc3、λc4-R的显著相关区分布,位置也与I3、I4-R(图11c、d)类似,相关性质则相反。

综上所述,AL的四种强度指数I与同期北半球中高纬T、R均有组织性好的显著相关,其分布区域与PNA遥相关型相同;I与同期低纬广阔区域的T和中、东太平洋R显著相关。AL纬向位置指数λc3、λc4与同期北半球T、R的显著相关类似于I3、I4,但符号相反。四种I、两种λc指数与T、R的相关在各方面很接近。

6 结论

图1 2 纬向位置指数λc3、λc4与冬季北半球气温T相关系数图(阴影区为|r|≥r0.05,浅色区域为负相关,深色区域为正相关) a.λc3;b.λc4Fig.12 The correlation coefficients of latitudinal location index(λc3,λc4)of Aleutian Low and the temperature in Northern Hemisphere in winter(the shaded area denotes|r|≥r0.05;the dark area denotes positive correlation while the light area denotes negative correlation) a.λc3;b.λc4

图1 3 AL位置指数λc3、λc4与冬季北半球降水R相关系数图(阴影区为|r|≥r0.05,浅色区域为负相关,深色区域为正相关) a.λc3;b.λc4Fig.13 The correlation coefficients of latitudinal location index(λc3,λc4)of Aleutian Low and the precipitation in Northern Hemisphere in winter(the shaded area denotes|r|≥r0.05;the dark area denotes positive correlation while the light area denotes negative correlation) a.λc3;b.λc4

AL是冬季中心位于北太平洋阿留申群岛附近的副极地气旋,是北半球主要的半永久性大气活动中心之一,其强度和位置异常与太平洋、北美地区的天气、气候异常关系密切。本文分析和比较了20世纪90年代以来不同学者提出的阿留申低压(AL)四种强度指数()、两种中心位置指数(λi、φi,i=3、4)的时频特征及其与同期北半球太平洋海面温度(SST)、气温、降水的相关联系。得到如下结论:

1)I4与其余Ii间相关最强,I1与其余Ii间相关最弱;其原因与不同Ii来自不同平均场中AL的强度指数有关(5个月(I1)、3个月(I2、I4)或2个月(I3)),也与Ii的定义方式有关。强度指数Ii、i=演变特征较相似;20世纪70年代中期之前AL偏弱,之后AL偏强;近年来又出现AL偏弱趋势。由于AL强度指数I1为5个月平均场,故它与Ii、i=差别较大。

2)两种中心位置指数地理分布区域(λc3,φc3)大于(λc4,φc4),这与平均时段长短及中心位置指数定义差别有关。λc4由偏西转向偏东较λc3提早约5 a,它与Ii、i=的一致性更好。另外,λc4-I4的负相关明显强于λc3-I3的负相关,更好地证实了AL加强偏东、减弱偏西的这一统计性质。

4)AL偏强、偏东年,中纬北太平洋区域低温、少雨,北太平洋东北部—北美西北部气温偏高、降水偏多,而北美南部气温偏低、降水偏少;反之亦然。四种I、两种λc指数与北半球T、R的同期相关在各方面很接近。

以上分析结果可为环流异常和短期气候预测研究中选用何种AL环流指数提供有价值的信息。

致谢:本文资料由国家自然科学基金委地球科学部南京大气资料服务中心提供,谨致谢忱!

郭冬,孙照渤.2004.冬季北太平洋涛动异常与东亚冬季风和我国天气气候的关系[J].南京气象学院学报,27(4):461-470.

钱诚,符淙斌.2006.近50年阿留申低压地区凝结加热的变化[J].气候与环境研究,11(3):340-346.

王盘兴,卢楚翰,管兆勇,等.2007.闭合气压系统环流指数的定义及计算[J].南京气象学院学报,30(6):601-606.王蕊,王盘兴,吴洪宝,等.2009.小波功率谱M onte Carlo显著性检验的一个简易方案[J].南京气象学院学报,32(1):140-144.

Beamish R J,Neville C E,Cass A J.1997.Production of Fraser River sockeye salmon(Oncorhynchus nerka)in relation to decadal-scale changes in the climate and the ocean[J].Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences,54:543-554.

Horel J D,Wallace J M.1981.Planetary-scale atmospheric phenomena associated with the Southern Oscillation[J].Mon Wea Rev,109:813-829.

Latif M,Bernett T P.1994.Causes of decadal climate variability over the North Pacific and North America[J].Science,266:634-637.

Li Liping,Wang Panxing,L i Hong.2004.Interdecadal and interannual variabilities of air and sea and their relations over the Pacific[J].Acta Metear Sinica,18(2):227-244.

Mantua N J,Hare S R,Zhang Y,et al.1997.A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production[J].BullAmer Meteor Soc,78:1069-1079.

Nakamura H,L in G,Yamagata T.1997,Decadal climate variability in the North Pacific during the recent decades[J].Bull Amer Meteor Soc,98:2215-2225.

Overland J E,Adams J M,Bond N A.1999.Decadal variability of the Aleutian Low and its relation to high-latitude circulation[J].J Climate,12:1542-1548.

Smith T M,Reynolds R W.2004.Improved extended reconstruction of SST(1854—1997)[J].J Climate,17:2466-2477.

Tren berth K E.1990.Recent observed in terdecadal climate changes in the northern hem is phere[J].Bull Amer Meteor Soc,71:988-993.

Tren berth K E,Hurrell J W.1994.Decadal atmosphere-ocean variations in the Pacific[J].Climate Dyn,9:303-319.

Wang panxing,Wang J X L,Zhi Hai,et al.2010.Circulation in dices of the Aleutian Low pressure system-its definitions and relationships to N.H.climate anomalies[J].Geophys Res Lett.(In press)