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1、第 1 页 共 10 页 气候动力因子对中国地区高中云量变化的影响研究 李 莹1赵春生1丁守国21 暴雨与旱涝灾害教育部重点实验室北京大学物理学院大气科学系北京1 0 0 8 7 1 2 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京 1 0 0 0 2 9 摘 要 云在天气和气候变化研究中起着非常重要的作用云的研究越来越受到关注而云量作为描述云的宏观变化的因子在气候模式的研究中是个非常重要的参数本文利用国际卫星云气候研究计划I n t e r n a t i o n a l S a t e l l i t e C l o u d C l i m a t o l o
2、g y P r o j e c t I S C C P 最新的 D 2 资料集的云量资料分析得到中国地区云量的分布特征和变化特征及云量变化的气候原因分五个分区做的云量与 1 3 个气候因子的相关分析回归分析采用逐步回归的方法得到南部地区和北部地区不同类型云量的回归方程并将回归方程得到计算结果与实际观测结果做了比较同时做了偏相关分析主要的分析结果是中国南北地区云量与极涡正相关与西太平洋副高负相关以及与全球距平温度负相关 关键词I S C C P , 气候因子相关分析回归分析 1 引 言 云在地球气候系统的辐射能量收支和水分循环过程中起着重要的作用 并影响长短波辐射在大气中的传输云参数的任何变化都
3、可能对全球气候产生重大影响云量和温度降水一样是一个重要的天气和气候参数云的形成演变及其在全球的分布是动力过程热力过程和微物理过程相互作的的结果一直以来对云量分布气候特征的研究有很多其中多是基于地面观测的云资料 1 - 1 0 例如钱正安等1 9 8 4 对青藏高原地区云分布的研究 K a r l a n d S t e u r e r ( 1 9 9 0 ) 对欧洲美国加拿大和澳大利亚等地区云量的研究 1 1 S u n a n d G r o i s m a n ( 2 0 0 0 ) 对前苏联地区云量的研究K a i s e r 1 9 9 8 , 2 0 0 0 ) 对中国地区云量的研究
4、N e f f ( 1 9 9 9 ) 对南极地区云量的研究等等这些研究大都是讨论各个不同区域云量分布或变化但对云的动力方面研究较少云的动力过程与天气气候系统有着极为密切的关系本文将主要从气候动力方面来探讨云量与气候因子的关系 此外 之前对云量的研究所用的资料大多是地基观测资料 这些研究所选的时间区间各不相同 相互间的可比性较差 卫星总云量和地面总云量的全国分布形势虽然大致相同, 但卫星总云量图所反映的总云量宏观形势与大气环流及大尺度地形和下垫面背景配合更好, 且等值线均匀 平滑, 较少受局地因素影响. 因此, 卫星总云量更适于揭露大范围地区的云气候特征, 而地面总云量资料则有利于较真实地反映
5、局地云气候特征. 另外地基观测的区域代表性并不是很理想地基测站在全球的分布也很不均匀特别是海洋上的云量资料很少利用整合的卫星观测资料研究全球云量分布及变化可以弥补地基资料的上述不足 其中国际卫星云气候学计划I S C C P 的云气候资料集是目前最新的全球云气候资料 资助课题国家自然科学基金项目 40005001 第 2 页 共 10 页 集 对研究与云相关的气候问题具有重要价值 所以利用 I S C C P 资料寻找一种与云量相关较好 且具有大尺度影响的气候因子 对于预测未来区域及全球云量变化有着重大的实际应用价值 本文根据 I S C C P 最新的 D 2 云气候资料集得到中国各个区域的
6、总云量高云量中云量低云量与 1 3 个气候因子之间各自的相关系数对过去近 2 0 年来的云量与 1 3 个气候因子进行相关分析并通过逐步回归的方法建立回归方程并比较回归值和观测值验证回归方程的合理性通过统计方法找出控制中国地区高中低云量的气候因子再从物理意义上分析解释其结果的合理性使云量变化的简单预测成为可能 2 数据资料 本文所选用的云的资料是 I S C C P 最新的月平均云资料集D 2 资料集D 2 资料集的空间分辨率为 2 . 5 2 . 5 时间跨度为 1 9 8 3 . 0 7 至 2 0 0 1 . 0 9 它是目前关于云气候资料集中最为全面的相对于较早的 C 2资料集在很多方
7、面得到了改进 1 2 R o s s o w , a n d S c h i f f e r , 1 9 9 9该资料集中涉及 1 3 0 个与云相关的参数云量是其中最受关注的参数之一 本文中所用的气候因子的资料包括 1 3 个如下因子亚洲纬向环流指数1亚洲经向环流指数2亚洲极涡强度指数3亚洲极涡面积指数4北半球极涡强度指数5北半球极涡面积指数6西太平洋副高面积指数7西太平洋副高强度指数8南方涛动指数9全球平均温度矩平1 0n i n o 1 1 1北太平洋指数1 2n i n a 3 4 1 3 3 气候动力因子与中国云量的相关分析 3 . 1 中国地区平均云量变化 近 20 年来中国不同地
8、区各种云的变化趋势是不同的由图 1a可清楚的看到全球 和我国上空平均总云量的变化 19841986198819901992199419961998200058606264666870YearCloud amount (%)Trend of mean cloud amount 1984-2000globalchina图 1 a 图 1 b 全球和中国地区年平均总云量的变化趋势 1 9 8 3 . 7 2 0 0 1 . 9 中国地区总云量变化趋势 从图 1 ( b ) 中可以看到中国大陆地区总云量的变化随地域有所差异我国西北除了新疆西北部部分地区正值区平均云量增加略有增加外其它大部分地区都呈现减
9、少的态势其中新疆的南部和东部地区有较大幅度的减少华北平原为负值云量减少东北北部地第 3 页 共 10 页 区年平均云量呈增加趋势 青藏高原西北部云量有较大幅度的减少 西南和长江中下游以南地区的云量略有减少基本保持不变在全球总云量趋于减少的大背景下近 2 0 年来我国大陆地区云量也在减少 其中南部多云地区总云量的变化不大 但少云地区的云量减少较为显著 3 . 2 中国地区逐月逐年平均总云量及不同类型云量与各气候因子相关分析 近年来中国地区平均总云量及高云量呈明显的下降趋势 为了研究影响中国地区平均总云量及不同云类云量变化的原因 我们从影响中国地区天气气候变化的主要气候因子中 选取代表不同环流系统
10、的大尺度气候动力因子和环流指数 分别与中国地区逐月平均总云量及不同类型云量和中国地区逐年平均总云量及不同类型云量做相关分析 来比较不同气候因子对中国地区云量影响的大小从气候动力角度探讨影响中国地区近年来云量变化的原因 本文所讨论的上述 1 3 个气候因子 其中南方涛动指数和 N i n a 3 4 指数代表热带低纬气候特征 西太平洋的副高强度指数和北太平洋指数代表西北太平洋大气活动 北半球极涡强度指数北半球极涡面积指数亚洲北极涡强度和面积指数代表北半球大气活动亚洲纬向环流指数和经向环流指数是代表北半球平均大气环流利用 I S C C P D 2 资料集中的总云量和不同云类云量资料统计得到中国地
11、区平均总云量及不同云类云量的相关系数 表 1 是中国地区逐月平均总云量及不同云类云量与各气候因子相关统计表 和中国地区逐年平均总云量及不同云类云量与各气候因子相关统计表 比较两种相关可以发现各个气候因子与中国地区年平均总云量的相关系数比同逐月平均总云量的相关系数低 这是因为 在气候因子与云量的逐月相关中包含了信号月 季循环振荡的影响 而剔除了这一影响的气候因子与云量的逐年相关才较真实的反应了气候因子与中国地区平均云量的关系 因此 当与某气候因子的不但有逐月高相关系数并且逐年相关系数也很高时 才可肯定得出该地区此种类型云量与此气候因子有着显著相关关系 从表 1 中可以看出 中国地区低云量与第 5
12、 个气候因子即北半球极涡强度指数的相关显著 和中国地区中云量与第 6 个气候因子即北半球极涡面积指数的相关显著因此可以得出中国地区中低云量与北半球极涡强度有显著相关关系 1 3 表 1 中国地区逐月逐年平均总云量及不同类型云量与各气候因子相关系数 云量 气候 指数 总云量 ( 逐月) 总云量 ( 逐年) 高云量 ( 逐月) 高云量 ( 逐年) 中云量 ( 逐月) 中云量 ( 逐年) 低云量 ( 逐月) 低云量 ( 逐年) 亚洲纬 向环流 指 数 -0.4936 0.0626 -0.0115 0.0936 0.0921 0.2782 -0.5742 -0.3524 亚洲经 向环流 指 数 -0.
13、3941 -0.1555 -0.0470 0.0246 0.4375 0.0739 -0.5579 -0.2896 第 4 页 共 10 页 亚洲极 涡强度 指 数 -0.7289 0.2819 -0.3655 0.3345 0.4663 0.2953 -0.8437 0.2094 亚洲极 涡面积 指 数 -0.6055 0.2793 -0.3427 0.3087 0.4539 0.1358 -0.7144 0.3924 北半球 极涡强 度指数 -0.7322 0.4313 -0.4014 0.0060 0.4473 0.2922 -0.8365 0.6130 北半球 极涡面 积指数 -0.5
14、834 0.2862 -0.2868 0.4800 0.4768 0.2738 -0.6978 0.2630 副高面 积指数 0.2470 0.0085 0.0772 -0.0232 -0.3590 -0.0214 0.3463 0.0258 副高强 度指数 0.2322 0.0069 0.0690 0.0431 -0.2795 -0.0321 0.3065 -0.0009 南方涛 动指数 -0.1374 -0.1922 -0.1539 -0.2327 -0.1109 -0.4441 -0.0897 -0.0761 全球温 度距平 0.5544 -0.2598 0.2219 -0.3372 -
15、0.5769 -0.1721 0.7075 -0.3299 N i n o 1 0.1560 0.0126 0.2156 -0.0370 0.5430 0.1856 -0.0282 -0.1526 N P 0.5968 -0.0001 0.3659 -0.3782 -0.3971 -0.3838 0.6711 0.2458 N i n a 3 4 0.4229 0.2434 0.3665 0.2033 0.1628 0.4668 0.3457 0.0617 注相关系数都通过的 9 5 % 置信度的检验 3 . 3 中国五个分区逐年平均总云量及不同云类云量与各气候因子相关分析 但由于我国地域广阔
16、地形复杂不同地区所处的气候带存在较大的差异云量变化趋势也不同从上面平均总云量的变化趋势中只能了解到我国云量变化的平均状态并不能从中得到不同区域的变化特征 为了更准确 更详细的了解中国各地区云量及其变化的原因因此本文结合中国降水分布的特点将中国地区的云量分为北部东北部西北部南部西藏地区五个部分 将中国上述五个分区总高中低云量与 1 3 个气候因子做年相关找出其中符合显著性检验的气候因子并按由大到小排序表 2 就是得到的因子排序表 表 2 与中国各分区各种云量相关符合显著性检验的气候因子排序表 总云量 高云量 中云量 低云量 Northeast 1 5 5 North 5 10 11 7 8 5 5 Northwest 5 11 5 3 South 5 10 5 6 3 4 13 9 11 12 7 8 5 tibet 5 10 5 注其中相关系数都通过的
