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

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。
① Rossy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~65
oN)和亚洲范围( 60o~150oE,45o~65 oN )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。
④ Iz 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 6.2 P73)
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 >=588 dagpm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 6.1 P75)
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 6.5 P77)
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 6.2 P77)
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( experiential orthogonal fanning )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

………………,,
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 6.12a P86)
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 6.12b P86)
表示东西半球不同特征。
③第三特征向量(图 6.12c P86)
( 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 6.12b P86)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 6.12c P86)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 6.13 P87)
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 (Walker Circulation)
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 6.14 P88)
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 6.15 P89)
2.特征,
①与 Walker Circulation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)。
② SO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 6.16 P60 )
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.大气低频变化的原因(但很多问题还有待于进一步研究)
( 1)大气对外源强迫的响应
海表温度异常并不市能导致短期气候变化是外部强迫作
用的唯一形式,夏季土壤湿度的变化也同样能引起大
气低频变化。今年来的研究还表明,大地形强迫也能
引起波列结构,在球面上按二维 Rossby波射线路径传
播。
( 2)大气内部动力学过程的作用
① 振荡现象:在大气内部存在着指数村换现象,表现为
准两周振荡,这种现象是一种类似与在一定控制条件
下转盘中流体的振荡现象。而且东半球环流的确存在
着纬向动能和扰动动能以及纬向有效位能之间的大的
振荡。
② 大气中的非线形相互作用,
例如:波波,波流,大气多平衡态及其转换,以及强非
线形的孤立子、偶极子,高频瞬变波等,都是大气低
频变化的原因。
③对流凝结加热反馈:这是热带大气系统形成和维持的
关键因素,尤其在热带大气中波动 CISK机制 。
二、大气环流遥相关
1.概念:一个区域大气环流异常可引起凌另一些区域大气
环流的异常, 这种区域性环流异常及它所引起的要素
异常的相关性就称遥相关 。
2.表示方法:单点相关技术, 计算某仪基本点的要素资料
序列与其它点资料序列之间的同时相关系数, 根据相
关系数的地理分布给出一种不同区域的相关特点, 经
过严格的分析以后, 确认某些相关系数分布型定义为
遥相关型 。
遥相关表示了大气低频变化的水平结构 。
3.大气环流遥相关的事实
( 1) 北半球冬季海平面气压遥相关型
? NAO( 北大西洋涛动 ),南北
? NPO( 北太平洋涛动 ),南北
? SO( 南方涛动 ),东西
( 2) 北半球冬季 500 hPa高度场遥相关
? EA( 东大西洋型 ) 和 PNA( 太平洋 /北美型 ),东部为
海洋, 西部为大陆 。
? WA( 西大西洋型 ) 和 WP( 西太平洋型 ),在西部海
洋上有两个经向偶极子 。
? EU( 欧亚型 ),从斯勘的纳维亚伸展到朝鲜半岛 。
4.遥相关型指数
PNA型指数,
EA型指数,
WA型指数,
WP型指数,
EU型指数,
5.对遥相关型的解释
主要用 Rossby波在波在球面上频散理论解
释,并指出是平均气流正压不稳定的结
果。