气温增暖与趋冷变化阶段江淮汛期气旋气候特征对比研究

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.02.0160

地球科学进展 ›› 2017, Vol. 32 ›› Issue (2): 160 -173. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2017.02.0160

王坚红 ¹(

), 丁晓敏 ¹, 薛峰 ², 苗春生 ¹

1.南京信息工程大学, 气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室,江苏南京 210044
2.中国气象局国家气象中心, 北京 100081

收稿日期:2016-10-30 修回日期:2016-12-20 出版日期:2017-02-20
基金资助:
国家自然科学基金面上项目“海洋中尺度涡旋动力结构与维持机制研究”(编号:41276033);江苏省科技支撑项目“基于耦合数值模式的江苏海洋综合要素预报预警技术研究与应用”(编号:BE2014729)资助

A Comparative Research on Climatic Characteristics of Jianghuai Cyclones in Rainfall Season between Warming and Cooling Stages

Jianhong Wang ¹( ), Xiaomin Ding ¹, Feng Xue ², Chunsheng Miao ¹

1.Nanjing University of Information Science & Technology, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing 210044, China
2.National Meteorological Center of China Meteorological Administration, Beijing 100081, China

Received:2016-10-30 Revised:2016-12-20 Online:2017-02-20 Published:2017-02-20
About author:
First author:Wang Jianhong(1956-), female, Shanghai City, Professor. Research areas include atmospheric and oceanographic dynamics.E-mail:1597706505@qq.com
Supported by:
Project supported by the National Natural Science Foundation of China “ The dynamic structures and maintaining mechanisms of oceanic meso-scale eddies” (No.41276033);The Jiangsu Provincial Science & Technology Supporting Program “ Research and application of the forecast and warning techniques on Jiangsu oceanic elements based on the coupling numerical models ” (No.BE2014729)

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对1948—2014年67年的江淮地区5~7月气温序列,利用EOF、功率谱和非线性映射法进行气候阶段客观划分,可分为3个时长近似的气候阶段:气温趋势下降阶段(1948—1970年)、气温趋势上升阶段(1971—1994年)和气温趋势缓升阶段(1995—2014年),它们的气候特征可用特定气温指数定量表达。其次,对各阶段江淮气旋统计特征与各阶段气温变化趋势进行对比, 结果显示,气旋年平均发生频数,生命期大于48 h的气旋,各类气旋数量 (深厚型,浅薄型和底层型),以及气旋路径(纬向型,经向型和打转型)的特征演变,均有明显响应阶段性气温变化的表现,阶段气温的趋冷抑制江淮气旋的活动,而阶段气温的增暖促进了气旋的发展、维持与活跃,并引导气旋位置的北进。对气旋结构特征的合成分析显示, 在气旋结构中的气旋中心强度、温度梯度、气旋急流最大风速, 气旋水汽通量通道的强度、长度、位置以及表征气旋斜压性的气旋冷暖气团的强度、厚度和北进南退位置等特征的演变, 均与阶段内环境气温的趋冷、增暖、缓升相对应。这些结果清晰显示在环境气温下降趋冷阶段,气温变化减弱了气旋的结构强度, 抑制了气旋的活跃性, 在环境气温增温和缓升阶段,气温变化加强了气旋结构的稳定成长与增强,并维持了气旋的活跃性。

关键词: 气温阶段划分, 趋冷与增暖, 江淮气旋, 统计特征与合成结构, 气温演变影响

By EOF, Power spectrum and nonlinear mapping methods, the temperature time series of May to July in Jianghuai river basins from 1948-2014 (67 years) were objectively divided into several climate stages. The time series were divided into three climate stages with similar lengths: the stage with its air temperature trend going downwards stage (1948-1970); the stage with its air temperature trend going upwards (1971-1994) and the stage with its air temperature trend going gentle upwards (1995-2014). Their climate characteristics can be quantified by a special climate index. Then, the statistic characteristics of Jianghuai cyclones in the three climate stages were compared with the cooling or warming trends. The results showed that characteristic evolutions of the frequency of yearly average of Jianhuai cyclones, the cyclones with their life cycles in the area longer than 48h, the cyclones with three types of thickness, shallow and bottom shapes classified according to the cyclone height, the cyclones with three kinds of zonal, meridional, and circular trajectory, responded to the temperature changing trends in the three climate stages. The cooling trends of the stage temperature restrained the activity of Jianghuai cyclones, and the warming trends of the stage temperature promoted the cyclone’s development, maintaining, activity, and also led cyclone moving towards to north further. The composite analysis of cyclone structures showed that the evolution characteristics in the center intensity, temperature grads, the maxima velocity of jet of the cyclones, and the intensity, length and position of the vapor flux passage of the Jianghuai cyclones, also the intensity, thickness, the positions of the warm and cold air masses within the cyclones, all responded to the trend change of stage temperature including cooling, warming and gentle warming. The results show clearly that temperature cooling reduces the intensity of cyclone structures and restrains the activity of cyclones in the temperatures trend down stage. The temperature warming enhances the stable development and strengthening of cyclone structure,and maintains the activity of cyclones in the temperature warming stages.

Key words: Division of climate stages, Cooling and warming, Jianghuai cyclones, Statistic characteristics and composite structures, Temperature evolution influence.

中图分类号:

P423

图1 江淮流域区域范围

Fig.1 Area of Jianghuai river basins

图2 1948—2014年5~7月月平均气温及EOF时空分布
(a) 时间序列(第1,2模态);(b)区域平均气温序列;(c),(d)EOF空间模态(第1,2模态)

Fig.2 The monthly temperature series and EOF spatial and temporal modes from May to July in 1948 to 2014
(a) EOF time series (EOF1 and EOF2);(b) The reginal average air temperature series; (c),(d)EOF spatial modes (EOF1 and EOF2)

图3 1948—2014年EOF1和EOF2时间序列的功率谱

Fig.3 Power spectrum of time series of EOF1 and EOF2 from 1948 to 2014

表1 阶段长度分类列表及拟合曲线2项式系数 a

Table 1 Stage length classification list and fitting curve 2-item coefficient a

阶段1 年数	阶段2 年数	阶段3 年数	2项式系数a
20	23	24	0.0137	-0.0018	-0.0028
20	24	23	0.0137	-0.002	-0.0026
21	22	24	0.0112	-0.0025	-0.0028
	23	23		-0.0026	-0.0026
	24	22		-0.0026	-0.0021
22	21	24	0.0091	-0.0028	-0.0028
	22	23		-0.0029	-0.0026
	23	22		-0.0028	-0.0021
	24	21		-0.0033	0.0002
23	20	24	0.0072	-0.002	-0.0028
	21	23		-0.0022	-0.0026
	22	22		-0.0022	-0.0021
	23	21		-0.0028	0.0002
	24	20		4.7×10^-5	-0.0029
24	20	23	0.0076	-0.0046	-0.0026
	21	22		-0.0042	-0.0021
	22	21		-0.0047	0.0002
	23	20		-0.0012	-0.0029

表1 阶段长度分类列表及拟合曲线2项式系数 a

Table 1 Stage length classification list and fitting curve 2-item coefficient a

阶段1 年数	阶段2 年数	阶段3 年数	2项式系数a
20	23	24	0.0137	-0.0018	-0.0028
20	24	23	0.0137	-0.002	-0.0026
21	22	24	0.0112	-0.0025	-0.0028
	23	23		-0.0026	-0.0026
	24	22		-0.0026	-0.0021
22	21	24	0.0091	-0.0028	-0.0028
	22	23		-0.0029	-0.0026
	23	22		-0.0028	-0.0021
	24	21		-0.0033	0.0002
23	20	24	0.0072	-0.002	-0.0028
	21	23		-0.0022	-0.0026
	22	22		-0.0022	-0.0021
	23	21		-0.0028	0.0002
	24	20		4.7×10^-5	-0.0029
24	20	23	0.0076	-0.0046	-0.0026
	21	22		-0.0042	-0.0021
	22	21		-0.0047	0.0002
	23	20		-0.0012	-0.0029

图4 各气候阶段5~7月平均气温序列

Fig.4 The mean temperature series from May to July in each climate stage

表2 气温变化阶段指数列表

Table 2 Temperature trend stage index list

1 000 hPa气温	1948—1970年	1971—1994年	1995—2014年
变化倾向	-1.63	0.77	0.59
变化幅度	2.43	2.3	1.28
变化速率	0.63	0.65	0.56
气温变化阶段指数TI	-2.5	1.15	0.42

表2 气温变化阶段指数列表

Table 2 Temperature trend stage index list

1 000 hPa气温	1948—1970年	1971—1994年	1995—2014年
变化倾向	-1.63	0.77	0.59
变化幅度	2.43	2.3	1.28
变化速率	0.63	0.65	0.56
气温变化阶段指数TI	-2.5	1.15	0.42

图5 3个阶段5~7月平均气温的EOF1(1 000 hPa)空间分布

Fig.5 EOF1 of seasonal(5~7 month) average temperature of in three stages(1 000 hPa)

图6 3个阶段内次级阶段的平均气温对比

Fig.6 Mean temperature features in secondary stages in three climate stages

表3 不同气温变化阶段气旋发生频数对比

Table 3 Comparison of cyclone frequencies in different temperature trend Stages

气候阶段/气旋频数	1948—1970年	1971—1994年	1995—2014年
气旋发生总频数	181	303	267
气旋发生频数年平均	7.9	12.6	13.4

表3 不同气温变化阶段气旋发生频数对比

Table 3 Comparison of cyclone frequencies in different temperature trend Stages

气候阶段/气旋频数	1948—1970年	1971—1994年	1995—2014年
气旋发生总频数	181	303	267
气旋发生频数年平均	7.9	12.6	13.4

表4 不同气温变化阶段各个细分阶段气旋发生频数对比

Table 4 Comparison of cyclone frequencies at different secondary stages in different temperature trend stages

气温阶段	1948—1970年		1971—1994年		1995—2014年
气温阶段细分	12年	11年	12年	12年	10年	10年
气旋发生总数	94	87	145	158	133	134
气旋发生年平均	7.8	7.9	12.1	13.2	13.3	13.4

表4 不同气温变化阶段各个细分阶段气旋发生频数对比

Table 4 Comparison of cyclone frequencies at different secondary stages in different temperature trend stages

气温阶段	1948—1970年		1971—1994年		1995—2014年
气温阶段细分	12年	11年	12年	12年	10年	10年
气旋发生总数	94	87	145	158	133	134
气旋发生年平均	7.8	7.9	12.1	13.2	13.3	13.4

表5 各气温变化阶段区域内气旋生命史百分比分布表

Table 5 Percentage distribution of cyclone life cycle in different temperature trend stages

	1948—1970年	1971—1994年	1995—2014年
12~48 h	95.03%	93.40%	90.64%
>48 h	4.97%	6.60%	9.36%

表5 各气温变化阶段区域内气旋生命史百分比分布表

Table 5 Percentage distribution of cyclone life cycle in different temperature trend stages

	1948—1970年	1971—1994年	1995—2014年
12~48 h	95.03%	93.40%	90.64%
>48 h	4.97%	6.60%	9.36%

表6 3个阶段内次级阶段的生命史统计

Table 6 Cyclone life cycle statistics of secondary stage in three stages

年平均 (生命史)	1948—1970年		1971—1994年			1995—2014年
年平均 (生命史)	阶段1 (12年)		阶段2 (11年)		阶段1 (12年)		阶段2 (12年)	阶段1 (10年)	阶段2 (10年)
12~48 h	7.17	7.73	11.25	12.33		12.20	12.00
>48 h	0.67	0.18	0.83	0.83		1.10	1.40

表6 3个阶段内次级阶段的生命史统计

Table 6 Cyclone life cycle statistics of secondary stage in three stages

年平均 (生命史)	1948—1970年		1971—1994年			1995—2014年
年平均 (生命史)	阶段1 (12年)		阶段2 (11年)		阶段1 (12年)		阶段2 (12年)	阶段1 (10年)	阶段2 (10年)
12~48 h	7.17	7.73	11.25	12.33		12.20	12.00
>48 h	0.67	0.18	0.83	0.83		1.10	1.40

表7 3个阶段内次级阶段的浅薄型气旋统计

Table 7 The shallow-type cyclone statistics of the secondary stage in the three temperature trend stages

气温阶段细分	1948—1970年		1971—1994年			1995—2014年
气温阶段细分	12年		11年		12年		12年	10年	10年
浅薄型气旋发生总数	57	50	89	106		78	86
浅薄型气旋发生年平均	4.8	4.5	7.4	8.8		7.8	8.6

表7 3个阶段内次级阶段的浅薄型气旋统计

Table 7 The shallow-type cyclone statistics of the secondary stage in the three temperature trend stages

气温阶段细分	1948—1970年		1971—1994年			1995—2014年
气温阶段细分	12年		11年		12年		12年	10年	10年
浅薄型气旋发生总数	57	50	89	106		78	86
浅薄型气旋发生年平均	4.8	4.5	7.4	8.8		7.8	8.6

图7 江淮气旋路径类别图
(a)纬向路径;(b)经向路径;(c)打转路径

Fig.7 Classification of cyclone paths
(a) Zonal path; (b) Meridional path; (c) Rotation path

表8 3类路径江淮气旋在3个阶段中的数量统计

Table 8 The statistics on three types of cyclone paths in three temperature stages

路径类型	1948—1970年	1971—1994年	1995—2014年	合计
打转	45	74	69	188
纬向	64	127	94	285
经向	17	32	39	88
路径不明^*	55	70	65	190
合计	181	303	267	751

表8 3类路径江淮气旋在3个阶段中的数量统计

Table 8 The statistics on three types of cyclone paths in three temperature stages

路径类型	1948—1970年	1971—1994年	1995—2014年	合计
打转	45	74	69	188
纬向	64	127	94	285
经向	17	32	39	88
路径不明^*	55	70	65	190
合计	181	303	267	751

表9 3个阶段内次级阶段的气旋路径最北点年平均统计 ^*

Table 9 Statistics of the farthest north point of the cyclone path in the three stages

主阶段	1948—1970年		1971—1994年		1995—2014年
次阶段时段年数	阶段1 (12)	阶段2 (11)	阶段1 (12)	阶段2 (12)	阶段1 (10)	阶段2 (10)
(Z+S)	1.75	3.00	3.75	4.33	3.50	4.40
N	3.25	3.00	5.17	6.17	6.80	5.50
N/(Z+S)	1.86	1.00	1.38	1.42	1.94	1.25
N/阶段总数	0.65	0.50	0.58	0.59	0.66	0.56

表9 3个阶段内次级阶段的气旋路径最北点年平均统计 ^*

Table 9 Statistics of the farthest north point of the cyclone path in the three stages

主阶段	1948—1970年		1971—1994年		1995—2014年
次阶段时段年数	阶段1 (12)	阶段2 (11)	阶段1 (12)	阶段2 (12)	阶段1 (10)	阶段2 (10)
(Z+S)	1.75	3.00	3.75	4.33	3.50	4.40
N	3.25	3.00	5.17	6.17	6.80	5.50
N/(Z+S)	1.86	1.00	1.38	1.42	1.94	1.25
N/阶段总数	0.65	0.50	0.58	0.59	0.66	0.56

图8 次级阶段内QBX气旋温度、位势高度和风场合成图(850 hPa)
阴影为风速,单位:m/s;黑色实线为位势高度,单位:gpm;红色虚线为气温,单位:℃

Fig.8 The composite graph of QBX cyclone’s air temperature、potential height and wind speed in the secondary stage (850 hPa)
The shadow is the wind speed, unit: m/s; The black solid line is the potential height, unit: gpm; The red dotted line is the air temperature, unit:℃

图9 次级阶段内QBX气旋水汽通量合成图(850 hPa)
图中阴影为水汽通量,单位:g/(hPa·m·s);黑色矢量箭头为水汽通道,单位:m/s;粗矢量箭头表征水汽输送强轴

Fig.9 The composite graph of QBX cyclone’s water vapor flux in the secondary stage (850 hPa)
Shadow is for water vapor flux,unit: g/(hPa·m·s);Black vector arrow is for water vapor channel,unit:m/s; Bold vector arrow is for the largest water vapor channel,unit:m/s

图10 次级阶段内QBX气旋温度纬向偏差垂直剖面图
图中阴影为温度纬向偏差,单位:℃

Fig.10 The vertical profile of air temperature zonal mean deviation in the secondary stages
Shadow and line are all for air temperature zonal mean deviation,unit:℃

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