成信工中长期天气预报课件第6章 大气环流变化与长期天气预报

第六章大气环流变化与长期天气预报大气环流的变化，是导致天气气候变化的直接原因，如旱涝、低温。长期天气预报所研究的都是时空尺度较长的天气过程，它所对应的环流演变都是大型环流的演变。大型环流的描述方法：一类是天气学方法，即根据天气学原理，把相似的发展阶段归纳为某一环流型，优点是能综合考虑与天气密切相关的大气环流主要成员的特征，不足之处是缺乏客观定量的标准，分型时标准不易掌握。另一类是天气统计学方法，即计算一组能描述大气环流基本特征的定量指标，优点是能比较定量地描述大气环流形势的基本特征，缺点是由于数学上的困难，目前还不能对大气环流的各种重要成员作统一的数学处理。第一节大型环流过程的天气学分型基本假定：大气环流时空连续变化的大型环流过程的总体。环流型就是大气环流连续发展过程中的一些相似的发展阶段，而长期天气趋势主要是由环流型发展演变的特点决定的，长期天气异常的原因在环流型的更迭，也就是一个环流型向另一个环流型的过渡中发生异常。因此，研究某一环流型持续的长短或出现频数的多少以及相互转换规律，是作长期预报的基础。分型的依据：通常按特定区域来划分。一、北半球基本环流型1.两种基本环流型：纬向环流：其基本特征是对流层中部西风平直，基本气流沿纬圈运行；经向气压梯度和温度梯度很大；急流和行星锋区呈纬向分布；热量和水汽的纬际交换被大大抑制。经向环流：其基本特征是平直的西风被破坏，对流层中部在某特定地区出现准静止的长波槽脊；在这些长波槽脊的前部和后部出现方向几乎相反的纬向温压梯度；急流呈经向分布；热量和水器的纬际交换大大加强。分型的基本原则：客观高度概括反映出环流形势的最本质的特征。2.具体分型方案的多种多样，一般要考虑空间和时间来年各个方面。空间上按气象台站所在地区，分型的地理范围可定为亚洲或欧亚范围或整个北半球；时间上按不同季节的特点。3.王根盖姆和吉尔斯提出的天气学分型体系：考虑整个北半球中高纬度环流特征，具体分为：W型（西方型）：主要特征为在对流层中盛行自西向东气流；南北空气交换弱，南北温差大；欧洲、大西洋地区的中部气压系统及锋系都是自西向东传播。E型（东方型或阻塞切断型）：主要特征为中纬度盛行的西风环流遭到显著破坏；在欧洲大陆上空形成行星尺度的准静止高压脊和低压槽；极地冷空气沿超级地轴（自东北向西南）侵入欧洲，造成中欧地区寒潮天气。C型（西欧经向型或子午型）：主要特征为槽脊的位相恰好与E型相反；冷空气的主要方向是沿子午线或极地轴（自西北向西南）经过欧洲西部南下。4.鲍尔分型（主要表征大天气形势和大形势）（1）天气形势概念：操纵天气性质和其演变特点的大气“基本”状态。时间长度平均是5.5天。其主要特征是平流层下部引导气流方向及其地理位置来分析。实际上，500hpa和地面气压图来进行分析，按变压中心移动的方向和引导气流的主要方向，又将几个大天气形势归并，这就是“大操纵形势”或大形势。（2）以欧洲为主和以中欧为主的分型二、我国的环流分型方法1.分型原则：（1）分型范围：亚洲、西太平洋、欧洲兼顾，但以亚洲为主，并视具体情况可有伸缩；（2）西风带副热带兼顾，冬半年以西风带为主，盛夏以副热带为主。（3）各层环流兼顾，以500hpa长波系统为主；（4）槽脊位置和各支气流兼顾，以起主要作用的一支引导气流为主；（5）环流和天气兼顾，以环流为主；（6）兼顾影响我国的各种天气过程以及各地区的天气，但以影响范围较大的天气过程及大范围灾害天气为主。2.具体分型：对亚洲及太平洋共划分出十一种环流。A.平直小波动型； B.移动性波动型；C.横槽型； D.一槽一脊型；E.西伯利亚阻高型； F.两槽一脊型；M.东岸槽型； N.切变型；P.纬向型； Q.经向型；R.移动型；缺陷：难以找出各型之间的转换规律，但这又是我国所需要的。第二节大型环流的定量表征方法目的：环流分型的客观化、定量化，避免主观认为性。方法：数学模型（微积分、模糊聚类）、设计参数，利用计算机计算。一、环流指数与指数循环1.基本概念西风带大型天气系统发展演变的实际启示：环流指数：定量描述大范围环流的一种特征量。指数循环：反映环流型交替转换的基本规律。2.环流指数具体简化为一种特征数量：分别用西风（纬向环流）指数和经向度（经向环流指数）来表示环流强度。（1）西风（纬向环流）指数：某纬度范围地转西风分量的平均值。①Rossy的看法：用35o~55oN间的平均西风作为描述大型环流特征的一种指标。②地转西风分量：式（6.1）③西风指数：式（6.2）④实际上通常只用500hpa计算（虽染各个等压面上都可计算西风指数）我国常使用北京20时500hpa等压面欧亚范围（0o~150oE，45o~65oN）和亚洲范围（60o~150oE，45o~65oN）两个区域的西风指数。中长期预报工作中也常用候平均图或月平均图来求纬向环流指数。（2）经向度（经向环流指数）：南北风速绝对值之和平均值。①西风指数的缺陷：有时，大槽大脊明显，但锋区强，Iz并不减弱；有时，虽平直气流，但锋区弱，Iz却较小。此时用经向度的强弱进行修正。②地转风南北分量：式（6.3）选定某一纬圈，固定经距，………。③经向环流指数：式（6.4）、式（6.5）一般来说，Im增加，经向环流发展，反之减弱。④Iz与Im联系Iz>

Im尤其冬季Iz>>

Im判断：比较经纬向环流指数距平百份率………….3.指数循环含义：指环流指数的一种变化特征。（1）指数循环的一般特征中纬度，当纬向环流盛行时，西风强大，称高值数环流；当经向环流盛行时，西风减弱，称低指数环流。指数循环：基本解释：大气环流中期变化主要表现西风高、低指数交替、循环往复的变化过程。其周期短的为2周，长的为8周。急流角度的理解：西风急流向南扩张和向北收缩的过程。急流向南扩张时，常伴随着长波槽的发展加深，西风指数减小；急流向北收缩时，常伴随着长波系统减弱，西风指数增大。急流南移方式是急流连续向南移的过程。急流北移方式是南移的急流消失，在高纬度又重新生成一支急流，然后这支新生的急流又向南移。因为高纬度新生急流的出现及其活动预示着大型环流过程可能发生转折。指数长期变化的理解：候平均图或月平均图的西风指数变化。（图6.2P73）

月平均的Iz：年变化十分明显，冬高夏低，春秋过渡。呈非周期变化。 候平均的Iz

：以月平均的Iz为背景，呈周期变化。 每日的Iz：以候平均Iz为背景。从每个季节看，冬季指数循环的周期长一些，高低指数之间变化的幅度也大一些，循环也明显一些。夏季相反。计算表明，一个循环的平均长度为5.5候，最长为9候，最短为4候。反映指数变化的持续性特点。（2）指数循环各阶段的天气学特征四个基本阶段，均有一定环流特点。①高指数期②指数减弱期③低指数期④指数增强期 总体上看，指数循环反映中纬度西风风力变化的循环性质，与这一循环的不同阶段相联系的是大气环流发展的一定阶段，后者则对应着大型天气过程。二、大气活动中心特征量及其效能分析注意：某些大气活动中心特征的变化。1.副高特征量副高特点：永久性系统，有形状、面积，可分为几个单体。日、候、旬、月平均图，甚至年平均图上均可见，几乎在各层都有反映。（1）副高特征量（5种）①面积指数：10oN以北、110o~180oE范围内大于或等于588的网格点数。②强度指数：上述范围内格点高度值编码值（如588为1，589为2…

）之和。③平均脊线位置：110o~150oE每隔5o的经线与副高脊线祆教的纬度值平均。规定：在110o~150oE范围内，只有一个>=588dagpm网格点的孤立副高单体不予考虑；另外在求脊线的平均纬度时，每隔5o的9条经线上只有一个纬度读数也不予考虑；对只有2~4个纬度读数值的平均脊线纬度值加上括号以示区别。④西伸脊点：副高体最西端的经度（588线）。规定：只有一个>=588dagpm的副高体不予考虑；出现两个副高单体时取偏西的一个；副高在110oE以西（其东伸点>115oE以东）考虑在内；西伸脊点在90oE以西，均记作<90。⑤北界位置：110o~150oE范围内，副高北侧588线与每隔5o的9条经线焦点的纬度平均值。（2）副高特征量的效能分析（图6.3图6.4表6.1P75）2.东亚槽特征量（10月~次年2月）东亚大槽特点：半永久中心，槽强。西风带强，偏南，500hpa南北梯度大。（1）东亚槽特征量（2种）①东亚槽位置：500hpa月均高度图110o~170oE范围。槽线在35~55N内每隔5与纬线香蕉的经度值（共有5个）的平均值。有少数月份平均图上的东亚槽不很清楚或是明显横槽形式，在资料中加括号以示区别。②东亚槽强度：根据上述划出的槽线，在35~55N纬度带内读出每隔5的每一纬圈上槽线附近的最小的一个高度值，这样共有5个高度值，然后按下式计算强度指数：…………..（2）东亚槽特征量的效能分析（图6.5P77）3.极涡特征量极涡特点：永久性中心，影响我国冬半年寒潮。（1）极涡特征量国家中心长期科对极涡的定义是：在北半球500hpa月平均环流图上，选取中心高度值最低的一个低涡中心（一般位于极地和高纬地区）定义为极涡中心，然后取此中心所在的经度和纬度数表示极涡中心位置；同时，读取低涡中心附近的最小的一个高度值作为极涡中心的强度。特别规定，当出现两个以上的中心值相同的低涡时，选取中心闭合范围大及中心最小值点数多的低涡作为极涡中心；当出现两个以上的极涡中，则选取中心所在纬度偏南的一个极涡作为极涡中心。（2）极涡特征量的效能分析特征量本身意义明确，但其变化还有一些特性，如：①极涡位置的季节性（表6.2P77）②极涡中心强度的季节变化：由冬到夏是减弱过程，由夏到冬是加强过程。平均最强月份是2月，最弱月份是7月。③极涡中心强度的月际持续性规律不明显。（）相关较大的阶段是2~3月、5~6月以及12~1月，而在春季（3~4月、4~5月）以及秋末至冬初（11~12月）月际持续性是负相关且持续性最差。三、大气环流谐波分析及应用环流指数（经纬向分量特征），大气活动中心特征量的局限：描述局部特征。为了更充分地描述大气环流，谐波分析是一种较好的工具。1.谐波分析方法（1）概念：利用富氏级数把实际的波动分解成无数简谐波之和的方法。把等压面高度场沿纬圈作富氏展开，求出波数n=1，2…..等分波的振幅和位相角等特征量，再把波数1~3或4~5的分波迭加在一起，求出对应于超长波或长波的合成高空形势图，从而观察超长波和长波的逐日演变及不同分波的演变特征及差异。此方法称为谐波分析或波谱分析。（2）方法（P79）①数学上，富氏级数表明：任何波动总可以表示成无限多个不同波参数的简谐波的迭加。………………②气象上，将等压面高度场H分别对某纬圈….的H…展成经度…的富氏级数这表明，任何扰动场是纬向波数由1到无穷的谐波分量所形成的总数量。实际计算中，…常用有限的n代替，因为>n的谐波分量的总贡献很小。对H作谐波分析时，n常取为10或5即可。③实际计算方案……………（P79）2.波谱特征参数的应用（1）物理量场分析公式①基本思想及基本公式某种物理量场的谐波分析有两种途径：一是直接进行空间谱分析，一是借助H、T等要素场的谐波分析结果，在地转假定下，间接计算物理量的谱分解。但其中物理量涉及到两个扰动量的乘积沿纬圈平均的形式—卷积。……（P80）②扰动动能谱（P80）③角动量输送谱（P80）④感热输送（P81）（2）梅雨期旱涝发生时及其前期环流特点和波谱特征（P81~83）四、大气环流的EOF分析及其应用1、EOF分析方法（P85）EOF（experientialorthogonalfanning）气象要素场分解的特征向量（典型场）由实际要素场序列本身具有的特征所确定的正交分解分析….（P85）基本思路：气象场F分解为只与时间或空间有关的两部分，与空间有关的部分………………..2.EOF分析的应用（1个例子）资料及格点的取法：1980~1990年，5~7月，500hpa逐日20时网格点实况资料。在极区取60oN以北空间点数共46个。即80N纬圈上只取0o、90oE、180o和90oW四个点，75oN、70oN纬圈上取从0o起每隔40o取一点，65oN、0oN纬圈上每隔30o取一个点。副热带地区取90o~140oE，20o~45oN范围5o*10o的网格点共有36个。（1）500hpa极涡的演变特征①第一特征向量（图6.12aP86）表示5~7月的多年极涡平均状态。因此可以把第一特征向量看作基本场。②第二特征向量（图6.12bP86）表示东西半球不同特征。③第三特征向量（图6.12cP86）（2）500hpa副高的演变特征前三个特征向量的方差贡献：47.1%。①第一特征向量：所有分量都为正值，中心105o~140oE之间表示5~7月副高的多年平均状态。因此可以把第一特征向量看作基本场，而其余特征向量为叠加在其基本场上的扰动。②第二特征向量（图6.12bP86）它的分布有正有负，零线在31oN附近，零线以北为负值，以南为正值，这种分布反映了副高位置的南北移动。③第三特征向量（图6.12cP86）它的分布是以110oE为界线，其东部为负值，西部为正值，这种分布反映了副高位置的东西摆动。（3）极涡和副高的时间系数演变特征（图6.13P87）反映连续暴雨出现时与特征时间曲线的关系。第三节低纬大气环流的变化与长期天气预报低纬定义：35oN~35oS之间约占地球表面机的37%。特征：地面热量平衡的热量盈余地区，大气主要从这里取得能量。在长期天气变化中，非绝热加热过程起着重要作用。下面介绍两种反映地位大气环流长期振动的重要现象。一、沃克环流(WalkerCirculation)1.概念：赤道地区存在的东西向的环流圈。中太平洋上升，太平洋东部下沉，地面层为东风，高层为西风。（图6.14P88）2.特征：①

与SO的联系：上升支对应澳大利亚—印尼附近的低压系统，下沉支对应复活岛附近的高压系统。②与赤道降水带的联系：沃克环流强使可伸展包括整个赤道太平洋，其东部下沉西部上升，东部的干旱带在强大下沉气流控制下控制下也向西扩展，故中太平洋降水少；环流若是纬向环流收缩，中太平洋转为上升气流控制，故降水多。③与海水温度的联系：赤道太平洋冷水带正好是赤道干旱带，水温低时干旱带西伸，降水很少；水温高时干旱带收缩，雨量丰沛。3.反沃克环流：印度洋东部上升、西部下沉的纬向环流。（图6.14）Flohn（1975年）提出，并综合了赤道与低纬的厄尔尼诺现象及一些水文气象要素去证实。这就说明不但沃克环流（澳—印尼低压区上升而在副热带下沉的经向环流圈）普遍存在，而且各地的变化还有一致性。二、南方涛动（SO）1.概念：澳大利亚—印尼附近的低气压和复活岛附近的高气压同时增加或减弱，两地气压如跷跷板一样上下振动，称为SO。周期约为3年。（图6.15P89）2.特征：

①与WalkerCirculation联系：SO气压差减小（增大），则信风和赤道东西环流（沃克环流）就减弱（增强）。②SO的两种状态：一种相当于强SO，即南太平洋气压高，赤道太平洋降水少，称为高干（HD），这时沃克环流也强；另一种相当于弱SO，南太平洋气压低，赤道太平洋降水多，称为（LW），这时沃克环流也弱。

③与海温关系密切：它反映了大气和海洋之间的相互作用。“自动增幅”过程和“自动减幅”过程。Bjerknes（1969）“自动增幅”过程：一旦西太平洋海域海水温度上升，对流和上升运动活跃，附近的地面气压下降，这支上升气流在对流层高层流向东部地区，在海面水温较低的太平洋下沉，促使该地区的地面气压上升。东西地面气压差增大使信风加强，赤道东—西纬向环流坚强，东西两侧海水温度差异越来越大。“自动减幅”过程：由于某种原因，两气团的气压差减小，信风减弱，海面水温亦变小甚至逆转，东太平洋一侧水温高，西太平洋水温低，使赤道东西纬向环流减弱，维持两个其吞的气压差较小的状态。3.南方涛动指数（SOI）：Tahiti和Darwin测站规格化的海平面气压距平之间的差。正指数表示强南太平洋信风环流和赤道东风。第四节大气低频变化和遥相关与长期天气预报一、大气低频变化1.概念：指时间尺度10天以上的大气变化。研究意义：其时间尺度与长期预报所要求的尺度一致，研究大气低频变化对进一步了解大气环流和短期气候变化，改进数值模拟和中长期数值预报，探讨较长时期预报的可能性方面都有极为重要的作用。研究概况：

70年代，用谱分析和滤波技术。

80年代，遥相关、球面上Rossby波传播理论。2.低频变化的地理分布特征：（图6.16P60）方差极大区：北大西洋、太平洋和西伯利亚极区，非常接近经常发生阻塞的区域。方差极大区：低频滤波方差比带通滤波方差要大得多，表明前者对总方差的贡献要比后者大。低频振荡不同于斜压扰动。3.不同时间尺度的大气低频振荡(1)准两周振荡研究表明，准两周振荡是原序列的重要成分。冬季，准两周时间尺度的变化表现为指数循环，可从大气低频振的荡观点看，指数循环是大气低频振荡重要成员。(2)30~50天振荡季节内变化，特别受到长期预报的关注。①热带30~50天振荡这种低频振荡周期可以在20~90天之间变化，有50%左右处于40~50天之间。最早注意，该振荡是向东传播的，进一步研究表明，也有向北和向上传播的特征。②中高纬30~50天振荡该现象存在，但需进一步研究。4.大气