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月尺度西太平洋副热带高压指数的重建与应用

刘芸芸 李维京

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兑秀
李清泉

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月尺度西太平洋副热带高压指数的重建与应用

Reconstruction and Application of the Monthly Western Pacific Subtropical High Indices

  • 摘要: 针对目前国家气候中心业务监测中使用的月时间尺度西太平洋副热带高压指数存在的问题,利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,对西太平洋副热带高压面积指数、强度指数、脊线指数和西伸脊点4种指数重新进行定义和计算,重建了1951—2010年逐月历史时间序列。面积指数、强度指数采用真实的面积和体积进行定义和计算,脊线指数则同时利用500 hPa高度场和纬向风切变线进行定义,且不仅仅局限于588 dagpm等值线,充分考虑了西太平洋副热带地区高压系统对我国夏季降水的影响作用。选取其中两个相对独立的指数——脊线指数与西伸脊点,通过对这两个指数的9种组合类型的构建,最大程度上涵盖了我国东部夏季降水各种雨型的分布特征。
  • 图 1  1971—2000年夏季北半球500 hPa高度场 (单位:dagpm)

    (a) NCEP/NCAR再分析资料,(b) 国家气候中心业务资料

    Fig.1  500 hPa geopotential height for Northern Hemisphere in summer averaged from 1971 to 2000(unit:dagpm) (a) NCEP/NCAR reanalysis data, (b) service data from NCC

    图 2  1951—2010年7月副高脊线指数的历史时间序列

    Fig.2  Time series of the monthly WPSH ridge line indices in July from 1951 to 2010

    图 3  我国7月降水量距平百分率分布 (a)1978年,(b)1999年

    Fig.3  Distribution of precipitation percentage anomalies over China in July (a)1978, (b)1999

    图 4  1971—2000年夏季副高脊线指数与我国夏季降水的相关分布

    (阴影区为相关系数达到0.05显著性水平的区域) (a) 业务指数,(b) 重建指数

    Fig.4  Correlation distributions between the WPSH ridge line indices and summer precipitation anomalies over China from 1971 to 2000(shaded areas denote passing the test of 0.05 level)(a) service indices, (b) reconstructed indices

    图 5  1971—2000年6—8月副高脊线指数与我国同期降水的相关分布

    (阴影区为相关系数达到0.05显著性水平的区域)

    Fig.5  Correlation distributions between the WPSH ridge line indices and monthly precipitation anomalies over China in June, July and August, respectively

    (shaded areas denote passing the test of 0.05 level)

    图 6  1951—2010年夏季副高脊线和西伸脊点距平组合的九分类图

    (Ⅰ:偏北偏西;Ⅱ:偏北;Ⅲ:偏北偏东;Ⅳ:偏东;Ⅴ:偏南偏东;Ⅵ:偏南;Ⅶ:偏南偏西;Ⅷ:偏西;Ⅸ:正常)

    Fig.6  The nine classification chart according to the combination of the summer WPSH ridge line and west boundary indices from 1951 to 2010

    (Ⅰ: northwest anomaly; Ⅱ: north anomaly; Ⅲ: northeast anomaly; Ⅳ: east anomaly; Ⅴ: southeast anomaly; Ⅵ: south anomaly; Ⅶ: southwest anomaly; Ⅷ:west anomaly; Ⅸ: normal)

    图 7  夏季副高九分类对应的夏季降水异常分布

    Fig.7  Distribution of summer precipitation anomalies corresponding the nine-classification of the WPSH

    表 1  1971—2000年1—12月平均副高指数

    Table 1.  The monthly Western Percific Subtropic High (WPSH) indices averaged from 1971 to 2000

    副高指数 分类 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月
    面积指数 重建131318212764565351523827
    业务8811131722222221211613
    强度指数 重建2726343238128119991161067147
    业务141419222945403839382923
    脊线指数 重建151515171822262926232017
    业务131313141521252725211916
    西伸脊点 重建158139145134140132136137134124131139
    业务131123117112112118124124115106115114
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    表 2  1951—2010年1—12月副高指数的最大值及最小值

    Table 2.  Maximum and minimum of the monthly WPSH indices from 1951 to 2010

    副高指数极值分类1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
    脊线指数
    最大值
    重建181717192226323430252220
    业务171716192127303430262419
    脊线指数
    最小值
    重建131213131418222023191814
    业务111110101217212017181513
    西伸脊点
    最大值
    重建170148168160172170178165165175168162
    业务155155155166149140160153160150150150
    西伸脊点
    最小值
    重建90909090901051109095909890
    业务909090909090959090909090
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    表 3  1951—2010年两套副高指数的相关系数

    Table 3.  3 Correlation coefficients of two series of the monthly WPSH indices from 1951 to 2010

    月份面积指数强度指数脊线指数西伸脊点
    1月0.740.830.540.69
    2月0.680.830.580.62
    3月0.700.800.400.62
    4月0.730.770.400.52
    5月0.650.680.570.47
    6月0.740.780.710.62
    7月0.740.840.330.50
    8月0.740.830.670.47
    9月0.700.790.760.47
    10月0.760.800.710.39
    11月0.760.770.600.50
    12月0.810.850.510.62
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    表 4  重建的副高指数间的相关系数

    Table 4.  Correlation coefficients among the reconstructed monthly WPSH indices

    副高指数面积指数强度指数脊线指数西伸脊点
    面积指数1.000.970.38-0.75
    强度指数1.000.36-0.67
    脊线指数1.00-0.16
    西伸脊点1.00
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-08-25
  • 修回日期:  2012-04-20
  • 刊出日期:  2012-08-31

月尺度西太平洋副热带高压指数的重建与应用

  • 国家气候中心, 北京 100081

摘要: 针对目前国家气候中心业务监测中使用的月时间尺度西太平洋副热带高压指数存在的问题,利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,对西太平洋副热带高压面积指数、强度指数、脊线指数和西伸脊点4种指数重新进行定义和计算,重建了1951—2010年逐月历史时间序列。面积指数、强度指数采用真实的面积和体积进行定义和计算,脊线指数则同时利用500 hPa高度场和纬向风切变线进行定义,且不仅仅局限于588 dagpm等值线,充分考虑了西太平洋副热带地区高压系统对我国夏季降水的影响作用。选取其中两个相对独立的指数——脊线指数与西伸脊点,通过对这两个指数的9种组合类型的构建,最大程度上涵盖了我国东部夏季降水各种雨型的分布特征。

English Abstract

    • 西太平洋副热带高压 (以下简称副高) 是影响东亚天气气候最主要的环流系统之一,我国的地理位置决定了受副高影响很大,其位置和面积 (强度) 的变化对我国汛期降水有重要影响[1]。每年夏季,副高的季节内变化决定我国东部汛期雨带的几次向北推移[2-4],而其年际变化决定我国东部旱涝的出现[5-7],副高等气候因子的年代际变化则为20世纪90年代长江中游夏季异常多雨提供了有利的气候背景[8]。近年来,长江流域的灾害性天气频繁出现,如1998年夏季长江流域的特大洪水,2003年7月中下旬江南地区的持续高温酷暑天气。这些异常天气气候事件均与副高活动有密切关系[9-11]。因此,副高活动一直是我国气象工作者所关心的问题,而建立一套能够真实、客观反映副高状态 (包括面积大小、强弱、东西和南北位置) 变化的监测指数也就成为非常必要的工作。

      国家气候中心一直开展对副高的气候监测,并有相应的监测指数描述和业务规定[12]。但目前业务中使用的副高指数存在很大的局限性。如用1971—2000年夏季副高的面积指数、脊线指数和西伸脊点分别与长江流域5个代表站的夏季总降水量进行相关分析,其相关系数分别为0.27,-0.23和-0.28,均未达到0.05显著性水平,可见其相关不显著。但这并不表明副高对长江流域夏季降水影响不显著,而是用来表征副高的指数存在以下问题:① 受当时资料质量的限制,指数的定义标准是针对5°×10°的菱形网格资料进行定义和计算的;② 指数所使用的500 hPa高度场数据已经进行了多次切换,从天气图上读取数据格点到不断改进的天气模式,不同模式数据之间的切换并没有做过系统性误差订正;③ 根据指数定义标准对资料分辨率的要求,只能将现有的高分辨率数据插值成5°×10°的菱形网格进行计算,分辨率大大降低,这样的处理可能将副高本身的一些特征信息丢失,甚至由于插值不当而表现出虚假特征;④ 指数的定义标准使用资料单一,仅仅考虑500 hPa高度场,而未考虑其他大气环流场等数据信息。用这样空间分辨率低、且没有经过均一化处理的500 hPa高度场单一资料计算副高指数,难以准确刻画出副高的本质特征,而以这样的副高指数去研究其与东亚或我国气候异常关系,必然会出现一些误导信息,甚至得出不正确的结论。因此有必要对副高指数定义标准进行调整和完善,用质量较好的NCEP/NCAR再分析资料重建与更新副高各种指数将具有非常重要的应用价值。

      基于以上考虑,本文利用目前广泛使用的NCEP/NCAR月平均再分析资料,重新定义副高指数,并重建1951—2010年逐月副高的面积指数、强度指数、脊线指数和西伸脊点的历史时间序列;使得重建指数既能真实体现出副高本身的气候变化特征,又对资料的分辨率依赖性降低,可以充分利用资料高分辨率的优势,为我国夏季雨带监测与预测工作提供更加真实、客观的信号。

    • 本文使用资料包括:① 1951—2010年国家气候中心整理的500 hPa高度场业务资料,其分辨率为5°×10°的菱形格距,范围为10°~85°N,0°~170°E,180°~10°W,共576个格点;② 国家气候中心整理的1951—2010年逐月副高面积指数、强度指数、脊线指数、西伸脊点的历史时间序列[13];③ 1951—2010年NCEP/NCAR月平均再分析资料,包括500 hPa高度场和500 hPa纬向风场,分辨率为2.5°×2.5°[10]。本文气候平均态取1971—2000年各要素的平均值。

    • 本文所定义的副高是指出现在西北太平洋上的副热带高压系统,其范围大小在500 hPa高空天气图上用588 dagpm等值线在110°E~180°范围内所包围的区域来表示。重建的各指数定义标准如下:

      ●面积指数在10°N以北110°E~180°范围内,500 hPa位势高度场上所有位势高度不小于588 dagpm的格点围成的面积总和。

      ●强度指数在10°N以北110°E~180°范围内,500 hPa位势高度场上所有位势高度不小于588 dagpm的格点围成的面积与该格点高度值减去587 dagpm差值的乘积的总和。

      ●脊线指数在10°N以北110°~150°E范围内,588 dagpm等值线所包围的副热带高压体内纬向风u=0,且∂u/∂y>0的特征线所在纬度位置的平均值;若不存在588 dagpm等值线,则定义584 dagpm等值线范围内纬向风u=0,且∂u/∂y>0的特征线所在纬度位置的平均值;若在某月不存在584 dagpm等值线,则以该月的1951—2010年历史最小值代替。

      ●西伸脊点在90°E~180°范围内,588 dagpm最西格点所在的经度。若在90°E以西则统一计为90°E;若在某月不存在588 dagpm等值线,则以该月的1951—2010年历史最大值代替。

      在定义脊线指数时,在110°~150°E范围内只有1个588 dagpm网格点的孤立副高体时,不予考虑;或者只有1个纬度的经线与副高体内的纬向风切变线相交时,也不予考虑。在定义西伸脊点时,在90°E~180°范围内对于只有1个588 dagpm网格点的孤立副高体,不予考虑。

      将两套标准进行对比,可以看到重建的面积指数不再用格点数表示,而是改用588 dagpm等值线所包围的实际面积表示,不再依赖于资料的分辨率,使得不同分辨率的数据计算得到的面积指数具有可比性。重建的强度指数则相当于副高的体积,用每个格点的面积作为底,而该格点高度值与587 dagpm的差值作为高,然后将所有底和高的乘积的总和作为强度指数,一方面消除了该指数对资料分辨率的依赖,同时也更形象地表现出西太平洋副热带高压体。重建的脊线指数做了较大调整,业务中使用的定义是500 hPa高度场上西太平洋副热带高压体东西向的中心轴线作为脊线位置,而重建的脊线指数则同时考虑500 hPa的高度场和纬向风场,以纬向风u=0,且∂u/∂y>0的特征线代替副高体内东西向的中心轴线作为副高脊线;更重要的是,重建标准中放宽了对脊线的规定范围,当500 hPa高度场上不出现588 dagpm等值线时,则定义584 dagpm等值线内纬向风u=0,且∂u/∂y>0的特征线。这是因为在实际的业务监测中发现,尽管当500 hPa高度场上副高体很弱或不存在时,西太平洋副热带地区上空仍然存在位势高度相对偏强的大气环流系统,它的南北位置变化依然会对我国东部降水产生较大的影响,因此在业务监测中需要将其考虑进来。这样的调整将使得脊线在有的月份并不一定在副热带高压体东西向的中心轴线上,甚至有的时候没有副高体出现时,仍然有副高脊线存在,这是业务指数不曾出现的新情况,但却可以更好地把握副高对我国降水雨带位置的影响[14-15]。重建标准对西伸脊点的定义基本没有调整。考虑到以上4个副高指数已经可以完整地表征西太平洋副热带高压体的状态 (面积大小、强弱、南北和东西位置) 变化,因此在重建的指数中不再对副高的北界位置进行定义。

    • 依据本文的定义标准,本文利用NCEP/NCAR再分析资料重建了1951—2010年4种副高指数的历史时间序列。由于定义的调整以及所使用资料的不同,重建的副高指数与业务中所使用的指数必然有许多不一致的地方,因此通过对比分析这两套副高指数的基本气候特征,试图证实重建副高指数的客观性与合理性。

    • 本文以夏季 (6—8月平均) 为例,首先给出分别计算重建副高指数与业务指数的两套资料得到的夏季500 hPa高度场的气候平均态 (图 1)。这两套资料除了在空间分辨率上不同外,其500 hPa高度值强度也有一定差别。由图 1可以看到,由NCEP/NCAR再分析资料得到的588 dagpm等值线所包围的副高带面积明显比业务资料所得到的副高带面积偏小,其中在西太平洋副热带地区更为显著;而极区的低涡则比业务资料中高许多,也就是说,NCEP/NCAR再分析资料得到的500 hPa位势高度无论在低纬度还是高纬度地区,整体比业务资料中的500 hPa位势高度低,副高体面积偏小,强度偏弱。因此有必要重新认识副高指数的气候平均值,它对预报员判断副高的状态变化有非常重要的影响。

      图  1  1971—2000年夏季北半球500 hPa高度场 (单位:dagpm)

      Figure 1.  500 hPa geopotential height for Northern Hemisphere in summer averaged from 1971 to 2000(unit:dagpm) (a) NCEP/NCAR reanalysis data, (b) service data from NCC

      表 1列出了重建的1—12月4种副高指数的气候平均值,并与业务中所用指数的平均值进行比较。由于重建的面积和强度指数不再用格点数表示,而是计算副高体所包围的实际面积值和体积值,因而与原有的面积和强度指数不属于同一量级,不方便直接比较。不过图 1已经直观地表现出业务所用面积指数和强度指数要比重建的偏强一些。由于500 hPa位势高度偏低,重建的西伸脊点在大多数月份表现为比业务上使用相应指数偏东10~30个经度。尽管NCEP/NCAR再分析资料中的500 hPa高度场比业务资料偏弱,重建的脊线指数平均值在所有月份却较业务上使用的相应指数均偏北1~3个纬度,这个特征说明,重建的副高脊线定义标准对指数起到了比较显著的调整作用。

      表 1  1971—2000年1—12月平均副高指数

      Table 1.  The monthly Western Percific Subtropic High (WPSH) indices averaged from 1971 to 2000

      副高指数 分类 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月
      面积指数 重建131318212764565351523827
      业务8811131722222221211613
      强度指数 重建2726343238128119991161067147
      业务141419222945403839382923
      脊线指数 重建151515171822262926232017
      业务131313141521252725211916
      西伸脊点 重建158139145134140132136137134124131139
      业务131123117112112118124124115106115114
    • 重建的定义标准中规定,当副高体不存在或不出现584 dagpm等值线时,副高西伸脊点和脊线指数分别以相应月份的历史最大值或最小值代替,因此重建指数的历史最大值和最小值对指数也有一定的影响。通过对比分析这两套指数的历史最大值及最小值 (表 2) 发现,由于NCEP/NCAR再分析资料中的500 hPa高度场相对较弱,588 dagpm等值线所围成的副高体相对偏小,因此重建的西伸脊点最大值除了2月和4月,在其他月份中均表现出较业务指数偏东5~30个经度;但两套西伸脊点指数最小值差别却相对较小,在大多数月份为90,这是由于定义标准中将西伸脊点的最小值规定为90。对于脊线指数,尽管NCEP/NCAR再分析资料中500 hPa高度场上副高体整体偏弱,但重建的脊线指数最大值和最小值却几乎均较业务中的脊线指数偏北1~3个纬度,其中9月脊线最小值两者相差6个纬度。重建脊线指数的这种特征在比较气候平均值时就有所体现,主要是由于重建标准中对脊线位置的定义做了较大调整,侧重考虑纬向风切变的影响,且不存在副高体时,还需要考虑584 dagpm等值线范围内的纬向风切变线。

      表 2  1951—2010年1—12月副高指数的最大值及最小值

      Table 2.  Maximum and minimum of the monthly WPSH indices from 1951 to 2010

      副高指数极值分类1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
      脊线指数
      最大值
      重建181717192226323430252220
      业务171716192127303430262419
      脊线指数
      最小值
      重建131213131418222023191814
      业务111110101217212017181513
      西伸脊点
      最大值
      重建170148168160172170178165165175168162
      业务155155155166149140160153160150150150
      西伸脊点
      最小值
      重建90909090901051109095909890
      业务909090909090959090909090
    • 表 3给出了两套副高指数1951—2010年1—12月逐月相关系数。结果显示,副高指数的定义标准虽有较大改动,但所有指数的相关系数在各个月份均远远超过0.01的显著性水平 (相关系数超过0.26),4种副高指数的平均相关系数分别为0.73,0.80,0.56和0.54。这表明尽管重建的指数做了较大调整,并利用NCEP/NCAR再分析资料重新计算,但在变化趋势上还是保持了与业务指数较好的一致性;更重要的是,重建指数克服了对资料分辨率过分依赖的缺陷,实现了不同分辨率资料所计算的副高面积指数和强度指数具有可比性,其中对脊线位置的定义标准同时考虑高度场和纬向切变的作用。

      表 3  1951—2010年两套副高指数的相关系数

      Table 3.  3 Correlation coefficients of two series of the monthly WPSH indices from 1951 to 2010

      月份面积指数强度指数脊线指数西伸脊点
      1月0.740.830.540.69
      2月0.680.830.580.62
      3月0.700.800.400.62
      4月0.730.770.400.52
      5月0.650.680.570.47
      6月0.740.780.710.62
      7月0.740.840.330.50
      8月0.740.830.670.47
      9月0.700.790.760.47
      10月0.760.800.710.39
      11月0.760.770.600.50
      12月0.810.850.510.62

      同时也需要注意,两套副高脊线指数在7月的相关系数只有0.33,而西伸脊点在10月的相关系数也只有0.39,相对较低,导致其相关系数偏低的原因需要进一步研究。下面以7月脊线指数为例分析两套指数的差别。

      图 2为7月副高脊线指数的历史时间序列,这是所有月份中两套脊线指数相关系数最小的月份。可以看到,重建的脊线指数普遍较业务指数偏北,例如1978年7月,重建的脊线指数为32,比业务脊线指数偏北多达10个纬度;而该时期的雨带也显著偏北 (图 3a),主要出现在我国黄淮北部到华北地区。也有重建脊线指数较业务指数明显偏南的年份,例如1999年7月,重建的脊线指数为25,较业务指数偏南4个纬度;但此时的雨带则明显偏南 (图 3b),主要位于长江以南的大范围地区。由此可见,尽管重建的脊线指数在某些特殊的月份与业务指数差异较大,但它与我国东部地区雨带位置存在更加合理的对应关系。

      图  2  1951—2010年7月副高脊线指数的历史时间序列

      Figure 2.  Time series of the monthly WPSH ridge line indices in July from 1951 to 2010

      图  3  我国7月降水量距平百分率分布 (a)1978年,(b)1999年

      Figure 3.  Distribution of precipitation percentage anomalies over China in July (a)1978, (b)1999

      综上所述,导致两套指数不一致的原因有两方面因素:① 两套指数所使用的500 hPa高度场强度有一定差别,导致在某些具体时间段,588 dagpm所围成的西太平洋副热带高压体出现较大偏差,各个月份的最大值和最小值也就出现相应的差别,其中用来刻画副高位置的脊线指数和西伸脊点表现相对敏感;② 重建标准对面积指数、强度指数采用真实面积和体积进行定义和计算,而对副高脊线指数则同时利用500 hPa高度场和纬向风切变线定义,并不局限于588 dagpm等值线,充分考虑西太平洋副热带地区高压系统对我国夏季降水的影响作用。

    • 副高的状态 (面积大小、强弱、东西和南北位置) 变化与我国夏季雨带位置旱涝分布、冬季的冷暖等关系密切,尤其是副高脊线指数。研究表明,西太平洋副热带高压脊线的南北移动是决定梅雨位置和强度的重要因子[16-18]。但目前业务监测中使用的副高脊线指数却并不能很好地表现出与我国夏季长江流域降水的对应关系,其相关并不显著 (图 4a),这与业务中所用的副高脊指数的定义标准以及所用的业务数据有很大关系,导致脊线指数不能真实地反映副高的变化特征,并给业务监测预测工作带来一定的虚假信息。而重建的副高脊线指数与我国长江及其以南地区的降水则表现出很好的负相关关系 (图 4b),达到0.05显著性水平 (相关系数的绝对值不小于0.36),表明副高偏南时,夏季雨带则多停滞于长江流域,有利于长江及以南地区降水偏多;而副高偏北时,雨带将随之北抬,长江流域夏季降水也相应偏少。这也进一步证实了重建的副高指数能更加真实客观地体现出副高本身的气候变化特征。

      图  4  1971—2000年夏季副高脊线指数与我国夏季降水的相关分布

      Figure 4.  Correlation distributions between the WPSH ridge line indices and summer precipitation anomalies over China from 1971 to 2000(shaded areas denote passing the test of 0.05 level)(a) service indices, (b) reconstructed indices

      图 5给出了6月、7月和8月副高脊线与同期我国降水的相关分布。从图 5可以清楚地看到重建的脊线指数所表征的副高在不同月份对我国东部夏季雨带的影响作用:6月副高脊线的南北异常主与我国华南和江南中部呈显著的负相关,而与江淮地区降水呈正相关关系,即6月副高脊线偏南,则华南和江南中部降水偏多,而江淮地区降水偏少;7月与6月有很大差别,副高脊线与我国长江流域及江南北部呈现显著的负相关,即7月副高脊线偏南对应长江流域降水偏多;8月随着副高脊线的二次北跳,其显著负相关区也较7月略向北抬,但相关程度降低,另外,副高脊线还与我国西藏及西南北部地区呈典型的负相关关系,这可能是副高异常引起其他大气环流系统 (如低纬地区印缅槽) 异常而表现出来的间接影响。而业务中所使用的副高脊线指数与我国东部地区同期降水的相关关系要远远低于重建的副高脊线指数,其指示意义不显著。重建的副高脊线指数与我国夏季不同月份的雨带位置都表现出很好的相关关系,改善了业务指数指示性不强的缺陷。

      图  5  1971—2000年6—8月副高脊线指数与我国同期降水的相关分布

      Figure 5.  Correlation distributions between the WPSH ridge line indices and monthly precipitation anomalies over China in June, July and August, respectively

    • 表 4给出了1971—2000年逐月的重建副高指数间的相关系数。可以看到,副高的面积指数和强度指数的强弱趋势基本一致,其相关系数达到0.97;而面积指数、强度指数和西伸脊点的变化趋势则相反,相关系数分别为-0.75和-0.67,远远超过0.01的显著性水平。这说明副高异常偏强偏大时,其西伸明显,反之位置则易偏东。4个指数中表征副高位置的两个指数——脊线指数与西伸脊点的相关程度最差,其相关系数仅为-0.16,表明这两个指数的相对独立性强,综合考虑这两个副高指数可以在最大程度上表征副高的气候变化特征。副高面积指数与西伸脊点的高相关性,使得在考虑副高东西位置的同时,兼顾副高范围和强弱的变化。因此,为了进一步研究副高位置与我国夏季主要雨带的关系,下面将选取这两个指数构建副高指数的9种不同的组合类型,从而分析副高的变化特征对我国夏季降水异常分布的指示作用。

      表 4  重建的副高指数间的相关系数

      Table 4.  Correlation coefficients among the reconstructed monthly WPSH indices

      副高指数面积指数强度指数脊线指数西伸脊点
      面积指数1.000.970.38-0.75
      强度指数1.000.36-0.67
      脊线指数1.00-0.16
      西伸脊点1.00
    • 以副高西伸脊点的距平值作为横坐标,而脊线指数的距平值为纵坐标,从而构建出以副高两个位置指数表征的1951—2010年夏季副高的九分类图 (图 6)。定义副高西伸脊点较气候态分别偏西和偏东5个经度之内、脊线指数较气候态分别偏北和偏南0.5个纬度之内为正常年份,其他依次为偏北偏西、偏北、偏北偏东、偏东、偏南偏东、偏南、偏南偏西、偏西年份。副高的九分类图可以反映出其两个基本特征:① 副高在20世纪80年代前后呈现出显著的年代际转折,在20世纪80年以前,几乎所有年份夏季副高都偏东,而80年代后副高则西伸显著;② 当副高偏北时,则西伸脊点正常至偏东的概率较大,在近60年的历史序列中仅2006年表现为夏季副高偏北偏西的异常特征;而当副高偏南时,则西伸脊点正常至偏西的概率较大,出现异常偏东的年份仅有4年。下面通过对副高9种类型下我国夏季降水异常特征的合成图分析证实,此种对副高的分类方法具有较好的合理性和实用性。

      图  6  1951—2010年夏季副高脊线和西伸脊点距平组合的九分类图

      Figure 6.  The nine classification chart according to the combination of the summer WPSH ridge line and west boundary indices from 1951 to 2010

      图 7为夏季副高9种类型所对应的我国夏季降水异常分布图,可以看到,我国东部雨带随着副高位置不同类型的分布而表现出相应的分布特征。1951—2010年,只有2006年夏季的副高位置表现出偏北偏西的特征 (Ⅰ类),而在这种类型下东部夏季降水呈现南北两条的雨带,分别位于我国江南—华南地区和江淮—黄河之间,而长江流域降水异常偏少。当副高以偏北特征为主时 (Ⅱ类),与Ⅰ类副高相比,我国北部的雨带明显北抬至黄河以北,并与东北雨区相连,而江南地区的雨带范围和强度都明显减弱。若副高不仅偏北且偏西 (Ⅲ类),则北部雨带的范围进一步扩大而成为主雨带,南部雨带则几乎减弱消失,夏季降水转变为北多南少型。当副高以异常偏西为主要特征时 (Ⅳ类),与Ⅲ类副高相比,我国北部的雨带位置又有所南移,且在江淮—江南地区又出现一条新雨带,再次呈现两条雨带的分布特征,且雨带范围较大,与Ⅰ类副高所对应的夏季雨带位置存在显著不同。而当副高位置南落,呈现偏南偏东的特征时 (Ⅴ类),我国东部雨带也随之南移,同时北部的雨带减弱消失,但在我国西部地区出现另一条东北—西南向雨带。若副高表现为以偏南为主要特征时 (Ⅵ类),此类型下的夏季雨带则基本以长江流域为界,呈现出典型的南多北少型。若副高不但偏南且偏西时 (Ⅶ类),与Ⅵ类副高相比较,主雨带则北抬至长江—江淮之间,华北和华南地区降水均异常偏少,自北向南表现为负-正-负的分布特征。当副高北抬至以偏西为主要特征时 (Ⅷ类),雨带则也随之略向北移,主要位于江淮—黄河之间,同时华南东部—江南南部也出现较弱的雨区。而当副高处于气候平均位置时 (Ⅸ类),则我国夏季降水主要在江南、华南地区,但比Ⅵ类副高所呈现的雨带范围显著偏小。可见,我国夏季降水雨带位置与副高位置的确存在很好的对应关系,脊线位置的南北异常直接决定夏季主雨带的南北分布,而西伸脊点的东西匹配特征则影响雨带的影响范围或是否出现次雨带。

      图  7  夏季副高九分类对应的夏季降水异常分布

      Figure 7.  Distribution of summer precipitation anomalies corresponding the nine-classification of the WPSH

      以上分析说明,副高的南北和东西位置异常对我国夏季降水存在重要的影响作用,两个位置指数不同组合的9种类型在最大程度上涵盖了我国东部夏季降水的各种雨型的分布特征,它为进一步认识西太平洋副热带高压位置异常与夏季主要雨带的关系提供了科学基础。

    • 本文利用目前广泛使用NCEP/NCAR月平均再分析资料,针对目前国家气候中心业务监测中使用的基于业务模式数据的西太平洋副热带高压指数存在的问题,对副高面积指数、强度指数、脊线指数和西伸脊点4种指数进行重新定义和计算,重建了1951—2010年逐月的副高4种指数的历史时间序列,并通过与业务指数进行比较,体现出这套重建的副高指数具备以下优点:

      1) 重建的副高指数既能够很好地描述西太平洋副热带高压体的气候变化特征,又克服了副高指数对资料分辨率过分依赖的缺陷,实现了不同分辨率资料所计算的副高指数具有可比性,使得该指数在业务监测和预测中的应用更加客观和科学。

      2) 重建的副高指数在有些月份与业务指数表现出不一致,一方面是由于两套指数所使用的500 hPa高度场资料在分辨率和强度上有一定差别,另一方面则是因为重建指数的定义有所调整,尤其是脊线指数利用500 hPa高度场和纬向风切变线定义,充分考虑了西太平洋副热带地区高压系统对我国夏季降水的影响作用。而它与我国夏季长江流域降水的显著相关也进一步证实了重建指数能够更加真实客观地表现副高的气候变化特征。

      3) 副高的南北和东西位置异常对我国夏季降水有重要影响,通过构建副高两个位置指数的9种组合类型,在最大程度上涵盖了我国东部夏季降水的各种雨型的分布特征,为进一步认识西太平洋副热带高压位置异常与夏季主要雨带的关系提供了科学基础。

      西太平洋副热带高压指数的重建能够给气候监测诊断和预测工作提供更加客观准确的信息,尤其对西伸脊点的判断实现客观化,减少了预报员对资料的整理和计算工作。这项工作已在气候监测业务工作中初步实现实时监测。从本文对两套副高指数基本特征的对比分析可以看到,重建指数能够较为客观、真实地反映副高与我国夏季雨带的关系。而综合考虑副高南北和东西位置的九分类方法,与三类雨型[9]或四类雨型[19]相比较,能更好地与副高的异常特征对应起来,从而为夏季降水预测工作提供更为准确和合理的参考信息。

参考文献 (19)

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