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全球气象要素场关联特性及在汛期降水预测中的应用研究

支蓉  
【摘要】: 本文基于NCEP/NCAR和ERA40再分析资料构建全球温度场和高度场关联矩阵,并以此为基础探讨气象要素场关联性的整体特征,主要结论如下: (1)分别构建温度关联矩阵和随机关联矩阵并进行比较,发现温度关联矩阵中既存在关联“噪声”又存在真实关联。采用信度为0.01的统计检验能够简单有效地滤除温度关联矩阵中的关联“噪声”。对日温度序列做step=5d,10d...的滑动平均继而构建关联矩阵发现:365-730d可能是温度场时间尺度上的一个转折点;全球平均关联系数CTglobal的总体变化趋势是随step的增加而增大,但趋势逐渐变缓。位于赤道东太平洋海域的正关联中心(区域Ⅰ)(162.5°E-102.5°W,7.5°N-12.5°S)和位于北太平洋海域的负关联中心(区域Ⅱ)(157.5°E-147.5°W,27.5°-47.5°N)是值得重点关注的两个区域,二者之间存在强负相关。取长度为10a滑动窗口研究CTglobal随时间的演变特征发现:CTglobal在1981-1987年之间发生了明显的跃变;区域Ⅰ和Ⅱ对这一跃变也有清晰的反映,区域Ⅱ的跃变略滞后于区域Ⅰ;此外,北太平洋海域负关联中心随时间演变还出现了明显的“位移”,据此提取出北太平洋海域负关联中心最强负关联值,定义为动态北太平洋指数(Moving North Pacific Index, MNPI)。 (2)构建考虑时间延迟情况下的关联矩阵,分析时间延迟对全球温度场关联性时空特征的影响。结果表明:随着延迟时间的增加,全球温度场的关联性总体逐渐减弱,但对应不同的延迟时间其规律也不同,延迟1-30d的情况下,可根据CTglobal的下降快慢大体将其划分为3段:延迟1-7d左右、8-20d左右、21-30d左右。温度场关联系数的空间分布型没有随延迟时间的增加发生明显变化,但在数值上的变化总体呈沿纬向的带状分布,其中北半球中纬度的亚洲大陆大部以及赤道中东太平洋地区分别与同纬度的其他地区变化趋势相反。区域Ⅰ和Ⅱ的平均关联系数随延迟时间的演变规律与全球平均状况相比更加复杂。 (3)讨论增/降温趋势和极端温度事件对全球温度场关联性的影响,由NCEP/NCAR再分析资料得到的结果表明:去除增/降温趋势之后,原本呈现降温趋势的地区关联性有所增强,而原本增温趋势较显著的区域与关联性减弱较显著的区域也有较好的对应关系。但由ERA40再分析资料得到的结论则并没有这种明显的对应关系。总体而言,两套资料的结论都显示增/降温趋势对全球温度场关联性的空间分布型没有太大影响。采用不同的极端温度值替代方案造成全球平均关联系数随时间的演变在90年代之后发生较大差异,究其原因,可能与不同方案下温度场关联系数的南、北半球空间分布在90年代前后发生较大改变有关。 (4)分别基于本文定义的动态北太平洋指数和Trenberth等定义的北太平洋指数,针对长江中下游区域夏季汛期降水模式预报误差寻找降水预测误差场的4个相似年份,将相似年误差场的算术平均作为模式预测结果的误差场进行预测。结果表明,基于动态北太平洋指数选取相似误差场进行模式预测误差订正比利用北太平洋指数效果优越。在此基础上结合欧氏距离加权平均方法能进一步改善预报效果,提高预报技巧。2003-2009年共7年的夏季汛期降水独立样本回报结果表明,动态北太平洋指数对长江中下游夏季汛期降水的具有很高的预测技巧,尤其具有年代际变化特征,与北太平洋海温的演变特征相一致。最后利用动态北太平洋指数制作了2009年中国夏季汛期降水预测,经检验达到了很高的预报技巧。 (5)基于200hPa、500hPa、700hPa高度场和地面气压场全球再分析资料构建关联矩阵。结果表明各层次高度场的关联性在中低纬度区域较好并向高纬度地区递减,呈准带状分布;垂直方向上,低层的关联性较弱,随着高度增加关联性逐渐增强;北太平洋区域从低层至高层均存在一个较强的负关联中心,体现出一定的特殊性。考虑时间延迟的情况下,随着延迟天数的增加关联性逐渐减弱,延迟天数达到15天左右其衰减趋势趋于平缓,达到60天左右发生显著转折。从空间角度来看,环流系统内部关联的衰减速度表现出低纬向中高纬加快,高层向低层加快的特征。各层次高度场和地面气压场全球平均关联系数随时间的变化特征基本保持一致,在1978-1982年和1996-1998年左右发生了两次明显的跃变。 (6)进一步研究北太平洋负关联中心由低层到高层的空间分布特征及其与全球其他强关联中心之间的关系,结果表明:各层次高度场中与北太平洋区域之间存在显著关联的地区比较一致,主要分布在三个区域:赤道中太平洋(中心A)和白令海峡(中心B)(负关联)、北美大陆东南部(中心C)(正关联)。北太平洋区域格点与这三个区域格点间关联性的累加效果使得各层次高度场的北太平洋区域都存在一个明显的负值中心,该负关联中心从低层到高层存在先南后北、先西后东的移动过程,且方向的转变都发生在500hPa高度场。地面气压场中,中心C对北太平洋区域的影响明显弱于其他两个中心,而在700hPa、500hPa和200hPa高度场都是中心A的作用最强。


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