1、资料和计算
丰富、可靠的气象观测资料是研究和了解大气环流及气候特征的最重要的基础。正是由于它们，才大大加深和扩大了我们对大气和气候运动本身的认识，并为理论研究和数值模拟提供了重要素材和基本保证。没有这些宝贵的资料作为基础，任何关于大气或气候的研究都只能停留在空中楼阁亦或海市蜃楼的阶段。虽然气象观测可以追溯到千年以前，但显然由于条件、认识、技术手段和科学发展水平的限制，在早期只是对发生在某些局部区域的大气中某些特殊天气现象的零星观测，还算不上是对大气环流的从地面到高空、从区域到全球、从单一到综合、从特殊到一般、从里到外、由外及里、从下到上、由上至下、从离散到连续的全方位、全视角的、系统的三维观测。近半个多世纪以来，随着科学技术的迅速发展、监测手段的日益先进、社会需求的不断增加、国际协作的日渐密切，上述状况有了本质的改变。各种新技术如气象雷达、气象卫星、红外及微波遥感、高速电子计算机等在气象观测中的广泛应用，使得气象观测水平有了史无前例的发展，观测的种类和质量有了前所未有的提高。加之，由于人类本身生存和发展的需要，使得气象观测项目和种类大大丰富起来；由于国际间广泛紧密的合作，使得观测资料的协调度和统一性也大大提高了。目前，已经形成了可同时监测全球天气情况的气象观测系统和气象通讯系统。特别是，1991年美国国家环境预报中心（NCEP）和美国国家大气科学研究中心（NCAR）联手实施的全球再分析计划（NCEP/NCAR Global Reanalysis Project），把全球观测资料的质量提高到一个新的水平。该计划在全球范围内，通过世界各国及各主要科研机构和业务部门，把能搜集到的资料包括地面观测资料、高空探测资料、航舶资料、卫星遥感资料、雷达资料、飞机资料、气球资料，浮标资料以及其它观测资料等统一进行编码、详细的订正预处理和复杂的质量控制，并用一个较完善的同化系统统一进行资料同化，使得观测资料的统一性、协调性、可靠性、完善性、代表性都有了显著的提高，引起了国际大气科学界的极大关注和反响。该计划现已完成1948～1997年的资料再分析工作，并在实施新的计划内容。NCEP/NCAR再分析资料反映了当代国际大气科学资料研究的水平，其代表性是不言而喻的。由于所搜集的资料来自于世界各国，所以处理后的资料理应采取“取之于民，用之于民”的使用原则，事实也是如此。因在资料使用上的高度开放性和高效性，目前该再分析资料已成为当今世界上应用最为普遍的大气环流和气候诊断资料。所以，NCEP/NCAR再分析资料是世界各国集体团结协作的优秀结晶，是世界大气科学界的共同财富，可以预料，其巨大的价值必会随着时间的推移越加显现出来。本套全球大气环流气候图集就是利用NCEP/NCAR的1958～1997年40年再分析资料进行统计处理的。
本套图集初步分为五册，具体是：第一册，气候平均态；第二册，变率；第三册，基本模态和遥相关型；第四册，能量、动量和各种输送；第五册，持续性和谱特征。本书是其中的第一册，旨在用尽可能多的气象要素、从更多的角度来全面展示大气环流气候平均状态的三维结构和特征，包括环流的纬向对称性和随经度变化的纬向不均匀性（即纬向对称场的偏差场）。
1.1原始资料
本书所用资料是NCEP/NCAR再分析数据集中月平均资料子集数据的最优月平均资料（月统计是按每日4个时次即0, 6, 12和18时的资料全部参加统计的最优平均），时间段为1958年1月～1997年12月共40年，包括常规要素资料、扩展要素资料和其它要素资料三类，具体由表1给出。
表1 本书中所用NCEP/NCAR1958～1997再分析资料一览表 Table 1. List of NCEP/NCAR 1958-1997 reanalysis data used in this book.
参 数 纬向风 u 经向风 v 垂直速度 ? 位势高度 z 温度 T 比湿 q 相对湿度 r 相对涡度 ? 散度 D 流函数 ? 位势速度 ? 海平面气压 PSL 降水率 P 可降水量 W 对流性降水率 PC
云量 CC, CCH, CCM和CCL
单 位 m s-1 m s-1 hPa s-1 gpm K kg kg-1 % s-1 s-1 m2 s-1 m2 s-1 hPa kg m-2 s-1 kg m-2 kg m-2 s-1 % W m-2
和和和
W m-2
W m-2
W m-2
W m-2 W m-2 W m-2
W m-2
SFC
高 斯
SFC SFC SFC
高 斯 高 斯 高 斯
ST
高 斯
ST
高 斯
层次类型和层次值
p-L17 p-L17 p-L11 p-L17 p-L17 p-L8 p-L8 p-L17 p-L17 p-L17 p-L17 SL SFC TOT SFC THML SFC ST
网格类型 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 经纬度 高 斯 经纬度 高 斯 高 斯 高 斯 高 斯
F向下长波
向下短波向上长波向上短波
?LWF?SWFT?SWF?LWFFT?LWF?SWT?SW净长波 FLW 净短波 FSW 潜热通量感热通量
FF
?LH
?SH
表中的一些符号的意义如下：
p-L17：等压面, 共17层：1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20, 10hPa; p-L11：等压面, 共11层：1000, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100hPa; p-L8：等压面, 共8层：1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300hPa; SL：平均海平面； SFC：地面； ST：地面及大气顶部；
TOT：总大气柱；
THML：总大气柱、高云、中云、低云；
经纬度网格：2.5??2.5?网格，纬向从东经0?E到西经2.5?W，经向从北纬90?N到南纬90?S；
高斯网格：1.875??1.875?网格，纬向从东经0?E到西经1.875?W， 经向从北纬88.542?N到南纬88.542?S。
1.2计算
本书中的气候平均采用统计中简单的等权平均（即算术平均）。对任意量A在第I年第j月（或季）的值记为AI，j，其多年第j月份（或季）的气候平均值为Aj，则
1NAj??AI，jNI?1, (1)
其中N为统计的总年数。本书中N=40。令水平空间场A在离散网格点上的值已知，其在纬度为i、经度为j处的值记为Aij，在纬度为i处A的纬向平均记为[A]i，则
1m[A]i??Aijmj?1, (i?1, 2, ?，n) (2)
其中m为纬圈上的格点数，n为经圈上的格点数。本书中对经纬网格场m＝144，n=73; 对
高斯网格场m＝192, n=94。进一步，记A在纬度为i、经度为j处的纬向偏差值为Aij，则
*Aij?Aij?[A]i,
* (3)
其中i?1, 2, ?，n，j?1, 2, ?，m。
本书中在统计位势高度z的纬向平均时已减去了相应等压面上标准大气的位势高度值zSA。这里标准大气的位势高度zSA是根据1976美国标准大气得来，如表2所示。
表2 本书中所用不同等压面的标准大气位势高度值 (美国标准大气, 1976) Table 2. Values of the geopotential height of standard atmosphere at the different pressure levels used in this book. (U.S. Standard Atmosphere, 1976)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
气 压 p (hPa)
位势高度 zSA (gpm)
110 762 1 457 3 012 4 206 5 574 7 185 9 164 10 363 11 784 13 608 16 180 18 442 20 576 23 849
1 000 925 850 700 600 500 400 300 250 200 150 100 70 50 30
16 17
20 10
26 481 31 055
对于位温?是按下述熟知的公式计算的
?p00??＝T??p????, (4)
其中?＝Rdcp，p00为参考面气压，一般取为p00=1000 hPa.
?相当位温?e是根据下述关系式得到的
?Lqs???e??exp??cT??p?,
(5)
其中L是相变潜热，qs是饱和比湿，满足
0.622esqs＝p， (6)
这里es是饱和水汽压。利用关于饱和水汽压随温度变化关系的Clapeyron-Clausius方程可得
?0.622LT?273.16??es?es0exp??R?Td??,
?es0?108.6(T?273.16)T, (7)
式中es0＝6.11hPa是温度为0?C（即T＝273.16 K）时的饱和水汽压。但由于上式算出的结果与实际情况不完全符合，所以在实际计算中一般采用Magnus的如下经验公式
7.5t??es0?10t?237,es??9.5t?e?10t?265,?s0对于水面；对于冰面.
(8)
其中t=T?273.16是摄氏温度。
一般地说，大气环流是处于斜压状态的。根据绝对加速度的环流定理知，大气的斜压性是产生环流加速度的动力因素。因此，计算表征大气斜压性大小的物理量有重要意义。这一物理量可以由斜压矢量N（又称力管矢量）来表示，即
N=?curl (? grad p)
=?grad ??grad p.
用Hamilton算子表示就是
(10)
斜压矢量N的大小代表了单位面积内力管数的多少。因为力管的存在是大气斜压性的充要条件，所以单位面积上的力管数（即斜压矢量N）给出了大气斜压性大小的度量。简单的推导可得斜压矢量N的三个分量如下：
???p???p?Nx?????y?z?z?y, (11)
N=??? (? ?p) =?????p.
(9)
相关推荐：
loading