短期气候预测基础2012－2013学年第1学期课件（第3章）

1、短期气候预测基础李忠贤 南京信息工程大学 大气科学学院,2,第三章 大气低频变化及其遥相关,3.1 大气低频变化的基本特征 3.2 大气遥相关 3.3 不同时间尺度的低频变化 3.4 大气低频变化的可能成因,按照大气运动的时间尺度，可以将其分为以下几类： 大气低频变化(时间尺度为10天以上的大气变化) 天气尺度变化(2.5天-6天的大气变化) 高频变化(小于2天的大气变化),1.如何利用大气原始资料提取低频变化部分？ 2.大气低频变化的地理分布具有哪些特点？ 3.什么是大气遥相关？ 4.冬季北半球海平面气压和500 hPa高度场有哪些遥相关型？ 5.热带大气季节内振荡具有哪些特征？ 6.大气低

2、频变化的可能原因有哪些？,思考题,滤波分析原理,设输入序列为：,(序列长度：N)，,输出序列为：,(序列长度：N-2k)，,若原始序列可表示为余弦波：,取对称滤波器,(2k+1项)，,把（2）代入（1）式，利用和差化积公式,则,（3）相对于原始序列（2）而言，有相同频率，但是振幅有一个因子变化。,定义,称为频率响应函数。,(2),(1),(3),6,一、Blackmon滤波器 为了把大气变化分离为大气低频变化(指时间尺度为 10天以上的变化)、天气尺度变化(指2.5天6天的变化) 和高频变化(小于2天的变化)，Blackmon设计出了三个 时间滤波器。,3.1大气低频变化的基本特征,8,二、逐

3、日资料31点低通滤波器,B1ackmon的数字滤波器是针对每12小时一次观测资料设计的，而在实际应用中经常遇到每日一次观测料。据此情况，孙照渤等设计了逐日资料31点低通滤波器。,9,三、Buttorworth带通滤波器 自从发现热带大气中存在3060天振荡现象以后， 越来越多的气象工作者对这个时间尺度变化进行了分离 和研究。在分离该时间尺度的变化中，Buttorworth的 带通滤波器得到比较广泛应用。,1.如何利用大气原始资料提取低频变化部分？ 2.大气低频变化的地理分布具有哪些特点？ 3.什么是大气遥相关？ 4.冬季北半球海平面气压和500 hPa高度场有哪些遥相关型？ 5.热带大气季节内

4、振荡具有哪些特征？ 6.大气低频变化的可能原因有哪些？,思考题,图3.1(b)在45N附近的大西洋和太平洋各有一个拉长了的极大值，它们与风暴轴有关，该处斜压波活动最强。 图3.1中的其余三张图与此不同，高值中心不那么拉长，分别位于北大西洋、北太平洋和西伯利亚北极区。 特别引人注意的是低通滤波资料方差，比带通滤波资料方差明显的大，分布也与未滤波资料相同，说明大气低频变化对大气变化方差贡献最大，可达90。,大气低频变化的地理分布,1.如何利用大气原始资料提取低频变化部分？ 2.大气低频变化的地理分布具有哪些特点？ 3.什么是大气遥相关？ 4.冬季北半球海平面气压和500 hPa高度场有哪些遥相关型

5、？ 5.热带大气季节内振荡具有哪些特征？ 6.大气低频变化的可能原因有哪些？,思考题,13,3.2大气遥相关,大气遥相关是指相隔一定时间和空间的气象变量或者天气气候过程之间稳定相关的地理分布型。 大气遥相关在气候变化和预测中得到广泛的应用。,14,大气遥相关型,大气遥相关概念是Wallace和Gutzler（1981）研究大气低频变化水平结构时引入的，是指某一格点的500hPa高度与其它所有格点500hPa高度的同时相关系数，经过分析以后，选择那些与远距离相关最强的相关系数的地理分布型，称为大气遥相关型。,15,大气遥相关方法：单点相关；EOF分解； 大气遥相关型也表示了大气低频变化的水平结构

6、。,1.如何利用大气原始资料提取低频变化部分？ 2.大气低频变化的地理分布具有哪些特点？ 3.什么是大气遥相关？ 4.冬季北半球海平面气压和500 hPa高度场有哪些遥相关型？ 5.热带大气季节内振荡具有哪些特征？ 6.大气低频变化的可能原因有哪些？,思考题,17,“三大涛动”,Walker于1924-1937年发表了6篇世界天气的论文，给出了三大涛动的定义。 北大西洋涛动(NAO) 北太平洋涛动(NPO) 南方涛动(SO) 。,18,在65N附近的冰岛低压和接近30N附近位于大西洋上空亚速尔高压的海平面气压存在反相关,North Atlantic Oscillation (NAO),19,在

7、北太平洋南、北方向上阿留申低压和太平洋高压也存在着一个类似于跷跷板的振荡结构。,North Pacific Oscillation (NPO),20,Sea Level Pressure Teleconnection Patterns,Southern Oscillation (SO),21,北半球冬季的500hPa高度场上的5种遥相关型,大西洋东部型(EA) 太平洋北美型(PNA) 大西洋西部型(WA) 太平洋西部型(WP) 欧亚型(EU) 。,2020/8/16,（曹杰等，2012）,2020/8/16,24,（曹杰等，2012）,2020/8/16,25,（曹杰等，2012）,2020/

8、8/16,26,（曹杰等，2012）,北半球冬季海平面气压场上的遥相关型 北大西洋涛动（）； 北太平洋涛动（）； 南方涛动（） 北半球冬季500hPa高度场上的遥相关型 太平洋北美型（）； 大西洋东部型（）； 西大西洋型（）； 欧亚型（）； 太平洋西部型（）,28,南极涛动,“南极涛动”(Antarctic Oscillation)，表现形式为以南极及相邻地区为中心的气压变化与4050S地区相反。,29,北极涛动,Thompson和Wallace(1998) 把北半球热带外地区大气 环流的 “环形”模式称为北极涛动（AO）。而北极涛动 指数则用20N以北地区冬季海平面气压距平场主分量的 时间序

9、列来表示。,30,（黄荣辉等，2006）,夏季大气环流遥相关型-EAP型,遥相关在短期气候预测中的应用,NAO NPO EAP,1.如何利用大气原始资料提取低频变化部分？ 2.大气低频变化的地理分布具有哪些特点？ 3.什么是大气遥相关？ 4.冬季北半球海平面气压和500 hPa高度场有哪些遥相关型？ 5.热带大气季节内振荡具有哪些特征？ 6.大气低频变化的可能原因有哪些？,思考题,38,3.3不同时间尺度的低频变化,到目前为止，已被研究过的这类准周期振荡现象有： 30-60天振荡和QBO等。本节简要介绍30-60天振荡现象。,39,由下图可见，在周期50天处有一个明显的谱峰值,40,Refer

10、ence : /products/precip/CWlink/MJO,The Madden and Julian Oscillation (MJO) is eastward propagation of convection with a period of 3060days in the Tropics.,Whats the MJO?,41,Reference : /products/precip/CWlink/MJO, Alternating periods of wetter/dr

11、ier conditions in the tropics. Modulation of monsoon systems Influence on tropical cyclone development. Modulation of ENSO cycle through oceanic Kelvin waves.,42,3.4大气低频变化的可能成因,迄今为止，对大气低频变化的成因有很多研究成果，但是很多问题还有待于进一步研究。总体来看，可从下面两个方面来看大气低频变化的成因。 大气对外源强迫的响应 大气内部动力学过程的作用,1.如何利用大气原始资料提取低频变化部分？ 2.大气低频变化的地理分

12、布具有哪些特点？ 3.什么是大气遥相关？ 4.冬季北半球海平面气压和500 hPa高度场有哪些遥相关型？ 5.热带大气季节内振荡具有哪些特征？ 6.大气低频变化的可能原因有哪些？,思考题,44,一、大气对外源强迫的响应,把大气低频变化看作为对来自海洋等缓慢变化的热力强迫的响应，是大气科学研究中的传统课题。大量的观测研究已经证明，赤道东太平洋海表温度异常升高会引起整个北半球大气环流的响应，数值试验也表明，会产生类似PNA遥相关型的分布。,45,二、大气内部动力学过程的作用,ENSO years NORMAL years,46,1.振荡现象 在大气内部存在着指数循环现象，表现为准两周振荡， 而且冬半球环流的确存在着纬向动能和扰动动能以及 纬向有效位能和扰动有效位能之间大的振荡。 2.大气中的非线性相互作用 大气中的非线性相互作用，例如波与基本气流，波与波 的相互作用，大气的多平衡态及其转换，以及强非线性 的孤立子、偶极