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中国气候及其异常成因分析副高与中国局地降水之间的关系 姓 名：邓 超 班 级：二 班 学 号：20071301050摘要：在我国，对于某一地区，每年雨季的早晚，雨量的大小，干旱洪涝程度以及雨带的进退是由哪些因素控制和决定的呢？其中一个重要影响因素就是副热带高压。现利用校图书馆以及网上所下载的陕西省历年降水强度资料以及我国副高强度资料,对2003年汛期家乡陕西暴雨和500hPa副热带高压的活动特征的关系利用大三上学期所学过的气象统计方法对其进行客观统计分析。关键词：暴雨，副热带高压，气象统计方法研究进展：统计结果表明,汛期7、8、9月副高偏强,副高脊线在2528N、西脊点在104112E进退,是陕西关中陕南多阴雨、暴雨频繁的主要原因；陕西连续暴雨产生于副高脊线沿2528N持续西伸、持续东移经过105E时段。明显地验证了副高与中国局地降水之间有着密切的关系。正文（包含资料、方法、结论）: 本次研究所利用的资料为校图书馆以及网上所下载的陕西省历年降水强度资料以及我国副高强度资料。要想研究副热带高压与降水之间的关系，首先得了解一下什么是副热带高压。一.副热带高压在地球的热带和温带之间是副热带,位于北半球大约20N30N,在我国相当于海南岛到杭州湾的南北范围。地球的副热带地区有一条高气压带,在天气学上称副热带高压带, 简称副高或副高带。什么是高气压?简单地说:气压就是大气的压力,空气和地球上的其他物质一样是有重量的,单位面积所承受的压力(重量)就是气压；某一地区的气压比周围地区的气压高,就称为高压,反之为低压。北半球,平均而言,副热带是一条环绕地球的干旱地带,沿这条高压带集中了世界上绝大部分沙漠地区。然而,沿着副热带的气压场的分布,又是极不均匀的,受多种因素的影响,副热带高压断裂为若干个全球雨量最为丰沛的季风区,这又使副热带成为全球天气气候变化最为壮观,洪涝、干旱最频繁的地带。一般来说,副热带高压是暖性高压系统。赤道附近的热带气流受热上升,到达对流层顶,然后分别向南、北方向分流,向北的一支,至30附近,由于地球自转作用而受阻,大气下沉堆积,形成高压区,这就是北半球的副热带高压。由于沿纬圈的不平衡,受山脉、陆地、海洋以及冰川、积雪等多种因素的影响,高压带经常断裂成若干个具有闭合中心的高压单体,这些高压单体统称为副热带高压带。副热带高压,一般呈带状分布,高压单体为椭圆形,东西为长轴,通常称为副高轴线,副高轴线与副高压脊线(高压脊类似于地形中的山脊)一致。在北半球,副高脊线以北为偏西气流,而脊线以南为偏东气流。故高压系统中的风向分界线也可以确定为高压脊线,脊线与地球径线的交点可以标明西太平洋副高的南北位置,脊线西端点的径度可以表示西太平洋副高西伸的位置。副热带高压按其中心位置可分为陆地的和海洋的,在对流层中低层,副高主要出现在海洋上,其中出现在西北太平洋的副热带高压又被称之为西太平洋副热带高压,或简称为西太副高。其西部夏季可伸入到我国大陆,冬季在南海上空形成独立的南海高压。我国气象工作者经常关注的是夏季对流层中下层(5500m及以下)出现在西北太平洋上的副热带高压系统。因为它直接影响着我国东部地区的雨带分布和南北进退。大气环流具有季节性变化,北半球6月和10月是大气环流突变期,从一个比较稳定的状态过渡到另一个比较稳定的状态,稳定状态的跃迁叫突变。副高在海平面气压场上季节变化的最基本特点是,从冬到夏,副高的位置北移、强度增大；而自冬至夏,副高的位置南撤、 强度减弱。副高的突然增强发生在67月份,到9 月中旬出现突然减弱。季节性移动不是等速的,而是具有缓慢式移动、跳跃式移动及摆动特征。就500hPa 等压面上的副高活动来说,从春到夏,一般有两次明显的北跳过程。第一次出现在6月中旬,第二次出现在7月中旬,这种跳跃式变动现象 是全球性的。我国夏季风雨带的季节性位移与副热带高压的关系极为密切。6月上旬及以前,副高脊线北移不大,平均都在16.5N附近摆动,这期间雨带在华南；6月中旬副高脊线突然北移到19N,雨带随之北抬到长江以南；6月下旬到达23.5N,遂使江淮流域进入梅雨盛期；此后,副高脊线继续北移,7月上旬到达26N,7 月中旬到达28N,然后稳定在28N 附近,这时华北、东北雨季相继开始。9月中旬副高脊线开始南退,但10月上旬前仍维持在24N,对应淮河流域秋雨雨季； 10月中旬副高脊线迅速南退到21N以南,夏季雨带撤出中国大陆。长江中下游地区的黄梅雨是我国最著名的雨带,古诗云:“黄梅时节家家雨, 青草池塘处处蛙” ,这是对当地梅雨季节自然景象的生动描绘。从天气学上说, 这是以太平洋副热带高压为代表的海洋暖湿气团与大陆中高纬度的冷气团交锋的结果。这种冷暖气团在江淮流域对峙,平均2025天,最长可达2个月,而有的年份却没有或时间极短,这就是空梅。长久的梅雨天气可引发江淮流域严重的洪涝灾害。二.西太副高指数定义 其次，要对副热带高压的强弱进行定量的表示，以便对副高强度和降水强度之间的相关性进行检验统计，必须引入西太副高指数。面积指数：在510菱形网格的500hPa的平均环流图上，10N以北，110180E范围为588dagpm网格点数称西太平洋副热带高压面积指数。 强度指数：588dagpm网格点上平均高度值编码（即588为1，589为2，590为3，其余类推）之和定义为副热带高压强度指数。 脊线指数： 取110150E范围内副热带高压体脊线与每隔5度的9条经线交点的平均纬度值定义为副热带高压脊线指数。 北界指数：用副热带高压北侧588dagpm等值线（东西两个脊点之间）与每隔5度9条经线交点的纬度平均值定义为副热带高压北界指数。 西伸脊点指数：取90180E范围内588dagpm等值线最西位置所在的经度定义为副热带高压西伸脊点指数。三.资料的初始化方法原始资料直接被用于运算的时候，必定会产生诸多误差以及同化性差等负面因素。因此，在使用原始资料之前，必须先利用气象统计学中处理资料的方法对资料进行预处理。以下是几种处理方法：1.平均值法含义：平均值是要素总体数学期望的一个估计。反映了该要素的平均（气候）状况。公式：2、 距平含义：反映数据偏离平均值的状况，也是通常所说的异常。距平序列：单要素样本中每个样本资料点的距平值组成的序列称为距平序列，也可以记为距平向量。公式： 3、方差和均方差（标准差）含义：是均方差，描述样本中资料与平均值差异的平均状况，反映变量围绕平均值的平均变化程度（离散程度），是方差。公式： 在用以上数据初始化方法对原始副高指数和降水强度资料进行初始化之后，便可以构造相关统计量来检验副高与降水之间的相关性大小了。四.相关系数及显著性检验方法 简单相关系数（pearson相关系数）1.概念：描述两个变量线性相关的统计量，一般简称为相关系数或者点相关系数，用r表示。它也做为两总体相关系数的估计。2.几点重要理解：(1)相关系数是标准化变量的协方差；(2)-1=r0，表明两变量呈正相关，越接近1.0,正相关越显著；当r0，表明两变量呈负相关，越接近-1.0,负相关越显著；当r=0，则表示两变量相互独立。3.显著性检验样本相关是否意味着总体相关？正态总体的相关检验实质上是两个变量间或不同时刻间观测数据的独立性检验。所谓相关检验，就是检验=0的假设是否显著。在假设总体相关系数=0成立条件下，样本相关系数r的概率密度函数正好是t分布的密度函数。于是，就可以用t检验法来检验。在原假设=0的条件下，统计量符合自由度为n-2的t分布。给定信度 和样本相关系数r，根据自由度查出，,若，即否定=0，总体相关；接受=0，总体非相关。五.具体实例分析现以2003年汛期家乡陕西暴雨和500hPa副热带高压的活动特征的关系为例利用大三上学期所学过的气象统计方法所得的各种统计量相关性的强弱进行客观统计分析。2003年汛期,陕西暴雨频繁,大降水主要在关中和陕南,造成渭河下游和陕南严重洪涝灾害。本文从大尺度天气系统副热带高压的活动特征分析探讨。12003年陕西暴雨的主要特点2003年汛期(59月)陕西共出现暴雨日(2020时)28个,较常年多4次, 其中局地暴雨20次,区域性暴雨9次(见表1)。暴雨地域分布:陕北3次,关中(11 次)和陕南(17次)共有25次。暴雨时间分布:6月仅有2次单站暴雨,7、8、9月暴雨分别为9次、11次、6次。从量级看,大暴雨7次,大暴雨和区域性暴雨均较常年偏多2次。9次区域性暴雨分别出现于7月中旬、8月下旬和9月中旬的连阴雨中。出现时间和落区具有集中性和连续性是2003年暴雨的显著特点。8月23日9月7日连阴雨中全省出现暴雨95县次,其中大暴雨9县次。大范围连续性强降水,造成渭河三次洪峰。在如此短的时间内,暴雨日频次之高,暴雨、大暴雨县次之多是罕见的,关中地区是1954年渭河大洪水后最强的,陕南地区仅次于1981年。2.2003年汛期副高活动特征现利用2003年500hPa高空天气图来对副高的活动特征做一下详细的分析。120E副高脊线演变分析120E500hPa副高脊线79月逐日纬度演变(图1)可看出,79月副高共有4次北跳,其中3次对应陕西产生3个强降水时段。3场伴有暴雨的连阴雨,均产生于副高脊线在常年平均位置(2528N)稳定维持期,且西脊点在100 114E间活动,西脊点在104112E时产生区域性暴雨。副高首次北跳2003年6月,副高脊线维持在1518N,持续较常年同期偏南。6月30日7月6日,副高脊线首次跳到25N维持一周,副高首次北跳与常年时间一致,陕西进入多雨期。7月7日副高急剧回落到17N,8日北抬,1017日,副高脊线连续 6d稳定在常年同期25N,西脊点从115E逐日西伸到100E,对应关中陕南出现5d强连阴雨,伴有4个暴雨日,15日有14站达暴雨。陕西汛雨从此开始。副高第二次北跳7月下旬副高连续北抬,23日脊线跃过30N,并在3033N维持到8月上旬末, 多日居于常年位置以北,这是副高第二次北跳。7月底、8月初副高振荡时,关中出现6d连阴雨,陕北、关中、陕南分别有一次单站暴雨,伏天无旱。副高第三次北跳8月中旬初副高脊线由20N连续北抬,15日跃过常年位置,这是副高第三次北跳, 20日到达37N,为当年最北位置,较常年同期偏北11个纬距,之后逐日南退至常年位置27N。8月24日9月7日,副高脊线在28N附近徘徊,西脊点在104 114E进退,对应关中陕南持续15d强连阴雨,伴有暴雨日11 个。8月24日29日,关中有5个暴雨日,8月29日9月7 日,陕南有6个暴雨日,特别是8月29日陕北南部、关中、陕南共出现44站暴雨。如此大面积暴雨,历史罕见。连续性强降水,雨洪同步,引发渭河三次洪峰,造成渭河下游和陕南严重洪涝灾害。副高第三次北跳居于常年同期以北有23d(8月15日9月7日),当副高脊线在常年同期28N附近维持时造成持续暴雨。副高第四次北跳9月中旬初,副高脊线回落至常年位25N以南,14日北抬到25N以北,中旬末达30N后即回落,这是副高第四次北跳。9月25日副高脊线又达32N,较常年同期偏北9个纬距。与此对应,9月中旬末、下旬后期关中陕南分别出现4 5d连阴雨,秋淋产生,其中19日,关中、陕南27站达暴雨,导致渭河第四次洪峰。副高西脊点演变分析7月中旬、8月下旬、9月上旬500 hPa副高西脊点逐日演变(图2)可见,副高分别为连续西伸、连续东撤、连续西伸过程,西脊点主要在100110E 间活动。副高每次持续西伸、东撤经过105E,对应陕西有一次强降水过程,当副高移至105E附近时,陕西产生区域性暴雨。副高脊线逐旬变化特征2003年7、8月上、中、下旬副高脊线分别为:24N、25N、29N；30 N、28N、28N。副高脊线变化(见图3)与常年近乎一致,仅有1个纬距偏差。9月3旬副高脊线分别为29N、25N、25N,中旬与常年一致,上旬和下旬偏北2个纬距。2003年7、8、9月,副高旬脊线在2430N变化,关中陕南处于副高西北侧暖湿气流中,加之同期不断有西伯利亚冷空气东移南下,具有连阴雨的环流背景条件。宝鸡7、9月降水均较常年偏多五成,8月仅有4d无降水,月降水达241mm ,较常年偏多1倍,降水仅次于历史上1981年8月。6月各旬副高偏南偏东,宝鸡月降水较常年偏少五成。由此可见,副高是影响陕西汛期降水的最主要因素。副高月特征由表2可见,2003年7、8、9月,副高脊线与常年仅有1个纬距偏差,平均在27N,西脊点平均在106E,较常年偏西达10个经距；副高面积指数、强度指数较常年平均偏强1倍。副高偏强、位置偏西在106E,588dagpm线西北界距关中5个纬距左右,是陕西关中陕南多阴雨、暴雨频繁的重要原因,副高的位置直接影响着雨带的位置和强度。副高影响陕西产生连续暴雨的机制2003年陕西7次区域性暴雨的环流形势均为副高影响型。8月下旬连阴雨暴雨时500hPa平均高度场(图4)上,中高纬度,西伯利亚地区为东北西南向的长波脊,贝湖巴湖东侧为横槽区,40N维持西风带锋区；低纬度地区,副高异常强,呈纬向,稳定在28N,西伸达110E,陕西中南部处在分裂南下的冷空气和副高输送的暖湿气流交汇地带,当副高移动至105附近时,冷暖空气强烈作用产生暴雨。副高主要通过水汽、能量的显著变化影响陕西暴雨。 副高在105E附近活跃,利于川陕低空建立并维持偏南急流,形成水汽、不稳定能量的输送和聚集。分析108E川陕K指数时间剖面(图5)可见,7月中旬、8月下旬,与低空偏南急流维持相对应,四川陕西北部一直有K30oC的高能区建立维持；其中7月1315日、8月2429日,川陕不稳定能量增大显著,陕西中南部在K36oC的高能区内,具备暴雨天气发生的不稳定能量条件。六结论2003年陕西暴雨较常年明显偏多,出现时间和落区具有集中性和连续性的特点,暴雨主要在关中陕南,时间集中在7月中旬、8月下旬9月上旬。连续性强降水,雨洪同步。副高偏强,500hPa副高脊线多在2528N,西脊点在104112E进退,关中陕南处于副高西北侧暖湿气流中,同期西伯利亚有冷空气不断东移南下,具备陕西关中陕南多阴雨、连续暴雨的环流背景条件。连续暴雨产生于副高脊线沿2528N持续西伸、续东移经过105E时段。副高(588dagpm线)在105E附近活跃,有利于陕西暴雨天气发生的能量条件,四川陕西北部有K36oC的高能区建立维持。副高的位置直接影响着雨带的位置和强度。个人体会：做这次论文的过程中让我体会到了很多，也让我找出了自己的不足。首先，自己Fortran编程的能力还有待提高。气象业务上，基本上与编程有关的业务都离不开Fortran，在大一下学期我们就开始认真学习Fortran语言，但可能是学习方法的问题，效果一直不是很显著。最终也导致了后来各项用Fortran语言编写程序的实习的完成都不是那么地顺利，因而在利用fortran语言编程批量计算各项统计量的时候比较艰难。其次，在中国气候异常及其成因分析课程的学习上，还有所欠缺。虽然蔡老师上课的时候条理清晰，深入浅出，能够让绝大多数同学听懂，我也不例外。但对于学生自己来说，只有老师上课辛勤的劳动是不够的。自己一定要在课下勤加练习，多将理论联系实际，这样才能很好的巩固理解，真正地将所学的知识在自己的脑海中形成一个规范的体系，成为自己将来走上工作岗位上的一个重要工具。此外，在利用大三上学期所学的气象统计方法来对数据进行处理以及对气象要素的相关性进行统计检验分析的时候，体会到了这种方法的实用易懂，以后我一定会继续钻研，争取未来在气象行业上有所成就。最后，要感谢蔡晓军老师一年来对学生的辛勤的培养！参考文献： 1.气候统计及其诊断方法（ppt），蔡晓军，南京信息工程大学，2009年； 2.气象统计方法（ppt），李丽萍，南京信息工程大学，2009年； 3.湖南省汛期旱涝变化及对西太平洋副热带高压响应的分析赵福华1，李超1，唐建红2；1：湖南省气候中心 410007 2：炎陵县气象局 412500 4.副热带高压影响旱涝，魏生生，万象奥秘； 5.2003年东亚地区500hPa高空图，南京气象学院