江南地区近31a的大气环流分型及与温度场演变的关系

Classification Characteristics and Application Analysis of Synoptic Flow Patterns during 1987-2017 over the Jiangnan Region

摘要: 本文应用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法，利用1987~2017年的逐日平均海平面气压资料，计算了江南地区逐日的6个环流指数及相应的环流分类，分析了江南地区不同季节各种环流类型出现的频率及其变化特征。通过对27类逐日环流分型结果的统计分析得出：江南地区主导环流类型依次为E型、N型和AE型，其频率分别为33.15%、22.62%和13.61%，划分的环流型符合实际情况。春季江南地区主导环流为N、AN型；夏季主导环流类型较复杂，主导环流为N、CN、SE及C型；秋季和冬季主导环流均有E型与N型，但冬季AN型环流出现频率比E、N型高。通过主导环流型和江南地区气温之间变化规律的分析可知：冬季在AN型控制下，江南地区多为低温天气，夏季在CN型环流控制下，江南地区气温较高。

Abstract: In this thesis, by using the Lamb-Jenkinson atmospheric circulation classification method, the daily average sea level pressure data of 1987-2017 years are used to calculate the 6 circulation indices and analyzed the frequency and variation characteristics of different circulation types in different seasons in Jiangnan region. According to the statistical analysis of the 27 types of daily circulation, the major circulation types in the south of the Jiangnan region are E, N and AE, with the frequency of 33.15%, 22.62% and 13.61% respectively. The dominant circulations of the Jiangnan region in spring are N and AN types; the types of dominant circulation in summer are more complex, and the dominant circulation is N, CN, SE, and C types; the dominant circulations in autumn and winter are E-type and N-type, but the frequency of AN-type circulation in winter is higher than E and N types. According to the analysis of the changing rule between the dominant circulation type and the temperature in the south of the Yangtze River, under the control of the AN type, the Jiangnan region is mostly cold weather, and under the control of the CN type circulation in the summer, the temperature in the Jiangnan region is higher.

1. 引言

大气环流广义而言是指随时间和空间不断变化的大气大型过程系统。它的发展和自然界的任何过程的发展一样，经历着在过程特征和时空尺度上都彼此不同的各个阶段。众所周知，海平面气压场的变化可以表征低层大气环流的变化特征，从而影响到气温、降水、风场等气候要素的变化，因此对其特征的研究对我们认识和了解气候变化及气候异常有着非常重要的意义。同时，不同的大气环流类型对应不同的区域气候变化特征，对区域气候变化的研究常常是同大气环流的变化相联系的。一般定义能够代表大气环流特征的环流指数来解释区域气候的变化 [1] 。例如由Rossby定义的“纬向指数”已经被广泛地应用于对欧洲气候的研究。近年来，随着对行星大气遥相关类型的深入研究，又发展了许多有用的环流指数，在世界范围内广泛的应用于区域气候的研究 [2] 。我国的气象研究者在大气环流分型方面也开展了一些工作，黄荣辉等研究了东亚–太平洋遥相关环流型对中国夏季气候的影响。国家气候中心计算提供了74个环流指数，这些指数在我国的短期气候预测工作中起了重要作用，之后贾丽伟等 [3] 对东北地区月平均大气环流型与哈尔滨气候关系作了初步的研究，马占良 [4] 对青海省进行了大气环流分型及特点分析。可见研究不同大气环流型与区域气候变化的关系可以解释区域气候变化的成因，同时也可以为不同时间尺度的气候预测提供参考依据。

大气环流分型方法主要有主观和客观两种 [5] 。主观分型方法主要依靠人的经验，例如俄罗斯气象学家王根盖姆和吉尔斯根据分析整个北半球中高纬度环流特征，提出的天气学分型体系，将北半球大气环流分为：W型、E型和C型。该方法具有较强的主观性，不利于推广应用。客观分型方法是以EOF和PCA为代表的向量分析方法 [6] ，需要利用数学公式进行统计计算，因此极其依靠原始资料，具有局限性。Lamb-Jenkinson大气环流分型方法是一种将主观和客观相结合的分型方法。Lamb-Jenkinson分型方法由Lamb提出，后经过Jenkinson等的发展成为一种比较成熟的环流分型方法 [3] 。利用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法可以针对局地环流的客观数值描述，并从天气气候学角度来研究局地环流及其气候变化的联系，这种方法计算量小，且其分型结果具有明显的天气学意义，因此Lamb-Jenkinson分型方法得到了广泛的应用 [1] 。

本文采用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法，以(28.5˚N, 115˚E)为中心点，在18.5˚N~38.5˚N，100˚E~130˚E的范围内，对以江南地区为中心区域的日平均海平面气压进行环流分型，来研究江南地区的大气环流变化规律，以及主要环流型与江南地区气温之间的关系。

2. 资料和方法

2.1. 资料

本文研究所用资料为美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球分辨率为2.5˚ × 2.5˚ (经纬度) 1987~2017年逐日平均海平面气压资料、地面温度再分析格点资料。

2.2. 方法

江南地区位于长江中下游以南，南岭以北；包含湖北、湖南、江西、浙江(北部)、安徽、江苏、上海、和福建北部(从南岭向东延伸)等地区。本文以(27.5˚N, 115˚E)为中心点，在17.5˚N~37.5˚N，100˚E~130˚E的范围内，每隔10个经度，5个纬度的网格点上取16个点(图1)，范围覆盖了江南地区，对以江南地区为中心区域的日平均海平面气压进行环流分型。

利用所选区域的16个格点的海平面气压，通过中央差分的计算方法，得到以下6个环流指数：

$\begin{array}{l}u=0.5\left[P\left(12\right)+P\left(13\right)-P\left(4\right)-P\left(5\right)\right]\\ v=\frac{1}{\cos \alpha }\times \frac{1}{4}\left(P\left(5\right)+2P\left(9\right)+P\left(13\right)-P\left(4\right)-2P\left(8\right)-P\left(12\right)\right)\\ V=\sqrt{u^2+v^2}\\ {\xi }_u=-\frac{\partial u}{\partial y}=\frac{\sin \alpha }{\sin {\alpha }_1}\times \frac{1}{2}\left[P\left(15\right)+P\left(16\right)-P\left(8\right)-P\left(9\right)\right]-\frac{\sin \alpha }{\sin {\alpha }_2}\\ \times \frac{1}{2}\left[P\left(8\right)+P\left(9\right)-P\left(1\right)-P\left(2\right)\right]\\ {\xi }_v=\frac{\partial v}{\partial x}=\frac{1}{2{\cos }^2\alpha }\times \frac{1}{4}[P\left(6\right)+2P\left(10\right)+P\left(14\right)-P\left(5\right)-2P\left(9\right)\\ -P\left(13\right)+P\left(3\right)+2P\left(7\right)+P\left(11\right)-P\left(4\right)-2P\left(8\right)-P\left(12\right)]\\ \xi ={\xi }_u+{\xi }_v\end{array}$

上式中 $P\left(n\right)\left(n=1,2,\cdots ,16\right)$ 是第n个格点上的海平面气压值，α、α₁和α₂分别是中心点C、A1和A2点的纬度值，V是地转风，u，v分别是地转风的纬向和经向分量， $\xi$ 是地转涡度， ${\xi }_u$ 是地转涡度厄经向梯度， ${\xi }_v$ 是地转涡度的纬向梯度。以中心点所在纬度为参考系，6个环流指数的单位为hPa/(10˚lon)。在计算出u,v之后，由下列公式可确定地转风风向：

$\{\begin{array}{l}v<0,\alpha =\arctan \left(u/v\right)\hfill \\ v>0,\alpha =\arctan \left(u/v\right)+180\hfill \end{array}$

根据地转风风速、风向及涡度值将环流型划分为平直气流型、旋转型和混合型三大类。我们定义当

Figure 1. Selected 16 grid points for circulation type classification

图1. 划分环流类型时16个格点位置的选取

$$ 时，为平直气流型(N, NE, E, SE, S, SW, W, NW)；当 $\left|\xi \right|\ge \text{2}V$ 时，为旋转型(气旋性A或反气旋性C)；当 $V<\left|\xi \right|<2V$ 时，为混合型(平直气流型和混合型的结合)；当 $V<6$ 并且 $\left|\xi \right|<6$ 时，则为无定义型 [1] 。这样，可以得到27种不同的环流类型，如表1。

3. 环流类型频率特征

利用上述方法对1987年1月至2017年12月的环流类型进行划分，得出江南地区27种环流类型频率分布(图2)。由图2可知，江南地区的主导环流类型依次为E型、N型和AN型，这三种类型出现频率之和达69.4%，同时CN型和SE型所占比例也较高，分别为10.4%和10.6%，C型占比为6.2%，其余21种环流型出现频率均在3%以内,也就是说明可以用出现频率高的几种类型代表江南地区的大气环流形势。因此，控制江南地区的主导环流型为N型、E型、AN型、SE型和CN型。

图3为1987~2017年江南地区主要环流型N型、E型、AN型、SE型和CN型出现频率的逐年变化及其5阶多项式拟合曲线。由图3可以看出：AN型与N型、CN型、SE型年变化呈反位相关系，相关系数分别为−0.36、−0.004和−0.16；E型与N型年变化也成反位相关系，相关系数为−0.42；CN与SE环流型呈负相关关系，相关系数为−0.14，与N型环流呈正相关关系，相关系数极小，接近于0。1987~2017年江南地区N型环流所占比例占据绝对的主要地位；E型环流仅次其后，个别年份(1998年和2011年)E型环流有超过N型；AN型、SE型、CN型三者占比不相上下，但都基本稳定于5%~20%之间，AN型在2011年频率达到最大(21%)。由拟合曲线可以看出E型和SE型环流的趋势相对而言比较平稳，N型、AN型与CN型有小的波动，且N型与AN型呈负相关关系。

4. 环流类型的变化特征

4.1. 环流类型的逐月变化

表2为1987~2017年江南地区各月环流类型的平均频率。由表2可以看出，E型主要出现在9~12月，W型环流主要出现在5~8月，SW型环流主要出现在4~7月，S型主要出现在4~5月，A型环流主要出现在2~4月，C型环流和CN型环流在夏季的频率明显高于其他季节，AN型环流类型在冬季频率最高，SE型和N型环流每月均有影响江南地区。此外，夏季江南地区的环流类型频率超15%的较多，主导环

Table 1. Lamb-Jenkinson circulation type classification scheme

表1. Lamb-Jenkinson环流分型表

注：N，NE，E，SE，S，SW，W，NW代表气流方向。ξ > 2V高压或低压环流，ξ > 0气旋环流(C)，ξ < 0反气旋环流(A)。ξ < V纯流场，α > 337.5 or α < 22.5北风(N)，22.5 < α < 67.5东北风(NE)，67.5 < α < 112.5东风(E)，112.5 < α < 157.5东南风(SE)，157.5 < α < 202.5南风(S)，202.5 < α < 247.5西南风(SW)，247.5 < α < 292.5西风(W)，292.5 < α < 337.5西北风(NW)；V < ξ < 2V混合型，ξ > 0 气旋环流配合流场，α > 337.5 or α < 22.5气旋环流配合北风(CN)，22.5 < α < 67.5气旋环流配合东北风(CNE)，67.5 < α < 112.5气旋环流配合东风(CE)，112.5 < α < 157.5气旋环流配合东南风(CSE)，157.5 < α < 202.5气旋环流配合南风(CS)，202.5 < α < 247.5气旋环流配合西南风(CSW)，247.5 < α < 292.5气旋环流配合西风(CW)，292.5 < α < 337.5气旋环流配合西北风(CNW)；ξ > 0反气旋环流配合流场，α > 337.5 or α < 22.5反气旋环流配合北风(AN)，22.5 < α < 67.5反气旋环流配合东北风(ANE)，67.5 < α < 112.5反气旋环流配合东风(AE)，112.5 < α < 157.5反气旋环流配合东南风(ASE)，157.5 < α < 202.5反气旋环流配合南风(AS)，202.5 < α < 247.5反气旋环流配合西南风(ASW)，247.5 < α < 292.5反气旋环流配合西风(AW)，292.5 < α < 337.5反气旋环流配合西北风(ANW)。

Table 2. Frequency distribution of circulation type during 1987-2017 over the Jiangnan Region

表2. 1987~2017年各环流类型出现频率(%)的逐月变化

注：标黑字体代表频率超过15%。

流类型较复杂，W、SW、C和CN型频率都较高。

4.2. 主要环流频率的季节变化

为了更直观得了解环流类型的季节变化特点，找出主要环流类型的季节变化规律，图4得到了五种主要环流类型的季节变化。由图可见，E型、N型、CN型与AN型季节变化较剧烈，SE型的季节变化较小，在各月平均值附近变化。此外，AN型绝大多数发生在冬季(12月份至次年1、2月份)，夏季出现频率基本为0；CN、SE型主要发生在夏季(6、7、8月份)，冬季出现频率极低，因此AN型与SE、CN型呈现出明显的反相关性；除了在夏季出现频率较低，N型在其他季节出现频率均较高，是影响江南地

Figure 2. Frequencies distribution of circulation types during 1987-2017 over the Jiangnan Region

图2. 1987~2017年江南地区环流类型频率分布

Figure 3. Variations of the annual frequencies of circulation types N, E, AN, SE and CN during 1987-2017 over the Jiangnan Region

图3. 1987~2017年江南地区N型、E型、AN型、SE型和CN型环流频率变化

区最多的环流型；E型在秋冬季节(9、10、11、12月至次年1月份)出现频率较高，与SE、CN型呈明显的反相关性。

1987~2017年江南地区各季节主导环流出现频率的逐年变化如图4所示。春季主导类型为AN型与N型(图5(a))，1987~2017年春季AN型环流频率平均值为22.0%，N型为42.6%；1988年AN型频率最高(36.7%)，频率最低值(6.7%)出现在2002年，1990年N型频率最高(52.8%)，频率最低值(28.1%)出现在2011年；AN型与N型环流频率之间为负相关。AN型环流的年际变化大于N型。

夏季主导类型为N型、CN型、SE型与C型(图5(b))，1987~2017年夏季N型环流频率平均值为28.7%，CN型为25.7%，SE型为14.3%，C型为15.2%；2012年N型频率最高(46.7%)，频率最低值(15.2%)出现在2011年，1997和2011年CN型频率最高(35.9%)，频率最低值(16.3%)出现在1987年，1991年SE型频率最高(28.3%)，频率最低值(5.4%)出现在2014年，2009年C型频率最高(25.0%)，频率最低值(4.3%)出现在1989年；N型与CN型所占比例大大超过SE型与C型；N型与CN型呈负相关，SE型与C型也

Figure 4. Seasonal variation of the frequency distribution for 5 major types during 1987-2017 over the Jiangnan Region

图4. 1987~2017年江南地区5种主导环流类型出现频率的逐月变化

Figure 5. Yearly frequency of dominant circulation types for each season ((a) spring, (b) summer, (c) autumn and (d) winter)

图5. 各季节主导环流型出现频率的逐年变化

呈负相关关系。

秋季主导类型为N型与E型(图5(c))，1987~2017年秋季N型环流频率平均值为31.7%，E型为33.2%；2014年N型频率最高(47.8%)，频率最低值(17.4%)出现在1991年，2012年E型频率最高(46.7%)，频率最低值(18.5%)出现在2011年；二者变化呈反位相关系。

冬季主导类型为AN型、N型与E型(图5(d))，1987~2017年冬季AN型环流频率平均值为25.7%，N型为29.7%，E型为33.9%；2011年AN型频率最高(45.7%)，频率最低值(10.9%)出现在1998和1999年，1990年N型频率最高(44.6%)，频率最低值(18.5%)出现在2011年，1998年E型频率最高(48.9%)，频率最低值(21.7%)出现在2015年；AN型年际变化较大，N型与E型年际变化相似。

4.3. 主要环流频率的年代际变化

为了得到江南地区气候变化与环流类型的相关程度，1987~2017年江南地区5种主要环流类型频率的年代际变化如图6所示。各主导环流的年代际变化趋势均不明显，表明近几十年江南地区大气环流类型较稳定。

4.4. 环流因子地转风V的变化特征

图7为1~12月份环流因子地转风V的变化特征。在4、5、6月份(春末夏初)，环流因子V的年际变化较小，与平均值相差很小，整体趋势比较稳定。在7月(夏季)、12月(冬季)中，2010~2014年间地转风均出现明显的增强趋势。此外，在1、2、3、8、9、10、11月份，地转风V的年际变化较大，但多年来增强或减弱不明显，在各月平均值附近振荡。

5. 主要环流型与气温的关系

将五种主要环流型CN、AN、N、E、SE过程的海平面气压距平分布场(见图8(a)~(e))、平均温度合成场(见图9(a)~(e))与多年平均气温变化情况(图10)，可以看到海平面气压距平场基本是呈南北向分布的，在AN型与E型环流控制下，江南地区为气压正距平区，CN型与SE型环流控制时江南地区为气压负距平区，且距平值较大，达负8毫巴。因此江南地区，冬季(主导环流为AN型)气压正距平占优势，夏季(主导环流为CN型、SE型)气压负距平占优势。主要气压距平中心的数值在夏季(−8毫巴)比冬季(6.8毫巴)大。

通过比较图9(a)~(e)可看出，在E型与N型，江南地区多年平均气温分布范围较相近，均在12~18摄氏度之间；在CN型控制下，江南地区多年平均气温在20摄氏度以上；AN型环流下气温则相对偏低，在6~12摄氏度之间；SE型环流下气温在16˚C~22˚C之间。

由温度背景的形成中图10可以看出，AN型气温在1987年有突然降低的趋势，在其后时间都保持较稳定的波动；CN型气温在1987年有突然增强的趋势，随后在2001~2003年间出现降低的情况，其余阶段平均值均在21˚C上下波动；E型和N型气温变化区间均在14˚C~18˚C，由图上可以看出它们呈反相位

Figure 6. Frequency changes of dominant circulation types during 1987-2017

图6. 1987~2017年主要环流类型频率的年代际变化

Figure 7. The changing characteristics of the Geostrophic Wind during January to December

图7. 1~12月份(a)~(l)环流因子地转风V的变化(单位：hPa/10˚)

变化；SE型气温是五种主要环流型中年变化最剧烈的，由于SE型主要出现在夏季，而夏季江南地区处于副热带高压和亚热带低压之间，同时受着两者的影响，环流型较复杂，变化因素较大，故温度变化较明显。

图11给出了江南地区主要环流型合成的海平面气压场，江南地区春季主要受N型与E型控制，如图11(a)、图11(b)；夏季江南地区处于亚州热低压和西太副高之间且同时受两者的影响，图11(c)、图11(d)分别为江南地区为C型与SE型环流控制，由图(c)可以看出江南地区处于亚热带低压与副热带高压之间，同时受两者影响，图(d)可以看出，副热带高压西伸明显，江南大部分地区为副高控制，气温较高；秋季江南地区主导环流为CN型，如图11(e)，可以看出江南地区处在一个气旋性环流背景下；冬季我国主要

Figure 8. Sea level pressure anomalies of major circulation types during 1987-2017 over the Jiangnan Region

图8. 主要环流类型海平面气压距平场

受蒙古高压的影响，此时西太副高较弱，江南地区主要受大陆冷高压控制，图11(f)可以看出江南地区处在一个大的反气旋环流背景下。通过比较11(e)~(f)发现，秋季气旋活动中心位置较冬季的更偏西，主要

Figure 9. Mean air temperature patterns of major circulation types during 1987-2017 over the Jiangnan Region

图9. 主要环流型多年平均温度合成场

原因是秋季副高还未完全从大陆退去，气旋多沿副高边缘移动，所以冬季副高退至海面，冬季气旋活动位置较秋季更偏东。

Figure 10. The changing characteristics of the mean air temperature of major circulation types during 1987-2017

图10.主要环流型多年平均气温变化曲线

Figure 11. Mean sea level pressure patterns of dominant circulation types over the Jiangnan Region

图11. 江南地区主要环流型合成的海平面气压场。(a) 春季E型；(b) 春季N型；(c) 夏季C型；(d) 夏季SE型；(e) 秋季CN型；(f) 冬季AN型

6. 结论

1) 用Lamb法划分的环流类型尽管有27种之多，但是绝大多数环流类型出现频率低于3%，NW、NE、CSE、C、CSW、CW、CNW、AN、ANE、ASE、AS、ASW、AW、ANW、UD等15种环流类型从未出现过，S、SW、W、A出现频率较小，C型只是偶尔出现，N、E、CN、SE、AN这5种类型出现频率较高。

2) 各种环流类型的月际变化也各不相同，在1~12月中，E型、N型和SE型常年出现，在10~11月，E型出现的频率已超过15%。C型环流和CN型环流主要出现在夏季，AN型环流类型在冬季频率最高，AN型与C型、CN型呈反相关变化。

3) 对于环流因子地转风而言，在4、5、6月份(春末夏初)，环流因子V的年际变化较小，与平均值相差很小，整体趋势比较稳定。在1、2、3、8、9、10、11月份，地转风V的年际变化较大，但多年来增强或减弱不明显，在各月平均值附近振荡。

4) 春季受E型与N型环流控制，江南地区受北方冷空气影响较大，季平均气温在12~18摄氏度之间；夏季江南地区主要环流型复杂多变，表现为C、SE、CN、N型交替控制，平均季气温在20摄氏度以上，天气变化较大；秋季主要受E型、CN型等环流控制，季平均气温在12~18摄氏度之间；江南地区冬季在AN型环流控制下，江南地区多位低温、晴好天气。