高等天气学系列讲座第十八讲大气遥相关型和低频运动及其对中国天气造成的影响

1、第十八讲大气遥相关型和低频运动及其对中国天气造成的影响高等天气学系列讲座单元六：大尺度环流的遥相关与低频运动18.1 二维Rossby波频散与大气遥相关起源于热带的扰动可以向中纬度传播，影响那里的平均环流。图是这样一个例子。可以看到热带产生扰动以后以波列的形式向东北方向传播，从而影响中高纬度的天气和气候。这种波动向极地方向传播的机制为二维罗斯贝波的能量频散过程。如果一旦海表温度异常或潜热加热异常发生在副热带西风带中，则可激发向外传播的罗斯贝波，这种波的活动与相当正压的罗斯贝外波相同。根据射线追踪方法，其传播路径接近于球面上的大圆。 图18.1 五层斜压模式中北半球冬季平均气流下的定常、线性解的

2、300hPa扰动高度场。斜压区为热源，其垂直分布取的形式；实线表示正的等值线。当垂直平均的最大加热率为2.5Kd-1时，等值线间隔为20gpm 图18.2 对类似于冬季300hPa气流的平均风而言的分布。把传播解和衰减解分开；箭头所指是55附近三波可能的范围18.2 亚洲与太平洋地区的主要遥相关型（PNA型，JP型，EPA型，ISM-EASM型等）由热带热源强迫的大气运动大致上可以分成两种主要的类型。一种是哈得莱型的环流。这也包括瓦克环流；另一种是遥相关场。这两种类型响应的基本差别在于它们的垂直结构。在哈得莱型环流的响应中，加热引起低空辐合和高空辐散，对流层上部的反气旋流出位于对流层下部的气旋

3、性流入之上。大部分热带大尺度系统具有这种结构。它们可以被称作“斜压”运动。哈得莱环流和瓦克环流实际上是准静止的斜压响应。第二种大气响应即遥相关场可以传播到很高的纬度。这种类型的响应基本上是正压的，它在整个对流层具有相同的水平气流结构。 暖水期与北半球中纬度有一定遥相关。在暖水期，在北太平洋通常出现负的700hPa高度距平带，这条带向西扩展到西伯利亚。在加拿大西部为正距平，美国东南为负距平。根据上面的讨论可以概括出暖水期全球遥相关的分布（图），其主要特征（PNA型）如下：（1）太平洋地区急流较强，并比常年位置偏南，结果夏威夷位于急流的反气旋一侧，即下沉区。这种关系反映在夏威夷降水和SO指数的相关

4、中，也反映在夏威夷和莱恩群岛降水的负相关及10。N10。S，180。90。W地区海温平均值与夏威夷降水负相关中；（2）在北太平洋中纬地区对流层中部高度距平为负。这种负距平也应反映在海平面气压场上，因为在这个地区系统是非常正压的，因而上图与Bjerknes和Namias对阿留申低压的观测分析（暖水期加深）是一致的；（3）在加拿大西部，对流层中部的位势高度距平为正。因为这个地区低频脉动常常是高度斜压的，所有这一点应该更明显地反映在地面温度上，而不是更明显的反映在海平面气压上；（4）在美国东南部为负高度距平中心。这既反映在地面温度，又反映在海平面气压上。因为有人发现在这个地区，海平面气压、500hP

5、a高度和1000500hPa厚度都互为正相关。图18. 3 赤道太平洋暖水期北半球冬季中上对流层位势高度距平分布的概略图（PNA型）。双箭头代表南北半球副热带急流和东风急流加强。小箭头代表中部对流层流线，槽位于中太平洋，脊在加拿大西部；阴影区代表卷状云和降水增加区；黑点代表4个台站位置。热带地区热源的变化或强迫作用是否也可以向中高纬度传播呢？近年来的一些工作初步肯定了这种能量的传播过程。图是说明西太平洋地区夏季罗斯贝波列传播的示意图。在夏季，当热带西太平洋的海表面温度偏暖的时候，副热带地区的对流活动加强。从而产生云量的正PJ型（太平洋日本型）。对流活动加强的结果，使菲律宾海15。N20。N地区

6、的热源加强。以后大气Rossby波对这种加强的热源强迫产生响应，并且通过北太平洋向北美传播，这大约需5天时间。在东亚地区（包括中国大陆和日本地区）出现反气旋环流异常，从而产生干热的天气。在30oN出现负相关，也就是低压环流距平对应于对流活动的加强与海温的增加。 图18.4 说明SST异常，对流活动和大气Rossby波列关系的概略示意图。这是对PJ型的。李崇银与张利平进一步指出，南海夏季风的异常，通过东亚太平洋北美（EPA）大气遥相关（波列）不仅会影响中国，韩国和日本地区的天气气候，而且也将影响美国的天气气候，尤其是夏季的旱涝。另一方面，印度夏季风时期大量降水释放的潜热，通过激发Rossby波也

7、可以产生向北传播的明显的遥相关型。梁平德和郭其蕴与王继琴曾指出印度与华北的夏季降水存在稳定而一致的正相关，相关系数达到了，信度超过99.9 %。即这两个地区旱涝具有同时发上的趋势。近年来，许多的研究者十分关注这个遥相关型，不但以显著性的统计关系进一步指出它的存在，而且给出了物理解释。并且，又发现日本南部与印度的夏季降水呈现负相关关系，这可能反映了由上述遥相关激发的亚洲中纬度地区波状环流型的下游传播。 图18.5 强(上)和弱(下)南海夏季风年北半球夏季500hPa高度场的相关形势 李崇银，张利平，1999陶诗言与陈隆勋（1985）的研究表明，在印度季风强的夏季，东亚季风的梅雨锋往往偏弱，甚至有

8、的年份发生空梅。郭其蕴与王继琴（1988）发现印度夏季降水与我国华北降水存在显著正相关。张人禾（1999）从印度季风区水汽输送的角度来解释我国华北降水的异常，发现El Nio期间往往对应着弱印度季风，即El Nio盛期与弱印度季风相联系的弱水汽输送不仅造成了印度地区水汽输送的减弱，还导致向我国华北的经向水汽输送大幅削弱，使华北地区上空大气可降水量产生显著负异常，由此导致负的降水异常。Kripalani与Kulkarni（2001）从更大的空间尺度讨论了印度夏季风与东亚夏季风的可能联系。图给出了全印度夏季降水与东亚夏季降水的相关。该图不仅证实了印度夏季风与中国华北夏季降水之间存在正相关关系，而且

9、还揭示了印度季风降水与同期日本南部降水异常的负相关关系（ISM-EASM型）。图18.6 69月全印度季风降水量与同期东亚降水的相关（相关系数放大了10倍）。阴影区为通过95%信度水平的区域。（引自Kripalani与Kulkarni，2001） 关于印度季风与东亚季风降水异常的遥相关关系形成的物理机制目前还不十分清楚，Kripalani与Kulkarni（2001）推测有可能是通过北半球中纬度大气环流与热带环流的相互作用实现的。最近，戴新刚等（2002）通过资料诊断发现印度夏季降水与东亚500hPa位势高度有显著的相关，印度夏季风降水异常的潜热释放会激发一个区域的印度东亚遥相关型。当印度夏季

10、风降水偏多（少）时，中国大陆中东部易受正（负）高度距平或异常高（低）压控制，副高易西伸（东缩），不（有）利于中国中东部尤其是江淮地区降水。气候模式的数值试验还表明，这一遥相关型对东亚气候异常十分重要，并且与印度洋海温异常有关。印度洋海温或南亚季风降水异常不仅会引起500hPa高度场改变，而且会造成中低纬度纬向风切变异常，然后通过斜压波列和Walker环流影响到东亚，同时还可通过正压波列影响东亚甚至北美的位势高度场。18.3 北半球夏季的全球遥相关以上说明了存在着不少区域的遥相关如Tokyo-Chicago express, the silk road, IAM-EASM, J-P, EAP等。

11、这些遥相关型是否是独立的？是否是由一种更大尺度的遥相关把它们联系在一起？Hoskins与Ambrizzi（1993）揭示，基本气流的结构可能对Rossby波路径有约束作用。高空急流区的强涡度梯度能够形成一个波导，限制波活动在一纬向带中，并在频散完前可向下游传播到很长距离。Branstator（2002）发现北半求冬季全球遥相关被限制在急流波导中。Ding与Wang（2005）指出，夏季的高空急流与全球遥相关（CGT）有密切关系。图是夏季平均200hPa高度标准差分布（6-9月）。最突出的变率中心位于东北大西洋与西欧北大西洋急流出口区。其它依次排列的最大变率的中心在亚洲中西部（N，65E），东亚

12、到阿拉斯加湾和北美北部。特别值得注意的是这些中心与夏季高空急流密切相关或位于下游急流的出口区。印度西北部的大变率中心区相应于ISM-EASM遥相关的上游异常环流中心（乌兹别克和土库曼斯坦东部）。图是一点相关图，其最明显特点是东北大西洋西欧，东北亚，北太平洋和北美的气压变化近于与中亚西部同相（明显正相关）。反之，俄罗斯欧洲部分（参考区上游）气压变化为明显负相关。这种分布类似于ISM-EASM遥相关，是全球遥相关的一部分，即由一连串从欧亚到北美再到北大西洋的围绕所有经度的槽脊组成。如果相关点移到任一正相关中心，所得相关图都得到同样的全球波列分布（图），有5个异常高压（脊）中心固定在同一位置。这些异

13、常高压中心的准纬向排列主要位于35-45N，且CGT型近于有波数5的结构。因而CGT可用于描述这种全球纬向波数-5遥相关型，即在西欧，俄罗斯欧洲部分，中亚西部，东亚，北大西洋，北美有6个主要活动中心（见图中的“+”与“-”号）。图18.7 （a）200hPa北半球高度夏季（6-9月）标准差（等值线）与1948-2003年气候平均的200hPa急流（15m/s区）（阴影）。(b)1948-2003年基点（方形区）与夏季200hPa高度（6-9月）单点相关图。(c)说明CGT的6个活动中心的概略图（Ding与Wang，2005）与CGT相关联的降水异常CGTI的定义：印度西北部参考区平均的200h

14、Pa位势高度的年际变率（35-40N，60-70E），可用月平均值或季平均值。如脊位于此区，则CGTI符号为正。图是6-9月各月正负CGTI年差值的降水分布。其共同特征是当中亚西部有强高空正高度偏差时，在印度西北和巴基斯坦的ISM降水增加。这可能是季风加热产生了Gill型Rossby波型。它表明了与降水异常有关的局地环流异常的斜压结构。反映了中纬度西风对ISM加热源的一种响应。明显的降水距平也位于欧亚中纬地区与北美，它们与图图中的等值线分布密切相关。在每一月，西欧中部总是降水偏少，但负异常中心每月位置与强度都发生变化。北美的降水型每月变化更大，但总是出现西北东南的偶极型分布，尤其是7，8，9月

15、。7月的极性与其它月反向，这与遥相关型位相的相应变化一致（图与图）。因为东亚CGT的反气旋涡旋从6月到9月不断北上，9月撤退，所以东亚降水异常略显复杂。但主要特征是：沿黄河流域的华北地区（尤其在6，8月）降水增加，长江流域降水减少，8月和9月东南沿海降水明显增加。由上可见与CGT异常有关，在西欧，俄罗斯欧洲部分，南亚，东亚和北美降水变化之间建立了密切联系。一般当印度西北和巴基斯坦有洪水时，西欧中部或北欧有干旱，而东欧多雨。同时在东亚，有一南北向偶极型，即华北多雨，长江少雨（图）。在北美，6月为南北向seesaw，7，8，9月为西北东南向偶极分布。图正负CGTI年Delaware全球降水（背景图

16、）与台站降水（小图）差综合图。(a)6月，(b),7月，(c)8月，(d)9月。阴影区代表统计显著性水平90%区（阴影；mm/月）。相应的CGT在图中由等值线给出。小图中等值线间隔是30mm/月（-60，-30，30，60.）(Ding and Wang,2005)图18.9 正负CGTI年200hPa高度差值综合分布。(a)6月，(b),7月，(c)8月，(d)9月。等高线间隔是20m。阴影区超过95%信度区。(Ding and Wang, 2005)图正负CGTI年700hPa高度差值综合分布。(a)6月，(b),7月，(c)8月，(d)9月。等高线间隔是10m。阴影区超过95%信度区。(

17、Ding and Wang, 2005)。注意每一活动中心的正压结构。图18.11 8月正负CGTI年水汽输送（1000-300hPa）差综合图。等值线代表水汽输送散度。由图可见，偏东气流输送十分明显。由长江流域输入，然后在内陆分别转向北与转向南。结果在华北造成水汽辐合有利于降水，而在长江流域造成辐散，不利于降水（Ding and Wang，2005）。类似地表温度差综合图也表现了沿CGT路径的异常变化。例如相应于中亚西部到北美的异常反气旋环流，在帕米尔高原（每月），东北亚（6-8月），北美（6，8，9月），皆为正温度距平，7月北美中部情况相反。图18.12 正负CGTI年Delaware全球

18、地表温度（陆地）与海洋ERSST差的综合图。(a)6月，(b)7月，(c)8月，(d)9月。阴影区代表统计显著性水平95%区。相应的CGT在图中由等值线给出。 (Ding and Wang,2005)200hPa基本气流的定常Rossby波数（Ks）分布图表明（图），对于6-9月，沿急流的主要总波数Ks在6-8之间。根据波导的宽度，经向波数估计为5。因而，推出的沿全球波导的定常Rossby波纬向波数大约是5。显然，这个结果与观测到的CGT纬向波数-5结构是一致的。上述结果强调了：强ISM可引起欧洲少雨，华北和俄罗斯欧洲部分多雨。而北美是反向的偶极型分布。而对于弱的ISM，异常降水分布相反。因为与强弱季风有关的大气环流型，大致上是互为镜像。图18.13 根据1948-2003年200hPa纬向气流得到的定常Rossby波数（据Hoskins与Ambrizzi（1993）定义）。（a）6月，(b)7月，(